二次元半導体材料の界面課題を突破 国科会支援のTSMC連携チームが後シリコン時代の扉を開く

国科会のプロジェクト支援のもと、陽明交通大学電子物理学科／中央研究院応用科学研究中心の張文豪教授チームは、台積電（2330-TW）のIuliana Radu博士チームおよび陽明交通大学半導体工学科の李宗恩教授と連携し、二次元半導体が長年抱えてきた「界面問題」に対する解決策を提示しました。本日（6日）、単層二硫化モリブデン（MoS₂）を用いた高性能トップゲートトランジスタの開発に成功したことを発表し、この画期的な成果は国際的なトップジャーナル『Nature Electronics』に掲載されました。

スマートフォンやパソコン、さらには将来のAI知能装置に至るまで、演算速度が速く、消費電力の低い半導体チップが求められています。しかし、従来のシリコン半導体技術は、次第に物理的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半導体材料を探しており、「二次元半導体」は原子レベルの極薄構造を持つことから、ムーアの法則を継続させ、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。

研究チームによると、二次元半導体は極めて薄いという利点を持つ一方で、チップ内で実際に機能させるには大きな課題があります。電流を制御するために、極めて薄い「ゲート絶縁膜」を形成する必要がありますが、この超薄構造と高速電子伝導を両立することは、国際的な半導体業界が乗り越えられない高い壁でした。台湾の産学研チームの革新点は、「エピタキシャル界面工学」を用いて、この「膜」の構造を再設計したことにあるのです。

研究チームは超高真空技術を用いて、まず単層MoS₂の表面に極めて正確に薄いアルミニウム層を堆積させ、その後これを酸化させて厚さ約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板となり、二次元半導体と絶縁層の間の界面品質を大幅に向上させるとともに、電子伝導の妨げを効果的に低減しました。これにより「極薄」と「跨導」の両方の重要な特性を同時に実現し、チームが製作したトランジスタは、極小サイズでありながら世界トップクラスの跨導性能を示しました。また、極めて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が実用化へ向かう重要な可能性を示しています。

張文豪教授は、「今後の二次元半導体の真の競争は、材料そのものではなく、界面工学にある」と述べています。この技術の最大の価値は、異なる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点にあります。今後、より高速で低消費電力の電子デバイスの開発が期待され、既存の半導体プロセスと完全に統合することで、「後シリコン時代」のチップ技術に重要な基盤を築くことが可能になります。これは、台湾が次世代半導体分野におけるイノベーション力と国際競争力を持っていることを改めて示す成果です。