【ポイント】

・次世代の超省電力半導体として期待される二次元物質（MoS₂）を、これまで必要だった別の基板へ貼り替える「転写工程」無く、成長させたサファイア基板上で直接トランジスタ動作させることに成功。
・本来のトランジスタのオン・オフ動作を示さなかった最大の原因は、基板界面に残存した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。微細加工後にガス熱処理を行う独自の「完全ドライ界面制御」によりこのボトルネックを根本から解消。
・高品質なサファイア基板上単結晶MoS₂を「ウェハ」としてそのまま直接利用する道を開いた本成果は、二次元半導体の活用基盤構築における極めて重要なマイルストーンです。

東京大学大学院工学系研究科マテリアル工学専攻の長汐 晃輔 教授らの研究グループは、物質・材料研究機構（NIMS）および名古屋大学との共同研究により、有機金属化学気相成長法（MOCVD法、注1）でサファイア基板上に成長した単結晶MoS₂（二硫化モリブデン）において、本来のトランジスタ特性（電流の明確なオン・オフ動作）が出ないという性能低下の要因が、界面（注2）に残存する硫酸基・水分子由来種による“隠れた電子ドーピング”であることを解明しました。本研究では、この問題を解決するため、デバイス加工（パターン形成）後にH₂/Arアニールを行う「完全ドライ界面制御」プロセスを構築しました。これにより、原子層の隙間から界面不純物を効果的に脱離させ、従来不可欠とされていた他基板への「転写工程」（注3）を介さずに、直接成長ウェハ上での良好なトランジスタ動作を実証しました。
本成果は、最大のボトルネックであった清浄性維持が困難な転写工程を不要とし、高品質なサファイア基板上単結晶MoS₂を「ウェハ」として直接利用する道を開くものです。これは本CRESTプロジェクトの戦略目標である「新たな半導体デバイス構造に向けた低次元マテリアルの活用基盤技術」における重要なマイルストーンであり、我が国が注力するAI半導体や次世代低消費電力ロジックデバイスの開発を大きく加速する基盤技術として期待されます。
本研究成果は、2026年7月5日付で「Advanced Materials」に掲載されました。

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【用語説明】

（注1）有機金属化学気相成長法（MOCVD法）
半導体や酸化物などの薄膜を形成するための成長技術の1つ。金属元素を含む有機化合物（前駆体）と反応性ガスを高温基板上に供給し、化学反応によって結晶を成長させる手法です。分子レベルで供給量や反応条件を制御できるため、膜厚や組成の均一性に優れ、現在の半導体産業（LED、レーザーダイオード、パワーデバイスなど）でも広く用いられています。

（注2）界面
異なる2つの物質（本研究ではMoS₂とサファイア基板）が接している境界のこと。二次元半導体は極めて薄いため、この境界に存在するわずかな不純物や欠陥が、デバイス全体の電気的特性を支配するほど大きな影響を及ぼします。

（注3）転写工程
基板上に成長させた薄膜を、別の基板へと貼り替える工程のこと。二次元半導体の研究では一般的ですが、貼り替えの際に膜の破損やしわ、不純物の混入が生じやすく、大面積の集積回路を製造する上での大きな障壁となってきました。

【論文情報】

雑誌名：Advanced Materials
題　名：MOCVD-Grown MoS₂ Wafers as a Transfer-Free Platform for Top-Gate Devices via Dry Interface Engineering
著者名：Shuhong Li, Juiteng Chang, Keisuke Atsumi, Kosei Matsumoto, Itsuki Tanaka, Tomonori Nishimura, Kaito Kanahashi, Takahiro Nagata, Jun Nara, Yoshiki Sakuma, Emi Kano, Nobuyuki Ikarashi, and Kosuke Nagashio*
DOI：10.1002/adma.73931
URL：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73931

【研究代表者】

大学院工学研究科（未来材料・システム研究所 附属未来エレクトロニクス集積研究センター） 狩野 絵美 助教 / 五十嵐 信行 教授
https://www.imass.nagoya-u.ac.jp/interview_ikarashi