高品質強誘電体薄膜の化学プロセスによる作製

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12134203
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 平野 眞一 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30016828)
• 研究分担者: 菊田 浩一 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00214742) ; 余語 利信 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 教授 (00135310) ; 林 卓 湘南工科大学, 工学部, 教授 (70023265) ; 坂本 渉 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 助教授 (50273264)
• キーワード: 強誘電体薄膜 / メモリーデバイス / チタン酸ビスマス / 希土類元素ドープ / 金属-有機化合物前駆体 / 強誘電性 / 化学溶液プロセス

研究概要

本年度は、Bi_4Ti_3O_<12>(BIT)系化合物が高いキュリー温度および大きな残留分極を有し、疲労特性にも優れ、かつ薄膜作製に際して低温結晶化も可能であることに着目し、化学溶液プロセスを用いてBIT系化合物薄膜を合成した。ここでは、BITおよびLaなど種々の希土類元素をドープしたBIT系薄膜作製用前駆体溶液の調製、前駆体の熱分解および結晶化挙動の追跡、Siベースの基板上への薄膜作製とその電気的特性の評価を中心に検討した。その結果、適切な調製条件を選択することにより均一かつ安定な希土類元素ドープBIT系前駆体溶液が調製でき、基板としてPt/TiO_x/SiO_2/Siを用いることで今回検討した全ての組成範囲で目的相であるBIT相単相め薄膜を得ることができた。また、BIT構造中へドープする希土類元素により結晶化処理後の薄膜の配向性も変化することがわかった。このようにしてSi系基板上に高い結晶性を有する薄膜を作製し、その電気的特性に対する各希土類元素のドープ効果について調べたところ、ドープする元素のイオン半径が小さくなるにつれて強誘電性が向上する傾向が示唆されたものの、現時点ではNdのドープが低電圧印加時から有効であり、非鉛系の材料の薄膜としては非常に優れた強誘電性を発現することがわかった。また、メモリーデバイス応用を想定した際に重要になる疲労特性はLaドープのものが優れた特性を示した。さらに、SmおよびGdドープの場合、高電界印加時に優れた特性を示したが、種々の特性向上のためのプロセス条件の最適化が必要であることもわかった。以上、本研究によりBIT構造中への希土類元素のドープが良好な強誘電性を有するBIT系薄膜の作製に有効であることが明らかとなり、強誘電性、耐疲労特性をバランスよく達成するメモリーデバイス用新規強誘電体薄膜実現の可能性を見いだした。

研究成果

• [文献書誌] S.Hirano, Y.Takeichi, W.Sakamoto, T.Yogo: "Growth of Highly Oriented LiNbO_3 Thin Films through Structure Controlled Metal Alkoxide Precursor Solution"Journal of Crystal Growth. 237-239. 2091-2097 (2002)
• [文献書誌] W.Sakamoto, Y.Yura, D.Kawasaki, T.Yogo, S.Hirano: "Chemical Processing and Properties of (Sr,Ca)_2(Nb,Ta)_2O_7 Thin Films"Integrated Ferroelectrics. 45. 49-57 (2002)
• [文献書誌] W.Sakamoto, M.Mizuno, Y.Horie, T.Yogo, S.Hirano: "Chemical Solution and Characterization of Highly Oriented (Ba,Ln)Nb_2O_6 [Ln:La, Gd,Dy] Thin Films"Japanese Journal of Applied Physics. 41・11B. 6647-6652 (2002)
• [文献書誌] T.Hayashi, D.Togawa, M.Yamada, W.Sakamoto, S.Hirano: "Preparation and Properties of Bi_<4-x>La_xTi_3O_<12> Ferroelectric Thin Films Using Excimer UV Irradiation"Japanese Journal of Applied Physics. 41・11B. 6814-6819 (2002)
• [文献書誌] H.Maiwa, N.Iizawa, D.Togawa, T.Hayashi, W.Sakamoto, M.Yamada S.Hirano: "Electromechanical properties of Nd-doped Bi_4Ti_3O_<12> films : A candidate for lead-free thin-film piezoelectrics"Applied Physics Letters. 82・11. 1760-1762 (2003)