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金属/絶縁体/金属(MIM)積層構造において、絶縁体膜厚が数nmの場合、金属間に数〜数+Vの電圧を印加するだけで、数MVもの電界が生じ金属の絶縁体膜中への電界蒸発が起こる。この時、積層膜は絶縁状態から導通状態へ変化する。
本研究はこの事実を確認すべく、Siウエファー上にバッファー層としてのCuそして下部電極膜としてのAu膜を成膜し、さらにその上に厚さを変えてMgOまたはSiO_2膜の絶縁体薄膜を形成し、その上に上部電極としてAl膜を積み、電極間にDCパルス電界を印加して、電気抵抗変化を調べた。平成7年度は平成6年度の結果を踏まえて、より系統的に絶縁状態から導通状態への変化を調べた。特に絶縁体膜厚(t)により電界蒸発しきい値電圧(V_t)がどのように変化するかに注目した。SiO_2膜ではその厚さとともに線形に増加した。即ち、V_t[V]=0.7[V/nm]・t[nm]+4[V]であった。これに対してMgO膜の場合膜厚とともに一旦増加するがその後減少するという奇妙な結果を得た。これに対してMgO成膜プロセスを検討し、DCマグネトロンスパッタ法による連続成膜でなく間欠成膜により厚さに対して、V_t[V]=0.44[V/nm]・t[nm]+4[V]と変化する結果を得た。絶縁体膜成膜プロセスが膜の電気特性を左右することが明らかとなった。
さらに、電界印加後の積層膜を下部Au電極表面を残して化学エッチングにより取り除き、その表面を走査型トンネル顕微鏡(STM)にて表面形態を観察した。その結果、導通状態に変化した試料のAu表面はnmスケールで凹凸が発生しており、その分布を定量化した。そして、その中に数nm径の量子細線構造に対応する形態の存在を確認した。
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