[ナノデバイス] 超高速・超省電力高性能ナノデバイス・システムの創製

戦略目標

「情報処理・通信における集積・機能限界の克服実現のためのナノデバイス・材料・システムの創製」(PDF:27KB)

研究総括

榊　裕之（豊田工業大学副学長）

概要

　この研究領域は、従来のデバイス・システムに対して、ナノスケールの超微細構造形成技術や革新的ナノプロセス、および超集積化技術を活用することにより、これまでの情報処理や通信システムの性能を飛躍的に高めるデバイス・システムの創製に係わる研究を対象とするものです。
　具体的には、情報伝達の超高速化や広帯域化と超省電力化に向けた新規デバイスの構造・材料に係わる研究、極微デバイスが直面する限界に挑戦する革新的なナノ素材やナノプロセスの研究、極微デバイスにおける物理機構の解明と制御に係わる研究、超微細構造の活用により従来の光デバイスの性能を凌駕する新しいナノ構造フォトニクスデバイスの創製に係わる研究、および、これらの関連研究等が含まれます。

平成14年度採択分

量子細線レーザーの作製とデバイス特性の解明

研究代表者(所属)

秋山　英文　(東京大学物性研究所　准教授)

概要

構造均一性の極めて高い半導体量子細線を用いて、量子細線レーザーを作製し、低発振閾値電流や高微分利得などの超高速・超省電力に直接結びつく高性能化の実証を行います。また、量子細線の擬1次元系に特徴的な物性・デバイス特性を解明するための物理計測を詳細に行い、量子細線レーザー発振の起源・特性および擬1次元系高密度電子・正孔状態での多体電子相関とそれが引き起こす光学過程の新効果・新現象を、実験と理論の両面から明らかにします。

有機半導体レーザーの構築とデバイス物理の解明

研究代表者(所属)

安達　千波矢　(九州大学未来化学創造センター　教授)

概要

次世代有機発光デバイスの新展開として“有機半導体レーザー”の実現を目指します。現在、ビススチリルベンゼン系蛍光材料の開発によりPL発光量子収率100%の材料開発に成功し、光励起下において低閾値(Eth～0.3mJ/cm²)でのレーザー発振に成功しています。また、有機薄膜に世界最高の1万A/cm²を超える高電流密度の実現に成功しています。さらに、現在、高電流密度下での電荷・励起子ダイナミクスの解明及び電荷注入・輸送・再結合メカニズム解析を固め、低閾値での電流励起レーザー発振を目指します。

低次元量子構造を用いる機能光デバイスの創製

研究代表者(所属)

荒井　滋久　(東京工業大学量子ナノエレクトロニクス研究センター　教授)

概要

半導体レーザは、光を増幅する機能を担う活性層を極微化して量子効果を顕著にすることにより、従来にない低消費電力動作をする可能性があります。本研究では、リソグラフィーと低損傷エッチングおよび埋め込み再成長プロセスを用いて、高品質の低次元量子構造およびこれを用いる高性能レーザの実現を目指します。さらに、人工異方性形状の低次元量子構造の実現と、これを用いる新しい機能光デバイス開発の可能性をさぐります。

多価イオンプロセスによるナノデバイス創製

研究代表者(所属)

大谷　俊介　(電気通信大学レーザー新世代研究センター　教授)

概要

低エネルギー多価イオン1個を半導体表面などに照射すると、入射点にナノメーターサイズの明瞭なドット構造が生成されます。そのサイズはイオン種により制御可能で、各イオン照射ごとに均一なサイズと量子構造を持つことが観察されました。本研究では、この多価イオンのもつ革新的なプロセス能力を活用し、単一イオン入射を制御しながら量子ドットを周期的に配列させる技術を開発し、新しい(光)機能性素子の創製を目指します。

シフトレジスタ機能付超高速光メモリの創製

研究代表者(所属)

河口　仁司　(奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科　教授 )

概要

本研究では、二次元アレイ偏光双安定面発光半導体レーザの各々のレーザに光信号を1ビットずつ記録し、必要なタイミングで読み出すことにより、これまで実現が困難とされていた全光型超高速光パケットメモリの実現を目指します。特に、二次元アレイ内で信号を転送・記録できるシフトレジスタ機能に重点をおいて研究します。これにより全光型でのパケット単位のルーティングが実現でき、光通信システムの超高速化が期待できます。

共鳴磁気トンネル・ナノドット不揮発性メモリの創製

研究代表者(所属)

小柳　光正　(東北大学大学院工学研究科　教授)

概要

エネルギーバンドの状態、トンネル電子のスピン状態、電荷状態を考慮した非対称トンネル効果に基づく新しい「共鳴磁気トンネル・ナノドット不揮発性メモリ」を提案します。また、実際に素子を試作して基本動作の確認を行うとともに、これらのメモリを用いたメモリベースの超高速・超省電力回路とアーキテクチャの検討も行います。試作素子の動作確認に成功すれば、実現が難しいとされていた高速・低電力のテラビット・ランダムアクセスメモリ(RAM)の可能性が初めて示されることになります。

半導体スピンエンジニアリング

研究代表者(所属)

新田　淳作　(東北大学大学院工学研究科　教授)

概要

本研究では、半導体量子ドット超格子構造や、ナノスケールでの半導体ヘテロ構造設計により、第三電極を用いた電子スピンの量子力学状態の自在な電気的制御方法を開発し、非磁性半導体中に高機能スピンデバイスの実現を目指します。電子スピンのゲートによる制御方法や機能化が確立した場合、超高速・超省電力高性能を有する量子コンピュータの基本デバイスへと発展させることができます。

単一磁束量子テラヘルツエレクトロニクスの創製

研究代表者(所属)

藤巻　朗　(名古屋大学大学院工学研究科　教授)

概要

将来のネットワーク基幹デバイスには、現在より2桁大きい処理能力とともに、システムとしての省電力化が要求されます。本研究ではこの目的を達成するため、本質的に高速低消費電力である高温超伝導単一磁束量子回路をベースに光インターフェイス技術等を取り入れ、未踏領域であるテラヘルツエレクトロニクスの確立を多方面から目指します。これらにより、イメージングシステムやAD変換器のほか、高度信号処理回路への応用が期待できます。

超ヘテロナノ構造によるバリスティック電子デバイスの創製

研究代表者(所属)

古屋　一仁　(東京工業大学大学院理工学研究科　教授)

概要

半導体、金属そして絶縁体と大きく異なる物質を、立体的かつナノメートルサイズで組み合わせた“3次元超ヘテロナノ構造”を創製し、ヘテロナノ構造で顕著になるバリスティック走行による超高速性と、超ヘテロナノ構造の特質である極小化による低消費電力性を併せ持つ、新しいデバイスを実現します。さらには、超ヘテロナノ構造において発現される電子波面による情報処理機能およびテラヘルツ帯での増幅機能をデバイスに応用することを探求します。

InN系窒化物ナノデバイス/ナノプロセスの分子線エピタキシ法による新展開

研究代表者(所属)

吉川　明彦　(千葉大学工学部　教授)

概要

最近、InNのバンドキャップが約0.63eVであり、窒化物系半導体は光通信波長領域までもカバーしうることが明らかにされました。本研究では、InNをベースとした窒化物系材料の「超薄膜・超急峻界面制御」分子線エピタキシ法ナノプロセス技術を開発します。これにより、InN系ナノ構造本来の物性を発現させ、近未来の大容量・超高速画像環境情報を支える、光通信波長域レーザ、超高速光制御素子、そして超高速・超省電力電子素子開発の可能性を検討します。