Semiconductor device of graphitic carbon nitride film

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高度に配向制御された層状物質のグラファイト状窒化炭素(g-C3N4)薄膜は、面内方向に沿うは抵抗率は5×10^6 Ωm以上と極めて高い。ただしg-C3N4の積層方向に沿う電流は電圧印加により得られることから、結晶内にて電荷輸送は実現できている。それにも関わらず、g-C3N4の面内方向に沿った電流は極めて小さいことから、その方向の電荷輸送を制限するエネルギー状態の存在が示唆される。この面内方向に沿った電荷輸送とそれによる電流を制御可能になれば、二次元材料による電子素子の実現に加えてノーマリーオフ動作という新たな機能と価値を創出できる。前年度までに、g-C3N4薄膜をチャネル材料とした金属-絶縁体-半導体(MIS)構造により、「絶縁体-半導体の界面付近に伝導電荷をエネルギー状態の数を超えて蓄積させ、面内方向に対して自由な電荷を存在させることができ電流に寄与させることができる」ことを実証した。本年度では、そのMIS構造に対してソース接地型の回路構成により、電解効果トランジスタ(FET)の電荷輸送制御に取り組んだ。MIS構造における絶縁体に高誘電率を有する酸化ジルコニウム(ε~14)を採用し、電荷の制御性向上を図った。この検討では、前年度までに利用していた高分子絶縁体であるポリパラキシレン(ε~3)の利用では電流が得らえれなかったが、酸化ジルコニウムを利用することにより電流を得ることができ、ON/OFF比が2桁程度のノーマリーオフ動作FETを実証できた。g-C3N4薄膜の導電性制御も並行して検討している。一般的にn型半導体であるg-C3N4であるが、本研究では高い配向性を得るために比較的高温で薄膜を作製しているため、化学量論比が理想からC過剰になってしまいp型半導体となる。作製時の雰囲気を純粋窒素から30%以下の酸素を混入することにより、n型半導体に変化させることを発見できた。