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高移動度の半導体コロイド量子ドット超格子を実現移動度は従来の1000〜100万倍

理化学研究所(理研)は、エピタキシャル接合により作製した「半導体コロイド量子ドットの超格子薄膜」が、従来の1000〜100万倍という高い移動度になることを確認した。作製した薄膜はキャリアドープにより、金属的伝導性を示すことも明らかにした。

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隣接するCQD同士を直接接合し、電気伝導性を向上

 理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター創発デバイス研究チームの岩佐義宏チームリーダーとサトリア・ビスリ上級研究員(現在は客員研究員、東京農工大学大学院工学研究院准教授)らによる共同研究グループは2023年5月、エピタキシャル接合により作製した「半導体コロイド量子ドットの超格子薄膜」が、従来の1000〜100万倍という高い移動度になることを確認した。作製した薄膜はキャリアドープにより、金属的伝導性を示すことも明らかにした。

 半導体のコロイド量子ドット(CQD)は、有機配位子によって安定化されたナノメートルサイズの結晶である。優れた発光と吸収特性を有し、量子ドットのサイズを変更すれば波長(色)を調整でき、色純度も高いという。溶液プロセスが可能といった特長もある。ただ、電子デバイスへ応用するには、移動度の低さが課題となっていた。

さまざまなコロイド量子ドット(CQD)の接合と電気伝導性(導電性)の模式図 出所:理研
さまざまなコロイド量子ドット(CQD)の接合と電気伝導性(導電性)の模式図 出所:理研

 研究グループは今回、硫化鉛(PbS)CQDに着目した。このCQDを有機溶媒表面上に集積し、その上で特定の結晶面から有機配位子を取り除き、CQD同士を接合させた。こうした方法で、量子ドット超格子薄膜を形成し、これをシリコン基板上に転写した。

 このプロセスで重要となるのが、CQDを「多面体」として扱うことだという。これにより、向かい合った面同士をエピタキシャル接合させ、広い面積に配列した超格子構造を作り出すことに成功した。電子顕微鏡やX線結晶構造解析によって、その構造を確認した。

開発したCQD超格子構造の電子顕微鏡写真と低分解能写真、右はCQD超格子構造の模式図
開発したCQD超格子構造の電子顕微鏡写真と低分解能写真、右はCQD超格子構造の模式図[クリックで拡大] 出所:理研

 続いて、電界効果トランジスタを用いCQD超格子薄膜の電気伝導特性を調べた。トランジスタの出力特性から、移動度は13.5cm2/V・sであることが分かった。この値は、商用CQDデバイス、量子ドットディスプレイの移動度に比べ100万倍以上、量子ドット太陽電池と比較すれば1000倍以上に相当するという。

 さらに、ゲート電圧の値を変えて、CQDトランジスタにおける電気抵抗の温度依存性を確認した。この結果、ゲート電圧が低いと絶縁体的な振る舞いとなった。一方、ゲート電圧を高くしてキャリア密度を上昇させると(キャリアドープ)、電気抵抗が劇的に低下し、温度に依存しない金属的伝導性を示した。こうした現象は、従来のCQD集合体では見られなかったという。


開発したCQD超格子の電気伝導性と電気抵抗の温度依存性 出所:理研

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