エネルギー効率の高い半導体チップ構築の新経路を発見(Researchers discover a new pathway to building energy-efficient computing chips)

2026-05-04 カリフォルニア大学バークレー校(UCB)

米カリフォルニア大学バークレー校の研究チームは、酸化チタン(TiO₂)を極薄化することで、新たに強誘電性を持たせられることを発見した。通常、TiO₂は半導体チップ内で電荷を蓄える絶縁材料として使われるが、膜厚を3ナノメートル未満にすると、自発分極を示す強誘電体へと性質が変化する。しかも約1ナノメートルという極限的な薄さでも安定性を維持した。強誘電材料は不揮発性メモリや次世代ロジック素子、省エネルギー型コンピューティングに有望視されているが、超薄膜での実用化は困難だった。今回の成果は、材料を原子レベルで制御することで新たな電子特性を引き出せることを示し、既存シリコン技術と親和性の高い低消費電力デバイス開発への道を開く可能性がある。

<関連情報>

原子スケールの二酸化チタン誘電体膜における強誘電性 Ferroelectricity in atomic-scale titanium dioxide dielectric films

Koushik Das, Kate Reidy, Sajid Husain, Jong Ho Park, […] , and Sayeef Salahuddin
Science  Published:5 Mar 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.aec9417

Editor’s summary

Titanium dioxide is normally a dielectric, but in films with thicknesses below 3 nanometers, it forms a ferroelectric phase by breaking structural inversion symmetry. Das et al. grew such films through atomic-layer deposition, not only on crystalline silicon, but also on amorphous silicon and carbon. The ferroelectric phase was still present in films 1 nanometer thick (about two unit cells). The slanted polarization of this material can enable in-plane polarization switching for applications in integrated electronics. —Phil Szuromi

Abstract

Ferroelectricity at atomic-scale thickness would have important applications in next-generation electronics. Here, we report that a ferroelectric phase can be stabilized in titanium dioxide (TiO2) films, a commonly known dielectric that is widely used in semiconductor technologies, by reducing thickness to <3 nanometers. Importantly, this ferroelectricity persists down to 1-nanometer thickness, approximately twice the unit-cell dimension. This thickness-dependent dielectric-to-ferroelectric phase transition demonstrates that an otherwise centrosymmetric, nonferroic fluorite-structure oxide can undergo structural inversion-symmetry breaking and exhibit voltage-switchable polarization. Atomic layer deposition–based low-temperature (<400°C) synthesis and the stability of this ferroelectricity on both silicon (Si) and amorphous surfaces [such as amorphous silicon dioxide (SiO2) and amorphous carbon films] demonstrate the feasibility of integration with a large variety of materials.

0403電子応用
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