利用報告書 / User's Reports

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【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.15】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT1137

利用課題名 / Title

スピネル型およびペロブスカイト型酸化物を用いた機能性強誘電体デバイスの創製

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

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）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（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）-

キーワード / Keywords

強誘電体、酸化ジルコニウム,X線回折/ X-ray diffraction,センサ/ Sensor,電子顕微鏡/ Electronic microscope,リソグラフィ/ Lithography,高品質プロセス材料/技術/ High quality process materials/technique,エレクトロデバイス/ Electronic device,光リソグラフィ/ Photolithgraphy


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)

関 宗俊

所属名 / Affiliation

東京大学工学系研究科電気系工学専攻

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

Haining Li,Siyi Tang,Sangbin Lee

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

UT-202：高輝度In-plane型X線回折装置
UT-203：粉末X線回折装置
UT-505：レーザー直接描画装置 DWL66+2018
UT-850：形状・膜厚・電気特性評価装置群


報告書データ / Report

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

強誘電体は様々なセンサーやメモリ素子、アクチュエータ等に応用されている極めて重要な材料群である。従来の強誘電体の研究では、結晶薄膜成長法としてパルスレーザー堆積法やスパッタリング法等の大規模な機器設備と厳しい製膜条件が要求される技術が用いられてきたが、本研究では常圧かつ比較的低温で結晶薄膜成長が可能なスピンコート法を用いた強誘電体薄膜の作製手法の開発を進めた。特に、酸化ジルコニウムをベースとしたバッファ層が強誘電体酸化物と良好な格子整合を示すことに着目し、このバッファ層とスピンコート法を組み合わせて高品質な強誘電体Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜を成長させることに成功した。また、このPZT単結晶薄膜が電気抵抗スイッチング特性を示すことを見出した。

実験 / Experimental

Siウェハ基板上に電子ビーム蒸着を用いてZrO2バッファ層を作製した。また、このバッファ層の上に下部電極としてSrRuO3/Pt層をスパッタリングによって蒸着した。さらにこの下部電極層の上にスピンコート法によりPZT薄膜を形成した。X線回折および透過電子顕微鏡観察により薄膜試料の結晶構造を解析し、半導体パラメータアナライザおよび強誘電体評価システムを用いて薄膜の電気特性を評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

スピンコート法により作製したPZT薄膜のX線回折パターンをFig.1に示す。この図より、Si(100)基板上にPZT単結晶が成長していることが分かる。また、非常に大きな格子不整合があるにもかかわらず、従来のYSZなどのバッファ層の場合と異なり、結晶が面内回転せず、cube-on-cubeの状態でPZTがバッファ層の上にエピタキシャル成長していることが明らかになった。FIg.2(a)はPZT薄膜の電流-電圧特性である。この図のように、室温で電気抵抗スイッチング特性が現れることを見出し、かつこのスイッチング特性は低電圧（2V以下）で発現し、電圧スイープを百回以上繰り返しても消失せず、極めてロバストなものであることが分かった。また、実験結果を欠陥の挙動に基づく理論的なモデルによって解析した結果(FIg.2(b))、このスイッチング特性は、スピンコートで作製した薄膜に存在する酸素欠損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引き起こされることを明らかにした。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations


Fig. 1 a) XRD 2θ/ω patterns of the spin-coated PZT (001) thin film. The inset shows the schematic diagram of PZT/SRO/Pt/ZrO2 thin films grown on a single-crystal Si wafer. b) Out-of-plane XRD φ scans of PZT(022), Pt (022), ZrO2 (200), and Si (022), showing the non-rotating cube-on-cube epitaxial growth.



Fig. 2 (a) Current–voltage (I–V) characteristics for as-grown PZT epitaxial thin film on SRO/Pt/ZrO2/Si measured at 300 K. The voltage sweeps at a constant step of 0.1 V from negative to positive and back again. The resistive switching for 100 sweeping cycles are also shown. (b) Schematic images of the mechanism of abnormal bipolar resistive switching under a low electric field.


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

本研究はBeyond AI連携事業による共同研究費、JST CREST(課題番号 JPMJCR22O2)、AMED(課題番号 JP22zf0127006)、JSPS科研費(JP20H05651、JP22K18804、JP23H04099、JP22H01952、JP23KJ0418)の助成を受け実施したものです。X線回折の実験では、ARIMの装置(SmartLab 9kW, 3kW)を使用しました。ZrO2バッファ層の作製では株式会社Gaianixxにご協力をいただきました。ここに記して感謝いたします。


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)
  1. Haining Li, Epitaxial Single‐Crystalline PZT Thin Films on ZrO2‐Buffered Si Wafers Fabricated Using Spin‐Coating for Mass‐Produced Memristor Devices, Advanced Electronic Materials, 11, (2024).
    DOI: https://doi.org/10.1002/aelm.202400280
  2. Siyi Tang, High‐Speed and Long‐Distance Spin‐Wave Propagation in Spinel γ‐Fe2O3 Epitaxial Thin Films, Advanced Physics Research, 3, (2024).
    DOI: https://doi.org/10.1002/apxr.202400066
  3. Haining Li, Noncollinear Magnetism in Fe3O4 Induced via Site‐Selective Rare‐Earth Substitution Boosting Its Saturation Magnetization, Small, 21, (2025).
    DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202411133
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
  1. （注目講演）Haining Li, T. Kijima, R. Kataoka, H. Yamahara, H. Tabata, M. Seki, “Single-Crystalline PbTiO3-Based Ferroelectric Memristors for Synaptic Plasticity Emulation” 第85回応用物理学会秋季学術講演会（新潟）, 2024年9月17日
  2. 片岡 莉咲, 李 海寧, 木島 健, 山原 弘靖, 田畑 仁, 関 宗俊 "(Hf, Zr)O2バッファ層及びスピンコート法を用いた強誘電体薄膜の作製"第85回応用物理学会秋季学術講演会（新潟）, 2024年9月17日
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

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