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北海道大学 量子集積エレクトロニクス研究センター
       
MBEエレクトロニクスGr.
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研究内容
■研究目的

MBEエレクトロニクスグループでは、分子線エピタキシー(MBE)法による半導体結晶成長技術と独自の 超高真空一貫プロセスをベースとし最新鋭の半導体結晶成長・加工・評価技術を駆使し、エレクトロニクスの高度化に必要不可欠な III-V族化合物半導体ナノ構造形成、表面界面物性制御および量子ナノデバイス技術の構築を目的としています。そしてこれらの技術を、 ユビキタスネットワーク社会を支える超高速通信用デバイスや、超高速・低消費電力コンピューティングを実現する量子ナノデバイスと その高密度集積回路へと応用展開しています。
■主な研究テーマ

(1) 量子ナノ構造形成技術
MBE選択成長技術により量子ドット・量子細線集積構造の形成方法を研究しています。 種々の応用を目指しGaAs系、InP系やGaN系材料について取り組んでおり、大規模高密度集積化・高温動作を可能にする構造微細化を進めています。 1cm平方あたり10億もの六角形セルを集積化した量子ナノ細線ネットワーク構造の形成に成功しました。
図1 MBE選択成長量子細線アレイ 図2 MBE選択成長ヘキサゴナル量子ナノ細線ネットワーク
図1 MBE選択成長量子細線アレイ
図2 MBE選択成長ヘキサゴナル量子ナノ細線ネットワーク
(2) ナノ表面界面物性とナノプロセス技術の研究
ナノ構造では表面の割合が相対的に大きくなり、物性は表面状態に大きく左右されます。安定した量子ナノ現象を得るために必須であるナノ表面物性の解明および独自の表面制御手法を開拓しています。その成果は、種々の半導体デバイスの高性能化に活かされています。特に最近注目されているGaN材料についても、世界に先駆けて金属-半導体接合の異常逆方向電流機構の解明や、電流変動を完全に抑制したGaN系HFETの試作に成功しました。
図3 GaAs系選択成長量子細線の表面不活性化 図4 TSB (Thin Surface Barrier) モデルによるGaNショットキー接合リーク電流の解析
図3 GaAs系選択成長量子細線の表面不活性化
図4 TSB (Thin Surface Barrier) モデルによるGaNショットキー接合リーク電流の解析
図5 超薄Al2O3絶縁ゲート制御によるAlGaN/GaN HFETの高安定化  
図5 超薄Al2O3絶縁ゲート制御によるAlGaN/GaN HFETの高安定化
 
(3) 量子ナノデバイスと集積回路技術
独自の量子ナノデバイス技術を構築しその高度化を図っています。近年、二分決定グラフ(BDD)アーキテクチャと量子ナノ細線ネットワークを組合せた新しいヘキサゴナルBDD量子集積回路方式を提案し、今まで実現不可能とされてきた量子LSIを創り出す可能性を見いだしました。現在、この回路手法と超高密度量子細線ネットワーク構造を組み合わせ既存のマイクロプロセッサを遥かに凌ぐ低消費電力小型プロセッサ(ナノプロセッサ)など、超小型・超低消費電力デジタルシステムの実現に向けて研究を進めています。
図6 量子細線・単電子デバイス技術 図7 ヘキサゴナルBDD量子回路実装
図6 量子細線・単電子デバイス技術
図7 ヘキサゴナルBDD量子回路実装
(4) 超高周波通信デバイス・センシングデバイス
ユビキタスネットワークのキーとなる通信用超高周波デバイスやセンシングデバイスの研究を行っています。高速電子輸送可能なIII-V族化合物半導体をベースに、ナノ構造と量子現象を結び付けることによって、超小型・高効率・超高速・高感度を両立する新しいデバイスの実現を目指しています。
図8 オンチップアンテナ・レクテナ 図9 電磁波-表面プラズマ波相互作用デバイス
図8 オンチップアンテナ・レクテナ
図9 電磁波-表面プラズマ波相互作用デバイス
図10 量子ドットアレイTHz波検出デバイス 図11 PtショットキーゲートAlGaN/GaN水素ガスセンサ
図10 量子ドットアレイTHz波検出デバイス
図11 PtショットキーゲートAlGaN/GaN水素ガスセンサ

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