ネオシリコン量子情報デバイス

点击翻译按钮获取中文摘要

シリコン量子ドットの粒径と粒子間隔を制御する新材料「ネオシリコン」をベースとして、量子情報処理の基本素子である量子ビットをナノシリコンマルチドット構造で形成するための基盤技術構築を目指し、シリコンナノドットの高濃度分散溶液技術と、電子ビーム直接描画によるナノコンタクト電極作製技術を組み合わせて、多重シリコンナノドットをチャネルとするトランジスタを作製し、その電気特性を評価した(ナノギャップ金属電極の作製は、ニューヨーク州立大学のDr Wei Chenとの共同研究)。ドット分散溶液の濃度と蒸発速度を調節することにより、いくつかの試作素子において、ナノギャップ内にシリコンナノドット数個を集積化することに成功した。また、膜厚50nmの高濃度ナノ結晶シリコン薄膜上に、チャネル長・幅〜20nmの量子ポイントコンタクトトランジスタ(PCT)を作製し、強く結合した多重シリコン量子ドットを介した単電子輸送現象を解析した。試作した素子において、クローンギャップ内に4.2Kで観測されたトンネルコンダクタンスピークの電圧依存性を詳細に解析し、また非平衡近藤効果の理論計算と比較した。その結果、このコンダクタンスピークは、ナノ結晶シリコンドット内の単電子スピンと、PCTのソース・ドレイン領域内の自由電子間の強い相互作用による非平衡近藤効果に起因していることを見出した。この知見は、シリコンベースの電子スピン量子ビットを開発する上での重要な基盤を与えるものである。さらに、高濃度極薄SOI基板上に、単電子トランジスタの電子島となる主ドットと、それにトンネル結合する副ドットを有する新しいトランジスタ構造を作製し、単電子輸送特性を評価した。その結果、通常のクーロン振動の中に、周期的に電流ピークが大きく抑制される現象を観測した。シミュレーションとの比較により、この現象が、2ドット間のトンネル結合が強くなるバイアス条件では、主ドットを介した単電子トンネルが抑制されることに起因していることを明らかにした。