NIMS、分子を量子ドットとして用いた縦型共鳴トンネルトランジスターを開発

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(a) 分子を内包した縦型共鳴トンネルトランジスタの模式図。 (b)作製した試料断面の走査型トンネル電子顕微鏡像。

物質・材料研究機構(NIMS)は2017年7月31日、同機構の研究グループが、分子を量子ドットとして用いた縦型共鳴トンネルトランジスターの作製および動作の実証に成功したと発表した。シリコンデバイスと同じ微細化プロセスを適応し、分子の持つ離散的なエネルギー準位を利用して、“0”と“1”の2値だけでないトランジスターの多値制御につながる成果を得た。

単一分子をトランジスターやメモリーの素子に用いる分子デバイスは「究極のナノエレクトロニクス」とも言われ、近年、単一分子の電気伝導を計測する技術の確立により、優れた機能が示されてきた。しかし分子デバイスを集積する技術がまだ確立されておらず、基礎物性の評価に留まっている。一方、シリコントランジスターのさらなる高性能化のため、トンネルトランジスターや単電子トランジスターが注目されている。しかし、トンネルトランジスターは、“0”と“1”の2値動作という点で従来のトランジスターと変わらず、多値制御が可能な単電子トランジスターも、量子ドットのサイズをナノスケールで均一に制御することが困難で、実用化に至っていない。

同研究グループはこれまで、絶縁体の間に分子を壊すことなく集積する技術を確立し、分子を量子ドットとして、絶縁体間に共鳴トンネル電流が流れることを実証してきた。分子はナノスケールで均一に合成できるため、サイズも容易に制御できる。さらに、分子のエネルギー準位が分子設計や外場によって制御できる利点を活かし、共鳴トンネル電流の多値制御ができることを2端子構造において実証してきた。

今回同研究グループでは、これらの成果を発展させ、絶縁体部分に分子を内包したチャネル層を、既存のリソグラフィー技術を用いて微細加工し、縦型共鳴トンネルトランジスターを作製した。既存の微細化技術は、有機材料であるレジストや有機溶媒を使用するため、通常の分子デバイスでは使用できない。だが、今回のトランジスター構造は分子が絶縁膜で保護されており、シリコンプロセスで培った微細化技術が適応できる。さらに、作製したトランジスターを用いて、低温条件下(20K)でゲート電圧によってトンネル電流が階段状に変化する様子を観測した。

今回のトランジスター構造は縦型のため高集積化でき、トンネル電流を使うことで低消費電力化にもつながる。さらに、分子設計に基づいたトランジスターの多値制御が実現できることを示しており、シリコントランジスターを超えた高速化、高集積化、低消費電力化を実現する次世代ナノトランジスターの開発が期待できるとしている。

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