デバイス物理の研究概要
荻野俊郎
先端デバイス研究部情報技術における革新の鍵は、半導体デバイスの高速化、低消費電力化、高集積化です。そこで主役を演ずるのはシリコン集積デバイスですが、その究極の技術は、「単電子動作デバイス・単原子制御プロセス」です。先端デバイス研究部では、単電子制御の目標に向けて、電子１個で動作するデバイス、電子(正孔)１個を転送するデバイス、そうしたデバイスの作製に必要な微細加工技術と超高精度プロセス制御技術、等の研究を進めました。また、原子レベルの構造から微細構造をウェーハスケールで集積化するという新しいプロセスコンセプトを提案し、その実現に向けて表面構造制御の研究を進めました。こうした研究を進めるに当たって必要なデバイス構造・材料評価技術についても、新たな開拓を行いました。
単電子デバイスは、電子１個で動作するデバイスであり、消費電力を極限まで低減できます。すでに、単電子トランジスタを用いて論理回路の最も基本となるインバータを実現していますが、今期、単電子加算回路を試作し、その論理動作を確認しました。単電子デバイスの新たな可能性を示すものとして、単正孔転送デバイスを考案し、その動作を実証しました。このデバイスは、電子と正孔を空間的に分離し、正孔の転送を電子により検出するもので、新しい動作原理に基づく独創的なデバイスです。また、単電子デバイスを応用した多値メモリを提案しました。こうしたデバイス開発と並行して、透視走査型電子顕微鏡によるデバイス内部構造の評価、単電子動作の機構解明、等の研究を進めました。
シリコンデバイス作製の最も重要なプロセスは、熱酸化による酸化膜形成です。酸化過程の原子レベルでの解明を基礎に、シリコン酸化の統一理論を打ち立て、さまざまな条件下での酸化膜形成が説明できることを示しました。
ナノ加工技術においては、電子ビームリソグラフィによる極微細パターンの形成技術とレジストプロセスの高精度化とを進めました。ナノスケールでのデバイス作製には、パターン揺らぎの少ないリソグラフィ技術が不可欠です。パターンラフネス発生の機構を明らかにし、揺らぎの極めて少ないレジスト材料を開発しました。
集積デバイス製造の現在の基本技術は、マスクから転写されたレジストパターンに基づく微細加工です。これに対して、近年、原子スケールの構造からナノスケールのデバイス構造を組み立てる、いわゆる「ボトムアッププロセス」が注目されるようになりました。この場合、表面の原子構造制御が主役を演じます。このプロセスの実現に向け、シリコン表面の原子ステップと再配列ドメインのダイナミクス、自己組織化ナノ構造の配列制御において重要となる基板表面歪み分布のデザイン、Si上のGeナノワイヤ成長機構の解明、等の研究を進めました。表面ナノ構造の機能化の一貫として、鉄酸化物ナノ粒子を用いた新たなナノ構造形成手法の開拓を行いました。近年、新しいナノ材料として注目を集めるカーボンナノチューブの研究を開始しました。今期は、気相成長によるナノチューブ形成と、電子分光による電子状態評価とを行いました。表面構造評価技術においては、放射光を用いた気相中での新たな原子構造解析手法を確立し、水素中でのInP表面再配列の解明に適用しました。
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