原子薄膜半導体による超低消費電力トンネルトランジスタの開発

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01482
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 中払 周 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (90717240)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: トランジスタ / 二次元半導体 / トンネル効果

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、２次元薄膜である遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)の半導体材料をトンネルトランジスタのチャネル材料として適用して、大規模集積回路(LSI)の超低消費電力化を実現することを意図する。特にTMDCのチャネル層と、六方晶窒化硼素(hBN)の薄膜を積層することで、原子数層という極めて薄い構造のチャネルとゲートスタックによって、トンネルトランジスタのボトルネックとなっていたトンネル電流の小ささの克服と、急峻なスイッチング特性を共存して実現しようとするものである。この背景には、バンド間トンネリングにおいて電荷のトンネル確率はトンネル長に指数関数的に依存することがあり、原子レベルで薄いチャネルとゲート絶縁膜を用いることでこのトンネル電流の問題が打破できる。このデバイスのコンセプトにおいては、チャネルやゲート絶縁膜の薄さが中心的な課題である。そのため、単結晶より剥離した原子膜の膜厚が簡単に評価できれば試作工程が大いに加速される。この点に着目して、シリコン基板上に貼り付けられた原子膜の光学顕微鏡像を画像解析し、そのスペクトルの分析とAFMやラマン分光による直接的な評価とを照合することで、簡便な膜厚評価の手法を確立していった。これは、表面を酸化したシリコン基板に貼り付けた原子膜の光学顕微鏡写真を画像解析し、そのスペクトルの分析結果と、AFMやラマン分光による直接的な評価とを照合できるようにして、簡便な膜厚評価手法を改善していった。また、これらの原子膜どうしを、水やアルコール等の薬液に浮かべることなく、ゲル状の樹脂薄膜表面上に貼り付けて積層していくという、乾式転写法を更に確立していった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでに作製したデバイスの十分なトンネル特性が得られておらず、薄膜の積層工程の見直しを行ってきたが、本年度は簡便な膜厚評価法を確立してきた。この過程で、原子膜の積層工程をより精度よくするために、層と層の貼り付けの瞬間にそれらの間の距離を精密にステッピングモーター制御できるような改造装置の改善を行い、工程の改善を行った。その結果、従来は原子層を貼り付けようとしても貼り付かずに剥がれてしまっていたものが、以前よりも確実に貼り付けられるようになり、試作工程の効率の向上につながった。これまでに得られた原子膜の積層に対してデバイス試作を続けるが、多くの素子を作ることで特性のよい素子構造条件を探求することができるようになった。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、これまでに確立した要素技術を総合して、目的とするデバイスの高駆動電流化を実証していく。デバイス構造のうち、埋め込み(局所)ゲートをグラファイトとしてデバイスの極性を定義させるが、シリコン基板のバックゲートの使用も引き続き想定する。その上でトップゲートによってトンネル障壁を制御してトンネルトランジスタとして動作させる。このとき、バックゲートの極性を変えることによってトランジスタの高電圧側(p側)を入れ替える動作を実証する。そのためには、ソース・ドレインの両方の電極から電子と正孔の両方を注入できる必要があるが、これまでに開発してきた、仕事関数の異なる複数の金属を平行して設置することで電子と正孔の両方を注入できるコンタクトの技術を引き続き適用していく。このデバイス動作において、薄膜の質を向上させた効果を反映させて、トンネル電流の増大の効果を引き続き検証していく。