JP4849952B2 - Bidirectional single electron counting element - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a bidirectional single electron counting element for counting electrons in measurement of a very small current.
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。 A conventional bidirectional single electron counting element is configured as shown in FIG. Between the two terminals 53 and 54, a tunnel barrier 55, a microconductive region 51, a tunnel barrier 56, a microconductive region 52, and a tunnel barrier 57 are connected in series. And a point junction 58 designed to be weakly coupled to the micro-conductive region 52 is provided between the two terminals 59 and 60.
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。 Since the point junction 58 is coupled to the two microconductive regions with bonds of different sizes, the state where there are no electrons in the two microconductive regions, the state where one electron is present in the microconductive region 51, and the micro It can be distinguished from the state where one electron is present in the conduction region 52.
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）。
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。 However, such a conventional bidirectional single-electron counter has to determine three charge states by one point junction, so that it has been difficult to obtain sufficient sensitivity.
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。 In addition, since the size of the joint cannot be changed independently, it is difficult to design and adjust the point joint.
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。 In addition, since it is necessary to measure the current flowing through the point junction, it is necessary to use a current-voltage conversion circuit outside.
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。 In addition, since the conductivity changes one after another when a plurality of electrons enter the microconductive region, it is necessary to limit the number of excess electrons to at most one or two, so that the Coulomb blockage is sufficiently low. The operation at was indispensable.
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。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The purpose of the present invention is to integrate two point junctions so that the coupling to two microconductive regions can be designed and adjusted to the maximum. It is to simplify the external measurement system by making it possible to adjust the characteristics independently and to measure only the voltage output from one terminal.
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。 In addition, by making the device structure symmetrical, a voltage proportional to the difference in the number of electrons occupying the microconductive region is generated, enabling operation even in a situation where the number of electrons changes by two or more, at high temperatures. It is to enable the operation of.
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、前記微小伝導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に、それぞれの前記微小伝導領域に電子がない場合には伝導度が高く、電子がある場合には伝導度が低くなるポイント接合と、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、を備る。 In order to solve the above-mentioned problem, in the present invention according to claim 1, a bidirectional single having a double dot formed by alternately arranging a microconductive region and a tunnel barrier between conductors in series. an electronic counting devices are positioned proximate each to each of the micro-conductive areas and electrostatically coupled, the small conductive area to measure the current flowing by the electrons tunnel, each of said micro When there are no electrons in the conduction region, the conductivity is high, and when there is an electron, the conductivity is low, and the power supply terminals respectively connected to one electrode of each of the point junctions, An output terminal to which the other electrode of the point junction is connected in common.
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。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the point junction is any one of a single electron transistor, a quantum wire, and a field effect transistor.
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、前記第１の電極の間に２つの微小伝導領域と３つの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前記微小伝導領域に電子がない場合には伝導度が高く、電子がある場合には伝導度が低くなる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。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor multilayer structure formed by laminating a gallium arsenide layer, an aluminum gallium arsenide layer, and a silicon-added aluminum gallium arsenide layer, and provided on the surface of the semiconductor multilayer structure. The two first electrodes, five first gate electrodes arranged between the first electrodes, and a predetermined gate voltage applied to the first gate electrode, Two quantum dots formed by alternately arranging two microconductive regions and three tunnel barriers in series between the first electrodes, and 3 provided on the surface of the semiconductor stacked structure. one of the second electrode, the fine conductive by隔間and two second gate electrodes arranged respectively, a predetermined gate voltage applied to the second gate electrode between said second electrode There is no electron in the area If the high conductivity, and joining the two points where the conductivity becomes low when there is electronic, the the surface of the semiconductor multilayer structure, the fine conductive region and the first electrode and the first gate electrode And a third gate electrode for insulating the tunnel barrier and the quantum dot from each other, and the second electrode, the second gate electrode, and the range provided with the point junction, .
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。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the semiconductor multilayer structure is such that the gallium arsenide layer and the aluminum gallium arsenide layer are non-doped.
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。 According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor stacked structure according to the third or fourth aspect, the gallium arsenide layer forms an electron transit layer, the aluminum gallium arsenide layer forms a barrier layer, A silicon-added aluminum gallium arsenide layer forms an electron supply layer.
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。 According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the third to fifth aspects, the first electrode and the second electrode are both ohmic electrodes to the gallium arsenide layer.
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。 According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the third to sixth aspects, the first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode are all formed of the silicon-added aluminum gallium. It is a Schottky gate for the arsenic layer.
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。 According to the present invention, by integrating two point junctions, the coupling to two microconductive regions can be designed and adjusted to the maximum, and the characteristics of the point junction can be adjusted independently, and output from one terminal. Therefore, it is possible to simplify the external measurement system because it is sufficient to measure only the voltage.
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。 Another effect of the present invention is that the device structure is symmetric so that a voltage proportional to the difference in the number of electrons occupied in the microconductive region is generated, and the number of electrons changes by two or more. Can also be operated, and can be operated at a high temperature.
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。 FIG. 1 shows a configuration diagram of a bidirectional electronic counting element according to the present embodiment.
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。 In FIG. 1, a tunnel barrier 5, a microconductive region 1, a tunnel barrier 6, a microconductive region 2, and a tunnel barrier 7 are connected in series between two terminals (conductors) 3 and a terminal (conductor) 4. Yes.
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。 Further, a point junction 8 that is strongly electrostatically coupled to the microconductive region 1 and a point junction 9 that is strongly electrostatically coupled to the microconductive region 2 are provided, and electrodes on one side of the point junction 8 and the point junction 9 are provided. Are connected to the output terminal 12, and the electrodes on the opposite side of the point junction 8 and the point junction 9 are connected to a power supply terminal (power supply terminal) 10 and a power supply terminal (power supply terminal) 11, respectively. .
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。 In the present embodiment, the point junction 8 has a high conductivity when there is no electron in the minute conduction region 1, and the point junction 8 has a low conductivity when there is an electron in the minute conduction region 1. 8 is designed and adjusted.
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。 Similarly, the point junction 9 is designed so that the conductivity of the point junction 9 is high when there are no electrons in the microconductive region 2 and the conductivity of the point junction 9 is low when electrons are present in the microconductive region 2. adjust.
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。 In addition, an appropriate voltage is applied between the power supply terminal 10 and the power supply terminal 11. At this time, there are output terminals in a state where no electrons are present in the two microconductive regions 1 and 2, a state where electrons are present only in the microconductive region 1, and a state where electrons are present only in the microconductive region 2. Since different voltages are generated in 12, it is possible to clearly measure the state of electrons.
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。 With such a configuration, the element can be designed to maximize the coupling between the point junction 8 and the minute conduction region 1 and maximize the coupling between the point junction 9 and the minute conduction region 2.
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。 Further, when there is a control gate electrode at the point junction, the operating point of the point junction can be adjusted by the gate voltage. Furthermore, by separating the power supply terminal and the output terminal, a voltage output can be obtained, and the external measurement circuit can be simplified.
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。 Note that these operations utilize the property of a point junction in which the conductivity changes depending on the charge state of the microconductive region, and a single electron transistor, a quantum wire, or a field effect transistor exhibiting similar properties, or Even if it is replaced by a carbon nanotube element or the like, it can operate.
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。 For replacement with these elements, a single electron transistor, a quantum wire, or a field effect transistor, or a carbon nanotube element is disposed in the replacement portions 20 and 21 indicated by broken lines as in the modification shown in FIG. can do.
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。 Moreover, although the operation | movement shown above was shown about the case where the number of the electrons of a micro conduction area | region is 0 piece (no electron) or 1 piece (there is an electron), it is small as arbitrary positive numbers N and M. Even when the number of electrons occupying the conduction region 1 is N and the number of electrons occupying the minute conduction region 2 is M, the bidirectional single electron counting functions correctly.
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。 In this case, when considering a region where the conductivity of the corresponding point junction changes in proportion to N and M, a voltage proportional to (MN) appears in the output voltage. In bidirectional current electron counting, it is only necessary to count tunnel electrons between two small conduction regions, so there is no need to measure the exact values of M and N, and the difference between MN Observe how it increases or decreases.
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。 Therefore, the configuration of the present embodiment enables bi-directional single electron counting even at any M and N. As a result, it is not necessary to operate the device in the low-temperature clone blockage region, and bidirectional single electron counting is possible even at high temperatures.
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。 Next, a specific method for producing the bidirectional single electron counting element of the present embodiment will be described.
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。 FIGS. 2 and 3 show a device in which a semiconductor multilayer structure (FIG. 3) composed of a gallium arsenide layer 28, an aluminum gallium arsenide layer 26, and a silicon-added aluminum gallium arsenide layer 25 is fabricated by etching and a gate electrode. Each structure (FIG. 2) is shown.
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。 In the semiconductor laminated structure shown in FIG. 3, the gallium arsenide layer 28 and the aluminum gallium arsenide layer 26 are non-doped. Further, the gallium arsenide layer 28 forms an electron transit layer (two-dimensional electron gas layer) 27, the aluminum gallium arsenide layer 26 forms a barrier layer, and the silicon-added aluminum gallium arsenide layer 25 forms an electron supply layer. .
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。 By applying an appropriate gate voltage to the plurality of gate electrodes 15, the bidirectional single electron counting element shown in FIG. 1 can be realized. That is, between the electrode 3 and the electrode 4, three tunnel barriers that can be controlled by a gate voltage applied to the gate electrode 15 and two micro conductive regions (quantum dots 1 and 2) are connected in series. Point junctions 8 and 9 that can be adjusted by the gate electrode 15 are provided in a region insulated by another gate electrode 15, and are connected to the electrodes 10, 11, and 12, respectively. Further, the electrodes 3 and 4 are both ohmic electrodes to the gallium arsenide layer 28, and the gate electrode 15 is a Schottky gate for the silicon-added aluminum gallium arsenide layer 25.
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。 FIG. 4 shows a surface electron micrograph of the surface of an example of the bidirectional single electron counting element manufactured based on such a configuration.
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。 Quantum dots (quantum dots 1 and 2) of the bidirectional single electron counting device manufactured by such a method can be obtained with a charging energy of about 1 meV, and the conductivity of the point junctions 8 and 9 is about 0 to several mS. Can be adjusted over a wide range.
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。 Next, the configuration of the electron counting of the bidirectional single electron counting element according to the present embodiment is as follows. The circuit shown in FIG. 6 is configured using this bidirectional single electron counting element, and the purpose of the bidirectional single electron counting element according to the present embodiment is to count the electrons of the current Iin entering the terminal 3. It is.
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
で与えられ、Ｍ−Ｎに依存する電圧が得られる。 And a voltage dependent on MN is obtained.
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。 Now, consider the case where the number of electrons N and M change as shown in FIG. 7 when current electrons flow through the microconductive regions 1 and 2. In addition, a graph showing the expected change in the output voltage V out in units of aV 0 / 4G 0 is also shown.
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。 In FIG. 7, the left half region (i) corresponds to the microconducting region of the Coulomb blockage region when the total number of electrons (N + M) in the microconducting regions 1 and 2 is 0 or 1. The change in this case is that the state in which electrons enter the microconductive region 1 from the electrode 3 and reciprocate between the microconductive region 2 and then exit to the electrode 4 can be read from the value of the output voltage Vout. it can.
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。 Further, when the value of V out changes from −1 to +1, that is, +2, it is interpreted that one electron has flowed from the minute conduction region 1 to the minute conduction region 2 in the right direction. Is expressed as +1, and when the value of V out changes from +1 to −1, that is, by −2, it is interpreted that one electron flows from the microconductive region 2 to the microconductive region 1 in the left direction, The case where the current IC is represented as -1 is shown by a graph. In this way, bidirectional single electron counting is possible.
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。 Further, when the temperature of the bidirectional single electron counting element is high, it is not in the Coulomb blockage region, and the number of electrons N and M may change greatly. This case is indicated by the area (ii) in FIG. In this case, the value of V out also changes greatly, but, like the coulomb blockage region, the current in the right direction (+1) when the value of V out changes by +2, and the left direction when the value of −2 changes. By interpreting as current (-1), bidirectional single electron counting is possible.
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。 In this way, by integrating the two micro-conducting regions and the two point junctions, the sensitivity is not reduced, and the present invention is not limited to the low-temperature operation of the coulomb blockage region. It is possible to function as an element capable of counting single electrons.
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）
1, 2, 51, 52 ... Micro conductive region 3, 4, 53, 54, 59, 60 ... Terminal (electrode)
5, 6, 7, 55, 56, 57 ... Tunnel barrier 8, 9, 58 ... Point junction 10, 11, 12 ... Terminal (electrode)
Claims (7)
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、前記微小伝導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に、それぞれの前記微小伝導領域に電子がない場合には伝導度が高く、電子がある場合には伝導度が低くなるポイント接合と、
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、
を備ることを特徴とする双方向単一電子計数素子。 In a bi-directional single electron counting element having double dots constructed by arranging microconductive regions and tunnel barriers alternately in series between conductors,
Disposed proximate each to each of the micro-conductive areas and electrostatically coupled, the small conductive area to measure the current flowing by the electrons tunnel, electrons in each of the micro-conductive areas When there is no point junction, the conductivity is high, and when there is an electron, the conductivity is low ,
A power supply terminal connected to one electrode of each of the point junctions;
An output terminal to which the other electrode of each of the point junctions is connected in common;
A bidirectional single-electron counting element characterized by comprising:
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。 The point junction is
The bidirectional single electron counting element according to claim 1, wherein the bidirectional single electron counting element is any one of a single electron transistor, a quantum wire, and a field effect transistor.
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、前記第１の電極の間に２つの微小伝導領域と３つの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前記微小伝導領域に電子がない場合には伝導度が高く、電子がある場合には伝導度が低くなる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。 A semiconductor multilayer structure including a gallium arsenide layer, an aluminum gallium arsenide layer, and a silicon-added aluminum gallium arsenide layer;
Two first electrodes provided apart from each other on the surface of the semiconductor multilayer structure;
Five first gate electrodes spaced apart between the first electrodes;
Two quantum dots configured by alternately arranging two microconductive regions and three tunnel barriers in series between the first electrodes by a predetermined gate voltage applied to the first gate electrode ; ,
Three second electrodes spaced apart on the surface of the semiconductor multilayer structure;
Two second gate electrodes respectively spaced apart between the second electrodes;
Two point junctions having high conductivity when there is no electron in the microconductive region due to a predetermined gate voltage applied to the second gate electrode, and low conductivity when there is an electron ;
In the surface of the semiconductor multilayer structure, the first electrode, the first gate electrode, the microconductive region, the tunnel barrier, the range provided with the quantum dots, the second electrode, and the second electrode A third gate electrode for insulating the gate electrode and the range provided with the point junction from each other;
A bi-directional single-electron counting element comprising:
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。 The semiconductor laminated structure is
4. The bidirectional single electron counting device according to claim 3, wherein the gallium arsenide layer and the aluminum gallium arsenide layer are non-doped.
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。 The semiconductor laminated structure is
5. The gallium arsenide layer forms an electron transit layer, the aluminum gallium arsenide layer forms a barrier layer, and the silicon-added aluminum gallium arsenide layer forms an electron supply layer. Bidirectional single-electron counting element as described in 1.
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。 The first electrode and the second electrode are:
6. The bidirectional single electron counting element according to claim 3, wherein both are ohmic electrodes to the gallium arsenide layer.
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。 The first gate electrode, the second gate electrode, and the third gate electrode are:
7. The bidirectional single electron counting element according to claim 3, wherein both are Schottky gates for the silicon-added aluminum gallium arsenide layer.
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