JP4865822B2

JP4865822B2 - 単電子素子インピーダンス測定装置および単電子素子インピーダンス測定方法

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Publication number: JP4865822B2
Application number: JP2009023030A
Authority: JP
Inventors: 剛太田; 利正藤澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: JP2010181202A

Description

本発明は、単電子素子を構成する抵抗成分と容量成分からなるトンネル障壁を介した電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンス、つまり抵抗成分と容量成分を、上記単電子トランジスタ近傍にある電荷検出計の信号として素子上で位相検波する装置に関する。

従来の高速で動作する電荷検出計として、図５に示すように構成されている高周波単電子トランジスタが知られている。この高周波単電子トランジスタにおいて、単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域１０１（以下、微小島１０１と称する）に、２つのトンネル障壁１０３と１０５を介して電子を出し入れすることができる。通常、このような微小島１０１は、半導体や金属を微細加工することによって、あるいは微小な伝導性分子や微粒子と半導体や金属とのトンネル接合を作製することによって得られる。

典型的な高周波単電子トランジスタ回路においては、微小島１０１は、トンネル障壁１０５を介した電極１０４と、トンネル障壁１０３を介した電極１０２とが接合されている。この電極１０４は接地され、電極１０２には人為的または寄生的に形成されたキャパシター１０６を介して接地されている。そして、電極１０２には、インダクター１０７を介して高周波信号１０８が入力される。以降、電極１０２を入出力端子１０２と称して説明する。

ここで、キャパシター１０６とインダクター１０７で定められる共振周波数の高周波を入出力端子１０２に入力すると、反射信号がこの入出力端子１０２に現れる。このとき、高周波の入力信号に対する反射信号の比、すなわち反射係数を測定することによって、単電子トランジスタのインピーダンスを高速かつ高感度に求めることができる。ここで、単電子トランジスタのインピーダンスは微小島１０１の電荷状態によって決まるため、高速かつ高感度な電荷検出計として利用することができる。このような技術として、非特許文献１が知られている。

R.Schoelkopf, "The radio-frequency single-electron transistor: a fast and ultrasensitive electrometer" Science, 280, pp.1238-1242

しかしながら、このような従来の高周波単電子トランジスタにおいて測定される反射係数は、単電子トランジスタが高抵抗（クーロンブロッケード状態）の場合には原理的に１であり、単電子トランジスタが低抵抗（１０キロオーム以上）の場合でも、通常用いられている回路定数では１を僅かに下回る値である。そのため、インピーダンスを得るためには、上記の僅かな反射係数の差を測定する必要があるとともに、大きな精度（桁数）が要求されるという問題があった。

また、従来型の高周波単電子トランジスタにおいては、回路内のキャパシターとインダクターで決定される共振周波数（通常はメガヘルツ帯域）でしか動作せず、周波数可変幅は極めて狭いという問題があった。従って、この共振周波数で決まる限定的な電荷状態しか検出することができないという問題があった。また、共振周波数を変化させる場合にはキャパシターとインダクターなどの回路部品を組み込んだ回路を再構成する必要があり、煩雑さが要求されるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、測定のための回路部品を減じるとともに入力する周波数の帯域を広くして、単電子トランジスタのインピーダンスを高感度に求めることができる単電子素子インピーダンス測定装置を提供することにある。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島と、当該微小島にトンネル障壁を介して接合する電極である入力電極とを有する単電子トランジスタと、前記単電子トランジスタの近傍かつ前記単電子トランジスタの伝導路とは電気的に絶縁されている別の伝導路にあり、前記微小島と静電的に結合されているポイント接合と、前記ポイント接合に接合する一方の電極および前記入力電極に広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、当該入力信号によって誘起される前記微小島と前記入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う前記単電子トランジスタのインピーダンスを、前記ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波する電荷検出計と、を有することを特徴とする単電子素子インピーダンス測定装置である。

請求項２に記載の発明は、上記単電子トランジスタが、量子力学的に結合した複数の前記微小島を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の単電子素子インピーダンス測定装置である。

請求項３に記載の発明は、前記微小島が、ＧａＡｓ化合物半導体、シリコン、炭素系材料、単一分子のうちのいずれかである、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単電子素子インピーダンス測定装置である。

請求項４に記載の発明は、上記広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が、正弦波信号またはパルス信号であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の単電子素子インピーダンス測定装置である。

請求項５に記載の発明は、単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島と、当該微小島にトンネル障壁を介して接合する電極である入力電極とを有する単電子トランジスタと、前記単電子トランジスタの近傍かつ前記単電子トランジスタの伝導路とは電気的に絶縁されている別の伝導路にあり、前記微小島と静電的に結合されているポイント接合と、前記単電子トランジスタのインピーダンスを検出する電荷検出計とを有する単電子素子インピーダンス測定装置において用いられる単電子素子インピーダンス測定方法であって、前記電荷検出計が、前記ポイント接合に接合する一方の電極および前記入力電極に広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、当該入力信号によって誘起される前記微小島と前記入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う前記単電子トランジスタのインピーダンスを、前記ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波して検出する、ことを特徴とする単電子素子インピーダンス測定方法である。

この発明によれば、微小島と静電的に結合されているポイント接合に接合する一方の電極および微小島に接合する入力電極に、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、電荷検出計が、当該入力信号によって誘起される微小島と入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンス変分を、ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波して検出する。
これにより本発明は、測定のための回路部品を減じるとともに入力する周波数の帯域を広くして、単電子トランジスタのインピーダンスを高感度に求めることができるという効果を奏する。

この発明の第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置の構成を示すブロック図である。位相可変高周波電圧信号の周波数を１ｋＨｚとしたときの時間平均電流〈Ｉ_QPC〉のゲート電圧Ｖｇ依存性を示すグラフである。電極２０と電極２１に入力する位相可変高周波電圧信号の位相差θに対する電流ピーク（ディップ）の変化を示すグラフである。この発明の第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置の構成を示すブロック図である。従来の高周波単電子トランジスタの構成を示すブロック図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、この発明の第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置の構成を示す概略ブロック図である。

単電子トランジスタ３０は、単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島１と、この微小島１にトンネル障壁３を介して接合する電極２（入力電極）と、この微小島１にトンネル障壁５を介して接合する電極４とを有している。

微小島１は、ＧａＡｓ化合物半導体、シリコン、炭素系材料（カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン）、フラーレンまたは有機分子である単一分子、または金属を微細加工することによって、あるいは微小な伝導性分子や微粒子と半導体や金属とのトンネル接合を作製することによって得られる。

この微小島１には、トンネル障壁３またはトンネル障壁５を介して電子を１個ずつ出し入れすることができる。たとえば本実施形態においては、トンネル障壁３を介して電極２から微小島１に、電子を１個ずつ出し入れすることができる。なお、たとえば本実施形態においては、電極４は接地されている。なおトンネル障壁３と同様に、トンネル障壁５を介して電極４から微小島１に、電子を１個ずつ出し入れすることも可能である。

このような微小島１にトンネル障壁３を介して接続されている電極２は入力端子であり、この電極２には位相可変高周波電圧信号２０が入力される。この位相可変高周波電圧信号２０は、たとえば、正弦波信号である。この位相可変高周波電圧信号２０と後述する位相可変高周波電圧信号２１とは、互いの位相を可変とされる。

ポイント接合７は、キャパシター６を介して微小島１と静電的に結合している。また、このポイント接合７を構成する伝導路と、微小島１を有する単電子トランジスタ３０を構成する伝導路とは、近接しているが（両者の距離は１００ナノメートル程度）、別の伝導路にあり、電気的には絶縁されている。ここで、電極２から微小島１に出入りする電子によって、ポイント接合７のコンダクタンスが変調されることから、ポイント接合７は単電子トランジスタ３０に対する電荷検出計として機能する。

本実施形態においては、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号２０と２１とを、単電子トランジスタ３０の電極２および電荷検出計１０が電極９とポイント接合７とを介して接合する電極８に独立して入力することで、素子上で位相検波を行う。

すなわち、ポイント接合７に接合する一方の電極８および単電子トランジスタ３０の入力端子である電極２に、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号２０と２１とが入力信号として独立して入力される。そして、電荷検出計１０は、この入力信号によって誘起される微小島１と電極２との間の時間的な電荷移動に伴う単電子トランジスタ３０のインピーダンス変分を、ポイント接合７に接合する他方の電極９から出力される出力信号により位相検波する。この電荷検出計１０の他端は、直流電源１１の一端に接続されている。この直流電源１１の他端は、接地されている。

たとえば、電極２を介して微小島１に周波数ｆopの位相可変高周波電圧信号２０を入力すると、微小島１のポテンシャルが変調され、微小島１と電極２と電極４とで構成される単電子トランジスタ３０のインピーダンスＺQD（ｆop）が変化する。ここで、電極８を介してポイント接合７に周波数ｆop、位相差θの位相可変高周波電圧信号２１を入力すると、電極９に接続する電荷検出計１０で検出される時間平均電流〈ＩQPC〉は、ＺQD（ｆop）ｅ^iθに比例する。そのため、位相差θを変調することで、インピーダンスＺQD（ｆop）のレジスタンス成分とリアクタンス成分とを独立に検出することができる。

また、たとえば、トンネル障壁３の高さを調整するゲート電圧Ｖｇを変化させながら時間平均電流〈Ｉ_QPC〉を測定すると、バックグランド成分を伴った電流ピーク（もしくはディップ）が観測される。図２は位相可変高周波電圧信号の周波数を１ｋＨｚとしたときの時間平均電流〈Ｉ_QPC〉のゲート電圧Ｖｇ依存性を示したグラフである。なお、バックグランド成分は電極２と電極８の間の静電的結合に起因する。

この図２に示されるように、微小島１において電子数が変化する境界領域で、微小島１と電極２と電極４とからなる単電子トランジスタ３０のインピーダンスの増大に伴う電荷検出計１０のコンダクタンスの増大によって、電流ピークが観測される。ここで、ポイント接合７からなる電荷検出計１０の信号がピークもしくはディップになるのは、微小島１とポイント接合７の位置関係で決まる。

図３は電極２と電極８とに入力する位相可変高周波電圧信号の位相差θに対して、電荷検出計１０で検出される信号における電流ピーク（ディップ）の変化を示したグラフである。このグラフから、周波数が低いときは位相差がゼロのときにピーク強度が最大となり、位相差が９０度となる場合にはピーク強度が０となることから、位相検波ができていることがわかる。そして、周波数の増大とともにピーク強度が減少し、位相がシフトする（図３中の矢印参照）。これは、ピーク強度の減少は入力電圧の周波数がトンネル障壁３を通過する時間に近づくために、電荷移動が起こりにくくなるためである。また位相のシフトは、電荷検出計１０が単電子トランジスタ３０のインピーダンスを検出していることを保証している。

上記に説明した第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置においては、微小島１と静電的に結合されているポイント接合７に接合する一方の電極８および微小島１に接合する入力電極２に、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号２０と２１とが入力信号として独立して入力される。そして、電荷検出計１０が、当該入力信号によって誘起される微小島１と入力電極２との間の時間的な電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンス変分を、ポイント接合７に接合する他方の電極９から出力される出力信号により位相検波して検出する。

これにより、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置においては、従来技術のように入力電極２で反射係数を測定する必要がないために、インピーダンスを得るために、僅かな反射係数の差を測定する必要が無くなる。また、従来技術のように回路内のキャパシターとインダクターで決定される共振周波数（通常はメガヘルツ帯域）で動作させる必要がないために、周波数可変幅を広くすることができる。また、従来技術のように共振周波数で動作させる必要がないために、共振周波数を変化させる場合に必要となるキャパシターとインダクターなどの回路部品を組み込んだ回路を再構成する必要がなくなる。

すなわち、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置は、キャパシターやインダクター等の回路部品を必要とせず、数ヘルツ程度から数十ギガヘルツまでの広帯域で単電子トランジスタのインピーダンスを測定でき、このインピーダンスは微小島における電荷伏態によって決定されることから、広帯域での電荷状態の検出を可能にすることが出来る。

従って、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置は、測定のための回路部品を減じるとともに入力する周波数の帯域を広くして、単電子トランジスタのインピーダンスを高感度に求めることができるという効果を奏する。

＜第２の実施形態＞
次に図４を用いて、第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置の構成について説明する。第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置は、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置に対比して、単電子トランジスタ３０が、量子力学的に結合した複数の直列に結合された微小島１を有している。

この図４において、図１の構成に対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略し、図１の構成と相違する構成のみについて説明する。この図４における単電子トランジスタ３０Ａは、図１の単電子トランジスタ３０に相当する。ここでは単電子トランジスタ３０Ａが、量子力学的に結合した２つの微小島１、すなわち微小島１Ａと微小島１Ｂとを有する場合について説明する。

単電子トランジスタ３０Ａは、図１の微小島１に代えて、直列に接続されている複数の微小島を有している。たとえば、単電子トランジスタ３０Ａは、図１の微小島１に代えて、微小島１Ａと微小島１Ｂとを有している。この微小島１Ａと微小島１Ｂとは、トンネル障壁３Ａを介して直列に接続されている。

この第２の実施形態においても、図１を用いて説明した第１の実施形態の場合と同様に、トンネル障壁３Ｂを介して電極２から微小島１Ｂに、電子を１個ずつ出し入れすることが可能である。また、トンネル障壁５を介して電極４から微小島１Ａに、電子を１個ずつ出し入れすることも可能である。更に、トンネル障壁３Ａを介して微小島１Ａから微小島１Ｂに、またはその逆に、トンネル障壁３Ａを介して微小島１Ｂから微小島１Ａに、１個ずつ電子を出し入れすることも可能である。

複数の微小島のそれぞれには、ポイント接合７が対応付けられて設置されている。たとえば、ポイント接合７Ａは、キャパシター６Ａを介して微小島１Ａと静電的に結合しており、ポイント接合７Ｂは、キャパシター６Ｂを介して微小島１Ｂと静電的に結合している。また、ポイント接合７Ａとポイント接合７Ｂとは、微小島１Ａと微小島１Ｂと同様に、直列に接続されている。

この第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置においても、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置と同様に、直列に接続されている複数の微小島１（１Ａと１Ｂ）と静電的に結合されている複数のポイント接合７（７Ａと７Ｂ）に接合する一方の電極８、および、直列に接続されている複数の微小島１（１Ａと１Ｂ）のうちの微小島１Ｂに接合する入力電極２に、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号２０と２１とが入力信号として独立して入力される。そして、電荷検出計１０が、当該入力信号によって誘起される微小島１Ｂと入力電極２との間の時間的な電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンス変分を、ポイント接合７Ａに接合する他方の電極９から出力される出力信号により位相検波して検出する。

これにより第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置は、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置と同様に、測定のための回路部品を減じるとともに入力する周波数の帯域を広くして、単電子トランジスタのインピーダンスを高感度に求めることができるという効果を奏する。

上述した第１または第２の実施形態によれば、次の効果を奏する。
・単電子トランジスタのインピーダンス（レジスタンス成分およびリアクタンス成分）を得ることができる。
・トンネル障壁３やトンネル障壁５を介した電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンスの変化を測定することで、電子のトンネル時間を測定することができる。
・微小島中の電子スピンの緩和時間は数百マイクロ秒であることから、本実施形態による技術により単一スピン状態を検出することができる。

また、上述した第２の実施形態によれば、次の効果を奏する。
・量子力学的に結合した二つの微小島を用いれば、ドット間障壁の電荷移動に伴うインピーダンスを測定することができる。
・複数の微小島を直列に結合させた系において、複数の微小島の電荷状態を検出できる。
・量子力学的に結合した二つの微小島において、電荷が構成する量子力学的な状態である反結合軌道状態と結合軌道状態を識別して検出することができる。両状態を識別するにはフォノン緩和時間（数ギガヘルツ）よりも高速な測定が必要であり、本技術によって検出が可能である。

なお、微小島を構成する半導体材料としては、ＧａＡｓ化合物半導体、シリコン、炭素系材料（カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン）、単一分子（フラーレンまたは有機分子）などが挙げられる。
また、位相可変高周波電圧信号における正弦波信号をパルス信号に置き換えても同様の効果を得ることができる。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１，１Ａ、１Ｂ、１０１…微小島、２、４、８、９，１０２、１０４…電極、３、３Ａ、３Ｂ、５、１０３、１０５…トンネル障壁、６、６Ａ、６Ｂ、１０６…キャパシター、７、７Ａ、７Ｂ…ポイント接合、１０…電荷検出計、１１…直流電源、２０、２１…位相可変高周波電圧信号、１０７…インダクター、１０８…高周波信号

Claims

単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島と、当該微小島にトンネル障壁を介して接合する電極である入力電極とを有する単電子トランジスタと、
前記単電子トランジスタの近傍かつ前記単電子トランジスタの伝導路とは電気的に絶縁されている別の伝導路にあり、前記微小島と静電的に結合されているポイント接合と、
前記ポイント接合に接合する一方の電極および前記入力電極に広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、当該入力信号によって誘起される前記微小島と前記入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う前記単電子トランジスタのインピーダンスを、前記ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波する電荷検出計と、
を有することを特徴とする単電子素子インピーダンス測定装置。
上記単電子トランジスタが、
量子力学的に結合した複数の前記微小島を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の単電子素子インピーダンス測定装置。
前記微小島が、
ＧａＡｓ化合物半導体、シリコン、炭素系材料、単一分子のうちのいずれかである、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単電子素子インピーダンス測定装置。
上記広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が、
正弦波信号またはパルス信号であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の単電子素子インピーダンス測定装置。
単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島と、当該微小島にトンネル障壁を介して接合する電極である入力電極とを有する単電子トランジスタと、前記単電子トランジスタの近傍かつ前記単電子トランジスタの伝導路とは電気的に絶縁されている別の伝導路にあり、前記微小島と静電的に結合されているポイント接合と、前記単電子トランジスタのインピーダンスを検出する電荷検出計とを有する単電子素子インピーダンス測定装置において用いられる単電子素子インピーダンス測定方法であって、
前記電荷検出計が、
前記ポイント接合に接合する一方の電極および前記入力電極に広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、当該入力信号によって誘起される前記微小島と前記入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う前記単電子トランジスタのインピーダンスを、前記ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波して検出する、
ことを特徴とする単電子素子インピーダンス測定方法。