強誘電体ゲート/極性半導体チャネルFETの分極間相互作用とデバイス物性

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当申請で新規な分極機能型強誘電体ゲート電界効果薄膜トランジスタ(TFT)を提案した。これは極性を有する酸化物半導体をチャネルに用いることによって、その自発分極が強誘電体の自発分極を安定化させることを期待したものである。極性酸化物半導体としてZnO、強誘電体としてYMnO_3を用いた。これらは自発分極量が同程度であり、本研究に適した材料である。このZnOとYMnO_3のヘテロ構造を作製し、X線や電子線回折、原子間力顕微鏡によってその結晶性や表面構造を評価し、それらの結果を基に製膜条件の最適化を行った。その結果、エピタキシャル成長したZnO/YMnO_3ヘテロ構造を得ることができた。その最適条件を用いて作製した分極機能型強誘電体ゲートTFTは±2VでON/OFF動作し、ZnOの自発分極によってYMnO_3の自発分極が反転しやすくなり、低電圧駆動が実現することを実験的に確かめ、その有用性を明らかにした。また、強誘電体ゲートTFTは強誘電体の分極反転によって動作するが、その基本的な動作機構は未だ解明されていない。その理解を深めるためには強誘電体の自発分極の反転機構を解析することが重要である。この強誘電体の自発分極のスイッチングを申請者は従来からのチャネルの電気伝導特製の評価から解析するだけでなく、チャネルの誘電特性から評価する新規な評価法を確立した。特にソース・ゲート電極間のインピーダンス解析により、これまで評価が難しく解明されてこなかったゲート電圧挿引時のチャネル下の強誘電体の自発分極方向を評価できることを示した。この評価手法の確立により、分極機能型強誘電体ゲートTFTの有用性および強誘電体の自発分極のスイッチングを容易にする条件が明らかにされ、今後の強誘電体ゲートTFTの設計指針となる重要な知見を示した。