利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.04.02】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23IT0024

利用課題名 / Title

光レクテナ用幾何学的ダイオードの開発

利用した実施機関 / Support Institute

東京工業大学 / Tokyo Tech.

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）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（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

光レクテナ,ナノダイオード,リソグラフィ,電子ビーム露光,描画装置,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,電子線リソグラフィ/ EB lithography

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)

野崎眞次

所属名 / Affiliation

（株）Space Power Technologies

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

宮本恭幸,梅本高明

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

IT-002：電子ビーム露光データ加工ソフトウェア
 IT-038：電子ビーム露光装置
 IT-006：走査型電子顕微鏡
 IT-003：マスクレス露光装置
 IT-037：クリーンルーム付帯設備一式

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

　本研究では、太陽光発電を究極の目標とした超高速光レクテナを開発することを目指す。超高速ダイオードとして幾何学的ダイオードが提案されているが、光レクテナへの応用には、高い整流比が必要であり、その作製には、ナノメートルオーダーの非対称な形状を有する導体を作製する微細加工技術が不可欠となる。また、幾何学的ダイオードのサイズは、電子の平均自由工程より小さくなければならず、これまで材料には、電子の移動度が高いグラフェン薄膜を使った幾何学的ダイオードが作製されてきたが、いまだ高い整流比は得られていない。[1] 2021年度に金だけで試作したダイオードが整流性を示したので、その再現性を確かめるため、2022年度にはまったく同じレシピでダイオードを試作したが、電気測定結果よりどの試料においても電流がほとんど流れないことが分かった、光学顕微鏡で見たところ三角形と矩形が接触しておらず、ギャップが存在するようであった。2023年度は、電子ビーム露光条件を見直し、デバイスパラメータを数多く変えたナノダイオードを作製した。

実験 / Experimental

【利用した主な装置】走査型電子顕微鏡、マスクレス露光装置、電子ビーム露光装置、3連Eガン蒸着装置、クリーンルーム付帯設備一式
【実験方法】　　2023年度前半は、電子ビーム露光のドーズ量を最適化するために、SiO₂上にレジスト（ZEP520A）を厚さ150nm堆積した試料を使って、ドーズ量300～600μCに変化させ、ライン幅10～50nmを露光し、走査型電子顕微鏡でその断面を観察した。その結果をもとに、ドーズ量400～650μCと変化させ、図１に示すようなナノダイオードのレジストパターンを作成した。矩形部と三角部の接点角を53^o、90^oとし、接点の離れ具合を-10～+15nmと変化させたナノダイオードのパターンを作成し、走査型電子顕微鏡で、接点の幅、ネック幅を測定した。その後、レジストパターンに3連Eガン蒸着装置により金を蒸着し、リフトオフを行い、金のナノダイオードを作製した。金の蒸着によりナノダイオードがどのようにレジストパターンから変化するかを走査型電子顕微鏡で観察した。　
　後半は、前半の結果をもとに電気測定ができるよう80μm角の金の電極パッドを矩形部と三角部に作製した。ナノダイオード本体に接触することなしに電極を形成するには、マスクレス露光で電極パターンを形成し、300nmの厚さの金電極を金蒸着後、リフトオフで作製した。矩形部と三角部の接点角度は、30^o、53^o、90^o、127^oとし、ドーズ量は、450～600μCとし、距離は、-20～+10nmとした。ナノダイオードの金の厚さも30、50nmとした二種類の電気測定用ナノダイオードを作製した。2022年度とは異なり、ナノダイオード作製パラメータを数多く変化させたデバイスを作製することにより、良好な電気特性を有するナノダイオードの実現が期待される。

結果と考察 / Results and Discussion

　図2に150nmのレジストをドーズ量550と450μCで露光した際の10nmのラインの断面図を示す。450μCでは、レジストの表面しかラインが形成されていないことがわかる。しかし、ライン幅を20nmとすると450μCでもレジスト膜深くまで露光されていることがわかった。ナノダイオードパターンの接点部分の露光は、接点角度に依存するので、ナノダイオードのレジストパターン作成では400～650μCとドーズ量を変化させ、走査型電子顕微鏡(SEM)観察を行った。電気的特性に影響を与えるのは、ナノダイオードでの矩形部と三角形頂点の離れ具合なので、その距離、接している場合は、重なっている部分のネック幅を測定した。図３には、SEM像の一例を示す。接点角度90^o、ドーズ量600μC、距離0の場合であるが、その場合のネック幅は、100nmほどと大きいものとなっている。ドーズ量、接点角度、距離を小さくするとネック幅は小さくなる傾向がある。接点角度53^o、ドーズ量450μC、距離が-15nmと大きく離れていても矩形部と三角部は重なった。
　次に、別に用意したレジストパターンに金50nmを蒸着し、リフトオフを行った。SEM観察後の試料は、電子ビームにさらされるため別の試料を用意する必要がある。しかし、用意した試料はSEM観察を行えないため、電子ビーム露光により作成されたレジストパターンが、SEM観察したものと類似するかどうかは確認できない。したがって、電子ビーム露光でのパターンの作成の再現性がない場合は、金蒸着によるパターンの変化を正確に調べることはできない。図4には接点角度90^o、ドーズ量600μC、距離0の場合に金を蒸着したナノダイオードのSEM像であるが、ネック幅は、図3に比べると若干小さくなっている。金蒸着後ドーズ量においては蒸着前よりネック幅が増加するものもあった。レジストパターンでは、距離を5nm増加させてもネック幅に顕著な増加が見られたが、金蒸着後は、10nm増加させると明確なネック幅の増加が見られた。
　ネック幅が大きすぎるとナノダイオードに整流性が見られなくなるので、電子ビーム露光により作成されるレジストパターンのばらつきも考慮して、電気測定用ナノダイオードの作製では、接点角度30^o、53^o、90^o、127^o、ドーズ量450、500、550、600μC、距離+10、+5、0、-5、-10、-15、-20nmと変化させた。一条件当たり10個の同一ダイオードを用意し、ばらつきを調べることとした。したがって、1基板あたり計1120個のナノダイオードが作製され、金の厚さも30（基板4）、50nm（基板3）と変えた二種類の基板を用意した。
　金の厚さを段差計で測定したところ、基板3は60nm、基板4は45nmと蒸着装置で設定された値より若干厚かった。電気測定結果では、ショートとオープンが大半で、図5に示すように距離が離れるほどオープンになりがちで、また、距離が正（矩形と三角形頂点が重なる）の場合、ショートすることが多い。図5は、基板4、接点角度30^o、ドーズ量500μCの場合で距離を変化させたナノダイオードの電気特性がショート(+1)、オープン(-1)になったことを表している。横軸の距離での10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80は、それぞれ、+10、+5、+0、-5、-10、-15、-20nmに相当する。図の60（-10nm）を境にそれより小さい場合はショート、大きい場合はオープンとなっているようである。基板3でも同様であったが、金が薄い基板4のほうが同じ距離ならばオープンになりやすい。
　図6(a)、(b)にナノデバイスの電流―電圧特性を示す。いずれのナノデバイスも接点角が53^o 、ドーズ量が500μCで、(a)、(b)は距離が0、-5である。測定では、電圧を三角形側の電極に加え、矩形側はグランドとしたので、負の電圧の時、三角形の先端が鋭利な場合電界が強まり、電流が流れやすい（順方向）ことが期待される。(b)の特性では、それが見られるが、(a)では、逆に正の電圧の時より多くの電流が流れているように見える。この結果からみると、より三角形頂点が矩形部から離れるにしたがって、形状の違いによる整流性が得られやすいようだが、他のナノデバイスにおいては接点角度、距離、ドーズとI-V特性の明確な関連性は見られなかった。最も整流比が高かったナノダイオードでは順方向-2Vで逆方向+2Vの電流より2桁高い電流が流れた。
【まとめ】　ナノダイオードの作製にあたって、接点角、ドーズ量、距離をパラメータとして変化させた数多くのデバイスを作製した。ショートでもオープンでもなく電流―電圧特性が測定可能なデバイスがこれまで以上に数多く得られた。角度、ドーズ量、距離とオープン、ショートの関連性は見られたものの、整流比とこれらのパラメータの明確な関連性は得られなかった。このことは、電子ビーム露光で作成したナノダイオードのパターンは比較的再現性がいいものの金を蒸着すると矩形部と三角形の接している長さ、ネック幅の再現性が余り得られないことによる。その理由として、SiO₂表面の平坦性があまりよくないことが考えられる。しかしながら、金の形状を非対称にすることにより整流性が得られたことは大きな成果であった。