JP2023121376A - 電気二重層トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【課題】ＳｒＲｕＯ3などのワイル半金属を作製した後に、ワイルフェルミオンの電気伝導および磁気抵抗を制御する。【解決手段】Ｓｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3（Ａはアルカリ金属またはＳｒ以外のアルカリ土類金属、０≦Ｘ≦０．０５、Ｂは遷移金属、０≦Ｙ≦０．０５）から構成され、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比が２１以上が発現条件とされているワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質から構成された薄膜１０１と、薄膜１０１の表面に互いに離間して形成されたソース電極１０２およびドレイン電極１０３と、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間の薄膜１０１に形成され、キャリアが導入されたキャリア導入層１０４とにより電気二重層トランジスタを構成する。【選択図】 図１
Description
本発明は、電気二重層トランジスタに関する。
ＳｒＲｕＯ3(ペロブスカイト構造)は、キュリー温度（ＴC）が最大１６０Ｋの強磁性金属である。また、このＳｒＲｕＯ3は、高い化学的安定性、高い電気伝導度を持ち、ＳｒＴｉＯ3などのペロブスカイト酸化物との間に高い整合性を備えている。これらの特徴から、ＳｒＲｕＯ3は、酸化物を利用したＭＯＳＦＥＴやＬＥＤなどのエレクトロニクス応用へ向けて有望な物質である（非特許文献１）。
また、ワイル半金属として知られているＳｒＲｕＯ3の中の、質量ゼロの線形なバンド分散を持つワイルフェルミオンは、その輸送特性として高い移動度を持つ（非特許文献２）。このため、ＳｒＲｕＯ3は、高速かつ低消費電力で動作するトランジスタなどのデバイスへの応用が期待され、さらに、巨大な正の磁気抵抗効果や、大きな負の磁気抵抗効果であるカイラル異常磁気抵抗を利用した高感度な磁場センサーなどとしても有望である。ここで、磁気抵抗の正負は、磁場をかける向きと電場をかける向きとの角度によって制御することができる。
H. Y. Hwang et al., "Emergent phenomena at oxide interfaces", Nature Materials, vol. 11, pp. 103-113, 2012.
K. Takiguchi et al., "Quantum transport evidence of Weyl fermions in an epitaxial ferromagnetic oxide", Nature Communications, vol. 11, Article number: 4969, 2020.
S. Shimizu et al., "Gate tuning of anomalous Hall effect in ferromagnetic metal SrRuO3", Applied Physics Letters, vol. 105, 163509, 2014.
ＳｒＲｕＯ3におけるワイルフェルミオンは、１００％を超える磁気抵抗比、１００００ｃｍ2／Ｖｓを超える高い移動度を持つなど優れた特性を有する（非特許文献２）。しかしながら、以下に示すことにより、ＳｒＲｕＯ3を作製した後に、ワイルフェルミオンの電気伝導および磁気抵抗を制御する技術はない。
まず、残留抵抗比ＲＲＲ≡ρ（３００Ｋ）／ρ（４Ｋ）が１０以下の一般的な品質のＳｒＲｕＯ3薄膜を用いたゲート電圧印加素子では、ワイルフェルミオンの電気伝導および磁気抵抗が実現していないためである（非特許文献３）。また、ＳｒＲｕＯ3におけるワイルフェルミオンの電気伝導、磁気抵抗をゲート電圧により制御する構造や技術が確立していないためである。
上述したように、ＳｒＲｕＯ3などのワイル半金属は、作製した後に、ワイルフェルミオンの電気伝導および磁気抵抗を制御する技術が確立されていないという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＳｒＲｕＯ3などのワイル半金属を作製した後に、ワイルフェルミオンの電気伝導および磁気抵抗を制御することを目的とする。
本発明に係る電気二重層トランジスタは、Ｓｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3（Ａはアルカリ金属またはＳｒ以外のアルカリ土類金属、０≦Ｘ≦０．０５、Ｂは遷移金属、０≦Ｙ≦０．０５）から構成され、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比が２１以上が発現条件とされているワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質から構成された薄膜と、薄膜の表面に互いに離間して形成されたソース電極およびドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極との間の薄膜に形成され、キャリアが導入されたキャリア導入層と、薄膜の表面に接する状態で配置されたイオン液体と、ソース電極、ドレイン電極、および薄膜とは離間して、イオン液体に接触するゲート電極とを備える。
以上説明したように、本発明によれば、Ｓｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3を、電気二重層トランジスタのキャリア導入層が形成される薄膜の材料としたので、ＳｒＲｕＯ3などのワイル半金属を作製した後に、ワイルフェルミオンの電気伝導および磁気抵抗が制御できる。
以下、本発明の実施の形態に係る電気二重層トランジスタについて図１を参照して説明する。この電気二重層トランジスタは、薄膜１０１と、薄膜１０１の表面に互いに離間して形成されたソース電極１０２およびドレイン電極１０３と、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間の薄膜１０１に形成され、キャリアが導入されたキャリア導入層１０４とを備える。
薄膜１０１は、Ｓｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3（Ａはアルカリ金属またはＳｒ以外のアルカリ土類金属、０≦Ｘ≦０．０５、Ｂは遷移金属、０≦Ｙ≦０．０５）から構成され、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比が２１以上あることが発現条件であるワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質から構成されている。典型的には、薄膜１０１は、Ｘ＝０およびＹ＝０としたＳｒＲｕＯ3から構成することができる。Ｓｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3は、ワイル半金属であるということができる。Ｘ＝０およびＹ＝０としたＳｒＲｕＯ3はＡ、Ｂの元素置換が不要なため、より簡便に作製できる。
また、この電気二重層トランジスタは、イオン液体１０５と、ゲート電極１０６とを備える。イオン液体１０５は、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間の薄膜１０１の表面に接する状態で配置される。イオン液体１０５は、例えば、Ｎ，Ｎ－ジエチル－Ｎ－メチル－Ｎ－（２－メトキシエチル）アンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド［N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoro methanesulfonyl)imide：DEME-TFSI］から構成することができる。また、イオン液体１０５は、例えばイミダゾリウム系イオン液体、ピリジニウム系イオン液体、脂肪族系イオン液体、ホスホネート系イオン液体、よう素系イオン液体などのイオン液体を用いることができる。なお、この例では、イオン液体１０５は、ソース電極１０２およびドレイン電極１０３にも接触している。
ゲート電極１０６は、ソース電極１０２、ドレイン電極１０３、および薄膜１０１とは離間して、イオン液体１０５に接触する。
この電気二重層トランジスタでは、ゲート電極１０６にゲート電圧が印加されると、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間のキャリア導入層１０４におけるワイルフェルミオンの電気伝導、磁気抵抗比が変調される。なお、図１に示すキャリア導入層１０４は、おおよその状態を示すものであり、キャリア導入層１０４の形成領域は、図１に示す状態に限るものではない。後述するように、キャリア導入層１０４は、ゲート電圧印加により、イオン液体１０５に接している箇所から、薄膜１０１にキャリアが導入されることにより形成される。したがって、例えば、薄膜１０１の厚さ方向に、図１に示す状態より深い位置にまでキャリア導入層１０４が形成されることも考えられる。また、薄膜１０１のソース電極１０２やドレイン電極１０３の直下の領域まで広がって、キャリア導入層１０４が形成されることも考えられる。
ここで、ＳｒＲｕＯ3の各元素の組成は、±５％以内であれば、ＲＲＲを２１以上とすることができ、１０００ｃｍ2／Ｖｓを超える高い移動度を持ち、－１０％を超える磁気抵抗比を持つカイラル異常磁気抵抗を示すワイルフェルミオンの輸送現象が得られる。
また、薄膜１０１を構成できる物質は、Ｓｒの一部をアルカリ金属原子またはアルカリ土類金属原子（Ａ）で置換したＳｒ1-XＡXＲｕＯ3とすることができる。この場合、０≦Ｘ≦０．０５の範囲であれば、１０００ｃｍ2／Ｖｓを超える高い移動度を持ち、－１０％を超える磁気抵抗比を持つカイラル異常磁気抵抗を示すワイルフェルミオンの輸送現象が得られる。
また、薄膜１０１を構成できる物質は、Ｒｕの一部を遷移金属原子（Ｂ）で置換したＳｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3とすることができる。０≦Ｙ≦０．０５の範囲であれば、１０００ｃｍ2／Ｖｓを超える高い移動度を持ち、－１０％を超える磁気抵抗比を持つカイラル異常磁気抵抗を示すワイルフェルミオンの輸送現象が得られる。
ＳｒＲｕＯ3は、図２に示すように、ストロンチウム原子Ｓｒ、ルテニウム原子Ｒｕ、酸素原子Ｏが、格子点に配置された擬立方晶系の結晶構造とされている。ＳｒＲｕＯ3は、物性値である３００Ｋでの抵抗率ρ（３００Ｋ）と４Ｋでの抵抗率ρ（４Ｋ）の比である残留抵抗比ＲＲＲ≡ρ（３００Ｋ）／ρ（４Ｋ）が、２１以上となる条件で作製すれば、ワイルフェルミオンの輸送現象が実現する。
薄膜１０１を構成できるＳｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3は、ペロブスカイト構造を持つため、ＴａＡｓ（参考文献１）、ＮｂＰ（参考文献２）、Ｃｏ3Ｓｎ2Ｓ2（参考文献３）などのペロブスカイト構造を持たない従来のワイルフェルミオンの輸送現象を示す物質に比べ、酸化物エピタキシャルヘテロ構造に組み込みやすいという利点も持つ。
例えば、ＳｒＲｕＯ3は、所定の基板の上に薄膜として形成して用いることができる。ここで、ＳｒＲｕＯ3薄膜の品質の指標として、室温（３００Ｋ）での抵抗率ρ（３００Ｋ）と４Ｋでの抵抗率ρ（４Ｋ）の比である残留抵抗比ＲＲＲ≡ρ（３００Ｋ）／ρ（４Ｋ）が、広く用いられている。
Ｒｕ欠損やＲｕＯ2析出物などが少ない高品質なＳｒＲｕＯ3薄膜ほど、ρ(４Ｋ）が小さく、ＲＲＲを大きくできる。ＳｒＲｕＯ3において、ワイルフェルミオンの輸送特性である高い移動度、カイラル異常磁気抵抗を発現するには、ＲＲＲが２１以上となる結晶成長条件においてＳｒＲｕＯ3を作製することが重要となる。ＲＲＲが２１以上となるＳｒＲｕＯ3であれば、成長方法に関係なくワイルフェルミオンの輸送が実現できる。
上述したＳｒＲｕＯ3の成長方法としては、例えば、よく知られた分子線エピタキシー法がある。例えば、図３に示すように、主表面の面方位を（００１）としたＳｒＴｉＯ3からなる成長基板２０１の上に、よく知られた分子線エピタキシー法によりＳｒＲｕＯ3を成長し、ＳｒＲｕＯ3からなる薄膜１０１を形成することができる。なお、成長基板は、ＭｇＯ（００１）、（Ｌａ0.3Ｓｒ0.7）（Ａｌ0.65Ｔａ0.35）Ｏ3（００１）などの材料から構成することができる。
また、分子線エピタキシー法以外の成長方法としては、例えば、スパッタリングやパルスレーザーアブレーションを用いてもワイルフェルミオンの輸送ができるＳｒＲｕＯ3の作製が実現できる。ＳｒＲｕＯ3の形状は、基板上に形成した薄膜に限るものではなく、バルク合成技術により得られる粉末形状やバルク形状とすることもできる。
以下、電気二重層トランジスタの製造方法を説明する。まず、ＳｒＴｉＯ3（００１）からなる成長基板の上に、分子線エピタキシー法によりＳｒＲｕＯ3を成長し、薄膜１０１を形成する。
例えば、分子線エピタキシー装置の成長室内に成長基板を搬入し、成長室内を超高真空とし、基板温度条件を７８０℃として、アルカリ土類金属Ｓｒ、４ｄ遷移金属Ｒｕの原子線を所定の組成比となるように１０-6Ｔｏｒｒ程度の活性酸素雰囲気下で成長基板の上に供給する。これらのことにより、ＳｒＲｕＯ3からなる薄膜１０１が形成できる。薄膜１０１は、例えば、厚さ１０ｎｍに成長することができる。
ＳｒＲｕＯ3においてワイルフェルミオンの輸送特性である高い移動度、正の磁気抵抗比を発現するには、ＲＲＲが２１以上となる結晶成長条件においてＳｒＲｕＯ3を作製することが必要である。ＲＲＲが２１以上のＳｒＲｕＯ3であれば、成長方法に関係なくワイルフェルミオンの輸送現象を発現できる（参考文献４）。
次に、形成した薄膜１０１の表面に互いに離間してソース電極１０２およびドレイン電極１０３を設ける。例えば、よく知られた金属堆積技術により堆積した電極となる金属の膜を、公知のリソグラフィー技術およびイオンミリング技術などによりパターニングすることで、ソース電極１０２およびドレイン電極１０３が形成できる。
次に、薄膜１０１の表面に接する状態でイオン液体１０５を配置する。次に、ソース電極１０２、ドレイン電極１０３、および薄膜１０１とは離間して、イオン液体１０５に接触するゲート電極１０６を設ける。なお、ソース電極１０２、ドレイン電極１０３、ゲート電極１０６は、Ａｇから構成することができる。また、これら電極は、Ａｕ、Ｃｒなどの単元素金属や、ＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ3などの導電性物質から構成することができる。
ここで、薄膜１０１の特性について説明する。はじめに、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間で測定される比抵抗の温度依存性を図４に示す。薄膜１０１のＲＲＲの値は２１である。常磁性から強磁性への転移を示す電気抵抗の折れ曲がりが１５０Ｋで見られ、キュリー温度は１５０Ｋである。
次に、２Ｋにおける、薄膜１０１の平面に対して垂直に磁場と電場を印加した状態における、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間で測定される磁気抵抗の変化を図５に示す。１０％を超える線形な正の磁気抵抗比とともに、ワイルフェルミオンの振動周期に対応した量子振動が観測され、ワイルフェルミオンの輸送が実現していることが分かる。この量子振動から見積もられる薄膜１０１におけるワイルフェルミオンの移動度は、１００００ｃｍ2／Ｖｓと非常に高い値が得られている。
上述したような特性を備える薄膜１０１に、ゲート電極１０６にゲート電圧を印加することで、キャリア導入層１０４を形成する。このゲート電圧の印加により、イオン液体１０５に接している薄膜１０１に、キャリアが導入されてキャリア導入層１０４が形成される。
例えば、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間の薄膜１０１の表面から所定の深さにかけて、キャリア導入層１０４が形成される。この工程では、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間の抵抗値を測定しながら、ゲート電圧を印加する。また、この工程では、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間の抵抗値に対応させ、ゲート電圧の印加を制御することで、キャリア導入層１０４におけるキャリア濃度を制御する。
例えば、ゲート電圧４Ｖ印加により、シートキャリア密度２×１０15ｃｍ-2の電子ドープ、－４Ｖで２×１０15ｃｍ-2の正孔ドープが、薄膜１０１に対して得られる（参考文献５）。これらのシートキャリア密度は、ソース電極１０２、ドレイン電極１０３の間のシート抵抗の測定などにより把握することができる。
厚さ１０ｎｍに形成したＳｒＲｕＯ3からなる薄膜１０１にキャリア導入層１０４を形成した状態におけるシートキャリア密度は、約４×１０16ｃｍ-2であり、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間の比抵抗および磁気抵抗比を約５％変調することができる。また、薄膜１０１を薄くすることで、上述した変調の量を大きくできる。例えば、薄膜１０１を厚さ１ｎｍに形成すれば、約５０％の変調が可能となる。また、薄膜１０１を厚さ０．５ｎｍに形成すれば、約１００％の変調が可能となる。この変調量は、ゲート電圧にも比例し、例えば８Ｖ印加すれば４Ｖ印加と比べて倍の変調量となる。このように、ゲート電圧、薄膜１０１の厚さの設計によって、ソース電極１０２とドレイン電極１０３との間の比抵抗および磁気抵抗比の変調量を、自由に制御することが可能である。
実施の形態に係る電気二重層トランジスタは、キャリア導入層１０４が形成されている薄膜１０１とゲート電極１０６との間にイオン液体１０５を配置している。これに対し、イオン液体の代わりに一般的なトランジスタ構造のゲート絶縁膜として用いられる酸化シリコンや酸化アルミニウムなどを用いた構造では、大きな変調量を得ることはできない。
以上に説明したように本発明によれば、Ｓｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3を、電気二重層トランジスタのキャリア導入層が形成される薄膜の材料としたので、ＳｒＲｕＯ3などのワイル半金属を作製した後に、ワイルフェルミオンの電気伝導および磁気抵抗が制御できるようになる。本発明によれば、ワイルフェルミオンの輸送のゲート電圧制御が実現し、ワイルフェルミオンの高い移動度や大きな磁気抵抗比を利用したデバイス応用が可能になる。また、Ｓｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3は酸化物などの基板の上に単結晶エピタキシャル成長することから、酸化物エレクトロニクスと非常に整合性の高いワイルフェルミオンの輸送のゲート電圧制御デバイスが実現できる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
［参考文献１］X. Huang et al., "Observation of the Chiral-Anomaly-Induced Negative Magnetoresistance in 3D Weyl Semimetal TaAs", Physical Review X, vol. 5, no. 3, 031023, 2015.
［参考文献２］C. Shekhar et al., "Extremely large magnetoresistance and ultrahigh mobility in the topological Weyl semimetal candidate NbP", Nature Physics, vol. 11, no. 645-649, 2015.
［参考文献３］D. F. Liu et al., "Magnetic Weyl semimetal phase in a Kagome crystal", Science, vol. 365, pp. 1282-1285, 2019.
［参考文献４］S. K. Takada et al., "Thickness-dependent quantum transport of Weyl fermions in ultra-high-quality SrRuO3 films", Applied Physics Letters, vol. 118, 092408, 2021.
［参考文献５］K. Ueno et al., "Field-Induced Superconductivity in Electric Double Layer Transistors", Journal of the Physical Society of Japan, vol. 83, 032001, 2014.
［参考文献２］C. Shekhar et al., "Extremely large magnetoresistance and ultrahigh mobility in the topological Weyl semimetal candidate NbP", Nature Physics, vol. 11, no. 645-649, 2015.
［参考文献３］D. F. Liu et al., "Magnetic Weyl semimetal phase in a Kagome crystal", Science, vol. 365, pp. 1282-1285, 2019.
［参考文献４］S. K. Takada et al., "Thickness-dependent quantum transport of Weyl fermions in ultra-high-quality SrRuO3 films", Applied Physics Letters, vol. 118, 092408, 2021.
［参考文献５］K. Ueno et al., "Field-Induced Superconductivity in Electric Double Layer Transistors", Journal of the Physical Society of Japan, vol. 83, 032001, 2014.
１０１…薄膜、１０２…ソース電極、１０３…ドレイン電極、１０４…キャリア導入層、１０５…イオン液体、１０６…ゲート電極。
Claims (3)
- Ｓｒ1-XＡXＲｕ1-YＢYＯ3（Ａはアルカリ金属またはＳｒ以外のアルカリ土類金属、０≦Ｘ≦０．０５、Ｂは遷移金属、０≦Ｙ≦０．０５）から構成され、３００Ｋでの抵抗率と４Ｋでの抵抗率との比が２１以上が発現条件とされているワイルフェルミオンの輸送現象を発現する物質から構成された薄膜と、
前記薄膜の表面に互いに離間して形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記薄膜に形成され、キャリアが導入されたキャリア導入層と、
前記薄膜の表面に接する状態で配置されたイオン液体と、
前記ソース電極、前記ドレイン電極、および前記薄膜とは離間して、前記イオン液体に接触するゲート電極と
を備える電気二重層トランジスタ。 - 請求項１記載の電気二重層トランジスタにおいて、
前記薄膜は、ＳｒＲｕＯ3から構成されていることを特徴とする電気二重層トランジスタ。 - 請求項１または２記載の電気二重層トランジスタにおいて、
前記イオン液体は、Ｎ，Ｎ－ジエチル－Ｎ－メチル－Ｎ－（２－メトキシエチル）アンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドから構成されていることを特徴とする電気二重層トランジスタ。
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