東京大学(東大)と理化学研究所(理研)は11月30日、グラフェンに続く次世代の原子膜材料として注目される二硫化モリブデン(MoS2)のFETを作製し、これが優れたトランジスタ特性を示すと同時に、電圧印加によって超伝導を発現させ、それを制御することに成功したと発表した。

同成果は、同大大学院 工学系研究科 量子相エレクトロニクス研究センターの叶劍挺 特任講師、岩佐義宏 教授(兼 理研 基幹研究所 強相関複合材料研究チーム チームリーダー)らの研究チームと、東大 大学院 工学系研究科 物理工学専攻・ 量子相エレクトロニクス研究センターの有田亮太郎 准教授(兼 理研 基幹研究所 強相関量子科学研究グループ 強相関理論研究チーム 客員研究員)らによるもので、詳細は米国科学雑誌「Science」に掲載された。

近年、シリコン半導体のプロセス微細化の限界が見え始めたことなどから次世代デバイスの実現を目指した基礎研究分野などでは、シリコン以外の酸化物材料や有機材料、炭素材料などを対象とした研究が行われている。その中で注目を集めている材料の1つが、グラフェンなどの原子膜物質であるが、グラフェンはバンドギャップがゼロないしは非常に小さいために演算素子としてのFETに応用するのは困難であるため、代わりに同様の層状構造を有する半導体材料に注目が集まるようになってきた。

これらの物質は有限のバンドギャップを持つためにスイッチング素子として、大きなON/OFF比を実現でき、FETに適している。特にMoS2は固体潤滑剤として古くから知られており、エンジンオイルの添加剤としても使われる程身近な物質で、これまでに原子膜MoS2を用いた高性能FETや、柔軟性を持ったFETも実現されてきた。

一方、FETの性能を向上させる1つの指針として、より多くの電荷密度を誘起することがある。近年、電気二重層(EDL)をゲート絶縁体に用いることで、従来の固体絶縁体使用時に比べて一桁以上大きい電荷密度を実現できることが報告されるようになってきた。EDLを用いたFETは、その定電圧動作だけでなく、電圧印加による物質の量子状態の制御をも可能にしており、そうした意味でもさまざまな分野から注目を集めるようになってきている。

今回、研究グループはMoS2のEDL-FETをスコッチテープを用いてグラフェンFETと同様な方法によって、ゲート電極を2つ有する2重ゲートトランジスタを作製した。

今回の研究で用いられたトランジスタのデバイス構造。MoS2原子膜をトランジスタのチャネルに用いて良好なトランジスタ動作を実現したほか、上部の電気二重層を介したゲート電極1と、下部の固体絶縁体を介したゲート電極2によって、超伝導を精密制御することに成功した

電圧印加による抵抗の変化の様子として、温度依存性を測定したところ、ゲート電圧なしではMoS2は、電気抵抗が高く、温度の低下とともに抵抗値が増加する絶縁的な振る舞いを示すが、ゲート電圧の上昇に伴って抵抗値が下がり金属的となり、最後に超伝導体へと変化することが確認された。

電界効果によるMoS2の絶縁体-金属-超伝導転移。電圧を印加していない状態では試料本来の絶縁的な温度依存性(黒線)を示すが、電圧を大きくするに従い抵抗値が減少(青線)し、温度低下に伴って抵抗も低下する金属的な振る舞いへと変化(緑線)する。さらに電圧を大きくすると低温領域において抵抗値が"0"になる超伝導転移が観測された

このように電圧によってさまざまな物質を超伝導化する研究は、2008年の研究グループの発見以降、多くの例が各所より報告されてきたが、今回の研究では、さらに精密な電子相図を描くことに成功した。例えばゲート電圧を変化させるとMoS2に蓄積された電子数が変化するが、その電子数に対し超伝導転移温度がどのように変化するかをまとめたところ、超伝導転移温度は、ある電子数から突然出現し、すぐに最高値をとり減少し始めることが確認されたとのことで、EDLゲートにより、物質の未踏領域に到達することが可能となったとする。

MoS2トランジスタにおける超伝導転移温度と電子数の関係。今回の結果(EDLT doping)から、ゲート電圧を印加してMoS2トランジスタにおける電子数を増やしてゆくと、超伝導が急に出現し、その後ある電子数でピークととることが明らかになった

今回の研究により、MoS2がFETの材料として優れた性能を有していること、ならびにFET構造のまま超伝導を発現することができるといった特異な性質を持つことが明らかにされたことから、研究グループでは、MoS2のような一群の層状物質には、グラフェンとは異なる新たな機能性が隠されていることが明らかにされた成果であり、今後は、これら一群の物質の原子膜デバイスの研究が進むことが期待されるとコメントしている。