二次元材料：ウエハースケール単結晶遷移金属ジカルコゲニドのハイポタキシー

二次元（2D）半導体、特に遷移金属ジカルコゲニド（TMD）は、シリコンを超える先端エレクトロニクスに有望である。以前から、TMDは化学気相成長法によって結晶基板上にエピタキシャル成長されている。しかし、この手法では、成長させた後にTMDを目的の基板に転写する必要があるので、厚さとスケーラビリティーの制御が困難である。今回我々は、被覆2Dテンプレートと結晶整合性を維持しながら、非晶質（アモルファス）基板や格子不整合基板などのさまざまな基板上にウエハースケールの単結晶TMDを直接成長させることができる、ハイポタキシー（hypotaxy）と呼ばれる方法を提示する（「ハイポ（hypo）」は「下向き」、「タキシー（taxy）」は「配列」を意味する）。グラフェンの下にあらかじめ蒸着しておいた金属膜を硫化またはセレン化することによって、配向したTMD核が形成され、グラフェンが除去されると核が融合して単結晶膜が形成される。この方法によって、さまざまな基板上でMoS₂の厚さの精密制御が単層から数百層まで実現され、高い熱伝導率（約120 W m⁻¹ K⁻¹）と移動度（約87 cm² V⁻¹ s⁻¹）を示す4インチ単結晶MoS₂が得られた。さらに、酸素プラズマ処理を用いてグラフェンにナノ細孔を形成することによって、配線工程に適合する400℃というさらに低温でのMoS₂成長が可能になった。今回のハイポタキシー法は、MoSe₂、WS₂、WSe₂など、他のTMDに拡大適用され、従来のエピタキシー法における基板の制約に対する解決策をもたらし、モノリシック三次元集積に向けたウエハースケールのTMDを実現できる。

目次へ戻る