2006 Fiscal Year Annual Research Report
強磁性を有する強誘電体とSi系希薄磁性半導体の接合を用いた新規な電界効果型素子
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14102021
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
藤村 紀文 大阪府立大学, 工学研究科, 教授 (50199361)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松井 利之 大阪府立大学, 工学研究科, 助教授 (20219372)
芦田 淳 大阪府立大学, 工学研究科, 講師 (60231908)
吉村 武 大阪府立大学, 工学研究科, 助手 (30405344)
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| Keywords | 強磁性強誘電体 / YMnO_3 / 強誘電体ゲートトランジスタ / 新強誘電体物 / 減分極電界 / 電界効果型スピン素子 / Si:Ce希薄磁性半導体 / スピントロニクス |
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| Research Abstract |
本研究では、Si用K-Cellのトラブル、イオン注入装置の停止という問題によって研究期間内に最終デバイス動作を確認することはできなかった。しかしながら、最終デバイス形態の方針を明確化するとともに5年間で49報の原著論文を発表し、学術的価値、関連分野への波及性に関しては大きな成果が得られた。YMnO_3の磁気特性と強誘電特性との相関(マルチフェロイック物性)に関しては大きな進展があった。ネール点近傍の温度において、YMnO_3の分極反転の抗電界および低電界側での誘電率に異常があることが見いだされた。反強磁性強誘電体であるYMnO_3はGinzburg-Landou方程式を元に導かれたドメイン安定性の議論から、強誘電性ドメイン壁は常に反強磁性ドメイン壁を伴うことが示唆されている。我々は、実験的に反強磁性ドメインの形成によって強誘電性のドメイン反転が抑制されることを明らかにした。この結果はPhil.Mag.Lett.に招待論文として掲載された。誘電率がネール点で大きく減少する、強誘電性の抗電界がネール点以下で大きく増加する等が分かった。ラマン分光の結果から、フォノン-スピンカップリングが生じていることも明らかになっており、この二つの現象がリンクしていることが示唆される。このネール点で抗電界が増加することを用いることによって、低電界で書込み、保持時は大きな抗電界を有するデバイスの設計が可能になったと考えられる。さらに、YMnO_3の反強磁性を利用した「エクスチェンジバイアス効果」も素子応用としては面白い効果である。また、AサイトをYbと置換することによって数少ない強磁性強誘電体を創出した。強磁性強誘電体を用いると「磁性強誘電体のスピンフィルタリング効果」を利用したデバイスの創成が可能になる。さらに、「磁性・強誘電性ドメイン相互作用」と「磁性極性半導体」との多重分極相互作用の3つの効果を用いた3種類のマルチフェロイックFETが構築できることが示唆され、設計指針が構築された。これらマルチフェロイック材料をゲートに、磁性半導体をチャネルに用いたこれら3つのデバイスは、世界初の提案である。しかしながら最も重要なことは、最初に記載した強誘電体をゲートに用いるとホール誘起の金属的磁性半導体をチャネルに用いることができることである。
CMOSプロセスがイオン注入装置の停止で困難になったためにTFTの作製に計画を変更し、19年4月に完成した。デバイス動作は、ここ1-2年で確認されるものと期待される。本研究とは主旨が少し異なるが、チャネルを酸化物にすることによってマルチフェロイックFETが容易に動作することも証明した。
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