課題番号                ：S-19-OS-0006

利用形態                ：機器利用

利用課題名（日本語）    ：機能性酸化物を用いたナノ構造体作製と評価

Program Title (English) ：Fabrication of functional oxide nano-structures

利用者名（日本語）      ：神吉　輝夫、服部　梓、山本　真人、Rupali Rakshit、頓田　佐映子、榊　奈津子、遠藤　史也、玄地　真悟、山中　天志、野中　信、余　博源、Umar SIDIKI、難波　央、平尾　成

Username (English)      ： Teruo Kanki, Azusa Hattori, Mahito Yamamoto, Rupali Rakshit, Saeko Tonda, Natsuko Sakaki, Fumiya Endo, Shingo Genti, Takashi Yamanaka, Shin Nonaka，Yu Boyuan, Umar Sidiki, Akira Namba, Akira Hirao

所属名（日本語）        ：大阪大学　産業科学研究所

Affiliation (English)  ：ISIR, Osaka University

１．概要（Summary ）

機能性酸化物薄膜のナノスケール化は、電子相転移制御や量子効果等のナノ物性の興味に加え、低電力駆動、高集積化に直結する重要な課題である。そこで、我々は、酸化物トップダウン・ボトムアップナノテクノロジーを融合した技術的方法論を確立し、酸化物ナノ構造の作製、及び新奇ナノエレクトロニクスの開拓を行っている。

２．実験（Experimental）

【利用した主な装置】

S01パルスレーザーMBE装置、S10 RFスパッタ装置、S15 走査型プローブ顕微鏡（E-sweep）、S19　レーザーラマン顕微鏡

【実験方法】

上記装置群を用いて酸化物薄膜の作製・評価を行った。

３．結果と考察（Results and Discussion）

金属－絶縁体相転移(MIT)を示す材料を電極とした「相転移トランジスタ」は、次世代の低消費電力素子として期待されている。相転移トランジスタにおいて高性能動作を実現させるためには、相転移材料とチャネルを形成する半導体材料との界面特性に関する知見が重要となる。本研究では、室温近傍で巨大な抵抗変化を伴うMITを示す二酸化バナジウム(VO₂)を電極、原子レベルまで薄くても優れた半導体特性、化学的安定性を有する遷移金属ダイカルコゲナイドをチャネルとしてトランジスタを作製し、その界面特性を調べた。Fig. 1(a)は実際に作製したVO₂をソース、ドレイン電極としたMoS₂トランジスタの光学顕微鏡像である。この素子の輸送特性をVO₂が絶縁体である300 Kと、金属状態である400 Kで測ったものをFig. 1(b)に示す。挿入図にあるようにMITに伴いVO₂の電気抵抗値は数桁ほど変化する一方で、トランジスタのドレイン電流はわずか数倍しか変化しないことが分かった。これは、VO₂とMoS₂との接合においてフェルミ準位が伝導帯端付近にピンニングされ、ショットキー障壁が形成されていることを示唆している。今回の研究によって、相転移トランジスタでは、ショットキー障壁を低減させることが高性能動作実現への鍵であることを明らかにした。

Fig. 1. (a) Optical image of a phase-transition transistor based on VO₂ and MoS₂. (b) Transfer characteristics of the transistor measured at 300 and 400 K. The inset shows the resistance-temperature curves of VO₂ wires used as electrodes.

４．その他・特記事項（Others）

各装置の操作方法について御指導していただいた支援員の方に感謝いたします。

５．論文・学会発表（Publication/Presentation）

(1) M. Yamamoto, R. Nouch, T. Kanki, A. N. Hattori, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Ueno and H. Tanaka, ACS Appl. Mater. and Inter. Vol.11 (2019) 3224

６．関連特許（Patent） なし