台湾チーム、二次元半導体の「界面問題」を解決し、ポストシリコン時代へ

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この記事のポイント

• 次世代半導体として期待される二次元半導体の「界面問題」を台湾の研究チームが解決しました。
• 「磊晶界面エンジニアリング」により、高性能な単層二硫化モリブデン(MoS2)頂ゲートトランジスタを開発。
• これにより、電子伝送の遅延を大幅に低減し、超薄型構造と高速電子伝送の両立を実現しました。
• この技術は、より高速・低消費電力な電子部品の開発につながり、ポストシリコン時代の技術基盤となります。
• 台湾の次世代半導体分野における革新的な技術力と国際競争力を示す成果です。

二次元半導体の重要性と課題

スマートフォン、コンピューター、そして未来のAIデバイスには、より高速で低消費電力な半導体チップが不可欠です。しかし、従来のシリコン半導体技術は物理的な限界に近づいています。この問題を解決するため、世界中の科学者が次世代の半導体材料を探求しており、原子レベルの薄さを誇る「二次元半導体」は、ムーアの法則を継続し、チップの微細化と性能向上を実現する鍵として注目されています。

台湾チームによるブレークスルー：「磊晶界面エンジニアリング」

国立陽明交通大学の張文豪教授チームは、TSMCのIuliana Radu博士、および同大学の李宗恩教授と共同で、二次元半導体が長年抱えていた「界面問題」に対する解決策を提案し、高性能な単層二硫化モリブデン(MoS2)頂ゲートトランジスタの開発に成功しました。この画期的な成果は、国際的なトップジャーナルである『Nature Electronics』に掲載されました。

二次元半導体は極めて薄いという利点がありますが、チップで実用化するには、電流を制御するための超薄い「ゲート絶縁層」を形成する必要があります。これは非常に薄い紙の上に膜を重ねるようなもので、プロセス中に紙の表面を傷つけやすく、電子伝送を妨げる（電子散乱）ことで、デバイスの性能に深刻な影響を与えます。そのため、超薄型構造と高速電子伝送を両立させることが、国際半導体業界における長年の課題でした。

台湾の産学連携チームの革新的な点は、新たな材料を探すのではなく、「磊晶界面エンジニアリング」(epitaxial interface engineering)という手法を用いて、この「膜」の構造を再設計したことです。

原子レベルの界面形成による高性能化

研究チームは、超高真空技術を用いて、単層MoS2の表面に精密に超薄膜のアルミニウムを形成し、その後酸化させることで、厚さわずか約0.42ナノメートルの酸化アルミニウム層を形成しました。これが、後続の材料成長のための高品質な基盤となります。この原子レベルの厚さを持つ完璧な界面は、二次元半導体と絶縁層間の品質を大幅に向上させ、電子伝送の抵抗を効果的に低減し、「超薄型」と「高い相互コンダクタンス」という二つの重要な特性を両立させることに成功しました。この技術を用いて作製されたトランジスタは、極めて小さなサイズで世界をリードする相互コンダクタンス性能を示し、同時に非常に低いリーク電流と優れた動作安定性を備えており、二次元半導体デバイスの実用化に向けた重要な可能性を示しています。

ポストシリコン時代の技術基盤を確立

張文豪教授は、将来の二次元半導体の真の競争力は、材料だけでなく界面エンジニアリングにあると述べています。この技術の最大の価値は、様々な二次元半導体材料に広く応用可能なプラットフォーム技術を確立したことです。将来的には、より高速・低消費電力な電子部品の開発につながり、既存の半導体製造プロセスとシームレスに統合されることで、「ポストシリコン時代」のチップ技術に重要な基盤を築き、次世代半導体分野における台湾の革新的な技術力と国際競争力を再び示すものです。

チームメンバー

本研究は、国立陽明交通大学電子物理学科／中央研究院応用科学研究センターの張文豪教授および半導体工学科の李宗恩教授が率いる研究チームが、TSMCのIuliana Radu博士の研究チームと共同で実施しました。さらに、中央研究院、国立台湾大学、および国家実験研究院科技研究中心の研究開発力も結集されています。

論文情報

論文タイトル: High-transconductance molybdenum disulfide top-gate transistors using epitaxial interface engineering
掲載誌: Nature Electronics
URL: https://www.nature.com/articles/s41928-026-01672-7

資料提供: 国家科学及技術委員会

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