シリコン半導体に置き換わる新デバイスーー集積度の限界を超える「金属-空気トランジスタ」

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オーストラリアのRMIT大学の研究チームは、現在のシリコンベースのトランジスタに替わる新しいデバイスとして、電界放出型「金属-空気トランジスタ」を開発した。集積度の限界に近づきつつあるトランジスタ技術をあと20年は延ばせる可能性があり、研究成果は2018年11月16日付けの『Nano Letters』に掲載されている。

半導体の集積度には、2年ごとに倍増するという「ムーアの法則」がある。プロセスの微細化が進むにつれ、現在の技術は物理的な限界に近づいており、その終焉は2025年にやってくるとも言われている。

研究チームは、従来のシリコンベースの半導体ではなく、金属ベースの空気チャネルトランジスタ(ACT)を開発した。ソース電極とドレイン電極は平面構造で先端を尖らせ、向かい合うように対称的に配置。両者の間には35nm以下のエアギャップを設けて、空気チャネルとした。このギャップは空気中の電子の平均自由行程以下であるため、電子は室温、大気圧下という条件下でも散乱することなく、空気チャネルを移動できる。金属のボトムゲートで電界放出を調整し、全体としてトランジスタとして動作する。

試作では電子ビームリソグラフィと薄膜形成技術を利用して、タングステン、金、プラチナベースのデバイスを作製し、電圧2V以下、電流は数十nAであることを確認した。実験結果から、タングステンと金ではファウラーノルドハイム(Fowler-Nordheim)トンネル効果が、プラチナではショットキー放出が支配的なメカニズムだと考えられる。

ACTデバイスの利点は多いと研究チームは語る。製造工程はシングルステップになり、エミッタとコレクタを敷設してエアギャップを最適化するだけで、3Dトランジスタネットワークが作れ、体積あたりの集積度を上げることができるという。標準的な半導体製造と似たところはあるが、ドーピング、熱処理、酸化、シリサイド形成といった多くの工程は不要になるため、結果的に製造コストが劇的に削減できるだろう。

今後は電極の構成や材料の最適化をして、安定性と効率の向上を図る予定だ。現在は、電界が集中すると電極チップが局所的な融解を起こして電子の放出効率が下がるため、駆動電圧の最適化を考えており、あと2年で実現するという。

ACTの理論的なスピードはテラヘルツ領域、つまり現在の半導体デバイスの1万倍も速いという。また、電子は真空中でも空気中と同様にチャネルを移動できる。ガラス、プラスチック、エラストマーといった誘電体にも作製できる可能性がある。宇宙空間や放射線の影響が強い場所での利用、ウエアラブル技術への応用が期待できる。

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