石橋極微デバイス工学研究室

主任研究員

石橋 幸治

  • Koji Ishibashi
  • 工学博士
  • 石橋 幸治
  • 略歴
    1988
    大阪大学大学院基礎工学研究科物理系専攻電気工学分野 博士課程修了
    1988
    理化学研究所 国際フロンティア研究システム 研究員
    1991
    同 半導体工学研究室 研究員
    1996
    オランダ デルフト工科大学 客員研究員
    2003
    理化学研究所 石橋極微デバイス工学研究室 主任研究員（現職）
    2003
    千葉大学大学院 連携教授（現職）
    2005
    東京理科大学大学院 連携教授（現職）
    2008
    東京工業大学大学院 連携教授（現職）

研究概要

石橋極微デバイス工学研究室

当研究室では、将来の新機能ナノエレクトロニクスの実現を目指して、サブ10nm級ナノ構造作製技術の開発、それらにおける新規物性の探索、そして、ナノデバイスへの応用に関する研究を行っている。さらに、新機能テラヘルツ（THz）検出器の開発やTHz近接場イメージング技術の開発、中速イオンビームを用いた表面構造のナノスケール計測技術の開発を行っている。ナノデバイス用材料として、自己組織化的にサブ10nm構造が形成されるカーボンナノチューブ（CNT）、半導体（シリコン、ゲルマニウム、Ⅲ-Ⅴ属半導体）ナノワイア、グラフェンさらに単一分子を利用し、トップダウン技術とボトムアップ技術の融合によりCNT/分子ヘテロ構造や量子ドット構造、超伝導体との複合ナノ構造などを作製している。これらの構造において、電子のスピンや電荷、磁束を1個レベルで操作する技術を開発し、省エネルギー・高機能を有する単電子デバイス、量子情報デバイス（量子ビット）、量子THz検出デバイスなどへ応用するための基礎研究を行っている。また、THz波の波長限界を上回る近接場を利用した高分解能THイメージングシステムを開発し、これを固体のTHz物性研究へ応用することを目指している。

最近の研究成果

トランジスタの先に広がるナノエレクトロニクス

1本のカーボンナノチューブで作製した単電子インバータ
図1 1本のカーボンナノチューブで作製した単電子インバータ
シリコンナノワイア量子ドットデバイス
図2 シリコンナノワイア量子ドットデバイス

当研究室では、現在のトランジスタを基本としたエレクトロニクスの先にあるナノエレクトロニクスを切り開く研究を行っている。そのために、電子ビーム露光技術に代表されるトップダウン技術では作製が困難なサブ10nm極微構造を作製する技術を開発し、その電子物性を走査トンネル顕微鏡や極低温電気測定などの手法により明らかにし、そこに発現する新機能を量子ナノデバイスへ応用する。そのBuilding Blockとして自己組織化的に形成されるカーボンナノチューブ（CNT）、シリコンおよび化合物半導体ナノワイア、グラフェン、機能性分子を利用して量子ドット構造やCNT/分子ヘテロ接合を持つ分子ナノ構造、超伝導体とのハイブリッドナノ構造などを作製し、量子ナノデバイスとする。このようなナノスケール構造では様々な量子効果が顕著に表れるために、電子の個数を1個単位で制御し省エネルギーが期待できる単電子デバイスや、コヒーレントに量子状態を制御する新しい概念に基づく量子コンピューティングデバイス、さらにTHz波との量子的な相互作用を利用した量子THz検出器などの開発を行っている。

量子ドットとは電子を微小な空間に閉じこめた構造であり、人工原子ともいわれる。したがって、ポテンシャルに束縛された電子軌道とそれに伴う離散化したエネルギー準位が重要となる。実際、CNTを用いた量子ドットの中の電子は1次元箱型ポテンシャルに閉じこめられた人工原子のように振る舞うことを観測しており、さらに磁場を印可すると量子準位はゼーマン分裂する。このことを利用すると電子スピンを1個量子ドット内に形成することができ、それはスピン型の量子ビット（人工2準位系）の実現を意味する。さらにナノワイアやCNTが組み込まれた超伝導体ループは、磁束の2準位系となることが予想されており、その実証を試みている。人工原子としての性質はサイズが小さければ小さいほど顕著になるため、その意味で、CNTと機能性分子のヘテロ接合を利用した分子スケール量子ドットは室温でも量子効果が観測できる系であると期待している。

我々は単体で新機能デバイスを実現するだけでなく、それを集積化し、簡単な回路を実現する技術の開発にも取り組んでいる。単電子デバイスは数個集積することにより多様な機能を実現できることから、従来のトランジスタ技術と組み合わせることにより、実用性の高いナノエレクトロニクスを実現することができる。

カーボンナノチューブ人工原子におけるエネルギー準位のゼーマン分裂
図3 カーボンナノチューブ人工原子におけるエネルギー準位のゼーマン分裂
カーボンナノチューブ量子ドットにおけるTHz光アシストトンネル（量子応答）
図4 カーボンナノチューブ量子ドットにおけるTHz光アシストトンネル（量子応答）

主要論文

  1. S. Y. Huang, S. K. Shin, N. Fukata, K. Ishibashi, A single-electron transistor and an even-odd effect in chemically synthesied Ge nanowires, J. Appl. Phys. 2011, 109, 036101.
  2. Y. Kawano, T. Uchida, K. Ishibashi, Terahertz sensing with a carbon nanotube/two-dimensional electron gas hybrid transistor, Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 083123.
  3. S. Moriyama, et al. Coupled quantum dots in a graphene-based two-dimensional semimetal, Nano Lett. 2009, 9, 2891.
  4. Y. Kawano, K. Ishibashi, An on-chip near-field terahertz probe and detector, Nature Photon. 2008, 2, 618.
  5. Y. Kawano, T. Fuse, S. Toyokawa, T. Uchida, K. Ishibashi, Terahertz photon-assisted tunneling in carbon nanotube quantum dots, J. Appl. Phys. 2008, 103, 034307.
  6. H. Maki, T. Sato, K. Ishibashi, Direct observation of the deformation and the band gap change from an individual single-walled carbon nanotube under uniaxial strain, Nano Lett. 2007, 7, 890.
  7. T. Fuse, Y. Kawano, T. Yamaguchi, Y. Aoyagi, K. Ishibashi, Quantum response of carbon nanotube quantum dots to terahertz wave irradiation, Nanotechnol. 2007, 18, 044001.
  8. K. Ishibashi, S. Moriyama, D. Tsuya, T. Fuse, M. Suzuki, Quantum-Dot Nanodevices with Carbon Nanotubes, J. Vac. Sci. Technol. 2006, A24, 1349.
  9. S. Moriyama, T. Fuse, M. Suzuki, Y. Aoyagi, K. Ishibashi, Four-electron shell structures and an interacting two-electron system in carbon nanotube quantum dots, Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 186806.
  10. K. Ishibashi, D. Tsuya, M. Suzuki, Y. Aoyagi, Fabrication of single electron inverter in multiwall carbon nanotubes, Appl. Phys. Lett. 2003, 82, 3307.

主要メンバー

主宰者 add delete
石橋 幸治 Koji Ishibashi 主任研究員    
スタッフ研究員 add delete
渡部 秀 Shu Watanabe 専任研究員    
山口 智弘 Tomohiro Yamaguchi 専任研究員    
南任 真史 Masashi Nantoh 専任研究員    
平山 秀樹 Hideki Hirayama 先任研究員    
飛田 聡 Akira Hida 研究員    
ポスドク add delete
布施 智子 Tomoko Fuse 基礎科学特別研究員    
周 昕 Xin Zhou 基礎科学特別研究員    
王 志海 Zhihai Wang 国際特別研究員    
黄 少云 Shaoyun Huang 協力研究員    
森本 崇宏 Takahiro Morimoto 協力研究員    
学生・研究生 add delete
技術系アシスタント add delete
三原 勝 Masaru Mihara テクニカルスタッフⅠ    
事務系アシスタント add delete
客員研究員・客員技師 add delete
その他のスタッフ add delete
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