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» 2019年06月27日 13時30分 公開

組成の異なるTMDを連続成長:首都大学東京ら、TMDの新たな合成技術を開発

首都大学東京と筑波大学の研究チームは、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。

[馬本隆綱,EE Times Japan]

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。

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