中根 了昌/NAKANE Ryosho

中根 了昌 特任准教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
電子材料物性、半導体電子デバイス、スピントロニクス
【研究室URL】
http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/

研究内容

■ 研究の概要

半導体電子デバイスの技術革新において重要な鍵となってきた異種材料人工構造は、繊細な材料設計と良質な材料特性によって単一の材料では得ることのできない電子物性機能を実現しています。従って、新しい異種材料人工構造を創製して意図した電子物性を新たに引き出して制御することができれば、新しい有用な機能を持つ半導体電子デバイスを実現することが可能であると言えます。
本研究室では、半導体集積電子デバイスにおいてこれまで利用されてこなかった新たな自由度を積極的に取り入れることにより、高性能・高機能な新規半導体集積電子デバイスを開発しています。それらのデバイスの中でも特に、将来のエレクトロニクスを担うことが期待される電子のスピン自由度を利用した半導体ベース・スピンデバイスの実現を目指した研究をおこなっています(図1)。
本研究室は、工学系研究科社会連携講座に所属してIBM社との共同研究「次世代革新的集積回路の開発」を進めると同時に、電気系工学専攻ではその要素デバイスやマテリアルの研究開発を田中雅明教授との密接な連携のもと進めています。

■ 研究内容

本研究室では材料作製、デバイス試作、デバイス物理の解明までを一貫しておこないます。
電子スピン自由度や量子効果など、多様な電子の特性を操作して利用するためには、縦横無尽に材料を組み合わせた高品質な異種材料人工薄膜構造が必要であり、これらの設計・作製・電子物性解明などの新規物性探索を研究の基礎としています。研究室では、多数の超高真空薄膜堆積チャンバーを取り付けたシステムを保有しており(図2)、金属・半導体・酸化物といった多種の薄膜材料からなる人工構造を超高真空一貫で作製することが可能です。電子物性の解明は、高速反射電子回折、低速電子反射回折、オージェ分光法、X線回折法、などの多数の評価法を用います。デバイスの試作には、工学部10号館クリーンルームや武田先端知クリーンルームに設置された電子線描画装置、ドライエッチング装置、電子ビーム蒸着装置などを利用することが可能であり、ナノスケールの微細構造を作製することが可能です。デバイス物理とスピン物理の解明は、低温から室温まで温度制御可能な測定装置を利用しておこないます。

■ 研究テーマの例


スピン依存伝導現象、量子効果、クーロンブロッケード、などを利用した新規スピン半導体電子デバイスの開発

様々な動作特性を持つ新規半導体電子デバイスを構想しています。一例としてスピントランジスタが挙げられます(図3)。このトランジスタは半導体チャネルを介したスピン偏極電子流を利用して、トランジスタの出力特性を磁性体磁化方向によって変調することが可能であり、再構成可能な論理回路など、不揮発・低消費電力な集積回路に応用が可能です。高い機能性を持つスピンデバイスはこれまで誰も実現しておらず、材料・構造・デバイス設計からスピン物理の解明に至るまで、それらのすべてが研究対象となります。

疑似スピンMOSFETのCMOS基板上でのデモンストレーション(東京工業大学像情報研究所菅原研究室、物質材料研究機構スピントロニクスグループとの共同研究)

疑似スピンMOSFETは磁気トンネル接合とMOSFETを組み合わせた回路であり、現在の技術を用いて実現可能なスピントランジスタです。これまで、疑似スピンMOSFETをベンダーSi-CMOS基板上に作製して、トランジスタの出力特性を磁性体磁化方向によって変調するその基本動作を室温において確認しました(図4)。今後は不揮発性論理回路などへと展開していく予定です。

学生へのメッセージ

研究を進める上で、基礎的な学力や調査計画能力は身に付ける必要がありますが、実学によって学問的素養を養い、何よりも実験を楽しみながら研究をしてほしいと考えています。先駆的な研究内容であるため、研究過程は試行錯誤によって粘り強く進める必要があると思いますが、共同作業をしながら着実に推し進めて目標を達成したいと考えています。また、若い学生の自由な発想を活かしながら、研究を展開していきたいと強く考えています。

図1:研究内容の概念図
図2:多数の超高真空薄膜堆積チャンバーを取り付けたシステム
図3:強磁性金属をソースとドレインに用いた電界効果型スピントランジスタの動作原理図と出力特性の模式図
図4:作製した疑似スピンMOSFETの模式図、光学顕微鏡写真、磁気抵抗効果、トランジスタ出力特性