2014 Fiscal Year Annual Research Report
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25286050
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
藤田 静雄 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20135536)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 環境材料 / 結晶成長 / 省エネルギー / 電子デバイス・機器 / 多機能デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「単結晶」酸化物半導体の薄膜および多層構造により、デバイス応用につながる新しい光・電子・磁気融合機能を創成することを目的とする。豊富な資源に支えられた元素を用いることと、「バンドギャップエンジニアリングと「機能エンジニアリング」の融合という新しい概念を基礎とする。成長には、安全な原料が利用でき、装置が簡単な「ミストCVD法」を用いる。これにより、環境に優しいことを特徴とする酸化物半導体によって新しい機能デバイスを実現するとともに、成長から廃棄までのプロセスにおける安全・安心・省エネルギーを達成し、地球環境に優しい半導体技術の開拓に寄与する。
平成26年度の研究では、ミストCVD法による残留不純物のいっそうの減少を図るとともに、トランジスタ動作を実証することを目指した。得られた成果の概要は以下のとおりである。
(i) 新構造、新材質の霧化部およびサセプタを導入し、また配管部の構造を改良することによって、alpha-Ga2O3薄膜のドナドーピングを10{18} cm-3台で制御することが可能となった。また10{17} cm-3台のドナ密度も達成した。
(ii) サファイア基板上の高品質alpha-Ga2O3薄膜を用いて、(Al,Ga)2O3/Ga2O3ヘテロ構造を作成し、界面特性の評価からタイプI型のバンド不連続を持つこと、伝導帯側のバンドオフセットが大きいことを明らかにした。A2O3/Ga2O3 MOSFETを試作して、ゲート電圧によるドレイン電流の変調に成功した。
(iii) デバイスの特性向上には移動度の上昇が必要であることから、In2O3をベースとしたMOSFETを試作し、トランジスタ動作を実証した。チャネルにおける有効移動度は217 cm2/Vs、オンオフ比は10{6}、耐圧は70Vと、初期のデバイスとしては今後につながる特性であった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成26年度の研究では、alpha-In2O3薄膜を用いて世界初といえるコランダム構造酸化物MOSFETの動作を実証したことが計画以上の成果であったと考えている。他方、alpha-Ga2O3薄膜における10{17} cm-3台でのドナドーピング制御を計画していたが、これが10{18} cm-3台に留まっていることが、計画に比べてやや達成度が低い点であると言える。しかし10{17} cm-3台の資料が得られており、またバッファ層の導入でドーピングの精度を高め移動度を上昇させる技術を発案したことから、今後に向けた解決策を得ることができたと言える。平成27年度の研究では、MOSFETに限らず、機能エンジアリングによる材料の機能創成と応用に向けた研究の実施が予定どおりに行える見通しを得ており、所期の目標完遂は可能であると考えている。以上の研究経過から、達成度を上記のとおり自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度には、alpha-In2O3薄膜を用いたMOSFETの特性向上を第一に行う。alpha-In2O3のバンドギャップはGaNやSiCのバンドギャップより大きいことから、より大きいバンドギャップの材料を用いてトランジスタの耐圧を上げるという目的には十分かなっていると考えられる。研究開始当初はalpha-Ga2O3薄膜を用いたMOSFETの作製を大きな目標としていたが、alpha-In2O3のバンドギャップでも十分大きく、また移動度が大きいという特徴が明確にされたため、両者を並列させる形で機能創成に取り組みたいと考えている。その上で、バンドギャップエンジニアリングに加え機能エンジニアリングにより材料の機能創成と応用を図る。材料探索によりセレンディピティを得ることを観点に研究を進める。具体的な例を以下に示す。(i) alpha-(Al,Ga,In)2O3薄膜と同じコランダム型結晶構造を持ち、格子定数の近い遷移金属酸化物との混晶化(機能エンジニアリング)を行う。これにより酸化物半導体に新しい機能を付与することを目指す。遷移金属酸化物としては、Cr2O3、Fe2O3など磁性金属を含むものを検討し、スピンエレクトロニクスへの応用に向かう半導体薄膜を実証する。さらに、上記FET技術との融合でスピン注入とスピントランジスタ動作を達成する。(ii) 遷移金属酸化物としてFe3O4に着目し、その高品質化と界面特性に優れたFe3O4/MgO/Fe3O4トンネル接合の磁気抵抗効果の測定を行う。(iii) 研究結果および研究調査で得られた新しい知見をもとに、新しい機能を持つと期待される酸化物薄膜の設計指針を明らかにする。
以上の得られた結果を取りまとめることで、本研究成果を将来の新しい学術分野の創成につなげてゆく。
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| Causes of Carryover |
本研究では、薄膜の高品質化および新しい酸化物薄膜の成長のために、得られた結果をもとに装置の改良を行いながら研究を推進して行くものである。平成26年度には原料供給部の改良を行ったが、キャリアガスの種類・流量や部品の材質を最適なものとするためには、利用する多様な原料の特性に対応しうるよう多角的な面から検討を行う必要があることが明確になった。他方、平成27年度には新しいコランダム型構造酸化物薄膜の成長を行う予定であり、ここに多様な原料を利用する。そのため、平成26年度中に原料供給部の改良をすべて行うことをやめ、平成27年度の実験と並行して進めることが研究の効果的な推進にとってより適切であることが明らかになった。そこで平成26年度に計画していた原料供給部の改良の一部の実施を断念して平成27年度に実施することにした。この部分が次年度の使用額として残った。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度に用いる新しい原料の種類とそれらの化学的性質を明らかにした後、次年度使用額として残った経費を用いて、これら新しい原料にも対応しうるよう原料供給部の改良を行う。これにより研究の最終段階にまで対応しうる原料供給部を実現することができ、研究の効果的な推進と質の向上がもたらされるものと考えている。
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