遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD)が次世代半導体の有力な候補になるかも知れない

2024年7月11日

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シリコンベースの半導体技術が物理的限界に近づく中、米国エネルギー省のプリンストンプラズマ物理研究所（PPPL）の研究チームが、革新的な2次元材料を用いた次世代半導体の開発に大きな進展を見せている。この画期的な研究は、より小型で高性能なコンピューターチップの実現に向けた重要な一歩として注目を集めている。

未来のチップ材料は小さな金属のサンドイッチ

PPPLの研究チームが注目しているのは、遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）と呼ばれる2次元材料だ。この材料は、驚くべきことにわずか3原子分の厚さしかない極めて薄い構造を持ち、従来のシリコンチップを凌駕する可能性を秘めている。

研究チームのリーダーであるShoaib Khalid氏は、現状を次のように説明する。「チップはどんどん小さくなっており、機能性とサイズの面でほぼ限界に達しています。」実際、半導体の性能向上を予測するムーアの法則は、その限界に直面しつつある。現在、最先端のチップの最小構造は約3nm（ナノメートル）にまで達しており、人間の髪の毛の幅（約80,0003nm）と比較すると、その微細さが際立つ。

このモデルは、カルコゲン原子が欠落しているはずの場所を示しており、それ以外は乱されていない原子パターンの中心にある黒丸で表されている。この図はTMDの中間層を見下ろしている。 (Credit: Shoaib Khalid, Bharat Medasani and Anderson Janotti / PPPL and the University of Delaware)

TMDの構造は、Khalid氏によると「小さな金属サンドイッチ」のようだという。「『パン』の部分はカルコゲン元素で、これは酸素、硫黄、セレン、テルルのいずれかです。『具』の部分は遷移金属で、周期表の3族から12族までの金属元素が使用できます」この独特な構造により、TMDは従来のシリコンチップにはない特性を持つことができる。

研究チームは、TMDの原子構造に生じる微小な変化、いわゆる「欠陥」に注目している。これらの欠陥は、一見すると望ましくないように思えるが、実際には材料の電気的特性に大きな影響を与え、有益な効果をもたらす可能性がある。

例えば、製造過程で水素が存在すると、過剰な電子が生じ、材料にn型半導体の性質を与えることが明らかになった。Khalid氏は次のように説明する。「欠陥の種類と性質によって、材料の特性が変化します。例えば、過剰な電子を生み出してn型にしたり、正孔を増やしてp型にしたりすることができるのです」。

この発見は、原子レベルでn型とp型の材料を作り出す新たな方法を示唆している。従来のシリコン半導体技術では、ドープ、またはドーピングと呼ばれる結晶の物性を変化させるために少量の不純物を意図的に添加するプロセスによって、n型やp型の特性を意図的に作り出していた。TMDを用いることで、より精密かつ効率的に半導体の特性を制御できる可能性が開かれたのである。

TMDがもたらす多様な利点

TMDには、従来のシリコン半導体にはない多くの利点がある。Khalid氏は以下のような特徴を挙げている：

調整可能なバンドギャップ：層数を変えることで電子的特性を制御できる。
極薄構造：単層でも3原子分の厚さしかない。
材料の多様性：様々な元素の組み合わせで作成可能。
柔軟性と耐久性：折り曲げても機能を維持する可能性。

これらの特性により、TMDは次世代のフレキシブル電子デバイスや超小型センサーなど、幅広い分野での応用が期待されている。

ただし、TMDの研究はまだ初期段階にあり、実用化に向けては多くの課題が残されている。例えば、大規模な製造プロセスの確立や、既存のシリコンベースの技術との互換性の確保などが挙げられる。

しかし、Khalid氏は楽観的な見方を示している。「最終的な目標は、より賢くて安価なチップを作ることです」この目標に向けて、研究チームは精力的に取り組んでいる。彼らの研究は、TMDに生じる欠陥のメカニズムを解明し、それらを制御する方法を開発することに焦点を当てている。

さらに、研究チームはプラズマを利用したTMD製造システムの設計も視野に入れている。これにより、アプリケーションに応じた精密な仕様のTMDベース半導体を作成することが可能になると期待されている。

論文

2D Materials: Role of chalcogen vacancies and hydrogen in the optical and electrical properties of bulk transition-metal dichalcogenides

参考文献

PPPL: Detecting defects in tomorrow’s technology
Tom’s Hardware: Researchers developing next generation 2D semiconductors investigate potential silicon replacement in transition-metal dichalcogenide

研究の要旨

他の半導体と同様に、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）における点欠陥は、その電子的・光学的特性に強い影響を与えると予想される。しかしながら、このような層状二次元材料における欠陥の同定は、過去10年間の広範な文献にもかかわらず、結論に議論の余地があり、非常に困難であった。我々は、第一原理計算を用いて、バルクTMDにおけるカルコゲン空孔と水素不純物の役割を再検討し、その形成エネルギーと熱力学的および光学的転移準位を報告する。 S空孔は最近観測されたMoS2フレークのカソードルミネッセンススペクトルを説明できることを示し、他のTMDにおいても同様の光学準位を予測した。 H不純物の場合、Mo面内の格子間サイトに安定に存在し、浅いドナーとして働くことがわかり、いくつかのTMDでしばしば観測されるn型伝導性を説明できる可能性がある。また、H不純物の局所振動モードの周波数を予測し、ラマン分光や赤外分光による同定に役立てる。