[論文レビュー] Electrical transport properties of polar heterointerface between KTaO3 and SrTiO3

A. Kalabukhov, Robert Gunnarsson+2 more|ArXiv.org|Apr 9, 2007

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、脈来法を用いて成長された絶縁体であるKTaO3とSrTiO3の薄膜間の極性ヘテロインターフェースにおける電気的輸送を調査する。理論的には、形式的酸化状態から空孔ドーピングが予測されるが、ホール効果測定では電子的性質を示すキャリアが観測され、移動度および電導度はLaAlO3/SrTiO3インターフェースと類似している。これは、極性不連続性がキャリアの性質を決定する唯一の要因であるという仮定に疑問を呈し、このような酸化物ヘテロインターフェースでは酸素空孔がドーピング機構を支配している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Electrical transport of a polar heterointerface between two insulating perovskites, KTaO3 and SrTiO3, is studied. It is formed between a thin KTaO3 film deposited on a top of TiO2- terminated (100) SrTiO3 substrate. The resulting (KO)1-(TiO2)0 heterointerface is expected to be hole-doped according to formal valences of K (1+) and Ti (4+). We observed electrical conductivity and mobility in the KTaO3/SrTiO3 similar to values measured earlier in electron-doped LaAlO3/SrTiO3 heterointerfaces. However, the sign of the charge carriers in KTaO3/SrTiO3 obtained from the Hall measurements is negative. The result is an important clue to the true origin of the doping at perovskite oxide hetero-interfaces.

研究の動機と目的

• KTaO3とSrTiO3という二つの絶縁体ペロブスカイト酸化物間の極性ヘテロインターフェースにおける電気的輸送特性を調査すること。
• このインターフェースで観測された高電導度および高移動度の起源を、よく研究されているLaAlO3/SrTiO3系と比較して特定すること。
• 観測されたキャリアの性質が、従来の極性不連続性モデルに反するかどうかを評価し、界面ドーピングにおける形式的酸化状態の役割を再考すること。
• SrTiO3基板内の酸素空孔が観測された電子的性質に与える影響を評価すること。
• 同一の成長条件下におけるKTaO3/SrTiO3およびLaAlO3/SrTiO3ヘテロ構造の輸送特性（シート抵抗、キャリア密度、移動度）を比較すること。

提案手法

• 13ユニットセル（約6 nm）の薄いKTaO3膜を、750 °Cおよび10−4 mbarの酸素圧力下で脈来法を用いてTiO2終末（100）のSrTiO3基板上に成長させた。
• 薄膜成長のモニタリングおよび積層成長の確認のために、インシチューリフレクション高エネルギー電子線回折（RHEED）を用いた。
• 温度範囲2–300 K、最大5 Tの磁場下で、四端子van der Pauw配置を用いて電気的輸送測定を実施した。
• シャドウマスクを介してスパッタリングによりTi/Au接触パッドを形成し、界面への電気的接触を確保した。一方、KTaO3表面への銀エポキシ接触により、膜の絶縁的性質を確認した。
• ホール効果測定を実施し、界面におけるキャリアの符号、密度、および移動度を決定した。
• 得られた結果を、同一条件下で成長された参照用LaAlO3/SrTiO3ヘテロ構造の結果と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KTaO3/SrTiO3ヘテロインターフェースは、形式的酸化状態から予測されるホールドーピングの性質にもかかわらず、電気的導電性を示すか？
• RQ2 KTaO3/SrTiO3界面におけるキャリアの符号は何か？ これは、電子ドーピングを示すLaAlO3/SrTiO3系とどのように比較できるか？
• RQ3 KTaO3/SrTiO3とLaAlO3/SrTiO3の輸送特性が類似していることを踏まえ、SrTiO3基板内の酸素空孔が観測された導電性にどの程度寄与しているか？
• RQ4 観測された電気的性質は、極性不連続性モデルによってのみ説明可能か？ もしくは、追加のメカニズムを必要とするか？
• RQ5 同一の成長条件下におけるKTaO3/SrTiO3のキャリア濃度、移動度、およびシート抵抗は、LaAlO3/SrTiO3と定量的にどのように比較できるか？

主な発見

• KTaO3/SrTiO3ヘテロインターフェースは、室温で約1.5 kΩ/□のシート抵抗を示し、金属的導電性を示しており、LaAlO3/SrTiO3インターフェースと同等の値であった。
• ホール効果測定により、負のホール係数が観測され、形式的酸化状態（K+およびTi4+）に基づく予測とは対照的に、電子的性質を示すキャリアが存在することが示された。
• KTaO3/SrTiO3界面におけるキャリア密度（ns）およびホール移動度（μH）は、LaAlO3/SrTiO3系と類似しており、室温でns ≈ 1.5 × 10^13 cm⁻²およびμH ≈ 1000 cm²/V·sであった。
• KTaO3/SrTiO3におけるシート抵抗率、キャリア密度、移動度の温度依存性は、LaAlO3/SrTiO3ヘテロ構造とよく一致しており、類似した電子的挙動を示していることがわかった。
• KTaO3膜を通過する導電性が存在しないこと（抵抗 >10 MΩ）を確認し、電気的輸送が界面にのみ発生していることを裏付けた。
• 観測された電子的挙動は、形式的酸化状態に基づく極性不連続性モデルに反するため、酸素空孔やその他の非極性メカニズムが、このような酸化物ヘテロインターフェースにおけるドーピング源として支配的である可能性を示唆している。