カスタムデバイスグループ/ Advanced Materials and Devices Integration Group

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研究内容

  1. 電子源の研究開発

    電子源は様々な分野で使われています。微細化・高集積化の一途をたどる半導体製造における検査装置やマスクの描画装置、最先端の科学技術を支える電子顕微鏡や表面分析装置の心臓部に電子源が使われています。その他、医療分野や空港のセキュリティー、製品検査などで使われるエックス線装置にもその内部には電子源が必要です。通信分野で使われる大出力の超高周波管や、さらには人工衛星に搭載されるイオン推進機にも中和用の電子源が必須です。 当グループでは、これらのアプリケーションへの応用を目指して、半導体の微細加工を使って作るフィールドエミッタアレイ（FEA）と呼ばれる電子源と、大気圧中でも動作するグラフェンを使ったユニークな平面電子源を中心に研究を進めており、日本で最大級の電子源研究開発拠点です。電子源試作専用のクリーンルームをはじめ、様々な評価装置を保有し、国内外の様々な企業・大学と共同で電子源の研究開発に取り組んでいます。

    1. フィールドエミッタアレイ

      2. フィールドエミッタアレイ（FEA）とは、半導体の微細加工技術を駆使して作る超小型の真空デバイスです。熱電子源は電子を放出するために1000℃程度の加熱を必要としますが、FEAは電圧を印加するだけで電子放出が可能です。そのため、高速応答が要求されるパルス駆動が可能です。微細加工技術を使ってたくさんのフィールドエミッタ（電子源）をアレイ状に並べることが可能ですので、大電流密度が必要な用途や、ディスプレイやイメージセンサーと言ったマトリクス状に電子源を配置するアプリケーションにも応用可能です。電子ビームを集束させるための集束電極を一体化する技術も開発しました。 これまでに、

      • ビーム開き角1°程度の集束特性（集束電極一体型FEA）
      • DCで9,000時間を超える寿命
      • 1MGyを越える耐放射線性（ガンマ線）
      • TFT（薄膜トランジスタ）との一体化による高安定動作（電流変動0.18%）
      などを達成しています。 本研究の成果は科学技術振興機構(JST)の新技術説明会のページでも紹介されています。

      集束レンズ一体型電子源アレイマトリクス状電子源アレイとその拡大図
      【FEA関係の参考文献】
      高性能電子源の開発と広がる応用技術、長尾昌善、村上勝久、真空と表面、Vol. 63, No.1 pp.7-12 (2020). https://doi.org/10.1380/vss.63.7
      Y. Gotoh, H. Tsuji, M. Nagao, T. Masuzawa, Y. Neo, H. Mimura, T. Okamoto, T. Igari, M. Akiyoshi, N. Sato, I. Takagi, “Development of a Field Emission Image Sensor Tolerant to Gamma-Ray Irradiation”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 67, No. 4, p.1660 (2020). https://doi.org/10.1109/TED.2020.2977674
      M. Nagao, "Micro-fabricated Field Emitter Arrays ~For New Applications~", Journal of the Vacuum Society of Japan, Vol.60, No.2, p.47 (2017). https://doi.org/10.3131/jvsj2.60.47
      M. Nagao, Y. Gotoh, Y. Neo, H. Mimura, “Beam profile measurement of volcano-structured double-gate Spindt-type field emitter arrays”, J. Vac. Sci. Technol. B, 34 (2) 02G108 (2016). https://doi.org/10.1116/1.4944453
      Y. Honda, M. Nanba, K. Miyakawa, M. Kubota, M. Nagao, Y. Neo, H. Mimura, N. Egami, “Double-Gated, Spindt-type Field Emitter with Improved Electron Beam Extraction”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 63, No.5, p.2182 (2016). https://doi.org/10.1109/TED.2016.2545710
    2. グラフェン平面電子源

      3. グラフェンを表面電極とし、グラフェン/絶縁膜/半導体の積層構造に数V程度の電圧を印加するだけで電子を放出するユニークな電子源を開発しました。この電子源は、低電圧で動作するだけでなく、低真空~大気圧中でも、さらには液体中でも動作すると言う大変ユニークな特徴が有ります。従来からも、このような構造の電子源は報告されていましたが、電子放出効率が非常に悪いのが欠点でした。私たちは表面電極として、独自の成膜技術で形成したグラフェンを使う事で、従来の電子源の効率を100~1000倍に向上させることに成功しました。放出電流密度も従来技術の100倍を超えます。また、絶縁膜として六方晶窒化ホウ素（ヘキサゴナルボロンナイトライド）を使用する事で、放出する電子のエネルギー幅を0.18eVまで低減できる非常に単色性の高い電子源の開発にも成功しています。これまでに、

      • 低電圧動作（6~10V程度）
      • 10Pa程度の低真空での動作、大気圧窒素中での動作、液体中での動作
      • 低真空での高安定動作（変動率0.07%）
      • 最大で9A/cm2の大電流密度
      • エネルギー半値幅0.18eV
      などを達成しています。 本研究の成果は科学技術振興機構(JST)の新技術説明会のページでも紹介されています。

      【グラフェン平面電子源関係の参考文献】
      T. Igari, M. Nagao, K. Mitsuishi, M. Sasaki, Y. Yamada, K. Murakami, “Origin of Monochromatic Electron Emission From Planar-Type Graphene/h-BN/n-Si Devices”, Physical Review Applied 15, 014044 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014044
      K. Murakami, M. Adachi, J. Miyaji, R. Furuya, M. Nagao, Y. Yamada, Y. Neo, Y. Takao, M. Sasaki, H. Mimura, “Mechanism of Highly Efficient Electron Emission from a Graphene/ Oxide/Semiconductor Structure”, ACS Applied Electronic Materials, 2, p.2265 (2020). https://doi.org/10.1021/acsaelm.0c00449
      K. Murakami, T. Igari, K. Mitsuishi, M. Nagao, M. Sasaki, Y. Yamada, “Highly Monochromatic Electron Emission from Graphene/Hexagonal Boron Nitride/Si Heterostructure”, ACS Applied materials & interfaces, 12, p.4061 (2020). https://dx.doi.org/10.1021/acsami.9b17468
      K. Murakami, J. Miyaji, R. Furuya, M. Adachi, M. Nagao, Y. Neo, Y. Takao, Y. Yamada, M. Sasaki, H. Mimura, “High-performance planar-type electron source based on a graphene-oxide- semiconductor structure”, Applied Physics Letter, 114, 213501 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5091585
  2. 強誘電体ゲートトランジスタの研究

    高性能情報機器の普及に伴い消費電力は急増傾向にあり、小型軽量で省電力の大容量データ記憶装置が求められています。産総研は2002年に強誘電体ゲートトランジスタ(FeFET)で世界初の長期データ保持実証に成功しました。FeFETは電圧駆動のため、原理的に非常に低消費電力です。強誘電体の分極反転によりデータを書き換えるため、書換え可能回数が１億回以上と多いことも特徴です。FeFETの用途として、発熱が問題となっている終夜運転データセンタサーバ用に従来型NANDフラッシュメモリに代わる記憶装置が適してします。我々はFeFETをメモリセルとする強誘電体NAND (FeNAND)フラッシュメモリアレイの試作と動作確認に成功しました。また、FeFETの動作電圧低減と微細化もさらに進めています。これまでに、

    • 不揮発メモリとしては世界最小の3Vの書き込み電圧
    • 109回の書き替え耐性
    • 10年を超えるデータ保持時間
    を全て満足するデバイスの開発に成功しています。

    FeFETの概略図産総研で試作した64kbit FeNANDフラッシュメモリアレイ
    【強誘電体トランジスタ関係の参考文献】
    M. Takahashi, S. Sakai, “Area-scalable 109-cycle-high-endurance feFET of strontium bismuth tantalate using a dummy-gate process”, Nanomatrials, 11, p.101 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11010101
    M. Takahashi, S. Sakai, “Downsizing of High-Endurance and Long-Retention Pt/CaySr1-yBi2Ta2O9/(HfO2)x(Al2O3)1-x/Si FeFETs”, Topics in Applied Physics, Ferroelectric-Gate Field Effect Transistor Memories, p. 61 (2020). https://doi.org/10.1007/978-981-15-1212-4_3
    M. Takahashi, S. Sakai, “Development of High-Endurance and Long-Retention FeFETs of Pt/CaySr1?yBi2Ta2O9/(HfO2)x(Al2O3)1?x/Si Gate Stacks”, Topics in Applied Physics, Ferroelectric-Gate Field Effect Transistor Memories p.23 (2020).https://doi.org/10.1007/978-981-15-1212-4_2
    M. Harada, M. Takahashi, S. Sakai, T. Morie, “A time-domain analog weighted-sum calculation circuit using ferroelectric-gate field-effect transistors for artificial intelligence processors”, Japanese Journal of Applied Physics, 59, 040604 (2020). https://doi.org/10.35848/1347-4065/ab7ff1
    S. Sakai, M. Takahashi, “Novel Application of FeFETs to NAND Flash Memory Circuits”, Topics in Applied Physics, Ferroelectric-Gate Field Effect Transistor Memories, pp. 319-341 (2020). https://doi.org/10.1007/978-981-15-1212-4_16
  3. 宇宙推進デバイスと中和電子銃

    横浜国立大学の鷹尾研究室 と共同で、超小型人工衛星への搭載を目指した、イオン液体を使ったエレクトロスプレースラスタの開発と、イオンスラスタに必須となる中和電子銃の開発に取り組んでいます。

    イオン液体を推進剤とするエレクトロスプレースラスタ宇宙推進機用中和電子銃
    【宇宙推進デバイス関係の参考文献】
    K. Suzuki, M. Nagao, Y. Liu, K. Murakami, S. Khumpuang, S. Hara, Y. Takao, “Fabrication of nano-capillary emitter arrays for ionic liquid electrospray thrusters”, Jpn. J. Appl. Phys., 60, SCCF07 (2021). https://doi.org/10.35848/1347-4065/abf2d5
    R. Furuya, Y. Takao, M. Nagao, K. Murakami, “Low-power-consumption, high-current-density, and propellantless cathode T using graphene-oxide-semiconductor structure array”, Acta Astronautica, 174, p.48 (2020). https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.04.014
    N. Inoue, M. Nagao, K. Murakami, S. Khumpuang, S. Hara, Y. Takao, “Fabrication of a high-density emitter array for electrospray thrusters using field emitter array process”, Jpn. J. Appl. Phys., 58, SEEG04 (2019). https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab0fee