2015 Fiscal Year Annual Research Report
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15H02022
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
塚崎 敦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (50400396)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 表面・界面物性 / 半導体物性 / 誘電体物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、スズをBサイトに有するペロブスカイト構造酸化物およびLiNbO3構造の積層界面において伝導性を制御することにある。その積層構造作製にあたり、物質科学の観点から、スズ系酸化物の体系化と薄膜化による機能性発現を行うことも重要視して研究を行う必要がある。特に、LiNbO3構造ではPbフリーの強誘電体としての薄膜物性と、混晶化による強誘電性制御の研究が学術的にも工学的にも重要な課題といえる。初年度は、ペロブスカイト構造BaSnO3と(Sr.Ba)SnO3積層構造における高移動度界面の形成とZnSnO3の薄膜化研究に注力して取り組んだ。
SrTiO3基板上のBaSnO3高品質化に向けて、大きな格子不整合を緩和する緩衝層の開発を行い、直接堆積した従来の薄膜品質に比べて飛躍的に高品質な導電性BaSnO3薄膜の作製に成功した。この緩衝層の最適化について論文投稿中である。続いて、(Sr,Ba)SnO3とBaSnO3との積層界面を活用した電界効果型トランジスタを作製して、室温での電界効果移動度を評価したところ、50cm2V-1s-1を観測し、界面形成の有用性を確認できた。さらなる高移動度化に向けて、基板材料の選択と絶縁層の最適化を引き続いて進める予定である。
LiNbO3構造の積層界面における導電性を誘起することが本研究の中心課題の一つである。初年度は、高圧相であるZnSnO3の薄膜化実現に向けて、出発原料を高圧相ZnSnO3ターゲットで実験を進める準備を始めており、引き続いて積層構造を作製していく予定である。また、強誘電特性を評価するための下部電極層(SrRuO3)の薄膜最適化を行い、原子層平坦かつ低抵抗な下部層として利用できる準備は整った。次年度以降、この下部電極層上にLiNbO3構造積層膜の作製と物性評価を行い、体系化に向けた研究を進める予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(1)BaSnO3薄膜の高品質化と伝導特性制御
BaSnO3の格子定数が大きいため(a = 0.421nm)、汎用的に用いられるSrTiO3基板(a = 0.395nm)上の薄膜堆積では、大きな格子不整合に起因するミスフィット転位の生成を避けられない。このミスフィット転位が電気伝導に影響を与え、La:BaSnO3薄膜の電子移動度は単結晶の移動度最高値の1/4以下に留まっている。本研究では、BaSnO3 / (Sr,Ba)SnO3緩衝層の構造最適化を行い、転位密度の低減を断面電子顕微鏡像で確認し、La:BaSnO3薄膜の移動度向上を観測した。さらに、電界効果トランジスタを作製することで、イオン化不純物散乱の影響も低減した伝導性制御を実現し、無添加BaSnO3薄膜をチャネルとするトランジスタ構造で最高の電界効果移動度52cm2V-1s-1を達成した。これらの結果から、ペロブスカイト構造におけるバンドギャップエンジニアリングと積層界面形成の有効性を引き出せることがわかった。
(2)下部電極層のSrRuO3の作製とLiNbO3構造ZnSnO3薄膜化への試み
LiNbO3構造薄膜の強誘電特性を評価するためには、単結晶薄膜作製に適用可能な下部電極層を準備する必要がある。特に、LiNbO3構造の場合、表面原子構造として三角格子を持つ物質で原子レベル平坦を実現しなければならない。本研究では、SrRuO3 (111) / SrTiO3 (111)を下部電極層に選択し、薄膜作製の最適化を行ったところ、十分に下部電極層として適用可能な水準の表面平坦性と導電性を確認できた。ZnSnO3薄膜化に対しては、パルスレーザ堆積法に用いる原料ターゲットを検証している。目的物質であるZnSnO3は高圧相であるため、薄膜化における成長プロセスを検討しながら作製条件を詰める必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) ペロブスカイト構造積層界面物性の開拓
界面接合の理解を深めるために、(Sr,Ba)SnO3 / BaSnO3の伝導帯不連続を定量化と電界効果トランジスタのホール効果測定に取り組む。界面品質の高品質化を進めることで、単結晶の移動度を超えることと2次元的な金属相の誘起を次年度の目標に設定する。これまでの実験では、電界効果トランジスタ構造の絶縁層に有機物であるパリレンを用いてきたが、蓄積電荷容量が少ないため、金属伝導にまで至っていない。次年度は原子層堆積法によるアルミナ絶縁層を適用することで、高濃度の電荷蓄積を実現し、ホール効果測定での高移動度化実証実験に取り組む。
(2) LiNbO3構造積層界面の伝導性誘起
高圧合成の研究グループとの共同研究で、高圧相ZnSnO3ターゲットを用いた薄膜合成を開始する。薄膜において高圧相を安定化させるために、特に温度と酸素雰囲気に着目して成長条件の最適化を行う。強誘電特性を評価するためには、酸素欠損導入による低抵抗化を避けなければならない。したがって、成長条件の最適化に向けては、下部層に導電性SrRuO3(111)を準備して、抵抗率と誘電性からフィードバックしていくことが重要である。また、薄膜化の後に、不純物効果の検証を行って、残留分極量の制御と積層構造作製に展開していく。研究協力者である東京大学柴田准教授と詳細な界面構造評価を進め、界面構造の理解と物性発現を目指す。特に、誘電性に対する不純物の効果と格子歪みの影響を明らかにすることは、スズ系強誘電性薄膜の特性をまとめる上で重要な知見と考えており、作製、物性評価と構造評価を総合的に進める。
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Research Products
(7 results)
