高濃度・局所電子ドープによる二次元トンネルトランジスタの高性能化
| Project/Area Number |
22KJ2554
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| Project/Area Number (Other) |
22J14738 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | Tohoku University (2023)
Tokyo Metropolitan University (2022) |
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Principal Investigator |
小倉 宏斗 東北大学, 工学研究科, 助教
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | トンネルトランジスタ / 遷移金属ダイカルコゲナイド / ヘテロ構造 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、化学的に高濃度・局所キャリアドープされた二次元半導体による高性能トンネルトランジスタの実現を目指す。現在まで、申請者は独自のアプローチより、単層の二硫化モリブデンへの高濃度かつ安定な電子ドーピングを世界で初めて実現した。このドーピング技術のさらなる高濃度化とパターニング技術の開発を通じ、二次元半導体を用いたトンネルトランジスタの高性能化を実証し、将来の超低消費電力デバイスの実現に向けた基盤を構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、高濃度ドープを実現しやすい多層TMDCにおいて、異種結晶が同一の面内で接合した構造（面内ヘテロ構造）の作製およびデバイス評価を進めてきた。試料作製に関しては、まず機械的剥離法でTMDCの多層結晶をシリコン基板上に作製した。ここで採用した多層TMDCとして、界面の構造観察用にWSe2、そして電子輸送特性の評価用にNbxMo1-xS2の二種類を用いた。この基板を利用し、化学気相成長でMoS2結晶を成長させることで、多層の面内ヘテロ構造を作製した。作製した試料は、ラマン散乱分光やフォトルミネッセンス分光、原子間力顕微鏡、および電子顕微鏡観を用いて構造を評価した。特に、多層WSe2/MoS2の断面の電子顕微鏡観察からは、WSe2の端から同じ結晶方位を持つMoS2が接合している様子が明瞭に確認された。次に、多層NbxMo1-xS2/MoS2ヘテロ構造を利用し、電子輸送特性の評価を行った。ここで、NbxMo1-xS2は高濃度にホールを含むp型半導体、MoS2は高濃度に電子を含むn型半導体としての役割を持つ。シリコン基板上のNbxMo1-xS2/MoS2に電極を付け、MoS2については、シリコン基板表面のSiO2酸化膜を介してゲート電圧を印加することで、電子濃度を増加させた。実際に、50K以下の低温においてゲート電圧を印加したとき、負性微分抵抗の傾向（NDR trend）を持つ電流-電圧特性が得られた。このNDR trendによって、界面においてトンネル電流が流れていることを実証できた。以上の結果は、超低消費電力トンネルトランジスタの応用に向けた重要な指針となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画とは異なり、元素置換による高濃度ドーピングを通じて、TMDCヘテロ構造におけるタイプIII型のバンドアライメントを確認した。特に、TMDCを用いた面内ヘテロ構造において、トンネル電流が流れることを初めて実証できた。以上より、当初の計画以上に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策として、高性能なトンネルトランジスタの実現に向けたデバイス構造の最適化を行う。昨年度において、高濃度ドープした多層面内ヘテロ構造において、NDR trend型の電流-電圧特性が得られた。これは、ヘテロ界面にトンネル電流が流れていることを示す一方で、結晶歪み等に起因する界面準位によって、再結合電流が同時に発生していることを示唆している。よって、この再結合電流の影響を低減するため、作製した多層面内ヘテロ構造を原子レベルで平坦な六方晶窒化ホウ素上に転写し、結晶歪みを抑制することを考えている。更に、急峻なスイッチング動作を実現するため、高誘電率絶縁膜（HfO2）を用いたトップゲート電極の作製も検討する。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
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[Presentation] Growth, structures, and transport properties of MoS2-based multilayer in-plane heterostructures2023
Author(s)
Hiroto Ogura, Seiya Kawasaki, Zheng Liu, Takahiko Endo, Mina Maruyama, Yanlin Gao, Yusuke Nakanishi, Hong En Lim, Kazuhiro Yanagi, Toshifumi Irisawa, Keiji Ueno, Susumu Okada, Kosuke Nagashio, and Yasumitsu Miyata
Organizer
第64回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
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[Presentation] Fabrication and characterization of multilayer in-plane heterostructures based on transition metal dichalcogenides2022
Author(s)
Hiroto Ogura, Seiya Kawasaki, Zheng Liu, Takahiko Endo, Mina Maruyama, Yanlin Gao, Yusuke Nakanishi, Hong En Lim, Kazuhiro Yanagi, Toshifumi Irisawa, Keiji Ueno, Susumu Okada, Kosuke Nagashio, and Yasumitsu Miyata
Organizer
第63回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
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[Presentation] 原子層半導体トンネルダイオードの作製と評価2022
Author(s)
小倉 宏斗, 川崎 盛矢, 劉 崢, 遠藤 尚彦, 丸山 実那, 高 燕林, 中西 勇介, 林 宏恩, 柳 和宏, 入沢 寿史, 上野 啓司, 岡田 晋, 長汐 晃輔, 宮田 耕充
Organizer
第16回物性科学領域横断研究会 (領域合同研究会)
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