二次元原子層膜を使った超高感度光センサーの開発

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二次元層状物質のひとつ二硫化レニウム(ReS2)を中心材料にした光機能性薄膜トランジスタの開拓に取り組んだ。まず、原子層数の異なる二枚のReS2薄膜を並列に接合して、これを光トランジスタのチャネル層として用いた。その結果、高い量子収率と高速応答の両方を兼ね備えた高機能性光トランジスタの動作を実現できた。これは二枚のReS2薄膜の接合界面で余剰電荷がトラップされることにより、光励起された電荷の再結合を抑制しているためであることを明らかにした。次に3種類の二次元層状物質(グラフェン・六方晶窒化ホウ素・ReS2)を積層したフローティングゲート型メモリ素子において、光照射とゲート電圧を適宜制御することにより、電荷をフローティングメモリに蓄積した光メモリ機能の動作に成功した。ここではグラフェンがフローティングゲート、六方晶窒化ホウ素がゲート絶縁膜、ReS2薄膜がトランジスタチャネルとして機能する。この素子の特長は光照射をパルスレーザー光とすることにより、蓄積する電荷の量を再現性よく制御できることにある。特に蓄積量を多段階に制御した多値メモリを実現できた。以上、光トランジスタと光メモリの二つの光機能性薄膜トランジスタは、いずれも半導体であるReS2薄膜をチャネルとして用いている。このReS2は原子層数に関係なく直接遷移型の半導体として機能するといった特長を持つ。通常の遷移金属カルコゲナイドは単層では直接遷移型だが、多層にすると間接遷移型半導体になってしまう。しかしReS2は複数層でも直接遷移型半導体であるため、上記のような光機能性を発現することができた。このようにして新しい光応答性の機能性トランジスタの開拓に成功した。