強誘電体結晶で電気抵抗スイッチング特性を実現：AIデバイス開発への応用も期待

東京大学の研究グループは、酸化物結晶バッファ層とスピンコート法を用い、シリコン基板上に大面積の強誘電体結晶薄膜を作製することに成功したと発表した。作製した薄膜に「ちょうど良い」酸素欠陥量を導入したことで、極めて安定した電気抵抗スイッチング特性を実現した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

酸化物結晶バッファ層とスピンコート法を用い、大面積の薄膜を作製

　東京大学大学院工学系研究科の李海寧大学院生と木島健特任研究員、山原弘靖特任准教授、田畑仁教授および、関宗俊准教授らによる研究グループは2024年7月、酸化物結晶バッファ層とスピンコート法を用い、シリコン基板上に大面積の強誘電体結晶薄膜を作製することに成功したと発表した。作製した薄膜に「ちょうど良い」酸素欠陥量を導入したことで、極めて安定した電気抵抗スイッチング特性を実現した。AIデバイスなど、さまざまな強誘電体機能デバイスの開発に応用できる可能性がある。

　研究グループは、作製したチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）の単結晶薄膜が、安定した電気抵抗スイッチング特性を示すことを確認した。しかも、2V以下の低電圧で発現し、電圧の掃引を100回以上繰り返しても消失しないことが分かった。これまでは、スパッタリング法やパルスレーザー堆積法（PLD法）を用い、薄膜を作製していた。しかし、これらの方法だと電気抵抗スイッチングは観測されなかったという。

左はSrRuO₃/Pt/ZrO₂/Si基板上に形成したPZT薄膜の断面透過電子顕微鏡像。右上は電気抵抗スイッチング特性。右下は酸素欠陥の変位により発生する電界や印加する電圧および、PZTの分極による内部電界［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　研究グループは、酸素欠陥の挙動に基づく理論的なモデルを用い、実験結果を解析した。これにより、スピンコートで作製した薄膜に存在する酸素欠陥の電圧印加による変位と、それに伴う局所分極と内部電場の発生によって、スイッチング特性が引き起こされることを確認した。バッファ層とスピンコート法を組み合わせた手法を用いたことで、電気抵抗スイッチングを引き起こすのに「ちょうど良い」酸素欠陥量となることが分かった。

　これに対し、スパッタリング法やPLD法で作製した薄膜では、電気抵抗スイッチングが起こらなかった。その理由は結晶性が極めて高く、酸素欠陥量が極限まで抑えられているためだという。また、バッファ層を用いずにスピンコート法で作製した結晶性の低い薄膜でも、欠陥濃度が高く電流のリークが大きすぎるため、電気抵抗スイッチングは観測されなかった。