【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.12】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24KT2487

利用課題名 / Title

光源一体型光活性化ガスセンサ作製に向けた光電流ノイズの低減

利用した実施機関 / Support Institute

京都大学 / Kyoto Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions

キーワード / Keywords

MoS2,光電流ノイズ,AlOx膜,原子層堆積法（ALD法）

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

田畑 博史

所属名 / Affiliation

大阪大学　大学院工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

高橋英樹

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

KT-238：原子層堆積装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

本研究ではマイクロLED光源上に単層二硫化モリブデン（MoS₂）ガスセンサを搭載した光源一体型ガスセンサの開発に取り組んでいる。しかし、LEDとMoS₂の電気的絶縁のために挿入したスパッタSiO₂膜が原因と考えられる光電流ノイズが、センサの検出限界を制約する課題となっていた。そこで今回はMoS₂膜とSiO₂膜の間にALD法によるAlO_x膜を挿入することで、光電流ノイズの低減することを目的とした。

実験 / Experimental

本実験では、LEDの絶縁膜を模擬したスパッタ成膜SiO₂膜（厚さ290nm）を堆積させたSi/SiO₂基板上に、原子層堆積装置（KT-238）を使用して、AlO_x膜を製膜し、成膜レートの算出と光電流ノイズ低減に効果のある最適膜厚の調査を行った。成膜条件は温度120℃、反応剤としてTrimethyl Aluminum (TMA)とO₂ Plasma、キャリアガスとしてN₂を使用した。膜厚はサーフェスプロファイラ（触針式表⾯形状測定器）、表面ラフネスは原子間力顕微鏡（AFM）を用いて評価した。
作製した基板上に、金援用剥離法により作製した単層MoS₂膜を堆積し、真空蒸着とリフトオフ法によりBi/Au電極対を形成してデバイスを作製した。このデバイスにバイアス電圧１Vを印加して、光強度50mW/cm²の青色LED光を照射しながら、乾燥空気中でMoS₂膜を流れる電流を計測し、光電流ノイズの大きさを評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

ALDサイクル数Nと膜厚t(nm)の関係を調査したところ、t=0.13N+2.94(図1)となり、成膜レートは0.13nm/cycleであることが分かった。この式における切片が大きい要因として、スパッタSiO₂膜のラフネス（RMS粗さ2.24nm）の影響が考えられる。また、AlO_x膜の堆積の有無によるMoS₂デバイスの光電流ノイズを比較したところ、AlO_x膜なしのデバイスでは光電流ノイズレベルが約3.6％であったのに対し、AlO_x 8nmの最適条件では約0.6％まで低減することが確認された。なお、AlO_x 8nm堆積後の基板の表面ラフネスは2.02nmであり、スパッタSiO₂表面のラフネスと大差ないことが確認された。この光電流ノイズ改善の原因として、MoS₂の光電流ノイズの主な発生源が下地のスパッタSiO₂膜にあることが挙げられる。AlO_x膜の挿入により、MoS₂とSiO₂膜が物理的に隔離されるとともに、AlO_x膜の界面準位密度がスパッタSiO₂に比べて少ないことが、ノイズ低減に寄与したと考えられる。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1　ALDサイクル数に対するAlO_x膜厚の依存性

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

謝辞：本研究はJSAP科研費　JP23K26498の助成を受けたものです。

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件