KAWARADA, Hiroshi

写真a

Affiliation

Faculty of Science and Engineering, School of Fundamental Science and Engineering

Job title

Professor

Homepage URL

http://www.kawarada-lab.com/

Concurrent Post 【 display / non-display

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Advanced Science and Engineering

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Fundamental Science and Engineering

Research Institute 【 display / non-display

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

Education 【 display / non-display

  •  
    -
    1985

    Waseda University   Science and Engineering   Electrical Engineering  

  •  
    -
    1985

    Waseda University   Science and Engineering   Electrical Engineering  

  •  
    -
    1978

    Waseda University   Faculty of Science and Engineering  

Degree 【 display / non-display

  • 早稲田大学   工学博士

  • doctor of engineering

Research Experience 【 display / non-display

  • 2017.04
    -
     

    Nagoya University   Institute of Materials and Systems for Sustainability   Visiting Professor

  • 1995.08
    -
    1996.09

    Alexander von Humboldt Foundation   Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics   Research Fellowship

  • 1995.04
    -
     

    Waseda University   School of Science and Engineering   Professor

  • 1990.04
    -
    1995.03

    Waseda University   School of Science and Engineering   Associate Professor

  • 1986.04
    -
    1990.03

    Osaka University   Department of electrical engineering   assistant

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Professional Memberships 【 display / non-display

  •  
     
     

    The Japan Society of Applied Physics and Related Societies

 

Research Areas 【 display / non-display

  • Electric and electronic materials

Research Interests 【 display / non-display

  • Semiconductor Engineering

Papers 【 display / non-display

  • Low ON-Resistance (2.5 mΩ · cm2) Vertical-Type 2-D Hole Gas Diamond MOSFETs With Trench Gate Structure

    Jun Tsunoda, Masayuki Iwataki, Kiyotaka Horikawa, Shotaro Amano, Kosuke Ota, Atsushi Hiraiwa, Hiroshi Kawarada

    IEEE Transactions on Electron Devices    2021.07

    DOI

  • Space-charge-controlled field emission analysis of current conduction in amorphous and crystallized atomic-layer-deposited Al2O3 on GaN

    Atsushi Hiraiwa, Kiyotaka Horikawa, Hiroshi Kawarada

    Journal of Applied Physics    2021.05

    DOI

  • Drain Current Density Over 1.1 A/mm in 2D Hole Gas Diamond MOSFETs With Regrown p++-Diamond Ohmic Contacts

    Shoichiro Imanishi, Ken Kudara, Hitoshi Ishiwata, Kiyotaka Horikawa, Shotaro Amano, Masayuki Iwataki, Aoi Morishita, Atsushi Hiraiwa, Hiroshi Kawarada

    IEEE Electron Device Letters   42 ( 2 ) 204 - 207  2021.02

    DOI

  • Postdeposition annealing effect on the reliability of atomic-layer-deposited Al2O3 films on GaN

    Kiyotaka Horikawa, Satoshi Okubo, Hiroshi Kawarada, Atsushi Hiraiwa

    Journal of Vacuum Science & Technology B    2020.11

    DOI

  • Application of 2DHG Diamond p-FET in Cascode With Normally-OFF Operation and a Breakdown Voltage of Over 1.7 kV

    Te Bi, Junxiong Niu, Nobutaka Oi, Masafumi Inaba, Toshio Sasaki, Hiroshi Kawarada

    IEEE Transactions on Electron Devices   67 ( 10 ) 4006 - 4009  2020.10

    DOI

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Books and Other Publications 【 display / non-display

  • Power Electronics Device Applications of Diamond Semiconductors

    Satoshi Koizumi, Hitoshi Umezawa, Julien Pernot, Mariko Suzuki( Part: Joint author)

    Woodhead Publishing  2018.06 ISBN: 9780081021835

  • ポストシリコン半導体 -ナノ成膜ダイナミクスと基板・界面効果-

    財満 鎭明, 川原田 洋 ほか

    株式会社 エヌ・ティー・エス  2013.06 ISBN: 9784864690591

  • ダイヤモンドエレクトロニクスの最前線

    久我 翔馬, 梁 正勲, 川原田 洋

    シーエムシー出版  2008 ISBN: 9784781300498

  • マイクロアレイ・バイオチップの最新技術

    川原田 洋

    シーエムシー出版  2008 ISBN: 9784882319863

  • Low-Pressure Synthetic Diamond

    Bernhard Dischler, Christoph Wil

    Springer-Verlag  1998.08

Misc 【 display / non-display

  • ダイヤモンド電解質溶液ゲートFETを受信器とした海中無線通信の距離と深さ依存性

    寳田晃翠, 蓼沼佳斗, 井山裕太郎, CHANG Yu Hao, 新谷幸弘, 川原田洋, 川原田洋

    応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)   80th   ROMBUNNO.20a‐E312‐7  2019.09

    J-GLOBAL

  • ダイヤモンド電解質溶液ゲートFETを用いたVessel GateによるpH Sensing

    川口柊斗, 井山裕太郎, CHANG Y. H, 蓼沼佳斗, 新谷幸弘, 川原田洋, 川原田洋

    応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)   80th   ROMBUNNO.20a‐E312‐8  2019.09

    J-GLOBAL

  • ダイヤモンド電解質溶液ゲートFETを受信器とした海水内での信号伝送

    蓼沼佳斗, 井山裕太郎, 梶家美貴, 河下敦紀, FALINA S, CHANG Y. H, 新谷幸弘, 川原田洋, 川原田洋

    応用物理学会春季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)   66th   ROMBUNNO.11a‐M113‐11  2019.02

    J-GLOBAL

  • 浅い単一NVセンターの規則配列を用いたナノNMRのスピンノイズ解析

    石井邑, 福田諒介, BALASUBRAMANIAN Priyadharshini, 東又格, 永岡希朗, 河合空, 薗田隆弘, 寺地徳之, 小野田忍, 春山盛善, 春山盛善, 山田圭介, 稲葉優文, 稲葉優文, 山野颯, STUERNER Felix M, SCHMITT Simon, MCGUINNESS Liam P, JELEZKO Fedor, 大島武, 品田高宏, 川原田洋, 加田渉, 花泉修, 磯谷順一, 谷井孝至

    応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)   79th   ROMBUNNO.20a‐PB9‐12  2018.09

    J-GLOBAL

  • ダイヤモンド電解質溶液ゲートFETのスイッチング特性およびその参照電極‐チャネル間距離依存性

    蓼沼佳斗, 井山裕太郎, 梶家美貴, FALINA S, SYAMSUL M, CHANG Y. H, 新谷幸弘, 川原田洋, 川原田洋

    応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)   79th   ROMBUNNO.21p‐232‐13  2018.09

    J-GLOBAL

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Industrial Property Rights 【 display / non-display

  • 積層体、単結晶ダイヤモンド基盤及びその製造方法

    川原田 洋, 費 文茜, 森下 葵

    Patent

  • ダイヤモンド電界効果トランジスタ及びその製造方法

    川原田 洋, 矢部 太一

    Patent

  • 半導体装置及びその製造方法、電界効果トランジスタ

    平岩 篤, 堀川 清貴, 河野 省三, 川原田 洋

    Patent

  • ダイヤモンド半導体基板の製造方法

    川原田 洋, 平岩 篤, 蔭浦 泰資

    Patent

  • ノーマリオフ動作ダイヤモンド電力素子及びこれを用いたインバータ

    川原田 洋, 稲葉 優文, 牛 俊雄, 畢 特, 大井 信敬

    Patent

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Other 【 display / non-display

  • Japan Scie...

     View Summary

    Japan Science and Technology Corporation. Core Research for Evolutional Science and Technology. Research Area: Function Evolution of Materials and Devices based on Electron/Photon Related Phenomena (k2001.10)

  • Japan Science and Technology Corporation. Core Research for Evolutional Science and Technology. Research Area: Function Evolution of Materials and Devices based on Electron/Photon Related Phenomena (k2001.10)

Awards 【 display / non-display

  • 文部科学大臣表彰 科学技術賞(研究部門)

    2016.04   ダイヤモンドパワートランジス タおよびバイオセンサの研究

  • 応用物理学会フェロー表彰

    2010  

  • 超伝導科学技術賞

    2007  

Research Projects 【 display / non-display

  • 電子スピンの量子状態変化を検出原理に持つカロリーメータの開発

    Project Year :

    2017.04
    -
    2020.03
     

     View Summary

    ダイヤモンド中の窒素・空孔(NV)センターが持つ電子スピンの磁場・温度依存性をX線検出器の一種であるカロリーメータに適用するための研究を行った。既存のカロリーメータは、吸収体、遷移端温度計(TES)と超伝導量子干渉計(SQUID)、熱浴等から成る。吸収体の極微小な温度変化をTES・SQUIDで計測する。本研究では、NVセンターの電子スピンの磁場・温度特性を利用して微小な温度変化を捉えることのできる「電子スピン型カロリーメータ」の開発を目指した。電子スピンを利用する研究と並行し、硼素添加の単結晶ダイヤモンドが数K領域で超伝導を示す特徴を利用し、数K動作のダイヤモンドTESやSQUIDをカロリーメータに適用するための研究も実施した。NVセンターは室温において利用されることが多いが、カロリーメータでは極低温における磁場・温度計測が求められる。NVセンターは100 Kを下回ると温度計測の感度が鈍化するため、従来よりも高感度な計測が必要とされる。そこで、NVセンター間の量子もつれを利用して高感度計測する方法に着目した。本研究では、量子もつれを生成し得るNVセンターの3量子ビット化に世界で初めて成功し、超高感度計測に向けて前進した。開発した手法はさらなる多量子ビット化の可能性を秘めており、カロリーメータだけでなく他の超高感度計測へも貢献し得る。一方、単結晶超伝導ダイヤモンドSQUID動作を世界で初めて実現した。動作温度は2.6 Kであり、動作温度を10 Kまで向上させる道筋も示した。このように数Kで動作するダイヤモンドSQUIDが開発できたことにより、数K動作のダイヤモンドカロリーメータ開発が大きく進展した。令和元年度が最終年度であるため、記入しない。令和元年度が最終年度であるため、記入しない

  • Electron Spin Control of Diamond by Surface Carrier and its Application to Nuclear Spin Detection of Bio-Molecules

    Project Year :

    2014.05
    -
    2019.03
     

     View Summary

    We have established surface functionalization and surface device technology that stabilizes the state near the surface in which the nitrogen-vacancy (NV)centers in diamond are negatively charged (NV-). In particular, we developed a method for evaluating the stability of NV- and the method for stabilizing NV- at the nitrogen (N)-terminated surface using Rabi oscillation contrast. We found that the stabilization of shallow NV- when the biomolecule was directly covalently immobilized by the NH2 group on the N-terminated surface. The further increase of the coherence time T2 by the decoupling method (XY-8 method) enables 1H and 31P local nuclear magnetic resonance measurement at the diamond surface

  • Realization of several-qubit quantum register by fabrication of nanoscale-array of NV centers in diamond

    Project Year :

    2014.04
    -
    2017.03
     

     View Summary

    Firstly, we have developed fabrication methods of introducing strong mutual interactions into NV centers which have excellent properties as quantum spins at room temperature. By implanting molecular nitrogen ions through masks with regularly arranged nano-holes, multi-NV centers having the distances of ~13nm have been fabricated as regular arrays. By fabricating a three-dimensional ensemble of NV centers of an average distance of ~5 nm, the creation of the discrete time crystal has been experimentally demonstrated. Secondly, nano-hole implantation has been applied for fabricating regular array of quantum sensors of shallow single NV centers. In nano-NMR, by combining high field measurements, quantum algorisms, and high-quality HPHT crystal, high resolution detecting chemical shift has been achieved for samples of ultra-micro quantity. By the growth of high quality CVD crystals, the generation of indistinguishable single photons from separate SiV- centers has been demonstrated

  • Regrowth of carbon nanotubes from zigzag carbon nanotube forest on silicon carbide

    Project Year :

    2014.04
    -
    2016.03
     

     View Summary

    Carbon nanotube (CNT) forest was regrown by CVD method from densely packed CNT forest on Silicon carbide (SiC), which has zigzag chiralities. The patterning growth of base CNT forest on SiC was performed by ZnO/C double-layer mask. To obtain the CNT edges, we used hydrogen peroxide treatment. The regrowth of CNT forest was succeeded in CH4/H2 system at over 900 oC. This result is useful for the application of ohmic electrode of SiC power devices, where high current durability is required

  • ダイヤモンド表面近傍の電子スピン制御による単一核スピンの観測

    Project Year :

    2014.04
    -
    2015.03
     

     View Summary

    ダイヤモンド表面で、n型反転層形成により、表面側のNVセンターを100%NV-にすることで、高感度で局所NMRを行うことが本研究の目的である。反転層形成には、正の電子親和力(χ=+1.5-2.0eV)を有する酸素終端ダイヤモンド表面を利用する。それよりも小さな電子親和力をもつSiO2(χ=+0.95eV)をこれらの酸素終端ダイヤモンド表面に形成することで伝導帯のバンドオフセットΔEC>0.5eVを形成し、ダイヤモンド側に伝導電子の蓄積で100%NV-にする。オフセットΔEC>0.5eVとなる絶縁膜はSiO2が最も優れている。反転層形成用ゲート絶縁膜としてはSi熱酸化膜が最もよい。Si熱酸化膜をダイヤモンド上に形成するために、Siでダイヤモンド表面を被覆し、熱酸化を行った。Siの被覆がなければ、ダイヤモンド表面が酸化エッチングされる条件でも、ダイヤモンド表面は安定であった。この結果、熱酸化SiO2/ダイヤモンド界面を形成することに、初めて成功した。この構造に透明電極を形成した金属-酸化物(SiO2の場合)-半導体(MOS)構造を形成し、電子・正孔対を形成し、電子を表面側に捕集して、容量-電圧法(C-V法)にて電子がMOS界面に蓄積しているのを観測する予定である。いまだ報告例のない10nm以下の浅いNV-センターの形成に最も重要な技術であり、熱酸化SiO2/ダイヤモンド界面を形成の意義は大きい。局所NMRでは、DNAおよびRNAのコンフォメーション等のダイナミックな運動の観察が将来の目的であるが、まずはこれら核酸の基本構造となる31P核スピンのNMRをダイヤモンド表面近傍のNV-で観測する技術を、ダイヤモンド上のSiO2中の31P(原子密度で約1%)で測定する試料作製を行った。ダイヤモンド外の31Pの検出として、SiO2中の31P の単一核スピンとNV-電子スピンのエンタングルメント状態でNMR観測を行った。明確な31Pでピークの確認を今後行う。この結果は、生体分子の局所NMR観測の第一歩として意味がある。26年度が最終年度であるため、記入しない。26年度が最終年度であるため、記入しない

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Presentations 【 display / non-display

  • Exploring the potential of heteroepitaxial diamond as field effect transistor

    M. Syamsul, H. Kawarada  [Invited]

    2018 E-MRS Fall Meeting & Exhibit  (Warsaw, Poland) 

    Presentation date: 2018.09

  • RF Performance of ALD-Al2O3 2DHG Diamond MOSFETs at High Voltage Operation for High Output Power

    S. Imanishi, N. Oi, S. Okubo, K. Horikawa, T. Kageura, A. Hiraiwa, H. Kawarada

    2018 International Conference on Solid State Devices and Materials(SSDM2018)  (Tokyo, Japan) 

    Presentation date: 2018.09

  • Superconducting Boron-doped Diamond Josephson Junction Operating above Liquid He Temperature, 4.2K

    S. Amano, T. Kageura, I. Tsuyuzaki, M. Tachiki, S. Ooi, K. Hirata, S. Arisawa, H. Osato, D. Tsuya, Y. Takano, H. Kawarada

    2018 International Conference on Solid State Devices and Materials(SSDM2018)  (Tokyo, Japan) 

    Presentation date: 2018.09

  • Properties of Shallow Nitrogen Vacancy Centers in Nitrogen Terminated Diamond and Detection of Nuclear Magnetic Resonance

    T. Sonoda, S. Kawai, H. Yamano, K. Kato, J. J. Buendia, T. Kageura, Y. Ishii, K. Nagaoka, R. Fukuda, T. Okada, M. Haruyama, T. Tanii, K. Yamada, S. Onoda, W. Kada, O. Hanaizumi, A. Stacey, T. Teraji, S. Kono, J. Isoya, H. Kawarada

    2018 International Conference on Solid State Devices and Materials(SSDM2018)  (Tokyo, Japan) 

    Presentation date: 2018.09

  • New Glass-less pH Sensing System Using Diamond Electrolyte Solution Gate FETs (SGFETs) and Vessel Gate

    Y. Iyama, S. Falina, Y. Shintani, H. Kawarada

    2018 International Conference on Solid State Devices and Materials(SSDM2018)  (Tokyo, Japan) 

    Presentation date: 2018.09

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Specific Research 【 display / non-display

  • ワイドギャップ半導体高速相補型FETによるノイズレス正弦波パワーインバータの開発

    2020  

     View Summary

    本研究では,n-FETにGaNを,p-FETにダイヤモンドというワイドバンドギャップ半導体を利用し、従来型インバータよりも1桁以上高速動作可能な相補型高電圧インバータの基本回路を作製した。縦型ダイヤモンドp-FETを世界に先駆けて開発し、電流密度20kAcm-2以上、オン抵抗2mΩcm2以下を達成した。耐圧は500V以上で、実電流で3Aを達成している。大学の環境で作製するFETとしては非常に高い実電流である。上記の結果は水素終端ダイヤモンド表面(700℃まで安定)を利用したものである。産業応用を考えるとより高温に安定な表面であるシリコン終端表面(1200℃まで安定)を利用したノーマリオフダイヤモンドMOSFETを世界に先駆けて開発した。相補型高電圧インバータをハーフブリッジ回路にてGaN n-FETとダイヤモンド p-FETにより作製し、スイッチング周波数で1MH以上での動作を世界に先駆けて確認した。ダイヤモンドp-FETとGaNのn-FETと組み合わせて,高速高電圧相補型インバータ回路を実現したことは高く評価される

  • ダイヤモンド高密度ナノドーピングによるスピン制御と超伝導(非採択となった2019年度科研費基盤Sと同一タイトル)

    2019  

     View Summary

    Nitrogen vacancy (NV) center in diamond is expected as a magneticsensor with high sensitivity at room temperature and single NV center succeededin detecting 1H spins out of the substrate. For improvement magneticsensitivity, both shallow and aligned NV ensemble is required since themagnetic sensitivity is inversely proportional to the root of number of NVcenters. N-terminated (111)surface was fabricated and thin layer (10 nm) of high purity (111) diamond filmwas epitaxially grown on the surface. We confirmed that N density in the highpurity diamond film and the formation of NV ensemble with 2D concentration of about1 x 1011 cm-2 using the confocal PL-intensity mapping.Superconducting quantum interference devices(SQUIDs) are widely used as high-sensitive magnetometers in several fields. However, there is still a problem with material instability in scanningSQUID microscope or quantum bit in quantum computing application. Superconductingboron-doped diamond shows excellent robustness in SQUID characteristics. We havedemonstrated a first single crystalline diamond SQUID, whose Josephson junctions (JJs) were formed by step-edge structure. However, it was operatedat 2.6 K. In this work, we have demonstrated diamond SQUIDs operating at 8.0 Kwell above liquid helium temperature 4.2 K using only (111) growth layer with Tc=10 K by using trench JJs.

  • ダイヤモンドpチャネル電界効果トランジスタによる相補型パワーインバータ

    2018  

     View Summary

    相補型インバータの実現にはほぼ同一性能のp-FETおよびn-FETが必須である.n-FETはGaNやSiCで充分な性能が期待されるが,これらの材料ではp-FETの性能がn-FETに対して1/10以下である.これがパワーインバータで相補型が達成されていない原因である.一方,ダイヤモンドのpチャネルFETは,特に水素終端(以下,C-H)ダイヤモンド表面に誘起される2次元正孔ガス(2 dimensional hole gas, 2DHG)をチャネルに利用するFETでは,高い電流駆動特性を有し,SiCやGaNのn-FETに比較し得る性能がでてきた.そこで,p-FETの高耐圧高速化が最も進んでいるダイヤモンドにおいて相補型高電圧回路でのp-FETを担わせることを前提に,ダイヤモンドp-FETの高耐圧化、高電流化、縦型化を行い、世界最高性能のp型パワー半導体デバイスを実現した.

  • 高耐圧ダイヤモンドトランジスタでの窒素空孔センターによる高電界空間分布測定

    2016  

     View Summary

    浅いNVセンターの領域に表面チャネル型の電界効果トランジスタ(FET)を形成し、オフ状態の高電界下で空乏層を伸長させることで、電気的にNV-の安定領域を制御する。表面からキャリア(正孔)を追い出し、空乏化するとポテンシャルは下向きに湾曲し、さらに高い電界ではフェルミ準位が真性フェルミ準位(ギャップ中央)よりも高くなる状すなわち反転状態がゲート電極近傍に出現する。これを実現するには高電圧(500V以上)高電界(1MV/cm)下で動作するプレーナー型FETが必要で、それを表面スピンの極めて少ない水素終端ダイヤモンド表面を利用して作製することが可能となった(Sci. Rep. 2017)。

  • ダイヤモンド電解質溶液トランジスタによるDNAセンサの集積化および高速計測

    2007  

     View Summary

    課題:ダイヤモンド電解質溶液トランジスタによるDNAセンサの集積化および高速計測液体電解質溶液中で動作するダイヤモンド・トランジスタ(ダイヤモンド電解質溶液FET:SGFET)の微細化やチャネル表面の修飾最適化による感度向上、高速化、ならびに検出物質の微量化により、電荷検出型DNAマイクロアレーの開発、一塩基遺伝子変異(一塩基多型、SNPs)検出を行う。ダイヤモンド表面上に直接修飾された化学反応基は空気中や液体中に安定で、その表面上に固定されたDNAはダイヤモンド表面との強く共有結合し、数十回ハイブリダイゼーションとディネーチャーを繰り返しても離れず安定である。一方、ダイヤモンド表面の吸着構造は一般的な有機化合物の部位であり、その安定性は高い。ダイヤモンド上の吸着原子・分子の変化(特に水素、酸素、フッ素、アミノ基)は、表面の電気伝導性、表面電荷、親水・疎水性に非常に大きな影響を与えるミクロサイズSGFETのチャネル(検出部)をミクロアレーし、その二つのチャネル部分に様々部分的な化学修飾処理した後、complementary DNAや一塩基遺伝子変異(SNPs)を共有結合による固定し、DNAのハイブリダイゼーションとSNPsでのハイブリダイゼーション効率による電位変化に成功した。この場合、固定された生体分子は一種の埋め込みゲートとして機能し、DNAハイブリダイゼーションより僅かな電位の変化を大きなドレイン電流変化とゲート電位変化として増幅できる。さらに、同じデバイス特性からハイブリダイゼーション効率によるcomplementary DNAとSNPsの電位差からSNPs判断が明らかになった。また、トランジスタのゲート長の微細化による相互コンダクタンス(性能)向上によりDNAやSNPsの高感度検出に成功し、ダイヤモンド上にマイクロアレー技術の適用により高速計測が可能になった。今後はDNAより構造的安定性を持つRNAやLNAを適用してcomplementary DNAとSNPsの検出を行い、最適化したダイヤモンドSNPsセンサの製作を行う。

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Syllabus 【 display / non-display

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Committee Memberships 【 display / non-display

  • 2014.04
    -
     

    (社)ニューダイヤモンドフォーラム  顧問

  • 2010.04
    -
    2014.03

    New Diamond Forum  Chairman

  • 2010.04
    -
    2014.03

    (社)ニューダイヤモンドフォーラム  会長

  • 2012.10
    -
     

    Science Council of Japan  Member

  • 2012.10
    -
     

    日本学術会議  連携会員

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