静岡大ら,トランジスタ上で電子正孔共存系を形成

静岡大学と島根大学は,シリコン・トランジスタの電気的制御により同トランジスタ上で電子と正孔を同時に存在させることに成功した(ニュースリリース)。

半導体上で電子と正孔が同時に存在する多体系(電子正孔共存系)では,その密度と温度に依存して励起子,プラズマ,液滴といったさまざまな相が形成され,基礎多体系物理の観点から注目を集めている。

特に極低温下における励起子は量子凝縮すると超流動へと転移することが理論的に証明されており,これをデバイスに応用する研究が様々な材料・構造を用いて盛んに進められている。しかしながら,集積回路を構成するシリコン・トランジスタでは電子と正孔を同時に存在させることが困難であったため,その研究はほとんど進展していなかった。

通常のゲート電圧操作では,どちらか一方の極性をもつキャリアしか流すことがでない。そこで研究グループは,シリコン・トランジスタのゲート電圧を高速に切り替える(スイッチングする)ことで電子と正孔をトランジスタ上で同時に存在させることに成功した。

具体的なゲート操作手順はまず,負電圧(セット電圧)を印加してシリコン酸化膜/シリコン界面に正孔を蓄積させる。次に,セット電圧から正方向の電圧(オン電圧)に高速で切り替える。

上記操作を低温下で行なうと,界面の正孔は熱エネルギーを奪われるために鈍い動きとなり,高速で変化するゲート電圧に追従できないため界面に留まる。その界面の正孔に引き付けられるようにソース/ドレイン端子から電子が誘導される。この結果,トランジスタ界面近傍で電子正孔共存系が形成される。

そこで生じる再結合の電流を解析したところ,その電子と正孔は約5nmの距離で極めて近接していることが明らかとなった。さらにその再結合過程を観察すると,ランダムで早い再結合を経て,ゆっくりとした再結合に切り替わることを見出した。

これは,量子凝縮で重要となる,電子と正孔が強く束縛した電子正孔対(励起子)が生成されているという「モデル」で説明でき,今後さらなる検討によりシリコン・トランジスタ上で励起子量子凝縮の発現が期待されるという。

研究グループは,今回,測定温度を8ケルビンとして電子正孔密度を固定して実験を行なったが,今後は測定温度と電子正孔密度をパラメータとしてより詳細に再結合電流を解析することで,シリコン・トランジスタ上で励起子の量子凝縮発現を目指すとしている。

キーワード:

関連記事

  • 【解説】AIで「シリコンサイクル」は変わるのか

    半導体市場はこれまで、需要増を受けた増産が供給過剰を招き、価格下落や設備投資の抑制につながる「シリコンサイクル」を繰り返してきた。ところが生成AIの急速な普及によって、この波の形が変わる可能性が出てきた(関連記事)。 A…

    2026.08.12
  • ニコン、新型アライメントステーションを発表 半導体露光工程を高度化

    ニコンは、半導体製造の露光プロセスにおいて高い精度と生産性を実現する新型アライメントステーション「Litho Booster 1000」を2027年1月に発売する(ニュースリリース)。同製品は、従来機種と比較して計測精度…

    2026.07.30
  • 半導体市場1兆ドル到達は4年前倒し SEAJが製造装置需要を上方修正

    日本半導体製造装置協会(SEAJ)は、2026年度から2028年度までの半導体・FPD製造装置の需要予測を発表した(ニュースリリース)。半導体製造装置の日本製装置販売高は、AIサーバー向け先端ロジックへの旺盛な投資や、広…

    2026.07.06
  • ギガフォトン,九州事務所にトレーニング用レーザー導入 半導体リソグラフィ用光源のサポート体制を強化

    ギガフォトンは、2026年6月に九州事務所内へトレーニング用レーザーを導入し、顧客サポート体制を強化すると発表した(ニュースリリース)。 近年、AI需要の拡大を背景に半導体産業の成長が続いており、今後も半導体関連投資の増…

    2026.05.29
  • 【解説】北海道発の光電融合パッケージ技術、半導体競争力強化の鍵となるか

    技術研究組合 最先端半導体技術センター(LSTC)が進める光電融合型パッケージ技術の研究開発は、日本の半導体戦略において重要な転換点を示している。ポスト5G時代におけるデータ通信量の爆発的増大と電力消費の課題に対し、電気…

    2026.05.05

新着ニュース

人気記事

編集部おすすめ

  • オプトキャリア