量子ドットを介した共鳴トンネル型電子輸送と新デバイス応用

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09650342
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 名取 研二 筑波大学, 物理工学系, 教授 (20241789)
• 研究分担者: 佐野 伸行 筑波大学, 物理工学系, 講師 (90282334)
• キーワード: 量子ドット / 共鳴トンネル効果 / 単一電子トランジスタ / 極微細素子 / メゾスコピック・デバイス

研究概要

昨年度に得られた結果を発展させ、ドット内に二重に縮退した単一のエネルギ・レベルを有する単一電子トランジスタの、任意のゲート電圧・ドレイン電圧の組み合わせに対する電流値を示す電流マップを与えた。ドット内の限られた数のエネルギ・レベルを通して、最大数の電子がソースからドレインに流れる、そのダイナミカルな様相が電流値に跳ね返る姿が見て取れる。より現実的な例を考察するため、10nm程度の大きさのシリコンの直方体の量子ドットを有する単一電子トランジスタを想定し、その電流電圧特性をシミュレートした。シリコンのバンドを考慮してドット内のエネルギ・レベルを求め、キャパシタンスを用いた簡単なハミルトニアンを仮定し、レベルを通しての逐次的な共鳴電子輸送をモンテカルロ法により算出した。ドットの大きさ、形状などによりエネルギ・レベル構造が大きく異なりクーロン振動等が大幅に変化すること、特にレベル縮退の影響が大きいこと、ソース、ドレインからのトンネル確率の相対的な大小もその波形に強く影響すること、電流電圧特性の温度依存性等が明らかとなった。エネルギ・レベルの複雑性を反映して電流電圧特性も複雑だが、どのパラメタにより波形がどのように変化するか、大雑把な予想は可能となる。大まかながら極微細な単一電子トランジスタの電流電圧特性の全体像を描くことが出来、高集積な回路等への応用に向けて少しづつ足掛りが得られつつある。

研究成果

• [文献書誌] K.Natori and N.Sano: "Scaling limit of digital circuits due to thermal noise" J.Appl.Phys.83. 5019-5024 (1998)
• [文献書誌] A.Natori,Y.Takase,K.Natori: "Magnetoconductance of a mesoscopic rectangular loop" Solid-State Electronics. 42. 1109-1114 (1998)
• [文献書誌] K.Natori,D.Otani,N.Sano: "Thickness dependence of the effective dielectric constant in a thin film capacitor" Appl.Phys.Lett.73. 632-634 (1998)
• [文献書誌] K.Natori,N.Sano: "Current bistability in resonant tunneling through a semiconductor quantum dot." Superlattices and Microstructures. 23. 1339-1342 (1998)
• [文献書誌] N.Sano et al.: "Physical mechanism of Current fluctuation under ultra-small device structures" Extended Abstracts,IWCE-6. 112-115 (1998)
• [文献書誌] N.Sano et al.: "Hole initiated impact ionization and split-off band in Ge,Si,GaAs,InAs and InGaAs." Extended Abstracts,IWCE-6. 198-201 (1998)
• [文献書誌] Y.Kitahara et al.: "Device-size dependence of current fluctuation simulation under ultra-small device structures" Technical Report of IEICE. VLD98-93. 53-59 (1998)