電中研ら,半導体ナノ結晶で光薄膜トランジスタ作製

電力中央研究所(電中研),早稲田大学,スイスのFluxim AGの研究グループは,二重構造を持つ半導体ナノ結晶を用いて作製した電界効果トランジスタが従来を上回る大きな光電流増幅効果があることを確認した(ニュースリリース)。

トランジスタに光が照射されると,構成する半導体材料の中で動き回ることができる電子の数が増え,未照射時に比べて流れる電流が大きくなる。この電流値の違いを観測することで,光を検出するセンサーとして用いることができる。

今回の研究対象であるナノ結晶は,直径が5~20nm程度の半導体ナノ粒子であり,物理,化学,生物の基礎研究から工学,医療分野での応用研究まで,多機能材料として多くの研究者によって精力的に研究されている。

この研究では,半導体ナノ結晶の一種,CdSe/CdSを対象とした。CdSe/CdS は,カドミウム(Cd) とセレン(Se)のコアとカドミウムと硫黄(S)のシェルの二重構造を有するナノ結晶で,それぞれのサイズ(コア部分の直径やシェルの厚み)を変えることで物理的・化学的な性質を変化させることができる。

シェルを含めた厚みが10nm程度の高純度なCdSe/CdSナノ結晶のコロイド溶液を用いた溶液プロセスにより,薄膜の厚さが20nm程度に均一のトランジスタを作製した。

次に,作製したトランジスタに紫外線を照射した場合と未照射の場合の電流値の違いを調べた。その結果,未照射の場合にはほとんど電流が流れずトランジスタとしての動作を示さないにも関わらず, 照射時にはゲート電圧の印加とともに電流が増大することを確認した。

さらに,光照射前後の電流比に対する膜厚依存性やゲート電圧依存性を調べた結果,膜厚が100nm程度を下回る時に最も増強され,最大で10万倍程度に達することがわかった。これは,これまでに電界効果トランジスタ構造で検討された光センサーの中では,最も高い感度となる可能性がある。

この研究により,ナノ材料をベースとした複合材料が,光センサーとしての高いポテンシャルを有することを示した。ナノ結晶は,サイズ,材料,そして化学的な修飾により,性質を自在にコントロールすることが可能となる。

また,この研究で用いた溶液プロセスによるデバイスの作製は,安価でフレキシブルな電子素子を作製する事が可能となる。現在,ナノ材料のもつ様々な機能性が世界中で注目され,研究が進められており,ナノ材料を活用した多機能な光センサーが生み出される可能性もあるとしている。

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