JP2001524758A - 単一電子デバイス - Google Patents

単一電子デバイス

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JP2001524758A JP2000522627A JP2000522627A JP2001524758A JP 2001524758 A JP2001524758 A JP 2001524758A JP 2000522627 A JP2000522627 A JP 2000522627A JP 2000522627 A JP2000522627 A JP 2000522627A JP 2001524758 A JP2001524758 A JP 2001524758A
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サミュエルソン、ラース・イバール
デッペルト、ヌット・ウイルフリード
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ビー・ティー・ジー・インターナショナル・リミテッド
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Abstract

(57)【要約】 単一電子トンネルデバイスが第１と第２の電極（Ｅ１，Ｅ２）の間に粒子（Ｐ）を置くことによって形成されており、この粒子（Ｐ）は第１の伝導特性をもつ材料で作られており、また第２の伝導特性をもつ材料の表面層を有していて、この層の厚さは量子力学的トンネル効果がそこで支持されるような十分に小さいものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明が属する技術分野 この発明は電子部品に係り、とくにいわゆる単一電子デバイスとその製造方法
とに関する。
【０００２】 従来の技術 単一電子デバイスの分野はトンネル接合の調査研究から派生したものであり、
この接合は導体材料の２つの電極で成り、約１ナノメートルの厚さをもつ絶縁材
料の薄層により分離されているものである。量子力学の法則によると、このよう
な絶縁層を通るトンネル現象の小さな確率を電子はもっている。もし電圧がこの
接合をまたいで印加されると、電子はこの絶縁体を通って１つの特定方向に優先
的にトンネルする。それにより、接合を通って電流が運ばれることになる。電流
の大きさは絶縁層の厚さと導体電極の物性との両方に依存している。
【０００３】 1985年初期には、AverinとLikharevとが超伝導電極をもつ非常に小さなトンネ
ル接合の性能を予測しようと試みたが、式が複雑すぎて容易には溶けなかった。
しかしながら、通常の導体の電極をもつ小さなトンネル接合については、もし定
電流が接合を通って流れるとすると、そこには時間とともに周期的に振動する電
圧が誘起される。こういった周期的な振動は電流を電子の電荷で割った値に等し
い周波数を有している。この周波数は、系の他のパラメータとも完全に独立して
いる。別な見方をすると、各振動は絶縁層を通って単一電子がトンネルするよう
なデバイスの応答を表わしている。この現象は単一電子トンネリング（ＳＥＴ）
振動として知られている。
【０００４】 この効果を理解するためには、アルミニウム線といった通常の導体を通ってど
のように電荷が移動するかを理解しておくことが求められる。電流は導体を通っ
て流れるのは若干の電子が原子核の格子を通って自由に移動できるからである。
電子の動きに拘らず、導体のどこか所与の体積についてみるとそこには見掛け上
は正味の電荷はなく、動いている電子の負電荷はいつも導体の各小領域内で原子
核の正電荷によってバランスがとれていることによる。したがって、重要な量は
所与の体積での電荷ではなく、むしろ、どのくらいの量の電荷が線を通って運ば
れたかである。この量は“転送された（transfered）”電荷と呼ばれている。こ
の電荷は実用上はどんな値をとっていてもよく、単一電子の電荷の一部分であっ
てもよい。この理由は、原子の格子に関して全電子のシフトの和に電荷が比例し
ていることによる。導体内の電子は望み量だけ少くも多くもシフトできるので、
この和は連続して変えることができて、それ故に転送された電荷も変えることが
できる。
【０００５】 もし通常の導体がトンネル接合によって割込まれるとすると、電荷は連続した
プロセスと離散的（ディスクリート）なプロセスとの両方によって系（システム
）内に移動することになる。導体を通って転送された電荷が連続して流れるとき
には、接合の絶縁層に対向する電極の表面上に電荷が累積される（隣の電極は等
量であるが反対極性の表面電荷をもつことになる）。この表面電荷Ｑはこの表面
電荷Ｑは表面近くの電子がその平衡位置から僅かな連続シフトをしたものとして
表わされる。他方、量子力学はトンネル現象は離散的なやり方でのみＱが変化で
きることを示している：ある電子が絶縁層を通ってトンネルするときには、表面
電荷Ｑは正確に＋ｅもしくは−ｅのいずれかだけ変化し、この符号はトンネル現
象の方向に依存している。導体内の連続する電荷の流れと、トンネル接合を通る
電荷の離散的な転送との間の相互作用はいくつかの興味ある効果につながってい
る。こういった現象はトンネル接合が非常に小さくかつ周囲温度が非常に小さい
ときに観察できる。（低温は電子の動きを乱す熱的なゆらぎを減らす。）この場
合に、もし接合での電荷Ｑが＋ｅ／２よりも大きいとすると、電子は特定方向に
接合を通ってトンネルすることができて、Ｑからｅを減らすことになる。このプ
ロセスは系の静電エネルギーを減らすことが原因となって電子がそのように振舞
う。エネルギーは電荷の平方に比例して増大し、電荷の符号には依存しない。同
様に、もしＱが−ｅ／２よりも小さいと、電子が接合を通って反対方向にトンネ
ルすることができて、Ｑにｅを加え、こうして再びエネルギーを減少させる。し
かし、もしＱが＋ｅ／２より小さくしかも−ｅ／２より大きいとすると、どの方
向へのトンネル現象も系のエネルギーを増加させることになる。こうして、もし
初期電荷がこの範囲内にあるとすると、トンネル現象は発生しない。このトンネ
ル現象の抑制はクーロン妨害（Coulomb blockade）として知られている。
【０００６】 もし表面電荷Ｑが最初は零であるとすると、この系はクーロンブロッケード限
界内にあり、トンネル現象は抑制される。それ故に線を通って源から流れる電流
は電荷Ｑを連続して変え始める。便宜上、堆積された電荷のレートは負ではなく
正であるとする。電荷が＋ｅ／２に達して僅かそれを上廻ると、トンネル現象が
可能となる。１つの電子がそこで接合を横断してその電荷を−ｅ／２よりも僅か
に大きくする。したがって、この系は再びクーロンブロッケード範囲内となり、
トンネル現象は可能でなくなる。電流が一定レートで接合に正電荷を加え続け、
Ｑは再び＋ｅ／２を越えるまで成長する。このプロセスの繰返しが単一電子トン
ネリング（ＳＥＴ）振動を作り出す：電圧変化を周期的であり、その周波数は電
流を電荷の基礎単位ｅで除した値に等しい。
【０００７】 ＳＥＴ振動を作るために、トンネル接合は非常に小さな面積でなければならず
、また熱エネルギーがトンネル現象に影響をしないことを確実とするために冷却
されなければならない。一般に、デバイスは、もし接合が長さと幅として１００
ナノメートルのものであれば、絶対０度の上の約１／１０度の温度に冷却されな
ければならない。
【０００８】 発明が解決しようとする課題 欧州特許出願EP0 750 353はこの発明の単一電子トンネルデバイスを開示して いるがそこでは多数のトンネル接合層として多数のトンネル接合を含んでいるも
のを含み；この多数のトンネル接合層に電圧を加えるための第１と第２の電極を
含み、そこでは複数のトンネル接合層は電気的に絶縁性の薄膜と金属粒子及び／
又は半導体粒子でこの電気的に絶縁性の薄膜内に分散されたものとを含んでいる
。
【０００９】 電気的に絶縁性の薄膜は酸化物で作られていて、また粒子は少くとも１つの形
式の金属が金（Ａｕ），銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ），白金（Ｐｔ），及びパラジウ
ム（Ｐｄ）で成る群から選ばれた粒子である。その直径は５０ｎｍ以下とするこ
とができる。
【００１０】 単一電子トンネル現象を支持するのに適した構造の組立てはむづかしいことが
証明済みである。とくに、トンネル現象に適した寸法と堆積がされているフィル
ムを形成するのが困難であることは証明されている。しかし、我々はこういった
デバイスのアレイを組立てるのに適した方法を考案したところである。
【００１１】 課題を解決するための手段 この発明の第１の特徴によると、粒子とその粒子と隣接して置かれた第１及び
第２の電極とを備えて両電極間で電流が流れるようにした構成の単一電子トンネ
ルデバイスが提供されていて、該粒子は第１の導電特性を有する材料で成り、ま
た第２の導電特性をもつ材料の表面層を有していて、この層の厚さは量子力学的
トンネル現象がそこで支持されるような十分に小さいものであり、また、第１と
第２の電極間で電流が流れるようにするために両電極が該粒子に隣接して置かれ
ている。
【００１２】 前記第１と第２の電極は超伝導性とすることができる。
【００１３】 好ましいこの発明の実施例では複数のこのような粒子が前記第１と第２の電極
の間に置かれている。
【００１４】 また、単一電子デバイスを組立てる方法が提供されていて、その構成は、複数
の粒子をその粒子の表面上で量子力学的トンネル現象を支持するのに十分に小さ
い厚さの層を形成するように作る段階と、単一電子デバイスを形成するために該
粒子の少くとも１つを１対の電極間に置く段階とを含んでいる。
【００１５】 実施例 この発明を添付の図面を参照して例を挙げて特に記述して行く。図面の図１を
参照すると、簡単な多層金属及び半導体ナノクリスタルもしくはナノ粒子で単一
電子デバイス組立てに適したものの制御された形成用プロセスを示している。II
I族元素の超微細粒子がエアロゾルとして形成される。これらが次にフィルタに かけられて、所定寸法のものを選ぶようにされる。Ｖ族のプレカーソル（先駆物
質）が次に添加されて、混合物が処理されてIII−Ｖ族半導体のナノクリスタル を形成する。
【００１６】 図２はこの発明は特別の実施形態によるエアロゾル生産ユニットを示す。これ
は炉Ｆ１を含み、そこでは昇華によって金属粒子を生成する。これらの粒子は輸
送ガス流によって運ばれて、荷電器（チャージャ）を通って粒子径フィルタＤＭ
Ａ１に達し、またそれから第２の炉Ｆ２へ進み、そこでガス流がＶ族元素の水素
化物（ハイドライド）と混合され、またIII−Ｖ族半導体のナノ粒子を形成する ために加熱される。ナノクリスタルはそこでフィルタにかけられて所定寸法のも
のを選ぶようにされ、これが次に基板上に、基板は半導体ウェハがよい、堆積チ
ャンバＤＣ内で堆積される。電気計器ＥｌとポンプＰｕとが生産用フローライン
に接続可能とされていて、そこでの圧力を測定する。
【００１７】 一実施形態では、半導体のコアとなるナノクリスタルが異なる性質をもつ材料
の表面層によってコーテングされていて、例えばもっと大きな基礎バンドギャッ
プをもつ材料の表面層でコーテングされて、ナノクリスタルを形成し、その組成
と寸法（サイズ）とがきちんと制御されている。このやり方は次の点で普通なも
のではなく、すなわち、エアロゾル相内で寸法上のばらつきが狭い金属のナノク
リスタル（もしくはドロップレット，滴下物）を作るように我々が管理できた。
周期律表内の第III列からの元素の粒子は後に周期律表内の第Ｖ列から選んだ原 子又は分子を含む蒸気と反応ができて、均一な寸法のIII-Ｖ族半導体のナノクリ
スタルの生産を結果する。この制御は対応するIII-Ｖ族ナノクリスタルに元素金
属ナノ粒子を完全飽和状態で変換することを必要とする。
【００１８】 おおよその直径が１０ｎｍのガリウムヒ素ナノクリスタルが作られて、各種の
基板上に堆積された。この組立て手段は非常に狭い寸法分布をもってナノクリス
タルの生産を可能としている。超微細なガリウム粒子の形成と、それらが高温で
ヒ素と自己制限形の反応をすることが利用されている。ガリウムヒ素を作るため
のガリウムの反応のカイネテックス（動力学）は温度とヒ素の流れとに依存する
。反応が始まった温度は２００℃といった低いことが見付かった。これが簡単で
、信頼性があり、かつ効果的なやり方で所定寸法の化合物半導体のナノクリスタ
ルを作れるようにしている。
【００１９】 この発明の別の実施形態についての重要な特徴は、新しい技術にあり、こうい
ったもとのナノクリスタル上に異なる半導体のもしくは絶縁性の材料の表面層を
制御可能に形成するようにしている技術ある。ナノクリスタルは均一なコアと、
単一電子デバイス動作用に適切な電子構造をもっている第二の組成物の表面層と
ももつことができる。
【００２０】 寸法の選択後に、半導体もしくは金属のナノクリスタルは反応性ガス環境にさ
らされるが、エアロゾル相には維持されている。１つの実施形態では、シリコン
ナノクリスタルのモノ・ディスパース（単分散）エアロゾルはよく制御された条
件下で酸素と反応ができて、シリコン粒子がシリカに変換される制御された厚さ
を生じさせる。ＳｉＯ2 はシリコンと境を接する理想的でよい特性のインターフ
ェースとなる絶縁物である。第２の実施例では、モノ・ディスパースナノクリス
タルでインジウムヒ素のような化合物半導体についてのものはリンを含んだガス
状の分子と相互作用をすることができて、この相互作用は交換プロセスをもたら
し、このプロセスによってヒ素原子で有限深さの表面層内にあるものがリン原子
と置換され、それによってこの表面をＩｎ（Ａｓ）Ｐの表面層に変換する。第３
の実施例では、インジウムの予め組立てたナノ粒子が酸素と反応してＩｎＯの表
皮を形成する。この実施例では、最も簡単な単一電子構築用ブロックが均一な粒
子を作ることにより形成され、図３に示した形状のモノ・ディスパース粒子によ
り例示されているところである。
【００２１】 第２の実施例は一次コアの表面上に異なる材料の直接エピタキシャル堆積、し
ばしばヘテロエピタキシイと呼ばれている堆積を含んでいる。平坦な表面上への
ヘテロエピタキシイ技術は非常に進歩した段階にあるが、しかしエアロゾル相エ
ピタキシャル成長用“基板（サブスレート）”としてナノ粒子を使用することは
非常に新しいことである。単一エレクトロニクスでのナノ粒子の応用については
、これが非常に重要なことである。例は小さなバンドギャップの半導体のコーテ
ングであり、コーテングはインジウムヒ素の表面上のインジウムリンのような、
あるいはゲルマニウムのコアの表面上のシリコンのように、もっと大きなバンド
ギャップの材料で行なう。最後に非常によく制御された絶縁性層によって囲まれ
た半導体粒子の形成のためのヘテロエピタキシイ応用機構があり、これは（例え
ば）エピタキシャル成長したアルミニウムヒ素の数モノレイヤでガリウムヒ素の
ナノクリスタルを囲むようにして達成できる。後の段階では、このアルミニウム
ヒ素層は酸素と反応することができて、アルミニウムの酸化物、もっとも可能性
のあるものはＡｌ2 Ｏ3 の層を形成し、これがすぐれた絶縁体である。したがっ
て、理想的なヘテロエピタキシャルプロセスは半導体粒子上で数モノレイヤ厚さ
の絶縁層を形成することに間接的に寄与することになる（図３）。
【００２２】 図４はエアロタイキシイ（aerotaxy）のプロセスによって作られた８ｎｍのイ
ンジウムリン粒子のＴＥＭ（透過形電子顕微鏡）像である。
【００２３】 単一電子デバイスの機構では、一番重要な基本的性質は中央の導電性島の存在
であり、その島はトンネル現象によってソースとドレイン電極に接続されまたゲ
ート電極に容量性結合をしている。中央の島についての寸法が関係するキャパシ
タンスは十分に小さくなければならずそれによって静電気的充電エネルギーＥ＝
ｅ2 ／２ＣがｋＴよりもずっと大きく、デバイスと回路のバイアス用に適したエ
ネルギー範囲内にある。寸法についての要件は以下のように記述できる。
【００２４】 −粒子寸法について、室温動作に対する直径は２〜４ｎｍの範囲内にあるべき
こと、これは数百ｍｅＶの充電エネルギーに対応し、ｋＴ（室温では約２６ｍｅ
Ｖ）と比較されるべき値となる。
【００２５】 −トンネリングギャップについて、導体リードと導体粒子との間の距離と、接
続された粒子間の距離はトンネル現象を支持すべきであり、それは１〜３ｎｍと
なるべきこと。
【００２６】 これまでの単一電子現象の大部分が示すところでは、液体ヘリウムの沸点（Ｂ
Ｐ＝４Ｋ）かそれ以下という低温が採用されてきた。島寸法のリソグラフィ上の
定義についての許容値が非常に緩和されている。こういった研究では、トンネル
現象の距離はしばしば導体間に置かれたアルミニウム膜によって定義されている
。このアルミニウム膜は制御された酸化によって絶縁性薄膜に変換されるもので
ある。上昇した温度、すなわち液体チッ素の沸点（７７Ｋ）とか室温（３００Ｋ
）でされた実験は、小さな金属（もしくは半導体）の粒子ではあるが粒子がその
上にのっていて薄い絶縁性膜により制御されたトンネル現象距離をもつもので実
行され、また第２の電極間隔については走査形トンネル顕微鏡により制御される
トンネル現象距離により制御されるものを用いて実行された。
【００２７】 我々はプレーナ単一電子デバイスを組立てることができたが、このデバイスは
“ナノロボット”である原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によりまた前もって組立てた
接点に対して寸法を選んだナノメータ寸法の粒子を操作することによって制御可
能のに作られるものである。このやり方ではキャパシタンスが正確な粒子の組立
てが（エアロゾル技術によって）精密に制御され、またトンネル現象ギャップが
、適切なトンネル電流レベルを作り出すために、ナノ粒子の制御された位置決め
によって支配されている。
【００２８】 図５は通常の薄膜トンネル接合デバイスを示す。堆積された膜１１の表面は酸
化されて薄いトンネル障壁１３を形成し、また別な導体１５がその上に堆積され
ている。小さな金属粒子を応用した類似のデバイスが図６に示されている。薄い
酸化物層１７が導電性基板１９上に形成されて、小さな金属粒子２１がその上に
置かれている。走査形トンネル顕微鏡２３のチップによって接点が作られている
。この原理は図７に示したデバイスに拡張され、ここでは小さな金属の粒子２５
がソース電極２７とドレイン電極２９との間に原子間力顕微鏡によって位置決め
されている。
【００２９】 この発明を一観点でとらえたときの重要な特徴は、粒子を前もって組立てて、
粒子が導体のコアとなるとともにしっかりと制御されたトンネルギャップを与え
、同一のキャパシタンスの網を構築し、かつトンネル現象のレートはナノ粒子の
アンサンブル（全体）内部で横方向位置にはランダムさを与えられるようにして
いることである。
【００３０】 上述のエアロゾルを応用したグラニュール状の（粒状の）単一電子回路の組立
ての重要さは図８ａ，８ｂ，８ｃに示すところであり、ここでは２つの電極Ｅ１
，Ｅ２間のナノ粒子Ｐの二次元配置を示しており、非同一（図４ａ）対同一コア
（図４ｂ）とともにランダム対よく制御されたトンネル障壁３１が示してある。
大部分の場合のトンネル障壁はシエルの厚さ正確に２倍であり、二次元でも三次
元でもランダムに配置されたアレイについて言える。主要な特徴は単一電子トン
ネル現象特性の本質に起因して、巨視的なデバイスについては電極間のナノ粒子
の数は（二次元についても三次元についても）クリティカルなものとはならない
ことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一特徴による方法を示す流れ図。
【図２】 単一電子デバイスの組立に使用するのに適したナノクリスタルを作るための装
置の模式図。
【図３】 各種ナノ粒子の構造を示す図。
【図４】 エーロタキシイのプロセスにより作られたナイクリスタルの顕微鏡写真を示す
図。
【図５】 先行技術のトンネル接合の模式図。
【図６】 ナノ粒子と導体基板との間のバリヤを示す模式図。
【図７】 原子間力顕微鏡によるナノ粒子の動きの原理を示す図。
【図８】 この発明によるデバイス構成の原理を示す模式図（図８（ａ）および８（ｂ）
）。

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 粒子とその粒子と隣接して置かれた第１及び第２の電極とを
    備えて両電極間で電流が流れるようにした構成の単一電子トンネルデバイスであ
    って、該粒子は第１の導電特性を有する材料で成り、また第２の導電特性をもつ
    材料の表面層を有していて、この層の厚さは量子力学的トンネル現象がそこで支
    持されるような十分に小さいものであることを特徴とする単一電子トンネルデバ
    イス。
  2. 【請求項２】 前記デバイスは前記第１と第２の電極間で電流経路を規定す
    るために複数の前記粒子を含むことを特徴とする請求項１記載の単一電子トンネ
    ルデバイス。
  3. 【請求項３】 前記第１の導電特性をもつ前記材料は実質的に同質であるこ
    とを特徴とする請求項１記載の単一電子トンネルデバイス。
  4. 【請求項４】 前記表面層は半導体であることを特徴とする請求項１ないし
    ３のいずれか１項記載の単一電子トンネルデバイス。
  5. 【請求項５】 前記表面層は絶縁体であることを特徴とする請求項１ないし
    ３のいずれか１項記載の単一電子トンネルデバイス。
  6. 【請求項６】 前記表面層はガリウムヒ素であることを特徴とする請求項１
    記載の単一電子トンネルデバイス。
  7. 【請求項７】 前記表面層は酸化インジウムであることを特徴とする請求項
    １記載の単一電子トンネルデバイス。
  8. 【請求項８】 前記表面層は酸化インジウムアーセナイドフォスファイドで
    あることを特徴とする請求項１記載の単一電子トンネルデバイス。
  9. 【請求項９】 前記表面層がシリカであることを特徴とする請求項１記載の
    単一電子トンネルデバイス。
  10. 【請求項１０】 複数の粒子をその粒子の表面上で量子力学的トンネル現象
    を支持するのに十分に小さい厚さの層を形成するように作る段階と、単一電子デ
    バイスを形成するために該粒子の少くとも１つを１対の電極間に置く段階を含む
    単一電子デバイスを組立てる方法。
  11. 【請求項１１】 さらに前記層を形成する段階に先立って、所定寸法の粒子
    を選ぶ段階を含むことを特徴とする請求項１０記載の単一電子デバイスを組立て
    る請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記複数の粒子はエアロゾルとして形成されていることを
    特徴とする請求項１０または１１記載の単一電子デバイスを組立てる方法。
  13. 【請求項１３】 前記層の前記粒子の表面の化学的変化により形成されるこ
    とを特徴とする請求項１０または１１記載の単一電子デバイスを組立てる方法。
  14. 【請求項１４】 前記層は前記粒子の表面上の材料のエピタキシャル堆積に
    より形成されることを特徴とする請求項１０または１１記載の単一電子デバイス
    を組立てる方法。
  15. 【請求項１５】 前記粒子の位置決めが原子間力顕微鏡により実行されるこ
    とを特徴とする請求項１０記載の単一電子デバイスを組立てる方法。
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