| 研究課題/領域番号 |
20H05649
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| 研究種目 |
基盤研究(S)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
大区分C
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
寒川 誠二 東北大学, 流体科学研究所, 特任教授(客員) (30323108)
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| 研究分担者 |
大堀 大介 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (00839293)
福山 敦彦 宮崎大学, 工学部, 教授 (10264368)
野村 政宏 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10466857)
太田 裕之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (70356640)
遠藤 和彦 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (60392594)
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| 研究期間 (年度) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
195,000千円 (直接経費: 150,000千円、間接経費: 45,000千円)
2024年度: 41,470千円 (直接経費: 31,900千円、間接経費: 9,570千円)
2023年度: 41,470千円 (直接経費: 31,900千円、間接経費: 9,570千円)
2022年度: 41,470千円 (直接経費: 31,900千円、間接経費: 9,570千円)
2021年度: 48,360千円 (直接経費: 37,200千円、間接経費: 11,160千円)
2020年度: 22,230千円 (直接経費: 17,100千円、間接経費: 5,130千円)
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| キーワード | 無欠陥ナノピラー複合材料 / フォノン場制御 / 高移動度半導体素子 / フォノンバンド / エレクトロンバンド / 無欠陥ナノ周期構造 / ナノスケールサーマルマネジメント / 無欠陥ナノ周期構造複合材料 / ナノスケールサーマルマネージメント / 無欠陥周期ナノ構造 / 高移動度半導体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
独自技術であるバイオマスクと無損傷中性粒子ビーム加工の組み合わせで形成される周期的で無欠陥なサブ10nm径の半導体ナノピラーをマトリックス材料で埋め込んだ複合構造を作製する。作製されたナノピラー複合構造に対して新たに開発したナノメートルオーダー計測技術と理論的計算を適用し、材料やナノピラーサイズ、間隔がフォノン生成・輸送特性制御に有効であることを実験的・理論的解析から初めて明らかにする。得られた知見をもとに本質的にキャリアのフォノン散乱を極限まで抑えたナノピラー複合構造を設計し、同構造をトランジスタチャネルに採用することで革新的な高移動度半導体素子を実現する。
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| 研究実績の概要 |
研究代表者・東北大・寒川GrはSi NP構造を埋め込むためのSiGeに対して着目し、成長させる際の基板表面がSiまたはSiO2によって、歪み・緩和の観点から膜質評価と表面粗さの違いを調査した。その結果、成長表面の違いが成長後の表面粗さに大きな影響があることがわかり、さらに結晶性や転位密度が変化することがわかった。さらに、SiGe再成長において、キャリアガスである水素の高純度化がSiGe膜への結晶性を左右させることが示唆された。これは、Si NPをSiGeで埋め込み後に、複合膜構造全体の電子・正孔移動度へ影響することが予想される重要な知見となった。これらの知見から、最終年度へ向けたデバイス構造の試作を開始した。研究分担者・産総研・太田(旧遠藤)Grは、SiGe/Si構造に対してデバイス試作を行い、ゲート絶縁膜、ゲート電極形成、およびアニール条件を検討した。その結果、平坦膜と併せてSiGe/Siトランジスタの作製に成功した。研究分担者・東京大学・野村Grは、フォノニック結晶系におけるフォノン輸送計算を継続し、フォノン散乱界面の間隔を制御することによるフォノンの振る舞いを明らかとした。さらに、フォノニック結晶中における電子-フォノン散乱を含んだ電子輸送の計算モデル構築を開始した。研究分担者・宮崎大学・福山Grは、ナノオーダーステージを自動制御することで検出レーザー照射位置を移動させることで、キャリア・熱伝導の両方の観点から、寒川Grによって作製したSi NP/SiGe複合膜のキャリアライフタイムの違いが、Si NPの間隔によって変化することが明らかとなった。さらに、電場印可を行った試料に対してレーザーヘテロダイン法を用いて評価ができるようになった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
フォノン/エレクトロンバンド制御を行った高移動度半導体素子の作製という目標に対して、順調に必要な項目の最適化が進められていると考える。Si NP構造およびSiGe埋め込みに関して、作製条件の最適化は概ね済んだと言える。デバイス作製へ向けた各種条件も抑えられ、複合膜構造への評価方法においても問題ない。とりわけ、キャリアの振る舞いと熱伝導をベースに、さらには電圧印可を同時に行うことで、キャリアがチャネルを伝搬する時の熱を測定できる可能性が出てきており、腹蔵膜構造のデバイス評価手法として非常に期待できる。さらに、電子-フォノン相互作用を含んだ計算モデル作製にも着手しており、最終年度へ向け、複合膜構造をデバイス試作し、評価を行えるとして、おおむね順調に発展できていると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
東北大学・寒川Grはデバイス化へ向けて、埋め込み材料であるSiGeが重要である事が明らかとなったため、実際にSi NP構造へ埋め込む際にNP表面の状態を制御し、デバイス化へ向けてSi NP/SiGe複合膜の作製を行う。具体的には、SiGe成膜装置のキャリアガスの高純度化を行うことで、膜質の向上を目指す。産総研・太田Grは寒川Grによって作製されたSi NP/SiGe複合膜を用いて、前年度までのCMPによる平坦化およびSiGe/Si膜を用いたデバイス試作を通じて、複合膜構造のMOSを作製する。東京大学・野村Grは、Si NP/SiGe複合膜に対してナノ構造とSiGe間で起こるフォノン輸送計算を通じて、電子-フォノン相互作用を含んだ電子散乱のモデル開発を進める。宮崎大学・福山Grは、レーザーヘテロダイン法を用いて寒川Grによって作製された最適化の進んだ複合膜の測定、およびSiGe単相膜の測定を進める。さらに、電場印可中の材料において、キャリアがどのように伝搬し、フォノンがどこまで輸送されるのかという課題に関して、調査を進める。
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| 評価記号 |
中間評価所見 (区分)
A-: 研究領域の設定目的に照らして、概ね期待どおりの進展が認められるが、一部に遅れが認められる
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