シートからスタックまで、新しいナノ構造プロ

Mar 01, 2024

多層遷移金属ジカルコゲナイド接合による新しいTFETを実現

首都大学東京

画像: 化学蒸着を使用して、別の TMDC から多層 TMDC 構造を成長させることができます。もっと見る

提供：首都大学東京

東京、日本 – 首都大学東京の科学者らは、面内で出会って接合を形成する遷移金属ジカルコゲニドの多層ナノ構造の設計に成功した。 彼らは、ニオブをドープした二硫化モリブデンの破片の端から二硫化モリブデンの多層構造の層を成長させ、厚く結合した平面状のヘテロ構造を作成しました。 彼らは、これらが超低消費電力の集積回路のコンポーネントである新しいトンネル電界効果トランジスタ (TFET) の製造に使用できることを実証しました。

電界効果トランジスタ (FET) は、ほぼすべてのデジタル回路の重要な構成要素です。 両端にかけられる電圧に応じて、電流の通過を制御します。 現在使用されている FET の大部分は金属酸化物半導体 FET (または MOSFET) ですが、より要求の厳しい小型デバイスをより少ない電力で駆動するための次世代材料の探索が続けられています。 ここで、トンネル FET (または TFET) が登場します。TFET は、量子トンネル効果、つまり電子が量子力学的効果により通常は通過できない障壁を通過できる効果に依存しています。 TFET は消費エネルギーがはるかに少なく、従来の FET に代わる有望な代替品として長い間提案されてきましたが、科学者たちはこの技術をスケーラブルな形式で実装する方法をまだ考え出していません。

宮田康光准教授率いる首都大学東京の科学者チームは、遷移金属と16族元素の混合物である遷移金属ジカルコゲニドからナノ構造を作製することに取り組んできた。 遷移金属ジカルコゲニド (TMDC、2 つのカルコゲン原子と 1 つの金属原子) は、TFET を作成するための優れた候補材料です。 彼らの最近の成功により、結晶質TMDCシートの単一原子の厚さの層を前例のない長さにわたって縫い合わせることが可能になった。 そして現在、彼らはTMDCの多層構造に注目している。 彼らは、化学気相成長 (CVD) 技術を使用することで、基板上に積層された結晶面の端から異なる TMDC を成長させることができることを示しました。 その結果、複数層の厚さの面内接合が形成されました。 TMDC 接合に関する既存の研究の多くは、互いに積み重ねられた単層を使用しています。 これは、面内接合の理論上の優れた性能にもかかわらず、これまでの試みでは、TFET を機能させるために必要な高い正孔と電子の濃度を実現できなかったためです。

二セレン化タングステンから成長させた二硫化モリブデンを使用した技術の堅牢性を実証した後、彼らはニオブをドープした二硫化モリブデン、p型半導体に注目しました。 研究チームは、n型半導体であるアンドープ二硫化モリブデンの多層構造を成長させることにより、前例のない高いキャリア濃度を持つTMDC間の厚いpn接合を実現した。 さらに、接合が負性微分抵抗 (NDR) の傾向を示し、電圧の増加により電流の増加がますます減少することを発見しました。これは、トンネリングの重要な特徴であり、これらのナノ材料が TFET に導入されるための重要な最初のステップです。

チームが採用した方法は広い領域にわたって拡張可能であり、回路製造中の実装に適しています。 これは現代のエレクトロニクスにとってエキサイティングな新開発であり、将来的にはアプリケーションに応用されることが期待されています。

この研究は、JSPS 科研費補助金、助成番号 JP20H02605、JP21H05232、JP21H05233、JP21H05234、JP21H05237、JP22H00280、JP22H04957、JP22H05469、JP22J14738、JP21K144 の支援を受けました。 84、JP20K22323、JP20H00316、JP20H02080、JP20K05253、JP20H05664、JP18H01822、JP21K04826、JP22H05445 、JP21K14498、CREST助成金番号JPMJCR16F3、および科学技術庁FOREST助成金番号JPMJFR213X。