室温動作シリコン単電子トランジスタとナノワイヤＣＭＯＳによる新機能回路の低電圧化

• 研究課題/領域番号: 15H02247
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平本 俊郎 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (20192718)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 43,810千円 (直接経費: 33,700千円、間接経費: 10,110千円); 2018年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2017年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2016年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2015年度: 13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円)
• キーワード: 半導体物性 / 大規模集積回路 / MOSFET / Beyond CMOS / 単電子トランジスタ

研究成果の概要

本研究の目的は，Beyond CMOSと既存CMOS回路の融合回路を低電圧化である．シリコンナノワイヤトランジスタで低電圧回路を構成し，Beyond CMOSとしては室温動作シリコン単電子トランジスタを採用した．作製した室温動作単電子トランジスタはクーロン振動の電圧が0.45Vと低く，ナノワイヤトランジスタを用いて作製した回路の電源電圧は2Vと低電圧にした．クーロン振動のわずかな電流を電流-電圧変換回路と電圧増幅回路で増幅し，クーロン振動の特性を振幅約0.8Vの電圧ピークに変換した．以上から，室温動作単電子トランジスタと既存MOSトランジスタによる融合回路の低電圧を実証した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

トランジスタの微細化による従来の大規模集積回路の性能向上が困難になりつつある状況において，従来デバイスと異なる原理で動作するいわゆるBeyond CMOSの研究が進んでいるが，従来のMOS回路との融合に関する研究は，その作製が困難なことからほとんど進んでこなかった．今回，室温動作の単電子トランジスタとナノワイヤトランジスタによる融合回路の低電圧動作が示されたことで，将来の集積エレクトロニクスの新しい方向性が実証されたということができ，学術的意義および社会的意義は大きい．

研究成果

• [学会発表] Integrated Circuits Composed of Nanowire and Single-Electron Transistors Operating at Room Temperature (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Mizutani
  • 学会等名: IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 微細ゲートオールアラウンド(GAA)シリコンナノワイヤトランジスタにおける極めて大きなランダムテレグラフノイズ(RTN)の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 木村迅利
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Detection of Charge Traps in Silicon Nanowire MOSFETs Using Transient Current Measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Boyang Cui
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Statistics of Random Telegraph Noise Amplitude in Extremely Narrow Silicon Nanowire Transistors with Width down to 2nm (2018)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Hiramoto
  • 学会等名: International Conference on Nanoelectronics Strategy (INS)
  • 国際学会
• [学会発表] Drain-Induced Variability Due to Quantum Confinement Effect in Extremely Narrow Silicon Nanowire Transistors with Width down to 2nm (2018)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Hiramoto
  • 学会等名: International Conference on Nanoelectronics Strategy (INS)
  • 国際学会
• [学会発表] Enhanced Variability by Quantum Confinement Effects in Extremely Narrow Silicon Nanowire MOSFETs with Nanowire Width down to 2nm (2016)
  • 著者名/発表者名: Toshiro Hiramoto
  • 学会等名: 12th International Nanotechnology Conference on Communication and Cooperation (INC12)
  • 発表場所: Leuven, Belgium
  • 国際学会
• [学会発表] Increased Drain-Induced Variability and Within-Device Variability in Extremely Narrow Silicon Nanowire MOSFETs with Width down to 2nm (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Mizutani, Kiyoshi Takeuchi, Ryota Suzuki, Takuya Saraya, Masaharu Kobayashi, and Toshiro Hiramoto
  • 学会等名: IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
  • 発表場所: Hilton Hawaiian Village, Honolulu, HI. USA
  • 国際学会
• [学会発表] 線幅2nmの超微細シリコンナノワイヤトランジスタにおけるDIBLばらつきおよびデバイス内ばらつき (2016)
  • 著者名/発表者名: 水谷朋子，竹内 潔，鈴木龍太，更屋拓哉，小林正治，平本俊郎
  • 学会等名: 電子情報通信学会シリコン材料・デバイス研究会（SDM）
  • 発表場所: 中央電気倶楽部（大阪府）
• [学会発表] 線幅2nmの超微細シリコンナノワイヤトランジスタにおけるドレイン電圧に起因する特性ばらつき (2016)
  • 著者名/発表者名: 水谷朋子，竹内 潔，鈴木龍太，更屋拓哉，小林正治，平本俊郎
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ（新潟県）
• [学会発表] Threshold Voltage and Current Variability of Extremely Narrow Silicon Nanowire MOSFETs with Width down to 2nm (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Mizutani, Y. Tanahashi, R. Suzuki, T. Saraya, M. Kobayashi, and T. Hiramoto
  • 学会等名: Silicon Nanoelectronics Workshop
  • 発表場所: Rihga Royal Hotel Kyoto, Kyoto
  • 国際学会
• [学会発表] Characteristics of Silicon Nanowire Transistors for Integration with Room-Temperature Operating Silicon Single-Electron Transistors (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Hiramoto
  • 学会等名: Sweden-Japan QNANO Workshop
  • 発表場所: Hindas, Sweden
  • 国際学会
• [学会発表] 線幅2nmの超微細シリコンナノワイヤトランジスタにおけるしきい値電圧および電流ばらつき (2015)
  • 著者名/発表者名: 水谷朋子，棚橋裕麻，鈴木龍太，更屋拓哉，小林正治，平本俊郎
  • 学会等名: 電子情報通信学会 シリコン材料・デバイス研究会
  • 発表場所: 熊本市民会館崇城大学ホール(熊本県)
• [学会発表] 線幅2nmの超微細シリコンナノワイヤトランジスタにおける量子閉じ込め効果によるしきい値電圧および電流ばらつき (2015)
  • 著者名/発表者名: 水谷朋子，棚橋裕麻，鈴木龍太，更屋拓哉，小林正治，平本俊郎
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県）