4 ノイズの有効活用

電子デバイスにおいて排除すべき存在のノイズを有効活用するための研究
ノイズは多くの場合不要なものであり、特に電子デバイスの動作には悪い影響があるため排除すべき存在であることが多い。
NTT 物性科学基礎研究所（以下、物性研）フロンティア機能物性研究部 ナノデバイス研究グループでは、このノイズが持つエントロピーを電子デバイスで有効に活用するための研究を行っている。

ノイズが持つエントロピーを電子デバイスで有効活用

熱ノイズから電流を得られることは実証済

電子デバイスにおいてノイズはエ

物性研は電子のランダムな熱運動ラーの原因となるため、ノイズを排から電流を得る実験に成功したこと除する、またはノイズの影響を受けを、2017 年に発表している。シリないよう対策を取るのが一般的だ。

コンデバイス内でランダムな方向に一方、生物系ではノイズが有効に活動く電子から一方向に動く電子のみ用されている。たとえば、ザリガニを選別することで、電流を発生させはノイズがある環境下の方が外敵やている。室温で電子 1 つの検出が餌となる生物を敏感に発見できる。

可能な技術を有する物性研ならではこうした生物の例を参考に、ノイズの研究であった。の持つエントロピーを有効に利用す「この研究は、熱力学の分野にお用する研究を進める上での指標としる研究が行われている。

いて『マクスウェルの悪魔』と呼ばて役立つ。物性研ではまずそうした

実際にノイズをデバイス動作に利れる問題を説明するのに役立つもの

指標を得ることにつながる基礎研究用する手法もすでに知られている。

でした。ノイズのエントロピーを有に取り組んでいる。

「ある『しきい値』より強い信号効活用する研究を行うきっかけにもだけを検出できるデバイスであってなったと言えます。」（知田氏）

も、信号にノイズを加えるとそのノイズのアシストを受け、しきい値より小さいはずの信号を検出できまNTT 物性科学基礎研究所
フロンティア機能物性研究部
ナノデバイス研究グループ
主任研究員

知田 健作氏

最近の研究成果の 1 つが、室温においてノイズを整流して電荷を蓄積し、その電荷を正確に計測できる

ノイズを利用する際のエネルギー効率を知るための研究デバイスの作製だ。
「作製したのは、印加したノイズす。この現象は『確率共鳴』と呼ばある電子デバイスがノイズのエンが整流され電荷として蓄積される仕れています。ノイズがあることにトロピーから得られるエネルギーの組み（図 1）を持つナノデバイスでよって信号検出の性能が上がるとい物理的な上限をうことです。このようにノイズの持知り、実際に得たつ情報、すなわちエントロピーを利エネルギーがど用するための研究を行っています。」の程度かを正確（知田氏）に計測できれば、ノイズを有効活

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2023 Vol.60 No.7

Charge up
eSensor

eeDot

図1

Noise

Reservoir

ノイズから電荷を蓄える仕組み

25

特集

単電子レベルの極限的な性能を追求する
単電子レベルの極限的な性能を追求する
特集
NTT物性科学基礎研究所
NTT物性科学基礎研究所
ナノデバイス研究グループ
ナノデバイス研究グループ

ゲート電極

ns

SiO
Si 2

図2

ビットライン(BL)100 nmnonaor

ストレージ
キャパシタ(SC)Sensor

SeSi

rewi

熱ホッピング（熱ノイズ）e-BL

eSC

GateBLGate

ノイズの持つ情報をキャパシタに保持するデバイスの構造す。電池を充電するのと同じことです。その電荷を後からエネルギーとして利用できることを実験により示すことが、この研究の目的でした。」（知田氏）

電子数を正確に測定できるナノデバイス電子の数を知ることができる。

室温において単一電子レベルのノイズ計測を実現
単一電子レベルのノイズを計測す

図3作製したデバイスの電子顕微鏡写真

より自らデバイスを作製し、理論の実証や仮説の検証に取り組めることが我々の強みになっています。」

が、極低温の環境で行われることが蓄積される電子数の確率分布まで知ることが可能多かった。実験対象以外のノイズ源

図 4 左のグラフはセンサ電流がる実験はそれまでにも行われていた作製したデバイスのより具体的なの影響を受けてしまうためだ。低温構造を図 2 に、その電子顕微鏡写であるほど意図しないノイズを抑え真を図 3 に示す。シリコン基板上やすいため、他の研究グループではに絶縁体として SiO2 の膜があり、極低温の環境で実験を行っている。

その上にシリコン層による回路を配物性研が室温での実験に成功した

置した SOI 構造によるシリコン・理由について、知田氏は次のようにナノデバイスだ。

述べている。

「シリコン細線の上に付いている「どのような物質にも意図しないゲート電極に負の電圧を印加する欠陥や不純物などに起因した『1/fと、直下の電子が追い出されます。

ゆらぎ』の特性を持つノイズの影響

この動作によりシリコン細線をビッがあります。室温で単一電子を計測トライン（以下、BL）と、電荷をする実験では、このノイズの影響が貯めるストレージキャパシタ（以下、問題となります。実験対象（SC とSC）からなる DRAM と同じ構造にBL を行き来する単一電子の運動）することができます。この DRAM以外の要因によるノイズの影響をな構造内では熱ノイズにより熱ホッピるべく受けないようにする方法の 1ングという現象が起こり、電子がつが、不純物が含まれない純度の高SC と BL の間をランダムに行き来いシリコンを使い、高い精度を持つしています。
」（知田氏）

ナノデバイスを作製することです。

SC に電子を蓄えるほど、電子同我々には長年にわたり蓄積してきた士の反発によって、センサに電流が微細加工のノウハウがあるため、そ流れにくくなる構造であるため、セのようなナノデバイスを作ることがンサ電流を観測することで SC 内の可能でした。高度な微細加工技術に26SC変化する様子を観察した実験の結果だ。電流が飛び飛びの値を示していることがわかる。その値が電子 1つの運動に対応しているため、SCに蓄積された電子の数を知ることができる。これにより SC 内電子数の確率分布（図 4 中央のグラフ）を得ることができた。
「この確率分布における平均からSC の局所電位を、分散の大きさから SC の局所温度を知ることができます。すなわち分散からノイズの熱エネルギーを算出できるということです。単一電子レベルの計測でなくても SC の電位まではわかりますが、電子数の確率分布から局所温度を知るようなことはできません。単一電子レベルのノイズ計測により、こうしたナノデバイス内の詳細な情報を得られるようになりました。」（知田氏）

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分散

1.541.53051015Time (s)

20

電子数
ノイズ

00.40.8
Probability

電位のものさし-1SC

単一電子レベルの計測により局所温度まで把握可能に立つとして、知田氏は今後の0 mV

研究活動に対しての思いを、100 mV

次のように述べている。

部からノイズを加えながらセンサ電イズをうまく利用した生き流を観測した結果だ。図５右のグラ物の仕組みを物理的に解明

フはセンサ電流のヒストグラムで、する研究が行われています。

数字は外部ノイズの振幅を電圧で示

このような知見をナノデバしたものだ。ノイズの振幅が大きい

イスに応用したいと考えてほどセンサ電流が小さくなっているいます。

450
200 mV

また、コンピュータを始め

このことにより、外部ノイズの振とした電子機器の中はノイ幅が大きいほど SC により多くの電ズで溢れています。電子機器

荷が蓄積されることが確認できた。

が動作することによって発400
300 mV

外部ノイズの振幅「生物物理学の分野ではノノイズのエントロピーを限界まで利用することを目指す

Gate
BL
帯電エネルギー

SCの局所電位

図 5 左のグラフはデバイスに外ことがわかる。

e-1

平均

ノイズが多いほど電荷が蓄積されることを確認

e-20.0

図4

電圧
ノイズ

3Isensor (nA)

Isensor (mA)

1.55

SCの局所温度N…

# of electron in SC: N

1.56350

生する熱や電気的なノイズを有効利用できるデバイス

2000

4000

Time (s)図51000Count

ノイズと蓄積される電荷の関係を作りたいと考えています。ただしこのほか、確率共鳴を利用するこ

物性研ではノイズからエネルギー

従来のノイマン型コンピュータはノとでノイズのエントロピーを利用しを得る際のエネルギー効率の限界をイズでエラーが発生してしまうためた高感度なセンサを実現できる可能実験的に示すこと、またその限界にその実現は難しいかも知れません。

性があります。生き物に倣いながら、なるべく近い効率で実際にエネル

その点でニューロコンピュータや量ノイズを有効活用できる電子デバイギー変換を行うことに取り組んでい子コンピュータのような非ノイマンスの実現に向けた研究をしていきた

く考えだ。ナノデバイスを使う実験型コンピュータならばノイズを有効いと考えています。」

を通じて得た知見は、より大きなデに活用できるのではないかと期待しバイスでノイズを活用する際にも役ています。

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