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電気二重層トランジスタを用いた酸化物半導体の超伝導制御
東京大学総合文化研究科相関基礎科学系JSTさきがけ
上野和紀
第３０回無機材料に関する最近の研究成果発表会2013年1月28日
Outlineイントロダクション
超伝導体の電界効果電気二重層トランジスタ
SrTiO3 : 電場誘起による初めての絶縁体‐超伝導転移
KTaO3 : 電場誘起を用いた超伝導体の発見
電場誘起による超伝導制御
最近の展開
二次元超伝導： 電場誘起超伝導の物理的性質Co‐TiO2 : 電場誘起による室温強磁性の制御
Collaborators電場誘起超伝導 : SrTiO3 & KTaO3
電場誘起超伝導 : 二次元性評価 電場誘起強磁性
京大理物 前野研S. Yonezawa
東北大金研 野島研東北大金研
川崎研（現:東大物工)S. NakamuraT. Nojima
東北大金研岩佐研
（現:東大物工)
Y. MaenoT. Fukumura Y. Yamada
東北大金研川崎研(現：東大理化・長谷川研)
Scientific American, March 1997.
H. Kamerlingh Onnes(Leiden Univ., Netherlands)
低温の探求
21oC‐87oC‐145oC‐193oC
1895年ヘリウムの発見
1908年ヘリウム液化の実現‐269oC (4.2 K)
1892年液体窒素量産(14l/h)
ジュール・トムソン冷却（冷蔵庫と同じ)
超伝導の発見
タリウム 水銀
カドミウム
スズ
鉛予想
ゼロ抵抗！(超伝導)
温度(K)
抵抗
(Ω)
超伝導磁石：7T – 15 T(ピップエレキバンの100倍）
PPMS MRI リニアモーターカー
Metal Metal Super＋ ＝
Alloying (合金化)Critical Tem
perature (K
)
Lq. N2
Year
超伝導転移温度の向上
高温超伝導の発見
Chemical doping
Insulator Dopant Super＋ ＝
Chemical doping
化学的に絶縁体を超伝導に
超伝導体を用いた電界効果トランジスタ
超伝導体
絶縁体
ゲート1960 : Si MOSFETの発明1960:トランジスタによる
初めての超伝導制御
K.S.Takahashi et al, Nature 441, 195 (2006)
R. E. Glover, et al., Phys.Rev.Lett. 5, 248 (1960)
ΔTc = 0.1 K
K. A. Parendo, et al.,Phys. Rev. Lett. 94, 197004 (2005)
VG = -50 V : insulator-like
VG = +20 V : super
SrTiO3/PZT FET
Insulator-Superconductor transitionBi超薄膜 FET
Tc modulation
Conventional capacitorCapacitance : pF ~ μF (10-12 – 10-6)
Electric double layer transistor (EDLT)
d=0.1‐10 μm
+
‐
+
‐
+
‐
+
‐
+
‐
+
‐
+
‐
+
‐誘電体；誘電率ε=10 ‐ 1000
Sd
C sεε 0=
強誘電体
薄膜・高耐圧化
微細構造化
従来の高性能化（積層セラミックコンデンサ, 10μF)
dV
SCV
SQN sS εε 0===
MISFETのキャリア濃度(Ns)
絶縁耐圧 Emax=Vmax/dアルミナ碍子： 100 kV/cmSiO2 絶縁層: 10 MV/cm
Organic dielectrics
TiO2
HfO2
Ns = 2e14
Ns = 1e14
Ns = 5e13
ZrO2
Ta2O5
Al2O3
SiO2
Dielectric constant
Bre
akdo
wn
field
(MV
/cm
)
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
電気二重層
固体絶縁層での耐圧と最大蓄積キャリア濃度
EDLC : Electric Double Layer Capacitor
(Supercapacitor)
Japan Chemicon Inc.
Capaciotance : mF ~ kF(10-3 – 103)
Electric double layer transistor (EDLT)
http://www.ic.gc.ca/
SrTiO3
Diamond
Si
キャリア濃度
High-Tc cuprates
KTaO3
Insulator Metal Super Metal
Insulator Metal
Super MMott Insulator
Insulator Metal Super
Insulator M Super
キャリアドーピングによる超伝導
1016 1018 1020 1022102110191017 [ cm-3 ]
[ cm-2 ]1010 1012 1014 1016
? Unknown ?
電界効果
? Unknown ?
EDL cell
PEO電解液
Dipped in glovebox
SrTiO3 device Melt at ~40℃
Gate electrode (Pt wire)
Device structure of SrTiO3 EDLT
SrTiO3
(参照電極、今回は省略)
白金線(ゲート)
電解液
3
2
1
-1
-2
-3
VD ( V )-0.2 0 0.2 0.4
0
I D( μ
A )
-0.4
3V2.7V2.4V2.1V1.8V1.5V
VG = 0V
SrTiO3 / KClO4 / PtEDLT300K
R□>10GΩ
R□<1kΩ
Superconductivity in SrTiO3 EDLT
Output characteristics
K. Ueno, Nature Materials, 7, 855 (2008)
Res
ista
nce
(kΩ
)
Temperature (K)
R-T curve at low T
KTaO3 EDLT
SrTiO3‐ cubic 対称性‐ 105K で tetragonalに変化、0.4Kの超伝導
Conduction band:Ti 3d → Ta 5d
KTaO3SrTiO3 の類似物質
- 透明酸化物半導体- 高品質の単結晶が入手可能- 低温で高移動度
- Ta 5d バンド：
強いスピン軌道相互作用- 0.01 K まで超伝導転移せず
(nmax = 7×1019cm-3)
KTaO3 へ電気二重層トランジスタ作成
不純物ドープで不可能な高キャリア濃度の実現
超伝導の発現
ゲート電界
プレーナ構造電気二重層トランジスタ
ゲート電極(Pt)
ゲート電極(Pt)
200μm
デバイス写真
電解液
イオン液体(電解液)
KTaO3
セパレータ層ゲート電極
カチオン(DEME)
アニオン(BF4)
プレーナ構造デバイスの断面図
ゲート電極セパレータ層
伝導キャリアが蓄積
400μm
ドレイン電極(Au/Ti)
ソース電極 (Au/Ti)
チャネル
チャネル
KTaO3 EDLT : Device characteristics at 320 K
0 1 2 3 4 5 6
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
シート伝
導度
( S )
VGate ( V )
固体ゲート絶縁膜 Al2O3(電界効果トランジスタ)
K. Ueno, et al., APL(2004)
300 K
液体ゲート(電気二重層トランジスタ)
二端子測定
KTaO3‐イオン液体電気二重層トランジスタ
※KTaO3 ではVG=6Vまで電気化学反応せず
0
1
2
3
4
2 3 4 5 6
キャリア濃度のゲート電圧依存性T = 100K
シートキャリア濃
度( 1
014cm
‐2)
化学ドーピングでの上限値
VG ( V )
体積
キャリア密
度※( 1
020cm
‐3)
0
2
4
6
8
※Assuming thickness of 5nm
KTaO3 EDLT : Gate bias dependence of charge density
化学ドーピングの限界を大きく上回るキャリア誘起
極低温での超伝導の発見
T ( K )
RS
( Ω)
0 0.1 0.20
10
20
30KTaO3 EDLTVG = 5VI = 50 nA
Tc = 45 mK
μ0H ( Oe )R
S( Ω
)
T = 20 mK
-100 0 1000
10
20
30
μ0Hc = 10 Oe
R‐H curve
Superconductivity emerged on KTaO3 surface
K. Ueno, et al., Nature Nanotechnology 6, 208 (2011)
まとめ
電気二重層トランジスタによる電場誘起キャリアドーピング
超伝導物性 ：電場によるキャリアのその場制御
二次元超伝導
スピントロニクス応用
強電界・高キャリア濃度制御による新デバイス開発
新物質開発
電場誘起による従来は不可能だった新規超伝導体
