2015 Fiscal Year Annual Research Report
モット絶縁体の単結晶薄膜を制御してモットＦＥＴのプロトタイプを作る
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15F15315
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
井上 公 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門強相関エレクトロニクスグループ, 主任研究員 (00356502)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
SHULMAN ALEJANDRO 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門強相関エレクトロニクスグループ, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2015-11-09 – 2018-03-31
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| Keywords | 負の静電容量 / 電界効果トランジスタ / チタン酸ストロンチウム / パリレン / サブスレショルドスイング / 易動度 / 負性抵抗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
6nmのパリレンと20nmのHfO2の2層膜をゲート絶縁体に用いてSrTiO3単結晶(STO)の(100)面をチャネルにした電界効果トランジスタ(FET)を作製しました。STOは強い電子相関によって金属絶縁体相転移(モット転移)を起こすような強相関物質ではありませんが、巨大な誘電率を持っているのに強誘電体にならない量子常誘電体と呼ばれる興味深い物質です。しかも、わずかなキャリアドープで金属化し、極低温では超伝導を示します。さらに、STO表面に2次元電子系を作ると、強いスピン軌道相互作用と空間反転対称性の破れによるラシュバ効果のために興味深い物性を示します。しかしSTOは非常に酸素欠損を作りやすい物質で、上記の興味深い物性は欠損によるポテンシャルの乱れに弱いため、我々のFETがどのような物性を示すかを調べるのは本研究の2層ゲート絶縁膜の優秀さを示す格好の舞台になります。
作製したFETは、ゲート電圧がゼロのときには絶縁体ですが、ゲート電圧を印加するとドレイン電流が急峻に立ち上がります。その傾きから得られるサブスレショルドスイングというFETの性能を示す値は170mV/decadeにもなり、さらに易動度が10^14cm2/Vsにも達する非常に優秀なFETであることがわかりました。つまりチャネルのSTOにはほとんど欠損が生じていません。我々はホール効果を測定することにも成功しました。すると、金属化したチャネルのキャリア密度がゲート絶縁膜の静電容量から期待される値の10倍にも達しているという驚くべき事実が判明しました。負の静電容量と呼ばれる現象です。室温から4Kまでのホール係数の変化や伝導度の変化も詳しく測定することに成功しました。さらに室温でのFET特性に現れる履歴現象や、S型の負性抵抗についても詳細な測定を行いました。現在これらの多くのデータを解析中で、三編の論文にまとめているところです。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
サブスレショルド特性、易動度、ホール効果、負の静電容量、低温での伝導特性、履歴現象、負性抵抗など、予想外のデータが次々に得られたため、STOの(110)面と(111)面のFETの探索はできませんでしたが、すでに、期待をはるかに超える成果が得られたと考えています。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きSTO単結晶の(100)、(110)、(111)面上にFETを作製します。特に(100)面のFETについては極低温の超伝導をはじめとする物性探索を行います。STOのバルクは300mKで超伝導を示しますが、超伝導に及ぼすラシュバ効果の影響という物性物理の大きな問題は解明されていません。これは表面に欠損を作らず電界を自在制御できるこの2層ゲート絶縁膜でしか挑戦できない実験であり、我々に課せられた使命だと考えています。(110)と(111)面のFETについては昨年度の(100)面のFETと同様の測定を行い、2次元電子系の示す物性の相違を明らかにします。それによって、負の静電容量の原因を探ります。さらに、モット絶縁体であるNiO単結晶の(100)、(110)、(111)面にも2層ゲート絶縁膜FETを同様に作製します。NiOがモットFETとして動作するかどうかを検証し、STOと比較することで、モットFETに必要な要素を明らかにします。
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