2022 Fiscal Year Final Research Report

Exploration of novel physical properties of HfO2-based ferroelectrics by controlling polarization fluctuations

Research Project

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Project/Area Number	20H02445
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	Asanuma Shutaro 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)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	武貞正樹北海道大学, 理学研究院, 准教授 (30311434) 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) 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) 右田真司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, 総括研究主幹 (00358079) 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)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	強誘電体 / HfO2 / リラクサー / 薄膜 / 第二高調波 / バンドエンジニアリング / ドメインエンジニアリング
Outline of Final Research Achievements	HfO2-based ferroelectrics are promising ferroelectric materials, but they have yet to be put into practical use due to issues such as coercive electric fields. Therefore, we researched to improve their characteristics by introducing charge fluctuations and domain control into HfO2-based ferroelectrics. We successfully created YxNbxHf1-2xO2 thin films that introduced local charge inhomogeneity by replacing Hf4+ with trivalent Y3+ and pentavalent Nb5+ while maintaining overall charge balance and succeeded in forming films that do not degrade endurance characteristics. Also, we successfully reduced the crystallization temperature by using nanolaminate films and discovered evidence of oxygen defect formation due to the application of an electric field. Furthermore, we succeeded in optically observing the temperature dependence of spontaneous polarization in HfO2-based ferroelectrics.
Free Research Field	酸化物エレクトロニクス
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	HfO2系強誘電体は10nm以下の膜厚でも強誘電性を示すことからFeFET等の材料として期待されており、AI等に用いるインメモリーコンピューティング等への応用を目指して研究が進められている。しかし、ペロブスカイト型強誘電体と比較してEndurance特性及び抗電界の面で課題があるためまだ実用化に至っていない。本課題の研究成果は、リラクサー的挙動を示すHfO2系強誘電体の発見と言う点で学術的意義が大きいだけでなく、Endurance特性及び抗電界特性の改善、延いてはHfO2系強誘電体を用いたFeFET等の実用化に貢献するものであり、社会的意義も大きい。