2021年 | プレスリリース?研究成果
共鸣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现に向けて～
【本学研究者情报】
〇多元物质科学研究所 教授 组头広志
【発表のポイント】
- 量子井戸（注１）间の共鸣トンネル効果（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。
- その様子を高辉度放射光（注３）を用いた角度分解光电子分光（注４）により可视化することで、その原理を検証しました。
- この成果は、新しい原理で动作するモットトランジスタ（注５）の开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、高性能で消费电力の低いトランジスタが実现できることから、次世代デバイスの有力候补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。东北大学多元物质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、量子井戸间の共鸣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）の有力候补であるモットトランジスタの実现が期待されます。
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。
【用语解説】
（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、极めて薄い伝导层（２次元空间）の内部に电子を闭じ込める构造を量子井戸と呼びます。量子井戸内で电子は、层に垂直な方向への运动が制限されて、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。半导体デバイスではこの特长を活かすことで、电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现されています。
（注２）共鸣トンネル効果
量子力学的な効果によって、电子などの粒子がポテンシャル障壁（ポテンシャルバリア）を透过する现象のことをトンネル効果と呼びます。共鸣トンネル効果はその一种で、二つのポテンシャル障壁をもつ量子井戸构造において、入射してくる电子のエネルギーが、二つのポテンシャル障壁に闭じこめられた电子の量子化準位と一致したとき、エネルギーの减衰なしに障壁を通り抜ける现象です。
（注３）放射光
光速近くまで加速された电子の轨道を磁场によって曲げると、接线方向に光が放出されます。この光は放射光と呼ばれ、高い辉度や偏光性などの优れた特性をもつ光源として、科学技术の広い分野で大いに活用されています。近年、高辉度放射光施设が世界各地で建设されており、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）角度分解光电子分光
物质に光を当てると、光电効果によって光电子が飞び出します。角度分解光电子分光は、この光电子のエネルギーの放出角度依存性を测定することにより物质中の电子の状态を调べる方法です。
（注５）モットトランジスタ
半导体デバイスとして広く用いられている电界効果型トランジスタでは、不纯物を添加した半导体に电圧をかけて电子や正孔を蓄积することによって电気抵抗（电流の翱苍/翱蹿蹿）を切り替えています。一方、电流の翱苍/翱蹿蹿に强相関电子のモット転移（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、価电子帯が部分的にしか満たされていない物质は、金属となります。しかし、强相関と呼ばれる物质においては、电子间に働く强いクーロン斥力によって、电子がお互いを避けるように原子のまわりに局在し、絶縁体となる场合があります。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）叠别测辞苍诲颁惭翱厂
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。
问い合わせ先
（研究に関すること）
东北大学多元物质科学研究所
教授 组头 広志（くみがしら ひろし）
电话：022-217-5802
贰-尘补颈濒：办耻尘颈驳补蝉丑颈谤补*迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）
（报道に関すること）
东北大学多元物质科学研究所 広報情報室
电话：022-217-5198
贰-尘补颈濒：辫谤别蝉蝉.迟补驳别苍*驳谤辫.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）