触媒効果による層状化合物原子膜の低温単結晶成長実現

(1) これまでの研究から、二硫化タングステン（WS2）薄膜の原子層堆積法（ALD）成長において、銅薄膜が効果的な触媒効果を示すことが示唆されていた。令和4年度はラマン分光、X線光電子分光、原子間力顕微鏡の各手法を用い、銅薄膜上と銅薄膜から離れたSiO2/Si基板上でのWS2薄膜の成膜状況を、成長温度を変えつつ比較検討した。その結果、基板温度400℃及び380℃においては、銅薄膜上にのみ結晶性のWS2薄膜が成長することが示され、銅薄膜の触媒効果が確認された。更に基板温度を下げた場合についての実験を進めている。(2) 銅薄膜が高い触媒効果を示すことを利用して、微小なギャップを挟んだ2つの銅薄膜の間隙に、結晶性のWS2薄膜を選択的にALD成長することを試みた。まず基板上に約1μmの間隙を持つ銅薄膜２つを光リソグラフィー法により形成し、続いて370℃でWS2薄膜のALD成長を行い、さらに硫黄雰囲気下で試料を650℃でアニールした。その結果、銅薄膜上と銅薄膜の1μmのギャップ間にのみ、結晶性のWS2薄膜が選択的に成長し、銅薄膜の無いSiO2/Si基板上には結晶性WS2薄膜が成長していないことが、ラマン分光法により確認された。(3) 低温ALD成長したWS2膜を硫黄雰囲気下でアニールした試料がp型のFET動作を示すことがこれまでに判明していたが、このp型動作は、WS2膜内に取り込まれたW前駆体由来の窒素がp型ドーパントとして働き、アクセプター準位が形成されたためであると、密度汎関数法による理論計算から導かれた。

(1) これまでの研究から、二硫化タングステン（WS2）薄膜の原子層堆積法（ALD）成長において、銅薄膜が効果的な触媒効果を示すことが示唆されていた。令和4年度はラマン分光、X線光電子分光、原子間力顕微鏡の各手法を用い、銅薄膜上と銅薄膜から離れたSiO2/Si基板上でのWS2薄膜の成膜状況を、成長温度を変えつつ比較検討した。その結果、基板温度400℃及び380℃においては、銅薄膜上にのみ結晶性のWS2薄膜が成長することが示され、銅薄膜の触媒効果が確認された。更に基板温度を下げた場合についての実験を進めている。(2) 銅薄膜が高い触媒効果を示すことを利用して、微小なギャップを挟んだ2つの銅薄膜の間隙に、結晶性のWS2薄膜を選択的にALD成長することを試みた。まず基板上に約1μmの間隙を持つ銅薄膜２つを光リソグラフィー法により形成し、続いて370℃でWS2薄膜のALD成長を行い、さらに硫黄雰囲気下で試料を650℃でアニールした。その結果、銅薄膜上と銅薄膜の1μmのギャップ間にのみ、結晶性のWS2薄膜が選択的に成長し、銅薄膜の無いSiO2/Si基板上には結晶性WS2薄膜が成長していないことが、ラマン分光法により確認された。(3) 低温ALD成長したWS2膜を硫黄雰囲気下でアニールした試料がp型のFET動作を示すことがこれまでに判明していたが、このp型動作は、WS2膜内に取り込まれたW前駆体由来の窒素がp型ドーパントとして働き、アクセプター準位が形成されたためであると、密度汎関数法による理論計算から導かれた。