2016 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, 大学院工学研究院, 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 / ミスフィット化合物 / 電界効果トランジスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１. MoS2、LaS-CrS2、LaS-VS2、GaS、SnS2、NiPS3 などの層状物質の単結晶を材料として、電界効果トランジスタ（FET）素子の作製を行った。MoS2以外の物質は、化学蒸気輸送法(Chemical vapor transport)によって結晶成長させて作製したものである。これらの物質に対してソフトマテリアルであるゲルシートを使った機械的剥離方法による原子層素子の作製を試みた。多くの物質について、ナノメートルオーダーの厚さのフレークが得られたが、物質による差異もみられた。
２. LaS-CrS2のFET 素子で、n-channel のFET 特性を初めて観測するとともに、室温で12、120K で約3000以上のオンオフ比を観測した。電気伝導度が熱活性化型のふるまいをするので、低温では、オフ電流が著しく減少するためにオンオフ比が急激に増加する。室温で観測された電界効果移動度は0.3cm2/(Vs)である。ドレイン電流は、測定に用いたすべてのゲート電圧において熱活性化型温度依存性を示した。活性化エネルギーのゲート電圧依存性を基に、トラップ容量と、それの原因である電荷トラップの状態密度を評価し、MoS2の場合と比べて考察を行った。
３. NiPS3は、モット絶縁体型の半導体として知られている。この単結晶をチャンネル材料として使ったFET素子の伝導特性を調べた。p-channel のFET特性が観測された。抵抗率がかなり高いために、電極パッドと基板間の静電容量に対する充電電流の寄与に注意することが必要であることがわかった。紫外線照射による光電流も観測された。
４.MoS2 を使ったFET における電極の影響を調べるために、Ti/Au、Al、Al/Ti/Au 電極を使ったFETを作製し、特性を比較した。Al を電極とすることで、キャリア密度が著しく増加することが観測された。
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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
新奇な層状物質の探索が研究の主要目的の一つであったが、新奇な物質の例として、LaS-CrS2 とLaS-VS2 という２種類のミスフィット化合物を化学蒸気輸送法で合成し、これらのFET特性を調査した。ミスフィット化合物とは、六方晶の遷移金属カルコゲナイド TX2 層と正方晶のMX 層の交互積層から成る物質である。CrS2 やVS2などは、単独では安定して存在できないために、これらを含むミスフィット化合物を調べることで、これらの原子層の電気的および磁気的特性を明らかにすることができると考えられる。LaS-CrS2とLaS-VS2については、原子層の厚さの単結晶における物性測定は、報告例がなかった。これまでのところ、LaS-VS2 では、ナノメートルスケールまでの薄いフレークの作製が困難であるが、LaS-CrS2 では、14 nm の厚さのフレークを得て、FET素子を作製し、n-channel のFET特性を観測することに成功した。この試料については、イオン液体DEME-TFSI を使っての電界効果測定も行った。その結果、ゲート電圧の小さい範囲で、伝導特性を大きくゲート変調することができたが、測定途中で、おそらく電極の腐食のために、測定ができなくなってしまった。イオン液体を使って安定な測定ができるための試料作製条件や測定条件を明らかにすることが今後の課題である。
MoS2 をチャンネルとし、Al 電極を使った場合のFET素子の伝導特性を前年度に続いて調査した。前年度には、測定リード線を接続するために、金パッドをAl 電極上に重ねて真空蒸着により作製したが、その金パッドが伝導特性に影響を及ぼすことと、Al 電極上に、金線をIn-Sn 合金で半田づけすることで、Al 電極の場合の本来の特性が観測できることがわかった。
以上のことから、研究はおおむね順調に進捗しているものと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでは、シリコン基板上のSiO2を介してゲート電圧を印加するバックゲート型FET素子の特性を主に調べてきたが、イオン液体を使ってトップゲート電圧を印加することで、より大きなキャリア密度を誘起し、新奇な現象を見出すことにつながることが期待できる。
LaS-CrS2 を使ったFET素子でイオン液体DEME-TFSI を用いての測定を試みたが、測定途中で、伝導がみられなくなった。これは、電気化学反応により電極または半導体結晶が劣化または腐食したためであると推定できる。イオン液体を使って安定に測定を行うためには、試料作製条件と測定条件の両面に注意が必要である。過去の文献等をもとに、これらの条件を明らかにすることが重要な課題である。そして、これまでにバックゲート構造で測定を行ってきた多種の層状半導体物質について、イオン液体を使って電界効果の測定を実施する。MoS2を使ったFET 素子では、Al 電極の場合、Au電極のときと比べてキャリア密度が増加することが明らかとなった。MoS2については、イオン液体を使ったキャリアドーピングによって超伝導の発現が報告されているが、電極に起因するキャリアドーピングを利用することで、イオン液体を用いずに、超伝導を発現できることも期待できる。この手法は、イオン液体に伴う不安定性を避けられるので、応用上も極めて有利であると考えられる。電極に起因するキャリアドーピングを更に詳しく調査し、金属絶縁体転移や超伝導転移に及ぼす影響を明らかにする。
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Research Products
(10 results)
