大きな誘電率を持つSrTiO_3極薄基板を用いたFETによる超伝導の発現

• 研究課題/領域番号: 14340218
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 機能・物性・材料
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 寺嶋 孝仁 京都大学, 化学研究所, 助教授 (40252506)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2003
• 研究課題ステータス: 完了 (2003年度)
• 配分額: 11,300千円 (直接経費: 11,300千円); 2003年度: 5,400千円 (直接経費: 5,400千円); 2002年度: 5,900千円 (直接経費: 5,900千円)
• キーワード: FET / SrTiO_3 / 極薄基板 / 微細加工 / 超伝導 / 磁性制御 / 高誘電率 / 静電容量 / 高誘導率 / 電子線リソグラフィー / 集束イオンビーム

研究概要

本研究は有機物を始めとする絶縁物への有効な超伝導化の手法として注目されている電界効果トランジスター(FET)について、大きな誘電率を持っSrTiO_3などの酸化物を基板とした新しい構成からなるFET構造を構築し、FETでの超伝導を電気抵抗、磁化の両面から総合的に検証することを目的としたものである。さらに、新しいFET構造を利用して広範な有機-無機物へのキャリアドーピングを行い、超伝導、磁性の制御を始めとした新奇物性・機能の発現を目指した。FETにおいてチャンネル層に多くのキャリアを誘起するためには誘電層の静電容量を大きくする必要がある。そのため、数百-数万と大きな誘電率を持つSrTiO_3(STO)の単結晶を数十μmまで薄くした基板の開発を行った。メカノケミカル研磨法により数mm角のサイズを持つ基板で、最も薄い厚さで20μmまで作製できるようになった。
FETにおいてソース-ゲート間に電場を印加した場合、シミュレーションからソース近傍の数μmの領域で電場の強度が大きくなり、誘起されるキャリア量も多くなることが知られている。そのため、チャンネル層のキャリア変調量を大きくし、電気抵抗など物理量の大きな変化をねらうためにはソース-ドレイン間の距離を数μmに短くすることが重要になる。そのため、集束イオンビーム(FIB)によりソース、ドレイン電極を数μm-サブμmの間隔で形成できるようなメタルマスクの開発を行った。チャンネル層上にソース-ドレイン電極を蒸着したところ、2μm程度の間隔でも良好な電極が形成できることが明らかになった。
C_<60>(n型)やペンタセン、La_2CuO_4(p型)などについて50μmのSTOを誘電層としたFETを作製、特性測定を行った。それぞれの物質の伝導キャリアに対応するソース-ドレイン特性のゲート電圧依存性が確認されたが、50μmの基板の厚さではまだ、静電容量が足らず、期待される超伝導性の発現には至っていない。今後FIBによりソース-ドレイン間のSTO基板を数μmまで薄くした構造で、誘起キャリア濃度を1桁増加させることが必要である。

研究成果

• [雑誌論文] Preparation and Optical Properties of Single-Crystalline CaCuO_2 Thin Films with Infinite Layer Structure (2004)
  • 著者名/発表者名: Kan, D., Yamanaka, A., Terashima, T., Takano, M.
  • 雑誌名: Physica C 412-414 ページ: 298-302
  • NAID: 110002061810
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Current-Induced Electroresistive Effect in Mixed-Phase La_<0.67>Ca_<0.33>MnO_3 Thin Films (2004)
  • 著者名/発表者名: Masuno, A., Terashima, T., Shimakawa, Y., Takano, M.
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 85 ページ: 6194-6196
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Control of Resistance of a Magnetoresistive Manganite by Spin Injection (2004)
  • 著者名/発表者名: Ono, T., Kogusu, A., Morimoto, S., Nasu, S., Masuno, A., Terashima, T., Takano, M.
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 84 ページ: 2370-2372
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Structure of Epitaxial Ca_2Fe_2O_5 Films Deposited on Different Perovskite-Type Substrates (2004)
  • 著者名/発表者名: Rossell, M.D., Lebedev, O.I., Tendeloo, G.V., Hayashi, N., Terashima, T., Takano, M.
  • 雑誌名: J.Appl.Phys. 95 ページ: 5145-5152
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Current-Induced Electroresistive Effect in Mixed-Phase La_<0.67>Ca_<0.33>_MnO_3 Thin Films (2004)
  • 著者名/発表者名: Masuno, A., Terashima, T., Shimakawa, Y., Takano, M.
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 85 ページ: 6194-6196
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Transport and Magnetic Properties of the Micro-Fabricated Perovskite-Type Manganese Oxides (2003)
  • 著者名/発表者名: Masuno, A., Terashima, T., Takano, M.
  • 雑誌名: Physica B 329-333 ページ: 920-921
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Non-Linear Conduction in the Charge-Disproportionated Phase of La_<1/3>Sr_<2/3>FeO_3 (2003)
  • 著者名/発表者名: Ichikawa, N., Yamamoto, M., Terashima, T., Takano, M.
  • 雑誌名: Physica B 329-333 ページ: 799-800
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] Vortex Eletronics and SQUIDs, Topics in Applied Physics (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Terashima
  • 出版者: Springer Verlag, Berlin, Heidelberg
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Masuno: "Transport and Magnetic Properties of the Micro-Fabricated Perovskite-Type Manganese Oxides"Physica B. 329-333・PartII. 920-921 (2003)
• [文献書誌] N.Ichikawa: "Non-Linear Conduction in the Charge-Disproportionated Phase of La_<1/3>Sr_<2/3>FeO_3"Physica B. 329-333・PartII. 799-800 (2003)
• [文献書誌] T.Akao: "Charge-Ordered State in Single-Crystalline CaFeO_3 Thin Film Studied by X-Ray Anomalous Diffraction"Rev.Lett.. 91・15. 156405-1-156405-4 (2003)
• [文献書誌] T.Terashima: "Vortex Electronics and SQUIDs, Topics in Applied Physics (ed. T. Kobayashi, H. Hayakawa and M. Tonouchi)"Springer-Verlag. 302 (2003)
• [文献書誌] A.Masuno, T.Terashima, M.Takano: "Transport and Magnetic Properties of the Micro-Fabricated Perovskite Type Manganese Oxides"Physica B. (in press).
• [文献書誌] N.Ichikawa, M.Yamamoto, T.Terashima, M.Takano: "Non-Linear Conduction in the Charge-Disproportionated Phase of La_<1/3>Sr_<2/3>FeO_3"Physica B. (in press).
• [文献書誌] T.Terashima, K.Tanaka, S.Chu, H.Kan, M.Takano: "Preparation and the Anisotropy of (100)-Oriented La_<2-X>Sr_XCuO_4 Epitaxial Thin Films"FEMD Newsletter. 4. 13-13 (2002)