2012 Fiscal Year Annual Research Report
強誘電体を用いた巨大分極接合界面のサイエンスとそのパワーエレクトロニクス応用
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24246049
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
藤村 紀文 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50199361)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉村 武 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30405344)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | パワーデバイス / 強誘電体 / Ga2O3 / 大気圧プラズマ |
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| Research Abstract |
エネルギー利用の飛躍的な高効率化を実現するため、巨大分極／半導体界面を用いた以下の3点を特徴とする新奇なパワーデバイスの高効率化方法を提案している。１）強誘電体の巨大分極を用いた半導体の界面電荷制御、２）大気圧プラズマ窒化を用いた界面準位の低減、３）巨大分極／半導体界面のポテンシャル緩和機構の解明、今年度はそれぞれの項目に対して大きな進展が確認された。
１）パワーMOSFET素子を駆動するためのパワーデバイス用強誘電体としてBiFeO3を開発した。正方晶歪の大きさを０～４％の間で制御することが可能になり、正方晶とみなせるBiFeO3薄膜を得ることができ、圧電性d33が60pm/Vから90pm/Vへと向上するなど本物質が有する巨大な分極をデバイス中で取り出すための準備が整った。
２）大気圧プラズマ酸窒化を用いてSi表面に低界面準位の絶縁膜を形成することに成功した。
３）反転可能な自発分極を有する強誘電体と反転できない自発分極を有する半導体の接合界面を作製し、自発分極が半導体のキャリア輸送特性に及ぼす影響を精査した。半導
体層のみの時の移動度に比べて、強誘電体層を積層した後の蓄積状態における移動度が増加することを見出した。キャリア散乱機構の解析の結果から、強誘電体の自発分極による強い閉じ込め効果に起因していることが示唆された。
強誘電体／極性半導体ヘテロ構造における、応力場・ひずみ場・電位分布・分極分布・キャリア分布の解析という、非常に複雑な連成問題を扱える理論的方法論の構築に向けて初年度の準備は計画通りに進んだ。
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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
研究提案では、強誘電体薄膜をゲート絶縁膜として用いた強誘電体ゲート型パワーMOSFET を試作し、その物性評価、デバイス評価などの実験結果と、強誘電体／極性半導体ヘテロ構造における応力場・分極場の相互作用の理論的解析とをリンクさせることによって、強誘電体ゲート型パワーMOSFET の設計指針と駆動原理を検討し、「巨大分極エレクトロニクス」と言うべき新分野の理論体系を構築することを目標とした。
１）強誘電体の巨大分極を用いた半導体の界面電荷制御に関しては、ワードバンドギャップ半導体のキャリア変調を行うための強誘電体として、巨大分極を有するBiFeO3薄膜の作製に取り組んだ。薄膜作製時の温度や圧力、膜厚、下部電極の種類などの条件を様々に変化させて検討した結果、基板温度と膜厚によって正方晶歪の大きさを０～４％の間で制御することが可能になり、正方晶とみなせるBiFeO3薄膜を得ることができ、圧電性d33が60pm/Vから90pm/Vへと向上するなど本物質が有する巨大な分極をデバイス中で取り出すための準備が整った。２）大気圧プラズマ酸窒化を用いてSi表面に低界面準位の絶縁膜を形成することに成功した。
３）反転可能な自発分極を有する強誘電体と反転できない自発分極を有する半導体の接合界面を作製し、自発分極が半導体のキャリア輸送特性に及ぼす影響を精査した。半導
体層のみの時の移動度に比べて、強誘電体層を積層した後の蓄積状態における移動度が増加することを見出した。キャリア散乱機構の解析の結果から、強誘電体の自発分極による強い閉じ込め効果に起因していることが示唆された。
強誘電体／極性半導体ヘテロ構造における、応力場・ひずみ場・電位分布・分極分布・キャリア分布の解析という、非常に複雑な連成問題を扱える理論的方法論の構築に向けて初年度の準備は計画通りに進んだ。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．ワイドバンドギャップ半導体としては代表的な物質であるSiC と学術的、産業的により重要度が高いGa2O3を用いる。また、強誘電体としては、大きな自発分極量を有する物質が望ましいので、100microC/cm2 という巨大な自発分極を有する非鉛強誘電体であるBiFeO3を中心に検討する。BiFeO3 は500℃以下の比較的低い温度で薄膜成長できることが明らかになっているが、半導体との界面反応を抑えるためにさらに低温でBiFeO3 薄膜を成長させることを試みる。また、大気圧プラズマ界面窒化処理を試みる。C-V、I-V、パルス電界印加キャリアダイナミクス、等温容量過渡分光(ICTS)特性などによって評価する。また、プローブ顕微鏡を用いた表面ポテンシャルからキャリア誘起に関する知見を得る。
２．に関しては、上記の試料を用いて、強誘電体に電界を印可した際に生じる圧電歪みを実験的に評価し、石原グループの基礎データとする。強誘電体・圧電体の熱電気弾性問題は、力学的には、熱ひずみ・圧電ひずみや分域反転の効果を固有ひずみでモデル化し、固有ひずみに伴う熱弾性場・電気場の変化を追跡する問題として取り扱う。すでに構築されている、弾塑性体に熱負荷が作用した場合の熱弾塑性場を、熱ひずみ・塑性ひずみを固有ひずみとして取り扱う。
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[Presentation] Electrical properties of Sol-gel derived PbLaZrTiOx capacitors with nonnoble metal oxide top electrodes2012
Author(s)
Y. Takada, T. Tsuji, N. Okamoto, T. Saito, K. Kondo, T. Yoshimura, N. Fujimura, K. Higuchi, A. Kitajima, A. Oshima
Organizer
Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-State Science
Place of Presentation
Honolulu, Hawaii
Year and Date
20121010-20121010
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[Presentation] 強誘電体薄膜の挑戦2012
Author(s)
藤村紀文，吉村武
Organizer
2012年秋季 第73回応用物理学会学術講演会
Place of Presentation
愛媛大学(愛媛県)
Year and Date
20120914-20120914
Invited
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