hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
日本人糖尿病患者における低用量アスピリン療法の発癌抑制効果に関する研究

本研究は日本人2型糖尿病患者コホートであるJPAD研究コホートを用いて、低用量アスピリン療法が日本人糖尿病患者の発癌・癌死亡に与える効果を検証する研究である。平成30年度は平成29年度に実施した追跡調査(2017年追跡調査)のデータクリーニングを行ない、解析用データベースの補完に必要な二次調査を実施し完了した。その結果、平成31年3月に解析用データベースを固定することができた。2017年追跡調査の結果から、観察期間12.3年(中央値)中に総勢2536名の登録患者のうち359名に癌の発症を認めたことが判明している。現在、本データベースを元に低用量アスピリン療法やその他の薬物療法と発癌の関連を解析している。また、2015年追跡調査を元に低用量アスピリン療法が日本人糖尿病患者における発癌抑制効果を有するかについて、解析・報告を行なった(解析結果の詳細は平成29年度に報告済み)。2015年追跡調査を元にした解析結果では、日本人2型糖尿病患者において低用量アスピリン療法の発癌抑制効果は示すことはできなかったが、対象を65歳未満に限定した場合、低用量アスピリン療法による発癌抑制の可能性を示した。本結果は平成30年5月に日本糖尿病学会年次学術集会で発表し、平成30年6月に米国糖尿病学会の機関誌である“Diabetes Care誌"に発表(2018年8月号に掲載)した。本研究の成果はDiabetes Care電子版発行に併せてプレスリリースを行ない、朝日新聞等に掲載(平成30年6月17日)された。平成29年度に予定した2015年追跡調査の解析・報告は終了した。平成29・30年度に予定していた2017年追跡調査(二次調査を含む)に当初の予定よりも時間を要したが、平成30年3月に終了し、データ解析が行える環境が整った。研究期間延長後の令和元年度にこれらのデータを用いて解析・報告を行なう予定である。2017年追跡調査の結果を元に、日本人糖尿病患者における低用量アスピリン療法による発癌抑制効果の評価を行なう。また、本研究で構築したデータベースを元に日本人糖尿病患者の発癌と関連する危険因子(特に代謝パラメータの治療状況)や低用量アスピリン以外の薬物と発癌の関連を解析する予定である。本研究は日本人2型糖尿病患者コホートであるJPAD研究コホートを用いて,低用量アスピリン療法が日本人糖尿病患者にどのような影響を与えるか,特に糖尿病患者に多いとされる発癌・癌死亡に与える効果を検証する研究である.平成29年度はJPAD研究コホートの追跡調査(2017年追跡調査)を実施するとともに,2015年に実施した2015年追跡調査結果を元に解析を実施した.2015年追跡調査結果を元に,低用量アスピリン療法が日本人糖尿病患者における発癌抑制効果を有するかについて解析を行った.2015年追跡調査では,解析対象患者2536名中318名において癌の発症を,123名において癌による死亡を認めた.JPAD研究開始時(2002年2005年登録)の低用量アスピリン療法の割付(2015年時点での割付遵守率:85%)に従って解析を行うと,低用量アスピリン療法による発癌抑制効果・癌死亡抑制効果は認められなかった(発癌:ハザード比0.92, 95%信頼区間0.73-1.14,癌死亡:ハザード比1.10, 95%信頼区間0.77-1.57).年齢・性別での層別解析では,低用量アスピリン療法による発癌抑制効果には性差を認めなかったが(男性:ハザード比0.92, 95%信頼区間0.69-1.21,女性:ハザード比0.89, 95%信頼区間0.61-1.28),65歳以上/未満で解析を行った場合,65歳未満において発癌抑制効果を有する傾向を認めた(65歳以上:ハザード比0.98, 95%信頼区間0.75-1.28,65歳未満:ハザード比0.67, 95%信頼区間0.44-0.99).本研究結果は平成30年度に日本糖尿病学会で発表することが確定しており,論文を英文誌に投稿している.また,2017年追跡調査を実施した.2017年追跡調査は平成29年7月時点の発癌状況について調査を行った.2017年追跡調査は平成29年3月までに一次調査が終了し,現在は不備のある情報を補完する目的で二次調査を実施している.2015年追跡調査の解析・報告は予定通り進捗している.2017年追跡調査については平成29年3月末時点で一次調査が終了し,現在は二次調査を開始している.当初の予定では平成29年度中に二次調査が終了する予定であったが,症例調査に想定以上の時間を有したため,やや遅延している.今後は,二次調査結果がまとまり次第,解析を実施する予定である.本研究は日本人2型糖尿病患者コホートであるJPAD研究コホートを用いて、低用量アスピリン療法が日本人糖尿病患者の発癌・癌死亡に与える効果を検証する研究である。平成30年度は平成29年度に実施した追跡調査(2017年追跡調査)のデータ

クリーニングを行ない、解析用データベースの補完に必要な二次調査を実施し完了した。その結果、平成31年3月に解析用データベースを固定することができた。2017年追跡調査の結果から、観察期間12.3年(中央値)中に総勢2536名の登録患者のうち359名に癌の発症を認めたことが判明している。現在、本データベースを元に低用量アスピリン療法やその他の薬物療法と発癌の関連を解析している。また、2015年追跡調査を元に低用量アスピリン療法が日本人糖尿病患者における発癌抑制効果を有するかについて、解析・報告を行なった(解析結果の詳細は平成29年度に報告済み)。2015年追跡調査を元にした解析結果では、日本人2型糖尿病患者において低用量アスピリン療法の発癌抑制効果は示すことはできなかったが、対象を65歳未満に限定した場合、低用量アスピリン療法による発癌抑制の可能性を示した。本結果は平成30年5月に日本糖尿病学会年次学術集会で発表し、平成30年6月に米国糖尿病学会の機関誌である“Diabetes Care誌"に発表(2018年8月号に掲載)した。本研究の成果はDiabetes Care電子版発行に併せてプレスリリースを行ない、朝日新聞等に掲載(平成30年6月17日)された。平成29年度に予定した2015年追跡調査の解析・報告は終了した。平成29・30年度に予定していた2017年追跡調査(二次調査を含む)に当初の予定よりも時間を要したが、平成30年3月に終了し、データ解析が行える環境が整った。研究期間延長後の令和元年度にこれらのデータを用いて解析・報告を行なう予定である。2017年追跡調査の二次調査が終了した時点で,全データのクリーニングを実施し,癌イベントを含む報告内容について,イベント評価委員会での検討を行う.イベント評価委員会での評価が済み次第,当該研究の主目的である低用量アスピリン療法による発癌抑制効果について評価を行う.特に,2015年追跡調査で課題となった65歳未満の糖尿病患者に対して,低用量アスピリン療法が発癌抑制に有効であるかを検討する.2017年追跡調査の結果を元に、日本人糖尿病患者における低用量アスピリン療法による発癌抑制効果の評価を行なう。また、本研究で構築したデータベースを元に日本人糖尿病患者の発癌と関連する危険因子(特に代謝パラメータの治療状況)や低用量アスピリン以外の薬物と発癌の関連を解析する予定である。平成29年度は,2017年度追跡調査が遅延したこともあり,データ解析用機材を購入しなかったために物品費に繰り越しが生じた.また,平成29年度に予定されていた国際学会への参加を取りやめたことから,旅費に余剰が生じた.平成30年度は,2015年追跡調査結果の成果発表に関連する費用や2017年追跡調査結果の解析のためのデータ解析用機材購入費用に充てる予定である.平成29・30年度に実施した2017年追跡調査の二次調査に時間を要したため、解析用データベースの構築が遅れた。本来であれば平成30年度に完了すべき解析・報告に要する研究費を令和元年度に継続した上で、データ解析と結果発表を行なう。
微分方程式の超離散解析

超離散化は与えられた差分方程式をセル・オートマトンに変換する極限操作である。この手法で構成されたセル・オートマトンは可積分系の方程式においては厳密解の構造など元の方程式の本質的な性質を保存する。研究機関内に、可積分系の方程式でない反応拡散系の方程式を離散化して差分方程式を構成し、さらに超離散化によってセル・オートマトンを構成した。得られたセル・オートマトンについて、解の形状、挙動、安定性など元の連続系の解の性質を保つことを示した。自身が開発した微分方程式を元にセル・オートマトンを構成する方法を用いて研究を行った。その方法は1階の微分方程式や反応拡散方程式に適用でき、多成分や多変数の方程式への適用も可能である。2成分の反応拡散系である化学反応のモデルとして知られるグレイ・スコットモデルについてこの手法を用いてセル・オートマトンモデルを構成して、自己複製パターンやパルスの分裂や対消滅の生じるようなシミュレーション結果を得ることに成功したが、その結果とグレイ・スコットモデルの解との対応を見るために、セル・オートマトン化の過程で生じるこれらのモデルの間に存在する差分方程式モデルについて数値解析を行った。その結果、差分方程式モデルでもグレイ・スコットモデルと同じように、方程式のパラメータや初期条件を変化させることにより自己複製パターンやパルスの分裂や対消滅の生じるようなシミュレーション結果を得ることに成功した。このことは開発したセル・オートマトン化を行う方法が、元の微分方程式の性質を保存したものであることを示している。したがって、他の方程式についてもこの手法で元の微分方程式の性質を保存したセル・オートマトンが構成できると期待される。微分方程式、差分方程式、超離散方程式の3種類の関数方程式に対応関係をつけて、それらを総合的に解析するための手法を確立することが研究の目的である。今年度の実績は、グレイ・スコットモデルという具体例に対して、対応する3種類の関数方程式を構成し、数値シミュレーションにより同様の定性的な性質を有していることを確認したことになる。目的とする手法の確立のためには、現状では具体例における成功例を多く獲得することが重要と考える。したがって、グレイ・スコットモデルにおける今年度の実績は今後の進展に向けても重要な結果である。1成分の双安定な反応拡散系であるアレン・カーン方程式の空間多次元の方程式については、1次元のときと異なり任意速度の安定な進行波が存在することが知られており、同様の進行波解がこの手法で構成されたセル・オートマトンモデルに存在するかを調べた。その結果、セル・オートマトンモデルにもアレン・カーン方程式と同じような形状を持つ任意速度の安定な進行波解が存在することが分かった。更に、元の微分方程式では導出が困難な厳密な解の表示も得た。また、微分方程式とセル・オートマトンの間には差分方程式モデルが存在するが、そのモデルにも任意速度の安定な進行波解が存在することを数値計算により確かめた。このことは開発したセル・オートマトン化を行う方法が、元の微分方程式の性質を保存するものであることを示している。今年度の実績は、空間多次元のアレン・カーン方程式という具体例に対して、対応する3種類の関数方程式を構成し、厳密解の構成や数値シミュレーションにより同様の定性的な性質を有していることを確認したことになる。したがって、空間多次元のアレン・カーン方程式の研究における今年度の実績は今後の進展に向けても重要な結果である。第2パンルヴェ方程式のq差分類似であるqパンルヴェ方程式に対応する超離散方程式を提出した。その超離散方程式の2つの任意定数を持つ厳密解を構成した。パンルヴェ方程式やqパンルヴェ方程式においては任意定数を持つ解の構成は困難であるが、超離散パンルヴェ方程式においてそのことに成功した。将来的には超離散パンルヴェ方程式とqパンルヴェ方程式の対応関係を考えることにより、qパンルヴェ方程式やパンルヴェ方程式の任意定数を持つ解の構成に役立つことが期待される。つまりパンルヴェ超越関数の解明に役立つものと考えられる。微分方程式に対して超離散化を行う系統的な方法を確立した。その方法は1階の微分方程式や反応拡散方程式に適用できるものである。1成分の反応拡散系として知られているAllen-Cahn方程式についてこの手法で超離散方程式を構成した。そして元の微分方程式と同様の性質を持つ定常解や進行波解などの厳密解を構成した。また、2成分の反応拡散系であるGray-Scottモデルについてこの手法を用いて超離散モデルを構成した。

元のモデルと同じように自己複製パターンやパルスの分裂や対消滅の生じるようなセル・オートマトンを得ることに成功した。特に、この超離散モデルは時空パターンがシェルピンスキー三角形を描くことで知られるエレメンタリー・セル・オートマトンのルール90と呼ばれるものを含むことが分かった。このことは提案した超離散化を行う系統的な方法が、元の微分方程式の性質を保存していることを示しており、他の方程式についてもこの手法で元の微分方程式と同様の性質をもつ超離散方程式を構成できると期待される。自身が開発した微分方程式を元にセル・オートマトンを構成する方法を用いて研究を行った。その方法は1階の微分方程式や反応拡散方程式に適用でき、多成分や多変数の方程式への適用も可能である。最終年度は、2成分の反応拡散系であるグレイ・スコットモデルを元にセル・オートマトンモデルを構成した結果を参考にして、他の2成分の反応拡散系についてもセル・オートマトンモデルの構成を試みた。その結果,離散値のみをとるような超離散モデルを構成することは容易であるが,そのモデルの値域をうまく制限して有限個の値のみをとるようなセル・オートマトンを構成することができるかどうかは、元の微分方程式の形が強く影響しており、多くの具体例について困難であることが、確認された。微分方程式、差分方程式、超離散方程式の3種類の関数方程式に対応関係をつけて、それらを総合的に解析するための手法を確立することが研究の目的であった。そのために、自身が開発した微分方程式を元にセル・オートマトンを構成する方法がどこまで適用可能かというアプローチで研究を進めてきた。結果としては、主に反応拡散系の方程式に対して、方程式間の形式的な対応関係が必ず存在し、アレン・カーン方程式やグレイ・スコットモデルといった具体例について、特徴的な解の振る舞いも含めた対応関係が存在することが示せた。1成分の反応拡散系については、双安定系の代表的な方程式であるアレン・カーン方程式に対して、空間多次元の系も含めて両者の解の安定性の対応も示すことができたので、ひとまず満足のいく結果が得られたといえる。しかしながら多成分の反応拡散系については、上述の困難もあり、目的の実現のためには、今後は別のアプローチが必要になると考えている。可積分系1階の微分方程式や反応拡散方程式に対して、それと同様の性質をもつと考えられる超離散方程式やセル・オートマトンを構成する系統的な手法を確立した。特に反応拡散系の代表的な方程式であるアレン・カーン方程式とグレイ・スコットモデルに対してセル・オートマトンモデルと差分方程式モデルで同様のシミュレーション結果が得られることを確認した。微分方程式、超離散方程式、その間に位置する差分方程式という3種類の関数方程式を総合的に解析する手法を確立することが研究の目的であるので、そのための有効な手段を開発したといえる。1階の微分方程式や反応拡散方程式に対して、それと同様の性質をもつと考えられる超離散方程式やセル・オートマトンを構成する系統的な手法を確立した。
植物細胞の分泌経路において形成されるタンパク質凝集体の液胞移行による分解機構

本研究では、植物細胞における異常タンパク質の分解機構を理解することを目的としている。既に昨年までの解析から、我々がモデルタンパク質としで用いている、小胞体局在を示すチトクロームb5と赤色蛍光タンパク質(DsRed)との融合タンパク質は、これを発現させたタバコ培養細胞By-2株内で凝集体を形成すること、この凝集体は細胞を飢餓状態にさらすと分解されることを見出していた。また、この分解がオートファジーによることを示唆する可能性も見出していた。そこで本年度は昨年に引き続きこの解析を続けるとともに、植物細胞でのオートファジ-に関して、他の視点からの解析も行った。また、この凝集体形成に、DsRedの4量体を形成するという性質が関わるかについて検討を行った。その結果、単量体DsRedとチトクロームb5との融合タンパク質は、小胞体への分布を示し、凝集体を形成しなかったため、この4量体を形成するという性質が凝集体形成に関わることが明らかになった。そこで、4量体型と単量体の各々の融合タンパク質を発現しているタバコ細胞中での遺伝子発現について網羅的な解析を行い、凝集体形成に関連する遺伝子の推定を行ったところ、エチレンのシグナリング系と、オートファジー関連遺伝子等複数の遺伝子群が凝集体形成株で高い発現を示していることを見出した。この洗い出しにより見出したタンパク質リン酸化酵素がオートファジ-に関係するかの検討を行っている。また、凝集体形成が植物のどのような細胞で起るかについて、形質転換シロイヌナズナを作成して検討したところ、凝集体形成は細胞の分化に関わらず起こりえることを見出した。本年度は括弧内の担当者が、1、各種栄養飢餓時、情報伝達因子抑制細胞におけると凝集体の変化とその際の遺伝子発現(豊岡,松岡)、2、凝集の形成におけるオートファジー系の関与(豊岡)。3、各種栄養飢餓時における凝集体以外の蛋白質の分解(松岡)の3項目の解析を行った。1、に関しては、凝集物が膜に囲われていない細胞内凝集体であることを免疫電子顕微鏡法を用いて確認した。また、動物や酵母で栄養飢餓情報を伝える因子のタバコホモログのアンチセンスコンストラクトを凝集体形成細胞に導入し、凝集体の液胞への移行の程度を解析した。その結果、リン酸と糖の飢餓シグナルの伝達経路は、比較的類似しているが、窒素飢餓シグナルの伝達経路はこれらと異なることを可能生が示唆される結果を得た。また、飢餓状態における遺伝子発現パターンの変化の検討をマイクロアレイを用いて行っており、現在は所得されたアレイデータの解析と、実験の繰返しを行っている。2、に関しては、タバコLC3ホモログ-GFP融合蛋白質を共発現させた細胞において、飢餓誘導依存的にタバコLC3ホモログ-GFが凝集体を包み込み、最終的に液胞に輸送していることを見いだした。3、の項目では、凝集体が分解される三種の飢餓条件において、細胞内の各種のオルガネラのマーカー蛋白質と、細胞質のマーカー蛋白質の分解を解析した。その結果、飢餓状態における凝集体の分解は、細胞内の構造体の非特異的な分解によるものではなく、特異的に凝集体を分解する機構が飢餓により誘導されていると考えられる結果を得た。
スペクトル差分法の汎用化

当該研究で使用するスペクトル差分法は2次元問題/軸対称問題では一方向に完備なスペクトル展開し,直交方向に対する微分方程式を導出し,その微分方程式を数値解析する手法であり,空間精度が良好等の特長を有しており,汎用性を念頭においての適用性を確証することが急務とされている.そこで数値解析をNavicr-Stokes方程式,エネルギ方程式等の性質を明らかにする一環として単位円に写像する一般的な座標変換関数を導入して具体的な幾何形状,熱流動場に適用した.数値求積はスーパーコンピュータによって行った.その結果,汎用的な座標変換でのスペクトル差分法の汎用化を具体例で検証した.なお本変換に対する境界適合座標系としてヤコビの楕円関数を利用できる可能性が高いことが判明した.直角二等辺三角形キャビティ内の層流自然対流問題では等角座標変換にヤコビの楕円関数を使用することにより,少なくとも適度なパラメータの範囲では定常解を求積できることが判明した.また層流自然対流で直角二等辺三角形キャビティ内のある種の非ニュートン流体に適用した場合,弾性パラメータが含まれているにもかかわらず,安定に数値解析が可能なことを示した.当該研究で使用するスペクトル差分法は2次元問題/軸対称問題では一方向に完備なスペクトル展開し,直交方向に対する微分方程式を導出し,その微分方程式を数値解析する手法であり,空間精度が良好等の特長を有しており,汎用性を念頭においての適用性を確証することが急務とされている.そこで数値解析をNavicr-Stokes方程式,エネルギ方程式等の性質を明らかにする一環として単位円に写像する一般的な座標変換関数を導入して具体的な幾何形状,熱流動場に適用した.数値求積はスーパーコンピュータによって行った.その結果,汎用的な座標変換でのスペクトル差分法の汎用化を具体例で検証した.なお本変換に対する境界適合座標系としてヤコビの楕円関数を利用できる可能性が高いことが判明した.直角二等辺三角形キャビティ内の層流自然対流問題では等角座標変換にヤコビの楕円関数を使用することにより,少なくとも適度なパラメータの範囲では定常解を求積できることが判明した.また層流自然対流で直角二等辺三角形キャビティ内のある種の非ニュートン流体に適用した場合,弾性パラメータが含まれているにもかかわらず,安定に数値解析が可能なことを示した.当該研究で使用するスペクトル差分法は2次元間題/軸対象問題では一方向に完備なスペクトル展開し,直交方向に対する微分方程式を導出し,その微分方程式を数値解析する手法であり,空間精度が良好等の特長を有しており,汎用性を念頭においての適用性を確証することが急務とされている.そこで数値解析をNavier-Stokes方程式,エネルギ方程式等の性質を明らかにする一環として単位円に写像する一般的な座標変換関数を導入して具体的な幾何形状,熱流動場に適用した.数値求積はスーパーコンピュータによって行った.その結果,汎用的な座標変換(当該事例では複素数の正弦関数を含む関数を利用)で作成した種々形状のフィンからの熱伝達問題では種々の幾何学パラメータおよび適度なグラスホフ数の範囲で良好に熱流動場を解析できることが判明した.長方形キャビティ内の層流自然対流問題では等角座標変換に複素変数のフーリエ級数を使用した場合と複素変数のヤコビの楕円関数を使用することにより定常状態では非線形方程式に固有の別の解すなわち多重解を表現できることを示した.また層流自然対流で長方形キャビティ内の非ニュートン流体に適用した場合,弾性パラメータが含まれているにも係わらず,安定に数値解析が可能なことを示した.当該研究で使用するスペクトル差分法は2次元問題/軸対称問題では一方向に完備なスペクトル展開し,直交方向に対する微分方程式を導出し,その微分方程式を数値解析する手法であり,空間精度が良好等の特長を有しており,汎用性を念頭においての適用性を確証することが急務とされている.そこで数値解析をNavier-Stokes方程式,エネルギ方程式等の性質を明らかにする一環として単位円に写像する一般的な座標変換関数を導入して具体的な幾何形状,熱流動場に適用した.数値求積はスーパーコンピュータによって行った.その結果,汎用的な座標変換でのスペクトル差分法の汎用化を具体例で検証した.直角二等辺三角形キャビティ内の層流自然対流問題では等角座標変換にヤコビの楕円関数を使用することにより,少なくとも適度なパラメータの範囲では定常解を求積できることが判明した.また層流自然対流で直角二等辺三角形キャビティ内のある種の非ニュートン流体に適用した場合,弾性パラメータが含まれているにもかかわらず,安定に数値解析が可能なことを示した.
Ge-Si系量子ドットの自己整合複合集積による物性制御とエレクトロルミネッセンス

熱SiO_2膜上のSi量子ドット上にGeを選択成長させ、酸化・高温熱処理を施した後、SiH_4-LPCVDを行うことによって、自己整合的に一次元連結した量子ドット構造を形成できた。さらに、連結ドットを超高密度形成( 10^<13> cm^<-2>)することで、半透明Auゲートダイオード構造において、高効率キャリア注入が実現でき、電流密度0. 15A/cm^2においてEL強度をドット密度101^<11> cm^<-2>の場合と比べて425倍増大することが分かった。また、p-Si(100)上に形成したダイオード構造では、その閾値電圧は、n型基板上に形成した場合に比べ、Auと基板の仕事関数差を反映して0. 8V増加し、EL積分強度の印加電圧および投入電力依存性を調べた結果、基板側ドット内に効果的に正孔保持が起こることに起因して、長波長側( 1140nm)で強い依存性を示すことが分かった。p-Si(100)基板上に1000°C、2%O_2で膜厚4.2nmのSiO_2を形成後、希釈HF処理を行った後、SiH_4ガスのLPCVDによりSi-QDsを自己組織的に形成した。その後、GeH_4-LPCVDによりSi量子ドット上にGeを選択成長した後、大気圧でGe/Si-QDsを熱酸化した。引き続き、高温真空熱処理により、Si-QDsの核形成サイトとなるSi熱酸化膜表面のOH基の熱脱離およびGe酸化物の揮発特性を利用したGe酸化膜の薄膜化を行った。その後、GeO_2/Si-QDs上部にSiH_4-LPCVDを用いて2段目のSi-QDsを自己整合形成した。いずれのプロセスも、同一チャンバ内において真空一貫で行った。各工程後の表面形状像を測定した結果、第一段階目のSiH_4-LPCVD後では、面密度1.0×10^<11>cm^<-2>のSi-QDsの形成が認められ、その後GeH_4-LPCVDを行った結果、面密度に変化は認められず、個々のドットサイズが増大していることから、Si-QD上にGeが選択成長していることが分かる。Ge/Si-QDsを熱酸化した後では、僅かながらGeの酸化膨張によるドットサイズの増大が認められるが、引き続き、高温真空アニールした後には、ドット高さの減少が確認された。これは、Ge酸化物が熱離脱した結果であると考えられる。さらにその後、SiH_4-LPCVDを行った結果、ドット面密度が変化することなくドットサイズの増加が確認された。この結果は、Ge酸化物へのSi-QDの選択成長で解釈でき、Ge酸化膜を介してSi系量子ドットを一次元縦積連結できることを示している。本年度は、Si量子ドット上へのGeの選択成長およびGe酸化膜上へのSiの選択成長を利用したSi系量子ドット一次元縦積連結ドットの形成技術とその発光特性に着目し、下記2点に力点をおいて研究を推進した。1.自己整合一次元連結Si量子ドットの形成熱SiO_2膜上のSi量子ドット上にGeを選択成長させ、これを熱酸化して形成した極薄ゲルマニウム酸化膜上にSi量子ドット選択成長させることによって、自己整合的に一次元連結Siドットを形成することができることを明らかにした。また、n-Si(100)基板上に作成した超高密度一次元縦積み連結ドットを活性層とした半透明Au電極のダイオード構造において、Ah電極とn-si(100)基板の仕事関数差を反映した明瞭な整流特性が認められ、順方向バイアス印加時において、室温で近赤外領域におけるエレクトロルミネッセンス(EL)が認められた。2.高密度自己整合集積したSi系量子ドットのエレクトロルミネッセンスn-Si(100)基板上に作成した超高密度一次元縦積み連結ドットを活性層とした半透明Au電極のダイオード構造において、Au電極とn-Si(100)基板の仕事関数差を反映した明瞭な整流特性が認められ、順方向バイアス印加時において、室温で近赤外領域におけるエレクトロルミネッセンス(EL)が認められた。ELのしきい値電圧は1.2V程度で、1130nmと1030nmピーク波長を持つ発光成分が認められ、ゲート電圧の増加に伴って、1130nm成分の増大が顕著なために、短波長側に裾を引いたELスペクトルになる。

観測された2成分は、1層目と2層目のドットに対応した成分と解釈している。なお、逆方向バイアス印加ではELは認められなかった。EL積分強度を電流密度に対してまとめた結果、低密度に形成した縦積連結ドット(面密度:10^<11>cm^<-2>)に比べ、発光強度が2桁以上増大する結果が得られた。これは、縦積連結ドットを高密度化することにより、ドットを介さない電流成分が抑制され、ドット内への電子・正孔注入が高効率に起こることでEL効率が向上したと示唆される。1.自己整合一次元連結Si系量子ドットの形成熱SiO_2膜上のSi量子ドット上にGeを選択成長させ、酸化・高温熱処理を施した後、SiH_4-LPCVDを行うことによって、自己整合的に一次元連結したSi量子ドットを形成することができた。さらには、初期ドット面密度を高密度化し、同様のプロセスを真空一貫で行うことで、超高密度一次元連結Si系量子ドットが形成できることを明らかにした。2.高樒度自己整合集積したSi系量子ドットのエレクトロルミネッセンス一次元連結Si量子ドットの超高密度(10^<13>cm-2)形成によって高効率キャリア注入を実現することで、EL強度が電流密度0.03A/cm^2において、面密度10^<11>cm^<-2>の連結ドットに比べて200倍、Si量子ドットの単純2重積層構造(1層当たりの面密度:10^<11>cm^<-2>)に比べ430倍に増大することが明らかになった。n-Si(100)基板上に形成した高密度・一次元連結ドットにおける局所電子注入では、2層目のドットに電子注入保持された後、同層の隣接ドットへ電荷移動し、1層目のドットへ移動することが分かった。p-Si(100)基板上に形成した連結ドットへの局所正孔注入では、電圧印加後において、2層目のドットを介して1層目のドットの価電子が放出され、その後、正孔は2層目のドットに移動した後、200分以上安定保持されることが分かった。4.一次元縦積み連結Si系量子ドットの室温共鳴トンネル伝導超高密度形成した一次元連結Si系量子ドット構造に導電性AFM探針を接触させ、局所電流-電圧特性を評価した結果、印加電圧1.8V近傍に、特異な電流増加と顕著な負性微分抵抗特性が観測され、ピークーバレイ電流比は2桁を越えることが明らかになった。さらに、3.4V近傍においても、不鮮明ながら電流ピークが認めら、熱SiO_2/Siドット/SiO_2二重障壁構造における理論シミュレーション結果と類似の振る舞いであることから、観測された特異な伝導特性は量子化エネルギー準位を介した共鳴トンネル伝導で解釈できる。
将来の地域人口・経済予測に基づいた持続的な水環境管理シナリオの提案に関する研究

湖沼・内湾など閉鎖性水域の水質を保全・改善するためには,各種発生源からの汚濁負荷物質の排出・流出を抑制することが重要である.そのため日本各地では下水処理場などの設備が整備され,現在更新や再整備等が検討されている.しかし,人口減少期を迎え,発生負荷量が想定を下回ったり,インフラの維持・管理費用が不足したりするなど,整備当初とは想定外の事態となり,排水処理施設を将来どのように維持するかが課題となっている.そこで本研究では,国立社会保障・人口問題研究所の将来人口推計を高精細化した将来人口推計を用いて,将来の生活系汚濁負荷発生量を推計するとともに,生活系排水処理施設の維持・管理費を積算することで,将来の生活系排水処理施設の再整備・維持管理費の関係を考慮した水環境管理シナリオを提案する.本年度は昨年度までに整備した下水処理事業に関する情報に,建物単位に非集計化された将来推計人口を組合せることによって,下水道処理区域毎に将来の処理区域内人口を算出し,その将来的な持続可能性を検討した.また生活系汚水の発生源ともいえる住宅の分布が,物理的に他の住宅から孤立している住宅を「遠隔住宅」と定義し,そのインフラの持続可能性に関する検証を行った.実務者へのヒアリングにより,建物の密度は汚水処理システムの選択に重要な要素であることが示され,引き続き,水環境管理シナリオの提案に向けた検討を実施するものとした.これまで収集・整備した下水処理事業に関する情報を駆使し,得られた研究成果の一部を2本の査読誌(うち1本は国際誌)にまとめて発表した.今年度の研究計画に従い,研究成果の取りまとめの一環として行った学会発表の際に専門家の方から,本研究の目的を達成にむけたより精緻な手法の提案をいただいた.その方は実務者であり,ご提案いただいた手法は未発表であったため,ご本人から直接ご指摘いただくまでその手法を知る機会が無かった.ご提案いただいた手法の実施にむけて,今年度は追加で必要となったデータの収集を行うとともに分析を行う予定である.湖沼・内湾など閉鎖性水域の水質を保全・改善するためには,各種発生源からの汚濁負荷物質の排出・流出を抑制することが重要である.そのため日本各地では下水処理場などの設備が整備され,現在更新や再整備等が検討されている.しかし,人口減少期を迎え,発生負荷量が想定を下回ったり,インフラの維持・管理費用が不足したりするなど,整備当初とは想定外の事態となり,排水処理施設を将来どのように維持するかが課題となっている.そこで本研究では,国立社会保障・人口問題研究所の将来人口推計を高精細化した将来人口推計を用いて,将来の生活系汚濁負荷発生量を推計するとともに,生活系排水処理施設の維持・管理費を積算することで,将来の生活系排水処理施設の再整備・維持管理費の関係を考慮した水環境管理シナリオを提案することを目的とする.本年度は,まずは下水処理事業の現況を把握するため現時点における全国の下水処理に関連する事業に関する資料の収集を行った.また将来の経営対策を検討するため,収集した資料を基に全国の下水処理事業の経営指標を用いて経営状態の類型化を行った.これにより以下のような類型(事業順調・経営効率優良型,事業成熟・経営効率要改善型,等)に区分され,同じ類型に分類された事業については経営状態が類似するものと考えられるため相互に政策参照先を検討する際に活用されるものと期待される.さらに来年度に向けた将来人口データの入手を行った.下水処理に関連する事業を管轄する関係各省(国土交通省,総務省,農水省,環境省,地方公共団体)に事業に関する統計情報についてヒアリングを実施した結果,データ間の集計単位の不一致などデータの制約が明らかになった.これにより,当初予定していた各種データを統合的に用いることが出来なったため.湖沼・内湾など閉鎖性水域の水質を保全・改善するためには,各種発生源からの汚濁負荷物質の排出・流出を抑制することが重要である.そのため日本各地では下水処理場などの設備が整備され,現在更新や再整備等が検討されている.しかし,人口減少期を迎え,発生負荷量が想定を下回ったり,インフラの維持・管理費用が不足したりするなど,整備当初とは想定外の事態となり,排水処理施設を将来どのように維持するかが課題となっている.そこで本研究では,国立社会保障・人口問題研究所の将来人口推計を高精細化した将来人口推計を用いて,将来の生活系汚濁負荷発生量を推計するとともに,生活系排水処理施設の維持・管理費を積算することで,将来の生活系排水処理施設の再整備・維持管理費の関係を考慮した水環境管理シナリオを提案する.本年度は,昨年度整備した下水処理事業に関する情報に加えて,生活系負荷量を処理するその他の処理施設(し尿処理場,農業集落排水施設等)に関する情報を整備した.また本研究は人口減少期における下水処理事業に焦点を当てており,本研究で提案する水環境管理シナリオは一つの地域課題の解決への糸口となることが期待される.そこで,本研究で取り組む課題意識や研究手法をより促進させ,また今後の発展の方向性を探るため,人口減少という前提のもと地域課題の解決に向けて取り組む多方面の専門家によるシンポジウムを企画・運営し,活発な議論を行った.下水処理に関する事業を管轄する関係各所の統計データ概ね揃えるとともに,集計単位が異なるデータのメッシュへの配分方法について研究協力者との協議を重ね

対策を講じることができたため.湖沼・内湾など閉鎖性水域の水質を保全・改善するためには,各種発生源からの汚濁負荷物質の排出・流出を抑制することが重要である.そのため日本各地では下水処理場などの設備が整備され,現在更新や再整備等が検討されている.しかし,人口減少期を迎え,発生負荷量が想定を下回ったり,インフラの維持・管理費用が不足したりするなど,整備当初とは想定外の事態となり,排水処理施設を将来どのように維持するかが課題となっている.そこで本研究では,国立社会保障・人口問題研究所の将来人口推計を高精細化した将来人口推計を用いて,将来の生活系汚濁負荷発生量を推計するとともに,生活系排水処理施設の維持・管理費を積算することで,将来の生活系排水処理施設の再整備・維持管理費の関係を考慮した水環境管理シナリオを提案する.本年度は昨年度までに整備した下水処理事業に関する情報に,建物単位に非集計化された将来推計人口を組合せることによって,下水道処理区域毎に将来の処理区域内人口を算出し,その将来的な持続可能性を検討した.また生活系汚水の発生源ともいえる住宅の分布が,物理的に他の住宅から孤立している住宅を「遠隔住宅」と定義し,そのインフラの持続可能性に関する検証を行った.実務者へのヒアリングにより,建物の密度は汚水処理システムの選択に重要な要素であることが示され,引き続き,水環境管理シナリオの提案に向けた検討を実施するものとした.これまで収集・整備した下水処理事業に関する情報を駆使し,得られた研究成果の一部を2本の査読誌(うち1本は国際誌)にまとめて発表した.データ間の集計単位の不一致などデータの制約について,可能な部分については研究協力者と連携により各種マイクロジオデータを活用して不足する情報を補完することを検討する.今年度は最終年度であるため,水環境管理シナリオとして成果をまとめる予定である.今年度の研究計画に従い,研究成果の取りまとめの一環として行った学会発表の際に専門家の方から,本研究の目的を達成にむけたより精緻な手法の提案をいただいた.その方は実務者であり,ご提案いただいた手法は未発表であったため,ご本人から直接ご指摘いただくまでその手法を知る機会が無かった.ご提案いただいた手法の実施にむけて,今年度は追加で必要となったデータの収集を行うとともに分析を行う予定である.購入予定だった高額なデータが,共同研究によって利用可能となり購入の必要がなくなったため.(理由)購入予定だった高額なデータが,共同研究によって利用可能となり購入の必要がなくなったためである.(使用計画)全国規模の下水処理場に関連する資料整理作業等の賃金として利用する予定である.「今後の研究の推進方策」に記載したとおり昨年度,学会発表時にご提案いただいた手法を本研究に実装するため次年度に研究資金を確保し,新たに入手が必要となったデータの収集作業,データの処理・保存に必要な装置の確保,研究成果の発表等の原資に充てる予定である.全国規模の下水処理事業所に関連する資料整理作業等の賃金として利用する予定である.
方向感度をもつ暗黒物質直接検出実験の理論的研究

宇宙から到来する暗黒物質の方向を検出できる検出実験では、方向情報を利用して暗黒物質の様々な性質を調べることができると考えられる。暗黒物質の速度分布は先行研究から非等方的な成分を含むことが示唆されており、この検証には方向を検出できる検出実験が適している。本研究では、方向情報を利用して速度分布の非等方性を検証するのに必要なイベント数や検出器のエネルギーしきい値等の条件を、モンテカルロシミュレーションを利用して明らかにした。地球周辺での標準的な暗黒物質分布と、先行研究で提案された非標準的なモデルの2種類を用いて、方向感度をもつ直接検出実験における検出結果のシミュレーションを行った。異なる速度分布モデルによる検出事象の角度分布の違いなどを計算した。引き続き、原子核構造による補正や、現実的と考えられる暗黒物質のフラックスの効果を考慮して、現実の直接検出実験での速度分布測定の可能性を調べていく予定である。また、上記の暗黒物質の速度分布の測定と併行して、暗黒物質の弾性についての研究も行った。先行研究によって、質量差が100-200keVである暗黒物質は、複数の実験間の矛盾を説明できる興味深い暗黒物質モデルであることがわかっている。本研究でも、この質量差を持つ2種類の暗黒物質を想定している。質量の低い暗黒物質が原子核との散乱によって励起され、質量が高い暗黒物質として放出される仮定について、方向感度をもつ直接検出実験でのシミュレーションを行った。その結果、質量差が150keV以上の比較的質量差が大きい場合に、測定結果の角度分布情報を利用して、暗黒物質と原子核の散乱が弾性散乱であるか非弾性散乱であるかを見分けることができるということを明らかにした。本研究の目的は、次世代の実験である「方向感度をもつ暗黒物質の直接検出実験」による物理量ー特に方向情報を利用することによって測定が可能になりうる物理量ー測定可能性を明らかにすることである。暗黒物質の速度分布には、標準的に採用されている等方的なMaxwell分布の他に、非等方的な模型が観測やシミュレーションから示唆されている。「方向感度をもつ暗黒物質の直接検出実験」では、方向情報によってこれらの分布模型を判別することができると期待できる。当該年度では、前年度から引き続き、「方向感度をもつ暗黒物質の直接検出実験」における暗黒物質の速度分布依存性の判別可能性をシミュレーションにて行った。また研究計画に基づいて、上記の速度分布依存性と平行して、「方向感度をもつ暗黒物質の直接検出実験」における暗黒物質と核子の散乱の弾性依存性についても研究を遂行した。暗黒物質と核子の散乱は非弾性散乱を仮定されることが多いが、複数の直接検出実験の示唆から、弾性散乱をする暗黒物質も興味深い模型である。検出結果の角度分布の、散乱の弾性による依存性を、特に実験から興味深いと考えられるパラメータ領域について調べた。また、速度分布と弾性の片方だけ、あるいは双方だけが非標準的であるときなどについて実験の結果のシミュレーションを行った。その結果、双方ともに非標準的である場合でも、総合的に実験で調べることが可能なパラメータ領域が存在しうるという結果を得て、物理学会にて発表した。暗黒物質の速度分布と弾性による実験結果の計算はおおむね予定通りに進んだ。しかし、現実的なシミュレーションを行うためには原子核の形状因子を考慮する必要があり、そのために暗黒物質と原子核の散乱頻度が非常に少なくなるという問題が生じた。その問題の対処に時間を要したが、共同研究者との議論により今後の方針を定めるところまで至った。当該年度では、暗黒物質の「方向感度をもつ直接検出実験」を用いて、暗黒物質の速度分布モデルの判別を行うことができるかを調べた。検出器の分解能によって、(1)角度情報だけを使った解析、(2)角度情報とエネルギー情報の両方を使った解析の2つの場合がありうる。この2つの場合を想定してシミュレーションや解析を行い、それぞれの場合に速度分布モデルを判別するために実際の実験で必要な信号数や適切なエネルギー閾値等の条件を明らかにした。特に(2)の場合にシミュレーションで調べたところ、速度分布モデルによる角度分布の違いが非常に微細であり、角度分布だけでは判別が難しいことがわかった。そのため統計的手法を用いて、より明確に速度分布の違いを調べる方針に切り替えた。このような手法の変更に伴い、数値計算を得意とする研究協力者の助力を得ることができた。その結果、角度分布のカイ2乗検定を行うことにより、速度分布に含まれる非対称成分に対して制限を与えるために実験で必要な条件を明らかにすることができた。また当初は23種類の速度分布モデルを判別することを検討していたが、速度分布中の非等方的成分を自由なパラメータと考え連続的にすることで、これまでより一般的に速度分布の違いを調べた。当該年度で、「方向感度をもつ直接検出実験」を用いた速度分布の判別について主要な結果を得ることができたので、現在は研究成果を論文にまとめている段階である。当初は計画していなかった統計的手法による分布モデルの判別を行い、それがこれまでの研究成果から非常に有効であると判明したため、より正確に暗黒物質の速度分布モデルの判別が可能になったと言える。当該年度は本研究の最終年度にあたるため、方向感度をもつ直接検出実験における暗黒物質の非等方性検出可能性の総括を行った。暗黒物質のN体シミュレーションからは、暗黒物質の速度分布に30%程度の非等方性がある可能性が指摘されている。本研究では、このような非等方性の、方向感度をもつ直接検出実験による判別可能性を明らかにした。

方向感度をもつ直接検出実験での検出をモンテカルロ・シミュレーションし、速度分布の非等方性による検出結果の変化を調べた。検出結果としては反跳エネルギーと散乱角の2つの物理量が得られるため、それらの情報を用いて可能な2種類の解析(エネルギー角度分布・角度ヒストグラム)を行って、非等方性による違いを判別するために必要な条件を明らかにした。その結果、エネルギー角度分布においても角度ヒストグラムにおいても、N体シミュレーションから示唆される非等方性が実現していた場合に完全等方な可能性を排除するためには、O(1000)程度のイベント数が必要であることを示した。その結果は、方向感度をもつ直接検出実験で用いる標的原子核の種類にも依存しており、一般に重い原子核を用いる方が判別のためにより多くのイベント数を必要とする傾向があることを明らかにした。また、判別に必要な条件は、検出器のエネルギー閾値を最適化することで緩和できることがわかったため、特定の暗黒物質質量の場合にエネルギー閾値の最適化を行った。本研究結果は論文としてまとめ、現在は雑誌投稿中である。また、当該年度内では国際会議4回(うち招待講演1回)、国内学会・研究会2回で講演を行い発表した。また、一般市民講演を2回行い、研究成果の社会還元も行った。宇宙から到来する暗黒物質の方向を検出できる検出実験では、方向情報を利用して暗黒物質の様々な性質を調べることができると考えられる。暗黒物質の速度分布は先行研究から非等方的な成分を含むことが示唆されており、この検証には方向を検出できる検出実験が適している。本研究では、方向情報を利用して速度分布の非等方性を検証するのに必要なイベント数や検出器のエネルギーしきい値等の条件を、モンテカルロシミュレーションを利用して明らかにした。測定結果の速度分布モデル依存性については、当初の研究では昨年度に終らせることができる見込みであった。しかし、研究者の担当講義が研究計画提出時から大きく変更され、授業準備に大きく時間を割かなければならなかったため、研究成果を発表するまでには及ばなった。一方で、当初の計画では本年度行う予定になっていた、非弾性散乱する暗黒物質モデルについてのシミュレーションには昨年度のうちに既に着手している。既にいくつかの弾性パラメータについて、弾性散乱・非弾性散乱の区別が可能な場合があることを明らかにした。このように、当初の計画通りではないものの、全体的に見ればおおむね順調に進展している。当該年度に研究を遂行する上での問題となった形状因子については、それを考慮したシミュレーションの方法については方針を定めることができた。従って今後はその方針に従って、現実的な状況でのシミュレーションを行い、検出可能性を調べる予定である。暗黒物質の速度分布判別については、当該年度に試みたものより有効と思われる統計的な解析法を発見したため、それを用いて速度分布モデルの判別精度を上げることができるかを調べる。また、速度分布の判別と併行して、暗黒物質粒子が非弾性であった場合に、その弾性パラメータ測定を「方向感度をもつ直接検出実験」を用いて行う手法についても調べる。
計算科学手法に基づく難加工基板の高効率な化学機械研磨シミュレータの開発

パワー半導体素子材料の成長基板に用いられるAlN及びSiC基板は、その平坦度がデバイスの性能に影響するため、化学機械研磨(CMP)による平坦化が行われている。しかし、これらの基板は高硬度と高い化学安定性を有する難加工材料であり、高効率な研磨手法の開発が強く求められている。本研究では、難加工材料のCMPに有効な研磨液中の化学反応活性種及び研磨砥粒の組成・構造を検討可能とする、分子動力学法に基づいた難加工材料の高効率なCMPシミュレータの開発を目的とする。実験的に研磨スラリーにナノバブルを導入することで、研磨速度及び平坦度が向上することが報告されている。また、ナノバブルに衝撃波を与えると圧壊し、ジェット流及びOHラジカルが生じた後に、基板を酸化させることがわかっている。本年度は、研磨液中の化学反応活性種としてナノバブルに着目し、ReaxFFの反応力場を用いた分子動力学シミュレーションによって、ナノバブルの圧壊が基板の酸化反応プロセスに与える影響を検討した。まず、ナノバブルを導入した水環境中におけるOHラジカルの挙動を調べた。その結果、ナノバブルに内包されたガス内及び水の密度が疎な場合にOHラジカルが比較的安定に存在することがわかった。また、基板の回転速度を考慮するため、AlN(0001)基板を表面水平方向に強制移動させ、基板上のナノバブルに表面垂直方向の衝撃波を与えて圧壊させたシミュレーションを行った。その結果、ナノバブルの圧壊により生じたジェット流は基板に対して斜め方向に衝突するようになり、基板の移動を考えない場合よりも表面を削り取るように基板に衝突し、AlN(0001)表面が水との化学反応により酸化した。また、酸化されたAlN(0001)表面の範囲も増加しており、基板に対して斜め方向のジェット流を生じさせることで、難加工材料における研磨速度の向上が期待されることを示した。本研究課題では、難加工材料のCMPに有効な砥粒及び研磨液中の酸化剤を最適化を可能とする、分子動力学法に基づくAlN、SiCといった難加工材料の高効率なCMPシミュレータの開発を行うことを目標としている。ここで化学反応と応力、摩擦といった機械的作用が複雑に絡み合ったCMPプロセスを検討するためには、高精度かつ大規模なシミュレーションを行う必要がある。さらに、本研究課題では、難加工材料の高効率なCMPに向けたスラリー中における化学反応種を検討する。ここで、nmオーダーの泡であるナノバブルをCMPに導入することで、難加工材料の研磨速度が向上すると実験的に報告されている。本年度は、化学反応活性種としてナノバブルに着目し、ナノバブルの導入がCMPに与える影響をReaxFFを用いた分子動力学法による原子レベルの解析を行った。一般的にナノバブルに衝撃波を与えることで圧壊すると、生じたOHラジカルによって基板が酸化すると考えられている。本シミュレーションでは、ナノバブルの圧壊によって生じるOHラジカルが安定するサイトを明らかにしており、また基板の回転速度がナノバブルによる基板の酸化作用に与える影響を明らかにしている。以上より、本研究における進捗状況はおおむね順調に進展している。SiC及びAlN基板といった難加工材料に有効なCMP手法を設計するためのCMPシミュレーション手法を開発するため、引き続き反応力場分子動力学法に基づくナノバブルを活用したCMPシミュレーションを行う。高品質の基板を得るためには、高い平坦度に加えて研磨後にスクラッチの少ないCMPプロセスの確立が重要である。そこで、スクラッチの除去プロセスに与える影響を検討するため、切欠きのある基板モデルを作成し、ナノバブルの圧壊によって生じるジェット流が引き起こす、切欠きモデルにおける酸化反応ダイナミクスを検討する。酸化といった基板構造の変質プロセス及び、ジェット流による連成的な基板構造の変形を明らかにすることで、ナノバブルを活用した研磨後における基板の構造に与える影響を検討し、原子レベルの平坦度及び高い研磨速度を実現可能なCMP技術を理論的に設計するためのシミュレーション技術を確立する。また、ナノバブルは溶液中の陽イオンによって寿命が大きく減少するなど、スラリー内の環境に大きく影響されることがわかっている。そこで、様々なナノバブルに内包されたガス種及びスラリー内の酸化剤を導入し、様々な環境においてナノバブルを圧壊させ、基板への酸化反応プロセスに与える影響を検討する。以上のシミュレーションからCMPが効きにくい基板に対して、有効なナノバブルに内包されたガス種及びスラリー中の化学反応活性種を選定することで、平坦度の高い高品質な基板を得るための、ナノバブルを活用した難加工材料に対するCMPプロセスを最適化する。α-Al2O3及びSiC基板は次世代パワー半導体素子材料の成長基板であり、その基板の平坦度がデバイスの性能に影響するため、化学機械研磨(CMP)による平坦化が行われている。これらの基板は高硬度と高い化学安定性を有する難加工材料であり、高効率な研磨手法の開発が強く求められている。本研究では、α-Al2O3及びSiCといった難加工材料のCMPに有効な研磨液中の化学反応活性種及び研磨砥粒の組成・構造を検討可能とする、第一原理計算と分子動力学法に基づいた難加工材料の高効率なCMPシミュレータの開発を目的とする。初年度は、分子動力学法に基づくCMPシミュレーションを行うため、SiC基板モデルの構築を行った。ここでは化学反応を考慮するためにReaxFFの反応力場を用いた。また、CMPプロセスは水環境下で起こるため、H2OとSiC間のパラメータを最適化し、水和したSiC(0001)基板を作成した。次に、高性能な新規砥粒材料に関する知見を得るため、第一原理計算を用いてSiO2砥粒とα-Al2O3基板間の化学反応プロセスを検討した。

これまでα-Al2O3(0001)面上におけるCMPについては、SiO2砥粒の押し込みという機械的作用によって、Al2O3基板のO原子とSiO2砥粒のSi原子間の化学反応によってAl-O結合が弱まり、水分子によってAl-O結合が切断されるというCMPメカニズムを示している。そこで、異なる面方位がα-Al2O3のCMPプロセスに与える影響を解明するため、α-Al2O3(1-102)に対しても同様にSiO2砥粒を押し込み、第一原理計算による構造最適化を行った。押し込みに対するAl-O結合距離とSi原子の電荷の変化調べた、(0001)と同様にα-Al2O3(1-102)のO原子とSiO2砥粒のSi原子との化学反応によって、Al-O結合が弱まることを明らかにした。本研究課題では、難加工材料のCMPに有効な砥粒及び研磨液中の酸化剤を最適化を可能とする、α-Al2O3、SiCに対して第一原理計算と分子動力学法に基づく難加工材料の高効率なCMPシミュレータの開発を行うことを目標としている。ここで化学反応と応力、摩擦といった機械的作用が複雑に絡み合ったCMPプロセスを検討するためには、量分子動力学法を活用した研磨シミュレーションが有効であるが、正しく研磨性能を評価するためにより高精度かつ大規模なシミュレーションを行う必要がある。本課題では化学反応と機械的作用を同時に考慮可能なTight-Binding量子分子動力学法プログラムの使用を計画していたが、研究期間内にCMPシミュレーションを終了させるために、化学反応を考慮可能であり、かつ並列化効率が高くより大規模なモデルに対応することが可能な、申請者が所属する研究室で開発済みの反応力場を用いた分子動力学計算プログラムLASKYOの使用に計画を変更した。また、反応力場のパラメータは、第一原理計算で得た結合エネルギー、結合次数、反応プロセスなどを再現するように最適化する必要がある。本年度は、反応力場を用いた分子道理力学法によるSiC基板のCMPシミュレーションを行えるように、水環境におけるSiC(0001)基板モデルを構築した。また、SiO2砥粒によるα-Al2O3基板のCMPの化学反応プロセスを明らかにするため、第一原理計算によってSiO2砥粒の押し込み計算を行い、SiO2砥粒とα-Al2O3(1-102)基板間で起こる化学反応プロセスを明らかにした。得られた知見は今後、反応力場を用いた分子動力学法に基づくα-Al2O3基板のCMPシミュレーションにおけるパラメータ作成に役立てる。以上より、本研究における進捗状況はおおむね順調に進展している。パワー半導体素子材料の成長基板に用いられるAlN及びSiC基板は、その平坦度がデバイスの性能に影響するため、化学機械研磨(CMP)による平坦化が行われている。しかし、これらの基板は高硬度と高い化学安定性を有する難加工材料であり、高効率な研磨手法の開発が強く求められている。