次世代半導体MoS₂の革新的ウエハースケール成膜技術を開発~結晶成長の自己整合および自己停止メカニズムにより高移動度を達成~

2026-01-21 東京大学

物質・材料研究機構(NIMS)と東京大学を中心とする研究グループは、有機金属化学気相成長法(MOCVD)を用いて、次世代半導体材料MoS₂のウエハースケール単結晶成膜技術を開発した。サファイア基板上で結晶粒が自発的に配向を揃えて単結晶化する「自己整合成長」と、反応が単層厚で自動的に止まる「自己停止成長」という2つの新機構を発見し、2インチ全面で均一な単層MoS₂膜を実現した。得られた膜は欠陥が極めて少なく、室温で高い電子移動度を示し、低温ではさらに性能が向上することが確認された。本成果は、サブ1nm世代の論理トランジスタ実現に向けた重要な技術基盤であり、量産対応可能な2D半導体製造への道を切り開くものとして、Nature Communicationsに掲載された。

次世代半導体MoS₂の革新的ウエハースケール成膜技術を開発~結晶成長の自己整合および自己停止メカニズムにより高移動度を達成~
MoS2単結晶ウエハーとデバイス群

<関連情報>

スケーラブルな2Dエレクトロニクスのための単層MoS₂の自己整合および自己制限ファンデルワールスエピタキシー Self-aligned and self-limiting van der Waals epitaxy of monolayer MoS2 for scalable 2D electronics

Yoshiki Sakuma,Keisuke Atsumi,Takanobu Hiroto,Jun Nara,Akihiro Ohtake,Yuki Ono,Takashi Matsumoto,Yukihiro Muta,Kai Takeda,Emi Kano,Toshiki Yasuno,Xu Yang,Nobuyuki Ikarashi,Asato Suzuki,Michio Ikezawa,Shuhong Li,Tomonori Nishimura,Kaito Kanahashi & Kosuke Nagashio
Nature Communications  Published:21 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-68320-8

Abstract

Unidirectional nucleation followed by seamless stitching has emerged as a promising strategy for the scalable epitaxial growth of single-crystalline monolayer transition metal dichalcogenides on sapphire substrates, which holds potential for post-silicon electronics. In contrast, here we present a different growth mechanism for single-crystalline MoS2 on c-plane sapphire via metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). We show that the initial nucleation generates not only 0° and antiparallel 60° domains but also low-angle twisted domains, consistent with the coincidence site lattice framework. However, these rotationally misoriented domains are observed to deterministically self-align and merge into energetically preferred 0° domain during coalescence, yielding a continuous, unidirectional single-crystal. Additionally, by employing MoO2Cl2 as a molybdenum precursor, we demonstrate that the growth of MoS2 occurs in a self-limiting manner. This epitaxial strategy is substantiated by a carrier mobility of 66 cm2/Vs at room temperature and 749 cm2/Vs at low temperatures. Our approach offers a practical and reproducible scheme for MOCVD-based van der Waals epitaxy for 2D electronics.

0403電子応用
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