[論文レビュー] Metallic single-electron transistor without traditional tunnel barriers

V. A. Krupenin, A. B. Zorin+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2000

Quantum and electron transport phenomena被引用数 38

ひとこと要約

本論文では、従来の酸化物トンネル障壁の代わりに高抵抗性クロム（Cr）薄膜ストリップを用いた金属的単電子トランジスタ（SET）を提案する。この構造により、超低電流（100 fAまで）における強いクーロン遮断と再現性があり、e周期的なゲート駆動が可能となった。デバイスはコテンニング効果が抑制され、低電荷ノイズ（10 Hzで5×10⁻⁴ e/√Hz）を示し、電気的ストレスに対しても安定した性能を示しており、従来のAl/AlOx/Al SETと比較して製造が簡素で実用的な代替手段であることが示された。

ABSTRACT

We report on a new type of single-electron transistor (SET) comprising two highly resistive Cr thin-film strips (~ 1um long) connecting a 1 um-long Al island to two Al outer electrodes. These resistors replace small-area oxide tunnel junctions of traditional SETs. Our transistor with a total asymptotic resistance of 110 kOhm showed a very sharp Coulomb blockade and reproducible, deep and strictly e-periodic gate modulation in wide ranges of bias currents I and gate voltages V_g. In the Coulomb blockade region (|V| < 0.5 mV), we observed a strong suppression of the cotunneling current allowing appreciable modulation curves V-V_g to be measured at currents I as low as 100 fA. The noise figure of our SET was found to be similar to that of typical Al/AlOx/Al single-electron transistors.

研究の動機と目的

• 破壊に弱い酸化物トンネル障壁を備えない単電子トランジスタ（SET）の開発。
• 高抵抗性Cr薄膜を金属的SETにおけるトンネル障壁として用いる可能性の検討。
• 電圧トランジェントに強く、電荷感度が1電子未満の性能を実現する。
• 精密電気計測用途におけるクーロン遮断、コテンニング抑制、電荷ノイズの観点からデバイス性能の評価。

提案手法

• Al下部電極、Cr抵抗性ストリップ、上部Al電極をイン・スイット三重角度蒸着により形成し、1-μm長のAl島を形成した。
• 6–8 nm 厚、100 nm 幅のCr膜を用い、最大14 kΩ/□のシート抵抗を達成し、島と電極間の抵抗性リンクを形成した。
• 島に容量結合されたゲート電極を用い、静電的制御によりクーロン遮断を調整した。
• 30 mKでI-VおよびV-Vg特性を測定し、クーロン遮断、コテンニング抑制、ゲート駆動深さの評価を行った。
• スペクトル解析を用いて電荷ノイズを特徴付け、10 HzでδQ ≈ 5×10⁻⁴ e/√Hzを測定し、従来のAl/AlOx/Al SETと同等の性能を示した。
• Crストリップの近傍に別個のゲート電極を設け、内在的輸送挙動を調査し、抵抗性リンクにおけるクーロン遮断の確認を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高抵抗性Cr薄膜は、単電子トランジスタにおける従来の酸化物トンネル障壁に効果的に置き換え可能か？
• RQ2 Cr薄膜を用いたSETは、超低電流下でも強いクーロン遮断とe周期的なゲート駆動を示すか？
• RQ3 従来のトンネル障壁SETと比較して、Cr薄膜SETにおけるコテンニングはどの程度抑制されているか？
• RQ4 Cr薄膜SETの電荷ノイズレベルは、標準的なAl/AlOx/Al SETと比較してどうか？
• RQ5 このデバイス構造は、従来のSETと比較して電気的破壊に対する耐性が向上するか？

主な発見

• 全抵抗110 kΩの明確なクーロン遮断を示し、単電子効果の明確な観測が可能となった。
• バイアス電流（I）およびゲート電圧（Vg）の広い範囲で、再現性があり、厳密にe周期的なゲート駆動が実現した。100 fAの電流でも同様の特性を示した。
• コテンニング電流は強く抑制され、遮断領域の電流減衰指数α > 10であり、相関した電子トンネルの有効な抑制が示された。
• 10 HzでδQ ≈ 5×10⁻⁴ e/√Hzの電荷ノイズを測定し、従来のAl/AlOx/Al SETと同等の性能を示した。
• 開放状態のI-V曲線は非線形的であり、I ∝ V^2.5の関係を示した。これは従来のトンネル障壁SETの線形応答とは異なる。
• 磁場に対して感度が低く、電気的ショックにも高い耐性を示した。これは、壊れやすいトンネル障壁が存在しないためである。