チャネル長が2.8nmのCNTトランジスタを開発：局所的にらせん構造の変化を誘起

物質・材料研究機構（NIMS）を中心とした国際共同研究チームは、チャネル長がわずか2.8nmのカーボンナノチューブ（CNT）トランジスタを開発し、室温で量子輸送が可能であることを実証した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

TEMでその場観測しながら、CNTの電気特性を制御

　物質・材料研究機構（NIMS）を中心に、産業技術総合研究所（産総研）や東京大学、ロシア国立科学技術大学などの国際共同研究チームは2021年12月、チャネル長がわずか2.8nmのカーボンナノチューブ（CNT）トランジスタを開発し、室温で量子輸送が可能であることを実証したと発表した。

　CNTは、「カイラリティ」とも呼ばれるらせん構造により、金属や半導体のように振る舞う。このため、半導体CNTは、エネルギー効率が高いナノトランジスタの製造に適した物質といわれてきた。しかし、個々のらせん構造を変えて、電気特性を適切に制御できるかが、これまでの課題となっていた。

　共同研究チームは今回、独自のその場透過型電子顕微鏡（TEM）法を用い、局所的にCNTのカイラリティを変化させ、CNTの電気特性（金属−半導体移転）を制御することで、CNT分子内トランジスタを作製することに成功した。

　実験では、TEM内で3次元操作できる2本の探針を備えた精密ナノマニピュレーション技術を開発。これを用い、TEMで観察しながら金属電極エッジから突出したCNTにナノ探針を近づけ、「加熱（ジュール熱）」と「引っ張りひずみ」を与えることで、局所的にCNTのらせん構造を変化させた。電子回折パターンと球面収差（Cs）補正TEMで取得した原子分解TEM像を用いて、この変化を解析した結果、らせん角が増大することを発見したという。

　また、サスペンデッド型トランジスタを用い、CNTの電気輸送特性をCNT内で測定した。加熱と引っ張りひずみの調整にこの結果をフィードバックして用いることにより、金属CNTから半導体CNTへの転移制御を可能にした。CNTの直径を連続的に小さくするとゲート電圧が大きくなるなど、CNTのバンドギャップがCNTの直径に反比例することも明らかにした。

左はCNT分子内トランジスタの模式図、中央は透過型電子顕微鏡像、右は電流−電圧特性［クリックで拡大］ 出所：NIMS他

　今回作製したCNTトランジスタは、直径が約0.6nm、チャネル長は約2.8nmである。駆動電圧0.5Vにおいて、オン電流は0.74μA（電流密度は1233μA/μm）、オフ電流は0.2nAで、オン／オフ比は3700となった。サブスレッショルドスイング（SS）は1.33V/decで、既報のサスペンデッド型トランジスタ（チャネル長30nmでSS値が4.9V/dec）に比べ、特性が優れているという。