2016/02/16 00:00 【日經BP社報導】使用組合只有1～3層原子那麼厚的“二維（2D）材料”，擁有不同性能 的器件有可能接連出現。比如，像羽衣一樣薄的柔性超高性能微處理器、感測器、大面積 超高效率的LED以及太陽能電池等。 2D材料的代表先驅——石墨烯由於具有很多出色的特性而被視作夢幻材料注1）。但是， 石墨烯只存在一大課題。那就是帶隙基本為0。雖然可以用於電極材料及模擬元件，但難 以用於邏輯電路。 注1）比如，石墨烯的理論載流子遷移率高達100萬cm2/Vs，並且導電率是銅（Cu）的大約 100倍，導熱率和機械強度跟金剛石一樣高等等。 最近幾年陸續發現的新型2D材料中，也有幾種具有帶隙的材料。其中具有代表性的是六方 氮化硼（h-BN）、過渡金屬的硫化物群——TMD♀、以及磷（P）的2D材料——磷烯（ Phosphorene）♀（圖1）。 ♀TMD（Transition Metal Dichalcogenide）＝由MX2結構構成的2D材料。M代表鉬（Mo） 及鎢（W）等過渡金屬。X代表硫璜（S）、硒（Se）、碲（Te）等硫族元素。MoS2雖然本 體的能帶結構為間接遷移型，但2D材料變成直接遷移型，高效發光。MoS2是n型半導體， WS2是p型半導體。 ♀磷烯（Phosphorene）＝只由P構成的2D材料。由磷烯層疊而成的材料叫做“黑磷（ Black Phosphorus：BP）”，跟石墨一樣，顏色為黑色。半導體不管層數多少都是p型， 多層磷烯的帶隙為0.3eV。隨著層數減少，帶隙增大，單層磷烯的帶隙約為1.9eV。 h-BN、TMD及磷烯的原子間結構。h-BN的原子間結構跟石墨烯相近，厚度只有1個原子厚。 而TMD有3個原子厚，磷烯有2個原子厚。 （點擊放大） h-BN的帶隙達到5.2eV，基本是絕緣體，但TMD、磷烯及由多層磷烯層疊而成的黑磷（BP） 的帶隙跟Si等比較接近，作為可代替已接近微細化極限的Si的“後Si”有力候補，開始備 受關注。 美國德大學奧斯汀分校推斷的採用各種2D材料及IGZO的TFT的性能範圍。色深的點表示該 大學試製的TFT的性能值。（b）中各材料的用途實例也是由該大學推斷的。（圖為本站根 據IEDM 2015的圖繪製而成） 美國德大學奧斯汀分校的研究人員期待採用TMD及BP的TFT實現柔性、輕量、超高性能的無 線設備等。目前已試製出TFT，並確認可在數G～數十GHz下工作。 以前的柔性器件的半導體材料候補是有機半導體及InGaZnO（IGZO）。但載流子遷移率最 高為數十cm2/Vs左右，難以實現GHz工作的器件。可以說隨著TMD和BP的問世，柔性器件的 性能差異消失了。 通過組合擴大可能性 2D材料越來越多意味著不僅可以彌補石墨烯的弱點，通過組合還可以擴大可實現的器件種 類。比如，TMD的一種——MoS2是n型半導體，而TMD的WS2及BP仍是p型，通過組合這些材 料，可以構成pn結，可以實現大面積的柔性LED、太陽能電池以及CMOS結構的半導體等。 有的組合還實現了跟石墨烯相近的性能。最近備受關注的是像三明治一樣將1片石墨烯夾 在2片h-BN之間的h-BN/石墨烯/h-BN。石墨烯容易受接觸材料的影響，這成為其性能降低 的一大原因。通過夾在帶隙大、事實上是絕緣體的h-BN之間，預計實際的器件也能夠實現 跟石墨烯的理論載流子遷移率——100萬cm2/Vs接近的性能（圖3）。最近的試製實例也獲 得了室溫下載流子遷移率為10萬cm2/Vs以上，極低溫下為35萬cm2/Vs的結果。 博世正在開發的利用霍爾效應的磁感測器（霍爾感測器）的性能基於各種材料的推斷值和 實測值等。霍爾元件的材料為將石墨烯夾在2片h-BN之間（a）。載流子遷移率在室溫下也 高達2萬～10萬cm2/Vs。試製感測器的霍爾係數是現有的基於Si的霍爾感測器的100倍。而 耗電量只有Si類元件的1/100（推斷值）。 實現高靈敏度、省電的磁感測器 德國車載設備汽車廠商德國羅伯特博世對此非常關注。該公司還自主開發出了各種感測器 ，成為其業務支柱之一。該公司利用h-BN/石墨烯/h-BN試製出了利用霍爾效應的磁感測器 ，左右靈敏度的霍爾係數RH的值為7000（圖3（b））。這是霍爾元件採用Si時的100倍， 也超過作為高靈敏霍爾元件材料廣為人知的InSb。並且理論上，耗電量只有Si的1/100。 面臨的課題是量產技術。“至少要等5年才能在試產線上量產高品質且大面積的元件”（ 羅伯特博世公司從事Corporate Research的Robert Roelver）。 不過，石墨烯及其他2D材料的製造工藝也在加快開發速度。也有可能用不了5年，採用2D 材料的高性能器件就可以達到實用化。（記者：野澤 哲生） --

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