電子流体効果を用いた新原理シリコンデバイスの研究

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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。