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

1998 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: 渡辺 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 / サイズ効果 / 理論 / ダイオード / FET / 分域 / (Ba,Sr)TiO_3

研究概要

強誘電体薄膜の基礎的問題を解明し将来の工学課題を解決する。申請者提案の〈全ペロブスカイト強誘電体/半導体構造〉の物性開発と、極薄膜単結晶粒の測定による微小誘電体の微細化の極限の解明をする。今年度は以下の結果を得た。
1) スパッターMBEという方式を提案した。この方法で0.5-1 motorrでの(Ba,Sr)TiO_3単結晶薄膜の作製を行った。特に、従来の(Ba,Sr)TiO_3エピ薄膜作製の基板温度の約半分の350℃で極めて平坦なエピタキシャル薄膜を作製できた可能性が高い。但し、その誘電率は、膜厚30-40nmで30-50と十分高くはないため検討を続行している。
2) AFM装置を改造して、nm領域(単結晶粒域)の電圧電流特性を測定した。BaTiO_3、PbTiO_3系何れのエピ膜でも、明確なメモリー現象は見られなかった。しかし、nmスケールでもショットキー障壁が電流を制限していることが示唆された。また、電流電圧特性をスケーリングして、電流は転位などを集中的に流れ、原理的には強誘電体薄膜は十分なリーク電流特性を持ち得ることが示唆された。
3) 強誘電体は、従来酸化物では実現されなかったpn接合を示すことを、様々なヘテロ構造の電流電圧特性を測定して示唆した。これを応用して、電圧パルスで接合特性が変調記録できるダイオードが作製可能であることを示した。
4) 強誘電体が有限なバンドギャップを持つことを考慮すると、強誘電体をゲートとするFETの動作特性や結晶学的安定性が説明でき、さらに、近年の分域構造の報告も説明できることを理論的に示した。また清浄な強誘電体自由表面には、2次元縮退電子系ができる可能性を示唆した。
5) 強誘電体薄膜の物性の制限要因解明のため、米国Bell研究所とBaTiO_3単結晶における酸素欠陥の効果を共同研究を開始した。今年度は、赤外分光での電子状態の変化の解明を行った。

研究成果

• [文献書誌] Y.Watanabe etal: "Local Recurront resistance breakoown of epitaxial BaTiO_3 /SrtiO_3 heterostructures" Applied Physccs Letters. 72(19). 2415-2417 (1998)
• [文献書誌] Y.Watanabe etal: "Evolution of memory effect of current thronugh terrcelectric" Solid State Ionics. 108・1-4. 59-65 (1998)
• [文献書誌] Y.Watanabe etal: "Leakage current spectroseopy of epitaxoni ferroelectric/semiconduetor" Applied Surface Science. 130-132・1-4. 682-688 (1998)
• [文献書誌] Y.Watanabe and A.Masuda: "Self fielt effect JP,and thermodynaneie stability of spontaneous" Ferroelectric. 217. 53-64 (1998)
• [文献書誌] M.Okano et al: "Electrode material dependonce of leakage current characterosites" Jpn.Journal of Applied Physics. 37・9B. 1501-1503 (1998)
• [文献書誌] Y.Watanabe: "Electrocal transport through Pb(Zr,Ti)O_3 pnond ppheterostructures" Physical Review B. (5月号予定). (1999)
• [文献書誌] Y.Watanabe: "Energy bond diagrom of the ferroeiectine hetero structures" Solid State Ionics. 108・1-4. 59-65 (1998)
• [文献書誌] Y.Watanabe: "Theoretical Investigation of the thickness effect of ferroelectrics" Applied Surface Science. 130-132・1-4. 610-615 (1998)