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2022 年度 実績報告書

電子流体効果を用いた新原理シリコンデバイスの研究

研究課題

研究課題/領域番号 20H00241
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 池田 浩也  静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (00262882)
藤原 聡  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 上席特別研究員 (70393759)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2024-03-31
キーワード電子流体 / シリコン / MOSトランジスタ
研究実績の概要

固体材料において、外的散乱の影響が小さい特別な場合には、電子・電子散乱が優勢となり、電子の伝導はその集団運動が支配する特異なものとなる。このような電子の状態は「電子流体」(Electron fluid)と呼ばれる。研究代表者らは、初めてシリコンMOS(SiO2/Si界面)2次元電子系において、また、これまでは欠点であった重い有効質量というシリコンの特性を生かして初めてナノスケール(~100nm)で電子流体効果(ベルヌーイの原理に基づくポンプ効果)を観測した。本課題は上記コンセプトのもと集積回路技術の革新を目指し、「電子流体の情報処理応用」という新たな学術分野を、シリコンMOSテクノロジーを基盤として開拓するものである。
一昨年度の完成を計画したがコロナの影響等で完成が遅れたが、今年度中盤にデバイス試作を完了することができた。MOSトランジスタ等の基本特性を取得し、試作プロセスに大きな問題がないことを確認した。
Silicon-on-insulator基板上のシリコン層に2次元周期に穴の開いた構造を有するMOSトランジスタの特性の温度特性を取得し、低温下にて移動度が著しく低下する現象を見出した。また、界面に2次元周期的な凹凸構造を有するMOSトランジスタに関しては、凹凸の大きさに応じて、移動度が変化することを見出した。さらに、ホットエレクトロントランジスタ構造のゲート制御により、弾道的に走行する電子の直接観測を示唆する結果が得られた。昨年度、SOI-MOS構造において形成される電子・正孔共存系におけるクーロンドラック効果において、その非線形性等を詳細に検討した結果を受け、そのメカニズム解明のため、SOI層の膜厚依存性を調べ、フェルミ気体を基礎とした理論に比べその依存性が弱いことを見出した。現在、界面散乱過程との関連を調べている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

コロナの影響でデバイス試作の完了が遅れたが、今年度中盤に完了することができた。その後は、MOSトランジスタ等の基本特性を取得し、試作プロセスに大きな問題がないことを確認し、幾つかのデバイスパターンについて基礎的な計測を行っているがいずれも大きな問題なく測定が進行している。
Silicon-on-insulator基板上のシリコン層に2次元周期に穴の開いた構造を有するMOSトランジスタや、界面に2次元周期的な凹凸構造を有するMOSトランジスタに関しては、移動度の顕著な変化がみられるなど、今後の粘性計測に向けた基本的実験結果が築盛されつつある。また、ホットエレクトロントランジスタ構造のゲート制御により、弾道的に走行する電子の直接観測を示唆する結果が得られたが、これにより電子・電子散乱とその他の外的散乱との比率計測が可能となった。クーロンドラック効果においても、そのメカニズム解明のための計測結果が蓄積されつつある。

今後の研究の推進方策

Silicon-on-insulator基板上のシリコン層に2次元周期に穴の開いた構造を有するMOSトランジスタにおいて、低温下にて移動度が著しく低下する現象を見出したことを受け、同構造より弾性散乱長を計測し、粘性を算出する。また、同様の計測を界面に2次元周期的な凹凸構造を有するMOSトランジスタに関しても行う。
ホットエレクトロントランジスタ構造のゲート制御により、弾道的に走行する電子の直接観測を示唆する結果が得られたことを受け、電子・電子散乱と外的散乱が流体効果に及ぼす影響を定量評価する。また、クーロン・ドラックを通して電子・正孔系の粘性を抽出するための計測手法を検討し、実際に検証する。
これらの計画において、分担者・藤原は、完了した試作のプロセスの検証のための電子顕微鏡観察を行うととともに、MOSトランジスタの特性ばらつきを検討し、プロセスマージンを明らかにする。分担者・池田は、熱電効果から粘性を抽出するための手法を検討する。代表者・小野は、研究を統括するとともに、実際にデバイスの測定を行う。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Magnetometry of neurons using a superconducting qubit2023

    • 著者名/発表者名
      Hiraku Toida, Koji Sakai, Tetsuhiko F. Teshima, Masahiro Hori, Kosuke Kakuyanagi, Imran Mahboob, Yukinori Ono & Shiro Saito
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 6 ページ: 19_1-6

    • DOI

      10.1038/s42005-023-01133-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Room-temperature single-electron tunneling in highly-doped silicon-on-insulator nanoscale field-effect transistors2022

    • 著者名/発表者名
      T. Teja Jupalli, A. Debnath, G. Prabhudesai, K. Yamaguchi, P. Jeevan Kumar, Y. Ono, D. Moraru
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 ページ: 065003_1-4

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac68cf

    • 査読あり
  • [学会発表] 超伝導磁束量子ビットによる神経細胞の磁化測定2023

    • 著者名/発表者名
      樋田啓, 酒井洸児, 手島哲彦, 堀匡寛, 角柳孝輔, Imran Mahboob, 小野行徳, 齊藤志郎
    • 学会等名
      2023年 日本物理学会 春季大会
  • [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 (7) - τDに関する考察 -2023

    • 著者名/発表者名
      土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
    • 学会等名
      2023年 第70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 (6) -欠陥構造緩和(Ⅱ)-2023

    • 著者名/発表者名
      土屋敏章, 堀匡寛, 小野行徳
    • 学会等名
      2023年 第70回 応用物理学会 春季学術講演会
  • [学会発表] シリコンMOS構造における電子流体の観測と低消費電力デバイス応用2023

    • 著者名/発表者名
      小野行徳
    • 学会等名
      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 東北大学-静岡大学合同冬季研究会
  • [学会発表] シリコンMOS構造における電子流体の観測と低消費電力デバイス応用2023

    • 著者名/発表者名
      小野行徳
    • 学会等名
      第1回研究会「エネルギーの高効率利用を考える革新的システムナノ技術」
    • 招待講演
  • [学会発表] Electrical formation of electron-hole coexisting system at Si MOS interfaces2022

    • 著者名/発表者名
      Jinya Kume, Yukinori Ono, and Masahiro Hori
    • 学会等名
      第24回高柳健次郎記念シンポジウム
    • 国際学会
  • [学会発表] Control of Electronic Charges and Currents in Nano-scaled Silicon2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Ono
    • 学会等名
      ICTA 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [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 (5) -タイプ4と5の識別-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83回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • [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 (4) -欠陥構造緩和-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83回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • [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/

URL: 

公開日: 2023-12-25  

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