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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:
[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

 実験が好きで、何か新しいものを作ってみたいと思う知的好奇心とチャレンジ精神。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ことのできる論理的思考力。物理・化学の基礎的な知識。

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


溶液プロセスでNb-Zr-O(NZO)上に
形成 したMoS2の透過型電子顕微鏡写真

 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、絶縁 破壊電界(10MV/cm )印加時に誘起される電荷量は3.5μC/cm2であるのに対し、強誘電体では、0.5MV/cm 程度の低電界の印加で50μC/cm2も の電荷量を誘起可能です。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新しいコンセプトのトランジスタを提唱しています。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薄膜トランジスタ、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を実現しました。

2.溶液プロセスによる酸化物デバイス

 シリコン集積回路は、トランジスタの微細化により高速化、高集積化が進み、高度な発展を遂げました。しかし、作製にはリソグラフィー装置、薄膜堆積装置、エッチング装置など高価な大型装置を必要としています。
 本研究室では、従来のデバイス作製プロセスとは全く異なる溶液プロセスに着目しています。溶液プロセスは低コスト、低エネルギーの薄膜堆積手法ですが、加えてナノインプリントという手法を併用すれば、従来のリソグラフィー技術を用いることなく微細パターンの形成が可能です。本研究室では、溶液原料から形成したITO ゲル膜を直接ナノインプリント法でパターン形成し、チャネルとソース/ ドレインを一括形成する新しい作製プロセスを開発しています。これが実現すれば従来のリソグラフィー技術を用いずにITO チャネルの薄膜トランジスタとITO 局所配線が同時に形成できるため、低コスト化に大きく寄与します。

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

 酸化物半導体の移動度は約10cm2 /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グラフェンと類似した2次元の結晶構造と適度なバンドギャップを持ち、電子移動度が一般的な酸化物半導体の約50倍と大きいために、トランジスタ応用が特に期待されている材料です。本研究室では、MoS2を溶液プロセスにより高誘電率ゲート絶縁膜上に直接成膜し、薄膜トランジスタを実現することに成功しました。今後はWS2など他材料系へも溶液プロセスを展開していきます。

主な研究業績

  1. Ken-ichi Haga, Yuusuke Kamiya, and Eisuke Tokumitsu, “Direct imprinting of indium-tin-oxide precursor gel and simultaneous formation of channel and source/drain in thin fi lm transistor”, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.57, 02CB14 (2018)
  2. Joonam Kim, Koichi Higashimine, Ken-ichi Haga, and Eisuke Tokumitsu, “Fabrication of MoS2 thin fi lms on oxide-dielectric-covered substrates by chemical solution process”, Phys. Status Solidi B, Vol.254, 1600536 (2017).
  3. 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)

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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