2016 Fiscal Year Annual Research Report
次世代超低消費電力トンネルＦＥＴの実現に向けたゲルマニウムスズの電子物性制御
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15J10995
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柴山 茂久 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | ハフニウム酸化膜 / 強誘電性 / ドーピング / ピエゾ応答力顕微鏡 / 相転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強誘電体HfO2の電子物性をマクロ・ミクロの両観点から理解することを本年度の目的とした。
（1）昨年度より立ち上げてきたピエゾ応答力顕微鏡（PFM）による強誘電体HfO2のドメイン構造観察を行ってきたが、その過程でPFMにおける強誘電体特有のシグナルが、常誘電体薄膜においても検出されることを見出した。これはPFM測定手法に由来する問題であり、PFMによる強誘電体評価の危険性を示唆している。間違った解釈や結果を論文化する前に気付けたことは幸いであり、この発見は成果の一つと考えている。現在はPFMで検出されるシグナルの起源を解明し、ピエゾ応答を支配的に検出する方法の確立を急いでいる。
（2）HfO2に対するドーピングでは、アクセプタの場合、ドーパントに依らず、ドーピング濃度に対して、単斜晶→斜方晶（強誘電相）→正方晶/立方晶というユニバーサルな相転移過程を示すことが分かった。この事実から、HfO2に対するドーピング効果は、局所内部応力の変調による構造相転移の誘発と、統一的に解釈できる。またこの事実は、HfO2の強誘電性制御においては、構造相転移過程の制御、つまり動的過程の制御が重要であることを示している。
（3）結晶化熱処理時の昇温速度によって、最終的に残留する強誘電相と単斜晶相との体積比、および残留分極（Pr）が変化することを見出した。急速加熱で結晶化熱処理を行った場合にPr～13uC/cm2が得られる試料に対して、準静的な昇温過程で結晶化熱処理を行っても、Pr～2uC/cm2と小さいものの、強誘電性の発現が確認できた。これは、これまで準安定相と考えられていた強誘電相が、実際に準安定相であることを直接的に示しており、重要な結果である。
（4）強誘電体HfO2と酸化物チャネルを用いたFerro-FETおよび、極薄強誘電体HfO2を用いたFTJの動作実証に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の目的はマクロとミクロの両観点から、強誘電体HfO2の電子物性を理解することであった。マクロな観点では、HfO2に対するドーピングによる強誘電相発現過程や、結晶化熱処理時の昇温過程が最終的な強誘電性に影響を与えることが分かってきた。また、強誘電体HfO2を用いたFerro-FETやFTJの動作実証を行うなど、デバイス動作の点においても進展があった。このようにマクロな点では、HfO2の強誘電性発現メカニズムの理解に対して進展があったと考えている。一方で、ミクロな観点である強誘電ドメイン構造の観察に関しては、PFM測定で強誘電性を評価できていない可能性が高いことが分かった。現状のPFM測定そのものの危険性や、PFMの結果の解釈に十分に気を付けなければならないことに早期に気付けた点は進展と言える。しかしながら、当初の目的であった、ミクロな強誘電性の評価自体は進展していないので、その点を差し引き、概ね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
HfO2において、個々のドーピングによる強誘電性の発現や残留分極の制御方法に関する知見は、今年度で大きな進展があったと考えている。特に、結晶化熱処理の動的過程（例えば昇温過程）が強誘電性発現において重要なファクターである点は興味深い。今年度は、準静的な過程と急速加熱した場合という両極端の系を取り扱ったが、これを系統的に調べ、結晶化ダイナミクスがHfO2の強誘電性に与える影響を明らかにしたいと考えている。
また今後は、強誘電体HfO2の抗電界の低減に向けた研究にも着手する予定である。一般的に、HfO2の抗電界は絶縁破壊電界と数倍程度しか差が無い。つまり、強誘電体HfO2におけるスイッチングは常に、絶縁破壊に近い電界で行われている状態であり、メモリデバイス応用を考えた際には、本質的に信頼性が損なわれている状態と言える。これまでの研究では、いかなるドーパントを用いても、HfO2の抗電界を桁で低減することは出来ていない。ここで、マルチフェロイック材料であるBiFeO3において、ドナーとアクセプター（Mn4+とZn2+）のCo-dopingによって、抗電界が低減出来たという報告に着目したい。本手法の特徴は、Mn4+とZn2+による欠陥ダイポールを強誘電体内部に導入することで、局所的な内部電界を変調し、分極反転に必要な電界を低減するという、内部電界の変調にあると解釈している。HfO2の抗電界を低減するため、まずはこの考えをHfO2に適用する予定である。勿論、HfO2は二元系酸化膜であるので、カチオン2種ではなく、カチオンとアニオンのCo-dopingの方が効果が期待できる可能性も考慮に入れて研究を進める予定である。
これらと並行して、PFMの測定原理の理解と、PFMによる正確な強誘電性評価手法の確立も検討していく予定である。
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