hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
3次元スタック実装SiCカスコードパワーデバイス

高耐圧SiCチップと低耐圧Si-MOSFETチップを縦方向にスタック実装したSiCカスコード素子のプロトタイプを試作した。その基本特性は、オン抵抗80mΩ、ドレインーソース間降伏電圧950Vであり、SiCパワースイッチングデバイスとしての基本性能が得られていることが確認された。すなわち本実装方法は絶縁性能や内部寄生因子に対して問題が生じないことが明らかになった。試作したスタック実装カスコード素子のオン抵抗はこれまで試作した2次元実装構造のものに比べ2倍程度高いものであるが、これはスタック実装素子の試作に用いた高耐圧SiCチップのチャネル幅が元々狭いことによるものであるため、今後チャネル幅の最適設計をすればこの問題を解決できる。またスイッチング特性の測定より、試作素子のターンオン時間が大きいことが判明したが、これもチャネル部の最適設計にて解決できることがシミュレーションにより判明している。これと並行して、3次元スタック実装素子の目標性能を明らかにするために、2次元実装構造を電気的性能を実験的に明らかにした。さらに、SiCカスコード素子の信頼性を調査するために、まず2次元実装素子においてストレス試験を実施した。試験は、カスコード素子のゲート・ソース間に逆バイアス20Vのスパイク電圧を周波数40kHzで202時間印加し、ストレス試験前後での素子のゲートしきい電圧、オン抵抗、逆導通特性を調べた。その結果、ストレス印加後素子の特性に有意な変化は見られず、SiC-MOSFETに見られるような、動作時のしきい電圧変動の問題はないことが明らかになった。2018年度の目標であるスタック実装素子の基本設計を行いプロトタイプを完成させ、SiCパワーデバイスとしての基本特性を達成することができた。昨年度までで、目標となるSiC-3Dスタック実装カスコード素子の基本的な実装構造を明らかにしたため、本年度は伝熱特性をシミュレーションにて詳細に検討し、熱歪みや上下チップ間寄生因子を低減する設計の微調整を行い、実装方法を完成させる。そしてパワー密度や信頼性の側面から、従来のSiやSiCモジュールに対する本素子の優位性を明らかにし、本研究の総括とする。本研究では、炭化珪素(以下SiC)静電誘導トランジスタ(SIT)と低耐圧シリコンMOSFETを、LSIの高密度実装技術である3次元スタック技術を用い一体化した新しい超低損失・高信頼性カスコード型パワーデバイス「3DスタックBGSITカスコードパワーデバイス」を実現する。そして、同デバイスを用いたパワーモジュールを提案し、そのための設計・組み立て概念を構築する。これにより従来のSiC-MOSFETの1/3の電力損失、実装面積の約半分への縮小、同FETにおける信頼性の課題を同時に克服できる。本技術が実現できれば、現状のSiC汎用インバータの23倍で高パワー密度の高信頼性次世代電力変換器が期待できる。本年度の計画は3Dスタック実装単体(ディスクリート)素子の具体的構造及び組立手法を確立することである。このため熱解析シミュレータANSYSを用い、スタック実装の放熱特性、設計指針を明らかにした。3Dスタック実装構造モデルは、ヒートシンク上に放熱シートを介した銅リードフレームを設置し、その上にSiCおよびSiチップをはんだにて積層させている。各積層材料の熱および機械強度に関する物性値および厚みとして現在パワーデバイス実装に用いている標準的な値を使用した。比較対象として従来の2次元実装構造も解析した。その結果スタック実装の場合は、リードフレームを介して効率的に放熱させるのに対し、2次元実装の場合はリードフレームが分割されている為、放熱効率が悪いことがわかった。結果としてスタック実装では接合温度を20°C程度低減できることが明らかになった。また20kHzのスイッチング動作を想定した過渡伝熱解析でも同様にスタック実装素子の方が接合温度を低減できることがわかった。当初の計画通り、本年度は3Dスタック実装のディスクリート素子の設計指針を確立できた。実装に用いるリードフレーム、放熱板、ハンダの材料の種類及び厚みを特定でき、チップに働く応力のメカニズムも把握できた。またそこで使用するSiCチップおよびSiチップも調達できたため30年度の計画である実装素子の試作を実施するための準備が整った。したがって研究の進捗は当初の計画通りと言える。

その結果、ストレス印加後素子の特性に有意な変化は見られず、SiC-MOSFETに見られるような、動作時のしきい電圧変動の問題はないことが明らかになった。2018年度の目標であるスタック実装素子の基本設計を行いプロトタイプを完成させ、SiCパワーデバイスとしての基本特性を達成することができた。本年度の進捗は当初の計画通りであるため、次年度は本年度に構築した設計指針に従い実際に3Dスタック素子を試作し、その各種性能を評価する予定である。昨年度までで、目標となるSiC-3Dスタック実装カスコード素子の基本的な実装構造を明らかにしたため、本年度は伝熱特性をシミュレーションにて詳細に検討し、熱歪みや上下チップ間寄生因子を低減する設計の微調整を行い、実装方法を完成させる。そしてパワー密度や信頼性の側面から、従来のSiやSiCモジュールに対する本素子の優位性を明らかにし、本研究の総括とする。
薬物動態・動力学理論に基づくテーラーメード・処方設計システムの開発

薬物動態・薬物動力学の理論を応用し、実際の医療現場における処方設計や処方チェック、医薬品適正使用、医薬品情報提供などに役立てるためのコンピュータシステムの構築を目標とした研究を行った。具体的には1)腎障害患者におけるACE阻害薬やニューキノロン系抗菌薬の投与設計、2)健康食品であるセント・ジョーンズ・ワートの摂取が、薬物体内動態に与える影響の定量的予測、3)非定型抗精神病薬による各種副作用の評価、4)消化管内における錯体形成に起因するニューキノロン系抗菌薬の薬物相互作用の回避、5)イトラコナゾールとCYP3A4の基質薬物を一定の投与間隔をあけて投与した場合の薬物相互作用の程度、6)α遮断薬による前立腺肥大の治療効果予測、7)抗うつ薬による立毛・鳥肌の回避、8)フッ化ピリミジン系抗癌剤と代謝阻害剤との配合剤の体内動態予測、のためのテーラーメード薬物治療設計支援システムのアルゴリズムを完成させた。そして完成させたアルゴリズムに基づき、その一部についてはコンピュータ支援システムのプロトタイプを構築した。例えば1)に関しては、腎障害患者における薬物の投与量な投与間隔を調節することで、任意の薬物の動態を、健常者のそれとなるべく近いものにするためシステムのプロトタイプをパーソナルコンピュータ上に構築した。これ以外にも、服薬不遵守時や剤形変更時に必要とされるテーラーメード薬物治療設計支援システムに関するニーズのアンケート調査を行い、そのシステムのアルゴリズムとプロトタイプを完成された。また、適正な処方設計・調剤支援システムのための医薬品製剤情報の規格化などの基礎的調査も行った。(677)薬物動態・薬物動力学の理論を応用し、実際の医療現場における処方設計や処方チェック、医薬品適正使用、医薬品情報提供などに役立てるためのコンピュータシステムの構築を目標とした研究を行った。本年度は、腎機能障害患者に対する処方設計支援システム、並びに代謝酵素の誘導・脱誘導に基づく薬物相互作用に対処するためのテーラーメード薬物治療設計支援システムのプロトタイプを完成させた。腎機能障害を有する患者に対しては、その薬物の特性に応じて、薬物の投与量や投与間隔を適正に調節する必要がある。そこで、本邦において市販されているニューキノロン系抗菌薬及びACE阻害薬をさまざまな程度の腎機能を有する被験者に投与した際の体内動態を網羅的に文献収集し、それらを解析した。その結果、腎機能障害患者における体内動態は、それらから推定した「消失における腎寄与率」のパラメータを活用することで予測可能であることが明らかとなった。続いて、腎障害患者における薬物の投与量な投与間隔を調節することで、任意の薬物の動態を、健常者のそれとなるべく近いものにするための計算アルゴリズムを構築し、それをもとにしたコンピュータ支援システムを構築した。代謝酵素の誘導・脱誘導に基づく薬物相互作用に対処するためのテーラーメード薬物治療設計支援システムについては、健康食品であるセント・ジョーンズ・ワートの摂取が、シクロスポリンの体内動態に与える影響について、遡及的に調査を行い、それらを表現するための解毒機能蛋白質の誘導と脱誘導を考慮した薬物動態学的を構築した。さらに、構築したモデルをもとに、当該相互作用を回避するための投与設計を支援するためのコンピュータシステムを構築した。これ以外にも、薬物代謝酵素やトランスポータ、受容体などの遺伝子多型を考慮した投与設計支援システムについて基礎的調査を行った。(776字)薬物動態・薬物動力学の理論を応用し、実際の医療現場における処方設計や処方チェック、医薬品適正使用、医薬品情報提供などに役立てるためのコンピュータシステムの構築を目標とした研究を行った。本年度は、向精神薬による副作用、グレープフルーツジュースとの相互作用、並びに代謝酵素の阻害に基づく薬物相互作用に対処するためのテーラーメード薬物治療設計支援システムのアルゴリズムを完成させた。非定型抗精神病薬は、近年使用量が増大しているが、その副作用リスクを処方設計段階で個々に評価することができれば、その適正使用に大きく貢献することが出来る。そのために、受容体結合占有理論に基づく各種副作用の評価アルゴリズムを構築した。グレープフルーツジュースと薬物の相互作用のリスクを予測するためには、現在臨床試験が行われていない薬物についてのリスクを定量的に予測する必要がある。

そのために、グレープフルーツジュースと薬物の相互作用の程度を決定する要因について解析を行い、臨床試験が行われていない薬物についても相互作用の程度をある程度予測することが可能になった。典型的なCYP3A4代謝阻害剤であるイトラコナゾールは、体内からの半減期が長いため、代謝阻害作用が持続する可能性がある。このため、他剤とある程度の間隔をあけて併用した場合も、薬物相互作用が惹起される可能性がある。そこで、イトラコナゾールとトリアゾラムを一定の投与間隔をあけて投与した場合の薬物相互作用の程度を定量的に予測するためのアルゴリズムを構築した。これ以外にも、薬物代謝酵素やトランスポータ、受容体などの遺伝子多型を考慮した投与設計支援システム、ならびにシステムのWEB上への公開についての基礎的調査を行った。(725)薬物動態・薬物動力学の理論を応用し、実際の医療現場における処方設計や処方チェック、医薬品適正使用、医薬品情報提供などに役立てるためのコンピュータシステムの構築を目標とした研究を行った。本年度は、1)腎障害時の投与設計、2)消化管内における錯体形成に起因する薬物相互作用の回避、3)α遮断薬による前立腺肥大の治療効果予測、4)抗うつ薬による立毛・鳥肌の回避、5)代謝阻害剤との配合剤である抗癌剤の体内動態予測、のためのテーラーメード薬物治療設計支援システムのアルゴリズムを完成させた。具体的には、腎障害時の投与設計に関しては、個々の薬物に関して消失における腎寄与率をパラメータとして保持することで処方設計支援が可能であることを示した。相互作用の予測については、ニューキノロン系抗菌剤と金属カチオン含有製剤を任意の間隔で投与した際の体内動態を予測するモデルを構築した。α遮断薬による前立腺肥大の治療効果や抗うつ薬による立毛・鳥肌の副作用を受容体結合占有理論に基づき評価可能であることを示した。フッ化ピリミジン系抗癌剤であるTS-1(5-FUのプロドラッグであるテガフールと、5-FUの分解を阻害するギメラシルの配合剤)の体内動態を記述するモデルを構築し検証した。モデルには、1)テガフールから5-FUへの変換、2)5-FUの消失が血中ギメラシル濃度により動的に変化すること、3)ギメラシルの体内動態が腎機能により変化すること、などを組み込んだ。そして、さまざまな腎機能の患者にTS-1を投与した時の5-FU推移をモデルシミュレーションしたところ、実測値を良好に表現できた。これ以外にも、服薬不遵守時や剤形変更時に必要とされるテーラーメード薬物治療設計支援システムに関するアンケート調査、適正な処方設計・調剤支援システムのための医薬品製剤情報の規格化なども行った。(800)
頭頸部癌微小環境におけるMDSCの分化・成熟と免疫抑制機構の解明

Myeloid-derived suppressor cells : MDSCは細菌・寄生虫感染、急性・慢性炎症、外傷性ストレスなどにおいて免疫寛容を誘導する細胞として報告されている。癌においてもMDSCは癌細胞および他の間質細胞と相互に関係しながら癌の免疫監視機構逃避のメカニズムの一翼を担っているとされている。このMDSCは顆粒球、樹状細胞、マクロファージ、前骨髄芽球などの前駆細胞であり、分化度も様々な非常に多様な細胞集団であり、その単独マーカーはまだ同定されていない。癌細胞のMDSC細胞誘導に及ぼす影響を明らかにするために今回はLin-HLA-DR-CD33+の細胞集団について検討した。頭頸部扁平上皮癌細胞株を用いて、末梢血単核球とTranswell chamber下に混合培養したところ癌細胞の存在下では有意にMDSC細胞の比率が増加しており、癌細胞からの液性因子などがMDSC誘導に関与していることが示唆された。さらに近年、癌細胞のなかに少数の癌幹細胞が存在することが明らかにされており、頭頸部扁平上皮癌においてはCD44分子が癌幹細胞のマーカーの一つとして同定されている。そのため癌細胞株よりCD44+細胞とCD44-細胞をそれぞれ分離しMDSCの誘導能に差があるか否かについて検討したところ、CD44+細胞の方がCD44-細胞に比較して有意にMDSC細胞を誘導することができた。癌細胞は、腫瘍微小環境下において有意にMDSCを誘導するが、癌細胞の違いによってもその誘導能に差があることが示唆された。これまでに、MDSCからのTGF-βやIL-10などのサイトカインやArginase activityがその抑制機構に関与していると言われている。実際の癌組織にはこのようなMDSCがどのくらい存在しており、T細胞をはじめとする免疫担当細胞に対してどのような影響を及ぼしているのかを手術試料を用いて解析を進めている。Myeloid-derived suppressor cells : MDSCは免疫寛容を誘導する細胞として報告されており、制御性T細胞とともに癌患者における免疫抑制機構を担う重要な細胞として認識されている。今回は、単球系MDSCのsubsetの一つとして最近報告されているCD14+HLA-DR-細胞に焦点を絞って研究を進めた。34名の頭頸部扁平上皮癌患者の末梢血から単核球を分離しCD14+HLA-DR-細胞の比率を調べた。同時に、もう1つの免疫抑制細胞である制御性T細胞の比率も調べ、両者の間に関連がないかどうか解析した。癌患者では、健常人に比べてCD14+HLA-DR-細胞の比率は上昇していた。これは制御性T細胞も同様であった。興味深いことに、CD14+HLA-DR-細胞と制御性T細胞の比率との間には逆相関を認めた。これらの結果から、癌患者においては二つの免疫抑制担当細胞が重要な働きをしているが、この両者はお互いにバランスをとって免疫抑制を維持していることが示唆された。更に、CD14+HLA-DR-細胞上の共刺激分子の発現を調べたところCD86,B7-H1分子の発現を認め、この発現はCD14+HLA-DR+細胞に比較して有意に増強していた。Myeloid-derived suppressor cells : MDSCは制御性T細胞と並び免疫寛容を誘導する細胞としていくつかの論文で報告されており、様々な癌患者の末梢血や癌組織での存在が確認されている。我々の行った研究で頭頸部扁平上皮癌患者の末梢血において単球系MDSCのsubsetのひとつであるCD14+HLA-DR-細胞の比率が健常人に比べて増加していた。また同時に調べた制御性T細胞の比率も頭頸部扁平上皮癌患者の末梢血において増加していた。興味深いことに、CD14+HLA-DR細胞と制御性T細胞の比率の間に逆相関を認め、このことは免疫抑制状態でも一種のhomeostasisが存在を示唆する。また癌局所においてCD14+細胞とCD14+HLA-DR-細胞の比率には相関関係を認めた。末梢血においてはこのような相関は認めておらず、癌局所におけるMDSCの集積あるいは増殖が示唆された。ソーティングしたCD14+HLA-DR-細胞は抗CD3抗体および抗CD28抗体で刺激したTリンパ球の増殖能とIFN-γ産生を効率的に抑制した。これらから頭頸部扁平上皮癌患者においてもCD14+HLA-DR-細胞により免疫寛容状態が誘導されていることが示唆された。さらにCD14+HLA-DR-細胞はCD14+HLA-DR+細胞に比してB7family ligandであるCD86やPD-L1の発現が多く、TGFβ産生が多かったことも確認できている。さらにCD86、PD-L1の抗体によるブロック、およびTGFβを中和抗体で抑制することでT細胞増殖能抑制効果がなくなり、IFNγ産生が増加する結果となった。今回の研究結果から頭頸部扁平上皮癌患者において、単球系MDSCのsubsetであるCD14+HLA-DR-細胞は免疫寛容機能を担っており、新たな頭頸部癌治療ターゲットになりうると考えられた。
超電導を利用した完全安定磁気浮上方式の理論的研究

本研究では、超電導バルク材を使用したMixed-mu浮上方式の浮上特性を解析した上で、超電導バルク材の代わりに超電導線材コイルを複数個配置することによって超電導バルク材の反磁性に近い振る舞いをさせ、安定な浮上を実現させる方法に関して、リニアモータ等によって駆動・推進される搬送システムや磁気浮上鉄道車両を適用対象と考えて、以下の検討を行った。1.Mixed-mu磁気浮上方式の浮上特性と電磁界分布の計算:超電導バルク材の反磁性を利用したMixed-mu浮上方式に関して、浮上特性を電磁界計算に基づいて解析し、そこでの超電導体に流れる磁化電流分布を比較的少数の短絡コイルだけで復元することは現実的でないことが判明した。2.完全安定磁気浮上方式の超電導コイル系の設計:静止時においても無制御で安定に浮上可能な方式として、超電導短絡コイルの磁束保存性を利用した方法を提案した。これは多層レーストラック構造の超電導コイル系と鉄レースから成る系である。この系の浮上特性を解析するために、二次元有限要素法による電磁界解析を行った。その結果、目的とする静止時においても無制御で安定な浮上の可能性が示された。3.輸送・搬送システムへの応用の検討:上記の浮上系は、静止時においても安定に浮上できることと、超電導コイルの構造は現状より複雑になるが、地上側設備が簡単になるというメリットがあり、今後、三次元的な解析も含めて、さらに詳細な検討を行うに十分値するものと考えられる。
骨再生のための幹細胞・有機無機複合体の開発

大阪大学歯学部倫理委員会において承認を得た上で臨床研究を遂行した。小児の顎裂患者に対して、あごの骨とハイドロキシアパタイトアガロースゲル(HApゲル)混和して移植した。自家骨移植と同様に、術後約3ヶ月で骨再生が認められた。HApゲルを使用することにより、骨移植において、腸骨採取を回避することができた。すなわち、患者への手術侵襲及び身体的苦痛の軽減、入院期間の短縮、術後運動制限の緩和をもたらした。さらに、HApゲル単体よりも、骨髄間葉系幹細胞をHApゲル上で培養し、骨欠損部へ移植したほうが、より速くより多くより質の良い骨再生ができることを、培養実験及び動物実験で明かにした。(1) HApゲルの臨床研究を遂行した。大阪大学歯学部倫理委員会において承認を得たプロトコールにしたがって遂行した。智歯抜歯、嚢胞摘出後の顎骨欠損、インプラント埋入時の骨量不足(サイナスリフト)等に対し、HApゲルを単体で充填した。また、顎裂閉鎖骨移植に対して、オトガイ骨とHApゲルを混和した充填した。術前、術後の骨生成の評価はデンタルX線写真、パノラマX線写真、デンタルCTの撮影によっておこなった結果、全例に、骨生成が認められた。さらに創部治癒不全、術後感染、骨吸収の有無を確認した結果、有害事象は認めなかった。昨年度よりさらに症例を増やして進行している。(2)ラット骨髄間葉系幹細胞をHApゲル上で培養し、ラット頭蓋骨欠損部に埋植し骨形成の至適条件を検討した。HApゲル上で、ラット間葉系骨髄幹細胞の初代培養を行った。細胞親和性、接着性や増殖性、骨芽細胞への分化能に及ぼす効果について解析し、HApゲルの組成や形状の至適条件を確立した。細胞の増殖能及び親和性を増殖曲線やDNA量測定を指標に検討し、至適培養条件を決定した。さらに、骨への分化を誘導する因子であるデキサメタゾンの添加によって、骨芽細胞への分化や骨基質の生成、石灰化を促進させた。アルカリフォスファターゼ活性(骨芽細胞への分化の指標)やオステオカルシンの発現量(骨分化の指標)を測定し、分化誘導能を解析した。カルセインの沈着量、アリザリンレッドS染色(骨基質のカルシウムを染色)、炎色反応によるCa量などを測定し骨の生成量を測定した。(3) HApゲル上における骨髄間葉系幹細胞の骨細胞への分化と骨形成能を、ラットの頭蓋骨欠損モデルへの埋植を行うin vivoの実験は遂行中である。(1)大阪大学歯学部倫理委員会において承認を得たプロトコールにしたがって臨床研究を遂行した。智歯抜歯、嚢胞摘出後の骨欠損に対し、HApゲルを単体で充填した。また、顎裂閉鎖骨移植に対して、オトガイ骨とHApゲルを混和して充填した。術前後の骨生成の評価はX線写真、CTの撮影によっておこなった結果、全例に骨生成が認められた。さらに創部治癒不全、術後感染、過度な骨吸収などの有害事象は認めなかった。18症例に施行し、臨床研究目標症例数20症例にほぼ到達した。特筆すべきことは、HApゲルを使用することにより、小児の顎裂患者への骨移植において、腸骨採取を回避することができた。すなわち、患者への手術侵襲及び身体的苦痛の軽減、入院期間の短縮、術後運動制限の大幅な緩和をもたらし、実用化に向けて進展することができた。(2)ラット骨髄間葉系幹細胞をHApゲル上で培養し、細胞親和性、接着性や増殖性、骨芽細胞への分化能に及ぼす効果について解析し、in vitroにおける、HApゲルの組成や形状の至適条件を確立した。さらに、骨分化誘導培地によって、アルカリフォスファターゼ活性(骨芽細胞への分化の指標)やオステオカルシンの発現量(骨分化の指標)を測定し、分化誘導能を測定した。(3) HApゲル上における骨髄間葉系幹細胞の骨細胞への分化と骨形成能を、ラットの頭蓋骨欠損モデルへの埋植を行うin vivoの実験を施行し、骨髄間葉系幹細胞と共に移植することによって、HApゲル単独の移植に比較して、骨生成の速度、量、骨質全てにおいて、優位であることが示した。研究内容は論文掲載され平成24年度研究成果として記載した。

また、顎裂閉鎖骨移植に対して、オトガイ骨とHApゲルを混和した充填した。術前、術後の骨生成の評価はデンタルX線写真、パノラマX線写真、デンタルCTの撮影によっておこなった結果、全例に、骨生成が認められた。さらに創部治癒不全、術後感染、骨吸収の有無を確認した結果、有害事象は認めなかった。(2)ラット骨髄間葉系幹細胞をHApゲル上で培養し、ラット頭蓋骨欠損部に埋植し骨形成の至適条件を検討した。HApゲル上で、ラット間葉系骨髄幹細胞の初代培養を行った。細胞親和性、接着性や増殖性、骨芽細胞への分化能に及ぼす効果について解析し、HApゲルの組成や形状の至適条件を確立した。細胞の増殖能及び親和性を増殖曲線やDNA量測定を指標に検討し、至適培養条件を決定した。さらに、骨への分化を誘導する因子であるデキサメタゾンの添加によって、骨芽細胞への分化や骨基質の生成、石灰化を促進させた。アルカリフォスファターゼ活性(骨芽細胞への分化の指標)やオステオカルシンの発現量(骨分化の指標)を測定し、分化誘導能を解析した。カルセインの沈着量、アリザリンレッドS染色(骨基質のカルシウムを染色)、炎色反応によるCa量などを測定し骨の生成量を測定した。(3) HApゲル上における骨髄間葉系幹細胞の骨細胞への分化と骨形成能を、ラットの頭蓋骨欠損モデルへの埋植を行うin vivoの実験は遂行中である。(1) HApゲルを用いた臨床研究(TR)対象症例全例に骨生成が認められた。症例数に関しては、引き続き継続することによって増やしていくとともに、結果をまとめていく段階にある。そのデータは予定どおり獲得することができている。研究を進めつつ、論文投稿をおこないつつある。(3) HApゲル上における骨髄間葉系幹細胞の骨細胞への分化と骨形成能を、ラットの頭蓋骨欠損モデルへの埋植を行うin vivoの実験は現在遂行中であり、材料単体との比較のデータを獲得していく段階である。症例数に関しては、引き続き継続することによって増やしていく。研究を進めつつ、論文投稿をおこなう段階に達しつつある。(1) HApゲルを用いた臨床研究(TR)に関しては、継続して症例を増やすことによって、骨充填材料としての有用性を実証していく。それと共に、広く国内外の学会において発表し、企業を含めた臨床試験を行い、製品化へ発展させる。(2)骨髄間葉系幹細胞をHApゲル上にて培養し、骨へ分化誘導をさせ、動物に埋植する手法を用いて、骨形成の至適条件を検討する。
可変吃水船の性能に関する研究

浅い河では単胴船で航走し、海に出たら中央部キャビンがリフトアップされて双胴船となって高速で走る船の性能の研究を行った。(1)高速回流水槽における実験当初、水中翼を付けず、双胴の浮力のみでの航走を試みたが抵抗が大きく期待の速力が出ないうえ、双胴を結合する甲板梁が波に叩かれた。そこで前後に水中翼を付けることとし、その大きさ、形状、迎え角の最適に近いものを実験によって見出した。この際、流場の観察は極めて有用であった。最終案は前方水中翼に大きな後退角を付け、失速を少なくしてポ-ポイジングのような姿勢変化を避け、更に強度上から支柱をつけた。これによって速力も姿勢も、更に動揺性能が改善されたことは予期せぬ成果であったといえる。また水中翼で船体重量の一部を負担させるため、双胴船の容積を減じ得ることが可能になり、瘠型の造波抵抗の少い船型を採用することが可能となった。更に動揺、殊にピッチング性能の改善を目的として、双胴航走時、キャビン後方をヒンジでとめ、キャビン前方を水中翼とスプリングで支持する方式を試み、可成りの成果を得た。この方式については単純な力学モデルによってシミュレ-ション計算をも実施し、水中翼やスプリングの最適化を行った。(2)試運転における計測キャビンを上げて固定する方式の実船が出来たので、試運転において計測を行い、初期の目的の達成を確認した。その際、キャビンの振動も極めて少いことが判った。
上衣腫におけるTERT発現機序の解明と新規標的治療の開発に関する研究

本年度は、昨年度に導入したレンチウイルスによる遺伝子導入システムを用いた脳腫瘍モデルの確立を引き続き行なった。脳腫瘍関連遺伝子の導入やがん抑制遺伝子の不活化を脳腫瘍の発生起源と考えられている神経幹細胞に特異的に達成するために、Nestin-creマウスとCag-Cas9マウスの交配によるコンディショナルダブルトランスジェニックマウスを作成した。続いて、本系統の交配・継代や表現型に問題がないことを確認したのち、テント上上衣腫のドライバー遺伝子として知られるRELA融合遺伝子を成体マウスや新生仔マウス脳に導入を行ったところ、以前の報告と同様にヒト上衣腫に類似したマウス脳腫瘍の誘導が観察され、本モデルシステムが十分に機能することが確認された。また、CRISPR-Cas9システムによるがん抑制遺伝子の不活化は本モデルマウス脳より樹立したNeurosphere lineを用いた実験で確認された。現在、RELA融合遺伝子陽性上衣腫で高頻度で同定されたCDKN2A遺伝子の不活化の影響や上衣腫で同定されたYAP1融合遺伝子の脳腫瘍誘導能の検討を行うために、関連するレンチウイルスをマウス脳内に注入し、これらのマウスの表現型の観察を行なっている。さらに、CRISPR-Cas9システムを用いてマウス脳内で染色体・遺伝子再構成を行い内因性のRELA融合遺伝子を誘導する脳腫瘍モデルの作成も試みている。これまでに、培養細胞にて内因性のRELA融合遺伝子の誘導に成功したことから、関連レンチウイルスをマウス脳内に注入し同様に脳腫瘍の発生を観察している。そして、上記実験より脳腫瘍が誘導された場合には、昨年度に行った薬剤スクリーニングより同定された薬剤の抗脳腫瘍効果をこれらの脳腫瘍モデルを用いて検討を進め、引き続き上衣腫の治療標的の同定を目指していく。平成28年度は88例の上衣腫に対してRT-PCRまたはFISHを用いてC11orf95-RELA融合遺伝子を調べ、16例のテント上上衣腫で融合遺伝子を認めた。また94例の上衣腫に対してTERTのmRNA発現を測定した結果、テント上の上衣腫のほぼ全例と、テント下上衣腫の一部にTERTの著しい発現亢進を認めた。TERT promoterの点突然変異は113例中3例にのみ認められたが、点突然変異上流のSNP (rs2853669)がTERT promoterの点突然変異と相互作用を持つことにより発現調節に関わっているという報告があるため、TERT promoter mutationとrs2853669の関係を探索する目的で、ルシフェラーゼリポーターアッセイを行った。TERT promoterの311塩基とexon 1の163塩基を含む474塩基の領域をクローニングし、rs2853699のSNPのTまたはC、およびC228TとC250Tの変異をいずれかを持った組み合わせでベクターを構築した。これらのベクターをそれぞれHEK293Tに導入したところ、C228TではSNPの状態に関わらずプロモーターの活性化が認められたが、C250Tはrs2853669がC variantで会ったときのみ活性の亢進を認めた。現在rs2853669のgenotypingのアッセイを構築しており、平成29年度は上衣腫においてrs2853669のSNPとTERT発現との関係を調べるとともに、TERT promoterの上流を含めた約2.5kbの領域のTERT発現における意義をルシフェラーゼアッセイを用いて探索する。さらに、PDXおよびRELA融合遺伝子をin vivoで導入するRCAS/tv-a技術などを用いて上衣腫の動物モデルを作成する。上衣腫検体の解析については順調に進んでいる。ルシフェラーゼベクターの構築も当初の予定よりも進んでおり、特にrs2853669のプロモーター活性に及ぼす影響については予想以上の進展があった。動物モデルの作成については平成29年度上半期に予定されている新研究棟への動物実験室の移転に伴い、現在施設内で動物実験が著しく制限されており、本格的な再開が本年8月以降になることから当初の予定よりはやや遅れがみられるが、平成29年8月以降は予定通り進められることが期待されている。平成29年度は、TERT promoterの上流を含めた2.5kbの領域のルシフェラーゼ発現ベクターを構築し、rs2853669のSNPとC228T, C250TのTERT promoter mutationの有無で6通りのコンストラクトを作成したところ、C250Tを持つコンストラクトでTERTの発現上昇を認めた。一方rs2853669のvariant T349Cによる発現増強作用は認めなかった。これらは前年度のTERT promoter core region (474bp)のベクターと比較して異なる結果であった。上衣腫の臨床検体において、RELA融合遺伝子を持つ上衣腫にTERT発現の著しい上昇があるという結果(平成28年度)については論文化し、現在投稿中である。我々はこれまでにRELA融合遺伝子は単独で脳腫瘍を誘導できるがん遺伝子であることをトランスジェニックマウスを使ったモデルを用いて明らかにしてきたが、さらに上衣腫における融合遺伝子とTERTの上衣腫発生機序における役割を検討するため、in vivo lentiviral gene transferシステムを用いて、RELA, YAP1融合遺伝子などの上衣腫関連融合遺伝子をマウス脳内(Nestin expressing cell of origin)に導入し、その脳腫瘍誘導能の検討を行なっている。平成29年度はトランスジェニックマウスの導入を行い、lentiviral vectorを構築した。

またRELA融合遺伝子を持つ上衣腫に対する標的治療開発の目的で、RELA融合遺伝子より誘導された脳腫瘍細胞を用いて薬剤スクリーニングを行った。平成30年度には、本スクリーニングより同定された薬剤の効果を、上記により脳内に上衣腫を誘導したマウスに対して検討する非臨床試験を行う予定である。上衣腫臨床検体については100例以上のコホートの解析が完了し、論文を投稿することができた。上衣腫動物モデルの作成については、平成29年度7月に行われた新研究棟への動物室の移転に伴い約6か月間動物実験が事実上不可能な状況にあったが、平成29年度後半から徐々に稼働が進められ、トランスジェニックマウスの輸入とクリーン化が完了し、トランスジェニックマウスを導入することができた。並行してRELA融合遺伝子を導入するレンチウイルスの作成を進めており、おおむね当初の計画に追い付きつつあると考える。新規治療開発のためのRELA融合遺伝子を持つ細胞株に対するドラッグスクリーニングはその成果を上げている。本年度は、昨年度に導入したレンチウイルスによる遺伝子導入システムを用いた脳腫瘍モデルの確立を引き続き行なった。脳腫瘍関連遺伝子の導入やがん抑制遺伝子の不活化を脳腫瘍の発生起源と考えられている神経幹細胞に特異的に達成するために、Nestin-creマウスとCag-Cas9マウスの交配によるコンディショナルダブルトランスジェニックマウスを作成した。続いて、本系統の交配・継代や表現型に問題がないことを確認したのち、テント上上衣腫のドライバー遺伝子として知られるRELA融合遺伝子を成体マウスや新生仔マウス脳に導入を行ったところ、以前の報告と同様にヒト上衣腫に類似したマウス脳腫瘍の誘導が観察され、本モデルシステムが十分に機能することが確認された。また、CRISPR-Cas9システムによるがん抑制遺伝子の不活化は本モデルマウス脳より樹立したNeurosphere lineを用いた実験で確認された。現在、RELA融合遺伝子陽性上衣腫で高頻度で同定されたCDKN2A遺伝子の不活化の影響や上衣腫で同定されたYAP1融合遺伝子の脳腫瘍誘導能の検討を行うために、関連するレンチウイルスをマウス脳内に注入し、これらのマウスの表現型の観察を行なっている。さらに、CRISPR-Cas9システムを用いてマウス脳内で染色体・遺伝子再構成を行い内因性のRELA融合遺伝子を誘導する脳腫瘍モデルの作成も試みている。これまでに、培養細胞にて内因性のRELA融合遺伝子の誘導に成功したことから、関連レンチウイルスをマウス脳内に注入し同様に脳腫瘍の発生を観察している。そして、上記実験より脳腫瘍が誘導された場合には、昨年度に行った薬剤スクリーニングより同定された薬剤の抗脳腫瘍効果をこれらの脳腫瘍モデルを用いて検討を進め、引き続き上衣腫の治療標的の同定を目指していく。平成29年度はTERT promoterの機能解析をさらに進めるとともに、エリブリンをはじめとしたTERT阻害剤の上衣腫に対する抗腫瘍効果を、培養細胞・動物モデルを使って検討を開始することを目指している。
新規システムを用いた遺伝子増幅の分子機構の解析とその応用

遺伝子増幅現象は薬剤耐性現象、癌の悪性化、ゲノム進化等、多様な生物現象に関わり、タンパク質医薬の生産にも応用されている。しかし、その分子機構は未だ不明なままである。本研究では、代表者らが酵母を用いて初めて確立した優れた特徴をもつ人工増幅系を利用して、増幅機構の理解を深め、動物細胞に同様の系を構築することに成功した。これにより天然の増幅現象を詳しく解析しタンパク質生産を効率化する手がかりが得られた。当初の研究計画では、DRCR(double rolling-circle replication)増幅系の分子機構解析(平成18年度)とその解析の多角的な展開(平成19年度)に続いて、動物細胞への応用検討(平成20年度)を開始する予定であったが、特許戦略上、Cre-lox増幅系の効率化と動物細胞への応用に迅速に着手する必要に迫られた。これはCre-lox動物細胞系がタンパク質医薬生産に大きく貢献する可能性があるため、出芽酵母系の特許(特願2005-338119)の公開期日(平成19年5月24日)迄に動物細胞への応用の可否を暫定的に検証しようとするためである。Cre-lox出芽酵母増幅系の効率化のために、高コピー数の染色体内増幅産物が形成する頻度上昇と増幅の誘導時間の至適化を試みた。前者ではテロメア近傍からの複製による副増幅産物の形成を抑え、相対的に染色体内産物の形成効率を高めようとしたが、上述の複製起点は他染色体との相同性のため欠失させにくいことが判明した。一方後者では増幅誘導時間を1.5時間に短縮した際、染色体内増幅産物の形成頻度が上昇した。動物細胞への応用のため、薬剤MTXによって増幅が誘導される薬剤抵抗性遺伝子DHFRを、複製開始配列、2組のlox配列と共にラットゲノムBACクローン上に配置し、Flp-Inシステム(Invitrogen社)によりCHO細胞の染色体の特定部位に挿入した。さらにこの細胞にCre発現により増幅を誘導し、MTXで選択して多数の耐性株を得た。しかしサザンブロット法で解析した結果、DHFRの増幅は確認できなかった。原因として動物細胞での増幅反応の至適化が不十分であること、増幅細胞は存在するが多数の非増幅細胞に混在しているため検出方法が不適切であること等が挙げられる。今後は増幅誘導や選択方法の最適化、検出方法の改善等に取り組む。当初の研究計画では、DRCR(double rolling-circle replication)増幅系の分子機構解析(平成18年度)とその解析の多角的な展開(平成19年度)に続いて、動物細胞への応用検討(平成20年度)を開始する予定であったが、特許戦略上の理由から昨年度より動物細胞へのCre-lox系の応用検討を開始し、本年度はその確立に取り組んだ。昨年度、CHO(Chinese hamster ovary)細胞を用いてCre-lox系を構築し、得られた薬剤耐性株の解析の結果、増幅細胞は存在するが多数の非増幅細胞が混在し検出を困難にしていることが示唆された。そこで多数の細胞を個々に評価するため、間期FISH(Fluorescence in situ hybridization)法を行った。その結果、各耐性株の集団中の少数(約0.5-1.0%)の細胞に増幅領域とみられるシグナルが見いだされた。次にこの増幅細胞の存在を確証づけ、増幅様式を理解するため、限界希釈法により細胞純度を高めて分裂期FISHを行った。その結果、各クローンの約半数以上の細胞に増幅が見られ、染色体上の増幅産物(HSR)、染色体外因子(DMs)、複数の染色体に点在する産物が観察された。これらは動物細胞の遺伝子増幅でよく観察され、本来は細胞種により特定の種類が形成されることが知られている。これより本D半数以上の細胞に増幅が見られ、染色体上の増幅産物(HSR)、染色体外因子(DMs)、複数の染色体に点在する産物が観察された。これより本DRCR増幅系は異なる増幅産物に共通する分子機構や様々な細胞種が選択的に特定の産物を形成する現象を理解するために有用であると思われる。最後にDRCR増幅系の分子機構解析の一つとして、DNAマイクロアレイにより出芽酵母系での増幅前後の遺伝子発現変化を調べた。その結果、増幅単位に含まれる遺伝子の発現量の増加が確認され、増幅領域でのゲノム不安定性に起因すると思われるDNA傷害チェックポイントに関わる遺伝子群の発現増加が見られた。今後、これらの情報を分子機構の理解や増幅効率の向上に役立てたい。

当初の研究計画では、DRCR(double rolling-circle replication)増幅系の分子機構解析(平成18年度)とその解析の多角的な展開(19年度)に続いて、動物細胞への応用検討(20年度)を開始する予定であったが、より優生すべき研究項目に注力するため18年度より動物細胞にCre-lox-DRCR系を応用し、19年度にその確立と酵母系の分子機構解析を実施した。本年度は動物細胞での増幅産物を詳細に解析し、さらにCre-lox系を拡張し天然に起こる遺伝子増幅を説明できるモデルの実証に着手した。昨年度、CHO細胞にCre-lox増幅を誘導し、FISH法により解析したところ、染色体上の増幅産物(HSR)、染色体外因子(DMs)、複数の染色体に点在する産物が観察された。そこで本年度はサザンブロット法により染色体上の増幅産物の構造を解析した結果、ゲノム再編成により薬剤耐性に必要な増幅マーカー近傍のみが高度に増幅しており、Cre-lox増幅で予想される構造の検出は困難であることが判明した。今後は今回の実験をもとに増幅選択期間を短縮しゲノム再編成の影響を最小限に留めてCre-lox増幅を構造から証明することが期待できる。一方、Cre-lox-DRCRはDNA複製と組換えの協調反応として捉えることができ、Cre-lox組換えを一般の相同組換え反応で置き換えることができれば、癌悪性化や薬剤抵抗性獲得に伴う遺伝子増幅を説明できる可能性がある。本年度はこれを実証するため、酵母及びCHO細胞にDRCR誘導のための逆位反復配列をゲノム上に構築することを試みた。酵母では構築が完了し、サザンブロット法により予想通りの染色体上の増幅産物・染色体外因子を検出することに成功した。現在より詳細な解析を進めると共にさらに増幅系に改良を加えることを検討している。CHO細胞については、長い逆位反復配列を配置するための2種類の部位特異的組換え系を用いた系の作動確認を行っている。今後その反復配列をDRCR誘導可能な構造とするゲノム工学的手法についても確認し、薬剤選択による増幅細胞の検出を試みたい。
歯科用チタン系修復材およびインプラント材のフッ素含有環境における腐食挙動

チタンは優れた生体適合性を有するため、インプラントや種々の歯科修復物に利用されている。しかしながら、近年齲触予防のために使用されるフッ素を含有する歯面塗布剤、洗口剤、歯磨剤などが多く利用され、これに含まれるフッ素によってチタンが腐食することが問題となっている。本研究では、現在歯科臨床に使用されている純Ti、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb合金の腐食挙動におよぼすフッ素濃度およびpHの影響を調べるために、NaF濃度0.052%、pH27.3の水溶液中で、腐食電位の変化、動電位分極実験を行った。また誘導結合プラズマ質量分析装置により溶液中に溶出したTiの濃度を分析した。その結果、チタンの腐食はフッ素イオンと水素イオンによって生成するフッ素(HF)の濃度に依存しており、その濃度が30ppmを超えるとチタンの不動態被膜が破壊して腐食が進行することがわかった。またチタンおよびチタン合金の腐食挙動が顕著に変わるフッ素濃度とpHの明瞭な境界が存在することがわかった。その境界をプロットしたフッ素濃度-pHダイアグラムはチタンおよびチタン合金の「腐食域」と「耐食域」を示しており、使用する環境のフッ素濃度とpHがわかれば、それが腐食するか否かを知る予測するための有用な情報を与える。純TiおよびTi-6Al-7Nbの耐食性は、ほぼ同様であるがTi-6Al-4Vは耐食性が他に比べ劣っていることがわかった。またTi-0.2Pd、Ti-10Mo-0.2Pd合金は、純TiおよびTi-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb合金に比べ、優れた耐食性を有することが明らかとなった。特にTi-10Mo-0.2Pd合金はフッ素を含有する酸性溶液中で非常に優れた耐食性を有することが分かった。これは、合金表面にPdが濃縮し、Tiの再不動態化を促進するためと考えられた。チタンは、非常に優れた耐食性と生体適合性のために、歯科臨床の分野でもインプラント材をはじめ、クラウン、ブリッジ、床用として用いられるようになってきた。しかしながら、近年、齲蝕予防のために利用されるフッ素によってチタンの耐食性が損なわれることが問題となっている。本研究(本年度)では、純チタンの腐食挙動に及ぼすフッ素濃度とpHの関係を詳細に検討した。その結果、チタンが耐食性を維持するフッ素濃度-pH領域と耐食性が失われるフッ素濃度-pH領域が存在し、それらの間に明瞭な境界が存在することが明かとなった。pH<1.54log(フッ素濃度)+0.163の関係式を満たすフッ素濃度とpHの領域で、チタンの耐食性は失われることが明かとなった。すなわち、チタンを使用する環境のpHとフッ素濃度がわかれば、そのチタンが腐食するかどうかを知ることができる。また、フッ素を含有する溶液中にチタンを浸せきしておくだけで、かなりの量のチタンが溶出することも明かとなった。たとえば、市販の歯面塗布用の酸性フッ素リン酸溶液中に含まれるフッ素濃度(2%NaF)よりもはるかに少ないpH4の0.1%NaF溶液中にチタンを24時間浸せきすると、溶出量は800μg/cm^2にも達した。さらに、チタンが腐食するpHとフッ素濃度の関係を詳細に検討した結果、チタンの腐食は、溶液中の水素イオンH^+とフッ素イオンF^-の反応によって生成するフッ化水素HFによって生じるものであり、溶液中のHFの濃度が0.003%以上になるとチタン表面の不動態皮膜が破壊され、チタンの腐食が進行することが、明かとなった。

チタンは表面に安定な酸化膜を生成して不動態化し、きわめて優れた化学的安定性(耐食性)、生体適合性を発現する。このため多くの生体用金属材料として用いられており、歯科領域においてもインプラントをはじめ、種々の金属歯科修復物への応用がめざましい。しかしながら、歯科臨床においては齲触予防を目的としたフッ素を含有する歯面塗布剤、洗口剤、歯磨剤などが多く利用され、これに含まれるフッ素によってチタンが腐食することが問題となっている。本研究では、現在歯科臨床に使用されている純TiおよびTi-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb合金の腐食挙動に及ぼすフッ素濃度とpHの影響を詳細に検討すると共に、フッ素含有環境において高い耐食性を有するチタン合金の開発を目的として、Ti-0.2Pd、Ti-10Mo-0.2Pd合金を試作し、耐食性の比較検討を行った。その結果、純TiおよびTi-6Al-7Nbの耐食性は、ほぼ同様であるがTi-6Al-4Vは耐食性が他に比べ劣っていることがわかった。またTi-0.2Pd、Ti-10Mo-0.2Pd合金は、純TiおよびTi-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb合金に比べ、優れた耐食性を有することが明らかとなった。特にTi-10Mo-0.2Pd合金はフッ素を含有する酸性溶液中で非常に優れた耐食性を有することが分かった。本実験で得られたTiおよびTi合金の耐食性が維持されるNaF濃度およびpHの領域と耐食性が失われる領域の境界を示すダイアグラムは、チタンやチタン合金を使用する環境のフッ素濃度とpHがわかれば、それが腐食するか否かを予測するための有用な情報を与える。またTi-0.2Pd、Ti-10Mo-0.2Pd合金は、フッ素を含有する酸性溶液環境で、純TiやTi-6Al-7Nb合金よりも高い耐食性を有し、歯科用の新しいチタン合金としての応用が十分に期待できる。
窒化物半導体表面・界面における再結合過程の解明と素子性能向上に向けた基礎研究

本研究では、窒化物半導体光・電子素子の特性を議論する上で、欠かすことのできない表面・界面における再結合過程に注目した。AlGaN/GaN系電子素子において、AlGaNの表面状態の制御は重要な課題である。そこで、AlOx薄膜の有無、成長条件の違いが、AlN/GaNヘテロ構造の発光特性に与える影響を調査した。2DEG関連の発光エネルギー、発光寿命の変化から、AlOx構造により表面状態のコントロールが可能であることを示した。酸化膜の調査と並行して、酸化ガリウムそのものの特性を調査した。また、Ag分散ZnO薄膜をGaInN系青色LED上へ堆積し表面プラズモンの効果を検討した。本研究では、窒化物半導体光・電子素子の特性を議論する上で、欠かすことのできない表面・界面における再結合過程に注目している。光学的特性評価法を主な調査手段として用い、発光効率向上に向けた設計指針を提案することを目指す。以下の4点を主な成果として挙げる。1GaNはウルツ鉱構造をとり、c面には自発分極の影響が現れる。自発分極によりGa極性の+c表面とN極性の-c表面では、表面でのバンド曲がりが異なることが指摘されている。そこで、ハライド気相成長法により成長したc面自立GaN基板へショットキー型発光ダイオードを製作し特性を調査した。表面でのバンド曲がりの差は、表面近くでのフェルミレベルの違いが要因であり、-c表面は+c表面よりもオーミック電極の形成が容易であることが示された。2酸化膜やその界面の影響も、素子設計を行う上では重要な要素となる。そこで、酸化ガリウムそのものの特性を調査した。単斜晶型構造の酸化ガリウムはバンドギャップエネルギーが4.84.9eVであり、GaNやSiCよりも大きく、単結晶作製も比較的容易なため、高耐圧、低損失のパワーデバイスを低コスト・低エネルギーで製造できる材料として近年、特に注目を集めている。高品位な酸化ガリウム基板の青色発光強度と抵抗率の関係から、酸素空孔が青色発光に関与することを世界に先駆け定量的に示した。32と同様に、酸化ガリウム基板のラマン測定を行った。単斜晶型構造の酸化ガリウムにおける偏光選択則を完全に満たしたスペクトルを世界に先駆けて報告した。格子振動(フォノン)は、発光特性やキャリア伝導などに影響するため非常に重要な情報となる。4Ga-In-Oは遠紫外線領域での透明導電膜用の材料として注目される。独自の手法である分子プリカーサー法で多結晶薄膜を製作し、酸化ガリウムへのインジウム添加が、発光特性や欠陥形成に与える影響ついて調査した。1高InNモル分率のGaInNは、赤色赤外線領域の発光・光電素子への応用が期待される。しかし、その結晶成長は困難であり、実現には数多くの課題が残る。RF-MBE法により、p層、n層ともにGa0.82In0.18Nで成長されたLEDを試作し、その特性を評価した。PLとEL特性の違いから、高InNモル分率のGaInN実現に向けた課題を指摘した。2AlGaN/GaN系電子素子において、AlGaNの表面状態の制御は重要な課題である。そこで、AlOx薄膜の有無、成長条件の違いが、AlN/GaNヘテロ構造の発光特性に与える影響を、PLと時間分解PL測定により調査した。その結果、2DEG関連の発光エネルギー、発光寿命の変化から、AlOx構造により表面状態のコントロールが可能であることが示唆された。3前年度に引き続き、酸化ガリウムの特性を調査した。同材料は新しいパワートランジスター用の材料として注目を集める。光学スペクトルの偏光依存性を調査し、価電子帯のバンドオーダリングやバンドギャップエネルギーを決定した。これらの結果は、単斜晶結晶を半導体として利用するための固体物理学の礎となるとともに、パワートランジスター材料としての酸化ガリウムの高いポテンシャルを示唆した。4分子プリカーサー法により製膜したGa-In-O薄膜を電極としたGaN MOS LEDを試作した。金を電極としたLEDも試作し特性を比較した。その結果、Ga-In-O薄膜は遠紫外線領域での透明導電膜用の材料として有用であることが示唆された。本研究では、窒化物半導体光・電子素子の特性を議論する上で、欠かすことのできない表面・界面における再結合過程を調査し、発光効率向上に向けた設計指針を提案することを目的とした。その結果、2DEG関連の発光エネルギー、発光寿命の変化から、AlOx構造により表面状態のコントロールが可能であることを示唆した。3酸化膜の調査と並行して、酸化ガリウムそのものの特性を調査した。酸化ガリウムはバンドギャップがGaNやSiCよりも大きく単結晶作製も容易なため、パワートランジスター材料として近年、特に注目を集める。最終年度には完成した温度依存測定システムを用い、光学遷移時に励起子が形成されることを指摘した。

また、赤外分光エリプソメトリ測定から励起子と縦光学フォノンとの相互作用が重要な役割を果たすことを示した。得られた結果は、素子特性向上に向けた設計指針を与える。4GaN MOS LEDを試作した。分子プリカーサー法により製膜したGa-In-O薄膜を電極とすることで、同薄膜が遠紫外線領域での透明導電膜用の材料として有用であることを示した。最終年度は、フォトリソプロセスによりGaN MOS LEDの集積化に成功した。EL測定でGaNのバンド端付近の紫外線発光を支配的に観測した。5分子プレカーサー法を用いAgナノ結晶を分散したZnO薄膜を製作した。GaInN系青色LED上へ堆積し表面プラズモンの効果を検討した(最終年度に実施)。本研究では、窒化物半導体光・電子素子の特性を議論する上で、欠かすことのできない表面・界面における再結合過程に注目した。AlGaN/GaN系電子素子において、AlGaNの表面状態の制御は重要な課題である。そこで、AlOx薄膜の有無、成長条件の違いが、AlN/GaNヘテロ構造の発光特性に与える影響を調査した。2DEG関連の発光エネルギー、発光寿命の変化から、AlOx構造により表面状態のコントロールが可能であることを示した。酸化膜の調査と並行して、酸化ガリウムそのものの特性を調査した。また、Ag分散ZnO薄膜をGaInN系青色LED上へ堆積し表面プラズモンの効果を検討した。GaInN p-n接合LEDやAlOx/AlN/GaNなど、RF-MBEによる結晶成長が行われ、それらの試料の評価を遂行することができた。また、クライオスタット一式を導入し、H25年度に導入した極低温冷凍機システムと組み合わせることで、液体ヘリウム温度から室温まで温度変化させた光学評価が可能となった。半導体工学,半導体光物性H26年度に引き続き、酸化物/窒化物半導体界面が再結合過程に与える影響を調査する。試料はRF-MBE法により製作する。また酸化ガリウム系材料の製作および評価も進める。陽電子消滅測定を合わせ、点欠陥のレベルまで掘り下げた議論を行い、窒化物半導体発光素子のポテンシャルを最大限に引き出すための知見を得る。平成25年度当初に計画した内容は、ほぼ全て遂行できたと考えられる。H25年度に引き続き、酸化物/窒化物半導体界面が再結合過程に与える影響を調査する。試料はプラズマ援用分子線エピタキシー法により製作する。また、酸化ガリウム系材料の製作及び評価も進める。評価装置としてH25H26年度にかけて導入予定の極低温冷凍機システムを構築する。