Novel Buffer Layer Material for Van der Waals Stacking Structures: Application of Gallium Sulfide

• Project Area: Science of 2.5 Dimensional Materials: Paradigm Shift of Materials Science Toward Future Social Innovation
• Project/Area Number: 22H05445
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 上野 啓司 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (40223482)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 硫化ガリウム / ファンデルワールス積層構造 / バッファ層 / 13-16族層状化合物 / 電界効果トランジスタ / 層状物質

Outline of Research at the Start

層状物質原子膜を基板上に積層し物性測定や素子形成を行う際に、基板表面など外部からの様々な悪影響を低減するためにバッファ層が用いられる。本研究では単結晶六方晶窒化ホウ素に代わるバッファ層物質として、層状13-16族化合物である硫化ガリウム(GaS)を提案する。
GaSは実験室で容易に大型単結晶を成長可能であり、遷移金属ダイカルコゲナイドよりも大きいバンドギャップと高絶縁性を有する。本研究ではこのようなGaSを用いて、(1) GaSバッファ層をもつ様々な素子の特性評価、特に低温での素子評価、(2) より大型のGaS単結晶成長手法の開発とその大面積剥離転写手法の確立、を進める。

Outline of Annual Research Achievements

(1) 硫化ガリウムGaSをバッファ層、二硫化モリブデンMoS2等の遷移金属ダイカルコゲナイドをチャネル層とする電界効果トランジスタ（FET）作製については、まずGaS単結晶を前年度立ち上げた装置を用いてBridgman法により成長した。ラマン分光とX線回折により得られた単結晶を評価した結果、GaSについての既報告と一致したことから、得られた単結晶はGaSであることが確認された。
FET作製では、機械的剥離によって得たGaSおよびMoS2薄片をポリジメチルシロキサン(PDMS)のゲル状シートを用いて積層したのち、フォトリソグラフィとArスパッタまたは真空蒸着により電極を形成した。作製したFETの動作特性は真空中で、室温または低温（前年度立ち上げた低温プローバー装置を使用）にて測定した。その結果、GaSをバッファ層として用いたFETは、低温でドレイン電流の増加、移動度の向上が確認できたが、伝達特性の測定において大きなヒステリシスを示すことが判明した。ヒステリシスの起因はGaSバッファ層表面、あるいは結晶内部に存在する正電荷トラップであると考えている。

(2) 本研究予算により購入した石英アンプルを用いて、様々な種類の層状化合物（遷移金属ダイカルコゲナイド、13-16族層状化合物、14-16族層状化合物、等）の単結晶を化学蒸気輸送法により成長した。得られた単結晶試料は自身の実験で使用する他に、本学術変革領域研究に属する多くのメンバーに無償提供し、領域内共同研究を幅広く推進した。また領域外研究者にも試料提供を数多く行っている。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The University of Texas at Austin/Purdue University(米国)
• [Int'l Joint Research] Chalmers University of Technology(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] Philipps University of Marburg(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] National Yang Ming Chiao Tung University/Fudan University/National Tsing Hua University(中国)
• [Int'l Joint Research] National Yang Ming Chiao Tung University/National Chung Hsing University/National Tsing Hua University(中国)
• [Journal Article] Realization of MoTe2 CMOS inverter by contact doping and channel encapsulation (2024)
  • Author(s): Xie Tianshun、Ke Mengnan、Ueno Keiji、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Aoki Nobuyuki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 2 Pages: 02SP49-02SP49
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad16bc
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Coherent optical response driven by non-equilibrium electron?phonon dynamics in a layered transition-metal dichalcogenide (2024)
  • Author(s): Fukuda Takumi、Makino Kotaro、Saito Yuta、Fons Paul、Ando Atsushi、Mori Takuya、Ishikawa Ryo、Ueno Keiji、Afalla Jessica、Hase Muneaki
  • Journal Title: APL Materials Volume: 12 Issue: 2 Pages: 021102-021102
  • DOI: 10.1063/5.0188537
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-Gate MoS2 Tunnel FET with a Thickness-Modulated Homojunction (2024)
  • Author(s): Fukui Tomohiro、Nishimura Tomonori、Miyata Yasumitsu、Ueno Keiji、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Nagashio Kosuke
  • Journal Title: ACS Applied Materials and Interfaces Volume: 16 Issue: 7 Pages: 8993-9001
  • DOI: 10.1021/acsami.3c15535
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Terahertz emission from transient currents and coherent phonons in layered MoSe2 and WSe2 (2023)
  • Author(s): Jessica Afalla , Joselito Muldera , Semmi Takamizawa , Takumi Fukuda , Keiji Ueno , Masahiko Tani , Muneaki Hase
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 133 Issue: 16 Pages: 165103-165103
  • DOI: 10.1063/5.0146489
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fermi Pressure and Coulomb Repulsion Driven Rapid Hot Plasma Expansion in a van der Waals Heterostructure (2023)
  • Author(s): Choi Junho、Embley Jacob、Blach Daria D.、Perea-Causin Raul、Erkensten Daniel、Kim Dong Seob、Yuan Long、Yoon Woo Young、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Ueno Keiji、Tutuc Emanuel、Brem Samuel、Malic Ermin、Li Xiaoqin、Huang Libai
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 23 Issue: 10 Pages: 4399-4405
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00678
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] p-Type Conversion of WS2 and WSe2 by Position-Selective Oxidation Doping and Its Application in Top Gate Transistors (2023)
  • Author(s): Kato Ryoichi、Uchiyama Haruki、Nishimura Tomonori、Ueno Keiji、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Chen Edward、Nagashio Kosuke
  • Journal Title: ACS Applied Materials and Interfaces Volume: 15 Issue: 22 Pages: 26977-26984
  • DOI: 10.1021/acsami.3c04052
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrafast melting of charge-density wave fluctuations at room temperature in 1T-TiSe2 monitored under non-equilibrium conditions (2023)
  • Author(s): Mizukoshi Yu、Fukuda Takumi、Komori Yuta、Ishikawa Ryo、Ueno Keiji、Hase Muneaki
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 122 Issue: 24 Pages: 243101-243101
  • DOI: 10.1063/5.0153161
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoinduced Structural Dynamics of 2H-MoTe₂Under Extremely High-Density Excitation Conditions (2023)
  • Author(s): Fukuda Takumi、Ozaki Uta、Jeong Samuel、Arashida Yusuke、En-ya Kaito、Yoshida Shoji、Fons Paul J.、Fujita Jun-ichi、Ueno Keiji、Hase Muneaki、Hada Masaki
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 127 Issue: 27 Pages: 13149-13156
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c02838
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Soft x-ray photoelectron momentum microscope for multimodal valence band stereography (2023)
  • Author(s): Matsui Fumihiko、Hagiwara Kenta、Nakamura Eiken、Yano Takayuki、Matsuda Hiroyuki、Okano Yasuaki、Kera Satoshi、Hashimoto Eri、Koh Shinji、Ueno Keiji、Kobayashi Takahiro、Iwamoto Emi、Sakamoto Kazuyuki、Tanaka Shin-ichiro、Suga Shigemasa
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 94 Issue: 8 Pages: 083701-083701
  • DOI: 10.1063/5.0154156
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Silicon-van der Waals heterointegration for CMOS-compatible logic-in-memory design (2023)
  • Author(s): Lee Mu-Pai、Gao Caifang、Tsai Meng-Yu、Lin Che-Yi、Yang Feng-Shou、Sung Hsin-Ya、Zhang Chi、Li Wenwu、Li Jun、Zhang Jianhua、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Ueno Keiji、Tsukagoshi Kazuhito、Ho Ching-Hwa、Chu Junhao、Chiu Po-Wen、Li Mengjiao、Wu Wen-Wei、Lin Yen-Fu
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 49
  • DOI: 10.1126/sciadv.adk1597
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Work Function Modulation of Bi/Au Bilayer System toward p-Type WSe2 FET (2023)
  • Author(s): Nakajima Ryuichi、Nishimura Tomonori、Ueno Keiji、Nagashio Kosuke
  • Journal Title: ACS Applied Electronic Materials Volume: 6 Issue: 1 Pages: 144-149
  • DOI: 10.1021/acsaelm.3c01091
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multilayer In-Plane Heterostructures Based on Transition Metal Dichalcogenides for Advanced Electronics (2023)
  • Author(s): Ogura Hiroto、Kawasaki Seiya、Liu Zheng、Endo Takahiko、Maruyama Mina、Gao Yanlin、Nakanishi Yusuke、Lim Hong En、Yanagi Kazuhiro、Irisawa Toshifumi、Ueno Keiji、Okada Susumu、Nagashio Kosuke、Miyata Yasumitsu
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 17 Issue: 7 Pages: 6545-6554
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c11927
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced contact properties of MoTe2-FET via laser-induced heavy doping (2023)
  • Author(s): T. Xie, K. Fukuda, M. Ke, P. Kruger, K. Ueno, G.-H. Kim, N. Aoki
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 62 Issue: SC Pages: SC1010-SC1010
  • DOI: 10.35848/1347-4065/aca67e
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Is band gap of bulk PdSe2 located really in far infrared region? Determination by Fourier Transform Photocurrent Spectroscopy (2022)
  • Author(s): W. Nishiyama, T. Nishimura, M. Nishioka, K. Ueno, S. Iwamoto, and K. Nagashio
  • Journal Title: Adv. Photonics Res. Volume: 3 Issue: 11 Pages: 231-232
  • DOI: 10.1002/adpr.202200231
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diffused Beam Energy to Dope van der Waals Electronics and Boost Their Contact Barrier Lowering (2022)
  • Author(s): C.-Y. Lin, M.-P. Lee, Y.-M. Chang, Y.-T. Tseng, F. -S. Yang, M. Li, J.-C. Chen, C.-F. Chen, M.-Y. Tsai, Y.-C. Lin, K. Ueno, M. Yamamoto, S.-T. Lo, C.-H. Lien, P.-W. Chiu, K. Tsukagoshi, W.-W. Wu, Y.-F. Lin
  • Journal Title: ACS Appl. Mater. Interfaces Volume: 14 Issue: 36 Pages: 41156-41164
  • DOI: 10.1021/acsami.2c07679
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reversible Charge-polarity Control for Multioperation-mode Transistors Based on van der Waals Heterostructures (2022)
  • Author(s): C.-F. Chen, S.-H. Yang, M.-P. Lee, M.-Y. Tsai, F.-S. Yang, Y.-M. Chang, C.-Y. Lin, M. Li, K.-C. Lee, K. Ueno, Y. Shi, C. H. Lien, W.-W. Wu, P.-W. Chiu, S.-T. Lo, and Y.-F. Lin
  • Journal Title: Adv. Sci. Volume: 9 Issue: 24 Pages: 2106016-2106016
  • DOI: 10.1002/advs.202106016
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrafast Operation of 2D Heterostructured Nonvolatile Memory Devices Provided by the Strong Short-Time Dielectric Breakdown Strength of h-BN (2022)
  • Author(s): T. Sasaki, K. Ueno, T. Taniguchi, K. Watanabe, T. Nishimura, and K. Nagashio
  • Journal Title: ACS Appl. Mater. Interfaces Volume: 14 Issue: 22 Pages: 25659-25669
  • DOI: 10.1021/acsami.2c03198
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of Gallium Sulfide as a Buffer Layer in Van der Waals Stacking Structures (2024)
  • Author(s): Ayane Tanaka, Hong En Lim, Keiji Ueno
  • Organizer: 第66回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Scalable growth of Mo6Te6 bundles by chemical vapor deposition (2024)
  • Author(s): Shintaro Saito, Itsuki Yamada, Hong En Lim, Keiji Ueno
  • Organizer: 第66回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] 周波数変調原子間力顕微鏡を用いた1T-TaS2電荷密度波の観測 (2024)
  • Author(s): 小野孝浩、重野智宏、安井勇気、上野啓司、杉本宜昭
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] 化学気相成長法によるMo6Te6ナノワイヤーの多量成長 (2024)
  • Author(s): 斎藤 慎太朗、山田 樹、リム ホンエン、上野 啓司
  • Organizer: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] TaS2のオゾン酸化によるTaOxの形成とゲート絶縁膜応用 (2024)
  • Author(s): 佐橋 悠太朗、稲田 貢、佐藤 伸吾、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] WSe2をチャネルとするディラックソースFETの作製 (2024)
  • Author(s): 細見 誓、稲田 貢、佐藤 伸悟、谷 弘詞、谷口 尚、渡邊 賢司、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] WSe2/WOxヘテロ構造における光ゲーティング効果の温度依存性 (2024)
  • Author(s): 金谷 瞳、稲田 貢、谷口 尚、渡邊 賢司、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] WSe2/WOxヘテロ構造における抵抗変化動作の電極材料依存性 (2024)
  • Author(s): 福島 脩平、稲田 貢、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 希薄NbドープWSe2 FETにおける層数減少に伴うp+からn型への遷移 (2024)
  • Author(s): 金橋 魁利、西村 知紀、上野 啓司、長汐 晃輔
  • Organizer: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Nanolaminated Mist CVD High-κ AlOx/TixAl1-xOy/TiO2 films on P+-Si for TMDCs-MOSFETs (2024)
  • Author(s): Abdul A Kuddus, Kojun Yokoyama, Mainul Hossain, Jaker Hossain, Rasidul Islam, keiji Ueno, Shinichiro Mouri, Hajime Shirai
  • Organizer: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Stack control of Bi/Au bilayer electrodes toward p-type WSe2 FET (2023)
  • Author(s): Ryuichi Nakajima, Tomonori Nishimura, Keiji Ueno, Yasumitsu Miyata, Kosuke Nagashio
  • Organizer: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二次元WSe2/WOX電荷トラップメモリにおける光シナプス可塑性 (2023)
  • Author(s): 金谷 瞳、櫛原 快児、稲田 貢、谷口 尚、渡邊 賢司、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 表面偏析による積層構造制御を利用したWSe2 FETのp型動作 (2023)
  • Author(s): 中島 隆一、西村 知紀、金橋 魁利、上野 啓司、宮田 耕充、長汐 晃輔
  • Organizer: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 銀電極を用いた1T-VSe2抵抗変化メモリにおける低電圧・安定動作 (2023)
  • Author(s): 中村 優太、稲田 貢、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ReドープMoSe2同一結晶面内ヘテロ構造によるトンネルFET動作 (2023)
  • Author(s): 香崎 飛竜、西村 知紀、金橋 魁利、上野 啓司、長汐 晃輔
  • Organizer: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Decomposition and Size Distribution Monitoring of AlTiO and MoS2 Precursor Mist Particles using a Fast-Scanning Mobility Particle Sizer (2023)
  • Author(s): Abdul A Kuddus, Kojun Yokoyama, Keiji Ueno, Shinichiro Mouri, Hajime Shirai
  • Organizer: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ALD成長WS2薄膜のサイクル数に応じた組成変化 (2023)
  • Author(s): 福島 崇史、リム ホン エン、上野 啓司
  • Organizer: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 液体前駆体を用いたNbS2薄膜の成長とXPS解析 (2023)
  • Author(s): 吉田 考希、リム ホン エン、上野 啓司
  • Organizer: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 分子吸着ドーピングと表面酸化によるWSe2の局所キャリア制御 (2023)
  • Author(s): 四方 沢弥、稲田 貢、谷口 尚、渡邊 賢司、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 1T-VSe2の表面酸化膜を用いた抵抗変化メモリの作製 (2023)
  • Author(s): 中村 優太、稲田 貢、谷 弘詞、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 二次元WSe2の自己制限酸化膜を利用したメモリの作製 (2023)
  • Author(s): 寒川 雄斗、稲田 貢、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 表面偏析によるBi 薄膜化を利用したBi/Au コンタクトWSe2 FETのp型動作 (2023)
  • Author(s): 中島 隆一、西村 知紀、上野 啓司、長汐 晃輔
  • Organizer: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 二次元WOxをトラップ層とするMoS2電荷トラップメモリの作製 (2022)
  • Author(s): 野村 尚哉、稲田 貢、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 二次元WSe2電荷トラップメモリにおけるシナプス動作 (2022)
  • Author(s): 櫛原 快児、稲田 貢、谷口 尚、渡邊 賢司、上野 啓司、山本 真人
  • Organizer: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 極薄Bi/Au蒸着がWSe2に及ぼす影響のXPSによる評価 (2022)
  • Author(s): 中島 隆一、西村 知紀、上野 啓司、長汐 晃輔
  • Organizer: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Book] 遷移金属ダイカルコゲナイドの基礎と最新動向 (2023)
  • Author(s): 宮田耕充、吾郷浩樹、松田一成、長汐晃輔、上野啓司 等
  • Total Pages: 326
  • Publisher: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781317588
• [Remarks] 上野・リム研究室公式Webページ
  • URL: https://surface-www.chem.saitama-u.ac.jp/
• [Remarks] 埼玉大学研究者総覧
  • URL: https://s-read.saitama-u.ac.jp/researchers/search/
• [Remarks] 埼玉大学大学院理工学研究科物質科学専攻基礎化学プログラム・理学部基礎化学科 公式サイト
  • URL: https://chem.saitama-u.ac.jp/
• [Remarks] 上野・リム研究室公式Webページ
  • URL: http://surface-www.chem.saitama-u.ac.jp/
• [Remarks] 埼玉大学研究者総覧
  • URL: http://s-read.saitama-u.ac.jp/researchers/