立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (A) ]原子層ヘテロ構造共振器を利用した超高感度嗅覚センサーの開発
Devolopment of highly sensitive gas sensors using two-dimensional heterostructure resonators
2221027

研究代表者

東京都市大学 理工学部
電気電子通信工学科准教授

星裕介

す。p +-Si 基板にゲート電圧を印加することで，[研 究 の 目 的]

単層 TMD 中にキャリアが誘起されることで，原子層材料である遷移金属ダイカルコゲナイ

クーロン力により hBN/単層 TMD 励振膜に面ド (TMD) は，その優れた電気的・機械的特直下向き応力が印加される。このバックゲート性により，ナノ機械共振器への応用が期待され電極に一定周期でパルス電圧を印加することでている。特に単層の場合，結晶構造に空間反転励振膜を共振させることができると考えられる。

対称性の破れがあるため圧電効果が生じると報

そこで，素子構造を以下の手順で作製した。ま告されており，これを利用した機械的な共振現ず，膜厚が 300 nm の酸化膜を有する p +-Si 基

象について幅広く調べられてきた。一方，六方板 状 に graphite を 堆 積 し，フ ォ ト リ ソ グ ラ晶窒化ホウ素 (hBN) と原子層材料のヘテロ構

フィと RIE エッチングによりソース・ドレイ

造では，材料の電気的特性が大幅に改善するとン電極を形成した。その後，グラファイト電極報告されており，ヘテロ構造の利用により電気間の酸化膜を RIE エッチングし，直径 6 μm の機械特性についてもその性能向上に高いポテンピンホールを形成し，その後 Au 電極を金属蒸シャルがあると期待される。

着した。次に，スコッチテープを利用した機本研究では，TMD 材料として，単層 MoS 2を利用し，これと hBN で構成される原子層ヘテロ構造を励振膜として利用した電気機械共振器を開発し，圧電効果を利用した原子層ヘテロ構造の共振現象を理解することを目的とする。
特に，電気的に原子層ヘテロ構造に結晶ひずみが導入できることを実証するとともに，hBN膜厚が原子層ヘテロ構造の共振周波数に与える影響を調べる。
[研究の内容，成果]
1．原子層ヘテロ構造および素子作製プロセス
作製した原子層ヘテロ構造電気機械共振器の光学顕微鏡写真とその断面の概略図を図 1 に示
― 1 ―

図1

作製した試料構造の光学顕微鏡写真 (上図) と断面の概略図 (下図)

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図 2 スタンプ法による原子層ヘテロ構造作製手法の概略図

械的劈開法で形成した MoS 2 の単層膜と hBNの 多 層 膜 を Polydimethylesiloxane (PDMS)
シ ー ト 上 に 堆 積 し た。次 に，Polypropylenecarbonate (PPC) をスライドガラス上にレン
ズ 上 に 形 成 し，所 望 の 単 層 MoS 2 と hBN を，図 3 Si バックゲート電極に (a) V =−30[V]と(b) V=30[V]の DC バイアスを印加した場合の hBN/単層 MoS 2励振膜表面の AFM 像。(c) 励振膜中央部の沈降深さのバックゲート電圧依存性

図 2 に示すスタンプ法を用いて連続的に積層することでヘテロ構造を作製した。作製したヘテロ構造を Si 基板上に形成したピンホールの直上に堆積することで試料構造を作製した。
2．原子層ヘテロ構造の圧電効果
2. 1

ゲート電圧操作による原子層ヘテロ構造の変形

まず，Si 基板にゲート電圧を印加すること

図4で hBN/単層 MoS 2 膜に応力が印加できること

hBN/単層 MoS 2ヘテロ構造を用いて作製した素子構造の I -V 特性を確認するため，バックゲート電圧印加時の表面構造観察を行った。図 3(a) と 3(b) に V Gれることになるため，中心部分にて局所的に結=−30[V] と 30[V] のバックゲート電圧を印晶歪みが導入されることが示唆される。このこ加した時の原子間力顕微鏡 (AFM) 像を示す。とから本素子構造では，バックゲート電圧操作

V G =−30[V] の時，ピンホール領域にて励振することで，ピンホール中心部の励振膜中に生膜にシワが見られるが，図 1 の概略図にて示し

じる機械的応力を任意に制御できることを示したような架橋構造が形成できていることがわかている。次に，バックゲート電圧印加によってる。この試料に対して V G =30[V] のバック生じる励振膜の沈降現象が励振膜と Si 基板間ゲート電圧を印加することで，ピンホールの中のクーロン相互作用によって起こっていること心部分にて励振膜が沈降していることがわかる。

を示すため，電気的特性を調べた。作製した素また，励振膜の沈降深さのバックゲート電圧依子の I d-V g特性を図 4 に示す。ここで，ドレイ存性を見ると (図 3(c))，ゲート電圧変化によン電流 I d は，励振膜と接触しているグラファ

り連続的に励振膜深さが変化している。hBN/イト間を流れる電流を表している。V G =−30

単層 MoS 2膜が沈降した場合，ピンホール中心[V] の時，ドレイン電流は殆ど流れていない部分において単層 MoS 2が面内方向に引っ張らが，ゲート電圧を増大させるとドレイン電流が― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation大きく流れることがわかる。ゲート電圧の増大とがわかる。この原因を図 5(b) に示す。ゲーにより単層 MoS 2中に電子が誘起されたたことト電圧が小さく hBN/単層 MoS 2 膜中に結晶歪で電流が流れていると考えられる。また，図 3

みが導入されていない場合，ソース側・ドレイ(c) で見られる励振膜の沈降が起こり始める

ン側ともに，グラファイト/単層 MoS 2 接合がバックゲート電圧と，ドレイン電流が流れ始めショットキー接触であるため，接触抵抗がどちるバックゲート電圧が概ね一致していることからもほぼ同程度である。一方，ゲート電圧が増ら，バックゲート電圧印加により誘起された大し，hBN/単層 MoS 2 膜中に結晶歪みが導入

キャリアと基板の間のクーロン相互作用によっされると，単層 MoS 2中にて圧電分極が生じる。て励振膜が沈降していることが分かった。一方，

これにより，グラファイト/単層 MoS 2 界面近この素子においてはゲート電圧が正のオン状態傍に分極電荷が誘起されるため，負の分極電荷におけるドレイン電流がこれまで報告されていが誘起されるグラファイト/単層 MoS 2 界面のる，単層 MoS 2のトランジスタより非常に小さ

ショットキー障壁高さは増大し，正の分極電荷い。これは，グラファイト電極と単層 MoS 2間が誘起される界面側ではショットキー障壁高さの接触抵抗が大きいためであると考えられ，素が減少する。このように，ゲート電圧増大によ子作製プロセスの改善をする必要があることがる結晶歪み導入により，ショットキー障壁高さ分かる。

がソース電極側とドレイン電極側で異なること

2. 2

か ら，I d -V d 特 性 に 整 流 性 が 見 ら れ る よ う に

ゲート電圧印加による励振膜への歪み導入

次に，バックゲート電圧印加により hBN/単層 MoS 2励振膜が沈降することで，この励振膜なったことを示している。
2. 3

hBN/単層 MoS 2ヘテロ構造の圧電効果実証

中に結晶歪みが導入され，圧電効果が生じるこ

hBN/MoS 2ヘテロ構造において，バックゲーとを実証するため素子の I d -V d 特性を調べた。

ト電圧印加により MoS 2に結晶歪みが導入されこの結果を図 5(a) に示す。バックゲート電圧ることで，単層 MoS 2の両端に接続されているが −10[V] の時，I d-V d特性は線形的に変化しグラファイト電極間に圧電効果に起因した出力て い る。一 方，バ ッ ク ゲ ー ト 電 圧 を −2 [V]電圧が現れることを示す。バックゲート電極にに増大させると I d-V d特性に整流性が現れるこ

図 6(a) に示すような周波数 f=300[Hz]，電圧 V G_pulse=4[V] のパルス電圧を印加した時のグラファイトのソース側電極とドレイン側電極にて得られる出力電圧を図 6(b) と 6(c) に示

図5(a) hBN/単層 MoS 2 ヘテロ構造を用いて作製した素子構造の I -V 特性と，(b) バンド構造を用いた I -V 特性の非対称性のメカニズム

図6― 3 ―(a) バックゲート電極に印加したパルス電圧波形と，(b) ソース側電極と (c) ドレイン側電極から得られる出力電圧波形

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す。ゲート電圧の周期的な増加点において，ドを逆方向に電子が流れることで，点 1 の状態にレイン側では出力電圧が急峻に増加し，徐々に戻る。この現象が周期的に繰り返されることで0[V] に向けて減衰していく様子が見られる。

図 6(b) や 6(c) の出力電圧が得られたと考えまた，ソース側では出力電圧の符号が反転してられる。以上のことから，hBN/単層 MoS 2 ヘいることが分かる。このような出力電圧波形がテロ構造に圧電分極が生じることを実証した。

得られるメカニズムは以下のように理解される。
図中点 1 においては，ゲート電圧が印加されて3．ヘテロ構造の共振周波数測定いないため，結晶中に歪みが印加されておらず，hBN 膜厚が 25[nm] の素子構造を用いて，グラファイト電極両端で電位差が生じていない。

ゲート電圧に f=10-40[MHz] のパルス電圧を

点 2 においては，ゲート電圧が印加されること印加することで，共振周波数測定を行った。図で圧電分極が生じ，ソース・ドレイン電極間に7(a) にその結果を示す。26[MHz] において電位差が現れる。点 3 においては，ソース・ド強度が大きく増大しておりヘテロ構造励振膜がレイン電極間に生じている電位差を解消するよ共振していることが分かる。今回使用したヘテうに，外部負荷を電子が流れるためソース・ドロ構造励振膜の膜厚と同じ場合の先行研究 (励レイン電極間の電位差が減少していく。点 4 で振膜が MoS 2 のみ) と比較して共振周波数は 2は，ゲート電圧がオフ状態となることで，ヘテ倍程度増大していることが分かった。本研究のロ 構 造 が 無 歪 み 状 態 と な り，グ ラ フ ァ イ ト

ような電気機械共振器を用いてガスセンサを作/MoS 2界面にて蓄積されていた分極電荷が無く製した場合，その検出感度は以下のように表さなるため，点 2 とは逆符号の出力電圧が生じる。

れるため，その後，この電位差を解消するように外部負荷
Δf = −β∙f0∙Δm2meここで，Δf がセンサ感度，β は定数，m e は励振膜の有効質量，Δm は分子吸着による質量変化，f 0は基本共振周波数を表している。これより，共振周波数の増大は，検出感度の向上に大きく寄与すると期待できる。今回作製した素子の共振周波数と励振膜の膜厚の関係を図 7(b) に示す。励振膜として MoS 2 と WSe 2 の二種類を用いて同程度の hBN 膜厚を有するヘテロ構造を作製し，これを電気機械共振器の励振膜として利用したところ，同程度の共振周波数が得られ，いずれも，励振膜に MoS 2多層膜を用いた場合よりも共振周波数が高くなることが分かった。以上より，hBN/単層 TMD ヘテロ構造を励振膜として利用することで，ガスセンサのさらなる検出感度増大に向けて高いポテンシャルがあることを示した。
図7(a) hBN 膜厚が 25[nm] の試料に対する共振周波数測定結果。(b) 共振周波数の励振膜の膜厚依存性― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

研究で作製したヘテロ構造電気機械共振器が，4．まとめ励振膜として hBN/単層 TMD ヘテロを利用した電気機械共振器を開発した。バックゲートガスセンサの超高感度化に向けて高いポテンシャルがあることを示した。

電圧操作により，ヘテロ構造に圧電効果によって生じる出力電圧の検出に成功した。また，ヘテロ構造励振膜の共振周波数は，ヘテロ構造を利用しない場合と比較して 2 倍程度増大することが分かった。hBN 膜厚を増大させることで，さらに共振周波数が増大する可能性がある。本― 5 ―[成果の発表，論文など]
・Y. Hoshi et al., International Conference on Solid State
Devices and Materials, Chiba, Sep. 2022.