基板の表面処理で2次元半導体の電荷制御に成功：GaAs基板上に単層WS2を積層

東北大学とNTT物性科学基礎研究所は、表面処理を施した3次元半導体に2次元半導体を積層することで、2次元半導体から3次元半導体への電子移動効率を向上させるとともに、2次元半導体の電荷状態を制御することに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

低消費電力の情報演算や高速光通信などへの応用に期待

　東北大学大学院工学研究科の小田川武史大学院生、山本壮太特任助教、好田誠教授らとNTT物性科学基礎研究所は2024年7月、表面処理を施した3次元半導体に2次元半導体を積層することで、2次元半導体から3次元半導体への電子移動効率を向上させるとともに、2次元半導体の電荷状態を制御することに成功したと発表した。消費電力が極めて少ない情報演算や高速の光通信、太陽電池や光センサーなどへの応用に期待する。

　研究グループは、既存のプロセス技術を用い、3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た。この方法を検証するため、3次元半導体の「GaAs（ガリウムヒ素）」上に、2次元ファンデルワールス半導体の「単層WS₂（二硫化タングステン）」を積層した「2次元／3次元半導体ヘテロ構造」を用い、その効果を調べた。

　実験では、異なる手法で表面を化学処理した3種類のGaAs基板を用意し、それぞれにWS₂を積層した。GaAs基板に施した表面処理とは、（A）「表面に自然酸化膜が残っている」、（B）「表面の自然酸化膜を除去しているが、未結合手が存在する」、（C）「表面の自然酸化膜を除去し、そのあと基板表面の未結合手に硫黄原子を結合させた」、という3種類である。

今回検証した3種類の表面処理方法の概略図［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　実験では、3種類の試料を用いWS₂の発光スペクトルを調べた。この結果、試料Aは、「円偏光度は21％と大きいが、直線偏光度は4％と小さい」ことが分かった。これは、WS₂内の荷電励起子が発光しているためで、WS₂内部に余剰の電子が存在することを示しているという。

　これに対し試料BとCは、「円偏光度と直線偏光度の両方とも大きい」という。これはWS₂内の中性励起子が発光しているためで、WS₂からGaAs基板に電子が移動したことを示すものだという。

WS₂の発光スペクトル［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　また、試料Cの発光スペクトルは、試料Bに比べ1.95eV付近の発光強度が小さいことを確認した。これは、「GaAs基板表面の未結合手が硫黄で終端されたことにより、未結合手に電子が束縛される確率を抑制できたため」とみている。

試料BとCのWS₂の発光スペクトルを比較［クリックで拡大］ 出所：東北大学