強磁性を有する強誘電体とSi系希薄磁性半導体の接合を用いた新規な電界効果型素子

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14102021
• 研究機関: 大阪府立大学
• 研究代表者: 藤村 紀文 大阪府立大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (50199361)
• 研究分担者: 松井 利之 大阪府立大学, 大学院・工学研究科, 助手 (20219372) ; 芦田 淳 大阪府立大学, 大学院・工学研究科, 助手 (60231908)
• キーワード: 強磁性強誘電体 / YMnO_3 / 強誘電体ゲートトランジスタ / 新強誘電体物質設計 / 減分極電界 / 電界効果型スピン素子 / Si:Ce希薄磁性半導体 / スピントロニクス

研究概要

磁性強誘電体YMnO_3系物質とSi:Ce希薄磁性半導体の接合によってMOS界面(MFIS界面)を形成し、新規な電界効果型の不揮発性メモリを混載した論理素子の開発を行っている。
1)強磁性強誘電体RMnO_3系物質の開発
77Kにネール点を有する反強磁性体強誘電体であるYMnO_3にLiやMgをドーピングすることによってキャンティングによる弱強磁性が出現することが明らかになった。YbによるAサイト置換によって強磁性が発現することも明らかになった。
2)YMnO_3を用いたMOS (MFIS)キャパシタの記憶保持特性
YMnO_3をSi上にエピタキシャル成長させMOS (MFIS)キャパシタを作成した.強誘電体ゲートトランジスタの問題点を記憶保持特性の改善と認識し、記億保持特性に及ぼす分極状態の影響、界面分極や空間電荷の再配列、リーク電流、減分極電界の影響に関して明らかにした。
3)YMnO_3を用いたMFIS電界効果型トランジスタの試作
YMnO_3を用いたMFIS電界効果型トランジスタを試作中である。20μmと大きなゲート長ではあるが、メタル前まで進んでいる。全てのマスクは完成している。
4)YMnO_3を用いたMFIS電界効果型トランジスタの作成に向けた成長温度の低減化
YMnO_3を用いたMFIS電界効果型トランジスタを試作中にYMnO_3のクラッキングの問題が生じた。成長温度を低温化することによって対処する予定である。成長温度は650度まで低減できることが明らかになった。
5)スピン数、バンド構造、キャリア数を制御されたSi希薄磁性半導体の作成
キャリア数、Ce量、Ceの分散状態、格子定数、半導体のバンド構造、を独立に変化させ過飽和状態のSi:Ce薄膜を作成するために低温成長プロセスを検討した。低温成長時に生じる不均一三次元核形成を抑制するために基板の前処理方法、基板昇温時の残留ガスのモニタリングと抑制、成長速度の最適化を行い、1.5at%までCeを過飽和に固溶させることが可能になった。従来は0.5 at%であったので大きな改善である。また、表面平坦性やキャリアモビリティーも従来条件で作成した試料より優れていることが確認された。
(2)低磁場及び高磁場での帯磁率測定、磁化測定、比抵抗および磁気抵抗測定
従来試料で測定した結果、磁化や比抵抗の温度特性に異常が生じるカスプ温度は固溶しているCe量の増大に伴って増加し現在は最高温度190Kである。

研究成果

• [文献書誌] D.Ito, N.Fujimura^*, T.Yoshimura, T.Ito: "Ferroelectric properties of YMnO_3 epitaxial films for ferroelectric-gate field effect transistors"Journal of Applied Physics. (accepted for publication). (2003)
• [文献書誌] T.Yokota, N.Fujimura, T.Wada, S.Hamasaki, T.Ito: "The Effect of Carrier for Magnetic and Magneto-transport Properties of Si:Ce Films"Journal of Applied Physics. (accepted for publication). (2003)
• [文献書誌] T.Edahiro, N.Fujimura, T.Ito: "Formation of Two-Dimensional Electron Gas and the Magneto-Transport Behavior of ZnMnO/ZnO Heterostructure"Journal of Applied Physics. (accepted for publication). (2003)
• [文献書誌] T.Yokota, N.Fujimura, T.Ito: "Magnetic and Magneto-transport Properties of Solid Phase Epitaxially Grown Si:Ce Films"Journal of Applied Physics. (accepted for publication). (2003)
• [文献書誌] N.Fujimura, D.Ito, H.Sakata, T.Ito: "Ferromagnetic and Ferroelectric Behaviors of A Site Substituted YMnO_3 Based Epitaxial Thin Films"Journal of Applied Physics. (accepted for publication). (2003)
• [文献書誌] Ito D, Fujimura N, Ito T: "The effect of leakage current on the retention property of YMnO_3 based MFIS capacitor"Integrated Ferroelectrics. 49. 41-49 (2002)
• [文献書誌] T.Matsui, H.Tanaka, N.Fujimura, T.Ito, H.Mabuchi, K.Morii: "Structural, Dielectric and Magnetic Properties of Epitaxially Grown BaFeO_3 Thin Films on (100) SrTiO_3 Single-crystal Substrates"Applied Physics Letters. Vol.81. 2764-2766 (2002)
• [文献書誌] T.Nagata, A.Ashida, Y.Takagi, N.Fujimura, T.Ito: "Electro-optic Effect in Epitaxial ZnO:Mn Thin Films"Japanese Journal of Applied Physics. 41. 6916-6918 (2002)
• [文献書誌] T.Matsui, Y.Kitano, N.Fujimura, K.Morii, T.Ito: "Crystal Growth and Interface Characterization of Dielectric BaZrO_3 Thin Films on Si Substrates"Japanese Journal of Applied Physics. 41. 6639-6642 (2002)
• [文献書誌] Y.Kitano, T.Matsui, N.Fujimura, K.Morii, T.Ito: "Thin Film Crystal Growth of BaZrO_3 at Low Oxygen Partial Pressure"Journal of Crystal Growth. 243(1). 164-169 (2002)
• [文献書誌] K.Kakuno, D.Ito, N.Fujimura, T.Matsui, T.Ito: "Growth Process and Interfacial Structure of Epitaxial Y_2O_3/Si Thin Films Deposited by Pulsed Laser Deposition"Journal of Crystal Growth. 237(Part 1). 487-491 (2002)
• [文献書誌] D.Ito, N.Fujimura, K.Kakuno, T.Ito: "Retention Property Analysis of Epitaxially Grown YMnO_3/Y_2O_3/Si Capacitor"Ferroelectrics. 271. 87-92 (2002)
• [文献書誌] T.Yokota, N.Fujimura, T.Wada, S.Hamasaki, T.Ito: "Effect of Substitutionally Dissolved Ce in Si on the Magnetic and Electric Properties of Magnetic Semiconductor : Si_<1-x>Ce_x Films"Applied Phys. Letters. 81. 4023-4025 (2002)
• [文献書誌] T.Matsui, H.Tanaka, N.Fujimura, T.Ito, H.Mabuchi, K.Morii: "Structural, Dielectric and Magnetic Properties of Epitaxially Grown BaFeO_3 Thin Films on (100) SrTiO3 Single crystal Substrates"Applied Physics Letters. Vol.81. 2764-2766 (2002)
• [文献書誌] T.Yokota, N.Fujimura, T.Wada, S.Hamasaki, T.Ito: "Ce Concentration Dependence on the Magnetic and Transport Properties of Ce Doped Si Epitaxial Films Prepared by Molecular Beam Epitaxy"Journal of Applied Physics. 91 10. 7905-7907 (2002)
• [文献書誌] T.Shimuta, O.Nakagawara, T.Makino, A.Arai, H.Tabata, T.Kawai: "Enhancement of Remanent Polarization in epitaxial BaTiO_3/SrTiO_3 Superlattices with "Asymmetric" Structure"Journal of Applied Physics. 91. 2290-2294 (2002)
• [文献書誌] Y.Hotta, E.Rokuta, J.-H.Choi, H.Tabata, T.Kawai: "Determination of the Optical Cation Composition of Ferroelectric (ZnxCd1-x)S Thin Films for Applications to Silicon Based Nonvolatile Memories"Applied Physics Lett.. 80. 3180-3182 (2002)
• [文献書誌] O.Nakagawara, T.Shimuta, T.Makino, A.Arai, H.Tabata, T.Kawai: "Dependence of Dielectric and Ferroelectric Behaviors on Growth Orientation in Epitaxial BaTiO_3/SrTiO_3 Superlattices"Vacuum. 66. 397-401 (2002)
• [文献書誌] E.Rokuta, H.Tabata, T.Kawai: "Strong Dependencies of Electrical Characteristics of Bi_4Ti_3O_<12>/Oxynitride/Si Interfacial on Proximity on Nitrogen Plasma"Journal of Vacuum Science & Technology B. (in press). (2003)
• [文献書誌] Y.-G.Park, H.-Y Lee, H.Tanaka, H.Tabata, T.Kawai: "Photo-induced Ferroelectric Hysteresis Curve in Organic CuPc Photoconductor/Inorganic BaTiO_3 Ferroelectric Hetero-junction Photomemory"Applied Physics Lett.. 81. 1318-1320 (2002)