カーボンナノチューブの電子デバイス応用
 カーボンナノチューブは炭素のシート(グラフェン)を直径約1 nmの筒状に丸めたチューブです.このナノ材料は、その丸め方によって、半導体にも金属にもなるという面白い特徴を持ち、様々な電子デバイスへの応用が期待されています.
当研究室では、以下の課題について研究を行っています。

極微細カーボンナノチューブトランジスタの相補型半導体(CMOS)集積回路応用
 Siなどの従来型半導体では、正孔の移動度が電子の移動度に比べて低く、CMOS集積回路の速度はp型半導体によって制限されていました。半導体カーボンナノチューブ(CNT)は、電子・正孔ともに従来の半導体に比べて高い移動度を持つため、CMOS集積回路の性能を大幅に改善することが期待されています。素子特性の制御や集積化技術を研究しています。
各種半導体の移動度
  Si GaAs CNT
(1.5nm)
移動度(電子) 1,500 8,500 30,000
移動度(正孔) 450 400 30,000
当研究室で実現したナノチューブCMOS

柔軟なカーボンナノチューブ薄膜トランジスタ(TFT)と集積化
 カーボンナノチューブは非常に柔軟な材料であり、曲げてもほとんど電気特性が変化しません。そのため、カーボンナノチューブを使った柔軟な電子ペーパーや表示デバイスの実現が期待されています。従来型の真空プロセスを用いない環境にやさしいプロセスにより、プラスチックや紙の上に集積回路を実現する技術を研究しています。

当研究室で実現したフレキシブル・ナノチューブ論理集積回路

カーボンナノチューブの成長制御
 カーボンナノチューブの電子デバイス応用の上で、カーボンナノチューブの位置や方向、密度などを制御して成長する技術が重要です。ナノチューブの成長から集積回路まで一貫して研究できる稀有な研究室です。

高密度に配向して成長させたカーボンナノチューブとそれを用いた高周波トランジスタ

カーボンナノチューブの光学的特性と光電子デバイス応用
 半導体カーボンナノチューブは直接遷移型の半導体であり、高効率に光の吸収や放出が可能です。また、極微細な1次元構造のため、従来にない特異な光物性を示します。これを利用した新しい光電子デバイスを研究しています。
 
カーボンナノチューブの発光スペクトル(左)とナノチューブの発光の電圧制御(右)

窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ(GaN HEMT)の開発
 窒化ガリウム(GaN)は半導体材料のひとつですが、バンドギャップが大きく、電子速度が大きいという特徴を持ちます。この特徴を利用すれば、無線通信や自動車用のミリ波帯レーダなどで必要とされる高周波領域において、高出力が得られる高電子移動度トランジスタ(HEMT)を実現できます。

GaNトランジスタの動作周波数と出力電力.
当研究室では、以下の研究を行っています。

ノーマリーオフ型GaN HEMTの作製と評価
 HEMTを高出力スイッチング素子として用いる場合、ゲート電圧が0Vとなったときに、電流を遮断することが求められます。これをノーマリーオフ型と呼びます。ピエゾ分極を制御する独自の技術に基づく、ノーマリーオフ型素子を研究しています。
 
InGaNキャップ層によるピエゾ分極制御(左)とエネルギーバンド図(右)

高誘電率ゲート絶縁膜GaN HEMTの作製と評価
 高出力トランジスタにおいて、ゲートからの漏れ電流は致命的な破壊現象を引き起こします。従来型HEMTのゲートに絶縁膜を導入し、漏れ電流を低減する研究を行っています。ゲート絶縁膜の導入により、ゲートの効きが悪くなり、トランジスタの性能が低下しますが、高誘電率の絶縁膜を用いることにより、性能低下を抑えています。

HfO2ゲート絶縁膜を導入したGaN HEMT

Ohno Laboratory, EcoTopia Science Institute, Nagoya Univ.

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