Superconductivity based on Si MOS structure
| Project/Area Number |
22K18294
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
小野 行徳 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80374073)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
堀 匡寛 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (50643269)
影島 博之 島根大学, 学術研究院理工学系, 教授 (70374072)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2025: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
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| Keywords | シリコン / MOSトランジスタ / 超伝導 / 平坦バンド |
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| Outline of Research at the Start |
本課題では、シリコン/シリコン酸化膜（SiO2）界面電子系における「２次元超格子・平坦バンド」形成技術を確立し、これを用いて「MOSトランジスタの超伝導化（チャネル抵抗ゼロ）」に挑戦する。このために、LOCOSを用いた新規デバイス作製プロセスを確立するとともに、MOSトランジスタの電子スピンの電気的読み出し手法を用いて、MOSトランジスタ電子系の磁性状態を評価する。またこれらの基礎検討に基づき、ゲート制御可能な超伝導シリコンデバイス「MOSジョセフソン・トランジスタ」を創生する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
LOCOSプロセスを利用した２次元周期配列構造の形成プロセスの検討を行った。LOCOS形成後のエッチングでエッチング液であるHFの染み込みが大きく、微小なパターンの形成が難しいことが判明した。このため、２段階熱酸化法に手法を変更し、微細パターン形成を再検討した。その結果、問題なく微細構造が形成できることを確認した。２段階熱酸化法により形成された２次元周期凹凸構造を有するMOSトランジスタを作製し、良好なトランジスタ特性が取得できることを確認するとともに、凹凸パターンにより移動度が変化することを見出した。また、Sicon-on-insulator（SOI）基板上に作製した２次元周期穴構造を有するMOSトランジスタを作製し、その移動度の温度依存性を調べた。この結果、低温にて移動度が著しく低下することを見出した。
超流動の発現を念頭に、電子・正孔２層系のクーロンドラッグの検討を行った。SOI膜厚の依存性を調べ、通常のフェルミ気体の理論に比して膜厚依存性が弱いことが見いだされた。また、トランジェントなゲート電圧制御による電子・正孔２層系の形成手法に関して検討を行い、電子、正孔密度が制御できること、等を見出した。また、２次元電子系におけるスピン状態を調べるためのEDMR法に関して、その感度向上のための手法を考案し、その基本原理を確認した。さらに、有効質量変化を観測するための磁場印可計測を開始した。通常のMOSトランジスタを用いて、良好なシュブニコフ・ドハース振動が観測可能であることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
２次元周期的構造の形成プロセスは、その骨格をほぼ確立することができた。また、作製したデバイスを低温下にて測定し、移動度の低下等、周期的配列構造の影響とみられる特性変調も観測することができた。特に、初年度に予定していたデバイス試作が問題なく完了でき、良好な基本特性が得られていることから、今後、順調に測定が進展するものと期待できる。
新たに、超流動の発現を念頭に、電子・正孔２層系のクーロンドラッグの検討を行った。基本的な測定条件の抽出等を完了し、通常のフェルミ気体の理論では説明ができない特性が観測されるなど、新たな可能性を秘めた特性が得られている。スピン計測用のEDMRに関しては、新たな感度向上手法を提案し、その基本原理を確認するなど、順調に推移している。
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| Strategy for Future Research Activity |
２次元周期的構造の形成プロセスに関しては、その骨格をほぼ確立することができたことを受け、幾つか残っている問題点を解決するための検討を行う。第一に、現在、80nm周期である構造を40nm周期に微細化するための電子線描画の最適化を検討する。第二に、バックゲートに対する耐圧が低いため、これを改善するためのプロセスの改良を検討する。
低温下にて移動度の低下を観測した周期的配列構造を有するMOSFETに関しては、パターン周期依存性の詳細解析から、平均自由工程を算出し、必要となる２次元周期配列構造のサイズを明らかにし、次期試作にフィードバックをかける。また、極低温化にて磁場計測を行い、有用質量の変化の有無等を調べる。
超流動発現を念頭に行ってる電子・正孔２層系のクーロンドラッグについては、現在行っているSOI膜厚20nm程度からさらに薄い領域に関する測定を行い、ドラック電圧の増大可能性を評価する。また、ドレイン電圧を増大したときに発現する非線形性を詳しく解析し、電子層、正孔層間の熱伝導に関する情報が抽出可能であるかどうかを評価する。さらに、トランジェントな電子・正孔２層系については、より低温での計測を可能とするための基板濃度変調を行った水準について試作を行い、実際に極低温測定が可能かどうかを評価する。
上記の計画において、分担者・堀は、トランジェントな電子・正孔２層系に関して、極低温下での計測を可能とするデバイスの試作、および同デバイスの計測を担務す。分担者・影島は、２次元周期構造を有するMOSトランジスタにおける有効質量の理論的解析、および、電子・正孔２層系の解析に必要となる計算手法に関する調査を行う。研究代表者・小野は、研究を統括するとともに、MOSトランジスタの測定全般を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
