新原理エレクトロニクス創成に向けた電子系－格子系・高速エネルギー変換技術の確立

• 研究課題/領域番号: 20K20289
• 補助金の研究課題番号: 17H06211 (2017-2019)
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金 (2020); 補助金 (2017-2019)
• 研究分野: 電気電子工学およびその関連分野
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 小野 行徳 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (80374073)
• 研究分担者: Moraru Daniel 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (60549715)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 25,740千円 (直接経費: 19,800千円、間接経費: 5,940千円); 2021年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2020年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円); 2019年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円); 2018年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円); 2017年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: トランジスタ / シリコン / エネルギー消費 / 電子・電子散乱 / フォノン / エネルギー散逸 / 熱電変換

研究開始時の研究の概要

継続課題のため記入しない。

研究成果の概要

３個の電流端子を有するシリコン・ナノトランジスタの電流入出力特性を調べ、電子・電子散乱に起因する電流増幅効果を見出した。これは、高速（ピコ秒以下）で起こる電子同士の多重散乱により、チャネルおよびドレイン端で支配的となる電子・フォノン散乱を避けて入射電子のエネルギーを他の電子に伝達できることを示すものである。また、Silicon-on-insulator MOS２次元電子系において、電子間相互作用に起因した金属絶縁体転移がゲート制御可能であることを示すとともに、シリコン・エサキダイオードにおいて良好なフォノン放射トンネル電流、およびゼロバイアスにおける新奇クーロンギャップの観測に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

電子デバイスのエネルギー消費を低減するためには、電子系から格子系へのエネルギー散逸機構を調べこの散逸を回避することが重要となる。本課題では、電子・フォノン相互作用によるフォノン放出を調べるための基盤技術を確立するとともに、電子・フォノン散乱と競合する電子・電子散乱について詳細検討を行った。その結果、電子・電子散乱を有効に働かせることにより、電子・フォノン散乱を避けて付加的な電源電圧なしに入力電流を増幅できることを示した。これらの成果は、新たな低消費電力トランジスタの開発に道を開くものである。

研究成果

• [雑誌論文] Critical conductance of two-dimensional electron gas in silicon-on-insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Razanoelina, M. Hori, A. Fujiwara, Y. Ono
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 号: 10 ページ: 104003-104003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac25c4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of arsenic donor electrons using gate-pulse-induced spin-dependent recombination in silicon transistors (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, Y. Ono
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 118 号: 26
  • DOI: 10.1063/5.0053196
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coulomb-blockade transport in selectively-doped Si nano-transistors (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Afiff, A. Samanta, A. Udhiarto, H. Sudibyo, M. Hori, Y. Ono, M. Tabe, D. Moraru
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 12 号: 8 ページ: 085004-085004
  • DOI: 10.7567/1882-0786/ab2cd7
  • NAID: 210000156539
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge pumping under spin resonance in Si(100) metal-oxide-semiconductor transistors (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, Y. Ono
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 11 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.11.064064
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-charge band-to-band tunneling via multiple-dopant clusters in nanoscale Si Esaki diodes (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Prabhudesai, M. Muruganathan, L. T. Anh, H. Mizuta, M. Hori, Y. Ono, M. Tabe, D. Moraru
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 114 号: 24
  • DOI: 10.1063/1.5100342
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electron aspirator using electron-electron scattering in nanoscale silicon (2018)
  • 著者名/発表者名: Firdaus Himma、Watanabe Tokinobu、Hori Masahiro、Moraru Daniel、Takahashi Yasuo、Fujiwara Akira、Ono Yukinori
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 48131-48131
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07278-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of single holes generated by impact ionization in silicon (2018)
  • 著者名/発表者名: Firdaus Himma、Watanabe Tokinobu、Hori Masahiro、Moraru Daniel、Takahashi Yasuo、Fujiwara Akira、Ono Yukinori
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113 号: 16 ページ: 163103-163103
  • DOI: 10.1063/1.5046865
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection and Characterization of Single Near-Interface Oxide Traps with the Charge Pumping Method (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, M. Hori, Y. Ono
  • 雑誌名: Proceedings of 2018 IEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA) 巻: - ページ: 1-4
  • DOI: 10.1109/ipfa.2018.8452495
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real-time Monitoring of Charge-pumping Process for SiO2/Si Interface Analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, T. Watanabe and Y. Ono
  • 雑誌名: Intl. Symp. Elec. and Com. Eng 巻: - ページ: 52-56
  • DOI: 10.1109/qir.2017.8168450
  • 査読あり
• [学会発表] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測（1）-両性準位のDOS- (2022)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測（2）-アクセプタ型準位- (2022)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] MOS界面の単一欠陥チャージポンピングによって可能となった両性準位における電子捕獲素過程の直接観測（3）-ドナー型準位- (2022)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Si MOSFETにおける電子スピン共鳴チャージポンピング (2022)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 東北大学-静岡大学合同冬季研究会 共同プロジェクト研究（R02/S01）先端的コヒーレント波技術の基盤構築とその応用
• [学会発表] ナノスケールシリコンにおける電荷と電流の制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小野行徳
  • 学会等名: 第23回高柳健次郎記念シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Charge Pumping under Electron Spin Resonance in Si MOSFETs - Identification of Interface Defects and Detection of Donor Electrons - (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, Y. Ono
  • 学会等名: 2021 International Workshop on DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE ELECTRON DEVICES: SCIENCE AND TECHNOLOGY （IWDTF 2021）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 4端子シリコン・エサキダイオードの作製と低温特性評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金原涼伽, 加藤拓也, 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] シリコントランジスタのゲート制御による電子正孔系の形成手法の確立 (2021)
  • 著者名/発表者名: 久米仁也, 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] チャージポンピングEDMRを用いたシリコントランジスタ中のヒ素ドナー電子の検出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Electron aspirator using electron-electron scattering in nanoscale silicon (2021)
  • 著者名/発表者名: Yukinori Ono
  • 学会等名: 東北大学電気通信研究所 令和2年度共同プロジェクト研究発表会
• [学会発表] Electron-electron scattering in silicon and its impact on future emerging devices (2021)
  • 著者名/発表者名: Yukinori Ono
  • 学会等名: 6th International Conference on Nanoscience and Nanotechnology(ICONN2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ナノスケール・シリコンにおける電子・電子散乱を利用したエレクトロン・アスピレーター (2020)
  • 著者名/発表者名: 小野行徳,フィルダウス ヒンマ, 渡邉時暢, 堀匡寛, モラル ダニエル, 高橋庸夫, 藤原聡
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] シリコンMOSトランジスタにおける電子スピン共鳴下のチャージポンピング (2020)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Performance and limitations of Si electron nano-aspirator (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Razanoelina, H. Firdaus, Y. Ono
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] シリコンMOSトランジスタにおける電子スピン共鳴下のチャージポンピング (2020)
  • 著者名/発表者名: 堀 匡寛, 小野 行徳
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] ナノスケール・シリコンにおける電子・電子散乱を利用したエレクトロン・アスピレーター (2020)
  • 著者名/発表者名: 小野 行徳, ヒンマ フィルダス, 渡邉 時暢, 堀 匡寛, ダニエル モラル, 高橋 庸夫, 藤原 聡
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] チャージポンピング法による単一Pb1センターの検出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 土屋 敏章, 堀 匡寛, 小野 行徳
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Charge pumping in silicon MOSFETs-towards ultimate control of charges and spins - (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, T. Tsuchiya, Y. Ono
  • 学会等名: 8th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-VIII)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electron aspirator using electron-electron scattering in nanoscale silicon (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Firdaus, T. Watanabe, M. Hori, D. Moraru, Y. Takahashi, A. Fujiwara, Y. Ono
  • 学会等名: The 21st Takayanagi Kenjiro Memorial Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Si electron nano-aspirator en-route for energy-efficient hydro-electronic devices (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Razanoelina, H. Firdaus, T. Watanabe, M. Hori, D. Moraru, Y. Takahashi, A. Fujiwara, Y. Ono
  • 学会等名: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] シリコンMOS界面のチャージポンピングEDMRにおける信号強度の温度依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 堀 匡寛, 土屋 敏章, 小野 行徳
  • 学会等名: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 単一 MOS 界面トラップの2電子準位の相関 I -準位密度分布- (2019)
  • 著者名/発表者名: 土屋 敏章, 堀 匡寛, 小野 行徳
  • 学会等名: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 単一 MOS 界面トラップの2電子準位の相関 II -電子捕獲過程- (2019)
  • 著者名/発表者名: 土屋 敏章, 堀 匡寛, 小野 行徳
  • 学会等名: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Low-Temperature Transport Properties of SOI MOS Transistors (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Zelenska, T. Watanabe, Y. Ono
  • 学会等名: Inter Academia2019
  • 国際学会
• [学会発表] Performance Limitations of Nanoscale Si Electron-Aspirator (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Firdaus, M. Razanoelina,Y. Ono
  • 学会等名: Inter-Academia2019
  • 国際学会
• [学会発表] Si Electron Nano-Aspirator towards Emerging Hydro-Electronics (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Razanoelina, H. Firdaus, Y. Takahashi, A. Fujiwara, Y. Ono
  • 学会等名: 2019 Silicon Nanoelectronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] シリコンにおける電子-電子散乱を用いたエレクトロン・ナノ・アスピレーター (2019)
  • 著者名/発表者名: 小野 行徳
  • 学会等名: 電子情報通信学会 ED・CPM・SDM 共催 平成３１年度５月研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Effect of dimensionality on the formation of dopant-induced quantum-dots in heavily doped Si Esaki diodes (2019)
  • 著者名/発表者名: G.Prabhudesai, M.Manoharan, M.Hori, Y.Ono, H.Mizuta, M.Tabe, D.Moraru
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 2トラップ間のチャージポンピング相互作用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] シリコンMOS界面におけるチャージポンピングEDMR (2019)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛, 土屋敏章, 小野行徳
  • 学会等名: 2019年 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Electron-electron scattering in nano-scaled sillicon (2019)
  • 著者名/発表者名: Yukinori Ono
  • 学会等名: 5th International Conference on Nanoscience and Nanotechnology(ICONN2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Charge pumping EDMR on silicon MOSFETs (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hori, Y. Ono
  • 学会等名: 5th International Conference on Nanoscience and Nanotechnology (ICONN2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] チャージポンピングEDMR法を用いたSiO2/Si界面の欠陥検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛,小野行徳
  • 学会等名: 2018年日本表面真空学会中部支部研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Remote Detection of Holes Generated by Impact Ionization (2018)
  • 著者名/発表者名: H.Firdaus,M.Hori,Y.Ono
  • 学会等名: 17th International Conference on Global Research and Education Inter-Academia 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Detection and Characterization of Single Near-Interface Oxide Traps with the Charge Pumping Method (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, M. Hori, Y. Ono
  • 学会等名: International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA)
  • 国際学会
• [学会発表] ＰｔＨｆＳｉ/ｐ－Ｓｉ（100）ショットキー接合の低温特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 渡邉時暢、多胡友、杉浦史悦、堀匡寛、小野行徳、塚本裕也、大見俊一郎
  • 学会等名: 平成29年度生体医歯工学共同研究拠点成果報告会
• [学会発表] 身近な糖を燃料とするバイオ発電デバイスの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三宅丈雄、堀匡寛、小野行徳
  • 学会等名: 平成29年度生体医歯工学共同研究拠点成果報告会
• [学会発表] チャージポンピングＥＤＭＲ法を用いたシリコン酸化膜界面欠陥の検出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛、土屋敏章、小野行徳
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] チャージポンピング法によるSi/SiO2界面近傍酸化膜トラップの評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 土屋敏章、堀匡寛、小野行徳
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] チャージポンピングEDMR法における信号強度の温度異存性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 安藤克哉、堀匡寛、土屋敏章、小野行徳
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Observation of Impact Ionization in Silicon at Low Temperature (2017)
  • 著者名/発表者名: Y.Ono, H.Firdaus and M.Hori
  • 学会等名: IV Bilateral Italy-Japan Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Charge pumping EDMR towards ultimate charge/spin control at room temperature in silicon (2017)
  • 著者名/発表者名: M.Hori and Y.Ono
  • 学会等名: IV Bilateral Italy-Japan Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sensitive Detection of Holes Generated by Impact Lonization in Silicon (2017)
  • 著者名/発表者名: H.Firdaus,M.Hori, Y.Takahashi, A.Fujiwara and Y.Ono
  • 学会等名: 2017 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Real-time Monitoring of Charge-pumping Process for SiO2/Si Interface Analysis (2017)
  • 著者名/発表者名: M.Hori,T.Watanabe and Y.Ono
  • 学会等名: The 15th International Conference on QiR
  • 国際学会
• [学会発表] Charge pump in silicon-Physics and application of charge transfer- (2017)
  • 著者名/発表者名: Y.Ono
  • 学会等名: 16th International Conference on Global Research and Education
  • 国際学会
• [学会発表] チャージポンピングＥＤＭＲ法を用いたシリコン酸化膜界面欠陥の検出 (2017)
  • 著者名/発表者名: 堀匡寛、土屋敏章、小野行徳
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Silicon-on-insulatorデバイスにおける低温チャージポンピング (2017)
  • 著者名/発表者名: 渡邉時暢、堀匡寛、小野行徳
  • 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
• [備考] 静岡大学 小野・堀研究室ホームページ
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/nano/
• [備考] 小野・堀研究室ホームページ
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/nano/
• [備考] 静岡大学電子工学研究所 小野・堀研究室ホームページ
  • URL: https://wwp.shizuoka.ac.jp/nano/