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耐熱・耐放射線真空電子デバイスの動作電圧低減による安定性確保と長寿命化

研究課題

研究課題/領域番号 21H01860
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分31010:原子力工学関連
研究機関京都大学

研究代表者

後藤 康仁  京都大学, 工学研究科, 准教授 (00225666)

研究分担者 長尾 昌善  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 (80357607)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2023年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2022年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2021年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
キーワードフィールドエミッタアレイ / 耐熱・耐放射線 / 電子デバイス / 窒素組成 / 仕事関数 / 窒化ハフニウム / Volcano構造フィールドエミッタアレイ / 仕事関数制御
研究開始時の研究の概要

原子炉や放射線施設において利用することのできる、高温・高線量率放射線環境下において安定・長時間動作可能な電子デバイスの実現を目指して微小真空電子デバイスを取り上げる。陰極に窒化ハフニウムを用い、窒素組成制御による仕事関数の最適制御を行って動作電圧の低下を行う。組成制御された窒化ハフニウムを陰極とする微小真空電子デバイスの作製技術を確立するとともに、陰極と対向電極の間の絶縁層に、漏れ電流を低減、放電を抑制する新たな素子構造を導入する作製プロセスを開発する。以上の技術を組み合わせた微小真空電子デバイスを作製し、放射線環境下ないしは高温下における動作試験を行って、デバイスの性能を評価する。

研究成果の概要

放射線環境や高温で利用できる電子デバイスの実現を目指して、真空デバイスであるフィールドエミッタアレイの陰極材料を検討した。窒化ハフニウム薄膜の窒素組成と仕事関数、結晶構造・結晶性、電気抵抗率、硬度等の諸物性を評価し、窒素組成と物性の関係を明らかにした。また、この薄膜を用いたフィールドエミッタアレイの作製方法を検討した。作製に先立ち三層構造からなる絶縁体の絶縁性を評価し、フィールドエミッタアレイを実際に作製してその電子放出特性を評価した。また耐放射線電子デバイスとしての応用を確かめるために増幅回路や発振回路の試作やガンマ線照射下における動作特性測定の検討などを行った。

研究成果の学術的意義や社会的意義

福島第一原子力発電所の廃炉作業などの放射線環境下で動作する可能性のある電子デバイスとして期待される電界放出型の電子源、すなわちフィールドエミッタアレイの性能向上に取り組んだ。陰極材料の窒化ハフニウムの窒素組成と膜物性の関係を明らかにしたことは学術的に価値が大きい。また、実施に窒化ハフニウムを陰極とするフィールドエミッタアレイを作製することができたこと、フィールドエミッタアレイを用いた増幅回路等の動作を確認したことは、今後本研究の耐放射線電子デバイス・回路実現への大きな一歩となる。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Electron Emission Characteristics of Field Emitter Arrays Coated with Over-Stoichiometric Hafnium Nitride2023

    • 著者名/発表者名
      Osumi Tomoaki、Hori Ryosuke、Nagao Masayoshi、Murata Hiromasa、Gotoh Yasuhito
    • 雑誌名

      2023 IEEE 36th International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC)

      巻: - ページ: 172-173

    • DOI

      10.1109/ivnc57695.2023.10189004

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] 直流および高周波マグネトロンスパッタ法により成膜した窒化ハフニウム薄膜の仕事関数の測定2022

    • 著者名/発表者名
      大住知暉、長尾昌善、後藤康仁
    • 雑誌名

      電子情報通信学会 技術研究報告

      巻: 122(298) ページ: 15-17

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 反応性スパッタ法により成膜した窒化ハフニウム薄膜の耐酸化性の窒素組成依存性2024

    • 著者名/発表者名
      大住知暉、長尾昌善、後藤康仁
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 真空トランジスタを用いたウィーンブリッジ発振回路の試作2024

    • 著者名/発表者名
      堀良輔、大住知暉、長尾昌善、村田博雅、後藤康仁
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Appropriate proton energy in non-Rutherford backscattering spectrometry for analysis of nitrogen composition of transition metal nitirde thin films on silicon substrate2023

    • 著者名/発表者名
      Yasuhito Gotoh and Tomoaki Osumi
    • 学会等名
      26th International Conference on Ion Beam Analysis and 18th International Conference on Particle Induced X-ray Emission
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 真空トランジスタの集積化へ向けた二段増幅回路の動作実証2023

    • 著者名/発表者名
      堀良輔、大住知暉、長尾昌善、村田博雅、後藤康仁
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 真空トランジスタを用いた二段増幅回路の可能性の検討2023

    • 著者名/発表者名
      堀良輔、大住知暉、長尾昌善、村田博雅、後藤康仁
    • 学会等名
      電子情報通信学会電子デバイス研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 微小電子源を用いた光検出素子のガンマ線照射下における特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      後藤康仁、根尾陽一郎、佐藤信浩、長尾昌善、岡本保
    • 学会等名
      第58回複合原子力科学研究所学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 反応性スパッタ法により成膜した窒化ハフニウム薄膜の加熱による仕事関数低下量の評価2023

    • 著者名/発表者名
      大住知暉、長尾昌善、後藤康仁
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Crystal orientations of hafnium nitride thin films prepared at different positions by rf magnetron sputtering2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Osumi and Yasuhito Gotoh
    • 学会等名
      The 22nd International Vacuum Congress
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 反応性スパッタ法により成膜した窒化ハフニウム薄膜の仕事関数の窒素組成依存性2022

    • 著者名/発表者名
      大住知暉、長尾昌善、後藤康仁
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 直流および高周波マグネトロンスパッタ法により成膜した窒化ハフニウム薄膜の仕事関数の測定2022

    • 著者名/発表者名
      大住知暉、長尾昌善、後藤康仁
    • 学会等名
      電子情報通信学会 電子デバイス研究会 電子・イオンビーム応用
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高周波マグネトロンスパッタにより成膜した窒化ハフニウム薄膜の結晶配向性の成膜時の基板位置依存性2021

    • 著者名/発表者名
      大住知暉、後藤康仁
    • 学会等名
      2021 日本表面真空学会 学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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