デバイス物理の研究概要
高橋庸夫
先端デバイス研究部ナノテクノロジが叫ばれ、情報通信は新たな展開を見せております。これまでの発展を支えてきたのは微細加工を基盤としたシリコンLSI技術ですが、サイズはナノメートル台に入って久しく、高集積化による消費電力の増加が重要な問題となっています。パソコンや携帯電話の普及により、低電力化が重要になり、新たな原理に基づいたデバイスと作製手法の開拓が望まれています。先端デバイス研究部では、電子1個を操ることを可能とする究極の省電力デバイスである単電子デバイス、またこれを実現するためのナノメートルの精度を有する微細加工技術、表面の超構造を基に原子レベルで制御された構造を作り上げる技術や、新たなナノ構造体としてカーボンナノチューブなどの新たな材料の研究を進めました。
Siナノデバイス研究グループでは、Siの単電子デバイスとその回路応用、さらにこれを実現するプロセスなどの研究を行っています。これまでの集積回路は、トランジスタを単純なスイッチとして用いてきましたが、単電子デバイスは、入力ゲートをたくさん取り付け可能な点や、電子の数を1個の単位で可変なことから多進数（多値）を用いることが可能なことなど、これまでのデバイスとは大きく異なった高い機能を持っています。これらの機能を活かした応用として、多値を用いた効率的な演算回路の提案と、単電子の問題とされてきた動作速度が遅い点を払拭する結果を示しました。また、電子1個を転送し、検出するデバイスを実現し、多値のメモリをも実証し、室温での単電子検出にも成功しました。また、作製プロセスとして重要な熱酸化や拡散現象などについて、原子レベルでの理論解析を行い、反応の機構解明を実験と理論の両面から進め、高い精度での予測を可能にしました。
ナノ加工研究グループでは、電子ビームリソグラフィをベースにナノレベルの加工技術と、ナノ構造評価技術の研究を展開しています。パターン揺らぎを最小に押さえるレジスト・プロセス技術や、超臨界乾燥等のナノレベルパターン形成技術とその構造評価技術を用いて、高温動作の単電子デバイスの作製と構造評価を実現してきました。これと並行して、さらなる高精度なナノパターン形成に向けて、レジストプロセスの原理に立ち戻っての検討や改良を重ね、ナノレベルのパターン形成の基礎検討を行った。さらに、このナノスケールの加工技術を３次元構造形成技術へと発展させ、３次元構造では最高の解像度を誇る世界最小の地球儀やナノプローブを実現するなど、ナノテクノロジの新たな展開を示しました。
表面構造制御研究グループでは、いわゆる自己組織化を利用したナノ構造形成とその集積化を目指して、広範な研究を行っています。Si表面の原子配列を基に、ナノ構造を実現する目的で、表面の原子ステップの制御機構の実験的、理論的研究や、そのリアルタイムでの観察を低速電子顕微鏡を用いて実現しました。また、カーボンナノチューブに関しては、その成長の低温化を目指して新たな成長法を開拓し、またナノチューブの直径を制御する手法の開発を行いました。また、ナノメートルサイズの細い単層ナノチューブの観察、評価手法として、電子線や光などを用いた手法を確立し、放射光を用いた評価法として、カーボンナノチューブばかりでなく、Geナノチューブなどの物性評価をも可能にしました。さらに、金を用いた、InPなどの半導体ナノワイヤの形成などを実現し、その成長制御機構や結晶品質などを明確にしました。
本年度の先端デバイス研究部の代表的な成果の一部を、次の４ページに示します。
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