バイタルセンシングを志向したニューロモルフィック電子強誘電体ゲートFETの開発

开发用于生命传感的神经形态电子铁电栅极 FET

基本信息

批准号：
22KJ2626
负责人：
嶋本健人
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Osaka Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

超高感度THz電磁波検出器の開発を目的とした電子強誘電体型ゲートFETの作製に向けて、本年度はパルスレーザー堆積法を用いた電子強誘電体YbFe2O4薄膜の作製に主に取り組んだ。本物質は成長過程におけるFe の再蒸発のため単結晶において最大20%、薄膜においては最大 70％もの鉄欠損が生じるなどの問題が顕在化している。この問題の解決には、Fe 活性種の供給を増加することが必要だが、レーザーエネルギーを増加させると、O活性種の供給が大幅に増大し、YbFe2O4の形成に必要な Fe2+の形成を阻害してしまう。そこで、より精密なO活性種の制御のため、発光分光分析を用いて原料セラミックターゲットからアブレーションされたプラズマプルーム内の原子状活性種量を、in-situ 測定することで評価した。レーザー照射面積の増大に伴い、基板に供給されるFe/Yb活性種強度比がYb過剰に変化することが明らかとなった。基板表面にFe活性種を多く供給するため、レーザー光をよく絞り、照射面積が小さい条件で製膜を行った結果、YbFe2O4 薄膜の単相成長に成功した。EPMA測定による試料組成評価の結果、プラズマプルームに含まれるFe/Yb活性種強度比の増大に伴い薄膜中のFe/Yb組成が増大することが示唆された。しかし、レーザー光をよく絞った条件下では、Fe/Yb組成のばらつきが大きくなった。そこで、活性種分布を測定したところ、プラズマプルームの中央部には、原子量で比較すると Fe 原子の約 3 倍もの重量をもつ Yb 原子が多く分布していることが明らかとなった。各蒸発種はアブレーション時に原子・分子レベルにまで分解しており、カチオンごとに飛散角度分布が異なる。したがって、重量の小さいFe原子が基板表面に到達することが困難になっていることが、本薄膜作成過程におけるFe欠損の原因であることが示唆された。

今年，我们主要致力于利用脉冲激光沉积技术制备电子铁电YbFe2O4薄膜，以制备电子铁电型栅极FET，用于开发超高灵敏度太赫兹电磁波探测器。这种材料的问题已经变得显而易见，例如由于生长过程中铁的再蒸发，单晶中的铁空位高达 20%，薄膜中的铁空位高达 70%。解决这个问题需要增加Fe活性物质的供应，但增加激光能量会显着增加O活性物质的供应，从而抑制YbFe2O4最终形成所需的Fe2+的形成。因此，为了更精确地控制 O2 活性物质，我们使用光学发射光谱法评估了从原位陶瓷靶材上原位烧蚀的等离子体羽流中原子活性物质的量。可知随着激光照射面积的增加，供给至基板的Fe/Yb活性种的强度比变为过量的Yb。为了向基板表面提供大量的Fe活性物质，我们将激光束很好地聚焦，并在照射面积较小的条件下成膜，结果成功生长了单相YbFe2O4薄膜。通过 EPMA 测量对样品成分进行评估表明，薄膜中的 Fe/Yb 成分随着等离子体羽流中 Fe/Yb 活性物质强度比的增加而增加。然而，在激光束聚焦良好的条件下，Fe/Yb成分的变化变大。当我们测量活性物质的分布时，我们发现Yb原子大量分布在等离子体羽流的中心，其原子量约为Fe原子的三倍。每种蒸发物质在烧蚀过程中都分解为原子和分子水平，并且每种阳离子的散射角分布都不同。因此，认为重量较小的Fe原子难以到达基底表面是薄膜制备过程中Fe缺陷的原因。