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電界移動型量子ドットを用いた室温動作高速・超低消費電力単電子スイッチ素子の研究

室温高速超低功耗场转移量子点单电子开关器件研究

基本信息

批准号：
18656089
负责人：
長谷川英機
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

量子デバイスの消費電力は極低温では小さいが、室温では電子エネルギーの熱的広がりによるスイッチ特性のだれにより増大する。本研究では、「量子ドットの空間的位置を電界で制御しトンネル確率を制御する」という原理にもとづく「電界移動型量子ドット単電子分岐スイッチ」について、その原理を確認することと、その効果を妨げる表面準位を低減することを目的として研究を推進し、次の成果を得た(1)3つのショットキ・ラップゲートにより、AlGaAs/GaAs量子細線T型分岐上に、量子ドットと3つのトンネル障壁を形成した「単電子分岐スイッチ」を試作し、その動作を測定した。その結果、低温で通常の単電子トンネル理論よりも急峻なスイッチ特性が得られた。しかしその急峻さは温度の上昇と共に急激に消失した。(2)デバイスの特性を量子ドットを円形近似した単純な解析モデルにもとづき解析して実験特性と比較した結果、ドットの電界移動によるトンネル確率の指数関数的変調が急峻なスイッチ特性を実現することが、確認された。また温度上昇による特性の劣化の主な理由は、低温では凍結している分岐スイッチの表面準位が、室温に近づくほど活性化し、ドットの電界移動を妨げることにあることが判明した。(3)その後の研究の大半は、「シリコン界面制御層(Si ICL)」を用いた代表者らの表面不活性化技術を、種々のファセット面をもつAlGaAs/GaAs量子細線に適用可能とすることに費やされた。その結果、(001)面、(111)B面上でのSi膜のMBE成長機構が解明され,また厚さ1nm以下のSiN超薄膜バッファが、空気中でもSi ICL構造を安定に保護することが見出された。(4)さらに、将来のIII-V族半導体量子デバイスのゲート制御構造として、高誘電率Hf酸化膜をもつSi ICL MISゲートスタックを検討した。その結果フェルミ準位ピンニングが完全に除去され、界面準位密度の最小値として、10^<10>cm^<-2>eV^<-1>台の値を得られた。これは、将来の量子デバイスの研究開発に極めて有望な結果である。

The quantum electric power consumption is small at extremely low temperatures and large at room temperatures due to the thermal properties of the electron generator. This study aims to confirm the principle of "controlling the accuracy of quantum space position in the electric field" and "quantum space position in the electric field". The results of this study are as follows: (1)3. AlGaAs/GaAs quantum fine wire T-type bifurcation, quantum dot 3 and electron barrier formation,"single electron bifurcation" to try to determine the behavior As a result, the theory of low temperature and high temperature electron production has been developed. The temperature rises rapidly and the heat disappears rapidly. (2)The quantum approximation of the characteristics of the particles, the pure analysis, the comparison of the characteristics, the change of the exponential correlation of the accuracy of the particles, the electric field movement, and the rapid detection of the characteristics of the particles are confirmed. The main reasons for deterioration of characteristics due to temperature rise are: freezing at low temperature, surface alignment of components, near-temperature activation at room temperature, and interference with electrical field movement at room temperature. (3)Most of the research in the future,"Si ICL" is used to represent the surface inactivation technology, species and surface of AlGaAs/GaAs quantum fine wires. The results show that the MBE growth mechanism of Si films on the (001) and (111)B surfaces is clear, and it is also clear that SiN ultra-thin films less than 1nm thick can be formed, and the Si ICL structure can be stabilized and protected in the air. (4)In the future, the control structure of III-V semiconductor quantum devices and high permittivity Hf oxide films are discussed. The results show that the minimum value of the interface level density is 10^<10>cm^<-2><-1>e. The future of quantum physics research and development is expected to lead to the development of quantum physics.