2020 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of novel physical properties of HfO2-based ferroelectrics by controlling polarization fluctuations
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20H02445
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
浅沼 周太郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (30409635)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武貞 正樹 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (30311434)
齊藤 雄太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (50738052)
太田 裕之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (70356640)
森田 行則 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (60358190)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 強誘電体 / HfO2 / 薄膜 / ドメインエンジニアリング / バンドエンジニアリング / 光学特性 / 第二高調波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々は本課題の目標を達成するために（１）複数金属元素の共添加によるバンドエンジニアリング及び（２）非平衡成長によるドメインエンジニアリングの二つの観点からHfO2系強誘電体のパラメータを変化させるアプローチを行った。また、作製した試料について電気特性及び光学特性の二つの面から評価を進めている。
バンドエンジニアリングからのアプローチではパルスレーザー堆積法(PLD法)を用いて薄膜試料の成膜を進めている。PLD法は自前で組成調整して合成したターゲットを用いて迅速に成膜実験が行えることから、ドーパント材料のスクリーニングを効率的に行える成膜法である。PLD法には上記のメリットがある一方、薄膜中にターゲット材料のドロップレットが付着しやすいと言うデメリットがある。そこで、本年度は、ドロップレットの少ない薄膜を成膜することが可能なエクリプスPLD法と呼ばれる手法を用いてHfO2薄膜の成膜を行った。エクリプスPLD法での成膜条件最適化の結果、ドロップレットが極めて少ないHfZrO膜の成膜に成功した。
ドメインエンジニアリングからのアプローチではスパッタ法を用いてドメインを制御した薄膜の成膜を試みる実験を行った。今年度は、超格子周期が異なる複数のHfO2/ZrO2超格子薄膜を成膜し、それらをアニーリングして強誘電体化した時の超格子周期と強誘電特性の関係を調べる研究を行った。その結果、HfO2とZrO2を混ぜたHf0.5Zr0.5O2薄膜よりもHfO2/ZrO2超格子薄膜の方が強誘電相の成長が促進されることが分かった。この結果は、HfO2とZrO2の界面が結晶核の生成を促進していることを示しており、ドメインエンジニアリングにより結晶核の生成温度や速度を制御出来ることを示している。
また、これらと並行してコンパクトIRレーザーを購入し、HfZrO膜の第二高調波を用いた光学測定を進めている。
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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
これまでPLD法を用いてHfO2系強誘電体を作製したことを報告している論文ではエキシマレーザーが使用されており、YAGレーザーを使用した報告はなかった。今回、YAGレーザーを用いたPLD法でドロップレットの殆どないHfZrO薄膜の成膜に成功したことは、PLD法を用いたHfO2系強誘電体に関する研究の発展に繋がると予想される。
また、ドメインエンジニアリングにより結晶核の生成温度及び速度を制御出来ることを実証し、論文として発表した。この結果はドメインエンジニアリングを用いてHfO2系強誘電体の特性を制御出来ることを示しており、本課題の方向性が有効であることを示している。
光学特性の評価についても着実に整備を進めており、2021年度には作製した試料の評価に入る。
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| Strategy for Future Research Activity |
バンドエンジニアリングについては、アニーリング温度の最適化を行うとともに複数の添加物の共添加を進め、バンド制御によりEndurance特性の向上と抗電界の低下を目指す。
ドメインエンジニアリングについては、ドメイン制御により結晶核の生成温度及び速度を制御出来ることは実証したので、次の段階としてドメイン制御とEndurance特性及び抗電界の関係を明らかにする実験を進める。
また、作製した強誘電体薄膜の光学特性の評価を進め、相転移温度や分極特性の異常な振る舞い等の出現を系統的に調べる研究を進める。
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