p型二次元半導体MoTe2に基づく中規模集積回路

より小型で高速な電子機器が見えてくる

機器が小型化しつつ高機能化する中で、従来のシリコンチップは寸法や消費エネルギーに関して厳しい限界に直面しつつあります。本研究は進展を支えうる新しい超薄膜材料を探ります。それは数原子分の厚さしかないシート状半導体で、将来の低消費電力・高密度エレクトロニクスの重要な構成要素になり得ます。

なぜ新材料が必要か

現代の電子機器はトランジスタと呼ばれるシリコンスイッチを何十億個もチップ上に詰め込んで成り立っています。それらをさらに小さくすることは、物理的・製造上の制約から困難になってきています。単分子程度の薄さでありながら堅牢で制御可能な二次元材料は、新たな道を示します。多くの二次元材料はすでに負電荷を主に運ぶ「n型」スイッチとして機能しますが、完全な論理回路を構築するには正電荷を扱う同等の性能を持つ「p型」スイッチも必要です。これまでp型はごく小さな試料や孤立したデバイスでしか実現されておらず、実用的なファウンドリが求める規模には程遠いものでした。

ウエハ全体への原子薄膜成長

研究チームはp型材料のMoTe2に着目しました。MoTe2は非常に薄く滑らかな層を形成できます。彼らの課題は、直径4インチのウエハ全体を数原子層厚の膜で均一に覆い、その厚さと品質を端から端まで揃えることでした。そこでガス雰囲気の炉内で成長プロセスを再設計し、モリブデンとテルルという両成分がウエハに対して安定かつバランスよく到達するようにしました。重要な工夫は、テルル粉末を多孔質ビーズで包んで“ゆっくり放出”する源にすることで、蒸気の流れを安定化させ欠陥を防ぐことでした。同時にウエハ表面を酸素プラズマ処理して超薄のモリブデン層が島状に分離せず均一に濡れ広がるようにし、その結果、最終的なMoTe2膜はわずか三層でも連続性を保てるようになりました。

原子スケールからウエハスケールまでの均一性の確認

成功を確かめるために、チームは多様な長さスケールで膜を検査しました。高分解能の電子顕微鏡は規則的な原子配列と極めて少ない欠陥を示しました。表面のステップ高さ測定では、初期の金属厚を変えるだけで三層から二十層まで層数を調整でき、ラフネスは単一原子の高さより低く抑えられていることが分かりました。さらにウエハ上の広く離れた25箇所を光散乱法で調べると、重要な信号はほとんど変動しませんでした。これらの試験は合わせて、新しい成長レシピがウエハスケールかつ高い均一性を持つ膜を生産することを示しており、ほぼ同一の多数デバイスを作るための重要な要件を満たしています。

超薄膜を信頼できるスイッチに変える

次に、得られた膜を実用的なトランジスタに加工しました。三層のMoTe2チャネルに、低電圧でゲートがチャネルを強く制御できる高誘電率絶縁体であるHfO2の薄膜を組み合わせました。標準的な半導体プロセスを用いてチャネルと金属接点を精密にパターニングすることで、4インチウエハ全体に密なp型トランジスタのアレイを作製しました。これらのデバイスはオンとオフを明瞭に切り替え、オン／オフ電流比は約10万を達成しながらわずか4ボルトで動作します。100個のデバイスに対する統計試験では、スイッチング点は数百分のボルト程度しかばらつかず、先進的なシリコン技術で見られる均一性に近づいています。

単純なゲートから動作する算術回路へ

一致した特性を持つトランジスタが安定して得られたことで、研究者らはインバータ、NAND、NORなどの基本的な論理ブロックを組み立てました。これらの回路は明確なデジタルのHigh/Lowを出力し、信号劣化なく連結でき、リングオシレータの発振周波数からゲートがほぼ同一に振る舞うことが示されました。最後に、4ビットのフルアダー（約140個のp型MoTe2トランジスタで数層の論理構成をした小規模算術ユニット）を実証しました。この中規模回路はテストしたすべての場合で4ビットの数の加算を正しく行い、材料と製造プロセスが単発の実験デバイスを超えて深い多段論理を支えうることを示しました。

今後のチップにとっての意味

この研究は、原子薄のp型MoTe2が産業規模のウエハ上で成長させられ、多数の均一な低電圧トランジスタや機能的な論理回路に変換できることを示しています。デバイスのサイズや速度は最先端のシリコンチップよりまだ大きく遅いものの、このアプローチは単一の実験デバイスと真の集積回路との間の重要な溝を埋めます。二次元材料が将来的にシリコンに加わる、あるいは補完する形で、小型でエネルギー効率の高いプロセッサ構築に寄与する可能性を示唆しています。

引用: Wang, H., Luo, Z., Zheng, B. et al. Medium-scale integrated circuits based on p-type 2D semiconducting MoTe₂. Nat Commun 17, 4320 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70992-1

キーワード: 2Dエレクトロニクス, MoTe2, p型トランジスタ, 集積回路, ウエハスケール成長