マルチゲート単電子トランジスタ（排他的論理和ゲートへの応用）

高橋 庸夫、藤原 聡、山崎 謙治、村瀬 克実
先端デバイス研究部

　単電子トランジスタ（SET）は電子を１個の単位で操る事が可能なデバイスで、そのサイズが小さいことと、省電力な特性から将来の超大規模集積回路構築に適したデバイスと考えられている。その回路応用としては、SETをスイッチとして用いる手法が提案されているが、SETを従来のMOSトランジスタと同様に用いているので、従来と同数のデバイスが必要となり、SETの省電力な特徴が活かせるのみで、SETの独特の特徴が十分には活用されていない。そこで我々は、入力ゲートを多数付加することができ、且つソース、ドレイン間を流れる電流がゲート電圧の増加に伴って周期的に振動するというSETの特徴を利用し、１個のデバイスで排他的論理和ゲートの機能を実現した。
　試作したデバイスの電子顕微鏡写真を図１に示す。SOI基板上に形成したSi細線部に、パターン依存酸化（PADOX）法[1]を適用し、小さなSi島を有するSETを作製した。さらにSETのSi島上に、微細なゲート電極を２本形成した（図１）。ここで作製されたSETの等価回路を図２に示す。２本のゲート電極をSET島との間の容量Cg１とCg２が等しくなるように島に対して対称な構造に設計した。ゲート電圧として0Vから0.4Vの方形波入力に対して、ソース、ドレイン間に流れる電流を40Kの温度で測定した結果を図３に示す。２つの入力電圧が異なる場合のみ大きな電流が流れ、等しい場合は小さくなる結果が得られ、排他的論理和ゲートとして動作していることがわかる[2]。排他的論理和ゲートを実現するためには、従来の論理回路構成では、16個のトランジスタが必要になる。マルチゲートSETを用いることによって、図１に示すように極めて小さなデバイス１個でこの機能が実現できることを示した。

[1] Y. Takahashi et al., IEEE Trans. Electron Devices, 31(1996) 1213.
[2] Y. Takahashi et al., IEDM Technical Digest (1998) 127.

図１：マルチゲートSETの電子顕微鏡写真

図２：マルチゲートSETの等価回路

図３：排他論理和ゲート動作

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