堀田研究室
〈専門分野〉電子デバイス、固体電子物性、薄膜結晶成長

新電子デバイス及び
その材料の創成

研究内容

　本研究室では、究極のメモリと言われている強誘電体メモリに関する研究と新機能デバイスの創成につながるガラスやプラスチック基板上への結晶化シリコン（Si）薄膜と酸化Si（SiO2）薄膜の低温形成に関する研究を行っています。

1強誘電体メモリの作製

　強誘電体メモリとは、強誘電体の残留分極を利用した、不揮発性でありながら、低電圧駆動で高い書込耐性があり、高速・高密度化が可能な高度情報化社会のニーズに対応できるメモリのことです。本研究室では、強誘電体であるPZT（Pb（Zr,Ti）O3）薄膜とSi基板を用いて新しい動作原理の強誘電体メモリを提案しており、実用化に向けて、図１に示す集積回路を試作し、その特性向上のために改良・改善を行っています

2パルスレーザによる結晶粒界位置を制御した低温多結晶Si薄膜の形成

　今後到来するユビキタス社会では、ガラスやプラスチックが歪まない低温で、結晶粒界位置を制御した良質な多結晶Si薄膜からなる薄膜トランジスタ（TFT）の実現が望まれています。本研究室では、粒界位置を制御するために、図２に示すように一旦ガラス基板上に堆積した非晶質Si薄膜に直線偏光パルスレーザを照射して、それを溶融結晶化させる独自の手法を考案しました。パルスレーザを用いることにより、実効的に低温作製とし、また、直線偏光を用いることにより、溶融Si薄膜内に空間周期的な温度分布を形成して、結晶粒界位置を制御しています。さらに、TFTを作製し、デバイス性能も検討しています。

3シリコーンオイルとオゾンガスによる酸化Si膜の低温形成

　環境に優しく、安全なシリコーンオイルと約1%のオゾンを含む酸素ガスとの熱分解反応を用いると、200℃という低温で酸化Si膜が形成できることを世界で初めて見出しました。本手法は、安全、省エネであり安価な方法であることから、実用化が十分に期待できます。低温形成には、プラズマなどがよく用いられていますが、プラズマダメージがあるため、デバイス特性が良くありません。現在、良好な電気的特性を持つ膜が形成できる条件を探っています。

4種結晶層を用いたSi薄膜の低温結晶化

　ガラスは結晶情報の無い非晶質ですから、その上に550℃以下でSi薄膜を真空蒸着堆積しても結晶化しません。それに対して本研究室では、YSZ（イットリア安定化ジルコニア）という立方晶系の酸化物多結晶薄膜を種結晶層として用いることで、その上に500℃程度でSi薄膜を結晶化させました。現在は、350℃以下での結晶化を目指しています。

使用装置

超高真空蒸着装置、スパッタ装置、Nd:YAGレーザ、リソグラフィ装置、リアクティブイオンエッチング装置、イオン注入装置、管状アニール炉、X線回折装置、走査型電子顕微鏡、X線光電子分光装置、ラザフォード後方散乱装置、ラマン分光装置、原子間力顕微鏡、電気的特性測定装置など

過去5年間の主な研究業績

1. S. Horita and H. Sukreen, Low-Temperature Crystallization of Silicon Films Directly Deposited on Glass Substrates Covered with Yttria-Stabilized Zirconia Layers, Jpn. J. Appl. Phys., 49, 105801 (2010).
2. S. Horita and B. N. Q. Trinh, Disturb-free writing operation for ferroelectric gate field-effect transistor memories with intermediate electrodes, IEEE Trans. Electron Devices, 56, 3090-3096 (2009).
3. S. Horita and H. Sukreen, Low temperature deposition and crystallization of silicon film on an HF-etched polycrystalline Yttria-stabilized zirconia layer rinsed with ethanol solution, Appl. Phys. Express, 2 , 04120 (2009).
4. S. Horita, K. Toriyabe, and K. Nishioka, Low-temperature deposition of silicon oxide film from the reaction of silicone oil vapor and ozone gas, Jpn. J. Appl. Phys., 48, 035501 (2009).
5. S. Horita, H. Kaki, and K. Nishioka, Surface modification of an amorphous Si thin film crystallized by a linearly polarized Nd:YAG pulse laser beam, J. Appl. Phys., 102, 013501 (2007).