ダイヤモンドエレクトロニクスの新構造を開発(Stacking up: A new take on diamond electronics)

2026-01-22 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

米国の Argonne National Laboratory の研究チームは、高性能電子デバイス向けに ダイヤモンドを用いた新しい電子材料構造 を開発した。ダイヤモンドは 非常に広いバンドギャップ高い熱伝導率 を持つため、極端な電圧・高温環境でも動作可能な次世代パワーエレクトロニクスや高周波デバイスなどに理想的とされてきたが、常温で電流を流すのが難しいという課題があった。研究チームは、ダイヤモンド表面に 薄い二硫化モリブデン(MoS₂)層 を積層する手法を考案し、この界面で 常温動作可能な電流導通 を実現した。ダイヤモンドと 2次元材料の組み合わせによって、従来の単一材料では出せない電気的特性を得ることができ、耐環境性や性能両立型の ダイヤモンド電子デバイス の実用化に向けた新しい設計戦略を提供する。これにより、極端条件下でも安定に動作するパワー半導体やセンシング素子、高温・放射線環境対応デバイスなどへの応用が期待される。

ダイヤモンドエレクトロニクスの新構造を開発(Stacking up: A new take on diamond electronics)
Illustration showing two-dimensional molybdenum disulfide (yellow and blue spheres) stacked on diamond, a combination that helps electric current flow and could enable a new type of diamond-based electronics. (Image generated by ChatGPT 5.)

<関連情報>

室温で動作するPN接合のためのホウ素ドープp型ダイヤモンドと単層n型MoS2の異種集積 Heterogenous Integration of Boron-Doped p-Diamond with Monolayer n-MoS2 for PN Junctions Operating at Room Temperature

Akshay Wali,Roshan Padhan,Ralu Divan,Liliana Stan,Nihar Pradhan,and Anirudha V. Sumant
Nano Letters  Published: October 3, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04059

Abstract

Diamond has tremendous potential for power electronics, due to its superior thermal conductivity, large electric field strength, and high carrier mobilities. However, the absence of a reliable room temperature n-type transport has impeded any advancements in diamond-based electronics. Here, we circumvent this bottleneck by integrating n-type two-dimensional (2D) monolayers of molybdenum disulfide (MoS2) with boron doped p-type single crystal diamond and demonstrate 2D/3D heterostructure-based PN junction diodes that operate at room temperature with excellent rectification characteristics. Our diodes achieve a maximum forward current density (JD) of ∼4000 A/cm2, an ideality factor (η) value of ∼3.7, and a rectification ratio (RR) of 106. We find that the origin of current rectification stems from the interlayer recombination of majority carriers driven by direct tunnelling (DT) and Fowler Nordheim (FN) tunnelling mechanisms. Our demonstration can open new avenues for diamond-based power electronics through its integration with 2D materials.

0403電子応用
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