平成１１年度研究評価小委員会研究評価報告書について ２．各論 （1）総合研究 （j）

ナノスペースラボによる新材料創製に関する研究

（研究期間：第期　平成６年～平成８年、第期　平成９年～平成１０年）

　

　

研究代表者：北村　健二（無機材質研究所第１３研究グループ総合研究官）

　

　

(1) 総　評

本研究は、ナノメーターサイズの空間(ナノスペース)が示す特異な現象に注目した新しい量子材料科学による次世代社会を支える材料開発に関するものであり、研究目標の観点からは、個々の研究において優れた成果が得られており、多くの成果の内のいくつかは、新しい研究プロジェクトへの展開が図られているので、目標は予想を超えて達成された。得られた研究成果は、知的所有権化が行われ、さらに企業化への展開が図られていることに鑑みると、その価値は高い。また、多くの注目を集めていることから、その波及効果・発展性も期待できる。従って、総合的には非常に優れた研究であった。また、課題設定は適切であった。

　

(2) 評価結果

(a) 光・光機能探索ラボを基調としたナノ構造特異点利用材料の創製に関する研究　

本サブテーマでは、「フォトリフラクティブ効果の探索による構造特異点利用材料の創製に関する研究」、「電子スピン共鳴効果探索による結晶構造特異点利用材料に関する研究」、「フォトキャリアの運動制御による画像記録材料に関する研究」、「ナノ構造特異点における光閉じ込め効果効果を利用した層状ナノ空間材料に関する研究」、「ナノ構造特異点における非線形光学効果を利用した有機クラスター材料に関する研究」を行った。

その結果、二重るつぼ法を用いたストイキオメトリック・ニオブ酸リチウム結晶の成長に関する成果は、国際的に高い評価を受け、世界の標準となっている。

事実、本研究で得られた結晶は、フォトリフラクティブ材料を用いたホログラフィック光メモリーや、電気光学効果を利用した光変調器、疑似位相整合方式の導波路型波長変換素子などの諸特性において、従来のコングルーエント結晶に比べ優れていることが証明された。特許も多数提出されており、今後一層の発展が期待できる大きな成果を達成した。

　

(b) 電子・光機能探索ラボを基調としたナノサイズ効果利用材料の創製に関する研究

本サブテーマでは、「量子閉じ込めサイズ効果の探索による無機クラスター材料創製に関する研究」、「粒子サイズ効果の探索による固相クラスター材料創製に関する研究」、「光電変換サイズ効果の探索による有機・無機ヘテロ界面材料創製に関する研究」、「クラスターサイズ効果の探索によるナノ凹空間材料創製に関する研究」を行った。

その結果、界面ナノ空間配列操作・評価装置を開発し、化合物半導体の結晶成長の原子レベル観察の成功や、格子不整合系にのみ適用可能であった量子ドットの自己形成法を整合系にも適用できる方法を世界で初めて開発したことは、高く評価できる。この方法により作製したGaAsやInGaAsの量子ドットは、強い発光を示しており、今後これらを用いたレーザや赤外線検出器の研究開発への展開が期待される成果である。

Ge固相クラスターの結晶構造の相転移の確証は、新しい固相クラスターの結晶構造の解析手法を確立したものであり、高く評価できる。また、Ge固相クラスター薄膜の電流・電圧特性においてクーロンブロッケード現象の室温観察に成功しており、新規なデバイスへの展開が期待される。さらに、SiOx固相クラスター薄膜は、比誘電率が1.8以下と低誘電率を示し、Si-ULSIの配線間材料としての将来性が高く評価できる成果である。

金属・有機色素結晶薄膜ヘテロ界面における光電子増倍現象は、ショットキー機構に基づくことを明らかにしている。有機結晶薄膜形成にイオンビーム蒸着法を用いて、光電子増倍のピーク位置の制御を可能とし、室温動作を可能としたこと、さらに、電荷分離機能と光電子増倍機能を別々に持つ素子構造の開発し、S/Nや増倍特性の向上を図ったことは、高く評価できる。今後、生物模倣型のセンサー開発、等への展開が期待される成果である。クラスターイオンビームの特性を利用して、従来法では困難であったダイヤモンド表面の平坦化に成功したことは、ダイヤモンドの実用化を大きく前進させたもので、高く評価できる。また、ホウ素クラスターを用いたクラスターイオン注入法を開発し、数nmの極浅接合を形成することに成功し、さらに、この技術を用いて世界最小の

40nm p-MOSFETの試作に成功したことは高く評価できる。今後、量産装置の開発や薄膜形成などの新しいプロセス技術開発に展開が期待される成果である。　以上の研究成果は、学術と産業の両面から高く評価でき、今後の発展が大いに期待されるものである。

　

(c) 電子・電子機能探索ラボを基調としたナノ界面・接合効果利用材料の創製に関する研究

本サブテーマでは、「フェルミピニングフリー効果の探索による金属・無機界面材料創製に関する研究」、「粒界電導バリアサイズ効果の探索による界面ナノ空間材料創製に関する研究」、「クーロンブロッケードの探索による結合型クラスター材料創製に関する研究」、「ナノスペース材料のバイオを中心とした新分野応用に関する研究」を行った。

ナノスペースラボの概念による新材料創製の具体的適用例として、電子デバイスに適用できる高品質単結晶ダイヤモンドCVD薄膜合成に成功している。これは従来のダイヤモンドCVD薄膜と比較して、原子レベルで平坦で有り、シリコン半導体と比較しても遜色ない電気的・光学的特性が得られている。この成果は、ダイヤモンド薄膜が実際に電子デバイスに適用できる可能性を示しており、当該研究グループは米国、ヨーロッパ、ロシア等の国に関連特許を多数出願している。

金属/SiCの系でのフェルミピニングフリーの実現は、SiC系電子デバイスプロセスとして、SiCのデバイス開発・研究に導入されたことが評価される点である。また実用上最も重要な金属/Siの系においても、界面特性の大幅な改善が達成され、実用レベルからも注目される結果を得ている。　　酸化物半導体での金属との界面特性の制御に関する研究では、オゾンによる表面処理を施すことにより、従来の界面特性と比較し、ダイオード特性として、数桁以上整流特性の良いショットキー接合特性を得ることに成功している。この結果は、酸化物半導体が、従来のSiやGeに比較しても遜色ない界面特性を有することを実証した点で評価できる。

このように、本研究での成果は、今後のSiC、ダイヤモンド、酸化物半導体などのワイドバンドギャップ半導体の実用レベルでの電子デバイスの応用の可能性を示すものとして高く評価できる。特にダイヤモンド薄膜の合成とその界面特性の制御に関する研究は、今後のダイヤモンド薄膜電子デバイスの研究を加速するものである。