[論文レビュー] Ferroelectricity in Polar ScAlN/GaN Epitaxial Semiconductor Heterostructures

Joseph Casamento, Ved Gund+12 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Acoustic Wave Resonator Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、GaN基板上に分子線 epitaxy (MBE) で成長した格子整合性の高いエpitaxialなScAlN/GaNヘテロ構造において、室温でのフェロエレクトリシティを実証した。100 nm程度の厚さの層で、約0.7 MV/cmの低コーエルスフィールドおよび約10 μC/cm²の残留分極を示し、MBEで成長したScAlNは安定的かつ繰り返し可能な分極スイッチングを示し、GaNが持つ固有の分極および電子的性質と相性の良い低電圧フェロエレクトリック動作を可能にした。

ABSTRACT

Room temperature ferroelectricity is observed in lattice-matched ~18% ScAlN/GaN heterostructures grown by molecular beam epitaxy on single-crystal GaN substrates. The epitaxial films have smooth surface morphologies and high crystallinity. Pulsed current-voltage measurements confirm stable and repeatable polarization switching in such ferroelectric/semiconductor structures at several measurement conditions, and in multiple samples. The measured coercive field values are Ec~0.7 MV/cm at room temperature, with remnant polarization Pr~10 μC/cm2 for ~100 nm thick ScAlN layers. These values are substantially lower than comparable ScAlN control layers deposited by sputtering. Importantly, the coercive field of MBE ScAlN is smaller than the critical breakdown field of GaN, offering the potential for low voltage ferroelectric switching. The low coercive field ferroelectricity of ScAlN on GaN heralds the possibility of new forms of electronic and photonic devices with epitaxially integrated ferroelectric/semiconductor heterostructures that take advantage of the GaN electronic and photonic semiconductor platform, where the underlying semiconductors themselves exhibit spontaneous and piezoelectric polarization.

研究の動機と目的

• III窒化ガリウム半導体プラットフォームとの統合を目的とした、ScAlN/GaNヘテロ構造における安定的で室温でのフェロエレクトリシティの実現。
• 分子線エpitaxy (MBE) を用いた高品質なScAlNのGaN基板上へのエpitaxial成長の実証。
• GaNの破壊電界に耐えうる低電圧フェロエレクトリックスイッチングを可能にするために、ScAlNの低コーエルスフィールド値の達成。
• スパッタリング法で成長したコントロール層と比較して、成長法の影響がフェロエレクトリック特性に与える影響を明らかにすること。
• GaNが持つ内在的分極を活用した、電子的および光電子的デバイス用の新規フェロエレクトリック/半導体ヘテロ構造の実現。

提案手法

• 単結晶GaN基板上に、格子整合性の高い約18% ScAlN層を分子線エpitaxy (MBE) を用いて成長させた。
• 高分解能技術を用いて、エpitaxial膜の表面粗さおよび結晶性を評価した。
• 分極スイッチングの安定性および可逆性を評価するために、パルス電流-電圧測定を実施した。
• 変動する条件および複数のサンプルにおいて、ヒステリシスループからコーエルスフィールド (Ec) および残留分極 (Pr) を抽出した。
• MBEで成長したScAlNのフェロエレクトリック特性を、スパッタリング法で成長したScAlNコントロール層と比較した。
• 低電圧動作の実現可能性を評価するために、GaNの臨界破壊電界をベンチマークとして用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子線エpitaxyで成長したエpitaxialなScAlN/GaNヘテロ構造において、室温でのフェロエレクトリシティを達成できるか？
• RQ2 MBEで成長したScAlNのコーエルスフィールドおよび残留分極値は何か？ また、スパッタリング法で成長した層と比較してどうなるか？
• RQ3 MBEで成長したScAlNのコーエルスフィールドは、GaNの破壊電界を超えない低電圧フェロエレクトリックスイッチングを可能にするほど十分に低いのか？
• RQ4 複数のサンプルおよび測定条件において、安定的かつ繰り返し可能な分極スイッチングが示せるか？
• RQ5 GaNが持つ内在的自発分極およびピエゾ分極が、ヘテロ構造の機能にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 格子整合性の高い約18% ScAlN/GaNヘテロ構造において、MBEで成長した結果、室温でのフェロエレクトリシティが成功裏に実証された。
• MBEで成長したScAlN膜は、滑らかな表面粗さおよび高い結晶性を示し、高品質なエpitaxial成長であることが裏付けられた。
• パルス電流-電圧測定により、複数のサンプルおよび測定条件において、安定的かつ繰り返し可能な分極スイッチングが確認された。
• 室温でのコーエルスフィールドは約0.7 MV/cmと測定され、スパッタリング法で成長したコントロール層よりも顕著に低かった。
• 約100 nmの厚さのScAlN層では、残留分極が約10 μC/cm²に達し、強いフェロエレクトリック応答を示した。
• MBEで成長したScAlNのコーエルスフィールドは、GaNの臨界破壊電界を下回っており、低電圧フェロエレクトリック動作が可能であることが示された。