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JP6420209B2 - Semiconductor device - Google Patents

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JP6420209B2
JP6420209B2 JP2015115485A JP2015115485A JP6420209B2 JP 6420209 B2 JP6420209 B2 JP 6420209B2 JP 2015115485 A JP2015115485 A JP 2015115485A JP 2015115485 A JP2015115485 A JP 2015115485A JP 6420209 B2 JP6420209 B2 JP 6420209B2
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健作 知田
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克彦 西口
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Description

本発明は、熱エネルギーによって常にランダムに運動している電荷の転送を制御可能とする半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device capable of controlling the transfer of charges that are always moving randomly by thermal energy.

半導体中の電荷は、熱エネルギーによってランダムに運動しているが、これを利用し電流を生成するためには、半導体中に温度差を設ければよい。ゼーベック効果によって温度差は電位差に変換され、これによって電流が生成される。   The electric charge in the semiconductor moves at random by heat energy, but in order to generate current using this, a temperature difference may be provided in the semiconductor. The temperature difference is converted into a potential difference by the Seebeck effect, thereby generating a current.

K. Nishiguchi, C. Koechlin, Y. Ono, A. Fujiwara, H. Inokawa, and H. Yamaguchi, "Single-electron-resolution electrometer based on field-effect transistor", Jpn. J. Appl. Phys., vol.47, pp.8305-8310, 2008.K. Nishiguchi, C. Koechlin, Y. Ono, A. Fujiwara, H. Inokawa, and H. Yamaguchi, "Single-electron-resolution electrometer based on field-effect transistor", Jpn. J. Appl. Phys., Vol .47, pp.8305-8310, 2008. L. Fricke, M. Wulf, B. Kaestner, F. Hohls, P. Mirovsky, B. Mackrodt, and H. W. Schumacher, "Self-referenced single-electron quantized current source", Phys. Rev. Lett., vol.112, 226803, 2014.L. Fricke, M. Wulf, B. Kaestner, F. Hohls, P. Mirovsky, B. Mackrodt, and HW Schumacher, "Self-referenced single-electron quantized current source", Phys. Rev. Lett., Vol.112 , 226803, 2014.

ところで、温度差が無い状態であっても、半導体中の電荷は熱エネルギーによって常にランダムに運動している。このような電荷のランダムな運動は、半導体装置においては雑音と見なされ、電流を生成する資源としては利用されてこなかった。   By the way, even in a state where there is no temperature difference, the electric charge in the semiconductor always moves randomly by the heat energy. Such random movement of electric charge is regarded as noise in the semiconductor device and has not been used as a resource for generating current.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、熱エネルギーによって常にランダムに運動している半導体中の電荷を電流生成の資源として利用できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to use a charge in a semiconductor that is constantly moving randomly by heat energy as a resource for generating current. To do.

本発明に係る半導体装置は、基板の上に形成された半導体からなる細線構造と、細線構造に設けられた電荷蓄積部と、 電荷蓄積部を挾んで細線構造に設けられたソースおよびドレインと、ソースと電荷蓄積部との間および電荷蓄積部とドレインとの間の各々に設けられたゲート電極と、電荷蓄積部に蓄積されている電荷数を検出する電荷検出手段とを備える。   A semiconductor device according to the present invention includes a thin line structure made of a semiconductor formed on a substrate, a charge storage portion provided in the thin line structure, a source and a drain provided in the thin line structure with the charge storage portion interposed therebetween, A gate electrode provided between the source and the charge storage unit and between the charge storage unit and the drain; and charge detection means for detecting the number of charges stored in the charge storage unit.

上記半導体装置において、ソースおよびドレインの間に、直列に配列された複数の電荷蓄積部と、隣り合う電荷蓄積部の間に設けられたゲート電極と、複数の電荷蓄積部に対応して設けられた複数の電荷検出手段とを備えるようにしても良い。   In the semiconductor device, a plurality of charge storage units arranged in series between a source and a drain, a gate electrode provided between adjacent charge storage units, and a plurality of charge storage units are provided. A plurality of charge detection means may be provided.

上記半導体装置において、電荷検出手段は、電荷蓄積部をゲート電極とする電界効果トランジスタから構成すれば良い。   In the semiconductor device, the charge detection means may be composed of a field effect transistor having a charge storage portion as a gate electrode.

上記半導体装置、電荷検出手段による電荷蓄積部の電荷数検出結果により各々のゲート電極に印加される電圧を制御する制御手段を備え、制御手段は、電荷検出手段による電荷蓄積部における基準値より少ない電荷数の検出によりソース側のゲート電極をオン状態としてドレイン側のゲート電極をオフ状態とし、電荷検出手段による電荷蓄積部における基準値よりい電荷数の検出によりソース側のゲート電極に印加される電圧をオフ状態としてドレイン側のゲート電極をオン状態とする。 The semiconductor device includes a control unit that controls a voltage applied to each gate electrode based on a charge number detection result of the charge storage unit by the charge detection unit. the gate electrode on the drain side is turned off is turned on to the gate electrode of the source side by the small not charge number of the detection, the gate electrode of the source side by the multi have the number of charges detected from the reference value in the charge accumulating portion by charge detecting means The applied voltage is turned off and the gate electrode on the drain side is turned on.

以上説明したことにより、本発明によれば、熱エネルギーによって常にランダムに運動している半導体中の電荷を電流生成の資源として利用できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that charges in a semiconductor that is constantly moving randomly by thermal energy can be used as a resource for current generation.

図1Aは、本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を示す平面図である。FIG. 1A is a plan view showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図1Bは、本発明の実施の形態1における半導体装置の一部構成を示す断面図である。FIG. 1B is a cross-sectional view showing a partial configuration of the semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. 図1Cは、本発明の実施の形態1における半導体装置の細線構造102上のポテンシャルエネルギーの変化を示す説明図である。FIG. 1C is an explanatory diagram showing a change in potential energy on the thin wire structure 102 of the semiconductor device in the first embodiment of the present invention. 図2Aは、本発明の実施の形態1における半導体装置における電荷転送について説明するための説明図である。FIG. 2A is an explanatory diagram for explaining charge transfer in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図2Bは、本発明の実施の形態1における半導体装置における電荷移動について説明するための説明図である。FIG. 2B is an explanatory diagram for explaining charge transfer in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図2Cは、本発明の実施の形態1における半導体装置における電荷移動について説明するための説明図である。FIG. 2C is an explanatory diagram for explaining charge transfer in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図3Aは、本発明の実施の形態2における半導体装置の構成を示す平面図である。FIG. 3A is a plan view showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図3Bは、本発明の実施の形態2における半導体装置の細線構造202上のポテンシャルエネルギーの変化を示す説明図である。FIG. 3B is an explanatory diagram showing a change in potential energy on the thin wire structure 202 of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図4Aは、本発明の実施の形態2における半導体装置における電荷移動について説明するための説明図である。FIG. 4A is an explanatory diagram for explaining charge transfer in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図4Bは、本発明の実施の形態2における半導体装置における電荷移動について説明するための説明図である。FIG. 4B is an explanatory diagram for explaining charge transfer in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図4Cは、本発明の実施の形態2における半導体装置における電荷移動について説明するための説明図である。FIG. 4C is an explanatory diagram for explaining charge transfer in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図4Dは、本発明の実施の形態2における半導体装置における電荷移動について説明するための説明図である。FIG. 4D is an explanatory diagram for explaining charge transfer in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態2における他の半導体装置における電荷移動について説明するための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining charge transfer in another semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について図1A、図1Bを用いて説明する。図1Aは、本発明の実施の形態1における半導体装置の構成を示す平面図である。また、図1Bは、本発明の実施の形態1における半導体装置の一部構成を示す断面図である。図1Bは、図1Aのbb’線の断面を示している。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. FIG. 1A is a plan view showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a cross-sectional view showing a partial configuration of the semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1B shows a cross section taken along line bb ′ of FIG. 1A.

この半導体装置は、まず、基板101の上に形成された半導体からなる細線構造102と、細線構造102に設けられた電荷蓄積部103と、電荷蓄積部103を挾んで細線構造102に設けられたソース104およびドレイン105とを備える。また、ソース104と電荷蓄積部103との間に設けられた第1ゲート電極(ソース側のゲート電極)106と、電荷蓄積部103とドレイン105との間に設けられた第2ゲート電極(ドレイン側のゲート電極)107とを備える。   This semiconductor device is first provided in a thin line structure 102 formed of a semiconductor formed on a substrate 101, a charge storage unit 103 provided in the thin line structure 102, and the charge storage unit 103. A source 104 and a drain 105 are provided. In addition, a first gate electrode (source-side gate electrode) 106 provided between the source 104 and the charge storage unit 103 and a second gate electrode (drain) provided between the charge storage unit 103 and the drain 105 are provided. Side gate electrode) 107.

電荷蓄積部103は、図1Cに示すように、第1ゲート電極106および第2ゲート電極107をオフ状態に(電荷が電子の場合は負の電位を印加)することで細線構造102に形成されるエネルギー障壁によって、細線構造102に形成される領域である。   As shown in FIG. 1C, the charge storage unit 103 is formed in the thin line structure 102 by turning off the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 (applying a negative potential when the charge is an electron). This is a region formed in the thin wire structure 102 by an energy barrier.

なお、第1ゲート電極106および第2ゲート電極107は、細線構造102と絶縁分離されている。例えば、図1Bに示すように、細線構造102と第1ゲート電極106との間には、絶縁層109が形成されている。絶縁層109は、第1ゲート電極106形成領域の細線構造102に対し、第1ゲート電極106による電界効果が発現される範囲の厚さとされていれば良い。細線構造102と第2ゲート電極107との間も同様である。   Note that the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 are insulated from the thin line structure 102. For example, as shown in FIG. 1B, an insulating layer 109 is formed between the thin line structure 102 and the first gate electrode 106. The insulating layer 109 may have a thickness within a range where the electric field effect by the first gate electrode 106 is expressed with respect to the thin wire structure 102 in the region where the first gate electrode 106 is formed. The same applies between the fine wire structure 102 and the second gate electrode 107.

また、この半導体装置は、電荷蓄積部103に蓄積されている電荷数を検出する電荷検出部120を備える。電荷検出部120は、例えば、電荷蓄積部103をゲート電極とし、チャネル121,ソース122,ドレイン123を有する電界効果トランジスタである。当然ではあるが、チャネル121,ソース122,ドレイン123は、電荷蓄積部103と絶縁分離されている。上記電界効果トランジスタにおいて、細線構造のチャネル121は、断面寸法および長さは、単一電荷検出が可能となるように小さい方が良い(非特許文献1参照)。   The semiconductor device also includes a charge detection unit 120 that detects the number of charges accumulated in the charge accumulation unit 103. The charge detection unit 120 is, for example, a field effect transistor having the charge storage unit 103 as a gate electrode and having a channel 121, a source 122, and a drain 123. As a matter of course, the channel 121, the source 122, and the drain 123 are insulated and separated from the charge storage unit 103. In the field-effect transistor, the channel 121 having a thin wire structure is preferably small in cross-sectional size and length so that single charge detection is possible (see Non-Patent Document 1).

例えば、基板101は、よく知られたSOI(silicon-on-insulator)基板であり、表面シリコン層をパターニングすることで、細線構造102(電荷蓄積部103、ソース104、ドレイン105)、チャネル121,ソース122,ドレイン123を形成すれば良い。この場合、これらは、埋め込み絶縁層101aの上に形成される。例えば、よく知られたリソグラフィー技術およびドライエッチング技術による表面シリコン層のパターニングにより、上記各部分を形成することができる。   For example, the substrate 101 is a well-known SOI (silicon-on-insulator) substrate, and by patterning the surface silicon layer, the thin wire structure 102 (charge storage portion 103, source 104, drain 105), channel 121, A source 122 and a drain 123 may be formed. In this case, these are formed on the buried insulating layer 101a. For example, the above-described portions can be formed by patterning the surface silicon layer by a well-known lithography technique and dry etching technique.

また、電荷蓄積部103は、アンドープの真性半導体の状態とし、ソース104およびドレイン105は、例えばn型の不純物を導入したn型半導体とすれば良い。この場合、電荷は電子となる。また、ソース104およびドレイン105は、例えばp型の不純物を導入したp型半導体としてもよい。この場合、電荷は正孔となる。電荷を正孔とする場合、第1ゲート電極106および第2ゲート電極107に正の電位を印加することで、オフ状態とする。   In addition, the charge storage unit 103 may be in an undoped intrinsic semiconductor state, and the source 104 and the drain 105 may be an n-type semiconductor into which an n-type impurity is introduced, for example. In this case, the charge is an electron. The source 104 and the drain 105 may be a p-type semiconductor into which a p-type impurity is introduced, for example. In this case, the charges are holes. In the case where the charge is a hole, a positive potential is applied to the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 so that the transistor is turned off.

例えば、細線構造102は、厚さ20〜30nm、幅50nm程度とされ、細線構造のチャネル121も、厚さ20〜30nm、幅50nm程度とされている。また、細線構造102とチャネル121との距離は、50nm程度とされている。この距離であれば、電荷蓄積部103とチャネル121とが静電的に結合可能となり、電荷蓄積部103がチャネル121による電界効果トランジスタのゲート電極として機能し、電荷蓄積部103における電荷数が室温(25℃程度)で検出可能である。   For example, the thin line structure 102 has a thickness of 20 to 30 nm and a width of about 50 nm, and the thin line structure channel 121 has a thickness of 20 to 30 nm and a width of about 50 nm. The distance between the fine line structure 102 and the channel 121 is about 50 nm. At this distance, the charge storage unit 103 and the channel 121 can be electrostatically coupled, the charge storage unit 103 functions as a gate electrode of a field effect transistor by the channel 121, and the number of charges in the charge storage unit 103 is room temperature. It can be detected at (about 25 ° C.).

細線構造102とチャネル121とは、室温において静電的に結合可能であり、電荷蓄積部103が、チャネル121による電界効果トランジスタのゲート電極として機能し、電荷蓄積部103における電荷数が室温で検出可能な距離とされていれば良い。また、同様に、チャネル121の断面寸法は、チャネル121による電界効果トランジスタによって、電荷蓄積部103の電荷数が検出できる寸法とされていれば良い。   The thin wire structure 102 and the channel 121 can be electrostatically coupled at room temperature, the charge storage unit 103 functions as a gate electrode of a field effect transistor by the channel 121, and the number of charges in the charge storage unit 103 is detected at room temperature. It is sufficient that the distance is possible. Similarly, the cross-sectional dimension of the channel 121 may be such that the number of charges in the charge storage portion 103 can be detected by the field effect transistor using the channel 121.

また、実施の形態1における半導体装置は、電荷検出部120による電荷蓄積部103の電荷数検出結果により、第1ゲート電極106および第2ゲート電極107に印加される電圧を制御する制御部(不図示)を備える。   In addition, the semiconductor device in Embodiment 1 includes a control unit (non-control unit) that controls the voltage applied to the first gate electrode 106 and the second gate electrode 107 based on the charge number detection result of the charge storage unit 103 by the charge detection unit 120. As shown).

以下、実施の形態1における半導体装置の動作例について説明する。まず、電荷蓄積部103の電荷(電子)数が基準値よりも少ないことが検出されると、第1ゲート電極106に印加する電圧を正にシフトさせてオン状態とし、ソース104側のポテンシャルエネルギー障壁を下げ、図2Aに示すように、熱エネルギーによってソース104と電荷蓄積部103との間を、黒丸で示す電荷(電子)が通過(転送)できる状態とする。同時に、第2ゲート電極107に印加する電圧を負にシフトさせてオフ状態とし、ドレイン105側のポテンシャルエネルギー障壁を高くし、電荷蓄積部103とドレイン105との間の電荷の移動を抑制する。   Hereinafter, an operation example of the semiconductor device in Embodiment 1 will be described. First, when it is detected that the number of charges (electrons) in the charge storage unit 103 is smaller than the reference value, the voltage applied to the first gate electrode 106 is shifted to the positive state to turn on, and the potential energy on the source 104 side As shown in FIG. 2A, the barrier is lowered so that heat (energy) indicated by a black circle can pass (transfer) between the source 104 and the charge storage portion 103 by thermal energy. At the same time, the voltage applied to the second gate electrode 107 is negatively shifted to an off state, the potential energy barrier on the drain 105 side is increased, and the movement of charges between the charge storage portion 103 and the drain 105 is suppressed.

また、電荷蓄積部103の電荷数が基準値よりも多いことが検出されると、第2ゲート電極107に印加する電圧を正にシフトさせてオン状態とし、ドレイン105側のポテンシャルエネルギー障壁を下げ、図2Bに示すように、熱エネルギーによって電荷蓄積部103とドレイン105との間を電荷が通過できる状態とする。同時に、第1ゲート電極106に印加する電圧を負にシフトさせてオフ状態とし、ソース104側のポテンシャルエネルギー障壁を高くし、電荷蓄積部103とソース104との間の電荷の移動を抑制する。なお、電荷が正孔の場合、上述した電圧の極性を逆にする。   Further, when it is detected that the number of charges in the charge storage unit 103 is larger than the reference value, the voltage applied to the second gate electrode 107 is positively shifted to the on state, and the potential energy barrier on the drain 105 side is lowered. As shown in FIG. 2B, the heat can be passed between the charge storage portion 103 and the drain 105 by heat energy. At the same time, the voltage applied to the first gate electrode 106 is negatively shifted to an off state, the potential energy barrier on the source 104 side is increased, and the movement of charges between the charge storage portion 103 and the source 104 is suppressed. When the charge is a hole, the polarity of the voltage described above is reversed.

上述した電荷検出部120の電荷数検出結果によるフィードバック制御によって、電荷がソース104から電荷蓄積部103に移ったときに図2Aに示す状態を図2Bに示す状態とし、電荷が電荷蓄積部103からドレイン105移ったときに図2Bに示す状態を図2Aに示す状態に変更することを繰り返すことで、電荷に直接エネルギーを加えること無く、電荷揺らぎの整流によって、電荷をソース104側からドレイン105側へ移動(転送)させ、電流を生成することができる。このように、実施の形態1における半導体装置を用いれば、電荷の揺らぎを整流して電流を生成することが可能となる。   When the charge is transferred from the source 104 to the charge storage unit 103 by the feedback control based on the charge number detection result of the charge detection unit 120 described above, the state illustrated in FIG. 2A is changed to the state illustrated in FIG. By repeatedly changing the state shown in FIG. 2B to the state shown in FIG. 2A when the drain 105 moves, the charge is rectified from the source 104 side to the drain 105 side by rectifying the charge fluctuation without directly applying energy to the charge. (Transfer) to generate a current. As described above, when the semiconductor device in Embodiment 1 is used, current can be generated by rectifying the fluctuation of charge.

上述した1回のサイクルによって、ソース104側からドレイン105側に移動させることのできるエネルギーは、通常、図2Cに示すように熱エネルギー程度の大きさとなる。電荷蓄積部103の電荷数を検出するためには、電荷蓄積部103のサイズ(細線構造102の電荷蓄積部103における径およびソース104とドレイン105との間の長さ)を小さくする必要がある。しかしながら、電荷蓄積部103のサイズを電荷ひとつ加えるのに必要なエネルギー(帯電エネルギー)が熱エネルギーより大きくなる程度まで小さくしてしまうと、帯電効果の影響により電荷の揺らぎが抑制され、取り出すことのできるエネルギーが小さくなってしまう。従って、電荷蓄積部103のサイズについては、電荷の揺らぎが抑制されないように、電荷1個の帯電エネルギーが熱エネルギーより小さくなるように設計するのが望ましい。   The energy that can be transferred from the source 104 side to the drain 105 side by one cycle as described above is usually about the magnitude of thermal energy as shown in FIG. 2C. In order to detect the number of charges in the charge storage unit 103, it is necessary to reduce the size of the charge storage unit 103 (the diameter of the charge storage unit 103 of the thin wire structure 102 and the length between the source 104 and the drain 105). . However, if the size of the charge storage unit 103 is reduced to the extent that the energy (charging energy) required to add one charge is larger than the thermal energy, the fluctuation of the charge is suppressed due to the effect of the charging effect, and the charge can be extracted. The energy that can be reduced. Therefore, it is desirable to design the size of the charge storage unit 103 so that the charge energy of one charge is smaller than the thermal energy so that the fluctuation of the charge is not suppressed.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図3Aを用いて説明する。図3Aは、本発明の実施の形態2における半導体装置の構成を示す平面図である。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. 3A. FIG. 3A is a plan view showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

この半導体装置は、まず、基板201の上に形成された半導体からなる細線構造202と、細線構造202に設けられた第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cを備える。第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cは、この順に並んで配置されている。また、第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cを挾んで細線構造202に設けられたソース204およびドレイン205を備える。   In this semiconductor device, first, a fine line structure 202 made of a semiconductor formed on a substrate 201, and a first charge accumulation unit 203a, a second charge accumulation unit 203b, and a third charge accumulation unit 203c provided in the fine line structure 202. Is provided. The first charge accumulation unit 203a, the second charge accumulation unit 203b, and the third charge accumulation unit 203c are arranged in this order. In addition, a source 204 and a drain 205 provided in the thin line structure 202 are provided with the first charge accumulation unit 203a, the second charge accumulation unit 203b, and the third charge accumulation unit 203c interposed therebetween.

また、ソース204と第1電荷蓄積部203aとの間に設けられた第1ゲート電極206と、第1電荷蓄積部203aと第2電荷蓄積部203bとの間に設けられた第2ゲート電極207と、第2電荷蓄積部203bと第3電荷蓄積部203cとの間に設けられた第3ゲート電極208と、第3電荷蓄積部203cとドレイン205との間に設けられた第4ゲート電極209とを備える。   The first gate electrode 206 provided between the source 204 and the first charge storage unit 203a, and the second gate electrode 207 provided between the first charge storage unit 203a and the second charge storage unit 203b. A third gate electrode 208 provided between the second charge storage unit 203b and the third charge storage unit 203c, and a fourth gate electrode 209 provided between the third charge storage unit 203c and the drain 205. With.

第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cは、図3Bに示すように、第1ゲート電極206,第2ゲート電極207,第3ゲート電極208,第4ゲート電極209をオフ状態に(電荷が電子の場合は負の電位を印加)することで細線構造202に形成されるエネルギー障壁によって、細線構造202に形成される領域である。   As shown in FIG. 3B, the first charge accumulation unit 203a, the second charge accumulation unit 203b, and the third charge accumulation unit 203c include a first gate electrode 206, a second gate electrode 207, a third gate electrode 208, and a fourth gate. This is a region formed in the fine line structure 202 by an energy barrier formed in the fine line structure 202 by turning off the electrode 209 (a negative potential is applied when the charge is an electron).

なお、第1ゲート電極206,第2ゲート電極207,第3ゲート電極208,第4ゲート電極209は、細線構造202と絶縁分離されている。例えば、細線構造202と第1ゲート電極206との間には、絶縁層(不図示)が形成されている。絶縁層は、第1ゲート電極206形成領域の細線構造202に対し、第1ゲート電極206による電界効果が発現される範囲の厚さとされていれば良い。細線構造202と第2ゲート電極207,第3ゲート電極208,第4ゲート電極209との間も同様である。   Note that the first gate electrode 206, the second gate electrode 207, the third gate electrode 208, and the fourth gate electrode 209 are insulated and separated from the thin line structure 202. For example, an insulating layer (not shown) is formed between the thin line structure 202 and the first gate electrode 206. The insulating layer may have a thickness within a range in which the electric field effect by the first gate electrode 206 is expressed with respect to the thin line structure 202 in the first gate electrode 206 formation region. The same applies to the thin wire structure 202 and the second gate electrode 207, the third gate electrode 208, and the fourth gate electrode 209.

また、この半導体装置は、第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cに蓄積されている電荷数を検出する第1電荷検出部220a,第2電荷検出部220b,第3電荷検出部220cを備える。   The semiconductor device also includes a first charge detection unit 220a and a second charge detection unit 220b that detect the number of charges stored in the first charge storage unit 203a, the second charge storage unit 203b, and the third charge storage unit 203c. , A third charge detector 220c.

第1電荷検出部220aは、第1電荷蓄積部203aをゲート電極とし、第1チャネル221a,ソースとなる読み出し部222,ドレインとなる読み出し部223を有する電界効果トランジスタである。   The first charge detection unit 220a is a field effect transistor having the first charge accumulation unit 203a as a gate electrode, a first channel 221a, a readout unit 222 serving as a source, and a readout unit 223 serving as a drain.

また、第2電荷検出部220bは、第2電荷蓄積部203bをゲート電極とし、第2チャネル221b,ソースとなる読み出し部223,ドレインとなる読み出し部224を有する電界効果トランジスタである。   The second charge detection unit 220b is a field effect transistor having the second charge storage unit 203b as a gate electrode, a second channel 221b, a reading unit 223 serving as a source, and a reading unit 224 serving as a drain.

また、第3電荷検出部220cは、第3電荷蓄積部203cをゲート電極とし、第3チャネル221c,ソースとなる読み出し部224,ドレインとなる読み出し部225を有する電界効果トランジスタである。   The third charge detection unit 220c is a field effect transistor having the third charge storage unit 203c as a gate electrode, a third channel 221c, a reading unit 224 serving as a source, and a reading unit 225 serving as a drain.

これらの各電界効果トランジスタにおいて、細線構造の第1チャネル221a,第2チャネル221b,第3チャネル221cは、断面寸法および長さは、単一電荷検出が可能となるように小さい方が良い(非特許文献1参照)。   In each of these field effect transistors, the first channel 221a, the second channel 221b, and the third channel 221c having a thin wire structure are preferably small in cross-sectional dimension and length so that single charge detection is possible (non- Patent Document 1).

例えば、基板201は、よく知られたSOI基板であり、表面シリコン層をパターニングすることで、細線構造202(第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203c、ソース204、ドレイン205)、第1電荷検出部220a,第2電荷検出部220b,第3電荷検出部220cを構成する各部分を形成すれば良い。この場合、これらは、埋め込み絶縁層201aの上に形成される。例えば、よく知られたリソグラフィー技術およびドライエッチング技術による表面シリコン層のパターニングにより、上記各部分を形成することができる。   For example, the substrate 201 is a well-known SOI substrate, and by patterning the surface silicon layer, the thin wire structure 202 (first charge storage unit 203a, second charge storage unit 203b, third charge storage unit 203c, source 204, drain 205), first charge detector 220a, second charge detector 220b, and third charge detector 220c may be formed. In this case, these are formed on the buried insulating layer 201a. For example, the above-described portions can be formed by patterning the surface silicon layer by a well-known lithography technique and dry etching technique.

また、第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cは、アンドープの真性半導体の状態とし、ソース204およびドレイン205は、例えばn型の不純物を導入したn型半導体とすれば良い。この場合、電荷は電子となる。また、ソース204およびドレイン205は、例えばp型の不純物を導入したp型半導体としてもよい。この場合、電荷は正孔となる。電荷を正孔とする場合、第1ゲート電極206,第2ゲート電極207,第3ゲート電極208,第4ゲート電極209に正の電位を印加することで、オフ状態とする。   The first charge accumulation unit 203a, the second charge accumulation unit 203b, and the third charge accumulation unit 203c are in an undoped intrinsic semiconductor state, and the source 204 and the drain 205 are n-type semiconductors into which an n-type impurity is introduced, for example. What should I do? In this case, the charge is an electron. The source 204 and the drain 205 may be a p-type semiconductor into which a p-type impurity is introduced, for example. In this case, the charges are holes. When the charge is a hole, a positive potential is applied to the first gate electrode 206, the second gate electrode 207, the third gate electrode 208, and the fourth gate electrode 209, thereby turning off.

例えば、細線構造202は、厚さ20〜30nm、幅50nm程度とされ、細線構造の第1チャネル221a,第2チャネル221b,第3チャネル221cも、厚さ20〜30nm、幅50nm程度とされている。また、細線構造202と、第1チャネル221a,第2チャネル221b,第3チャネル221cとの距離は、50nm程度とされている。   For example, the thin line structure 202 has a thickness of about 20 to 30 nm and a width of about 50 nm, and the first channel 221a, the second channel 221b, and the third channel 221c of the thin line structure have a thickness of about 20 to 30 nm and a width of about 50 nm. Yes. The distance between the thin line structure 202 and the first channel 221a, the second channel 221b, and the third channel 221c is about 50 nm.

細線構造202と、第1チャネル221a,第2チャネル221b,第3チャネル221cとは、第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cが、第1チャネル221a,第2チャネル221b,第3チャネル221cによる電界効果トランジスタのゲート電極として機能する距離とされていれば良い。   The thin wire structure 202, the first channel 221a, the second channel 221b, and the third channel 221c are the first charge storage unit 203a, the second charge storage unit 203b, and the third charge storage unit 203c, and the first channel 221a, The distance that functions as the gate electrode of the field effect transistor by the two channels 221b and the third channel 221c may be used.

また、第1チャネル221a,第2チャネル221b,第3チャネル221cの断面寸法は、第1チャネル221a,第2チャネル221b,第3チャネル221cによる各電界効果トランジスタによって、第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cの電荷数が検出できる寸法とされていれば良い。   In addition, the cross-sectional dimensions of the first channel 221a, the second channel 221b, and the third channel 221c are the same as the first charge accumulation unit 203a, the first channel 221a, the second channel 221b, and the third channel 221c. It is only necessary that the number of charges in the two-charge storage unit 203b and the third charge storage unit 203c be detected.

また、実施の形態2における半導体装置は、第1電荷検出部220a,第2電荷検出部220b,第3電荷検出部220cによる、第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cの電荷数検出結果により、第1ゲート電極206,第2ゲート電極207,第3ゲート電極208,第4ゲート電極209に印加される電圧を制御する制御部(不図示)を備える。   Further, the semiconductor device according to the second embodiment includes a first charge accumulation unit 203a, a second charge accumulation unit 203b, and a third charge that are formed by the first charge detection unit 220a, the second charge detection unit 220b, and the third charge detection unit 220c. A control unit (not shown) that controls voltages applied to the first gate electrode 206, the second gate electrode 207, the third gate electrode 208, and the fourth gate electrode 209 is provided according to the charge number detection result of the storage unit 203c.

以下、実施の形態2における半導体装置の動作例について説明する。まず、第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cの電荷数が基準値よりも少ないことが検出されると、第1ゲート電極206に印加する電圧を正にシフトさせてオン状態とし、ソース204側のポテンシャルエネルギー障壁を下げ、図4Aに示すように、熱エネルギーによってソース204と第1電荷蓄積部203aとの間を、黒丸で示す電荷(例えば電子)が通過できる状態とする。同時に、第2ゲート電極207,第3ゲート電極208,第4ゲート電極209に印加する電圧を負にシフトさせてオフ状態とし、これらの領域におけるポテンシャルエネルギー障壁を高くする。これにより、第1電荷蓄積部203aと第2電荷蓄積部203b、第2電荷蓄積部203bと第3電荷蓄積部203c、および第3電荷蓄積部203cとドレイン205の間の電荷の移動を抑制する。   Hereinafter, an operation example of the semiconductor device in Embodiment 2 will be described. First, when it is detected that the number of charges in the first charge storage unit 203a, the second charge storage unit 203b, and the third charge storage unit 203c is smaller than the reference value, the voltage applied to the first gate electrode 206 is positively set. The potential energy barrier on the source 204 side is lowered by shifting and the potential energy barrier on the source 204 side is lowered, and as shown in FIG. Let it pass. At the same time, the voltages applied to the second gate electrode 207, the third gate electrode 208, and the fourth gate electrode 209 are negatively shifted to an off state, and the potential energy barrier in these regions is increased. This suppresses the movement of charges between the first charge accumulation unit 203a and the second charge accumulation unit 203b, the second charge accumulation unit 203b and the third charge accumulation unit 203c, and between the third charge accumulation unit 203c and the drain 205. .

以上のようにして第1電荷蓄積部203aに電荷が蓄積された状態とし、第1電荷蓄積部203aの電荷数が基準値よりも多いことが検出されると、第2ゲート電極207に印加する電圧を正にシフトさせてオン状態とし、第2ゲート電極207の領域におけるポテンシャルエネルギー障壁を下げ、図4Bに示すように、熱エネルギーによって第1電荷蓄積部203aと第2電荷蓄積部203bとの間を電荷が通過できる状態とする。同時に、第1ゲート電極206,第3ゲート電極208,第4ゲート電極209に印加する電圧を負にシフトさせてオフ状態とし、これらの領域におけるポテンシャルエネルギー障壁を高くする。これにより、ソース204と第1電荷蓄積部203a、第2電荷蓄積部203bと第3電荷蓄積部203c、および第3電荷蓄積部203cとドレイン205の間の電荷の移動を抑制する。   As described above, when the charge is stored in the first charge storage unit 203a and it is detected that the number of charges in the first charge storage unit 203a is larger than the reference value, the charge is applied to the second gate electrode 207. The voltage is positively shifted to the on state, the potential energy barrier in the region of the second gate electrode 207 is lowered, and as shown in FIG. 4B, the first charge accumulation unit 203a and the second charge accumulation unit 203b are caused by thermal energy. It is in a state where charges can pass between them. At the same time, the voltages applied to the first gate electrode 206, the third gate electrode 208, and the fourth gate electrode 209 are shifted to the negative state to increase the potential energy barrier in these regions. This suppresses the movement of charges between the source 204 and the first charge accumulation unit 203a, the second charge accumulation unit 203b and the third charge accumulation unit 203c, and between the third charge accumulation unit 203c and the drain 205.

以上のようにして第2電荷蓄積部203bに電荷が蓄積された状態とし、第2電荷蓄積部203bの電荷数が基準値よりも多いことが検出されると、第3ゲート電極208に印加する電圧を正にシフトさせてオン状態とし、第3ゲート電極208の領域におけるポテンシャルエネルギー障壁を下げ、図4Cに示すように、熱エネルギーによって第2電荷蓄積部203bと第3電荷蓄積部203cとの間を電荷が通過できる状態とする。同時に、第1ゲート電極206,第2ゲート電極207,第4ゲート電極209に印加する電圧を負にシフトさせてオフ状態とし、これらの領域におけるポテンシャルエネルギー障壁を高くする。これにより、ソース204と第1電荷蓄積部203a、第1電荷蓄積部203aと第2電荷蓄積部203b、および第3電荷蓄積部203cとドレイン205の間の電荷の移動を抑制する。   As described above, when the charge is stored in the second charge storage unit 203b and it is detected that the number of charges in the second charge storage unit 203b is larger than the reference value, the charge is applied to the third gate electrode 208. The voltage is positively shifted to the on state, the potential energy barrier in the region of the third gate electrode 208 is lowered, and as shown in FIG. 4C, the second charge accumulation unit 203b and the third charge accumulation unit 203c are caused by thermal energy. It is in a state where charges can pass between them. At the same time, the voltage applied to the first gate electrode 206, the second gate electrode 207, and the fourth gate electrode 209 is negatively shifted to the off state, and the potential energy barrier in these regions is increased. This suppresses the movement of charges between the source 204 and the first charge storage unit 203a, the first charge storage unit 203a and the second charge storage unit 203b, and the third charge storage unit 203c and the drain 205.

以上のようにして第3電荷蓄積部203cに電荷が蓄積された状態とし、第3電荷蓄積部203cの電荷数が基準値よりも多いことが検出されると、第4ゲート電極209に印加する電圧を正にシフトさせてオン状態とし、第4ゲート電極209の領域におけるポテンシャルエネルギー障壁を下げ、図4Dに示すように、熱エネルギーによって第3電荷蓄積部203cとドレイン205との間を電荷が通過できる状態とする。同時に、第1ゲート電極206,第2ゲート電極207,第3ゲート電極208に印加する電圧を負にシフトさせてオフ状態とし、これらの領域におけるポテンシャルエネルギー障壁を高くする。これにより、ソース204と第1電荷蓄積部203a、第1電荷蓄積部203aと第2電荷蓄積部203b、および第2電荷蓄積部203bと第3電荷蓄積部203cの間の電荷の移動を抑制する。   As described above, when the charge is stored in the third charge storage unit 203c and it is detected that the number of charges in the third charge storage unit 203c is larger than the reference value, the charge is applied to the fourth gate electrode 209. The voltage is positively shifted to the on state, the potential energy barrier in the region of the fourth gate electrode 209 is lowered, and as shown in FIG. 4D, a charge is generated between the third charge accumulation unit 203c and the drain 205 by the thermal energy. Let it pass. At the same time, the voltages applied to the first gate electrode 206, the second gate electrode 207, and the third gate electrode 208 are negatively shifted to the off state, and the potential energy barrier in these regions is increased. This suppresses the movement of charges between the source 204 and the first charge storage unit 203a, the first charge storage unit 203a and the second charge storage unit 203b, and between the second charge storage unit 203b and the third charge storage unit 203c. .

上述した、第1電荷検出部220a,第2電荷検出部220b,第3電荷検出部220cの電荷数検出結果によるフィードバック制御によって、図4A,図4B,図4C,図4Dを用いて説明したように、ソース204から、第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cを経由してドレイン205にかけて、順次に電荷を転送することで、電荷揺らぎを整流して電流として取り出すことができる。   As described above with reference to FIGS. 4A, 4B, 4C, and 4D by the feedback control based on the charge number detection results of the first charge detection unit 220a, the second charge detection unit 220b, and the third charge detection unit 220c. In addition, the charge is sequentially transferred from the source 204 to the drain 205 via the first charge accumulation unit 203a, the second charge accumulation unit 203b, and the third charge accumulation unit 203c, thereby rectifying the charge fluctuations and current. Can be taken out as.

また、第1電荷蓄積部203a,第2電荷蓄積部203b,第3電荷蓄積部203cの3カ所の電荷数を同時に実時間観測できるため、第2電荷蓄積部203bに蓄積されていた電荷が、第1電荷蓄積部203aに移動したのか、第3電荷蓄積部203cに移動したのか、また、他の場所にリークしてしまったのかを、正確に検出することができる。   In addition, since the number of charges at the three locations of the first charge accumulation unit 203a, the second charge accumulation unit 203b, and the third charge accumulation unit 203c can be simultaneously observed in real time, the charge accumulated in the second charge accumulation unit 203b is Whether it has moved to the first charge storage unit 203a, the third charge storage unit 203c, or has leaked to another location can be accurately detected.

また、実施の形態2によれば、自己参照型の単電子ポンプを実現することができる。極低温においては既に、電流標準素子の精度向上に向けて、化合物半導体を用いた自己参照型の単電子ポンプが実現されている(非特許文献2参照)。これに対し、実施の形態2によれば、室温において単電荷検出が可能であり、室温で自己参照型の単電子ポンプを実現することができる。   Further, according to the second embodiment, a self-reference type single electron pump can be realized. At ultra-low temperatures, self-referenced single-electron pumps using compound semiconductors have already been realized to improve the accuracy of current standard elements (see Non-Patent Document 2). On the other hand, according to the second embodiment, single charge detection is possible at room temperature, and a self-reference type single electron pump can be realized at room temperature.

ところで、上述では、3つの電荷蓄積部を直列に配列させた場合を例に説明したが、これに限るものではなく、図5に示すように、4つ以上のn個の電荷蓄積部303−1〜303−nを、ソース304とドレイン305との間に直列に配列した構成としても良い。このように、複数の電荷蓄積部を直列に配列することで、各電荷蓄積部において、電荷に対して帯電エネルギーに対応するエネルギーを獲得させることが可能となる。これにより、1つの電荷蓄積部で構成した場合には実現不可能な大きなエネルギーを、電荷に獲得させることが可能となる。   In the above description, the case where three charge storage units are arranged in series has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 5, four or more n charge storage units 303- 1 to 303-n may be arranged in series between the source 304 and the drain 305. In this way, by arranging a plurality of charge storage units in series, each charge storage unit can acquire energy corresponding to the charging energy with respect to the charge. As a result, a large amount of energy that cannot be realized in the case of a single charge storage unit can be acquired by the charge.

以上記したように、本発明によれば、電荷蓄積部の電荷数を検出する構成としたので、電荷蓄積部における電荷数の検出結果によりゲート電極を制御することが可能となり、熱エネルギーなどの擾乱による電荷の揺らぎを整流し、熱エネルギーによって常にランダムに運動している半導体中の電荷を電流生成の資源として利用することが可能となる。また、3つの電荷蓄積部を利用することで、電子の移動方向を正確に求めることができる。更に、4つ以上の電荷蓄積部を利用することで、電荷蓄積部の数に応じた大きなエネルギーを電荷に付与することができる。   As described above, according to the present invention, since the number of charges in the charge storage unit is detected, the gate electrode can be controlled based on the detection result of the number of charges in the charge storage unit, and the heat energy and the like can be controlled. It is possible to rectify the fluctuation of the electric charge due to the disturbance and use the electric charge in the semiconductor that is always moving randomly by the thermal energy as a resource for generating current. Further, by using the three charge storage units, it is possible to accurately determine the moving direction of electrons. Furthermore, by using four or more charge storage units, a large amount of energy corresponding to the number of charge storage units can be imparted to the charge.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、用いる半導体は、シリコンに限らず、ゲルマニウムやIII−V族化合物半導体などの他の半導体を用いても同様である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the semiconductor used is not limited to silicon, and other semiconductors such as germanium and III-V compound semiconductors may be used.

101…基板、101a…埋め込み絶縁層、102…細線構造、103…電荷蓄積部、104…ソース、105…ドレイン、106…第1ゲート電極、107…第2ゲート電極、120…電荷検出部、121…チャネル、122…ソース、123…ドレイン。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Board | substrate, 101a ... Embedded insulating layer, 102 ... Fine wire structure, 103 ... Charge storage part, 104 ... Source, 105 ... Drain, 106 ... 1st gate electrode, 107 ... 2nd gate electrode, 120 ... Charge detection part, 121 ... channel, 122 ... source, 123 ... drain.

Claims (3)

基板の上に形成された半導体からなる細線構造と、
前記細線構造に設けられた電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部を挾んで前記細線構造に設けられたソースおよびドレインと、
前記ソースと前記電荷蓄積部との間および前記電荷蓄積部と前記ドレインとの間の各々に設けられたゲート電極と、
前記電荷蓄積部に蓄積されている電荷数を検出する電荷検出手段と
前記電荷検出手段による前記電荷蓄積部の電荷数検出結果により各々の前記ゲート電極に印加される電圧を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記電荷検出手段による前記電荷蓄積部における基準値より少ない電荷数の検出により前記ソース側の前記ゲート電極をオン状態として前記ドレイン側の前記ゲート電極をオフ状態とし、
前記電荷検出手段による前記電荷蓄積部における基準値より多い電荷数の検出により前記ソース側の前記ゲート電極に印加される電圧をオフ状態として前記ドレイン側の前記ゲート電極をオン状態とする
ことを特徴とする半導体装置。
A fine wire structure made of a semiconductor formed on a substrate;
A charge storage portion provided in the fine wire structure;
A source and a drain provided in the thin line structure sandwiching the charge storage portion;
A gate electrode provided between each of the source and the charge storage unit and between the charge storage unit and the drain;
Charge detection means for detecting the number of charges stored in the charge storage section ;
Control means for controlling the voltage applied to each of the gate electrodes according to the charge number detection result of the charge storage section by the charge detection means;
With
The control means includes
The source-side gate electrode is turned on by detecting the number of charges smaller than a reference value in the charge storage unit by the charge detection means, and the drain-side gate electrode is turned off,
A voltage applied to the gate electrode on the source side is turned off by turning off the voltage applied to the gate electrode on the source side by detecting the number of charges larger than a reference value in the charge storage unit by the charge detecting means, and the gate electrode on the drain side is turned on. A semiconductor device.
請求項1記載の半導体装置において、
前記ソースおよび前記ドレインの間に、直列に配列された複数の前記電荷蓄積部と、
隣り合う前記電荷蓄積部の間に設けられたゲート電極と、
複数の前記電荷蓄積部に対応して設けられた複数の前記電荷検出手段と
を備えることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A plurality of the charge storage units arranged in series between the source and the drain;
A gate electrode provided between the charge storage units adjacent to each other;
And a plurality of the charge detection means provided corresponding to the plurality of charge storage units.
請求項1または2記載の半導体装置において、
前記電荷検出手段は、前記電荷蓄積部をゲート電極とする電界効果トランジスタから構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the charge detection means comprises a field effect transistor having the charge storage portion as a gate electrode.
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