(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
柔構造を有する二重トンネル接合素子において、
（ａ）導電性の金属、半導体または有機材料からなる第１電極と、
（ｂ）導電性の金属、半導体または有機材料からなる第２電極と、
（ｃ）クーロン島として機能する、金属、半導体または有機分子からなる中間電極と、
（ｄ）前記第１電極と前記中間電極の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第１障壁層と、
（ｅ）前記第２電極と前記中間電極の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第２障壁層と、
（ｆ）前記第１電極と、第１障壁層と、中間電極と、第２障壁層と、第２電極との順に並んでいる二重トンネル接合を備え、
（ｇ）前記第１電極と第２電極の間に電圧を加えた状態で、前記第１電極と中間電極の間の電子または正孔の出入りに起因したクーロン力の摂動と前記中間電極の機械的固有振動とが共振することにより、前記二重トンネル接合を流れるトンネル電流の電圧依存性が負性微分抵抗を発現する構造を有することを特徴とする二重トンネル接合素子。
【請求項２】
柔構造を有する二重トンネル接合素子において、
（ａ）導電性の金属、半導体または有機材料からなる第１電極と、
（ｂ）導電性の金属、半導体または有機材料からなる第２電極と、
（ｃ）クーロン島として機能する、金属、半導体または有機分子からなる中間電極と、
（ｄ）前記第１電極と前記中間電極の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第１障壁層と、
（ｅ）前記第２電極と前記中間電極の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第２障壁層と、
（ｆ）前記第１電極と、第１障壁層と、中間電極と、第２障壁層と、第２電極との順に並んでいる二重トンネル接合を備え、
（ｇ）前記第１電極と第２電極の間に電圧を加えた状態で、前記第１電極から中間電極に入った電子または正孔が中間電極から第２電極に転送されることに起因したクーロン力の摂動と前記中間電極の機械的固有振動とが共振することにより、前記二重トンネル接合を流れるトンネル電流の電圧依存性が負性微分抵抗を発現する構造を有することを特徴とする二重トンネル接合素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の二重トンネル接合素子において、前記二重トンネル接合のトンネル電流の電圧依存性がピークを有することを特徴とする二重トンネル接合素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、柔構造を有する二重トンネル接合素子に係り、特に機能素子に応用される負性微分抵抗素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに、トンネル現象を用いて、負性微分抵抗が発現する素子として、エサキダイオード、共鳴トンネルダイオードなどが提案され、超高速の機能素子への応用がなされてきた。これらのダイオードは、いずれも電子性準位のエネルギー方向の分布を利用しているのが特徴である。
【０００３】
ところで、最近、Ｇｏｒｅｌｉｋ等はＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ誌（Ｖｏｌ．８０、４５２６〜４５２９頁、１９９８年）において、柔構造を有する二重トンネル接合において、クーロン島として働く中間電極の帯電電荷量の時間的な変化に起因して、中間電極へのクーロン力が変化し、中間電極が機械的に振動することにより、トンネル抵抗の変調が起こり、電荷が電極間で転送される、いわゆる電子シャトルを提案している。この電子シャトル現象は、機械的な振動と単一電子現象を組み合わせた新しい単一電子素子であり、電流標準の実現や機能素子への応用が検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この電子シャトル現象を示す素子における電流−電圧依存性において、負性微分抵抗が発現することは予想されていなかった。
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑みて、柔構造を有する二重トンネル接合において、負性微分抵抗を発現する二重トンネル接合素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕柔構造を有する二重トンネル接合素子において、導電性の金属、半導体または有機材料からなる第１電極と、導電性の金属、半導体または有機材料からなる第２電極と、クーロン島として機能する金属、半導体または有機分子からなる中間電極と、前記第１電極と前記中間電極の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第１障壁層と、前記第２電極と前記中間電極の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第２障壁層と、前記第１電極と、第１障壁層と、中間電極と、第２障壁層と、第２電極との順に並んでいる二重トンネル接合を備え、前記第１電極と第２電極の間に電圧を加えた状態で、前記第１電極と中間電極の間の電子または正孔の出入りに起因したクーロン力の摂動と前記中間電極の機械的固有振動とが共振することにより、前記二重トンネル接合を流れるトンネル電流の電圧依存性が負性微分抵抗を発現する構造を有することを特徴とする。
【０００７】
〔２〕柔構造を有する二重トンネル接合素子において、導電性の金属、半導体または有機材料からなる第１電極と、導電性の金属、半導体または有機材料からなる第２電極と、クーロン島として機能する金属、半導体または有機分子からなる中間電極と、前記第１電極と前記中間電極の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第１障壁層と、前記第２電極と前記中間電極の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第２障壁層と、前記第１電極と、第１障壁層と、中間電極と、第２障壁層と、第２電極との順に並んでいる二重トンネル接合を備え、前記第１電極と第２電極の間に電圧を加えた状態で、前記第１電極から中間電極に入った電子または正孔が中間電極から第２電極に転送されることに起因したクーロン力の摂動と前記中間電極の機械的固有振動とが共振することにより、前記二重トンネル接合を流れるトンネル電流の電圧依存性が負性微分抵抗を発現する構造を有することを特徴とする。
【０００８】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の二重トンネル接合素子において、前記二重トンネル接合のトンネル電流の電圧依存性がピークを有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の柔構造を有する二重トンネル接合を備える負性微分抵抗素子の模式図である。
【００１１】
この図において、１は導電性の金属、半導体または有機材料からなる第１電極、２は導電性の金属、半導体または有機材料からなる第２電極、３はクーロン島として機能する金属、半導体または有機分子からなる中間電極、４は第１電極１と前記中間電極３の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第１障壁層、５は第２電極２と前記中間電極３の間に存在し電子または正孔に対して障壁となる、柔構造を有する第２障壁層である。
【００１２】
また、第１電極１と中間電極３間のトンネル接合を第１接合、第２電極２と中間電極３間のトンネル接合を第２接合という。
【００１３】
本発明は、柔構造を有する二重トンネル接合において、第１電極１または第２電極２と中間電極３の間の電子または正孔の出入りに起因したクーロン力の摂動と中間電極３の機械的固有振動とが共振すること、または前記第１電極１から中間電極３に入った電子または正孔が中間電極３から第２電極２に転送されることに起因したクーロン力の摂動と前記中間電極３の機械的固有振動とが共振することにより、二重トンネル接合を流れるトンネル電流の電圧依存性が負性微分抵抗を発現する構造の負性微分抵抗素子を提供することを最も大きな特徴としている。
【００１４】
すなわち、本発明は、導電性の金属、半導体または有機材料からなる第１電極１と、導電性の金属、半導体または有機材料からなる第２電極２と、クーロン島として機能する金属、半導体または有機分子からなる中間電極３と、前記第１電極１と前記中間電極３の間に存在し、電子または正孔に対して障壁となり柔構造を有する第１障壁層（第１接合）４と、前記第２電極２と前記中間電極３の間に存在し、電子または正孔に対して障壁となり柔構造を有する第２障壁層（第２接合）５とが、前記第１電極１、第１障壁層４、中間電極３、第２障壁層５、第２電極２の順に並んでいる二重トンネル接合において、前記第１電極１と第２電極２の間に電圧を加えた状態で、前記第１電極１と前記中間電極３の間の電子または正孔の出入りに起因したクーロン力の摂動と中間電極３の機械固有振動とが共振すること、または前記第１電極１から中間電極３に入った電子または正孔が中間電極３から第２電極２に転送されることに起因したクーロン力の摂動と前記中間電極３の機械的固有振動とが共振することにより、前記二重トンネル接合４，５を流れるトンネル電流の電圧依存性がピークを有する。
【００１５】
本発明における電極１，２と中間電極３の間の電子または正孔の出入りおよび転送は次のようにして発生する。一般にトンネル接合において第１電極１と中間電極３の間のトンネル接合を第１接合４、第２電極２と中間電極３の間のトンネル接合を第２の接合５とすると、例えばＡ．Ｅ．Ｈａｎｎａ  ａｎｄ  Ｍ．Ｔｉｎｋｈａｍ等のＰｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  誌（Ｖｏｌ  ４４，５９１９〜５９２２頁，１９９１年）などに記載されているように、各接合におけるトンネルレートは、
【００１６】
【数１】
0003784740.tif 000002
【００１７】
のように表される。ただし、ΔＥｊは、中間電極３における単位電荷の増減に対応した接合ｊのエネルギー変化であり、
【００１８】
【数２】
0003784740.tif 000003
【００１９】
のように表される。
【００２０】
ただし、Ｃ１、Ｃ２は第１接合４および第２接合５の静電容量、Ｒ１、Ｒ２は第１接合４および第２接合５のトンネル抵抗、Ｔは絶対温度、Ｑは中間電極３上の電荷量、Ｑ０は補償電荷、ｋＢはボルツマン定数、ｅは単位電荷、Ｖは第１電極１を基準として第２電極２に加えられる電圧である。微小ドットにｎ個の電子が存在する確率を分布係数σ（ｎ）とし〔ただし、Σσ（ｎ）＝１〕、上式を次のレート方程式
σ（ｎ）〔Γ1 + （ｎ）＋Γ2 + （ｎ）〕
＝σ（ｎ＋１）〔Γ1 - （ｎ＋１）＋Γ2 - （ｎ＋１）〕
に代入すると分布係数σ（ｎ）を求めることができる。この分布係数σ（ｎ）により、中間電極３上の時間平均電子数Ｎ（Ｖ）が次のように求まる。
【００２１】
【数３】
0003784740.tif 000004
【００２２】
二重トンネル接合においてクーロン閉塞が起きると、時間平均電子数Ｎ（Ｖ）が量子化し、整数の値をとるようになる。ところで、Ｎ（Ｖ）が整数ではない領域では、Ｎ（Ｖ）よりも大きい整数のなかで一番小さい整数Ｎａと、Ｎ（Ｖ）よりも小さい整数のなかで一番大きい整数Ｎｂの間で、中間電極３上の電荷数は出入りが起きる。第１接合４および第２接合５における中間電極３への電荷の出入りの周波数ｆ１およびｆ２は、
【００２３】
【数４】
0003784740.tif 000005
【００２４】
となる。
【００２５】
ここでは、トンネル抵抗Ｒ１がＲ２よりも小さい状況を仮定する。一般に、時間平均電子数Ｎ（Ｖ）の電圧依存性はトンネル抵抗比に依存し、Ｒ１とＲ２の比が大きいほど中間電極３上の電子数はクーロン閉塞により量子化する。したがって、ここではＲ２／Ｒ１が、１０以上、より好ましくは１００以上の場合を仮定する。このとき、ｆ１はｆ２よりも大きくなり、ｆ１で中間電極３に電荷が出入りする現象が起きることになる。第１電極１、中間電極３、第２電極２からなる電極系においては、この電荷の出入りにより中間電極３に静電的な力（クーロン力）が周期的に加わり、中間電極３は第１電極１と第２電極２の間に生じる外部電界に沿って振動することになる。このｆ１の周波数依存性を計算すると、時間平均電子数Ｎ（Ｖ）の小数点以下の部分が０．５となるとき、ｆ１は極大値をとる。
【００２６】
また、前記第１電極から中間電極に入った電子または正孔が中間電極から第２電極に転送される場合の電荷の転送の周波数と、前記第２電極から中間電極に入った電子または正孔が中間電極から第１電極に転送される場合の電荷の転送の周波数は、
【００２７】
【数５】
0003784740.tif 000006
【００２８】
のようにｆ４またはｆ５のいずれかとなる。
【００２９】
ここでは、片方の接合における電荷の出入りの場合と同様に、トンネル抵抗Ｒ１がＲ２よりも小さい状況として、Ｒ２／Ｒ１が、１０以上、より好ましくは１００以上の場合を仮定する。電圧が正のとき、ｆ４はｆ５より大きくなり、ｆ４で電荷が転送される現象が起きることになり、また、電圧が負のとき、ｆ４はｆ５よりも小さくなり、ｆ５で電荷が転送される現象が起きることになる。第１電極１、中間電極３、第２電極２からなる電極系においては、この電荷の転送により中間電極３にクーロン力が周期的に加わり、中間電極３は第１電極１と第２電極２の間に生じる外部電界に沿って振動することになる。このｆ４およびｆ５の周波数依存性を計算すると、電圧の絶対値の増大に増加し、電圧が負の場合には、Ｎ（Ｖ）がＮｂとほぼ等しくなる電圧Ｖ以下の電圧領域でｆ４は一定となり、電圧が正の場合には、Ｎ（Ｖ）がＮａとほぼ等しくなる電圧Ｖ以上の電圧領域でｆ５は一定となる。
【００３０】
一方、中間電極３を支える部分に柔構造を含む二重トンネル接合では、中間電極３は機械的に共振する周波数ｆ３を有しており、このｆ３は
ｆ3 ＝１／２π・√（ｋ／Ｍ）
で与えられる。ただし、ｋは中間電極３を支える系の見掛け上のばね定数、Ｍは中間電極３を含む共振系の見掛け上の質量である。
【００３１】
ここで、中間電極３への電荷の出入りに起因したクーロン力による機械的な励振の周波数ｆ１と機械的な固有共振周波数ｆ３が一致すると、中間電極３は共振により大きく振動することになる。この中間電極３の振動は、第２接合５のトンネル距離および第１接合４のトンネル距離を変調する。
【００３２】
一般にトンネル抵抗は、トンネル距離に対して指数関数的に変化し、トンネル距離の減少に伴いトンネルレートは大きくなる。したがって、中間電極３が振動することによるトンネル距離の変調は、トンネル抵抗の変調を引き起こし、電荷が中間電極の機械的振動に同期して転送される、いわゆる電子シャトル現象により外部回路にトンネル電流が流れやすくなる。
【００３３】
以上述べたように、柔構造を有する二重トンネル接合においては、中間電極３上の平均電子数が少数点以下の値を持つ場合には、電荷の出入りによりクーロン力による機械的な励振があり、この励振周波数が中間電極３の固有共振周波数と一致した際には、中間電極３の振幅が共振により大きくなり、電子シャトル現象が観察されやすくなる。さらに、このクーロン力による機械的な励振周波数はクーロンブロッケード現象に依存するので電圧依存性があり、電子の出入りの周波数と中間電極の固有振動数が共振する電圧領域においてトンネル電流が増加するため、外部回路を流れる電流と電圧の依存性には、負性微分抵抗が観察されることになる。
【００３４】
さらに、第１電極１から中間電極３に入った電子または正孔が中間電極３から第２電極２に転送されることに起因したクーロン力の摂動周波数ｆ４またはｆ５と中間電極３の機械的固有振動周波数ｆ３が一致した際には、中間電極３の振幅が共振により大きくなり、電荷が振動に同期して転送される、いわゆる電子シャトル現象が観察されやすくなる。さらに、このクーロン力による機械的な励振周波数は、クーロンブロッケード現象に依存するので電圧依存性があり、電子の転送周波数と中間電極の固有振動数が共振する電圧領域においてトンネル電流が増加するため、外部回路を流れる電流と電圧の依存性には、負性微分抵抗が観察されることになる。
【００３５】
トンネル抵抗Ｒ１の方がトンネル抵抗Ｒ２よりも小さいと仮定した場合、電子の出入りの周波数ｆ１の極大値と、電子の転送に対応した周波数ｆ４またはｆ５の大小関係は、中間電極３における電荷数の変化が同じ場合には、電子の出入りの周波数ｆ１の極大値の方が電子の転送に対応した周波数ｆ４またはｆ５よりも大きくなる。
【００３６】
更に、ｆ１の電圧依存性は極大値を有するのに対して、ｆ４、またはｆ５は電圧の絶対値の増加に対して単調に増加し、電圧が負の場合には、Ｎ（Ｖ）がＮｂとほぼ等しくなる電圧Ｖ以下の電圧領域でｆ４はほぼ一定となり、電圧が正の場合には、Ｎ（Ｖ）がＮａとほぼ等しくなる電圧Ｖ以上の電圧領域でｆ５はほぼ一定となるため、中間電極４の機械的固有振動数との共振は、電荷の出入りと電荷の転送の双方で観察されることになる。
【００３７】
また、初期状態でトンネル抵抗Ｒ１がトンネル抵抗Ｒ２よりも小さいと仮定しているが、前記共振により、振幅が大きくなることにより中間電極３が第２電極２に近づいた際に、トンネル抵抗Ｒ１がトンネル抵抗Ｒ２よりも大きくなる瞬間が存在すると、振幅が共振により大きくなる前に転送されていた電荷とは逆の極性の電荷が第２電極２から中間電極３に入り、中間電極３が第１電極１に近づいた際に転送される、いわゆる戻る過程での、電子シャトルが観察されることもある。
【００３８】
更に、中間電極３はクーロンブロッケード現象を観察できるような大きさと静電容量であれば材料は金属であっても、半導体微粒子であっても、有機分子であってもよい。半導体や有機分子を用いる場合には、電子性準位が離散的に存在するため、クーロンブロッケード現象が電子性準位に影響を受けるものの、電荷の出入りに起因した励振系は存在するので、中間電極３は半導体であっても、有機分子であってもよい。
【００３９】
第１接合と第２接合の間の第１障壁層４および第２障壁層５における柔構造は、中間電極３を支える部分が柔構造を有していればよい。すなわち、柔構造を有する少なくとも片方の障壁層で中間電極３は支持されていればよいため、接合の片方は真空やガスなどが存在する空間であってもよい。
【００４０】
本発明における柔構造には、中間電極３と柔構造を含む第１障壁層４および第２障壁層５からなる振動系において、中間電極３上に存在する電荷数が振動系の共振周波数に同期して変化する場合に、トンネル抵抗Ｒ１およびＲ２が変化するような材料または構造が好ましく、材料としては有機材料や液体などが好ましい。
【００４１】
以下、本発明の二重トンネル接合素子の具体例について説明する。
【００４２】
図２は本発明の具体例を示す二重トンネル接合素子の構成図である。
【００４３】
この図において、１１はマイカ基板、１２は金膜〔金（１１１）結晶面〕、１３はその金膜１２上の１，６ヘキサンジチオール自己組織化膜、１４はその１，６ヘキサンジチオール自己組織化膜１３に着床した平均粒径８ｎｍのコロイド金微粒子（市販品：真空冶金製のパーフェクトゴールド）、１５は走査型プローブである。この構造において、走査型プローブ１５は第１電極１、金膜１２は第２電極２、金微粒子１４は中間電極３、ヘキサンジチオール自己組織化膜１３は第２障壁層５、走査型プローブ１５と金微粒子１４の間の空間は第１障壁層４に相当する。
【００４４】
マイカ基板１１上に金膜１２を蒸着し、加熱処理により金（１１１）結晶面を得た。この金膜１２付きマイカ基板１１上に１，６ヘキサンジチオール自己組織化膜１３を作成し、平均粒径８ｎｍのコロイド金微粒子１４を着床した。このコロイド金微粒子１４と金膜１２付きマイカ基板１１が二つのチオール基で化学結合した素子を真空中に入れ、走査型プローブ（タングステンプローブ）１５を接近させ、プローブ振動時の電流電圧特性を測定した。その結果、タングステンプローブ１５を基準として印加電圧が０．１７Ｖ、０．２３Ｖ、０．３Ｖ、０．３５Ｖのとき、明瞭な負性微分抵抗が観察された。
【００４５】
図３は本発明の二重トンネル接合素子により負性抵抗（ピーク）が表れた測定結果を示す図であり、図３（ａ）は負性抵抗（ピーク）が表れた正バイアス側の測定結果、図３（ｂ）は負性抵抗（ピーク）が表れた負バイアス側の測定結果を示す図である。これらの図において、横軸は電圧、縦軸は電流である。
【００４６】
この図３における負性抵抗（ピーク）は、電子の出入りまたは転送に起因した励振系と中間電極の固有振動との共振が、複数の中間電極３において発生していることに起因している。このように複数の中間電極において共振現象が同時に発生することは、本発明に係る二重トンネル接合を並列に用いることが可能であることを意味し、素子電流を増大させることができるという観点において好ましい。
【００４７】
この測定は、プローブを振動させた際に測定したものであるが、このプローブ振動数は、機械的共振周波数ｆ３よりは数桁小さく、走査型プローブと金微粒子間の距離を変調させているにすぎない。さらに、プローブを振動させない状態で電圧依存性を測定した際にも、図３と同様な位置に、同様な電流のピークが電流電圧特性として観察された。
【００４８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、柔構造を有する二重トンネル接合において、片方の電極と中間電極の間の単一電子または単一正孔の出入りに起因したクーロン力の摂動と中間電極の機械的固有振動とが共振することにより、二重トンネル接合を流れるトンネル電流の負性微分抵抗を発現させることができる。
【００５０】
そして、本発明は、一般に電子回路に用いる負性微分抵抗を有するデバイスとして用いることが可能であり、発振器、トリガ回路、入力するデータ信号を識別して出力する識別回路や超高速ディジタル・シフトレジスタ等の機能素子、超高速素子に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の柔構造を有する二重トンネル接合を備える負性微分抵抗素子の模式図である。
【図２】本発明の具体例を示す二重トンネル接合素子の構成図である。
【図３】本発明の二重トンネル接合素子により負性抵抗（ピーク）が表れた測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１    第１電極
２    第２電極
３    中間電極
４    第１障壁層（第１接合）
５    第２障壁層（第２接合）
１１    マイカ基板
１２    金膜〔金（１１１）結晶面〕
１３    １，６ヘキサンジチオール自己組織化膜
１４    コロイド金微粒子
１５    走査型プローブ（タングステンプローブ）
【図１】
0003784740.tif 000007
【図２】
0003784740.tif 000008
【図３】
0003784740.tif 000009