所属
未来材料・システム研究所 附属未来エレクトロニクス集積研究センター 先端物性解析部 教授
大学院担当
大学院工学研究科
職名
教授
連絡先
外部リンク
イカラシ ノブユキ
五十嵐 信行
IKARASHI Nobuyuki
学位 1
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博士（理学） （ 1997年9月 東京工業大学 ）
研究キーワード 5
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結晶欠陥
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デバイス物理
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原子層物質
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電子顕微鏡
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半導体物性
研究分野 3
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その他 / その他 / デバイス物理学
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その他 / その他 / 物性解析
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その他 / その他 / 表面・界面
現在の研究課題とSDGs 1
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超低消費電力デバイス
経歴 4
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名古屋大学・教授
2015年 - 現在
国名：日本国
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ルネサスエレクトロニクス
2011年 - 2015年
国名：日本国
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東京工業大・連携大学院准教授
2008年 - 2015年
国名：日本国
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日本電気株式会社
1988年 - 2011年
国名：日本国
学歴 1
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東京工業大学 理工学研究科 物理学
- 1988年3月
国名： 日本国
所属学協会 2
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公益社団法人日本顕微鏡学会 代議員
2003年4月 - 現在
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公益社団法人 応用物理学会 会員
論文 47
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Misfit accommodation in a single interface atomic layer at a highly lattice-mismatched InN/GaN 査読有り 国際誌
Nagase, T; Chokawa, K; Kano, E; Fukuta, K; Sasaki, T; Fujikawa, S; Takahashi, M; Shiraishi, K; Oshiyama, A; Araki, T; Ikarashi, N
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 137 巻 ( 5 ) 2025年2月
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Narita, T; Ito, K; Iguchi, H; Kikuta, D; Kanechika, M; Tomita, K; Iwasaki, S; Kataoka, K; Kano, E; Ikarashi, N; Horita, M; Suda, J; Kachi, T
JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 63 巻 ( 12 ) 2024年12月
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Narita, T; Ito, K; Tomita, K; Iguchi, H; Iwasaki, S; Horita, M; Kano, E; Ikarashi, N; Kikuta, D
PHYSICA STATUS SOLIDI-RAPID RESEARCH LETTERS 18 巻 ( 12 ) 2024年12月
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Yang, X; Furusawa, Y; Kano, E; Ikarashi, N; Amano, H; Pristovsek, M
APPLIED PHYSICS LETTERS 125 巻 ( 13 ) 2024年9月
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Impact of Sequential N Ion Implantation on Extended Defects and Mg Distribution in Mg Ion-Implanted GaN 査読有り 国際共著 国際誌
Kano, E; Uzuhashi, J; Kobayashi, K; Ishikawa, K; Sawabe, K; Narita, T; Sierakowski, K; Bockowski, M; Ohkubo, T; Kachi, T; Ikarashi, N
PHYSICA STATUS SOLIDI-RAPID RESEARCH LETTERS 18 巻 ( 9 ) 2024年9月
書籍等出版物 1
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Characterization of Defects and Deep Levels for GaN Power Devices 査読有り 国際共著
Kachi, T（ 担当： 分担執筆 , 範囲: Chapter 4 Structural Defects in Mg-Doped GaN: TEM Analysis）
AIP Publishing （ ISBN:978-0-7354-2270-4 ）
講演・口頭発表等 2
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高温アニールMgイオン注入GaN結晶の欠陥解析 国際共著
中島 拓也 櫻井 秀樹 荒井重 岩田 研治 成田 哲 片岡 恵太 Bockowski M 長尾 全寛 須田 淳 加地 徹 五十嵐 信行
第76学術講演会 2020年5月25日 顕微鏡学会
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Mgイオン注入GaN結晶の高温・超高圧アニールにより形成される結晶欠陥の透過型電子顕微鏡観察 国際共著
中島 拓也 櫻井 秀樹 荒井重 岩田 研治 成田 哲 片岡 恵太 Bockowski M 長尾 全寛 須田 淳 加地 徹 五十嵐 信行
学術講演会 2020年3月12日 応用物理学会
共同研究・競争的資金等の研究課題 1
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省エネルギー社会の実現に資する次世代半導体 国際共著
2016年4月 - 2020年3月
受託研究 受託研究
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
配分額：7800000円 （ 直接経費：7500000円 、 間接経費：300000円 ）
科研費 2
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極微小深紫外半導体レーザダイオードの高出力化と新世代製造システム
研究課題/研究課題番号：21H04560 2021年4月 - 2026年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
久志本 真希, 笹岡 千秋, 五十嵐 信行
担当区分：研究分担者
本研究提案は，深紫外レーザダイオード(LD)をレーザー加工用の基幹デバイスとして進化させ，すべてのものづくりの革新を目指すものである. 従来の加工用深紫外レーザ光源は，デバイスサイズとランニングコストが課題である.本研究では，深紫外LDの低閾値化および高出力化に向け，AlGaN量子井戸層やLD構造の光学特性の評価や，深紫外LD実現の鍵となった不純物無添加型分極ドーピングクラッド層，集積化が可能という特徴を持つオンウエハLD作製プロセスがLDの発光特性や電気特性に与える影響を検討し，従来の深紫外レーザ光源を代替する小型で低コストの加工用光源の実現に挑戦する.
深紫外LDは不純物無添加型分極ドーピングクラッド層の導入によりレーザー発振を実現した。しかし、nsオーダーの短いパルス電流注入での発振にとどまっている。これは従来の窒化物半導体LDと比較して、閾値電流密度が非常に高いためである。そこで本年度は、深紫外LDにおける閾値上昇の要因を検討した。まずLDに含まれる六角形形状の異常成長に着目した。これらの領域を含んだ共振器では閾値電流密度が上昇する。これらの影響を検討するために、光学特性・電気特性・構造解析といった多角的な手法を用いて諸特性の解析を行った。その結果、異常成長領域はLEDモードでは非常に強い発光強度を持つことを示した。CL測定において発光層の発光波長や分布を観測したところ、異常成長の発光波長は長波長化すること、および発光強度は低減することが示された。そこでエミッション顕微鏡・コンダクティブAFMを用いて電気特性評価を行ったところ、異常成長領域への電流集中が観測された。以上のことから異常成長により電流注入不均一が発生し不均一な発光分布が局所的に形成されることや、異常成長領域のバンドギャップが小さいことで共振器内で吸収が発生することにより、閾値電流密度が上昇することが明らかとなった。次にプロセス起因で発生する発光不均一に着目した。これらデバイス作製中の熱処理プロセスで発生し、閾値電流密度を大きく上昇させる。これは応力解放により形成される可能性が高いと考えられたことから、構造解析や抑制可能なデバイス構造やプロセスの検討を実施した。この根本原因の解決は閾値電流密度の上昇を抑制し、高出力化を実現するために必須であることから、来年度も継続して実施予定である。
本研究の目的である深紫外LD高出力化のためには、まず低閾値で発振可能なLDの作製が必須である。特に従来の窒化物半導体LDと比較して、ワイドバンドギャップであるAlGaNをベースとしたLD構造であることから、重大な課題である。本年度実施した検討により閾値電流密度の上昇の原因を明らかとすることができた。さらに閾値上昇原因の根本解決に向けた構造解析やデバイス検討も進捗している。以上のことから、低閾値化実現へと大きな前進が得られたと考えられ、おおむね順調に進展していると判断した。
今回着目した活性層中の発光不均一形成はAlN基板を用いた高品質なAlGaN結晶である故に明らかになった現象である考えられる。これらの詳細を明らかとすることは、より短波長・長波長の深紫外LDの実現だけでなく、AlGaN系デバイスの設計やプロセス構築において重要な知見となる。そのため、引き続きデバイス構造やプロセス検討によるデバイス実証に加えて、有限要素法を用いた応力解析といった手法を取り入れて詳細を明らかとすることを目指す。またさらなる低閾値化の実現に向けて、構造解析や、光学特性評価装置の構築などを実施して詳細な評価を行っていく予定である。 -
研究課題/研究課題番号：20H00340 2020年4月 - 2025年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
梅田享英, 牧野 俊晴, 五十嵐 信行, 磯谷 順一, 染谷 満, 松下 雄一郎, 原田 信介
担当区分：研究分担者
配分額：900000円 （ 直接経費：900000円 、 間接経費：90000円 ）
次世代パワーエレクトロニクスのキーデバイスとなるワイドギャップ半導体MOS(金属-酸化膜-半導体)型電界効果トランジスタ(MOSFET)について、その核心部となるMOS界面の界面欠陥の正体を解明する。ターゲットは炭化ケイ素4H-SiC、窒化ガリウムGaN、ダイヤモンドの代表的な3種類のMOS界面とし、正体を解明する手段として電流検出型電子スピン共鳴(EDMR)分光＋第一原理計算を用いる。本研究により、長い間、正体不明のままだったワイドギャップ半導体MOS界面欠陥の横断的解明が期待できる。これは日本が強みをもつ半導体パワーエレクトロニクス分野をさらに強化し発展させることにつながる。
電流検出型ESR（EDMR）分光を使って以下の3つのMOSFETのMOS界面欠陥の観察を行った。(1)ダイヤMOSFET、(2)炭化ケイ素a面MOSFET、(3)炭化ケイ素p-ch MOSFET。同時にスピン依存チャージポンピング（Spin Dependent Charge Pumping：SDCP）分光装置の開発を行った。
(1)では、ダイヤMOSFETのEDMR分光実験が世界で初めて行われた。MOS界面は産総研-金沢大製のOH終端ダイヤ/ALD-Al2O3界面で、しきい値電圧-3.5V、最大電界効果移動度14cm2/V/sである。バイアス条件を広くふってEDMR実験が行われたもののEDMR信号は検出できなかった。その原因はユニポーラ動作下でしかEDMR実験ができないことにあると推測された。そこで強制的にバイポーラ動作を起こしてEDMR信号を発生させるSDCP分光の開発に取り組んだ。
(2)では、ドライ酸化a面特有の大量の界面準位のEDMR観察に取り組んだが、それに由来する信号は検出できなかった。大量の界面準位は価電子帯端と伝導帯端に偏って分布していると考えられ、実際に、伝導帯端に5e12cm-2台の電子トラップ準位があることを20Kでの電気特性評価で見出した。この準位の起源を第一原理計算で探索して、a面に発生し得るSiダングリングボンド(DB)-炭素DB対であると推定した。
(3)では、p-ch MOSFETのEDMR実験が世界で初めて行われた。その結果、ドライ酸化Si面の界面欠陥による巨大なEDMR信号が観測された（バイポーラ動作条件下）。新規開発したSDCPも適用したところ、巨大なSDCP信号を観測した。EDMR信号とSDCP信号が同じものなのか、信号の起源は何であるのか、n-ch界面の信号とどのように違うのか等が来年度に詳しく検討される予定である。
本研究計画のハイライトの１つであるダイヤMOSFETのEDMR分光実験を行ったが、残念ながら界面欠陥のEDMR信号は観測されなかった。そのために戦略の変更を余儀なくされた。信号が検出できない原因を調査した結果、ダイヤMOSFETが3端子デバイスであるためにユニポーラ動作下でしかEDMR実験できないことが原因ではないかと見込まれた。そこで、強制的にバイポーラ動作を引き起こすチャージポンピング法とEDMR分光を組み合わせたスピン依存チャージポンピング（SDCP）分光装置を新たに開発した。そのデモンストレーションを炭化ケイ素MOSFETで行ったところ、SDCP信号の検出に成功した。SDCP分光は未知の部分が多いため、炭化ケイ素MOSFETを使ってEDMR分光とSDCP分光とを比較しながら、その素性を明らかにしていく必要がある。
炭化ケイ素MOSFETを使って、n-chとp-chが比較できるEDMR分光データを初めて取得することができた。詳しい解析はこれからの課題であるが、両者の比較によって、伝導帯側と価電子帯側の両方の界面準位の情報が手に入ると見込んでいる。
また、炭化ケイ素において標準面（Si面）と非極性面（a面）を比較できるEDMR分光データも初めて取得された。ここから面方位と界面準位の関係を議論できるのではないかと見込んでいる。
「現在までの進捗状況」に述べたように、当初計画にはなかったSDCP分光の開発を行った。この新手法はバイポーラ動作を強制的に励起してEDMR信号（スピン依存電流）を検出するものである。そのデモンストレーションに成功し、巨大なSDCP信号を見ることができた。今後はSDCP分光を新たな武器として、これまで界面信号が未検出のMOS界面（ダイヤMOS界面、窒化ガリウムMOS界面、炭化ケイ素a面MOS界面）を調べていく。
炭化ケイ素p-ch MOS界面では、EDMR分光でもSDCP分光でも巨大な界面信号が検出されている。その信号はn-chの界面信号と異なることが分かっている。p-chは価電子帯の正孔、n-chは伝導帯の電子をキャリアとするので、エネルギー位置の違う界面準位がp-chとn-chで可視化されたのではないかと予想している。それを証明するため、n-chの界面信号のエネルギー位置を決定した手法をp-chにも適用し、p-ch界面信号のエネルギー位置を正確に決定する。また、13C超微細分裂、29Si超微細分裂の解読を行って、p-chの界面信号の起源同定を行う。
以上の過程では、第一原理計算によるエネルギー計算や超微細分裂計算も行う予定である。3種類のワイドギャップ半導体MOS界面（炭化ケイ素、窒化ガリウム、ダイヤモンド）や、伝導帯側と価電子帯側の界面準位を比較議論できるような分光情報の取得を目指していく。
担当経験のある科目 (本学) 4
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真空電子工学
2020
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電磁気学I
2015
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粒子線工学特論
2015
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真空電子工学
2015
学術貢献活動 1
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International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021 国際学術貢献
役割：企画立案・運営等, パネル司会・セッションチェア等
ichiro naruse 2021年11月