東北大,半導体原子シートの合成法を発見

東北大学は,原子オーダーの厚みを持つ半導体原子シートである遷移金属ダイカルコゲナイド(Transition Metal Dichalcodenides:TMD)に関する新たな合成機構の解明に成功した(ニュースリリース)。

原子オーダーの厚みから構成される2次元原子シート材料が注目されている。特に,遷移金属とカルコゲン原子から構成される遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)と呼ばれる原子シートは,グラフェンにはない半導体特性を示し,半導体エレクトロニクス分野で期待されている。

しかしこれらTMDの特異な物性は主に,3次元結晶から小片を粘着テープで剥がした微小結晶で観測されたものであり,この特性を実用デバイスに活用するためには,大面積,高品質の単結晶合成手法の確立が必須となっている。

TMDの合成機構に関して,原料が気相から基板に供給され基板表面で原子オーダーのシートが成長することは知られていたが,その成長メカニズムは明らかにされていなかった。

研究グループはこれらの結晶成長初期過程を解明するため,まず結晶成長が開始する核発生サイトを制御する手法を開発し,Auドットから選択的に単層単結晶のWS2を成長させることに成功した。

次にこの手法を活用して合成機構の解明に取り組み,WS2の結晶成長に使われる成長前駆体は,基板上を750um以上も拡散した後,核となるAuドットに捕捉され成長を開始することを明らかにした。

この拡散長は,一般的な半導体材料であるシリコンや化合物半導体と比べ約100倍以上長い値。この拡散長は,従来のモデルでは説明できない新たな成長機構の存在を意味しているという。

次に,成長状態をその場で観察できる合成装置を開発し,WS2の結晶成長のその場観察を行なった結果,一連の成長推移を明らかにした。TMDの成長状態をその場観察した成果は初めて。

この特異な成長過程と長距離前駆体拡散から,前駆体自体がナノスケールの液体状態を取り,液滴として基板上を拡散することで,従来の半導体に見られる原子,分子状拡散より格段に長い距離の拡散が実現できたと考えられるという。

一連の結晶成長機構を基に合成条件を最適化した結果,センチメートルオーダーの実用スケール基板上に3万5千個以上の単層単結晶TMDを均一に高度集積化合成することに成功した。

この究成果を活用することで,原子オーダーの究極の薄さを持つ半導体原子シートの大規模集積化合成が可能となり,次世代フレキシブルエレクトロニクス分野での実用化が期待されるとしている。

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