JPH06196720A - 単一電子トランジスタ - Google Patents

単一電子トランジスタ

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JPH06196720A
JPH06196720A JP34592292A JP34592292A JPH06196720A JP H06196720 A JPH06196720 A JP H06196720A JP 34592292 A JP34592292 A JP 34592292A JP 34592292 A JP34592292 A JP 34592292A JP H06196720 A JPH06196720 A JP H06196720A
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JP
Japan
Prior art keywords
quantum dot
gate electrode
insulating film
gate
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
JP34592292A
Other languages
English (en)
Inventor
Shunji Nakada
俊司 中田
Takashi Mizutani
孝 水谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 量子ドットの上に形成した絶縁膜上にゲート
電極を設けることにより、従来より極めて容易に0.1
μm程度の量子ドットの作製を可能であり、高速スイッ
チング動作が可能で、かつ、低消費電力動作が可能な単
一電子トランジスタを提供すること。 【構成】 2次元電子構造を有する半導体の上に第lの
ゲート電極を設け、このゲート電極に電圧を印加するこ
とにより生じる空乏層により、同心円状あるいは矩形状
に電子の閉じ込め領域を形成し、この閉じ込め領域に囲
まれた内部に電子を蓄積する半導体量子ドットの上に絶
縁膜を形成し、その絶縁膜上に第2のゲート電極を形成
することにより、単一電子の移動を制御することを特徴
とする。また、絶縁膜を形成した後、上記量子ドット上
の所望の領域を除去しその後、第2のゲート電極を形成
したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高速スイッチング動作が
可能で、かつ、低消費電力動作が可能な単一電子トラン
ジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体微細構造における半導体量
子ドットの作製には、半導体表面上に形成したショット
キー電極(第1のゲート)に電圧を印加し空乏層閉じ込
めを用いているものが知られている("K.K.Likharev, I
BM J.Res. Develop, 32, 144(1988)"," D.V. Averin an
d K.K. Likharev, in Mesoscopic Phenomena in Solid
s, edited by B.L. Altshuler, P.A.Lee, and R.A. Web
b(Elsevier, Amsterdam,1991)","H.van Houten, C.W.J.
Beenakker, and A.A.M.Staring, in Single Charge Tun
neling, edited by H.Grabert and M.H.Devoret(Plenm,
New YOrk, 1991)")。
【0003】このとき量子ドット内の電子数を制御する
為のゲートとして、同様に半導体表面上のショットキー
電極(第2のゲート)を用いており、これにゲート電圧
を印加することにより電子数の制御を行っている(図
3)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来例では量
子ドットを形成するゲート(第1のゲート)および量子
ドット内の電子数を制御するゲート(第2のゲート)が
同一の半導体表面上に形成されているために、直径0.
1μm程度以下の量子ドットの作製は困難であった。量
子ドットの大きさを小さくすることは単一電子の帯電エ
ネルギーを大きくするために重要であり、帯電エネルギ
ーが大きいと単一電子トランジスタをより高温で動作さ
せることが可能となる。即ち、2次元電子ガス領域にお
ける量子ドットのキャパシタンス(C)は量子ドットの
半径(R)を用いてC=8επRとかける。単一電子の
量子ドットにおける帯電エネルギーはe2/Cと書き表
せる。よって、量子ドットの直径が小さいことは量子ド
ットのキャパシタンスが小さいことにつながり、さらに
単一電子の帯電エネルギーが大きくなることに対応して
いる。しかしながら、従来の技術では、上記に示したよ
うに直径0.1μm程度の量子ドット内の電荷を制御す
るための電極を形成するのが困難であった。
【0005】本発明はこの問題点に鑑みて、量子ドット
の上に形成した絶縁膜上にゲート電極を設けることによ
り、従来より極めて容易に0.1μm程度の量子ドット
の作製を可能にするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の単一電子トランジスタは、2次元電子構造
を有する半導体の上に第lのゲート電極を設け、このゲ
ート電極に電圧を印加することにより生じる空乏層によ
り、同心円状あるいは矩形状に電子の閉じ込め領域を形
成し、この閉じ込め領域に囲まれた内部に電子を蓄積す
る半導体量子ドットの上に絶縁膜を形成し、その絶縁膜
上に第2のゲート電極を形成することにより、単一電子
の移動を制御することを特徴とする。
【0007】また、絶縁膜を形成した後、上記量子ドッ
ト上の所望の領域を除去し(例えば直径0.1μm程度
の穴を形成し)、その後、第2のゲート電極を形成(例
えばTiAuを蒸着)したことを特徴とする。
【0008】
【作用】本発明では、第2のゲート(量子ドット内の電
子数を制御するためのゲートを、量子ドット上に絶縁膜
を介して形成しているため、第2のゲートを小さくで
き、ひいては量子ドットの半径を小さくすることができ
る。そのため、量子ドットのキャパシタンスを小さくす
ることが能となり、T=77K程度においても単一電子
トランジスタの動作が可能となる。
【0009】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図1に本発明の実施例に係る単一電子トラン
ジスタの構造図を示す。上面図において、下側の第1ゲ
ートは電気的に分離した形で配置されているが、外部で
結縁されて電気的につながっていてもよい。また、下側
の第1ゲートが一体として形成されていても良い。この
上面図では変調ドーピング構造の上に第1ゲートを蒸着
し、その上に絶縁膜、例えばSiNが成長されている。
【0010】第1の実施例では、単一電子の移動を制御
するための第2のゲートは絶縁膜(本例ではSiN)上
に形成されている(図1(b))。また、第2の実施例
では量子ドットの上部のSiNをエッチング、例えばR
IE(リアクティブイオンエッチング)により加工し、
その後第2のゲートを蒸着してある(図1(c))。
【0011】この素子に対してソース−ドレイン電圧
(Vds)を印加したときの電流電圧特性は図2(a)、
図2(b)に示すようになる。横軸はソース−ドレイン
電圧(Vds)、縦軸はソース−ドレイン電流(Ids)で
ある。特性は周期的な階段状のふるまいを示すが、それ
ぞれの階段の平坦部分においては量子ドツト内の電子数
は一定であり、次の階段に移動した場合に電子数が1個
だけ変化する。この素子に対しソース−ドレイン間に電
圧V0を印加する。この時、V0<e/(2C)のためク
ーロンブロッケイドが生じ、ソース−ドレイン電流は0
である。次に第2ゲートに電圧を印加することにより量
子ドットのフェルミレベルを変化させる。こうする事に
より、Ids−Vds特性は図2(b)に示すようにドレイ
ン電圧の負側にシフトする。
【0012】このときソースと量子ドットとの接合の両
端にはe/(2C)以上の電圧が印加されるため、クー
ロンブロッケイドが破れトンネル電流が流れる。このと
きにおけるエネルギーバンド図を示したのが図2
(c)、図2(d)である。図2(c)は、最初の状態
を表わしており、ドットのフェルミレベルとソース側の
フェルミレべルの差はe/(2C)以下のために、電子
のトンネルが抑制される。しかし、図2(d)では、ゲ
ート電圧によりドットのフェルミレべルを下へ下げてお
り、このことによりソース側からのトンネルが可能とな
る。この過程においてgm=ΔI/ΔVgはΔVgを小さ
くすることにより、大きい値を得ることが可能となる。
【0013】
【発明の効果】本発明によれば以下の効果が達成され
る。 (1)半導体量子ドットの構造を、従来にくらべ容易に
直径0.1μm程度以下に小さくできる。 (2)構造が小さく出来るため、キャパシタンスを小さ
くすることができ、高温で動作させることが可能であ
る。
【0014】(3)単一電子で動作するために、消費電
力が極めて少なく、動作速度も時定数CRで決められる
ため、1ps以下の動作が可能である。 (4)量子ドットの上部が絶縁膜で保護されているため
に、外部からの電磁波の影響を比較的に受けずにすむ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る素子を示し、(a)は上
面図、(b)は第1の実施例を示す横断面図、(c)第
2の実施例を示す横断面図、である。
【図2】(a)はドットに第2ゲート電圧を印加しない
とき(ソース・ドレイン間にはV0の電圧を印加)のI
−V特性を示し、(b)はドットにゲート電圧を印加し
たときのI−V特性を示す。(c),(d)はそれぞれ
(a),(b)に対応する量子ドットのエネルギーレベ
ルを示す。
【図3】従来の素子の構造図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成5年7月12日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項1
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0002
【補正方法】変更
【補正内容】
【0002】
【従来の技術】従来、半導体微細構造における半導体量
子ドットの作製には、半導体表面上に形成したショット
キー電極(第1のゲート)に電圧を印加し空乏層閉じ込
めを用いているものが知られている(“K. K. Likhare
v, IBM J. Res. Develop, 32, 144(1988)”, “D. V. A
verin and K. K. Likharev, in Mesoscopic Phenomena
in Solids, edited by B. L. Altshuler, P. A. Lee, a
nd R. A. Webb(Elsevier,Amsterdam, 1991)”, “H. v
an Houten, C. W. J. Beenakker, and A. A. M.Starin
g, in Single Charge Tunneling, edited by H. Graber
t and M. H. Devoret (Plenm, New York, 1991)”)。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0004
【補正方法】変更
【補正内容】
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来例では量
子ドットを形成するゲート(第1のゲート)および量子
ドット内の電子数を制御するゲート(第2のゲート)が
同一の半導体表面上に形成されているために、直径0.
1μm程度以下の量子ドットの作製は困難であった。量
子ドットの大きさを小さくすることは単一電子の帯電エ
ネルギーを大きくするために重要であり、帯電エネルギ
ーが大きいと単一電子トランジスタをより高温で動作さ
せることが可能となる。即ち、2次元電子ガス領域にお
ける量子ドットのキャパシタンス(C)は量子ドットの
半径(R)を用いてC=8επRと書ける。単一電子の
量子ドットにおける帯電エネルギーはe2/Cと書き表
せる。よって、量子ドットの直径が小さいことは量子ド
ットのキャパシタンスが小さいことにつながり、さらに
単一電子の帯電エネルギーが大きくなることに対応して
いる。しかしながら、従来の技術では、上記に示したよ
うに直径0.1μm程度の量子ドット内の電荷を制御す
るための電極を形成するのが困難であった。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0006
【補正方法】変更
【補正内容】
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明の単一電子トランジスタは、2次元電子構造
を有する半導体の上に第1のゲート電極を設け、このゲ
ート電極に電圧を印加することにより生じる空乏層によ
り、同心円状あるいは矩形状に電子の閉じ込め領域を形
成し、この閉じ込め領域に囲まれた内部に電子を蓄積す
る半導体量子ドットの上に絶縁膜を形成し、その絶縁膜
上に第2のゲート電極を形成することにより、単一電子
の移動を制御することを特徴とする。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】この素子に対してソース−ドレイン電圧
(Vds)を印加したときの電流電圧特性は図2(a)、
図2(b)に示すようになる。横軸はソース−ドレイン
電圧(Vds)、縦軸はソース−ドレイン電流(Ids)で
ある。特性は周期的な階段状のふるまいを示すが、それ
ぞれの階段の平坦部分においては量子ドット内の電子数
は一定であり、次の階段に移動した場合に電子数が1個
だけ変化する。この素子に対しソース−ドレイン間に電
圧V0を印加する。この時、V0<e/(2C)のためク
ーロンブロッケイドが生じ、ソース−ドレイン電流は0
である。次に第2ゲートに電圧を印加することにより量
子ドットのフェルミレベルを変化させる。こうする事に
より、Ids−Vds特性は図2(b)に示すようにドレイ
ン電圧の負側にシフトする。
【手続補正6】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2次元電子構造を有する半導体の上に第
    lのゲート電極を設け、このゲート電極に電圧を印加す
    ることにより生じる空乏層により、同心円状あるいは矩
    形状に電子の閉じ込め領域を形成し、この閉じ込め領域
    に囲まれた内部に電子を蓄積する半導体量子ドットの上
    に絶縁膜を形成し、その絶縁膜上に第2のゲート電極を
    形成することにより、単一電子の移動を制御することを
    特徴とする単一電子トランジスタ。
  2. 【請求項2】 絶縁膜を形成した後、上記量子ドット上
    の所望の領域を除去しその後、第2のゲート電極を形成
    した請求項1記載の単一電子トランジスタ。
JP34592292A 1992-12-25 1992-12-25 単一電子トランジスタ Pending JPH06196720A (ja)

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