原子の厚みの物質を接合し、半導体ヘテロ接合を実現―低エネルギー消費の電子・光デバイスなどへ応用へ：首都大学東京/筑波大学
(2019年6月21日発表)
首都大学東京と筑波大学の共同研究グループは6月21日、原子レベルの厚みしかないシート状の原子層物質を接合し、半導体ヘテロ接合を作り出すことに成功したと発表した。超低エネルギー消費の電子デバイスや高性能な光デバイスの実現への応用が期待されるという。
原子層物質としては近年、炭素原子1個の厚みから成るグラフェンが有力な電子材料として研究されてきたが、最近では、モリブデンやタングステンなどの遷移金属原子と、硫黄やセレンなどのカルコゲン原子からなる遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）という層状物質も盛んに研究されるようになっている。
TMDは、多数ある遷移金属原子とカルコゲン原子を組み合わせることにより、半導体や金属、超伝導体など様々な性質を持った材料を作り出せる。組成の異なる半導体TMDを組み合わせれば半導体ヘテロ接合を実現でき、この接合面を使って電子の流れを制御することで、非常に小さな電力で動作する電子デバイスや、発光・吸収波長の制御による高性能光デバイスなどへの応用が期待されている。
研究グループはこれまで、この半導体ヘテロ接合の実現を試みてきたが、従来の合成法では原料の供給制御が困難で、界面での組成がばらつくという問題があり、本来の性能を引き出せなかった。
今回研究グループは、TMDの新たな合成技術を開発し、一原子レベルで組成が急峻（きゅうしゅん）に変化する半導体ヘテロ接合を実現、その構造と電気的性質の解明に成功した。
具体的には、液体原料を連続的に供給できる装置を作製し、化学気相成長法で試料を合成するようにした。異なる原料を切り替えながら基板に供給できるため、組成の異なるTMDを連続的に成長させることができる。実験では4種類の異なるTMDを用いたヘテロ構造の合成に成功した。
一原子レベルで組成が急峻に変化する半導体原子層の接合構造を使うと、電子を一次元の領域に閉じ込めることで電子の流れやすさや光の発光・吸収波長を制御したり、省電力で動く電子デバイスや光デバイスなどに応用したりすることが期待できるという。
