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

2006 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17686028
• 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, 助教授 (30312383)
• 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

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している。本年度は、(1)ナノプロセッサに必要な能動・順序回路を実現するために、ナノショットキーゲート制御GaAsヘキサゴナルナノワイヤネットワークを用いて実装する研究に着手した。まず、インバータ回路において室温にて伝達利得10以上が得られることを確認した。次に、SR型フリップフロップ(FF)、D型FFの設計・試作を行った。SR型FFは室温下2kHzクロックにて正しく動作し、プロセス精度向上により出力振幅100mV以上を達成した。また、D型FFの動作確認にも成功した。さらに、クロック発生器としてリング発振器の設計・試作を行い、インバータ7段の回路にて100kHzの発振に成功した。(2)演算コアを担うBDD回路の低消費電力化追求のため、GaAsナノワイヤ制御量子細線デバイスのスイッチング電圧、動作温度と素子サイズとの相関について詳細に調査した。ナノワイヤ幅を300nm以下に微細化することで25K以上でも安定して量子化コンダクタンスを観測できること、および、スイッチング電圧を低減可能であることを実験的に見出した。(3)BDDの高機能版として多値型決定グラフ(MDD)を検討した。その要素デバイスを、ナノワイヤ接合構造を利用し実装する方法を発明提案し理論的に動作実証した。(4)順序回路の高速化やナノワイヤネットワーク構造の高機能化のために、上記ナノ細線を組み合わせたゲート制御型3分岐接合デバイスを検討した。室温にて古典的には得られない非線形入出力特性を観測すると共に、伝達特性のゲート制御を実験的に確認した。

研究成果

• [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
• [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
• [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)
• [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
• [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: 特願2007-41018
  • 出願年月日: 2007-02-21