水素終端ゲルマニウム層状半導体（ゲルマナン）において記録的な正孔移動度を達成 ──2D/3D同一元素ヘテロ界面による新たな材料開発の指針──

2026-04-09 東京大学

東京大学大学院総合文化研究科の研究チームは、水素終端ゲルマニウム層状半導体「ゲルマナン（GeH）」において、記録的な正孔移動度（67,000 cm²/Vs）を達成した。3Dゲルマニウム基板上に2Dゲルマナンを形成した「同一元素2D/3Dヘテロ界面」により、不純物ドーピングなしで高品質な2次元正孔ガスを自発的に生成。これによりイオン化不純物散乱が抑制され、優れた電荷輸送特性を実現した。従来の精密な不純物制御に依存しない新たな界面設計指針を提示し、次世代高速電子デバイスへの応用が期待される成果である。

ゲルマナン2D/3D界面の持つ高いホール移動度

＜関連情報＞

ゲルマネン/Ge(111)エピタキシャル2D/3D同素体ヘテロ界面における高移動度ホール
High-mobility holes at germanane/Ge(111) epitaxial 2D/3D allotropic heterointerface

Yumiko Katayama;Daiki Kobayashi;Hikaru Okuma;Yuhsuke Yasutake;Susumu Fukatsu;Kazunori Ueno
Applied Physics Letters Published:April 06 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0321934

Germanane (GeH) is essentially a hydrogen-terminated Ge analog of graphene with a direct gap (⁠≈1.6 eV). Record hole mobility μ_h≈67 000 cm² V⁻¹ s⁻¹ is found at 15 K for a single allotropic heterointerface. This is enabled by making topotactically transformed 2D GeH layers meet the 3D bulk Ge(111). Temperature dependence of μ_h implies metallic conduction without ionized impurity scattering between 20 and 250 K. Sheet hole density for a Fermi sphere n_S=2.8×10¹¹cm⁻² agrees well with 3.0×10¹¹ of Hall measurements. A 6500% magnetoresistance at 7 T accompanies Shubnikov–de Haas oscillations visible even at 15 K. These imply single-band conduction of holes with small effective mass in the in-plane directions, invoking a 2D hole gas (2DHG) picture that epitaxial allotropic heterointerface between 2D GeH and 3D Ge harbors 2D-confined high-mobility holes. Even without elaborate heteroepitaxy and modulation doping, epitaxial 2D/3D allotropic heterostructures pave the way toward facile 2DHG creation.