注目の半導体複合構造の電気的性質を解明 ～３原子厚の半導体ヘテロ接合界面の電子状態を可視化～

20151007

公立大学法人首都大学東京

注目の半導体複合構造の電気的性質を解明
～３原子厚の半導体ヘテロ接合界面の電子状態を可視化～

■研究成果のポイント
1　原子１個を観ることができる顕微鏡（走査トンネル顕微鏡:STM）を用いて、３原子厚という究極的に薄い半導体材料からなる半導体ヘテロ接合界面の電子状態を初めて解明しました。
2　半導体素子の最も重要な構造の１つである半導体ヘテロ接合の接合界面において、電子状態や大きな電場が生じていることを可視化し、定量的に評価することにも成功しました。
3　今後の発光素子、高感度光センサー、太陽電池等の研究・開発にとって重要な基礎的知見となります。

　公立大学法人首都大学東京大学院 理工学研究科 宮田耕充准教授、国立大学法人筑波大学数理物質系 重川秀実教授らの研究チームは、共同で原子１個を観ることができる顕微鏡（走査トンネル顕微鏡:STM注１）を用いて、３原子厚という究極的に薄い半導体材料からなる半導体ヘテロ接合注2の界面の電子状態を解明することに初めて成功しました。

　ごく最近になり、新しい機能性半導体材料として、モリブデン(Mo)やタングステン(W)などの遷移金属原子と、硫黄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(TMDC注３)という層状物質が大きな注目を集めています。この物質は、厚みが３原子分という非常に薄いシート状の構造を取りうるという特徴により、柔軟性や透明性を持つ光電子素子や超低エネルギー消費な電子素子への応用が期待されています。このような素子を実現していくには、異なる電気特性を持つ半導体型のTMDCを組み合わせた半導体ヘテロ接合と呼ばれる構造を作製し、その接合部に生じる電場を活用していくことが重要な課題となります。現在、世界中でこの材料系の研究が加速されていますが、そのような界面での電場等の詳細な電子状態は不明でした。

　本研究グループは、この課題に取り組むため、化学気相成長法注4を用いることで、このような原子厚の半導体ヘテロ接合を作製してきました。さらに今回、STMを用いることで、ヘテロ接合界面において、大きな電場が生じていることを可視化し、定量的に評価することにも成功しました。さらに、二硫化タングステンと呼ばれる材料にMo原子を1つのW原子と置換した場合などに、電子状態が変化していく様子も１原子レベルで初めて解明しました。半導体ヘテロ構造は半導体素子の最も重要な構造の１つで、光センサー、半導体レーザーそして太陽電池の開発などに応用されています。本研究成果は、このような光・電子デバイスの研究・開発において、重要な知見を提供していくと期待されます。

※本研究の成果は、イギリス Nature グループが発行する オンライン誌Scientific Reports に、2015 年 10 月 7 日（イギリス時間）付けで公開されます。

※本研究成果の一部は、以下の事業・研究領域・研究課題などによって得られました。
1.文部科学省科学研究費・基盤研究S「フェムト秒時間分解STMによる光励起ダイナミックスのナノスケール分光」研究機関（平成27年度～31年度）　重川秀実
2.科学技術振興機構・戦略的創造研究推進事業さきがけ「単原子膜ヘテロ接合における機能性一次元界面の創出とエレ
クトロニクス応用」（研究期間：平成25～28年度）、文部科学省科学研究費・新学術領域「二次元半導体ヘテロ構造の
結晶成長と光機能開拓」（研究期間：平成26～27年度）宮田耕充