2021年 | プレスリリース・研究成果
共鳴トンネル効果を用いたモットトランジスタの原理検証に成功～次世代デバイスの実現に向けて～
【本学研究者情報】
〇多元物質科学研究所 教授 組頭広志
研究室ウェブサイト
【発表のポイント】
- 量子井戸（注１）間の共鳴トンネル効果（注２）を用いて、金属・絶縁体転移を制御することに成功しました。
- その様子を高輝度放射光（注３）を用いた角度分解光電子分光（注４）により可視化することで、その原理を検証しました。
- この成果は、新しい原理で動作するモットトランジスタ（注５）の開発につながると期待されます。
【概要】
モットトランジスタは、高性能で消費電力の低いトランジスタが実現できることから、次世代デバイスの有力候補として盛んに研究されています。モットトランジスタでは、モット絶縁体（注６）における電気を流さない「電子固体」と電気を流す「電子液体」間の電子相転移（モット転移）を利用してOn/Offを切り替えます。しかし、モットトランジスタにおいては、従来広く用いられてきた電界効果型トランジスタ構造ではさまざまな原理的な問題がありました。東北大学多元物質科学研究所の組頭広志教授らの研究グループは、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の湯川龍特任助教（現：大阪大学大学院工学研究科 助教）らと共同で、量子井戸間の共鳴トンネル効果を利用した新しい原理で動作するモットトランジスタを開発しました。
今後、この知見に基づいて最適なデバイス構造を設計することで、Beyond CMOS（注７）の有力候補であるモットトランジスタの実現が期待されます。
本研究成果は、英国科学雑誌Nature Communicationsのオンライン版に2021年12月3日付けで公開されました。
図１: 共鳴トンネル効果による金属・絶縁体転移の概念図
モット絶縁体状態にある量子井戸層（QW1：モット転移量子井戸層）/ バリア層/ 金属量子井戸層（QW2）からなる酸化物二重量子井戸構造において、バリア層を薄くしていくとQW1とQW2におけるエネルギー的に近い量子化準位の間で共鳴トンネル効果がおこり、その結果QW1がモット絶縁体から金属に転移する。
【用語解説】
（注１）量子井戸・量子化準位
井戸のような形状をしたポテンシャル障壁により、極めて薄い伝導層（２次元空間）の内部に電子を閉じ込める構造を量子井戸と呼びます。量子井戸内で電子は、層に垂直な方向への運動が制限されて、量子化準位とよばれるとびとびのエネルギー値を持つようになります。半導体デバイスではこの特長を活かすことで、電子を効率よく利用することができ、高性能のレーザーやトランジスタが実現されています。
（注２）共鳴トンネル効果
量子力学的な効果によって、電子などの粒子がポテンシャル障壁（ポテンシャルバリア）を透過する現象のことをトンネル効果と呼びます。共鳴トンネル効果はその一種で、二つのポテンシャル障壁をもつ量子井戸構造において、入射してくる電子のエネルギーが、二つのポテンシャル障壁に閉じこめられた電子の量子化準位と一致したとき、エネルギーの減衰なしに障壁を通り抜ける現象です。
（注３）放射光
光速近くまで加速された電子の軌道を磁場によって曲げると、接線方向に光が放出されます。この光は放射光と呼ばれ、高い輝度や偏光性などの優れた特性をもつ光源として、科学技術の広い分野で大いに活用されています。近年、高輝度放射光施設が世界各地で建設されており、先端材料や次世代デバイスなどの研究に活かされています。
（注４）角度分解光電子分光
物質に光を当てると、光電効果によって光電子が飛び出します。角度分解光電子分光は、この光電子のエネルギーの放出角度依存性を測定することにより物質中の電子の状態を調べる方法です。
（注５）モットトランジスタ
半導体デバイスとして広く用いられている電界効果型トランジスタでは、不純物を添加した半導体に電圧をかけて電子や正孔を蓄積することによって電気抵抗（電流のOn/Off）を切り替えています。一方、電流のOn/Offに強相関電子のモット転移（金属・絶縁体転移）を利用するトランジスタをモットトランジスタと呼びます。モット転移を利用するため、従来のトランジスタに比べて高い素子性能を持つことが期待されています。
（注６）モット絶縁体
一般に、価電子帯が部分的にしか満たされていない物質は、金属となります。しかし、強相関と呼ばれる物質においては、電子間に働く強いクーロン斥力によって、電子がお互いを避けるように原子のまわりに局在し、絶縁体となる場合があります。このような絶縁体を、モット絶縁体と呼びます。モット絶縁体においては、わずかな刺激によって金属への転移（モット転移）が起こります。
（注７）BeyondCMOS
現在の半導体素子は、CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor：相補型金属-酸化物-半導体）と呼ばれる構造をもっています。CMOSでは、不純物を添加した半導体に電圧をかけて電子や正孔を注入することによって電気的なスイッチング機能を実現しています。CMOS素子の性能は、長年進化し続けて来ましたが、近年では原理的な限界に近づきつつあります。そのため、新たな動作原理によって従来の半導体素子性能を超えるデバイスを作製しようという試みが行われており、それに向けた要素技術開発を総じてBeyondCMOSと呼びます。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
教授 組頭 広志（くみがしら ひろし）
電話：022-217-5802
E-mail：kumigashira*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所 広報情報室
電話：022-217-5198
E-mail：press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）