原子レベルに薄い半導体の大面積・高品質合成、岡山大が成功

具体的には、安定したTMDCの成長環境を実現するため、2枚の合成基板を重ね合わせて構築したマイクロリアクタが用いて、狭い閉じ込め空間を作出。外部からの原料供給が制限される成長環境を構築したとする。また、タングステンの原料として、高温で液体状態になる金属塩「Na₂WO₄」を、あらかじめ成長基板に塗布することで、マイクロリアクタ内に閉じ込めたほか、WS₂に用いられる硫黄の原料として、従来の固体原料よりも供給制御性に優れた有機硫黄を採用し、厳密に供給量を制御することで、単層WS₂の合成を高精度に制御することに成功したとする。

(a)マイクロリアクタ内部でのTMDC成長の模式図。(b)サイズの大きな単層WS₂結晶の顕微鏡画像。(c)巨大単結晶WS₂が成長したシリコンウェハの画像。(d)WS₂/MoS₂面内ヘテロ構造の顕微鏡画像。右上の挿入図は、WS₂/MoS₂面内ヘテロ構造の模式図 (出所:岡山大プレスリリースPDF)

実際に原料供給量のバランスの精密制御が行われたところ、従来のCVD法では数10μm程の結晶しか得られなかったのに対し、500μmを超える大きな完全単層WS₂結晶が得られたとするほか、条件を整えることで、1mmを超えるような、目視でも確認できる巨大な結晶も得られたとする。

また、「Na₂WO₄」と「Na₂MoO₄」という2種類の金属塩を組み合わせることによって、面内で2種類のTMDC(WS₂とMoS₂)が接合した面内ヘテロ構造の合成も可能となったともする。

さらに、こうした合成方法における、WS₂の成長メカニズムを調べたところ、合成温度に対する結晶サイズの変化、特異な結晶成長様式のフラクタル成長、原料の表面拡散エネルギーの理論計算などから、マイクロリアクタ内では原料拡散が律速過程になる、表面拡散律速によって成長していることが判明したとするほか、異なる温度で合成されたWS₂の発光(フォトルミネッセンス:PL)特性に着目し、結晶品質を調べたところ、結晶性が低いTMDCでは、PLピークが低エネルギー(長波長)側にシフトし、半値幅が大きくなったほか、発光強度も弱くなったという。

加えて、合成温度に対するPL特性やその均一性を系統的に調べたところ、最適な合成温度(820℃)では面内均一で、高い品質を示すPL特性が得られたとする一方、温度が高すぎる場合や低すぎる場合は、結晶の品質や均一性が低いことが確認されたとする。

このほか、今回の手法で合成されたWS₂による改良された転写技術を用いて、合成基板から単層のWS₂がシリコンウェハに転写され、電界効果トランジスタ(FET)を作製したところ、電子伝導型(n型)のFETとして、良好に動作することが確かめられたとするほか、光照射下での電流応答が観測されたところ、WS₂が吸収する特定の波長に対し、明瞭に応答することも解明されたという。