2次元単原子層材料を用いた集積デバイスの性能予測

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近年シリコン電界効果トランジスタ(Si-MOSFET)の微細化が進んでいるが、量子物性的な要因によりこれが限界を迎えてきている。そこでMOSFETのチャネル材料やチャネル構造を改良することで性能を向上させる試みが注目を浴びている。本研究では新しいチャネル材料を用いることによるチャネル移動度の向上、消費電力の低下を目的としている。そこでチャネル材料として単一原子層からなる二次元材料に注目し、実際の電子デバイスへの応用を想定したうえで電気特性を解析した。二次元材料の中でも特に炭素、シリコン、ゲルマニウム原子から構成されるグラフェン、シリケイン、ゲルマナンに注目した。グラフェンは高い電気移動度特性を持ち、チャネル材料として極めて有用である。実際のデバイスではグラフェンを基板の上に乗せて用いることが想定されるが、この基板表面の影響により移動度が低下してしまうことが考えられるので、最適な基板の選択が求められている。本研究ではh-BN(ヘキサゴナルボロンナイトライド)という物質を用いた基板に着目し、モンテカルロシミュレーションにより速度電界特性を解析した。その結果、基板上グラフェンの飽和速度は基板がない状態に比べて低下すると考えられていたがh-BN基板上グラフェンでは基板がない状態よりも逆に飽和速度が増大するという興味深い結果が得られた。次に、グラフェンナノリボン、シリセンナノリボン及びゲルマネンナノリボンをチャネルとするFETのバリスティック性能を材料間で比較検討する取り組みを行った。強束縛近似法によるバンド構造解析とバリスティックＦＥＴモデルを結合させる手法を用いて、３種類のナノリボンＦＥＴの性能比較を行った。その結果、同一のバンドギャップ値（オフ電流値）の下では、グラフェンナノリボンＦＥＴが最も高い電流駆動力を示す可能性があることを示した。