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ナノビームX線回折による半導体デバイスの4次元断層解析

研究課題

研究課題/領域番号 23K26141
補助金の研究課題番号 23H01447 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分21050:電気電子材料工学関連
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構 (2024)
大阪大学 (2023)

研究代表者

林 侑介  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 電子・光機能材料研究センター, 主任研究員 (00800484)

研究分担者 今井 康彦  公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (30416375)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)
2025年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2023年度: 12,740千円 (直接経費: 9,800千円、間接経費: 2,940千円)
キーワード半導体 / 放射光 / オペランド計測 / 歪 / ナノビームX線回折 / 断層解析 / 半導体デバイス
研究開始時の研究の概要

本研究では、単結晶半導体デバイスの新たな解析手法として、ナノビームX線回折(nanoXRD)を利用した4次元断層解析「4D-nanoXRD」を開発する。本手法を用いてデバイス動作下の試料を3次元空間分解+時間分解の4次元でXRD測定することに挑戦する。さらに、4次元のXRDスペクトルを分析するための人工知能解析モデルを開発する。これにより、膨大なデータに基づいた潜在的な物理現象の予測を目指す。加えて、データ解析のボトルネックとなっている長時間の解析時間を短縮することで、物理現象の速やかな理解に結びつける。

研究実績の概要

本研究では、単結晶半導体デバイスの新たな解析手法として、ナノビームX線回折(nanoXRD)を利用した4次元断層解析「4D-nanoXRD」を開発する。本手法を用いてデバイス動作下の試料を3次元空間分解+時間分解の4次元でXRD測定することに挑戦する。さらに、4次元のXRDスペクトルを分析するための人工知能解析モデルを開発する。これにより、膨大なデータに基づいた潜在的な物理現象の予測を目指す。加えて、データ解析のボトルネックとなっている長時間の解析時間を短縮することで、物理現象の速やかな理解に結びつける。
本年度は、放射光施設SPring-8 BL13XUを利用して、3D-および4D-nanoXRD計測の測定系構築と初期的測定に挑戦した。研究分担者【今井】が測定系構築を主導し、研究代表者【林】が各種試料の測定を進める体制となっている。まず、ナノビームX線、nanoXRD differential aperture(NXDA)機構、電気信号印加機構を組み合わせ、測定光学系の構築を行った。プローブポジショナを設置できる試料台を作製し、ソース・メジャー・ユニット(SMU)、オシロスコープ等と電気配線を繋ぐことでデバイス動作下でのnanoXRD測定を実現できることを確認した。続いて、NXDA法による試料座標上の3次元走査が最大限に発揮できる半導体デバイス試料として、深紫外UV-B波長レーザーダイオード(LD)、GaN PN接合ダイオード(PND)を選定して測定を実施した。いずれの試料においても回折を確認し、空間分解測定・オペランド測定に成功した。

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

まず、LDについては、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)を利用したLDの深紫外UV-B波長(280-320 nm)における発振動作は、名城大学・三重大学によって2020年に世界で初めて実現された。さらなる性能向上に向けて、周期ナノ構造が誘起する歪・欠陥の複雑な分布がLD特性に与える影響を解明することが急務となっている。そこで、周期ナノ構造が誘起する歪・欠陥の分布を3次元断層解析し、基板/薄膜界面から試料表面に至るまでの結晶成長モードの挙動を評価した。この結果、ナノパターン加工AlNに由来する気孔が上層の歪・欠陥・組成に大きな影響を与えることが明らかになった。さらに解析・考察を深めることで、歪・欠陥分布とLD性能の関係性の解明が期待される。
続いてPNDでは、酸化物気相成長法(OVPE)で結晶成長したGaN基板上のPNDがパナソニック・法政大学・大阪大学によって2021年に報告され、極めて低いオン抵抗動作が報告されている。新しい結晶成長法であるOVPEを利用したPNDを実用化するには、絶縁破壊の原因となるキラー欠陥の特定が必須となっている。そこでまず、エミッション顕微鏡・多光子励起フォトルミネッセンスによる観察で特定したキラー欠陥・貫通転位位置に注目して、電圧を印加したデバイス動作下でnanoXRD測定を行った。その結果、デバイス電圧に応じて変化する逆圧電効果、欠陥歪、熱膨張歪の分布を可視化することに成功した。解析をさらに深めることで、キラー欠陥が誘起する歪挙動の特徴抽出に挑戦する。

今後の研究の推進方策

これまで進めてきたnanoXRD測定について、さらに高信頼性・高精度な測定結果を得られるように測定条件を吟味し、最終目標である4D-nanoXRDを通じた物理現象の解明に挑戦する。加えて、本手法を様々な材料・デバイス系に応用することで、汎用性・拡張性の向上に向けた改善を進める。さらに、測定で得られた大規模なスペクトルデータを解析するための機械学習プログラムを実装する。並行して、デバイスシミュレータ、透過電子顕微鏡(TEM)、ラマン分光、多光子励起フォトルミネッセンス(MPPL)、カソードルミネッセンス(CL)、導電性原子間力顕微鏡(C-AFM)といった測定で多角的なクロスチェックを行う。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Local strain distribution analysis in strained SiGe spintronics devices2024

    • 著者名/発表者名
      Onabe Tomoki、Wu Zhendong、Tohei Tetsuya、Hayashi Yusuke、Sumitani Kazushi、Imai Yasuhiko、Kimura Shigeru、Naito Takahiro、Hamaya Kohei、Sakai Akira
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 63 号: 2 ページ: 02SP61-02SP61

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad18ce

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Conduction mechanism of Schottky contacts fabricated on etch pits originating from single threading dislocation in a highly Si-doped HVPE GaN substrate2023

    • 著者名/発表者名
      Sato Toshikazu、Hamachi Takeaki、Tohei Tetsuya、Hayashi Yusuke、Imanishi Masayuki、Usami Shigeyoshi、Mori Yusuke、Sakai Akira
    • 雑誌名

      Materials Science in Semiconductor Processing

      巻: 167 ページ: 107778-107778

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2023.107778

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] OVPE-GaN基板上縦型パワーデバイスのその場ナノビームX線回折2024

    • 著者名/発表者名
      林 侑介、藤平 哲也、隅谷 和嗣、今井 康彦、木村 滋、宇佐美 茂佳、今西 正幸、森 勇介、分島 彰男、渡邉 浩崇、新田 州吾、本田 善央、天野 浩、酒井 朗
    • 学会等名
      2024年第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] Three-dimensional tomographic analysis of AlGaN-based UV-B wavelength laser diodes2023

    • 著者名/発表者名
      S. Taniguchi, Y. Hayashi, T. Tohei, K. Sumitani, Y. Imai, S. Kimura, M. Iwaya, H. Miyake, and A. Sakai
    • 学会等名
      The 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Machine Learning Assisting NanoXRD Based Analysis on HVPE GaN Structure2023

    • 著者名/発表者名
      Z. D. Wu, Y. Hayashi, T. Tohei, K. Sumitani, Y. Imai, S. Kimura, and A. Sakai
    • 学会等名
      The 14th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-14)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Local strain distribution analysis in strained SiGe spintronics devices2023

    • 著者名/発表者名
      T. Onabe, Z. D. Wu, T. Tohei, Y. Hayashi, K. Sumitani, Y. Imai, S. Kimura, T. Naito, K. Hamaya, and A. Sakai
    • 学会等名
      2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] AlGaN系UV-B波長レーザダイオードの深さ分解ナノビームX線回折2023

    • 著者名/発表者名
      谷口 翔太、林 侑介、藤平 哲也、隅谷 和嗣、今井 康彦、木村 滋、岩谷 素顕、三宅 秀人、酒井 朗
    • 学会等名
      2023年第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] 歪みSiGeスピントロニクスデバイスにおける局所歪み分布解析2023

    • 著者名/発表者名
      尾鍋 友毅、武 振東、藤平 哲也、林 侑介、隅谷 和嗣、今井 康彦、木村 滋、内藤 貴大、浜屋 宏平、酒井 朗
    • 学会等名
      2023年第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

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公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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