強誘電体/半導体結晶整合ヘテロ構造の単結晶性膜作製と電子機能性開拓

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08455014
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 渡部 行男 九州工業大学, 工学部, 助教授 (40274550)
• キーワード: 強誘電体 / 薄膜 / 強誘電体 / 半導体構造 / サイズ効果 / 理論 / BaTiO_3 / トンネル電流 / ダイオード

研究概要

本研究の目的は、物性物理学と電子工学の境界領域の研究からの、強誘電体薄膜の基礎的問題と将来の電子素子の工学課題の解明解決である。即ち、申請者の<全ペロブスカイト強誘電体/半導体構造>の物性開発と、微小誘電体の極限物性による微細化の極限解明である。特に、強誘電体FET(電界効果トランジスター)は研究が盛んであるが、Siを用いると記録保持せず実現されていない。これは、強誘電体微少化の原理的問題点が現われてるいる可能性が高い。一般にSiと強誘電体間に挿入する絶縁体を薄くすれば解決できると考えられているが、理論で従来の強誘電体理論の枠組みでは極めて困難であるとわかった。このため、ヘテロ構造中の強誘電体と磁性体の自由エネルギーを求める一般的枠組みを構築し、強誘電体ヘテロ構造中の分極の安定性と分極値の理論を提案した。鍵となる考えは、強誘電体を半導体と見做し、強誘電体の結晶構造と分極の対応関係を崩すことである。この理論は、実験の半導体内誘導電荷、絶縁体上の極薄膜強誘電相の安定性、高温超伝導体のように一方のキャリヤタイプしか持たない伝導層の強誘電体の伝導変調等を説明した。また、Siと強誘電体間に絶縁体を挿入しても分極は安定に存在しうることを予測し、吸収電流現象の問題も説明でき、その他の実用的に重要な構造に拡張して用いれる。
また、強誘電体を過ぎる電流から、強誘電体の接合においてpn接合等が形成され、これにより電気特性が制限されることがわかった。特に、強誘電体のヘテロ構造でトンネルpn接合が発見された。これは、酸化物のpn接合では初めてのことであり、さらに、もし自発分極を影響を考えなければ、極めて長い範囲をトンネルすることになりトンネル現象として理解し難いという新しい現象である。

研究成果

• [文献書誌] Watanabe and Sawamura: "Thermodynamic stability of the Sponteneous Polarization and the space charge layer in Ferroelectric/semiconductor Heterostructures" Jpn.J.Appl.Phys.36・9B. 6162-6166 (1997)
• [文献書誌] Watanabe: "Theory of stability and Size effect of semiconducting ferroelectric and the feasibility of ferroelectric FET" J.Korean.Phys.Soc.(Proc.IMF-9). (予定). (1998)
• [文献書誌] Watanabe et al: "Highly resolved conductance proparties of ferroelectric/semiconductor diole exhibiting memory effect" J.Korean.Phys.Soc.(Proc.IMF-9). (予定). (1998)
• [文献書誌] Watanabe: "Theoretical stability of the polarization in insulatry ferroelectric/semiconductor structurs" J.Appl.Phys.83・4. 2179-2193 (1998)
• [文献書誌] Watanabe: "Theoretical stability of the polarization in a thin semiconducting ferroellectric" Phys.Rev.B. 57・2. 789-804 (1998)
• [文献書誌] Watanabe: "Energy band diagram of the ferroelectric heterostructures and its application to the thermodynamic teasibility of the …" Solid State Ionics. (予定). (1998)
• [文献書誌] Watanabe et al.: "Evolution of memory effect of current through ferroelectric p/p and p/n heterostructures" Solid State Ionics. (予定). (1998)
• [文献書誌] Watanabe: "Theoretical investigation of the thickness effect of ferroeleotric in corporating semiconducting properties" Appl.Surface Science. (予定). (1998)
• [文献書誌] Watanabe: "Tunneling current through a possible all perovskile pn function" Phys.Rev.B(Rapid com). 57・10(印刷中). (1998)
• [文献書誌] 渡部: "強誘電体薄膜の集積メモリー応用とその物理的基礎に向けて" 固体物理. 33・3(予定). 223-232 (1998)