グラフェンの先へ　新材料でトランジスタを開発

要点

• 新たな二次元材料・二硫化ハフニウム（HfS₂）を用いたトランジスタを開発した
• 電流電圧測定でオン／オフ比10⁴のトランジスタ動作と、電気二重層ゲート構造を用いた高い電流密度を確認した
• 低消費電力と高速動作を両立させる新材料として期待

概要

東京工業大学 工学院 電気電子系の宮本恭幸教授らと理化学研究所、岡山大学からなる共同研究チームは、新しい二次元材料である二硫化ハフニウム（HfS₂）を用いたMOSトランジスタ^[用語1]を開発した。

機械的剥離法^[用語2]で得られた数原子層の厚さを持つHfS₂薄片を用いたもので、裏面基板をゲート電極とした電流電圧特性において良好な飽和特性と高いオン/オフ比10⁴の電流制御特性を観測した。さらにゲート電極として電解質を用いた電気二重層^[用語3]トランジスタ構造において、駆動電流が裏面ゲートでの動作時と比較して約1000倍以上に向上し、チャネル材料としてのHfS₂の優れた性質を示唆する結果を得た。

MOSトランジスタは大規模集積回路（LSI）を構成する要素素子であり、情報技術におけるハードウェア部分における基盤である。現在その材料に用いられているシリコンと比較して二次元材料は極めて薄い（<1 nm）構造での電流駆動に適しており、将来のLSIへの導入が期待されている。HfS₂は理論計算より1.2 eVのバンドギャップ^[用語4]と1,800 cm²/Vsの電子移動度^[用語5]が予測される材料であり、従来の二次元材料と比較してより高速、低消費電力での動作に適している。

研究成果は3月1日発行のScientific Reportsに掲載された。

研究の背景

本研究グループは新たな二次元材料である二硫化ハフニウム（HfS₂）の電子デバイス応用に適した物性予測に着目し、MOSトランジスタでの動作を初めて実証した。作製した素子では良好なオン/オフ比を有する電流制御特性が確認された。また、電解質電極を用いた動作では高い電流密度での動作が確認され、電子デバイス材料としての優れた特性が示唆された。

HfS₂は遷移金属ダイカルコゲナイドと呼ばれる二次元結晶群に属しており、理論予測では単原子層の厚さ（約0.6 nm）において1800 cm²の電子移動度と1.2 eVのバンドギャップが報告されている。これらは代表的な半導体材料であるシリコンの物性値を上回っており、電子デバイス材料として優れた性質を1 nm以下の厚さで実現できる可能性を示している。

図1. 二次元結晶の電子移動度と禁制帯幅

図2. HfS₂の結晶構造

実験ではスコッチテープを用いた機械的剥離法により数原子層の厚さを持つHfS₂薄片を基板上に転写した。原子間力顕微鏡による評価では2～10原子層程度の厚さをもつ薄片が確認された。これら薄片上に金属電極を形成し、裏面半導体基板をゲート電極としたMOSトランジスタ構造を作製した。電流電圧特性では良好な飽和特性を持つトランジスタ特性を確認し、ゲート変調による電流のオンオフ比も10⁴が得られた。これにより従来絶縁体と考えられていたHfS₂が電子デバイスとして利用可能であることを明らかとした。

図3. 機械的剥離法によるHfS₂結晶の薄層化

図4. 作製したMOSトランジスタ構造

図5. トランジスタの電流電圧特性

さらに大きなゲート容量により、低い電圧で多くの電子を発生させ、高電流での動作が期待される電解質ゲルをゲートとした電気二重層トランジスタと呼ばれる構造を用いた特性評価を行った。オン/オフ比105を維持しつつ、従来の遷移金属ダイカルコゲナイドを上回る電流密度が得られた。これは、HfS₂のもつ電子デバイスとしての優れた特性を示唆する結果である。

背景

情報技術の進歩はLSIの基幹素子であるMOSトランジスタの性能向上に支えられており、この為にはスケーリング^[用語6]と呼ばれる素子サイズの縮小化が重要となる。電流を制御する領域（チャネル）の長さを短くすると低電圧・高速での動作が可能となる。一方で漏れ電流に起因する消費電力を抑制するためにはチャネルの厚さを同時に薄くしていくことが必要である。近年ではチャネル長さは10 nm以下の領域まで縮小化が進みつつあり、この領域ではチャネル厚さについても数 nm以下まで削減することが望ましい。しかし従来の半導体材料系では表面に原子レベルの凹凸が存在し、極薄膜では電流輸送特性の急速な劣化による駆動能力低下が避けられない。

二次元材料は原子レベルの平坦性・厚み（<1 nm）を実現可能であり、その状態でも高い移動度が期待できる。もっとも有名な二次元材料であるグラフェン^[用語7]は100,000 cm²/Vs以上という高い移動度が予測されているが、バンドギャップを持たないことから、LSI素子としては消費電力の削減に課題がある。そこでバンドギャップを有する二次元材料が注目を集めている。特にその代表として二硫化モリブデン（MoS₂）が研究されているが、電子移動度が理論上あまり高くないという問題があった。

研究の経緯

HfS₂はMoS₂と比較した場合、単原子層における電子移動度で数倍の値を示すことが見込まれており、低消費電力と高速動作を両立する新材料として期待される。一方で単体の結晶としては導電性が低いことが実験的に確認されているため、これまで半導体材料としては注目されない未開拓の材料であった。このHfS₂が持つ電子デバイス材料としての可能性に着目し、その優れたポテンシャルを引き出すことを目指した。

今後の展開

HfS₂表面を適切に保護するとともに電極との接触を改善することで、電解質電極と同等の性能を固体ゲート絶縁膜を用いて実現し、超低消費電力デバイス実現へ向けた取り組みを行う。

また、HfS₂は他の二次元材料との異種材料接合における顕著な量子効果の発現が見込まれ、二次元系トンネルトランジスタ等への発展的な応用も期待される。

論文情報

掲載誌 :	Scientific Reports
論文タイトル :	Few-layer HfS2 transistors
著者 :	Toru Kanazawa1, Tomohiro Amemiya1,2, Atsushi Ishikawa2,3, Vikrant Upadhyaya1, Kenji Tsuruta3, Takuo Tanaka1,2 & Yasuyuki Miyamoto1
所属 :	1 Tokyo Institute of Technology, 2 RIKEN, 3 Okayama University
DOI :	10.1038/srep22277