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A02 計画研究

A02-1:Ⅲ族窒化物ナノラミネート特異構造を用いたダイヤモンド電子デバイスの開発

  • 研究代表者:小出 康夫(物質・材料研究機構・理事・A02総括)
  • 研究分担者:井村 将隆(物質・材料研究機構・主任研究員)
  • 研究分担者:廖 梅勇(物質・材料研究機構・主幹研究員)
  • 研究分担者:劉 江偉(物質・材料研究機構・独立研究者)

誘電体と半導体の層状構造からなる誘電薄膜(ナノラミネート薄膜と呼ばれる)は、ダイポール積層構造に起因するマクスウェル‐ワグナー誘電緩和効果よって比誘電率k=1000以上の巨大誘電率を持つことが、Al2O3/TiO2ナノラミネート薄膜において近年実証されています。本研究の目的は、誘電体i-AlNと導電体c-GaNをそれぞれ1nm以下の原子層状構造からなるナノラミネート特異構造を作製し、少なくともk=100以上の高誘電率薄膜をダイヤモンド単結晶上に作製すること、さらにそのi-AlN/c-GaNナノラミネート薄膜をゲート絶縁膜に用いることによって水素終端ダイヤモンド表面の高濃度正孔チャネルを用いた新概念電界効果トランジスタを開発することにあります。水素終端ダイヤモンド表面に蓄積される正孔濃度は平方センチメートル当たり1014個に達しており、従来のAlGaN/GaNヘテロ接合に較べて約1桁高いことが、当グループの研究成果からわかっています。この高濃度正孔を電界制御するためには、k=100以上を持つゲート絶縁膜が不可欠であり、AlN/GaNナノラミネート特異構造の開発が鍵を握ります。

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A02-2:特異構造結晶の特性を生かした新機能発光デバイスの研究

  • 研究代表者:平山 秀樹(理化学研究所・主任研究員)
  • 研究分担者:寺嶋 亘(理化学研究所・研究員)
  • 研究分担者:鎌田 憲彦(埼玉大学・教授)

本研究では特異構造結晶を新たに導入することにより新規発光デバイスの開拓を行います。未開拓の深紫外ならびにテラヘルツ発光素子を実現するためには、高ホール濃度p型AlGaN、極低転位AlNバッファー、原子層平坦AlGaN多重超格子の実現が必要不可欠です。本研究では、自己形成による3D特異結晶(ピラーAlNアレイ)とコドープのよる分子特異結晶(短周期超格子コドープp型AlGaN)の導入により、貫通転位密度の飛躍的低減による発光効率の向上、高光取り出し構造の実現、高濃度p型層の実現を行い、未踏の高効率(>50%)深紫外LED、深紫外レーザダイオード(LD)の実現を目指します。窒化物量子カスケードレーザ(QCL)の実現のためには、原子一層精度の多重超格子構造の形成が必要不可欠です。本研究では、原子一層精度せ制御されたAlGaN多重超格子構造(1D特異結晶)を、独自に考案した「過渡的アニールドロップレット除去成長法(DETA法)」を用いて形成し、それを用いて高い光利得を実現することで、未開拓周波数テラヘルツQCLの実現を目指します。

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A02-3:特異構造を含む異種接合の界面制御と電子デバイス展開

  • 研究代表者:橋詰 保(北海道大学・教授)
  • 研究分担者:赤澤 正道(北海道大学・准教授)
  • 研究分担者:佐藤 威友(北海道大学・准教授)

特異構造やポテンシャル障壁層を巧みに利用した窒化物半導体デバイス構造は、まさに高度な異種接合集合体です。しかしながら、特異構造が導入された異種接合界面には高密度の電子準位が導入される可能性が高く、新機能電子デバイス展開にはこの電子準位の特性を理解し制御することが必須です。
本研究項目では、ボイド、超格子緩衝層などの特異構造を含む異種接合の界面電子準位を、容量-電圧特性の厳密計算、アドミタンス測定および容量過渡測定により評価し、構造的評価(TEM, SEM, AFM)と化学的評価(XPS, SIMS)を連携させて、電子準位制御法を確立します。
さらに、図に示すように、ドライエッチングと選択成長を利用して、有極性面と無極性・半極性面を組み合わせたナノチャネル構造を形成し、側面にもチャネル層を持つ新機能トランジスタを作製・評価します。さらに、電気化学手法によりゲート直下あるいは通電電極直下にナノポーラス構造を形成し、新規センサー素子・超低抵抗通電素子展開を図っていきます。

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A02 公募研究

A02-17-1:窒化ガリウム系ナノワイヤによる縦型FETの作製と評価

  • 研究代表者:本久 順一(北海道大学・教授)

多重ゲート構造は、電界効果トランジスタ(FET)の短チャネル効果を抑制する構造として利用されていますが、窒化ガリウム系の多重ゲート構造FETにおいても、電流駆動力や特性の安定性等、優れた特性が示されています。本研究では、多重ゲートFETを実現する別の手法として、GaN系ナノワイヤを用いた縦型ゲートオールアラウンド構造FETを作製し、その評価を行います。特に、選択成長によるGaNナノワイヤ形成技術の確立、縦型FET実現のために必要なプロセス技術の確立、そして、FETの性能向上に適切な、ヘテロ構造を有するナノワイヤの形成技術について検討を行い、ナノワイヤという特異構造を活用した電子デバイスの実現を目指します。

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A02-17-2:分極効果の能動的作用による窒化物半導体の伝導制御

  • 研究代表者:谷川 智之(東北大学・講師)

窒化物半導体や酸化物半導体などの材料は、半導体としての性質を示す一方、強い誘電体的性質を併せ持ち、分極がデバイス特性に強く影響を与えます。本研究では、これらの分極を有する半導体デバイスの高性能化に向けて、分極を意図的に導入し伝導制御を行う手法について、実験的検討を行います。具体的には、サファイア基板上に結晶成長したGa極性もしくはN極性GaNに分極誘起層を導入し、分極誘起ツェナーダイオードもしくは分極ドーピングp型層を作製し、トンネル確率の増強やアクセプタの活性化増強を目指します。

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A02-17-3:窒化物半導体への精密イオン注入技術の開発と集積回路応用

  • 研究代表者:関口 寛人(豊橋技術科学大学・准教授)

窒化物半導体MOSFETを基本構成とした過酷環境下において特性劣化の小さい集積回路の実現を目指します。本研究では,窒化物半導体におけるイオン注入の精密な制御技術の開発に向けて,イオン注入ダメージ層の結晶構造,光学的・電気的特性評価を行い,窒化物半導体へのイオン注入プロセスが結晶構造・結晶欠陥・不純物に与える影響を明らかにします。この知見を基礎にして,ソース/ドレインのコンタクト抵抗の低減やMOSFETの閾値調整,素子分離のための絶縁層形成などのイオン注入法を用いたプロセス技術を開発し,GaN集積回路実現のための基盤技術を構築します。

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A02-17-4:多層グラフェン薄膜の乱層構造に起因する特異物性の研究

  • 研究代表者:小林 慶裕(大阪大学・教授)

積層方向の周期性を乱す乱層構造をもった多層グラフェンを合成し、そこから単層グラフェンに類似した優れた物性を引き出すことが研究の目的です。新奇ナノ炭素材料である低欠陥・乱層・多層グラフェンの合成には、酸化グラフェン積層膜を反応性雰囲気で超高温熱処理するという新たなプロセスを開発します。乱層構造でグラフェンシート層間の相互作用が抑制される効果を利用して、多層グラフェンの電気的・熱的物性の飛躍的な向上を目指します。本研究により、高機能グラフェン薄膜をスケーラブルに製造する技術が開拓され、エレクトロニクス材料や電極・放熱シート等の構造材料へのグラフェンの応用が可能となります。

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A02-17-5:完全結晶に存在する空間自由度および乱れが創出する機能と応用

  • 研究代表者:谷垣 勝己(東北大学・教授)

無機単結晶や有機単結晶などの完全結晶に空間的乱れを導入する事により、(1)非調和フォノンを創出して、ナノ構造を制御したフォノンエンジニアリングを実現する。(2)バンドギャップ内に存在する乱れが生み出す準位を利用してキャリヤを半導体に高効率で注入する。という完全結晶では得られない新しい機能を創出します。これらの機能は、非調和フォノンが関与する低熱伝導率の実現による高効率の熱電変換機能の実現や両極性キャリヤ注入の実現による高効率の発光素子への新機能素子実現に応用可能です。

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