高強度パルス重イオンビーム技術の高度化と次世代半導体用導電性制御技術の開発

• Project/Area Number: 19H02126
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21010:Power engineering-related
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: 伊藤 弘昭 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (70302445)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2020: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
• Keywords: 高強度パルス重イオンビーム / 両極性パルス加速器 / 真空アーク放電型イオン源 / パルスイオン注入 / パルス電力技術 / パルス重イオンビーム / 両極性パルス加速

Outline of Research at the Start

本研究は、次世代半導体材料への新しいイオン注入技術であるパルスイオン注入法の実現に向け、これまで培ったパルス重イオンビーム技術をより高度化・最適化を行うとともに、炭化ケイ素材料に高強度パルス重イオンビームを照射し、試料の電気特性、ドーパントの深さ方向分布などを評価・検証し、最終的にはp-n接合の形成実験を行い、新しいイオン注入法の実現に向けた知見を得ることを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

炭化ケイ素に代表される次世代省エネルギーデバイス作製及び普及に向けて新たな集積化技術が必要である。本課題では、デバイス作製工程における半導体材料の導電率を制御する新しいイオン注入技術として、高強度パルスイオンビームを用いたパルスイオン注入法の実現を目指してその知見を得ることを目的としている。高強度パルスイオンビームを半導体に材料に照射すると、イオン注入によるドーピングと同時にビームの熱付与による注入層の超高速加熱・冷却によりアニーリング処理が同時にできる利点がある。しかし、パルスイオン注入の実証実験には、高純度のn型・p型ドーパントの機能を有するイオン種の大電流パルス重イオンビーム発生が必要不可欠な技術である。
本年度は、まずp型ドーパント用パルスイオンビーム源として、昨年度にショット安定性が改善されて性能向上に成功した真空アークアルミニウムイオン源をビーム純度の改善ができる両極性パルス加速器に組み込んでイオンビームのビーム電流密度やパルス幅をバイアスイオンコレクターで、イオンエネルギーやイオン種をトムソンパラボラ分析器で評価した。その結果、加速電圧とほぼ一致したアルミニウムイオンビームが得られていることが確認された。また、両極性パルス加速器のビーム電流向上に向けて加速電極形状の最適化実験を行うとともに両極性パルス電源の出力向上の改良を行った後、イオンビーム特性を再評価し、シリコン材料へのp型ドーパント用のパルスアルミニウムイオンビーム照射実験を行った。付与エネルギーを測定した結果、半導体材料に対して十分な温度効果が得られており、パルスイオンビームによるアニール効果を検証することができた。一方、イオン注入の効果については、まだ検証不足であり、明確なデータを得るには至らなかったので、実験を継続する必要がある。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

パルスイオンビーム源用の実験に使用していた測定装置に故障が生じ、その修理と装置の動作確認を行い、データの再検証を行ったため。

Strategy for Future Research Activity

n型・p型ドーパント用の高強度パルス重イオンビームの再整備、および調整が終わったので、半導体への照射実験を再開し、研究課題の目的達成に向け、遅れを取り戻せるように計画を見直し、課題を着実に一つずつ解決しながら成果を積み上げて実験を行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Electrode shape dependence of output microwave characteristics in reflex triode virtual cathode oscillator (2021)
  • Author(s): Tanaka R.、Fukada Y.、Ito H.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 28 Issue: 3 Pages: 033103-033103
  • DOI: 10.1063/5.0040108
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energy Evaluation of Pulsed Heavy Ion Beam Accelerated in 1-stage gap of Bipolar Pulse Accelerator (2019)
  • Author(s): T.Honoki, M.Terada, H.Ito
  • Journal Title: Research Report, NIFS-PROC Volume: 113 Pages: 34-39
• [Journal Article] Effect of Electrode Shape and Resonance Cavity on Microwave Power in Axially-Extracted Vircator (2019)
  • Author(s): T.Nakamura, F.Niwa, H.Ito
  • Journal Title: Research Report, NIFS-PROC Volume: 113 Pages: 40-44
• [Journal Article] Influence of Electrode Structure and Microwave Generation in Reflex Triode Vircator (2019)
  • Author(s): N.Aoki, R.Haruki, H.Ito
  • Journal Title: Research Report, NIFS-PROC Volume: 113 Pages: 45-49
• [Journal Article] Characteristic of Surrounding Gas-Fed Atmospheric Pressure Plasma Jet and its Application to Surface Treatment (2019)
  • Author(s): T.Mitani, K.Watanabe, H.Ito
  • Journal Title: Research Report, NIFS-PROC Volume: 113 Pages: 65-69
• [Presentation] 反射三極管型仮想陰極発振器における二重電極構造を利用したマイクロ波出力改善 (2023)
  • Author(s): 深田悠晴，長谷川太星，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 令和4年度核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] 多重陽極を用いた仮想陰極発振器の特性評価 (2023)
  • Author(s): 田中惟与，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 令和4年度核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] 2次元PICシミュレーションによる仮想陰極発振器の電子挙動とマイクロ波の解析 (2023)
  • Author(s): 山本敦志，竹崎太智, 伊藤弘昭
  • Organizer: 令和4年度核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] 小型プラズマフォーカス装置で生成される高速プラズマ流の印加磁場による影響 (2023)
  • Author(s): 小口拓哉，松山隼, 重田宗明, 竹崎太智
  • Organizer: 令和4年度核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] プラズマフォーカスにおけるピンチプラズマ形成に及ぼす陽極形状の影響 (2023)
  • Author(s): 松澤匠，竹崎太智, 伊藤弘昭
  • Organizer: 令和4年度核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] 走行電気自動車に対する非接触パルス給電回路の大容量化における回路パラメータの検討 (2023)
  • Author(s): 力香湖，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 令和5年電気学会全国大会
• [Presentation] 反射三極型仮想陰極発振器における出力マイクロ波の電極材料依存性 (2023)
  • Author(s): 長谷川太星，深田悠晴，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 令和5年電気学会全国大会
• [Presentation] Operating Characteristic of Reflex Triode Virtual Cathode Oscillator with Asymmetric Velvet-Surface Cathode (2022)
  • Author(s): Y. Fukada, H. Ito, T. Takezaki
  • Organizer: 9th Euro-Asian Pulsed Power Conference & 24th International Conference on High-Power Particle Beams
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of characteristics of fast plasma flow driven by plasma focus device using biased ion collector (2022)
  • Author(s): T. Oguchi, J. Matsuyama, T. Takezaki, T. Sasaki, H. Ito
  • Organizer: 9th Euro-Asian Pulsed Power Conference & 24th International Conference on High-Power Particle Beams
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of pulsed magnet for collisionless shock experiment using high-power laser (2022)
  • Author(s): T. Takezaki, T. Oguchi, H. Ito, R. Yamazaki, S. J. Tanaka, T. Morita, S. Matsukiyo, S. Isayama, Y. Sakawa
  • Organizer: 9th Euro-Asian Pulsed Power Conference & 24th International Conference on High-Power Particle Beams
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of ion energy distribution function of fast plasma flow driven by plasma focus device using retarding field energy analyzer (2022)
  • Author(s): T. Oguchi, J. Matsuyama, M. Shigeta, T. Takezaki, T. Sasaki, H. Ito
  • Organizer: 31th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical study of ion beam evolution by applying pulsed magnetic field to RF plasma (2022)
  • Author(s): T. Matsuzawa，T. Takezaki，H. Ito
  • Organizer: 31th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 反射三極管型仮想陰極発振器における非対称電極の回転角に対する発振マイクロ波特性 (2022)
  • Author(s): 深田悠晴，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 電気学会放電・プラズマ・パルスパワー研究会
• [Presentation] 仮想陰極発振器の電子挙動の2次元PICシミュレーション (2022)
  • Author(s): 山本敦志，田中惟与，竹崎太智，伊藤弘昭
  • Organizer: 電気学会放電・プラズマ・パルスパワー研究会
• [Presentation] バイアスイオンコレクタによる小型プラズマフォーカス装置で生成された高速プラズマ流の評価 (2022)
  • Author(s): 小口拓哉，松山隼，竹崎太智，佐々木徹，伊藤弘昭
  • Organizer: 電気学会放電・プラズマ・パルスパワー研究会
• [Presentation] RFプラズマヘのパルス磁場印加によるイオンビーム生成の数値解析 (2022)
  • Author(s): 松澤匠，竹崎太智，伊藤弘昭
  • Organizer: 電気学会放電・プラズマ・パルスパワー研究会
• [Presentation] 真空アークイオン源を用いた両極性パルス加速器による高強度パルス金属イオンビームの特性 (2022)
  • Author(s): 藤野朗，田上航，伊藤弘昭 ，竹崎太智
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] プラズマフォーカス装置におけるプラズマシート進展速度とイオンビーム特性との関連性 (2022)
  • Author(s): 大村陽輔，山田拓歩，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] 高出力マイクロ波発生に向けた仮想陰極発振器における電極回転角と出力マイクロ波の関係 (2022)
  • Author(s): 深田悠晴，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] 多重陽極を用いた仮想陰極発振器における出力マイクロ波エネルギーの陽極間距離依存性 (2022)
  • Author(s): 田中惟与，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 令和4年電気学会 基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] 非対称電極を用いた三極管型仮想陰極発振器における出力マイクロ波の電極配置依存性 (2022)
  • Author(s): 深田悠晴，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 令和4年電気学会 基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] 小型プラズマフォーカス装置で生成した高速プラズマ流の進展およびプラズマパラメータの計測 (2022)
  • Author(s): 小口拓哉，松山隼，竹崎太智，佐々木徹，伊藤弘昭
  • Organizer: 第39回プラズマ核融合学会年会
• [Presentation] 誘導結合型高繰り返しパルス磁場発生システムの検討 (2022)
  • Author(s): 竹崎太智，重田宗明，伊藤弘昭
  • Organizer: 第39回プラズマ核融合学会年会
• [Presentation] 層流型大気圧プラズマジェットの印加電界方向による特性評価 (2022)
  • Author(s): 松井大真, 伊藤弘昭, 竹崎太智
  • Organizer: 2022年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 二重陽極構造を有する反射三極管型仮想陰極発振器の特性評価 (2022)
  • Author(s): 深田悠晴，長谷川太星，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 2022年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 多重陽極を用いた仮想陰極発振器における出力マイクロ波特性の陽極直径・陽極間距離依存性 (2022)
  • Author(s): 田中惟与，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 2022年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 大電流パルス放電回路のギャップスイッチ並列化に対する放電電流波形の評価 (2022)
  • Author(s): 松山隼, 小口拓哉, 重田宗明, 竹崎太智, 佐々木徹, 伊藤弘昭
  • Organizer: 2022年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 反射三極管型仮想陰極発振器における発振マイクロ波の電極形状依存性 (2021)
  • Author(s): 田中稜大, 深田悠晴, 伊藤弘昭, 竹崎太智
  • Organizer: 核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] プラズマフォーカス装置における陽極形状に対する高強度パルスイオンビーム特性 (2021)
  • Author(s): 佐賀野裕人, 山田拓歩, 布目宇範, 伊藤弘昭, 竹崎太智
  • Organizer: 核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] 二重同軸管構造を用いた層流型大気圧プラズマジェットの印加電界方向による材料照射効果 (2021)
  • Author(s): 石橋一斗, 伊藤弘昭, 竹崎太智
  • Organizer: 核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] 発散型ワイヤアレイによるZピンチプラズマの生成条件の検討 (2021)
  • Author(s): 高尾美陽，藤沢友暉，伊藤弘昭，竹崎太智，高杉恵一
  • Organizer: 電気学会全国大会
• [Presentation] 反射三極管型仮想陰極発振器における出力マイクロ波の電極形状依存性 (2021)
  • Author(s): 田中稜大，深田悠晴，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 電気学会全国大会
• [Presentation] 仮想陰極発振器におけるマイクロ波強度に与える発振周波数及びモードの影響 (2021)
  • Author(s): 長谷川遼太郎，別所恒誠，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 電気学会全国大会
• [Presentation] プラズマフォーカスの異なる陽極形状に対する高強度パルスイオンビーム特性 (2021)
  • Author(s): 山田拓歩，佐賀野裕人，布目宇範，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 電気学会全国大会
• [Presentation] 両極性パルス加速器開発に向けたパルスイオンビームのエネルギー評価 (2020)
  • Author(s): 石田治康，寺田匡志，伊藤弘昭
  • Organizer: 放電・プラズマ・パルスパワー研究会
• [Presentation] プラズマフォーカス装置を用いた高強度パルスイオンビームの陽極形状依存性 (2020)
  • Author(s): 佐賀野裕人，山本晃平，伊藤弘昭
  • Organizer: 放電・プラズマ・パルスパワー研究会
• [Presentation] 発散型ガスパフZピンチと発散型ワイヤアレイZピンチに関する研究 (2020)
  • Author(s): 高尾美陽，伊藤弘昭，高杉恵一
  • Organizer: 放電・プラズマ・パルスパワー研究会
• [Presentation] 層流型大気圧プラズマジェットを用いた液体中有機化合物分解に対する層流ガス種の効果 (2020)
  • Author(s): 石橋一斗，渡辺和樹，伊藤弘昭
  • Organizer: 放電・プラズマ・パルスパワー研究会
• [Presentation] 楕円電極を用いた反射三極管型仮想陰極発振器における出力マイクロ波の発振特性評価 (2020)
  • Author(s): 田中稜大，春木亮太朗，伊藤弘昭
  • Organizer: 電気学会 基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] 低速パルスパワー電源を用いた発散型ワイヤーアレイ Z ピンチ (2020)
  • Author(s): 高尾美陽，伊藤弘昭，高杉恵一
  • Organizer: 電気学会 基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] 高純度パルス重イオンビーム発生に向けた両極性パルス加速器の開発 (2020)
  • Author(s): 田上航，石田治康，田中惟与，伊藤弘昭
  • Organizer: 電気・情報関係学会北陸支部連合大会
• [Presentation] 仮想陰極発振器の電極材料変更による放射マイクロ波の発振モードへの影響 (2020)
  • Author(s): 長谷川遼太郎，別所恒誠，伊藤弘昭
  • Organizer: 電気・情報関係学会北陸支部連合大会
• [Presentation] プラズマフォーカス装置におけるパルスイオンビームの空間強度分布に対する陽極形状依存性 (2020)
  • Author(s): 山田拓歩，佐賀野裕人，布目宇範，伊藤弘昭
  • Organizer: 電気・情報関係学会北陸支部連合大会
• [Presentation] 楕円電極を用いた反射三極管型仮想陰極発振器における電子ビームの電極形状依存性 (2020)
  • Author(s): 深田悠晴，田中稜大，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 発散型ワイヤアレイZピンチに関する研究 (2020)
  • Author(s): 高尾美陽，藤沢友暉，伊藤弘昭，竹崎太智，高杉恵一
  • Organizer: 日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] プラズマフォーカス装置を用いた高強度パルスイオンビーム特性および電極形状依存性 (2020)
  • Author(s): 布目宇範，佐賀野裕人，山田拓歩，伊藤弘昭，竹崎太智
  • Organizer: 日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] Development of bipolar pulse accelerator for high-purity intense pulsed ion beam to material processing (2020)
  • Author(s): H.Ishida, W.Tagami, Y.Tanaka, H.Ito
  • Organizer: IEEE International Conference on Plasma Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of output microwave in reflective triode virtual cathode oscillator with elliptical electrodes (2020)
  • Author(s): R.Tanaka, R.Haruki, H.Ito
  • Organizer: IEEE International Conference on Plasma Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristic evaluation of laminer atmospheric pressure plasma jet with double coaxial tube structure by direction of applied electric field (2020)
  • Author(s): K.Ishibashi, H.Ito
  • Organizer: IEEE International Conference on Plasma Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 両極性パルス加速器開発に向けたパルスイオンビームのエネルギー評価 (2020)
  • Author(s): 石田治康，寺田匡志，伊藤弘昭
  • Organizer: 令和2年電気学会全国大会
• [Presentation] 楕円電極を用いた反射三極管型仮想陰極発振器における出力マイクロ波の電極材料依存性 (2020)
  • Author(s): 田中稜大，春木亮太朗，伊藤弘昭
  • Organizer: 令和2年電気学会全国大会
• [Presentation] 二重同軸管構造を用いた層流大気圧プラズマジェットの層流ガス種による液体照射効果 (2020)
  • Author(s): 石橋一斗，渡辺和樹，西村理来・種田航大伊藤弘昭
  • Organizer: 令和2年電気学会全国大会
• [Presentation] 両極性パルス加速器の開発に向けたパルス重イオンビームの特性評価 (2020)
  • Author(s): 寺田匡志，石田治康，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] 大電力マイクロ波発生に向けた反射三極管型仮想陰極発振器の電極構造に関する研究 (2020)
  • Author(s): 春木亮太朗，田中稜大，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] 二重同軸型層流プラズマジェットによる生成物制御 (2020)
  • Author(s): 渡辺和樹，石橋一斗，西村理来，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] プラズマフォーカス装置における高強度イオンビーム特性のアノード形状依存性 (2020)
  • Author(s): 山本晃平，佐賀野裕人，高尾美陽，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度核融合科学研究所共同研究研究会
• [Presentation] 「Characteristic evaluation of pulsed heavy ion beam in bipolar pulse accelerator (2019)
  • Author(s): M. Terada, H. Ishida, H. Ito
  • Organizer: 11th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of liquid irradiation by laminar atmospheric pressure plasma jet with double coaxial glass tube (2019)
  • Author(s): K. Ishibashi, K. Watanabe, H. Ito
  • Organizer: 11th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 両極性パルス加速器の2段加速におけるパルス重イオンビームの特性評価 (2019)
  • Author(s): 寺田匡志，石田治康，伊藤弘昭
  • Organizer: 令和元年電気学会 基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] 反射三極管型仮想陰極発振器における出力マイクロ波の電力・変換効率 (2019)
  • Author(s): 春木亮太朗，田中稜太，伊藤弘昭
  • Organizer: 令和元年電気学会 基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] プラズマフォーカス装置における高強度パルスイオンビームの陽極形状依存性 (2019)
  • Author(s): 佐賀野裕人，山本晃平，高尾美陽，伊藤弘昭
  • Organizer: 令和2年電気学会全国大会
• [Presentation] トムソンパラボラ分析器を用いた両極性パルス加速器におけるイオンビームのエネルギー分析 (2019)
  • Author(s): 石田治康，寺田匡志，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度電気・情報関係学会北陸支部連合大会
• [Presentation] メチレンブルー水溶液への二重同軸管による層流プラズマジェットの照射効果 (2019)
  • Author(s): 石橋一斗，渡辺和樹，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度電気・情報関係学会北陸支部連合大会
• [Presentation] 両極性パルス加速器におけるパルス重イオンビームの特性評価 (2019)
  • Author(s): 寺田匡志，石田治康，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 非対称電極を用いた反射三極管型仮想陰極発振器におけるマイクロ波特性の評価 (2019)
  • Author(s): 田中稜大，春木亮太朗，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 大電流パルス放電を用いた高圧力水中衝撃波の圧力評価 (2019)
  • Author(s): 稲垣陽介，大澤恭平，山田拓歩，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [Presentation] 水素注入型キャピラリー放電プラズマ導波路に関する研究 (2019)
  • Author(s): 松本亮太，伊藤弘昭
  • Organizer: 2019年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会