2006年度 太田研究室

教 授

太 田 英 二

1. 研究室の概要(平成18年4月~平成19年3月)

平成18年度における本研究室は、学生10名、うち大学院博士課程2名(D3、D2、各1名)、修士課程1年3名、学部4年5名で構成された。
本研究室の研究テーマは、以下のように分類できる。

[ A ] 半導体材料に関する研究

[ B ] 薄膜の磁気抵抗効果に関する研究

[ C ] 導電性薄膜に関する研究

[ D ] 有機薄膜に関する研究

2. 研究活動

目的および内容

[ A ] 半導体材料に関する研究

[A-1] 第一原理計算によるSi結晶中Mnの歪み効果の影響の検討 (D2 藪内)

現在のエレクトロニクスにおいて、半導体によって実現される電気的、光学的機能は電子の持っている電荷を利用し中心的な役割を果たしている。近年、電子も持つ電荷とスピンのふたつの自由度を積極的に取り入れることにより新しいエレクトロニクスの発展を目指したスピンエレクトロニクスの研究が盛んに行われている。
電荷とスピンという二つの自由度を利用する方法として考えられる中のひとつに、半導体中に磁性原子を導入し、その不純物原子の担うスピンと半導体中の電荷を利用するものがあり、これまでに強磁性を示す磁性半導体がいくつか見出されている。半導体エレクトロニクスの中心であるSiやGeなどⅣ族をベースとする磁性半導体は、従来のデバイスやプロセス技術の融合性を考えると非常に重要である。しかしSiをベースとする希薄磁性半導体の作製に関していくつかの困難があり、その一つとしてSi結晶中の孤立Mnの固溶度は非常に低く、化合物であるシリサイドを容易に形成してしまい、Si結晶中で孤立Mnは不安定である。そのMnの安定性の改善方法として、Si結晶に歪みを与えることによりMnの安定性を向上させる方法が考えられる。
そこで本研究では、第一原理計算により歪みSi結晶中Mnの安定性および磁気特性の評価を行っている。

[A-2] シリサイドベース希薄磁性半導体のためのBaSi2薄膜作製と評価(B4 長縄)

近年、エレクトロニクスにスピン自由度を積極的に取り入れることにより、新しいエレクトロニクスの発展を目指したスピンエレクトロニクスの研究が盛んに行われている.その一つに希薄磁性半導体(diluted magnetic semiconductors)がある。希薄磁性半導体は、半導体の原子の一部を磁性金属で置換した物質であり,電界や光による励起でキャリア数密度を制御することにより磁性を制御することができるなど新規な現象が発見されている.
現状としては、III-V族、II-VI族化合物半導体ベースの希薄磁性半導体の研究が盛んに行われている.一方で,近年環境への負荷が小さいことやバンドギャップ制御の可能性があること、さらに従来のデバイスプロセスであるシリコンテクノロジーとの融合が考えられることから,半導体BaSi2が注目されている。しかし、BaSi2ベース希薄磁性半導体の研究は報告されていない.そこで、本研究ではBaSi2ベース希薄磁性半導体の作製を目指し,その母体となるBaSi2薄膜の作成方法を確立することを目的とした.

[A-3] 半導体ダイヤモンドの基礎物性に関する研究 (D3 佐藤)

近年、高温・高出力等の過酷な環境下においても、安定に動作する耐環境電子材料として半導体ダイヤモンドが注目されている。そこで本研究では、半導体ダイヤモンドの基礎的な物性、特に電気的特性や熱的特性などを研究している。
p型の単結晶人工ダイヤモンドの生成-再結合ノイズ(generation-recombination noise)を測定すると、特に120Kおよび67Kにおいて生成-再結合ノイズのピークが観測される。120Kにおけるピークは、エネルギー幅10.4meVのhard gapと呼ばれるバンド構造を示すものである。また、67Kにおけるピークは、3次元の固体中で伝導電子が規則配列した“ウィグナー結晶”の状態を示すものであると予想される。
そこで昨年度に引き続き、ウィグナー結晶の存在を磁性の立場から実証するため、高感度のSQUID(超伝導量子干渉計)を用いて、その観測を試みた。具体的には、p型の半導体特性を示す100ppm程度のボロンがドープされた単結晶人工ダイヤモンドの磁化率(magnetic susceptibility)を、5Kから300Kの低温領域において測定している。しかし、ダイヤモンドの磁化率は非常に小さく、再現性がある測定結果を得るために、今年度は試料ホルダーや測定機器などの改良を中心に行った。特に、試料ホルダーの改良によって、再現性ある結果が得られるようになってきている。本格的な測定はこれからであるので、来年度もこれまでの研究を継続する予定である。

[ B ] 薄膜の磁気抵抗効果に関する研究

[B-1] バナジウムドープZnO希薄磁性半導体の作製と評価 (M1 蔀)

現在の半導体エレクトロニクスは、半導体の中を流れる電子の持つ電荷を利用したものである。次世代の情報技術ではより集積度が高く高速なハードウェアが求められており、電子のもう一つの自由度であるスピンも利用する試みが最近盛んになされている。
キャリア制御を通してスピン制御が可能な強磁性半導体に関する研究は、今後大きく進展する可能性がある。しかし、今のところ、最も盛んに研究されている強磁性半導体であるMnドープGaAsのキュリー温度が室温を大きく下回ってしまう。したがって、応用上の観点から、高いキュリー温度を持つ強磁性半導体が必要である。ZnOのようなワイドギャップ半導体では、室温以上の高いキュリー温度が実現する可能性がある。そこで本研究では、ZnOにVをドープすることにより、室温以上のさらに高いキュリー温度の強磁性半導体を作製することを目的としている。
試料はゾルゲル法により作製した。ZnOゾル溶液中に塩化バナジウム(III)を加えると、濃緑色で透明かつ均質な溶液が得られた.これは水酸化バナジウムの色と考えられ、重合反応の前駆体として機能するものと期待される.X線回折のよると薄膜は(002)方向に良く配向しており、他の相の存在を示す回折ピークは全く見られなかった.X線光電子分光測定により、薄膜中でVはZnを置換していると考えられる。今後は、次期測定を行って試料の磁性を評価する予定である.

[B-2] 電界制御によるPd超微粒子のトンネル磁気抵抗効果 (M1 岡本)

近年、電子の持つ「電荷」と「スピン」をエレクトロニクス技術に取り込もうという動きがある。トンネル磁気抵抗(TMR)素子はその一例である。この素子は強磁性電極の磁化の向きによって抵抗値が変わるTMR効果を利用している。また、絶縁体中に磁性微粒子を分散させた系でもTMR効果が確認されており、単電子トンネル現象といったようなナノスケール特有の現象も起こることから、盛んに研究が行われている。またナノスケールという観点においてPd超微粒子も関心が寄せられている。Pdはバルクサイズでは常磁性を示すが、ナノサイズでは強磁性を示す。これはナノサイズになったことで、Pdの状態密度が変わりストーナー条件を満たすためと考えられている。これは、電子または正孔の注入によりフェルミ準位を操作することで磁性制御ができる可能性があることを示唆している。
そこで本研究では、化学的に作製したPd超微粒子を自己集合させたTMR素子の作製と電界を用いたPd超微粒子の磁性変化によるTMRの特性制御を目的としている。
強磁性ナノブリッジ電極をフォトリソグラフィーおよび電子線リソグラフィーにより作製し、電極間隔, 電極幅が100nmのナノブリッジを作製することができた。表面圧を10mN/mとしたとき、LB法によって自己集合したPd超微粒子のよく規則化した単分散層を堆積することが出来た。得られたPd超微粒子はfcc構造であった。Pd超微粒子は強磁性と常磁性が混在しており、保磁力は低温で20 Oeであった。今後、ナノブリッジ電極間にPd超微粒子を堆積させ、TMR効果の測定を行う予定である。

[B-3] トンネル磁気抵抗効果のためのFePtCu微粒子グラニュラー薄膜の評価(B4 常磐)

近年、トンネル磁気抵抗(TMR)効果が高感度磁気センサや磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)等への応用のために期待されている.TMR効果を発現する素子は強磁性層/絶縁層/強磁性層の構造を持ち,電極に用いる強磁性金属の種類や絶縁層に用いる物質、接合の膜厚および界面状態に大きく依存する.TMR素子はスパッタ法で作製されて絶縁層に無起算か物を使用したものが多く、最近では無機酸化物中に磁性微粒子を分散させたグラニュラー構造を絶縁層に用いることでTMR比の増大,バイアス磁場依存性を改善する試みもなされている.スパッタ法を用いてグラニュラー構造を作製する場合,粒径の制御や磁化の安定性のよいナノ粒子を作製することが困難である.そのため、本研究では絶縁層に有機物を使用し、有機物中に分散させる微粒子を化学的方法で作製した.これにより無機酸化物に比べて容易に短時間で薄膜を作製することができると期待される。
化学的方法によりFePtCu微粒子を作製し、それをPAA(ポリアミック酸)溶液中に分散させ、スピンコート法によりグラニュラー薄膜を作製した。グラニュラー薄膜を600℃で1時間熱処理した試料は65Kにおいて約4400Oeの保磁力を示した.また、Au/グラニュラー膜/Au接合におけるI-V特性から、この素子がトンネル素子として動作していることを示した.

[ C ] 導電性薄膜に関する研究

[C-1] イオンビームスパッタリングによるWドープDLC薄膜の電界放出特性 (B4 武捨)

DLC(Diamond-like Carbon)はsp2結合とsp3結合をランダムに含んだ非晶質炭素材料である.これは小さな電子親和力や適度な導電性によって、電界放出の電子源に適しているとされている.本研究ではDLCに金属をドープすることにより、電界放出特性を向上させることを目的とした.金属にはカーバイドを形成する可能性のあるタングステンWを選択した。タングステンカーバイドは仕事関数が小さく、伝導性も良いので電界放出の閾電圧を低下させることが期待される.
WドープDLCの作製にはイオンビームスパッタリング法を用いた.Wワイヤを貼付けたグラファイトをターゲットとし,Si基板上に成膜を行った。作製したDLCはラマン分光分析、電子線マイクロアナライザ、走査電子顕微鏡、X線反射率法を用いて評価し,電界放出特性は真空下で10μmの電極間(DLCを陰極として)に電界を印加し,放出電流を測定した.
ラマン分光分析によって、20%未満のsp3結合を含むDLCの形成が確認された。DLCにWをドープすることにより閾値電界は低下した。膜厚の厚い(100nm程度)試料で電界放出特性が優れていることが分かった。Wドープの有無に関わらず電界放出測定後には膜表面に損傷が見られた.

[ D ] 有機薄膜に関する研究

[D-1] 有機EL材料Alq3のトラップ準位検出と評価 (M1小川)

有機EL素子は積層した有機層に電界を印加することにより正孔と電子をそれぞれ陽極・陰極から注入し,有機薄膜中で再結合することにより発光を得るものである.有機ELで用いられる有機物はその電気的特性、発光特性について明らかにされていない点が多い.これらの特性は有機薄膜のHOMO(最高占有軌道)とLUMO(最低非占有軌道)の間に存在するトラップ準位による寄与が大きいとされている。そこで本研究では有機物のトラップ準位を検出し、その伝導特性に与える影響を調べることを目的とした.
実験としては,熱刺激電流(TSC)測定を行い、トラップ準位のエネルギー深さを求めた。有機ELの代表的な発光材料tris-8-hydroxyquinoline aluminium(Alq3)薄膜を選択し、Al/Alq3(300nm)/Al構造の試料を真空蒸着法により作製しTSC測定を行った.
測定の結果、TSCスペクトルは140K、190K付近に顕著なピークを示した。また140KにおけるTSCピークは負の電流として検出されるのに対し、190Kのピークは正の電流として現れたことから,有機薄膜上にAlを状嫡子田子とによる有機物の変質、またはAl原子の有機層への拡散によるものと考えられる.これによるトラップ準位のエネルギー深さはLUMOの下0.32eVと求めることができた.

[D-2] MgドープAlq3を用いた有機EL素子の電子注入特性 (B4 金谷)

有機EL素子とは有機物に電圧を印加することにより発光させる自発光型の素子である.この素子は電子と正孔の再結合の過程により発光しているため、電子と正孔をより低電圧で再結合領域へ運ぶことが要求される.そのため、本研究では陽極にITO、陰極にAlを,有機層には発光特性と電子輸送層として優れた特性を持つAlq3と正孔輸送層としてTPDを用いた積層構造を基本的な素子とした.その上でAlq3層とAl層間にMgドープAlq3を挿入することで電子注入特性を向上させることを考えた.実際にMgドープAlq3層を用いた素子を作製し,その電流特性と発光特性を測定した結果、それらの特性はMgドープ層のない素子に比べて高電圧側にシフトした.これはMgドープにより電子注入が生じにくくなったことを示している.今後はMgの酸化やMgドープAlq3層内部におけるMgの拡散等を調べる必要があると考える.

[D-3] PS-PMMAジブロック共重合体を用いたナノ多孔質薄膜の作製   (B4宮崎)

従来、半導体デバイスなどの微細加工は主にリソグラフィー、電子線ビーム加工などのトップダウン手法が中心に用いられてきた。これからのさらなる微細化に伴って、トップダウン手法だけでは限界が来ると予想される。将来の微細加工ではこのトップダウン手法だけでなく、ボトムアップ手法も取り入れて、この二つの手法の融合が望まれる。最近、そのボトムアップ手法の一つとして有機物の自己組織化(Self-Assembly)が注目されている。
現在いろいろな自己組織化が研究されているが、本研究ではPS-PMMAジブロック共重合体という高分子化合物の自己組織化に注目した。この高分子化合物は2つのホモポリマー(ポリスチレン(PS)とポリメタクリル酸メチル(PMMA))が1ヶ所だけ化学結合した共重合体であり、薄膜化してアニ-ルを施すと規則的なシリンダー構造に相分離する。本研究では、この性質を用いて多孔質薄膜を作製した。
Si基板の親水処理、疎水処理により、基板上の表面自由エネルギーを変化させ、PMMAのシリンダーをある程度基板に垂直に配向させることに成功した。しかし、微細加工に用いるには、各種パラメーターの制御による薄膜秩序のさらなる改善が必要である。

3. 発表論文・学会講演 他

[ A ] 学会・研究会等

  1. 2006年5月 小川聡、本村玄一、太田英二
    「有機EL材料Alq3薄膜の蒸着条件と電流特性」
    材料科学会平成18年度学術講演退会、東工大、東京
  2. 2006年5月 岡本崇生、籔内 真、太田英二
    「FePtCuナノ粒子分散グラニュラー薄膜の作成と磁気抵抗効果」
    第材料科学会平成18年度学術講演退会、東工大、東京
  3. 2006年5月 蔀 拓一郎、籔内 真、太田英二
    「バナジウムドープZnO薄膜の作製と評価」
    材料科学会平成18年度学術講演退会、東工大、東京

[ B ] 博士論文(太田教授が審査に加わった博士論文)

(1) 西岡浩一 「高密度磁気記録用再生ヘッドにおける固定層の磁化挙動に関する研究」
工学博士(乙) 主査:椎木 副査:太田、的場、宮島

[ C ] 卒業研究(物理情報工学科)

  1. 金谷秀彰 「MgドープAlq3を用いた有機EL素子の電子注入特性」
  2. 武捨賢太郎 「イオンビームスパッタリングによるWドープDLC薄膜の電界放出特性」
  3. 常磐修平 「トンネル磁気抵抗のためのFePtCu微粒子グラニュラー薄膜の評価」
  4. 長縄美樹 「シリサイドベース希薄磁性半導体のためのBaSi2薄膜作製と評価」
  5. 宮崎 康晶 「PS-PMMA時ブロック共重合体を用いたナノ多孔質薄膜の作製」

[ D ] 在学生の研究テーマ

  1. D3 佐藤俊麿 「半導体ダイヤモンドの基礎物性に関する研究」
  2. D2 薮内 真 「第一原理計算によるSi結晶中Mnの歪み効果の影響の検討」
  3. M1 岡本崇生 「電界制御によるPd超微粒子のトンネル磁気抵抗効果」
  4. M1 蔀拓一郎 「バナジウムドープZnO希薄磁性半導体の作製と評価」
  5. M1 小川 聡志 「有機EL材料Alq3のトラップ準位検出と評価」

4.その他

[ A ] 平成17年度修了、卒業生などの進路(就職・進学先など)

千葉商科大学付属高等学校 常勤講師
慶應義塾大学理工学研究科修士課程基礎理工学専攻進学 4名

[ B ] 受賞

長縄美樹 「プレゼンテーション技法」ベストプレゼンテータ

[ C ] その他

  1. ゼミ合宿(夏) 蓮台寺(静岡)(2006年8月)
  2. 打ち上げ合宿

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics