hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
ＦＰＧＡ向けメニーコアアーキテクチャによる計算高速化

本研究では,FPGA向けメニーコアアーキテクチャ開発環境の構築を目指した.本研究ではまず,DSPブロックやブロックRAMを用いて,直線検出・円検出を,パラメータ空間を分割し,多数の演算器をFPGA上に並べることで並列計算を行うFPGA実装を提案し,既存の手法より高速に動作することを確認した.さらに本研究では,この結果を元に,主に一つのDSPブロックと二つのブロックRAMで構成された多倍長演算をサポートする超小型汎用プロセッサを設計・実装した.このプロセッサは,ハードウェア設計の経験がないソフトウェア設計者でも,専用回路とほぼ同じ性能の高速化をソフトウェアで実現可能であることを示した.平成25年度では,メニーコアアーキテクチャの設計の一例として,引き続き二値画像中の直線を検出するハフ変換の新しいFPGAアーキテクチャの設計,及び実装を行った.ハフ変換とは,デジタル画像処理で用いられる特徴抽出法の一つで,パラメータ空間への投票処理をすることで,画像中の特徴(直線、円、楕円等)を検出する手法である.近年,FPGAには何百の組込みDSPブロックやブロックRAMが搭載されている.例えば,Xilinx社のVirtex-6ファミリFPGAには高速な乗算器,加算器,パイプラインレジスタ等で構成されたDSP48E1や18kbitのデュアルポートメモリであるブロックRAMが搭載されている.そのため,DSPブロックやブロックRAMを効果的に利用することは,FPGAを用いた計算高速化のためのもっとも重要な鍵の一つである.平成24年度で作成したハフ変換の回路を改良することにより、新しいアーキテクチャでは,DSP48E1の数を半分にすることに成功した.また,より精度の高い検出をするために,極大値フィルタを使用した.実装の結果,512×512の任意の画像に対して,ハフ変換を1.065msで実行することを確認した.また別の例としてサポートベクターマシンの評価プロセッサの設計・実装を行った.結果として128次元空間のデータに対して,1秒間に2.89M個のデータを分類することを確認した.平成24年度では,メニーコアアーキテクチャの設計の一例として,二値画像中の直線を検出するハフ変換の新しいFPGAアーキテクチャの設計,及び実装を行った.ハフ変換とは,デジタル画像処理で用いられる特徴抽出法の一つで,パラメータ空間への投票処理をすることで,画像中の特徴(直線、円、楕円等)を検出する手法である.近年,FPGAには何百の組込みDSPブロックやブロックRAMが搭載されている.例えば,Xilinx社のVirtex-6ファミリFPGAには高速な乗算器,加算器,パイプラインレジスタ等で構成されたDSP48E1や18kbitのデュアルポートメモリであるブロックRAMが搭載されている.そのため,DSPブロックやブロックRAMを効果的に利用することは,FPGAを用いた計算高速化のためのもっとも重要な鍵の一つである.新しいアーキテクチャでは,DSP48E1を178個,18kbitブロックRAMを180個利用し,それらを並列に動作させハフ変換を実行する.このアーキテクチャはハフ変換で利用するパラメータ空間を180個に分割し,それぞれにブロックRAMを割当て,入力されたエッジ点の座標リストに対してパラメータ空間への投票を完全なパイプライン動作で並列に行う.投票空間を分割することで,投票する際に必要な三角関数の計算を事前に計算可能にし,また,複数のDSPブロックをカスケード接続することで,パイプラインレジスタの削減を動作周波数の低下を防ぐことに成功した.実装の結果,33232点のエッジ点をもつ512×512の画像に対して,ハフ変換を135.75μsで実行することを確認した.平成26年度では,メニーコアアーキテクチャの設計の一例として,二値画像中の円を検出するハフ変換の新しいFPGAアーキテクチャの設計,及び実装を行った.ハフ変換とは,デジタル画像処理で用いられる特徴抽出法の一つで,パラメータ空間への投票処理をすることで,画像中の特徴(直線、円、楕円等)を検出する手法である.近年,FPGAには何百の組込みDSPブロックやブロックRAMが搭載されている.例えば,Xilinx社のVirtex-7ファミリFPGAには高速な乗算器,加算器,パイプラインレジスタ等で構成されたDSP48E1や18kbitのデュアルポートメモリであるブロックRAMが搭載されている.そのため,DSPブロックやブロックRAMを効果的に利用することは,FPGAを用いた計算高速化のためのもっとも重要な鍵の一つである.新しいアーキテクチャでは,DSP48E1を398個,18kbitブロックRAMを309個利用し,それらを並列に動作させハフ変換を実行する.このアーキテクチャは1次元のハフ変換を組合わせることによって,既存の円検出のハフ変換と比べて小規模なメモリサイズで実行可能な手法を実装し,投票回数とメモリサイズの削減を実現した.実装の結果,400×400の任意の画像に対して,ハフ変換を5.337msで実行することを確認した.本研究では,FPGA向けメニーコアアーキテクチャ開発環境の構築を目指した.近年,FPGAには何百の組込みDSPブロックやブロックRAMが搭載されている.例えば,Xilinx社のVirtex-6ファミリFPGAには高速な乗算器,加算器,パイプラインレジスタ等で構成されたDSPブロックや18kbitのデュアルポートメモリであるブロックRAMが搭載されている.そのため,DSPブロックやブロックRAMを効果的に利用することは,FPGAを用いた計算高速化のためのもっとも重要な鍵の一つである.そこで本研究ではまず,DSPブロックやブロックRAMを用いて,デジタル画像処理で用いられる特徴抽出法の一つで,パラメータ空間への投票処理をすることで,画像中の特徴(直線、円、楕円等)を検出する手法であるハフ変換のFPGA実装を行った.

具体的には,二値画像中の直線検出・円検出,グレイスケール画像を用いた高精度直線検出を,パラメータ空間を分割し,多数の演算器をFPGA上に並べることで効果的に並列計算を行うFPGA実装を提案し,既存の手法より高速に検出することを確認した.さらに本研究では,この結果を元に,多倍長演算をサポートする超小型汎用プロセッサを設計・実装した.このプロセッサは,主に一つのDSPブロックと二つのブロックRAMで構成され,暗号計算や科学技術計算で用いられる多倍長演算を命令レベルでサポートすることにより,ハードウェア設計の経験がないソフトウェア設計者でも,専用回路とほぼ同じ性能の高速化をソフトウェアで実現できる特徴がある.また,このプロセッサ用のアセンブラ・コンパイラ・ハードウェアシミュレータを作成することで,ユーザが設計やデバッグが容易となる開発環境の整備も行った.本研究では,FPGA向けメニーコアアーキテクチャ開発環境の構築を目指した.本研究ではまず,DSPブロックやブロックRAMを用いて,直線検出・円検出を,パラメータ空間を分割し,多数の演算器をFPGA上に並べることで並列計算を行うFPGA実装を提案し,既存の手法より高速に動作することを確認した.さらに本研究では,この結果を元に,主に一つのDSPブロックと二つのブロックRAMで構成された多倍長演算をサポートする超小型汎用プロセッサを設計・実装した.このプロセッサは,ハードウェア設計の経験がないソフトウェア設計者でも,専用回路とほぼ同じ性能の高速化をソフトウェアで実現可能であることを示した.平成26年度の結果より,本研究テーマであるFPGA向けメニーコアアーキテクチャには,FPGAに搭載されるDSPブロックとブロックRAMの効果的に利用することが重要であることを認識できた.特に,DSPブロックの利用の効率化が回路の性能及びサイズに大きく影響することより,本研究テーマに適したハードウェアアルゴリズムの開発の指針を示すことができた.計算機工学平成26年度までに得られた結果より,次年度以降も様々な問題に対して,メニーコアアーキテクチャを提案していく.具体的には,画像処理や数値演算などの問題に適用させていきたい.平成25年度の結果より,本研究テーマであるFPGA向けメニーコアアーキテクチャには,FPGAに搭載されるDSPブロックとブロックRAMの効果的に利用することが重要であることを認識できた.特に,DSPブロックの利用の効率化が回路の性能及びサイズに大きく影響することを示すことができた.平成24年度では,本研究テーマであるFPGA向けメニーコアアーキテクチャには,FPGAに搭載されるDSPブロックとブロックRAMの効果的に利用することが重要であることを認識できた.特に,回路の動作を完全なパイプライン動作にすることが超高速演算への鍵であると考えられる.最近,FPGAベンダから様々な新しいアーキテクチャのFPGAが提案されており,本研究テーマとマッチしたFPGAを搭載したボードを購入する予定である.
気候・標高・生活習慣が体力に及ぼす影響(ネパール人女性と日本人女性との比較)

本研究では、高高度に順化したヒトの体力および発汗能についてどのような特徴が見られるかを追究すると同時に、ネパールと日本で、地理的条件が類似した地域に定住しているヒトたちの生活習慣が、体力や発汗能にどのような影響を及ぼしているかを調査・比較検討することを目的としてきた。しかしながら、平成12年度の報告書にも記したよう、ここ12年ネパールは国情が非常に不安定で、予定していた調査地を変更せざるを得なくなり、カトマンドゥーおよびポカラとした。また、対する日本の方は、長崎とした。それに伴い、調査内容にも若干の変更を余儀なくされたが、そのような経緯を加味して、この2年間の研究を整理すると、以下のとおりである。まず、紫外線(UV-B)の照射量は、ネパール(カトマンドゥーおよびポカラ、以下ネパールとする。)と日本(長崎、以下日本とする。)との間に、今回の調査では有意差は見られなかった。これは測定器具や環境条件にも左右されたと考えられる。しかしながら、手掌部の皮膚接写撮影では、明らかな視覚的違いが認められ、同じ年齢であっても、ネパール人女性のほうが、シワやシミが多く見られた。これは長期にわたり紫外線に暴露されている影響と考えられる。これらが、直接的に発汗能にどのような影響を及ぼすのかについては、より高高度での被検者を対象として、今後の課題としていきたい。次ぎに、生活習慣に関する調査結果であるが、1日の消費エネルギー量は、ネパール人女性と日本人女性との間に有意差は見られなかった。しかし、24時間生活時間調査では、ネパール人女性の方が、日常的な行動(水汲み、炊事、掃除など)にかける時間が多く、生活パターンそのものに大きな違いがあることが認められた。すなわち、単にエネルギー消費量の測定のみならず、文化的背景をも考慮した生活行動の記述が重要であり(「研究発表」参照)、その上で体力に及ぼす影響を検討する必要のあることが示唆された。アジア亜大陸に位置するネパールでは,高度や気候といった環境と,それにともなう生活条件,さらに民族という要素がヒトに影響を与えていることになる.本研究では,高高度に順化したヒトの体力および発汗能についてどのような特徴が見られるかを追究すると同時に,ネパールと日本で,地理的条件が類似した地域に定住しているヒトたちの生活習慣が,体力や発汗能にどのような影響を及ぼしているかを調査・比較検討することを目的としてきた.そして,フィールドでの調査期間を,予定どおり9月20日から10月2日までとしていたが,ネパールはここ数年,国情が非常に不安定で,予定していた調査地も外務省の渡航勧告地域に指定されてしまったため,調査地を変更せざるを得なかった.それに伴い,調査内容に若干の変更を余儀なくされた.そこで本年度は,ネパールでの調査地をカスキ郡ポカラ郊外,および首都カトマンドゥーおよびその周辺とした.被検者は,それぞれの調査地から各10名の女性(年齢:18歳前後)を対象とした.ネパールの気候および標高がヒトにどのような影響を与えているかという課題に関しては,まず,1時間おきにデジタル温湿度計にて気温と湿度を測定,その際に紫外線(UV-B)の照射量も同時に測定した.そして標高差がヒトに与える影響の一指標として,マイクロカメラにて皮膚の接写撮影を実施した.さらに,生活習慣については,1日の消費カロリーを測定するため,被検者にカロリーカウンターを装着させ,それと並行して24時間生活時間調査を実施した.現在,その結果を整理・執筆中である.本研究では、高高度に順化したヒトの体力および発汗能についてどのような特徴が見られるかを追究すると同時に、ネパールと日本で、地理的条件が類似した地域に定住しているヒトたちの生活習慣が、体力や発汗能にどのような影響を及ぼしているかを調査・比較検討することを目的としてきた。
器官形成を支える細胞移動とそれを制御する細胞外環境

血管ネットワークは、体の生理機能の発揮と維持にとって、もっとも重要な器官である。血管形成のしくみに関しては、血管内皮細胞の分化機構はよく解析されているが、3次元的パターンをとるネットワークが体の中でどのように構築されるのかはほとんどわかっていない。そこで本研究では、これらの問題を、血管パターニングとそれを制御する細胞外環境という観点から解析している。ケモカインSDF1とその受容体CXCR4は、器官形成のさまざまなステップにおいて重要な役割をもつことが知られている。CXCR4のノックアウトマウスを解析したところ、肋間血管の形成が特異的に阻害されていた。肋間血管は、背側大動脈と共に体節由来の細胞から作られることが知られている。そこで、体節細胞のこれらの血管形成におけるケモカインの役割に注目し、CXCR4を強制発現させたところ、細胞はまず背側大動脈方向に移動し、次に伸展している肋間血管の周辺に集積していた。しかしこれらの細胞は血管内皮細胞には分化しなかった。一方、我々は最近、体節細胞の背側大動脈方向への移動と内皮細胞の分化にNotchシグナルが関与することを見出している(Sato, et. al., Dev. Cell, in press)。そこでCXCR4による細胞移動とNotchとの関わりを解析したところ、これらのシグナルカスケード間の直接の相互作用は認められなかったが、CXCR4によって背側大動脈付近まで移動した細胞はNotchシグナルさえあれば内皮細胞に分化しうることを観察した。これらの結果から、体節に由来する細胞には少なくとも2種類存在し、それぞれがNotch依存的な移動と内皮形成、及びCXCR4依存的な移動とその後の血管周辺組織の形成に関与するという新しいメカニズムがみえてきた。ケモカインSDF1とその受容体CXCR4は、もとは白血球の誘因因子として同定され、現在では、個体発生時にみられるさまざまな細胞の挙動を制御している分子として広く知られている。我々はこれまでに、初期胚を用いたシグナルシークエンストラップ法を用いてCXCR4を見出し(1)、またこの分子が初期体節において特異的な発現パターンを呈すること観察している。平成18年度においては、CXCR4のノックアウトマウスの解析を行った(ノックアウトは京都大学の長澤教授より供与され、現在奈良先端大学にてコロニーを維持している)。ノックアウトマウスでは、主な体節由来の組織である中軸骨格(脊椎骨、肋骨など)には影響はみられなかった。ところが、肋間血管の重篤な形成不全が認められた。肋間血管は背側大動脈につながる動脈であり、体節由来の組織である。そこで次に、体節細胞のどのような挙動が肋間血管形成に関与するのかについて解析した。このような目的にはトリ胚の方が適切であるため、トリ胚の体節にCXCR4を強制発現させる系を確立した。CXCR4を強制発現された体節細胞は、まず背側大動脈方向に、その後、肋間血管方向に移動する様子が観察さている。現在、これらの細胞挙動の詳細な制御機構について解析中である。
超音波画像による頸部リンパ節転移診断のためのボリュームレジストレーション法の開発

リンパ節微小転移検出のため、造影超音波画像と造影CT画像を三次元的に位置合わせするボリュームレジストレーション法を開発し、リンパ節内外の血管構築を解析できる手法の確立を目的とする。画像処理法としてScale-Invariant-Feature-TransformおよびPhase-Only Correlationを用いて、リンパ節転移マウスモデルのリンパ節の造影超音波画像の輝度情報や輝度情報の時間変化による分散値で高精度に血管情報を算出するアルゴリズムを作成した。その結果、体動に伴う画像のずれやノイズを除去し、リンパ節内の血管を精確に抽出でき、リンパ節微小転移の検出に応用できることが示唆された。1)我々が開発した恒常的にヒトのリンパ節と同等の大きさ(長径約10mm)の腫脹リンパ節を有するMXH10/Mo-lpr/lprマウスの系統維持・繁殖を行い、リンパ節腫脹マウスモデルとして使用した。MXH10/Mo-lpr/lprマウスのセンチネルリンパ節として腸骨下リンパ節に腫瘍細胞を接種したところ、約4日後に腸骨下リンパ節に固形腫瘍が生着し、約1週間後に腋窩リンパ節への転移が確認できた。この転移リンパ節のマウスモデルが安定して作製できることを繰り返しの実験から確認し、腸骨下リンパ節および腋窩リンパ節で腫瘍が増大していく経時的な変化を生体発光イメージングシステムで調べた。2)尾静脈からヘパリンを背部に皮下注射した後、マウスを開胸して下大静脈を切断、左心室から造影剤を注入し、灌流を行った。灌流後のマウスから腸骨下リンパ節、腋窩リンパ節を摘出し、マイクロCT撮影を行ったところ、微細な血管網が明瞭なマイクロCT像の撮影に成功した。3)H26年度以降は、転移リンパ節の病理組織所見を検討し、微小な転移部位を特定し、リンパ節の実験動物用CT画像とルーペ像のボリュームレジストレーションを試みる。さらにナノバブルと高周波超音波システム取得した画像を高精度かつ高速に三次元位置合わせできるボリュームレジストレーション法の開発を目指す。4)現在、上記研究成果をヒトの微小転移リンパ節への診断に臨床応用することを目的に、頭頸部がん患者の頸部リンパ節の術前の種々の3D画像と切除したリンパ節のルーペ像とのボリュームレジストレーションに関する臨床研究を開始すべく、倫理委員会に書類を提出した。頸部リンパ節の微小転移は、CT、MRI、PET、超音波診断等の画像診断法を駆使しても検出することは難しい。本研究では、造影超音波画像と造影CT画像を三次元的に位置合わせするボリュームレジストレーション法を開発し、精確にリンパ節内外の血管の位置と密度を解析できる手法を確立し、新たなリンパ節微小転移検出法の開発を目的とする。画像のマッチングは特徴ベースマッチングと領域ベースマッチングの二つに大別される。Scale-Invariant-Feature-Transform(SIFT)に代表される特徴ベースマッチングは画像中の特徴点(または領域)を検出し、その周囲の局所領域に対して局所記述子を定義し、局所記述子の距離に基づいて画像間のマッチングをおこなう手法である。Phase-Only Correlation(POC)に代表される領域ベースマッチングは二つの画像間変位を算出し、類似度もしくは相違度を評価する。これらの手法を用いて、我々の研究グループが樹立したリンパ節腫脹マウスのリンパ節の造影超音波画像から評価に不要な画像を除去もしくは補正し、造影剤投与前後の輝度情報もしくは輝度情報の時間変化による分散値で高精度に血管情報を算出するアルゴリズムを作成し、造影マイクロCTと比較した。その結果、マウスの呼吸等による動きに伴う画像のずれやノイズを除去することができた。本解析手法を用いることにより、マウスのリンパ節内の血管を精確に抽出でき、リンパ節微小転移の早期診断に応用可能であることが示唆された。現在、頭頸部癌患者の頸部リンパ節の術前の種々の三次元画像ボリュームレジストレーションと切除したリンパ節の病理組織画像とを比較検討中である。リンパ節微小転移の臨床応用を目的に、本研究成果を頭頸部癌患者の頸部リンパ節の術前の種々の三次元画像のボリュームレジストレーションと切除したリンパ節の病理組織画像を比較し、臨床研究を遂行していく。本研究では、独自に開発したボリュームレジストレーション法により、異なるモダリティや造影前後の画像を三次元的に位置合わせしたフュージョン画像を作製し、新たなリンパ節微小転移の画像診断法の開発を目的とする。我々の研究グループが樹立したリンパ節転移モデルマウスを用い、リンパ節に腫瘍細胞が転移する過程を造影高周波超音波画像と造影マイクロCTで評価した。その結果、転移リンパ節では、転移リンパ節の大きさが変化する前に血管密度が上昇し、転移病巣の形成初期においては、腫瘍新生血管の増生が認められず、転移リンパ節内に血管の局所欠損がみられることが明らかとなった。また、超音波画像では、評価に不要な画像を除去もしくは補正し、造影剤投与前後の輝度情報もしくは輝度情報の時間変化による分散値で高精度に血管情報を算出するアルゴリズムを作成した結果、マウスの呼吸等による動きに伴う画像のずれやノイズを除去することに成功した。しかし、どちらの方法を用いても造影超音波画像と造影マイクロCT画像の重ね合わせは難しかった。

そこで、空間分解能、組織分解能の高い特殊な条件で撮像した口腔癌患者の微小転移リンパ節の造影前後の3D-MRIを用い、独自に開発した三次元位相限定相関法に基づく高精度レジストレーション法で造影前後画像を重ねあわせたフュージョン画像を作製し、転移リンパ節を評価した。その結果、ボリュームレジストレーションによるフュージョン画像が、従来の造影T1強調像に比べ、局所欠損の検出率が有意に高いことが明らかとなった。我々の研究グループが樹立したリンパ節転移モデルマウスを用い、リンパ節に腫瘍細胞が転移する過程を造影超音波画像と造影マイクロCTで評価した結果、転移リンパ節では転移リンパ節の大きさが変化する前に血管密度が上昇し、転移リンパ節内では血管の局所欠損がみられることが明らかとなった。当初の予定であった造影超音波画像と造影マイクロCT画像の重ね合わせは難しかったが、空間分解能、組織分解能の高い特殊な条件で撮像した口腔癌患者の微小転移リンパ節の造影前後のMRIを用い、独自に開発した三次元位相限定相関法に基づく高精度レジストレーション法で造影前後画像を重ねあわせたフュージョン画像を作製し、転移リンパ節を評価した。その結果、フュージョン画像が、従来の造影T1強調像に比べ、局所欠損の検出率が有意に高いことが明らかとなった。本研究では、リンパ節微小転移検出のため、造影超音波画像、造影CT画像を三次元的に位置合わせするボリュームレジストレーション法を開発し、精確にリンパ節内外の血管構築を解析できる手法を確立することを目的とする。画像のマッチングは特徴ベースマッチングと領域ベースマッチングの二つに大別される。Scale-Invariant-Feature-Transform(SIFT)に代表される特徴ベースマッチングは、画像中の特徴点を検出し、その周囲の局所領域に対して局所記述子を定義し、局所記述子の距離に基づいて画像間のマッチングを行う手法である。Phase-Only Correlation(POC)に代表される領域ベースマッチングは二つの画像間変位を算出し類似度もしくは相違度を評価する。本研究においては、両手法を用いて、リンパ節腫脹マウスのリンパ節の造影超音波画像の評価に不要な画像を除去、補正し、造影剤投与前後の輝度情報や輝度情報の時間変化による分散値で高精度に血管情報を算出するアルゴリズムを作成し、造影マイクロCTと比較した。その結果、マウスの呼吸等による動きに伴う画像のずれやノイズを除去することができた。本解析手法により、マウスのリンパ節内の血管を精確に抽出でき、リンパ節微小転移の検出に応用可能であることが示唆された。さらに、本法のリンパ節微小転移の診断への臨床応用を目的にリンパ節転移モデルの微小転移病巣の造影マイクロCT画像を撮影した。本研究では2種類のルシフェラーゼ発現細胞株を使用し、生体発光画像解析装置で微小転移を確認し特徴のある三次元構築画像が取得できた。このマイクロCT画像の取得に使用した転移リンパ節を病理組織学的に解析した結果、マイクロCT画像は病理組織学的所見を反映していたが、リンパ節内の血流動態の検証は困難であった。リンパ節微小転移検出のため、造影超音波画像と造影CT画像を三次元的に位置合わせするボリュームレジストレーション法を開発し、リンパ節内外の血管構築を解析できる手法の確立を目的とする。
新2次元結晶 : 単層BNナノシートの創製とその場電気特性評価

最近、炭素の単層のナノシートとしてグラフェンに注目が集まっている。単層であるが故に、ユニークな電気的、機械的、光学的な性質が現れる。窒化ホウ素(BN)はグラファイトと同様の層状構造を有し、グラフェンと同様に単層のBNグラフェンが生成できうると予想される。本研究では、ソフト化学法と物理的剥離法を組み合わせて、BNナノシートを創製し、その原子構造や新規な特性を明らかにすることを目標としている。まず、数ミクロン径のBN粒子を強い極性溶媒であるDMF(dimethylformamide)中で遠心分離機で撹拌・剥離する方法で、BNのナノシートを作製した。生成したナノシートの厚みは210nmで、単層のナノシートの作製は極めて困難であった。このために、多層から成るBNナノチューブをポリマー中に包含し、アルゴンイオンによるプラズマエッチングによる新規な手法を用いて、多層のBN層を剥離し、単層もしくは数層から成るナノリボン状の形態をしたBNナノシートを作製することに成功した。グラフェンに対比して、我々は単層のBNナノリボンをWhite Grapheneと命名した。プラズマの照射条件により層厚みが変化し、最適なエッチング条件では単層のBNナノリボンが作製できることが明らかになった。単層の原子厚みは約0.5nm1.0nmであった。この厚みはグラフェンの場合と類似していた。さらに、TEMによる原子構造の観察では、ナノリボンの表面エッジはジグザグ型の原子配列をとり、また内部には三角形状の格子欠陥が多数形成されていることが明らかになった。TEMに組み込んだSTM試料ホルダーを用いて、BNナノリボン単体の電流-電圧(I-V)特性の測定を行った。その結果、BNナノリボンは絶縁体でなく、半導体であることが明らかになった。この実験結果は理論結果ともよい一致を見た。また、Chemical Blowingと呼ばれる新規なCVD法でBNナノシートを創製した。本手法は数nm厚さのナノシートを大量に合成することに適しているが、単層のナノシートを作成することは困難であった。当初の計画通りにおおむね順調に進展したと思われる。これまで困難とされてきた、単層のBナノシートをプラズマエッチングと言う新規な合成法を用いて、創製することに成功した。さらに、TEMを用いてその原子構造の直接観察に成功し、さらにナノシートの電気特性をTEM化でその場観察することにも成功した。また、厚さが数層から成るBNナノシートの大量合成法を開発することにも成功した。プラズマエッチング法によるBNナノシートの創製はその大量合成の点で改善の余地が求められる。剥離法やプラズマエッチング法以外の新規な合成法の開発が必要である。BNナノシートの優れた熱伝導特性を活かしてポリマー等とのナノコンポジット化による絶縁性高熱伝導材料への応用展開が期待される。BNはカーボンに比べて絶縁性で熱伝導性や機械特性に優れている。グラフェンに対応した単層のBNシートを創製し、その機能や構造を明らかにすることを研究目的としている。また、ZnOなどのナノ物質の電気特性の解明も行う。本年度はBNグラフェンを創製する新規な合成法の開発に力点を置いて研究を行った。既に板東グループで開発したDMF溶液を用いてBN粉末を化学的・物理的に剥離する方法でBNナノシートの創製を行った。さらに、Arプラズマ中で多層のBNナノチューブをエッチングして、BNのナノリボンやナノシートを創製することに成功した。この方法で作成したBNナノシートのサイズは数ミクロンで厚さは単層から約10層程度であった。電子顕微鏡内でBNナノシートの電気特性をその場測定すると、元来の絶縁性から導電体に特性が変化していることが明らかとなった。今後はIV特性の再現性や微細構造との関係において、何故導電体に特性変化したかを明らかにしてゆく必要がある。一方、ZnOナノワイヤーの口径と配列を制御することにより、従来にない優れた電界放射特性を示すことを明らかにした。この成果はAdvanced Functional Materials(2009)に掲載された。最近炭素の単層のナノシートとしてグラフェンに注目が集まっている。h-BNはグラファイトと同様の層状構造を有し、グラフェンと同様に単層のBNグラフェンが生成できうると予想される。本研究では、ソフト化学法と物理的剥離法を組み合わせて、BNナノシートを創製し、その原子構造や特性を明らかにする。BNナノシートの優れた絶縁性、熱伝導性、機械特性を利用して、ポリマーとのコンポジット膜を創製し、IC基板等の絶縁性放熱基板への応用の展開を図る。本年度は、CVDで合成したBNナノチューブをポリマーに包含し、アルゴンイオンによるプラズマエッチング法により、チューブ壁を開口させることによりBNナノシートを創成する方法を開発することに成功した。我々はグラフェンに対比して、単層のBNナノシートをWhiteグラフェンと命名した。AFM測定によると、単層シートの厚さは0.5-08nmであった。電子顕微鏡内でのSTM測定により、BNグラフェンのIV-特性を測定することができた。出発原料のBNナノチューブが絶縁体であったのに対して、BNグラフェンは半導体に特性を変化させることが明らかになった。また、ZnOナノワイヤーのGaAs基板上での配向成長させることに成功し、紫外線領域で強い発光を示すことを見出した。

最近、炭素の単層のナノシートとしてグラフェンに注目が集まっている。単層であるが故に、ユニークな電気的、機械的、光学的な性質が現れる。窒化ホウ素(BN)はグラファイトと同様の層状構造を有し、グラフェンと同様に単層のBNグラフェンが生成できうると予想される。本研究では、ソフト化学法と物理的剥離法を組み合わせて、BNナノシートを創製し、その原子構造や新規な特性を明らかにすることを目標としている。まず、数ミクロン径のBN粒子を強い極性溶媒であるDMF(dimethylformamide)中で遠心分離機で撹拌・剥離する方法で、BNのナノシートを作製した。生成したナノシートの厚みは210nmで、単層のナノシートの作製は極めて困難であった。このために、多層から成るBNナノチューブをポリマー中に包含し、アルゴンイオンによるプラズマエッチングによる新規な手法を用いて、多層のBN層を剥離し、単層もしくは数層から成るナノリボン状の形態をしたBNナノシートを作製することに成功した。グラフェンに対比して、我々は単層のBNナノリボンをWhite Grapheneと命名した。プラズマの照射条件により層厚みが変化し、最適なエッチング条件では単層のBNナノリボンが作製できることが明らかになった。単層の原子厚みは約0.5nm1.0nmであった。この厚みはグラフェンの場合と類似していた。さらに、TEMによる原子構造の観察では、ナノリボンの表面エッジはジグザグ型の原子配列をとり、また内部には三角形状の格子欠陥が多数形成されていることが明らかになった。TEMに組み込んだSTM試料ホルダーを用いて、BNナノリボン単体の電流-電圧(I-V)特性の測定を行った。その結果、BNナノリボンは絶縁体でなく、半導体であることが明らかになった。この実験結果は理論結果ともよい一致を見た。また、Chemical Blowingと呼ばれる新規なCVD法でBNナノシートを創製した。本手法は数nm厚さのナノシートを大量に合成することに適しているが、単層のナノシートを作成することは困難であった。当初の計画通りにおおむね順調に進展したと思われる。これまで困難とされてきた、単層のBナノシートをプラズマエッチングと言う新規な合成法を用いて、創製することに成功した。さらに、TEMを用いてその原子構造の直接観察に成功し、さらにナノシートの電気特性をTEM化でその場観察することにも成功した。また、厚さが数層から成るBNナノシートの大量合成法を開発することにも成功した。プラズマエッチング法によるBNナノシートの創製はその大量合成の点で改善の余地が求められる。剥離法やプラズマエッチング法以外の新規な合成法の開発が必要である。BNナノシートの優れた熱伝導特性を活かしてポリマー等とのナノコンポジット化による絶縁性高熱伝導材料への応用展開が期待される。
全身麻酔後の記憶学習能変化とＡＭＰＡ型グルタミン酸受容体の関与に関する研究

本研究では、成体ラットに対する2時間の臨床用量のイソフルラン曝露によって,その遠隔期(麻酔薬曝露の数日後以降)に,空間認知を含む文脈依存的な記憶学習が障害され,海馬長期増強が抑制されることが示された.さらに海馬GluA1の再取り込み後のユビキチン結合が阻害される一方で、シナプスGluA1が過剰発現しており,シナプスの飽和現象が生じてAMAP受容体のtraffickingが抑制されている可能性が示唆された。またプロポフォール投与ではこれらの海馬の機能障害を認めなかったことから、術後認知記憶障害のリスク因子としては、吸入麻酔薬暴露が大きな要因を占めている可能性が示唆された。平成25年度は、過年度に作成したプロポフォール麻酔モデルラットを用いて、海馬組織を用いたグルタミン酸受容体に対するウェスタンブロッティングを行っており、イソフルレン投与モデルと比較検討した。イソフルレン投与モデルでは、麻酔暴露7日後をピークに海馬シナプスにおけるAMPA受容体のGluA1 sub unitが増加していたが、プロポフォール投与モデルでは海馬シナプスにおけるAMPA受容体のGluA1 sub unitの優位な増加は認められなかった。プロポフォール投与モデルでは、曝露7日後には、海馬においてイソフルレン投与モデルと異なるメカニズムが働いている可能性が示唆された。ここまでの成果は、第60回日本麻酔科学会総会および、欧州麻酔科学会2013年度総会および、米国麻酔科学会2013年度総会にて発表を行い、特に第60回日本麻酔科学会総会では、イソフルレン投与に関する成果とともに優秀演題賞を受賞した。引き続き電気生理学的な検討を行う予定であったが、実験機器の移転に伴い測定条件の見直しを行う必要があったことと、プロポフォール麻酔モデルラットの行動学的実験と生化学的検討において有意な結果が得られなかったため、セボフルランおよびデスフルランの曝露モデルを作成して、網羅的に行動実験を開始する方針とした。まず、生後8-10週齢のSDラットを用い、セボフルランおよびデスフルランの投与条件を検討した。1.0 - 1.6MAC相当の投与濃度で、5分、30分、60分、120分の投与の後、動脈血ガス分析をおこなった。セボフルランおよびデスフルランともに、1.43MACでは30分間、1.3MACでは120分間、軽度の血圧および酸素化の低下、血中二酸化炭素濃度の上昇を認めたが、著しい影響を見られなかった。上記条件で、行動実験を開始している。平成24年度は、プロポフォール麻酔モデルラットを作成し、文脈的記憶学習への影響を検討するために、抑制性回避学習試験(inhibitory avoidance test: IA)を行った。まず、生後8-10週齢のWistar-Imamichiラットを用い、プロポフォールの投与条件を検討した。2%イソフルレン麻酔下で、腹腔内にプロポフォールを、体重当たり、100mg/kg - 450mg/kgの用量で、一括もしくは分割投与し、麻酔持続時間として正向反射回復までの時間を測定した。先に行ったイソフルレン麻酔モデルに相当する用量として適当であると考えられた、150mg/kgおよび150mg/kg + 30分後に75mg/kg + 60分後に75mg/kg、投与時の血行動態評価のために、大腿動脈カニュレーションを行って、経時的に動脈圧測定をおこない、併せて動脈血ガス分析をおこなった。これらの投与量では、軽度の血圧および酸素化の低下、血中二酸化炭素濃度の上昇を認めたが、著しい影響を見られなかった。これらの投与群で、IA testを行い、想起までの潜時(retention latency)を測定したが、投与1日後および7日後において、対照群と変わりなかった。今回のプロポフォール投与モデルでは、イソフルレン投与モデルとは異なり、文脈的記憶学習は障害されない可能性が示唆された。現在、海馬組織を用いたグルタミン酸受容体に対するウェスタンブロッティングを行っており、イソフルレン投与モデルと比較検討中である。これらの解析が済市大、論文として英文査読誌に投稿予定である。なお、本研究の一部は、第60回日本麻酔科学会総会および、欧州麻酔科学会2013年度総会にて発表の予定である。平成26年度は、過年度に検討を行なった投与条件を用いて,デスフルラン麻酔モデルラットを作成し,行動学的実験をおこなった.これまでのところ,5分間のデスフルラン曝露後では1、7日後とも有意な低下は認められなかったが、2時間のデスフルラン曝露では、IA testの成績が1日後に低下し、7日後には回復するという,イソフルラン麻酔モデルとは異なる知見を得ている.

またプロポフォール麻酔モデルラットでは,過年度までの研究で、曝露7日後には海馬においてイソフルレン投与モデルと異なるメカニズムが働いている可能性が示唆されているので,、海馬組織における長期増強に対する影響について,電気生理学的な検討をおこなっており,現在データを蓄積中である.イソフルレン投与モデルでは、麻酔暴露7日後の海馬検体を持ちいて,qRTーPCR法によるAMPA受容体のGluA1 sub unitのmRNAの定量解析をおこなったが,変化は認められなかった.次に,海馬組織検体のホモジェネートから免疫沈降法を用いてGluA1サブユニットを濃縮抽出し,ユビキチン化レベルの変化を分析したところ,麻酔暴露後の検体では有意に低下しているという知見が得られた.シナプス後膜上から再取り込みされたAMPA受容体の分解過程が抑制されて,シナプトソーム分画におけるGluA1 sub unitの増加を生じている可能性が示唆された。ここまでの成果のうち,イソフルラン麻酔モデルで得られた知見については,英文査読誌であり麻酔科学領域のトップジャーナルであるAnesthesiology誌に原著論文として掲載された.また第61回日本麻酔科学会総会のシンポジウムにて,これまでに得られた知見を総合して発表を行なった。生体制御・麻酔科学平成25年度の計画にあげた、プロポフォール麻酔モデルの生化学的検討については、一定の成果を得られている。続いてセボフルランおよびデスフルランの作成について、投与条件の検討を行い、適当な投与条件を設定することができた。抑制性回避学習(IA test)を用いて行動学的検討を進めているところである。このように、平成25年度の実験計画についてはおおむね順調に進展している。平成24年度の計画にあげた、プロポフォール麻酔モデルの作成について、投与用量の検討を行い、適当な投与用量を設定することができた。大腿動脈カテーテル留置による、循環・呼吸動態モニタリングの測定、検体数がまだ不十分であるが検討済みである。抑制性回避学習についても実験がほぼ終わっており、先行するイソフルレン麻酔モデルとの対比検討中である。このように、平成24年度の実験計画についてはおおむね順調に進展している。平成26年度は、計画にあげた通り、セボフルラン麻酔モデルおよびデスフルラン麻酔モデルを追加作成し、行動学的検討(抑制性回避学習(IA test))と、生化学的な検討(海馬組織のグルタミン酸受容体の発現レベルとリン酸化レベルの変化、それらの調節蛋白の変化を、全組織および、シナプトソーム分画においてウェスタンブロッティングを用いて検討する)を行う予定である。また、多点皿電極を用いた背側海馬における細胞外集合電位の長期増強(LTP)の測定についても、実験条件の再検討を行い、安定してLTPが得られるようになってきたので、海馬CA1領域における神経可塑性への影響を(LTPの抑制)についても検討を進める予定である。平成25年度は、計画にあげた通り、イソフルレン麻酔モデルと対比させて、海馬組織のグルタミン酸受容体の発現レベルとリン酸化レベルの変化、それらの調節蛋白の変化を、全組織および、シナプトソーム分画においてウェスタンブロッティングを用いて検討する予定である。また、多点皿電極を用いた背側海馬における細胞外集合電位の長期増強(LTP)の測定も行い、海馬CA1領域における神経可塑性への影響を検討する予定である。
肺がん細胞の神経内分泌分化におけるHASH-1,HRY遺伝子の役割の解明

高感度の非放射性in situ hybridization法により、肺の腺癌(AD)20例、扁平上皮癌(SQ)21例、大細胞癌(LCC)9例、定型カルチノイド(TC)30例、非定型カルチノイド(ATC)13例、大細胞性神経内分泌癌(LCNEC)67例、小細胞癌(SCLC)78例など合計238例の肺癌において、HASH-1mRNAのin vivoでの発現を調べた。2/20(10%)のAD,0/21(0%)のSQ,0/9(0%)のLCC,4/30(13.3%)のTC,11/13(84.6%)のATC,38/67(56.7%)のLCNECと56(71.8%)のSCLC例に、種々の程度のHASH-1mRNAの発現を認めた。また、免疫染色にて全てのHASH-1(+)のLCNEC/SCLC例(94)に、細胞のホルモン産生・貯蔵能との密接な関係のあるchromograninA(CGA)或いはgastrin-releasing peptide(GRP)或いはcalcitonin(CT)も陽性であり、逆に殆どのHASH1(-)のLCNEC/SCLC(41/51)例にCGA・GRP・CTも陰性であり、HASH1発現とCGA/GRP/CT発現との間に強い相関を認めた(p<0.0001,r=0.852)。HASH-1(+)の2例のADにもCGAとCTが陽性で、その内の1例にGRPも陽性であった。以上の結果より、HASH-1は神経内分泌分化を有する肺癌のみに特異的に発現し、HASH-1は肺がん細胞の神経内分泌分化の決定遺伝子であることが示唆された。更に、肺の神経内分泌腫瘍のおいては、HASH-1は広い意味の一般的な神経内分泌分化ではなく、腫瘍のホルモン産生・貯蔵・分泌能、即ち腫瘍のendocrine phenotype分化の決定付けに不可欠の因子であることが強く示唆された。また、HASH-1はほぼ完全に分化したTCには殆ど発現せず、逆により分化度の低い大部分のATCに発現していることより、肺がん細胞のendocrine phenotypeの決定に当たって、HASH-1は早期因子であることが推測された(第91回アメリカ・カナダ病理学会、第90回日本病理学会、第42回日本肺癌学会発表)。1-(1).11種のヒト小細胞癌(SCLC)株と我々が樹立した1種のヒト肺の大細胞性神経内分泌癌(LCNEC)株でのHASH-1とその特異的な転写抑制遺伝子HRYの発現をRT-PCR法にて調べた。10/11のSCLC株とそのLCNEC株にHASH-1とHRYの何れも発現し、HASH-1(-)の1株のSCLCは神経内分泌(NE)分化の消失したvariant SCLC株であり、HASH-1の発現と肺癌細胞のNE分化との密接な関係が示唆された。SCLCとLCNEC株にHASH-1とHRYが同時に発現し、HASH-1発現の負の制御因子はHRYだけでなく、他の因子も関与していると推測された(第89回日本病理学会総会発表)。1-(2).44例のヒト肺腺癌と扁平上皮癌の手術生組織でのHASH-1とHRYの発現をRT-PCR法にて調べた。HASH-1、HRYの発現はそれぞれ3例と42例に認めた。NEマーカーの免疫染色では、HASH-1(+)の3例の内2例には部分的な陽性反応を認めた。HASH-1が肺の典型的なNE腫瘍のSCLC及びLCNECのみに発現するだけでなく、部分的なNE分化を示す非小細胞癌にも特異的に発現し、HASH-1は肺癌細胞のNE分化の決定・維持遺伝子であることが強く示唆された。(ホルモンと臨床,48(増刊号):204-211;2000、第23回国際病理学会、第4回日本内分泌病理学会発表)。

HASH-1(+)の2例のADにもCGAとCTが陽性で、その内の1例にGRPも陽性であった。以上の結果より、HASH-1は神経内分泌分化を有する肺癌のみに特異的に発現し、HASH-1は肺がん細胞の神経内分泌分化の決定遺伝子であることが示唆された。更に、肺の神経内分泌腫瘍のおいては、HASH-1は広い意味の一般的な神経内分泌分化ではなく、腫瘍のホルモン産生・貯蔵・分泌能、即ち腫瘍のendocrine phenotype分化の決定付けに不可欠の因子であることが強く示唆された。また、HASH-1はほぼ完全に分化したTCには殆ど発現せず、逆により分化度の低い大部分のATCに発現していることより、肺がん細胞のendocrine phenotypeの決定に当たって、HASH-1は早期因子であることが推測された(第91回アメリカ・カナダ病理学会、第90回日本病理学会、第42回日本肺癌学会発表)。
合金薄膜中の吸蔵水素の挙動とその構造並びに表面物性に関する研究

本科研費により超高真空蒸着装置を設計製作した。これはクライオポンプと4元電子ビーム蒸着源により,活性な金属の合金薄膜及び多層薄膜を作製するもので,初期の設計性能を有する装置を完成することができた。この蒸着装置と現有のイオンビームスパッター装置を用いて,種々の金属薄膜及び多層膜を作製し,それらの構造と物性を研究した。また薄膜中の水素の挙動についても調べた。1.Ni/Ti系及びPd/Ti系2層膜及び多層膜の研究これらの系は水素吸蔵合金の主要成分を含んでいるが,その構造安定性や原子拡散挙動の研究は実用的にも重要である。薄膜X線回折とオージェ分光による深さ方向分析により,焼鈍に伴う濃度変調構造の変化を解析して,成分元素の相互拡散係数を求め,その温度依存性を決定した。また両系とも相互拡散の結果,界面部分からアモルファス化が起こり,膜全体が均質なアモルファス相に構造変化することを見いだした。このプロセスを断面透過電顕観察によっても確認し,構造変化の自由エネルギー的検討も行った。2.V及びCr薄膜の弾性率と内部摩擦の研究BCC金属薄膜中の格子欠陥の挙動や表面状態を調べるため,純Vと純Cr薄膜の弾性率と内部摩擦の温度依存性を測定した。純Vでは固溶酸素による緩和型内部摩擦ピークが観察され,また純Crではネ-ル点での磁気変態による弾性率効果が観察された。これらの現象をバルク結晶のそれと対比して解析した。3.Pd-Si系アモルファス合金薄膜における金属-非金属遷移の研究組成を大きく変化させたPd-Siアモルファス合金薄膜を作製し,その原子構造,電子状態,電気抵抗の温度依存性を調べ,金属-非金属遷移の機構について研究した。4.遷移金属-希土類系アモルファス合金の構造及び電子状態の研究15EA09:Nd-Fe-B,Nd-Ni-B,La-Ni-Mg系アモルファス合金リボンを液体急冷法で作製し,その原子構造と電子状態及び結晶化について研究した。またそれらに及ぼす水素吸蔵の影響についても調べた。これはクライオポンプと4元電子ビーム蒸着源により、活性な金属の合金薄膜及び多層薄膜の作製に用いるもので,現在真空度並びに蒸着性能のテスト中である。完成すればLa-Ni,Ti-Fe,Zr-Ni系等の合金薄膜の研究に使用する。これと並行して,現有の蒸着装置並びに名古屋大学に設置のイオンビームスパッター装置を用いて,Ti-Pd系及びTi-Ni系2層薄膜及び多層膜を作製し,その焼鈍による相互拡散挙動と構造変化について,オージェ分析,薄膜X線回折並びに断面透過電子顕微鏡観察により研究した。これらの系では低温焼鈍により固相反応によるアモルファス化が観察された。またこれら合金薄膜の表面状態を光電子分光で調べ,さらにシリコン基板との反応についても検討した。以上の研究の一部は1994年のアモルファス・準安定物質国際会議(RQ8)で発表すると共に,学会誌にも印刷公表した。現在これら合金薄膜の水素吸蔵の実験を進めており,気相法及び電気化学的手法による水素吸蔵実験に必要な装置の製作を行っている。

Ti-Pd系及びTi-Ni系合金薄膜の拡散挙動や構造変化については一定の知見を得ることができたが,初期の目的である水素の吸放出過程や拡散挙動,及び構造と表面物性に関する研究はまだ実現できていない。これは試料が薄膜であるために水素分析の定量化や,水素熱放出スペクトル及び薄膜X線回折の測定法上の問題で検討すべき点が多かったことによる。しかし蒸着やスパッター法により,酸素のコンタミネーションの少ない良質の試料を作製できることがわかったので,これらの試料について水素吸蔵の実験を進めれば,本研究の目的を十分達成できる見通しが得られた。本科研費により超高真空蒸着装置を設計製作した。これはクライオポンプと4元電子ビーム蒸着源により,活性な金属の合金薄膜及び多層薄膜を作製するもので,初期の設計性能を有する装置を完成することができた。この蒸着装置と現有のイオンビームスパッター装置を用いて,種々の金属薄膜及び多層膜を作製し,それらの構造と物性を研究した。また薄膜中の水素の挙動についても調べた。1.Ni/Ti系及びPd/Ti系2層膜及び多層膜の研究これらの系は水素吸蔵合金の主要成分を含んでいるが,その構造安定性や原子拡散挙動の研究は実用的にも重要である。薄膜X線回折とオージェ分光による深さ方向分析により,焼鈍に伴う濃度変調構造の変化を解析して,成分元素の相互拡散係数を求め,その温度依存性を決定した。また両系とも相互拡散の結果,界面部分からアモルファス化が起こり,膜全体が均質なアモルファス相に構造変化することを見いだした。このプロセスを断面透過電顕観察によっても確認し,構造変化の自由エネルギー的検討も行った。2.V及びCr薄膜の弾性率と内部摩擦の研究BCC金属薄膜中の格子欠陥の挙動や表面状態を調べるため,純Vと純Cr薄膜の弾性率と内部摩擦の温度依存性を測定した。純Vでは固溶酸素による緩和型内部摩擦ピークが観察され,また純Crではネ-ル点での磁気変態による弾性率効果が観察された。これらの現象をバルク結晶のそれと対比して解析した。3.Pd-Si系アモルファス合金薄膜における金属-非金属遷移の研究組成を大きく変化させたPd-Siアモルファス合金薄膜を作製し,その原子構造,電子状態,電気抵抗の温度依存性を調べ,金属-非金属遷移の機構について研究した。
シリコンカーバイド静電誘導デバイスの限界性能の究明

我々は次世代省エネデバイスとして期待されている超低損失の炭化ケイ素静電誘導トランジスタを開発してきた。本研究では同デバイスの限界性能を明らかにする為に、スイッチング時間および負荷短絡耐量を評価した。その結果、ターンオン時間30ns、ターンオフ時間は80nsを実現した。またDC-DCコンバータの実機試験を行い、周波数100kHz,電源電圧400V,電流値4.3A,デューティー比50%の条件で行い安定な動作を確認できた。さらに30μs間の負荷短絡状態で3500A/cm2の電流値を保証できた。これらの性能は同定格のSi-IGBTよりも大きく、今後のSiCパワーデバイスの研究開発において意義深い結果である。本研究は、埋め込みエピタキシャル技術によって作製した埋め込みゲート型炭化珪素静電誘導トランジスタ(SiC-BGSIT)において、パワーエレクトロニクス応用を見据えたその限界性能を究明することを目的としている。まずSiC-BGSITのチャネル部の不純物濃度、幅、深さといったチャネル部に関与する構造パラメータの最適設計範囲をコンピュータシミュレーションにより明らかにした。この最適設計方針を基礎として素子設計を行い、作製プロセス条件を厳密に決定することにより実デバイス製造を進ぬ耐圧1000V級の素子を歩留まり良く作製することに成功している。また高温動作に有利というSiCの材料のメリットを十分に引き出すための素子のパッケージングの方式について検討するために、数種類のパッケージシグ構造を想定した場合の素子の負荷短絡性能のシミュレーションを実施している。シミュレーションでは通常の半導体方程式群に熱伝導方程式を加えたelectrothermal simulationを実施し、パッケージの種類による素子内部の温度分布や放熱状況の差を検討した。その結果ハンダ等の熱伝導率の低い材料を用いたパッケージングは素子中で発生した熱の放熱が悪く、負荷短絡耐量を著しく減少させることが分かっている。これをふまえ今後は最善のパッケージング方式を見出し、試作素子をそれにマウントし、素子性能を評価する予定である。本研究は、埋め込みエピタキシャル技術によって作製した埋め込みゲート型炭化珪素静電誘導トランジスタ(SiC-BGSIT)において、パワーエレクトロニクス応用におけるその限界性能を究明することを目的としている。本年度はまず、1200V,121mΩcm^2のSiC-BGSITを新たに試作することに成功した。作製工程において、トレンチ構造工程中に、これまで用いていたSF_6/O_2ガスの換わりにCF_4/O_2ガスを用いエッチングを行い、その後新たに犠牲酸化処理を導入した。これにより平坦なチャネル側壁および底部を実現している。本素子の特性はSiC材料の理論限界に近く、1200V級では世界トップクラスのスイッチングパワーデバイスの性能を有している。オフ時の漏れ電流は1000Vで2μA/cm^2であり、また入力電圧-12Vで出力電圧1200Vをオフできており(ブロッキングゲイン106)、電流制御性能も高い。一方、BG-SITのスイッチング性能の改善に向けて、ターンオフ特性の3次元デバイスシミュレーションを実施した。その結果埋め込みゲート部の寄生抵抗が原因で、ターンオフ初期段階で外周ゲートコンタクトから離れたチャネル中央部でのチャネル閉塞が不十分であり、結果としてターンオフ時間が増加することが分かった。またこれが原因で、チャネル中央部に電流集中が起きていることも明らかになった。.ソース長に対するターンオフ時間依存性について検討し、ソース長50μmの素子のターンオフ時間は約40nsであり、ソース長250μm素子の約1/3倍に低減できることが予測できた。またシミュレーション結果は実験結果と良い一致を示している。本研究の成果は、次世代の電力変換器の高効率化に資する重要な結果である。本年度は、本研究の最終年度であり、下記に示す当初の目標の達成度をここに評価する。1.スイッチング時間(ターンオン及びターンオフ時間):20ns以下を実現する。(Si-IGBTの1/2)2.逆バイアス安全動作領域(RBSOA):500A/cm2までの出力電流密度で素子動作の信頼性を確保する。(Si-IGBTの2倍)3.負荷短絡耐量:30μs間の負荷短絡状態で3000A/cm2の電流値での非破壊を保証する。(Si-IGBTの4倍)まず目標1については、ソース長を減少させ内部の寄生抵抗を減少させることによって、スイッチング速度が改善された。このときターンオン時間30ns、ターンオフ時間は80nsであり当初の目標は達成できなかったものの、同等の電圧・電流定格のSi-IGBTがターンオン時間400ns、ターンオフ時間300nsであり、Si-IGBTよりも高速化できた。

次に目標2については、DC-DCコンバータの実機動作を、周波数100kHz,電源電圧400V,電流値4.3A,デューティー比50%の条件で行い安定な動作を確認できた。この際の電流値4.3Aは電流密度値に換算し400A/cm2であり、目標値500A/cm2をほぼ達成できたと言って良い。また目標3については、パルス幅53μsの条件の下での負荷短絡動作試験を実施し、3900A/cm2の電流密度値を遮断することに成功しており、目標を大幅にクリアーできた。以上より本研究では、当初の目標をほぼ達成できた。本結果はSiC材料を用いた超低損失パワーデバイスの実用化において、意義のあるものである。