科学技術振興機構(JST),東京大学

令和5年3月21日

科学技術振興機構(JST)
東京大学

高周波/パワーデバイスの2次元電子ガスの可視化に成功

~最先端マテリアルの画期的な計測技術~

ポイント

JST 戦略的創造研究推進事業において、東京大学 大学院工学系研究科 附属総合研究機構の柴田 直哉 機構長・教授、遠山 慧子 大学院生、関 岳人 助教、幾原 雄一 教授らのグループは、ソニーグループ株式会社の冨谷 茂隆 ディスティングイッシュトリサーチャー、蟹谷 裕也 統括課長、工藤 喜弘 統括部長と共同で、半導体界面に蓄積された2次元電子ガスの直接観察に成功しました。

GaN系デバイスは高効率の発光ダイオード(LED)やレーザーダイオード(LD)の素材として知られていますが、絶縁破壊強度と飽和電子速度の高さから次世代の通信用高周波デバイスや電力変換用パワーデバイスとしても期待されています。特に高電子移動度トランジスタ(HEMT)は、半導体界面に2次元電子ガスと呼ばれる電子が蓄積した層が発生し、この層を電子が高速に移動できることから、高周波動作に優れています。この2次元電子ガスの詳細は半導体デバイスの性能に極めて重要で、実験や理論計算などで予想はされていましたが、それを直接観察して確かめることは長年困難とされてきました。

今回、電子顕微鏡を用いた局所電場観察の新手法により、半導体界面の数ナノメートル領域に蓄積した2次元電子ガスの可視化および定量化に成功しました。これらによって、2次元電子ガスの高度な制御が可能となり、トランジスタのさらなる性能向上が期待できます。

本研究成果は、2次元電子ガスを制御した高性能な高周波/パワーデバイスの創成を可能とするなど、半導体デバイスの界面解析・制御に革新をもたらすとともに、最先端マテリアル・デバイス研究開発を格段に進歩させる画期的な計測技術につながると期待されます。

本研究成果は、2023年3月21日(日本時間)に英国科学誌「Nature Nanotechnology」のオンライン版で公開されます。

本開発成果は、以下の事業・研究領域によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究(ERATO)

「柴田超原子分解能電子顕微鏡」(JPMJER2202)
柴田 直哉(東京大学 大学院工学系研究科 附属総合研究機構 機構長・教授)
2022年10月~2028年3月

JSTはこのプロジェクトで、極低温から高温までの温度領域において原子スケールの構造および電磁場分布を同時に観察することを実現し、物質・生命機能の起源を直接「観る」ことができる、従来の原子分解能電子顕微鏡を超えた「超」原子分解能電子顕微鏡とも呼ぶべき新たな計測手法を構築します。

戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)

「原子・分子の自在配列と特性・機能」
(研究総括:西原 寛 東京理科大学 研究推進機構 教授)
「超低電子ドーズSTEM法の開発と実空間原子・分子配列構造解析」
(JPMJPR21AA)
関 岳人(東京大学 大学院工学系研究科 附属総合研究機構 助教)
2021年10月~2025年3月

JSTはこの領域で、原子や分子を自在に結合、配列、集合する手法を駆使して、次元性、階層性、均一・不均一性、等方・異方性、対称・非対称性、複雑性などの観点からユニークな構造をつくり出し、その構造がもたらす新しい化学的、物理的、生物学的ならびに力学的に新奇な特性や機能を引き出すことによって、基礎科学のイノベーションを起こすとともに、社会インフラや生活を豊かにする革新的な物質科学のパラダイムを構築することを目的とします。上記研究課題では、超低電子ドーズ条件で原子・分子配列を超高分解能で直接観察できる走査透過型電子顕微鏡法(STEM)を開発し、従来では観察が不可能であった電子線照射損傷を受けやすい材料の局所原子・分子配列の解析を可能にします。さらに開発した手法を自在配列材料へと応用します。機能発現の場となる原子・分子の局所配列構造を直接観察し、材料機能との相関性を解明することで、配列指針の構築を目指します。

その他、日本学術振興会(JSPS) 科学研究費補助金基盤研究(S)「原子スケール局所磁場直接観察手法の開発と磁性材料界面研究への応用(研究代表者:柴田 直哉)」、新学術領域研究(機能コアの材料科学:領域代表 松永 克志)「界面機能コア解析(研究代表者:柴田 直哉)」による助成を受けて行われました。また、本研究は東京大学 大学院工学系研究科 附属総合研究機構「次世代電子顕微鏡法社会連携講座」、東京大学・日本電子産学連携室、文部科学省 先端マテリアルリサーチインフラ事業(東京大学 微細構造解析部門)の支援を受けて実施されました。

<プレスリリース資料>

<論文タイトル>

“Real-space observation of a two-dimensional electron gas at semiconductor heterointerfaces”
DOI:10.1038/s41565-023-01349-8

<お問い合わせ先>

(英文)“Successful visualization of two-dimensional electron gas in high-frequency/power devices”

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