強誘電体ゲートFETの負性容量発現における界面ポテンシャルモデルの提案とその実証

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強誘電体ゲートFET(FeFET)の超低消費電力FET（負性容量FET）への応用に向けて、負性容量発現起源の解明およびHfO2基強誘電体薄膜の基礎物性評価に取り組んだ。現在、FeFETにおいて、耐久性や保持特性、しきい値のばらつき等の信頼性に関する問題が顕在化している。HfO2基強誘電体薄膜において特徴的なスイッチング特性として知られているインプリントやWake-up効果も信頼性に影響を与えるため、これらの現象の理解と解決が求められている。本研究では、電圧を印可することなく強誘電体の純粋な分極成分を得ることができる正圧電応答を用いた。Hf0.5Zr0.5O2薄膜における時間依存性を示すインプリントを評価したところ、数秒間の分極保持の間に、1μC/cm2以上の空間電荷が移動してインプリントが生じる一方で、正圧電応答に変化はなく、空間電荷の移動は強誘電体の分極に影響を与えないことが明らかとなった。空間電荷の再分配の駆動力としては電極と強誘電体の界面における界面層の存在による、強誘電体膜中に生じる減分極電界と、界面層に生じる電界である可能性が高いと考えられる。また、正圧電応答を用いてWake-up過程の評価を行ったところ、分極-電界特性から得られた残留分極量と正圧電応答より算出したe31,f定数はどちらも電界サイクルの増加とともに増加していたが、その増加率に大きな違いがあり、電極との界面に常誘電体相が形成しており、電界サイクルの増加に伴って、常誘電相から強誘電相に相転移していることが示唆された。以上の結果より、HfO2基強誘電体薄膜におけるWake-up効果、およびインプリントの起源の解明において正圧電応答が極めて有用であることを示した。これらの結果は、HfO2基強誘電体薄膜の基礎物性の理解を深め、かつFeFET応用において顕在化している信頼性の問題の解決に貢献するものである。