東京大学生産技術研究所教授の平川一彦氏らは、人工原子である半導体量子ドット1つを用いたSETを作製し、イオン液体を介してゲート電圧を加える新しい手法を用い、その特性を従来と比べ最大で100倍効率よく電圧制御することに成功した。

具体的には、直径数十ナノメートルの単一InAs自己形成量子ドットの両サイドに金属電極（ソース・ドレイン電極）を取り付け、さらにそのゲート電極としてイオン液体を利用した電気二重層ゲート型SETを開発した。0次元の電子のふるまいをする量子ドットに電気二重層ゲートを適用したのはこれが初めて。

この研究では、量子ドットの電子状態と電子数を細かく制御するために、SETの基板裏面にバックゲートを設けてある。そのうえで電気二重層電極を形成し、この電極と量子ドットが浸るようにイオン液体を塗布したうえで、電圧（VEDL）を加え、電子状態の制御性を調べた。

その結果、電気二重層ゲートの0.5 V程度の小さな電圧の変化によって、SETの伝導特性が非常に大きく変化することが分かった。この振る舞いを詳しく調べた結果、量子ドットに閉じ込められた電子の閉じ込めサイズが、電圧によって劇的に変化していることが分かった。電圧によって自己形成量子ドット中の電子の閉じ込めサイズを大幅に変化させたのは、これが初めて。

同時に、新手法によって、電子スピンの磁場に対する感度が2倍になるなど、電子スピンの振る舞いも大きく電圧制御できることも分かった。これによる電子の閉じ込めサイズやスピン状態の制御性の劇的な向上により、今後、自己形成量子ドットの量子情報処理への応用が大きく前進することが期待される。

さらに、1Vのゲート電圧で、どの程度大きな電子のエネルギー変化を引き起こすことができるかを、さまざまな電圧を加える方法（電圧印加の手法）で比較した。従来用いられてきたゲート電圧印加手法（サイド＝横側＝ゲート、トップ＝上側＝ゲート、バック＝基板側＝ゲート）に比べて、イオン液体を用いた電気二重層ゲートでは、SETで最も一般的なサイドゲート型と比較して100倍も大きな電子のエネルギー変化を引き起こすことが分かった。これにより自己形成量子ドットを用いたSETで、電気二重層ゲート構造を用いることにより、電圧による大きな特性変化を引き起こすことが初めて可能となった。

トランジスタの微細化・高集積化は、パソコンや携帯電話などに使われている半導体集積回路の性能を高める上で欠かせない。近年、トランジスタの微細化・高集積化を目指して単一電子トランジスタ（Single-Electron Transistor: SET）の研究が盛んに行われている。SETの中でも自己形成による半導体量子ドットSETは高温での動作が可能だが、微小なためその特性を制御することは困難だった。

今回の技術により、量子ドットに閉じ込められた電子の閉じ込めサイズの制御性を飛躍的に向上させることができ、新たな量子計算デバイス実現に道を拓く。また、研究で用いた電気二重層トランジスタの手法は、他のさまざまなナノ材料系にも適用可能であり、広く量子ナノ構造の次世代エレクトロニクス応用に貢献するものと期待される。

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