ＪＳＴ 課題解決型基礎研究の一環として、東京大学 大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センターの塚崎 敦　特任講師と東北大学原子分子材料科学高等研究機構の川崎 雅司　教授らは、酸化物界面の成長技術を飛躍的に向上させることによって極めて「綺麗」な界面を実現することで、二次元電子輸送における本質的な相互作用を理解する上で重要な分数量子ホール効果注１）を酸化物界面において世界で初めて観測することに成功しました。

　本研究では、近年安価で安全な透明酸化物半導体材料として注目を集めている酸化亜鉛（ＺｎＯ）注２）を用いました。これまでに、ＺｎＯ系材料で作製した積層薄膜（ＭｇＺｎＯ／ＺｎＯ）の界面には、界面に沿った薄いシート状の自由電子（二次元電子注３））層が形成されることが分かっています。一方、半導体の電気的･磁気的性質を高めるためには、界面の「綺麗さ」の指標となる二次元電子の移動度注４）の向上が必須ですが、界面の平坦性や不純物濃度、欠陥密度などの制御が難しい酸化物半導体では、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）など従来の化合物半導体に比べて移動度の向上が困難であると考えられてきました。

　本研究グループは今回、分子線エピタキシー法注５）を駆使し、酸化物薄膜の作製条件を成長速度に着目して最適化することで、極めて高純度かつ平坦な界面を実現し、電子移動度を従来の酸化物系での世界最高値に比べて約１０倍高めることに成功しました。さらに、この試料の低温・強磁場下での電気伝導特性を調べた結果、これまでＧａＡｓ系化合物半導体やグラフェンなどのごく限られた材料でしか観測例のなかった分数量子ホール効果を、酸化物同士の界面において世界で初めて見いだしました。

　この成果は、超伝導や超流動といった電子の量子論的振る舞い、すなわち“巨視的量子輸送現象”の１つであり、今後、さまざまな酸化物材料へと展開していくことで、全く新たな量子輸送現象の発現･解明が飛躍的に進む糸口となるものです。また近年、青色発光素子に続く次世代素子として着目されている紫外線発光素子や透明トランジスターなどの実用化に向けた課題克服に大きく寄与し、酸化物の高い環境調和性を生かしたこれまでにない酸化物材料の世界を切り開くものと期待されます。

　本研究は、ローム株式会社、東北大学電気通信研究所、東京工業大学 大学院理工学研究科と共同で実施され、本研究成果は、２０１０年１０月１７日（英国時間）に英国科学雑誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」のオンライン速報版で公開されます。

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塚崎 敦（ツカザキ アツシ）

東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター　特任講師

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川崎 雅司（カワサキ マサシ）

東北大学原子分子材料科学高等研究機構　教授

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