主要成果
漢陽大学のWoo-Hee Kim教授らの研究チームは、半導体製造において結晶が形成され始める「核生成」の位置を制御する手法「etching-flux-mediated single-centred nucleation（EF-SCN）」を開発しました。この手法を用いて、2次元半導体である二硫化モリブデン（MoS2）をパターン化された基板上に成長させたところ、2センチメートルの基板全体で99%を超える単結晶収率を達成しました。また、この手法で作成した結晶を用いて電界効果トランジスタ（FET）を製作したところ、最大117 cm2 V-1s-1の電界効果移動度を記録しました。
技術・詳細
EF-SCNは、酸化物バリアから放出される酸素を用いて核生成の位置を制御する技術です。具体的には、金属有機化学気相成長法（MOCVD）を用い、成長領域を酸化ハフニウム（HfO2）のバリアで囲みます。750°Cで加熱するとHfO2から酸素が放出され、これがパターン境界付近の材料をエッチングすることで、境界での核生成を抑制し、領域中央での単一核生成を促進します。その後、結晶が外側に向かって拡大し、大きな単結晶領域が形成されます。
また、研究チームはバリア材料を二酸化ジルコニウムに変更することで、より低温での結晶成長を実現しました。これにより、430°Cという低温環境下でも、均一で中央に核生成した三角形の単結晶MoS2ドメインを成長させることに成功しています。
さらに、成長条件の最適化についても検証が行われました。
- 硫黄を供給するジエチルサルフィドの流量：核生成の数を制御（少なすぎると核生成せず、多すぎると複数の結晶が生成される）。
- モリブデン前駆体の流量：結晶の成長距離を制御。
これらの条件とパターン寸法を調整することで、最大約8マイクロメートルの結晶や、10マイクロメートルの成長領域を埋める単結晶フィルム、およびトランジスタ統合に適した線状チャネルの作製を実現しました。
背景・業界の文脈
次世代エレクトロニクスとして期待される2次元半導体において、結晶の成長位置と方法を決定する核生成の制御は極めて重要です。従来の領域選択的成長法では、指定された領域内で結晶がどこから形成され始めるかを確実に制御することが困難であり、これが大きな単結晶の作製や、電子デバイスのための精密な構造配置を妨げる要因となっていました。
今後の展望
本手法により、単一の結晶内に4つのトランジスタを統合したところ、電子移動度のばらつきはわずか7.8%に抑えられました。これは、性能の整合性が高い高密度な電子回路を構築できる可能性を示しています。Kim教授は、このアプローチが従来の領域選択的成長を超え、核生成位置や結晶形状、その後のデバイス統合をプログラミングするための汎用的なフレームワークを提供すると述べています。
元記事: https://www.miragenews.com/hanyang-researchers-control-where-semiconductor-1773269/
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