電子流体効果を用いた新原理シリコンデバイスの研究

• Project/Area Number: 20H00241
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 小野 行徳 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80374073)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 池田 浩也 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (00262882) ; 藤原 聡 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 上席特別研究員 (70393759)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥41,990,000 (Direct Cost: ¥32,300,000、Indirect Cost: ¥9,690,000); Fiscal Year 2023: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2022: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2021: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2020: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000)
• Keywords: 電子流体 / MOSトランジスタ / シリコン / 電子電子散乱 / エネルギー消費

Outline of Research at the Start

本課題は、研究代表者の先行研究を基礎とし、これまで物理の対象でしかなかった電子流体を集積回路分野へ応用し、新規な電子工学確立を目指すものである。ここでは、MOS電子系を弱反転から強反転まで変化させ、電子密度をパラメータとして、粘度とデバイス性能の対応関係を調べる。特に、MOS電子系の粘度を計測するとともに、電子流体効果によるチャネルエッジ散乱の抑止効果を実証する。また、電子流体によるスイッチング機能を評価するためのデバイス構造を提案し、スイッチング動作における低消費電力性を実証する。さらに、現在30K程度に留まっている動作温度の上昇に向け、電子流体におけるエネルギー散逸機構を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

固体材料において、外的散乱の影響が小さい特別な場合には、電子・電子散乱が優勢となり、電子の伝導はその集団運動が支配する特異なものとなる。このよ うな電子の状態は「電子流体」（Electron fluid）と呼ばれる。研究代表者らは、初めてシリコンMOS（SiO2/Si界面）２次元電子系において、また、これまでは 欠点であった重い有効質量というシリコンの特性を生かして初めてナノスケール（～100nm）で電子流体効果（ベルヌーイの原理に基づくポンプ効果）を観測した。本課題は上記コンセプトのもと集積回路技術の革新を目指し、「電子流体の情報処理応用」という新たな学術分野を、シリコンMOSテクノロジーを基盤として 開拓するものである。昨年度にデバイス試作を完了し、MOSトランジスタ等の基本特性を取得、 試作プロセスに大きな問題がないことを確認したことを受け、低温下にて詳細計測を行った。
第一に、エネルギー散逸機構解明のために、ナノMOSトランジスタを電子温度計として利用する手法を考案し、電子温度の計測、および電子系のエネルギー散逸機能の解明を行った。その結果、電子温度が５０Kを超えるとエネルギー散逸が急激に増加することを見出し、これがバレー間散乱フォノンの放出によるものであることを明らかにした。同時にコンダクタンスも計測し、フォノン放出に同期して特異なコンダクタンス増加を観測した。またこれが電子流体効果に起因するものであることを示した。
第二に、電子・正孔２層系において、ドラッグ効果を１０Ｋにて観測し、これがクーロン相互作用（クーロン・ドラッグ）に起因することを明らかにした。またＧａＡｓなどの他の材料に比べて、大きなクーロン・ドラッグ効果があることが見いだされた。これにり、電子・正孔二層系における新たな流体効果発現の可能性が示された。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Highly stable Fe/CeO2 catalyst for the reverse water gas shift reaction in the presence of H2S (2023)
  • Author(s): Watanabe Ryo, Karasawa Fumiya, Yokoyama Chikamasa, Oshima Kazumasa, Kishida Masahiro, Hori Masahiro, Ono Yukinori, Satokawa Shigeo, Verma Priyanka, Fukuhara Choji
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 13 Issue: 17 Pages: 11525-11529
  • DOI: 10.1039/d3ra01323e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electrical control of transient formation of electron-hole coexisting system at silicon metal-oxide-semiconductor interfaces (2023)
  • Author(s): Masahiro Hori, Jinya Kume, Manjakavahoaka Razanoelina, Hiroyuki Kageshima, Yukinori Ono
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s42005-023-01428-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetometry of neurons using a superconducting qubit (2023)
  • Author(s): Hiraku Toida, Koji Sakai, Tetsuhiko F. Teshima, Masahiro Hori, Kosuke Kakuyanagi, Imran Mahboob, Yukinori Ono & Shiro Saito
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s42005-023-01133-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Room-temperature single-electron tunneling in highly-doped silicon-on-insulator nanoscale field-effect transistors (2022)
  • Author(s): T. Teja. Jupalli, A. Debnath, G. Prabhudesai, K. Yamaguchi, P. Jeevan Kumar, Y. Ono, D. Moraru
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Issue: 6 Pages: 065003-065003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac68cf
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Critical conductance of two-dimensional electron gas in silicon-on-insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (2021)
  • Author(s): M. Razanoelina, M. Hori, A. Fujiwara, Y. Ono
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Issue: 10 Pages: 104003-104003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac25c4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Detection of arsenic donor electrons using gate-pulse-induced spin-dependent recombination in silicon transistors (2021)
  • Author(s): M. Hori, Y. Ono
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 118 Issue: 26
  • DOI: 10.1063/5.0053196
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Drag of Electron-Hole Bilayer in Silicon-on-Insulator at Low Temperature (2023)
  • Author(s): Ahmed Nabil, Manjakavahoaka Razanoelina, Masahiro Hori, Akira Fujiwara, Yukinori Ono
  • Organizer: Silicon Nanoelectronics Workshop 2023 (SNW 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Silicon Electron Nano-Aspirator - Current enhancement based on electron-electron scattering - (2023)
  • Author(s): Yukinori Ono
  • Organizer: Silicon Nanoelectronics Workshop 2023 (SNW 2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electrical formation of electron-hole bilayer system in Si MOS transistors (2023)
  • Author(s): Masahiro Hori, Jinya Kume, Yukinori Ono
  • Organizer: 2023 International conference on solid state devices and materials (SSDM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測 (8) - 捕獲電子の再結合課程(Ⅰ) - (2023)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測 (9) - 捕獲電子の再結合課程(Ⅱ) - (2023)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測 (10) - 捕獲電子の再結合課程(Ⅲ) - (2023)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測 (11) - 捕獲電子の再結合課程(Ⅳ) - (2023)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] シリコンMOS界面における電子正孔共存系の形成 (2023)
  • Author(s): 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 超伝導磁束量子ビットによる神経細胞の磁化測定 (2023)
  • Author(s): 樋田啓, 酒井洸児, 手島哲彦, 堀匡寛, 角柳孝輔, Imran Mahboob, 小野行徳, 齊藤志郎
  • Organizer: 2023年 日本物理学会 春季大会
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測 (7) - τDに関する考察 - (2023)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 2023年 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピンによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測 (6) -欠陥構造緩和(Ⅱ)- (2023)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 2023年 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] シリコンMOS構造における電子流体の観測と低消費電力デバイス応用 (2023)
  • Author(s): 小野行徳
  • Organizer: 共同プロジェクト研究(R02/S01) 先端的コヒーレント波技術の基盤構築とその応用 東北大学－静岡大学合同冬季研究会
• [Presentation] シリコンMOS構造における電子流体の観測と低消費電力デバイス応用 (2023)
  • Author(s): 小野行徳
  • Organizer: 第1回研究会「エネルギーの高効率利用を考える革新的システムナノ技術」
  • Invited
• [Presentation] Electrical formation of electron-hole coexisting system at Si MOS interfaces (2022)
  • Author(s): Jinya Kume, Yukinori Ono, and Masahiro Hori
  • Organizer: 第24回高柳健次郎記念シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of Electronic Charges and Currents in Nano-scaled Silicon (2022)
  • Author(s): Y. Ono
  • Organizer: ICTA 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測 (5) -タイプ4と5の識別- (2022)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 2022年 第83回 応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測 (4) -欠陥構造緩和- (2022)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 2022年 第83回 応用物理学会 秋季学術講演会
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測（1）-両性準位のDOS- (2022)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測（2）-アクセプタ型準位- (2022)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測（3）-ドナー型準位- (2022)
  • Author(s): 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Si MOSFETにおける電子スピン共鳴チャージポンピング (2022)
  • Author(s): 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 東北大学-静岡大学合同冬季研究会 共同プロジェクト研究（R02/S01）先端的コヒーレント波技術の基盤構築とその応用
• [Presentation] ナノスケールシリコンにおける電荷と電流の制御 (2021)
  • Author(s): 小野行徳
  • Organizer: 第23回高柳健次郎記念シンポジウム
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Charge Pumping under Electron Spin Resonance in Si MOSFETs - Identification of Interface Defects and Detection of Donor Electrons - (2021)
  • Author(s): M. Hori, Y. Ono
  • Organizer: 2021 International Workshop on DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE ELECTRON DEVICES: SCIENCE AND TECHNOLOGY （IWDTF 2021）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 4端子シリコン・エサキダイオードの作製と低温特性評価 (2021)
  • Author(s): 金原涼伽, 加藤拓也, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] シリコントランジスタのゲート制御による電子正孔系の形成手法の確立 (2021)
  • Author(s): 久米仁也, 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] チャージポンピングEDMRを用いたシリコントランジスタ中のヒ素ドナー電子の検出 (2021)
  • Author(s): 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Electron aspirator using electron-electron scattering in nanoscale silicon (2021)
  • Author(s): Yukinori Ono
  • Organizer: 東北大学電気通信研究所 令和2年度共同プロジェクト研究発表会
• [Presentation] Electron-electron scattering in silicon and its impact on future emerging devices (2021)
  • Author(s): Yukinori Ono
  • Organizer: 6th International Conference on Nanoscience and Nanotechnology(ICONN2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ナノスケール・シリコンにおける電子・電子散乱を利用したエレクトロン・アスピレーター (2021)
  • Author(s): 小野行徳,フィルダウス ヒンマ, 渡邉時暢, 堀匡寛, モラル ダニエル, 高橋庸夫, 藤原聡
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] シリコンMOSトランジスタにおける電子スピン共鳴下のチャージポンピング (2021)
  • Author(s): 堀匡寛, 小野行徳
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Remarks] 静岡大学 小野・堀研究室ホームページ
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/nano/
• [Remarks] 静岡大学 小野・堀研究室ホームページ
  • URL: http://wwp.shizuoka.ac.jp/nano/