2021 Fiscal Year Annual Research Report
層状金属/半導体結晶界面で実現するIoT向け耐環境エレクトロニクス
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20H02611
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
原田 尚之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 独立研究者 (90609942)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 薄膜ヘテロ構造 / 酸化物 / デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで、半導体デバイスは室温・大気中で用いられることが前提だった。一方で、IoT社会では半導体デバイスの動作環境は必ず多様化する。例えば、電気自動車、工業プラントのセンサーや制御系では、半導体デバイスは数100℃の高温にさらされ、この過酷な温度環境下で安定に動作する必要がある。海底や地中などの自然環境では、腐食せず長期間動作しなければならない。原子炉や航空宇宙用途では強力な放射線に曝される。しかしながら、現在主流のシリコンデバイスでは、シリコンのバンドギャップ1.1 eVに由来して、200℃を超える温度での動作は原理的に不可能である。加えて、高温や放射線下ではデバイスの重要な構成要素である金属電極の酸化や原子拡散・欠陥生成による劣化が深刻な問題となる。したがって、過酷な環境での安定動作を実現するには、シリコンに代わるバンドギャップの大きな半導体（ワイドギャップ半導体）に、高温で安定な金属電極を結合してデバイスを構築する必要がある。IoTで急速に多様化する用途に対応するために、「耐環境デバイス」の開発が急務である。
今年度は、スパッタリング法によりデラフォサイト型金属薄膜を作製することに成功した。X線回折により、ｃ軸配向した薄膜を作製できていることが確認された。電気抵抗の温度依存性より、低温まで高い電気伝導度が保たれることを確認した。半導体基板との積層により、界面のショットキー接合形成を確認し、基礎的な電気伝導性の評価を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
昨年度、研究代表者の異動により所属が変わり、実験環境の整備に時間を要したが、無事、スパッタ装置、評価装置の立ち上げ、クリーンルームでのリソグラフィー設備へのアクセスなど、実験に必要な環境は整った。今年度は、特にスパッタ法での薄膜作製技術の開発に注力した。様々な条件下で薄膜を作製することにより、サファイヤ基板上にｃ軸配向した薄膜を作製することができた。薄膜の物性・構造は、室温から低温での電気特性評価、X線回折、原子間力顕微鏡で評価した。今後、透過型電子顕微鏡で薄膜の断面構造を詳細に観察する予定である。また、半導体基板上への薄膜の作製やデバイスの試作を行った。研究計画全体で考えると、デバイスの評価と新規デラフォサイト薄膜の作製は予定通りかそれ以上に進展し、薄膜の大面積化は予定通りの進捗といえる。全体では、当初の計画以上に進展していると考えてよいと思われる。特に、本課題で目標としていた、スパッタ法によるデラフォサイト型金属薄膜の作製に成功したことは大きな進展といえる。従来は、パルスレーザー堆積法による薄膜作製であったが、応用上重要な大面積化には向いていなかった。スパッタ法は、産業界でも広く用いられている手法であり、デラフォサイト型金属薄膜の応用に向けた重要な進展だと考えられる。最終年度は、デバイス開発に注力する。今後取り組むべきことは非常に明確であり、最終年度でデラフォサイト型薄膜の応用につながる成果を創出したい。
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| Strategy for Future Research Activity |
スパッタ法で作製した薄膜を利用して、PdCoO2/β-Ga2O3などのダイオードやトランジスターの作成に取り組む。企業や他の研究機関との協力を探索しながら、応用を目標に研究を進める。また、デバイスの高温など様々な環境下での動作・耐久性の実証に取り組む。デラフォサイト型金属薄膜自体の結晶品質向上は、デバイス界面の耐久性やデバイス特性の向上に重要である。現状の薄膜は、ｃ軸配向であるが、面内180°回転ドメインのある双晶である。今後、薄膜成長方法を工夫して、面内180°回転ドメインの形成を抑制し、デラフォサイト型金属薄膜を単結晶化する方法を確立したい。
さらに、様々な半導体基板へのデラフォサイト型酸化物薄膜作製に取り組む。ダイオードやトランジスターやｐ型半導体へのオーミックコンタクト形成など、応用上重要な課題に取り組む。これまで薄膜作製例のない、PdCoO2以外の様々なデラフォサイト型層状金属の薄膜化にも取り組む。
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