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2次元リンが高性能トランジスタのペースを握る
(Nanowerk News) 新しく発見された青い形の極薄リン – 電荷キャリア（負と正の電荷）のトランジスタへの注入を強化するように調整できる電子特性を持つ – は、次世代電子デバイスを前進させることになりそうです。
グラフェンや遷移金属ジカルコゲナイドなどの2次元半導体は、電界効果トランジスタ（FET）における電荷キャリア輸送に極薄のアクティブチャネルを提供することにより、電子機器の小型化を推進することが期待されています。
FETは、電圧の印加によってチャネルを流れる電流を変化させ、電子的に制御されたスイッチや増幅器のような働きをする、現代の回路に不可欠なデバイスです。しかし、半導体チャネルと金属電極の界面には電気抵抗が発生する。このため、デバイスへの電荷注入が制限され、FETのポテンシャルを十分に発揮することができません。
「この接触抵抗を減らすことで、電流供給能力が向上し、FETの性能が改善されるため、将来のマイクロエレクトロニクスへの道が開かれます」と、ウド・シュヴィンゲンシュレーグルのグループの博士課程学生であるシュバム・タギは述べています。
現在、シュヴィンゲンシュロングルの研究チームは、最近発見された2次元のブルーフォスフォレンを単一電気活性物質として使用した接合不要のFETを設計しています。ブルーホスホレン自体は半導体だが、2層に積み重ねると金属になる。
最近発見された青色形態の超薄膜ホスホレンを用いた電界効果トランジスタのイメージ図
最近発見された青い形の超薄膜リンを利用した電界効果トランジスタの図解。(画像：KAUST)
この研究成果は、npj 2D Materials and Applicationsに掲載されました（「High-performance junction-free field-effect transistor based on blue phosphorene」）。
Tyagiは、「ブルーホスホレンが積層によって電子特性を変化させることができることは、このデバイスにとって非常に重要です」と述べています。「チャネルを通じて高いキャリア移動度を実現する結晶方位が得られたら、接合フリー設計によって接触抵抗に対処できるため、良い結果が得られると確信しました」とTyagiは付け加えます。
ジャンクションフリーデバイスの中心は、チャネルとして機能する青色ホスホレン単層であり、電極として機能する2枚の金属青色ホスホレン二重膜の間に位置しています。チャネルと電極は同じ材料で構成されているため、連続した構造となり、抵抗が低減される。
研究チームは、コンピュータシミュレーションを用いて、提案したFETの量子輸送を、アームチェアとジグザグという2種類の方向について調べました。どちらの構成でも、FETはチャネルと電極間の電子移動を効果的に仲介し、スイッチングと増幅の基準を満たすことができました。このFETは、ブラックフォスフォレンや単層二硫化モリブデンなど、他の二次元材料を用いたデバイスを凌駕しています。
「将来的には、FETの性能を向上させるさまざまな方法に取り組みたいと考えています」とTyagiは言う。
研究者たちは、弱い相互作用で結合したシートからなるファンデルワールス材料を用いて、トランジスタのゲートと電極間の電流リークを低減することに取り組んでいます。また、スピントロニクスデバイスを開発するために、このアイデアを磁性材料に拡張する方法を模索している。