Research Abstract

単一トラップを用いたギガヘルツ動作シリコン単電子ポンプ

Gigahertz single-trap electron pumps in ​silicon

2014年10月6日 Nature Communications 5 : 5038 doi: 10.1038/ncomms6038 (2014)

単電子の操作は、単電子による情報処理や計測における電気標準などの、極限エレクトロニクスを実現するための鍵となる重要な技術である。特に、実用的な電流標準の開発に向けて、単電子ポンプの高速・高精度化は必要不可欠である。単電子ポンプには通常、電気的に形成された量子ドットを用いることが多いが、捕獲された電子の活性化エネルギーが大きい半導体中の局在準位を利用すれば、高精度な電荷ポンプの実現が期待できる。しかし、局在準位を介した単電子ポンプの転送機構は詳細には調べられていない。今回我々は、Siナノトランジスタ中に存在する活性化エネルギーが数十ミリ電子ボルトの単一トラップ準位を介した単電子ポンプを実証する。トラップ準位への電子捕獲と電子放出の速度をゲート制御することにより、温度17 Kにおいて周波数3 GHzでの単電子転送動作を達成し、その際の転送エラーが10-3以下の高い精度を持つことを確認した。これは、トラップ準位における電界によって、捕獲時間と放出時間が25 ps未満に短くなったことを示している。

山端 元音1, 西口 克彦1 & 藤原 聡1

  1. 日本電信電話株式会社 NTT物性科学基礎研究所

Manipulation of single electrons is the key to developing ultimate electronics such as single-electron-based information processors and electrical standards in metrology. Especially, high-frequency and high-accuracy single-electron pumps are essential to realize practical current standards. While electrically defined quantum dots are widely used to build single-electron pumps, a localized state in semiconductors is also a potential candidate for accurate pumps because it can have a large activation energy for the captured electron. However, the transfer mechanism of such localized-state-mediated single-electron pumps for high-accuracy operation at a high frequency has not been well examined. Here we demonstrate a single-electron pump using a single-trap level with an activation energy of a few ten millielectron volts in Si nanotransistors. By means of gate control of capture and emission rates, the pump operates at a frequency of 3 GHz with an accuracy of better than 10−3 at 17 K, indicating that an electric field at the trap level lowers the capture and emission time to less than 25 ps.

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