| 研究課題/領域番号 |
21H01860
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
後藤 康仁 京都大学, 工学研究科, 准教授 (00225666)
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| 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)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 窒化ハフニウム / 窒素組成 / 仕事関数 / Volcano構造フィールドエミッタアレイ |
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| 研究実績の概要 |
窒化ハフニウム薄膜の窒素組成制御を実現するために、既存のスパッタ装置にマスフローコントローラおよび隔膜真空計を導入して反応性スパッタ成膜を可能とする改造を行った。当該装置よりも低い圧力まで真空排気の可能な装置に上記システムを設置し、アルゴン、窒素の流量と圧力の関係、ガスの純度等を調べ、問題のないことを確認した。また上記改造と並行して、窒化物ターゲットをスパッタする方法で窒化ハフニウム膜を作製し、成膜条件や基板位置による薄膜物性の違いを調べた。プロトン後方散乱シミュレータを窒化ハフニウム薄膜の組成、不純物分析に適用し、分析上の課題を明らかにした。作製した薄膜の結晶性をエックス線回折により分析し、成膜時の基板位置により薄膜の配向性に差異が生じることを明らかにした。
振動容量法の装置を用いて過去に成膜した各種窒化物の仕事関数を評価し、今後作製する薄膜の仕事関数評価が可能であることを確認した。
超高真空中で、300℃程度まで加熱しながら電子放出特性を測定できる評価系を構築した。FEAの試作に先立って、単層の絶縁膜、二層の絶縁膜（SiN/SiO2）、三層の絶縁膜（SiN/SiO2/SiN）構造を作成し、その上に、電極のみを配置した素子と、電極とFEAを模擬した微小穴構造を有する素子を作製し室温と200℃でそのリーク特性を評価した。微小孔を有する構造の方が、リーク電流が一桁程度高くなることを明らかにした。一方、絶縁層を三層にしてもリーク電流は単層のものと変わらないことも明らかとなった。
これまで試作可能であった単層の絶縁層を有するvolcano構造のフィールドエミッタアレイ（FEA）に加え、二層の絶縁層、三層の絶縁層を有するFEAを作製する技術を確立した。
最終年度までに実施する放射線環境下における電子源の動作特性評価のために必要な真空容器・測定系の準備も開始した。
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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
スパッタ装置の改造はほぼ完了しており、この後すぐにでも成膜に入ることができるところまで準備ができている。作製した薄膜の評価技術（プロトン後方散乱、エックス線回折、仕事関数計測）も準備が整っており、作製した薄膜の物性評価も可能となっている。
多層の絶縁膜構造を用いたFEA作製技術も確立し、昇温時の絶縁体の特性の評価も始めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
改造したスパッタ装置により、反応性スパッタを利用して窒化ハフニウムを作製する。アルゴン流量に対して窒素流量を変化させて窒素組成の異なる窒化ハフニウム薄膜を作製し、その薄膜物性、特に仕事関数を振動容量法により評価する。
2021年度に開発した、二層構造および三層構造のFEAの作製プロセスを用いて、京都大学が開発する窒化ハフニウムのコーティングを導入したFEAを試作する。試作したFEAの電流電圧特性を評価し、電子源材料の効果や、絶縁膜の効果を検証する。
以上と並行して高温・ガンマ線照射下において電子放出特性を評価できるシステムを構築する。
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