大学研究室紹介

大 学 研 究 室 紹 介

東京農工大学

ナノシリコンによる発光・弾道電子・音響デバイスの開発
東京農工大学大学院

越田信義研究室

http：//www.tuat.ac.jp/~koslab/〈研究内容〉
半導体の微細化があるサイズ以下まで進むと、量子閉じ込め効果によってバルクとは異なる特性が現れるようになります。シリコンもその例外ではなく、シリコン中の励起子のボーア半径に相当する4.7nm 以下では、光学的・電気的・熱的・化学的など、あらゆる面で性質が一変します。
超 LSI の微細化がこの境界に近づきつつある中、当研究室では、量子サイズ領域にまで微細化したナノ結晶シリコン（nc-Si）において発現する特性を究明し、それらを制御可能な機能にまで高めてデバイス応用に展開する研究を行ってきました。その意図は、電子信号処理・光電変換・マイクロマシニングに限定されてきたこれまでのシリコンテクノロジーを質的に拡大し、新たな技術価値を生みだす

図１．ナノシリコンによる光・弾道電子・音響デバイス（ディことにあります。具体的には、可視発光・弾道電子放出・スプレイと音波素子の写真は、それぞれ松下電工と山武と音波発生効果に関わる基礎的解析とデバイス開発です。以の共同開発による）。

下、その概要を紹介します。
（１）可視発光およびフォトニック特性〈最近の研究成果〉①高圧水蒸気アニール（HWA）の導入により、nc-Si のnc-Si においては、半導体の性質を決めるバンド構造に二可視域フォトルミネセンス（PL）の量子効率を 23%につの変化が生じます。まず、強いキャリア閉じ込めによっまで向上できました。その機構は nc-Si ドット表面の非てバンド端が上下に開き、ギャップエネルギーが可視領域発光再結合欠陥の抑制にあることを ESR および FTIRにまで広がります。第二に、バンド端の電子とホールは不解析によって明らかにしました。

確定性関係により運動量空間では非局在化します。これら② HWA 後でもなお残存する nc-Si 表面のダングリングボ二つの効果により、可視発光を伴う直接遷移的な再結合がンドを表面修飾法により Si-C 共有結合で終端すること可能となります。キャリアが結晶内で無限に広がっているで、PL 安定性と効率がさらに向上することを FTIR 解ことを前提とする間接・直接遷移の枠組みは、量子サイズ析などから確認しました。

系では大きな意味をもちません。

③ HWA による酸化処理はナノシリコンの屈折率制御可バンドギャップの増大に付随して、nc-Si では電気的・熱能範囲を広げることを多層ミラー装荷光共振器の作製的・化学的にも物性が大きく変化し、バルクでは見られなによって確認し、短波長域においても自己吸収の低いい多くの特性が現れます。具体的には、可視発光の他、誘光共振器を実現しました。

電率・屈折率の低下、キャリア注入による顕著な荷電現象、④ HWA 処理による nc-Si 界面のトラップ密度低減は、エ弾道電子伝導・放出、熱伝導率・熱容量の激減、表面化学レクトロルミネセンス（EL）に対してもよい効果をも活性の増大など、広範囲に及びます。それらを探索し、図たらし、動作の長期安定性を改善できました。

１に示すように、従来のシリコンでは視野になかったデバ⑤ナノシリコンの研究の関連として、薄膜へテロ界面のイスを開発してきました。ここではこれらの基礎と応用にナノ構造制御により、従来困難であった全固体薄膜エ関する研究の最近の進展状況をまとめます。

レクトロクロミック動作の高速化に成功しました。ペー52

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パー状ディスプレイや調光ウインドウなどへの発展が期待できます。
（２）弾道電子エミッタ
ナノシリコン弾道電子源の特質を生かして対角7.6インチ
平面フルカラーディスプレイおよび高感度撮像デバイスを共同開発し、デバイス動作の有効性を実証しました。また、弾道電子を励起源とした全固体面発光デバイスの開発、弾道電子輸送の理論的解析を行い、弾道電子の生成を裏付ける情報を得ています。
さらに、放出電子の平均エネルギーが数 eV に及ぶことを活用するため、低真空さらには大気圧中での動作を試み

図２．ナノシリコンによって開かれるデバイス技術の可能性ました。放出電子の平均エネルギーがちょうど酸素分子への解離性電子付着の最確エネルギーに相当するため、本弾野への適合性についても検証を進め、応用可能性を探って

道電子エミッタは空気中で負イオン源として機能します。

いく予定です。

急速熱酸化、HWA、ガス中アニールを併用することで動作寿命がのびること、一定時間の休止により特性が回復すること、などがわかりました。

〈抱負・特徴〉
研究室として心がけているのは、「新しいデバイス概念を空気中での電子源動作の確認は、各種ガス気体などをは打ち出すこと」、「目指すものを試作によって形で示し、次じめ、これまでは考えられなかった媒質における電子源応用への課題をつかむ」の二点です。日常的な活動で、学生諸氏、の可能性を示唆します。その一例として、弾道電子源は液体特に大学院生に期待しているのは、“研究課題を基礎と応用中で高い還元力をもった活性電極として動作し、純水中ではに分離して考えず、それらの間を必要に応じて行き来する水素発生に有用であることが最近明らかになりました。

ことを常にイメージしてほしい”ということです。そのため、（３）超音波放出

研究の進展に応じて、産学連携や内外機関との協力を推進

nc-Si 層では、自由キャリアの空乏によって熱伝導性が激減し、熱容量も極端に低下します。この性質は nc-Si 層表面しています。博士課程への社会人入学や外国人研究者も積極的に受入れてきました。

で空気との効率的熱交換を可能とし、デバイス表面の機械半導体をはじめとする技術分野で国際競合がますます強振動が不要の超音波放出効果をもたらします。従来の圧電まり、大学院博士課程の充実と改革が叫ばれる一方で、博形トランスデューサとは対照的に、周波数特性が広範囲に士像に関する大学側と産業側とのミスマッチや学位取得者わたって平坦で（理論限界は１GHz）インパルス駆動が可能、の就職の問題が云々される状況は非常に残念です。研究者

歪み率が小さい、ワンチップ小型化・集積アレイ化が容易、と開発者の両面を備え、柔軟性と実践力のある博士を生むなどの多くの利点を有することがこれまでに判明し、高信土壌を定着させたいと考えています。

頼性３次元空中センサ、非接触アクチュエータなどへの有用性を共同研究により実証してきました。

〈メンバー紹介〉

また、広帯域超音波スピーカーとして、動物超音波音声

現在の研究室メンバーは、助教の Dr. B. ジェローズ以下、の再生に応用可能であることが明らかになっています。マ

外国人訪問研究者１名、博士課程在学生４名、修士課程在ウスが発する超音波音声と本デバイスによる再生音を、音学生10名、卒論生４名の計20名、その他、東京エレクトロ

圧・周波数の時間依存性で比較したところ、時間・周波数ン㈱による寄附講座の客員教員２名、共同研究先企業の研ドメインでの特徴が、高い類似性で再生できることを共同究者の方々と協力しています。

研究で確認しました。
〈今後の研究展開〉
超 LSI を主導してきたスケーリング則とは異なる指標と技術価値をもつシリコンテクノロジーの可能性がわかってきました。図２に示すように、今後は、PL、EL のさらなる高効率化とフォトニックデバイスの開発、弾道電子生成効率の向上と種々の媒質における弾道電子源の応用、超音波出力の向上と機能性の検討による新規応用、などをさらに追求していきます。また、ナノシリコン構造のバイオ分
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