多層MoTe₂トランジスタにおけるp型-n型挙動の制御と相補インバータへの応用

概要

相補型電子・光電子回路の構築には、p型とn型の両方のMoTe₂トランジスタが不可欠である。本研究では、Au電極を用いた大気安定なp型多層MoTe₂トランジスタを作製し、真空アニールによりn型トランジスタへ変換可能であることを実証した。温度依存的なインシチュ測定と第一原理シミュレーションにより、固有のn型挙動はテルル空孔に由来し、大気暴露による酸素/水レドックスカップルとの電荷移動がp型動作を安定化することを明らかにした。p型とn型のMoTe₂チャネルを用いて、V_DD = 5 Vで電圧利得9を示す相補インバータを作製した。

背景

グラフェンなどの二次元（2D）材料は原子レベルの薄さに剥離可能で、2D物理学とデバイス応用の新たな道を開いた。遷移金属ダルコゲナイド（TMDs）はサイズの大きなバンドギャップを持ち、機械的柔軟性と化学的不活性を備え、次世代電界効果トランジスタ（FET）、インバータ、発光ダイオード、ファンデルワールスヘテロ構造に適している。

2H-モリブデンジテルリド（2H-MoTe₂）は典型的なTMDで、バルクでは間接バンドギャップ0.83 eV、単層では直接バンドギャップ1.1 eVを持つ。スピントロニクス、FET、フォトディテクタ、太陽電池への応用が研究されている。多層2H-MoTe₂は大きな表面積対体積比を持つため、電子特性が大気吸着物の影響を強く受け、固有の輸送特性の抽出を困難にしている。

本研究では、ソース・ドレイン電極を持つ多層2H-MoTe₂トランジスタを作製し、クリーンなMoTe₂フレークを転写して電極間をブリッジさせた。デバイス全体を大気暴露し、吸着種の電荷輸送への影響を調べた。真空・温度依存測定により、トランジスタは本質的にn型であり、大気暴露でp型ドーピングされることを示した。密度汎関数理論（DFT）計算でn型挙動がテルル空孔に起因することを確認。p型とn型の相互変換を利用し、対称的な入出力特性と最大利得9（V_DD = 5 V）を示す相補インバータを構築した。

結果と考察

従来報告とは異なり、本デバイスレイアウト（図1a）はバックゲート構造から始まる。まずSiO₂/Si⁺基板上にCr/Auソース・ドレイン電極をパターニング。別のSiO₂/Si⁺ウェハーで機械的剥離により作製した多層MoTe₂フレークを転写し、電極間をブリッジさせ、クリーンでポリマーフリーなチャネルを確保した（図1b）。フレーク全体が大気暴露されるため、吸着物の固有コンダクタンスへの影響を体系的に研究できる。

AFM像で17 nm（約24単層）の厚さを確認（図1c,d）、ラマン分光で特徴的なA₁g（172 cm⁻¹）、E¹₂g（233 cm⁻¹）、B¹₂g（289 cm⁻¹）モードが観測され、高い結晶品質が示された（図1e）。

バックゲート測定はLakeshoreプローブステーションとAgilent B1500Aアナライザーを用い、圧力10⁻⁵ mbarまで、温度9-350 Kで実施。常温大気下での伝達曲線（V_sd = 1 V、図2a）はp型応答を示し、負ゲートバイアスでオン、正バイアスでオフ、オン/オフ比6×10³、サブスレッショルドスイング350 mV dec⁻¹、電界効果移動度8 cm² V⁻¹ s⁻¹であった。様々な厚さ（5-85 nm）のデバイスで同様のp型挙動を確認（補足ファイルS1-S3）。

図2bの出力特性は近似的な直線的I-V曲線を示し、大気中ではAuとMoTe₂間のショットキー障壁が無視できることを示唆。オン電流はV_sdに比例し（図2c）、オフ電流はV_sd上昇とともに増加しオン/オフ比が低下する。これは吸着物によるトラップ状態の特徴である。伝達曲線のヒステリシスもトラップの存在を裏付ける（補足ファイルS4）。

大気種の役割を分離するため、真空度を段階的に上げて測定した。図3aに示すように、真空度上昇とともにオン電流が減少（吸着物除去による抵抗上昇）し、オフ電流が上昇し、電子輸送が徐々に抑制される。2.9×10⁻⁵ mbarでの出力曲線（図3b）はわずかに大きなショットキー障壁を示し、吸着物が実効障壁高さを変調することを支持する。

温度依存測定（図4a）では、トランジスタは20 Kまでp型を維持。オン/オフ電流とも温度低下とともに減少し、オン/オフ比は改善。アレニウスプロット（図4c）で100 K以上で熱活性化領域、以下でトンネリング主導領域が見られ、120 meV以下の実効ショットキー障壁高さが抽出された（図4d）。低温でも残留吸着物がコンダクタンスに影響する。

さらに真空中で350 Kまでアニールした（図5a）。伝達曲線がp型からn型へシフト：350 Kでは負ゲートバイアスでオフ、正バイアスでオン、オン/オフ比3.8×10²、サブスレッショルドスイング1.1 V dec⁻¹、移動度2 cm² V⁻¹ s⁻¹。室温真空中で12時間保持後もn型挙動が持続（図6a）。523 KでのAr雰囲気追加アニールでもn型状態の安定性が確認された（補足ファイルS5）。

4×4単層スーパーセルでのDFT計算で、テルル空孔が伝導帯直下に欠陥準位を導入し、固有のn型伝導を説明することを明らかにした（図7）。一方、大気中のO₂/H₂O暴露では、MoTe₂から酸素/水レドックスカップルへの電荷移動が生じ（図8）、p型ドーピングとなる。MoTe₂の仕事関数（4.1 eV）がレドックスカップル（>4.83 eV）より低いため、電子移動と正孔生成が駆動される。

最後に、p型とn型トランジスタを用いて相補インバータを構築（図9a）。8×10⁻⁵ mbar真空中、V_DD = 5 Vで、インバータはV_DD/2を中心とした対称的な電圧伝達特性を示し（図9d）、ノイズマージンは低レベル1.54 V、高レベル1.77 V。電圧利得はV_DD上昇とともに増大し、5 Vで9に達した（図9f）。これらの結果は、MoTe₂が高性能相補論理デバイスのアクティブチャネルとして機能しうることを示している。

結論

大気安定なp型多層MoTe₂トランジスタを作製し、真空アニールにより固有のn型挙動を引き出せることを実証した。n型伝導はテルル空孔由来でDFTで確認。大気中の酸素と水がレドックスカップルとしてアクセプターとなり、デバイスをp型に変換する。両デバイスタイプとも吸着物存在下でショットキー障壁が低減し、高性能を発揮。これらの双極性トランジスタを活用し、電圧利得9の相補インバータを構築し、MoTe₂が将来の低消費電力・フレキシブルエレクトロニクスに有望であることを示した。

方法/実験

デバイス作製は標準的なバックゲート構造に従った。まず、Cr/Au（5 nm/100 nm）ソース、ドレイン、ゲート電極を300 nm SiO₂/p⁺-Siウェハー上にUVフォトリソグラフィでパターニングし、選択的SiO₂エッチングを行った。多層MoTe₂フレークは、化学気相輸送法（TeCl₄、750-700°C、3日間）で育成したバルク結晶から機械的剥離で別のSiO₂/Si⁺基板上に作製。PVA転写媒体を用いてパターニング電極上に転写し、水に溶解、イソプロピルアルコールで洗浄。デバイスはドライポンプ付きCVDチャンバーでアニール。厚さはAFM（SPA-300HV）で確認、ラマンスペクトルはLabRAM HR分光計（514 nmレーザー、2.2 mW）で取得。電気特性評価はAgilent B1500AアナライザーとLakeshoreプローブステーションで実施。DFT計算はVASPでPAW擬ポテンシャル、400 eV平面波カットオフ、緩和用12×12×1、電子構造用24×24×1のk点サンプリング、GGA-PBEフレームワークで実施。

略語

2D:

二次元

2H-MoTe₂:

2H型モリブデンジテルリド

AFM:

原子間力顕微鏡

DFT:

密度汎関数理論

DOS:

状態密度

FET:

電界効果トランジスタ

GGA:

一般化勾配近似

IPA:

イソプロピルアルコール

Isd:

ソース・ドレイン電流

LED:

発光ダイオード

NM_H:

高レベルノイズマージン

NM_L:

低レベルノイズマージン

PAW:

プロジェクタ拡張波

PBE:

ペルデ・バーク・エルンツェルホフ

PVA:

ポリビニルアルコール

SD:

ソース・ドレイン

SS:

サブスレッショルドスイング

TMDs:

遷移金属ダルコゲナイド

VASP:

ウィーンアビニシオシミュレーションパッケージ

Vbg:

バックゲート電圧

Vsd:

ソース・ドレイン電圧

VTC:

電圧伝達特性

ΦSB:

ショットキー障壁高さ