特集

単電子レベルの極限的な性能を追求する
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NTT物性科学基礎研究所
NTT物性科学基礎研究所
ナノデバイス研究グループ
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1 高速電荷センサ

室温において 200MHz の動作速度で単一の電子を検出する電荷センサを実現。GHz も視野に。
NTT 物性科学基礎研究所（以下、物性研）フロンティア機能物性研究部 ナノデバイス研究グループでは、シリコンナノ加工技術や新規材料を利用し、従来型のトランジスタでは実現できないような性能や新たな機能を実現する取り組みを進めている。本稿では高速に単一の電子を検出可能な、室温で動作するデバイスの研究開発について紹介する。

単電子の挙動を可視化する
電荷センサの研究開発

子メモリを実現できれば消費電力を大幅に削減できることが研究の大きなモチベーションの 1 つであった。

電流は電子が集まったものであ単電子メモリを実現するには「単り、コンピュータが扱う情報の単位電子を検出する」、「単電子を正確にであるビットも電子の集まりで表現保存／削除する」、という 2 つの機される。その電子 1 つ 1 つの動き能が必要になる。前者は電荷センサを把握することには、基礎物理を理そのものだ。

解する上でも重要な意味がある。

「単電子を転送可能なシリコン・「物理現象を把握・理解するためナノデバイスとして開発し、電荷セには電流計や電圧計のように物理現ンサと組み合わせて室温で単電子メ象を可視化するツールが必要です。

モリの基本動作を行うことには、か特別研究員

電子 1 個だからこそわかる現象となり以前から成功しています。ただこの単電子 DAC にも単電子を検出いうものもたくさんあります。こうし近い将来に DRAM や SSD を単する機能が実装されている。

したことから、我々は単一の電子（以電子メモリで置き換えることは難し物性研は、こうしたデバイスの研下、単電子）を検出する電荷センサいと感じています。というのも多数究を通じて単電子を検出する機能自の研究開発に取り組んできました。」の電子の集合を 1 ビットとして扱体の価値に注目するようになった。

（西口氏）

う通常のメモリと異なり、単電子でそれは、今日の電荷センサ研究へのは エ ラ ー を 訂 正 す る 余 地 が な く、注力にもつながっている。

単電子メモリ／単電子 DAC の研究がきっかけの 1 つに100％間違いなく動作させる必要があるからです。」（西口氏）

NTT 物性科学基礎研究所
フロンティア機能物性研究部
ナノデバイス研究グループ
グループリーダ

西口 克彦氏室温における単電子電荷センサの動作速度が課題にNTT 研究所で単電子の検出や制御単電子メモリと同様の目的で進めに関する研究が開始されたのは数十られた研究の成果として、単電子単電子を検出可能な電荷センサを年以上前のことであり、その頃に想DAC を挙げることができる。単電子必要とする分野の 1 つが、単電子定していた主要なユースケースは単DAC とは、文字通り単電子を情報処を 1 ビットとして扱う量子コン電子を 1 ビットとして扱う単電子メ理信号としてデジタル アナログ変ピュータだ。量子コンピュータに関モリであった。当時すでに情報処理換 を 行 う デ バ イ ス だ。 物 性 研 は、する研究の歴史は長く、コンピュー回路の消費電力が増大し続けること2006 年 に 室 温 で 動 作 す る 単 電 子

ティングに必要な速度で単電子を検が問題視されていた。そのため単電DAC を世界で初めて実現している。

出する技術も考案されている。しか16

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2023 Vol.60 No.7

Si layer

図1

センサ出力電流[nA]poly-Si gate

100nm

RF 駆動による高速 FET センサ

525

単電子
5205150

図2

1
時間[s]

2

単電子検出時のセンサ出力電流しそうした技術もマイナス 270 〜られる用途にはまだ十分ではなかった点だ。シリコンを材料とする半導273℃のような極低温の環境を必要た。そこで FET に LC 共振回路を体の製造技術を活用できるため製造とするほか、デバイスの製造が容易接続し、高周波信号の反射特性をモが比較的容易であり、さまざまなデではないといったことが実用化に向ニタする手法を用いることにした。

バイスへの応用や量産をしやすい。

けた課題となっている。

これにより動作速度を 20MHz までこのことは実用化に向け大きなメ「量子コンピュータのような用途向上させることに成功した。

リットとなる。

で求められる MHz や GHz といっ「単電子を検出するような電荷セ「たとえばカメラに利用されるた速度で単電子を検出するのは、低ンサは、電池をつなぎ流れる直流電CMOS イメージセンサはトランジ温の環境下、室温の環境化でそれぞ流をモニタすることによって電荷をスタと光センサの組み合わせです。

れ異なる難しさがあります。どのよ検出するという動作方法が一般的でCMOS イメージセンサで光を電荷うな環境でも感度と高速性は相反すした。我々は直流ではなく交流電流に置き換え、その電荷を検出するこることが多いからです。我々が取りを使い、高周波の交流信号をモニタとで映像を電気信号に変換していま組んだ室温環境下での検出では、1する方式とすることで、動作速度のす。室温で単電子を検出できるとい秒間に電子 1 個しか検出できない大幅な向上に成功しました。無線通うことは、非常に小さな光信号からといった動作速度の遅さが特に問題

信の分野において電波を受信し電気発生した非常に小さな電荷も検出ででした。
」（西口氏）

信号に変換する際のホモダインやヘきるということです。このため超高テロダインと呼ばれているものと同感度な光センサの実現に役立つ可能じような手法です。極低温の環境下性があります。」（西口氏）

室温で高速に単電子を検出可能な電荷センサを実現

では動作実績のある手法ですが、室高性能な電荷センサをさまざまな用途に応用微細な電界効果トランジスタ（以温で機能させるために独自の工夫が下、FET）を高感度な電荷センサと必要でした。室温で単電子を感度良して利用できることは従来から知らく検出可能な電荷センサとしては、室温でわずかな電荷を高速に検出れていた。物性研はこの仕組みを応動作速度が世界最高速であるのは間できるということは、わずかな電流用し、数十 nm のチャネルを持つシ違いありません。」（西口氏）

を計測する電流計を実現できること

リコン FET（図 1）を用いることにより、室温で単電子を検出することに成功した（図 2）。

実用化に適したシリコントランジスタで実装を意味する。そしてわずかな電流を計測できる電流計は、さまざまなセンサの感度を向上させることに役立

ただしそのままでは動作速度の限物性研が開発した電荷センサのもつ。このため物性研では電荷センサ界が数十 kHz 程度に限られ、コンう一つの大きな特長が、シリコントの技術をさまざまな用途に応用するピュータのように高速な動作を求めランジスタで実装する技術を確立しことにも取り組んでいる。以下に 2

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17特集

単電子レベルの極限的な性能を追求する
NTT物性科学基礎研究所 ナノデバイス研究グループつの例を示す。
IR センサ
応 用 例 の 1 つ が 赤 外 線（ 以 下、IR）センサだ。CMOS イメージセンサが可視光を電気信号へ変換するセンサを使うと物質の選別まで可能

ついて、西口氏は次のように述べてであることがわかりました。このこいる。とも論文で発表済です。」（西口氏）「我々が開発した電荷センサは単200MHz を越え GHz レベルの高速化も視野に電子の挙動を把握し基礎物理を理解するためのツールとしてだけでなく、高精度な各種センサなど、さまのに対し、IR センサは赤外線を電物性研は電荷センサの動作速度をざまなデバイスの実現に利用できま気信号へ変換する。シリコントランさらに高める研究を続け、LC 共振す。とはいえ物性研だけでそうした

ジスタによる IR センサは性能向上

回路を 2 つ接続する独自の手法をデバイスを研究開発するのは、体制が難しいとされていたが、物性研の考案した。この手法による電荷セン的にも難しいのが現状です。そこで高精度な電荷センサ技術を利用する

サで 200MHz を越える動作速度を我々は電荷センサに関する知財を提ことによりシリコントランジスタで実現（図 3）し、今年発表した論文供する形で貢献したいと考えていまも性能向上が可能であることを実証で報告している。

す。電荷センサを実現するためにした。試作した IR センサにより、「室温における電荷センサの動作我々が利用している個々の技術は、IR 検出感度や波長への依存性を制速度を向上させるため、従来は極低シリコン半導体の専門家にとっては御できることも確認している。

温の環境下でも用いられていた技術

難しくない技術ばかりです。さまざを応用していました。200MHz をまなデバイスに利用してもらえる可越える高速化を実現した新たな技術能性があると考えています。」

イオンセンサ血液に含まれるナトリウムやカリは、低温下でも報告例のない完全にウム、マグネシウムなどのイオンを独自の技術です。この技術により動検出し選別するセンサとして電荷セ作速度をさらに 1 桁向上し、GHzンサを活用できる。

で動作させることが可能であると考「イオンはあくまでも電荷でしかえています。」（西口氏）

ないので、イオンを検出してもそれがナトリウムイオンなのかカリウムイオンなのかといった選別は不可能

さまざまなデバイスの実現に貢献できる技術
室温で高速に単電子を検出でき速に単電子を検出できる我々の電荷る高感度な電荷センサ技術の活用に

電荷検出感度 [e/Hz0.5 ]だと考えられていました。しかし高10-1

従来手法

10-2
10-350
図318

新手法

100150

周波数 [MHz]

200200MHz で単電子の検出を可能に

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