2016 Fiscal Year Annual Research Report
Field effect control of correlated electron systems for a prototype of Mott FET
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15H02113
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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, 主任研究員 (00356502)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 浩之 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, 主任研究員 (00415762)
渋谷 圭介 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, 研究員 (00564949)
押川 正毅 東京大学, 物性研究所, 教授 (50262043)
白川 直樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, フレキシブルエレクトロニクス研究センター, 総括研究主幹 (60357241)
富岡 泰秀 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, 上級主任研究員 (60357572)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 強相関エレクトロニクス / モットFET / ニューロモルフィック / 人工シナプス / 人工ニューロン / 酸素欠損 / 酸素同位体置換 / 超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「パリレンとHfO2の二層絶縁膜を用いたSrTiO3チャネル電界効果トランジスタ(FET)」について、パルス電場をゲートに印加した時のチャネル電流の変化を系統的に測定しました。この結果は「migration-induced field-stabilized polar (MFP) 層」の形成を示唆するものでした。これはSrTiO3表面にバルク方向に正の電界を印加すると、intrinsicな酸素欠損(正に帯電)がバルクに押しやられ(drift)、表面付近のバルク領域に欠損の少ない分極層(=MFP)が出現するというものです。本来のゲート電場が誘起する電荷にMFPが誘起する電荷が加算されるので、電荷濃度が増大し「負の静電容量」という現象になったと考えられます。さらに界面が２次元金属に相転移すると、酸素欠損のdiffusionがゆっくり進む間はMFPが残り、電流電圧特性に巨大な履歴現象が出現すると理解できそうです。この２次元金属相は低温で近藤効果を示すことを確認しました。
巨大履歴現象のおかげで、素子はパルス時刻依存可塑性(STDP)を示します。人工シナプスに利用できる特性です。また、２次元金属相は不均質に形成されるので、電流電圧特性に負性微分抵抗が現れます。これらを利用すると、正負のゲインをゲート電圧で制御できる人工シナプスが作製できます(国際特許出願済)。さらにこの素子はゲート電場が小さいところでは履歴現象のない良特性のFETになるので、全く同じ素子がニューロンにもなります。特筆すべき成果であり、現在特許出願準備中です。
SrTiO3のLaドープ単結晶の超伝導転移も確認することができました。酸素欠損やNbドープによって金属化した試料に比べて、低ドープ側で転移温度が２～３倍も高くなることがわかりました。さらにこれを酸素同位体置換すると、転移温度が上昇する傾向が見られました。来年度さらに詳しく検証します。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の舞台であるFETは、チャネル物質の上に6nmのパリレンと20nmのHfO2の2層ゲート絶縁膜を積層させるというのがキーポイントです。このHfO2は原子層堆積装置(ALD)を用いて作製するのですが、我々はこの装置を所有していないため、物質・材料研究機構(NIMS)が文科省のナノテクノロジー・プラットフォーム(NPF)事業として共同利用に供しているALD装置を利用しています。ところが今年度はこのALD装置が不調で、試料ステージの変更をおこなうなどの措置を施したため条件が変わり、予定していたSrTiO3の(110)と(111)面およびNiOの(100)面などをチャネルにした新しいFETの作製には取り組めませんでした。今年度に作製条件を詰めて、来年度には物性測定に入れると思っていたので、これは残念な予定変更になりました。
しかし、その研究にあてる予定だった時間で、これまでのSrTiO3の(100)面上のFETの電流電圧特性を詳細に検討しなおすことができたので、履歴現象の出現と金属非金属転移の関係、負の静電容量の出現理由、ニューロモルフィック素子としての可能性、低温での近藤効果と非線形ホール効果について理解を深めることができました。昨年度終了時点ではそれぞれの現象のつながりが曖昧で、それぞれに都合の良い解釈を与えていましたが、理解が深まったおかげで整合性が取れ、それを用いると、全ての現象を予想通りに再現できるようになりました。これは電子素子としての応用を考えると非常に大きな進歩です。
さらに、前年度に取り組んだ希釈冷凍機の修理が完了し、単結晶作製の担当者も出向から戻ってきたので、SrTiO3のLaドープ単結晶とその同位体置換試料を希釈冷凍機を用いた極低温で測定する研究が大きく進展し、上記の成果を得ることができました。
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| Strategy for Future Research Activity |
SrTiO3のFETで、酸素欠損のドリフト易動度、拡散速度などを考慮したモデルシミュレーションを行い、履歴現象の温度変化などと比較することで、金属絶縁体転移に伴う巨大履歴現象と負の静電容量に相当する電荷濃度の増大がMFP形成によるものなのかを詳細に検証します。
ここまでの研究でモット転移のような金属絶縁体転移を応用した電子素子は動作速度が遅く、さらに本質的に欠損を生じやすいため歩留まりが悪いことがわかってきました。通常の半導体FETの置き換えを目指すとうまくいかないと考えられます。しかしチャネルを金属化することで微細化の壁を破れるというのは非常に大きな利点です。そこで、これを上手に利用できる素子はニューロモルフィック素子であると考えました。SrTiO3のFETはニューロモルフィック素子として非常に高いポテンシャルを持っていることがわかったので、これを用いて簡単な機械学習のデモンストレーションを行うことを目指します。またニューロモルフィック素子に応用することを前提にV酸化物およびNi酸化物チャネルFETを作製しSrTiO3と比較した動作検証とどのような素子を目指すべきかの検討を行います。
SrTiO3の酸素同位体置換によって出現する強誘電性とLaドープSrTiO3が示す超伝導との関連性を検証します。SrTiO3-FETの極低温での物性探索も行います。SrTiO3-FETの２次元金属相は、低温では複数のバンドで形成され、同時に近藤効果が出現します。両者を無矛盾に解釈するモデルを検討します。界面の２次元電子系では強磁性が出現するとの報告もあり、さらに低温にして超伝導転移付近でキャリア濃度を制御した時にどうなるのか、無磁場ホール効果が見られるのか、強誘電やラシュバ効果と関連づけられるのかどうかを、理論チームと十分に議論を重ねて、考えられるオプションを検証します。
これらの成果を論文発表や学会発表によって広く発信し、知財取得も目指します。
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