We present a method to fabricate top-gated field-effect devices in a LaAlO3/SrTiO3 two-dimensional electron gas (2-DEG). Prior to the gate deposition, the realisation of micron size conducting channels in the 2-DEG is achieved by an ion-irradiation with high-energy oxygen ions. After identifying the ion fluence as the key parameter that determines the electrical transport properties of the channels, we demonstrate the field-effect operation. At low temperature, the normal state resistance and the superconducting Tc can be tuned over a wide range by a top-gate voltage without any leakage. A superconductor-to-insulator quantum phase transition is observed for a strong depletion of the 2-DEG.
References
1.
A.
Ohtomo
and H. Y.
Hwang
, Nature
427
, 423
–426
(2004
).2.
M.
Bibes
, J. E.
Villegas
, and A.
Barthélémy
, Adv. Phys.
60
, 5
–84
(2011
).3.
H.
Takagi
and H. Y.
Hwang
, Science
327
, 1601
–1602
(2010
).4.
J.
Mannhart
and D. G.
Schlom
, Science
327
, 1607
–1611
(2010
).5.
H. Y.
Hwang
, Y.
Iwasa
, M.
Kawasaki
, B.
Keimer
, N.
Nagaosa
, and Y.
Tokura
, Nat. Mater.
11
, 103
–113
(2012
).6.
J.
Biscaras
, N.
Bergeal
, A.
Kushwaha
, T.
Wolf
, A.
Rastogi
, R. C.
Budhani
, and J.
Lesueur
, Nat. Commun.
1
, 89
(2010
).7.
N.
Reyren
, S.
Thiel
, A. D.
Caviglia
, L. F.
Kourkoutis
, G.
Hammerl
, C.
Richter
, C. W.
Schneider
, T.
Kopp
, A.-S.
Rüetschi
, D.
Jaccard
et al, Science
317
, 1196
–1199
(2007
).8.
A.
Brinkman
, M.
Huijben
, M.
van Zalk
, J.
Huijben
, U.
Zeitler
, J. C.
Maan
, W. G.
van der Wiel
, G.
Rijnders
, D. H. A.
Blank
, and H.
Hilgenkamp
, Nat. Mater.
6
, 493
–496
(2007
).9.
J. A.
Bert
, B.
Kalisky
, C.
Bell
, M.
Kim
, Y.
Hikita
, H. Y.
Hwang
, and K. A.
Moler
, Nat. Phys.
7
, 767
–771
(2011
).10.
L.
Li
, C.
Richter
, J.
Mannhart
, and R. C.
Ashoori
, Nat. Phys.
7
, 762
–766
(2011
).11.
A. D.
Caviglia
, M.
Gabay
, S.
Gariglio
, N.
Reyren
, C.
Cancellieri
, and J.-M.
Triscone
, Phys. Rev. Lett.
104
, 126803
(2010
).12.
M. B.
Shalom
, M.
Sachs
, D.
Rakhmilevitch
, A.
Palevski
, and Y.
Dagan
, Phys. Rev. Lett.
104
, 126802
(2010
).13.
G.
Herranz
, G.
Singh
, N.
Bergeal
, A.
Jouan
, J.
Lesueur
, J.
Gázquez
, M.
Varela
, M.
Scigaj
, N.
Dix
, F.
Sánchez
, and J.
Fontcuberta
, Nat. Commun.
6
, 6028
(2015
).14.
D.
Stornaiuolo
, S.
Gariglio
, N. J. G.
Couto
, A.
Fête
, A. D.
Caviglia
, G.
Seyfarth
, D.
Jaccard
, A. F.
Morpurgo
, and J.-M.
Triscone
, Appl. Phys. Lett.
101
, 222601
(2012
).15.
J. P.
Veazey
, G.
Cheng
, P.
Irvin
, C.
Cen
, D. F.
Bogorin
, F.
Bi
, M.
Huang
, C.-W.
Bark
, S.
Ryu
, K.-H.
Cho
, C.-B.
Eom
, and J.
Levy
, Nanotechnology
24
, 375201
(2013
).16.
P. P.
Aurino
, A.
Kalabukhov
, N.
Tuzla
, E.
Olsson
, T.
Claeson
, and D.
Winkler
, Appl. Phys. Lett.
102
, 201610
(2013
).17.
S.
Mathew
, A.
Annadi
, T. K.
Chan
, T. C.
Asmara
, D.
Zhan
, X. R.
Wang
, S.
Azimi
, Z.
Shen
, A.
Rusydi
, M. B. H.
Breese
, and T.
Venkatesan
, ACS Nano
7
, 10572
–10581
(2013
).18.
S.
Hurand
, A.
Jouan
, C.
Feuillet-Palma
, G.
Singh
, J.
Biscaras
, E.
Lesne
, N.
Reyren
, A.
Barthélémy
, M.
Bibes
, J. E.
Villegas
et al, Sci. Rep.
5
, 12751
(2015
).19.
P. D.
Eerkes
, W. G.
van der Wiel
, and H.
Hilgenkamp
, Appl. Phys. Lett.
103
, 201603
(2013
).20.
A. D.
Caviglia
, S.
Gariglio
, N.
Reyren
, D.
Jaccard
, T.
Schneider
, M.
Gabay
, S.
Thiel
, G.
Hammerl
, J.
Mannhart
, and J.-M.
Triscone
, Nature
456
, 624
(2008
).21.
J.
Biscaras
, N.
Bergeal
, S.
Hurand
, C.
Grossetête
, A.
Rastogi
, R. C.
Budhani
, D.
LeBoeuf
, C.
Proust
, and J.
Lesueur
, Phys. Rev. Lett.
108
, 247004
(2012
).22.
C.
Bell
, S.
Harashima
, Y.
Kozuka
, M.
Kim
, B. G.
Kim
, Y.
Hikita
, and H. Y.
Hwang
, Phys. Rev. Lett.
103
, 226802
(2009
).23.
R. C.
Neville
, B.
Hoeneisen
, and C. A.
Mead
, J. Appl. Phys.
43
, 2124
(1972
).24.
M.
Hosoda
, Y.
Hikita
, H. Y.
Hwang
, and C.
Bell
, Appl. Phys. Lett.
103
, 103507
(2013
).25.
W.
Liu
, S.
Gariglio
, A.
Féte
, D.
Li
, M.
Boselli
, D.
Stornaiuolo
, and J.-M.
Triscone
, APL Mater.
3
, 062805
(2015
).26.
B.
Forg
, C.
Richter
, and J.
Mannhart
, Appl. Phys. Lett.
100
, 053506
(2012
).27.
F.
Kahlmann
, A.
Engelhardt
, J.
Schubert
, W.
Zander
, C.
Buchal
, and J.
Hollkott
, Appl. Phys. Lett.
73
, 2354
(1998
).28.
A. S.
Katz
, A. G.
Sun
, S. I.
Woods
, and R. C.
Dynes
, Appl. Phys. Lett.
72
, 2032
(1998
).29.
N.
Bergeal
, X.
Grison
, J.
Lesueur
, G.
Faini
, M.
Aprili
, and J. P.
Contour
, Appl. Phys. Lett.
87
, 102502
(2005
).30.
N.
Bergeal
, J.
Lesueur
, M.
Sirena
, G.
Faini
, M.
Aprili
, J.-P.
Contour
, and B.
Leridon
, J. Appl. Phys.
102
, 083903
(2007
).31.
32.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4941672 for more information on the growth of the heterostructures, on numerical SRIM simulations and on the properties of the channel as a function of its width.
33.
E.
Lesne
, N.
Reyren
, D.
Doennig
, R.
Mattana
, H.
Jaffrés
, V.
Cros
, F.
Petroff
, F.
Choueikani
, P.
Ohresser
, R.
Pentcheva
, A.
Barthélémy
, and M.
Bibes
, Nat. Commun.
5
, 4291
(2014
).34.
C.
Sabathier
, J.
Chaumont
, S.
Rouziére
, and A.
Traverse
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
234
, 509
(2005
).35.
W. J.
Weber
, R. C.
Ewing
, C. R. A.
Catlow
, T.
Diaz de la Rubia
, L. W.
Hobbs
, C.
Kinoshita
, H.
Matzke
, A. T.
Motta
, M.
Nastasi
, E. K. H.
Salje
et al, Mater. Res.
13
, 1434
(1998
).36.
J.
Albrecht
, S.
Leonhardt
, R.
Spolenak
, U.
Täffner
, H.-U.
Habermeier
, and G.
Schëtz
, Surf. Sci.
547
, L847
–L852
(2003
).37.
C.
Sabathier
, J.
Chaumont
, and J.-C.
Krupa
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.,Sect. B
196
, 308
(2002
).38.
S.
Autier-Laurent
, O.
Plantevin
, P.
Lecoeur
, B.
Decamps
, A.
Gentils
, C.
Bachelet
, O.
Kaitasov
, and G.
Baldinozzi
, Europhys. Lett.
92
, 36005
(2010
).39.
Z.
Huang
, Z. Q.
Liu
, M.
Yang
, S. W.
Zeng
, A.
Annadi
, W. M.
Lü
, X. L.
Tan
, P. F.
Chen
, L.
Sun
, X. R.
Wang
et al, Phys. Rev. B
90
, 125156
(2014
).40.
J.
Biscaras
, S.
Hurand
, C.
Feuillet-Palma
, A.
Rastogi
, R. C.
Budhani
, N.
Reyren
, E.
Lesne
, J.
Lesueur
, and N.
Bergeal
, Sci. Rep.
4
, 6788
(2014
).41.
G. E. D. K.
Prawiroatmodjo
, F.
Trier
, D. V.
Christensen
, Y.
Chen
, N.
Pryds
, and T. S.
Jespersen
, preprint arXiv:1510.01199v1 (2015
).42.
J.
Biscaras
, N.
Bergeal
, S.
Hurand
, C.
Feuillet-Palma
, A.
Rastogi
, R. C.
Budhani
, M.
Grilli
, S.
Caprara
, and J.
Lesueur
, Nat. Mater.
12
, 542
(2013
).43.
S.
Hurand
, J.
Biscaras
, N.
Bergeal
, C.
Feuillet-Palma
, G.
Singh
, A.
Jouan
, A.
Rastogi
, A.
Dogra
, P.
Kumar
, R. C.
Budhani
et al, preprint arXiv:1506.06874 (2015
).44.
N.
Scopigno
, D.
Bucheli
, S.
Caprara
, J.
Biscaras
, N.
Bergeal
, J.
Lesueur
, and M.
Grilli
, Phys. Rev. Lett.
116
, 026804
(2016
).45.
S.
Caprara
, N.
Bergeal
, J.
Lesueur
, and M.
Grilli
, J. Phys.: Condens. Matter
27
, 425701
(2015
).46.
P. P.
Aurino
, A.
Kalabukhov
, N.
Tuzla
, E.
Olsson
, A.
Klein
, P.
Erhart
, Y. A.
Boikov
, I. T.
Serenkov
, V. I.
Sakharov
, T.
Claeson
, and D.
Winkler
, Phys. Rev. B
92
, 155130
(2015
).47.
S.
Goswami
, E.
Mulazimoglu
, L. M. K.
Vandersypen
, and A. D.
Caviglia
, Nano Lett.
15
, 2627
(2015
).48.
V. V.
Bal
, M. M.
Mehta
, S.
Ryu
, H.
Lee
, C. M.
Folkman
, C. B.
Eom
, and V.
Chandrasekhar
, Appl. Phys. Lett.
106
, 212601
(2015
).© 2016 AIP Publishing LLC.
2016
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.