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2022 年度 実績報告書

窒化アルミニウム基エピタキシャル薄膜を用いた強誘電性サイズ効果の解明

研究課題

研究課題/領域番号 21H01617
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)

研究分担者 上原 雅人  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (10304742)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード窒化アルミニウム / 強誘電性 / サイズ効果 / エピタキシャル膜
研究実績の概要

AlN[(Al,Sc)N]は、六方晶の対象中心の無いウルツ鉱構造を有し、膜厚300nmの分極軸であるc軸一軸配向膜について強誘電性が実験的に確認された。研究代表者は、この強誘電性の発現起源の違いがサイズ効果と深く関係しており、強誘電性の起源がHfO2に近い蛍石構造やウルツ鉱構造強誘電体では、サイズ効果はほとんど観察されないと考えている。本研究の目的は、巨大強誘電性を有するAlN基エピタキシャル膜を作成し、その巨大強誘電性の詳細な解析を行うことで、“サイズ効果”の起源を解明することである。本研究では、(Al,Sc)Nおよび(Ga,Sc)N膜を作成し、その強誘電性を調査した。

(Al,Sc)Nでは基板から受ける応力によって薄膜化するほど結晶の異方性が大きくなり、結果として分極反転に必要な電界(Ec)は膜厚10nmまではより大きくなることが判明した。一方、残留分極値には大きな膜厚依存性は観察されなかった。結晶異方性と分極反転に必要な電界(Ec)を評価すると、膜厚にかかわらずEcは歪みで整理できることが明らかになった。このことは、 (Al,Sc)Nでは残留分極値およびEcは、歪が一定の場合には大きな膜厚依存性が観察されない可能性があることを示唆している。また、(Ga,Sc)N膜では、Ecの値は結晶異方性より膜中のSc/(Al+Sc)比により強く影響される可能性があることが示唆された。現在、(Al,Sc)Nと (Ga,Sc)N膜を統一的に理解可能な方法を検討中である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

広い組成の薄膜と異なる電極の組み合わせについての検討を進めることができている。

今後の研究の推進方策

(Al,Sc)N膜では、現状薄膜化による大きなサイズ効果は観察されていない。そこで薄膜化しても歪が大きく上昇しない電極の種類の選択を検討することで、薄膜化しても安定した強誘電性が得られるかを検討する。また、 (Ga,Sc)N膜では結晶歪の効果が顕著に現れていないので、サイズ効果が (Al,Sc)N膜と異なっている可能性がある。更に薄膜化による結晶配向完全性の変化の効果も、エピタキシャル膜と一軸配向膜の両方を調べることで明らかにしていきたい。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Systematic Investigation of Ferroelectric Properties in x%YO1.5-(100-x%)Hf1-yZryO2 Films2023

    • 著者名/発表者名
      Mimura Takanori, Tashiro Yuki, Shimizu Takao, Funakubo Hiroshi
    • 雑誌名

      ACS Applied Electronic Materials

      巻: 5 ページ: 1600-1605

    • DOI

      10.1021/acsaelm.2c01658

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of crystal anisotropy and ferroelectricity by decreasing thickness in (Al,Sc)N films2022

    • 著者名/発表者名
      Yasuoka Shinnosuke, Mizutani Ryoichi, Ota Reika, Shiraishi Takahisa, Shimizu Takao, Yasui Shintaro, Ehara Yoshitaka, Nishida Ken, Uehara Masato, Yamada Hiroshi, Akiyama Morito, Imai Yasuhiko, Sakata Osami, Funakubo Hiroshi
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 130 ページ: 436-441

    • DOI

      10.2109/jcersj2.21184

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lower ferroelectric coercive field of ScGaN with equivalent remanent polarization as ScAlN2022

    • 著者名/発表者名
      Uehara Masato, Mizutani Ryoichi, Yasuoka Shinnosuke, Shimizu Takao, Yamada Hiroshi, Akiyama Morito, Funakubo Hiroshi
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 ページ: 081003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac8048

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Tunable Ferroelectric Properties in Wurtzite (Al0.8Sc0.2)N via Crystal Anisotropy2022

    • 著者名/発表者名
      Yasuoka Shinnosuke, Mizutani Ryoichi, Ota Reika, Shiraishi Takahisa, Shimizu Takao, Uehara Masato, Yamada Hiroshi, Akiyama Morito, Funakubo Hiroshi
    • 雑誌名

      ACS Applied Electronic Materials

      巻: 4 ページ: 5165-5170

    • DOI

      10.1021/acsaelm.2c00999

    • 査読あり
  • [学会発表] NbN電極上に作製したエピタキシャル(Al, Sc)N膜の電気特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      安岡慎之介、大田怜佳、岡本一輝、清水荘雄、舟窪浩
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Sc添加GaN薄膜の強誘電性へのSc濃度と温度の影響2022

    • 著者名/発表者名
      上原雅人、水谷涼一、安岡慎之介、清水荘雄、山田浩志、秋山守人、舟窪浩
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Piezoelectricity and ferroelectricity of Ternary and Quaternary Nitride Thin Films2022

    • 著者名/発表者名
      Uehara Masato
    • 学会等名
      13th Korea-Japan Conference on Ferroelectrics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ferroelectricity of 20-nm Thick (Al0.8Sc0.2)N Thin Films with TiN Electrodes2022

    • 著者名/発表者名
      Ota Reika, Yasuoka Shinnosuke, Mizutani Ryoichi, Shiraishi Takahisa, Kakushima Kuniyuki, Funakubo Hiroshi
    • 学会等名
      2022 U.S.-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
    • 国際学会
  • [学会発表] Demonstration of Ferroelectric Properties in GaN Alloyed with Sc2022

    • 著者名/発表者名
      Uehara Masato, Mizutani Ryoichi, Yasuoka Shinnosuke, Shimizu Takao, Yamada Hiroshi, Akiyama Morito, Funakubo Hiroshi
    • 学会等名
      2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • 国際学会
  • [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

      https://f-lab.iem.titech.ac.jp/

URL: 

公開日: 2023-12-25  

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