高い強誘電性を有する窒化物強誘電体薄膜化に成功し、低消費電力の不揮発性メモリへの応用に期待| ハイテクニュース| 東京工業大学

ポイント

• 高い強誘電性を有する窒化アルミニウムスカンジウムから、今までよりもガンユジョンソンガ高い膜の作製に成功した。
• 10万分の1ミリメートル以下の薄い窒化アルミニウムスカンジウム薄膜で強誘電性を示すことを世界に先駆けて確認した。
• 低消費電力で動作する不揮発性メモリへの応用に期待。

要約

東京工業大学物質工学院材料系の舟窪浩教授（同大学元素戦略研究センター兼任）、安岡慎之助大学院生（修士課程2年）などの研究グループは、強誘電体の中で最も高い強誘電性を有すると報告されている窒化アルミニウムスカンジウムについてスカンジウムを低濃度とすることにより、従来よりも高い強誘電性を発現する膜の作製に成功した。 また、10万分の1ミリメートル（10 nm）以下の窒化アルミニウムスカンジウム薄膜で強誘電性があることを世界に先駆けて確認した。

酸化ハフニウムなどの従来の強誘電体では、複雑な形状の基材上に3次元の膜の製作が必要だった。 本成果により、簡単な構造で強誘電体膜の制作を行うことができるようになる観点から、コスト削減が可能となると、低消費電力で動作するIoTの不揮発性メモリの実現が期待される。

今回の成果は、東京工業大学のほか、物質・材料研究機構の機能性材料の研究拠点独立研究者の清水荘雄博士は、産業技術総合研究所のセンシングシステム研究センターの上原正人主任研究員と山田宏研究チーム長、秋山モリトシニア研究者、東北大学電気通信研究所のひらがな良臣調教と長さ康夫教授の研究グループによるもので、米国物理学会誌「応用物理学ジャーナル」のFeatured Articleに選ばれ、9月18日（現地時間）に掲載された。

背景

強誘電体は、電圧の印加方向に沿って決定的に2つの安定状態（偏光状態）が電源から分離もその時点の分極状態を維持することができる物質である。 分極状態の維持に電力を一切使用しないため、理論的には、電源がなくても情報を保存することができる記憶保持素子（不揮発性メモリ）を製作することができる。 これらの強誘電体を用いたメモリは既に交通系ICカードなどに広く実用化されているが、強誘電体膜の作製が困難なため、一部の用途に限定されてきた。

2011年に製作が容易な酸化ハフニウムをベースにした物質が発表され、大きな注目を集めているが、強誘電性の制御方法がまだ十分に確立されていないうえ、強誘電性自体が小さく、3次元の膜の製作が必要であるという問題があり、現在実用化に向けた努力が続けられている。

2019年には、現在のスマートフォンの高周波フィルタに使用される窒化アルミニウムスカンジウム[(Al,Sc)N]この高い強誘電性を有することが報告された。 しかし、メモリを低消費電力で動作させるためには、強誘電体を薄くすることが不可欠であるが、この研究で報告されたデータは、150 nmの厚膜に関するものであり、薄膜化も強誘電性が発現していることは知られていなかった。 これは、強誘電体は、薄膜化すると強誘電性が失われた “サイズ効果^[用語1]「があり、そのとき強誘電性を失うの厚さが物質によって大きく異なるからである。したがって、窒化アルミニウムスカンジウムをメモリとして使用可能かどうかは明らかにされなかった。

研究結果

本研究では、気象たスカンジウム（Sc）、アルミニウム（Al）の金属を窒素ガスと反応させることで、スカンジウムとアルミニウムの割合[Sc/(Sc+Al)比]この他のいくつかの種類の窒化アルミニウムスカンジウム[(Al,Sc)N]を製作した。 その結果、今までの報告に比べてSc /（Sc + Al）の割合が小さく、電源を遮断したときに残る1 cm×1 cm当たりの静電容量（残留分極値）が大きい強誘電体性を有する膜の作製に成功した。

また、Sc /（Sc + Al）の割合が低いほどした偏光状態で、他の偏光状態の変化（反転）に必要な1 cm当たりの電圧（抗電界、イジャヒョン_さん）（図2中塗り点）ワインができる1 cm当たりの電圧（最大電界イジャヒョン_最大）（図2中分離点）の差が広がることが分かった。 このため、Sc /（Sc + Al）比を小さく、すなわちスカンジウムの濃度を低くして分極状態を繰り返し反転させても2つの状態で安定した往来を実現できることを発見した。

また、これまで課題となってきた低消費電力化に必要な薄膜化については厚さを従来の約3分の1に該当する48 nmまで薄くしても高い強誘電特性を維持することが初めて発見した（図3（a））。 また、厚さがより薄い9 nmでも強誘電性を発現することを非線形誘電率顕微鏡^[用語2]を利用して、世界初のを確認した（図3（b）と（c））。

期待される波及効果

今回の成果は、次のような波及効果を期待することができる。

a）低消費電力で動作する強誘電体メモリの実用化を加速

強誘電体を用いたメモリ（強誘電体メモリ^[用語3]）は、消費電力が低く、高速動作するため、「理想的なメモリ」「究極のメモリ」と長年考えられてきた。しかし、これまでの研究と応用が進められてきた強誘電体材料は、すべて膜の作製の難しさと強誘電性の微小制御方法の確立などの問題を抱えていた。本研究で対象とした窒化アルミニウムスカンジウムは、従来の材料よりも高い強誘電性があり、製作も容易な点で大きな注目を集めている。強誘電体で最大の強誘電性を持つだけでではなく、使用温度が最も高いので、広い用途のメモリへの応用が期待される。

b）IoT端末用メモリへの応用が期待されている

IoTの普及により四方センサーが設置されているもので、少子高齢化が進んでも、安全で安心できる社会の構築が期待されている。 このような状況では、既存の高速、高集積メモリではなく、センサーのデータを低消費電力で保存できるメモリの実現が重要になる。
強誘電体メモリは、最も低い消費電力で動作し、データの保存に電力をほとんど消費しない不揮発性メモリである。 本研究を通じて、これらの低消費電力メモリの実用化が期待される。
また、従来の酸化ハフニウムのメモリは、複雑な3次元形状の膜を作製することが検討されている。 今回検討した窒化アルミニウムスカンジウム薄膜は、高い強誘電性を持っているのでそのようにした3次元形状にする必要がなく、電極に挟む簡単な構造のメモリとして実用化することができる観点から、コスト削減も期待できる。

c）新規デバイスへの応用が期待できる

窒化アルミニウムスカンデュムヌン電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する圧電性を有することを利用して、スマートフォン用の高周波フィルタとして既に実用化されている。 今回の成果により、分極の方向を制御することができるようにすることにより、既存のにない新しい応用が期待される。