水野研究室：ナノ構造半導体研究
数理・物理学科
水野 智久
研究室ホームページ:http://www.info.kanagawa-u.ac.jp/~mizuno/index.html

目次
研究分野／モットー
研究方法
半導体とは？
驚異の微細加工：ナノテク
ナノ領域の物理：量子力学
究極の微細ナノ構造：半導体単原子層，及び新物理現象詳細講義：木曜３限“半導体物理学”：３年生も聴講可

研究分野／モットー
目的：半導体ナノ/原子レベル領域の形成と，新たな物理現象の解明⇒“産業の米”であるULSI用ナノ構造半導体の研究モットー
1. 世界で誰もやったことのない研究をやる！＝誰も見たことない世界への知的冒険！
2. 卒研時から，世界最先端研究のメンバーとして研究
3. 研究で重要なことは？：1)何を研究するかを見極めること，2)いかに研究を行うか，3）論文/学会発表⇒歴史上に名を残す⇒社会的評価
4. 世界最先端研究用装置を使用＠神大，農工大，
国立産業技術総合研究所

 主要研究テーマ：Si系半導体素子の究極／極限を見極める＝アトム技術利用
1) どこまで小さい素子ができるか？原子レベルまで？
⇒ 微細化限界の打破：Si単原子層2) どこまで速い素子ができるか？107cm/s，時速36万kmの壁⇒ 電子速度限界の打破：バリスティック素子：異種半導体接合＝エネルギー差を利用 共同研究
1)東京農工大学工学部 鮫島研究室
2）国立産業技術総合研究所ナノエレクトロニクス研究部門

 学生へのメッセージ：ゼミは基礎から一歩一歩行う（新規参入者歓迎！）
知的冒険に飢えている諸君，現実に不満を持っている諸君，新しい物好きな諸君，一攫千金を狙っている諸君などなど，いつでも誰でもWelcome !

具体的な研究手法
実験
 ナノ半導体の形成：膜の形成／エッチングなど
 トランジスター試作
測定 レーザ照射による半導体の発光から物性を評
価，電子顕微鏡観察など
 半導体中の電子速度の計測など
シミュレーション
1. 第一原理計算：量子力学を用いたナノ領域半導体の物性の予測／解析
2. プロセスシミュレータ：実験の予想／解析
3. デバイスシミュレータ：トランジスタ内の電子速度の予測／解析など

研究成果により，名を残そう！(I)研究成果：最近5年間の例
1. 論文：14件
2. 国際学会発表：10件
3. 国内学会発表：16件
国（文科省）からの研究費の補助獲得（科学研究費補助金）
2008年-2014年：5件
学会賞等の受賞：8件
 論文例
1. T. Mizuno, T. Aoki, Y. Nagata, Y. Nakahara, and T. Sameshima, Jpn. J. Appl. Phys., 52, 04CC13 (2013).
2. T. Mizuno, J. Takehi, Y. Abe, and H. Akamatsu, Jpn. J. Appl. Phys., 52, 04CC05 (2013).
3. T. Mizuno, Y. Nakahara, Y. Nagata, Y. Suzuki, T. Aoki, and T. Sameshima, Jpn. J. Appl. Phys., 53, 04EC09 (2014).
4. T. Mizuno, Y. Nagata, Y. Suzuki, Y. Nakahara, T. Aoki, and T. Sameshima, Jpn. J. Appl. Phys., 53, 04EC08 (2014).
5. H. Abe, C. Akiyama, M. Hasumi, T. Sameshima, T. Mizuno, and N. Sano, JLMN-Journal of Laser
Micro/Nanoengineering 9, 143 (2014).

研究により，名を残そう！(II) 国際学会発表
1. T. Mizuno, Y. Nakahara, Y. Nagata, Y. Suzuki, Y. Kubodera, Y. Shimizu, T. Aoki, and T. Sameshima, Extended Abst.
of SSDM, Fukuoka, p.696 (2013).
2. T. Mizuno, Y. Nagata, Y. Suzuki, Y. Nakahara, T. Tanaka, T. Aoki and T. Sameshima, Extended Abst. of SSDM,Fukuoka, p.96 (2013).
3. T. Sameshima, T. Nakamura, S. Yoshidomi, M. Hasumi, T. Ishii, Y. Inouchi, M. Naito, and T. Mizuno, Extended
Abst. of SSDM, Fukuoka, p.484 (2013).
4. T. Mizuno, Y. Nakahara, Y. Nagamine, Y. Suzuki, Y. Nagata, T. Aoki, and T. Sameshima, Extended Abst. of SSDM,Tsukuba, p. (2014).
5. T. Mizuno, Y. Suzuki, M. Yamanaka, Y. Nagamine, Y. Nakahara, Y. Nagata, T. Aoki, and T. Maeda, Extended Abst.
of SSDM, Tsukuba, p. (2014).
 国内学会発表
1. 中原雄太，永田祐介，青木孝，鮫島俊之，水野智久, 春季応物予稿集，講演番号28p-G9-8，(2013).
2. 永田祐介，中原雄太，青木孝，鮫島俊之，水野智久, 春季応物予稿集，講演番号28p-G9-9, (2013).
3. 永田祐介，中原雄太，青木孝，鮫島俊之，水野智久， “秋季応物予稿集，講演番号講演番号：19pC8-9 (2013)．
4. 鈴木佑弥，中原雄太，永田祐介，青木孝，鮫島俊之，水野智久，秋季応物予稿集，講演番号講演番
号：19p-C8-10 (2013)．
5. 中原雄太，永田祐介，鈴木佑弥，青木孝，鮫島俊之，水野智久 第78回応用物理学会秋季学術講演会
19p-C8-11 (2013)
6. 永田祐介，中原雄太，青木孝，鮫島俊之，水野智久， 春季応物予稿集，講演番号講演番号：19p-F1
2-1 (2014)．
7. 中原雄太，永田祐介，鈴木佑弥，青木孝，鮫島俊之，水野智久 第61回応用物理学会春季学術講演会，
19p-F12-2 (2014)．

携帯電話の中にもLSI！
LSI
LSIの機能記憶
メール,住所録,写真
計算／制御通信
メール，インターネット

珪石がSi半導体基板になる

3．半導体基板
２．Siの高純度化
１．珪石•Siの結晶化
 成分：SiO2 •還元＠＞1400℃
 Si：地殻の SiO2+2C→Si+2CO •直径：30cm
厚さ：約0.5mm•純度約1/3：99.999999999%

トランジスタを実現するＳｉ半導体抵抗率（Ω･ｃｍ）• トランジスタ：LSIの基本素子
１）機能：電気的スイッチ（時間：10-11秒）
２）材料：半導体＝規則正しい原子配列＝金属と絶縁物の中間の抵抗値
1017SiO

1013C2Ｓｉ半導体：Ｓｉの結晶

109105Si101Ge

10-310-7絶縁体

As
Cu, Ag半導体

半金属
金属

立体構造

現在のLSI: 驚異の技術革新
 現在の素子数＝約５億個／チップ
 サイズ：研究段階では5nm＝Si原子9個分⇔ インフルエンザウィルス（約100nm）より微細
1µm

1A 1nmウィルス 細菌

1mm1m

人間

頭髪

半導体素子
原子間隔
原子10-910-710-5-3

1010サイズ（cm）-1101サイズの比較図

最先端素子：SOI構造

 SOI=Silicon on Insulator
1. 微細化可能⇐Ｓｉ薄膜化するだけで10.0：L>3TS～4TS: 経験則
2. 原子層レベルまで薄膜化？
TSOI (nm)L

TSOI=LEFF/31.0ゲート
0.5nm-20nm

aSiTS
埋め込み酸化膜
Ｓｉ基板

0.1110LEFF (nm)

量子力学：ナノ領域を支配する法則

Si半導体の最小単位：単位胞
Si特性＝原子層が多数ある三次元構造(3D)の場合
単位胞：一辺aが0.54nm，原子5層から成る
現研究：二次元Si層1)厚さ：原子が数層-5層
現状＝0.3nm＝3層2)Si厚さ方向での量子効果⇓
二次元Si特性が変わる！?
⇓トランジスタ特性が変わる！?
Si単位胞

簡単な製法によりSi単原子層形成が成功！
 Si単原子層形成：簡単な酸化法により可能
 電子顕微鏡観察: Si単原子層形成の実証（TSOI =aSi=0.53nm）
1) 連続的な2D-Si層の形成の成功
2) 良好な結晶性

原子回折像

製法

断面電子顕微鏡写真

Si単原子層：原子一個一個を観察(a) 良好な Si原子イメージ ⇒ (b)ほぼシミュレーション通り
実験結果 aSi=0.52nm≈(b) 計算結果 (0.54nm)(c) SBF(scanning bright field)-STEM: 均一な原子回折像(d) HAADF: 均一なSi結晶⇒ 非晶質Si, SiO2領域は無し！
⇓Si結晶構造の劣化は起こらない.

(c) SBF-STEM(d) HAADF-STEM

光るSi：エネルギーバンド構造の変調

PL発光：レーザー照射→電子励起→電子再結合→発光： 光エネルギー＝EG
通常のSiは発光無⇔1) 2D-Si発光，2) 発光強度／EG増大

伝導帯ee2)発光
1)電子励起光
禁制帯巾Eg:電子が存在できない領域
価電子帯

光

PL Intensity (arb. unit)

エネルギー(b) hν=2.33eV30000 (100)SOI
0.5nm
20000
0.8nm

TS=0.25nm

10000

01.5

1.0nm
1.61.7
PL Photon Energy (eV)1.8

将来の1.5nm長二次元Si素子構造
20年後のトランジスタ@2030年代：Si単原子素子
横＝1.5nm 縦＝0.5nm： 現在の約1/13⇒ Si原子層 横：9層 縦：5層 で動作

Si単原子素子

水野研ホームページ• http://www.info.kanagawa-u.ac.jp/~mizuno/