HfO2基強誘電体の圧電MEMS応用開拓

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K19016
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 舟窪 浩 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (90219080)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: 酸化ハフニウム基強誘電体 / 圧電性

研究実績の概要

本研究の目的は、2011年に見出された蛍石型構造強誘電体について、これまで不可能とされてきた厚膜化と圧電特性の飛躍的向上を実現することで、圧電MEMSへの応用を開拓することである。毒性元素の鉛を含み、Siプロセスとの適合性が悪い鉛含有ぺロブスカイト構造酸化物に限定されていた圧電MEMS材料を、毒性元素を含まず、Siプロセスとの適合性が高いHfO2基強誘電体に置き換えることで、停滞している圧電MEMS用材料のイノベーションを目指す。本年度は下記の成果を得た。

(1) 室温製膜後にアニール処理した膜について、プロセスを工夫することで膜厚１ミクロンの膜で圧電性の評価に成功した。得られた膜の圧電性は3-4pm/Vであった。この値は理論的に予想されている値より小さいが、その理由は残留分極値が小さいのが原因と考えられる。残留分極値はドメインのピニングで小さくなっていると考えられ、ピニングが解消されればより大きな圧電性が期待できる。
(2) 室温合成でも直方晶からなり強誘電性が得られる膜の作製に成功し、膜厚が１ミクロンの膜でも強誘電性を確認した。(100)ITOが得られる(100)YSZ基板上に膜を作製したところ、ほぼ｛100｝に単一配向した膜の作製に成功した。また、(100) YSZ/(100)Si基板上には、膜面内の配向も揃ったエピタキシャル膜の作製ができることを確認した。この膜は従来の作成方法の膜と比較して、耐圧が高い可能性があることも明らかになってきた。

研究成果

• [国際共同研究] 国立宇宙物理・光学・電子研究所(メキシコ)
  • 国名: メキシコ
  • 外国機関名: 国立宇宙物理・光学・電子研究所
• [雑誌論文] Room-temperature deposition of ferroelectric HfO2-based films by the sputtering method (2020)
  • 著者名/発表者名: Takanori Mimura, Takao Shimizu, Hiroshi Uchida, Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 116 ページ: 062901～062901
  • DOI: 10.1063/1.5140612
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thickness- and orientation- dependences of Curie temperature in ferroelectric epitaxial Y doped HfO2 films (2020)
  • 著者名/発表者名: Takanori Mimur, Takao Shimizu, Yoshio Katsuya, Osami Sakata, Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: SGGB04～SGGB04
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab6d84
  • 査読あり
• [雑誌論文] NiSi2 as a bottom electrode for enhanced endurance of ferroelectric Y-doped HfO2 thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Joel Molina-Reyes, Takuya Hoshii, Shun-Ichiro Ohmi, Hiroshi Funakubo, Atsushi Hori, Ichiro Fujiwara, Hitoshi Wakabayashi, Kazuo Tsutsui, Kuniyuki Kakushima
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: SGGB06～SGGB06
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab6b7c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Preparation of near-1-mm-thick {100}-oriented epitaxial Y-doped HfO2 ferroelectric films on (100)Si substrates by an RF magnetron sputtering method (2020)
  • 著者名/発表者名: Reijiro Shimura, Takanori Mimura, Takao Shimizu, Yoshitomo Tanaka, Yukari Inoue, Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: - ページ: -
  • DOI: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of the orthorhombic phase in CeO2-HfO2 solid solution epitaxial thin films and their ferroelectric properties (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Shiraishi, S. Choi, T. Kiguchi, T. Shimizu, H. Funakubo, T. J. Konno
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 114 ページ: 232902～232902
  • DOI: 10.1063/1.5097980
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectricity in YO1.5-HfO2 films around 1μm in thickness (2019)
  • 著者名/発表者名: Takanori Mimura, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 115 ページ: 032901～032901
  • DOI: 10.1063/1.5097880
  • 査読あり
• [学会発表] HfO2基薄膜のZr, Yドープによる結晶相変化と強誘電相の安定性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 田代裕貴、三村和仙、清水荘雄、勝矢良雄、坂田修身、木口賢紀、白石貴久、今野豊彦、舟窪浩
  • 学会等名: 第58回セラミックス基礎科学討論会
• [学会発表] エピタキシャルHfO2基膜を用いた直方晶相安定化の調査 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三村和仙、清水荘雄、舟窪浩
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] スパッタリング法によるHfO2基強誘電体厚膜の室温製膜とその電気特性評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 志村礼司郎、三村和仙、舘山明紀、清水荘雄、舟窪浩
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Robust ferroelectricity in thick HfO2-based film (2019)
  • 著者名/発表者名: Takao Shimizu, Takanori Mimura, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: STAC-11 (The 11th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics)
  • 国際学会
• [学会発表] Robust Ferroelectricity in Y-Doped HfO2 Films (2019)
  • 著者名/発表者名: Takao Shimizu, Takanori Mimura, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: F2cπ2 2019 (Joint ISAF-ICE-EMF-IWPM-PFM meeting 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Thickness-dependent crystal structure of epitaxial ferroelectric 0.07YO1.5-0.93HfO2 and HZO films (2019)
  • 著者名/発表者名: Takanori Mimura, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: ISIF 2019 (7th International Symposium on Intagrated Functionalities)
  • 国際学会
• [学会発表] Thickness- and orientation-dependence of Curie temperature of ferroelectric epitaxial HfO2 based films (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Mimura, T. Shimizu, Y. Katsuya, O. Sakata, H. Funakubo
  • 学会等名: SSDM 2019 (2019 International Conference on Solid State Devices and Materials)
  • 国際学会
• [学会発表] スパッタリング法を用いたY:HfO2強誘電体膜の室温成膜 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三村和仙、清水荘雄、舟窪浩
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] HfO2基薄膜の電界誘起相転移 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田代裕貴、三村和仙、清水荘雄、勝矢良雄、坂田修身、木口賢紀、白石貴久、今野豊彦、舟窪浩
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Preparation and characterization of Y, Zr-doped HfO2 thin films by PLD method (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu-ki Tashiro, Takanori Mimura, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: CJFMA11 (The 11th China and Japan Symposium on Ferroelectric Materials and Their Applications)
  • 国際学会
• [学会発表] The phase stability and epitaxial growth of HfO2-based ferroelectric materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Takao Shimizu, Takanori Mimura, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: PACRIM13 (The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Preparation and Characterization of Y, Zr-doped HfO2 Thin Film by PLD Method (2019)
  • 著者名/発表者名: Yu-ki Tashiro, Takanori Mimura, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: 19th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
  • 国際学会
• [学会発表] Recent Progress on Ferroelectric HfO2 Epitaxial Films (2019)
  • 著者名/発表者名: Takao Shimizu, Takanori Mimura, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: 19th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
  • 国際学会
• [学会発表] Stability of Ferroelectric Orthorhombic Phase in Epitaxial HfO2-based Films (2019)
  • 著者名/発表者名: Takanori Mimura, Takao Shimizu, Yoshio Katsuya, Osami Sakata, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: 19th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
  • 国際学会
• [学会発表] Phase stability and property control of ferroelectric HfO2 films (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Funakubo, Takanori Mimura, Takao Shimizu,
  • 学会等名: MRM2019 (Materials Research Meeting 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東京工業大学 物質理工学院 材料系材料コース 舟窪研究室
  • URL: http://f-lab.iem.titech.ac.jp/f-lab.htm
• [産業財産権] 強誘電性薄膜の製造方法、強誘電性薄膜、及びその用途 (2019)
  • 発明者名: 舟窪浩、清水荘雄、三村和仙、中村美子
  • 権利者名: 舟窪浩、清水荘雄、三村和仙、中村美子
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-086836
• [産業財産権] 圧電体の製造方法、圧電体、及び圧電体素子又は装置 (2019)
  • 発明者名: 舟窪浩、清水荘雄、三村和仙、中村美子
  • 権利者名: 舟窪浩、清水荘雄、三村和仙、中村美子
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-086840