電子機器に革命を起こす可能性「シースルーデバイス」

アークセンターオブエクセレンス未来低エネルギーエレクトロニクス技術の研究チームは、極薄のβテルライトを2次元半導体材料に導入し、高移動度のp型酸化物を発見しました。

For several decades, researchers have sought a new class of electronics based on semiconducting oxides, whose optical transparency could enable these fully-transparent electronics.

参照元：http://www.fleet.org.au/blog/a-new-positive-approach-could-be-the-key-to-next-generation-transparent-electronics/
– アークセンターオブエクセレンス未来低エネルギーエレクトロニクス技術 ARC Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies. 2021.4.5 –

今週発表された新しい研究は、革命的な透明エレクトロニクスへの道を開く可能性があります。

このようなシースルーデバイスは、ガラスやフレキシブルディスプレイ、スマートコンタクトレンズなどに組み込まれる可能性があり、SFの産物のような未来的なデバイスを実現することができます。

数十年来、研究者たちは、光学的透明性を持つ酸化物をベースにした新しいクラスの電子機器を探してきました。

酸化物ベースのデバイスは、パワーエレクトロニクスや通信技術にも応用でき、電力網の二酸化炭素排出量を削減することができます。

RMITのチームはこのたび、極薄のβテルライトを2次元半導体材料に導入し、高移動度のp型酸化物を何十年にもわたって探し続けてきたことに答えを出しました。

FLEETの3つのノードにまたがる共同研究を主導したチームリーダーのTorben Daeneke博士は話します。

「この新しい高移動度p型酸化物は、高速で透明な回路を実現するための材料スペクトルの重要なギャップを埋めるものです。」

酸化物半導体は、空気中での安定性、純度の低さ、低コスト、成膜のしやすさなど、さまざまな利点があります。

Daeneke博士は話します。

「私たちの場合、”ポジティブ “なアプローチを見つけ出すことが重要でした。」

半導体材料には2つのタイプがあります。

負の電荷を持つ電子が豊富な「N型」と、正の電荷を持つ正孔が豊富な「P型」の半導体です。

相補的なn型とp型の材料を重ねることで、ダイオードや整流器、論理回路などの電子機器が実現します。

現代の生活では、パソコンやスマートフォンの構成要素として、これらの材料が非常に重要な役割を果たしています。

これまで酸化物デバイスの障壁となっていたのは、高性能なn型酸化物が数多く知られている一方で、高品質なp型酸化物が圧倒的に不足していたことです。

テルルは周期表の中で特異な位置にあるため、金属と非金属の両方の性質を持ち、その酸化物に独自の有用な特性を与えることができます。

FLEETの共同研究者であるTorben Daeneke博士は話します。

「この予測は、RMIT大学の私たちのグループに、この物質の特性と応用を探求させるきっかけとなりました。」

Daeneke博士のチームは、液体金属化学に依存する特別に開発された合成技術を用いて、β-テルル石の単離を実証しました。

共同執筆者でRMITのFLEET博士課程の学生であるPatjaree Aukarasereenont氏は説明します。

「テルル（Te）とセレン（Se）の溶融混合物を用意して、表面を転がすようにします。空気中の酸素のおかげで、溶融した液滴は自然に表面に薄いβ-テルルの酸化層を形成します。液滴を表面で転がすと、この酸化層がくっついて、原子レベルで薄い酸化物シートが堆積していくのです。このプロセスは、絵を描くのに似ています。ガラス棒をペンに見立てて、液体金属をインクに見立てます。」

テルライトの望ましい?相は300℃以下で成長するが、純粋なテルルの融点は500℃以上と高いです。

そこで、セレンを加えて融点の低い合金を設計することで、合成を可能にしました。

共著者のAli Zavabeti博士は説明します。

「得られた極薄シートの厚さはわずか1.5ナノメートルで、これはわずか数個の原子に相当する。この材料は可視光領域で非常に透明性が高く、バンドギャップは3.7eVで、人間の目にはほとんど見えません。」

「開発した材料の電子物性を評価するために、電界効果トランジスタ（FET）を作製しました。その結果、βテルライトは既存のp型酸化物半導体に比べて10〜100倍高速であることがわかった。また、優れたオン/オフ比（106以上）は、この材料が電力効率の高い高速デバイスに適していることを証明しています。」

アリ・ザバベティ博士は話します。

「今回の発見は、電子材料ライブラリの重要なギャップを埋めるものです。高速で透明なp型半導体を手に入れることは、透明な電子機器に革命を起こす可能性を秘めているだけでなく、より優れたディスプレイやエネルギー効率の高いデバイスを可能にします。」

研究チームは、この新しい半導体の可能性をさらに追求する予定です。

Daeneke博士は話します。

「このエキサイティングな材料のさらなる研究では、既存および次世代の民生用電子機器への統合を検討します。」