徳光研究室 徳光 永輔 教授

Photo: 徳光 永輔 教授

〈専門分野〉固体電子工学、半導体デバイス、電子材料
〈キーワード〉グリーンイノベーション、デバイス物理、半導体物性、電子デバイス

次世代酸化物電子デバイスと作製プロセスの研究

研究内容

 本研究室では、「酸化物半導体、高誘電率絶縁体、強誘電体などの酸化物機能性材料を駆使して、従来よりも高機能・高性能な電子デバイス、または従来にない新しい電子デバイスを創成すること」をモットーに、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタと不揮発性メモリの研究を行っています。本研究室では、材料の物理的性質の理解と人工的物性制御といった材料研究から、実際に素子を試作して動作検証するデバイス研究(または簡単は集積回路作製)、さらに低環境負荷の新しいデバイス作製プロセスの研究を行っています。

1.大電荷制御電界効果型トランジスタ

 強誘電体のP-E特性を見ると、強誘電体という材料は不揮発性メモリ機能の他に、低電界において巨大な電荷量を誘起できることに気づかされます。シリコンMOSFETのゲート絶縁膜に用いられるSiO2では、10MV/cmの電界印加時に3.5μC/cm2の電荷量が誘起されるのに対し、強誘電体では、0.5MV/cm程度の印加電界で50μC/cm2もの電荷量を誘起できます。本研究室では、この強誘電体の巨大電荷制御能力を利用して導電性チャネルを制御するトランジスタの新しいコンセプトを提唱しています。一例として透明導電膜のインジウム・スズ酸化物(ITO)をチャネルに用いてトランジスタを試作し、良好なトランジスタ特性を得ることに成功しています(図1)。 さらに透明な強誘電体ゲート薄膜トランジスタ(図2)や、有機強誘電体材料であるP(VDF/TrFE)と無機材料のアモルファス酸化物半導体(In-Ga-Zn-O)を組み合わせたフレキシブルな不揮発性メモリ素子(図3)の作製に成功しています。

2.サブ10nmチャネルを目指した次世代酸化物電子デバイス

 現在のシリコン集積回路は、その基本素子であるMOSFETの微細化により発展してきました。現在ではMOSFETのチャネル長は20nm台に達しようとしています。本研究室ではさらにその先の次世代を担う、10nm以下のチャネル長のデバイスをターゲットとしています。しかもシリコンではなく酸化物半導体での実現を目標としています。10nm以下の極微細チャネルのデバイスでは、半導体そのものの特性ばかりでなく、寄生抵抗や寄生容量、さらには量子効果や材料の不均一性など、従来では考えられないような問題がでてきます。本研究室では、これらの問題を抽出し、解決法を探っていきます。具体的には、ナノインプリント法を用いて、極微細サイズの酸化物半導体薄膜トランジスタおよび強誘電体をゲート絶縁膜とした不揮発性メモリ素子の要素技術の開発と試作を行っていきます。

使用装置

有機金属気相成長装置、高温真空アニール装置、強誘電体評価装置

過去5年間の主な研究業績

  1. Koji Nagahara, Bui Nguyen Quoc Trinh, Eisuke Tokumitsu, Satoshi Inoue, and Tatsuya Shimoda, Fabrication of 120-nm-channel-length ferroelectric-gate thin-film transistor by nanoimprint lithography, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 53, 02BC14 (2014).
  2. Toshihiko Kaneda, Daisuke Hirose, Takaaki Miyasako, PhanTrong Tue, Yoshitaka Murakami, Shinji Kohara, Jinwang Li, Tadaoki Mitani, Eisuke Tokumitsu and Tatsuya Shimoda, Rheology printing for metal-oxide patterns and devices, Journal of Materials Chemistry C, 40-49 (2014).
  3. Yuichi Nagahisa, Yuichi Harada, and Eisuke Tokumitsu, Unipolar behavior in grapheme-channel field-effect- transistors with n-type doped SiC source/drain regions, Appl. Phys. Lett., vol.103, No.22, 223503-1-4 (2013).
  4. Phan Trong Tue, Takaaki Miyasako, Jinwang Li, Huynh Thi Cam Tu, Satoshi Inoue, Eisuke Tokumitsu, and Tatsuya Shimoda, High-Performance Solution-Processed ZrInZnO Thin-Film Transistors, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.60, No.1 (2013).
  5. Yukihiro Kaneko, Yu Nishitani, Michihito Ueda, Eisuke Tokumitsu, and Eiji Fujii, A 60 nm channel length ferroelectric-gate field-effect transistor capable of fast switching and multilevel programming, Applied Physics Letters 99, 182902-1 ~ 3 (2011).
連絡先

徳光 永輔/E-mail:e-toku@jaist.ac.jp TEL:0761-51-1510
URL:http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/tokumitsu/

原理原則を考えよう。今まで世の中になかったものを新しく創り出そうとするとき、簡単にうまくいくわけがない。失敗が当然である。しかし、その失敗がどうして起こったのかを原理原則から考えてみよう。あきらめず何回もチャレンジして失敗しているうちに、不思議なくらい自然と答えが見えてくるものである。