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

2003 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, 工学研究科, 教授 (50199361)
• 研究分担者: 松井 利之 大阪府立大学, 工学研究科, 講師 (20219372) ; 芦田 淳 大阪府立大学, 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
YMnO_3の成長において問題であった成長中の組成変動を、ターゲットの作成方法、基盤加熱機構、レーザー波長の短波長化によって抑制し、分極ヒステリシスの矩形性を大幅に改善した。
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、記憶保持特性に及ぼすリーク電流の影響を昨年度より詳細に把握した。
3)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。昨年度、成長温度は650℃まで低減できることが明らかになっていたが、650℃で作製した試料では十分な強誘電性が得られないことがわかった。現在は、740℃で成長している。
4)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20μmと大きなゲート長ではあるが全行程を終了した。YMnO_3のエッチングなどのデバイスプロセスの問題点が顕在化し、未だ良好なトランジスタ特性は得られていない。
5)YMnO_3の磁気特性と誘電特性との相関
ネール点近傍の温度において、YMnO_3の分極反転の抗電界および低電界側での誘電率に異常があることが見いだされた。
6)スピン数、キャリア数を制御されたSi希薄磁性半導体の作成
昨年度得られた低温成長条件でスピン数、キャリア数を変化させた薄膜を成長した。Ce濃度(スピン数)を制御した試料の作成は未だ困難を極めているものの、キャリア数を変化させた試料においては、磁化の増加が認められた。
7)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であった。最近の低温成長試料ではほとんどカスプが観察されなくなってきている。詳細については現在検討中である。

研究成果

• [文献書誌] T.Yoshimura, N.Fujimura: "Polarization Hysteresis Loops of Ferroelectric Gate Capacitors and the Dependence of the Capacitance for the Insulator Layer"Jpn J.Appl.Phys.. 42. 6011-6014 (2003)
• [文献書誌] H.Sakata, D.Ito, T.Yoshimura, A.Ashida, N.Fujimura: "Improvement of Surface Morphology and the Dielectric Property of YMnO3 Films"Jpn J.Appl.Phys.. 42. 6003-6006 (2003)
• [文献書誌] D.Ito, N.Fujimura, T.Yoshimura, T.Ito: "Influence of Schottky and Poole-Frenkel emission on the retention property of YMnO3 based Metal/Ferroelectric/Insulator/Semiconductor capacitors"Journal of Applied Physics. 94. 4036-4041 (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. 93. 7679-7681 (2003)
• [文献書誌] T.Matsui, E.Taketani, N.Fujimura, T.Ito, K.Morii: "Magnetic Properties of Highly Resistive BaFeO3 Thin Films Epitaxially Grown on SrTiO3 Single Crystal Substrates"Journal of Applied Physics. 93. 6993-6995 (2003)
• [文献書誌] N.Fujimura, D.Ito, H.Sakata, T.Yoshimura, T.Yokota, T.Ito: "Ferromagnetic and Ferroelectric Behaviors of A Site Substituted YMnO3 Based Epitaxial Thin Films"Journal of Applied Physics. 93. 6990-6992 (2003)
• [文献書誌] D.Ito, N.Fujimura, T.Yoshimura, T.Ito: "Ferroelectric properties of YMnO3 epitaxial films for ferroelectric-gate field effect transistors"Journal of Applied Physics. 93. 5563-5567 (2003)
• [文献書誌] T.Matsui, H.Tanaka, E.Taketani, N.Fujimura, T.Ito, K.Morii: "Magnetic and Dielectric Properties of Epitaxially Grown BaFeO3 Thin Films on SrTiO3 Single Crystal Substrates"J.Korean Phys.Soc.. 42. S1378-S138 (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. 93. 4045-4048 (2003)
• [文献書誌] D.Ito, N.Fujimura, T.Ito: "The effect of leakage current on the retention property of YmnO3 based MFIS capacitor"Integrated Ferroelectrics. 49. 41-49 (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 : Si1-xCex Films"Applied Phys.Letters.. 81. 4023-4025 (2002)