テーマ　〜非鉛強誘電体BFO薄膜の物性評価および特性向上の検討〜

 

高度通信社会が進む現在、不揮発性半導体メモリは我々の生活の中に溢れています。不揮発性半導体メモリは、スマートフォンやPCだけでなく非接触ICカード等に用いられており、今後、需要は増加していくと考えられています。

半導体の教科書等に頻出するMOS型の不揮発性メモリはMetal-Oxide-Semiconductorで構成されており、これまで様々な研究開発が進んできています。その一方で、FeRAM, MRAM, PRAM, ReRAMといった新型メモリの提案がされています。これら新型メモリはTable 1のフラッシュメモリの弱点を克服し、様々な電子機器の性能向上を目的として研究開発が繰り広げられています。

Table 1　フラッシュメモリの弱点

問題点

詳細

応用上の制約

書込み電圧が高い

NOR : 7 ~ 9 V

NAND : 17 ~ 19 V

ロジック混載に不利

書込み速度が高い

NOR :  1 μs/ビット

NAND : 1 ms/ページ*

RAMとして使えない

書込み回数に制限

100000 回

用途に制限

微細化に限界がある

隣接セルとの電荷干渉

F<30 nmが困難

多層化などで克服

製造プロセスが複雑、
高コスト

浮遊ゲート作製行程

が複雑

ロジック混載に不利

 

FeRAMは強誘電体の分極履歴を利用したメモリであり、ポストフラッシュメモリ候補の中でも実用化が最も早く、Event data recorderや非接触ICカードに用いられています。FeRAMはフラッシュメモリと比較すると、低消費電力、一桁以上速い書き込み速度、10^6を超える書き換え回数、低い動作電圧が利点として挙げられます。

現在までに様々な強誘電体材料が研究されており、FeRAMとしてチタン酸ジルコン酸鉛が多く用いられています。しかし、チタン酸ジルコン酸鉛は鉛含有材料であるため、RoHs指令等の特定有害物質の使用制限についての指令により、今後、使用不可になるのではないかと言われています。そこで、Table 2に示すような代替材料の研究が行われています。

 

Table 2  強誘電体材料（一部）とその物性

 

Pb(Zr, Ti)O3

SrBi2Ta2O9

Bi4Ti3O12

BiFeO3

残留分極値 [mC/cm]

20 ~ 100*

25*

10 ~ 50*

60~103*

抗電界 [kV/cm]

20〜30

45

12

200 ~ 300

キュリー温度 [K]

423

450

373

1103

非鉛材料

×

○

○

○

 

　

 

　本研究では高キュリー点かつ非鉛強誘電体であるBiFeO3(BFO)に着目し、研究を進めています。BFOは非鉛強誘電体の中でも830 ℃という高いキュリー点を有しているだけでなく、Fig.1に示すような大きな残留分極値を示します。

 

Fig.1 BFO(100)薄膜のP-Eヒステリシスループ

 

業績一覧

国際会議

[1]    Y. Nomura, T. Kawae, Y. Terauchi, S. Yamada and A. Morimoto, “Characterization of ferrelectric properties in (Pr,Mn)-codoped BiFeO3 thin films”, 10th Russia/CIS　/Baltic/ Japan Symposium on Ferroelectricity (RCBJSF-10), Yokohama, Japan, 2010, 6

[2]    T. Kawae, F. A. Ali, Y. Nomura, and A. Morimoto, “Fabrication of metal ferroelectric semiconductor capacitor composed of Au/(Bi,Nd)(Fe,Mn)O3/Nb:SrTiO3 and their characteristics”, 7th Asian Meeting on Ferroelectricity and 7th Asian Meeting on ElectroCeramics (AMF-AMEC-2010), Jeju island, Korea, 2010，7

[3]     Y. Nomura, T. Tachi, Y. Seto, T. Kawae and A. Morimoto, “Temperature dependence of ferroelectric properties in (Pr, Mn) codoped BiFeO3 thin films”, The 9th International  Meeting of the Pacific Rim Ceramic Societies conference (PacRim9), Cairns, Australia, 2011, 7

[4]      T. Kawae, Y. Tsukada, Y. Terauchi, T. Nakajima, Y. Nomura, S. Okamura, and A. Morimoto “Dependence of electric properties of BiFeO3 ultra thin film capacitors on thickness of SrRuO3 bottom electrode” 27th Meeting on Ferroelectric Materials and Their Applications, Kyoto, Japan, 2011, 5

[5]      Y. Ukai, S. Yamazaki, Y. Nomura, T. Kawae, and A. Morimoto, “Polarization-induced photovoltaic effect in Er-doped BiFeO3 ferroelectric films” Plasma Conference2011 (Plasma2011),Kanazawa, Japan 2011、11

 

 

国内会議

[1]    野村幸寛, 寺内裕紀, 川江健, 山田悟, 森本章治, “SrRuO3電極上におけるBiPr0.1Fe0.97Mn0.03O3薄膜の低温物性評価”, 平成21年度 応用物理学会北陸・信越支部学術講演会(富山県立大)

[2]    野村幸寛, 寺内裕紀, 川江健, 山田悟, 森本章治, “Pr, Mn二元素置換BiFeO3薄膜の低温物性評価”, 第57回 春季 応用物理学関関係連合講演会(東海大学)

[3]    ファラ アシキン アリ, 長田潤一, 野村幸寛, 川江健, 森本章治, “Au/BNFM/Nb:STO構造を用いたMFIS型キャパシタの作製と評価”, 第57回 春季 応用物理学関関係連合講演会(東海大学)

[4]    劉辰, 野村幸寛, 川江健, 森本章治, “Bi1Nd0.05Fe0.97Mn0.03O3/LaNiO3/CoFe2O4積層膜の作製と強誘電特性の評価”, 平成22年度 応用物理学会北陸・信越支部学術講演会(金沢大学)

[5]    立居卓志, 野村幸寛, 瀬戸祐一郎, 川江健, 森本章治, “Pr, Mn二元素置換BiFeO3薄膜の低温物性評価”, 平成22年度 応用物理学会北陸・信越支部学術講演会(金沢大学)

[6]     瀬戸祐一郎, 野村幸寛, 立居卓志, 川江健, 森本章治, “CSD法により作製されたPr, Mn二元素置換BiFeO3薄膜の疲労特性評価”, 平成22年度 応用物理学会北陸・信越支部学術講演会(金沢大学)

[7]    立居卓志, 野村幸寛, 瀬戸祐一郎, 川江健, 森本章治, “Pr, Mn二元素置換BiFeO3薄膜の低温物性評価”, 平成22年度 応用物理学会北陸・信越支部学術講演会(金沢大学)

[8]    立居卓志, 野村幸寛, 瀬戸祐一郎, 川江健, 森本章治, “Pr, Mn二元素置換BiFeO3多結晶薄膜の低温物性評価”, 第58回 春季 応用物理学関関係連合講演会(神奈川工科大学)

[9]    瀬戸祐一郎, 野村幸寛, 立居卓志, 川江健, 森本章治, “CSD法により作製されたPr, Mn同時添加BiFeO3薄膜の疲労特性評価”, 第58回 春季 応用物理学関関係連合講演会(神奈川工科大学)

[10]  野村幸寛、立居卓志、瀬戸佑一郎、川江 健、森本章治 “Pr,Mn二元素置換BiFeO3薄膜の高温特性評価” 第72回 応用物理学会学術講演会（山形大学）

[11]  瀬戸佑一郎、野村幸寛、川江 健、徳田規夫、森本章治, “二元素置換BiFeO3薄膜を用いたMFIS 型キャパシタの作製と評価”, 第72回 応用物理学会学術講演会（山形大学）

[12]  瀬戸佑一郎、野村幸寛、川江 健、森本章治, “Pr,Mn二元素置換BiFeO3薄膜の疲労耐性向上に関する検討” 第72回 応用物理学会学術講演会（山形大学）

[13]  立居卓志、野村幸寛、瀬戸佑一郎、川江 健、森本章治, “Pr,Mn二元素置換BiFeO3薄膜の分極値に対する活性化エネルギー評価” 第72回 応用物理学会学術講演会（山形大学）

[14]  劉 辰、近藤 学、野村幸寛、川江 健、森本章治, “(Bi1.0Pr0.1)(Fe0.97Mn0.03)O3/SrRuO3/Pt/CoFe2O4積層膜の作製と電気磁効果の電気磁効果の検証” 第72回 応用物理学会学術講演会（山形大学）

 

受賞歴

[1]    10th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity, RCBJSF-10 Young Scientist Award, 2010, 6

 

研究助成金

[1]    一般財団法人　丸文研究交流財団　国際交流助成(2011)

[2]    公益財団法人　村田学術振興財団　研究者海外派遣援助(2011)

 

投稿論文

[1]    T. Kawae, Y. Tsukada, Y. Terauchi, T. Nakajima, Y. Nomura, S. Okamura, and A. Morimoto, “Influence of SrRuO3 bottom electrode thickness on electric properties of (Bi,Pr)(Fe,Mn)O3 Ultra-thin film capacitor”, Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) 09NA09

 

参加したプログラムおよびセミナー

[1]    産学連携による博士人材のキャリア形成教育プログラム(2011年度参加), http://www.se.kanazawa-u.ac.jp/inowaka/index.html

[2]    Superconductivity Summer Seminar 2011, http://www.nims.go.jp/NFM/SSS2011/index.html