【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.06】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NM0056

利用課題名 / Title

TOF-SIMSによる２次元材料のドープ量計測

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構 / NIMS

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）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

キーワード / Keywords

質量分析/ Mass spectrometry,エレクトロデバイス/ Electronic device,原子層薄膜/ Atomic layer thin film

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)

長汐 晃輔

所属名 / Affiliation

東京大学　マテリアル工学専攻

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

宮内直弥

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術補助/Technical Assistance（副 / Sub）-

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

NM-205：飛行時間型二次イオン質量分析装置

報告書データ / Report

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

MoS₂の次世代電子デバイス応用のためには，精緻な置換型ドーピング制御が不可欠である．化学気相輸送法 (CVT) によるNbドープMoS₂はバルク成長可能かつNbが熱力学的に安定してMoサイトを置換することでp型を示す材料である．そのP⁺バルク結晶は，トンネルFETのソース材料や，積層デバイスにおけるP型コンタクト等にも利用されているが，転写フレークの不純物濃度ばらつきに関してはその重要性にも拘わらず議論されていない．今回，XPSにより決定した1.24%の平均Nb濃度のP⁺バルク結晶から剥離・転写した単層フレークのPL測定において，図1のように同一結晶から剥離したにも関わらずNb不純物準位由来のピークが大きく異なる結果(赤/青)を得た．これは単層フレーク間でNb濃度が大きくばらつくことを示唆している．表面敏感かつppmの検出感度を持つ計測手法としてTime of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) があり，基板上に大面積製膜した単層膜中の不純物濃度の定量評価は報告されている．一方で，CVT結晶から転写した数十µm角の単層フレークにおいて，大面積を必要とするToF-SIMS測定はこれまで行われてこなかった． 本研究ではToF-SIMS (PHI TRIFT V nanoTOF) の転写単層フレークへの適応性を検討し,表面汚染の影響を低減させながら単層MoS₂中の不純物濃度の均一性を解明することを目的とした．

実験 / Experimental

MoS₂バルクはテープ剥離，単層は金剥離法により100 µm程度のフレークをSiO₂/Si基板上に転写した．ToF-SIMS測定はBi₃²⁺イオンを用いたポジティブモードで単層とXPS測定後のバルクに対して行った．

結果と考察 / Results and Discussion

ToF-SIMS測定はBi₃²⁺イオンを用いたポジティブモードで単層とXPS測定後のバルクに対して行った．前処理無しの測定(図２a)では92.06のC₇H₈，92.98のCHO₅と93.07のC₇H₉が表面に吸着していることが確認された．質量分解能に優れるため2次元材料の本質的な物性を議論するための表面清浄性の評価が可能である．しかし，有機物の存在によって現れる⁹²MoH⁺のピークは⁹³Nb⁺ピークとm/z = 92.91で完全に重なるため，正確なNbカウントが決定できない．そこで，測定前にAr⁺スパッタを行うことで，単層とバルクの両方に対してMoH⁺のピーク及び有機物ピークの消失を確認した(図２b)．転写試料サイズに関しても定量評価に十分なカウントが得られることが分かった．XPS測定後のバルクのNb/Moカウント比からNbの相対感度係数を求め，図１にPLを示したフレークのNb濃度を算出した．単層NbドープMoS₂はわずか0.2%ほどのNb濃度変化によりPL形状が大きく変化することが分かった．NbドープWSe₂ではこのような挙動は観察されておらず，MoS₂内のNb束縛励起子に特有の挙動であると推測される．単層フレークにおけるNb⁺のイメージングを行ったところ，Nbは面内で均一に分布していることがわかった(図３)．また，バルク結晶においてAr⁺スパッタ時間によるdepth profileを求めたところ(図４)，Nb濃度の深さ方向依存性はフレーク間のばらつきに比べ小さいことがわかった．フレーク間の濃度バラつきはCVT成長の初期/後期でのNb蒸気濃度の違いのためNb濃度の異なる結晶塊が生じたためと考えられる．

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図．キャプションは図に記載してあります

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

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.

1. 田中 一樹, 西村 知紀, 金橋 魁利, 上野 啓司, 長汐 晃輔, "劈開単層MoS2のToF-SIMSによるNb不純物均一性評価", 2024年第85回応用物理学会秋季学術講演会,（2024年9月19日, 朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター,(新潟市)).

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