名大ら,二次元半導体を接合し発光デバイスを実現

名古屋大学,東京都立大学,京都大学,産業技術総合研究所は,次世代の半導体材料として注目されている遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)において,異なる二種類の半導体TMDCが接合した構造(半導体ヘテロ構造)を利用した発光デバイスの作製に成功した(ニュースリリース)。

次世代半導体材料として注目を集めるTMDCの特徴として,高い安定性を持つ,層の厚さや含まれる原子の種類に応じて電気的な性質が変化する,電流の担い手である電子やホールの両方を流せる,強い発光を示す,様々な基板上に成膜/転写できる,などが挙げられる。

発光デバイスへの応用に関しては,TMDCの電気伝導や発光特性の理解と制御は重要な課題となっている。特に,電子もしくはホールを流しやすい二種類の単層TMDCを利用し,高品質な接合構造を作ることが一つの主要な研究課題となっていた。しかしながら,これまでの研究では,作製した接合構造の結晶性などに課題があった。

研究では,TMDCの合成法である化学気相成長を改善することで,高品質,かつ大面積な接合構造を作製することに成功した。具体的には,①成長を行なう石英管内部での複数の原料を動かす簡便な機構の導入,②蒸気圧が低く供給が難しい複数の遷移金属に対し,塩を添加することで融点を低下させ,かつ結晶成長に最適な温度で気化させる,などが挙げられる。

結果として,4種類の異なる組成のTMDC(MoS2,MoSe2,WS2,WSe2)を構成材料として,計6種類の異なる接合構造を発光実験に十分なサイズと結晶性で作製できるようになった。この試料に対し,電解質(イオンゲル)を用いて発光デバイス構造を作製し,TMDCに電流を流しながら発光を観測した。

この観測を通じ,6種類の全ての接合構造で界面に沿った発光を観察し,様々なTMDCの組み合わせで発光デバイスが作製できることを実証した。さらに,特定の組成のTMDCの接合構造においては,界面での発光において右巻き円偏光と左巻き円偏光の生成量が室温で10%ほど異なることを見出した。

この円偏光の偏りは,接合によって生じた結晶内の歪みと電場印加により,TMDC内の特定のスピンをもつ電子が優先的に発光に寄与していると解釈できるという。

この成果は,高品質なTMDCの接合構造を利用することで,電子とホールの流れや再結合領域の制御,およびTMDC特有の機能を活用できることを意味する。特に,4種類の異なるTMDCを組み合わせた計6種類の発光デバイスを実現できた点は重要な指針になる。

研究グループは,接合界面での歪み効果による室温での円偏光生成に関する基礎的な知見について,TMDCを利用した将来の光量子通信等の光源としての展開が期待できるとしている。

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