JP4865822B2 - Single-electron element impedance measuring apparatus and single-electron element impedance measuring method - Google Patents

Single-electron element impedance measuring apparatus and single-electron element impedance measuring method Download PDF

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Description

本発明は、単電子素子を構成する抵抗成分と容量成分からなるトンネル障壁を介した電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンス、つまり抵抗成分と容量成分を、上記単電子トランジスタ近傍にある電荷検出計の信号として素子上で位相検波する装置に関する。   The present invention relates to a charge detector in the vicinity of a single electron transistor, wherein the impedance of the single electron transistor, that is, the resistance component and the capacitance component, accompanying the charge transfer through a tunnel barrier composed of a resistance component and a capacitance component constituting the single electron device. The present invention relates to a device for detecting a phase on an element as a signal.

従来の高速で動作する電荷検出計として、図５に示すように構成されている高周波単電子トランジスタが知られている。この高周波単電子トランジスタにおいて、単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域１０１（以下、微小島１０１と称する）に、２つのトンネル障壁１０３と１０５を介して電子を出し入れすることができる。通常、このような微小島１０１は、半導体や金属を微細加工することによって、あるいは微小な伝導性分子や微粒子と半導体や金属とのトンネル接合を作製することによって得られる。   As a conventional charge detector operating at high speed, a high-frequency single-electron transistor configured as shown in FIG. 5 is known. In this high-frequency single-electron transistor, two tunnel barriers 103 and 105 are formed in a microconductive region 101 (hereinafter referred to as microisland 101) in which the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature. Electrons can be taken in and out via Usually, such a small island 101 is obtained by finely processing a semiconductor or metal, or by forming a tunnel junction between a small conductive molecule or fine particle and a semiconductor or metal.

典型的な高周波単電子トランジスタ回路においては、微小島１０１は、トンネル障壁１０５を介した電極１０４と、トンネル障壁１０３を介した電極１０２とが接合されている。この電極１０４は接地され、電極１０２には人為的または寄生的に形成されたキャパシター１０６を介して接地されている。そして、電極１０２には、インダクター１０７を介して高周波信号１０８が入力される。以降、電極１０２を入出力端子１０２と称して説明する。   In a typical high-frequency single-electron transistor circuit, a small island 101 has an electrode 104 via a tunnel barrier 105 and an electrode 102 via a tunnel barrier 103 joined. The electrode 104 is grounded, and the electrode 102 is grounded via an artificially or parasitically formed capacitor 106. A high-frequency signal 108 is input to the electrode 102 via the inductor 107. Hereinafter, the electrode 102 will be referred to as the input / output terminal 102.

ここで、キャパシター１０６とインダクター１０７で定められる共振周波数の高周波を入出力端子１０２に入力すると、反射信号がこの入出力端子１０２に現れる。このとき、高周波の入力信号に対する反射信号の比、すなわち反射係数を測定することによって、単電子トランジスタのインピーダンスを高速かつ高感度に求めることができる。ここで、単電子トランジスタのインピーダンスは微小島１０１の電荷状態によって決まるため、高速かつ高感度な電荷検出計として利用することができる。このような技術として、非特許文献１が知られている。   Here, when a high frequency having a resonance frequency determined by the capacitor 106 and the inductor 107 is input to the input / output terminal 102, a reflected signal appears at the input / output terminal 102. At this time, the impedance of the single electron transistor can be determined at high speed and with high sensitivity by measuring the ratio of the reflected signal to the high frequency input signal, that is, the reflection coefficient. Here, since the impedance of the single-electron transistor is determined by the charge state of the micro island 101, it can be used as a high-speed and highly sensitive charge detector. Non-patent document 1 is known as such a technique.

R.Schoelkopf, "The radio-frequency single-electron transistor: a fast and ultrasensitive electrometer" Science, 280, pp.1238-1242R. Schoelkopf, "The radio-frequency single-electron transistor: a fast and ultrasensitive electrometer" Science, 280, pp.1238-1242

しかしながら、このような従来の高周波単電子トランジスタにおいて測定される反射係数は、単電子トランジスタが高抵抗（クーロンブロッケード状態）の場合には原理的に１であり、単電子トランジスタが低抵抗（１０キロオーム以上）の場合でも、通常用いられている回路定数では１を僅かに下回る値である。そのため、インピーダンスを得るためには、上記の僅かな反射係数の差を測定する必要があるとともに、大きな精度（桁数）が要求されるという問題があった。   However, the reflection coefficient measured in such a conventional high-frequency single-electron transistor is, in principle, 1 when the single-electron transistor has a high resistance (Coulomb blockade state), and the single-electron transistor has a low resistance (10 kilohms). Even in the case of (above), the circuit constant normally used is slightly less than 1. Therefore, in order to obtain the impedance, there is a problem that it is necessary to measure the slight difference between the reflection coefficients and a large accuracy (number of digits) is required.

また、従来型の高周波単電子トランジスタにおいては、回路内のキャパシターとインダクターで決定される共振周波数（通常はメガヘルツ帯域）でしか動作せず、周波数可変幅は極めて狭いという問題があった。従って、この共振周波数で決まる限定的な電荷状態しか検出することができないという問題があった。また、共振周波数を変化させる場合にはキャパシターとインダクターなどの回路部品を組み込んだ回路を再構成する必要があり、煩雑さが要求されるという問題があった。   Further, the conventional high-frequency single-electron transistor operates only at a resonance frequency (usually a megahertz band) determined by a capacitor and an inductor in the circuit, and has a problem that the frequency variable width is extremely narrow. Therefore, there is a problem that only a limited charge state determined by the resonance frequency can be detected. Further, when the resonance frequency is changed, it is necessary to reconfigure a circuit incorporating circuit components such as a capacitor and an inductor, and there is a problem that complexity is required.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、測定のための回路部品を減じるとともに入力する周波数の帯域を広くして、単電子トランジスタのインピーダンスを高感度に求めることができる単電子素子インピーダンス測定装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to reduce the number of circuit components for measurement and widen the frequency band to be input, and to obtain the impedance of a single-electron transistor with high sensitivity. An object of the present invention is to provide a single-electron element impedance measuring apparatus capable of

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島と、当該微小島にトンネル障壁を介して接合する電極である入力電極とを有する単電子トランジスタと、前記単電子トランジスタの近傍かつ前記単電子トランジスタの伝導路とは電気的に絶縁されている別の伝導路にあり、前記微小島と静電的に結合されているポイント接合と、前記ポイント接合に接合する一方の電極および前記入力電極に広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、当該入力信号によって誘起される前記微小島と前記入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う前記単電子トランジスタのインピーダンスを、前記ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波する電荷検出計と、を有することを特徴とする単電子素子インピーダンス測定装置である。 The present invention has been made to solve the above-described problems. The invention according to claim 1 is a micro-conducting region in which the charging energy of single electrons is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature. A single-electron transistor having a small island and an input electrode that is an electrode joined to the small island through a tunnel barrier is electrically insulated from the vicinity of the single-electron transistor and the conduction path of the single-electron transistor. A point junction that is electrostatically coupled to the small island, and one of the electrodes joined to the point junction and the input electrode receives a phase variable high-frequency voltage signal having a wideband frequency as an input signal. The single-electron transition associated with temporal charge transfer between the micro-island and the input electrode, which is independently input and induced by the input signal The impedance of the capacitor, a single electron element impedance measuring apparatus characterized by having a charge detection meter for phase detection by the output signal outputted from the other electrode to be bonded to said point bonding.

請求項２に記載の発明は、上記単電子トランジスタが、量子力学的に結合した複数の前記微小島を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の単電子素子インピーダンス測定装置である。   The invention according to claim 2 is the single-electron element impedance measuring apparatus according to claim 1, wherein the single-electron transistor has a plurality of the micro-islands coupled quantum mechanically.

請求項３に記載の発明は、前記微小島が、ＧａＡｓ化合物半導体、シリコン、炭素系材料、単一分子のうちのいずれかである、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単電子素子インピーダンス測定装置である。   The invention described in claim 3 is characterized in that the micro island is one of a GaAs compound semiconductor, silicon, a carbon-based material, and a single molecule. This is a single-electron element impedance measuring device.

請求項４に記載の発明は、上記広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が、正弦波信号またはパルス信号であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の単電子素子インピーダンス測定装置である。   According to a fourth aspect of the present invention, the single-electron according to any one of the first to third aspects, wherein the phase variable high-frequency voltage signal having a wideband frequency is a sine wave signal or a pulse signal. It is an element impedance measuring device.

請求項５に記載の発明は、単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島と、当該微小島にトンネル障壁を介して接合する電極である入力電極とを有する単電子トランジスタと、前記単電子トランジスタの近傍かつ前記単電子トランジスタの伝導路とは電気的に絶縁されている別の伝導路にあり、前記微小島と静電的に結合されているポイント接合と、前記単電子トランジスタのインピーダンスを検出する電荷検出計とを有する単電子素子インピーダンス測定装置において用いられる単電子素子インピーダンス測定方法であって、前記電荷検出計が、前記ポイント接合に接合する一方の電極および前記入力電極に広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、当該入力信号によって誘起される前記微小島と前記入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う前記単電子トランジスタのインピーダンスを、前記ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波して検出する、ことを特徴とする単電子素子インピーダンス測定方法である。 According to the fifth aspect of the present invention, a micro island that is a micro conductive region in which the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature is joined to the micro island through a tunnel barrier. A single-electron transistor having an input electrode that is an electrode, and another conductive path in the vicinity of the single-electron transistor and electrically insulated from the conductive path of the single-electron transistor, and electrostatically and point bonding, which is coupled to the a single-electron element impedance measuring methods used in the single-electron element impedance measuring device having a charge detection meter for detecting the impedance of the single electron transistor, said charge detection meter, A phase-variable high-frequency voltage signal having a broadband frequency is input to the one electrode joined to the point junction and the input electrode. Independently inputted Te, other electrode of the impedance of the single-electron transistor with time charge transfer between the micro-island and the input electrode induced by the input signal, is joined to said point bonding A method of measuring impedance of a single electron element, characterized in that phase detection is performed by an output signal output from the first electronic element.

この発明によれば、微小島と静電的に結合されているポイント接合に接合する一方の電極および微小島に接合する入力電極に、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、電荷検出計が、当該入力信号によって誘起される微小島と入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンス変分を、ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波して検出する。
これにより本発明は、測定のための回路部品を減じるとともに入力する周波数の帯域を広くして、単電子トランジスタのインピーダンスを高感度に求めることができるという効果を奏する。 According to the present invention, a phase variable high-frequency voltage signal having a wideband frequency is independently input as an input signal to one electrode joined to a point junction that is electrostatically coupled to the microisland and to an input electrode joined to the microisland. The input charge detector outputs the impedance variation of the single-electron transistor associated with the temporal charge transfer between the micro-island and the input electrode induced by the input signal from the other electrode joined to the point junction. The phase is detected by the output signal to be detected.
As a result, the present invention has the effect of reducing the number of circuit components for measurement and widening the input frequency band to obtain the impedance of the single electron transistor with high sensitivity.

この発明の第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the single-electron element impedance measuring apparatus by 1st Embodiment of this invention. 位相可変高周波電圧信号の周波数を１ｋＨｚとしたときの時間平均電流〈ＩQPC〉のゲート電圧Ｖｇ依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the gate voltage Vg dependence of the time average current < IQPC > when the frequency of a phase variable high frequency voltage signal is 1 kHz. 電極２０と電極２１に入力する位相可変高周波電圧信号の位相差θに対する電流ピーク（ディップ）の変化を示すグラフである。6 is a graph showing a change in current peak (dip) with respect to a phase difference θ of a phase variable high-frequency voltage signal input to an electrode 20 and an electrode 21. この発明の第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the single-electron element impedance measuring apparatus by 2nd Embodiment of this invention. 従来の高周波単電子トランジスタの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional high frequency single electron transistor.

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、この発明の第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置の構成を示す概略ブロック図である。 <First Embodiment>
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic block diagram showing the configuration of a single-electron element impedance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.

単電子トランジスタ３０は、単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島１と、この微小島１にトンネル障壁３を介して接合する電極２（入力電極）と、この微小島１にトンネル障壁５を介して接合する電極４とを有している。   The single-electron transistor 30 is joined to a micro-island 1 that is a micro-conductive region in which the charge energy of a single electron is approximately equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature, and the micro-island 1 is joined via a tunnel barrier 3. An electrode 2 (input electrode) and an electrode 4 joined to the small island 1 via a tunnel barrier 5 are provided.

微小島１は、ＧａＡｓ化合物半導体、シリコン、炭素系材料（カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン）、フラーレンまたは有機分子である単一分子、または金属を微細加工することによって、あるいは微小な伝導性分子や微粒子と半導体や金属とのトンネル接合を作製することによって得られる。   The micro island 1 is formed by GaAs compound semiconductor, silicon, carbon-based material (carbon nanotube, graphene, fullerene), single molecule that is fullerene or organic molecule, or by microfabrication of metal, or minute conductive molecule or fine particle. And a semiconductor or a metal.

この微小島１には、トンネル障壁３またはトンネル障壁５を介して電子を１個ずつ出し入れすることができる。たとえば本実施形態においては、トンネル障壁３を介して電極２から微小島１に、電子を１個ずつ出し入れすることができる。なお、たとえば本実施形態においては、電極４は接地されている。なおトンネル障壁３と同様に、トンネル障壁５を介して電極４から微小島１に、電子を１個ずつ出し入れすることも可能である。   Electrons can be taken in and out of the small island 1 one by one through the tunnel barrier 3 or the tunnel barrier 5. For example, in this embodiment, electrons can be taken in and out from the electrode 2 to the micro island 1 through the tunnel barrier 3 one by one. For example, in this embodiment, the electrode 4 is grounded. Similarly to the tunnel barrier 3, electrons can be taken in and out from the electrode 4 to the micro island 1 through the tunnel barrier 5.

このような微小島１にトンネル障壁３を介して接続されている電極２は入力端子であり、この電極２には位相可変高周波電圧信号２０が入力される。この位相可変高周波電圧信号２０は、たとえば、正弦波信号である。この位相可変高周波電圧信号２０と後述する位相可変高周波電圧信号２１とは、互いの位相を可変とされる。   An electrode 2 connected to such a small island 1 through a tunnel barrier 3 is an input terminal, and a phase variable high-frequency voltage signal 20 is input to this electrode 2. The phase variable high frequency voltage signal 20 is, for example, a sine wave signal. The phase variable high-frequency voltage signal 20 and a phase variable high-frequency voltage signal 21 to be described later are variable in phase.

ポイント接合７は、キャパシター６を介して微小島１と静電的に結合している。また、このポイント接合７を構成する伝導路と、微小島１を有する単電子トランジスタ３０を構成する伝導路とは、近接しているが（両者の距離は１００ナノメートル程度）、別の伝導路にあり、電気的には絶縁されている。ここで、電極２から微小島１に出入りする電子によって、ポイント接合７のコンダクタンスが変調されることから、ポイント接合７は単電子トランジスタ３０に対する電荷検出計として機能する。   The point junction 7 is electrostatically coupled to the micro island 1 via the capacitor 6. Further, although the conduction path constituting the point junction 7 and the conduction path constituting the single-electron transistor 30 having the micro island 1 are close to each other (the distance between them is about 100 nanometers), another conduction path is used. And is electrically insulated. Here, since the conductance of the point junction 7 is modulated by electrons entering and exiting the micro island 1 from the electrode 2, the point junction 7 functions as a charge detector for the single electron transistor 30.

本実施形態においては、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号２０と２１とを、単電子トランジスタ３０の電極２および電荷検出計１０が電極９とポイント接合７とを介して接合する電極８に独立して入力することで、素子上で位相検波を行う。   In the present embodiment, phase variable high-frequency voltage signals 20 and 21 having a broadband frequency are independent of the electrode 2 to which the electrode 2 of the single electron transistor 30 and the charge detector 10 are joined via the electrode 9 and the point junction 7. Phase detection on the element.

すなわち、ポイント接合７に接合する一方の電極８および単電子トランジスタ３０の入力端子である電極２に、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号２０と２１とが入力信号として独立して入力される。そして、電荷検出計１０は、この入力信号によって誘起される微小島１と電極２との間の時間的な電荷移動に伴う単電子トランジスタ３０のインピーダンス変分を、ポイント接合７に接合する他方の電極９から出力される出力信号により位相検波する。この電荷検出計１０の他端は、直流電源１１の一端に接続されている。この直流電源１１の他端は、接地されている。   That is, phase variable high-frequency voltage signals 20 and 21 having a broadband frequency are independently input as input signals to one electrode 8 joined to the point junction 7 and the electrode 2 that is the input terminal of the single-electron transistor 30. Then, the charge detector 10 detects the impedance variation of the single-electron transistor 30 accompanying the temporal charge transfer between the micro island 1 and the electrode 2 induced by the input signal, and joins the other to the point junction 7. Phase detection is performed by the output signal output from the electrode 9. The other end of the charge detector 10 is connected to one end of a DC power source 11. The other end of the DC power source 11 is grounded.

たとえば、電極２を介して微小島１に周波数ｆopの位相可変高周波電圧信号２０を入力すると、微小島１のポテンシャルが変調され、微小島１と電極２と電極４とで構成される単電子トランジスタ３０のインピーダンスＺQD（ｆop）が変化する。ここで、電極８を介してポイント接合７に周波数ｆop、位相差θの位相可変高周波電圧信号２１を入力すると、電極９に接続する電荷検出計１０で検出される時間平均電流〈ＩQPC〉は、ＺQD（ｆop）ｅiθに比例する。そのため、位相差θを変調することで、インピーダンスＺQD（ｆop）のレジスタンス成分とリアクタンス成分とを独立に検出することができる。
For example, when the phase variable high-frequency voltage signal 20 having the frequency fop is input to the micro island 1 through the electrode 2, the potential of the micro island 1 is modulated, and the single electron transistor configured by the micro island 1, the electrode 2, and the electrode 4. The impedance ZQD (fop) of 30 changes. The frequency fop point bonding 7 via the electrode 8, by entering the phase variable high-frequency voltage signal 21 of the phase difference theta, time average current detected by the charge detecting meter 10 connected to the electrodes 9 <IQPC> is It is proportional to Z QD (fop) e iθ . Therefore, by modulating the phase difference θ, the resistance component and reactance component of the impedance ZQD (fop) can be detected independently.

また、たとえば、トンネル障壁３の高さを調整するゲート電圧Ｖｇを変化させながら時間平均電流〈ＩQPC〉を測定すると、バックグランド成分を伴った電流ピーク（もしくはディップ）が観測される。図２は位相可変高周波電圧信号の周波数を１ｋＨｚとしたときの時間平均電流〈ＩQPC〉のゲート電圧Ｖｇ依存性を示したグラフである。なお、バックグランド成分は電極２と電極８の間の静電的結合に起因する。 For example, when the time average current <I QPC > is measured while changing the gate voltage Vg for adjusting the height of the tunnel barrier 3, a current peak (or dip) with a background component is observed. FIG. 2 is a graph showing the dependence of the time average current <I QPC > on the gate voltage Vg when the frequency of the phase variable high-frequency voltage signal is 1 kHz. The background component is caused by electrostatic coupling between the electrode 2 and the electrode 8.

この図２に示されるように、微小島１において電子数が変化する境界領域で、微小島１と電極２と電極４とからなる単電子トランジスタ３０のインピーダンスの増大に伴う電荷検出計１０のコンダクタンスの増大によって、電流ピークが観測される。ここで、ポイント接合７からなる電荷検出計１０の信号がピークもしくはディップになるのは、微小島１とポイント接合７の位置関係で決まる。   As shown in FIG. 2, in the boundary region where the number of electrons in the micro island 1 changes, the conductance of the charge detector 10 accompanying the increase in the impedance of the single-electron transistor 30 composed of the micro island 1, the electrode 2 and the electrode 4 is shown. A current peak is observed due to the increase in. Here, the peak or dip of the signal of the charge detector 10 composed of the point junction 7 is determined by the positional relationship between the micro island 1 and the point junction 7.

図３は電極２と電極８とに入力する位相可変高周波電圧信号の位相差θに対して、電荷検出計１０で検出される信号における電流ピーク（ディップ）の変化を示したグラフである。このグラフから、周波数が低いときは位相差がゼロのときにピーク強度が最大となり、位相差が９０度となる場合にはピーク強度が０となることから、位相検波ができていることがわかる。そして、周波数の増大とともにピーク強度が減少し、位相がシフトする（図３中の矢印参照）。これは、ピーク強度の減少は入力電圧の周波数がトンネル障壁３を通過する時間に近づくために、電荷移動が起こりにくくなるためである。また位相のシフトは、電荷検出計１０が単電子トランジスタ３０のインピーダンスを検出していることを保証している。   FIG. 3 is a graph showing changes in the current peak (dip) in the signal detected by the charge detector 10 with respect to the phase difference θ of the phase variable high-frequency voltage signal input to the electrode 2 and the electrode 8. From this graph, when the frequency is low, the peak intensity is maximized when the phase difference is zero, and when the phase difference is 90 degrees, the peak intensity is 0. Thus, it can be seen that phase detection is performed. . As the frequency increases, the peak intensity decreases and the phase shifts (see the arrow in FIG. 3). This is because the decrease in the peak intensity approaches the time for the frequency of the input voltage to pass through the tunnel barrier 3, so that charge transfer is less likely to occur. The phase shift also ensures that the charge detector 10 detects the impedance of the single electron transistor 30.

上記に説明した第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置においては、微小島１と静電的に結合されているポイント接合７に接合する一方の電極８および微小島１に接合する入力電極２に、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号２０と２１とが入力信号として独立して入力される。そして、電荷検出計１０が、当該入力信号によって誘起される微小島１と入力電極２との間の時間的な電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンス変分を、ポイント接合７に接合する他方の電極９から出力される出力信号により位相検波して検出する。   In the single-electron element impedance measuring apparatus according to the first embodiment described above, one electrode 8 joined to the point junction 7 electrostatically coupled to the micro island 1 and the input electrode joined to the micro island 1 2, phase variable high-frequency voltage signals 20 and 21 having a wideband frequency are independently input as input signals. Then, the charge detector 10 joins the impedance variation of the single-electron transistor due to the temporal charge transfer between the micro island 1 and the input electrode 2 induced by the input signal to the other junction that joins the point junction 7. Detection is performed by phase detection using the output signal output from the electrode 9.

これにより、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置においては、従来技術のように入力電極２で反射係数を測定する必要がないために、インピーダンスを得るために、僅かな反射係数の差を測定する必要が無くなる。また、従来技術のように回路内のキャパシターとインダクターで決定される共振周波数（通常はメガヘルツ帯域）で動作させる必要がないために、周波数可変幅を広くすることができる。また、従来技術のように共振周波数で動作させる必要がないために、共振周波数を変化させる場合に必要となるキャパシターとインダクターなどの回路部品を組み込んだ回路を再構成する必要がなくなる。   Thereby, in the single-electron element impedance measuring apparatus according to the first embodiment, since there is no need to measure the reflection coefficient with the input electrode 2 as in the prior art, a slight difference in reflection coefficient is obtained in order to obtain impedance. There is no need to measure. Further, since it is not necessary to operate at a resonance frequency (usually a megahertz band) determined by a capacitor and an inductor in the circuit as in the prior art, the frequency variable width can be widened. In addition, since it is not necessary to operate at the resonance frequency as in the prior art, it is not necessary to reconfigure a circuit incorporating circuit components such as a capacitor and an inductor which are necessary when changing the resonance frequency.

すなわち、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置は、キャパシターやインダクター等の回路部品を必要とせず、数ヘルツ程度から数十ギガヘルツまでの広帯域で単電子トランジスタのインピーダンスを測定でき、このインピーダンスは微小島における電荷伏態によって決定されることから、広帯域での電荷状態の検出を可能にすることが出来る。   That is, the single-electron element impedance measuring apparatus according to the first embodiment can measure the impedance of a single-electron transistor in a wide band from about several hertz to several tens of gigahertz without requiring circuit components such as capacitors and inductors. Is determined by the charge state in the microisland, so that it is possible to detect the charge state in a wide band.

従って、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置は、測定のための回路部品を減じるとともに入力する周波数の帯域を広くして、単電子トランジスタのインピーダンスを高感度に求めることができるという効果を奏する。   Therefore, the single-electron element impedance measuring apparatus according to the first embodiment has an effect that the impedance of the single-electron transistor can be obtained with high sensitivity by reducing the circuit components for measurement and widening the input frequency band. Play.

＜第２の実施形態＞
次に図４を用いて、第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置の構成について説明する。第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置は、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置に対比して、単電子トランジスタ３０が、量子力学的に結合した複数の直列に結合された微小島１を有している。 <Second Embodiment>
Next, the configuration of the single-electron element impedance measuring apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The single-electron element impedance measuring apparatus according to the second embodiment has a single-electron transistor 30 coupled in series with a plurality of quantum-mechanically coupled single-electron transistors 30 as compared to the single-electron element impedance measurement apparatus according to the first embodiment. It has a small island 1.

この図４において、図１の構成に対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略し、図１の構成と相違する構成のみについて説明する。この図４における単電子トランジスタ３０Ａは、図１の単電子トランジスタ３０に相当する。ここでは単電子トランジスタ３０Ａが、量子力学的に結合した２つの微小島１、すなわち微小島１Ａと微小島１Ｂとを有する場合について説明する。   4, components corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only components different from those in FIG. 1 are described. The single electron transistor 30A in FIG. 4 corresponds to the single electron transistor 30 in FIG. Here, a case where the single electron transistor 30A has two micro islands 1 that are quantum-mechanically coupled, that is, the micro island 1A and the micro island 1B will be described.

単電子トランジスタ３０Ａは、図１の微小島１に代えて、直列に接続されている複数の微小島を有している。たとえば、単電子トランジスタ３０Ａは、図１の微小島１に代えて、微小島１Ａと微小島１Ｂとを有している。この微小島１Ａと微小島１Ｂとは、トンネル障壁３Ａを介して直列に接続されている。   The single electron transistor 30A has a plurality of small islands connected in series instead of the small island 1 of FIG. For example, the single-electron transistor 30A has a micro island 1A and a micro island 1B instead of the micro island 1 in FIG. The small island 1A and the small island 1B are connected in series via the tunnel barrier 3A.

この第２の実施形態においても、図１を用いて説明した第１の実施形態の場合と同様に、トンネル障壁３Ｂを介して電極２から微小島１Ｂに、電子を１個ずつ出し入れすることが可能である。また、トンネル障壁５を介して電極４から微小島１Ａに、電子を１個ずつ出し入れすることも可能である。更に、トンネル障壁３Ａを介して微小島１Ａから微小島１Ｂに、またはその逆に、トンネル障壁３Ａを介して微小島１Ｂから微小島１Ａに、１個ずつ電子を出し入れすることも可能である。   Also in the second embodiment, similarly to the case of the first embodiment described with reference to FIG. 1, electrons can be taken in and out one by one from the electrode 2 to the small island 1B through the tunnel barrier 3B. Is possible. It is also possible to put electrons in and out from the electrode 4 to the small island 1A through the tunnel barrier 5 one by one. Furthermore, it is also possible to transfer electrons one by one from the small island 1A to the small island 1B via the tunnel barrier 3A, or vice versa, from the small island 1B to the small island 1A via the tunnel barrier 3A.

複数の微小島のそれぞれには、ポイント接合７が対応付けられて設置されている。たとえば、ポイント接合７Ａは、キャパシター６Ａを介して微小島１Ａと静電的に結合しており、ポイント接合７Ｂは、キャパシター６Ｂを介して微小島１Ｂと静電的に結合している。また、ポイント接合７Ａとポイント接合７Ｂとは、微小島１Ａと微小島１Ｂと同様に、直列に接続されている。   A point junction 7 is associated with each of the plurality of small islands. For example, the point junction 7A is electrostatically coupled to the micro island 1A via the capacitor 6A, and the point junction 7B is electrostatically coupled to the micro island 1B via the capacitor 6B. Further, the point junction 7A and the point junction 7B are connected in series like the small island 1A and the small island 1B.

この第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置においても、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置と同様に、直列に接続されている複数の微小島１（１Ａと１Ｂ）と静電的に結合されている複数のポイント接合７（７Ａと７Ｂ）に接合する一方の電極８、および、直列に接続されている複数の微小島１（１Ａと１Ｂ）のうちの微小島１Ｂに接合する入力電極２に、広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号２０と２１とが入力信号として独立して入力される。そして、電荷検出計１０が、当該入力信号によって誘起される微小島１Ｂと入力電極２との間の時間的な電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンス変分を、ポイント接合７Ａに接合する他方の電極９から出力される出力信号により位相検波して検出する。   In the single-electron element impedance measuring apparatus according to the second embodiment, as in the single-electron element impedance measuring apparatus according to the first embodiment, a plurality of small islands 1 (1A and 1B) connected in series and static One electrode 8 joined to a plurality of point junctions 7 (7A and 7B) that are electrically coupled, and a micro island 1B of a plurality of micro islands 1 (1A and 1B) connected in series Broadband frequency phase variable high-frequency voltage signals 20 and 21 are independently input as input signals to the input electrode 2 to be joined. Then, the charge detector 10 joins the impedance variation of the single-electron transistor due to the temporal charge transfer between the micro island 1B and the input electrode 2 induced by the input signal to the other junction that joins the point junction 7A. Detection is performed by phase detection using the output signal output from the electrode 9.

これにより第２の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置は、第１の実施形態による単電子素子インピーダンス測定装置と同様に、測定のための回路部品を減じるとともに入力する周波数の帯域を広くして、単電子トランジスタのインピーダンスを高感度に求めることができるという効果を奏する。   As a result, the single-electron element impedance measuring apparatus according to the second embodiment reduces the number of circuit components for measurement and widens the input frequency band in the same manner as the single-electron element impedance measurement apparatus according to the first embodiment. The impedance of the single electron transistor can be obtained with high sensitivity.

上述した第１または第２の実施形態によれば、次の効果を奏する。
・単電子トランジスタのインピーダンス（レジスタンス成分およびリアクタンス成分）を得ることができる。
・トンネル障壁３やトンネル障壁５を介した電荷移動に伴う単電子トランジスタのインピーダンスの変化を測定することで、電子のトンネル時間を測定することができる。
・微小島中の電子スピンの緩和時間は数百マイクロ秒であることから、本実施形態による技術により単一スピン状態を検出することができる。 According to the first or second embodiment described above, the following effects are obtained.
-Impedance (resistance component and reactance component) of a single electron transistor can be obtained.
The electron tunneling time can be measured by measuring the change in impedance of the single electron transistor accompanying the charge transfer through the tunnel barrier 3 and the tunnel barrier 5.
-Since the relaxation time of electron spin in a micro island is several hundred microseconds, a single spin state can be detected by the technique according to the present embodiment.

また、上述した第２の実施形態によれば、次の効果を奏する。
・量子力学的に結合した二つの微小島を用いれば、ドット間障壁の電荷移動に伴うインピーダンスを測定することができる。
・複数の微小島を直列に結合させた系において、複数の微小島の電荷状態を検出できる。
・量子力学的に結合した二つの微小島において、電荷が構成する量子力学的な状態である反結合軌道状態と結合軌道状態を識別して検出することができる。両状態を識別するにはフォノン緩和時間（数ギガヘルツ）よりも高速な測定が必要であり、本技術によって検出が可能である。 Moreover, according to 2nd Embodiment mentioned above, there exists the following effect.
-If two micro islands coupled quantum mechanically are used, the impedance accompanying the charge transfer of the barrier between dots can be measured.
-In a system in which a plurality of small islands are coupled in series, the charge state of the plurality of small islands can be detected.
-It is possible to distinguish and detect an anti-bonding orbital state and a bonding orbital state, which are quantum mechanical states formed by electric charges, in two micro-islands that are quantum-mechanically coupled. In order to distinguish both states, a measurement faster than the phonon relaxation time (several gigahertz) is required, and can be detected by this technique.

なお、微小島を構成する半導体材料としては、ＧａＡｓ化合物半導体、シリコン、炭素系材料（カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン）、単一分子（フラーレンまたは有機分子）などが挙げられる。
また、位相可変高周波電圧信号における正弦波信号をパルス信号に置き換えても同様の効果を得ることができる。 In addition, as a semiconductor material which comprises a micro island, a GaAs compound semiconductor, silicon, a carbon-type material (carbon nanotube, graphene, fullerene), a single molecule (fullerene or an organic molecule), etc. are mentioned.
The same effect can be obtained even if the sine wave signal in the phase variable high frequency voltage signal is replaced with a pulse signal.

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design and the like within a scope not departing from the gist of the present invention.

１，１Ａ、１Ｂ、１０１…微小島、２、４、８、９，１０２、１０４…電極、３、３Ａ、３Ｂ、５、１０３、１０５…トンネル障壁、６、６Ａ、６Ｂ、１０６…キャパシター、７、７Ａ、７Ｂ…ポイント接合、１０…電荷検出計、１１…直流電源、２０、２１…位相可変高周波電圧信号、１０７…インダクター、１０８…高周波信号   1, 1A, 1B, 101 ... micro islands, 2, 4, 8, 9, 102, 104 ... electrodes, 3, 3A, 3B, 5, 103, 105 ... tunnel barriers, 6, 6A, 6B, 106 ... capacitors, 7, 7A, 7B: Point junction, 10: Charge detector, 11: DC power supply, 20, 21: Phase variable high frequency voltage signal, 107: Inductor, 108: High frequency signal

Claims (5)

単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島と、当該微小島にトンネル障壁を介して接合する電極である入力電極とを有する単電子トランジスタと、
前記単電子トランジスタの近傍かつ前記単電子トランジスタの伝導路とは電気的に絶縁されている別の伝導路にあり、前記微小島と静電的に結合されているポイント接合と、
前記ポイント接合に接合する一方の電極および前記入力電極に広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、当該入力信号によって誘起される前記微小島と前記入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う前記単電子トランジスタのインピーダンスを、前記ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波する電荷検出計と、
を有することを特徴とする単電子素子インピーダンス測定装置。 A single island having a small island that is a small conduction region in which the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature, and an input electrode that is an electrode joined to the small island through a tunnel barrier. An electronic transistor;
A point junction in the vicinity of the single-electron transistor and in another conductive path that is electrically insulated from the conductive path of the single-electron transistor, and electrostatically coupled to the microisland;
A phase variable high-frequency voltage signal having a wide-band frequency is independently input as an input signal to one of the electrodes and the input electrode that are joined to the point junction, and between the micro-island and the input electrode induced by the input signal. the impedance of the single-electron transistor with time charge transfer, a charge detection meter for phase detection by the output signal outputted from the other electrode to be bonded to said point bonding,
A single-electron element impedance measuring apparatus comprising: 上記単電子トランジスタが、
量子力学的に結合した複数の前記微小島を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の単電子素子インピーダンス測定装置。 The single electron transistor is
Having a plurality of said microislands coupled quantum mechanically,
The single-electron element impedance measuring apparatus according to claim 1. 前記微小島が、
ＧａＡｓ化合物半導体、シリコン、炭素系材料、単一分子のうちのいずれかである、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単電子素子インピーダンス測定装置。 The microislands are
One of GaAs compound semiconductor, silicon, carbon-based material, single molecule,
The single-electron element impedance measuring apparatus according to claim 1 or 2, characterized by the above-mentioned. 上記広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が、
正弦波信号またはパルス信号であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の単電子素子インピーダンス測定装置。 The broadband variable phase variable high-frequency voltage signal is
The single-electron element impedance measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the single-electron element impedance measuring apparatus is a sine wave signal or a pulse signal. 単電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域である微小島と、当該微小島にトンネル障壁を介して接合する電極である入力電極とを有する単電子トランジスタと、前記単電子トランジスタの近傍かつ前記単電子トランジスタの伝導路とは電気的に絶縁されている別の伝導路にあり、前記微小島と静電的に結合されているポイント接合と、前記単電子トランジスタのインピーダンスを検出する電荷検出計とを有する単電子素子インピーダンス測定装置において用いられる単電子素子インピーダンス測定方法であって、
前記電荷検出計が、
前記ポイント接合に接合する一方の電極および前記入力電極に広帯域周波数の位相可変高周波電圧信号が入力信号として独立して入力され、当該入力信号によって誘起される前記微小島と前記入力電極との間の時間的な電荷移動に伴う前記単電子トランジスタのインピーダンスを、前記ポイント接合に接合する他方の電極から出力される出力信号により位相検波して検出する、
ことを特徴とする単電子素子インピーダンス測定方法。 A single island having a small island that is a small conduction region in which the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature, and an input electrode that is an electrode joined to the small island through a tunnel barrier. A point junction that is in a separate conduction path in the vicinity of the single-electron transistor and electrically isolated from the conduction path of the single-electron transistor, and is electrostatically coupled to the microisland; wherein a single-electron element impedance measuring methods used in the single-electron element impedance measuring device having a charge detection meter for detecting the impedance of the single-electron transistor,
The charge detector is
A phase variable high-frequency voltage signal having a wide-band frequency is independently input as an input signal to one of the electrodes and the input electrode that are joined to the point junction, and between the micro-island and the input electrode induced by the input signal. the impedance of the single-electron transistor with time charge transfer, and detecting the phase detection by the output signal outputted from the other electrode to be bonded to said point bonding,
A single-electron element impedance measuring method.
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