Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

自然形成InAs量子ドット / 単電子効果 / スピン / スピン軌道相互作用 / 狭ギャップ半導体 / ラシュバ効果 / 分子線エピタキシー / スピン注入 / 単電子トランジスタ / 自然形成量子ドット / インジウム砒素 / 強磁性体 / 自己形成InAs量子ドット / 単電子トランジスター / 量子ドット / 擬一次元トランジスタ構造 / 帯電効果

(1)単電子トランジスタ構造中に数個の自然形成量子ドットを集積したトランジスタは、異なるドットの帯電効果が重なった電圧電流特性を示し、個々の量子ドットからの影響をはっきりと分離をすることは容易ではない。それに比べて多数の自然形成量子ドットを集積した単電子トランジスタ構造の方が個々の帯電効果が平均化されて単一ドットが集積されたトランジスタ動作をすることがわかった。
(2)量子細線トランジスタのチャンネル上の障壁中に単一量子ドットを埋めむことを試みた。(311)A基板を加工して(100)ファセット上に量子細線トランジスタが形成でき、細線上の障壁に選択的にInAs量子ドットが形成できることが判明した。
(3)(1)で得られた単電子特性を示す電流ピークはそれぞれ電子スピンに関して無選択な環境での量子ドットの帯電状態を表している。電子スピンの選択の自由度が得られると異なる特性があらわれることが予想され、このことを利用すると帯電中の電子のスピン状態が判別できるトランジスタ動作実現の可能性がある。これを実現するため、強磁性体電極から狭ギャップ半導体であるインジウム砒素にスピン注入することを試みた。この結果、約40%のスピン偏極率を有する鉄電極から約18%のスピン注入が可能であることがわかった。このことから、スピン制御が可能な単電子トランジスタを実現するための基盤技術を確立することができた。

半導体 / シリコンMOSFET / 量子効果 / クーロンブロッケード / 単電子トランジスタ / 量子ドット / 共鳴トンネル / ナノテクノロジー / 不揮発性メモリ / しきい値電圧 / 保持時間 / シリコン / MOSFET / 移動度 / 量子輸送現象 / 揺らぎ

本研究の目的は、サイズ揺らぎを極力抑制したナノスケールMOSFETの物理現象の解明し、その物理現象の集積回路デバイスに積極的に応用することである。電子ビーム露光装置とエッチング技術により、10nm以下の極めて微細なナノデバイスを制御性良く作製する技術を確立した。この技術で作製したデバイスでは、室温のおいて明瞭に量子効果と単電子効果が現れる。量子効果は、電子の基底準位の上昇によるしきい値電圧の上昇という形で現れる。10nm以下にチャネルを狭窄化した狭チャネルMOSトランジスタでは,チャネル幅が狭いほどしきい値電圧が上昇する。この効果を利用して,ナノサイズのMOSトランジスタのしきい値電圧を制御する方法を提案した。また、計算の結果、チャネル幅10nm以下の狭チャネルMOSトランジスタにおいては、電子および正孔の移動度が上昇し、デバイス特性が向上することを明らかにした。一方、単電子効果はクーロンブロッケード振動として現れる。ソース・ドレイン間にシリコンドットが自然形成され、デバイスは単電子トランジスタとして振る舞う。単電子トランジスタでは、クーロンブロッケード振動により、ドレイン電流がゲート電圧の関数で振動する。振動の山谷比は室温において40以上、ドット系は約2nmである。この振動はシリコン系の単一ドット系単電子トランジスタとしては、世界最大である。また、シリコンドット中の量子効果により共鳴トンネルに起因する負性微分コンダクタンスも室温において観測された。これらの物理現象を利用して、単体の単電子トランジスタを用いて室温で2入力の論理動作を行うこと世界で初めて成功した。

【研究分担者】
平川一彦	東京大学	生産技術研究所	教授	(Kakenデータベース)
オースチンデーヴィッド	NTT	基礎研究所	研究主任