韓国の研究チーム、極薄膜の原子置換でトランジスタ部品を形成

電子スイッチの小型化へ、0.7ナノメートルの一歩

韓国の研究者らは、薄膜内の特定の原子を置き換えることで、トランジスタの主要部品を単一の薄膜内に形成した。室温で従来型トランジスタの理論限界に近い電流制御を実現した。この技術は厚さ約0.7ナノメートルの層で機能し、極小電子デバイスの構造を簡素化できる可能性がある。

基礎科学研究院（IBS）のファンデルワールス量子固体研究センター長で、浦項工科大学（POSTECH）の特別教授を務めるチョ・ムンホ氏が率いるチームは、二セレン化タングステンを出発材料とした。セレン原子を酸素、硫黄、またはテルルに置き換え、電気を絶縁する領域、電流を流す領域、電流が半導体に入るのを助ける領域を作った。

このトランジスタは電流を10倍にするのに、ゲート電圧を61.3ミリボルト変化させる必要があった。これは室温で約60ミリボルトとされる理論上の最小値に近い。オン状態の電流はオフ状態の1,000万倍を超えた。

研究チームはさらに、垂直に積層したトランジスタで小型回路を作り、1ボルトで電気信号を反転させた。一連の成果は、材料の各層を精密に制御する技術と実際に動作する回路を結びつけた一方、半導体製造へと展開することが次の大きな課題として残っている。

材料の組み立てが難しい理由

トランジスタは電気で制御するスイッチだ。電流が流れる半導体チャネル、そのチャネルをゲートで制御できるようにする絶縁層、そしてデバイスを回路の他の部分につなぐ電極が必要となる。それぞれの部品は役割が異なるため、各部の境界を適切に機能させることが欠かせない。

二次元材料と呼ばれる半導体は、原子数層の厚さでも有用な特性を保つ。しかし、その表面は他の材料と化学結合を形成しにくい。そのため、絶縁膜を均一に成膜するのは難しい。金属電極を直接取り付けると接触面が損傷したり、電気抵抗が生じて電流が制限されたりする場合もある。

別々に作製した薄膜を移動させて積み重ねる方法もあるが、製造工程が増える。韓国のチームは代わりに、出発材料の薄膜内に必要な材料を複数形成し、異なる薄膜を接合する必要を減らした。

3種類の置換原子が担う3つの役割

二セレン化タングステン（WSe2）は、上下のセレン原子に挟まれたタングステン原子の層でできている。研究者らはタングステンを残し、セレンだけを選択的に置き換えた。周囲の原子を変えることで、処理した各領域の電気的性質が変化した。

酸素を使うと絶縁体の酸化タングステンができた。硫黄ではn型半導体の二硫化タングステンができた。テルルでは半金属の二テルル化タングステンができ、金属電極と半導体の接続部に用いられた。

• 未変換の二セレン化タングステンがp型半導体領域となった。
• 酸化タングステンがゲート制御用の電気絶縁を担った。
• 二硫化タングステンが相補型デバイス用のn型半導体となった。
• 二テルル化タングステンが電極と半導体の間の電荷移動を助けた。

p型とn型は、半導体内を電荷がどのように移動するかを表す。n型材料では電子が電流を運ぶ。p型材料では、電子が不足してできる正電荷の空孔、すなわち「正孔」の移動によって電流が流れると説明される。チームが実証した相補型回路には、両方の型が必要となる。

層と位置を制御する方法

温度と反応ガスの圧力を調整することで、化学変化が膜のどの深さまで進むかを制御した。材料層の間にある微小な隙間を反応原子の移動を制限する障壁として利用し、変換が隣の層に広がるのを抑えた。

制御した各工程は、厚さ約0.7ナノメートルの原子層に対応する。1ナノメートルは10億分の1メートルだ。この数値は変換対象となる材料層の厚さを示す。製造方法では、表面のどこで変換を起こすかについても制御が必要だった。

半導体製造用のマスクで、もう一つの制御を行った。精密にパターン加工した覆いのように、マスクは一部の領域を露出させ、他を保護する。マスクと反応深さの制御を組み合わせ、1枚の薄膜内の狙った位置と層に異なる材料を形成した。

電流の流入を妨げる障壁を低減

二テルル化タングステンの接触領域は、トランジスタのスイッチングとは別の問題、つまり半導体に効率よく電荷を送り込むという課題に対処した。ゲートによく反応するチャネルでも、電気接続部が電荷移動を妨げれば性能が低下する。

電極と半導体の接続部で測定したエネルギー障壁は35.5ミリ電子ボルトだった。研究者らは、電極に金属を直接接合した場合の約3分の1だとしている。エネルギー障壁とは、電荷担体が材料間を移動する際に乗り越えなければならない障害のことだ。

比較すると、障壁が3分の1になったことは約67％の低下に相当する。測定された改善は接触部における電荷移動に関するものだ。回路全体の消費電力は、動作電圧、漏れ電流、スイッチング頻度にも左右される。

室温の限界に迫るスイッチング

トランジスタの61.3ミリボルトという測定値は、ゲート電圧の変化に対してどれほど急峻にスイッチングするかを示す。技術者はこれをサブスレッショルドスイングと呼ぶ。デバイスが導通状態に向かう際、電流を10倍に変化させるのに必要なゲート電圧の変化量だ。

値が小さいほど、わずかな電圧変化で電流を大きく変えられる。従来型トランジスタの動作における室温での近似的な限界、60ミリボルトと比べ、測定値はわずか1.3ミリボルト高く、基準を約2.2％上回るにとどまった。

オン状態とオフ状態の電流比は1,000万対1を超えた。これは導通状態と非導通状態をどれだけ明確に分けられるかを示す。オフ状態で電流が少ないことは重要だ。使われていないトランジスタに電気が漏れると、エネルギーが無駄になるためだ。

接触障壁、スイッチング応答、電流比は、デバイスの性能に関わる3つの要素を示している。接触部は電荷の流入を助け、ゲートは電荷の通過を制御し、オン・オフ時の電流差はトランジスタがどれだけ効果的にスイッチとして働くかを示す。

ゲートによる精密な制御を可能にする絶縁

酸化タングステン領域が絶縁層の役割を果たした。この層はゲートとチャネルを電気的に分離しつつ、ゲートの電界による電流制御を可能にする必要がある。出発材料の一部を変換して絶縁層を作ることで、二次元半導体上に均一な膜を成膜する難しさに対処した。

チームによると、この絶縁性能は、国際デバイス・システムロードマップ（IRDS）が定める等価酸化膜厚1ナノメートル以下という目標を満たした。通常EOTと略される等価酸化膜厚は、同じ静電容量を持つ参照用の二酸化ケイ素層の厚さに換算して、絶縁体の電気的性能を示す指標だ。

したがって、EOTが示すのは材料の物理的な厚さそのものではなく、電気的な性質だ。研究者らはEOTが1ナノメートル未満と説明しており、公表された数値には0.3～0.4ナノメートルと約1ナノメートルも含まれていた。説明の間で正確な値には食い違いがあるものの、いずれも絶縁層がロードマップの目標値以下にあることを示している。

1ボルトで動作する積層回路

研究者らは単一トランジスタの試験にとどまらず、p型とn型のトランジスタを垂直に積み重ね、相補型インバーターを作製した。インバーターは基本的なデジタル回路で、入力が高ければ低い出力を、入力が低ければ高い出力を生み出す。

この回路は動作電圧1ボルトで信号を反転させた。異なる型の半導体を連携させる必要があり、材料変換技術をデジタル電子機器に使われる基本機能につなげた。

垂直に構築する方法は、チームが進める三次元集積回路の計画にもつながる。材料と製造工程を積層全体にわたって制御できれば、デバイスを上下に配置することで、同じ表面積内により多くの回路を搭載できる。

IBSセンター長でPOSTECH特別教授のチョ氏は、材料技術とデバイス製造の結びつきについて次のように述べた。

本研究は、原子スケールで材料を操作する基礎的な材料科学技術と、現代の半導体技術を融合させるものだ

論文発表と大口径ウエハーへの展開

論文のタイトルは「層ごとのカルコゲン置換によるモジュール型ファンデルワールスMOSFET」だ。MOSFETは、絶縁ゲートで制御する広く使われているトランジスタの一種を指す。カルコゲンは酸素、硫黄、セレン、テルルを含む元素群で、今回の置換で中心的な役割を果たした。

発表と論文公開の日程は次のように説明された。

• 2026年10月15日：科学技術情報通信部がモジュール型トランジスタの研究を発表したと説明された。
• 2026年10月16日午前3時（韓国標準時）：同部は、科学誌への掲載時刻をこの時間とした。他の説明では、一般向け発表の日付を10月16日としている。

次の段階では、この手法を他の二次元半導体に適用し、多数の半導体デバイスを同時に製造するための広い基板、すなわちウエハー全体へと展開する。工業利用には、こうした表面全体で原子置換を均一かつ再現性よく行う必要がある。製造工程への導入時期は示されていない。

チームが目指す実用面での変化は明確だ。個別の薄膜を何度も移動させて接合するのではなく、必要な材料をその場で作る。大規模化できれば、実験デバイスで確認された精密なゲート制御と接触性能の向上を保ちながら、組み立て工程を簡素化できる可能性がある。

科学技術情報通信部の研究開発政策室長、キム・ソンス氏は、独創的な技術が韓国の産業競争力に貢献できるよう、政府は基礎・基盤研究への支援を続けると述べた。研究者らは今後、より広い加工領域、追加の材料、積層型集積回路に取り組む。

要点

• 韓国のチームは、二セレン化タングステンのセレン原子を選択的に置き換え、トランジスタの主要部品を形成した。
• 温度、ガス圧、マスクを用い、厚さ約0.7ナノメートルの層と表面上の選択した位置で変換を制御した。
• 接触部のエネルギー障壁は35.5ミリ電子ボルトとなり、金属を直接接合した場合の約3分の1に低下した。
• ゲート電圧を61.3ミリボルト変化させると電流が10倍になり、室温での近似的な限界である60ミリボルトに迫った。
• オン状態とオフ状態の電流比は1,000万対1を超えた。
• 垂直に積層した相補型インバーターは、1ボルトで信号を反転させた。
• 産業応用に向け、半導体ウエハー全体を均一に加工することが次の課題となる。