ヘキサゴナルBDD量子回路方式に基づく超小型・超低消費電力ナノプロセッサ

• Project/Area Number: 17686028
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 葛西 誠也 Hokkaido University, 大学院・情報科学研究科, 准教授 (30312383)
• Project Period (FY): 2005 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥30,680,000 (Direct Cost: ¥23,600,000、Indirect Cost: ¥7,080,000); Fiscal Year 2007: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2006: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2005: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
• Keywords: 量子ナノデバイス / 集積回路 / 二分決定グラフ(BDD) / 低消費電力 / プロセッサ / 化合物半導体 / 単電子 / ナノワイヤネットワーク / ナノ細線ネットワーク

Research Abstract

本研究は、次世代高度ユビキタスITにおいて必要不可欠である高機能微小チップの中核をなすプロセッサを「超低消費電力ナノプロセッサ(NPU)」と位置づけ、申請者らが提案したヘキサゴナルBDD量子回路をベースにそのプロトタイプを実現すること、および、性能優位性を明らかにすることを目的とじている。本年度は以下の成果を得た。
1.4命令2-bit ALUを試作し古典モードでの動作実証に成功した。得られた特性はシミュレーションと合致し設計通りの特性を得た。本研究において、NPU基本構成回路が全て実現された。
2.試作プロセス精度を高めることでチップ上でのショットキーラップゲート(WPG)しきい値ばらつき±100mVに抑えた。ALU回路において、ばらつきを考慮した入力振幅の予測値と実測された動作可能入力振幅値は良く一致したことから、オンチップで高い再現性が確保された。
3.量子細線トランジスタの微細化を進め、サイズとコンダクタンス量子化の関係を実験的に明らかにした。ナノワイヤ幅Wを20nmまで縮小し、150Kでのコンダクタンス量子化発現とゲート電圧・エネルギスケーリング係数α〜1を実現した。また、αや動作温度はWにスケーリングすることを示し、量子ナノデバイスにおけるスケーリング性を理論・実験の両面から明らかにした。
4.コンパクトかつ同一ネットワークに集積可能な3分岐ナノワイヤ接合デバイスについて、WPGによる非線形特性制御の実現とその機構の理論的解明、ANDとNANDへの応用、シミュレーションによるSR-FFの実装を行い、本デバイスがNPUの順序回路として有効であることを示した。
5.ナノワイヤネットワーク中の微小信号伝送を可能にする確率共鳴の発現に実験的に成功した。

Research Products

• [Journal Article] Nearly Temperature-Independent Saturation Drain Current in a Multi-Mesa-Channel AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor (2008)
  • Author(s): T. Tamura, J. Kotani, S. Kasai, and T. Hashizume
  • Journal Title: Appl. Phys. Express 1
  • NAID: 10025079151
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GaAsナノワイヤ3分岐接合の非線形特性制御と論理回路への応用 (2008)
  • Author(s): アブドゥール ラーマン シャハリンファズリ, 白鳥悠太, 葛西誠也
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 v.107(473) Pages: 33-38
• [Journal Article] GaAs系ショットキーラップゲート量子細線トランジススタの微細化とスイッチング特性の相関(2) (2008)
  • Author(s): 白鳥悠太、アブドゥール ラーマンシャハリン ファズリ、葛西 誠也
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告 v.107(473) Pages: 63-68
• [Journal Article] Effect of Size Reduction on Switching Characteristics in GaAs-Based Schottky-Wrap-Gate Quantum Wire Transistors (2008)
  • Author(s): Y. Shiratori and S. Kasai
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics 47(In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study on Nonlinear Electrical Characteristics of GaAs-Based Three-Branch Nanowire Junctions Controlled by Schottky Wrap Gates (2008)
  • Author(s): S. Kasai, T. Nakamura, S.F. Bin Abd Rahman, and Y. Shiratori
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics 47(In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication and characterization of active and sequential circuits utilizing Schottky-wrap-gate-controlled GaAs hexagonal nanowire network structures (2008)
  • Author(s): H.-Q. Zhao, T. Nakamura, S. Kasai, T. Hashizume and N.-J. Wu
  • Journal Title: IEICE Transactions on Electronics E91(In press)
  • NAID: 10026818561
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A multipath-switching device utilizing a GaAs-based multiterminal nanowire junction with size-controlled dual Schottky wrap gates (2007)
  • Author(s): S. Kasai, T. Nakamura and Y. Shiratori
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. 90
  • NAID: 120000968886
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface-induced large side-gating phenomenon in GaAs quantum wire transistors and its removal by surface passivation using Si interface control layer (2007)
  • Author(s): R. Jia, S. Kasai, A. Wang, S.-B. Long, J. Bin Niu, Z.-G. Li and M. Liu
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. 90
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanism of surface conduction in the vicinity of Schottky gates on AlGaN/GaN heterostructure (2007)
  • Author(s): J. Kotani, M. Tajima, S. Kasai, and T. Hashizume
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. 91
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Schottky Wrap Gate Control of Semiconductor Nanowire Networks for Novel Quantum Nanodevice-Integrated Logic Circuits Utilizing BDD Architecture (2007)
  • Author(s): S. Kasai, T. Nakamura, Y. Shiratori, and T. Tamura
  • Journal Title: J. of Multiple-Valued Logic & Soft Computing 13 Pages: 267-277
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Schottky Wrap Gate Control of Semiconductor Nanowire Networks for Novel Quantum Nanodevice-Integrated Logic Circuits Utilizing BDD Architecture (2007)
  • Author(s): S. Kasai, T. Nakamura, Y. Shiratori, and T. Tamura
  • Journal Title: Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 4 Pages: 1120-1132
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integration of interdigital-gated plasma wave device for proximity communication system application (2007)
  • Author(s): A.M. Hashim, S. Kasai, T. Hashizume, H. Hasegawa
  • Journal Title: Microelectronics Journal 38 Pages: 1263-1267
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel structure of GaAs-based interdigital-gated HEMT plasma devices for solid-state THz wave amplifier (2007)
  • Author(s): A.M. Hashim, S. Kasai, K. Iizuka, T. Hashizume, H. Hasegawa
  • Journal Title: Microelectronics Journal 38 Pages: 1268-1272
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Novel Hybrid Voltage Controlled Ring Oscillator Using Single Electron and MOS Transistors (2007)
  • Author(s): Wan-Cheng Zhang
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nanotechnology Vol.6, No.2 Pages: 146-157
• [Journal Article] Fabrication and Characterization of A GaAs-based Three-Terminal Nanowire Junction Device Controlled by Double Schottky Wrap Gates (2007)
  • Author(s): Tatsuya Nakamura
  • Journal Title: Applied Physics Letters Vo1.90, No.10 Pages: 102104-102104
• [Journal Article] Surface-induced large side-gating phenomenon in GaAs quantum wire transistors and its removal by surface passivation using Si interface control layer (2007)
  • Author(s): Rui Jia
  • Journal Title: Applied Physics Letters Vo1.90, No. 13 Pages: 132124-132124
• [Journal Article] Schottky Wrap Gate Control of Semiconductor Nanowire Networks for Novel Quantum Nanodevice-Integrated Logic Circuits Utilizing BDD Architecture (2007)
  • Author(s): Seiya Kasai
  • Journal Title: Journal of Computation Theory and Nanoscience Vol.4 (in press)
• [Journal Article] Multiple path switching device utilizing size-controlled nano-Schottky wrap gates for MDD-based logic circuits (2007)
  • Author(s): Seiya Kasai
  • Journal Title: Journal of Multiple-Valued Logic and Soft Computing Vol.13 (in press)
  • NAID: 120000949882
• [Journal Article] Properties of a GaAs single electron path switching node device using a single quantum dot for hexagonal BDD quantum circuits (2006)
  • Author(s): Tatsuya Nakamura
  • Journal Title: Journal of Physics : Conference Series Vol 38, No 1 Pages: 104-107
• [Journal Article] Stochastic resonance among single-electron neurons on Schottky wrap-gate devices (2006)
  • Author(s): Takahide Oya
  • Journal Title: International Congress Series Vol 1291 Pages: 213-216
• [Journal Article] Gate control, surface leakage currents, and peripheral charging in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors having nanometer-scale Schottky gates (2006)
  • Author(s): Seiya Kasai
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Vol 35, No 4 Pages: 568-575
• [Journal Article] Device interference in GaAs quantum wire transistors and its suppression by surface passivation using Si interface control layer (2006)
  • Author(s): Rui Jia
  • Journal Title: Journal of Vacuum Science ＆ Technology B Vol 24, No. 4 Pages: 2060-2068
• [Journal Article] Embedded nanowire network growth and node device fabrication for GaAs-based high-density hexagonal binary decision diagram quantum circuits (2006)
  • Author(s): Takahiro Tamura
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Vol 45, No 4B Pages: 3614-3620
• [Journal Article] Properties of a GaAs Single Electron Path Switching Node Device Using a Single Quantum Dot for Hexagonal BDD Quantum Circuits (2006)
  • Author(s): T.Nakamura, Y.Abe, S.Kasai, H.Hasegawa, T.Hashizume
  • Journal Title: Journal of Physics (in press)
  • NAID: 120000955373
• [Journal Article] Gate Control, Surface Leakage Currents and Peripheral Charging in AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistors Having Nanometer-Scale Schottky Gates (2006)
  • Author(s): S.Kasai, J.Kotani, T.Hashizume, H.Hasegawa
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials (in press)
• [Journal Article] Stochastic resonance among single-electron neurons on Schottky wrap-gate devices (2006)
  • Author(s): T.Oya, T.Asai, R.Kagaya, S.Kasai, Y.Amemiya
  • Journal Title: Brain-Inspired IT 2005, International Congress Series vol.1291(in press)
• [Journal Article] Embedded Nanowire Network Growth and Node Device Fabrication for GaAs-Based High-Density Hexagonal BDD Quantum Circuits (2006)
  • Author(s): T.Tamura, I.Tamai, S.Kasai, T.Sato, H.Hasegawa, T.Hashizume
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics (in press)
  • NAID: 10022541242
• [Journal Article] Removal of Side-gating Effects in GaAs Quantum Nanodevices with Nano-Schottky Gates by Surface Passivation Using Si Interface Control Layer (2005)
  • Author(s): R.Jia, N.Shiozaki, S.Kasai, H.Hasegawa
  • Journal Title: e-J.Surf.Sci.Nanotech. vol.3 Pages: 314-318
  • NAID: 130004933884
• [Journal Article] Tunneling Injection of Electrons at Nanometer-Scale Schottky Gate Edge of AlGaN/GaN Heterostructure Transistors and Its Computer Simulation (2005)
  • Author(s): J.Kotani, S.Kasai, H.Hasegawa, T.Hashizume
  • Journal Title: e-J.Surf.Sci.Nanotech vol.3 Pages: 433-438
  • NAID: 130004438970
• [Journal Article] Lateral tunneling injection and peripheral dynamic charging in nanometer-scale Schottky gates on AlGaN/GaN hetrosturucture transistors (2005)
  • Author(s): J.Kotani, S.Kasai, T.Hashizume, H.Hasegawa
  • Journal Title: J.Vac.Sci Technol.B vol.23 Pages: 1799-1807
  • NAID: 120000958033
• [Journal Article] Large Modulation of Conductance in Interdigital-Gated HEMT Devices Due to Surface Plasma Wave Interactions (2005)
  • Author(s): A.M.Hashim, S.Kasai, T.Hashizume, H.Hasegawa
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics vol.44 Pages: 2729-2734
  • NAID: 10015705451
• [Journal Article] Anomalous Current Leakage and Depletion Width Control in Nanometer Scale Schottky Gates Formed on AlGaAs/GaAs Surfaces (2005)
  • Author(s): R.Jia, S.Kasai, H.Hasegawa
  • Journal Title: IOP Conference Series 184 Pages: 21-26
• [Journal Article] Speed-Power Performance of GaAs-based Quantum Wire Switches with Schottky Wrap Gates for Hexagonal BDD Quantum LSIs (2005)
  • Author(s): M.Yumoto, S.Kasai, H.Hasegawa
  • Journal Title: IOP Conference Series 184 Pages: 213-216
• [Presentation] GaAsナノワイヤ3分岐接合の非線形特性制御と論理回路への応用 (2008)
  • Author(s): アブドゥール ラーマン シャハリンファズリ, 白鳥悠太, 葛西誠也
  • Organizer: 電子情報通信学会シリコン材料デバイス・電子デバイス合同研究会
  • Place of Presentation: 北海道大学(札幌市)
• [Presentation] ショットキーラップゲート制御GaAsナノワイヤネットワーク構造上への能動回路・順序回路の実装 (2008)
  • Author(s): 葛西誠也, 趙洪泉, 橋詰保
  • Organizer: 電子情報通信学会シリコン材料デバイス・電子デバイス合同研究会
  • Place of Presentation: 北海道大学(札幌市)
• [Presentation] GaAs/AlGaAsショットキーラップゲート量子細線トランジスタにおけるスイッチング特性の構造サイズ依存性評価 (2008)
  • Author(s): 白鳥 悠太、シャハリン ファズリ アブドゥール ラーマン、葛西 誠也
  • Organizer: 第43回応用物理学会北海道支部 第4回日本光学会北海道支部合同学術講演
  • Place of Presentation: 北海道大学(札幌市)
• [Presentation] GaAs-nanowire-network-based functional devices for information processing (2008)
  • Author(s): S. Kasai
  • Organizer: 2008 RCIQE International Seminar on"Advanced Semiconductor Materials and Devices
  • Place of Presentation: 北海道大学(札幌市)
• [Presentation] Fabrication and characterization of active and sequential circuits on WPG controlled GaAs hexagonal nanowire networks (2008)
  • Author(s): H.-Q. Zhao, S. Kasai, T. Nakamura and T. Hashizume
  • Organizer: 2008 RCIQE International Seminar on"Advanced Semiconductor Materials and Devices
  • Place of Presentation: 北海道大学(札幌市)
• [Presentation] Impact of Size Reduction on Switching Characteristics in GaAs-Based Schottky-Wrap-Gate Controlled Quantum Wire Transistors (2008)
  • Author(s): Y. Shiratori, S.F.A. Rahman, S. Kasai
  • Organizer: 2008 RCIQE International Seminar on"Advanced Semiconductor Materials and Devices
  • Place of Presentation: 北海道大学(札幌市)
• [Presentation] ショットキーラップゲートによるGaAsナノワイヤ3分岐接合デバイスの非線形特性制御 (2008)
  • Author(s): アブドゥール ラーマン シャハリンファズリ, 白鳥悠太, 葛西誠也
  • Organizer: 第55回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 日本大学(船橋市)
• [Presentation] GaAsナノワイヤ接合とサイズ変調ラップゲートによる多値入力多分岐MDD節点デバイス (2008)
  • Author(s): 葛西 誠也, 白鳥 裕太, S. Yanushkevich
  • Organizer: 第55回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 日本大学(船橋市)
• [Presentation] GaAs系ショットキーラップゲート量子細線トランジススタの微細化とスイッチング特性の相関(2) (2008)
  • Author(s): 白鳥悠太、アブドゥール ラーマンシャハリン ファズリ、葛西 誠也
  • Organizer: 第55回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 日本大学(船橋市)
• [Presentation] Active and Sequential Circuits on WPG-controlled GaAs Hexagonal Nanowire Networks for Hexagonal BDD-based Digital Systems (2007)
  • Author(s): H.-Q. Zhao, T. Nakamura, S. Kasai and T. Hashizume
  • Organizer: The 7th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics (TWHM2007)
  • Place of Presentation: かずさアーク(木更津市)
• [Presentation] ショットキーラップゲート制御GaAsナノワイヤデバイスにおける確率共鳴の発現 (2007)
  • Author(s): 葛西誠也, 白鳥 悠太, アブドゥール ラマーン シャハリン ファズリ
  • Organizer: 第68回応用物理学学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学(札幌市)
• [Presentation] GaAs系ショットキーラップゲート量子細線トランジスタの微細化とスイッチング特性の相関 (2007)
  • Author(s): 白鳥悠太, アブドゥール ラマーンシャハリン ファズリ, 葛西誠也
  • Organizer: 第68回応用物理学学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学(札幌市)
• [Presentation] WPG制御GaAsナノワイヤ3分岐接合デバイスにおける電気的特性のサイズ依存性 (2007)
  • Author(s): アブドゥール ラマーン シャハリンファズリ, 白鳥悠太, 葛西誠也
  • Organizer: 第68回応用物理学学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学(札幌市)
• [Presentation] Effect of Size Reduction on Operation Temperature and Switching Power in GaAs-Based Schottky-Wrap-Gate Quantum Wire Transistors (2007)
  • Author(s): Y. Shiratori and S. Kasai
  • Organizer: 2007 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2007)
  • Place of Presentation: エポカルつくば(つくば市)
• [Presentation] Highly Thermal Stability of Drain Current in Multi-Mesa-Gate AlGaN/GaNHEMTs (2007)
  • Author(s): T. Tamura, J. Kotani, S. Kasai and T. Hashizume
  • Organizer: The 34th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS2007)
  • Place of Presentation: 京都大学(京都市)
• [Presentation] Study on Nonlinear Electrical Characteristics in Gaas-Based Three-Branch Nanowire Junctions Controlled By Schottky Wrap Gates (2007)
  • Author(s): S. Kasai, T. Nakamura, S.F. Abd Fadzli and Y. Shiratori
  • Organizer: 20th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2007)
  • Place of Presentation: 京都国際会議場(京都市)
• [Patent(Industrial Property Rights)] 「信号再生装置」 (2008)
  • Inventor(s): 葛西誠也
  • Industrial Property Rights Holder: JST
  • Industrial Property Number: 2008-050389
  • Filing Date: 2008-02-29
• [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体装置 (2007)
  • Inventor(s): 葛西誠也
  • Industrial Property Rights Holder: 北海道大学
  • Industrial Property Number: 2007-041018
  • Filing Date: 2007-02-21