Process development and characterization of edge-selective termination of 2D atomic-layer semiconductors

従来のシリコン等の3次元半導体と違い、面内で結合が閉じた2次元構造を有する原子層半導体の場合、完全結晶では表面にダングリングボンドが無いため、ダングリングボンドの影響が軽視されてきた。しかし、エッジのダングリングボンドがデバイス特性に及ぼす影響はマイクロメートルスケールに渡り得るため、エッジに局在する電子状態（＝エッジ状態）の低減手法の確立が必要である。本研究では、高集積化技術との親和性が高いエッジ選択的終端化プロセスを採用し、エッジ選択的終端化がデバイス特性に及ぼす影響の包括的理解を目指している。これまでに、代表的な原子層半導体である二硫化モリブデンを用いた電界効果トランジスタに関し、フッ素による終端化効果を調査してきたところ、特異な閾値電圧スイッチング現象を見出した。これは、ドレイン電圧の値に応じて電流が流れ始めるのに必要なゲート電圧値（閾値電圧と呼ばれる）がシフトするというものである。ドレイン電圧印加に伴い閾値電圧がシフトする現象はこれまでにも知られていたものの、そこから予想される閾値電圧シフト量よりも非常に大きなシフトが見られており、別の現象に基づくものと推定される。適切なエッジ終端化処理プロセスの確立のためにも、新たに見出したこの閾値電圧シフトの背景物理を明らかにしなくてはならない。また、別の視点に立てば、新規なメモリ素子への応用展開が期待される現象でもあるため、本研究の本来の目的を超えた成果を得たといえる。

従来のシリコン等の3次元半導体と違い、面内で結合が閉じた2次元構造を有する原子層半導体の場合、完全結晶では表面にダングリングボンドが無いため、ダングリングボンドの影響が軽視されてきた。しかし、エッジのダングリングボンドがデバイス特性に及ぼす影響はマイクロメートルスケールに渡り得るため、エッジに局在する電子状態（＝エッジ状態）の低減手法の確立が必要である。本研究では、高集積化技術との親和性が高いエッジ選択的終端化プロセスを採用し、エッジ選択的終端化がデバイス特性に及ぼす影響の包括的理解を目指している。これまでに、代表的な原子層半導体である二硫化モリブデンを用いた電界効果トランジスタに関し、フッ素による終端化効果を調査してきたところ、特異な閾値電圧スイッチング現象を見出した。これは、ドレイン電圧の値に応じて電流が流れ始めるのに必要なゲート電圧値（閾値電圧と呼ばれる）がシフトするというものである。ドレイン電圧印加に伴い閾値電圧がシフトする現象はこれまでにも知られていたものの、そこから予想される閾値電圧シフト量よりも非常に大きなシフトが見られており、別の現象に基づくものと推定される。適切なエッジ終端化処理プロセスの確立のためにも、新たに見出したこの閾値電圧シフトの背景物理を明らかにしなくてはならない。また、別の視点に立てば、新規なメモリ素子への応用展開が期待される現象でもあるため、本研究の本来の目的を超えた成果を得たといえる。