| 研究概要 |
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.研究代表者らは,これまで透明酸化物半導体界面に閉じ込めた2次元電子ガスの高移動度化を達成し,酸化物の整数量子ホール効果を初めて実現してきた.本研究では,結晶成長技術を向上させることでさらなる高移動度化を達成するとともに,微細なゲート構造を用いて2次元電子ガスの電界変調を行い,透明酸化物の量子デバイス機能を開拓することを目的とした.量子ホール効果や超伝導を示す酸化物低次元電子系の電界効果電気伝導特性を調べ,従来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,昨年度に引き続き分子線エピタキシーによる結晶成長技術の向上に取り組んできた.成長機構の解明と条件の最適化,ならびにZnO基板表面処理技術の改良によりMgZnO薄膜の不純物濃度を低減することに成功した.その結果,ZnO/MgZnO界面における移動度が飛躍的に向上し,分数量子ホール効果の観測に成功した(Nature Materials誌掲載).観測された分数量子ホール効果自体は,GaAs/AlGaAs系を代表とする従来の半導体で確立されてきた体系の範囲で理解できるものであるが,電子有効質量が重いZnO系では他の半導体に比べて電子間の相互作用が強められる.今後,この強相関相互作用や量子準位のスピン分極に基づく物性物理学の新しい展開を導く興味深い現象の発現が期待される.
一方で,超伝導や強磁性を示すペロブスカイト型酸化物の人工結晶系でも特異な電子状態の性質を明らかにした.たとえば,電子状態を2次元から3次元まで連続的に変調できるSrTiO_3の人工結晶構造で,僅かな構造の変化が劇的な金属-絶縁体転移をもたらすことを見出し,第一原理計算とアトムプローブによる構造評価によってその機構を明らかにした(Nature Communications誌掲載).
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