教 授
太 田 英 二
１． 研究室の概要（平成16年4月-平成17年3月）
平成16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2年1名、同1年2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] Si結晶中Mn-Mnペア形成の第一原理計算による研究 （M2 藪内）
現在、半導体エレクトロニクスに電子スピンの自由度を積極的に取り入れようという研究が盛んに行われている。その中でも半導体に磁性元素を添加することにより磁性を持たせた希薄磁性半導体の研究が、新しい半導体の開発を目指して行われている。半導体エレクトロニクスの中心であるSiやGeなどIV族半導体をベースとする磁性半導体は、従来のデバイス・プロセス技術との融合を考えると非常に重要である。
本研究では、第一原理計算によりIV族半導体であるSi結晶中のMn不純物を一様にドープした希薄磁性半導体を考え、計算を行った。Mn原子2個をシリコン原子16個のセル中の置換位置に置いたとき、安定構造はMn原子が近接する場合であった。また再近接よりわずかに離れたシリサイド様の構造を形成する場合に安定であることがわかった。またMnは最近接位置では反強磁性的であり、シリサイド様の位置では強磁性的であることを示した。また三次元等法制歪みのもとで孤立Mnの全エネルギー、形成エネルギおよび磁気モーメントの計算を行い、引張り歪みに対して孤立MnとMn-Mnペアのいずれも安定と成ることを示した．これは引張り歪みのもとで膜質の良いエピタキシャル膜をを得る可能性を示している．
[A-2] Si微粒子を含んだMOS構造の解析（M1 国峯）
近年、Si微粒子が分散した層をMOS構造の酸化膜中に形成した構造のメモリの研究が進められている。Siと酸化膜(SiO2)のバンドギャップの差を利用し、Si微粒子に電子が捕獲されることによりメモリ効果を示すものである。このメモリは従来のメモリよりも記憶保持機能が高いといわれている。本研究では、酸化膜中にSi微粒子の層を作製するのではなく、三次元的にSi微粒子を分散させることによりMOS構造の作製を試み、メモリとして動作するかを検証することを目的としている。この構造では、従来のものよりも作製方法が簡単であることも大きな利点である。
試料を作製し、C?V測定や、TEM観察などによって解析を行った。まず、SiOを酸素中ではなく窒素中でアニールすることにより、より多くのSi微粒子を作製できることがわかった。また温度を上げるほど、多くの微粒子ができた。しかし、温度が高いほど、微粒子同士が凝集していってしまうこともわかった。Si微粒子を含んだMOS構造では、C-V特性がヒステリシス特性を示し、Si微粒子によって電子が捕獲されている可能性が高い。今後は、MOS構造を漏洩電流が出来るだけ少ないように作製する方法を確立するとともに、微粒子を含んだMOS構造の特性をさらに詳しく解析していく。
[A-3] Zn拡散Si中の深い準位の分布制御 （B4 坂口義章）
近年、環境・エネルギー・資源問題、高度エネルギー社会に向けた流れの中で、電力用半導体素子の電力損失の低減が求められてきた。電力損失の低減のためには素子のスイッチング時の応答速度の向上が必要である．これに関しては、少数キャリアのライフタイムの短縮が重要な要素と成っており、そのためにSiのバンドギャップ中に少数キャリアの再結合中心として深い準位を形成させる方法が用いられている。しかしながら、格子欠陥はキャリアのトラップとなり、デバイス性能に悪影響を及ぼすことも多く、性能向上と同時に素子の劣化を招くことになる．高エネルギーの水素やヘリウムのイオン照射はシリコン中に局所的に高濃度の欠陥分布を形成する。このため、従来の方法では困難であった局所的ライフタイムコントロールへの応用が期待できる．再結合中心としての深い準位については、Siの禁制帯中央付近にあることが好ましく、Znはそのような位置に深い準位を形成することが知られている．
本研究では、深い準位の形成のためSi半導体中にZnをドープし、それにより形成される深い準位の状態についてDLTS法を用いて測定・分析し、イオン照射による深い準位の局所的な分布の制御を試みた．その結果、イオン照射によりSi中のZnの深い準位の濃度の増加が観測された。これによりZnの深い準位を、イオン照射により局所的にコントロール可能であること示した．
[A-4] 半導体ダイヤモンドの基礎物性に関する研究 （D2 佐藤）
半導体ダイヤモンドは耐熱性、熱伝導性に優れ次世代の電子材料として期待されているが、その物性には未知の部分があり、電子材料として克服すべき点が多く存在する。そこで本研究では、半導体ダイヤモンドの基礎的な物性、特に電気的特性や光学的特性、熱的特性などを研究している。低温領域におけるp型の単結晶人工ダイヤモンドの電気抵抗測定では、Mottのvariable range hopping (VRH)が観測され、さらに低温では、ロシアのEfrosらが提唱している伝導機構の“クーロンギャップ”や“hard gap”が観測された。
電気抵抗の測定以外の方法でhard gapの存在を実証するため、半導体における生成-再結合ノイズ(generation-recombination noise)を利用して、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生成-再結合ノイズを、20Kから300Kの低温領域において測定した。その結果、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た。
120Kにおけるピークは、バンド幅10.4meVのhard gapの存在を示すものであると考えられる。また、67Kにおけるピークは、5.8meVのバンド幅を有するウィグナー結晶の存在を示すものであると予想される。以上のような現在までの研究を土台にして、今後は高感度のSQUID（超伝導量子干渉計）などを用いて、磁気的な性質についても調べる予定である。
[ B ] 薄膜の磁気抵抗効果に関する研究
[B-1] Bi薄膜の磁気抵抗効果 （B4 寺前）
Bi（ビスマス）は半金属とよばれる金属と半導体の中間の電気特性をもつ物質で、キャリアとして電子と正孔の両方が存在する。また、Biはキャリアの有効質量が小さく、平均自由行程が大きいという特徴をもち、結果としてキャリアのサイクロトロン運動による磁気抵抗効果（磁場を印加すると電気抵抗が変化する現象）が発生し、大きな磁気抵抗（MR）をもつBi薄膜は磁気センサーへ応用可能である。
本研究では真空蒸着法によりBi薄膜を作製し、結晶構造の解析や、電気抵抗率、ホール効果、磁気抵抗効果の測定など薄膜の評価を行った。また、結晶粒を大きくするために熱処理、またはAuを添加して、同様の評価を行った。結果として、熱処理後のBi薄膜のMRは熱処理前に比べ大きくなった。また、Auを４％添加して熱処理したBiAu薄膜のMRはBi単体の場合よりも大きくなった。これは、熱処理中にBiAu共晶が作製され、Auを多く含む液相の存在が、結晶粒の成長を促進させたためであると考えられている。
[B-2] トンネル磁気抵抗効果のためのCo/LB膜/Co接合の作成と評価 （B4 加藤）
トンネル磁気抵抗 (TMR) 効果は磁場による抵抗変化が非常に大きく、高感度磁気センサやMRAM等への応用が期待されている。TMR効果の発現には強磁性層/絶縁層/強磁性層の構造を持つTMR素子が用いられる。この素子の特性は電極に用いる強磁性金属の種類だけでなく，バリアに用いる物質、さらには接合の膜厚・界面状態に大きく影響される。最近では、バリアをグラニュラー構造としたり、バリア中にクラスターを配置するなどしてTMR比の増大，バイアス依存性を改善する試みもなされている。本研究ではバリア中に錯体などの機能性分子を導入することを想定し、TMR素子のバリアとしてLamgmuir-Blodgett (LB) 膜を用いることを試みた。さらに、作製したTMR素子の磁気抵抗効果を評価した。
真空蒸着法、LB法を用いてCo/ポリイミド(PI)LB膜44層/Co接合を作製し、直流4端子法によりI‐V特性、磁気抵抗効果を測定した。I‐V特性はSimmonsのトンネル理論に適合し、PI LB膜がバリアの役割をしていることが確認された。磁気抵抗効果は観測されなかった。これは、AFMで観測されたLB膜表面の粗さが大きく影響していると考えられる。いくつかの試料をAFMにより観察した結果、PI前駆体物質であるポリアミド酸アルキルアミン塩とCoが反応し、表面粗さに大きく影響していると考察された。
[ C ] 導電性薄膜に関する研究
[C-1] イオンビームスパッタによる窒素ドープ非晶質炭素薄膜の電界放出特性（B4 坂口直史）
炭素は、ダイヤモンドをはじめ、黒鉛、フラーレンなどの多様な構造を示すが、Diamond-like Carbon(DLC)と呼ばれる非晶質炭素は、物理的、化学的に安定であることから表面保護膜として注目されている。しかし、その電気的性質も特筆すべきものがあり、小さい仕事関数を持つがゆえに電界電子放出の有望な放出源として注目されている。これは電界放出型ディスプレイ(FED)と呼ばれる次世代平面薄型ディスプレイに応用できる。本研究ではイオンビームスパッタによる窒素ドープDLCの成膜条件を変化させ、電界電子放出特性を測定することを目的とした。薄膜作製にはイオンビームスパッタ装置を用い、基板温度・スパッタ時間・窒素ドープの有無を変化させ、測定を行った。構造の評価方法としてラマン分光法を用い、その結果から炭素間の結合の割合、炭素クラスターの大きさを検討した。電界放出特性の測定では、陽極としてステンレス球を用い、陰極陽極間の間を10μmとした。F-N(Fowler-Nordheim)プロットは電界放出が起こりはじめる電流電圧値では線形となり、電界放出が生じていることを示した。電界放出特性は室温中でスパッタしたもので窒素をドープしたものが最も優れた特性を示した。
[ D ] 有機薄膜に関する研究
[D-1] Al系陰極を用いた有機発光ダイオードの電子注入電極の作製と物性評価（D3 仲由）
有機発光ダイオード(OLED)の長寿命化を目指すには、さらに効率よく発光する素子を必要とする。OLED素子において現在最も多く用いられている陰極材料はMgAgであるが、長寿命化のためにはより安定した金属を用いることが必要である。そこで、本研究ではAlを陰極に用いた素子の電子注入効率について検討することを目的とし、Al/Alq3/Alの構造を持つ素子に電子線照射効果に関する実験的研究をおこなった。
Al-400Å/Alq3-1000Å/Al-400Åの構造を持つ素子を作製した。電子線の照射は、Alq3を全て積層した後、または積層途中から蒸着しながら行った。Alq3積層後に電子線照射した試料では電流電圧特性は劣化した。またXPSによるO1sスペクトルの測定結果からAlq3内部に欠陥が生成されたことが示唆された。これらの結果からこの欠陥が界面付近で電子をトラップし電子注入効率が低下したと考えられる。一方、Alq3の蒸着中に電子線を照射した場合XPS測定によるO1sスペクトルには変化が見られなかった。また電流電圧特性に関しては後半の250Åに電子線照射を行った試料ではよくなり、500Åに電子線照射を行った試料ではかえって劣化した。その原因解明に向け、さらに研究を進めている。
[D?2] ケルビンプローブ法によるAlq3の表面電位測定 （M1 本村）
有機EL素子は，電界を加えることにより，陰極から電子，陽極から正孔を注入し，有機層中で再結合させ発光させる素子である．この電子輸送層兼発光層としてtris-8-hydroxyquinoline Aluminum (Alq3) が多く用いられる．電子はAlq3のlowest unoccupied molecular orbital (LUMO) に注入され輸送される．そのため，電子の注入・輸送に関する効率を考える場合には，Alq3のエネルギー構造を把握する必要がある．
エネルギー構造を測定するにはケルビンプローブ法 (KPM) が適している．KPMは，参照電極と測定試料表面との間の電位差を測定することができる．そのため，参照電極の仕事関数が既知で，試料表面が清浄であるならば，試料の仕事関数を求めることも可能である．
KPM測定の結果，Alq3の表面電位は，膜厚に比例するように変化することが確かめられた．また，その変化率は，蒸着速度に依存していることがわかった．
今後は，表面電位と蒸着速度の関係を調べるために，熱刺激電流測定などを行う．
[D-3] 有機発光材料の熱刺激電流測定 （B４ 湯沢）
３． 発表論文・学会講演 他
[ A ] 発表論文
- 2004年4月 S. Yoneda, Y. Ohno, E. Ohta, N. Yuhashi, I. Shiota, Y. Shinohara,
H. T. Kaibe, I. J. Ohsugi, and I. A. Nishida
「Improved Thermoelectric Properties in Structure Controlled Ag-Sb-Te Systems」
IEEJ Trabs. FM vol.124, No.4, 2004,pp312-315.（電気学会論文誌A） - 2005年1月 T. Sudou, K. Ohashi, T. Sato, E. Ohta, S. Okayasu, and H. Sugai
「Evidence for a hard gap and Wigner lattice in heavily boron-doped synthetic diamonnd」
Physical Review B71,045221(2005)
[ B ] 国際会議
[ C ] 学会・研究会等
- 2004年5月 本村玄一、太田英二
「ケルビンプローブ法による有機EL素子材料界面の接触電位差測定」
日本材料科学会 平成16年度学術講演大会、工学院大、東京 - 2004年6月 薮内真、太田英二、影島博之、田口明仁
「First-principles calculation of Mn-Mn interaction in Si」
Physics and Application of Spin-related Phenomena in Semiconductors（PASPS10）、 東工大 横浜 - 2004年9月 薮内真、太田英二、影島博之、田口明仁
「Si結晶中におけるMn-Mnペア形成の第一原理計算による研究」
第65回応用物理学会学術講演会、東北学院大学、仙台 - 本村玄一、太田英二
「Alq3膜における表面電位の蒸着速度依存性」
第52回応用物理学関係連合講演会講、埼玉大学、浦和 - 薮内真、太田英二、影島博之、田口明仁
「Si結晶中Mnへの三次元歪み効果の第一原理計算による研究」
第52回応用物理学関係連合講演会講、埼玉大学、浦和
[ D ] 博士論文（太田教授が審査に加わった博士論文）
- 茶園広一 「BaTiO3をベースとした積層コンデンサ用誘電体材料における微細構造と電気特性の関係」
工学博士（乙） 主査：木村 副査：太田、佐藤、今井 - 小野寺清光 「WSiNゲートGaAs-FETの設計・製造とそのミリ波MMIC応用に関する研究」
工学博士（乙） 主査：松本 副査：黒田、太田、真田 - 深津茂人 「Enhanced Diffusion of Silicon and Boron in Thermal Oxides Formed on Silicon Substrates」
工学博士（甲） 主査：伊藤 副査：太田、藤谷、今井、植松（NTT） - 神原陽一 「CrスピネルおよびMnペロブスカイト関連硫化物の異常磁気物性と相関電子状態」
工学博士（甲） 主査：的場 副査：椎木、太田、佐藤、安西 - 岡部博孝 「AxCoO2層状化合物（A=Na,Pd）の電子状態計算と物性」
工学博士（甲） 主査：的場 副査：椎木、太田、佐藤、安西 - 久保俊晴 「ニオブ／黒鉛複合系の超伝導近接効果に関する研究」
工学博士（甲） 主査：太田 副査：椎木、佐藤、的場、安西
[ E ] 修士論文（基礎理工学専攻 応用物理情報専修）
- 薮内真 「Si結晶中Mn-Mnペア形成の第一原理計算による研究」
[ F ] 卒業研究（物理情報工学科）
- 加藤貴志 「トンネル磁気抵抗効果のためのCo/LB膜/Co接合の作成と評価」
- 坂口直史 「イオンビームスパッタによる窒素ドープ非晶質炭素薄膜の電界放出特性」
- 寺前裕美 「Bi薄膜の磁気抵抗効果」
- 坂口義章 「Zn拡散Si中の深い準位の分布制御」
[ G ] 在学生の研究テーマ
- D3 仲由 亮哉 「Al系陰極を用いた有機発光ダイオードにおける電子注入電極の作製と物性評価」
- D2 佐藤俊麿 「半導体ダイヤモンドの基礎物性に関する研究」
- M1 国峯孝祐 「Si微粒子を埋め込んだMOS構造の特性」
- M1 本村玄一 「ケルビンプローブ法による有機EL素子界面の接触電位差測定」
- B4 湯沢智 「有機発光材料の熱刺激電流測定」
４．その他
[ A ] 平成16年度修了、卒業生などの進路（就職・進学先など）
- 本塾理工学研究科博士課程基礎理工学専攻進学
- 名古屋大学工学研究科修士課程進学
- 東京大学工学研究科修士課程進学
- 京都大学工学研究科修士課程進学 材料工学専攻
[ B ] 受賞
[ C ] その他
- ゼミ合宿（夏） （千葉）（2004年7月）
- 打ち上げ合宿 野沢温泉（2004年2月9日-10日）