先端デバイス研究部
単電子デバイスは、クーロン島中の離散的な電子数を多値のレベルに対応できるため、多値論理回路への応用に適していると考えられる。しかし、単電子デバイス単独では電圧ゲインが低い、取り扱える電圧が小さい等の理由から、回路の構築が困難であった。この問題を解決するために単電子トランジスタ(SET)とMOSFETを組み合わせた複合デバイスを提案し、パタン依存酸化(PADOX)法で同一Silicon-On-Insulator(SOI)基板上に作製したデバイスを用いて動作を検証した。
新提案のデバイスはSETとMOSFETが直列につながれたシンプルなものである。MOSFETはSETのドレイン電圧を低い一定の値に保つ働きをする。この結果、デバイスを流れる電流はSETの入力電圧のみで決まり、出力電圧には依存しなくなる。ここで入力と出力をショートすることで、多数のピークを持った負性微分抵抗が二端子特性として得られる（図１）。適当な負荷（図１の例では定電流源）をつなぐと多数の安定点が現れ、それぞれを多値論理のレベルに対応させることができる[1]。
図２は提案のデバイスを、多値論理の基本回路のひとつである量子化器として動作させた際の入出力波形である。入力はサンプリングパルスが加えられた瞬間にトランスファゲートMOSFET（図示せず）を介して出力端子（図１のV）に伝えられ、近傍の安定点に量子化される。三角波の時時変化する電圧レベルが、安定点a〜fに対応する電圧に明瞭に量子化される様子が観測されている。
新提案のデバイスではSETの入出力特性の周期性を利用しているため、回路規模が多値レベルの数に依存せず、極めてコンパクトな多値論理回路を作ることができる。ビット数nに比例した回路規模のフラッシュ型A/Dコンバータや（従来はn2-1に比例）、キャリー伝搬の無い超高速多値加算器など、単電子デバイス応用の新たな展開が期待できる[2]。
[1] H. Inokawa et al., Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 3618.
[2] H. Inokawa et al., International Electron Devices Meeting (IEDM) (2001) 147.
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