この記事には広告（Amazon アソシエイトのリンク）を含みます。
トランジスタは、電気を流す半導体、電気を止める絶縁膜、電気を出し入れする電極という、性質の違う3種類の材料を組み合わせて作ります。ふつうは別々に用意した材料を積み重ねたり、貼り合わせたりして形にします。韓国の基礎科学研究院（IBS）ファンデルワールス量子固体センターの Seok Young Min さんと、センター長で浦項工科大学校（POSTECH）教授の Moon-Ho Jo さんらは、この3つを1枚の結晶の中に「書き込む」方法を作りました。層状の半導体 WSe2 の結晶を出発点に、層ごとに原子を入れ替えて、絶縁膜も電極も結晶の中に作ってしまうのです。論文は2026年10月15日に Science に掲載されました。
原子1種類を入れ替えると、性質が変わる
二セレン化タングステン（WSe2）は、タングステンの原子の層をセレンの原子の層が上下から挟んだ、厚さ0.7ナノメートルほどのシートが何枚も積み重なった結晶です。シートどうしは弱い力（ファンデルワールス力）でくっついているだけで、1枚ずつはがせます。この種の「2次元半導体」は、シリコンより薄くできる次世代の材料として研究が続いています。
この材料の電気的な性質は、セレンの原子が作る電場で決まっています。だから、セレンを別の原子に入れ替えれば、タングステンの骨組みはそのままに、性質だけを変えられる。研究チームが使ったのは、この入れ替えです。セレンを酸素に替えると、絶縁体の酸化タングステン（WOx）になります。硫黄に替えると、電子が電気を運ぶ n型の半導体 WS2 に。テルルに替えると、金属に近い性質の半金属 WTe2 になります。手をつけない部分は、もとの WSe2 のままで、正孔（電子の抜け穴）が電気を運ぶ p型の半導体です。
「何層目まで」を温度と圧力で決める
入れ替えは気相の反応で行います。まず結晶の上の層を酸化して WOx にし、そこへ硫黄やテルルを含むガスを当てて、酸化した層をさらに WS2 や WTe2 に変えていきます。
ここで効くのが、層と層のすき間です。反応は層のすき間で止まりやすいので、温度とガスの圧力を調節すると、上から何層目まで変えるかを決められます。1層が約0.7ナノメートルですから、ナノメートル以下の精度で厚さを決めていることになります。横方向には、半導体の製造で使うマスクで場所を選びます。こうして、縦にも横にも、性質の違う領域を1枚の結晶の中に自由に配置できます。
できたトランジスタの性能
研究チームは、手つかずの WSe2 を p型のチャネル（電流の通り道）にし、その上の層を WOx に変えてゲート絶縁膜にしたトランジスタ（MOSFET）を作りました。WOx の実効的な厚さ（酸化膜換算）は1ナノメートル未満で、それでも電気をよく止めました。
トランジスタの出来を測る指標のひとつに、電流を10倍にするのに必要なゲート電圧の変化があります。室温での理論的な限界はおよそ60ミリボルトで、小さいほど低い電圧で切り替えられます。今回のトランジスタは61.3ミリボルト。限界にほぼ迫る値です。電流のオンとオフの比は10の7乗を超えました。
電極の接続も改善しました。半導体に金属の電極を直接つけると、境目で電気が流れにくくなる障壁ができます。テルルに入れ替えて作った半金属 WTe2 を接続層にすると、この障壁は白金電極を直接つけた場合の3分の1ほどに下がりました。
同じ WOx の絶縁膜は、別の2次元半導体 MoS2 で作った n型のトランジスタにも使えました。さらに、p型と n型のトランジスタを縦に積んで、片方がオンのとき他方がオフになる相補型のインバーターを作り、1ボルトで動くことを確かめています。縦に積めるということは、回路を平面に広げずに立体に重ねられるということです。
貼り合わせない、という利点
2次元材料で素子を作る従来の方法は、別々に作ったシートを機械的に転写して重ねるものでした。これは手作業に近く、大面積で同じものをたくさん作るのに向きません。今回の方法は、1つの結晶の中で化学反応だけを使うので、貼り合わせの工程そのものがありません。研究チームはこれを「モジュール式」の素子と呼び、性質の違う領域を縦にも横にも継ぎ目なくつなげられることを売りにしています。
ただし、今回示されたのは実験室での実証です。電子の動きやすさ（移動度）の数値は発表に無く、ウエハー全体での均一さや量産性も示されていません。研究チームは次の段階として、ほかの2次元半導体への適用と、ウエハー規模の大面積プロセスの開発を挙げています。
Hackaday の記事は「WTe2 の単層をトランジスタにした」と書いていますが、論文と IBS の発表によれば、出発材料は WSe2 の多層結晶で、WTe2 はセレンをテルルに入れ替えて作った電極側の材料です。この記事では論文の記述に従いました。
関連する商品
この記事に関連する本や商品は、Amazon で探せます。
上のリンクから購入されると、このブログに紹介料が入ることがあります。
画像について
この記事の画像は AI（ChatGPT）で作った想像図で、ご自由にお使いいただけます。お使いになるときは、出典としてこの記事へのリンクを載せていただけるとうれしいです。
出典
- Min, S. Y., Cho, H., Lee, S.-H. et al. (2026) “Modular van der Waals MOSFETs through layer-by-layer chalcogen substitutions” Science 394(6821)（2026年10月15日）https://doi.org/10.1126/science.aei2693
- Phys.org “2D crystal transistor built with built-in insulation”（IBS 提供、2026年10月15日）https://phys.org/news/2026-10-2d-crystal-transistor-built-insulation.html
- Digital Today “Atomic substitution builds semiconductors: Korean team proves low-power device performance”（2026年10月16日）https://www.digitaltoday.co.kr/en/view/115337/atomic-substitution-builds-semiconductors-korean-team-proves-low-power-device-performance
- Hackaday “Transforming A Tungsten Ditelluride Monolayer Into A Transistor”（Maya Posch、2026年10月25日）https://hackaday.com/2026/10/25/transforming-a-tungsten-ditelluride-monolayer-into-a-transistor/
コメント