【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.19】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24AE0030
利用課題名 / Title
最先端半導体薄膜・ヘテロ構造における3次元バンド構造観測
利用した実施機関 / Support Institute
日本原子力研究開発機構 / JAEA
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
ワイドギャップ半導体,窒化物,半導体,トポロジカル絶縁体
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
小林 正起
所属名 / Affiliation
東京大学 大学院工学系研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
有川世修,棟方晟啓,佐々木洸,武田崇仁
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
藤森伸一
利用形態 / Support Type
（主 / Main）共同研究/Joint Research（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
情報技術の革新は高品質半導体物質を基にした高性能電子デバイスによって支えられている。現代の半導体技術はシリコンをベースとしたデバイスにより成り立っているが、用途に応じてシリコンを超える性能を有する半導体材料としてGaN [E. A. Jones et
al., IEEE JESTPE 4, 707 (2016).], SiC [T. Kimoto et
al., JJAP 54, 040103 (2015).], Ga2O3 [M.
Higashiwaki et al., Semicond. Sci.
Technol. 31, 034001 (2016).]等の開発が進んでいる。また、これらの物質を用いた高電子移動度トランジスタ（HEMT）[L.-H. Hsu et al., Micromachines 12,
01159 (2021).]や量子井戸の開発も進んでいる。このように、Siを超えた性能を有する最先端半導体材料は次世代電子デバイスへの応用が期待されている。
GaNやGa2O3などの半導体材料やそのヘテロ構造では、それらの応用に向けて基礎的な性質について理解を深めることが重要となる。例えば、GaNのバンド構造は理論的に予想されているが、実験的なバンド構造直接観測はほぼ例がない。また、Ga2O3ではバンドギャップの温度変化が観測されているが価電子帯上端と伝導帯下端が別の依存性を示すことが予想されている。最先端半導体材料及びそのデバイス特性を理解することは、次世代電子デバイスへの応用において重要と考えられる。
今回の実験では、次世代デバイス応用が期待されるワイドギャップ半導体GaN, 窒化物半導体ScAlN,トポロジカルディラック半金属In:Sn, NiO/Siヘテロ構造などの電子状態を調べた。報告書では、In:Snの結果を報告する。他の物質については、データを解析中である。
実験 / Experimental
測定には、SPring-8重元素科学ビームライン（BL23SU）の光電子分光装置を用いた。測定した試料は、Inをドープしたa-Sn（InxSn1-x）薄膜である。In濃度が8.5%と12.5%の試料を測定した。光電子分光測定は、温度T = 77 Kで行い、650-1250 eVの入射光エネルギーを用いた。エネルギー分解能は約150–300 meVである。
結果と考察 / Results and Discussion
図1は、In:Sn薄膜の光電子分光データを示す。図1(a)に示した、Sn 3d内殻スペクトルは、Inをドープしていないa-Snおよびb-Snと比較している。In濃度の増加に伴い、a-Snと比較してSnピークが低エネルギー側にシフトしており、ホールドープされている様子が見て取れる。同じ傾向は、価電子帯スペクトルで明確に示されており、半金属的なa-SnからInドープをすることでFermi準位上の状態密度が増加し、金属的なb-Snに近づいていく様子が観測された。In:Sn薄膜では、ARPESによるバンド分散も観測されており、不純物ではなく単相Inドープa-Snの本質的な電子状態を捉えた結果と考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1. In:a-Sb薄膜の光電子分光結果．(a) Sn 3d XPSスペクトル．(b) 価電子帯（VB）スペクトル．(c) ARPESスペクトル．
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
BL23SUでの実験に関して、原子力研究機構の藤森伸一氏にご支援いただいた。本研究の一部は、スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク拠点の支援を受けて行われた。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
-
Le Duc Anh, Large superconducting diode effect in ion-beam patterned Sn-based superconductor nanowire/topological Dirac semimetal planar heterostructures, Nature Communications, 15, (2024).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-52080-4
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件