透明酸化物の微細構造における量子物性の開拓

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20685013
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 大友 明 Tokyo Institute of Technology, 大学院・理工学研究科, 教授 (10344722)
• Keywords: 二次元電子 / 半導体ナノ構造 / 量子効果 / 酸化物半導体 / 電子デバイス

Research Abstract

透明酸化物半導体は,強結合性に由来する多様な物性を有し次世代エレクトロニクスを支える新材料として期待されている.近年,自然成長した透明酸化物半導体のナノロッドやナノ細線に関する研究が進められているが,構造制御と量子機能を密接に結びつけた研究例は極めて少ない.本研究では,透明酸化物半導体薄膜のクリーンな界面に閉じ込めた2次元電子面に対して,微細なゲート電極構造(ショットキー接合)を用いて1次元に閉じ込めた電子状態を形成し,量子物性の計測と制御要因の確立およびデバイス機能の開拓を行う.具体的には,量子ホール効果や超伝導を示す酸化物の2次元電子面に,微細加工したショットキー電極で空乏領域を制御する手法を確立することで低次元電子系の電気伝導特性を調べ,既存の半導体や金属に対する共通点や新機軸を明確にする.
今年度は,分子線エピタキシーを用いた結晶成長技術を改良した結果,ZnO/MgZnO界面において,酸化物としては世界最高の移動度(100,000cm^2/Vs以上)を達成することに成功した(投稿準備中).このことは,2次元電子の平均自由工程が1μm以上であることに相当する.したがって,1次元細線構造を実現するための素子サイズをスケールアップすることができるため,微細加工の簡便性につながる.その利点を活かすため,金属(導電性高分子)-半導体(ZnO/MgZnO)接合による2次元電子ガスの電界効果制御性を高めることにも注力した.極低温で量子ホール効果の明瞭な変調を確認した(Advanced Materials誌掲載).このことは,本研究で得られた金属-半導体接合が微細加工による素子形成技術を確立する上で極めて有望であることが示している.次年度(最終年度)に研究目標の達成が望まれる.

Research Products

• [Journal Article] Spatial distribution of two-dimensional electron gas in a ZnO/Mg_<0.2>Zn_<0.8>O heterostructure probed with a conducting polymer Schottky contact (2010)
  • Author(s): M.Nakano, A.Tsukazaki, K.Ueno, R.Y.Gunji, A.Ohtomo, T.Fukumura, M.Kawasaki
  • Journal Title: Applied Physics Letters 96 Pages: 052116-1-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric field control of two-dimensional electrons in polymer-gated oxide semiconductor heterostructures (2010)
  • Author(s): M.Nakano, A.Tsukazaki, A.Ohtomo, K.Ueno, S.Akasaka, H.Yuji, K.Nakahara, T.Fukumura, M.Kawasaki
  • Journal Title: Advanced Materials 22 Pages: 876-879
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Epitaxial Structure of(001)and(111)-Oriented Perovskite Ferrate Films Grown by Pulsed-Laser Deposition (2010)
  • Author(s): S.Chakraverty, A.Ohtomo, M.Okude, K.Ueno, M.Kawasaki
  • Journal Title: Crystal Growth Design 33 Pages: 157-160
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 酸化亜鉛系薄膜トランジスタ (2009)
  • Author(s): 大友明, 川崎雅司
  • Journal Title: ディスプレイ 15 Pages: 26-31
• [Journal Article] Magneto-optical study of n-type modulation-doped ZnO/Mg_xZn_<1-x>O single quantum well structures (2009)
  • Author(s): T.Makino, Y.Furuta. Y.Segawa, A.Tsukazaki, A.Ohtomo, Y.Hirayama, R.Shen, S.Takeyama, Y.Takagi, M.Kawasaki
  • Journal Title: Applied Physics Letters 95 Pages: 032109-1-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magneto-optical study of n-type modulation-doped ZnO/Mg_xZn_<1-x>O single quantum well structures (2009)
  • Author(s): T.Makino, Y.Furuta, Y.Segawa, A.Tsukazaki, A.Ohtomo, Y.Hirayama, R.Shen, S.Takeyama, Y.Takagi, M.Kawasaki
  • Journal Title: Physical Review B 80 Pages: 155333-1-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excitonic characteristics in direct wide-band-gap CuScO_2 epitaxial thin films (2009)
  • Author(s): H.Hiraga, T.Makino, T.Fukumura, A.Ohtomo, M.Kawasaki
  • Journal Title: Applied Physics Letters 95 Pages: 211908-1-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] STEMによるLaドープSrTiO_3人工超格子薄膜の原子構造解析 (2009)
  • Author(s): 斎藤光浩, 着本享, 王中長, 幾原雄一, 奥出正樹, 大友明, 川崎雅司, 木太拓志
  • Journal Title: まてりあ 48 Pages: 595
• [Presentation] Fractional Quantum Hall effect in MgZnO/ZnO heterostructures (2010)
  • Author(s): A.Tsukazaki, S.Akasaka, K.Nakahara, A.Kamisawa, Y.Ohno, H.Ohno, A.Ohtomo, M.Kawasaki
  • Organizer: The 2010 WPI-AIMR Annual Workshop
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20100325-20100327
• [Presentation] Collective effects in magneto-optical spectra of high-density electron system in modulation-doped ZnO/Mg_xZn_<1-x>O quantum wells(Poster) (2010)
  • Author(s): T.Makino, Y.Furuta, A.Tsukazaki, A.Ohtomo, Y.Segawa, R.Shen, S.Takeyama, Y.Takagi, M.Kawasaki
  • Organizer: The 2010 WPI-AIMR Annual Workshop
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20100325-20100327
• [Presentation] Coexistence of excitonic and magnetic properties in natural superlattices composed of Cu_2O and transition metal oxides(Poster) (2010)
  • Author(s): 平賀広貴, 牧野哲征, 福村知昭, 大友明, 川崎雅司
  • Organizer: The 2010 WPI-AIMR Annual Workshop
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20100325-20100327
• [Presentation] In_2O_3単結晶薄膜の電子濃度制御 (2010)
  • Author(s): 小田聖翔, 奥出正樹, 大友明, 川崎雅司
  • Organizer: 2010年春季第57回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 平塚
  • Year and Date: 20100317-20100320
• [Presentation] Spontaneous atomic ordering in epitaxial double perovskite:La_2FeCrO_6 revisited(Poster) (2010)
  • Author(s): S.Chakraverty, M.Okude, A.Ohtomo, H.Hiraga, M.Kawasaki
  • Organizer: 4th International Workshop on Spin Currents & 2nd International Workshop on Spincaloritoronics
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20100208-20100210
• [Presentation] Structural and magnetic properties of double perovskites (2010)
  • Author(s): S.Chakraverty, A.Ohtomo, M.Kawasaki
  • Organizer: Annual Fellow/Young Researcher Research Presentations FY2009 of GCOE
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2010-03-09
• [Presentation] Structural analysis of electron-doped Ruddlesden-Popper homologous series thin films(Poster) (2010)
  • Author(s): M.Okude, M.Saito, S.Tsukimoto, Z.Wang, T.Mizoguchi, Y.Ikuhara, A.Ohtomo, T.Kita, M.Kawasaki
  • Organizer: Annual Fellow/Young Researcher Research Presentations FY2009 of GCOE
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2010-03-09
• [Presentation] Conducting polymer Schottky contact on ZnO with interfacial self-assembled monolayer(Poster) (2010)
  • Author(s): 郡司遼佑, 平賀広貴, 大友明, 牧野哲征, 福村知昭, 川崎雅司
  • Organizer: Annual Fellow/Young Researcher Research Presentations FY2009 of GCOE
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2010-03-09
• [Presentation] Spontaneous Atomic Ordering in Epitaxial Double Perovskites : Sr_2FeTaO_6 and La_2FeCrO_6(Poster) (2009)
  • Author(s): S.Chakraverty, M.Okude, A.Ohtomo, H.Hiraga, M.Kawasaki
  • Organizer: KINKEN-WAKATE2009
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20091203-20091204
• [Presentation] Metallic Conduction in Sr_<n+1>TinO_<3n+1> Thin Films Grown by Pulsed-Laser Deposition (2009)
  • Author(s): M.Okude, M.Saito, S.Tsukimoto, Z.Wang, T.Mizoguchi, Y.Ikuhara, A.Ohtomo, T.Kita, M.Kawasaki
  • Organizer: KINKEN-WAKATE2009
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20091203-20091204
• [Presentation] デラフォサイト型遷移金属酸化物エピタキシャル薄膜の作製と特異な励起子物性(ポスター) (2009)
  • Author(s): 平賀広貴, 牧野哲征, 福村知昭, 大友明, 大久保昭, 木村久道, 川崎雅司
  • Organizer: 第118回東北大学金属材料研究所講演会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20091126-20091127
• [Presentation] カルボキシル結合基を有するフッ素系自己組織化単分子膜の酸化物基板上への形成(ポスター) (2009)
  • Author(s): 郡司遼佑, 平賀広貴, 大友明, 牧野哲征, 福村知昭, 川崎雅司
  • Organizer: 第118回東北大学金属材料研究所講演会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20091126-20091127
• [Presentation] ZnOヘテロ接合の表面・界面制御と量子伝導 (2009)
  • Author(s): 大友明, 塚崎敦, 川崎雅司
  • Organizer: 第29回表面科学学術講演会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20091027-20091029
• [Presentation] 2D electron transport in Mg_xZn_<1-x>O/ZnO based heterostructures (2009)
  • Author(s): 塚崎敦, 大友明, 赤坂俊輔, 中原健, 大野裕三, 大野英男, 川崎雅司
  • Organizer: JSPS Meeting-Asian CORE program
  • Place of Presentation: Gyeongju, Korea
  • Year and Date: 20091022-20091024
• [Presentation] Charged exciton emission in n-type modulation-doped ZnO/MgZnO single quantum wells(Poster) (2009)
  • Author(s): T.Makino, Y.Furuta, Y.Segawa, A.Tsukazaki, A.Ohtomo, Y.Hirayama, R.Shen, S.Takeyama, Y.Takagi, M.Kawasaki
  • Organizer: RIEC-CNSI Work Shop
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20091022-20091023
• [Presentation] Excitonic and magnetic properties in natural superlattices composed of Cu_2O and transition metal oxides(Poster) (2009)
  • Author(s): 平賀広貴, 牧野哲征, 福村知昭, 大友明, 川崎雅司
  • Organizer: RIEC-CNSI Work Shop
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20091022-20091023
• [Presentation] The fractional quantum Hall effect in MgZnO/ZnO based haterostructures (2009)
  • Author(s): 塚崎敦, 大友明, 赤坂俊輔, 中原健, 大野裕三, 大野英男, 川崎雅司
  • Organizer: 16th International Workshop on Oxide Electronics
  • Place of Presentation: Tarragona, Spain
  • Year and Date: 20091004-20091007
• [Presentation] Optical and Magnetic Properties of CuMnO_2 Epitaxial Thin Films(Poster) (2009)
  • Author(s): 平賀広貴, 福村知昭, 牧野哲征, 大友明, 大久保昭, 木村久道, 川崎雅司
  • Organizer: 16th International Workshop on Oxide Electronics
  • Place of Presentation: Tarragona, Spain
  • Year and Date: 20091004-20091007
• [Presentation] Spontaneous Atomic Ordering in Epitaxial Double Perovskites : Sr_2FeTaO_6 and La_2FeCrO_6(Poster) (2009)
  • Author(s): S.Chakraverty, M.Okude, A.Ohtomo, H.Hiraga, M.Kawasaki
  • Organizer: 16th International Workshop on Oxide Electronics
  • Place of Presentation: Tarragona, Spain
  • Year and Date: 20091004-20091007
• [Presentation] Epitaxial Synthesis of Metallic S_<rn+1>TinO_<3n+1>(Poster) (2009)
  • Author(s): M.Okude, M.Saito, S.Tsukimoto, Z.Wang, T.Mizoguchi, Y.Ikuhara, A.Ohtomo, T.Kita, M.Kawasaki
  • Organizer: 16th International Workshop on Oxide Electronics
  • Place of Presentation: Tarragona, Spain
  • Year and Date: 20091004-20091007
• [Presentation] ZnO単一ヘテロ構造における磁気発光特性 (2009)
  • Author(s): 牧野哲征, 瀬川勇三郎, 塚崎敦, 大友明, 沈睿, 嶽山正二郎, 赤坂俊輔, 中原健, 川崎雅司
  • Organizer: 日本物理学会2009年年次・秋季大会
  • Place of Presentation: 熊本
  • Year and Date: 20090925-20090928
• [Presentation] クロージングリマーク:社会の持続的発展を目指す酸化物研究開発の現状と未来 (2009)
  • Author(s): 大友明
  • Organizer: 2009年秋季 第70回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 20090908-20090911
• [Presentation] 2DEG移動度100,000cm^2V^<-1>s^<-1>を越えるMgZnO/ZnO界面の実現 (2009)
  • Author(s): 塚崎敦, 赤坂俊輔, 中原健, 神澤公, 大野裕三, 大野英男, 大友明, 川崎雅司
  • Organizer: 2009年秋季第70回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 20090908-20090911
• [Presentation] デラフォサイト型CuTMO_2薄膜のエピタキシャル成長と光学的性質 (2009)
  • Author(s): 平賀広貴, 福村知昭, 大友明, 牧野哲征, 大久保昭, 木村久道, 川崎雅司
  • Organizer: 2009年秋季 第70回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 20090908-20090911
• [Presentation] 酸化物基板上への高極性カルボン酸系SAMの形成 (2009)
  • Author(s): 郡司遼佑, 平賀広貴, 大友明, 牧野哲征, 福村知昭, 川崎雅司
  • Organizer: 2009年秋季 第70回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 20090908-20090911
• [Presentation] バッファー層を用いたYSZ基板上In_2O_3薄膜のヘテロエピタキシャル成長 (2009)
  • Author(s): 小田聖翔, 奥出正樹, 大友明, 川崎雅司
  • Organizer: 2009年秋季 第70回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 20090908-20090911
• [Presentation] Emission blueshift of ZnO/MgZnO single quantum wells with n-type doping to barrier layers(Poster) (2009)
  • Author(s): T.Makino, Y.Furuta, Y.Segawa, A.Tsukazaki, A.Ohtomo, Y.Hirayama, R.Shen, S.Takeyama, Y.Takagi, M.Kawasaki
  • Organizer: The OECS 11(International Conference on Optics of Excitons in Confined Systems)
  • Place of Presentation: Madrid, Spain
  • Year and Date: 20090907-20090911
• [Presentation] 準安定ペロブスカイト酸化物自然超格子構造のエピタキシャル成長とマクロ物性 (2009)
  • Author(s): 大友明, チャクラバテイー・スバンカー, 奥出正樹, 川崎雅司
  • Organizer: 平成21年度基盤研究A「遷移金属酸化物界面における新規強相関電子状態の放射光分光と探索」研究会
  • Place of Presentation: 筑波
  • Year and Date: 20090821-20090822
• [Presentation] Epitaxial Synthesis of Metallic Ruddlesden-Popper Homologous Series Thin Films Grown by Pulsed-Laser Deposition (2009)
  • Author(s): M.Okude, M.Saito, S.Tsukimoto, Z.Wang, T.Mizoguchi, Y.Ikuhara, A.Ohtomo, T.Kita, M.Kawasaki
  • Organizer: The 3rd Korea University/IMR Student Exchange Seminar
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 20090819-20090820
• [Presentation] Transistor operation at MgZnO/ZnO interface by Schottky gating with conducting polymer (2009)
  • Author(s): A.Tsukazaki, M.Nakano, S.Akasaka, K.Nakahara, A.Kamisawa, A.Ohtomo, M.Kawasaki
  • Organizer: The 18th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems(EP2DS-18)
  • Place of Presentation: Kobe, Japan
  • Year and Date: 20090719-20090724
• [Presentation] 電子ドープした Ruddlesden-Popper 相薄膜の微細原子構造解析(ポスター) (2009)
  • Author(s): 奥出正樹, 斎藤光浩, 着本享, 王中長, 溝日照康, 幾原雄一, 大友明, 木太拓志, 川崎雅司
  • Organizer: 第117回東北大学金属材料研究所講演会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20090514-20090915
• [Presentation] Electric-field charge accumulation and induced-superconductivity in an insulator (2009)
  • Author(s): K.Ueno, S.Nakamura, H.Shimotani, A.Ohtomo, N.Kimura, T.Nojima, H.Aoki, Y.Iwasa, M.Kawasaki
  • Organizer: IEEE International Magnetics Conference
  • Place of Presentation: Sacrement, USA
  • Year and Date: 20090504-20090508
• [Presentation] Electric-field Control of Two Dimensional Transport at MgZnO/ZnO Interfaces by Conducting Polymer Schottky Gate (2009)
  • Author(s): A.Tsukazaki, M.Nakano, S.Akasaka, K.Nakahara, A.Kamisawa, A.Ohtomo, M.Kawasaki
  • Organizer: MRS 2009 Spring Meeting
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 20090413-20090417
• [Presentation] Field-effect modulation of superconductivity in non-doped SrTiO_3 single crystal with double gate configuration (2009)
  • Author(s): K.Ueno, S.Nakamura, H.Shimotani, A.Ohtomo, N.Kimura, T.Nojima, H.Aoki, Y.Iwasa, M.Kawasaki
  • Organizer: MRS 2009 Spring Meeting
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 20090413-20090417
• [Book] Advances in Materials Research (2010)
  • Author(s): A.Ohtomo, A.Tsukazaki, M.Kawasaki
  • Publisher: Springer Science+Business Media(In press)
• [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体素子 (2010)
  • Inventor(s): 中原健, 湯地洋行, 赤坂俊輔, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦, 福村知昭, 中野匡規
  • Industrial Property Rights Holder: 中原健, 湯地洋行, 赤坂俊輔, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦, 福村知昭, 中野匡規
  • Patent Publication Number: 特開2010-56504
  • Filing Date: 2010-03-11
• [Patent(Industrial Property Rights)] ZnO系半導体素子 (2009)
  • Inventor(s): 中原健, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Industrial Property Rights Holder: ローム(株),東北大学
  • Patent Publication Number: 特許,特開2009-130133
  • Filing Date: 2009-06-11
• [Patent(Industrial Property Rights)] チタン酸ストロンチウム薄膜の製造方法 (2009)
  • Inventor(s): 川崎雅司, 大友明, 奥出正樹, 木太拓志
  • Industrial Property Rights Holder: 東北大学,トヨタ自動車
  • Patent Publication Number: 特許,特開2009-256768
  • Filing Date: 2009-11-05
• [Patent(Industrial Property Rights)] ZnO系半導体及びZnO系半導体素子 (2009)
  • Inventor(s): 中原健, 赤坂俊輔, 湯地洋行, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Industrial Property Rights Holder: 中原健, 赤坂俊輔, 湯地洋行, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Patent Publication Number: 特開2009-078959
  • Filing Date: 2009-04-16
• [Patent(Industrial Property Rights)] ZnO系基板及びZnO系基板の処理方法 (2009)
  • Inventor(s): 中原健, 赤坂俊輔, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Industrial Property Rights Holder: 中原健, 赤坂俊輔, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Patent Publication Number: 特開2009-179534
  • Filing Date: 2009-08-13
• [Patent(Industrial Property Rights)] ZnO系半導体素子 (2009)
  • Inventor(s): 中原健, 田村謙太郎, 湯地洋行, 赤坂俊輔, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Industrial Property Rights Holder: 中原健, 田村謙太郎, 湯地洋行, 赤坂俊輔, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Patent Publication Number: 特開2009-200239
  • Filing Date: 2009-09-03
• [Patent(Industrial Property Rights)] ZnO系半導体素子 (2009)
  • Inventor(s): 中原健, 赤坂俊輔, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Industrial Property Rights Holder: 中原健, 赤坂俊輔, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Patent Publication Number: 特開2009-212139
  • Filing Date: 2009-09-17
• [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体素子 (2009)
  • Inventor(s): 赤坂俊輔, 湯地洋行, 中原健, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Industrial Property Rights Holder: 赤坂俊輔, 湯地洋行, 中原健, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦
  • Patent Publication Number: 特開2009-266938
  • Filing Date: 2009-11-12
• [Patent(Industrial Property Rights)] ZnO系半導体素子 (2009)
  • Inventor(s): 中原健, 湯地洋行, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦, 福村知昭, 中野匡規
  • Industrial Property Rights Holder: 中原健, 湯地洋行, 川崎雅司, 大友明, 塚崎敦, 福村知昭, 中野匡規
  • Industrial Property Number: 特許4362635
  • Filing Date: 2009-08-28