「原子1層」のp型BCNを2インチで作製 東大：Siの「ドーピング」の考え方を応用

東京大学は、p型2次元半導体として動作するホウ素炭素窒化物（BCN）を初めて実現するとともに、この単層p型BCNを2インチウエハー上に作製した。原子置換により電子状態を変化させる方法を原子1層のBCNに応用することで実現した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

2種類の原料分子の反応経路を制御

　東京大学大学院工学系研究科のTUNG Vincent教授やFU Jui-Han助教らが参画する国際共同研究グループは2026年10月、p型2次元半導体として動作するホウ素炭素窒化物（BCN）を初めて実現するとともに、この単層p型BCNを2インチウエハー上に作製したと発表した。

　原子数層まで薄くできる2次元半導体は、次世代の微細なトランジスタや3次元集積への応用が期待されている。既に、n型2次元半導体の研究は進んでいるが、相補型電子回路を実現するために必要となるp型2次元半導体は限られていた。そこで研究グループは、シリコン半導体のように原子置換により電子状態を変化させる方法を、原子1層のBCNに応用した。

　具体的には、銅（111）面上で単層BCNをエピタキシャル成長させるための低圧化学気相成長法を開発した。モノメチルアミンボラン（MMAB）とアンモニアボラン（AB）という2種類の分子前駆体を用い、炭素を含む化学種とホウ素／窒素を含む化学種を供給した。そして、第一原理計算に基づき各前駆体の分解や表面反応経路を解析、最適な成長条件を見いだした。

　これにより、原子1層からなる窒化ホウ素（BN）の結晶格子へ、炭素を原子レベルで取り込むことに成功した。さらに、成長条件を最適化することで2インチウエハー上に連続した単層p型BCN膜を得ることができた。

　電子顕微鏡を用いて試料を観察し、窒化ホウ素格子内に個々の炭素原子や炭素対が取り込まれているのを確認した。解析した領域では窒素サイトでの置換が多く見られたという。断面観察では単層構造であることを確認し、膜の段差高さは約0.5nmだった。ラマン分光とフォトルミネッセンスのマッピングから、膜が空間的に均一であることも確認した。

単層BCNに取り込まれた炭素原子［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　実測した電子的バンドギャップは約1.90eVで、計算値の約1.92eVとも近い値となった。これらの結果は、BCNの電気特性がBN結晶格子中への炭素の原子置換と密接に関係していることを示しているという。

　研究グループは、BCN膜を厚さ20nmの酸化ハフニウムのゲート絶縁膜上に転写し、電極にニッケル／金を用いてFETを作製した。チャネル長が1μmで幅5μmの素子は室温でp型動作を示した。電界効果正孔移動度は約100cm²V^-1s^-1となり、オン電流はチャネル幅1μm当たり約0.9mA、オン／オフ電流比は約10⁸、しきい値電圧は約-0.45Vとなった。

　さらに、3回の成長バッチから作製した224個の素子を2インチウエハー上の異なる位置で評価し、素子間／バッチ間で特性が均一であることも確認した。

ウエハースケールのBCNトランジスタアレイと電気特性［クリックで拡大］ 出所：東京大学