二次元半導体の直接成長ウェハ上でのトランジスタ基本動作を初実証 ―転写プロセスに頼らない集積回路用プラットフォームへ道―

2026-07-09 東京大学

東京大学、物質・材料研究機構(NIMS)、名古屋大学の共同研究グループは、二次元半導体である単結晶二硫化モリブデン(MoS₂)を、従来必要とされていた転写工程を経ることなく、成長させたサファイア基板上で直接トランジスタとして動作させることに世界で初めて成功した。研究では、トランジスタのオン・オフ特性が得られない原因が、MoS₂とサファイア界面に残存する硫酸基や水分子による「隠れた電子ドーピング」であることを解明した。さらに、デバイス加工後に水素・アルゴン雰囲気で熱処理する独自の「完全ドライ界面制御」を導入することで界面不純物を除去し、転写工程なしで良好なトランジスタ動作を実現した。本成果は、高品質なMoS₂をウェハとして直接利用できる道を開くものであり、転写時の破損や汚染といった課題を解消し、二次元半導体を用いたAI半導体や超低消費電力ロジックデバイス、集積回路の実用化を加速する基盤技術として期待される。研究成果は『Advanced Materials』に掲載された。

二次元半導体の直接成長ウェハ上でのトランジスタ基本動作を初実証 ―転写プロセスに頼らない集積回路用プラットフォームへ道―
サファイア基板上に直接形成された「MoS2ウェハ」デバイス群と、その優れたオン・オフ特性(チャネル長L = 20 μm、チャネル幅W = 10 μm)。転写工程を一切介さず、界面制御のみで良好なトランジスタ動作(赤色:初期状態、黒色:アニール後)を実現した。

<関連情報>

ドライインターフェースエンジニアリングによる、トップゲートデバイス用転写不要プラットフォームとしてのMOCVD成長MoS₂ウェハ MOCVD-Grown MoS2 Wafers as a Transfer-Free Platform for Top-Gate Devices via Dry Interface Engineering

Shuhong Li, Juiteng Chang, Keisuke Atsumi, Kosei Matsumoto, Itsuki Tanaka, Tomonori Nishimura, Kaito Kanahashi, Takahiro Nagata, Jun Nara, Yoshiki Sakuma, Emi Kano,…
Advanced Materials  Published: 05 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.73931

ABSTRACT

We uncover the electronic origin of hidden interfacial doping in monolayer MoS2 single-crystal wafers grown on sapphire by metal–organic chemical vapor deposition (MOCVD) and establish a transfer-free top-gate device platform. Despite structural perfection, as-fabricated devices exhibit degenerate electron doping and lack a clear off state. Hall measurements quantify an interfacial electron density of 2.7 × 1012 cm−2, evidencing substantial charge transfer across the nominal van der Waals interface. Interface-sensitive spectroscopy, lateral force microscopy, and thermal desorption analysis reveal a buried sulfate-derived layer accompanied by a water-like interfacial structure that acts as an intrinsic electron donor. A purely dry H2/Ar annealing process selectively removes these species, suppressing charge transfer and restoring intrinsic FET characteristics without transfer or wet processing. Through this dry interface engineering approach, we demonstrate MOCVD-grown single-crystal MoS2 wafers as a robust, transfer-free platform for the reliable evaluation of intrinsic gate stacks and device performance.

0403電子応用
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