首都大ら,原子厚の半導体材料を自在に接合

首都大学東京,筑波大学の研究グループは,次世代の半導体材料として期待されている遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)の新たな合成技術を開発することで,一原子レベルで組成が急峻に変化する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の解明に成功した(ニュースリリース)。

近年,新しい電子材料として,原子数個分の厚みを持つシート状材料(原子層物質)が世界中で注目を集めている。TMDは硫黄やセレンなどのカルコゲン原子からなる原子層物質で,多数ある遷移金属原子とカルコゲン原子の組み合わせにより,半導体から金属,そして超伝導体など,様々な性質を実現することができる。

研究グループは,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行なってきたが,従来の合成法では原料の供給制御が困難であるため,界面での組成がばらつくという問題があった。従って,この材料系の持つ本来の性能を引き出すために,異なる組成のTMDを連続的かつ自在に接合する技術が必要とされていた。

そこで研究グループは,TMDの接合構造(ヘテロ構造)を実現するために,液体原料を連続的に供給できる装置を作製し,化学気相成長法で試料の合成を行なった。この装置では異なる原料を切り替えながら,基板に供給できるため,組成の異なるTMDを連続的に成長させることができるという。

その結果,単層のMoS2,WS2,WSe2,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。原子1個を観察することができる顕微鏡を用いて,作製した試料において一原子レベルで組成が急峻に変化していることを明らかにした。また,その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用いた手法により明らかにした。

研究グループはこのような接合構造の界面を使い,電子を一次元の領域に閉じ込めることで,電子の流れやすさや光の発光・吸収波長の制御や,非常に小さな電力で動く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等へ応用することが期待できるとしている。

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