(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に積層された２以上のグラファイト以外の層状物質の単位層と、
前記２以上の単位層を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、
を有し、
前記インターカラントは絶縁膜又は有機膜であり、
前記層状物質は、１３族カルコゲナイド、１４族カルコゲナイド、ビスマスカルコゲナイド、又はホスフォレンであることを特徴とする層状物質の積層構造。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に積層された２以上のホスフォレン積層体と、
前記２以上のホスフォレン積層体を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、
を有し、
前記インターカラントは絶縁膜又は有機膜であり、
前記２以上のホスフォレン積層体の各々は、互いに結合した２以上のホスフォレン膜を有することを特徴とする層状物質の積層構造。
【請求項３】
基板と、
前記基板上に積層された２以上のグラファイト以外の層状物質の単位層と、
前記２以上の単位層を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、
前記基板上に形成され、前記２以上の単位層に接する電極と、
を有し、
前記インターカラントは絶縁膜又は有機膜であり、
前記層状物質は、１３族カルコゲナイド、１４族カルコゲナイド、ビスマスカルコゲナイド、又はホスフォレンであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
基板と、
前記基板上に積層された２以上のホスフォレン積層体と、
前記２以上のホスフォレン積層体を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、
前記基板上に形成され、前記２以上のホスフォレン積層体に接する電極と、
を有し、
前記インターカラントは絶縁膜又は有機膜であり、
前記２以上のホスフォレン積層体の各々は、互いに結合した２以上のホスフォレン膜を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
基板上に第１のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成する工程と、
前記第１の単位層上にインターカラントを形成する工程と、
前記インターカラントを形成する工程の後に、前記インターカラント上に第２のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成する工程と、
を有し、
前記層状物質は、１３族カルコゲナイド、１４族カルコゲナイド、ビスマスカルコゲナイド、又はホスフォレンであることを特徴とする層状物質の積層構造の製造方法。
【請求項６】
基板上に第１のホスフォレン積層体を形成する工程と、
前記第１のホスフォレン積層体上にインターカラントを形成する工程と、
前記インターカラントを形成する工程の後に、前記インターカラント上に第２のホスフォレン積層体を形成する工程と、
を有し、
前記第１のホスフォレン積層体及び前記第２のホスフォレン積層体の各々は、互いに結合した２以上のホスフォレン膜を有することを特徴とする層状物質の積層構造の製造方法。
【請求項７】
基板上に第１のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成する工程と、
前記第１の単位層上にインターカラントを形成する工程と、
前記インターカラントを形成する工程の後に、前記インターカラント上に第２のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成する工程と、
前記第１の単位層及び前記第２の単位層に接する電極を前記基板上に形成する工程と、
を有し、
前記層状物質は、１３族カルコゲナイド、１４族カルコゲナイド、ビスマスカルコゲナイド、又はホスフォレンであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
基板上に第１のホスフォレン積層体を形成する工程と、
前記第１のホスフォレン積層体上にインターカラントを形成する工程と、
前記インターカラントを形成する工程の後に、前記インターカラント上に第２のホスフォレン積層体を形成する工程と、
前記第１のホスフォレン積層体及び前記第２のホスフォレン積層体に接する電極を前記基板上に形成する工程と、
を有し、
前記第１のホスフォレン積層体及び前記第２のホスフォレン積層体の各々は、互いに結合した２以上のホスフォレン膜を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、層状物質の積層構造及びその製造方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラファイト等の層状物質は、複数の単位層が厚さ方向に積層した構造を備えている。単位層内では、原子が共有結合やイオン結合のような強い結合で二次元状に結ばれており、単位層間では、原子が主として弱いファンデルワールス力により結ばれている。グラファイトの単位層はグラフェンとよばれる。そして、層状物質のバルクから剥離により取り出した単位層において、バルクでは発現しない新規な物性が発現することが報告されて以来、単位層の応用について多くの関心が集まっている。例えば、例えば、高い光透過性及び柔軟性に着目して、透明導電膜又はフレキシブルデバイスへの応用が試みられている。
【０００３】
層状物質の一例として遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤＣ：transition metal dichalcogenide）が挙げられる。ＴＭＤＣは遷移金属（Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ等）及びカルコゲン（Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ等）からなる化合物の総称である。ＴＭＤＣは、例えば、バルクではシリコンのように間接遷移型半導体の性質を呈し、単位層では直接遷移型半導体の性質を呈する。ＴＭＤＣの単位層では、ＴＭＤＣに含まれる２種以上の遷移金属を組み合わせることでバンドギャップを変調させることも可能である。ＴＭＤＣの単位層は、その組成に応じて導電体、絶縁体等の性質を呈することもある。
【０００４】
層状物質の他の一例として黒燐が挙げられ、黒燐の単位層はホスフォレン（phosphorene）とよばれる。ホスフォレンは積層した単位層の数に依存してバンドギャップが０．３ｅＶ〜１．０ｅＶの範囲で変調することが理論的に予測され、１．４５ｅＶに相当するエネルギーの発光が実験的に確認されている（非特許文献２）。更に、単位層の数に依らず直接遷移型半導体の性質を呈し、遷移金属ダイカルコゲナイドと比較して高いホール移動度を示すことが明らかになっており、チューナブルバンドギャップ半導体材料として注目を集めている。
【０００５】
しかしながら、単位層で実用的なレベルの出力を得ることは困難であり、単位層を積層したのでは、単位層特有の性質を得ることができない。ホスフォレンについては、特定のバンドギャップが得られる単位層の積層数が決まっており、その積層数で実用的なレベルの出力を得ることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−３０７５０４号公報
【特許文献２】特開平１１−２４３２５３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Nano Lett. 2010, 10, 1271
【非特許文献２】ACS Nano, 2014, 8, 4033
【非特許文献３】J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 5941
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、層状物質の単位層特有の性質に基づく出力を実用的なレベルで得ることができる層状物質の積層構造及びその製造方法等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
層状物質の積層構造の一態様には、基板と、前記基板上に積層された２以上のグラファイト以外の層状物質の単位層と、前記２以上の単位層を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、が含まれており、前記インターカラントは絶縁膜又は有機膜であり、前記層状物質は、１３族カルコゲナイド、１４族カルコゲナイド、ビスマスカルコゲナイド、又はホスフォレンである。
【００１１】
層状物質の積層構造の他の一態様には、基板と、前記基板上に積層された２以上のホスフォレン積層体と、前記２以上のホスフォレン積層体を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、が含まれ、前記インターカラントは絶縁膜又は有機膜であり、前記２以上のホスフォレン積層体の各々は、互いに結合した２以上のホスフォレン膜が含まれる。
【００１２】
層状物質の積層構造の製造方法の一態様では、基板上に第１のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成し、前記第１の単位層上にインターカラントを形成し、前記インターカラントを形成した後に、前記インターカラント上に第２のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成し、前記層状物質は、１３族カルコゲナイド、１４族カルコゲナイド、ビスマスカルコゲナイド、又はホスフォレンである。
【００１４】
層状物質の積層構造の製造方法の更に他の一態様では、基板上に第１のホスフォレン積層体を形成し、前記第１のホスフォレン積層体上にインターカラントを形成し、前記インターカラントを形成した後に、前記インターカラント上に第２のホスフォレン積層体を形成する。前記第１のホスフォレン積層体及び前記第２のホスフォレン積層体の各々には、互いに結合した２以上のホスフォレン膜が含まれる。
【発明の効果】
【００１５】
上記の層状物質の積層構造等によれば、適切なインターカラントが含まれるため、層状物質の単位層特有の性質に基づく出力を実用的なレベルで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係る層状物質の積層構造の構成を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の例を工程順に示す断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の他の例を工程順に示す断面図である。
【図４】第１の実施形態の変形例を示す断面図である。
【図５】発光強度の測定結果を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る層状物質の積層構造の構成を示す断面図である。
【図７】第２の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の例を工程順に示す断面図である。
【図８】第２の実施形態の変形例を示す断面図である。
【図９】第３の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１０】第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１１】第４の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１２】第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１３】第５の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１４】第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１５】第６の実施形態に係る層状物質の積層構造の構成を示す断面図である。
【図１６】第６の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の例を工程順に示す断面図である。
【図１７】第６の実施形態の変形例を示す断面図である。
【図１８】第７の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１９】第７の実施形態に係る半導体装置の製造方法の例を工程順に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本願発明者は、単位層を積層したのでは、単位層特有の性質を得ることができない原因を究明すべく鋭意検討を行った。この結果、単位層を積層した場合には、単位層間で相互作用が働いていることが判明した。そして、本願発明者は、この知見に基づき、単位層間の相互作用を働きにくくする構成について鋭意検討を重ねた結果、以下の実施形態に想到した。
【００１８】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、層状物質の積層構造の一例である。図１は、第１の実施形態に係る層状物質の積層構造の構成を示す断面図である。
【００１９】
第１の実施形態に係る層状物質の積層構造では、図１に示すように、基板１上に層状物質膜２が形成され、この層状物質膜２上にインターカラント３が形成され、このインターカラント３上に他の層状物質膜２が形成されている。
【００２０】
基板１は、例えば絶縁性基板若しくは有機フィルム又はこれらに異種材料が堆積された基板である。絶縁性基板としては、例えば、表面にＳｉＯ2膜が形成されたＳｉ基板、石英基板、アルミナ基板、サファイア基板、ＭｇＯ基板、マイカ基板、ジルコニア基板、ダイヤモンド基板、ＳｉＣ基板、ＳｉＮ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＣａＯ基板及びＹ2Ｏ3基板が挙げられる。有機フィルムとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：polyethylene terephthalate）フィルム、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ：polyvinyl chloride）フィルム、ポリプロピレン（ＰＰ：polypropylene）フィルム、ポリエチレン（ＰＥ：polyethylene）フィルム、ポリカーボネート（ＰＣ：polycarbonate）フィルム及びポリスチレン（ＰＳ：polystyrene）フィルムが挙げられる。
【００２１】
層状物質膜２はグラフェン以外の層状物質の単位層であり、その材料は、例えば、金属カルコゲナイド、水酸化２価金属、ハロゲン化金属、層状ケイ酸塩、酸化チタン系層状結晶、ペロブスカイト系層状結晶、ホスフォレン、ｈ（六方晶）−ＢＮ、Ｂｉ2Ｓｒ2ＣａＣｕ2Ｏx、Ｂｉ2Ｓｒ2Ｃａ2Ｃｕ2Ｏx又はＬａＦｅＡｓＯ1-xＦxである。金属カルコゲナイドとしては、例えば、ＴＭＤＣ、１３族カルコゲナイド、１４族カルコゲナイド、ビスマスカルコゲナイドが挙げられる。ＴＭＤＣとしては、例えば、ＭｏＳ2、ＭｏＳｅ2、ＷＳ2、ＷＳｅ2、ＭｏＴｅ2、ＷＴｅ2、ＴｉＳ2、ＺｒＳ2及びＨｆＳ2が挙げられる。１３族カルコゲナイドとしては、例えば、ＧａＳ、ＧａＳｅ、ＧａＴｅ及びＩｎＳｅが挙げられる。１４族カルコゲナイドとしては、例えば、ＧｅＳ、ＳｎＳ2、ＳｎＳｅ2及びＰｂＯが挙げられる。ビスマスカルコゲナイドとしては、例えば、Ｂｉ2Ｓｅ3及びＢｉ2Ｔｅ3が挙げられる。水酸化２価金属としては、例えば、Ｍｇ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＯＨ）2、Ｍｎ（ＯＨ）2、Ｆｅ（ＯＨ）2、Ｃｏ（ＯＨ）2、Ｎｉ（ＯＨ）2、Ｃｕ（ＯＨ）2、Ｚｎ（ＯＨ）2及びＣｄ（ＯＨ）2が挙げられる。ハロゲン化金属としては、例えば、ＭｇＢｒ2、ＣｄＣｌ2、ＣｄＩ2、Ａｇ2Ｆ、ＡｓＩ3及びＡｌＣｌ3が挙げられる。層状ケイ酸塩としては、例えば、マイカ、滑石及びカオリンが挙げられる。上記化合物が２種以上の金属を含有していてもよい。
【００２２】
これらの層状物質は、バルクでは間接遷移型半導体の性質を呈し、単位層では直接遷移型半導体の性質を呈する。そして、この性質の変化に伴って、光学特定、電気特性、磁気特性、力学特性、熱特性、触媒性能等が変化する。
【００２３】
インターカラント３の材料としては、例えば、層状物質膜２に対して不活性で、かつその上下にある層状物質膜２間の相互作用を抑制することが可能なものが用いられる。層状物質膜２にｈ−ＢＮ以外の材料が用いられている場合、インターカラント３の材料としてはｈ−ＢＮが好適である。インターカラント３の材料として他の層状物質を用いてもよい。インターカラント３として絶縁膜を用いてもよい。絶縁膜としては、例えば、ＳｉＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜、ＨｆＯ2膜、ＺｎＯ膜、ＳｉＮ膜及びＡｌＮ膜が挙げられる。インターカラント３として有機膜を用いてもよい。有機膜としては、例えば、分子膜、液晶膜及びレジスト膜が挙げられる。
【００２４】
第１の実施形態によれば、２つの層状物質膜２が含まれ、かつ層状物質膜２の間にインターカラント３が存在するため、層状物質膜２間の相互作用が抑制され、単位層特有の性質を取得しながら高出力を得ることができる。
【００２５】
次に、第１の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の例について説明する。図２は、第１の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の例を工程順に示す断面図である。
【００２６】
この例では、先ず、図２（ａ）に示すように、基板１上に層状物質膜２を形成する。層状物質膜２は、例えば化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法により形成することができる。また、他の基板上に形成した層状物質膜２を基板１上に転写してもよい。層状物質のバルクから１層分の層状物質膜２を剥離し、これを基板１上に転写してもよい。
【００２７】
次いで、図２（ｂ）に示すように、層状物質膜２上にインターカラント３を形成する。インターカラント３は、例えば蒸着法、ＣＶＤ法、原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）法、スパッタリング法、塗布法、ディップコート法又は剥離転写法により形成することができる。
【００２８】
その後、図２（ｃ）に示すように、インターカラント３上に他の層状物質膜２を形成する。この層状物質膜２は、インターカラント３下の層状物質膜２と同様の方法で形成することができる。
【００２９】
このようにして第１の実施形態に係る層状物質の積層構造を製造することができる。
【００３０】
なお、層状物質膜２との間で電荷移動が起こるようなドーパントを用いて、当該層状物質膜２の物性を積極的に変調させることでインターカラント３を形成してもよい。ドーパントとしては、例えば、自己組織化単分子膜の材料、有機分子膜の材料、イオン性液体、金属、無機化合物及びハロゲン分子が挙げられる。自己組織化単分子膜の材料としては、例えば、３−アミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＳ：3-aminopropyltriethoxysilane）、（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピル）トリメトキシシラン（(N,N-dimethylaminopropyl)trimethoxysilane）が挙げられる。有機分子膜の材料としては、例えば、テトラシアノキノジメタン（ＴＣＮＱ：7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane）、２，３，５，６−テトラフルオロ−７，７，８，８−テトラシアノ−キノジメタン（Ｆ４ＴＣＮＱ：2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyano-quinodimethane）及びテトラチアフルバレン（ＴＴＦ：tetrathiafulvalene）が挙げられる。イオン性液体としては、例えば、ビストリフルオロメタンスルホンアミド（ＴＦＳＡ：bis(trifluoromethane)sulfonamide）及びＮ，Ｎ−ジエチル−Ｎ−メチル−Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＤＥＭＥ−ＴＦＳＩ：N, N-diethyl- N-(2-methoxyethyl) N-methylammonium bis-(trifluoromethanesulfonyl)-imide）が挙げられる。金属としては、例えば、Ｌｉ、Ｃｓ、Ｋ、Ｒｂ及びＡｕが挙げられる。無機化合物としては、例えば、ＦｅＣｌ3、ＭｏＣｌ3、ＡｌＣｌ3、ＮｉＣｌ2、ＳｂＦ5、ＡｓＦ5、ＨＮＯ3、ＳＯ3及びＨＣｌＯ4が挙げられる。ハロゲン分子としては、例えば、Ｂｒ2及びＩ2が挙げられる。
【００３１】
次に、第１の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の他の例について説明する。図３は、第１の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の他の例を工程順に示す断面図である。
【００３２】
この例では、先ず、図３（ａ）に示すように、基板１上に２つの層状物質膜２を形成する。これら層状物質膜２は、上記の例における層状物質膜２と同様の方法で形成することができる。
【００３３】
次いで、インターカラント３の材料を拡散により２つの層状物質膜２の界面に供給することにより、図３（ｂ）に示すように、インターカラント３を形成する。インターカラント３の材料は、例えば層状物質膜２が置かれた密閉空間内で当該材料を熱的に昇華・蒸発させることにより供給することができる。熱的な昇華・蒸発によるインターカラントの形成方法は例えば非特許文献３に記載されている。この方法では、インターカラント３の材料として、比較的低温で昇華・拡散しやすいもの、例えばＦｅＣｌ3、Ｂｒ2又はＬｉを用いることが好ましい。
【００３４】
なお、第１の実施形態には、２つの層状物質膜２が含まれているが、より多くの層状物質膜２が含まれていてもよい。この場合、積層方向で互いに隣り合う２つの層状物質膜２の間にインターカラント３が設けられる。例えば、図４に示すように、３つの層状物質膜２及び２つのインターカラント３が含まれていてもよい。
【００３５】
また、インターカラント３を間に挟む２つの層状物質膜２が互いに同一の材料から構成されている必要はない。同様に、層状物質膜２を間に挟む２つのインターカラント３が互いに同一の材料から構成されている必要はない。
【００３６】
ここで、本願発明者が測定した層状物質の単位層及びバルクの各特性について説明する。この測定では、層状物質としてＭｏＳ2を用い、１つの単位層からなる試料、及び５つの単位層が直接積層されたバルクの試料を作製した。そして、各試料について、励起光源として５１４ｎｍのＡｒイオンレーザを用いたフォトルミネセンス法により発光強度を測定した。図５に、６６０ｎｍの波長において測定された発光強度を示す。図５に示すように、１つの単位層からなる試料（●）において、バルクの試料（■）よりも５０倍程度高い発光強度が得られた。図５には、１つの単位層からなる試料についての測定結果（●）から、インターカラントを介在させながら２〜５の単位層を積層した場合に得られると予測される発光強度（○）も示してある。例えば５つの単位層がインターカラントを介在させながら積層された場合には、１つの単位層からなる試料よりも５倍高い発光強度が得られ、５つの単位層が直接積層されたバルクの試料よりも２５０倍程度高い発光強度が得られると予測される。
【００３７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、層状物質の積層構造の一例である。図６は、第２の実施形態に係る層状物質の積層構造の構成を示す断面図である。
【００３８】
第２の実施形態に係る層状物質の積層構造では、図６に示すように、基板１上に層状物質膜１２が形成され、この層状物質膜１２上に層状物質膜２２が形成されている。層状物質膜１２及び層状物質膜２２は層状物質の単位層であり、層状物質膜２と同様の材料からなる。本実施形態では、層状物質膜１２内及び層状物質膜２２内では、結晶が２次元に規則的に配列しているが、層状物質膜１２と層状物質膜２２との間では、原子の配列方向がずれている。つまり、積層方向の原子配置の規則性が失われている。
【００３９】
第２の実施形態によれば、層状物質膜１２及び層状物質膜２２が含まれ、かつ層状物質膜１２と層状物質膜２２との間で原子の配列方向がずれているため、層状物質膜１２と層状物質膜２２との間の相互作用が抑制され、単位層特有の性質を取得しながら高出力を得ることができる。
【００４０】
なお、ずれの程度は特に限定されないが、原子の配列方向が揃った状態から１度以上ずれていることが好ましい。
【００４１】
次に、第２の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の例について説明する。図７は、第２の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の例を工程順に示す断面図である。
【００４２】
先ず、図７（ａ）に示すように、基板１上に層状物質膜１２を形成する。層状物質膜１２は層状物質膜２と同様の方法で形成することができる。
【００４３】
次いで、図７（ｂ）に示すように、層状物質膜１２上に層状物質膜２２を形成する。このとき、層状物質膜２２は、その原子の配列方向が層状物質膜１２のそれからずれるようにして形成する。つまり、層状物質膜２２は、その原子の配列方向が面内で層状物質膜１２のそれから回転するように形成する。層状物質膜２２の形成方法は、層状物質膜１２との間の原子の配列方向のずれを実現できるものであれば特に限定されない。例えば、他の基板上に形成した層状物質膜２２を層状物質膜１２上に転写してもよく、層状物質のバルクから一層分の層状物質膜２２を剥離し、これを層状物質膜１２上に転写してもよい。原子の配列方向を制御できる場合には、ＣＶＤ法を採用してもよい。
【００４４】
このようにして第２の実施形態に係る層状物質の積層構造を製造することができる。
【００４５】
なお、第２の実施形態には、層状物質膜１２及び層状物質膜２２が含まれているが、より多くの層状物質膜が含まれていてもよい。この場合、積層方向で互いに隣り合う２つの層状物質膜間で原子の配列方向がずらされる。例えば、図８に示すように、層状物質膜２２とは原子の配列方向がずれた層状物質膜３２が層状物質膜２２上に設けられていてもよい。
【００４６】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態はフォトトランジスタの一例である。図９は、第３の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【００４７】
第３の実施形態に係る半導体装置では、図９に示すように、基板５１上に層状物質膜５２が形成され、この層状物質膜５２上にインターカラント５３が形成され、このインターカラント５３上に他の層状物質膜５２が形成されている。２つの層状物質膜５２及びインターカラント５３の積層体はパターニングされており、この積層体を間に挟むようにして２つの電極５４が基板５１上に形成されている。各電極５４は層状物質膜５２の双方に接している。基板５１、層状物質膜５２、インターカラント５３としては、それぞれ第１の実施形態における基板１、層状物質膜２、インターカラント３と同様のものが用いられる。電極５４の材料は特に限定されず、例えばＡｕ、Ｐｄ又はＮｉ等が用いられる。
【００４８】
第３の実施形態では、層状物質膜５２に入射した光の波長に応じて電極５４間に電流が流れる。このとき、第３の実施形態には２つの層状物質膜５２が含まれ、かつ層状物質膜５２の間にインターカラント５３が存在するため、層状物質膜５２間の相互作用が抑制され、単位層特有の性質を取得しながら高電流値を得ることができる。
【００４９】
次に、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１０は、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００５０】
先ず、図１０（ａ）に示すように、第１の実施形態に倣って、基板５１上に層状物質膜５２、インターカラント５３及び他の層状物質膜５２の積層体を形成する。次いで、図１０（ｂ）に示すように、積層体のパターニングを行う。その後、図１０（ｃ）に示すように、基板５１上に２つの電極５４を形成する。
【００５１】
このようにして第３の実施形態に係る半導体装置を製造することができる。
【００５２】
なお、第１の実施形態と同様に、より多くの層状物質膜５２及びインターカラント５３が含まれていてもよい。
【００５３】
また、層状物質膜５２及びインターカラント５３に代えて、第２の実施形態のように、原子の配列方向が互いにずれた複数の層状物質膜が用いられてもよい。このような半導体装置を製造する場合は、層状物質膜５２及びインターカラント５３の形成（図１０（ａ））に代えて、原子の配列方向が互いにずれた複数の層状物質膜を形成すればよい。
【００５４】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は発光素子の一例である。図１１は、第４の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【００５５】
第４の実施形態に係る半導体装置では、図１１に示すように、基板５１上にｐ型の層状物質膜５２ｐ及びｎ型の層状物質膜５２ｎが互いに横方向で接するように形成され、これら層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎ上にインターカラント５３が形成され、このインターカラント５３上に他の層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎが互いに横方向で接するように形成されている。インターカラント５３上の層状物質膜５２ｐはインターカラント５３下の層状物質膜５２ｐの直上に位置し、インターカラント５３上の層状物質膜５２ｎはインターカラント５３下の層状物質膜５２ｎの直上に位置する。２つの層状物質膜５２ｐ、２つの層状物質膜５２ｎ及びインターカラント５３の積層体はパターニングされており、この積層体を間に挟むようにして２つの電極５４が基板５１上に形成されている。電極５４の一方は層状物質膜５２ｐの双方に接し、電極５４の他方は層状物質膜５２ｎの双方に接している。層状物質膜５２ｐ、層状物質膜５２ｎは、それぞれ、例えばＷＳｅ2の単位層、ＭｏＳ2の単位層である。層状物質膜５２ｐ、層状物質膜５２ｎが、それぞれｐ型ドーパント、ｎ型ドーパントを吸着した単位層であってもよい。
【００５６】
第４の実施形態は、互いに隣り合う層状物質膜５２ｐと層状物質膜５２ｎとの間にｐｎ接合が存在するため、電極５４間に適切な電圧が印加されると発光する。このとき、第４の実施形態には２つの層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎの組が含まれ、かつこれら２つの組の間にインターカラント５３が存在するため、これら２つの組の間の相互作用が抑制され、単位層特有の性質を取得しながら高発光強度を得ることができる。
【００５７】
次に、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１２は、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００５８】
先ず、図１２（ａ）に示すように、第１の実施形態に倣って、基板５１上に層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎ、インターカラント５３並びに他の層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎの積層体を形成する。層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎの形成では、典型的にｎ型を示すＭｏＳ2の単位層をＣＶＤ法により基板５１上に選択的に形成し、次いで、典型的にｐ型を示すＷＳｅ2の単位層をＭｏＳ2の単位層のエッジを成長起点としてラテラル成長させることができる。このようにして、原子レベルで継ぎ目なく接合されたＭｏＳ2−ＷＳｅ2ヘテロジャンクションを有する１組の層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎを形成することができる。層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎの形成で、例えば、層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎに共通の層状物質膜を形成した後に、リソグラフィー法により、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントをこの層状物質膜に吸着させてもよい。このようにして、空間的にパターニングされた極性領域を有する１組の層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎを形成することができる。積層体の形成後には、図１２（ｂ）に示すように、積層体のパターニングを行う。その後、図１２（ｃ）に示すように、基板５１上に２つの電極５４を形成する。
【００５９】
このようにして第４の実施形態に係る半導体装置を製造することができる。
【００６０】
なお、第１の実施形態と同様に、より多くの層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎ並びにインターカラント５３が含まれていてもよい。
【００６１】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態は発光素子の一例である。図１３は、第５の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【００６２】
第５の実施形態に係る半導体装置では、図１３に示すように、基板５１上にｎ型の層状物質膜５２ｎが形成され、この層状物質膜５２ｎの一部に乗り上げるようにしてｐ型の層状物質膜５２ｐも基板５１上に形成されている。これら層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎ上にインターカラント５３が形成され、このインターカラント５３上に他の層状物質膜５２ｎが形成され、この層状物質膜５２ｎの一部に乗り上げるようにして他の層状物質膜５２ｐもインターカラント５３上に形成されている。インターカラント５３上の層状物質膜５２ｐはインターカラント５３下の層状物質膜５２ｐの直上に位置し、インターカラント５３上の層状物質膜５２ｎはインターカラント５３下の層状物質膜５２ｎの直上に位置する。２つの層状物質膜５２ｐ、２つの層状物質膜５２ｎ及びインターカラント５３の積層体はパターニングされており、この積層体を間に挟むようにして２つの電極５４が基板５１上に形成されている。電極５４の一方は層状物質膜５２ｐの双方に接し、電極５４の他方は層状物質膜５２ｎの双方に接している。
【００６３】
第５の実施形態は、互いに隣り合う層状物質膜５２ｐと層状物質膜５２ｎとの間にｐｎ接合が存在するため、電極５４間に適切な電圧が印加されると発光する。また、第４の実施形態と同様に、２つの層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎの組の間の相互作用が抑制され、単位層特有の性質を取得しながら高発光強度を得ることができる。
【００６４】
次に、第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１４は、第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００６５】
先ず、図１４（ａ）に示すように、第１の実施形態に倣って、基板５１上に層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎ、インターカラント５３並びに他の層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎの積層体を形成する。層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎの形成では、ＭｏＳ2の単位層をＣＶＤ法により基板５１上に選択的に形成し、次いで、ＷＳｅ2の単位層をＭｏＳ2の単位層の一部に乗り上げるように成長させることができる。このようにして、原子レベルで継ぎ目なく接合されたＭｏＳ2−ＷＳｅ2ヘテロジャンクションを有する１組の層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎを形成することができる。積層体の形成後には、図１４（ｂ）に示すように、積層体のパターニングを行う。その後、図１４（ｃ）に示すように、基板５１上に２つの電極５４を形成する。
【００６６】
このようにして第５の実施形態に係る半導体装置を製造することができる。
【００６７】
なお、第１の実施形態と同様に、より多くの層状物質膜５２ｐ及び層状物質膜５２ｎ並びにインターカラント５３が含まれていてもよい。
【００６８】
上記のように、層状物質膜及びインターカラントの材料の組み合わせとしては種々のものが挙げられるが、金属カルコゲナイド、特にＴＭＤＣが層状物質膜に用いられ、ｈ−ＢＮがインターカラントに用いられることが好ましい。特に、第４の実施形態及び第５の実施形態においては、インターカラントが層状物質膜の発光波長領域に吸収領域を持たないことが望ましい。
【００６９】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。第６の実施形態は、層状物質の積層構造の一例である。図１５は、第６の実施形態に係る層状物質の積層構造の構成を示す断面図である。
【００７０】
第６の実施形態に係る層状物質の積層構造では、図１５に示すように、基板６１上にホスフォレン積層体６６が形成され、このホスフォレン積層体６６上にインターカラント６３が形成され、このインターカラント６３上に他のホスフォレン積層体６６が形成されている。ホスフォレン積層体６６は、例えば互いに結合した２つのホスフォレン膜６２を含んでいる。基板６１、インターカラント６３としては、それぞれ第１の実施形態における基板１、インターカラント３と同様のものが用いられる。
【００７１】
第６の実施形態によれば、２つのホスフォレン積層体６６が含まれ、かつホスフォレン積層体６６の間にインターカラント６３が存在するため、ホスフォレン積層体６６間の相互作用が抑制され、ホスフォレン積層体６６に含まれるホスフォレン膜６２の数に対応するバンドギャップを取得しながら高出力を得ることができる。
【００７２】
次に、第６の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の例について説明する。図１６は、第６の実施形態に係る層状物質の積層構造の製造方法の例を工程順に示す断面図である。
【００７３】
先ず、図１６（ａ）に示すように、基板６１上に２つのホスフォレン膜６２を含むホスフォレン積層体６６を形成する。ホスフォレン膜６２は、黒燐のバルクから１層分のホスフォレン膜６２を剥離し、これを基板６１上に転写することで形成することができる。化学的な合成によりホスフォレン膜６２を形成してもよい。
【００７４】
次いで、図１６（ｂ）に示すように、ホスフォレン積層体６６上にインターカラント６３を形成する。インターカラント６３は、第１の実施形態におけるインターカラント３と同様の方法で形成することができる。
【００７５】
その後、図１６（ｃ）に示すように、インターカラント６３上に他の２つのホスフォレン膜６２を含むホスフォレン積層体６６を２層形成する。このホスフォレン積層体６６は、インターカラント６３下のホスフォレン積層体６６と同様の方法で形成することができる。
【００７６】
このようにして第６の実施形態に係る層状物質の積層構造を製造することができる。
【００７７】
なお、第６の実施形態には、２つのホスフォレン積層体６６が含まれているが、より多くのホスフォレン積層体６６が含まれていてもよい。この場合、積層方向で互いに隣り合う２つのホスフォレン積層体６６の間にインターカラント６３が設けられる。例えば、図１７に示すように、３つのホスフォレン積層体６６及び２つのインターカラント６３が含まれていてもよい。また、ホスフォレン積層体６６に３つ以上のホスフォレン膜６２が含まれていてもよい。
【００７８】
また、ホスフォレン積層体６６の間に設けられるインターカラント６３が互いに同一の材料から構成されている必要はない。
【００７９】
（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について説明する。第７の実施形態はホスフォレンを用いたデバイスの一例である。図１８は、第７の実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。ここでは、受光素子であるフォトコンダクタ（光導電体）を例として示す。また、ゲート電極をチャネル上部、または直下に設けることで電界効果トランジスタとしても用いることができる。
【００８０】
第７の実施形態に係る半導体装置では、図１８に示すように、基板７１上にホスフォレン積層体７６が形成され、このホスフォレン積層体７６上にインターカラント７３が形成され、このインターカラント７３上に他のホスフォレン積層体７６が形成されている。ホスフォレン積層体７６は、例えば互いに結合した２つのホスフォレン膜７２を含んでいる。２つのホスフォレン積層体７６及びインターカラント７３の積層体はパターニングされており、この積層体を間に挟むようにして２つの電極７４が基板７１上に形成されている。各電極７４はホスフォレン膜７２のすべて接している。基板７１、ホスフォレン膜７２、インターカラント７３としては、それぞれ第６の実施形態における基板６１、ホスフォレン膜６２、インターカラント６３と同様のものが用いられる。電極７４の材料は特に限定されず、例えばＡｕ、Ｐｄ又はＮｉ等が用いられる。
【００８１】
第７の実施形態には２つのホスフォレン積層体７６が含まれ、かつホスフォレン積層体７６の間にインターカラント７３が存在するため、ホスフォレン積層体７６間の相互作用が抑制され、ホスフォレン積層体７６に含まれるホスフォレン膜７２の数に対応するバンドギャップを取得しながら高出力を得ることができる。
【００８２】
次に、第７の実施形態に係る半導体装置の製造方法の例について説明する。図１９は、第７の実施形態に係る半導体装置の製造方法の例を工程順に示す断面図である。
【００８３】
先ず、図１９（ａ）に示すように、第６の実施形態に倣って、基板７１上にホスフォレン積層体７６、インターカラント７３及び他のホスフォレン積層体７６の積層体を形成する。次いで、図１９（ｂ）に示すように、積層体のパターニングを行う。その後、図１９（ｃ）に示すように、基板７１上に２つの電極７４を形成する。
【００８４】
このようにして第７の実施形態に係る半導体装置を製造することができる。
【００８５】
なお、第６の実施形態と同様に、より多くのホスフォレン積層体７６及びインターカラント７３が含まれていてもよく、ホスフォレン積層体７６により多くのホスフォレン膜７２が含まれていてもよい。
【００８６】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００８７】
（付記１）
基板と、
前記基板上に積層された２以上のグラファイト以外の層状物質の単位層と、
前記２以上の単位層を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、
を有することを特徴とする層状物質の積層構造。
【００８８】
（付記２）
前記インターカラントはｈ−ＢＮを含むことを特徴とする付記１に記載の層状物質の積層構造。
【００８９】
（付記３）
基板と、
前記基板上に積層された２以上の層状物質の単位層と、
を有し、
前記２以上の単位層の間で原子の配列方向が互いにずれていることを特徴とする層状物質の積層構造。
【００９０】
（付記４）
前記層状物質は金属カルコゲナイド又はホスフォレンであることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の層状物質の積層構造。
【００９１】
（付記５）
前記金属カルコゲナイドは遷移金属ダイカルコゲナイドであることを特徴とする付記４に記載の層状物質の積層構造。
【００９２】
（付記６）
基板と、
前記基板上に積層された２以上のホスフォレン積層体と、
前記２以上のホスフォレン積層体を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、
を有し、
前記２以上のホスフォレン積層体の各々は、互いに結合した２以上のホスフォレン膜を有することを特徴とする層状物質の積層構造。
【００９３】
（付記７）
基板と、
前記基板上に積層された２以上のグラファイト以外の層状物質の単位層と、
前記２以上の単位層を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、
前記基板上に形成され、前記２以上の単位層に接する電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【００９４】
（付記８）
前記インターカラントはｈ−ＢＮを含むことを特徴とする付記７に記載の半導体装置。
【００９５】
（付記９）
基板と、
前記基板上に積層された２以上の層状物質の単位層と、
前記基板上に形成され、前記２以上の単位層に接する電極と、
を有し、
前記２以上の単位層の間で原子の配列方向が互いにずれていることを特徴とする半導体装置。
【００９６】
（付記１０）
前記層状物質は金属カルコゲナイド又はホスフォレンであることを特徴とする付記７乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【００９７】
（付記１１）
前記金属カルコゲナイドは遷移金属ダイカルコゲナイドであることを特徴とする付記１０に記載の半導体装置。
【００９８】
（付記１２）
基板と、
前記基板上に積層された２以上のホスフォレン積層体と、
前記２以上のホスフォレン積層体を個々に分離する１又は２以上のインターカラントと、
前記基板上に形成され、前記２以上のホスフォレン積層体に接する電極と、
を有し、
前記２以上のホスフォレン積層体の各々は、互いに結合した２以上のホスフォレン膜を有することを特徴とする半導体装置。
【００９９】
（付記１３）
基板上に第１のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成する工程と、
前記第１の単位層上にインターカラントを形成する工程と、
前記インターカラントを形成する工程の後に、前記インターカラント上に第２のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成する工程と、
を有することを特徴とする層状物質の積層構造の製造方法。
【０１００】
（付記１４）
基板上に第１の層状物質の単位層を形成する工程と、
前記第１の単位層上に第２の層状物質の単位層を、前記第１の単位層と前記第２の単位層との間で原子の配列方向が互いにずれるように形成する工程と、
を有することを特徴とする層状物質の積層構造の製造方法。
【０１０１】
（付記１５）
前記層状物質は金属カルコゲナイド又はホスフォレンであることを特徴とする付記１３又は１４に記載の層状物質の積層構造の製造方法。
【０１０２】
（付記１６）
基板上に第１のホスフォレン積層体を形成する工程と、
前記第１のホスフォレン積層体上にインターカラントを形成する工程と、
前記インターカラントを形成する工程の後に、前記インターカラント上に第２のホスフォレン積層体を形成する工程と、
を有し、
前記第１のホスフォレン積層体及び前記第２のホスフォレン積層体の各々は、互いに結合した２以上のホスフォレン膜を有することを特徴とする層状物質の積層構造の製造方法。
【０１０３】
（付記１７）
基板上に第１のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成する工程と、
前記第１の単位層上にインターカラントを形成する工程と、
前記インターカラントを形成する工程の後に、前記インターカラント上に第２のグラファイト以外の層状物質の単位層を形成する工程と、
前記第１の単位層及び前記第２の単位層に接する電極を前記基板上に形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１０４】
（付記１８）
基板上に第１の層状物質の単位層を形成する工程と、
前記第１の単位層上に第２の層状物質の単位層を、前記第１の単位層と前記第２の単位層との間で原子の配列方向が互いにずれるように形成する工程と、
前記第１の単位層及び前記第２の単位層に接する電極を前記基板上に形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１０５】
（付記１９）
前記層状物質は金属カルコゲナイド又はホスフォレンであることを特徴とする付記１７又は１８に記載の半導体装置の製造方法。
【０１０６】
（付記２０）
基板上に第１のホスフォレン積層体を形成する工程と、
前記第１のホスフォレン積層体上にインターカラントを形成する工程と、
前記インターカラントを形成する工程の後に、前記インターカラント上に第２のホスフォレン積層体を形成する工程と、
前記第１のホスフォレン積層体及び前記第２のホスフォレン積層体に接する電極を前記基板上に形成する工程と、
を有し、
前記第１のホスフォレン積層体及び前記第２のホスフォレン積層体の各々は、互いに結合した２以上のホスフォレン膜を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【０１０７】
１、５１、６１、７１：基板
２、１２、２２、３２、５２、５２ｐ、５２ｎ：層状物質膜
３、５３、６３、７３：インターカラント
５４、７４：電極
６２、７２：ホスフォレン膜
６６、７６：ホスフォレン積層体
【図１】
0006606821.tif 000002
【図２】
0006606821.tif 000003
【図３】
0006606821.tif 000004
【図４】
0006606821.tif 000005
【図５】
0006606821.tif 000006
【図６】
0006606821.tif 000007
【図７】
0006606821.tif 000008
【図８】
0006606821.tif 000009
【図９】
0006606821.tif 000010
【図１０】
0006606821.tif 000011
【図１１】
0006606821.tif 000012
【図１２】
0006606821.tif 000013
【図１３】
0006606821.tif 000014
【図１４】
0006606821.tif 000015
【図１５】
0006606821.tif 000016
【図１６】
0006606821.tif 000017
【図１７】
0006606821.tif 000018
【図１８】
0006606821.tif 000019
【図１９】
0006606821.tif 000020