利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.04.22】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23UE0015

利用課題名 / Title

シリコンフォトニクスに関する研究

利用した実施機関 / Support Institute

電気通信大学 / UEC

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions

キーワード / Keywords

赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy,電子顕微鏡/ Electronic microscope,イオンミリング/ Ion milling,光学顕微鏡/ Optical microscope,赤外・可視・紫外分光/ Infrared/visible/ultraviolet spectroscopy,X線回折/ X-ray diffraction,電子分光/ Electron spectroscopy,光導波路/ Optical waveguide,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,エレクトロデバイス/ Electronic device,光デバイス/ Optical Device,量子効果デバイス/ Quantum effect device,原子薄膜/ Atomic thin film,フォトニクス/ Photonics,量子効果/ Quantum effect,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

一色秀夫

所属名 / Affiliation

電気通信大学大学院情報理工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

北田昇雄,松橋千尋

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UE-004：DSC粉末X線同時測定装置
 UE-006：顕微レーザーラマン分光計
 UE-007：Ｘ線光電子分光装置
 UE-011：電子線元素状態分析装置
 UE-017：透過型電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

2011 年に Bèoscke らにより、SiO₂ ドープ HfO₂ における強誘電性が発見された。SiO₂ 以外にも強誘電性を高めるドーパントは数多く存在し、HfO₂ が拡張可能な強誘電体材料の優れた候補であることが証明された。本研究では、室温でスパッタリングされたZrドープHfO₂膜の強誘電性を確認した。HfO₂ をバックエンド・オブ・ライン (BEoL) プロセスに組み込む場合には、結晶化温度が低いHfZrO₄が有望であることが判明した。

実験 / Experimental

新たに開発したデジタル処理 DC スパッタリング (DPDS) は、原子レベルで正確な特定の金属の薄膜堆積と表面酸化の交互プロセスによる層ごとの堆積を可能にする。さらに、反応性ガスパルスと同期したDPDSを使用することにより、基板加熱無しでスパッタ中断中に自然酸化を行った。この研究では、シンクロン社と共同開発したの P-RAS を DPDS 装置として使用し、Hf および Zr 金属ターゲットをスパッタ中断を挟んで交互にスパッタを行った。

結果と考察 / Results and Discussion

Fig.1に、非加熱で堆積した厚さ 300 nm の Hf_0.5Zr_0.5O₂ (HZO) 薄膜の X 線回折パターンを示す。直方晶系 (200) ピークが優勢であり、高配向であることが確認できる。(200)ピークの d 間隔は 0.25nm/サイクルの堆積速度に対応している。スパッタリングされたHZO膜は直方晶構造に結晶化しており、スパッタリング中の過熱やポストアニーリングの必要が無いことを示している。Fig.2に、非加熱合成したHZOの誘電分極特性を示す。試料構造はAl/HZO/TiN キャパシタとして、分極(P)-電界(E)特性の測定を行った。P-Eカーブに誘電分極の不揮発性を示すヒステリシスループが観測され、その残留分極 2Pr 値は 17.6 μC/cm² であった。通常100nm以上の膜厚では強誘電性は観測されておらず、今回の試料では熱処理なしで 300 nm の厚さをもち、強誘電性が得られることが示された。この不揮発性は、今後様々な用途に有効であると考えている。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig.1 XRD pattern of as-deposited HZO

Fig.2 P-E charactoristc of as-deposited HZO

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

・参考文献　1) 一色秀夫他, 「反応性ガスパルスと同期したデジタル処理DCスパッタリング」、表面と真空, 66 巻 8 号 p. 484-489 (2023). https://doi.org/10.1380/vss.66.484 2) G. Nakamura and H. Isshiki, J. Vac. Sci. Technol. A 40, 053406 (2022). https://doi.org/10.1116/6.0001917　3) H. Isshiki et al., Jpn. J. Appl. Phys. 61, SA1001 (2022). https://doi.org/10.35848/1347-4065/ac2b7c4) H. Isshiki et al., J. Appl. Phys. 130, 185301 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0065975　・共同研究者：株式会社　シンクロン　税所　慎一郎様、田中　康仁様

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

Mehdi Ali, Growth of CuAlO₂ on SiO₂ under a layer-by-layer approach conducted by digitally processed DC sputtering and its transistor characteristics, Japanese Journal of Applied Physics, 63, 035502(2024).
DOI: https://doi.org/10.35848/1347-4065/ad2aa5

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

Mehdi Ali; Daiki Yamashita; Hideo Isshiki, “Synthesis of CuAlO2/Si heterostructures by DPDS-assisted LBL approach and their transistor characteristics”, 2023 International Conference on Solid State Device and Materials (SSDM 2023), 2023年09月05日- 2023年09月08日, Nagoya, Japan.
Hideo Isshiki; Yanbin Zhang; Daiki Hashimoto; Satoshi Fujiya; Daiki Yamashita, “Formation of (Er0.1Y0.9)2Zr2O7 waveguide amplifier by digitally processed DC sputtering toward heterogeneous integration on SiNx waveguide circuits”, E-MRS 2023 SPRING MEETING, 2023年05月29日- 2023年06月02日, Strasburg, France.
Hideo Isshiki; Koki Takamura; Yanbin Zhang; Daiki Yamashita; Shinnichiro Saisho, “Synthesis of functional crystalline oxides by digitally processed DC sputtering synchronized with oxygen gas pulsing”, E-MRS 2023 SPRING MEETING, 2023年05月29日- 2023年06月02日, Strasburg, France.
Shohei Yamazaki; Daichi Hagiwara; Takahiro Tsukamoto; Hideo Isshiki,” Evaluation of NV0 defects in single-crystal diamonds using Raman spectroscopy”, E-MRS 2023 SPRING MEETING, 2023年05月29日- 2023年06月02日, Strasburg, France.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件