2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of technology for fast energy conversion between electrons and phonons towards emerging phono-electronics
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17H06211
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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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) |
Moraru Daniel 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (60549715)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| Keywords | フォノン / エネルギー散逸 / シリコン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の主題は、「ホットキャリアから放出された高エネルギーフォノンが低エネルギー熱フォノンに分解し、エネルギーが拡散（散逸）するより速く、そのエネルギーを電子エネルギーに再変換する」というものである。その時間スケールは1 ー 100 psであり、MOSトランジスタのスイッチング時間と同程度である。したがって本研究では、このような高速な電子系―格子系エネルギー変換のための二つの基幹技術を構築することが大きな目標の一つとなる。
前年度、電子流体効果をシリコンにおいてはじめて観測し、フォノンによるエネルギー散逸を避けて電流増幅が可能であることを示した（Nature Communications. 2018)、当該年度においては、その性能の律速要因を明らかにした（Silicon Nanoelectronics Workshop .2019）。具体的には、電子流体効果が、電流経路における摩擦（抵抗）により律速されていることを明らかにした。これらの結果は、電子―格子系エネルギー変換において、電子―電子散乱が本質的に重要な役割を担っていることを示す結果である。
また、あらたにシリコンのナノデバイスにおいて、弾道電子の直接観測に成功した（未発表）。また、弾道電子の運動量散逸機構は、ラインエッジラフネスによるものであることを示唆する結果が得られた。これはシリコン・ナノデバイスにおけるフォノンによるエネルギー散逸機構を調べるためのデバイス構造を改良するための重要な手掛かりを与えるものである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当該年度の検討により、フォノンの精密制御のためのデバイス構造設計の明確な指針が得られた。また、トランジスタ中のエネルギー散逸機構において重要な電子・電子散乱効果の律速要因を明らかにしたことで、新原理デバイス構築への新たな展望が開けた。
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| Strategy for Future Research Activity |
電子流体効果をシリコンにおいてはじめて観測し、フォノンによるエネルギー散逸を避けて電流増幅が可能であること、および、電子流体効果が、電流経路における摩擦（抵抗）により律速されていることを明らかにしたことを受け、次年度は、エネルギー効率の理論的限界値の見積もり、および高エネルギー効率を実現するためのデバイス構造を検討し、実際にデバイス作製に取り掛かる。また、あらたにシリコンのナノデバイスにおいて、弾道電子の直接観測に成功し、弾道電子の運動量散逸機構がラインエッジラフネスによるものであることを示唆する結果が得られたことを受け、これを回避するためのデバイス構造を検討し、デバイス作製時に取り入れる。
並行して、高速制御技術確立に向けた、MOS電子系の短時間パルス電流発生技術の確立に取り組む。
本計画において、代表者小野は、測定系構築と測定を担務する。一方、分担者モラルはデバイス試作を担務する。
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