東北大ら,表面処理で二次元半導体の電荷制御に成功

東北大学とNTT物性科学基礎研究所は,二次元半導体から三次元半導体への電子の移動効率の向上と,二次元半導体の電荷状態を制御することに成功した(ニュースリリース)。

二次元ファンデルワールス材料は,表面に未結合手を持たず,ヘテロ構造を作製する際に材料の格子定数に関わらず積層することができ,新奇物性の開拓の舞台となってきた。

既存の三次元半導体の上にもファンデルワールス力によって積層でき,これまでにも,トンネル電界効果トランジスタやスピンダイオード,高感度光センサー,太陽電池などの動作が実証されている。

ところが,これまで報告されてきた三次元半導体と二次元ファンデルワールス材料の接合では,動作性能が想定より劣っていることが多く,その原因の解明と解決が強く求められていた。

研究では,既存のプロセス技術を組み合わせて三次元半導体の表面状態を原子スケールで制御する手法を開発し,その表面処理手法の効果を,三次元半導体である GaAs(ヒ化ガリウム)の上に,二次元ファンデルワールス半導体である単層 WS2(二硫化タングステン)を積層した二次元/三次元半導体ヘテロ構造を用いて調査した。

実験では,表面を異なる手法で化学処理した以下のA~C3種類のGaAs基板それぞれにWS2を積層した試料を用意し,GaAs基板とWS2の界面での電荷授受の様子を調べ,比較した。

A. GaAs 基板表面に自然酸化膜が残っている。
B. GaAs 基板表面の自然酸化膜を除去した。表面に未結合手が存在する。
C. GaAs 基板表面の自然酸化膜を除去したのち,基板表面の未結合手に硫黄原子を結合させた。

WS2の発光スペクトルをみると,Aでは円偏光度は大きいが直線偏光度は小さい,というWS2内部の余剰電子を示唆する特徴が観測された。一方で,BとCでは 円偏光度と直線偏光度の両方が大きく,WS2内部の電子が減少したものと推察された。

このことは,GaAs表面の自然酸化膜によるエネルギー障壁が消滅し,WS2からGaAs基板に電子が移動した結果として説明することができるとする。

また,Cの発光スペクトルでは,低エネルギー側の発光強度がBの発光スペクトルと比較して抑制される様子が観測された。低エネルギーの発光はGaAs基板表面の表面準位の存在を示す特徴であるため,この結果は,GaAs基板表面の未結合手が硫黄で終端されたことで,未結合手に電子が束縛される確率を抑制できたことを示唆するという。

研究グループは, 超低消費電力の情報演算,光を用いた情報の高速伝送,太陽電池や光センサーなどへの応用が期待される成果だとしている。

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