2023-12-20 アメリカ合衆国・イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校
・ イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、米国立エネルギー技術研究所(NETL)、オークリッジ国立研究所(ORNL)および台湾セミコンダクター・マニュファクチャリング・カンパニー(TSMC)が、石炭を利用した高純度材料の作製技術を開発。
・ 不純物を含む石炭を、最先端技術の性能を超える微細なエレクトロニクスの製造に適したユニークな原子構造と特性を有する原子数個分の薄さの高純度材料に変換。次世代デバイスでの石炭の重要な役割を提示する。
・ 新技術では、石炭チャーを「カーボンドット」と呼ばれるナノスケールのカーボンディスクに変換。それらをつなげて 2D トランジスタやメモリスタに利用できる、原子の薄さのメンブレンを形成する。
・ より微細、より高速でより効率的なエレクトロニクス開発の最終段階は、原子 1 個～2 個の薄さの材料によるデバイスで、これ以上の微細化は不可能とされる。超薄型半導体が広く研究される一方で、トランジスタやメモリスタのような電子デバイスの構築には原子薄の絶縁体も必要となる。
・ 不規則な原子構造を有する炭素原子層は、2D デバイスでの優れた絶縁体として機能する。このような炭素層を石炭チャー由来のカーボンドットで形成した。
・ 石炭由来の炭素層をグラフェンと二硫化モリブデンによる 2D トランジスタのゲート絶縁膜として使用し、より低いエネルギー消費でデバイスの作動速度の 2 倍超の向上を確認。他の原子薄材料と同様にダングリングボンド(原子の未結合手)を持たず、電荷輸送を減速させてトランジスタの切替え速度を変える。
・ また、この炭素層は多結晶性のため、絶縁体で電流を損失させる経路となってデバイス作動時の電力消費量を増加させる結晶領域間の境目をもたない。
・ また、メモリスタの 2 本の電極間の絶縁体として利用した場合では、低エネルギー消費で導電性フィラメントを迅速に形成し、低エネルギー・高速作動が可能となる。さらに、炭素層のリングがフィラメントを囲い込み、データ記憶の忠実度と信頼性を向上させるデバイスの作動を確認した。
・ 本研究には、米国エネルギー省(DOE)の NETL および米国立科学財団(NSF)が資金を提供した。
URL: https://mrl.illinois.edu/61109
＜NEDO海外技術情報より＞
関連情報
Communications Engineering 掲載論文(フルテキスト）
Ultrathin quasi-2D amorphous carbon dielectric prepared from solution precursor for nanoelectronics
URL: https://www.nature.com/articles/s44172-023-00141-9
Abstract
Materials keeping thickness in atomic scale but extending primarily in lateral dimensions offer properties attractive for many emerging applications. However, compared to crystalline counterparts, synthesis of atomically thin films in the highly disordered amorphous form, which avoids nonuniformity and defects associated with grain boundaries, is challenging due to their metastable nature. Here we present a scalable and solution-based strategy to prepare large-area, freestanding quasi-2D amorphous carbon nanomembranes with predominant sp2 bonding and thickness down to 1–2 atomic layers, from coal-derived carbon dots as precursors. These atomically thin amorphous carbon films are mechanically strong with modulus of 400 ± 100 GPa and demonstrate robust dielectric properties with high dielectric strength above 20 MV cm−1 and low leakage current density below 10−4 A cm−2 through a scaled thickness of three-atomic layers. They can be implemented as solution-deposited ultrathin gate dielectrics in transistors or ion-transport media in memristors, enabling exceptional device performance and spatiotemporal uniformity.
