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
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
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

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
電場誘起による超伝導制御
KTaO3 : 電場誘起を用いた超伝導体の発見
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

東北大金研
東北大金研
岩佐研
川崎研
（現:東大物工) （現:東大物工)

電場誘起超伝導 : 二次元性評価

電場誘起強磁性東北大金研
T. Nojima

野島研
S. Nakamura

京大理物 前野研
S. Yonezawa
Y. Maeno

東北大金研川崎研(現：東大理化・長谷川研)T. Fukumura
Y. Yamada低温の探求1892年 液体窒素量産(14l/h)
H. Kamerlingh Onnes(Leiden Univ., Netherlands)

ジュール・トムソン冷却（冷蔵庫と同じ)‐193oC‐145oC

‐87oC

21oC

1895年 ヘリウムの発見
Scientific American, March 1997.

1908年 ヘリウム液化の実現‐269oC (4.2 K)

超伝導の発見

抵抗 (Ω)

タリウム

水銀
スズ

予想

鉛
カドミウム

温度(K)

ゼロ抵抗！(超伝導)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

超伝導転移温度の向上
Chemical doping

Alloying (合金化)

Critical Temperature (K)Metal＋ Metal ＝Super

化学的に絶縁体を超伝導にInsulator ＋ Dopant ＝ Super

Chemical doping
Lq. N2高温超伝導の発見
Year超伝導体を用いた電界効果トランジスタ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

ゲート

絶縁体
超伝導体
Insulator-Superconductor transition
Bi超薄膜 FETR. E. Glover, et al.,Phys.Rev.Lett. 5, 248 (1960)

Tc modulation
SrTiO3/PZT FET

VG = -50 V : insulator-like

VG = +20 V : super

K. A. Parendo, et al.,Phys. Rev. Lett. 94, 197004 (2005)

ΔTc = 0.1 K

K.S.Takahashi et al, Nature 441, 195 (2006)

Electric double layer transistor (EDLT)+ + + + + + + +Conventional capacitor
Capacitance : pF ~ μF (10-12 – 10-6)

d=0.1‐10 μm‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐誘電体；誘電率ε=10 ‐ 1000
従来の高性能化（積層セラミックコンデンサ, 10μF)
強誘電体

MISFETのキャリア濃度(Ns)ε 0ε sQ CVVNS = =C=
S= ε 0ε s
SSdd
微細構造化
薄膜・高耐圧化
絶縁耐圧 Emax=Vmax/d
アルミナ碍子： 100 kV/cm
SiO2 絶縁層: 10 MV/cm

固体絶縁層での耐圧と最大蓄積キャリア濃度

電気二重層

14SiO2
Breakdown field (MV/cm)

12Ns = 2e1410Al2O3HfO286Ns = 1e14ZrO24TiO2Ta2O52

Organic dielectrics
Ns = 5e1300510152025Dielectric constant

30354045

Electric double layer transistor (EDLT)EDLC : Electric Double Layer Capacitor(Supercapacitor)
Capaciotance : mF ~ kF(10-3 – 103)

Japan Chemicon Inc.

http://www.ic.gc.ca/

キャリアドーピングによる超伝導
電界効果

Mott Insulator

SuperInsulator

M

Insulator

Insulator

1016
1010

1017

Super

Metal

Insulator
Metal

Super

Super
Metal

1019

1020
1014

1021

High-Tc cuprates
DiamondSi
SrTiO3
KTaO3? Unknown ?

Metal

1018
1012

M

1022
1016

キャリア濃度[ cm-3 ][ cm-2 ]Device structure of SrTiO3 EDLTEDL cell

電解液

Gate electrode (Pt wire)
SrTiO3(参照電極、今回は省略)

白金線(ゲート)

PEO電解液SrTiO3 device

Melt at ~40℃

Dipped in glovebox

Superconductivity in SrTiO3 EDLT
Output characteristics

R-T curve at low T

3ID ( μA )1

VG = 0V
0 1.5V
1.8V
-1
2.1V
2.4V
-2
2.7V
3V-3
-0.4 -0.2

R□>10GΩ

00.2
VD ( V )0.4

Resistance (kΩ)

2

SrTiO3 / KClO4 / Pt
EDLT
R□<1kΩ
300K

Temperature (K)K. Ueno, Nature Materials, 7, 855 (2008)

KTaO3 EDLTSrTiO3‐ cubic 対称性‐ 105K で tetragonalに変化、0.4Kの超伝導ゲート電界

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

Conduction band:Ti 3d → Ta 5d

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

プレーナ構造電気二重層トランジスタ
プレーナ構造デバイスの断面図
アニオン(BF4)

ゲート電極

イオン液体(電解液)
セパレー
タ層

KTaO3

デバイス写真カチオン(DEME)

チャネル

セパレー
タ層

ゲート電極

伝導キャリアが蓄積

ドレイン電極(Au/Ti)

ゲート電極(Pt)

ゲート電極(Pt)

チャネル
200μm
ソース電極 (Au/Ti)

400μm

電解液

KTaO3 EDLT : Device characteristics at 320 K
10-3
KTaO3‐イオン液体 電気二重層トランジスタ

シート伝導度 ( S )10-4300 K
二端子測定

液体ゲート(電気二重層トランジスタ)

10-510-6固体ゲート絶縁膜 Al2O3(電界効果トランジスタ)

10-7K. Ueno, et al., APL(2004)

10-80123456VGate ( V )※KTaO3 ではVG=6Vまで電気化学反応せず

シートキャリア濃度( 1014 cm‐2 )48
キャリア濃度のゲート電圧依存性
T = 100K

362412
化学ドーピングでの上限値

0234
VG ( V )56

体積キャリア密度※ ( 1020 cm‐3 )KTaO3 EDLT : Gate bias dependence of charge density0※Assuming thickness of 5nm

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
3020Tc =45 mK1030 R‐H curve
RS ( Ω )

RS ( Ω )KTaO3 EDLTVG = 5V
I = 50 nA

20100μ0Hc = 10 Oe
T = 20 mK-1000100μ0H ( Oe )000.10.2T(K)Superconductivity emerged on KTaO3 surface
K. Ueno, et al., Nature Nanotechnology 6, 208 (2011)

まとめ
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

新物質開発

スピントロニクス応用

電場誘起による従来は不可能だった新規超伝導体

強電界・高キャリア濃度制御による新デバイス開発