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徳光研究室

材料の特性を活かした
新しい電子デバイスを創ってみよう

徳光研究室 TOKUMITSU Laboratory
教授:徳光 永輔(TOKUMITSU Eisuke)

E-mail:E-mai
[研究分野]
固体電子工学、電子デバイス、電子材料
[キーワード]
半導体デバイス、酸化物半導体、強誘電体、薄膜トランジスタ、不揮発性メモリ、パワーデバイス、溶液プロセス

研究を始めるのに必要な知識・能力

実験好きで、何か新しいものを作ってみたいと思う知的好奇心とチャレンジ精神。今何が起こっているのか、何を作っているのか、何を測定しているのかを考えることのできる物理・化学の基礎的な知識と論理的思考力。

この研究で身につく能力

当研究室では、「酸化物半導体や強誘電体などの機能性材料を駆使して、従来よりも高機能・高性能な電子デバイス、または従来にない新しい電子デバイスを創成すること」を目指して研究を進めています。例えば強誘電体をゲート絶縁膜に用いれば不揮発性のメモリ機能を持つトランジスタが実現できます。と同時に、強誘電体の大きな電荷制御能力を用いれば、伝導性の酸化物などもチャネルとして利用することができるようになります。このように材料の特徴とデバイスの動作原理をリンクさせて考えると、新しいデバイスが生まれると思います。本研究室では、文献による事前調査から、機能性材料薄膜の作製プロセスと評価技術、電子デバイスの動作原理、作製プロセス、評価技術を学び、材料やデバイス研究の進め方を身につけていただきたいと考えています。

【就職先企業・職種】 エレクトロニクス及び材料関連企業の製造、開発、研究職

研究内容

 本研究室では、機能性材料を用いて新しい電子デバイスを創成することを目指して、酸化物を用いた薄膜トランジスタと不揮発性メモリの研究を行っています。材料の物理的性質の理解と人工的物性制御といった材料研究から、実際に素子を試作して動作検証するデバイス研究、さらに低環境負荷の新しいデバイス作製手法として、溶液プロセスの研究を行っています。

1.強誘電体ゲート大電荷制御電界効果型トランジスタ

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溶液プロセスで作製したITOチャネル強誘電体(Y-HZO)
ゲート薄膜トランジスタの構造と得られた伝達特性

 強誘電体の分極-電界(P-E)特性を見ると、強誘電体は不揮発性メモリ機能の他に、低印加電界において巨大な電荷量を誘起できることに気づかされます。シリコン MOSFET のゲート絶縁膜に用いられる SiO2では、絶縁破壊電界(10MV/cm)印加時に誘起される電荷量は3.5µC/㎠であるのに対し、強誘電体では、0.5MV/cm 程度の低電界の印加で50µC/㎠もの電荷量を誘起可能です。本研究室では、この強誘電体の巨大電荷制御能力を利用して導電性チャネルを制御する新しいコンセプトの電界効果型トランジスタを提唱しています。現在までに、透明導電膜のインジウム・スズ酸化物(ITO)をチャネルに用いた薄膜トランジスタ、透明な不揮発性メモリ素子や、有機強誘電体材料である P(VDF/TrFE) と無機材料のアモルファス酸化物半導体(In-Ga-Zn-O)を組み合わせたフレキシブル不揮発性メモリ素子を実現しました。
 最近では新しい強誘電体材料としてHfO2系酸化物が期待されています。本研究室では、YをドープしたHf-Zr-O(Y-HZO)をゲート絶縁膜に、ITOをチャネル層に用いて図に示すような強誘電体ゲート薄膜トランジスタを作製し、良好な電気的特性を観測しています。Y-HZOゲート絶縁膜、ITOチャネル層はいずれも溶液プロセスで作製しています。

2.HfO2系薄膜の酸化制御と強誘電相の安定化

 HfO2系酸化物は将来のエレクトロニクスのキーマテリアルの一つと言える材料です。近年強誘電性の発現が報告され、不揮発性メモリや急峻スイッチングを実現するトランジスタのゲート絶縁膜として期待され、活発に研究されています。HfO2は単斜晶、直方晶、正方晶などの結晶系をとりますが、強誘電性を発現するためには準安定相の直方晶相をうまく形成してあげる必要があります。通常はSiやYなどの元素をドーピングして強誘電相を安定化していますが、酸素欠損の導入が強誘電相の安定化を促進するという指摘があります。本研究室では、溶液プロセスおよびスパッタ法で形成したHZO膜を減圧雰囲気下で結晶化すると、直方晶が得られて良好な強誘電性を示すこと、さらに強誘電相の安定性も向上することを明らかにしました。現在は酸素吸収層となる別の酸化物を積層する手法、原子状水素を照射して酸素空孔を意図的に導入する手法などにより、HfO2系薄膜の酸化状態を人工的に制御し、強誘電相を安定化して良好な強誘電性を得ることを目指して研究を続けています。

主な研究業績

  1. Yuki Hara, Mohit, Tatsuya Murakami, Shinji Migita, Hiroyuki Ota, Yukinori Morita and Eisuke Tokumitsu, “Impact of reduced pressure crystallization on ferroelectric properties in hafnium-zirconium dioxide films deposited by sputtering”, J. Appl. Phys. 60, SFFB05 (2021).
  2. Mohit, Shinji Migita, Hiroyuki Ota, Yukinori Morita, and Eisuke Tokumitsu, “Thermal stability of ferroelectricity in hafnium–zirconium dioxide films deposited by sputtering and chemical solution deposition for oxide-channel ferroelectric gate transistor applications”, Applied Physics Express, 14, 041006 (2021) .
  3. Mohit, Takaaki Miyasako, and Eisuke Tokumitsu, “Indium oxide and indium-tin-oxide channel ferroelectric gate thin film transistors with yttrium doped hafnium-zirconium dioxide gate insulator prepared by chemical solution process”, Jpn. J. Appl. Phys., 60, SBBM02 (2021).

使用装置

高速アニール装置
スパッタ装置
強誘電体特性評価装置

研究室の指導方針

当研究室では、新しい電子デバイスを創成するために、機能性材料の「気持ち」を知り、適切にデバイスに使ってあげたいと思っています。そのためには、物理・化学の基礎知識とともに、材料物性とデバイスの基礎的な動作原理を理解した上で、柔軟な発想、斬新なアイディア、思い切った決断が必要です。本研究室では、薄膜やデバイスの作製実験を通じて、これらの要素を一緒に考えていきたいと思います。修了までに自分のアイディアを活かした新しいデバイスやプロセスを是非提案してください。

[研究室HP] URL:https://www.jaist.ac.jp/ms/labs/tokumitsu/

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