Research Field: Composites, Carbon electronics, Electric engineering
半導体工学と材料工学、電気工学の学際領域において、カーボンナノチューブやダイヤモンドといった炭素系材料を中心とした応用素子・システムの研究を推進しています。現在のテーマとしては、以下の通り。
- 電界整列技術を用いた高機能コンポジットの開発
- 誘電泳動集積技術によるガスセンサの開発
- ダイヤモンド電極を応用した高温高圧電気化学センシング技術の開拓
Keywords (Present)
Technology
- Electrical alignment
- Dielectrophoresis
- High voltage
- Device fabrication
- High-pressure-high-temperature electrochemistry
Material
- Carbon Nanotubes (CNTs)
- Diamond
- h-BN
- Alumina
- Filler materials
- Resin
Structure
- Particle
- Whisker
- Flake
- Alignment
- Composites
Characterization
- Contact
- Gas sensitivity
- Thermal conductivity
- Viscosity
- Dielectric properties
- Electrochemical properties
Application
- Gas sensing device
- High functional composites
- Electrochemical sensor
Keywords (Previous)
Material
- Carbon Nanotubes (CNTs)
- Diamond
- Graphite
- Silicon Carbide (SiC)
Structure
- Vertical
- Horizontal
Characterization
- Contact
- Threshold voltage
- Mobility
Application
- Power device
- Sensing device
Composite Application of Diamond
Heat conduction sheets with electrically aligned diamond fillers
電力駆動系の半導体デバイスの高性能化、高集積化に伴い、電子デバイスの発熱が問題になっていることから、小さい素子から効率よく熱を逃がす、サーマルマネジメントの重要性が増しています。現在、パワーデバイス向けの放熱材料として、発熱体とヒートシンクの間に挿入する、弾性樹脂に熱伝導フィラーを複合した放熱シートを、電界整列により高性能化する研究を推進しています。その中で電界整列において課題であった重力によるフィラー沈降の影響を、電極を回転することにより排除する回転電極電界整列技術を開発し、この技術の社会実装に向けた取り組みを進めています。
Keywords: diamond, vertical, power device
Diam. Relat. Mater., 146, 111246 (2024), Func. Diam. 4(1), 2423643 (2024).
Electronic Application of Carbon Nanotubes
Carbon nanotubes for gas sensing
カーボンナノチューブ(CNT)は、高い比表面積から表面敏感なガスのセンシングが可能です。近年、高品質な半導体CNTが得られるようになったことや、現在取り組んでいる誘電泳動集積の技術を活かし、CNTのガスセンサを作製し、その特性を評価しています。CNT/電極、CNT側壁、CNT/CNT界面などが、それぞれ異なる様式の応答を示していることがわかってきました。
Keywords: CNTs, gas sensor, FET, NO2, contact, response rate, contact
AIP Adv., 10, 055223 (2020), Sens. Actuators B Chem., 344, 130257 (2021), AIP Adv. 12, 125302 (2022), AIP Adv. 14, 035140 (2024).
Carbon nanotube forest as a contact material for SiC power devices (Previous)
カーボンナノチューブ(CNT)は、その軸方向に高い電気伝導性を持ちます。また、SiCの表面分解法により形成されるCNTフォレスト(CNT forest on SiC)は、非常に稠密です。そして、SiCは次世代パワー半導体材料として有望視されていますが、この電流取り出しの際の、電極との電気的接触(コンタクト)には課題が残っています。そこで、CNT forest on SiCが、SiCのオーミック電極として有望であることを示しました。
Keywords: CNTs, SiC, vertical, contact, power device
Appl. Phys. Lett. 106, 123501 (2015), Mater. Sci. Forum, 858, 561-564 (2016).
(Future vision)
Carbon nanotube-carbon nanotube contact conductivity (Previous)
カーボンナノチューブ(CNT)どうしのコンタクトを知ることは、CNTの電子デバイス応用にとって重要です。SiCの表面分解法により形成されるCNTフォレスト(CNT forest on SiC)は、非常に稠密なので、この面内方向の電気伝導性はCNTどうしのコンタクトが支配的であると考えられます。CNTどうしの接触伝導度を計算すると、CNT-CNT間のトンネル電流の値とよく一致しました。CNT-CNT間にはトンネル電流が流れると考えるとよく説明できることを実験的に示すことができました。
Keywords: CNTs, SiC, horizontal, contact
J. Phys. Chem. C, 120 (11), 6232–6238 (2016).
Carbon nanotube-metal probe contact conductivity (Previous)
カーボンナノチューブ(CNT)の開端した端部と原子間力顕微鏡(AFM)の導電性プローブとの接触抵抗を評価しました。CNTに大きな電流を流すなど、電子デバイス、導電性撚糸などの応用に重要な数値を示すことができました。
Keywords: CNTs, edge, contact, AFM
J. Appl. Phys. 123, 244502 (2018).
Electronic Application of Diamond (Previous)
Vertical type two-dimensional hole gas (2DHG) diamond power MOSFET
不純物濃度の低い(Undoped)ダイヤモンド表面を水素で終端すると、表面に2次元正孔ガス(2DHG)が誘起できるようになります。2DHGは表面の面水平方向に電気伝導性を持つため、これを利用した金属-絶縁酸化膜-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を作成することができ、これはダイヤモンドの優れた物性によりp型パワーデバイスとしてめざましい性能を発揮します。2DHGはダイヤモンドの面方位によらず形成できるため、ダイヤモンド表面を縦方向にすることで、縦方向にも伝導させることができます。縦方向に電流を流せると、デバイスの専有面積を減少させることができ、同じダイヤモンドの投影面積あたりに高い電流を流すことができます。この縦型2DHGダイヤモンドMOSFETを世界に先駆けて作製、報告しました。
Keywords: diamond, vertical, power device
Appl. Phys. Lett., 109, 033503 (2016), Sci. Rep. 8. 10660 (2018).
Threshold voltage control of two-dimensional hole gas diamond MOSFET
ダイヤモンド表面の2次元正孔ガス(2DHG)を利用したMOSFETは、ゲート絶縁膜の原子層堆積法(ALD)による酸化アルミニウム(Al2O3)により、ゲート電圧を印加しなくても電流を流す、ノーマリーオンの特性（ディプリーション型）を示します。パワーデバイスとして使う場合、もしデバイスが破壊しても安全に動作を停止することができる、ノーマリーオフの特性が望まれます。これを達成するために、ダイヤモンドの表面をわずかに酸化することで、表面電位を制御し、デバイスの閾値を変化させ、ノーマリーオフ特性を得ました。また。ゲートを電解質溶液、絶縁膜を電気二重層とする、ダイヤモンド電解質溶液ゲートFET(SGFET)においても、電気化学的な表面処理により、しきい値のシフトを確認しました。
Keywords: diamond, threshold voltage, power device
IEEE Electron Dev. Lett., 38, 3, 363 – 366 (2017), Appl. Phys. Lett., 111, 013505 (2017),
IEEE Electron Dev. Lett., 40, 6, 933 – 936 (2019).
Electrical properties of two-dimensional hole gas on hydrogen terminated diamond surface
ダイヤモンド表面の2次元正孔ガス(2DHG)を利用したMOSFETでは、ダイヤモンドのトップゲートを実現するために、水素終端の表面にALD-Al2O3やh-BNなどの絶縁膜を堆積するのが一般的ですが、これらの絶縁膜は、必然的に電荷を持っているため、水素終端本来の、電界効果による電気特性を取得することはできません。そこで、ゲート絶縁膜を、電荷を持たないはずの真空にすることで、水素終端の本来の界面準位密度を導出することを目的に、真空ギャップゲート(VGG)を提案し、水素終端ダイヤモンド表面を評価しました。ダイヤモンドの電子デバイスの発展に大きく貢献しうる成果だと思います。
Keywords: diamond, 2DHG, vacuum gate
Appl. Phys. Lett., 114, 253504 (2019).
Vertical edge graphite on diamond
ダイヤモンド表面に、イオン注入と高温熱処理を施すことで、垂直に配向したグラファイト構造を世界で初めて作製しました。垂直配向グラファイトは、垂直方向に高い電気伝導性を持つと考えられるため、ダイヤモンドのバルク伝導に対するコンタクトがよいかもしれません。
本論文はPSSBのSeptember 2017 のBackcoverになりました。
Keywords: diamond, graphite, ion implantation, vertical Phys. Stat. Solid. B, 1700040 (2017).
Quantum Application of Diamond
Surface engineering to stabilize nitrogen vacancy centers at diamond near-surface region (Previous)
ダイヤモンドの窒素-空孔中心(NVセンター)は、優れたスピン特性を持つ単一光子源として注目されています。次世代量子センシング、量子コンピューターの量子ビットなどが応用として考えられています。NVセンターで、生体分子の核スピンなどを検出する際、NVセンターはダイヤモンドの表面付近に存在する必要がありますが、その際、NVセンターは周囲の電荷や磁気ノイズの影響を受けやすくなります。それを回避するため、ダイヤモンドの表面終端を工夫することで、その検出効率を上げる検討を行いました。
Keywords: diamond, NV center, quantum sensing
Appl. Phys. Express, 10, 055503 (2017), Jpn. J. Appl. Phys., 56, 4S, 04CK08/1-7 (2017).