CNT分子内トランジスタの作製および測定技術の開発に成功――半導体CNTの実用化に期待 NIMSら

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物質・材料研究機構(NIMS)、産業技術総合研究所(AIST)および東京大学大学院工学系研究科は2021年12月24日、CNT(カーボンナノチューブ)分子内トランジスタを作製したと発表した。

半導体CNTは、エネルギー効率が高いナノトランジスタ用材料として有望視されている。一方で、電子特性や立体構造を左右する各CNTのらせん構造をいかに制御するかが課題となっていた。

同研究チームは今回、透過型電子顕微鏡(TEM)内で独立した3次元操作が可能なナノマニピュレーション技術を開発した。2本の探針を備えた二探針ピエゾ駆動ホルダーを用いている。

金属電極エッジから突出した各CNTをTEM観察下で探し、ナノ探針を接近させ、加熱(ジュール熱)と引っ張り歪みによりCNTを塑性変形させることで、局所的なカイラリティの変化を中間のホットスポットに生じさせた。さらに、電子回折パターンと球面収差(Cs)補正TEMにより原子分解 TEM像を取得し、これを解析することで、らせん角が増大する傾向を見出した。

また、CNTの電気輸送特性をTEM内で測定した。CNTを架橋したチャネル、固定電極をソース電極、1本のナノ探針をドレイン電極、もう1本のナノ探針をゲート電極としたサスペンデッド型トランジスタ(冒頭の画像a)を配置し、測定結果をフィードバック信号に用いている。熱/応力の調整を繰り返し行い、金属CNTから半導体CNTへの転移制御を可能とすることで、CNT分子内トランジスタを作製した。

CNTの直径を連続的に縮めると、ドレイン電流を流すのに要するゲート電圧が大きくなった。CNTのバンドギャップがCNTの直径に反比例することが判明している。

同研究チームは、直径約0.6nm、チャネル長約2.8nmのCNTトランジスタを作製した。0.5Vの駆動電圧下で、ON電流が0.74μA(電流密度が1233μA/μm)、OFF電流が0.2nA、ON/OFF比が3700となっている。サブスレッショルド・スイング(SS)は1.33V/decで、既存のサスペンデッド型トランジスタよりも優れた値となった(冒頭の画像b、c)。

カイラリティが変化したCNTチャネルの長さがnm単位となっており、円周方向に加えて軸方向にも量子力学的な閉じ込め効果が発生していることが推察される。ゲート電圧-ドレイン電流特性において、チャネル長約8nmのCNTトランジスタでは、ファブリ・ペロー干渉に相当するON状態でのコンダクタンスの周期的な変動も観測された。

室温下で量子干渉がCNTに観測されたのは、カイラリティ変化が発生した短いセグメントの大きなエネルギーギャップに加えて、共有結合したナノチューブ接合部での電子散乱が減少したことが要因とみられる。

同研究チームは今後、実用的な原子精度の材料構造を検討する。単一分子や単一原子レベルの電子、量子機能デバイスの設計および製造を目標とする。

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