強相関電子系の電界効果とモットFETのプロトタイプ開発

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02113
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 井上 公 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00356502)
• 研究分担者: 富岡 泰秀 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (60357572) ; 白川 直樹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究部門付 (60357241) ; 山田 浩之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00415762) ; 押川 正毅 東京大学, 物性研究所, 教授 (50262043) ; 渋谷 圭介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00564949)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

SrTiO3チャネルFETについて、ゲート電場がチャネルに引き起こす現象を研究しました。バルク方向に電界を印加すると、intrinsicな酸素欠損(正に帯電)がデバイ長あたりまでバルクにドリフトし、酸素欠損がいない層(「migration-induced field-stabilized polar (MFP) 層」)が形成されます。この層内では酸素欠損が動きにくいので、酸素欠損がMFP層の外側に蓄積し、MFP層を通して背面ゲートが形成されたかのような状況になります。この仮想背面ゲートによりFETの閾値が大きく減少し、本来のゲート電場が誘起できる電荷以上の電荷がチャネルに蓄積されます。さらにチャネルが２次元金属に相転移すると、酸素欠損のdiffusionが「ゆっくり」進む間は閾値がそのまま残り、電流電圧特性に巨大な履歴現象が出現するのです。この時チャネルの金属化がパーコレーション的に起こるせいで短い時間スケールで残留抵抗の値が変化します。前者のゆるやかな閾値変化を利用するとコンデンサを使わずに(これは将来の集積化に非常に有利です)電荷量の時間積分を行える素子、つまり人工ニューロンが作れます。後者の短い時間スケールの残留抵抗変化はパルス時刻依存可塑性(STDP)を示すので人工シナプスが作れます。実際にこの素子から抽出したパラメータを用いて、機械学習による文字認識のシミュレーションを行うことに成功し、電子素子の分野で最も権威のある国際会議IEDMで発表することができました。SrTiO3のLaドープ単結晶を酸素同位体置換すると、同位体置換量に応じて転移温度が上昇することが判明しました。これは通常の同位体効果とは正反対であり、強誘電体転移点付近の量子臨界現象ではないかと考えられます。強誘電体転移の量子臨界点が金属相にどのように展開するのか、今後さらに研究して行く必要があります。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Bar-Ilan University(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: Bar-Ilan University
• [国際共同研究] University of Groningen(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: University of Groningen
• [国際共同研究] Universite Paris-Sud(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universite Paris-Sud
• [雑誌論文] Electronic phase diagram of half-doped perovskite manganites on the plane of quenched disorder versus one-electron bandwidth (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomioka Y.、Ito T.、Sawa A.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 014409
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.014409
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hill Plot Focusing on Ce Compounds with High Magnetic Ordering Temperatures and Consequent Study of Ce2AuP3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Miyahara Junya、Shirakawa Naoki、Setoguchi Yuta、Tsubota Masami、Kuroiwa Kento、Kitagawa Jiro
  • 雑誌名: Journal of Superconductivity and Novel Magnetism 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1007/s10948-018-4624-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current-induced strong diamagnetism in the Mott insulator Ca2RuO4 (2017)
  • 著者名/発表者名: Sow Chanchal、Yonezawa Shingo、Kitamura Sota、Oka Takashi、Kuroki Kazuhiko、Nakamura Fumihiko、Maeno Yoshiteru
  • 雑誌名: Science 巻: 358 ページ: 1084～1087
  • DOI: 10.1126/science.aah4297
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Probing and controlling spin chirality in Mott insulators by circularly polarized laser (2017)
  • 著者名/発表者名: Kitamura Sota、Oka Takashi、Aoki Hideo
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 014406
  • DOI: doi.org/10.1103/PhysRevB.96.014406
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Polarized Raman scattering of epitaxial vanadium dioxide films with low-temperature monoclinic phase (2017)
  • 著者名/発表者名: Shibuya Keisuke、Sawa Akihito
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 122 ページ: 015307～015307
  • DOI: doi.org/10.1063/1.4990988
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic field observations in CoFeB/Ta layers with 0.67-nm resolution by electron holography (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanigaki Toshiaki、Akashi Tetsuya、Sugawara Akira、Miura Katsuya、Hayakawa Jun、Niitsu Kodai、Sato Takeshi、Yu Xiuzhen、Tomioka Yasuhide、Harada Ken、Shindo Daisuke、Tokura Yoshinori、Shinada Hiroyuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-017-16519-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Theory of electron spin resonance in one-dimensional topological insulators with spin-orbit couplings: Detection of edge states (2017)
  • 著者名/発表者名: Yao Yuan、Sato Masahiro、Nakamura Tetsuya、Furukawa Nobuo、Oshikawa Masaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 205424
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.205424
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Designing Kitaev Spin Liquids in Metal-Organic Frameworks (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamada Masahiko G.、Fujita Hiroyuki、Oshikawa Masaki
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 119 ページ: 057202
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.057202
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sign-changing non-monotonic voltage gain of HfO2/Parylene-C/SrTiO3 field-effect transistor due to percolative insulator to two-dimensional metal transition (2017)
  • 著者名/発表者名: Schulman Alejandro、Kitoh Ai、Stoliar Pablo、Inoue Isao H.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 ページ: 013502～013502
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.4973739
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 強誘電接合における抵抗スイッチング現象 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山田浩之、澤彰仁
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 52 ページ: 359-371
  • 査読あり
• [雑誌論文] A magnetic heterostructure of topological insulators as a candidate for an axion insulator (2017)
  • 著者名/発表者名: Mogi M.、Kawamura M.、Yoshimi R.、Tsukazaki A.、Kozuka Y.、Shirakawa N.、Takahashi K.?S.、Kawasaki M.、Tokura Y.
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 16 ページ: 516～521
  • DOI: doi:10.1038/nmat4855
  • 査読あり
• [学会発表] VO2の金属－絶縁体転移を用いたシリコン導波路光スイッチ (2018)
  • 著者名/発表者名: 渋谷圭介、澤彰仁
  • 学会等名: 応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] トポロジカル相としての量子スピン液体とキタエフ模型 (2018)
  • 著者名/発表者名: 押川正毅
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] α-ZrCl3における創発SU(4)対称性と量子スピン軌道液体状態 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山田昌彦, 押川正毅, George Jackeli
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] 1次元量子系における分極のスケーリング則 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林良平, 中川裕也, 福住吉喜, 押川正毅
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Artificial synapses and neurons based on an insulator-to-2D metal transition of a SrTiO3 surface. (2018)
  • 著者名/発表者名: Pablo Stoliar, Alejandro Schulman, Ai Kitoh, Isao H. Inoue
  • 学会等名: ICCMSE2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metal-insulator transition in vanadium oxides films and its applications (2017)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shibuya
  • 学会等名: 3rd Euro Intelligent Materials 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Impact of electron doping on electronic phases of vanadium dioxide (2017)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shibuya
  • 学会等名: Collaborative Conference on Materials Research 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Orbital Angular Momentum and Current Distribution in Two Dimensional Chiral Superfluids (2017)
  • 著者名/発表者名: Masaki Oshikawa
  • 学会等名: NORDITA Workshop “Multicomponent and Strongly Correlated Superconductors”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Emergent SU(4) symmetry and spin-orbital liquids in the ZrCl3 family (2017)
  • 著者名/発表者名: Masaki Oshikawa
  • 学会等名: Trends in Theory of Correlated Materials 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Band structure of a thin layer of Helium 3 on graphene (2017)
  • 著者名/発表者名: Chenhua Geng, Masashi Morishita, and Masaki Oshikawa
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] 1次元における不対ワイルフェルミオンとカイラル量子異常 (2017)
  • 著者名/発表者名: 押川正毅
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] Implementation of both synapse and neuron on a field-induced insulator-to-2d metal transition device with SrTiO3 channel. (2017)
  • 著者名/発表者名: Pablo Stoliar, Alejandro Schulman, Ai Kitoh, Isao H. Inoue
  • 学会等名: NOLTA 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] STDP synapse with outstanding stability based on a novel insulator-to-metal transition FET (2017)
  • 著者名/発表者名: Pablo Stoliar, Alejandro Schulman, Ai Kitoh, Akihito Sawa, Isao H. Inoue
  • 学会等名: IEDM 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Insulator to 2D metal transition, negative capacitance, and Kondo effect, revealed by electrostatic sweep of oxygen vacancies out of a SrTiO3 surface. (2017)
  • 著者名/発表者名: Alejandro Schulman, Pablo Stoliar, Ai Kitoh, Isao H. Inoue
  • 学会等名: International Conference "ELECTRON CORRELATION IN SUPERCONDUCTORS AND NANOSTRUCTURES"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multichannel Conduction and Kondo Effect in Solid-Gated SrTiO3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Alejandro Schulman, Pablo Stoliar, Ai Kitoh, Marcelo Rozenberg, Isao H. Inoue
  • 学会等名: IUMRS ICAM 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Shall we resort to an insulator-2D metal transition to implement bio-inspired electronics? (2017)
  • 著者名/発表者名: Alejandro Schulman, Pablo Stoliar, Ai Kitoh, Isao H. Inoue
  • 学会等名: EMN Summer Meeting 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] Isao H. Inoue's homepage
  • URL: https://staff.aist.go.jp/i.inoue/