ファンデルワースル積層構造のための新規バッファ層物質：硫化ガリウムの応用

• 研究領域: ２．５次元物質科学：社会変革に向けた物質科学のパラダイムシフト
• 研究課題/領域番号: 22H05445
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 上野 啓司 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (40223482)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円); 2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

(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。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] The University of Texas at Austin/Purdue University(米国)
• [国際共同研究] Chalmers University of Technology(スウェーデン)
• [国際共同研究] Philipps University of Marburg(ドイツ)
• [国際共同研究] National Yang Ming Chiao Tung University/Fudan University/National Tsing Hua University(中国)
• [国際共同研究] National Yang Ming Chiao Tung University/National Chung Hsing University/National Tsing Hua University(中国)
• [雑誌論文] Realization of MoTe2 CMOS inverter by contact doping and channel encapsulation (2024)
  • 著者名/発表者名: Xie Tianshun、Ke Mengnan、Ueno Keiji、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Aoki Nobuyuki
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 号: 2 ページ: 02SP49-02SP49
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad16bc
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coherent optical response driven by non-equilibrium electron?phonon dynamics in a layered transition-metal dichalcogenide (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Takumi、Makino Kotaro、Saito Yuta、Fons Paul、Ando Atsushi、Mori Takuya、Ishikawa Ryo、Ueno Keiji、Afalla Jessica、Hase Muneaki
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 12 号: 2 ページ: 021102-021102
  • DOI: 10.1063/5.0188537
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-Gate MoS2 Tunnel FET with a Thickness-Modulated Homojunction (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukui Tomohiro、Nishimura Tomonori、Miyata Yasumitsu、Ueno Keiji、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Nagashio Kosuke
  • 雑誌名: ACS Applied Materials and Interfaces 巻: 16 号: 7 ページ: 8993-9001
  • DOI: 10.1021/acsami.3c15535
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz emission from transient currents and coherent phonons in layered MoSe2 and WSe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Jessica Afalla , Joselito Muldera , Semmi Takamizawa , Takumi Fukuda , Keiji Ueno , Masahiko Tani , Muneaki Hase
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 133 号: 16 ページ: 165103-165103
  • DOI: 10.1063/5.0146489
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fermi Pressure and Coulomb Repulsion Driven Rapid Hot Plasma Expansion in a van der Waals Heterostructure (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 23 号: 10 ページ: 4399-4405
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00678
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] p-Type Conversion of WS2 and WSe2 by Position-Selective Oxidation Doping and Its Application in Top Gate Transistors (2023)
  • 著者名/発表者名: Kato Ryoichi、Uchiyama Haruki、Nishimura Tomonori、Ueno Keiji、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Chen Edward、Nagashio Kosuke
  • 雑誌名: ACS Applied Materials and Interfaces 巻: 15 号: 22 ページ: 26977-26984
  • DOI: 10.1021/acsami.3c04052
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast melting of charge-density wave fluctuations at room temperature in 1T-TiSe2 monitored under non-equilibrium conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizukoshi Yu、Fukuda Takumi、Komori Yuta、Ishikawa Ryo、Ueno Keiji、Hase Muneaki
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 122 号: 24 ページ: 243101-243101
  • DOI: 10.1063/5.0153161
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoinduced Structural Dynamics of 2H-MoTe₂Under Extremely High-Density Excitation Conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 127 号: 27 ページ: 13149-13156
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c02838
  • 査読あり
• [雑誌論文] Soft x-ray photoelectron momentum microscope for multimodal valence band stereography (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 94 号: 8 ページ: 083701-083701
  • DOI: 10.1063/5.0154156
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Silicon-van der Waals heterointegration for CMOS-compatible logic-in-memory design (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 号: 49
  • DOI: 10.1126/sciadv.adk1597
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Work Function Modulation of Bi/Au Bilayer System toward p-Type WSe2 FET (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Ryuichi、Nishimura Tomonori、Ueno Keiji、Nagashio Kosuke
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 6 号: 1 ページ: 144-149
  • DOI: 10.1021/acsaelm.3c01091
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multilayer In-Plane Heterostructures Based on Transition Metal Dichalcogenides for Advanced Electronics (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 号: 7 ページ: 6545-6554
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c11927
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced contact properties of MoTe2-FET via laser-induced heavy doping (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Xie, K. Fukuda, M. Ke, P. Kruger, K. Ueno, G.-H. Kim, N. Aoki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 62 号: SC ページ: SC1010-SC1010
  • DOI: 10.35848/1347-4065/aca67e
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Is band gap of bulk PdSe2 located really in far infrared region? Determination by Fourier Transform Photocurrent Spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: W. Nishiyama, T. Nishimura, M. Nishioka, K. Ueno, S. Iwamoto, and K. Nagashio
  • 雑誌名: Adv. Photonics Res. 巻: 3 号: 11 ページ: 231-232
  • DOI: 10.1002/adpr.202200231
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Diffused Beam Energy to Dope van der Waals Electronics and Boost Their Contact Barrier Lowering (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 14 号: 36 ページ: 41156-41164
  • DOI: 10.1021/acsami.2c07679
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reversible Charge-polarity Control for Multioperation-mode Transistors Based on van der Waals Heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Adv. Sci. 巻: 9 号: 24 ページ: 2106016-2106016
  • DOI: 10.1002/advs.202106016
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrafast Operation of 2D Heterostructured Nonvolatile Memory Devices Provided by the Strong Short-Time Dielectric Breakdown Strength of h-BN (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Sasaki, K. Ueno, T. Taniguchi, K. Watanabe, T. Nishimura, and K. Nagashio
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 14 号: 22 ページ: 25659-25669
  • DOI: 10.1021/acsami.2c03198
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Application of Gallium Sulfide as a Buffer Layer in Van der Waals Stacking Structures (2024)
  • 著者名/発表者名: Ayane Tanaka, Hong En Lim, Keiji Ueno
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Scalable growth of Mo6Te6 bundles by chemical vapor deposition (2024)
  • 著者名/発表者名: Shintaro Saito, Itsuki Yamada, Hong En Lim, Keiji Ueno
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小野孝浩、重野智宏、安井勇気、上野啓司、杉本宜昭
  • 学会等名: 日本物理学会 2024年春季大会
• [学会発表] 化学気相成長法によるMo6Te6ナノワイヤーの多量成長 (2024)
  • 著者名/発表者名: 斎藤 慎太朗、山田 樹、リム ホンエン、上野 啓司
  • 学会等名: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] TaS2のオゾン酸化によるTaOxの形成とゲート絶縁膜応用 (2024)
  • 著者名/発表者名: 佐橋 悠太朗、稲田 貢、佐藤 伸吾、上野 啓司、山本 真人
  • 学会等名: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] WSe2をチャネルとするディラックソースFETの作製 (2024)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 金谷 瞳、稲田 貢、谷口 尚、渡邊 賢司、上野 啓司、山本 真人
  • 学会等名: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 福島 脩平、稲田 貢、上野 啓司、山本 真人
  • 学会等名: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 金橋 魁利、西村 知紀、上野 啓司、長汐 晃輔
  • 学会等名: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Nanolaminated Mist CVD High-κ AlOx/TixAl1-xOy/TiO2 films on P+-Si for TMDCs-MOSFETs (2024)
  • 著者名/発表者名: Abdul A Kuddus, Kojun Yokoyama, Mainul Hossain, Jaker Hossain, Rasidul Islam, keiji Ueno, Shinichiro Mouri, Hajime Shirai
  • 学会等名: 2024年 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Stack control of Bi/Au bilayer electrodes toward p-type WSe2 FET (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryuichi Nakajima, Tomonori Nishimura, Keiji Ueno, Yasumitsu Miyata, Kosuke Nagashio
  • 学会等名: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中島 隆一、西村 知紀、金橋 魁利、上野 啓司、宮田 耕充、長汐 晃輔
  • 学会等名: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中村 優太、稲田 貢、上野 啓司、山本 真人
  • 学会等名: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 香崎 飛竜、西村 知紀、金橋 魁利、上野 啓司、長汐 晃輔
  • 学会等名: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Decomposition and Size Distribution Monitoring of AlTiO and MoS2 Precursor Mist Particles using a Fast-Scanning Mobility Particle Sizer (2023)
  • 著者名/発表者名: Abdul A Kuddus, Kojun Yokoyama, Keiji Ueno, Shinichiro Mouri, Hajime Shirai
  • 学会等名: 2023年 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ALD成長WS2薄膜のサイクル数に応じた組成変化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 福島 崇史、リム ホン エン、上野 啓司
  • 学会等名: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 液体前駆体を用いたNbS2薄膜の成長とXPS解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉田 考希、リム ホン エン、上野 啓司
  • 学会等名: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 四方 沢弥、稲田 貢、谷口 尚、渡邊 賢司、上野 啓司、山本 真人
  • 学会等名: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 1T-VSe2の表面酸化膜を用いた抵抗変化メモリの作製 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中村 優太、稲田 貢、谷 弘詞、上野 啓司、山本 真人
  • 学会等名: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 二次元WSe2の自己制限酸化膜を利用したメモリの作製 (2023)
  • 著者名/発表者名: 寒川 雄斗、稲田 貢、上野 啓司、山本 真人
  • 学会等名: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 中島 隆一、西村 知紀、上野 啓司、長汐 晃輔
  • 学会等名: 2023年 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 野村 尚哉、稲田 貢、上野 啓司、山本 真人
  • 学会等名: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 二次元WSe2電荷トラップメモリにおけるシナプス動作 (2022)
  • 著者名/発表者名: 櫛原 快児、稲田 貢、谷口 尚、渡邊 賢司、上野 啓司、山本 真人
  • 学会等名: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 極薄Bi/Au蒸着がWSe2に及ぼす影響のXPSによる評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中島 隆一、西村 知紀、上野 啓司、長汐 晃輔
  • 学会等名: 2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [図書] 遷移金属ダイカルコゲナイドの基礎と最新動向 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮田耕充、吾郷浩樹、松田一成、長汐晃輔、上野啓司 等
  • 総ページ数: 326
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781317588
• [備考] 上野・リム研究室公式Webページ
  • URL: https://surface-www.chem.saitama-u.ac.jp/
• [備考] 埼玉大学研究者総覧
  • URL: https://s-read.saitama-u.ac.jp/researchers/search/
• [備考] 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/
• [備考] 上野・リム研究室公式Webページ
  • URL: http://surface-www.chem.saitama-u.ac.jp/
• [備考] 埼玉大学研究者総覧
  • URL: http://s-read.saitama-u.ac.jp/researchers/