新しいタイプのトランジスタは、1層または2層の原子層ほどの薄さを実現できる新しい材料から構築されており、本質的に2次元のデバイスとなっています。この極薄さにより、従来の半導体デバイスよりも発熱が少なく、動作に必要な電荷も少なくなります。
同素元素
ダイヤモンドと一般的な鉛筆を構成するグラファイトはどちらも炭素元素で構成されていることはよく知られています。これら2つの例の違いは、炭素原子が互いに結合する方法にあります。これらの対照的な分子構造は同素体と呼ばれます。
グラフェンは、わずか原子1個分の深さの層にしか存在できない炭素の同素体であり、2D (2次元) 材料とも呼ばれ、世界中で急速に知られるようになっています。グラフェンは科学的に知られている最も強力な材料として有名であり、電気を伝導する驚異的な能力でも知られています。
黒リンとは何ですか?
黒色ヒ素リン、またはホスホレンは、わずか1原子層の厚さのシートに構造化できる別の材料です。しかし、ここでの違いは、ヒ素をドープすることで半導体として機能することができるという点です。
ドーピングはバンドギャップを変化させる効果があり、バンドギャップとは、電子が価電子帯から伝導帯にジャンプするのに必要なエネルギーのことです。電子がこの動きをすると、物質は絶縁体から電気の導体に変わります。
トランジスタにおけるホスホレン
これが半導体の本質です。材料中のヒ素の濃度を変えることによってバンドギャップを調整できます。この材料を作成するための新しい技術は、ミュンヘン工科大学とレーゲンスブルク大学のマリアンヌ・ケプフによって開発されました。この技術により、高価で困難な高気圧を必要とせずにホスホレンを製造できるようになります。南カリフォルニア大学電気工学部の教授である周教授と劉博士は、次のステップとして、この新素材から実際の電界効果トランジスタを構築することに成功した。
ホスホレンには機械的に柔軟であるという特性も備わっており、これは現在開発中の新世代のウェアラブルデバイス用の半導体デバイスに非常に望まれている特性です。バンドギャップを変化させることにより、ホスホレンは電子センサーの開発にも非常に役立ちます。
2D半導体の限界
グラフェンは最も薄い状態では非常に繊細であることが証明されていますが、数原子層の厚さのより堅牢なバージョンを構築すると、電荷が1つの原子層のみで移動するように設計できます。したがって、ほんの少しのスペースが犠牲になるだけで、電気的に言えば、まだ原子1層の厚さしかないため、追加の電流は必要ありません。
この新しい半導体はまだ研究段階のデバイスに過ぎず、商用デバイスを製造するには無数の製造上の課題を克服する必要がある。しかし、トランジスタをどれだけ小さくできるかという限界に、現在近づいているように思われます。なぜなら、原子1層よりも薄いものは存在しないからです。