首都大学東京ら、TMDの新たな合成技術を開発：組成の異なるTMDを連続成長

半導体ヘテロ接合の構造と電気特性を解明

　首都大学東京と筑波大学の研究チームは2019年6月、新たに開発した遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）の合成技術を用いて、半導体原子層の接合構造（半導体ヘテロ接合）を実現し、その構造と電気的性質を解明したと発表した。

　今回の研究成果は、首都大学東京理学研究科の宮田耕充准教授、小林佑氏（当時は日本学術振興会特別研究員）、筑波大学数理物質系の吉田昭二准教授、重川秀実教授、丸山実那助教、岡田晋教授らによるものである。

　新たな電子材料として、グラフェンなど原子数個分の厚みを持つシート状材料（原子層物質）が注目されている。モリブデン（Mo）やタングステン（W）などの遷移金属原子と、硫黄（S）やセレン（Se）といったカルコゲン原子からなるTMDもその1つ。さまざまな組成の半導体TMDを組み合わせることで、半導体ヘテロ接合と呼ばれる構造を実現することができる。

左が単層TMD、右は今回合成したTMDの接合構造の模式図 出典：首都大学東京、筑波大学

　研究チームはこれまでも、原子層半導体ヘテロ接合の作製と電子状態の研究を続けてきた。しかし、従来の合成法だと界面で組成がばらつくため課題となっていた。そこで今回、液体原料を連続的に供給できる装置を作製、化学気相成長法による合成を行った。この製造方法を用いることで、組成の異なるTMDを連続して成長させることが可能となったという。

　具体的には、単層のMoS₂とWS₂、WSe₂および、MoSe₂を含む4種類の異なるTMDを用いたヘテロ構造の合成に成功した。作製した試料を走査トンネル顕微鏡（STM）で確認したら、一原子レベルで組成が急峻（きゅうしゅん）に変化していることが分かった。さらに、接合界面での電気的性質を、STMと第一原理電子状態計算を持いた手法で明らかにした。

開発した化学気相成長装置の模式図と、異なる組成のTMD結晶を連続的に成長させる様子 出典：首都大学東京、筑波大学

組成が異なるTMDを連続的に成長させた試料の原子像（左）と電気的性質（右） 出典：首都大学東京、筑波大学

　研究グループは今回の成果について、消費電力が極めて小さい電子デバイスや光デバイス、高効率なエネルギー変換素子などへの応用が可能とみている。