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NTT、電子1個の操作/検出が可能な単電子CCDを開発

2001年03月30日 18時39分更新

文● 編集部 今井睦俊

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日本電信電話(株)(以下NTT)は30日、都内で記者発表会を開催し、シリコン製の単電子CCDを用いて電子1個の操作/検出に成功したと発表した。これは、英国の科学論文誌『nature』に29日付けで掲載された研究成果。記者発表会では、NTT物性科学基礎研究所の先端デバイス研究部Siナノデバイス研究グループの高橋庸夫グループリーダーが研究成果について説明を行なった。

高橋庸夫グループリーダー
研究成果を発表するNTT物性科学基礎研究所の先端デバイス研究部Siナノデバイス研究グループの高橋庸夫グループリーダー

同研究は、電子を1個単位で転送操作/状態検出できる単電子CCD(電荷結合素子:Charge Couple Device)のシリコン素子構造を開発したというもの。従来のトランジスターでは10万個の電子で1ビットを表現していたのが、単電子CCDなどの単電子素子では、1個の電子で1ビットを表現できる。また、従来のトランジスターでは、素子構造を微細化するほど、動作が不安定になったのが、単電子素子では、逆に動作が安定するという。これらのことから、半導体技術に単電子素子構造を用いると、従来方式に比べ、最大10万分の1の省電力化と、最大1万分の1の高集積化を図ることができるとしている。

単電子CCDの構造を説明したスライド
単電子CCDは、T字型のシリコン細線(左写真部分)に、2本の電荷保持ゲートで覆う構造(右写真部分)。1個の正孔を移動させることでスイッチングを行なう

試作された単電子素子は、T字型のシリコン細線を、2本の電荷保持ゲートで覆う構造。2本の電荷保持ゲートのどちらかで、1個の正孔(正の素電荷)を保持でき、シリコン細線を流れる電流信号により正孔の位置を検出可能。また、シリコン細線の微細構造に電圧勾配を導入することで、正孔を保持する領域と、正孔を検出する電子電流の領域を分離し、正孔と電子の再結合を防ぐという。なお、実験を行なった単電子素子は、1個の正孔(単正孔)を用いたスイッチング方式であったが、単正孔の代わりに単電子を用いたスイッチング方式も実証可能としている。

単電子CCDのと単電子トランジスターの構造の違いのスライド
単電子CCDは、単電子トランジスターで必要なトンネル性絶縁膜の作り込みが不要

同社は、電子1個の転送/検出が可能な単電子素子として、今回発表した単電子CCDのほかに、シリコン製の単電子トランジスターの研究成果を発表している。単電子CCDは、単電子トランジスターで必要なトンネル性絶縁膜の作り込みが不要であるため、単電子トランジスターに比べて素子構造の作製が容易だという。ただし、今回の単電子CCDの研究成果は、基礎的な素子動作を確認した段階で、素子動作の温度は絶対温度25K。同社では、室温で動作可能な単電子素子構造を研究開発し、豊富で安全なシリコンを用いた省エネ動作の単電子素子半導体を実用化するとしている。

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