物理電子システム創造専攻 - 東京工業大学 · 浅田研究室...

Department of Electronics and Applied Physics Interdisciplinary Graduate School of Science and EngineeringTokyo Institute of Technology

http://www.ep.titech.ac.jp

東京工業大学　大学院総合理工学研究科

2012　

物理電子システム創造専攻

C O N T E N T S

物理電子システム創造専攻へのお誘い 1

本専攻の位置づけ 2

講義科目と開講時期 3

教員一覧 4

大学院生活 6

入学試験案内と問い合わせ先 8

各教員の研究内容の紹介 10

岩井研究室　●ナノデバイスの限界追究と新たな応用の研究 10

角嶋研究室　●機能性界面の制御による次世代電子デバイスの創出 12

大見研究室　●超高速・低消費電力LSI実現に向けた次世代デバイス・プロセスの研究 14

杉井研究室　●低電力微細CMOSデバイス・プロセスの研究 16

西山研究室　●環境対応LSI技術に寄与する新型MOSデバイスの研究 18

寳迫研究室　●新奇光/電子デバイスに基づいたテラヘルツ技術の研究 20

梶川研究室　●光を巧みに操る技術：プラズモニクスとメタマテリアル 22

伊藤研究室　●ナノ量子フォトニクス 24

浅田研究室　●量子効果によるテラヘルツデバイスの実現を目指して 26

渡辺研究室　●超ヘテロ結晶の創製と量子ナノ構造光・電子機能デバイス 28

筒井研究室　●新材料・新機能素子によるナノ電子デバイス集積技術の開拓 30

稲垣研究室　●色素分子の集合状態の制御による新しい光機能材料の開発 32

町田研究室　●異種機能集積化技術による次世代デバイスの創出 34

徳光研究室　●機能性材料を用いた次世代電子デバイスの研究 36

半那研究室　●情報技術のための新しい機能材料の開発とイメージングデバイスへの応用 38

宗片研究室　●スピンフォトニクス─スピンと光が拓く未来の情報技術 40

菅原研究室　●シリコン・スピンエレクトロニクスの研究 42

植之原研究室　●超高速フォトニックネットワーク用光信号処理システムと光デバイスの実現 44

益　研究室　●次世代高速・高周波シリコン集積回路の実現 46

小山研究室　●光ネットワークデバイスと光集積回路 48

宮本研究室　●次世代フォトニクスに向けた半導体光デバイス研究 50

石橋研究室　●量子ナノデバイスによるナノエレクトロニクスの探索 52

すずかけ台キャンパスへのアクセス 54

すずかけ台キャンパス案内 55

1

物理電子システム創造専攻へのお誘い　平成16年度まで密接な連携のもとに運営してまいりました物理情報システム創造専攻と電子機能システム専攻の2専

攻は、平成17年度に改組し、現在の物理電子システム創造専攻と物理情報システム専攻となりました。旧2専攻では材料・

デバイスから情報システムといった電子・情報技術を共に教育研究の対象とし、電気情報系をバックグラウンドとして物

理学、化学、応用物理学、機械工学、制御工学、情報工学などの幅広い分野を取り込んだ新しい学問領域を切り開く専攻

として、多くの卒業生を様々な分野に送り出してきました。その成果として近年、人間と情報の関わり合いを数理・物理

的に捕らえる情報システム分野は専門分野として定着し、一方では、ナノテクノロジーといった極微の物質の究極的性質

を駆使して、革新的な情報通信技術（ICT）の創出を目指す新しい材料・デバイス分野が起こってきました。このような

背景から2専攻を改組して、ナノサイエンス、量子・光技術を含む、先端的な電子情報通信ハードウェア技術を研究教育

分野としてカバーする物理電子システム創造専攻を創設し、新学問分野の創造を目指すことになりました。

　物理電子システム創造専攻は、前身の物理情報システム創造専攻と電子機能システム専攻の「デバイス・材料系」教

員で構成されています。本専攻では、旧専攻が築いてきた教育研究に関する資産を継承しつつ、ICT分野を支える先端材料、

ナノテクノロジー、光デバイス、シリコン集積回路等の最先端材料デバイスの教育研究を行います。図は物理電子システ

ム創造専攻のコンセプトを示したものです。次世代のICT技術を創り出すためには、新しい材料の性質とその精密な制御

に関する深い物理的理解と最高水準の技術基盤が必要とされるのはもちろん、それらを基礎とした新しいコンセプトに基

づく光デバイス、電子デバイス、さらには生体を模したデバイス等の創造が求められてきています。さらに、個々のデバ

イスの機能を相互に連携・融合させ、システムとしての機能を発現させることが求められています。物理電子システム創

造専攻では、ICT分野における新材料の創造や新物性の探索、新しい光・電子・生体に関わるデバイス・システムの開発

において、一見多様に見える材料・デバイス分野を互いに “機能融合・集積化” させ、先進情報デバイス・システム分野

の創造と教育・研究を推進することを目的としています。

　講座や講義構成は、様々な側面から新しいICT分野に取り組むことができる人材を育成することが可能な形になってい

ます。本専攻は、「先端デバイス講座」と「新機能デバイス講座」の2つの基幹講座と、これを支援する5つの協力講座か

ら成ります。基幹講座の研究室に配属されても、協力講座の研究室に配属されても、学生諸君にとっては同じ条件で、最

先端のテーマによる研究を経験でき、必要な力を身につけることができます。また一方で、技術の細分化・専門化が進行

し、ともすれば全体を見わたすことが難しくなっているにもかかわらず、ハードウェアとソフトウェアの連携もますます

重要になってきています。本専攻では、物理情報システム専攻と、講義や入試をはじめ密接な連携のもとに運営しており、

材料・デバイス分野を中心にすえた上で、情報・システムなど他分野にわたる教育・研究内容を経験することが可能です。

材料と物性光、電子、磁性、誘電性、超伝導、ナノ構造新物性、融合新機能

ナノデバイス　有機デバイスメゾフェイスデバイス

波動応用デバイス　集積回路・システム

機能融合・集積化Integration

材料を創る

光で広げる生体に学ぶ光デバイス

イメージングデバイス光集積回路・システム近接場光学とメモリ

バイオセンサバイオデバイス適応学習デバイス知的情報処理デバイス

電子を生かす

2

　東京工業大学には、理工学研究科、生命理工学研究科、総合理工学研究科、情報理工学研究科、社会理工学研究

科の5つの大学院があります。物理電子システム創造専攻は総合理工学研究科に属しています。総合理工学研究科

は従来の大学院とは異なり、学部・学科から独立した研究科で、これまでの学問領域を超え、総合と創造に力点を

おいた創造大学院と位置づけられています。研究科固有の基幹講座、および研究所などの他部局から教育研究に参

画する協力講座とから構成されており、これらが相互に密接に協力しあう体制を保持しています。また、学外研究

組織との連携による連携客員教授制度を有し、博士後期課程の充実を図っています。

　総合理工学研究科の11専攻の一つが物理電子システム創造専攻です。本研究科のある「すずかけ台キャンパス」

には3つの大学附置研究所、フロンティア研究機構があり、これらの組織の教員が協力講座として専攻の教育研究

の一翼を担っています。また、物理電子システム創造専攻は物理情報システム専攻と、入試・講義をはじめ密接な

連携のもとに運営しています。大岡山キャンパスの電気・情報系専攻とも協力体制にあります。

理工学研究科

情報理工学研究科

社会理工学研究科

資源化学研究所

応用セラミックス研究所

像情報工学研究所

精密工学研究所

フロンティア研究機構

すずかけ台

大岡山大

学院

研究所等

生命理工学研究科

総合理工学研究科物質科学創造専攻物質電子化学専攻材料物理科学専攻環境理工学創造専攻人間環境システム専攻創造エネルギー専攻化学環境学専攻

物理電子システム創造専攻メカノマイクロ工学専攻知能システム科学専攻

物理情報システム専攻

総合理工学研究科の専攻群

基幹

協力

本専攻の位置づけ

すずかけ台キャンパスは、神奈川県横浜市と東京都の接点に位置する、自然豊かなキャンパスです。

3

講義科目と開講時期

脳の統計物理と並列計算（物情）高機能VLSIシステム（物情）知的情報システム（物情）知的画像処理（知シ）

ディジタル信号処理基礎論（物情）IT社会と情報セキュリティ（物情）VLSIシステム基礎論（物情）

情報・システム系

感覚情報学基礎（物情）バイオロボティクス（物情）超音波エレクトロニクス（物情）

◎物理電子システム基礎論Ⅰ（物電）物理電子システム基礎論Ⅱ（物電）VLSI工学Ⅰ（物電）VLSI工学Ⅱ（物電）高周波計測工学特別講義（物電）

※先端材料光物性（物電）※先端機能材料光学（物電）オプトエレクトロニクス（物電）イメージング材料（物電）ナノ量子フォトニクス（物電）

視覚情報処理機構（物情）音声言語情報処理（物情）光画像工学（物情）医用画像情報学（物情）波動マイクロシステム（物情）人間情報学特別演習(物情）人間情報学交差演習(物情）仮想世界システム（知シ）

先進情報材料特論（物電）無線通信計測特別講議（物電）

光通信システム（物電）

記号の説明○必修科目　◎いずれか一方あるいは両方を履修する科目　★非常勤講師科目　※国際大学院コース科目　（物情）物理情報システム専攻科目（物電）物理電子システム創造専攻科目（知シ）知能システム科学専攻科目（電電）電気電子工学専攻変更される場合があるので、年度ごとの教授要目を確認のこと

材料・デバイス系

○★物理電子システム特論（物電・オムニバス）／◎先端物理情報システム論

（物情・オムニバス・指定科目）★知的情報資源の活用と特許（物電）★物理

情報システム特別講義第一・第二（物情）

★物理情報システム特別講義第三（物情・オムニバス）

★環境制御工学特論（物情）

イノベーション工学マネジメント特論（電電・指定科目）

技術マネージメント特論（電電・指定科目）

情報システム

エレクトロニクス

フォトニクス

ヒューマンインフォメーション

M後期M前期 D後期D前期

㈵　→　Ⅰ㈼　→　Ⅱ全角にならないのは？

記号の説明から下カーニング自動→0

　物理電子システム創造専攻は、総合理工学としての学問的体系の新しい視点から、材料・デバイスの設計・製作か

らシステムにわたる広い視野と個別の深い専門を同時に身につけ、急速に進歩する “情報通信技術” を革新するナノ

材料、プロセス、極限情報デバイス、システムの研究・教育の先頭に立って活躍できる人材の養成を目指して、カリ

キュラムが組まれています。また、物理電子システム創造専攻と物理情報システム専攻では、密接な協力のもとに講

義を行っており、下記の表には、この2つの専攻に関する専門授業科目が、材料・デバイス系と情報・システム系の

2つの系に分類して記載されています。

　履修に当たっては、一つの分野あるいは特定の学期に偏ることなく学習計画を立てること、前期、後期のどちらか

に偏ることなくバランス良く科目を取得することを推奨しています。

4

研　　　究　　　分　　　野

ナノ電子デバイス技術、半導体ナノデバイス技術、集積回路技術

電子デバイス

集積化電子デバイス、半導体デバイス・プロセス

低電力微細CMOSデバイス・プロセス

ナノテク材料、半導体デバイス

プラズモニクス、メタマテリアル、非線形光学、液晶

アトムフォトニクス・ナノフォトニクス・量子機能デバイス・量子エレクトロニクス

テラヘルツデバイス、超高周波ナノエレクトロニクス・ナノデバイス

量子効果光電子デバイス、ヘテロエピタキシャル成長

固体電子工学、ナノ電子デバイス・プロセス技術

有機材料化学、機能性色素、写真感光材料、光情報記録材料

電子デバイス・電子材料、強誘電体メモリ、パワーデバイス、薄膜トランジスタ

光電変換・大面積電子デバイス材料、半導体薄膜物性、液晶性有機半導体材料、イメージング材料

固体物理（実験）、結晶工学、スピントロニクス

半導体デバイス、スピンデバイス、電子／スピン物性、集積回路

光ルーティング、光スイッチング、光信号処理、光集積素子

集積回路工学・半導体エレクトロニクス、RF-CMOS集積回路設計

光エレクトロニクス、光通信ネットワーク、光インターコネクト、光マイクロマシン、面発光レーザ

光エレクトロニクス、面発光レーザ、量子構造、半導体結晶

固体電子工学・ナノ構造作製プロセス、ナノデバイス工学

5471

5847

5481

029-879-8265

044-549-2051

042-327-6508

5596

5459

5454

5462

0465-86-1360

0761-51-1510

5176

5185

5184

5038

5022

5068

5059

048-467-9499

　　　　　e-mail

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

e-mail：[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

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[email protected]

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[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

　U R L

http://www.iwailab.ep.titech.ac.jp/

http://www.iwailab.ep.titech.ac.jp

http://www.lsi.ip.titech.ac.jp/

http://www.leap.or.jp

http://www2.nict.go.jp/w/w113/thz/jp/main.html

http://www.opt.ip.titech.ac.jp/

http://www.ito.titech.ac.jp/

http://www.pe.titech.ac.jp/AsadaLab/

http://www.pe.titech.ac.jp/WatanabeLab/

http://www.tsutsui.ep.titech.ac.jp/

http://toku-www.pi.titech.ac.jp/

http://www.isl.titech.ac.jp/~hanna/

http://www.isl.titech.ac.jp/~munelab/

http://www.isl.titech.ac.jp/~sugaharalab/

http://vcsel-www.pi.titech.ac.jp/

http://masu-www.pi.titech.ac.jp/



http://www.riken.jp/lab-www/adv_device/index.html

講座・分野名

協

力

講

座

理研連携

基

幹

講

座

ＴＥＬ（045）924-

J2-68

S2-20

J2-72

G2-27

G2-27

G2-27

G2-8

G2-23

G2-10

J2-71

J2-69

G2-30

R2-19

J1-2

R2-57

G2-14

R2-43

R2-17

R2-22

R2-39

G2-30

メールボックス

先端デバイス講座

新機能デバイス講座

集積機能デバイス分野

知的システムデバイス分野

創造機能物質工学分野外部連携

機能量子場分野

進化機能デバイス分野

ナノ機能デバイス

創造情報デバイス分野外部連携

グリーンデバイス分野外部連携

イメージング材料講座

フロンティア物性デバイス講座

フォトニックシステムデバイス講座

知的電子システム講座

物質情報フロンティア講座

集積フォトニクス講座

529903-5734-2564

職・教員名

教授岩井　　洋

准教授角嶋　邦之

教授

准教授大見俊一郎

連携教授杉井　信之

連携教授西山　　彰

連携教授寳迫　　巌

教授梶川浩太郎

准教授伊藤　治彦

教授浅田　雅洋

准教授渡辺　正裕

教授筒井　一生

准教授

連携教授稲垣　由夫

連携教授町田　克之

連携教授徳光　永輔

教授半那　純一

准教授

教授宗片比呂夫

准教授菅原　　聡

教授

准教授植之原裕行

教授益　　一哉

教授

教授小山二三夫

准教授宮本　智之

連携教授石橋　幸治

テラヘルツ技術、量子カスケードレーザ、量子井戸型検出器、超短パルス光発生、テラヘルツ帯光学薄膜、テラヘルツ帯無線

集積化CMOS-MEMS技術、CMOSLSI技術、MEMS技術、異種機能集積化イン　タフェース技術、実装技術、異種機能集積化プラットフォーム

カーニング　自動に文字ツメ　40％などMacでは0

G2-1107 大岡山南9-703水平比92％Macでは　ツメなし　？

㈱　入力

jp/　　jp/の有無　ママ

研究分野内容　カーニングオプティカル+文字ツメ20％で

講座・分野名、職・教員名内容カーニング　0で

所属・居室カーニング　自動で

ＴＥＬ・e-mail、U R L ・メールボックス

カーニング　0で

　所属・居室

J2-1206

S2-708

J2-1204

超低電圧デバイス技術研究組合

東芝研究開発センター

G2-1005

G2-1111

G2-1107 大岡山南9-703

J2-1102

J2-1103

富士フィルム㈱R&D統括本部

NTTアドバンステクノロジ㈱

J1-205

J1-213

G2-502

R2-610

S2-408

R2-603

R2-817

独立行政法人理化学研究所

独立行政法人情報通信研究機構

北陸先端化学技術大学院大学

教員一覧

5

■博士前期課程（修士課程）の研究室配属について●基幹講座の研究室、協力講座の研究室、併任教員の研究室でも同じ条件で配属します。ただし、年度によっては配属できない研究室がある場合もあるので、専攻長に問い合わせて下さい。

●年度によっては外部連携（客員）教員の研究室には配属できない場合もあるので、専攻長に問い合わせて下さい。外部連携教員の配属になった場合、外部連携先等の研究施設で主に研究を行う場合もあります。

研　　　究　　　分　　　野

ナノ電子デバイス技術、半導体ナノデバイス技術、集積回路技術

電子デバイス

集積化電子デバイス、半導体デバイス・プロセス

低電力微細CMOSデバイス・プロセス

ナノテク材料、半導体デバイス

プラズモニクス、メタマテリアル、非線形光学、液晶

アトムフォトニクス・ナノフォトニクス・量子機能デバイス・量子エレクトロニクス

テラヘルツデバイス、超高周波ナノエレクトロニクス・ナノデバイス

量子効果光電子デバイス、ヘテロエピタキシャル成長

固体電子工学、ナノ電子デバイス・プロセス技術

有機材料化学、機能性色素、写真感光材料、光情報記録材料

電子デバイス・電子材料、強誘電体メモリ、パワーデバイス、薄膜トランジスタ

光電変換・大面積電子デバイス材料、半導体薄膜物性、液晶性有機半導体材料、イメージング材料

固体物理（実験）、結晶工学、スピントロニクス

半導体デバイス、スピンデバイス、電子／スピン物性、集積回路

光ルーティング、光スイッチング、光信号処理、光集積素子

集積回路工学・半導体エレクトロニクス、RF-CMOS集積回路設計

光エレクトロニクス、光通信ネットワーク、光インターコネクト、光マイクロマシン、面発光レーザ

光エレクトロニクス、面発光レーザ、量子構造、半導体結晶

固体電子工学・ナノ構造作製プロセス、ナノデバイス工学

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5847

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029-879-8265

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5022

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048-467-9499

　　　　　e-mail

[email protected]

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e-mail：[email protected]

[email protected]

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[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

[email protected]

　U R L

http://www.iwailab.ep.titech.ac.jp/

http://www.iwailab.ep.titech.ac.jp

http://www.lsi.ip.titech.ac.jp/

http://www.leap.or.jp

http://www2.nict.go.jp/w/w113/thz/jp/main.html

http://www.opt.ip.titech.ac.jp/

http://www.ito.titech.ac.jp/

http://www.pe.titech.ac.jp/AsadaLab/

http://www.pe.titech.ac.jp/WatanabeLab/

http://www.tsutsui.ep.titech.ac.jp/

http://toku-www.pi.titech.ac.jp/

http://www.isl.titech.ac.jp/~hanna/

http://www.isl.titech.ac.jp/~munelab/

http://www.isl.titech.ac.jp/~sugaharalab/


http://masu-www.pi.titech.ac.jp/



http://www.riken.jp/lab-www/adv_device/index.html

講座・分野名

協

力

講

座

理研連携

基

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講

座

ＴＥＬ（045）924-

J2-68

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G2-27

G2-27

G2-27

G2-8

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G2-10

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R2-19

J1-2

R2-57

G2-14

R2-43

R2-17

R2-22

R2-39

G2-30

メールボックス

先端デバイス講座

新機能デバイス講座

集積機能デバイス分野

知的システムデバイス分野

創造機能物質工学分野外部連携

機能量子場分野

進化機能デバイス分野

ナノ機能デバイス

創造情報デバイス分野外部連携

グリーンデバイス分野外部連携

イメージング材料講座

フロンティア物性デバイス講座

フォトニックシステムデバイス講座

知的電子システム講座

物質情報フロンティア講座

集積フォトニクス講座

529903-5734-2564

職・教員名

教授岩井　　洋

准教授角嶋　邦之

教授

准教授大見俊一郎

連携教授杉井　信之

連携教授西山　　彰

連携教授寳迫　　巌

教授梶川浩太郎

准教授伊藤　治彦

教授浅田　雅洋

准教授渡辺　正裕

教授筒井　一生

准教授

連携教授稲垣　由夫

連携教授町田　克之

連携教授徳光　永輔

教授半那　純一

准教授

教授宗片比呂夫

准教授菅原　　聡

教授

准教授植之原裕行

教授益　　一哉

教授

教授小山二三夫

准教授宮本　智之

連携教授石橋　幸治

テラヘルツ技術、量子カスケードレーザ、量子井戸型検出器、超短パルス光発生、テラヘルツ帯光学薄膜、テラヘルツ帯無線

集積化CMOS-MEMS技術、CMOSLSI技術、MEMS技術、異種機能集積化イン　タフェース技術、実装技術、異種機能集積化プラットフォーム

カーニング　自動に文字ツメ　40％などMacでは0

G2-1107 大岡山南9-703水平比92％Macでは　ツメなし　？

㈱　入力

jp/　　jp/の有無　ママ

研究分野内容　カーニングオプティカル+文字ツメ20％で

講座・分野名、職・教員名内容カーニング　0で

所属・居室カーニング　自動で

ＴＥＬ・e-mail、U R L ・メールボックス

カーニング　0で

　所属・居室

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S2-708

J2-1204

超低電圧デバイス技術研究組合

東芝研究開発センター

G2-1005

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G2-1107 大岡山南9-703

J2-1102

J2-1103

富士フィルム㈱R&D統括本部

NTTアドバンステクノロジ㈱

J1-205

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G2-502

R2-610

S2-408

R2-603

R2-817

独立行政法人理化学研究所

独立行政法人情報通信研究機構

北陸先端化学技術大学院大学

6

■最先端研究テーマで研究の第一線に　本専攻に入学すると、各教員の研究室に配属されて、最先端の研究テーマを

通して高度な教育を受けることができます。一方で、物理情報システム専攻と連

携して構成される各分野のバラエティに富んだ講義によって、自分の研究テーマ

を進めるためのみならず将来に役立つバランスのとれた知識を養います。研究室

では各人が独立した研究者として研究の第一線に立つことになりますから、成果

によっては国内外の学会等で研究発表するチャンスがあります。実際、多くの先

輩たちが自らの研究成果を社会に発信して、それに対する社会の反応に感激し、

さらに自らを高めていっています。また、本専攻の教員は企業等との共同研究や政府等のプロジェクト研究も活発に行って

おり、在学中から社会の動きを感じつつ勉学を進めることができます。

■教員との交流、他の研究室との交わり　本専攻は、自分の指導教員からだけでなく、他の研究室の教員からアドバイス

を受けたり、研究上の協力を受けることができます。全く新しい研究をしようと

するとき、広い範囲の知識と技術を集積しなければ前進できませんが、エレクト

ロニクスに関する材料・デバイス系の第一線の教員が集まっている物理電子シス

テム創造専攻ではそれが行いやすい環境と雰囲気があるのです。入学直後のオリ

エンテーションから、全ての教員、他の研究室の学生と知り合う機会が作られて

います。このような多くの教員との触れ合いや、たくさんの仲間との交流は在学

中の生活面でも役立っていますし、卒業後も大きな財産になっています。

■構想発表会、中間発表会、そして学位論文発表会　学位を得るまでに専攻内で何度か研

究発表をしなければなりません。構想

発表会では「何をねらって」「どのよ

うに」これから研究を進めようとする

のかを説明します。他分野の教員から

も質問やアドバイスがでます。中間発

表会は研究の進捗状況や困難な点を報

告して、他の研究室の教員から問題解決のヒントをもらったり、研究の軌道修正を受けたりします。学生諸君は発表内容の

充実と発表技法にも気を配っており、就職先の企業からも本専攻卒業生の発表技術の高さは定評があります。

■研究室生活　研究室は友達や先輩後輩と向き合う場でもあります。教員と同級生だけではな

く、研究面のさまざまな面倒を見てくれる助教や技術職員といったスタッフ、先

輩学生、後輩の学部学生、そして企業からの研究員などから構成されるのが研究

室です。全国の大学から学生は集まっていますし、留学生も多くいます。研究室

旅行、キャンパス祭である「すずかけ祭」、スポーツ大会など楽しく潤いのある

大学院生活を送っています。

大学院生活

7

　2011年度に博士前期課程（修士）を修了した学生の昨年の進

路は右図に示すとおりです。博士前期課程（修士）修了者の多く

は電気電子関係または情報関係企業へ進んでおり、卒業生がこの

分野で活躍しています。また、機械・自動車関係企業、化学・材

料関係企業から報道や金融・商社まで、各分野に広く卒業生を送

り込んでいます。博士後期課程修了者に関しては、主に大学や研

究機関、企業の研究所等へ進んでいます。

卒業後の進路博士前期課程（修士）修了者（2011年度）の進路

0

9

20

2

7

1010

25

20

15

5

博士進学・研究生

電気情報関係

機械関係

化学・材料関係

公官庁

商社・金融関係

その他

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■博士後期課程とグローバルCOEプログラム　本専攻のカリキュラムは、博士前期課程（修士課程）から博士後期課程修了までを通して学ぶことを前提に構成されています。博士後期課程まで進学し、社会の要請に十分応えられる実力を身につけることが望まれています。修士1年次の終わり頃に進路指導を行い、修士修了後就職を希望するものには、就職指導を行います。なお、修士課程、博士後期課程ともに、優秀な者については短縮修了制度があります。また、博士一貫コースもあります。　大学院での勉学を経済的な不安なく行うために、多くの学生が日本学生支援機構をはじめとする各種奨学金や日本学術振興会特別研究員（研究奨励金給付など）の制度を利用しています。ティーチングアシスタント（TA）など講義補助を行って謝金を受ける制度もあります。また、博士後期課程学生に対して、授業料相当額を支援する制度があります。

■物理電子システム創造専攻　進学・修了のカレンダー

4月修士1年修士2年博士1年博士2年博士3年

5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月

オリエンテーションオリエンテーション

中間発表会

修了予備審査

論文準備

論文発表会

最終試験

修了

中間発表会構想発表会

修了論文発表会

論文準備

中間発表会

構想発表会・進路指導開始

10月入学の場合は半年シフトします。

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入学試験案内と問い合わせ先

　物理電子システム創造専攻は、同じく本学総合理工学研究科の物理情報システム専攻と綿密な協力の下に入学試

験を一本化した運営をしています。

　物理電子システム創造専攻は平成17年度に発足した専攻ですが、入試の実施方法や内容等は、旧物理情報システ

ム創造専攻、旧電子機能システム専攻の場合とほぼ同様です。主にデバイス・材料系の教員が物理電子システム創造

専攻に、情報・システム系の教員が物理情報システム専攻に属します。

　入学試験においては両専攻の区別はなく、受験者は出願の際に両専攻の教員の中から希望の教員を指導教員として

志望することができます。入学後は、配属先の指導教員の所属する専攻に所属することになります。

　両専攻は学際的な教育・研究を指向していることから、電気電子・情報系、物理・応用物理学系、化学・応用化学

系、機械・制御系などさまざまな学科の出身者を受け入れています。このため、入学試験の専門科目では、受験者が

自らの履修学科目や専門知識をもとに選択して解答できるように配慮されています。また、入学試験では専門科目の

他に英語の試験として、専攻が認める外部テスト（TOEIC,TOEFL）の成績証明書を提出することが必要です。詳し

くは必ず募集要項で確認してください。

　入試の詳細な情報については、東京工業大学入試課で発行する募集要項をお読み下さい。また、物理電子システ

ム創造専攻に関するさらに詳しい情報については、4月〜6月のすずかけ台キャンパスにおける専攻説明会・研究室

公開や専攻ホームページ（http://www.ep.titech.ac.jp/）を参考にされるか、9ページの入試問い合わせ先にお尋

ね下さい。なお、過去の入試問題の入手方法に関しては、専攻ホームページに記載されています。

　また、博士後期課程入学については専攻長にお問い合わせ下さい。

■専攻説明会・研究室見学会のご案内

物理電子システム創造専攻と物理情報システム専攻の専攻説明会を以下の日程で行います。

第1回　3月31日（土）専攻長挨拶、全体説明ポスター説明（各研究室）研究室個別訪問

第2回　5月18日（金）（オープンキャンパス同時開催）全体説明ポスター説明（各研究室）研究室個別訪問

第3回　5月19日（土）（オープンキャンパス、すずかけ祭同時開催）全体説明ポスター説明（各研究室）研究室個別訪問

第4回　6月6日（水）（予定、詳細はホームページに掲載）

最新の情報は専攻ホームページで確認して下さい。

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■博士前期（修士）課程入学試験の予定（平成24年度入試・4月入学）

募集要項 5月上旬発行願書受付 6月中旬〜下旬選抜試験 7月末〜9月初旬合格発表 9月中旬 ※いずれも正確な日程は募集要項で確認してください。 ※10月入学も可能です。詳しくは募集要項をご覧下さい。

■東京工業大学入試課http://www.titech.ac.jp/prospect/index.html

電話03-5734-3990

■入試に関する問い合わせ先

平成24年度専攻長

宗片比呂夫教授 045-924-5185 [email protected]

平成24年度専攻幹事

角嶋　邦之准教授 045-924-5847 [email protected]

物理電子システム創造専攻ホームページ http://www.ep.titech.ac.jp/

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ナノデバイスの限界追求と新たな応用の研究

物理電子システム創造専攻Department of Electronics and Applied Physics

岩井　洋研究室（Hiroshi IWAI）

●●研究目的

　本研究室ではナノデバイス技術、特に新材料・新プロセス・新構造・新機能導入による集積回路限界打破とその新たな応用の為の研究を行っています。実際に新たなデバイスを作製し、その動作を実証・確認し、理論的に説明することを行っています。

●●研究テーマ

　近年の急速なIT（情報技術）の普及は集積回路の貢献と発展に因るところが大きく、集積回路はトランジスタなどの素子の微細化により絶え間ない性能の向上を続けてきました。素子の微細化は今後15年で本質的な限界に達するため、微細化のみに依らずに素子の性能を高める新しい技術の開発が必要です。本研究室では新たな技術として高誘電率ゲート絶縁膜技術、Ge、Ⅲ-Ⅴといった高移動度チャネル技術、プラズマドーピングやショットキー接合などの低抵抗S/D技術、FinFETやSi nanowire FETのような３次元FETなど、新材料・新プロセス・新構造・新機能技術を探求しています。また産学連携と国際協力を研究の基本としています。

図1　酸化物／金属堆積用クラスタ装置と高い性能を示す高誘電率ゲート絶縁膜

High-kゲート絶縁膜はゲートリーク電流を低減しつつ大容量を実現できる最も重要な技術の一つである。クラスタ装置を利用してSi, III-V, GaN等の基板に高品質のhigh-k膜を真空一貫で堆積することができる。

高誘電率（High-k）ゲート絶縁膜

専門分野：�ナノデバイス技術、シリコン集積回路技術、極限CMOS、III-V-FET、シリコンナノワイヤFET、パワーデバイス

Home Page：http://www.iwailab.ep.titech.ac.jp/

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●●教員からのメッセージ

　「ものつくり」で日本が再生するためには、若い諸君の活躍が重要です。岩井研に来て先端技術にチャレンジしてみませんか？　皆さんの創意・工夫で世界をリードするチャンスはいくらでもあります。その経験をいかし卒業後は研究に、開発に、世の中で大いに貢献するようになってください。

●発表論文1. H. Iwai and S. Ohmi, “Trends and Projection for the Future of Scaling.” The Computer Engineering Handbook, CRC Press,

pp.1-10 - 1-29, 2002

図2　良好な界面特性を示すHfO2膜とInGaAs基板図3　La2O3膜を用いたGaN HEMTの動作

図4　作製したSiナノワイヤトランジスタ高い性能を示すことに成功した図5　Siナノワイヤトランジスタの伝導モデル

High-k ／高移動度チャネ High-k ／高耐圧チャネル

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●●研究目的

　今後の省エネ社会を実現するためには大規模集積回路を利用した高効率なエネルギー制御が必須になります。そのためには高性能は半導体デバイスが必要になりますが同時にデバイス自身の消費電力を抑制する必要があります。高性能・低消費電力の半導体デバイスを実現するためには新しいデバイス構造や新しい材料を導入することが必要です。半導体デバイスは異種材料の界面の性質を利用して動作してきました。そのため、新構造や新材料の異種材料界面の潜在的に有する機能を最大限に引き出すことが高い性能を持つデバイスの実現に繋がります。本研究室では理想的な異種材料界面を実現するプロセスを考案し、デバイス試作を通じて実証する研究を行っています。　尚、本研究室は岩井研究室と共同で運営をしております。


超平坦ショットキー界面の実現　ショットキー界面の電気特性は、界面における原子の結合が大きく左右します。これまで金属を堆積して熱処理を行うことでシリサイド／シリコン基板界面を形成しておりましたが、良好な特性が得られる温度範囲が狭いという課題がありました。そこで、シリコン基板との反応を極限まで抑えることが可能なNiSi2を用いることで超平坦界面を実現するプロセスを考案しました。この材料を用いることで高温の熱処理でも理想的な電気特性が得られる特長があります。

機能性界面の制御による次世代電子デバイスの創出


角嶋邦之研究室（Kuniyuki KAKUSHIMA）

専門分野：電子デバイスHome Page：http://www.iwailab.ep.titech.ac.jp

NiSi2を用いた場合Si基板との界面は高温の熱処理でも原子レベルで平坦となる。

超平坦界面が得られるため逆方向のリーク電流を抑制でき理想電流電圧特性が得られる。

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高誘電率ゲート絶縁膜とシリコンの直接接合界面　超微細デバイスのトランジスタ動作のためには高誘電率ゲート絶縁膜（high-k）の導入が必須になりますが、high-kとシリコン基板界面にSiO2を有しない直接接合界面が必要です。直接接合界面を実現するプロセスを各種提案してきましたが、その界面の特性を完全に把握できていない状況です。そこで、直接接合界面を有するデバイスの試作を行い、界面の電子の挙動をモデリングする研究を行っております。

高誘電率薄膜とシリケート界面を利用した抵抗変化型メモリ　作製容易性と集積性に優れた抵抗変化型メモリに向けた新しい材料の研究を行っています。酸素分圧によって価数が3価と4価に変化しやすいCeOx膜の材料の性質を利用して試作を行いました。その結果安定したオン／オフ比を得ることに成功しました。


　本研究室ではウェハレベルからスタートして加工プロセスを進めてデバイス試作を行い、電気測定に物理分析、解析ソフトウェア開発に至るまで一貫して行います。探求的要素の強い研究内容になりますが、自由な発想をもって世界トップのデータを出したいと考えております。

●参考文献1. K. Kakushima, K. Tsutsui, S. I. Ohmi, “Rare earth oxides in microelectronics” Rare Earth Oxide Thin Filmes:Growth,

Characterization, and Applications, Topics in Applied Physics, Vol. 106, Springer, ISBN 978-3540357964, 2006, pp. 345-365.

希土類シリケート膜はシリコン基板と直接接合することが可能。

コンダクタンス法を用いると界面トラップと膜中のトラップを切り分けて定量化することが可能になります。

抵抗変化型メモリのスィッチング回数とオン／オフの抵抗

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超高速・低消費電力 LSI 実現に向けた次世代デバイス・プロセスの研究


大見俊一郎研究室（Shun-ichiro OHMI）

専門分野：集積化電子デバイス、新構造半導体デバイス・プロセスHome Page：http://www.lsi.ip.titech.ac.jp

●●研究目的

　極微細化・高集積化が加速するCMOS-LSIの、超高速化・低消費電力化に有望である３次元MISFETの高精度・高信頼性プロセスを確立する。


1．混晶化による超低コンタクト抵抗シリサイドの形成　Self-aligned silicide（SALICIDE）プロセス技術はゲート電極上およびソース、ドレイン拡散層上に自己整合的に金属シリサイド層を形成する技術であり、CMOSフロントエンドプロセスにおいてゲートおよびソース、ドレインの抵抗を低減するために重要なプロセスである。CMOSにおけるn+ およびp+シリコン層に同一材料系で形成可能で、さらに両者に対して10−9Ω・cm2 以下の低コンタクト抵抗を具現化することがシリサイドには要求される。これまでCMOSには耐熱性金属シリサイド中で最も抵抗率の低いTiSi2 やCoSi2 などのダイシリサイドが用いられてきた。しかし、2024年にはゲート長7.4nmの極微細MOSFETにおいて、膜厚8.7nmでコンタクト抵抗2×10−9Ω・cm2を有するシリサイド層の形成が要求されており、最先端のCMOSではSiの消費量の少ないNiSiなどのモノシリサイドが検討され始めている。　本研究室では、超高速・低消費電力デバイスへの応用が期待される SOI（Silicon on Insulator）-MOSFET（図１、図２）の微細化に対応すべく、耐熱性に優れたPtSi に着目し、混晶化によるPtSiの仕事関数制御に関する研究を行っている。YbやHfなどの小さい仕事関数を有する金属との混晶化により、PtSiのn-Siに対する障壁高さを0.3 eV低減することに成功している。

図1　極薄SOI-MOSFET におけるシリサイド形成

図2　PtSi 形成後のSOI-MOSFET

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2．フレキシブル有機半導体デバイスの研究　近年、有機半導体材料の開発と様々なデバイス応用に関する研究が盛んに行われている。有機半導体には、フレキシブル、軽量、低コストといった利点があり、有機ELディスプレイ、有機薄膜トランジスタ、太陽電池、メモリ素子などへの応用が期待されている。　本研究室では図３に示される有機半導体を利用したフレキシブル有機薄膜トランジスタに関する基礎研究を行っている。有機半導体の中でも高移動度であり、有機薄膜トランジスタ材料として注目されているペンタセンを用いたトランジスタを作製し、低電圧動作、高移動度のデバイスを実現するための研究を行っている。

3．新構造3次元MOSデバイスの研究　現状のプレーナ形CMOS構造の微細化限界を打破するため、現在、縦型MOSFET、Fin-FET、ダブルゲートMOSFETなど、SOIを用いた３次元構造を有する新しいデバイス構造に関する研究が盛んになってきている。また近年、様々な面方位のSi基板上へ良好にSiO2 やSi3N4 膜を形成する技術も確立してきているが、ゲート絶縁膜を介したリーク電流を抑制するために、より誘電率の高いhigh-kゲート絶縁膜の3 次元構造上への形成が不可欠とされている。　本研究室では、３次元構造のMOSFETの中でもゲートを３方向から制御可能なtri-gate MOSFETに着目し、その基礎プロセスに関する研究を行っている。また、堆積した薄膜へのプラズマによるダメージが低く、良好な高誘電率薄膜の形成が可能であるECR（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法を用いて、high-k材料として有望なHfOxNyを３次元構造上に形成する研究を行っている。これまで、３次元構造側壁部にも被覆性の良好なHfOxNy 薄膜を形成することに成功し、SiO2 換算膜厚0.5nmを達成している。


　自分で考えて自分で実験できる。そんな恵まれた環境の東工大・Siデバイス系で思いっきり研究を楽しんでみよう。夢に見るくらい考え抜けば、君のアイディアが世界を変えるかもしれない。

●参考文献1. Shun-ichiro Ohmi, Go Yamanaka and Tetsushi Sakai: “Characterization of AlON Thin Films Formedby ECR Plasma Oxidation of

AlN/Si（100）” , IEICE Trans. Electron., E87-C, pp. 24-29（2004）.

2. 岩井洋，大見俊一郎：“微細シリコンデバイスに要求される各種高性能薄膜”，応用物理学会誌，69，No.1，pp. 4-14（2000）．3. S. Ohmi and R. T. Tung: “Effect of Ultrathin Mo and MoSix Layer on Ti Silicide Reaction” , J. Appl.Phys., 86, pp. 3655-3660

（1999）.

4. S. Ohmi and R. T. Tung: “Silicide Formation in Co-Deposited TiSix Layers: The Effect of DepositionTemperature and Mo” , J.

Electronic Materials, 28, pp. 1115-1122（1999）.

図3　有機薄膜トランジスタの構造

図4　3次元構造上に形成したHfOxNy薄膜

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低電力微細 CMOS デバイス・プロセスの研究


杉井信之研究室（Nobuyuki SUGII）

専門分野：超低電力CMOSデバイス、SOIデバイスHome Page：http://www.leap.or.jp/base17.html

●●研究目的

　Si-ULSIは飽くなき加工寸法の微細化によって、同一サイズのLSIチップの中により高い機能を集積することが可能になり、様々な電子機器を小型で安くすることに貢献しています。高度な情報処理機能を持つ携帯電話の普及やユビキタスコンピューティングの実現も、Si-ULSIの継続的な進歩に負うところが大きいと言えます。Si-ULSIを構成するCMOSトランジスタのゲート寸法は、これまで進められてきた微細化の結果、すでに30nmを下回っています。ところが微細化が進むにつれ、トランジスタのリーク電流が増大し、LSIチップ1個毎の消費電力が急激に増大しています。家庭やオフィスでも多くの機器で半導体が使われますし、クラウドコンピューティング時代への推移と共にネットワークのトラフィック急増によるサーバやネットワークルータなどの爆発的な電力消費増が見られます。これらは地球規模での環境エネルギー問題となっており、早急な解決が必要です。微細CMOSの開発で現在最も望まれていることは、消費電力あたりの性能をさらに向上させることです。　本研究では、消費電力あたりの性能を最適化する技術として、完全空乏型トランジスタや新チャネル材料プロセス技術を中心とした低電力CMOSデバイス・プロセス技術を探求します。

●●研究テーマ完全空乏型デバイス技術　CMOSトランジスタの微細化は、素子の寸法を小さくして密度を上げることだけでなく、同時に回路の動作電圧を下げることがとても重要です。回路動作に伴う消費電力は動作電圧の二乗に比例するからです。微細化で回路に使われる素子の数が増えれば、それに応じて電圧を下げなければ、LSIの消費電力が急増してしまいます。しかしながら、微細化が進むにつれ、いわゆる短チャネル効果による素子動作の異常や素子のバラツキばらつき増大により、動作電圧や消費電力が下げられないという大問題が浮上してきています。微細な電極間でのリークが増大したり、トランジスタ各部のわずかな寸法の違いや半導体内部の不純物数のゆらぎによって素子特性が大きく変化するためです。　これらの問題を解決するために、完全空乏型と呼ばれるトランジスタを研究しています。CMOSトランジスタはゲート電極で与えられる電界によりオンオフ状態を制御しますが、図1のようなSOI（シリコン・オン・インシュレータ）構造や3次元チャネル構造を用いることで、ゲートによるオンオフ制御をより確実に行え 1、かつばらつきも小さいという微細トランジスタが出来ます。3次元チャネル構造は、微細加工プロセスの開発も重要ですが、デバイス物理の観点でも検討すべき点がたくさんあります。たとえば、CMOSトランジスタを正常動作させるためには、ゲート絶縁膜とシリコンチャネル界面のトラップ密度を充分低くする必要がありますが、3次元構造の場合には複数の結晶面が含まれるために解析が容易ではありません。図2に示すような評価用素子を用いた研究を進めています。

1　ゲートによりチャネルのキャリアを完全に枯渇させることから「完全空乏型」と呼ばれる。

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新チャネル材料プロセス技術　さらに将来のCMOSトランジスタに向けて、カーボン系など超高移動度のチャネル材料が期待されています。これらの材料を用いて実用性あるCMOSデバイスに育て上げるためには、トランジスタ各部分の材料プロセス技術を基礎に立ち返って検討することが必要です。ここでは、図3に示すようなコンタクト形成に関する探索的研究も行います。


　日本のエレクトロニクス産業は、現在は苦戦を強いられていますが、今後もこれが日本を支える重要産業であることには疑いありません。このエレクトロニクスを牽引してゆくには、特徴ある半導体製品を通して新たな価値を継続して創造してゆくことが必要です。超低電力デバイス技術にはこの価値の源泉があり、これを真に活かすためには、基礎となる半導体デバイス技術と関連する回路技術を深く追求することが、大変重要であると考えます。

●参考文献1. 平本，内田，杉井，竹内：「集積ナノデバイス」半導体デバイスシリーズ1，丸善 2009

図3　カーボン系材料（ダイヤモンド）用コンタクト図2　SOI上のCP測定素子

図1　SOIと3次元トランジスタの構造図

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環境対応 LSI 技術に寄与する新型 MOS デバイスの研究


西山　彰研究室（Akira NISHIYAMA）

●●研究目的

　われわれの周りにある電子機器や生活用品の多くに、ULSI（ Ultra-Large Scale Integration）と呼ばれるチップが使われています。おおむね1cm角のSi基板上に何億個と作られた素子の有機的な結合体で、情報を記憶したり、処理を行うためのものです。これ無しでは携帯電話、デジタルTVはおろかインターネットも機能しません。 ULSIが機器の要素基盤技術という意味で ‘産業界の米’ と言われる所以であり、翻るならば、ULSIの更なる進化が、もっとわれわれの生活を快適で豊かにする可能性を秘めているということです。しかしながら、高速LSIの高い消費電力が、TVをはじめとする電子機器やインターネットサーバの環境負荷に反映し、現在問題となってきています。ここでは、高性能を維持しながら、環境対応LSI技術となりうる新しいデバイスの研究を行います。


　ULSIを構成する基本はMOS（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタという素子です。この素子はMOS界面電荷量を制御した上でソース/ドレインという両側の電極に電圧を印加し、電流を流すものですが、従来素子はゲート電圧を下げても、ソース電極からの拡散によって電流が制御されるため、漏れ電流による

専門分野：微細MOSデバイス、silicide、high-kゲート絶縁膜

図1　Niシリサイドをソース電極に用いたトンネルトランジスタ

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電力消費が起こりやすい課題があります。そこでソースからの量子力学的トンネル現象によって電流が制御される新しい低消費電力トランジスタの研究を進めています。　一方、今までのSiに変わる新しい半導体（Geやグラフェン）は、電荷である電子や正孔の ‘移動度’ が大きいという性質を持っており、それゆえ高速動作でもソースドレイン間電圧を下げることができ、消費電力を下げることが可能です。このことは今までも知られていたことですが、ULSIに適用するにあたっては図2のような種々の課題があります。本研究室はこれら課題について、解決するための基礎理解やアイデアを出すことも目標としています。


　日本製造業のモノ造り力が、低下してきていることが指摘されています。しかし、私の海外企業研究者/技術者との交流からみえてくるものは、むしろ日本企業技術者のモノ造りに対する丁寧さや真剣さです。むしろ丁寧で真摯過ぎるがゆえに大局を見落としているのかもしれません。本研究室は、㈱東芝研究開発センターとの連携講座です。皆さんの発見や提案が、将来どんなモノに成長していくのか一緒に議論しながら研究してみませんか？

●参考文献1. S.M.Sze, “Physics of Semiconductor devices” , John Wiley & Sons.

2. Yan Wu, N. Shigemori1, S. Sato, K. Kakushima, P. Ahmet, K. Tsutsui, N. Sugii, A.Nishiyama, K. Natori, T. Hattori, and H. Iwai

“Observation of tunneling MOSFET operation in MOSFET with NiSi/Si Schottky source/channel contact” , Submitted to ECS

Transactions, Solid State Topics General Session.

図2　新半導体MOSトランジスタ課題マップ

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新奇光/電子デバイスに基づいたテラヘルツ技術の研究


寳迫　巌研究室（Iwao HOSAKO）

専門分野：テラヘルツ技術、量子カスケードレーザHome Page：http://act.nict.go.jp/thz/jp/main.html

●●研究目的

　電波と光の狭間にあり、利用があまり進んでいない電磁波であるテラヘルツ波（おおよそ周波数：0.1〜10THz、波長：3mm〜30μm）の利用を進め、センシング応用（非破壊・非接触検査）や情報通信応用（近接大容量無線）の実現に向け、基本的なデバイス技術や計測技術を研究し開発すること、さらに開発した技術を応用したセンシングシステムや大容量無線のデモンストレーションを行うことによって、周波数資源の開拓（テラヘルツ波の有効利用）を推進することを研究目的としています。


1．テラヘルツ帯量子カスケードレーザ（THz-QCL: Terahertz Quantum Cascade Laser）の研究

　化合物半導体を用いた超格子結晶成長技術、バンドエンジニアリング、デバイス作成技術の結晶とも言える量子カスケードレーザ（QCL）の研究を行っています。QCLは、半導体超格子を形成す多層薄膜に垂直方向の電子輸送と、半導体超格子構造の伝導帯に形成された量子準位間の光学遷移（サブバンド間遷移）に基づく半導体レーザです。従来の半導体レーザはバンド間遷移によるため、発振波長（周波数）は材料のバンドギャップエネルギーで決まっています。これと異なり、QCLでは同じ材料系を用いていても超格子構造（多

図1：テラヘルツ帯の説明（下）とNICTにおける研究開発（上）（デバイス、データベース構築、大気伝搬）

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層膜構造）を変えることによって、発振波長を大きく変えることができます。またQCLでは、レーザ素子内を流れる電子に関連した特性時間（緩和時間等）がピコ秒程度と極めて短くなっています。そのため、発振スペクトルの線幅が〜数kHz程度と狭く、緩和振動周波数が数百GHz程度かそれ以上（もしくは無い）と予想されており、今後の応用を考える上で興味深い対象です。THz-QCLの研究では、常温動作化・高出力化・超高速変調化を目指したデバイス開発、レーザをテラヘルツ帯の照明として利用するテラヘルツ帯実時間イメージング装置、レーザを局部発振器として用いるヘテロダイン受信機への適用を目指すシステム開発等を実施しています。

2．テラヘルツ帯材料データベース、大気伝搬モデル、量子井戸型検出器、光ファイバ通信技術を用いた近赤外超短パルス光源

　今後期待されるテラヘルツ帯電磁波の広範な利用を支えて行く基盤技術として、テラヘルツ帯材料データベース（http://www.thzdb.org/）の構築を理化学研究所と共同で行っています。リモートセンサーや無線通信技術への応用を視野に入れ、大気伝搬モデルの構築をNICT内部連携で行っています。さらにアレイ化が容易な高感度検出器として量子井戸型検出器、外部信号により容易に制御できる超短パルス光源として光ファイバ通信技術を用いたフェムト秒パルス光源等、広い応用範囲が見込まれる技術の開発を行っています。


　テラヘルツ帯電磁波技術の研究開発には大きな困難ながあると言われていますが、今後利用が拡大すると見込まれており、多くの人々の興味を引き付けています。意欲的な方にお勧めです。

●参考文献1. I. Hosako, et.al. “At the dawn of a new era in terahertz technology,” PROCEEDINGS OF THE IEEE Volume: 95 Issue: 8 Pages:

1611-1623 2007

2. 寳迫　巌，安田浩朗，関根徳彦，「テラヘルツ帯量子カスケードレーザーの現状と将来」，レーザー研究 Vol.39, No.10,

pp763-769, 2011

図2　分子線エピタキシャル成長装置とTHz-QCL用結晶の透過顕微鏡像（左上）、結晶中１モジュールの伝導帯バンド図（上中）、結晶のXRD評価結果（上右）、パッケージングされたTHz-QCL（下左）、THz-QCLの電流（I）-電圧特性（V）と電流（I）-発振強度（L）特性（下中）、液体窒素冷却・小型レーザシステム（蝦茶色部分）（下右）

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梶川浩太郎研究室（Kotaro KAJIKAWA）

専門分野：プラズモニクス・メタマテリアル・非線形光学Home Page：www.opt.ip.titech.ac.jp

●●研究目的

　光を貯めたり、加工したり、好きなように伝搬させたり放出させたりする技術が注目を集めています。これらは、表面プラズモンという金属中の電子波を使えば可能となります。私たちは表面プラズモンを巧みに操った光学技術、プラズニクスやメタマテリアル技術の開発を行っています。


1．表面プラズモンとは？　金属中の自由電子波（プラズマ波）は光と相互作用することはりませんが、図1に示すように表面やナノ粒子では光と相互作用するモードが存在します。これが表面プラズモン（表面プラズマ波）です。特殊な分散関係を持つため、表面プラズモンの励起には工夫が必要ですが、逆にこれを利用して、光を自在に、そして巧みに操る「からくり」をつくることができます。　それでは、「からくり」の例をあげてみましょう。分子サイズのレーザー、それらをつなぐ数10nm程度の太さの極細の光配線、同じ大きさのスイッチング素子がつくられています。また、SF小説のような話かもしれませんが、物質を透明に見せる媒質を作成したり、100nmの厚さでも光や電磁波を完全に吸収できるフィルムが開発されたりしています。負の屈折率を持つ物質（メタマテリアル）をレンズに使えば、図2に示すように電子顕微鏡を使わずにウイルスやDNAなどのバイオ分子を生きたまま観察することができるようになります。表面プラズモンは、このようなエキゾチックなフォトニクスの世界を開く最先端のナノフォトニクス技術です。

2．ナノレーザー　レーザー光をつくるには、共振器中を使って光を増幅しなければなりません。現在のレーザーでは共振器の寸法は、どんなに小さくしても数ミクロンは必要です。これは、光が波であるためです。ところが、最近、表面プラズモンを使えば、図3に示すような直径10ナノメートル程度の共振器が実現できるため、直径100nm程度のサイズのナノレーザーが実現できることがわかってきました。これを使えば、ナノレーザーを標識として用いて、蛋白質やDNA、ウイルスなどの検出や働きを調べることができるようになります。また、光を使った微小で「光速」な局所的な情報伝送を実現することができます。

光を巧みに操る技術：プラズモニクスとメタマテリアル

図1　�金属ナノ粒子や表面で生じる表面プラズモン

図2� 完全レンズを使った光学顕微鏡� �レンズには屈折率が－ 1のメタマテ

リアルを用いる。

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3．プラズモニック黒体　「黒体」というと単に黒い物質のように思われがちですが、極薄のフィルムで高い吸収係数を持つ物質が開発できれば、太陽光電池の性能を改善したり、光化学反応による物質生産を高効率化したりすることができるようになります。一方、「黒い物質ほどよく光を放出する」というキルヒホッフの法則から、集積回路や電子回路から放熱、真空中や宇宙空間への放熱など、熱的なエネルギー循環をサポートする媒質になります。さらに、高い効率を持つ赤外光の光源の開発に貢献することができます。われわれの研究室では、表面プラズモンやメタマテリアルを使った極薄の黒体の開発や、その応用分野の開拓をしています。

4．プラズモニック液晶光素子　ディスプレイなどに用いられている液晶は、固体と液体の両方の性質を持つ不思議な物質です。これを表面プラズモンと組み合わせることにより、図4に示すような、電気を一切使わない、光による光の制御を実現できます。2次元的な光制御が可能であるため、空間変調素子やイメージ（画像）プロセシング素子への応用が可能です。光のみで動作するメモリ効果も持つ光双安定素子の開発に成功しており、これを利用した2次元フリップフロップ素子や加算器などの開発を行っています。

5．高感度ホログラム材料の開発　ワイトバンドギャップ半導体結晶を用いて従来のフォトリフラクティブ材料では、両立することができなかった高い記録感度とメモリ性を併せ持つ新しいホログラム記録材料を開発しています。これが実現できれば、記録用超高密度光メモリを実現することができます。


　私たちは広い分野を研究対象としていますのでメンバーの専門分野は様々です。皆さんの得意なそれぞれの分野で個性を発揮してもらっています。

●参考文献1. 岡本隆之，梶川浩太郎「プラズモニクス　基礎と応用」（講談社サイエンティフィク）2. T. Yamaguchi, H. Okawa, K. Hashimoto, M. Shimojo and K. Kajikawa, "Phase of the electric field localized at surface-

immobilized gold nanospheres determined by second-harmonic interferometry", Phys. Rev. B, 83(8), 085425 (2011).

3. K. Oishi and K. Kajikawa, "Plasmonic all-optical bistable device based on nematic liquid crystal", Opt. Commun., 284, 3445-

3448 (2011).

4. G. Ramakrishnan, N. Kumar, P. C. M. Planken, D. Tanaka, and K. Kajikawa, "Surface plasmon-enhanced terahertz emission from

a hemicyanine self-assembled monolayer", Optics Express, 20, 4067-4073 (2012).

図4 （a）プラズモニック液晶光双安定素子の構造（b）応答特性　1mW/mm2以下の弱い光で動作する。

図3　 2009年に発表されたプラズモニックナノレーザーの構造

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ナノ量子フォトニクス


伊藤治彦研究室（Haruhiko ITO）

専門分野：アトムフォトニクス・ナノフォトニクス・量子エレクトロニクスキーワード：原子操作・機能化、スピンクラスター制御、ナノ光相互作用Home Page：http://www.ito.titech.ac.jp

●●研究目的

　情報処理システムの高機能集積化が進み、ナノメートルを超えて原子スケールへのダウンサイジングが必要となってきました。究極的には１個の原子で構成される素子に行き着きます。こうした極小の世界では従来の電子・光デバイスの動作原理が破綻し、量子力学や近接場光学に則った原理で動作させなければなりません。本研究室では、レーザ冷却技術とナノ寸法の局所的な光の場である近接場光を用いて原子を個別選択的に制御し、原子の量子性やスピンを機能化したデバイスおよび近接場光の特性を生かしたナノ光相互作用で動作するデバイスの開発に取り組んでいます。レーザ光に代わる次世代の光技術の担い手と期待されるナノの光で科学の未来を描きます。


1．ナノ空間をデザインする　原子を個別的に制御する空間を、ナノの光で創りだします。例えば、図１のように、８個の格子点に配置した近接場光によって原子を力学的に閉じ込めます。これまでに、シリコン基板を微細加工して、中央に原子捕獲用のナノスペースを有する十字構造体を作製しています。図２に断面を示します。下方からレーザ光を照射すると、斜面部のAu層に沿って表面プラズモン-ポラリトン（SPP）が伝播し、境界端面で近接場光が発生する仕組みです。原子の量子性を機能化する素子の端緒として、量子ジャンプによって超高速動作する光子ゲートなどへ応用します。

2．原子を集める　光学トラップに原子を送り込んだり、原子レベルからナノ構造をつくったりするのに用いる近接場光レンズの開発を行います。シリコン微細加工によって作製した中空逆ピラミッド構造の底面微小開口の周囲に近接場光を誘起し、入射原子を双極子斥力によって収束して出力します。レーザ冷却原子を用いると、数ナノメートルのスポットに集められることを数値シミュレーションによって確かめています。このデバイスでは、ド・ブロイ波のスクイージングという新しいコンセプトを用いるのが特徴です。図３にフォーカシングの様子を示します。

図1：近接場光格子

図2：原子トラップ断面

図3　原子のナノフォーカシング

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3．スピンクラスターをつくってナノの光で制御する　回折限界を超えて超高密度光記録を行うために近接場光を利用します。1 nm2 以上の面密度で記録できるならば、人間の脳の容量に匹敵するといわれる1 Pb/in2 ストレージの実現も夢ではありません。そのための記録素子として、少数個の原子で構成したスピンクラスターの形成に取り組んでいます。レーザ冷却したアルカリ金属原子を光ポンピング法によってスピン偏極し、相互作用しにくい希ガス原子をコートした基板上で自己組織化します。クラスター化に必要な多体衝突を起こさせるために、図４に示すエバネッセント光ファネルを用いて入射原子の高密度化を行います。図５は、密度汎関数理論を用いて計算した 87Rb4 クラスターのスピン１重項状態と３重項状態の形状です。近接場光で１重項-3重項変化を起こす方法を開発します。

4．ナノの光の幾何学特性を調べる　近接場光の発生は、物質形状に強く依存します。ナノスリットでは、端部に誘起された電気双極子モーメントによって二重ピークの強度分布が得られるはずですが、急峻でないと明瞭さが失われます。このような幾何学的な性質をシミュレーションと実験の両面から調べ、近接場光に所期の機能をもたせるにはどうすればよいかを探求します。そして、ナノスリット構造に誘起した近接場光による原子の高精度偏向（図６）や高空間分解検出などへ応用します。また、有限差分時間領域法（FDTD）の高速化を図り、ナノ光解析に適したシミュレーション技術を開発します。


　本研究室で扱う多彩なテーマは、オンリーワンのキャラクターが強いものです。結果を出すのに時間がかかるし、ときには新奇なものに対する強い抵抗があります。しかし、できそうにないことを実現する、それが科学の飛躍的な発展につながります。私たちと一緒に、誰もやったことがない先進的なテーマにチャレンジしてみませんか。

●参考著書・アーカイブ1. サイエンスZERO「ナノの世界に輝く光 -近接場光」NHKオンデマンド，2010

2. ナノ光工学ハンドブック，2.8節「原子への力学的作用」，11.1節「原子操作」，朝倉書店，2002

3. ナノテクノロジーハンドブック，I編創る，7.2節「近接場原子光学パターニング」，オーム社，2003

4. 光ナノテクノロジー，基礎編「光と原子」，応用編「ナノの光で原子を操る」，アドスリー，2005

5. 科学立国日本を築く，第８章「光で粒子・分子・原子の動きを操る」，日刊工業新聞社，2006

6. 近接場光のセンシンブ・イメージング技術への応用，第11章「近接場光を用いた原子の制御と検出」，シーエムシー出版2010

7. 解く！量子力学，講談社サイエンティフィク，2008

8. 解く！先端技術の量子力学，講談社サイエンティフィク，2010

図6　原子偏向器

図4　エバネッセント光ファネル図5　スピンクラスター４量体

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量子効果によるテラヘルツデバイスの実現を目指して


浅田雅洋研究室（Masahiro ASADA）

専門分野：テラヘルツデバイス、ナノエレクトロニクス、ナノデバイスHome Page：http://www.pe.titech.ac.jp/AsadaLab/Asada_Lab.html

●●研究目的

　トランジスタなど電子デバイスの微細化が進み、その大きさがナノサイズになってきたため、量子効果とよばれる新しい現象が観測されるようになってきた。そして量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスなど、新しいデバイスの実現を目指した研究が盛んに行われている。本研究室では量子効果により超高速・超高周波に応答できる新しいデバイスの実現を目指している。とくに、テラヘルツ帯とよばれる電波と光の中間の周波数帯は未開拓で、この周波数帯で動作するデバイスが実現すれば、イメージング、大容量通信・情報処理、あるいは物性、天文、生体などいろいろな分野にわたる計測など、非常にさまざまな応用が拓かれる。このようなテラヘルツ帯の電磁波に対するナノ構造の新しい量子現象の探索、そして、それらを利用したテラヘルツデバイス実現を目指す研究を行っている。


1．テラヘルツデバイス　テラヘルツ帯（あるいはサブミリ波帯、遠赤外）とよばれる、周波数が約 1THz 〜10THzの領域は光と電波の中間の未開拓領域で、固体の発振・増幅素子で満足なものはまだ存在しない（図1）。また、このような超高周波に対して、半導体ナノ構造がどのような応答をするかはまだ十分わかっていない。ところが、この周波数帯が開拓されれば、大容量通信・情報処理やイメージング、計測など非常に広い分野で種々の新しい応用が期待されている。　本研究室では、テラヘルツ電磁波に対する半導体ナノ構造の新しい現象の追求や、ナノ構造によるテラヘルツ発振・増幅デバイスの実現を目指した研究を行っている。　たとえば、図2ではナノ構造のひとつである共鳴トンネルダイオードにテラヘルツ用の微細アンテナを集積し、テラヘルツ波を照射して、テラヘルツフォトンアシストトンネリ

図1　固体のテラヘルツ増幅・発振素子の現状

図2　テラヘルツフォトンアシストトンネリング現象を観測した微細アンテナ集積型共鳴トンネルダイオード

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ングという現象を室温で観測した。　また、最近、この共鳴トンネルダイオードを用いて、電子デバイスでは初めての室温テラヘルツ発振に成功した（図3）。現在、室温で1THzを超える周波数を単独で発生できる半導体デバイスは共鳴トンネルダイオードしかない。　本研究室では、この共鳴トンネルダイオードのさらに高い周波数での発振や高出力化を目指して研究を行っている。このほか、極短チャネルの高電子移動度トランジスタに低損失の伝送線路を集積させたテラヘルツ集積回路など、新しいテラヘルツデバイス・回路の実現を目指した研究を行っている。

2．テラヘルツ無線通信のための発振・受信素子、変調素子、集積構造

　サブテラヘルツ〜テラヘルツ周波数帯を用いることにより、短距離の超広帯域無線通信が可能である。本研究室では、このような応用を目指して、共鳴トンネルダイオードとショットキーバリアダイオードによるテラヘルツ送受信系（図4）、光ファイバからの信号を直接テラヘルツ波に乗せる新しい原理のテラヘルツ波変調素子、および、それらの集積デバイスの研究を行っている。


　研究はテラヘルツという未知の分野で、物理現象の探索からデバイス作製・応用にまで及んでおり、それぞれ実験あり理論あり。簡単ではないけれど、一歩先には今までになかった最高周波数のデバイスや新しい現象がある。各人の得意なところを生かして新しい発見やデバイス実現の力を発揮してほしいと思っています。研究室メンバーから一言：世界初のデバイスを作れるかも？！（教員：作れます）／電子の気持ちがわかるようになるかも／研究するには最高の環境です／動作時間 “0” のデバイスを目指せ（教員：これは無理です）／メンバーは個性派ぞろい／

●主な発表論文1. M. Shiraishi, H. Sugiyama, K. Ishigaki, S. Suzuki, M. Asada, H. Sugiyama, and H. Yokoyama, “High Output Power （～ 400mW)

Oscillators at around 500 GHz Using Resonant Tunneling Diodes with Graded Emitter and Thin Barriers”， Applied Physics

Express, vol.4, 064101 (2011).

2. S. Suzuki, M. Asada, A. Teranishi, H. Sugiyama, and H. Yokoyama, “Fundamental Oscillation of Resonant Tunneling Diodes

above 1 THz at Room Temperature”， Applied Physics Letters, vol.97, 242102 (2010).

3. M. Asada, S. Suzuki, and N. Kishimoto, “Resonant Tunneling Diodes for Sub-Terahertz and Terahertz Osciullators”（Invited &

Review), Japanese Journal of Applied Physics, vol.47, no.6, pp.4375-4384 (2008).

4. 浅田雅洋，「テラヘルツ波新産業」，分担，斗内政吉監修，シーエムシー出版，2011.

図3　�共鳴トンネルダイオード（RTD）による、電子デバイスで初めての室温テラヘルツ基本波発振

図4　共鳴トンネルダイオード（RTD）とショットキーバリアダイオード（SBD）を用いたヘテロダイン送受信

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超ヘテロ結晶の創製と量子ナノ構造光・電子機能デバイス


渡辺正裕研究室（Masahiro WATANABE）

専門分野：量子ナノ構造デバイス、ヘテロ結晶工学Home Page：http://www.pe.titech.ac.jp/WatanabeLab/

●●研究目的

　集積エレクトロニクスの革新に向けた新デバイスコンセプトの提案と実証を主軸として、その構成材料を原子レベルで制御して結晶成長を実現する技術や、ナノ構造デバイスを構築するためのプロセス技術の研究を行っている。金属・絶縁体・半導体など、性質が異なる複数の材料を接合したナノメートル厚の積層薄膜、あるいはナノ微結晶を形成する技術を創出するとともに、その新しく作り出された人工結晶（≡ヘテロ･ナノ結晶）の中で生じる光及び電子の量子物性を応用した革新的集積デバイスの実現を目指す。


1．ヘテロ・ナノ結晶による革新的光機能素子　異なる種類の材料（半導体、絶縁体、あるいは金属）を接合させると、その接合界面に大きなバンド不連続が形成され、そのポテンシャル障壁を利用して人為的に電子やホールを閉じこめて制御する量子井戸や、電子の波の性質を利用した共鳴トンネルなどの量子現象を活用することが可能となる。異種材料の接合技術により、人工的な物性の設計自由度は飛躍的に拡大し、これまでに考えられなかった革新的な機能デバイスや学問分野が開けてくることが期待される。

■量子ドット太陽電池　量子ドット構造は、量子閉じ込めによる禁制帯幅制御や、フォノン散乱制御により薄膜太陽電池の変換効率を根本的に増大させる基本原理を内蔵している。本研究では、単結晶で構成可能なシリコン量子ドット超格子を用いて、変換効率増大に関する原理実証、および、セル構造の提案や素子構造形成技術等に関する研究を行っている。

■シリコン集積サブバンド間遷移レーザ　量子井戸中に形成されたエネルギー準位間の光遷移（≡サブバンド間遷移）は、間接遷移型で「光らない」半導体の代表格であるシリコンを用いても原理的に光遷移が期待でき、しかもバンド内の電子･ホールの応答速度は高速であるため、量子井戸サブバンド間遷移レーザ

シリコン量子ドット超格子の断面構造

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シリコンLSIと集積可能な高速応答レーザを実現するのに適したデバイス原理といえる。本研究では、シリコンと積層結晶形成可能な異種材料群を駆使して、可視〜赤外の発光の可能性を有するレーザ構造を提案し、特性の理論解析や結晶成長・素子形成技術に関する研究を行っている。

2．超高集積メモリ・スイッチングデバイス　超ヘテロ・ナノ結晶を用いた共鳴トンネル素子では、顕著な量子閉じ込め効果から、室温においても巨大な微分負性抵抗特性を示す。この共鳴トンネル現象に、量子井戸への電荷蓄積／放出現象を適切に組み合わせると、メモリ・スイッチング素子が構成される。この素子は極限的な微細化・集積化に適した構造と原理を有しており、将来の極限集積メモリや高速三端子素子実現への基礎となる。本研究では、共鳴トンネル抵抗変化スイッチング素子を提案し、理論解析及び実験的な特性解明の研究を行っている。

3．超ヘテロ・ナノ結晶を形成する結晶成長・プロセス技術の開拓　原子レベルで接合界面が制御されたナノサイズの微結晶、あるいは細線、薄膜等の量子構造は、ナノエレクトロニクス時代のデバイス構成要素として重要である。本研究室では、このような構造を実現し、新機能を引き出すための基本構造として、既存集積回路の代表的材料であるシリコンと結晶構造が類似で良質の結晶が得やすい材料構成を採用して、多重の接合形成に関する実験的研究を行っている。これまでの結晶成長技術の研究から、3-4原子層（1ナノメートル程度）の弗化カルシウムと、金属コバルトシリサイド、半導体シリコン、あるいは絶縁体弗化カドミウムの量子井戸を積層した人工積層単結晶の形成が可能となってきた。この新しく可能となった金属／絶縁体／半導体人工結晶の電気的、光学的特性を明らかにして集積素子への適用可能性を探求するとともに、表面の原子配列や周期構造形成のメカニズムを人為的に制御して、さらに複雑な量子構造を、より精密に設計・制御する技術の創出を目指す。


　基本原理から考え抜き、計算で確かめて納得する。技能を体得して実験手法を編み出し、世の中にないものを実現する。このような体験を通して、どのような分野でも活躍できる真の力を身に着けて欲しいと願っています。

�

●参考文献1. M. Watanabe and T. Wada, “Fabrication and Characterization of CdF2/CaF2 Resonant Tunneling Floating Gate Metal-oxide-

semiconductor Field Effect Transistor Structures” , 2008 International Conference on Solid State Devices and Materials

（SSDM2008）, H-9-3, 1090-1091（2008）2. T. Kanazawa, M. Watanabe and M. Asada, “Room temperature negative differential resistance of CdF2/CaF2 double-barrier

resonant tunneling diode structures grown on Si（100）substrates” , Appl. Phys. Lett., 99 [9] 092101（2007）3. K. Jinen, T. Kikuchi, M. Watanabe, and M. Asada, “Room-Temperature Electroluminescence from Single-Period（CdF2/CaF2）

Inter-Subband Quantum Cascade Structure on Si substrate” , Jpn. J. Appl. Phys., 45, pp. 3656-3658（2006）4. M. Watanabe, T. Funayama, T. Teraji, N. Sakamaki, “CaF2/CdF2 Double-Barrier Resonant Tunneling Diode with High Room-

Temperature Peak-to-Valley Ratio,” Jpn. J. Appl. Phys., 39 [7B] L716-L719（2000）.

シリコン基板上に形成された、3原子層弗化カルシウム／12原子層シリコン／ 3原子層弗化カルシウムの人工積層単結晶の透過型電子顕微鏡による断面格子像

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新材料・新機能素子によるナノ電子デバイス集積技術の開拓


筒井一生研究室（Kazuo TSUTSUI）

専門分野：電子デバイス、電子材料、デバイスプロセス、薄膜・結晶成長Home Page：http://www.tsutsui.ep.titech.ac.jp/

●●研究目的

　半導体デバイス、とりわけシリコン大規模集積回路は素子の微細化と集積規模の拡大によって極めて大きなそして急速な進歩を遂げてきた。その高度な技術的蓄積は将来に渡り我々の社会を支える基盤である。しかし、素子の寸法がナノメートルの領域に到達しつつある時代にはいり、従来型の微細化に頼るのみでは大きな発展は難しくなってきた。本研究室では、新しい材料技術、デバイス技術、プロセス技術でこの課題を切り開くブレークスルーの提案、ひいては技術のパラダイムシフトの誘導をめざして研究を進めている。研究テーマとしては、先の長いロングレンジの独自の研究から、近い将来の明確なターゲットを産学連携で推進するものまで、同時にとり組んでいる。


1．シリコン基板上への弗化物ヘテロ構造の成長　結晶性絶縁物である弗化カルシウム（CaF2）、弗化カドミウム（CdF2）、およびこれらの混晶（CaxCd1-xF2）を厚さナノメートル程度で人工結晶として積層する超薄膜ヘテロ構造をシリコン基板上に成長する。この技術を使うと、シリコンチップ上に高性能の量子井戸構造を直接形成でき、共鳴トンネルデバイスなど量子効果デバイスが実現できる。原理実証を終え、現在は高品質構造の成長技術を数々のアイデアで探求している。

2．弗化物共鳴トンネルデバイスとシリコンデバイスの集積回路

　共鳴トンネルデバイスは微分負性抵抗特性を持つ。このような特性のデバイスがシリコン集積回路のなかで自由に使えると、従来よりはるかに少ない素子数で高速・高機能の集積回路の実現が期待できる。本研究室で生まれた弗化物ヘテロ系共鳴トンネルデバイスは、この概念の実現に有力な候補であると考えている。この実証のため、実際にシリコンMOSFFETとのモノリシック集積素子を試作する研究を進めている。

CaF2とCdF2ヘテロ構造による共鳴トンネルダイードとその特性

試作した共鳴トンネルダイードとシリコンMOSFETの集積回路

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3. ナノCMOS時代に向けたトランジスタプロセス技術　シリコン大規模集積回路の内部で主役を演じているのがCMOSトランジスタである。この集積回路のさらなる高性能化・高機能化には構成要素となるMOSトランジスタの微細化推進が必須である。トランジスタの微細化は平面方向の縮小だけでなく、縦方向すなわち各部の層厚や接合深さも比例縮小しなければならず、これがナノメートル領域に入りはじめる。これを実現するためにはそれぞれの要素を工業的につくるプロセス技術のイノベーションが必要になっている。本研究室では、これに関連して、プラズマドーピングによる極浅接合の形成とその不純物状態を解明する評価技術、およびこれらを立体構造トランジスタ（FinFETなど）に適用する研究を、本専攻の岩井研究室とも共同で推進している。


　新しい物を作り出す研究は思い通りには行かないことの方がずっと多いものです。常に自分の頭でよく考えることを忘れずに、ねばり強くとり組んでみてください。あるときそこから小さな、しかしわくわくさせるような輝きが見えるときが来ます。研究はそういう非常に個人的体験であるとともに、一方で、他の研究者との関わりのなかで自分の活動と存在を形にしてゆく社会的な面があります。国内、海外の学会で自分の研究成果を発表する機会も多くあります。これも自分の世界がひろがるエキサイティングな体験になるはずです。大学院でこういうことを存分に味わうことができれば、実は皆さんが将来社会で活躍できる大きな糧を得たことになるのです。

●参考文献1. 筒井一生，「Si基板上のフッ化物共鳴トンネルダイオード」，応用物理，78（5），pp.432-436（2009）2. S. Watanabe, T. Sugisaki, Y. Toriumi, M. Maeda and K. Tsutsui, “Fabrication of Fluoride Resonant Tunneling Diidodes on

V-Grooved Si（100）Substrates” , Jpn. J. Appl. Phys., 45（6A）, pp.4934-4938（2006）3. K. Tsutsui, T. Matsuda, M. Watanabe, C. G. Jin, Y. Sasaki, B. Mizuno, E. Ikenaga, K. Kakushima, P.Ahmet, T. Maruizumi, H.

Nohira, T. Hattori and H. Iwai, “Activated Boron and its Concentration Profiles in Heavily Doped Si Studied by Soft x-ray

Photoelectron Spectroscopy and Hall Measurments” , J. Appl. Phys., 104, 093709（2008）4. 筒井一生，「よくわかる電子デバイス」，オーム社，（1999）

プラズマドーピング法の概念図立体構造トランジスタ:FinFETMOSトランジスタと微細化対象

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色素分子の集合状態の制御による新しい光機能材料の開発


稲垣由夫研究室（Yoshio INAGAKI）

専門分野：有機材料化学

●●研究目的

　光子や電子との相互作用を通じて新しい機能を発揮する有機材料を開発し、写真感光材料、光ディスクなどの光情報記録材料や光/電子デバイスへ応用することを目指しています。


1．色素分子の集合状態の制御　有機化合物は、分子構造と分子の集合状態に応じて様々な性質を示します。特に有機色素は、特定のエネルギーの光を吸収して物質を染色するだけでなく、電子の授受や輸送に関与し得る、広がったπ電子系を持

図1　色素モノマーの配列の違いによる吸収スペクトルの変化

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っていますので、その分子構造設計と分子集合状態の制御により、有用な新しい光/電子的性質の発現が期待されます。特に結晶、液晶、アモルファス、物質界面における色素分子の配列制御技術の開発をめざして、分子構造設計と特定の配列を誘起する環境因子の両面から研究しています。

2．光記録材料等の光機能材料への応用　銀塩写真におけるハロゲン化銀の分光増感色素として、あるいは光ディスクなどの高密度光情報記録媒体の記録層として、色素固体薄膜が実用されています。実用に耐える色素が開発されるまでには、色素分子集合体としての基本性能、保存安定性、耐久性、素材安全性はもちろん、これに加えて、併用する素材との整合性、製造方法との適合性、コストなど多くの関門を突破しなければなりません。これらの条件と最終製品の性能目標を考慮して、柔軟性のある開発戦略を立てる必要がありますが、その手がかりとなるのが物理や化学などの基礎科学の知識です。


　有機化学は単なる暗記物ではなく、科学的に体系化されていますが、実際に踏み込んでみなければわからない未知の領域も広がっています。大発見、大発明の期待を胸に、過去の応用例に学びつつ、有機材料の可能性について考えてゆきましょう。

●参考文献1. Morishima, S.-i.; Wariishi, K.; Mikoshiba, H.; Inagaki, Y.; Shibata, M.; Hashimoto, H.; Kubo, H., Tuning the Thermochemical

Properties of Oxonol Dyes for Digital Versatile Disc Recordable: Reduction of Thermal Interference in High-Speed Recording,

J. Soc. Photogr. Sci. Technol. Japan, 73, 252（2010）.

2. Saito, N.; Akiba, M.; Inagaki, Y.; Shibata, M.; Ishida, T.; Kubo, H., Improved Thermal Stability of Dye-Based Optical Discs:

Effect of Hydrogen Bonding, Jpn. J. Appl. Phys., 48, 042402（2009）.

3. Inagaki, Y.; Morishima, S.-i.; Wariishi, K.; Saito, N.; Akiba, M., A new class of light-fast oxonol dyes: organic-glass forming salts

of oxonol anions and 4,4'-bipyridinium cations, J. Mater. Chem., 16, 345（2006）.

4. 稲垣由夫，秋葉雅温，高効率2光子吸収化合物の開発動向，レーザー研究，31，392（2003）.

5. Katoh, T.; Inagaki, Y.; Okazaki, R., Synthesis and properties of bismerocyanines linked by a 1,8- naphthylene skeleton. Novel

solvatochromism based on change of intramolecular excitonic coupling mode, J. Am. Chem. Soc, 120, 3623（1998）.

6. Katoh, T.; Inagaki, Y.; Okazaki, R., Linear and stack oligostreptocyanines. Effects of relative orientation of chromophores on

redox potentials of dye aggregates, Bull. Chem. Soc. Jpn, 70, 2279（1997）.

図2　写真乳剤中の色素の吸着挙動図3　DVD-R用色素の耐光性向上の化学

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異種機能集積化技術による次世代デバイスの創出


町田克之研究室（Katsuyuki MACHIDA）

専門分野：�異種機能集積化インタフェース技術、CMOSLSI技術、MEMS技術、集積化CMOS-MEMS技術

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●●研究目的

　当研究室は、異種機能集積化技術の研究を行います。近年、LSIの研究開発の技術方向性のキーワードとして、More Moore（微細化）、Beyond CMOS（ナノ）、More Than Moore（集積化）という三つがあります。特に、More than Mooreとしての異種機能素子には将来性も含め大いに期待され、世界中で活発に研究開発がされています。異種機能素子としてMEMSやセンサなどが挙げられます。これらの素子とLSIなど、あらゆる階層、あらゆる特徴のあるデバイスを融合することにより新機能のデバイスを実現すること、それが異種機能集積化技術です。新たな産業の芽を創出するためにプロセス、回路、実装と集積化に必要な要素技術を開拓構築することを目的とします。益一哉研究室と密接な連携のもとに研究推進いたします。


異種機能集積化技術におけるインターフェイス技術に関する研究　異種機能素子の一つであるMEMSとLSIを融合したものを集積化CMOS−MEMS技術と呼びます。ここで、その一例を図１に示します。これは集積化CMOS−MEMS指紋センサです 1-3）。MEMS構造の突起により指紋の凹凸を検出し、その微小信号をMEMS下部にあるCMOS回路により指紋画素の白黒に変換して、最終的には指紋画像を出力します。このチップの特徴は、指の表面状態（濡れたり、乾燥している状態）に依存せず、常にクリアな指紋画像を出力できる特徴があります。このようにCMOSとMEMSが融合することにより、従来にない新たな機能を得ることができます。さて、写真を観察すると間単に構造が実現し、回路が簡単にできているように思うかもしれません。実は、このCMOSとMEMSを融合するために相互に工夫をしています。ある意味それをインタフェース技術と呼ぶことにします。このインターフェース技術は、確立されたものではありません。また、汎用化、一般化されたものでもありません。しかし、異種機能素子を集積化したデバイスが産業化できるかどうかのキーとなる技術であり、世の中が待ち望んでいる技術です。インターフェース技術

図1　集積化CMOS－MEMS指紋センサのSEM写真（左）とピクセルのFIB像（右）

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での課題は沢山あります。プロセス、回路、実装など各技術分野でのインタフェースがあります。当研究室では、MEMSデバイスに着目し、MEMSデバイスの機能向上を追究すると共にCMOSとの融合についてインターフェース技術の構築を目指し異種機能素子の集積化が容易に実現できるようにしたいと思っています。　インタフェース技術の概念図を図２に示します。図２は下部にLSIと上部に異種機能素子としてMEMSを現しています。CMOSLSIは確立された技術でもあり、また、日々進化している技術です。一方、異種機能素子は多種多様です。また、設計サイズとして、微細なLSIは、１μm以下、一方、異種機能素子は、１μmから数100μm級の寸法領域です。当然、寸法領域が異なるためにいろいろな課題が生じることが予想できます。その課題を克服するのがインタフェース技術です。その異なるサイズのデバイスをいかに問題なく統合して設計するか？まずは、容易に設計できる環境の構築が必要であることが予想できます。回路だけでなく、プロセス、実装も同じです。インタフェース技術は、集積化するための必須技術であると考えます。実際に、デバイスの試作を行います。同時に、回路、プロセス、実装における課題を抽出し、統合に向けたシミュレーション、モデル化を検討していきます。なお、本研究に当たっては多くの研究者の協力なくしてできるものではありません。東工大のみならず日本の各大学の先生方や産業界の人たちとの連携により推進していく予定です。


　本研究室の特徴は、MEMSデバイス、センサの設計等々を行い世の中で使われるための課題の抽出と新しい概念の創出にあります。実際には、益研究室と密接な関係の下に研究するだけでなく、他大学、産業界の方々との連携の中で研究を行うことになります。Dynamicな経験をしていただきたいと同時に是非博士課程まで進んでいただきたいと思います。　さて、私はメーカの人間でもあります。毎年、新入社員に「どうしたいですか？」と問いかけると「有名になりたい。いい技術者になりたい」ということを新入社員は語ります。有名になること、いい技術者になることを否定しません。まずは、どれだけ基礎力を磨いてきたかということを会社は期待します。何故でしょうか？会社にはいろんな仕事があります。どれも大事です。特に、新入社員には、過剰なほど期待しています。そういう期待に答えられるためにどうすればいいか？大学の研究を通して一緒に、これからの日本を支える人材たるべく切磋琢磨したいと思います。本研究室のテーマは異種機能集積化です。本研究を進めるには多くの人との協調が必要です。協調の上になしえた「ものができた」ときの喜びは何事にも代え難いです。最先端の技術習得をしながら、学会活動を行い、世の中との接点を見出して「これからの自分」を発見することも大事です。そして明日の日本、未来の世界、これからの地球を考える優しいエンジニア、研究者を目指しませんか？

●参考文献1. N. Sato, K. Machida, H. Morimura, S. Shigematsu, K. Kudou, M. Yano, and H. Kyuragi, “MEMS Fingerprint Sensor Immune to

Various Finger Surface Condition” IEEE Trans. Electron Devices, Vol.50, No.4, pp.1109（2003）2. K. Machida, H. Kyuragi, H. Akiya, and K. Imai, “Novel Global Planarization Technology for Interlayer dielectrics Using Spin on

Glass Film Transfer and Hot Pressing” J., Vac. Sci. Technol. B16, pp.1093（1998）3. N. Sato, H. Ishii, S. Shigematsu, H. Morimura, T. Kamei, K. Kudou, M. Yano, K. Machida, and H. Kyuragi, “A Sealing Technique

for Stacking MEMS on LSI using Spin-Coating Film Transfer and Hot-Pressing” Jpn. J. Appl. Phys. 42 pp.2462（2003）

図2　概念図

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機能性材料を用いた次世代電子デバイスの研究


徳光永輔研究室（Eisuke TOKUMITSU）

専門分野：電子デバイス、電子材料Home Page：http://toku-www.pi.titech.ac.jp/

●●研究目的

　本研究室の研究目的は、「強誘電体、酸化物半導体、SiC、GaNなどの新しい機能性材料を導入して、従来よりも多機能・高性能な電子デバイス、または従来にない新しい電子デバイスを創成すること」である。シリコン集積回路は飛躍的な発展を遂げ、現在あらゆる所に使用されている。しかし現在その性能限界が見えてきたことも事実であり、問題は深刻である。本研究室では、従来のシリコンデバイスには用いられてこなかった新しい機能性材料を導入した電子デバイスを創り出すことを目標としている。そのためには、次世代のデバイスに何が要求されるかを理解し、さらに材料の特徴を把握し、可能であれば人工的に材料の物性を制御して、電子デバイスにいかに生かすか、が鍵となる。本研究室では、材料の物理的性質の理解と人工的物性制御といった材料研究から、実際に素子を試作して動作検証するデバイス研究（または簡単は集積回路作製）、さらに低環境負荷の新しいデバイス作製プロセスの研究を行っている。


1．強誘電体ゲートによる巨大電荷制御と薄膜トランジスタ型不揮発性メモリ素子の研究　強誘電体のP−E特性を見ると、強誘電体という材料は不揮発性メモリ機能の他に、低電界において巨大な電荷量を誘起できることに気づく。シリコンMOSFETのゲート絶縁膜に用いられるSiO2 では、10MV/cmの電界印加時に3.5μC/cm2 の電荷量が誘起されるのに対し、強誘電体では、0.5MV/cm程度の印加電界で50μC/cm2もの電荷量を誘起できるものもある。本研究室では、この強誘電体の巨大電荷制御能力を利用して導電性チャネルを制御するトランジスタのコンセプトを提唱している。一例として透明導電膜のインジウム・スズ酸化物（ITO）をチャネルに用いてトランジスタを試作し、動作検証に成功した。ITOという通常は電極に用いる導電性の材料を薄膜トランジスタのチャネルに利用した例は本研究室だけである。さらに石英基板上で透明の強誘電体ゲート薄膜トランジスタを作製し、良好なトランジスタ特性と不揮発性のメモリ機能を確認した。また有機の強誘電体材料であるP（VDF/TrFE）と無機材料のアモルファス酸化物半導体

ITOチャネル強誘電体ゲートトランジスタのID－VD特性透明ITOチャネル強誘電体ゲートトランジスタの写真

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（In-Ga-Zn-O）を組み合わせた不揮発性メモリ素子の作製にも成功している。今後は素子の微細化とメモリ集積回路の実現、また3.で述べる低コスト、低環境負荷の液体プロセスによるデバイス作製を進めていく。

2．SiCを用いたパワーデバイスの研究　言うまでもなくエネルギーの有効利用は現在の我々が直面する大きな課題であり、パワーデバイスの超低損失化が求められている。現在、パワーエレクトロニクスの分野においてもシリコンの活躍はめざましいが、更なる低損失化のためには、Siよりも絶縁耐圧の大きい、すなわちバンドギャップの大きい材料の導入が不可欠であり、SiCが期待されている。しかし、SiCを熱酸化してゲート絶縁膜を形成すると、界面層が形成されて高密度の界面準位が生成され、極度にチャネル移動度が低下するという問題がある。このためSiCパワー MOSFET実現のためにはゲート絶縁膜とSiCの界面特性の抜本的な改善が急務である。本研究室では、SiC用のゲート絶縁膜を熱酸化ではなく、気相成長により低温で堆積する試みを行っている。Al2O3 をSiC基板上に190℃という低温で堆積しMOSFETを作製したところ、チャネル移動度300cm2/Vs以上と、熱酸化膜を用いた場合（10cm2/Vs程度）と比較して格段に大きな値が得られた。今後は実用化のための研究へと進めていきたい。

3．電子デバイス作製のための低環境負荷液体プロセスの研究　現在のシリコン集積回路の作製には、非常に高価で巨大なプロセス装置の数々が必要である。また微細なデバイスを実現するために高度なリソグラフィー技術が不可欠で集積回路作製のためのマスクコストも膨大である。さらに原料の利用効率も圧倒的に悪い。これからの低炭素社会を実現するためには、集積回路の低消費電力化やパワーデバイスの高効率化だけでは不十分であり、これらのデバイスや集積回路を作製するプロセスのエネルギー効率、資源の利用効率を飛躍的に高めた新しい技術が必要である。本研究室では、このような背景から液体原料を用いた新しいデバイス作製プロセスの開拓に挑戦している。これは大きなチャレンジと考えている。現在までに液体原料を用いて酸化物半導体薄膜トランジスタを作製して動作確認をしており、今後は液体原料とインクジェット法やナノインプリント技術を用いて、リソグラフィー技術を使用せずに電子デバイスと集積回路を実現していく。


○原理原則を考えよう。工学系の研究というのは今まで世の中になかったものを新しく創り出すということである。従って簡単にうまくいくわけがない。失敗が当然である。しかし、失敗したらすぐに諦めたり、落ち込んだりせずに、その失敗がどうして起こったのかを原理原則から考えてみよう。人間そうバカではない。何回も失敗しているうちに、不思議なくらい自然と答えが見えてくるものである。原理原則に沿ったものであれば、思いついたアイディアは必ず実現できる。希望を捨てるな。

●参考文献1. S. Hino, T. Hatayama, J. Kato, E. Tokumitsu, N. Miura and T. Oomori, “High channel mobility 4H-SiC metal-oxide-

semiconductor field-effect transistor with low temperature metal-organic chemical-vapor deposition grown Al2O3 gate

insulator” , Applied Physics Letters, vol.92, pp.183503-1～2, 2008.

2. E.Tokumitsu, M. Senoo and E. Shin, “Fabrication of Transparent Ferroelectric-Gate Thin Film Transistors with Nonvolatile

Memory Operation” , Materials Research Society Symp. Proc., Vol.902E, pp.T10-54.1-54.6, 2006

3. T. Miyasako, M. Senoo and E. Tokumitsu, “Ferroelectric-gate thinfilm transistors using indium-tin-oxide channel with large

charge controllability” , Applied Physics Letters, vol.86, pp.162902-1～3, 2005.

Al2O3/SiC MOSFETのID-VG特性と移動度

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情報技術のための新しい機能材料の開発とイメージングデバイスへの応用


半那純一研究室（Jun-ichi HANNA）

専門分野：有機・無機薄膜半導体材料、イメージング材料Home Page：www.isl.titech.ac.jp/~hanna/

●●研究目的

　半那研究室では、情報技術に用いる新しい機能性材料やそれを用いた新しいイメージングデバイスを開発することを目的に研究を進めています。中でも、特に画像に関わる技術を中心に、情報の記録、記憶、表示、複写などを行なう際に用いられる新しい材料やデバイスの開発を目指します。実験を通じて自然の仕組みに触れながら、それを活用して新しい材料やデバイスの開発を進めるというのが基本的な取り組みです。材料という視点に立ってものを考え、その開発に取り組むとともに、学問の発展に寄与できる新しい概念の創出やアプローチの独自性が発揮された研究を目指しています。


　現在の研究テーマは新しい半導体薄膜材料の開発とそのイメージングデバイスへの応用です。具体的なターゲットはガラス基板上に形成可能な高品質な多結晶Si系薄膜と液晶性有機半導体材料です。　多結晶Si薄膜は、電卓の太陽電池や液晶ディスプレー用のTFTに用いられているアモルファスSiの次世代を担う材料として最も有望とされるもので、有機ELディスプレーや小型液晶ディスプレー、次世代の高精細液晶テレビのなどに用いる駆動用のTFTアレー、太陽電池などへの応用が期待されます。この研究では、原料ガスの反応性に注目した反応性CVD法という新しい概念に基づく薄膜材料の低温気相成長技術を提案し、その考えのもとに、高品質なポリシリコン薄膜の低温形成を目指しています。この概念は、基本的に、プラズマCVD法、熱CVD法などに適用可能で、原料ガスにSi2H6とGeF4を用いた反応性熱CVD法では450℃以下の低温で結晶性に優れた多結晶SiGe薄膜の堆積に成功しています。堆積した200nmの膜厚のポリシリコンを用いたTFTの試作では、従来の低温CVDによるポリシリコン膜では実現が困難であった50cm2/Vsを超える高い移動度を実現しています。最近ではこの考え方をプラズマCVD法に適用した新たな取り組みや、国家プロジェクトの支援を受けて、太陽電池への適用を目指した反応性熱CVD法による高品質

図1　プラズマCVDと反応性熱CVDにおける膜堆積の低温化の原理と比較：反応性熱CVD法は加熱された基板付近でのみ原料ガスの分解が起こるため、粉の発生を抑制し、均一な大面積膜の堆積に有利となる

図2　ガラス基板上に堆積した200nmのPolySiGe膜を用いて作製したトップゲート型TFTの特性

� 従来結晶性が悪く困難であった直接形成した低温ポリシリコンが電子材料として適用可能であることを示す結果である

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なGe薄膜の成長技術の開発も進めています。これらの研究は、通常、1000℃以上を必要とする結晶質Siをいかに低温で形成するかというチャレンジでもあります。　一方、液晶性有機半導体の開発では、私たちの身近な液晶物質を有機半導体に仕立て上げようという研究です。液晶物質の電気特性は、これまで長い間、その流動性のためにイオン伝導により支配されていると考えられてきました。ところが、私たちの研究によって、液晶物質は実用的に用いられる非晶質有機半導体に比べて1000〜10000倍もの高速の移動度を示すことが明らかになりました。これは、液晶物質を用いて、発光素子（有機EL素子）やトランジスタ（有機TFT）を作製できることを意味しています。この研究では、液晶物質を自己組織的に分子配向をもつ凝集体を形成する新しいタイプの有機半導体、つまり、「液晶性有機半導体」として位置づけ、結晶類似の高品質な物性と大面積適用性を兼ね備えた新しい有機半導体材料としての展開を目指しています。　図３に示す液晶液晶物質は典型的な棒状液晶物質の一つで、この物質を用いて、液晶物質中では電子と正孔の両方が高速に輸送できることを世界で初めて実証しました。これまで、図４、及び、図５に示すように液晶物質を用いた高速の光センサや偏光を発するEL素子の試作を通じて、液晶物質が高品質な有機半導体として応用できることを実験的に明らかにしました。最近では、液晶物質を用いて薄膜トランジスターへの応用を実現しています。　現在、これまでの基礎研究を基盤として、材料設計指針の獲得、デバイス材料の開発、素子作製のためのプロセス技術の開発、有機ELや有機TFTなどのデバイス応用の検討を進めています。この研究は、科学技術振興機構による戦略的創造研究推進事業−CRESTのプログラムに採択されています。その成果によって、将来、液晶材料を用いたトランジスタや有機EL素子の実現が可能となることでしょう。


　半那研究室では、物理系、電気系、化学系などのバックグラウンドの異なるそれぞれの学生、研究者が協力しながら研究を進めています。新しいものを作り出すこと、新しい現象の発見、すべてがチャレンジです。　好奇心の旺盛な皆さんの研究への参加を歓迎します。

●参考文献1. 半那純一：非晶質から非「非晶質へ」－高品質な大面積半導体材料の開発に向けて－；応用物理，第75巻，第7号，

p843～851（2006）2. 半那純一：半導体代面積薄膜の新しい低温作製法：反応性化学気相成長（CVD）法；応用物理，第65巻，第4号，p382

～386（1996） 3. 半那純一：液晶性有機半導体材料；応用物理，第68巻，第１号，p26～32（1999）

図3　世界初の電子、正孔の高速の輸送が可能な液晶性有機半導体と伝導のモデル図

図4　 C70を分光増感剤に用いた液晶性有機半導体高速光センサ：μsオーダーの高速の応答が観測される

図5　液晶性有機半導体を用いた偏光発光性EL素子� 液晶分子の配向に沿った強い偏光が観測される

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スピンフォトニクス　　—スピンと光が拓く未来の情報技術—


宗片比呂夫研究室（Hiro MUNEKATA）

専門分野：半導体物理、磁性、結晶工学、スピントロニクスHome Page：www.isl.titech.ac.jp/~munelab/

●●研究背景と目的

　スピントロニクスとは電子の「スピン」の向きを電気・光信号に変換して情報処理を行うための原理、材料、デバイスを研究する分野のことです。私たちはその研究を半導体ナノ構造で行っています。現在のエレクトロニクスでは、電子の「電荷」を使って高性能や高機能が実現されています。ですから、どうして、わざわざスピンを使って情報処理を行う必要があるのだろうか？、と皆さんは思うかもしれません。理由は2つあります。1. スピンを利用すると、これまで情報化できなかった物理状態（例えば偏光や量子状態）を情報化できる可

能性が開けます。これは2進法を拡張した情報処理の基盤が生まれる可能性を含みます。2. 半導体技術が微細化極限に達すると、電荷を帯びた電子は「古典的粒子」から「量子」へと移行します。

その時、「粒子の振る舞い」を前提とした論理演算の実行が難しくなるかもしれません。この壁を除くには、デバイス寸法と独立、かつ、2進法に適した「自由度」を導入する必要があります。そのような自由度としても電子のスピンが有力です。

　高濃度のキャリアで強磁性が発現するIII-V族強磁性半導体が80年代後半［1］に出現したことがきっかけとなって、半導体中でスピンを制御しようという明確な意図を持った研究が始まりました。しかし電気や光によってスピンを直接制御・検出する研究の歴史は浅く、それらの原理は私たちの手で自ら築く必要があります。宗片・菅原研究室では、宗片が「光とスピン」［2］を、菅原が「スピンと電子デバイス」をそれぞれキーワードにして、スピンを直接制御・検出するための研究を推進しています。1. H. Munekata, et al., Phys. Rev. Lett. 63, 1849 (89), 2. H. Munekata, in “Concepts in Spintronics” (ed. S.

Maekawa, Oxford Science Publications, 2006).

スピンを（ナノ空間）、超高速で（フェムト秒）、制御する原理と技術、および、宗片研の現在の研究テーマ（太字）

円偏光半導体レーザーの研究円偏光フォトダイオードの研究

近接場の偏光の研究

光誘起磁化の研究

強磁性半導体の研究

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1．室温強磁性半導体　キャリアが誘起する強磁性では、キャリアを介して磁化が制御できます。しかし、強磁性の安定化エネルギーは室温より小さいです（InMnAsでTc = 90 K, GaMnAsでTc = 170 K）。これを克服するには点欠陥のない結晶薄膜の作製法を実現する必要があります。

2．光磁化　最近、強磁性半導体試料に光を照射すると、試料中の磁化の向きが変化することが発見されました。磁化の向きが変化するということは、光で有効磁場が発生することを暗示しています。どのくらいの大きさでしょうか？どのくらい速くその磁場は発生し、消失するのでしょうか？その起源は？これらが解明されると、全く新しい磁化制御の原理が確立されます。そして、この新原理を用いた超高速磁気記録やナノメカニカルシステムが期待されます。右図は、強磁性半導体を円偏光で励起した時に起こる磁化の光誘起回転を捉えた画像です。メンバーが自作した走査型磁気光学顕微鏡を使って発見しました。光で有効磁場が発生するのか、今後の解明が楽しみです。

3．ピコ秒磁化制御の壁を切る　スピン（磁化）を光で直接制御する。こんな夢を持って我々は研究を進めています。強磁性半導体にFemto秒（10-15 秒）のパルス光を照射すると、試料中の磁化が才差運動を始めます。この現象は直接観測できます。才差運動の挙動は励起光強度に依存し、強い時には試料温度の上昇による効果と推測されています。一方で、励起光が弱い時は、キャリア発生による未知の効果であと考えられます。将来、スピンを止めたり動かしたりできるようになるでしょうか？

4．偏光機能を半導体に盛り込む研究　半導体を円偏光で励起すると、スピン偏極キャリアが生成されます。その向きを電気的に検出できると、光−スピンあるいはスピン−電気の直接変換が可能になります。半導体中で、スピンに働く有効磁場は素材ごとに異なります。この性質を利用するとスピン起電力を生み出すことができる。p-InGaAs / n-AlGaAsダイオードによる実験結果は、円偏光励起でスピン起電力が発生していることを強く示唆しています（右図）。このダイオードでは、p-n接合部での有効磁場の差はそれほど大きくありません。この差をもっと大きくできないか？我々は、結晶成長に立ち返ってこの問題を考えています。


　原子レベルの結晶成長をやってみたい人、光とスピンで自然界を冒険したい人、発光・受光デバイスを作りたい人、光と物質の相互作用に接したい人、ノーベル賞を目指したい人、そして、こうした研究に誇りを持つ人、歓迎します。

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シリコン・スピンエレクトロニクスの研究　　—電荷とスピンが生み出す新機能デバイスとその集積回路応用に関する研究—


菅原　聡研究室（Satoshi SUGAHARA）

専門分野：半導体デバイス、スピンデバイス、電子／スピン物性、集積回路Home Page：http://www.isl.titech.ac.jp/~sugaharalab/

●●研究目的

　電子は “電荷” と “スピン” の両方による特徴を持ちますが、従来はこれらの一方のみに着目してそれぞれ半導体エレクトロニクス技術と強磁性体ストレージ技術に活用されてきました。本研究室では、スピントランジスタという “電荷” と “スピン” の融合が生み出す新しい機能デバイスを実現して、これまでにない新しいエレクトロニクスの体系を創出することを目的として研究を進めています。特に、大規模集積回路に代表される高度に洗練されたシリコン・テクノロジーに立脚して、スピンによる機能を発現させる新しい材料およびスピンによる機能を活用したデバイス・回路の開発・研究を行っています。


1．新しい高機能スピン材料の開発（ハーフメタル強磁性体）　ハーフメタル強磁性体は一方のスピンに対して金属的なバンドを持ち、他方のスピンに対して絶縁体的（または半導体的）なバンド構造を持つことから、フェルミ準位において100％のスピン分極率を有する新しいスピン材料です。本研究室ではシリコン・テクノロジーに整合する手法によってSiベースのハーフメタル強磁性体・フルホイスラー合金を作製する技術の開発を進めています。特に、ハーフメタル性に重要な規則度の極めて高いフルホイスラー合金の形成を実現しました。また、これを用いた各種接合構造の作製やデバイス応用を進めています。

超高真空マルチチャンバー成膜装置（半導体・金属・酸化物・磁性体）

(d)

図1 （a）ハーフメタル・フルホイスラー合金の結晶構造（L21構造）とその形成方法。　（b）作製したフルホイスラー合金Co2FeSiの規則度。（c） Co2FeSiトンネル接合の電子顕微鏡写真。（d）超高真空マルチチャンパー成膜装置（半導体・金属・酸化物・磁性体）

2．シリコンへのスピン注入とスピン伝導の評価　強磁性金属やハーフメタル強磁性体などを用いて、シリコンへのスピン注入やシリコンチャネル内でのスピン伝導の評価の研究を行っています。これらはデバイス応用の観点から特に重要ですが、これまでのところ完全には理解されていません。本研究室では磁気伝導評価のための新型デバイスを作製して、種々の磁気伝導の観測からシリコンへのスピン注入とシリコンチャネル内でのスピンダイナミクスの評価を行い、その理解と応用技術の開発を進めています。

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　新しい研究分野を自分の手で開拓して行こうというフロンティア精神旺盛な学生諸君の参加を待っています。学生の皆さんからのアイデアも大歓迎です。アクティブな研究活動を実践・エンジョイして下さい。

●参考文献1. 菅原聡，周籐悠介，山本修一郎，“CMOS／スピントロニクス融合技術による不揮発性ロジックシステムの展望”，まぐね／

Magnetics Jpn, 6（2011）5-15.

2. S.Sugahara and J. Nitta, “Spin-Transistor Electronics : An Overview and Outlook” , Proc. IEEE, 98 （2010）2124-2154.

3. 菅原聡，“スピン機能MOSFETによる新しいエレクトロニクスの展開”，応用物理，78（2009）236-241

4. S.Sugahara, “Perspective on Field-Effect Spin-Transistors” , Physica Status Solidi C, 3 （2006）4405-4413.

5. S.Sugahara, “Spin Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (Spin MOSFETs) for Spin-Electronic Integrated Circuits” ,

IEE Proc. Circuits, Device-Systems, 152（2005）355-365.

6. 菅原聡，“スピントランジスタ”，電子情報通信学会誌，88（2005）541-550.

図3　作製した磁気伝導評価デバイス図4　（a）スピンMOSFETのデバイス構造。（b）作製したフルホイスラー合金S/DスピンMOSFETの出力特性

（b）

図5　（a）擬似スピンMOSFETの回路図．� （b）擬似スピンMOSFETの出力特性（シミュレーション結果）．� （c）擬似スピンMOSFETを用いた不揮発性SRAM/ラッチ回路

3．スピン機能MOSFETの開発とその集積エレクトロニクスへの応用　本研究室で提案された強磁性体によってソースとドレインを構成したスピンMOSFETという新しい機能デバイスの研究・開発を進めています。スピンMOSFETの最大の特徴は、ソースとドレインの磁化の状態に応じた不揮発な情報保持と再構成可能な出力特性です。この特徴を用いれば、高性能な不揮発性メモリ／ロジックや、高機能のパワーゲーティングプロセッサなどを実現することができます。本研究室ではこのスピンMOSFETの理論解析、ハーフメタル・フルホイスラー合金ソース／ドレインを用いた試作・評価、集積回路応用について研究を進めています。また、二端子のスピンデバイスである強磁性トンネル接合（MTJ）を用いてスピンMOSFETと同等の動作を実現できる擬似スピンMOSFETとその回路応用についても研究を行っています。

（a）（b）（c）

（a）

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超高速フォトニックネットワーク用光信号処理システムと光集積デバイスの実現


植之原裕行研究室（Hiroyuki UENOHARA）

専門分野：光信号処理、光集積デバイスHome Page：http://vcsel-www.pi.titech.ac.jp/

●●研究目的

　光通信システムは、長距離・大容量伝送用途では信号当たり100Gbps、1本のファイバ当たり100Tbpsを超えようとしており、LAN系においても速度40G/100Gbpsのパケットを100Tbpsのスループットで処理しなければいけない時代になろうとしています（図1）。従来の電子回路だけに信号処理を頼った手法では微細化・速度・消費電力の制限の問題に行き当たってしまうため、光信号を光のままで信号処理を行う技術を実現し、その要素技術及び集積光デバイスや光パケットスイッチへの応用を実現することで技術的な課題を乗り越えたいと考えています。


　電気処理の能力を超えるパケットルータの実現を目標として、光パケットを光信号処理で高効率転送を行う光パケットスイッチに必須の構成要素や光信号再生・誤り訂正技術などに取り組んでいます。　従来の強度変調では光ファイバ伝送の性能限界に達しつつあり、受信感度の高い位相変調や狭帯域化によりファイバ分散による波形劣化・偏波による歪の影響を軽減する多値変調技術・多搬送波技術に移行し始めています（図2）。その状況では、光／電気変換後の復号化回路、電気／光変換前の符号化回路が必要になり装置の部品が増大してしまうため、光信号のまま処理できることのメリットがあると期待されます（図3）。光の位相と遅延干渉計を用いて各ビットを分離する光シリアル・パラレル変換技術と半導体集積化（図4）、半導体光増幅器をマッハツェンダー干渉計に組み込み、ループを更に加えた光フリップ・フロップ回路（図5）、位相雑音を再生可能な非線形現象を活用した全光型信号再生器（図6）、光バッファ回路実現と光パケットスイッチ応用（図7）、光の位相・強度を2次元平面光変調器にて制御することで高性能な光信号再生を実現する技術（図8）についても挑戦しています。


　自分の手で環境の危機・日本の危機を脱したいとの意欲を持つ学生さんを育てたいと思っています。

●参考文献1. G. Yazawa, S. Shimizu, and H. Uenohara, “An Optical Serial-to-Parallel Conversion Technique with Phase-Shifted Preamble for

Optical Label Switching Systems”， IEEE J. Quantum Electron., vol.47, No.9, pp.1222-1229 (2011).

2．Y. Aikawa, S. Shimizu, and H. Uenohara, “ Demonstration of All-Optical Divider Circuit using SOA-MZI-type XOR Gate and

Feedback Loop for Forward Er ror Detection”， J. Lightwave Technol., vol.29, No.15, pp.2259-2266 (2011).

3．S. Shimizu, and H. Uenohara, “Analytical Investigation of an All-Optical T-type Flip-Flop using an Semiconductor Optical

Ampli�er Mach-Zehnder Interferometer with Push-Pull Con�guration”， Jpn. J. Appl. Phys., vol.50, No.6, pp.060208 (2011).

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図1　フォトニックネットワークの展開図2　光通信の変調方式の展開

図3　光信号処理技術とは？図4　位相演算型光シリアル・パラレル変換技術

図5　SOA-MZIを用いた光フリップ・フロップ回路図6　位相変調信号対応光信号再生技術

図7　光パケットスイッチ構成図8　2次元平面強度・位相変調による多波長一括信号再生技術

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次世代高速・高周波シリコン集積回路の実現


益　一哉研究室（Kazuya MASU）

専門分野：集積回路、アナログ回路、RF回路、無線通信システム、超高速信号処理Home Page：http://masu-www.pi.titech.ac.jp

●●研究目的

　次世代高速・高周波Si CMOS集積回路技術として、オンチップ／オフチップ高速信号伝送技術、リコンフィギュラブルRF無線回路技術／スケーラブルRF CMOS集積回路技術、ワイヤレスセンサネットワーク応用を目指した極超低消費電力センサ・無線機能集積回路・システム技術、これら異種機能集積設計プラットフォーム構築の研究を行う。これら研究を通じて次世代社会基盤であるGreen ICE（Information, Communication and Energy）Technologyの構築を目指す。


1．集積回路におけるTbps信号伝送技術の研究　高速信号処理ULSIに必要とされるTbps信号伝送を実現するマイクロペア線構造・超広帯域多層配線の研究・開発を行っている。超高速バスライン搭載TFlops ULSIの実現を目指す。また、LSI内にパケット通信ネットワークを構築することにより、階層型システムオンチップ（SoC）を設計するための研究を行う。物理設計・シグナルインティグリティの立場から、高速性かつ低消費電力性を兼ね備えたネットワークオンチップのアーキテクチャを検討している。

2．リコンフィギュラブルGHz帯RF集積回路の研究・Scalable RF CMOS集積回路の研究　リコンフィギュラブルなGHz帯RF（高周波）アナログ回路により、超広帯域かつ低消費電力での動作が可能な無線回路を設計することを目的としている。キャリア周波数や無線通信方式に対し、回路機能を動的に再構成する回路方式を検討する。　集積回路の加工寸法は11nm（ゲート長5nm）まで可能となる。さらに、それらを設計し動作させる技術が必要とある。集積回路は面積が縮小できるからこそ、技術的性能向上と経済的効率性が両立していた。極限微細化の域に踏み込んだ集積回路技術において、個々のデバイス特性の揺らぎやばらつきを考慮、あるいは排除した設計手法や技術の開発、設計期間短縮のための自動化などの課題がある。従来型のRF CMOS集積回路では、どうしてもインダクタやコンデンサなどの受動素子を多用するためプロセス世代が進展してもチップ面積が縮小されず経済的に見合わなくなってきている。プロセス世代の進展とともに性能が向上し、

オンチップ超高速信号伝送回路（左：1対1伝送、右：1対多）

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チップ面積も縮小可能な Scalable 設計が必須となる。Scalable RF CMOSによるマルチバンド/マルチモード無線チップを目指している。

3．ワイヤレスセンサネットワークの研究　ワイヤレスバイオ技術として、in vivo通信システムやセンサネットワークの研究を行っている。具体的には、pHセンサ、検出回路、通信機能を集積したシステムの開発を行っている。応用分野としてセンサネットワーク、Body Area Network技術への展開を目指している。歯周病予防を目指す歯科との連携をもって進めている。

4．シリコンプラットフォーム設計技術の研究　シリコン集積回路は単なる微細化による高機能高性能化（More Mooreとも言われる）のみならず、異なる機能集積（More than Mooreとも言われる）による高機能化を追求している。その際に重要なことは、異種機能集積のためのシリコンプラットフォーム設計手法やその環境の構築である。単なる「ものつくり」ではなく、「ことつくり」につながる設計手法、環境構築の研究を目指す。

●現在、我々の研究グループは「ソリューション研究機構」に属し、「Green ICE Initiativeプロジェクト」を中心的に牽引しています。我々のグループにはソリューション研究機構石原　昇教授、伊藤隆司教授、精密工学研究所伊藤浩之助教が在籍し、また町田克之連携教授と協力して総合理工学研究科の大学院生とともに研究、教育に携わっております。


　集積回路はこれまで微細化を旗印に、技術面としては高速、高集積、低消費電力、経済面では低コスト化という利点をすべて満たせることから進化し、産業のみならず社会に信じられないような変化、変革をもたらしてきました。まだまだ大きな変化が待ち受けています。昨今、経済状況は少々芳しくないところがありますが、自由な発想とchallenge spritsを持つことで大きく羽ばたく機会は沢山あります。修士課程、博士課程では勉学、研究はもちろんですが、何事にも恐れないチャレンジ精神を身につけてもらいたいと思っています。There are many challenges and opportunities in integrated circuits!　なお、我々のグループでは、博士課程進学予定者ならびに博士課程学生をRA（Reseach Assitant）として雇用する、奨学金や日本学術振興会の特別研究員になるよう積極的なサポートをするなど研究や勉学に専念出来る体制を整えています。是非、高い志を持って我々のグループに参加し、世界へ羽ばたいて下さい。

●参考文献1. K. Masu, N. Ishihara, N. Nakayama, T. Sato, and S. Amakawa, “Physical design challenges to nano-CMOS circuits” , IEICE

Electronics Express（ELEX）, 6（11）, 2009, pp. 703-720.（Invited Paper）2. 益　一哉 , 「オンチップ伝送線路配線の期待と課題－True Scalingを可能とする次世代配線技術－」，電子情報通信学会誌 ,

vol.91, no.3, pp.170-175, March, 2008.（解説論文）（注目論文として紹介される。 http://www.ieice.org/jpn/books/kaishikiji/2008/200803.pdf よりダウンロード可能）3. 石原　昇，天川修平，益　一哉，“CMOS集積回路とMEMSの融合”，電子情報通信学会誌 , vol. 93, no. 11, pp.928-932,

November 2010.（解説論文）（注目論文として紹介される。http://www.ieice.org/jpn/books/kaishikiji/2010/201011.pdf　よりダウンロード可能）

環境測定用pHセンサボール

小面積化可能なスケーラブルRF CMOS集積回路（低雑音増幅器、VCOなど）

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光ネットワークデバイスと光集積回路


小山二三夫研究室（Fumio KOYAMA）

専門分野：�大容量光通信ネットワーク、半導体レーザ、半導体光集積回路、光信号情報処理デバイス、フォトニックナノ構造

Home Page：http://vcsel-www.pi.titech.ac.jp/index-j.html

●●研究目的

　次世代光通信ネットワークを切り拓く新しい光デバイスの開拓を目指している。マイクロ／ナノ構造の光共振器、光マイクロナノマシン、中空光導波路、スローライト導波路、サブ波長回折格子、金属ナノ構造などの新構造を用いて、高性能半導体レーザ、波長可変光素子、光信号処理デバイスなどの光機能デバイスとその集積化の研究に取り組んでいる。


1．面発光レーザフォトニクスと新機能集積　本学で生まれた面発光レーザの極限性能追求とその大規模集積化の研究を進めている。将来の光通信ネットワークでは多数の波長の光を自在に制御する波長多重化技術が重要になってくる。ここでは、半導体の微細加工技術で光の波長の数倍程度の微小光共振器を作って、空間的に異なる波長の半導体レーザを大規模に集積化するアレイ光源の研究など多波長集積化の新技術に取り組んでいる。光の特徴を活かして、数百波の光を同時に扱い、現在の光通信システムの数千倍の大容量光通信を可能とするデバイス技術の開拓を目指している。また、超高速化の限界や、光信号処理デバイスへの応用などの研究を展開している。

2. マイクロマシンによる新しい光デバイス　微小機械（マイクロ・ナノマシン）を半導体レーザに集積して、連続的に波長を広範囲に掃引する機能や波長を自在に制御する新しい半導体レーザの実現に取り組んでいる。例えば、微小な反射鏡を中空に浮かせて、そこに電圧を印可することにより、静電力で鏡の位置を変化させて波長を連続的に動かすことが可能である。また、熱応力による微小アクチュエータを集積して、外部温度変化に対しても絶対波長の動かない新しい半導体レーザ “アサーマル半導体レーザ” を世界に先駆けて実現している。

3．スローライト光導波路よる光制御　周期構造による特殊な光導波路を用いて、光の群速度、位相、遅延時間などを制御する新技術の開拓に取り組んでいる。周期構造クラッド層を含むブラッグ反射鏡光導波路を用いることにより、光の群速度を大幅に低下することが可能である。これによって、光変調器、光スイッチ、光増幅器、光検出器、光位相変調器

図1　多波長面発光レーザアレイ数百波規模のレーザ集積化が可能に！

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などの超小型光回路の実現を目指している。これまでに、光の群速度を1/10以下に低下した小型光変調器や光検出器の実現に成功している。スローライト導波路を用いることで、巨大非線形効果や、巨大等価屈折率など、これまでのバルク半導体材料では実現困難な特性が発現できる。全反射を利用した超小型光スイッチや面発光レーザとの機能集積に取り組んでいる。

4．中空導波路による巨大化変特性とその光回路への応用　超高反射率反射鏡を用いて光を真空や空気中に閉じ込める中空光導波路を用いて、光速度を自由に制御した波長可変素子などから構成される新しい光集積回路の研究を進めている。数100 nmに及ぶ巨大な光の可変特性（波長可変特性）が可能になっている。波長可変レーザや立体光配線を可能にする光回路の研究に取り組んでいる。


　大学院での研究を通じて、自らのポテンシャルをできるだけ高める不断の努力を！　具体的な研究課題を通じて、“深く” 研究するとともに、他の学問分野にも “広く” 興味を持って、新しい分野を切り拓く気概を持って研究を進めて欲しいと思います。

●参考文献1. H. Sano, A. Matsutani and F. Koyama, “Athermal 850 nm vertical cavity surface emitting lasers with thermally actuated cantilever

structure” Applied Physics Express, Volume 2, Issue 7, pp. 072101 2009.

2. F. Koyama, “VCSEL Photonics -advances and new challenges-,” IEICE Electronics Express, vol.6, no.11, pp. 651-672, Jun. 2009.

3. F. Koyama, “Recent Advances of VCSEL Photonics,” Journal of Ligtwave Technology, Invited, vol.24, no.12, pp.4502-4513,

Dec.2006.

図2　マイクロマシンを集積した面発光レーザ外部温度が変化しても発振波長変化しない

アサーマル動作と波長掃引動作を実現。

図3　アサーマル面発光レーザの波長温度特性通常の半導体レーザの約1/40に低減。

図4　スローライト光導波路を用いた超小型光回路とその集積化。光の群速度を1/10以下に低下し、光集積回路の超小型に挑戦。

図5　スローライト導波路における巨大屈折率変化を利用した光スイッチ。実験的に30°のビーム偏向に成功。

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次世代フォトニクスに向けた半導体光デバイス研究


宮本智之研究室（Tomoyuki MIYAMOTO）

●●研究目的

　次世代フォトニックシステムに向けた、レーザなどの半導体光デバイスの高性能・高機能化と、その実現に必要な新材料やナノ・量子構造の開拓を目標としています。


1．半導体材料開拓と光デバイス応用　フォトニクスは通信やセンシング、情報システムなど応用範囲が拡大している。これらシステムに最適な波長、また必要な特性を実現するために適切な半導体材料の選択が必要である。（図1）。　我々は、光デバイスの性能向上と波長範囲拡大のために、様々な半導体材料の開拓を進めてきた。GaInAsのIn組成を高めた高歪結晶や、窒素（N）を微量添加したGaInNAsで波長範囲を大幅に拡大している。また、3次元ナノ構造の自己形成InAsドットでは、窒素（N）やアンチモン（Sb）を極微量に添加して、発光特性やドットの形状・密度などを制御している（図2）。さらにこれら材料・技術を用いた、シリコン基板上への発光素子実現の研究を進めている。間接遷移半導体のシリコンは発光が困難なため、直接遷移材料となるGaNP材料を高品質に結晶成長することで、超高速・高効率な光電子融合デバイスの実現を目指している。　フォトニクスを支える基盤の構築として、これらの多様な半導体材料やナノ構造の製作技術の確立を目指し研究を進めている。

2．量子構造を用いた新原理高性能光デバイス　開発した様々な半導体材料を原子1層単位で積層することで、多様なポテンシャル構造を形成可能である。図3は、2重障壁共鳴トンネル構造を発光層に併設し、その波動関数を制御することでキャリアの発光層への注入速度（キャリアの散乱特性）を制御する構造である。キャリア散乱特性を制御することで、半導体レーザにおける従来の動作限界を超える超高速変調や、半導体光増幅器におけるパターン効果（光信号列に応じ

図1　半導体材料と発光波長の関係

図2　自己形成GaInNAsドットの原子間力顕微鏡（AFM）像。N添加による高均一化を見出した。

専門分野：フォトニクス、フォトニックデバイス、面発光レーザ、量子構造、半導体結晶成長

Home Page：http://vcsel-www.pi.titech.ac.jp/

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て光増幅量が変動する現象）を大幅に抑制することが可能になる。図 4 は、半導体レーザにおけるキャリア散乱特性（τcap）を制御した場合の、変調周波数帯域の数値解析結果を示す。従来のレーザはτcap=10-20psに相当し、電流注入量を増やしても帯域は20GHz程度に制限されるが、散乱確率を高める構造によりτcap ＝数 ps に低減することで、30-40GHzと2倍近い高速動作が可能となる。このようなデバイスを、実際に結晶成長技術を用いて製作し、高性能量子構造光デバイスの実現を目指している。また、キャリアのエネルギー散乱を制御するという、これまでにない原理に基づいており、この考え方を発展させることで、さらに新しい原理のデバイス実現が可能になると考えている。

3．光デバイスの設計・製作　極低消費電力で2次元アレイレーザが可能な面発光レーザ（東工大、伊賀健一名誉教授の発明）の高性能化・高機能化を目指している（図5）。面発光レーザは微小共振器として形成され、光を基板に垂直出射する光デバイスであり、その特徴から広範囲で応用されている。　これら光デバイスの高性能化・新機能創出には、精密で高品質な結晶構造実現とともに、様々な原理を応用した素子アイデアとその設計、また、製作プロセス開拓が必要である。そのため、面発光レーザの共振器構造、キャリア分布など様々な現象を計算機シミュレーションするとともに、新たなデバイス構造や動作原理を創出して、実際のデバイス製作に向けて製作技術を開拓・駆使することで、高性能デバイス実現を目指している。


　フォトニックシステムには、高性能な多様な光デバイスが必要です。様々な材料やナノ・量子構造を開拓し、デバイスの構造や機能を創案・設計してデバイス実現を行うなど、最新技術や新現象を活用したオリジナルなデバイスを「創る」研究を行なっています。

●参考文献1. T. Miyamoto, S. Makino, Y. Ikenaga, M. Ohta, and F. Koyama, “Wavelength elongation of GaInNAs lasers beyond 1.3mm,” Proc.

IEE, vol. 150, p. 59, 2003.

2. R. Suzuki, T. Miyamoto, T. Sengoku, and F. Koyama, “Reduction of spacer layer thickness of InAs quantum dots using GaNAs

strain compensation layer,” Appl. Phys. Lett., vol. 92, 141110, 2008.

3. Y. Higa, M. Sorimachi, T. Nishinome, and T. Miyamoto, “Well-in-well structure for high speed carrier relaxation into quantum

well,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 50, no. 8, 080209, 2011.

図3　キャリア散乱特性を制御する量子構造のバンド構造図。

図4　キャリア散乱特性制御によるレーザの変調帯域拡大（数値解析）。

図5　面発光レーザ。極微小なレーザで通信、センシング、イメージングなど多様な応用が進展。

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量子ナノデバイスによるナノエレクトロニクの探索


石橋幸治研究室（Koji ISHIBASHI）

専門分野：ナノ構造物性、ナノ構造プロセス、ナノデバイス工学Home Page：http://www.riken.jp/lab-www/adv_device/index.html

●●研究目的

　現在のシリコン集積回路は、基本デバイスであるトランジスタの寸法を小さくすることによって、その性能の向上を図ってきた。したがって、トランジスタ自体の動作原理は、集積回路が発明されて以来ほとんど変わっていない。しかし、ここにきてこの微細化に限界が見えてきた。さらにエレクトロニクスを発展させるためには、従来のトランジスタとは全く動作原理や機能の異なる新デバイスを並行して開発する必要がある。本研究室では、10nm程度のナノ構造で発現する様々な量子効果を明らかにし、それを新機能デバイスへ応用することを目的としている。そして、未来のナノエレクトロニクスの姿を追い求めている。


　10nmというサイズは、電子ビームリソグラフィーに代表される先端リソグラフィー技術でも容易に実現できないサイズである。したがって、このスケールをもつナノデバイスを作製するために、本研究室では、自己組織化的に構造が形成され、10nm以下の直径も比較的容易に実現できる、カーボンナノチューブ、シリコン・ゲルマニウムおよび化合物半導体ナノワイア等をBuilding Blockとする。量子効果を発現させるための構造として量子ドットを用い、電子１個単位でその量子状態を完全にコントロールすることを目指す。これにより、単電子エレクトロニクスや量子コンピューティングなどの新しいエレクトロニクスが開ける可能性がある。具体的には以下のような研究を行っている。

1．単電子エレクトロニクスを目指した研究　電子を小さな領域に閉じこめる基本構造である量子ドットでは、電子の充放電に伴うエネルギーが１個単位で重要になる。量子ドットを基本とした単電子トランジスタでは、ドット内の電子の数をゲート電圧によって１個単位で制御することができる。これまで、1K以下の極低温でしか動作しなかった単電子トランジスタは、カーボンナノチューブや半導体ナノワイア、さらには単一分子で作製することにより、動作温度が格段に上がった。本研究では、これらの材料を集積化が可能なように基板上に配置する技術を開発し、室温動作が可能な単電子ロジックや単電子メモリを開発する研究を行っている。

2．量子コンピューティングを目指した研究　量子コンピューティングデバイスの基本デバイスは量子ビットと呼ばれるデバイスで、“０” と “１” 以外にそれらの任

カーボンナノチューブを使ったナノデバイス

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意の重ね合わせ状態をとることができる。量子ビットの物理的実態は２準位系である。人工的に２準位系を作ることは決して容易ではないが、そのエネルギーをマイクロ波スペクトロスコピー法を用いて調べ、パルス電圧やパルスマイクロ波を用いて量子ビットの重ね合わせ状態を操作することを目指す。量子力学的な重ね合わせを実現するためには、量子コヒーレンスを保つことが必要であるため、実験は希釈冷凍機を用いたmK領域で行うことになる。具体的なデバイスとしては、カーボンナノチューブや半導体ナノワイア量子ドット中の１個の電子スピン（電子スピン型量子ビット）、または、２つのドットを２つ結合した２重結合量子ドット（電荷型量子ビット）、また、最近はカーボンナノチューブや化合物半導体を超伝導体で挟んだときにできるアンドレーエフ束縛状態を利用したAndreev量子ビットにも興味を持っている。

3．超高感度テラヘルツ検出器を目指した研究　10〜100nm程度の空間に電子を閉じこめた場合に形成される量子ドットにおける量子準位の間隔は、周波数に換算すると数テラヘルツになる。このことは、テラヘルツ波と量子ドットが量子的に相互作用する可能性を示唆する。すなわち、テラヘルツ波を光子として検出することが期待できる。本研究ではカーボンナノチューブやシリコンナノワイアのエネルギースケールがこの領域にあることを利用して、テラヘルツ帯における量子検出器への応用可能性を探っている。

4．分子レベルナノデバイス作製技術の開発　究極のナノデバイスは分子数個から作られるようなデバイスであろう。このようなデバイスを作製しようとする努力は世界中で行われているが、まだ、その動作が確認されたという報告はほとんどない。我々は、カーボンナノチューブの表面を化学的に修飾することができることを利用して、分子とのヘテロ接合を形成することにより、カーボンナノチューブを利用した分子レベルデバイス作製技術の開発も行っている。


　最近はやりのナノというのは、何か他の分野と融合してはじめて学問領域となります。私の研究の場合、電子工学と融合するのでナノエレクトロニクスとなるわけです。ですから、これまで誰も作ったことのないデバイスや、これまで誰も知らなかった現象の発見など、おもしろいことがたくさん隠れています。しかし実際には、今まで誰も作ったことのないようなデバイスを作ることになるので、ほとんども場合、うまくいきません。10年ほど前、我々が、１本のカーボンナノチューブの電気伝導をはかろうとしたときには、100個に１個くらい電流が流れればいい、というような状態でした。今では、そんなことはありませんが、ここまで来るのに、何十人の学生さんの不屈の努力があったわけです。ですから、この分野で研究するためには、粘り第１です。その代わりうまくいったときの喜びはひとしおです。感動で涙が出そうになります。そのような感動を研究を通して味わってもらいたいです。なお、本研究は、和光市の理化学研究所で行われます。他の大学からの学生もいますので、わいわいがやがや楽しいです。ホームページで雰囲気を見てください。

●参考文献1. 石橋幸治：“量子ドットと単電子デバイス”，Computer Today，No.109（2002）30-37 （サイエンス社）2. 石橋幸治，青柳克信，“カーボンナノチューブを用いた量子ナノデバイス　－量子相関デバイスの実現に向けて－”，応用物理，第77巻，第3号　264-270（2008）

試料をmKまで冷却する希釈冷凍機。この装置を液体ヘリウムに沈めます。

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東京工業大学すずかけ台キャンパスへのアクセス

渋谷から ■所要時間　33〜45分■

東急・田園都市線（渋谷で東京メトロ半蔵門線と接続）ですずかけ台へ

新横浜から ■所要時間　約20分■

JR横浜線　長津田で東急田園都市線に乗り換え、すずかけ台へ

新横浜

横浜

中央林間

菊名

大岡山

渋谷

多摩川

田園調布

町田

石川台

東神奈川

二子玉川溝の口

藤が丘

羽田空港

相模大野

JR 中央線

ＪＲ横浜線

すずかけ台キャンパス

　　大岡山キャンパス

小田急線

東急田園都市線

東急東横線

東急目黒線

大井町線

東急多摩川線

すずかけ台

3

2

至小田原

至八王子

至藤沢

至立川

松風学舎松風留学生会館梅が丘留学生会館

2

3

東京メトロ半蔵門線へ直通運転

目黒

五反田

代々木新宿

大井町

日暮里上野

東京

浜松町

成田空港

JR 京浜東北線

京成本線

JR 山手線

都営三田線・東京メトロ南北線へ直通運転

田町1 田町キャンパス

長津田

品川

蒲田

青葉台

川崎

旗の台東京モノレール

自由が丘

武蔵小杉

新幹線

ＪＲ南武線

京急線

東急池上線

1

40分

28分

渋谷

長津田

すずかけ台

田園都市線

東急

急行

普通普通

4分

15分新横浜

長津田

すずかけ台

JR横浜線

田園都市線

東急

普通

13分 4分快速

普通

すずかけ台（旧�長津田）キャンパスへの最寄り駅は東急田園都市線すずかけ台駅（長津田駅より2駅目）です。すずかけ台駅よりすずかけ門までは徒歩3分、R2棟まで6分、J2棟まで8分、G2棟まで10分程度です。すずかけ台駅へは、以下のルートによってアクセス可能です。

アクセス情報およびキャンパス地図の詳細　http://www.titech.ac.jp/access-and-campusmap/j/access-and-campusmap-j.html

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国道246号線

至中央林間

大学院３号館（G3棟）

大学院5号館（G5棟）

大学会館

光学トンネル

資源化学研究所

応用セラミックス研究所

超高電圧電子顕微鏡室

すずかけ門

長津田門

図書館分館

合同１号館（J1棟）

総合研究館

設備センター

岡部門

トンネル生命理工学部

テニスコート

大学院４号館（G4棟）大学院2号館（G2棟）

合同2号館（J2、J3棟）

精密工業研究所像情報工学研究所（R2棟）

東名高速横浜町田インターチェンジ２kｍ

至渋谷・水天宮前

大岡山・大井町

すずかけ台駅

田園都市線

フロンティア研究機構歩行者専用

　昔、プラトンはすずかけ（プラタナス）の木影で学生たちに講義し、討論したと伝えられています。　その情景を現代に再現したい、との願いをこめて、田園都市線のすずかけ台駅近くの緑の多い閑静な地に、すずかけ台（旧長津田）キャンパスは創設されました。もと “馬の背” と呼ばれただけあって、丘あり、谷ありの変化に富んだ美しい学園です。20万平米を超える敷地には、大学院の五つの建物を含む大学院総合理工学研究科の建物群をはじめ、生命理工学研究科、精密工学研究所と像情報工学研究施設、資源化学研究所、応用セラミックス研究所、附属図書館、総合研究館（本学80周年記念事業として計画され、共同研究、大型研究機器の集中管理等を目的とする）、合同棟、フロンティア創造共同研究センターなどの建物が、青く澄んだ空と、周囲の緑を背景としてそびえ立っています。　左頁にキャンパスまでの交通案内と下にキャンパスの案内図が示されています。ぜひ一度、この美しいキャンパスを訪問されることをおすすめします。

東京工業大学すずかけ台キャンパス案内

平成24年度版　物理電子システム創造専攻パンフレット東京工業大学大学院総合理工学研究科物理電子システム創造専攻　発行

平成24年4月1日

〒226-8502　神奈川県横浜市緑区長津田町4259

物理電子システム創造専攻 - 東京工業大学 · 浅田研究室...

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