共振回路を用いた高速・高感度センサ

西口克彦　山口浩司　藤原　聡　Herre S. J. Zant^＊　Gary A. Steele^＊
量子電子物性研究部　^＊Delft University of Technology

　トランジスタはLSI回路の主要素子であり、その微細化によってLSIの性能が向上してきた。一方、微細なトランジスタは高感度な電荷センサとしても利用できる[1]。我々は、数十nmのチャネルをもつSiトランジスタ(FET)（図1(a)）を用いて室温で単一電子を検出することに成功しており[2]、これまで単一電子を1bitとする回路[3]や計数統計分析[4]、MEMS信号検出[5]などに利用してきた。しかし、チャネルが小さいため抵抗が大きくなり、動作速度が数十～百kHz程度に限られてきた。今回、我々はトランジスタに共振回路を接続し、高周波信号の反射特性をモニタすることで動作速度を20 MHまで改善することに成功した[6]。
　図1(b)に示す様にFETにインダクタLを接続するとFETの寄生容量C_sとでLC共振回路が構成される。回路の共振周波数1/(2πLC_s)に近い周波数f_carrierの信号S_carrierをcoulperを介して回路に印可すると、回路の反射特性に応じた反射信号S_refが得られる。このとき、FETのゲート端子に周波数がf_gate(= 10 MHz)の信号S_gateを印可すると、FETチャネル抵抗とともに回路の反射特性が変調される。その結果、S_refのスペクトラム特性には、S_carrierに起因する信号の両脇にS_gateに起因する2つのサイド・ピークが現れる。今回、S_gateとして単一電子信号に相当するパワーの信号を加えており、これらサイド・ピークの出現はS_gateに印可された単一電子信号の検出を意味する（図2）。LC共振回路は反射特性に応じてS_carrierを一定期間蓄積することができるので、その範囲内で高速にS_gateを検出できる。また、同様の手法を用いる他の素子と比較しSi FETには数桁大きいパワーを印可することができるので、大きなサイド・ピーク信号が得られる。一方、サイド・ピークの周波数f_carrier±f_gate付近では、通常問題となる低周波数領域での1/fノイズを実質的に除去できるためS/N特性が改善する。結果として、高速に微小な信号を検出することが可能となり、20 MHzで感度~10^–4 e/Hz^0.5という性能を室温で実現した。なお、S_refとS_carrierをミキサに入力することで、f_carrier±f_gateに現れるサイド・ピークをもとの周波数f_gateに戻すことができ、任意の波形のS_gateを検出できる。これらの特徴により、室温で動作する高速・高感度なセンサとして幅広い利用が期待できる。
　本研究の一部は最先端・次世代研究開発支援プログラムの助成を受けて行われた。