遷移金属ダイカルコゲナイド半導体α-MoTe2のトランジスタ応用へ向けた伝導電荷の極性制御

Keywords: 遷移金属ダイカルコゲナイド、トランジスタ、ショットキー接合

ナノシステム分野 量子デバイス工学グループ

中払 周NAKAHARAI.Shu@nims.go.jp | https://samurai.nims.go.jp/profiles/NAKAHARAI_Shu?locale=ja

全世界での情報処理量増大に伴う消費電力総量の急激な増大への対応が急務

Internet of Things (IoT)技術においても、現在より大幅な消費電力削減が必須

従来の半導体技術では手詰まりであり、新しい低消費電力化技術が必要

微細化・低消費電力化を阻害する短チャネル効果の低減のため、原子数個分の薄さの半導体

薄膜である遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)をCMOS型回路に応用

TMDCの半導体であるα相二テルル化モリブデン(α-MoTe2)を用いて、TMDCの課題の一つであ

る伝導電荷の極性制御（n型/p型）が難しいという問題の解決を狙う

TMDCのCMOS応用における課題であった伝導電荷

の極性制御の困難を -MoTe2を用いて解決した。

-MoTe2ではフェルミ準位ピンニングの効果が弱い

ことが電荷の極性制御を可能にすることを見出した。

LSIの低消費電力化に向けたScaled CMOS、低電圧

動作トランジスタ、極性可変トランジスタ。

IoTへの応用、特に低消費電力やドーパントレス構造

を特徴とした情報素子。

Sc (3.5 eV)Ti (4.3 eV)

Ni (5.15 eV)Pt (5.65 eV)

仕事関数:

フェルミ準位ピンニング

MoS2

真空準位

Ec

EV

EF

Metal

Eg

n-dope

p-dope

EFMetal

en-type

h

EF

Metalp-type

e

原子レベルで平坦な界面

TMDCで短チャネル素⼦や低電圧動作が可能に

e

従来の半導体薄膜(Si, Ge等)

界面ラフネスで性能劣化

Ti0−40

Gate Bias (V)60

Curre

nt (A

/μm)

10−11

10−10

10−9

10−8

10−7

10−12

Tiコンタクト： n型

VBG < 0

VBG > 0

x

yE

EC

EV

Pt

Ti

α-MoTe2

EF

Pt

Ti

he

α-MoTe2

xy

Gate Bias (V)0−20−40 4020

10−11

10−10

10−9

10−8

10−7

10−12Curre

nt (A

/μm)

10−11

10−10

10−9

10−8

10−7

−60 0Gate Bias (V)

Curre

nt (A

/μm)

60

Pt

Ptコンタクト：p型

hPt

EF

e

Ti

EF

p-type

Pt-Ti ハイブリッドコンタクト

-MoTe2 のフェルミ準位ピンニングは弱い(文献１)

n-type

Pt-Ti Hybrid(ambipolar)

Ti contact(n-type)

Pt contact(p-type)

Ti

α-MoTe2Metal

Eg

EF

PtNi

Au,Pd

50meV

40meV

EV

Ec

1. S. Nakaharai, et al., ACS Applied Materials & Interfaces 8, pp.14732-14739 (2016)2. S. Nakaharai, et al, ACS Nano 9, pp.5976-5983 (2015)3. S. Nakaharai, S. Sato, Parity 28 [10] pp.40-42 (2013)

遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)の半導体は、低消費電力素子の薄膜チャネル材料として期待

新しいTMDC半導体の薄膜

一方で伝導電荷の極性(n/p型)の制御に問題

強いフェルミ準位ピンニングのため、例えば二硫化モリブデン(MoS2)の場合、n型しか得られない

α-MoTe2ならば極性制御が容易であることを発見

PtとTiのコンタクトを並列して、電子と正孔両方の注入を実現極性可変トランジスタ (文献2,3)の駆動電流増大に期待

グラフェン超格子構造のトポロジカル量子伝導

(a): グラフェン/hBN超格子デバイスの磁場下での電気伝導度（縦伝導度とホール伝導度）のカラースケールプロット。現れるパターンは量子ホール効果と超格子構造に対応する。(b): 量子バレー流生成に対応する非局所抵抗シグナルと磁場によるスイッチング。

Keywords: グラフェン，六方晶窒化ホウ素，2次元材料，超格子，バレーホール効果，非局所測定

ナノシステム分野 量子デバイス工学グループ

森山 悟士MORIYAMA.Satoshi@nims.go.jp | https://samurai.nims.go.jp/profiles/moriyama_satoshi

微細加工技術の進展による電子デバイスへの量子効果の影響

Internet of Things (IoT)に資する電子デバイスの低消費電力化の要請

量子効果を活用した新機能デバイスへの展開

原子層を精密に調整して重ね合わせた原子層超格子工学の創成

固体結晶中の電子が持つスピンやバレーといった量子力学的内部自由度の活用

グラフェン/六方晶窒化ホウ素(hBN)超格子構造におけるトポロジカル量子伝導の検出と制御

Katsuyoshi Komatsu, Yoshifumi Morita, Eiichiro Watanabe, Daiju Tsuya, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, and Satoshi Moriyama: “Observation of the quantum valley Hall state in ballistic graphene superlattices”, Science Advances 4, eaaq0194 (2018).

グラフェン/hBN超格子デバイスの作製

超格子構造を反映した量子輸送特性

量子バレー流の観測

量子バレー流の電気的制御

バレー流を制御した量子光学的干渉素子

トポロジカル超伝導量子情報素子

(a)

(b)

－ 294－

国際ナノアーキテクトニクス