シリコン集積回路プロセスによる単電子デバイス・回路の研究

2008 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19310093
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 猪川 洋 Shizuoka University, 電子工学研究所, 教授 (50393757)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤原 聡 日本電信電話(株), 物性科学基礎研究所, 主幹研究員 (70393759) ; 西口 克彦 日本電信電話(株), 物性科学基礎研究所, 研究員 (00393760)
• Keywords: 少数電子素子 / 電子デバイス・機器 / 低消費電力 / 単電子デバイス / 単電子転送 / シリコン / 集積回路

Research Abstract

平成19年度に、シリコン集積回路プロセス(150nm SOI CMOS)で作製した単電子デイバスで見出された課題(単電子島周りの容量の低減、転送に付随するノイズの低減など)に対応するために、より微細で欠陥が少ないと期待されるプロセス(65nmバルクCMOS)によりデバイス試作ならびに評価を行った。その結果、単電子島周りの容量は10aF程度まで減少させることができ、比較的容易に実現できる低温(~20K)で単電子デバイス動作(転送電流の量子化)を観測することができた。しかし転送電流に付随するノイズは依然として存在し、内製プロセスを含む異なった3プロセスで作製されたデバイスに共通して見られる事から一般的な現象と分った。ノイズの転送周波数依存性や時間領域での観測などから、トンネルバリア高を制御しているゲート電極下の絶縁膜中トラップの充放電に基づくノイズ発生モデルを提案し、対策を立案した。対策案に基づいて実際にデバイス試作を行い、効果を確認した。
シミュレーション手法の検討では、アナログデバイス記述用言語を用いて一部の単電子デバイスを汎用回路シミュレータに組み込むことが可能となった。
他方、集積回路プロセス類似の単電子デバイス向けプロセスで作製したデバイスに関しては、トンネルバリア高をゲート電圧で動的に変化させる過程で生じる単電子帯電効果のメカニズム、MOSFET単電子検出器の室温動作・高感度化、長期にわたるオフセット電荷の安定性などについて検討が進捗した。

Research Products

• [Journal Article] (2009)
  • Author(s): Yasuo Takahashi
  • Journal Title: Device Applications of Silicon Nanocrystals and Nanostructures(Springer, New York) Pages: 125-172
• [Journal Article] Escape dynamics of a few electrons in a single-electron ratchet using silicon nanowire metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (2008)
  • Author(s): Satoru Miyamoto
  • Journal Title: Appl.Phys.Lett. 93 Pages: 222103_1-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-Electron-Resolution Electrometer Based on Field-Effect Transistor (2008)
  • Author(s): Katsuhiko Nishiguchi
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. 47 Pages: 8305-8310
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Why the long-term charge offset drift in Si single-electron tunneling transistors is much smaller(better)than in metal-based ones (2008)
  • Author(s): Neil M.Zimmerman
  • Journal Title: J.Appl.Phys. 104 Pages: 033710_1-12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A gate-defined silicon quantum dot molecule (2008)
  • Author(s): Hongwu Liu
  • Journal Title: Appl.Phys.Lett. 92 Pages: 222104_1-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Measurement of Capacitance Parameters in Nanometer-Scale MOSFETs (2008)
  • Author(s): Hiroshi Inokawa
  • Journal Title: IEEJ Trans.EIS 128 Pages: 905-911
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] (2008)
  • Author(s): Yukinori Ono
  • Journal Title: Nanotechnology, Volume 4 : Information Technology II(Wiley-VCH, Weinheim) Pages: 45-68
• [Presentation] Novel-functional single-electron device using nanodot array with multiple outputs (2009)
  • Author(s): Yasuo Takahashi
  • Organizer: 2009 RCIQE International Seminar on "Advanced Semiconductor Materials and Devices"
  • Place of Presentation: Sapporo, Japan
  • Year and Date: 20090302-20090303
• [Presentation] Novel-Functional Single-Electron Device Using Nanodot Array with Multiple Inputs and Outputs (2008)
  • Author(s): Yasuo Takahashi
  • Organizer: The International Union of Materials Research Societies-International Conference in Asia(IUMRS-ICS)
  • Place of Presentation: Nagoya, Japan
  • Year and Date: 20081209-20081213
• [Presentation] Escape dynamics of electrons in a single-electron ratchet using silicon nanowire MOSFETs (2008)
  • Author(s): Satoru Miyamoto
  • Organizer: The IEEE Nanotechnology Materials and Devices Conference(NMDC)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 20081020-20081022
• [Presentation] Single-Dopant Effect in Si MOSFETs (2008)
  • Author(s): Yukinori Ono
  • Organizer: The IEEE Nanotechnology Materials and Devices Conference(NMDC)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 20081020-20081022
• [Remarks]
  • URL: http://www.rie.shizuoka.ac.jp~nanosys/