2017 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum-dot devices in silicon-based tunnel field-effect transistors
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16H03900
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
森山 悟士 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (00415324)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子ドット / トンネルトランジスタ / 電子スピン共鳴 / スピン・ブロッケード / 量子コンピュータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではシリコン集積化技術を用いて作製されたトンネル電界効果トランジスタ(TFET)において，イオン注入により形成された準位を介した単一電子輸送現象，単一電子ダイナミクスを調べ，量子準位の物性解明とその量子ドットデバイス応用の可能生を探究する。本年度は直列2重結合量子ドット特性を示すTFET素子の極低温・磁場下での電子輸送特性実験および解析を行った。
実験では素子作製プロセス工程においてAlおよびNがチャネル中にイオン注入されたTFET素子を測定し，多くの素子で単一電子伝導が観測された。その中には室温まで単一電子輸送が観測される，強い閉じ込めを持つ素子もあり，さらにこれら強い閉じ込めを持つ素子を液体ヘリウム温度程度まで冷却した低温での電子輸送測定では，量子ドットが2個直列に接続された直列2重結合量子ドットの形成を示す，共鳴トンネル特性，スピンブロッケイド特性が観測された。素子に対して高周波を印加する測定システムを用いて，2重結合量子ドット特性を示す素子に対してマイクロ波を照射し，量子ドット内の単一電子とマイクロ波光子の結合を試みた。その結果，共鳴トンネル特性を示すゲート電圧領域において，光子支援トンネル現象を観測し，2重結合量子ドットのエネルギーパラメータに関する情報を実験的に得ることに成功した。さらにスピン・ブロッケード状態のゲート電圧領域において磁場とマイクロ波を印加することにより，単一電子スピン共鳴の応答を電流によって検出することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
直列2重結合量子ドット動作をする素子に対してマイクロ波を照射することによって，量子ドット中の単一電子とマイクロ波光子の結合を確認することができた。共鳴トンネル輸送状態へのマイクロ波照射による光子支援トンネル現象，スピンブロッケイド状態における単一電子スピン共鳴の観測にも成功し，量子ドットデバイス応用として高温動作単電子トランジスタのみならず，量子ビット素子としての可能性を示す本研究成果は重要な進展であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2重結合量子ドット状態の高周波応答を解析し，量子ドット形成のメカニズムの解明を進める。また，今年度に得られた単一電子とマイクロ波光子の応答，連続波による単一電子スピン共鳴の成功を基に，パルスマイクロ波による単一電子スピンのコヒーレントな制御および量子ビット動作の実現を目指す。
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