2 2 次元層状物質とシリコンの融合デバイス

2 次元層状物質を組み合わせることにより全く新しい特性を持つシリコンデバイスを実現
シリコンと原子 1 個分の厚さしかないような層状の物質を組み合わせると、シリコンにはなかった特性を持たせることができる。NTT 物性科学基礎研究所（以下、物性研）フロンティア機能物性研究部 ナノデバイス研究グループでは、このことを利用した新たなデバイスの研究開発に取り組んでいる。

2 次元層状物質をシリコンナノデバイスに活用

二硫化モリブデン（MoS2）を活用したトンネルダイオード

物性研はシリコンを用いて高性能初期の研究成果の 1 つが、シリなナノデバイスを実現してきた。シコ ン と 二 硫 化 モ リ ブ デ ン（ 以 下、リコンデバイスは製造技術が発達しMoS2）を組み合わせて実現した、ており実用化しやすいというメリッ特殊な電流特性を持つトンネルダイトがある。一方、デバイスにシリコオードだ（図 1）。

NTT 物性科学基礎研究所

ンを超える性能やシリコンにはない

一般的にダイオードを製造する際特性を持たせることはできない。

はシリコンにさまざまな化合物を不「たとえばシリコンは極めて発光純物として添加し、p 型／ n 型半導しづらい物質であるため、LED の体 と 呼 ぶ 2 つ の 領 域 を 作 り 出 す。

特別研究員

ような発光するシリコンデバイスを電圧を印加すると 2 領域の接合面わることを利用したのがトンネルダ実現するのはかなり困難であると考である pn 接合を乗り越えて電子がイオードだ。この特性が高周波の発えられています。そこでシリコン以移動することで電流が流れる。添加振回路などに利用されてきた。

外の物質を組み合わせることによする化合物の濃度を極端に高めると1 個のモリブデン原子と 2 個の硫り、新たな特性を実現する研究を電圧に対する電流の特性が大きく変黄原子からなる MoS2 は、自然界にフロンティア機能物性研究部
ナノデバイス研究グループ
グループリーダ

西口 克彦氏行っています。
」（西口氏）
物質には原子が 1 層だけ並んでいるような極めて薄い層状にする

MoS2と、3 次元構造の結晶であった際とは異なる特性を示すものがある。そのような薄い層状の物質は「2 次元層状物質」と呼ばれており、その特性を活かす研究が活発に行われていSiる。物性研がシリコンと組み合わせようとしているのも、この 2 次元層状物質だ。

ビジネスコミュニケーション

AuPd
図12023 Vol.60 No.7

MoS2 とシリコンによるトンネルダイオード（写真と構造図）

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特集

単電子レベルの極限的な性能を追求する
単電子レベルの極限的な性能を追求する
特集
NTT物性科学基礎研究所
NTT物性科学基礎研究所
ナノデバイス研究グループ
ナノデバイス研究グループ

おいて層状の結晶構造を持った状態なエネルギーを持つため、より効率合わせ、グラフェンの振動を電気信で存在する。そして原子 1 個の厚的に物質に作用できる。しかし電子号に変換するデバイスを開発した。

さの層状にすると 3 次元構造の状を放出するにはかつて電球に使わこのような構造は MEMS（Micro態よりも電気が流れやすくなるといれていたフィラメントを発光させる

Electro Mechanical Systems）と呼う性質がある。物質を削るなどしてような仕組みが必要になる。大きなばれ、半導体基板上で極小のセンサ

精度良く原子 1 層の厚さの層状に電流が必要でフィラメントが消耗しなどを形成するのに用いられる。身加 工 す る こ と は 極 め て 難 し い が、やすい。また電子が気体中の物質と近な例ではスマートフォンのマイク

MoS2 は自然界で 1 層の状態で存在反応してしまいやすいため、フィラにも利用されている。

し得るため加工しやすく、さまざまメントの周囲を真空状態に保つ装置

感度の良いセンサとして機能するな活用が研究されている。

を用意するといった対策が必要でためにはグラフェンが高速に振動すあった。

ることが重要であった。そのためグシリコン層の上に SiO2 を絶縁体として配置し、さらに MoS2 の薄膜一方、非常に薄い金の膜を用意でラフェンを 1 層ではなく多層の状を貼り合わせて実現した物性研のトきれば原理的には一般的な電池レベ態にすることで、ある程度の強度をンネルダイオードは、従来のトンネルの電圧により電子を放出できるこ持たせるよう工夫した。

ルダイオードでは難しい優れた電圧とが古くから知られている。しかし

図 2 左に示すデバイスの構造図

─電流特性を実現している。

金を 2 次元層状物質のように薄く加上部、白い膜がグラフェンを示して「優れた特性を得るには添加する工することが難しく、実用化されている。図 2 右はこのデバイスを上化合物の濃度が均一になり、pn 接いなかった。そこで物性研が着目しから撮影した写真であり、グラフェ合の境界が明確であることが重要でたのがグラフェンの活用であった。

ンの下にシリコンによる細いチャネす。しかし、実際にはどうしてもグ「グラフェンは炭素原子 1 個分のルが透けて見えるのがわかる。図 3

ラデーションのように濃度の異なる厚 さ を 持 つ 2 次 元 層 状 物 質 で す。に MEMS の振動を検出する回路図、領域ができてしまいます。我々の方グラファイト（黒鉛）に粘着テープ

図 4 に実験で検出した MEMS 振動式ではそもそも物質が混ざる可能性を貼り付けて剥がすことで簡単に得の様子を示す。

がないので良好な特性を実現できたることができます。これを金の替わ「実験では 10 層のグラフェンをと言えます。このような 2 次元層りに使うことで、古くから知られて使 用 し、2020 年 の 時 点 で状物質を組み合わせたシリコンデバいた原理を応用しようと考えまし200MHz、現在は 500MHz での動イスを提案したのは NTT 研究所がた。構造はトンネルダイオードの例作を確認しています。グラフェンを初めてでした。
」（西口氏）とほぼ同じで、上に載せる物質を利用したセンサとしては世界最高レ

グラフェンを活用し電子線の放出を可能に

MoS2 からグラフェンに変えただけベルの速度です。分子などの微細なです。この構造に電圧を印可するこ物質が触れるだけでグラフェンが振とで、グラフェンの表面から電子が動しその信号を検出できるため、超次に紹介する研究成果は電子を放放出されます。実際に電子線を照射高感度な質量センサやガスセンサの出するデバイスの実現だ。紫外線をできるデバイスを試作し、動作を確実現に役立つ可能性があると考えて照射するとそのエネルギーによって認しました。」（西口氏）います。」（西口氏）

照射された物質の特性を変化させる

高感度かつ高速なセンサを実現す

多層グラフェン MEMS の
機械振動検出る上では、物性研自身が開発した単座に硬化させるといったことに利用グラフェンを高感度なセンサに電荷センサ（本特集されている。紫外線により肌が焼け利用する研究も行っている。弦のよるのも同じ理屈だ。

うに振動しやすい大きさに加工しことができる。このことが殺菌や、粘着テープの粘着質や塗料などを即電子線は紫外線よりも格段に大き20一の電子を室温で高速に検出できる参照）の技術も重要な役割を果たしている。

たグラフェンと電荷センサを組みビジネスコミュニケーション

2023 Vol.60 No.7

800 nm
RF gate

SiO2トなどの面でメリットがあると言われている。このチップレットは、さらなる集積化のため注目されている積層構造の集積回路にも適していると考えられる。
こうした背景から、2 次元層状物質を活用し、シリコンだけでは不可Mutilayer
graphene

能な性能や機能を持つシリコンナノデバイスを実現する研究活動の意義と期待について、西口氏は次のようNanowire Si channelsに述べている。

（10-nm x 140-nm）「チップレット技術を用いて積層図 2 多層グラフェン MEMS の振動を検出するデバイス（左：構造図。右：多層グラフェンとシリコン細線によるチャネルの写真）構造にすると平面で多数の回路を接続するよりも配線の距離を短くすることができます。情報のやり取りが次の狙いはシリコン LED

チップレットの高性能化や新たな機能実現に役立つ紹介してきたような研究を経て現2 次元層状物質を利用しシリコンになると考えられています。2 次元在検討しているのが、グラフェンとデバイスで性能向上や新たな機能を層状物質を活用してさまざまな機能シリコンを組み合わせた発光デバイ実現することは、情報処理回路の集を持つシリコンのナノデバイスを開スだ。

積化と小型化、消費電力削減などの発できれば、それらを積層構造の「グラフェンをナノメートルサイ面で大きな意味がある。

チップレットに接続することで、こ劇的に早くなるなどのメリットがあるため、この方式がこれからの王道システムに必要な機能を高度に集れまでにはなかったような機能を持御することで、長波長の光を発する積化した 1 つのチップとして実装

つチップレットを実現できるようにシリコンデバイスを実現できる可能したものを SoC（System on Chip）なると考えています。」

性があると考えています。この研究と呼んでいるが、近年は機能ごとにはまだこれからの段階にあるのです

回路を分けて製造し、それらをチッが、ユースケースとしてイメージしプ上で接続してシステムを実現するているのがテラヘルツ発信デバイス「チップレット」という手法への注で、超高速通信や非破壊検査などへ目が高まっている。個々の回路の難の利用が期待できます。」（西口氏）

易度に合わせて適した製造技術を採用できるため、歩留まりや製造コス

センサ信号

ズのリボン形状にし電気的特性を制

320

340

360

周波数（MHz）
図3

ビジネスコミュニケーション

多層グラフェン MEMS の振動を検出する回路

2023 Vol.60 No.7

図4

MEMS 振動の検出結果

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