単電子転送は1個の電子をクロック信号に合わせ正確に運ぶ技術であり、電流標準や低消費電力情報処理への応用が期待されている。電流標準応用では、GHz以上の高速動作時にエラー率が10^-8以下となる必要がある。これまで、電気的に形成された量子ドットを利用した単電子転送が幅広く研究されてきたが、大きな活性化エネルギーをもつトラップ準位を利用すると更なる高精度動作が期待できる。しかし、その高速動作の可能性は自明ではなかった。今回シリコン中のトラップ準位を介した3.5 GHzの高速単電子転送を達成した[1]。

図1(a)に素子の概略図を示す。電子線描画を利用し、数十ナノメートル幅のシリコン細線上に2層の多結晶シリコンゲート電極を形成した。下層のゲート電極(G1、G2)はシリコン細線中にポテンシャル障壁を作るために利用した。上層のゲート電極はG1-G2間のポテンシャルを変調するために利用した。作製した素子の中でG1の右下の端に単一のトラップ準位（界面トラップに起因する可能性大）が存在するものを選定し、そのトラップ準位を介した単電子転送電流を温度17 Kで測定した。転送を行うためには、G2に固定の負電圧を印加しポテンシャル障壁を形成した状態で、G1に高周波電圧（周波数f）を印加しポテンシャル障壁を変調する［図1(b)の電子ポテンシャル図参照］。G1直下の障壁が低い際に単電子がソースからトラップ準位に捕獲され、高い際にトラップ準位からドレインに単電子が放出されることになる。結果として、転送電流値はef（e：電気素量）となる。詳細な測定から、捕獲過程では十分にG1直下の障壁を低くし放出過程ではトラップ準位の位置に大きな電界を加えることで、捕獲・放出を高速化できることがわかった。これは高周波信号振幅を十分大きくすることで達成できる。このような条件で高周波信号の周波数を上昇させ、図1(c)に示すように最高で3.5 GHzの高速動作を達成した。さらに、高速動作時の転送精度は市販の電流計では計測不可能なほど良好（10^-3以下のエラー率）であることがわかった。理論的には1 GHzで10^-8以下のエラー率になる可能性がある。今後はこのトラップ準位を介した転送の絶対精度評価[2]を行うことで、高精度高速単電子転送の実証を行い電流標準への応用を目指す。

本研究の一部は最先端・次世代研究開発支援プログラム(GR103)の助成を受けて行われた。