【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】16H02095 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 強磁性半導体 / ヘテロ構造 / スピン依存伝導 / 強磁性転移温度 / スピントロニクス / 磁気抵抗 / スピントランジスタ / 狭ギャップ半導体 / (Ga,Fe)Sb / (In, Fe)Sb / 半導体 / 強磁性 / ナノ構造 / トンネル接合 / FET / 量子井戸 / 転移温度 / スピンエレクトロニクス / 不揮発性メモリ

【研究成果の概要】

低消費電力・機能性デバイスに向けた強磁性/半導体融合系の創出とそのスピン物性の研究を行い、材料物性、機能実現、デバイスの各領域で大きな成果を得た。室温以上の高い強磁性転移温度をもつｐ型およびｎ型強磁性半導体(GaFeSb, InFeSb)の作製に成功した。非磁性半導体/強磁性半導体からなる二層ヘテロ構想を作製し、新しい電子伝導現象（大きな磁気抵抗効果）を発見、この構造をトランジスタに加工しゲート電圧によってInAs薄膜中の波動関数を変化させ、近接効果による磁気抵抗を大きく変調することにも成功するなど多くの新しい物性機能を明らかにすると共に、縦型および横型スピントランジスタを作製、動作実証した。

【研究の社会的意義】

半導体材料あるいはデバイス構造中に磁性元素や強磁性材料を構成要素として取り込み、キャリアの電荷輸送に加えて「スピン自由度」をも活用する新しい機能材料やデバイスをつくることに成功した。バンドエンジニアリングとスピン自由度を有する新しいデバイス構造：スピントランジスタを提案・解析・作製、その動作を実証した。これにより、スピントロニクスという新しい学術分野の研究をリードするとともに、従来の半導体デバイスや集積回路では持ち得なかった「不揮発性」低消費電力」「再構成可能性」「情報処理の柔軟性」の機能をもつ材料とデバイスを創製し、ポストスケーリング時代の新技術を創成する道を開いた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】41,990千円 (直接経費: 32,300千円、間接経費: 9,690千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】23241044 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性体 / 半導体 / スピン / GaMnAs / MnAs / ナノ構造 / 共鳴トンネル / 磁性半導体

【研究成果の概要】

「磁性体/半導体ハイブリッドナノ構造におけるスピン関連現象とデバイス応用」を目的とした研究を開始した。ここで「磁性体/半導体ハイブリッドナノ構造」として対象とする材料系は、(a)GaMnAsやInGaMnAsを含む強磁性半導体ヘテロ構造、(b)MnAsナノ微粒子を埋め込んだGaAsとそのヘテロ構造、(c)強磁性金属薄膜/半導体ヘテロ構造である。これらの磁性体/半導体ハイブリッドナノ構造において、(1)エピタキシャル成長と形成技術の確立、(2)スピン依存伝導の理解と制御、磁気抵抗効果の増大、高温動作化、(3)スピン依存伝導デバイス(2端子素子、3端子素子)の試作、動作原理の確立を目指し、材料科学、物性の理解と制御からデバイス応用まで系統的に研究を行うことを目指している。
平成23年度には、磁性体/半導体ハイブリッドナノ構造(上記(a)(b)(c))のエピタキシャル成長と形成技術を確立しつつある。スピン依存伝導の理解と制御を行うため、まず2端子デバイスとして、強磁性半導体ヘテロ構造からなる強磁性トンネル接合素子、および強磁性ナノ微粒子を含む強磁性トンネル接合素子を作製し、そのスピン依存トンネル伝導の実験を行った。共鳴トンネル効果による磁気抵抗効果の増大、共鳴トンネル分光によるGaMnAsのバンド構造とフェルミ準位の解明を行った。その結果、どのような電気的・磁気的性質をもつGaMnAsにおいてもフェルミ準位は価電子帯から数十meV程度上の禁制帯中に存在し、不純物バンドによる伝導が支配的であることを明らかにした。平成23年6月以降は特別推進研究に移行して、より幅広い研究を行っている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011

【配分額】16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】12555092 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シングルイオン注入法 / 半導体 / ナノ物性制御 / 不純物制御 / 触媒制御 / カーボンナノチューブ / 集束イオンビーム法 / 液体金属イオン源 / 不純物位置制御 / 触媒位置制御 / 集束イオンビーム / 不純物ゆらぎ / 同時ドーピング / ELTRAN / ドーパント原子配列 / 極微半導体 / ナノテクノロジー / ドーパント / 表面改質 / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究課題では、シングルイオン注入法によるナノスケール固体物性制御、ならびに固体表面改質と続く化学処理による現実的なナノ構造形成手段としての可能性を探ることを目的とし、具体的には以下のことに取り組んだ。
(1)シングルイオン注入法における照準精度の改善
イオンビームから1個のイオンを抽出するために行う"チョッピング"という操作故に留まっていた低い照準精度を格段に向上させるために、シングルイオン注入用集束イオンビーム(FIB)光学系の改造を行った。対物レンズの縮小率を従来の1/6から1/19に改善し、ビーム径は20mm以下、照準精度は改造前の170nmから60nmに大幅に抑制され、半導体ナノ領域へのドーピングが可能となった。
(2)不純物原子位置制御によるシリコン細線電界効果トランジスタ(FET)の閾値電圧制御
シングルイオン注入法を用いて不純物原子の位置が制御されたFETを作製し、閾値電圧を測定した。規則的に配置した場合、ランダム配置と比較してゆらぎが小さく、約2倍閾値電圧が小さいことが判明した。これは、不純物原子が作るクーロンポテンシャル間の相互作用によりチャネル領域の電位が低下し、より低いゲート電圧でチャネルが形成されたことを示唆している。
(3)シングルイオン注入法によるNiイオン注入部位へのカーボンナノチューブ/繊維選択成長
カーボンナノチューブの成長位置を制御するために、シングルイオン注入法を用いて任意の場所に触媒金属の導入を試みた。Niイオン注入に続いて、プラズマCVDによるカーボンナノチューブ/繊維(CNF)の成長を試みたところ、Ni注入部位に選択的にCNFが成長することを確認した。
(4)イオン照射減速エッチング現象を利用したゲート電極付シリコン電界放出素子配列の作製
当研究室で発見したイオン照射減速エッチング現象を利用したシリコン電界放出素子配列作製プロセスを考案した。自己整合的なプロセスによりマスク合わせなしで、電子銃とゲート電極を同時に作りこめることが特徴である。Niイオンを用いることによって頂点にNiを含有するピラミッドを形成することが可能であり、先端からCNFを成長させることによって電界放出素子の高性能化への見通しを得た。
(5)シリコンナノ構造配列基板上への機能性有機分子の単分子固定
従来の半導体電子デバイスと機能性有機分子の融合による新機能デバイスの開発に着手した。このためには、決められた個数の有機分子を任意の位置に固定する手法の確立が必要となる。ナノ構造配列の有する形状(ナノスケールサイズ、ピッチなど)および性質(親水/疎水、表面電位、共有結合など)を利用して、ナノ構造上に1個ずつ分子を固定する手法を考案した。これまでに、ナノエッチピットの1個1個にポリスチレン微粒子(粒径100nm)を1個ずつ埋め込むことに成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】13,500千円 (直接経費: 13,500千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】10355004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / MOCVD / MBE / 半導体レーザ / 自己組織化 / GaN / 量子効果 / InAs / 半導体 / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究は、研究代表者が長年取り組んできた量子ドットレーザについて、実用化を目指してその素子技術の確立を図ることを目的として遂行されている。
まず、InGaAs自己形成量子ドットについて、実用化に重要な光通信用波長帯である13.-1.5μm帯発光をめざして結晶成長の最適化を行った。その結果、世界で最も長い1.5mmの発光波長を実現することに成功した。これはGaAs上に成長したInAs量子ドットをGaAsではなくInGaAsで埋め込み歪効果を抑制したためである。さらに、量子ドットとフォトニック結晶を組み合わせた量子ドットレーザ構造を作製することができた。これは、選択成長により量子ドットを形成する領域を制限したためである。
一方、理論的にワイドギャップ半導体レーザにおいては、量子ドットレーザを導入することによる特性改善の効果が、大きくなることを示すことができた。 GaN系量子ドットレーザにおいては、GaAs系量子ドットレーザと比べると、約一桁異大きい改善率が得られることが明かとなった。さらに、新しい非反転分布型レーザの概念を明らかにした。
さらに、 GaN上にInGaN量子ドット形成のための結晶成長技術の確立をはかり、これにもとづき青色量子ドットレーザを作製した。その結果、光励起ではあるが室温でレーザ発振に青色量子ドットレーザとしては世界で初めて成功した。また、紫外発光レーザをめざして、 AlN上のGaN量子ドットの形成をSiC上に減圧成長で達成することに成功した。フォトルミネッセンス測定により発光を確認した。
以上、本研究の遂行により、量子ドットレーザの試作を行うとともに、それにかかわる材料技術基盤の確立をはかることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】33,700千円 (直接経費: 33,700千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】09555102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子化イオン照射法 / シングルイオン注入法 / 不純物 / ドーパント / 半導体 / 集束イオンビーム / 表面改質 / ナノ構造 / 単一イオン抽出 / 2次電子検出 / 不純物揺らぎ / ドーパント個数制御 / SIMOX基板 / 異方性エッチング / ゆらぎ / 活性化 / MOS界面準位

【研究成果の概要】

当該研究期間初年度に, イオンを1個ずつ照射可能な量子化イオン照射法の要素技術の改良、および基礎データの収集を完了し、最終年度(H.11)に、当初、目的として掲げた超LSIの更なる微細化の際に障害となる不純物原子数のゆらぎによる素子特性ゆらぎを初めて制御するに至った。具体的な成果は以下の通りである。
(1)ドーバント個数制御性の改善
量子化イオン照射装置における2次電子検出系の改良を行い、ドーパント個数の制御性を左右する2次電子検出率を90%に改善することに成功した。従来のイオン注入法で生じる特性ゆらぎを30%まで制御できる見通しを得た。
(2)イオン1個当たりの半導体電気的特性変化量の定量的評価
不純物の統計的ゆらぎに起因する特性ゆらぎを抑制するために、イオン1個当たりの素子特性変化量の評価を初めて試みた。その結果、コンダクタンス増加量を18nS/ion、およびフラットバンド電圧減少量を4.5mV/ionと定量的に明らかにした。
(3)微小半導体の電気的特性制御
まず、サブミクロンサイズの抵抗体を作製し、コンダクタンスの度数分布を取得した。平均値からのばらつきが大きく、ゆらぎを63%と評価した。コンダクタンスをある一定値に揃えるため、予め実験的に求めたイオン1個当たりのコンダクタンスの増加量(18nS/ion)に基づき、抵抗体毎に必要な数だけ不純物原子を1個ずつ注入することによって、ゆらぎを63%から13%に大幅に低減させることに成功した。このゆらぎ抑制効果は、不純物原子の個数だけでなく、シングルイオン注入法によって不純物原子の位置もある程度制御された結果も併せて明らかにした。
(4)量子化イオン照射装置の高精細化
不純物ゆらぎの抑制を試みる過程で、不純物原子の離散性という新しい物理的描像の理解の必要性が新たに生じた。これを定量的に検証するためには、ナノ領域に精度良く不純物を導入することが不可欠であると判断し、イオンビームから1個のイオンを抽出するという操作故に留まっていたサブミクロン程度の制御性を格段に向上させるために、集束イオンビーム(FIB)の光学系の設計を行い、高精細化の見通しを得た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】12,900千円 (直接経費: 12,900千円)