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材料の特性を活かした新しい電子デバイス
を創ってみよう

徳光研究室 TOKUMITSU Laboratory
教授:徳光 永輔(Tokumitsu Eisuke)

E-mail:e-tokujaist.ac.jp
[研究分野]
固体電子工学、電子デバイス、電子材料
[キーワード]
半導体デバイス、酸化物半導体、強誘電体、薄膜トランジスタ、不揮発性メモリ、パワーデバイス、溶液プロセス

研究を始めるのに必要な知識・能力

 実験・ものづくりが好きであること。今何が起こっているのか、何を作っているのか、何を測定しているのかを考える知的好奇心があること。物理・化学の基礎的な知識を有していること。

この研究で身につく能力

 当研究室では、「酸化物半導体や強誘電体などの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」を目指して研究を進めています。例えば強誘電体をゲート絶縁膜に用いれば不揮発性のメモリ機能を持つトランジスタが実現できます。と同時に、強誘電体の大きな電荷制御能力を用いれば、伝導性の酸化物などもチャネルとして利用することができるようになります。このように材料の特徴とデバイスの動作原理をリンクさせて考えると、新しいデバイスが生まれると思います。本研究室では、文献による事前調査から、機能性材料薄膜の作製プロセスと評価技術、電子デバイスの動作原理、作製プロセス、評価技術を学び、材料やデバイス研究の進め方を身につけていただきたいと考えています。

【就職先企業・職種】 エレクトロニクス及び材料関連企業の製造、開発、研究職

研究内容


フレキシブル不揮発性メモリ素子

 本研究室では、機能性材料を用いて新しい電子デバイスを創成することを目指して、酸化物やカルコゲナイド材料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。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(または簡単な集積回路作製)、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/㎠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/㎠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。現在までに、透明導電膜のインジウム・スズ酸化物(ITO)をチャネルに用いたトランジスタ、透明な不揮発性メモリ素子や、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などを実現しました。

2.極微細次世代酸化物電子デバイス

 現在のシリコンMOSFETのチャネル長は約20nmに達しています。一方でディスプレイに用いられている酸化物半導体の薄膜トランジスタはミクロンサイズです。本研究室では、酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタの極微細化に挑みます。目標はチャネル長10nmのデバイスです。極微細デバイスで問題となる寄生抵抗や寄生容量、さらには量子効果等も考慮しつつ、ナノインプリント法を用いた極微細サイズの酸化物半導体薄膜トランジスタの試作を行っていきます。

3.遷移金属カルコゲナイド材料を用いた薄膜トランジスタの研究

 酸化物半導体の移動度は約10㎠/Vsと小さく、より大きな移動度を持つ材料の利用が期待されています。MoS2等の遷移金属カルコゲナイド材料は、移動度が酸化物の約50倍と大きく、デバイス応用が近年特に期待されている材料です。本研究室では、この材料を溶液プロセスで作製し、薄膜トランジスタ、さらには強誘電体をゲート絶縁膜とする不揮発性メモリ素子を実現することを目指して、研究を進めています。

主な研究業績

  1. Ken-ichi Haga, Yuuki Nakada, Dan Ricinschi, and Eisuke Tokumitsu, “Relationship between Source/Drain-Contact Structures and Switching Characteristics in Oxide-Channel Ferroelectric-Gate Thin-Film Transistors”, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.53, 09PA07 (2014).
  2. 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, pp.223503-1-4, (2013).
  3. Gwang-Geun Lee, Yoshihisa Fujisaki, Hiroshi Ishiwara, and Eisuke Tokumitsu, “Low-voltage Operation of Ferroelectric Gate Thin Film Transistors Using Indium Gallium Zinc Oxide-Channel and Ferroelectric Polymer Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)”, Applied Physics Express 4, pp.091103-1-3 (2011).

使用装置

高速アニール装置
スパッタ装置
インプリント装置

研究室の指導方針

当研究室では、新しい電子デバイスを創成するために、機能性材料の「気持ち」を知り、適切にデバイスに使ってあげたいと思っています。そのためには、物理・化学の基礎知識とともに、材料物性とデバイスの基礎的な動作原理を理解した上で、柔軟な発想、斬新なアイディア、思い切った決断が必要です。本研究室では、薄膜やデバイスの作製実験を通じて、これらの要素を一緒に考えていきたいと思います。修了までに自分のアイディアを活かした新しいデバイスを是非提案してください。

[研究室HP] URL:http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/tokumitsu/

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