有機強誘電体をゲート絶縁層に用いた不揮発性トランジスターに関する研究

采用有机铁电体作为栅绝缘层的非易失性晶体管的研究

基本信息

批准号：
16686021
负责人：
石田謙司
金额：
$ 19.47万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、無機強誘電体によるMFS-FET(Metal Ferroelectric Semiconductor-Feild Effect Transistor)では解決困難な(1)Si/強誘電体の界面での界面準位形成、(2)膜堆積時の不要なSiO_2膜形成、などの諸問題を解決策する方策として、低温条件での成膜が可能な「有機強誘電体」をゲート絶縁膜として用いることを提案し、清浄なSi/強誘電体界面の形成と有機強誘電体の分極挙動がSi半導体特性に及ぼす影響について明らかにすることを目的とした。有機強誘電体として高い残留分極値が期待されるビニリデン・フルオライド(VDF)オリゴマーを用いてSi基板上に積層型のMFS構造を形成し、容量-電圧(C-V)測定、誘電ヒステリシスの測定を行った。金属性Siを基板として用いた実験において、無機強誘電体では難しいDEヒステリシス発現に成功した。Alなど金属電極を用いた実験データと比較しても、その残留分極値、抗電界に変化はなく、Siと有機強誘電体との良好な界面形成が示唆された。一方、半導体性Si基板では、Si空乏層の形成を示唆する特定電圧挿引方向での抗電界上昇が観測された。そこでSi半導体のドープ濃度や測定周波数、印可電圧などをパラメータとしてCV評価を行い、空乏層の形成有無、形成された空乏層の厚み、メモリウインド、ON/OFF容量比など、有機強誘電体のダイポールがSi空乏層に及ぼす影響を検証した。その結果、抗電界近傍での容量の急激な上昇から、分極反転と強く相関したCV特性の明確なヒステリシス特性が観測され、メモリウインド:11.5V、容量ON/OFF比:2:1、空乏層幅500nmなどの特性が概算できた。総じて、本実験の実施により有機強誘電体によるSi半導体特性の変調が十分に可能であることを実証した。また、キャパシタ構造での有機強誘電体の赤外線に対する焦電応答特性の観測にも成功しており、赤外センサーへの展開も可能であることを示唆した。

在本研究中，我们将介绍使用无机铁电材料的 MFS-FET（金属铁电半导体场效应）。为了解决（1）Si/铁电体界面上的界面态形成、（2）成膜过程中不必要的SiO_2成膜等难以解决的各种问题，我们提出了使用可成膜的“有机铁电体”目的是使用偏二氟乙烯（VDF）低聚物在硅基板上形成堆叠的MFS结构，该低聚物作为有机铁电材料预计具有高残余极化值，并进行了电容-电压（C-V）和介电磁滞测量。在使用金属Si作为基底的实验中，我们成功实现了DE磁滞，这是无机铁电材料难以实现的。即使与使用Al等金属电极的实验数据相比，残余极化值或矫顽电场也没有变化，这表明Si和有机铁电体之间形成了良好的界面。另一方面，在半导体Si衬底中，在特定的电压牵引方向上观察到矫顽电场的增加，这表明Si耗尽层的形成。因此，我们使用Si半导体的掺杂浓度、测量频率和施加电压等参数进行CV评估，并研究耗尽层的存在与否、形成的耗尽层的厚度、存储窗口、ON验证了有机铁电材料的偶极子对Si耗尽层的影响。结果，由于矫顽电场附近电容快速增加，观察到与极化反转密切相关的CV特性的明显磁滞特性，存储窗口：11.5V，电容开/关比：2:1，耗尽。粗略估计了层宽500nm等特性。总体而言，该实验证明完全有可能使用有机铁电材料来调节硅半导体特性。我们还成功观察到电容器结构中有机铁电材料对红外光的热释电响应特性，这表明它也可以应用于红外传感器。