小田・河野研究室 ―研究室紹介 #18―

デバイスグループ
電気電子コース
研究室：大岡山キャンパス・南9-805 / 南9-804
教授 小田俊理
准教授 河野行雄 助教 川那子高暢

室温で量子効果を顕在化するためには10nm以下の加工寸法が要求されます。本研究では、パルスプラズマ法による直径8±1nmの均一粒径ナノ結晶シリコン形成技術と、電子線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。

ネオシリコン作製技術と電子線描画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。例えば、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、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。

テラヘルツ波の計測技術は産業から医療に至る広範囲な分野での活用が期待されています。ところがテラヘルツ帯は電波領域と光領域の間に位置することから、新しい材料やデバイス構造を考案・開発することが求められる、挑戦的な研究分野です。本研究では、半導体量子構造やグラフェンを微細加工することにより、ワンチップ構造でテラヘルツ波を分光したり撮像したりするデバイスの開発を目指しています。これまで半導体デバイスの微細化・高性能化がトランジスタやレーザーを生み出し、私たちの生活を劇的に変えたのと同様に、ナノ構造による新しいテラヘルツ技術の創出が産業や生活の質の向上に大きく貢献すると期待できます。

量子情報処理は量子力学的物性を論理演算に利用しており、現存する情報処理の速度をはるかに上回る性能を持つことが期待されています。本研究では、シリコン量子ドット中の電子スピン状態を情報の1単位（量子ビット）として用いることを試みています。このシリコン量子ビットは、量子状態のコヒーレンス時間が長いこと、また多重量子ビットの集積化が可能という利点があります。最近、2つの量子ドットが結合したデバイスを用いて、電子スピン状態の観測に成功しました（米国ハーバード大学との共同研究）。また集積化を目指し多重量子ドット構造の作製も行い、電気伝導特性を詳しく調べました。これらの結果は世界的にも注目を集めています。この技術をさらに発展させ、高周波操作や時間分解測定を行うことで、電子スピンの回転操作や高速読み出しを目指し、量子情報エレクトロニクスの開拓を行います。

グラフェンに代表される2次元層状材料は、非常に興味深い性質を持つため、基礎および応用面から大変注目されています。本研究では、遷移金属ダイカルコゲナイドと呼ばれる化合物層状半導体を用いた電界効果トランジスタの作製プロセス、デバイス構造および材料技術に関する実験を行っています。特に、素子の性能や機能は単体の材料ではなく、異種材料で構成される界面の現象によって決定されるため、界面構造と電気特性の関係を明らかにすることを目的としています。

小田先生、河野先生より

小田・河野研究室は海外にも広く研究ネットワークを広げ国際共同研究を進めています。毎年、大学院生がケンブリッジ大学やハーバード大学、デルフト工科大学、サザンプトン大学などに短期留学をしています。現在、小田・河野研究室では、欧米アジア諸国から10名の留学生が滞在しており（2016年1月現在）、自然に国際感覚が身に付く環境です。もっと、詳しいことを知りたい人は、いつでも気軽に研究室を訪ねてください。