連結ドットをもつシリコン単電子トランジスタ

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最近、単電子トンネルデバイスの発展形として光信号処理デバイスや量子セルオートマトンなどのような連結型半導体ドット構造を利用したデバイスが提案されている。本研究では、薄いSOI基板(埋め込み酸化膜(SiO_2)上に単結晶Si層をもつ構造)を用いて多重Si量子ドット構造を利用した単電子デバイスの実現を目的とする。平成15年度は、特に多重Siドットを有する単電子トランジスタの作製およびその電気的特性に対する光照射効果について以下の成果を得た。(1)多重Siドットを有する単電子トランジスタの作製薄いSOI基板に薄い多重Siドットをチャネルとする単電子トランジスタ構造に加工するためのプロセス技術を確立した。試料の作製に当たっては、nano-LOCOS(ナノスケールのSiN核の自然形成とそれをマスクとした選択酸化)プロセスに電子ビーム露光を組み合わせて行った。この作製方法により、高さ1-4nm直径10-20nmの大きさを持ったSiドットと、ドットをつなぐ厚さ数nmのSiシートから成るSiチャネル構造に加工できた。デバイスの動作を調べた結果、一つのトランジスタに単電子・単正孔特性(アンビポーラー特性)が現れる現象を観測した。特性の電流振動周期の不均一性及びクーロンダイヤモンドの解析から、このデバイスの単電子(単正孔)特性は、複数のドット構造の効果により律速されていることが示唆された。(2)電気的特性に対する光照射効果トランジスタにハロゲンランプを照射してその単正孔特性に与える光照射効果を調べた。その結果、光照射により新しい電流ピークの生成やピーク位置のシフトが観測された。モンテカルロシミュレーションの結果より、これらの現象が光吸収によるドット内への単一電荷トラップに起因することを明らかにした。