NTT、世界最高精度を持つギガヘルツ高速単電子転送を実証

世界最高精度を持つギガヘルツ高速単電子転送を実証
〜電流の物差しである高精度電流標準実現に向けて前進〜


　日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：鵜浦博夫、以下　NTT）は、英国国立物理学研究所（National　Physical　Laboratory：NPL）と共同で、シリコントランジスタ（※１）から成る単電子転送素子（電子を一つずつ正確に運ぶ素子）を１ギガヘルツ（１０９Hz：GHz）の高速で動作させた際の、精密な精度評価を行い、ギガヘルツ領域での世界最高精度（９．２×１０−７以下のエラー率（※２））の実証に成功しました。
　単電子転送素子の高精度化は、精度の高い電流の生成に繋がるため、電流の物差しに対応する電流標準（※３）への応用へ向けて前進したと考えられます。単電子転送に基づいた電流標準を実現すると、近年、再定義が提案された電流の基本単位であるアンペアの最も直接的な実現に繋がります。更に基礎物理定数に矛盾がないことを検証する量子計測三角形（※４）の実験への応用も期待され、基礎物理分野にも大きく貢献すると考えられます。
　この成果は、２０１６年７月５日（米国時間）に米国科学誌「アプライド・フィジックス・レターズ（Applied　Physics　Letters）」オンライン版で公開されます。


１．研究の背景
　国際単位系（SI）（※５）はプランク定数hや電荷素量eなどの自然不変量を利用した定義へと変更されることが２０１１年に提案されました（図１）。この再定義では、電流の基本単位であるアンペアの定義も変更されます。新しいアンペアは、これまで測定値であったeを固定値とし、電流標準によって電流ef（f：周波数）を生成することで設定されます。クロック制御を利用して電子を一つずつ正確に運ぶ単電子転送素子はeとアンペアを結びつける（図１）ため、最も直接的な電流標準として利用できると期待され、注目を集めています。また、単電子転送素子による高精度な電流標準が実現すると、基礎物理定数に矛盾がないことを検証する量子計測三角形実験（図１）へ適用することができ、基礎物理分野へも大きく貢献します。
　実用的な電流標準は高速（電流値大に対応）かつ高精度に動作しなくてはなりません。その目標へ向けて、NTT物性科学基礎研究所では、シリコントランジスタを利用した単電子転送素子の研究を進めてきました。シリコン素子は長年蓄積されてきた微細加工技術により極めて小さい構造を作製できるため、電流標準に適した高精度動作が予測されていましたが、これまで精度測定の条件などが最適化されておらず、精度の精密測定が必要でした。また、これまで高精度動作の報告があった、砒化ガリウム（GaAs）を利用した単電子転送素子は１GHzを超える周波数では精度が大幅に劣化するという問題がありました。


２．研究の成果
　今回、NTT物性科学基礎研究所は、シリコントランジスタから成る単電子転送素子（図２）において、高速単電子転送時（動作周波数１GHz）での高精度電流測定を行い、ギガヘルツ動作での世界最高精度（転送エラー率が９．２×１０−７以下）を達成しました（図３）。これは、英国国立物理学研究所（National　Physical　Laboratory：NPL）の高精度電流測定系（図４、図５）を利用して、NTTのシリコン単電子転送素子を精密測定し得られた結果です。この値は、シリコン単電子転送素子の従来の評価に比べ、エラー率として２桁程度の向上となります。更に、２GHzでの同様の実験では、転送エラー率が３×１０−６程度であることがわかり、１GHzの壁を打ち破る、高速動作に適した素子であることが実証されました。


■行った実験の説明

　＜１＞素子構造：シリコン細線上に２つの微細ゲート電極（入口ゲートG１、出口ゲートG２）を形成した後、それらの上面を全て覆う上層ゲート電極を形成することで、２層ゲートを持つトランジスタを作製しました（図２）。
　＜２＞動作原理：入口ゲートと出口ゲートに負の電圧を印加すると、シリコン細線中に電子に対する障壁が形成され、障壁間は微細な閉じ込め領域（単電子島（※６））となります（図２）。更に、入口ゲートに周波数fの高周波信号を印加することで、左側のソース電極から電子を単電子島に捕獲し、その後右側のドレイン電極に放出します。１周期あたりに１電子を転送する場合、電流値はefとなります。このタイプの動作では、入口側障壁を大きく変化させて転送するため、可変障壁単電子転送と呼ばれます。
　＜３＞高速動作性能：通常の電流測定系（図４）を利用した転送電流の測定結果を図６に示します。横軸は出口ゲートに印加する電圧（VExit）で、ここでは単電子島のポテンシャルを調節するために利用しています。最高で周波数６．５GHzまで転送電流のプラトー（※７）を観測することができました。６．５GHzでの動作はこれまでで最高速度の動作となります（１GHz及び２GHzでの動作よりは精度が落ちる）。
　＜４＞精度評価：NPLの高精度電流測定系（図４、技術のポイント２参照）を利用して、１GHzでの高精度測定を行った結果を図３に示します。これは、図６の１GHzの特性で最も平坦な部分を拡大したものに対応します。転送電流のプラトーと考えられる領域の、電流測定結果から、転送電流は９．２×１０−７の不確かさ（※８）でefに一致する結果が得られました。このことから、転送エラー率が９．２×１０−７以下の高精度を持つ動作であることが示されました。また、９．２×１０−７という値は測定系の測定限界で決まっており、単電子転送素子の転送エラー率は更に良い（理論的には１０−８以下が期待）と考えられます。


３．技術のポイント

（１）シリコンナノデバイス作製技術
　NTT物性科学基礎研究所では、ナノメートルスケールのシリコントラジスタをウエハレベルで作製する技術を長年蓄積してまいりました。２層ゲートと微細単電子島を持つ構造も、歩留まりよく作製することができます。単電子島を微細にすると、転送精度を決める電子の帯電エネルギーが大きくなり、高精度動作が期待できます。今回の高精度動作は、１０ナノメートルレベルの細線に、ゲート電圧による閉じ込めを与えることで達成できました。

（２）高精度電流測定系〔英国国立物理学研究所（NPL）の技術〕
　市販の電流計により電流を測定すると、最良でも１０−４程度の不確かさが存在します。更なる高精度測定を実現するために、単電子転送電流と１GΩの高精度な標準抵抗を流れる参照電流を比較する手法を利用しました（図４、図５）。この手法では高精度に校正された標準抵抗を利用することで、不確かさを１０−６程度まで落とした高精度な測定を実現することができます。これを用いることにより、これまでの測定では示せなかった高精度動作までを示すことができました。また、この測定系では異なる材料、研究機関で作製された素子の測定も行われており、今回の成果は、１０−６レベルでの可変障壁単電子転送素子の普遍性（※９）の確認にも貢献しています。


４．今後の展開
　実用的な電流標準実現へ向けて、更なる高精度実証を目指した取り組みを進めていきます。１つは高精度測定系の改良により、１×１０−７程度しか不確かさを持たない高精度測定を行っていきます〔EU（欧州連合）の量子電流標準プロジェクトと協力〕。また、転送した電子数を電子１つレベルの分解能を持った電荷計を用いて計測することで、電流標準の目標値である１×１０−８以下のエラー率（図７）を持つ高精度動作へ向けた精度評価も同時に進めていく予定です。合わせて６．５GHzの高速動作時における精度低下の原因を探求し、最高速時での高精度動作の追究を行っていきます。これらにより、高精度な量子計測三角形の実験や、新しいアンペアを直接実現する素子の開発を目指します。


■論文掲載情報
　G．Yamahata，S．P．Giblin，M．Kataoka，T．Karasawa，A．Fujiwara
　“Gigahertz　single−electron　pumping　in　silicon　with　an　accuracy　better　than　９．２　parts　in　１０７”
　Applied　Physics　Letters（２０１６）．


■関連情報
　NPLからも本成果に関する報道発表が行われます。
　http://www.npl.co.uk/news/record-speed-and-accuracy-achieved-with-single-electron-pumps


　＊用語解説・図１〜図７は添付の関連資料を参照