高い強誘電性を有する窒化物強誘電体の薄膜化に成功~低消費電力の不揮発性メモリへの応用に期待~

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2020-09-19 産業技術総合研究所

要点

  • 高い強誘電性を有する窒化アルミニウムスカンジウムで、これまでよりさらに強誘電性が高い膜の作製に成功。
  • 10万分の1ミリメートル以下の薄い窒化アルミニウムスカンジウム薄膜でも強誘電性を示すことを世界で初めて確認。
  • 低消費電力で動作する、不揮発性メモリへの応用に期待。

概要

東京工業大学 物質理工学院 材料系の舟窪浩教授(同大学元素戦略研究センター兼任)、安岡慎之介大学院生(修士課程2年)らの研究グループは、強誘電体の中で最も高い強誘電性を持つことが報告されている窒化アルミニウムスカンジウムについて、スカンジウムを低濃度にすることによって、従来よりも高い強誘電性を発現する膜の作製に成功した。さらに、10万分の1ミリメートル(10 nm)以下の窒化アルミニウムスカンジウム薄膜でも強誘電性があることを世界で初めて確認した。

酸化ハフニウム等の従来の強誘電体では、複雑な形状の基材上への3次元の膜作製が必要だった。本成果によって、単純な構造で強誘電体の膜の作製ができるようになる観点からコストダウンが可能になる上、低消費電力で動作するIoT用の不揮発性メモリの実現が期待される。

今回の成果は、東京工業大学のほか、物質・材料研究機構機能性材料研究拠点の独立研究者の清水荘雄博士、産業技術総合研究所のセンシングシステム研究センターの上原雅人主任研究員と山田浩志研究チーム長、秋山守人首席研究員、東北大学電気通信研究所の平永良臣助教と長康雄教授らの研究グループによるもので、米国の物理学会の雑誌「Journal of Applied Physics」のFeatured Articleに選ばれ、9月18日付(現地時間)で掲載される。

研究の背景

強誘電体は、電圧の印加方向によって、結晶に2通りの安定な状態(分極状態)があり、電源から切り離してもその時点の分極状態を保持できる物質である。分極状態の保持には電力をまったく使わないため、理論的には電源がなくても情報が保持できる記憶保持素子(不揮発性メモリ)を作製できる。こうした強誘電体を利用したメモリはすでに、交通系ICカード等で広く実用化されているが、強誘電体の膜の作製が難しいため、一部の用途に限られてきた。

2011年に、作製が容易な酸化ハフニウムを基本とした物質が発表され、大きな注目を集めているが、強誘電性の制御方法がまだ十分確立していないことに加え、強誘電性自体が小さく、3次元の膜作製が必要だという問題があり、現在も実用化に向けた努力が続けられている。

2019年には、現在スマートフォンの高周波フィルターに使われている窒化アルミニウムスカンジウム[(Al,Sc)N]が高い強誘電性を持つことが報告された。しかし、メモリを低消費電力で動作させるためには、強誘電体を薄くすることが不可欠だが、この研究で報告されたデータは150 nmの厚膜に関するものであり、薄膜化しても強誘電性が発現するかは不明だった。これは、強誘電体には薄膜化すると強誘電性が失われる「サイズ効果(用語1)」があり、その際に強誘電性を失う厚さが物質によって大きく異なるためである。そのため、窒化アルミニウムスカンジウムをメモリとして使用可能かどうかは明らかになっていなかった。

研究手法・成果

本研究では、気相にしたスカンジウム(Sc)とアルミニウム(Al)の金属を窒素ガスと反応させることで、スカンジウムとアルミニウムの比[Sc/(Sc+Al)比]が異なる数種類の窒化アルミニウムスカンジウム[(Al,Sc)N]を作製した。

その結果、これまでの報告と比べて、Sc/(Sc+Al)比が小さく、かつ電源を切り離したときに残る1 cm × 1 cmあたりの静電容量(残留分極値)が大きい、強誘電性を有する膜の作製に成功した。(図1)

図1

図1. 電源から切り離したときに残る1 cm × 1 cmあたりの静電容量(残留分極値)と膜中のSc/(Sc+Al)比の関係

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