東京大学産学連携プロポーザル

下記研究者、及び博士課程在籍の杉山一生氏による本発明は、結晶中に強磁性ナノ細線を作製する手法に係るものである。酸化ニッケルをはじめとする反強磁性体薄膜を作製する際に、格子定数が薄膜と異なる基板を用いることで、格子定数差を緩和するために、薄膜中に一次元の格子欠陥である転位が導入される。この転位を利用することで、原子スケールで微細な一次元強磁性体を作製することができる。 作製される微細な磁性体は、反強磁性結晶中に埋め込まれているため、反強磁性との相関を利用して特異な物性を発現させることができる。例えば、酸化ニッケル中の転位は、周辺の反強磁性領域との相互作用により、4 Tを超える極めて大きな保磁力と、250℃を超えるキュリー点を有する。

Si LSIはこれまで過去40年以上に渡り、集積度が18ヶ月で2倍になるというMooreの法則に従ってチップあたりのトランジスタ数を増大させながら性能の向上を図ってきました。しかし、トランジスタのゲート長は20 nm以下になっており、半導体微細化は物理的限界に近づきつつあります。今後10-20年以内に半導体微細化が完全に終焉を迎え、LSIの性能向上が停滞してしまうと危惧されています。 一方、Internet of Things（IoT）の進展と人工知能（AI）の台頭により、更なるコンピューティング能力の向上が必要とされています。このため、半導体微細化に依らずにLSIの性能向上を可能とする次世代コンピューティングに関する研究が世界中で活発化しています。当研究室では、AI・IoT時代を支える次世代半導体デバイスの研究を進めています。Si CMOSをベースとした技術開発およびSiプラットフォーム上にIII-V族半導体やGe、強誘電体材料を集積したトランジスタの研究をしています。 主な研究テーマ  HfO2系強誘電体ゲート絶縁膜トランジスタと強誘電体メモリ  強誘電体デバイスを用いたリザバーコンピューティング  3次元集積CMOSのための極薄膜III-V-On-Insulator MOSFET  3次元集積CMOSのための極薄膜Ge-On-Insulator MOSFET  量子コンピュータのためのSi CMOSの極低温での動作特性の理解 これらに関し興味ある企業等との様々な情報交換の用意があります。

ナノメカニカル振動子は、振動を介し様々な微小物理量（変位，機械的・電磁気的力，温度，電荷，スピン等）を検出できることから、NEMS(Nanoelectromechanical systems)センサのキーコンポーネントとして期待されている素子である。当研究室では、ナノメカニカル構造のセンサへの応用を進めるとともに、その研究開発の鍵となるナノ構造作製技術，振動計測技術，ナノメカニカル構造体の特性解明，機能化に関する研究を行っている。 ナノメカニカル振動子の高性能化，センサ応用を行った例を紹介する。図１は、歪印可によりグラフェン振動子を高Q値化した例である。振動子に引張応力を印可することで、共振周波数の高周波数化に加え、センサ感度に関係するQ値を大幅に改善(現時点で24倍の高Q値化を達成)することができる。その他、形状や表面状態，材質を工夫することで、振動子の高性能化，高感度化に取り組んでいる。また、センサ応用の一例として、図２に波長計測素子を示す。光通信技術，分光技術などの材料評価技術への応用を狙った素子である。このように、ナノメカニカル構造を活用したセンサ素子，或いはその高性能化に関する研究を進めている。

この研究室では、機能性薄膜や界面の開発と分析技術の研究を進めている。これまでに、高速イオンを用いた軽元素（特に水素）のナノメートルレベルの３次元空間分布測定法を開発した。この手法をさらにリチウムなどの元素への展開をはかりつつある。また，レーザー分光を用いた水素の分光法も開発している。  

この研究室では、III-V族化合物半導体をベースとした様々な磁性材料の開発を進めているが、これらの物質は、(1) 大きな磁気光学効果を示すこと、(2) エピタキシャル成長で半導体基板上に単結晶の薄膜やヘテロ構造が成長できること、(3) III-V族をベースとした光半導体デバイスと整合性が良いこと、など優れた特色を持っている。こ

ナノテクノロジーは最も注目されている技術の一つであるが、この研究室ではμm薄膜の塗布・硬化・構造形成過程を粘弾性変化の観点からモニタリングする電界ピンセットシステムや、10＾6ｓ＾-1を超える超高歪領域の流動特性を解析するハイパーレオロジー観察システムなど、極限の流体物理を研究する技術の開発を行っている。

文部科学省は共用設備の活用による研究開発を推進しており、平成24年度にプラットフォーム事業を開始した。東京大学は微細加工および微細構造解析の各分野で事業拠点となり、共用設備の利用を開始している。また令和3年度からはマテリアル先端リサーチインフラ事業に引継ぎ、継続的な研究支援を行っていく予定である。 本リサーチインフラハブは、電子顕微鏡をはじめ、表面分析装置、結晶構造解析装置、電磁特性測定装置、光学特性測定装置など、様々な分野の装置を取り揃えており、1カ所で多角的な分析ができるのが大きな特長である。 電子顕微鏡は走査型透過電子顕微鏡(STEM)、透過型電子顕微鏡（TEM）、走査型電子顕微鏡（SEM）が設置されており、各種の用途に応じて使われている。特にSTEM/TEMではJEM-ARM200F(日本電子)が4台、稼働しており、原子分解能観察や各種分析に活用されている。 結晶構造解析装置は薄膜、粉末用にSmartLab（リガク）3台、単結晶用にVariMax Dual（リガク）、さらに高精度の解析向けにSuperLab（リガク）が設置されている。この他に有機高分子材料用にMicro7HFM-AXISⅦなどが設置されている。 SIMSは空間分解能50nmのNanoSIMS 50L(アメテック)が設置されている。国内で外部に利用が解放されているのは当拠点のものだけである。 その他にもXPS、エリプソメーター、プローバー、など各種の分析機器が設置されている。 利用については、まずコーディネート室(Tel:03(5841)6372, mail:info@lcnet.t.u-tokyo.ac.jp)にお問い合わせいただきたい。問い合わせ内容により、利用者、設備担当者およびコーディネート室の3者で相談できる場を設け、試料の組成や形状および分析目的等の説明をしていただき、分析可能かどうか、他に手法はあるかなどを検討する。また、その場で利用規則を説明し、了解をいただいた後、利用申請の手続きを行うことにしている。利用者は連絡先や研究課題などを登録し、手続きが完了する。利用申請後、利用者は直接、設備担当者に連絡し、設備の利用予約をして、利用が開始される。 利用形態は、利用者自身が機器を利用する機器利用、設備担当者に補助をしてもらいながら利用する技術補助、試料分析を依頼する技術代行があるが、当拠点では機密保持、マンパワーの点から機器利用を推奨している。初めての方は技術補助から始めることができるが、速やかに機器利用に移行していただけるよう、各種機器の利用に関する講習会や分析手法についてのセミナーを開催している。