ナノ電子デバイス材料グループ
【スタッフ】
長田 貴弘; 木野 日織; 柳生 進二郎; 山下 良之（スタッフの紹介）
【目的】
半導体に代表される電子材料は、IoT、電気自動車などの新技術で多様な用途で使用されています。この中で高集積、多機能化に加えて高耐久性、高速動作や合成のしやすさなどのニーズが増加しています。当グループでは、電子材料の薄膜誘電体材料に注目し、高信頼性と次世代の高速/高電力電子素子に資する新薄膜材料の開発を目的としています。材料開発と界面評価技術を用いて、薄膜キャパシタ、メモリー素子、絶縁膜など次世代半導体素子に資する電子材料開発を目指します。
図１ 研究のターゲット
【アプローチ】
高速薄膜材料合成技術であるコンビナトリアル材料合成・評価技術に加えて、マテリアルズ・インフォマティクスと外部連携を進め、更なる材料開発の加速を行います。また、電子素子応用では、異種材料接合界面が重要となります。我々は、特に光電子分光を用いた電圧印加での素子動作状態で界面の化学結合やバンドアライメントを解析するその場観察技術で多様な界面の電子・欠陥構造を解明してきました。これら合成・データ科学・高度評価技術の連携で新材料開発と素子応用への検証と問題解決を行います。
図２ コンビナトリアル手法を組み合わせたデータ駆動材料開発概略(上段)と添加物最適化による高温度安定高誘電体薄膜実現例(下段)
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長田 貴弘（ながた たかひろ）：グループリーダー
メール：NAGATA.Takahiro@nims.go.jp
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主な取り組み：薄膜材料スマートラボによる無機薄膜電子材料開発
概要：半導体に代表される電子材料は、IoT、電気自動車などの新技術で多用途に使用されている。この中で高集積、多機能化に加えて高耐久性、高速動作や合成のしやすさなどのニーズが増加している。我々は、無機半導体/誘電体材料に注目し、高信頼性と次世代の高速/高電力電子素子に資する新薄膜電子材料の開発を目的としている。薄膜誘電体材料はキャパシタ、メモリー素子、絶縁膜など多様な応用があり、応用に合せた材料設計にインフォマティクスの導入をすすめている。一方、新材料の応用としてメモリー素子もあるが、ここでは、ハイスループット材料開発と界面評価技術を用いて、誘電体/半導体界面の高機能化を目指している。
特徴：
- ハイスループット薄膜合成・解析技術による系統的な薄膜材料探索
- AI技術を用いた物性解析による薄膜結晶成長条件探索の実現
- 複雑系酸化物ペロブスカイト材料による高誘電率・高熱安定材料の実現
- 非酸化物半導体材料に向けた非酸化物高誘電体材料の開発
- 光電子分光技術を併せた誘電体/半導体界面の高精度解析と高機能化の実現
主な研究１： スマートラボでは、これまで開発した高速薄膜材料合成技術であるコンビナトリアル材料合成・評価技術(図1)に加えて、多量点解析・データベース化・計算科学のマテリアルズ・インフォマティクス(MI)の導入(図２)を進め、更なる材料開発の加速を行っている。
また、素子応用では、異種材料の界面が特性や合成のしやすさに影響する。我々は、光電子分光を用いて界面の化学結合や電子状態を解析し、バンド構造、欠陥構造を明らかにした。さらに素子動作状態でのその場観察技術で多様な電子材料界面の電子・欠陥構造を解明してきた。これらナノスケールの界面評価手法を用いて、高速材料開発で得られた材料の基本素子構造を評価することで素子応用への検証と問題解決を行う。
主な研究２： これまでに、トランジスタ/パワー素子の次世代材料である酸化物半導体で、キャリア・表面電子状態制御の課題に対してコンビナトリアル手法で系統的な物性解析を実現し、固溶体化によるキャリア制御と素子応用で課題となる表面電子縮退層形成の制御を実現した(図3)。
得られたデータを基盤にMIを用いたデータクラスタリングを用いた製膜条件探索を実現し、異なる合成手法のデータを連携して結晶層制御の可視化を実現した(図2)。また、同様の手法を用いることで誘電体材料開発では、半導体素子用で従来にはない非酸化物高誘電体材料の提案(図4)と薄膜キャパシタ用途での誘電体材料の高誘電率かと高温安定性の向上を実現した。
まとめ：薄膜材料スマートラボにより、薄膜電子材料の高機能化と新材料探索を加速した。系統的な材料合成と解析により、薄膜誘電体の新規材料開発の提案と既存材料においても電子物性の向上と信頼性の向上を実現した。今後もAI、DX、電動化が加速する社会ニーズに対する半導体を代表とした薄膜電子材料への期待は高まるなかで我々の技術は次世代半導体、機能性薄膜材料開発などに展開できると期待される。
木野 日織（きの ひおり）
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主な取り組み：自動化第一原理網羅計算による法則発見と知識伝達
概要：
- 合金の材料探索を自動的に行い大規模データを生成した。回帰モデルに対してホワイトボックス化を行い，簡単な理解しやすい法則を見出した。
- 新たな知識をまとめる伝えるダイアグラム手法として因果主導機能分解木手法を開発した。
特徴：
- 合金の網羅計算によるデータ蓄積とそのソフトウエアの提供と理解しやすい法則の獲得が可能となる。
- ケーススタディを通して，書きやすく，理解しやすい知識の整理法を確立し，その例を提供する。
主な研究１： KKR-CPA法はGaussianやVASPなどの波動関数法と異なりGreen関数法であり，計算時にエネルギー積分下限を設定する必要がある。この値は自己無撞着条件を満たすと変化していく値であり，従来は人がこの値を決めていた。この値を自動的に決定した。これにより人手を介すること無く3d元素だけでなくセミコア電子状態を持つ4d,5d元素を含む自動化に成功した。これにより３８元素を含む１４万件の計算を可能とした。更に，説明可能なAIによる解析を行い，残留電気伝導率の簡単な法則を発見した。人手を介することなく網羅計算を行い物性データを生成できる。そしてデータから分かりやすい規則を発見することが可能となる。
主な研究２： 理論家と実験家，境界領域研究研究者間，そして少子化が進む日本では，齟齬なく既存の知識を短時間に伝える必要がある。知識をまとめる手法としてオントロジーが有名であるが，時間順序や因果関係を記述する研究は進んでいない。また，時間順序や因果関係を記述する手法に機能分解木があるが，オントロジーの非専門家にとっては記述が難しかった。機能分解木は状態と状態への作用を暗黙に同列として扱うために作成しにくく，更に，機能分解木から仮想的な装置に対応させられないという問題点があった。これを，状態と状態への作用に明示的に分解し，仮想的な装置と一対一対応させることができるように構成することで初心者が比較的容易に機能分解木を作成できるようにした。
まとめ：
- 合金に対して計算可能なKKR-CPA法を用いる第一原理計算手法に対して，パラメタ設定を自動化し，網羅計算を実行可能とした。これに より，例として，四元固溶体の１４万件の計算を可能とした。更に，このデータが説明可能なAIを用いて解析することにより，わかりやすい法則を見出すことに成功した。
- 知識をまとめ・伝えるための手法には機能分解木で実際の過程・因果と一対一対応させることが可能となる因果主導機能分解木を開発した。
柳生 進二郎（やぎゅう しんじろう）
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主な取り組み：材料評価自動システムの開発
概要：材料の高機能化に伴い、多岐にわたる評価が必要とされている．一方で，材料特性のトレードオフを適切に把握するためには俯瞰的視点による解析も求められている．この課題を解決するために，高機能化にかかわる専門的な評価測定に加え，簡便で多様な測定装置を組み合わせることが考えられる．本研究では，簡便で多様な測定装置を組み合わせを実現するために各評価装置について小型・モジュール化を行うとともに，全体として統一したデータの取得を行うマテリアルシーケンサーシステムの開発を行った．さらに，計測によって大量のスペクトルが生成されるため，その自動解析技術（アルゴリズムと実装）の開発を行っている．特にべき乗則で従うスペクトルについて，その閾値を自動で推定するアルゴリズムについての開発を行った．
特徴：
- 基本的な特性（光学特性，電気特性，磁気特性）を大気中自動計測システムの開発
- 磁気特性（軟磁性・強磁性）を評価するKerr効果装置の小型化
- 測定で得られるべき乗則に従うスペクトルの自動解析アルゴリズムとその実装
主な研究１： 簡易自動計測システム
無機材料の様々な評価を自動で連続して行う“マテリアルシーケンサー”の開発を行った．写真は装置外観である．このシステムは，俯瞰的に高機能化する材料を考えるために，簡易的な装置を用いて多様な評価を行ういわば”材料の健康診断”として設計されている．機械学習分析などの利用を前提として評価データは収集・統合される．各測定装置は，およそ30cm角のスペースに収められ，試料へのアクセス方法や制御の入出力などモジュール化されている．試料は，0.5インチサイズの無機材料を対象としている．現在，画像測定，反射測定，抵抗測定，磁気Kerr効果測定を行うことができる．磁気Kerr効果装置は，このスペースに収めるためにパルスマグネットを用いて小型化されている．
主な研究２： べき乗則で解釈可能な物測定スペクトルの自動解析
理現象のスペクトルの自動解析技術について開発を行った．べき乗則で解釈するスペクトルデータでは，立ち上がり閾値とべき乗の乗数がパラメータである．例えば，超電導材料における電流電圧測定による臨界電流密度，可視紫外吸光度におけるバンドギャップ，光電子収量分光測定におけるイオン化ポテンシャルなどがある．
図はべき乗数及び閾値を推定するアルゴリズムとそのシミュレーションを示す．べき乗スペクトルは両対数プロットで解析が行われるが，閾値が移動すると単純に両対数を取ると適切なべき乗数を推定することができない．そこで，移動量も加味したプロットに直すことで推定することができる．また，ある現象に対してべき乗数が固定されている場合には，拡張したReLU関数と絶対誤差法によるFittingにより閾値を推定することができる．
まとめ：俯瞰的な材料評価のための簡易計測装置群及びシステムの開発 磁性特性の有無を判定するパルスマグネットを用いた小型Kerr装置の開発 べき乗則に従うスペクトルの自動解析アルゴリズムの開発
山下 良之（やました よしゆき）
メール：YAMASHITA.Yoshiyuki@nims.go.jp
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主な取り組み：材料特異点の物性解明
概要：材料における特異点は機能性材料の特性を決める。具体的には絶縁体/半導体界面、金属/半導体界面、欠陥、触媒、半導体のドーパントが特異点にあたる。一般的に材料中の特異点は密度が低く、その物性を明らかにすることは非常に困難である。そこで我々は、X線吸収発光分光法、光電子ホログラフィー法を用いて、特異点に吸収する光を入射してそこから発光する光、電子、及びホログラフィ像を用いる事により、特異点の原子構造、化学状態を明らかにすることを行っている。また、特異点の物性を正確に理解する為に材料が動作した状態で物性測定を行ってもいる。
特徴：
- X線吸収発光法による固体界面の物性抽出
- 光電子ホログラフィ法による物質特異点の原子構造、化学状態解明（欠陥、触媒活性点、ドーパントの活性・不活性原子等）
- 材料が動作下した状態での物性測定
主な研究：
Siドープしたk-Ga2O3のユニットセル中には3種類のGaサイトが存在するが、ドーパントとしてどのGaサイトにSiが入るかわかっていない。光電子ホログラフィ法の原子像再生によりドーパントSiの置換サイトはトリゴナルサイトであることがわかった。（左図）本手法はSiC、GaN、Ga2O3に既に展開している。
Pt/SiO2/4H-SiCデバイスが動作する状態でのバルク敏感光電子分光法により、基板から界面への電子のやりとりを調べた。また、理論計算を併用することにより、界面の欠陥の構造・電子状態を明らかにした。（右図）X線吸収発光分光法によりSiO2/Si界面の化学状態に応じた価電子状態、界面近傍における誘電率変化を明らかにした。今後はコンビナトリアル手法で材料開発を行い、界面や原子特異点の物性を効率的に明らかにすることを行っていく。
まとめ：物質の特異点の原子構造を光電子ホログラフィ法、X線吸収発光分光法により明らかにした。まだデバイスが動作した状態で光電子分光法を適用することにより、界面の欠陥の動的振る舞いを明らかにした。今後はコンビナトリアル手法を用いて材料開発を行い、物質の特異点の物性を効率的に明らかにすることを行っていきたい。