ヘキサゴナルBDD量子回路方式に基づく超小型・超低消費電力ナノプロセッサ

• 研究課題/領域番号: 17686028
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 葛西 誠也 北海道大学, 大学院・情報科学研究科, 准教授 (30312383)
• 研究期間 (年度): 2005 – 2007
• 研究課題ステータス: 完了 (2007年度)
• 配分額: 30,680千円 (直接経費: 23,600千円、間接経費: 7,080千円); 2007年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2006年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円); 2005年度: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
• キーワード: 量子ナノデバイス / 集積回路 / 二分決定グラフ(BDD) / 低消費電力 / プロセッサ / 化合物半導体 / 単電子 / ナノワイヤネットワーク / ナノ細線ネットワーク

研究概要

本研究は、次世代高度ユビキタスITにおいて必要不可欠である高機能微小チップの中核をなすプロセッサを「超低消費電力ナノプロセッサ(NPU)」と位置づけ、申請者らが提案したヘキサゴナルBDD量子回路をベースにそのプロトタイプを実現すること、および、性能優位性を明らかにすることを目的とじている。本年度は以下の成果を得た。
1.4命令2-bit ALUを試作し古典モードでの動作実証に成功した。得られた特性はシミュレーションと合致し設計通りの特性を得た。本研究において、NPU基本構成回路が全て実現された。
2.試作プロセス精度を高めることでチップ上でのショットキーラップゲート(WPG)しきい値ばらつき±100mVに抑えた。ALU回路において、ばらつきを考慮した入力振幅の予測値と実測された動作可能入力振幅値は良く一致したことから、オンチップで高い再現性が確保された。
3.量子細線トランジスタの微細化を進め、サイズとコンダクタンス量子化の関係を実験的に明らかにした。ナノワイヤ幅Wを20nmまで縮小し、150Kでのコンダクタンス量子化発現とゲート電圧・エネルギスケーリング係数α〜1を実現した。また、αや動作温度はWにスケーリングすることを示し、量子ナノデバイスにおけるスケーリング性を理論・実験の両面から明らかにした。
4.コンパクトかつ同一ネットワークに集積可能な3分岐ナノワイヤ接合デバイスについて、WPGによる非線形特性制御の実現とその機構の理論的解明、ANDとNANDへの応用、シミュレーションによるSR-FFの実装を行い、本デバイスがNPUの順序回路として有効であることを示した。
5.ナノワイヤネットワーク中の微小信号伝送を可能にする確率共鳴の発現に実験的に成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Nearly Temperature-Independent Saturation Drain Current in a Multi-Mesa-Channel AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Tamura, J. Kotani, S. Kasai, and T. Hashizume
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 1
  • NAID: 10025079151
  • 査読あり
• [雑誌論文] GaAsナノワイヤ3分岐接合の非線形特性制御と論理回路への応用 (2008)
  • 著者名/発表者名: アブドゥール ラーマン シャハリンファズリ, 白鳥悠太, 葛西誠也
  • 雑誌名: 電子情報通信学会技術研究報告 v.107(473) ページ: 33-38
• [雑誌論文] GaAs系ショットキーラップゲート量子細線トランジススタの微細化とスイッチング特性の相関(2) (2008)
  • 著者名/発表者名: 白鳥悠太、アブドゥール ラーマンシャハリン ファズリ、葛西 誠也
  • 雑誌名: 電子情報通信学会技術研究報告 v.107(473) ページ: 63-68
• [雑誌論文] Effect of Size Reduction on Switching Characteristics in GaAs-Based Schottky-Wrap-Gate Quantum Wire Transistors (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiratori and S. Kasai
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 47(In press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on Nonlinear Electrical Characteristics of GaAs-Based Three-Branch Nanowire Junctions Controlled by Schottky Wrap Gates (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Kasai, T. Nakamura, S.F. Bin Abd Rahman, and Y. Shiratori
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 47(In press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication and characterization of active and sequential circuits utilizing Schottky-wrap-gate-controlled GaAs hexagonal nanowire network structures (2008)
  • 著者名/発表者名: H.-Q. Zhao, T. Nakamura, S. Kasai, T. Hashizume and N.-J. Wu
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics E91(In press)
  • NAID: 10026818561
  • 査読あり
• [雑誌論文] A multipath-switching device utilizing a GaAs-based multiterminal nanowire junction with size-controlled dual Schottky wrap gates (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kasai, T. Nakamura and Y. Shiratori
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 90
  • NAID: 120000968886
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-induced large side-gating phenomenon in GaAs quantum wire transistors and its removal by surface passivation using Si interface control layer (2007)
  • 著者名/発表者名: R. Jia, S. Kasai, A. Wang, S.-B. Long, J. Bin Niu, Z.-G. Li and M. Liu
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 90
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of surface conduction in the vicinity of Schottky gates on AlGaN/GaN heterostructure (2007)
  • 著者名/発表者名: J. Kotani, M. Tajima, S. Kasai, and T. Hashizume
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 91
  • 査読あり
• [雑誌論文] Schottky Wrap Gate Control of Semiconductor Nanowire Networks for Novel Quantum Nanodevice-Integrated Logic Circuits Utilizing BDD Architecture (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kasai, T. Nakamura, Y. Shiratori, and T. Tamura
  • 雑誌名: J. of Multiple-Valued Logic & Soft Computing 13 ページ: 267-277
  • 査読あり
• [雑誌論文] Schottky Wrap Gate Control of Semiconductor Nanowire Networks for Novel Quantum Nanodevice-Integrated Logic Circuits Utilizing BDD Architecture (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kasai, T. Nakamura, Y. Shiratori, and T. Tamura
  • 雑誌名: Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 4 ページ: 1120-1132
  • 査読あり
• [雑誌論文] Integration of interdigital-gated plasma wave device for proximity communication system application (2007)
  • 著者名/発表者名: A.M. Hashim, S. Kasai, T. Hashizume, H. Hasegawa
  • 雑誌名: Microelectronics Journal 38 ページ: 1263-1267
  • 査読あり
• [雑誌論文] Novel structure of GaAs-based interdigital-gated HEMT plasma devices for solid-state THz wave amplifier (2007)
  • 著者名/発表者名: A.M. Hashim, S. Kasai, K. Iizuka, T. Hashizume, H. Hasegawa
  • 雑誌名: Microelectronics Journal 38 ページ: 1268-1272
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Novel Hybrid Voltage Controlled Ring Oscillator Using Single Electron and MOS Transistors (2007)
  • 著者名/発表者名: Wan-Cheng Zhang
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nanotechnology Vol.6, No.2 ページ: 146-157
• [雑誌論文] Fabrication and Characterization of A GaAs-based Three-Terminal Nanowire Junction Device Controlled by Double Schottky Wrap Gates (2007)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Nakamura
  • 雑誌名: Applied Physics Letters Vo1.90, No.10 ページ: 102104-102104
• [雑誌論文] Surface-induced large side-gating phenomenon in GaAs quantum wire transistors and its removal by surface passivation using Si interface control layer (2007)
  • 著者名/発表者名: Rui Jia
  • 雑誌名: Applied Physics Letters Vo1.90, No. 13 ページ: 132124-132124
• [雑誌論文] Schottky Wrap Gate Control of Semiconductor Nanowire Networks for Novel Quantum Nanodevice-Integrated Logic Circuits Utilizing BDD Architecture (2007)
  • 著者名/発表者名: Seiya Kasai
  • 雑誌名: Journal of Computation Theory and Nanoscience Vol.4 (in press)
• [雑誌論文] Multiple path switching device utilizing size-controlled nano-Schottky wrap gates for MDD-based logic circuits (2007)
  • 著者名/発表者名: Seiya Kasai
  • 雑誌名: Journal of Multiple-Valued Logic and Soft Computing Vol.13 (in press)
  • NAID: 120000949882
• [雑誌論文] Properties of a GaAs single electron path switching node device using a single quantum dot for hexagonal BDD quantum circuits (2006)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Nakamura
  • 雑誌名: Journal of Physics : Conference Series Vol 38, No 1 ページ: 104-107
• [雑誌論文] Stochastic resonance among single-electron neurons on Schottky wrap-gate devices (2006)
  • 著者名/発表者名: Takahide Oya
  • 雑誌名: International Congress Series Vol 1291 ページ: 213-216
• [雑誌論文] Gate control, surface leakage currents, and peripheral charging in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors having nanometer-scale Schottky gates (2006)
  • 著者名/発表者名: Seiya Kasai
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials Vol 35, No 4 ページ: 568-575
• [雑誌論文] Device interference in GaAs quantum wire transistors and its suppression by surface passivation using Si interface control layer (2006)
  • 著者名/発表者名: Rui Jia
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science ＆ Technology B Vol 24, No. 4 ページ: 2060-2068
• [雑誌論文] Embedded nanowire network growth and node device fabrication for GaAs-based high-density hexagonal binary decision diagram quantum circuits (2006)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Tamura
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics Vol 45, No 4B ページ: 3614-3620
• [雑誌論文] Properties of a GaAs Single Electron Path Switching Node Device Using a Single Quantum Dot for Hexagonal BDD Quantum Circuits (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Nakamura, Y.Abe, S.Kasai, H.Hasegawa, T.Hashizume
  • 雑誌名: Journal of Physics (in press)
  • NAID: 120000955373
• [雑誌論文] Gate Control, Surface Leakage Currents and Peripheral Charging in AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistors Having Nanometer-Scale Schottky Gates (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Kasai, J.Kotani, T.Hashizume, H.Hasegawa
  • 雑誌名: Journal of Electronic Materials (in press)
• [雑誌論文] Stochastic resonance among single-electron neurons on Schottky wrap-gate devices (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Oya, T.Asai, R.Kagaya, S.Kasai, Y.Amemiya
  • 雑誌名: Brain-Inspired IT 2005, International Congress Series vol.1291(in press)
• [雑誌論文] Embedded Nanowire Network Growth and Node Device Fabrication for GaAs-Based High-Density Hexagonal BDD Quantum Circuits (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Tamura, I.Tamai, S.Kasai, T.Sato, H.Hasegawa, T.Hashizume
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics (in press)
  • NAID: 10022541242
• [雑誌論文] Removal of Side-gating Effects in GaAs Quantum Nanodevices with Nano-Schottky Gates by Surface Passivation Using Si Interface Control Layer (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Jia, N.Shiozaki, S.Kasai, H.Hasegawa
  • 雑誌名: e-J.Surf.Sci.Nanotech. vol.3 ページ: 314-318
  • NAID: 130004933884
• [雑誌論文] Tunneling Injection of Electrons at Nanometer-Scale Schottky Gate Edge of AlGaN/GaN Heterostructure Transistors and Its Computer Simulation (2005)
  • 著者名/発表者名: J.Kotani, S.Kasai, H.Hasegawa, T.Hashizume
  • 雑誌名: e-J.Surf.Sci.Nanotech vol.3 ページ: 433-438
  • NAID: 130004438970
• [雑誌論文] Lateral tunneling injection and peripheral dynamic charging in nanometer-scale Schottky gates on AlGaN/GaN hetrosturucture transistors (2005)
  • 著者名/発表者名: J.Kotani, S.Kasai, T.Hashizume, H.Hasegawa
  • 雑誌名: J.Vac.Sci Technol.B vol.23 ページ: 1799-1807
  • NAID: 120000958033
• [雑誌論文] Large Modulation of Conductance in Interdigital-Gated HEMT Devices Due to Surface Plasma Wave Interactions (2005)
  • 著者名/発表者名: A.M.Hashim, S.Kasai, T.Hashizume, H.Hasegawa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics vol.44 ページ: 2729-2734
  • NAID: 10015705451
• [雑誌論文] Anomalous Current Leakage and Depletion Width Control in Nanometer Scale Schottky Gates Formed on AlGaAs/GaAs Surfaces (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Jia, S.Kasai, H.Hasegawa
  • 雑誌名: IOP Conference Series 184 ページ: 21-26
• [雑誌論文] Speed-Power Performance of GaAs-based Quantum Wire Switches with Schottky Wrap Gates for Hexagonal BDD Quantum LSIs (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Yumoto, S.Kasai, H.Hasegawa
  • 雑誌名: IOP Conference Series 184 ページ: 213-216
• [学会発表] GaAsナノワイヤ3分岐接合の非線形特性制御と論理回路への応用 (2008)
  • 著者名/発表者名: アブドゥール ラーマン シャハリンファズリ, 白鳥悠太, 葛西誠也
  • 学会等名: 電子情報通信学会シリコン材料デバイス・電子デバイス合同研究会
  • 発表場所: 北海道大学(札幌市)
• [学会発表] ショットキーラップゲート制御GaAsナノワイヤネットワーク構造上への能動回路・順序回路の実装 (2008)
  • 著者名/発表者名: 葛西誠也, 趙洪泉, 橋詰保
  • 学会等名: 電子情報通信学会シリコン材料デバイス・電子デバイス合同研究会
  • 発表場所: 北海道大学(札幌市)
• [学会発表] GaAs/AlGaAsショットキーラップゲート量子細線トランジスタにおけるスイッチング特性の構造サイズ依存性評価 (2008)
  • 著者名/発表者名: 白鳥 悠太、シャハリン ファズリ アブドゥール ラーマン、葛西 誠也
  • 学会等名: 第43回応用物理学会北海道支部 第4回日本光学会北海道支部合同学術講演
  • 発表場所: 北海道大学(札幌市)
• [学会発表] GaAs-nanowire-network-based functional devices for information processing (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Kasai
  • 学会等名: 2008 RCIQE International Seminar on"Advanced Semiconductor Materials and Devices
  • 発表場所: 北海道大学(札幌市)
• [学会発表] Fabrication and characterization of active and sequential circuits on WPG controlled GaAs hexagonal nanowire networks (2008)
  • 著者名/発表者名: H.-Q. Zhao, S. Kasai, T. Nakamura and T. Hashizume
  • 学会等名: 2008 RCIQE International Seminar on"Advanced Semiconductor Materials and Devices
  • 発表場所: 北海道大学(札幌市)
• [学会発表] Impact of Size Reduction on Switching Characteristics in GaAs-Based Schottky-Wrap-Gate Controlled Quantum Wire Transistors (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiratori, S.F.A. Rahman, S. Kasai
  • 学会等名: 2008 RCIQE International Seminar on"Advanced Semiconductor Materials and Devices
  • 発表場所: 北海道大学(札幌市)
• [学会発表] ショットキーラップゲートによるGaAsナノワイヤ3分岐接合デバイスの非線形特性制御 (2008)
  • 著者名/発表者名: アブドゥール ラーマン シャハリンファズリ, 白鳥悠太, 葛西誠也
  • 学会等名: 第55回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 日本大学(船橋市)
• [学会発表] GaAsナノワイヤ接合とサイズ変調ラップゲートによる多値入力多分岐MDD節点デバイス (2008)
  • 著者名/発表者名: 葛西 誠也, 白鳥 裕太, S. Yanushkevich
  • 学会等名: 第55回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 日本大学(船橋市)
• [学会発表] GaAs系ショットキーラップゲート量子細線トランジススタの微細化とスイッチング特性の相関(2) (2008)
  • 著者名/発表者名: 白鳥悠太、アブドゥール ラーマンシャハリン ファズリ、葛西 誠也
  • 学会等名: 第55回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 日本大学(船橋市)
• [学会発表] Active and Sequential Circuits on WPG-controlled GaAs Hexagonal Nanowire Networks for Hexagonal BDD-based Digital Systems (2007)
  • 著者名/発表者名: H.-Q. Zhao, T. Nakamura, S. Kasai and T. Hashizume
  • 学会等名: The 7th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics (TWHM2007)
  • 発表場所: かずさアーク(木更津市)
• [学会発表] ショットキーラップゲート制御GaAsナノワイヤデバイスにおける確率共鳴の発現 (2007)
  • 著者名/発表者名: 葛西誠也, 白鳥 悠太, アブドゥール ラマーン シャハリン ファズリ
  • 学会等名: 第68回応用物理学学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学(札幌市)
• [学会発表] GaAs系ショットキーラップゲート量子細線トランジスタの微細化とスイッチング特性の相関 (2007)
  • 著者名/発表者名: 白鳥悠太, アブドゥール ラマーンシャハリン ファズリ, 葛西誠也
  • 学会等名: 第68回応用物理学学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学(札幌市)
• [学会発表] WPG制御GaAsナノワイヤ3分岐接合デバイスにおける電気的特性のサイズ依存性 (2007)
  • 著者名/発表者名: アブドゥール ラマーン シャハリンファズリ, 白鳥悠太, 葛西誠也
  • 学会等名: 第68回応用物理学学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学(札幌市)
• [学会発表] Effect of Size Reduction on Operation Temperature and Switching Power in GaAs-Based Schottky-Wrap-Gate Quantum Wire Transistors (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Shiratori and S. Kasai
  • 学会等名: 2007 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2007)
  • 発表場所: エポカルつくば(つくば市)
• [学会発表] Highly Thermal Stability of Drain Current in Multi-Mesa-Gate AlGaN/GaNHEMTs (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Tamura, J. Kotani, S. Kasai and T. Hashizume
  • 学会等名: The 34th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS2007)
  • 発表場所: 京都大学(京都市)
• [学会発表] Study on Nonlinear Electrical Characteristics in Gaas-Based Three-Branch Nanowire Junctions Controlled By Schottky Wrap Gates (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Kasai, T. Nakamura, S.F. Abd Fadzli and Y. Shiratori
  • 学会等名: 20th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2007)
  • 発表場所: 京都国際会議場(京都市)
• [産業財産権] 「信号再生装置」 (2008)
  • 発明者名: 葛西誠也
  • 権利者名: JST
  • 産業財産権番号: 2008-050389
  • 出願年月日: 2008-02-29
• [産業財産権] 半導体装置 (2007)
  • 発明者名: 葛西誠也
  • 権利者名: 北海道大学
  • 産業財産権番号: 2007-041018
  • 出願年月日: 2007-02-21