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本研究では広い波長域で感度をもつ単一光子が検出可能な光センサデバイスの実現をめざし、本年度は遷移金属ダイカルコゲナイドへの展開について検討した。特に高速で且つ単一光子計測を実現するためには暗電流の抑圧が重要でありバンドギャップをもつTMDCを用いて界面状態を変調し特性向上を図った。
単層TMDCにおける界面効果による応答の高速化に関してゲート絶縁膜とTMDC界面に捕獲されたキャリアに着目して検討を進めた。従来、TMDCの中のMoS2ではゲート絶縁膜がSiO2の場合、電荷揺らぎに起因したキャリア捕獲準位に光励起したキャリアが捕獲され光を遮断しても持続的に電流が流れ続けるパーシステント光導電効果が報告されていた。この場合、キャリアの捕獲・放出過程に対応した時定数のため、光応答速度が数秒から数百秒に渡ることが問題であった。これに対して、界面に数ナノメートルのAl2O3膜を堆積することで著しく時定数が向上し1秒以下の応答速度を達成できることを見出した。さらに、その光感度は単純な光応答に比べて1～2桁大きくなることを見出した。これらの成果は当初の目的である単一光子検出の可能性を示している。
さらなる高機能化のため、グラフェン・TMDC積層膜の形成した光トランジスタを作製した。グラフェンとの積層界面に従来報告されているようなトンネルバリアでなくトラップを有する障壁を上記項目の検討結果をもとに形成し、界面バンド構造を変調することで高速の光検出器が実現できた。
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