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2019 年度 実績報告書

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

研究課題/領域番号 17H06211
配分区分補助金
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
キーワードフォノン / エネルギー散逸 / シリコン
研究実績の概要

本研究の主題は、「ホットキャリアから放出された高エネルギーフォノンが低エネルギー熱フォノンに分解し、エネルギーが拡散(散逸)するより速く、そのエネルギーを電子エネルギーに再変換する」というものである。その時間スケールは1 ー 100 psであり、MOSトランジスタのスイッチング時間と同程度である。したがって本研究では、このような高速な電子系―格子系エネルギー変換のための二つの基幹技術を構築することが大きな目標の一つとなる。
前年度、電子流体効果をシリコンにおいてはじめて観測し、フォノンによるエネルギー散逸を避けて電流増幅が可能であることを示した(Nature Communications. 2018)、当該年度においては、その性能の律速要因を明らかにした(Silicon Nanoelectronics Workshop .2019)。具体的には、電子流体効果が、電流経路における摩擦(抵抗)により律速されていることを明らかにした。これらの結果は、電子―格子系エネルギー変換において、電子―電子散乱が本質的に重要な役割を担っていることを示す結果である。
また、あらたにシリコンのナノデバイスにおいて、弾道電子の直接観測に成功した(未発表)。また、弾道電子の運動量散逸機構は、ラインエッジラフネスによるものであることを示唆する結果が得られた。これはシリコン・ナノデバイスにおけるフォノンによるエネルギー散逸機構を調べるためのデバイス構造を改良するための重要な手掛かりを与えるものである。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当該年度の検討により、フォノンの精密制御のためのデバイス構造設計の明確な指針が得られた。また、トランジスタ中のエネルギー散逸機構において重要な電子・電子散乱効果の律速要因を明らかにしたことで、新原理デバイス構築への新たな展望が開けた。

今後の研究の推進方策

電子流体効果をシリコンにおいてはじめて観測し、フォノンによるエネルギー散逸を避けて電流増幅が可能であること、および、電子流体効果が、電流経路における摩擦(抵抗)により律速されていることを明らかにしたことを受け、次年度は、エネルギー効率の理論的限界値の見積もり、および高エネルギー効率を実現するためのデバイス構造を検討し、実際にデバイス作製に取り掛かる。また、あらたにシリコンのナノデバイスにおいて、弾道電子の直接観測に成功し、弾道電子の運動量散逸機構がラインエッジラフネスによるものであることを示唆する結果が得られたことを受け、これを回避するためのデバイス構造を検討し、デバイス作製時に取り入れる。
並行して、高速制御技術確立に向けた、MOS電子系の短時間パルス電流発生技術の確立に取り組む。
本計画において、代表者小野は、測定系構築と測定を担務する。一方、分担者モラルはデバイス試作を担務する。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 5件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Coulomb-blockade transport in selectively-doped Si nano-transistors2019

    • 著者名/発表者名
      Adnan Afiff, Arup Samanta, Arief Udhiarto, Harry Sudibyo, Masahiro Hori, Yukinori Ono, Michiharu Tabe, Daniel Moraru
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 12 ページ: 085004_1-5

    • DOI

      10.7567/1882-0786/ab2cd7

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Charge pumping under spin resonance in Si(100) metal-oxide-semiconductor transistors2019

    • 著者名/発表者名
      M. Hori, Y. Ono
    • 雑誌名

      Physical Review Applied

      巻: 11 ページ: 064064_1-12

    • 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 diodes2019

    • 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

      Applied Physics Letters

      巻: 114 ページ: 243502_1-5

    • DOI

      10.1063/1.5100342

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Performance and limitations of Si electron nano-aspirator2020

    • 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 silicon2019

    • 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 devices2019

    • 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 Transistors2019

    • 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-Aspirator2019

    • 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-Electronics2019

    • 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
  • [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: 2021-01-27  

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