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深紫外線を透過する透明なトランジスタを実現 ~全く新しいバイオセンサー~

 北海道大学は2020年6月16日,同大学電子科学研究所の太田 裕道教授,ジョ・ヘジュン助教らの研究チームが,深紫外線(DUV)を透過する透明な薄膜トランジスタの作製に成功した,と発表した.殺菌灯の深紫外線を照射した状態でも細菌やウイルスなどを検出できる,全く新しいバイオセンサーになると期待されるという.本研究は,文部科学省・科学研究費補助金 新学術領域研究「機能コアの材料科学」,計画研究「界面制御による高機能薄膜材料創製」などの支援のもとに行われ,本成果は,Advanced Electronic Materials誌でオンライン公開された(注).

 感染や病気の蔓延状況を調べるためなどに,ウイルスや細菌などの目に見えない小さな生体分子を高感度で検出するバイオセンサーが求められている.これに対し,半導体トランジスタの活性層にウイルスや細菌のDNAが付着すると,トランジスタを流れる電流が変化するので,半導体シリコン(Si)を活性層とするトランジスタを利用してバイオセンサーを構成できる.しかし,バイオセンサーをDUV殺菌灯の下で使うと,バンドギャップ(Eg)が1.1eV(吸収端波長~1.1μm)のSiはDUVを吸収して電子を光励起するため,トランジスタの電流が変化,バイオセンサーの出力が変動して,安定した測定が難しい.このため,DUVに対して透明な薄膜トランジスタが次世代バイオセンサーとして求められていた.

 DUVを透過する半導体として酸化ガリウム(Ga2O3,Eg=4.5~4.9eV)や電子ドープアルミン酸カルシウム(12CaO・7Al2O3:C12A7,Eg=~7eV)が知られているが,導電率が低く,その薄膜トランジスタ(TFT)には,十分な性能が期待できない.本研究では,3,000S/cmの高い導電率を示し,Egが4.6eVと大きなスズ酸ストロンチウム(SrSnO3)に着目し,これを活性層に用いた薄膜トランジスタを,パルスレーザー堆積法を用いて作製した.SrTiO3基板にSrSnO3活性層薄膜(28nm),ゲート絶縁体(C12A7)薄膜(300nm)を積層し,チャネル長/チャネル幅=800μm/400μmとした.作製したTFTは,ゲート電圧の増加に伴ってドレイン電流が増加するnチャネルトランジスタ動作を示し,オンオフ比~102,しきい値電圧-18V,電界効果移動度~14cm2/Vsが得られた.nチャネルの形成は,熱電変調法により実効厚さがゲート電圧とともに増加し,約5nmで飽和することで確認された.光学特性は,基板を酸化マグネシウムMgO(0.5mm)に変えた電極を持たない試料で評価し,波長260nmでの光透過率は50%を超え,300nm以上の波長域では90%に達するというDUV透明性を確認できた.

 本研究で開発された深紫外透明トランジスタは,波長260nmの深紫外線を50%以上透過するため,殺菌灯照射下においても安定して動作する.バイオセンサーとして用いれば,殺菌灯照射による細菌やウイルスの変化を追求することも出来る.本研究の深紫外線透明トランジスタは,従来のSiを活性層とするトランジスタを用いたものとは異なる,全く新しいバイオセンサーの原型になると期待している.

(注)Mian Wei, Lizhikun Gong, Dou‐dou Liang, Hai Jun Cho, and Hiromichi Ohta, "Fabrication and Operating Mechanism of Deep-UV Transparent Semiconducting SrSnO3- based Thin Film Transistor", Advanced Electronic Materials, Early View, DOI: 10.1002/aelm.202000100; first published: 15 June 2020