2015 Fiscal Year Research-status Report
ソフトマテリアルを利用した原子層素子の作製と電子物性の制御
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15K13497
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
島津 佳弘 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70235612)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 電界効果 / 層状半導体 / 2硫化モリブデン / 原子層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．MoS2, misfit 化合物、SnS2、NiPS3 などの単結晶を材料として、ゲルシートを使った剥離方法により電界効果トランジスタ（FET）素子の作製を行った。適当な厚さをもつ素子の作製条件を調べた。基板には表面が酸化されたシリコン基板を用い、基板に電圧を印加することで、バックゲート型のFETとし、FET 特性を測定した。
２．MoS2 を用いたFET において、伝導特性に対する雰囲気ガスの影響を調べた。窒素、酸素、水蒸気の影響を調べ、伝達特性のヒステリシスに最も寄与するのは水分子であることがわかった。水分子が電荷トラップとして動作してヒステリシスを生じるとして説明できる。伝達特性のヒステリシスに顕著な温度依存性があることも明らかとなった。
３．いろいろな厚さのMoS2結晶について、内殻電子のXPSスペクトルと価電子帯電子のXPSスペクトルを測定した。内殻電子のXPSスペクトルに、結晶の厚さに対する依存性がみられた。観測された厚さ依存性は、より薄い領域で過去に観測された結果と逆であった。測定結果は、表面に吸着された酸素分子の影響に対するしゃへい効果を考えることで定性的に説明できることがわかった。
４． 4端子測定法を応用することで、MoS2 FETの接触抵抗とチャンネル抵抗を同時に測定し、ゲート電圧をスイープしたときの、それぞれのヒステリシス特性を調べた。
５．MoS2 を使って作製したバックゲート型FET素子に、イオン液体 DEME-TFSI を介して電圧を印加し、トップゲート電圧も加えることができる構造の試料を作製し、両方のゲート電圧に対する伝導特性の変化を調べた。トップゲート電圧を入力電圧とするソース接地増幅回路としての電圧増幅度を１より大きくすることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
層状半導体物質表面に電界効果によってキャリアを誘起するためには、試料厚さは、必ずしも単層ないし数層である必要はないが、伝導測定に使用する電極の厚さ（通常約100nm以下）よりも薄いことが必要である。素子を作製する前に基板上の結晶の厚さを測定するためには原子間力顕微鏡(AFM)装置が必要であるので、平成27年度に本補助金の物品費でAFMを購入した。予算の制約のために比較的安価な機種を購入したが、結晶の厚さを評価するためには十分な性能が得られた。フォトリソグラフィーのためのクロムマスク作製に用いる電子線描画装置と電極作製に用いるフォトリソグラフィー装置も順調に稼動している。新奇な半導体層状物質の探索として、連携研究者の研究室において misfit 化合物、SnS2、NiPS3 などの単結晶を合成し、これらを材料として、FET構造の素子を作製することができた。試料作製においては、ゲルシートを用いるとともに、結晶を基板に付着させる際に基板を加熱することが有効であることがわかった。また、FET特性をいろいろな雰囲気ガス中で測定するための装置、室温大気中での伝導測定のための4端子プローバー装置、および12 K 程度までの低温を作ることのできるクライオスタットを使って伝導特性を測定できる装置を準備し、実験を行った。電極金属の種類によってFET特性の温度依存性が顕著に異なることを新たに見出したので、この現象の物理的機構について今後研究を進める予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
イオン液体を使用して電気２重層キャパシタ構造を形成することで、高密度のキャリアを半導体表面に誘起することができる。この方法により、さまざまな半導体物質で超伝導の発現などの物理現象を観測し、物理的機構を議論することが今後の研究課題のひとつである。平成27年度に、MoS2 を使ったFET素子で、イオン液体を使った実験を開始し、予備的な実験結果を得ることができた。しかし、イオン液体を使ったときは、雰囲気ガスが大きく影響すること、電圧をかける範囲を増加すると不可逆変化が起きることなどの問題があるため、安定な素子動作を実現するためには、さらに研究が必要である。いろいろなイオン液体やポリマー電解質を使った実験を行い、適した電気２重層構造を探索することを計画している。
MoS2 を使ったFET素子の特性が電極金属に大きく影響することがわかった。１個の単結晶薄膜に2種の金属電極が接触した試料について研究を行い、電極金属の影響を解明する。
MoS2は、過去に内外で広く研究されてきた層状半導体物質であるが、今後はさらに対象物質を広げ、新たな物質における電界効果の研究を行う。平成27年度に新たに調べた物質の中では、SnS2を除いては、実用的なオンオフ比を示すFET特性は得られなかった。電極金属やアニーリングの効果、試料厚さの影響などを検討し、それらの新材料を使った素子の特性の理解を深めるとともに、FET特性の向上を図る。さらに新たな物質についての研究を進める。
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