(57)【要約】【課題】２つの微小伝導領域に対する結合を最大に設計・調整可能とし、ポイント接合の特性を独立に調整可能とし、１つの端子から出力される電圧の測定のみで十分として外部測定系を簡略化し、微小伝導領域に占有する電子の数の差に比例した電圧を生じさせ、電子の数が２以上変化するような状況においても動作可能とし、高温での動作を可能にする。【解決手段】２つの端子３と端子４の間に、トンネル障壁５と微小伝導領域１とトンネル障壁６と微小伝導領域２とトンネル障壁７とを直列に接続する。また、微小伝導領域１と強く静電的に結合したポイント接合８と、微小伝導領域２と強く静電的に結合したポイント接合９を設け、このポイント接合８とポイント接合９の片側の電極を共通にして出力端子１２に接続し、このポイント接合８とポイント接合９の反対側の電極はそれぞれ電源供給端子１０と電源供給端子１１に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体の間に微小伝導領域とトンネル障壁が交互に直列に配置されることにより構成された二重ドットを有する双方向単一電子計数素子において、
それぞれの前記微小伝導領域と静電的に結合するためにそれぞれ近接して配置され、前記微小領域を電子がトンネルすることによって流れる電流を計測するためのポイント接合と、
それぞれの前記ポイント接合が備える一方の電極にそれぞれ接続された電源端子と、
それぞれの前記ポイント接合が備える他方の電極が共通して接続された出力端子と、
を備えることを特徴とする双方向単一電子計数素子。
【請求項２】
前記ポイント接合は、
単一電子トランジスタ、量子細線、電界効果トランジスタのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の双方向単一電子計数素子。
【請求項３】
ガリウム砒素層とアルミニウムガリウム砒素層とシリコン添加アルミニウムガリウム砒素層の積層により構成された半導体積層構造と、
前記半導体積層構造の表面に隔間して設けられた２つの第１の電極と、
前記第１の電極の間に隔間して配置された５つの第１のゲート電極と、
前記第１のゲート電極に印加される所定のゲート電圧により制御可能に構成された２つの微小伝導領域と、
前記第１のゲート電極に印加される所定のゲート電圧により制御可能に構成された３つのトンネル障壁と、
前記微小伝導領域と前記トンネル障壁が交互に直列に配置されて構成された２つの量子ドットと、
前記半導体積層構造の表面に隔間して設けられた３つの第２の電極と、
前記第２の電極の間に隔間してそれぞれ配置された２つの第２のゲート電極と、
前記第２のゲート電極に印加される所定のゲート電圧により制御可能に構成された２つのポイント接合と、
前記半導体積層構造の表面において、前記第１の電極と前記第１のゲート電極と前記微小伝導領域と前記トンネル障壁と前記量子ドットが設けられた範囲と、前記第２の電極と前記第２のゲート電極と前記ポイント接合が設けられた範囲と、を互いに絶縁するための第３のゲート電極と、
を備えることを特徴とする双方向単一電子計数素子。
【請求項４】
前記半導体積層構造は、
前記ガリウム砒素層と前記アルミニウムガリウム砒素層がノンドープであることを特徴とする請求項３に記載の双方向単一電子計数素子。
【請求項５】
前記半導体積層構造は、
前記ガリウム砒素層が電子走行層を形成し、前記アルミニウムガリウム砒素層が障壁層を形成し、前記シリコン添加アルミニウムガリウム砒素層が電子供給層を形成していることを特徴とする請求項３または４に記載の双方向単一電子計数素子。
【請求項６】
前記第１の電極と前記第２の電極は、
共に前記ガリウム砒素層へのオーミック電極であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の双方向単一電子計数素子。
【請求項７】
前記第１のゲート電極と前記第２のゲート電極と前記第３のゲート電極は、
共に前記シリコン添加アルミニウムガリウム砒素層に対するショットキーゲートであることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の双方向単一電子計数素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極微小な電流の計測において電子を計数するための双方向単一電子計数素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の双方向単一電子計数素子は、たとえば図８に示すように構成されている。２つの端子５３と端子５４の間に、トンネル障壁５５と微小伝導領域５１とトンネル障壁５６と微小伝導領域５２とトンネル障壁５７とが直列に接続されており、微小伝導領域５１と強く静電的に接合し、かつ微小伝導領域５２と弱く結合するように設計されたポイント接合５８を２つの端子５９と端子６０との間に設けたものである。
【０００３】
ポイント接合５８が異なる大きさの結合でこの２つの微小伝導領域と結合しているため、２つの微小伝導領域に電子がいない状態と、微小伝導領域５１に１個の電子がいる状態と、微小伝導領域５２に１個の電子がいる状態とを見分けることができる。
【０００４】
ここで、この電子が、微小伝導領域５１から微小伝導領域５２へトンネルする順方向のトンネル事象と、微小伝導領域５２から微小伝導領域５１へトンネルする逆方向のトンネル事象をカウントすることにより、双方向単一電子計数素子として機能するものである（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】藤澤利正、林稔晶、富田律也、平山祥郎「二重量子ドットによる単一電子カウンティング素子」２００５年秋季  第６６回応用物理学会学術講演会  ８ｐＺＬ１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来型の双方向単一電子カウンタは、１つのポイント接合によって３つの電荷状態を判別しなくてはならないので十分な感度を得ることは難しかった。
【０００６】
また、結合の大きさを独立に変えることができないため、ポイント接合の設計および調整が難しかった。
【０００７】
また、ポイント接合を流れる電流を測定する必要があるため、外部に電流電圧変換回路を用いる必要があった。
【０００８】
また、複数の電子が微小伝導領域に入ることによって伝導度が次々に変化するため、過剰な電子の数を高々１個または２個程度に制限する必要があり、そのためクーロン閉塞が十分に働く低温での動作が必要不可欠であった。
【０００９】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、２つのポイント接合を集積化することにより、２つの微小伝導領域に対する結合を最大に設計・調整可能とし、ポイント接合の特性を独立に調整可能とし、１つの端子から出力される電圧の測定のみで十分として外部測定系を簡略化することにある。
【００１０】
また、素子構造を対称的にすることにより、微小伝導領域に占有する電子の数の差に比例した電圧を生じさせ、電子の数が２以上変化するような状況においても動作可能とし、高温での動作を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために請求項１に記載の本発明においては、導体の間に微小伝導領域とトンネル障壁が交互に直列に配置されることにより構成された二重ドットを有する双方向単一電子計数素子において、それぞれの前記微小伝導領域と静電的に結合するためにそれぞれ近接して配置され、前記微小領域を電子がトンネルすることによって流れる電流を計測するためのポイント接合と、それぞれの前記ポイント接合が備える一方の電極にそれぞれ接続された電源端子と、それぞれの前記ポイント接合が備える他方の電極が共通して接続された出力端子と、を備える。
【００１２】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１において、前記ポイント接合は、単一電子トランジスタ、量子細線、電界効果トランジスタのうちのいずれかである。
【００１３】
また、請求項３に記載の本発明は、ガリウム砒素層とアルミニウムガリウム砒素層とシリコン添加アルミニウムガリウム砒素層の積層により構成された半導体積層構造と、前記半導体積層構造の表面に隔間して設けられた２つの第１の電極と、前記第１の電極の間に隔間して配置された５つの第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極に印加される所定のゲート電圧により制御可能に構成された２つの微小伝導領域と、前記第１のゲート電極に印加される所定のゲート電圧により制御可能に構成された３つのトンネル障壁と、前記微小伝導領域と前記トンネル障壁が交互に直列に配置されて構成された２つの量子ドットと、前記半導体積層構造の表面に隔間して設けられた３つの第２の電極と、前記第２の電極の間に隔間してそれぞれ配置された２つの第２のゲート電極と、前記第２のゲート電極に印加される所定のゲート電圧により制御可能に構成された２つのポイント接合と、前記半導体積層構造の表面において、前記第１の電極と前記第１のゲート電極と前記微小伝導領域と前記トンネル障壁と前記量子ドットが設けられた範囲と、前記第２の電極と前記第２のゲート電極と前記ポイント接合が設けられた範囲と、を互いに絶縁するための第３のゲート電極と、を備える。
【００１４】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項３において、前記半導体積層構造は、前記ガリウム砒素層と前記アルミニウムガリウム砒素層がノンドープである。
【００１５】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項３または４において、前記半導体積層構造は、前記ガリウム砒素層が電子走行層を形成し、前記アルミニウムガリウム砒素層が障壁層を形成し、前記シリコン添加アルミニウムガリウム砒素層が電子供給層を形成している。
【００１６】
また、請求項６に記載の本発明は、請求項３〜５のいずれかにおいて、前記第１の電極と前記第２の電極は、共に前記ガリウム砒素層へのオーミック電極である。
【００１７】
また、請求項７に記載の本発明は、請求項３〜６のいずれかにおいて、前記第１のゲート電極と前記第２のゲート電極と前記第３のゲート電極は、共に前記シリコン添加アルミニウムガリウム砒素層に対するショットキーゲートである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、２つのポイント接合を集積化することにより、２つの微小伝導領域に対する結合を最大に設計・調整可能とし、ポイント接合の特性を独立に調整可能とし、１つの端子から出力される電圧の測定のみで十分として外部測定系を簡略化することができる。
【００１９】
また、本発明の別の効果は、素子構造を対称的にすることにより、微小伝導領域に占有する電子の数の差に比例した電圧を生じさせ、電子の数が２以上変化するような状況においても動作可能とし、高温での動作を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る双方向電子計数素子の構成図を示している。
【００２１】
この図１において、２つの端子（導体）３と端子（導体）４の間に、トンネル障壁５と微小伝導領域１とトンネル障壁６と微小伝導領域２とトンネル障壁７とが直列に接続されている。
【００２２】
また、微小伝導領域１と強く静電的に結合したポイント接合８と、微小伝導領域２と強く静電的に結合したポイント接合９が設けられ、このポイント接合８とポイント接合９の片側の電極を共通にして出力端子１２に接続されており、このポイント接合８とポイント接合９の反対側の電極はそれぞれ電源供給端子（電源端子）１０と電源供給端子（電源端子）１１に接続されている。
【００２３】
本実施の形態においては、微小伝導領域１に電子がいないときにポイント接合８の伝導度が高く、微小伝導領域１に電子がいるときにポイント接合８の伝導度が低くなるように、ポイント接合８を設計・調整する。
【００２４】
同様に、微小伝導領域２に電子がいないときにポイント接合９の伝導度が高く、微小伝導領域２に電子がいるときにポイント接合９の伝導度が低くなるように、ポイント接合９を設計・調整する。
【００２５】
また、電源供給端子１０および電源供給端子１１の間に適当な電圧を印加しておく。このとき、２つの微小伝導領域１および微小伝導領域２に、全く電子がいない状態と、微小伝導領域１にのみ電子がいる状態と、微小伝導領域２にのみ電子がいる状態とで、出力端子１２に異なる電圧が発生するため、電子がどの状態にあるかを明確に測定することができる。
【００２６】
このような構成により、ポイント接合８と微小伝導領域１との結合を最大にし、かつポイント接合９と微小伝導領域２との結合を最大にするように、素子を設計することができる。
【００２７】
また、ポイント接合に制御用のゲート電極がある場合にはゲート電圧によってポイント接合の動作点を調整することができる。さらに、電源端子と出力端子を分離することにより、電圧出力を得ることができ、外部測定回路を簡略化できる。
【００２８】
なお、これらの動作は、微小伝導領域の電荷状態によって伝導度が変化するポイント接合の性質を利用したものであり、同様の性質を示す単一電子トランジスタ、または量子細線、または電界効果トランジスタ、またはカーボンナノチューブ素子などによって置き換えても動作することができる。
【００２９】
これらの素子への置き換えは、たとえば図５に示す変形例のように、破線で示された置き換え部分２０、２１に単一電子トランジスタ、または量子細線、または電界効果トランジスタ、またはカーボンナノチューブ素子を配置することができる。
【００３０】
また、上記で示した動作は、微小伝導領域の電子の数が０個（電子がいない）または１個（電子がいる）である場合について示したが、任意の正数Ｎ、Ｍとして、微小伝導領域１を占有する電子数をＮ個、微小伝導領域２を占有する電子数をＭ個と考えた場合においても、双方向単一電子計数が正しく機能する。
【００３１】
この場合、対応するポイント接合の伝導度がＮおよびＭに比例して変化する領域を考えると、出力電圧には、（Ｍ−Ｎ）に比例した電圧が現れる。双方向の電流電子計数においては、２つの微小伝導領域の間をトンネル電子のみを計数すればよいため、ＭとＮの正確な値を計測する必要はなく、Ｍ−Ｎの差が時間的に増減する様子を観測すればよい。
【００３２】
そのため、本実施の形態の構成によって、任意のＭ、Ｎにおいても双方向単一電子計数が可能になる。それによって、低温のクローン閉塞領域で素子を動作する必要がなくなり、高温においても双方向単一電子計数が可能になるものである。
【００３３】
つぎに、本実施の形態の双方向単一電子計数素子を作製するための具体的手法について説明する。
【００３４】
図２と図３は、ガリウム砒素層２８と、アルミニウムガリウム砒素層２６と、シリコン添加アルミニウムガリウム砒素層２５と、からなる半導体積層構造（図３）を、エッチング加工とゲート電極によって作製した素子の構造（図２）をそれぞれ示している。
【００３５】
図３に示す半導体積層構造は、ガリウム砒素層２８と前記アルミニウムガリウム砒素層２６がノンドープである。さらに、ガリウム砒素層２８が電子走行層（二次元電子ガス層）２７を形成し、アルミニウムガリウム砒素層２６が障壁層を形成し、シリコン添加アルミニウムガリウム砒素層２５が電子供給層を形成している。
【００３６】
複数のゲート電極１５に適当なゲート電圧を印加することにより、図１で示した双方向単一電子計数素子を実現することができる。すなわち、電極３と電極４の間に、ゲート電極１５に印加するゲート電圧で制御可能な３つのトンネル障壁と２つの微小伝導領域（量子ドット１、２）が直列に接続されている。別のゲート電極１５によって絶縁された領域に、ゲート電極１５によって調整可能なポイント接合８、９が設けられ、電極１０、１１、１２にそれぞれ接続されている。さらに、電極３、４は、共にガリウム砒素層２８へのオーミック電極であり、ゲート電極１５はシリコン添加アルミニウムガリウム砒素層２５に対するショットキーゲートである。
【００３７】
なお、このような構成に基づいて製作した双方向単一電子計数素子の一例について、その表面の表面電子顕微鏡写真を図４に示す。
【００３８】
このような手法で作製した双方向単一電子計数素子の量子ドット（量子ドット１、２）は、帯電エネルギー１ｍｅＶ程度のものが得られ、ポイント接合８、９の伝導度を０から数ｍＳ程度まで広範囲に調整することができる。
【００３９】
つぎに、本実施の形態による双方向単一電子計数素子の電子計数の構成は次のようになる。この双方向単一電子計数素子を用いて、図６に示す回路を構成し、端子３に入ってくる電流Ｉinの電子を計数することが本実施の形態による双方向単一電子計数素子の目的である。
【００４０】
微小伝導領域１を占有する電子数をＮ個、微小伝導領域２を占有する電子数をＭ個とし、ポイント接合８の伝導度がＧ8 ＝Ｇ0 −ａＮのように、ポイント接合９の伝導度がＧ9 ＝Ｇ0 −ａＭのように変化するように、双方向単一電子計数素子またはゲート電圧を調整する。このとき、端子１０にＶ0 の電圧を印加しておくと、出力端子１２に現れる電圧Ｖout はＮとＭに依存して変化するが、Ｇ0 に比較して、ａＮやａＭが小さい領域を考えると、出力電圧は
【数１】
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【００４１】
で与えられ、Ｍ−Ｎに依存する電圧が得られる。
【００４２】
いま、電流電子が微小伝導領域１、２を流れる際に、電子数ＮとＭが図７で示されるように変化した場合について検討する。また、期待される出力電圧Ｖout の変化をａＶ0 /４Ｇ0 を単位として示したグラフも示している。
【００４３】
図７において、左半分の（ｉ）の領域は、微小伝導領域１、２の全電子数（Ｎ＋Ｍ）が０または１の場合で、クーロン閉塞領域の微小伝導領域に相当する。この場合の変化は、電子が電極３から微小伝導領域１に入り、微小伝導領域２との間を往復してから、電極４に出て行く様子を出力電圧Ｖout の値からで読み取ることができる。
【００４４】
またＶout の値が−１から＋１に、なすわち＋２だけ変化する場合に、微小伝導領域１から微小伝導領域２へ右方向に１個の電子が流れたと解釈し、その電流ＩＣの場合を＋１と表し、また、Ｖout の値が＋１から−１に、すなわち−２だけ変化する場合に、微小伝導領域２から微小伝導領域１へ左方向に１個の電子が流れたと解釈し、その電流ＩＣの場合を−１と表したものがグラフで示している。このようにして、双方向の単一電子の計数が可能になる。
【００４５】
また、双方向単一電子計数素子の温度が高い場合にはクーロン閉塞領域になく、電子数Ｎ、Ｍは、大きく変化することが考えられる。この場合を図７の（ii）の領域で示している。この場合、Ｖout の値も大きく変化することになるが、クーロン閉塞領域と同様に、Ｖout の値が＋２だけ変化する場合に右方向電流（＋１）、−２だけ変化する場合に左方向電流（−１）と解釈することにより双方向単一電子計数が可能になる。
【００４６】
このようにして、２つの微小伝導領域と２つのポイント接合を集積化することにより、感度の低下を招くことなく、クーロン閉塞領域の低温動作に限定されず、１つの出力電圧の変化から双方向の単一電子の計数が可能な素子として機能させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施の形態に係る双方向単一電子計数素子の構成図を示す。
【図２】実施の形態に係る双方向単一電子計数素子の外観図を示す。
【図３】実施の形態に係る双方向単一電子計数素子の半導体積層構造の断面図を示す。
【図４】双方向単一電子計数素子の電子顕微鏡写真を示す。
【図５】双方向単一電子計数素子の変形例を示す。
【図６】電気特性の電子計数の構成図を示す。
【図７】電子計数の結果の一例を示す。
【図８】従来の双方向単一電子計数素子の構成図を示す。
【符号の説明】
【００４８】
１、２、５１、５２…微小伝導領域
３、４、５３、５４、５９、６０…端子（電極）
５、６、７、５５、５６、５７…トンネル障壁
８、９、５８…ポイント接合
１０、１１、１２…端子（電極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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