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光で2次元半導体の伝導度を10万倍アップ

IBS、レーザーで原子の厚さの半導体のドーピングに成功···単一集積回路を開発


IBS(基礎科学研究院、キム・ドゥチョル院長)は原子制御低次元電子系研究団のヨム・ハヌン団長とチョ・ムンホ副研究団長の研究チームが2次元半導体に光を当てるとドーピングが起きるレーザードーピング技術を開発したと9月16日に発表した。数秒間レーザーを照射するだけでドーピングできる経済的な技術で、研究チームは2次元半導体の単一集積回路の製造にも成功した。

次世代半導体の候補として注目されている原子層2次元半導体は紙のように巻ける電子機器、モノのインターネット(IoT)電子部品、極超小型コンピュータを実現するための核心素材。これまでの技術的問題は高性能回路をつくるためのドーピング技術がまだないという点だった。

ドーピングは一種の不純物を注入して半導体の伝導率を上げる工程で、電子機器製造には必須。商用化されている電子機器は液体や気体の状態のイオンを注入してドーピングする。だが非常に薄い2次元半導体に不純物を注入すると割れる可能性があり、また濃度を繊細に調節するのが難しいという限界があった。ソ・スンヨン研究員(POSTECH新素材工学科)が論文第1著者として主導した本研究では人為的に不純物を注入せずに可視光線の照射により原子層2次元半導体トランジスタ素子のp-型ドーピングに成功した。

研究チームは走査トンネリング顕微鏡(STM)で半導体を観察して電子の多いタイプのn-型半導体に緑色(波長532nm)のレーザー光を数秒間照射した。レーザーが照射された半導体の表面と内部には局所的な原子欠陥が生じ、以後欠陥の生じた空間に空気中の酸素から正孔が注入され最終的に正孔の多いp-型にドーピングされた。研究チームは光の強さと照射時間を調節してドーピング濃度を制御することにも成功した。正孔の濃度によって半導体素子の電気伝導度は最大で10万倍まで高まった。

今回開発されたレーザードーピング工程は大気中で数秒以内と速く、大面積のドーピングが可能なため既存の技術に比べて簡単で経済的。集積回路の商用化技術にただちに応用できるのも長所。研究チームはさらに開発したドーピング工程を利用してさまざまな2次元半導体回路を製造することにも成功した。テルル化モリブデン(MoTe2)化合物にレーザードーピングを利用して2次元バイポーラトランジスタ(Bipolar Junction Transistor)や2次元光電圧変換器などを開発した。これは原子層2次元半導体を材料にドーピングし実際の回路に利用した初の事例となった。製造された半導体回路は非常に優れた電流増幅性能を示した。

研究に当ったチョ・ムンホ副研究団長は「半導体物質と光の相互作用に関する基礎研究が次世代半導体回路応用技術に還元された点に意義がある。基礎研究と応用技術の循環一体型研究は未来の技術開発における新たな価値創出方式の核心となるだろう」と話している。

研究成果は電子素子分野の学術誌『Nature Electronics』電子版に9月14日付で掲載された。






[2018-09-18]

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