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中国の研究チームが、黒リンやゲルマニウムヒ素などの2次元(2D)半導体材料から単分子層トランジスタを作る新しい方法を開発した。これらの材料は非常に薄く、柔軟性があり、キャリア移動度が高いため、ウェアラブルで小型化されたさまざまな電子デバイスの開発に非常に有望な物である。

しかし、2D材料からの単分子層トランジスタ製造は、2D材料が非常に壊れやすく、強力な電気的接触が必要なため、手間のかかるものであった。既存の単層トランジスタのほとんどは、グラフェン、二セレン化タングステン、二硫化モリブデン(MoS2)など、安定した格子構造を持つ数種類の2D材料をベースにしている。

中国科学院、湖南大学および武漢大学のWangying Li教授とQuanyang Tao教授が率いる研究者らは、『Nature Electronics』に掲載された論文の中で、「黒リンやゲルマニウムヒ素などの多くの有望な2D材料では、単層トランジスタの作製は困難であり、デリケートな2D材料に強固な電気接点を形成することの難しさによって制限されています。われわれは、ファンデルワールス剥離法を用いて、3次元的に盛り上がった接点を持つ黒リンとゲルマニウムヒ素の単層トランジスタを作製しました」と、成果を報告している。

研究チームは、平らな金属をラミネーターとして使い、多層2Dチャネルの最上層を剥がす巧妙な技術を考案した。こうすることで、電気的性能を確保するためにコンタクト領域を十分に厚く保ちながら、チャネルの厚さを単層にすることができた。

new transistors based
BPのファンデルワールス剥離法加工プロセス。

特性のテスト

研究者らは、ファンデルワールス剥離法を用いて、BP、GeAs、InSe(セレン化インジウム)、GaSe(セレン化ガリウム)などのさまざまな2D材料から、3Dレイズドコンタクトを持つ単層トランジスタを作製した。また、ホモ接合やホモ超格子(同じ2D材料の異なる層からなる構造)も作製した。

単層トランジスタの電気特性を測定し、多層トランジスタと比較した。その結果、BPのキャリア移動度は、チャネルの厚さを単層にすると著しく低下することがわかり、BPが純粋な2次元半導体よりも従来のバルク半導体に近い挙動を示すことがわかった。一方、GeAsのキャリア移動度は単層限界でも高いままであり、GeAsは単層トランジスタにより適した2D材料であることが示唆された。

研究者らは、BPとGeAsをベースとした、3Dレイズドコンタクトをもつ有望な単層トランジスタの開発に、この技術が役立つ可能性を示した。将来的には、このレイヤー・バイ・レイヤー剥離法によって、一般にこれらの用途では性能が低いと考えられている、一般的でない2次元半導体を用いた、より薄くスケーラブルなトランジスタの開発に新たな地平が開けるかもしれない。

「この研究は、有機単分子膜やペロブスカイト単分子膜のような、2D半導体以外の不安定な単分子膜材料にも応用できる可能性があります。この研究は、シンプルでスケーラブルなファンデルワールス剥離技術を用いて、さまざまな2次元材料から単分子層トランジスタを作製できることを実証しています。また、単分子層限界におけるさまざまな2D材料の固有の電気特性についての知見も得られました」と、研究者らは述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

二次元(2D)半導体は、スケーリングされた電子デバイスの創製に利用できる可能性がある。しかし、黒リンやゲルマニウムヒ素のような多くの有望な2次元材料では、単層トランジスタの作製は困難であり、デリケートな2次元材料に強固な電気接点を形成することの難しさによって制限されている。本論文では、ファンデルワールス剥離法を用いて、3次元的な隆起コンタクトを持つ黒リンおよびゲルマニウムヒ素単層トランジスタを作製したことを報告する。層ごとの機械的剥離により、多層黒リントランジスタのチャネル領域は、その繊細な格子を劣化させることなく、多層コンタクト領域を保持したまま、徐々に単層厚まで薄くすることができる。この技術を用いて、チャネル厚の異なる同じ2次元トランジスタの電気特性を測定した。その結果、黒リンのキャリア移動度は膜厚を薄くすると急激に低下し、純粋なファンデルワールス半導体というよりは、従来のバルク半導体に近い挙動を示すことがわかった。

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