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Understanding and control of silicon surface oxidation by supersonic molecular beams and synchrotron radiation real-time photoelectron spectroscopy

Research Project

Project/Area Number 20K05338
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
Research InstitutionJapan Atomic Energy Agency

Principal Investigator

Yoshigoe Akitaka  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 研究主幹 (00283490)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 冨永 亜希  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 技術・技能職 (50590551)
津田 泰孝  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 物質科学研究センター, 博士研究員 (50869394)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywordsシリコン / 表面酸化 / 酸素 / 吸着反応 / その場観察 / 放射光 / 光電子分光 / 表面反応ダイナミクス / 放射光分析 / ガス雰囲気 / Si表面 / 酸化 / 酸素および酸化剤 / 放射光軟X線分光 / リアルタイム観察 / シリコン酸化 / 吸着状態
Outline of Research at the Start

スマートフォンなどの情報通信機器に使われるようなトランジスター中のシリコン絶縁膜には、原子数層の高品質な酸化膜が必要であり、酸化反応の原子レベルの理解と制御(ナノテク)が必要である。本研究では、超音速酸素分子線と放射光表面分析によって、気体酸素分子によるシリコン表面酸化の理解と制御を実現する。具体的には、表面に衝突する酸素分子の並進エネルギーによる酸化物の違いをSPring-8の軟X線光電子分光および吸収分光によって詳細に捉える。酸素分子の並進エネルギーによって吸着反応パスを変えることで効率的に酸化膜を形成あるいは熱反応では不可能な新規酸化膜を活性化障壁を乗り越えることで実現することを目指す。

Outline of Final Research Achievements

The precise control and understanding of silicon (Si) oxidation are crucial for the advancement of Si-based field-effect transistors, which serve as fundamental components in information and communication technologies. This study employed synchrotron radiation photoelectron spectroscopy and supersonic oxygen molecular beams to clarify oxidation mechanisms at atomic levels. By investigating oxidation rates, valence states, surface adsorption states, interfacial strain, and electronic states under varying conditions of temperature, pressure, and doping (n/p), we elucidated the roles of released Si atoms and defects generated via oxidation as reaction sites. The reactions at defect sites where molecularly adsorbed oxygen is present were clarified. Our methodologies were applied to other reaction systems to obtain a deeper understanding of Si oxidation. Additionally, we explored process conditions for the efficient oxide film formation, to contribute to the optimization of FET performance.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

スマートフォンなどの情報通信機器は社会基盤の一つとなり、今後、IoTやAIを活用したSociety5.0社会の実現には、さらなる小型、高性能かつ省電力動作可能な半導体デバイスが必須となる。電界効果型トランジスターは演算処理や記録を担う基本素子として重要であり、その中ではシリコン酸化絶縁膜が使われている。微細化が進みその膜厚は原子数層になっており、さらなる高性能化には原子レベルの酸化反応の理解と制御が必須である。本研究は、放射光表面分析を使ってシリコン表面の酸化反応メカニズムの解明を目指した。半導体産業の重要性がアフターコロナ以降に露わとなったが、本研究は半導体基礎研究としての貢献も期待できる。

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (89 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (32 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 30 results,  Open Access: 9 results) Presentation (57 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Characterization of nitrided SiC(1-100) MOS structures by means of electrical measurements and X-ray photoelectron spectroscopy2024

    • Author(s)
      Kobayashi Takuma、Suzuki Asato、Nakanuma Takato、Sometani Mitsuru、Okamoto Mitsuo、Yoshigoe Akitaka、Shimura Takayoshi、Watanabe Heiji
    • Journal Title

      Materials Science in Semiconductor Processing

      Volume: 175 Pages: 108251-108251

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2024.108251

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    • Author(s)
      Makino Takamasa、Tsuda Yasutaka、Yoshigoe Akitaka、Dino Wilson Agerico、Okada Michio
    • Journal Title

      Applied Surface Science

      Volume: 642 Pages: 158568-158568

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2023.158568

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    • Author(s)
      Onishi Kentaro、Kobayashi Takuma、Mizobata Hidetoshi、Nozaki Mikito、Yoshigoe Akitaka、Shimura Takayoshi、Watanabe Heiji
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Issue: 5 Pages: 050903-050903

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acd1ca

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  • [Journal Article] Work function lowering of LaB6 by monolayer hexagonal boron nitride coating for improved photo- and thermionic-cathodes2023

    • Author(s)
      Hisato Yamaguchi , Ryunosuke Yusa , Gaoxue Wang , Michael T. Pettes , Fangze Liu , Yasutaka Tsuda , Akitaka Yoshigoe , Tadashi Abukawa , Nathan A. Moody , Shuichi Ogawa
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 122 Issue: 14 Pages: 141901-141901

    • DOI

      10.1063/5.0142591

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    • Author(s)
      新井太貴、吉越章隆、本橋光也
    • Journal Title

      材料の科学と工学

      Volume: 5 Pages: 153-158

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    • Author(s)
      中村孝史、山本幸男、荒川正和、丸山晃生、吉越章隆
    • Journal Title

      産業応用工学会論文誌

      Volume: 2 Pages: 109-114

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    • Author(s)
      勝部大樹,大野真也,稲見栄一,吉越章隆,阿部真之
    • Journal Title

      Vacuum and Surface Science

      Volume: 65 Issue: 11 Pages: 526-530

    • DOI

      10.1380/vss.65.526

    • ISSN
      2433-5835, 2433-5843
    • Year and Date
      2022-11-10
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  • [Journal Article] Observation of Chemisorbed O<sub>2</sub> Molecule at SiO<sub>2</sub>/Si(001) Interface During Si Dry Oxidation2022

    • Author(s)
      Yasutaka Tsuda, Akitaka Yoshigoe, Shuichi Ogawa, Tetsuya Sakamoto and Yuji Takakuwa
    • Journal Title

      e-Journal of Surface Science and Nanotechnology

      Volume: 21 Issue: 1 Pages: 30-39

    • DOI

      10.1380/ejssnt.2023-005

    • ISSN
      1348-0391
    • Year and Date
      2022-11-05
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  • [Journal Article] Roles of excess minority carrier recombination and chemisorbed O2 species at SiO2/Si interfaces in Si dry oxidation: Comparison between p-Si(001) and n-Si(001) surfaces2022

    • Author(s)
      Yasutaka Tsuda, Akitaka Yoshigoe, Shuichi Ogawa, Tetsuya Sakamoto, Yoshiki Yamamoto, Yukio Yamamoto, Yuji Takakuwa
    • Journal Title

      Journal of Chemical Physics.

      Volume: 1257 Issue: 23 Pages: 234705-234705

    • DOI

      10.1063/5.0109558

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  • [Journal Article] Quantitative Evaluation of Doped Potassium Concentrations in Stacked Tow-Layer Graphene using X-Ray Photoelectron Spectroscopy2022

    • Author(s)
      Shuichi Ogawa, Yasutaka Tsuda, Tetsuya Sakamoto, Yuki Okigawa, Tomoaki Masuzawa, Akitaka Yoshigoe, Tadashi Abukawa, Takatoshi Yamada
    • Journal Title

      Applied Surface Science

      Volume: 605 Pages: 154748-154748

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2022.154748

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  • [Journal Article] Electrical properties and energy band alignment of SiO2/GaN metal-oxide-semiconductor structures fabricated on N-polar GaN(000-1) substrates2022

    • Author(s)
      Hidetoshi Mizobata, Kazuki Tomigahara, Mikito Nozaki, Takuma Kobayashi, Akitaka Yoshigoe, Takuji Hosoi, Takayoshi Shimura, and Heiji Watanabe
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 121 Issue: 6 Pages: 062104-062104

    • DOI

      10.1063/5.0095468

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  • [Journal Article] Impact of post-nitridation annealing in CO2 ambient on threshold voltage stability in 4H-SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistors2022

    • Author(s)
      Takuji Hosoi, Momoe Ohsako, Kidist Moges, Koji Ito, Tsunenobu Kimoto, Mitsuru Sometani, Mitsuo Okamoto, Akitaka Yoshigoe, Takayoshi Shimura, Heiji Watanabe
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 15 Issue: 6 Pages: 061003-061003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac6f42

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  • [Journal Article] Impact of nitridation on the reliability of 4H-SiC(11-20) MOS devices2022

    • Author(s)
      T. Nakanuma, T. Kobayashi, T. Hosoi, M. Sometani, M. Okamoto, A. Yoshigoe, T. Shimura and H. Watanabe
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 15 Issue: 4 Pages: 041002-041002

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac5ace

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  • [Journal Article] 時空間分割角度分解AP-XPS法による多層積層薄膜界面の深さ方向解析2022

    • Author(s)
      豊田智史, 吉村真史, 住田弘祐, 三根生晋, 町田雅武, 吉越章隆, 吉川彰, 鈴木哲, 横山和司
    • Journal Title

      放射光

      Volume: 35 Pages: 200-206

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    • Author(s)
      髙桑雄二, 小川修一, 吉越 章隆
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      放射光

      Volume: 35 Pages: 158-171

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    • Author(s)
      Sumiya Masatomo、Sumita Masato、Tsuda Yasutaka、Sakamoto Tetsuya、Sang Liwen、Harada Yoshitomo、Yoshigoe Akitaka
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      Science and Technology of Advanced Materials

      Volume: 23 Issue: 1 Pages: 189-198

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      10.1080/14686996.2022.2052180

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  • [Journal Article] Comprehensive physical and electrical characterizations of NO nitrided SiO2/4H-SiC(1120) interfaces2022

    • Author(s)
      Nakanuma Takato、Iwakata Yu、Watanabe Arisa、Hosoi Takuji、Kobayashi Takuma、Sometani Mitsuru、Okamoto Mitsuo、Yoshigoe Akitaka、Shimura Takayoshi、Watanabe Heiji
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 61 Issue: SC Pages: SC1065-SC1065

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac4685

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  • [Journal Article] Oxidation Mechanisms of Hafnium Overlayers Deposited on an Si(111) Substrate2022

    • Author(s)
      Kakiuchi Takuhiro、Matoba Tomoki、Koyama Daisuke、Yamamoto Yuki、Yoshigoe Akitaka
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 38 Issue: 8 Pages: 2642-2650

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.1c02711

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  • [Journal Article] Hydrogen absorption and diffusion behaviors in cube-shaped palladium nanoparticles revealed by ambient-pressure X-ray photoelectron spectroscopy2022

    • Author(s)
      Tang Jiayi、Seo Okkyun、Rocabado David S. Rivera、Koitaya Takanori、Yamamoto Susumu、Nanba Yusuke、Song Chulho、Kim Jaemyung、Yoshigoe Akitaka、Koyama Michihisa、Dekura Shun、Kobayashi Hirokazu、Kitagawa Hiroshi、Sakata Osami、Matsuda Iwao、Yoshinobu Jun
    • Journal Title

      Applied Surface Science

      Volume: 587 Pages: 152797-152797

    • DOI

      10.1016/j.apsusc.2022.152797

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  • [Journal Article] Oxidation Reaction Kinetics on Transition Metal Surfaces Observed by Real-time Photoelectron Spectroscopy2021

    • Author(s)
      OGAWA Shuichi、ZHANG Bingruo、YOSHIGOE Akitaka、TAKAKUWA Yuji
    • Journal Title

      Vacuum and Surface Science

      Volume: 64 Issue: 5 Pages: 218-223

    • DOI

      10.1380/vss.64.218

    • NAID

      130008036890

    • ISSN
      2433-5835, 2433-5843
    • Year and Date
      2021-05-10
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  • [Journal Article] Development of <i>Spatiotemporal</i> Measurement and Analysis Techniques in X-ray Photoelectron Spectroscopy ∼From NAP-HARPES to 4D-XPS∼2021

    • Author(s)
      TOYODA Satoshi、YAMAMOTO Tomoki、YOSHIMURA Masashi、SUMIDA Hirosuke、MINEOI Susumu、MACHIDA Masatake、YOSHIGOE Akitaka、SUZUKI Satoru、YOKOYAMA Kazushi、OHASHI Yuji、KUROSAWA Shunsuke、KAMADA Kei、SATO Hiroki、YAMAJI Akihiro、YOSHINO Masao、HANADA Takashi、YOKOTA Yuui、YOSHIKAWA Akira
    • Journal Title

      Vacuum and Surface Science

      Volume: 64 Issue: 2 Pages: 86-91

    • DOI

      10.1380/vss.64.86

    • NAID

      130007985448

    • ISSN
      2433-5835, 2433-5843
    • Year and Date
      2021-02-10
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  • [Journal Article] Oxidation of Anatase TiO<sub>2</sub>(001) Surface Using Supersonic Seeded Oxygen Molecular Beam2021

    • Author(s)
      Katsube Daiki、Ohno Shinya、Takayanagi Shuhei、Ojima Shoki、Maeda Motoyasu、Origuchi Naoki、Ogawa Arata、Ikeda Natsuki、Aoyagi Yoshihide、Kabutoya Yuito、Kyungmin Kim、Linfeng Hou、Fengxuan Li、Tsuda Yasutaka、Yoshida Hikaru、Nishi Shizuka、Sakamoto Tetsuya、Inami Eiichi、Yoshigoe Akitaka、Abe Masayuki
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 37 Issue: 42 Pages: 12313-12317

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.1c01752

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    • Author(s)
      Hayashida Koki、Tsuda Yasutaka、Yamada Takashi、Yoshigoe Akitaka、Okada Michio
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 6 Issue: 40 Pages: 26814-26820

    • DOI

      10.1021/acsomega.1c04663

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    • Author(s)
      Y. Tsuda, J. S. Gueriba, T. Makino, W. A. Dino, A. Yoshigoe, M. Okada
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 3906-3906

    • DOI

      10.1038/s41598-021-82180-w

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  • [Journal Article] Surface segregation effect for prevention of oxidation in Ni‐X (X=Sn, Sb) alloy by in situ photoelectron spectroscopy2020

    • Author(s)
      T. Doi, A. Yoshigoe
    • Journal Title

      Surface and Interface Analysis

      Volume: 52 Issue: 12 Pages: 1117-1121

    • DOI

      10.1002/sia.6802

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      M. Sumiya, M. Sumita, Y. Asai, R. Tamura, A. Uedono, A. Yoshigoe
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 124 Issue: 46 Pages: 25282-25290

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      T. Kakiuchi, T. Matoba, D. Koyama, Y. Yamamoto, D. Kato, A. Yoshigoe
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      Surface Science

      Volume: 701 Pages: 121691-121691

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      Volume: 45 Issue: 28 Pages: 14347-14353

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      S. Ogawa, H. Yamaguchi, E. F. Holby, T. Yamada, A. Yoshigoe, Y. Takakuwa
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      Volume: 11 Issue: 21 Pages: 9159-9164

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      Volume: 59 Issue: SM Pages: SM0801-SM0801

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      A. Yoshigoe
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      津田泰孝、吉越章隆、小川修一、坂本徹也、山本善貴、山本幸男、髙桑雄二
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      2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] m面GaN薄膜の表面処理による化学結合状態とCV特性変化2024

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      角谷正友、津田康孝、隅田真人、中野由崇、吉越章隆
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      2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] 炭素プラズマによるカーボンナノウォールの高速合成2024

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      金田美優、森みなみ、髙橋勝國、深田幸正、吉井賢資、福田竜生、吉越章隆、小畠雅明、池田直、狩野旬、藤井達生
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      2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] DOSモデルに代わる新たなSi(001)表面酸化モデルの提案2024

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      古西 浩志、津田 泰孝、吉越章隆、高桑雄二、小川修一
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      日本表面真空学会東北・北海道支部 令和5年度学術講演会
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  • [Presentation] XPS スペクトルのNoise2Noiseデノイジングによる多層積層薄膜界面の高精度時空間深さ方向可視化2024

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      豊田 智史、吉村 真史、住田弘祐、三根生晋、吉越章隆、鈴木哲、横山和司、箕輪卓哉、小椋厚志、町田雅武
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      第29回電子デバイス界面テクノロジー研究会(EDIT29)
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  • [Presentation] Si表面酸化における酸化誘起点欠陥発生の役割の研究2023

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      古西 浩志、津田 泰孝、吉越章隆、高桑雄二、小川修一
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      第56回(令和5年度)日本大学生産工学部学術講演会
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  • [Presentation] 光電子制御プラズマによるグラフェンの化学構造制御2023

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      福田旺土、鷹林将、田中修斗、内藤陽大、山口尚登、小川修一、高桑雄二、津田泰孝、吉越章隆
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      第50回炭素材料学会年会
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  • [Presentation] 光電子制御プラズマによるグラフェンの構造制御(II)~光電子分光解析~2023

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      田中修斗、福田旺土、内藤陽大、山口尚登、小川修一、高桑雄二、津田泰孝、吉越章隆、鷹林将
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      2023年度応用物理学会九州支部学術講演会
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  • [Presentation] 光電子制御プラズマによるグラフェンの構造制御(I)~ラマン分光解析~2023

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      内藤陽大、田中修斗、福田旺土、山口尚登、小川修一、高桑雄二、津田泰孝、吉越章隆、鷹林将
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      2023年度応用物理学会九州支部学術講演会
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      Masatomo Sumiya, Yasutaka Tsuda, Masato Sumita, and Akitaka Yoshigoe
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      14th International Conference on Nitride Semiconductors 2023 (ICNS-14)
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      Shuichi Ogawa、Ryunosuke Yusa、Gaoxue Wang、Michael T. Pettes、Fangze Liu、Yasutaka Tsuda、Akitaka Yoshigoe、Tadashi Abukawa、Nathan A. Moody、Hisato Yamaguchi
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      TACT2023 International Thin Films Conference
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  • [Presentation] Analysis of activation and deterioration mechanism of Ti-Zr-V NEG coating by XPS2023

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      Junichiro Kamiya、Kazuhide Abe、Masaaki Kobata、Yasutaka Tsuda、Tatsuo Fukuda、Shinichi Fujimori、Yuko Morohashi、Ippei Yamada、Akitaka Yoshigoe
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      Annual Meeting of the Japan Society of Vacuum and Surface Science 2023 (JVSS2023)
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      Annual Meeting of the Japan Society of Vacuum and Surface Science 2023 (JVSS2023)
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      Susumu Takabayashi、Akito Fukuda、Shuto Tanaka、Haruhiro Naito、Hisato Yamaguchi、Shuichi Ogawa、Yuji Takakuwa、Yasutaka Tsuda、Akitaka Yoshigoe
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      Annual Meeting of the Japan Society of Vacuum and Surface Science 2023 (JVSS2023)
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      Akito Fukuda、Haruhiro Naito、Shuto Tanaka、Hisato Yamaguchi、Shuichi Ogawa、Yuji Takakuwa、Yasutaka Tsuda、Akitaka Yoshigoe、Susumu Takabayashi
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      International Symposium on Innovative Engineering 2023 (ISIE2023)
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      福田旺土、鷹林将、内藤陽大、田中修斗、山口尚登、小川修一、高桑雄二、津田泰孝、吉越章隆
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      2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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