同一面内で接合した構造のTMDC多層結晶を作製：接合界面でトンネル電流も観測

トンネルFETに適した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）」。東京都立大学などの研究チームはTMDCの結晶について、同一面内で接合した構造を作製することに成功した。接合界面ではトンネル電流も観測した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

試料作製手法や接合部近傍の原子配列、電子輸送特性などを評価

　東京都立大学や産業技術総合研究所（産総研）、筑波大学、埼玉大学および、東京大学の研究チームは2023年4月、組成が異なる「遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）」の結晶について、同一面内で接合した構造を作製することに成功したと発表した。接合界面ではトンネル電流も観測した。

　低い電圧で電流をスイッチングできる電子デバイスとして「トンネルFET（TFET）」が注目されている。このTFETに適した材料の一つが層状構造を持つ半導体材料「TMDC」である。TMDCは、組成や総数に応じて電気的特性を制御できるため、TMDCを「重ね合わせる構造」や「同一面内で接合する構造」が研究されてきた。特に同一面内で接合する構造は、高い性能が得られることが理論的に分かっていた。しかし、電子やホールの濃度を十分に高くできないなどの課題もあった。

　研究チームは今回、ニオブ（Nb）原子を含む二硫化モリブデン（MoS₂）の多層結晶（Nb_xMo_1-xS₂）を用い、面内接合に取り組んだ。東京都立大学の宮田耕充准教授らはこれまで、TMDCの結晶成長や接合に関する基盤技術を開発しており、今回はこれらの研究成果を活用することにした。

　具体的には、多層TMDC結晶の接合構造を対象に、「試料作製手法の検討」や「接合部近傍の原子配列の評価」および、「電子輸送特性の評価」を行った。試料作製では、粘着テープを用いてTMDC結晶をへき開し、シリコン基板上に多層のフレーク状結晶を張り付けた。張り付けた多層TMDCとして、界面の構造観察用には「二セレン化タングステン（WSe₂）」、電子輸送特性の評価用には「Nb_xMo_1-xS₂」の二種類を用いた。この基板を用い、化学気相成長法によってMoS₂結晶を成長させた。

　これら試料の構造を、ラマン散乱分光やフォトルミネッセンス分光、原子間力顕微鏡および、電子顕微鏡によって評価した。電子顕微鏡による断面観察では、多層WSe₂の端から同じ結晶方位を持つMoS₂が接合していることを確認した。

　続いて、電子輸送特性を評価した。多層Nb_xMo_1-xS₂を利用しても、WSe₂と同じ様に結晶端からのMoS₂の成長を確認できたという。

　さらに、トンネル電流を検証するため、シリコン基板上に設けたNb_xMo_1-xS₂とMoS₂に電極を付け、接合界面を流れる電流の影響を調査した。MoS₂は、シリコン基板表面のSiO₂酸化膜を介してゲート電圧を印加すると電子濃度は増加した。トンネル電流の寄与が大きくなる50K以下の低温環境では、負性微分抵抗の傾向（NDR trend）を持つ電流−電圧特性が得られたという。この特性には、バンド間トンネル以外の欠陥等による影響もあり、研究チームは「効率よくトンネル電流のみを流せる材料の開発が必要」と見ている。

上左図（a）は多層WSe₂および化学気相成長によりWSe₂結晶の端から多層のMoS₂結晶を成長させた構造のモデル図。上右図（b）は多層WSe₂/MoS₂接合近傍における断面の走査透過電子顕微鏡像。下図の（c）と（d）は多層Nb_xMo_1-xS₂/MoS₂接合における作製したFETの模式図と、電子が取りうる可能性があるエネルギー（伝導帯端と価電子帯端）の相対関係図。（e）は異なるゲート電圧を印加したときの多層Nb_xMo_1-xS₂／MoS₂接合の電流・電圧特性［クリックで拡大］ 出所：東京都立大学他

　今回の研究成果は、東京都立大学理学研究科物理学専攻の小倉宏斗氏（当時大学院生）や川崎盛矢氏（当時学部生）、遠藤尚彦研究員、中西勇介助教、柳和宏教授、宮田耕充准教授、産総研材料・化学領域 極限機能材料研究部門の劉崢上級主任研究員、デバイス技術研究部門の入沢寿史研究グループ付、筑波大学数理物理系の丸山実那助教、高燕林助教、岡田晋教授、埼玉大学大学院理工学研究科物質科学部門・理学部基礎化学科のLim Hong En助教、上野啓司教授および、東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻の長汐晃輔教授らによるものである。