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2021 Fiscal Year Annual Research Report

窒化アルミニウム基エピタキシャル薄膜を用いた強誘電性サイズ効果の解明

Research Project

Project/Area Number 21H01617
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

舟窪 浩  東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (90219080)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 上原 雅人  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 (10304742)
木口 賢紀  熊本大学, 先進マグネシウム国際研究センター, 教授 (70311660)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords窒化アルミニウム / 強誘電性 / サイズ効果 / エピタキシャル膜
Outline of Annual Research Achievements

AlN[(Al,Sc)N]は、六方晶の対象中心の無いウルツ鉱構造を有し、膜厚300nmの分極軸であるc軸一軸配向膜について、強誘電性が実験的に確認された。研究代表者は、この強誘電性の発現起源の違いがサイズ効果と深く関係しており、強誘電性の起源がHfO2に近い蛍石構造やウルツ鉱構造強誘電体では、サイズ効果はほとんど観察されないと考えている。本研究の目的は、巨大強誘電性を有するAlN基エピタキシャル膜を作成し、その巨大強誘電性の詳細な解析を行うことで、“サイズ効果”の起源を解明することである。本研究では、スパッタ法により(Al,Sc)N膜および(Ga,Sc)N膜を作製し、その強誘電性を調査した。
(Al,Sc)N膜について、Pt/ScGaN/Pt構造をスパッタリング法等によって種々の膜厚で作製し、強誘電性の温度依存性を評価した。その結果、温度を上昇させると抗電界が低下し、分極反転することができる十分な電界印加が可能になった。さらに膜厚が9nmまで、残留分極値は本質的には低下しないことが明らかになった。一方、抗電界は膜厚が低下すると上昇することが明らかになった。
(Ga,Sc)Nについては、Pt/ScGaN/Hf構造をスパッタリング法等によって作製し、強誘電性を評価した。圧電反応の符号反転とともにヒステリシスをもつP-E特性が観察され、(Ga,Sc)Nが強誘電性を示すことが実測で明らかになった。また、このときの残留分極は100μC/cm2以上で(Al,Sc)Nと同等であった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

膜厚依存について、膜の歪の効果と強誘電性の関係を明らかにできる可能性が出てきており、他の強誘電体物質との比較が可能になると期待できるため。

Strategy for Future Research Activity

膜の歪と強誘電性の関係を明らかにするとともに、その関係を用いて歪を制御することによって薄膜まで安定して強誘電性が発現できる、スタック構造の研究を行う予定である。特に歪が有効に利用できるエピタキシャル膜の研究を積極的に行っていく予定である。

  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] 元素添加による窒化物圧電材料の開発2022

    • Author(s)
      上原雅人
    • Journal Title

      超音波テクノ

      Volume: 34(2) Pages: 38~41

  • [Journal Article] Impact of Deposition Temperature on Crystal Structure and Ferroelectric Properties of (Al1-xScx)N Films Prepared by Sputtering Method2021

    • Author(s)
      ShinnosukeYasuoka, Takao Shimizu, Akinori Tateyama, Masato Uehara, Hiroshi Yamada, Morito Akiyama, and Hiroshi Funakubo
    • Journal Title

      physica status solidi (a)

      Volume: 218 Pages: 2170049~2170049

    • DOI

      10.1002/pssa.202170049

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Thickness scaling of (Al0.8Sc0.2)N films with remanent polarization beyond 100μC/cm2 around 10nm in thickness2021

    • Author(s)
      Ryoichi Mizutani, Shinnosuke Yasuoka, Takahisa Shiraishi, Takao Shimizu, Masato Uehara, Hiroshi Yamada, Morito Akiyama, Osami Sakata, and Hiroshi Funakubo
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 14 Pages: 105501~105501

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac2261

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Demonstration of ferroelectricity in ScGaN thin film using sputtering method2021

    • Author(s)
      Masato Uehara, Ryoichi Mizutani, Shinnosuke Yasuoka, Takahisa Shiraishi, Takao Shimizu, Hiroshi Yamada, Morito Akiyama, and Hiroshi Funakubo
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 119 Pages: 172901~172901

    • DOI

      10.1063/5.0068059

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 種々の電極を用いた(Al1-x,Scx)N薄膜の強誘電性評価2022

    • Author(s)
      大田怜佳、安岡慎之介、水谷涼一、白石貴久、舟窪浩
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 面内配向及び熱歪による(Al,Sc)N薄膜の強誘電特性の制御2022

    • Author(s)
      安岡慎之介、水谷涼一、大田怜佳、白石貴久、清水荘雄、上原雅人、山田浩志、秋山守人、舟窪浩
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 薄膜化による(Al,Sc)N膜の結晶異方性及び強誘電特性の向上2022

    • Author(s)
      安岡慎之介、水谷涼一、大田怜佳、白石貴久、清水荘雄、安井伸太郎、江原祥隆、西田謙、上原雅人、山田浩志、秋山守人、今井康彦、坂田修身、舟窪浩
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Control of Ferroelectric Property in (Al1-xScx)N Films Prepared by Sputtering Method2021

    • Author(s)
      Hiroshi Funakubo, Shinnosuke Yasuoka, Ryoichi Mizutani, Takahisa Shiraishi, Akinori Tateyama, Takao Shimizu, Masato Uehara, Hiroshi Yamada, Morito Akiyama, Yoshiomi Hiranaga, and Yasuo Cho
    • Organizer
      2021 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 変位型強誘電体の最前線2021

    • Author(s)
      舟窪浩、白石貴久、清水荘雄
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会 [物性]
    • Invited
  • [Presentation] Downscaling and low temperature deposition of ferroelectric (Al1-xScx)N thin films deposited by dual sputtering2021

    • Author(s)
      Shinnosuke Yasuoka, Takao Shimizu, Masato Uehara, Hiroshi Yamada, Morito Akiyama, Yoshiomi Hiranaga, Yasuo Cho, and Hiroshi Funakubo
    • Organizer
      2021 ISAF-ISIF-PFM Joint Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Temperature dependence of ferroelectricity in (Al1-xScx)N thin films2021

    • Author(s)
      Ryoichi Mizutani, Shinnosuke Yasuoka, Takao Shimizu, and Hiroshi Funakubo
    • Organizer
      MRM 2021 (Materials Research Meeting 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 圧電デバイス用としてのウルツ鉱型窒素化合物薄膜の開発2021

    • Author(s)
      上原雅人
    • Organizer
      近畿化学協会エレクトロニクス部会
    • Invited
  • [Presentation] ウルツ鉱型窒素化合物圧電材料の開発2021

    • Author(s)
      上原雅人
    • Organizer
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
    • Invited
  • [Remarks] 東京工業大学 物質理工学院 材料系材料コース 舟窪研究室

    • URL

      https://f-lab.iem.titech.ac.jp/

URL: 

Published: 2022-12-28  

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