早稻田大學尖端科學•健康醫療融合研究機構(ASMeW)（Japanese Only）的品田賢宏講師、理工學術院的大泊嚴教授們的研究小組，發現了若把硅半導體中的雜質(dopant)原子各1個有規則地排列的話,半導體單元的動作閾值電壓的偏差會變小,並且發現閾值電壓下落約0.2伏。不但促進欠電壓動作的節能型半導體開發，還由於高集成度帶來的尺寸微小化,半導體單元的高機能化和可靠性的提高給人們帶來期望。同時,這個成果說明了在硅系中用被認為困難的量子單元有實現的可能性。今後,將致力於把本技術應用在利用DNA和蛋白質等生物分子和細胞方面,以促進健康醫療領域的尖端性測量技術的開發。
這個研究成果,在10月20日發行的英國科學雜誌「nature」刊載。(論文題目『Enhancing semiconductor device performance using ordered dopant arrays』)
ASMeW是對文部科學省的戰略性研究基地培養工程(SuperCOE)，在2004年度獲得批準的「尖端科學和健康醫療的融合基地的形成」（Japanese Only）進行實施的組織。以貢獻於維持•促進國民健康為目的而進行研究開發。由於半導體技術被認為能帶來新的診斷技術,所以,此次的研究成果,被認為是半導體元件開發的基礎研究中的一個環節。早稻田大學這次使用了單一離子注入法。這種方法是接受文部科學省的援助,特別推進研究(COE程序)「分子納米工學研究基地」（English Only）確立的。
(注)單一離子注入法用原子電離化單個注入特定處的最終的納米技術,被利用於在半導體研究和生物工藝學等各種領域的研究。
此次的研究,使用單一離子注入法，把硅基礎中作為雜質原子對n型半導體製做而需要的磷原子－有規則地排列。隨著現在高集成化並不斷細微化,半導體中出現了不能忽視的雜質原子分佈的偏差。現在研究小組通過對雜質原子的數量和位置精密地控制,成功地把由雜質原子引起的電氣傳導度偏差從63％減少到13％。此分析表明不僅是雜質原子的數量,還有位置的偏差,也會給半導體特性帶來很大影響。
此研究,比較了通過精密控制雜質原子的數量和位置並有規則地排列而製造的半導體,和以前的隨意地排列的半導體的閾值。結果證明，有規則地排列比隨意排列的閾值電壓的偏差要小,而且閾值電壓的平均值下落0.2v的現象被克服了。雜質原子有規則的排列產生了均一的庫侖力,被推定為是電流傳導即通道的形成原因。
由於能控制雜質原子的數量和位置、隨著高集成化,本來認為硅單元性能的提高已出現了極限。但是現在可以期待著進一步提高硅單元的高機能化和可靠性、以達到不良品削減等目的。同時,一般認為可能可以利用單一原子有規則的排列,來實現用硅系難以實現的量子單元。從這個方面來講,本研究在半導體的電氣性能是由雜質的平均濃度來決定的半導體物理學上,導入了電子工學上的數量以及位置控制的新概念。
但因為當前的生產性低,要較快地開發離子注入裝置和提高瞄準技術的精度,還作為生產技術性課題有待解決。
今後的課題是要實現在納米尺寸的半導體單元中只有1個的雜質原子的單一原子。並且,為了使社會能有效的利用此研究成果,還要與本工程以外領域的研究者配合,創製出能有規則地排列生物分子和細胞的研究成果,以挑戰高機能biochip開發的基礎研究，從而去提出健康醫療的新概念和對診斷技術做貢獻。
(改善dopant原子的規則排列的半導體電子特性)
【用語說明】
單一離子注入法
早稻田大學理工學院大泊研究室的發明。是在離子束的技術基礎上開發出來的。是能把陰離子單個注入的世界上唯一的技術。2005年10月現在,注入可能Be、 B、 Si、 P、 Fe、 Ni、 Cu、 Ga、 Ge、 As、 Pd、 In、 Sb、 Pt、 Au原子。瞄準精度是60nm。
聚焦離子束
聚焦離子束裝置是根據在試料表面掃描極精密地會聚的聚焦,發生的二次電子等觀察顯微鏡像,可以加工試料表面的裝置。
硅半導體
原子號碼 14 的元素。地球中含量最大的元素之一。使之混入dopant原子成為p型半導體,n型半導體。是電子學上非常重要的元素。
雜質原子(dopant原子)
以導電性等的物性變化為目的,半導體等少量加添的異種元素。也可稱為dopant原子。
閾值電壓
三極管的性能指標參數之一。在二個電極(源極---漏極)間開始有電流的最小電壓值。最小開關電壓值。
量子單元
量子力學的性質，即：微小的世界電子有粒子的性質的同時也具有微波的性質,在這裡是應用了微波性質的單元。
