トップ QNERCとは 運営委員会 研究グループ 研究施設 研究室 出版物 討論会 講演 ニュースレター 旧職員 関連リンク 連絡先	トップ > 研究室 > 小田研究室 Investigation of nanostructure quantum effect devices for future ultra-high speed and low-power integrated systems 小田　研究室 http://odalab.pe.titech.ac.jp/index.html 研究目的 小田研究室では、シリコン量子ドットの粒径、 表面状態、位置を精密制御して作製し、量子ドット相互間の電子トンネル過程、発光、電子放出などの新しい機能デバ イスに基づいた、革新的な情報処理技術を展開しています。また、シリコンナノドットやナノワイヤの集積構造を用い て、エレクトロ＆メカニカル量子特性の精密エンジニアリングを行い、新しいキャリア輸送＆スイッチング原理を開拓 しています。更に、このボトムアップ型アプローチと微細加工によるトップダウン型アプローチの融合を図ることで、 任意の基板上に新原理素子・回路を構築する「ナノメカ・情報エレクトロニクス」の実現を目指しています。 研究分野 シリコンナノデバイス、量子ドット、単電子デバイス、超薄膜結晶成長 研究テーマ 1) ネオシリコン創製に向けた構造制御 室温で量子効果を顕在化するためには10 nm以下の加工寸法が要求されます。 本研究では、パルスプラズマプロセスによる直径８ ± nmの均一粒径ナノ結晶シリコン形成技術と、 電子ビーム直接描画による極微細電極形成技術を組み合わせて、超微細シリコンデバイスを作製し、 単電子トンネルや無衝突伝導などの量子効果を観測しています。 この技術を基に、ナノ粒子間の相関制御に着目した新材料「ネオシリコン」のコンセプトを提案し、 研究を推進しています。 ナノ結晶シリコンドットの集積化技術として、溶液を用いる方法や、ナノサ イズのテンプレートの使用などを検討しており、ネオシリコンの構造制御技術の確立を目指しています。 図1 : ナノ結晶シリコン形成装置（左）量子ドットの電子顕微鏡写真（中央）および構造制御（右） 2) ネオシリコンを利用した機能デバイス ネオシリコン作製技術と電子ビームリソグラフィによるナノ構造作製技術を駆使し、 新しい機能デバイスの開発を推進しています。たとえば、ナノ結晶シリコンを伝導層として 用いる低電圧低真空で動作可能な平面型バリスティック電子放出素子や、ナノ結晶シリコン をメモリのノードとして用いるナノドットフラッシュメモリの研究を行っています。また、最近では、 電荷を保持したナノ結晶シリコンを含むフローティングゲートの機械的動作を利用した、全く新しい 原理のNEMSメモリ素子の研究を推進しています。 図2 :ナノシリコン単電子トンネル特性とナノドットフラッシュメモリ 3) 次世代ULSI応用高誘電体薄膜 次世代ULSI素子の鍵技術である新しい高誘電率ゲート絶縁膜材料の研究を推進しています。 候補物質であるHf酸化物や希土類酸化物を実際に堆積・評価し、特性の向上を目指すとともに、 精密な成膜モニター技術として、in-situ 分光エリプソメータによる極薄膜堆積中の原子スケールの変化を直接観察と、 堆積メカニズムの解明を進めています。 図3 :分光ｴﾘﾌﾟｿﾒｰﾀによるHfO2薄膜の観察 4) シリコンナノエレクトロニクスの研究 本研究では、寸法１０ｎｍ以下のシリコンナノドットやナノワイヤを利用したボトムアップ型アプローチと、 微細加工技術によるトップダウン型アプローチを融合させることで、新しい原理・機能を持つシリコンナノデバイス・システム のコンセプト創出を進めています。０次元・１次元量子閉じ込め効果や、少数電子輸送とナノメカニカル振動の結合など、 新たな素子物理の探索により、従来技術では不可能だったユニークな機能・特性を、非シリコン基板上で実現することを目指します。 図4 :トップダウン＆ボトムアップ アプローチの融合によるシリコンナノエレクトロニクス 5) ナノ量子情報デバイスの研究 ナノシリコン構造中の電子１個１個の状態と相互作用を制御することで、従来の電子デバイスとは全く異なる動作原理に基づく ｢量子情報デバイス」の開拓を進めています。一例としては、２つのナノ結晶シリコン構造中の２個の電子の間の量子力学的相互作用を直接観測することに成功しました （英国ケンブリッジ大学との共同研究） 。この結果は、将来の量子コンピュータの基本デバイスとなる量子ビット素子をシリコンで 実現する上での重要な一歩と考えられます。 図5 :ナノシリコンドット間の量子力学的結合状態の観測 6) マルチスケールシミュレーションの研究 ナノシリコン材料・デバイスを原子スケールからマクロスケールに渡って設計・解析するマルチスケールシミュレーション技術の研究も進めています。 我々が追求しているナノシリコン構造では、その中に含まれるシリコン原子の数が数百個〜数千個レベルにまで減少します。ナノシリコン構造を用いたデバイスの 特性を探索していくためには、第一原理計算によるナノスケール電子状態・輸送解析と、メソ・マクロスケールの構造・電気特性解析を統合的に取り扱うことが必要です。 図6 :マルチスケールシミュレーションの研究