2016 Fiscal Year Research-status Report
相転移酸化物薄膜の面直方向スイッチングに基づく低電圧発振素子に関する研究
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15K04652
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
沖村 邦雄 東海大学, 工学部, 教授 (00194473)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 二酸化バナジウム薄膜 / 絶縁体－金属転移 / しきい値スイッチング / 相転移現象 / 自励発振現象 / 積層構造素子 / 配向性TiN電極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度は，前年度に得られたVO2/TiN/Siにおける9.1 MHzの高周波発振の成果を踏まえて，より低電圧，低電流しきい値での安定発振と発振周波数の上昇を目指して研究を継続した.平成27年度の成果に基づいて，今後の推進方法として示した積層素子の良好な界面の実現と急峻な転移特性を示すVO2薄膜の堆積を素子製作上の目標とした.
その実現のために，結晶性に優れるTiN薄膜堆積を外部委託して実施した.その結果，膜厚200 nm，抵抗率10-4 Ωcm台前半の低抵抗率を有するTiN膜が得られた.更に得られたTiN薄膜は(111)配向を有する配向膜であった.本TiN配向膜上へ反応性マグネトロンスパッタ法で退席したVO2薄膜は(020)配向を有するb軸配向膜であり，そのロッキング半値幅は約3°程度であった.得られたb軸配向を有するVO2薄膜は2.5桁の抵抗値変化を有する絶縁体－金属転移を示し，この特性は前年度の無配向VO2薄膜に比べて良好なものであった.
このようにして得られたVO2/TiN/Ti/Si積層構造に対して，TiN層を下部電極，VO2上のタングステン製探針(先端径：25μm)を上部電極として電圧を印加した結果，1.3 V，200μA程度のしきい値で電圧印加スイッチングを生じた.これらの値は，前年度のしきい値に比べて高いが，これはVO2堆積温度が300℃と前年度に比べてやや高かったためと考えられた.更に，このスイッチングを生じる素子に対して直流電圧を印加した結果，プローバー探針の印加の圧力と印加電圧に応じて数 MHzから10 MHzの幅広い範囲で発振周波数が得られた．新規な試みとして，プローバ探針の圧力評価に重量計を導入したことで，探針圧の定量的且つ再現性のある制御が可能となった.探針圧を制御することでマルチスステップ発振が得られ，更に電源電圧調整によってマルチ発振のモード分離による高周波化を実現できた.
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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
VO2を動作層とする積層型素子において，発振現象の低電圧化及び高周波化はVO2薄膜の膜質によって決まる転移特性及び電圧印加に対するしきい値スイッチング特性に依存する.したがって，VO2結晶成長に有効なfcc(111)面を配向面とするTiN配向膜の成長は本研究の進展にとって重要な成果である.その成果を基に，VO2の結晶性の向上によって絶縁体－金属転移特性の向上が実現できた.電圧印加時のスイッチングにおけるしきい値が前年度サンプルに比べて高いことは，スパッタ成膜の温度を300℃とやや高く設定したことに依るものであるが，次年度へ向けて低温化の目処が立っている.更に，本研究の積層型素子ではプローバー探針を電極として用いているため，その圧力によってスイッチング特性が影響を受けることから，その圧力を定量的に評価した.これによって，マルチステップ発振の実現ができた.探針圧の定量化を系統的に実施することで，従来見出せなかった発振状態の発現につながった.
このように，平成28年度は下部電極として配向性TiNの導入及び探針の接触圧力の定量という新規な要素を導入することで，マルチステップ発振の発見と，電圧制御による10 MHzを越える高周波化を実現した.これらの成果は，最終年度において，より低電圧，高周波の発振を実現するために必須の要素であり，おおむね順調な進展を実現したと考える.
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度の取り組みによって，TiN下部電極の特性向上，VO2薄膜の結晶性改善を実現できたが，電圧印加時のスイッチングのしきい値は電圧，電流ともに平成27年度の結果に比べて高いものであった.これは，配向性TiN上に従来型スパッタ成膜法によって300℃という比較的高い基板温度でVO2成長させたサンプルを用いたためであり，平成27年度と同様にICP支援スパッタ法などの低温成長に適した成膜法を導入する必要があると考えられる.また，基板に高周波バイアスを印加する方法も低温成長に有効であるため適用を予定している.成膜時の基板温度が300℃以上ではVO2/TiN界面に酸化層が形成されることが判明しており，250℃以下の低温での成膜によって急峻な界面を実現することで，より低電圧，低電流でのスイッチングが実現できる見通しである.それによって，本研究の最終目標である電源電圧数V程度以下での10 MHz以上の高周波発振素子の実現ができるものと考えている.
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| Causes of Carryover |
予定した全額をほぼ使用した.残額の8076円は物品購入に伴う端数である.
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の物品費として使用する.
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Research Products
(9 results)
