【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.16】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24JI0003
利用課題名 / Title
2.5次元物質への置換型ドーピングの構造解析
利用した実施機関 / Support Institute
北陸先端科学技術大学院大学 / JAIST
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）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
原子薄膜/ Atomic thin film,電子顕微鏡/ Electronic microscope,エレクトロデバイス/ Electronic device
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
国立大学法人東京大学工学系研究科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
金橋魁利,田中一樹
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
大島義文
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)の次世代半導体デバイス応用を加速するためには，置換型ドーピングが必要不可欠である．しかしながら，単層におけるドーパントのイオン化エネルギーは量子閉じ込め効果および環境の誘電率低下に伴い，バルクの値よりも増加することが知られる．これは，縮退半導体（イオン化エネルギーが0）に変化するCritical doping level (CDL)がバルクと単層で大きく異なり，本質的にキャリア制御が困難であることを意味する．実際に我々のグループでは，縮退NbドープバルクWSe2において単層化による非縮退半導体への回帰を実験的に報告してきた．今回，Nbの置換量を定量的に決定するためにTEM観察を行った．
実験 / Experimental
NbドープWSe2をSiO2/Si基板に転写し，リソグラフィにて電極パターンを形成し，Ni/Au電極を蒸着した．バックゲートによるデバイス特性評価を行った．また，TEMグリッドに転写し，TEM観察を行った．
結果と考察 / Results and Discussion
NbドープWSe2の体系的な特性評価により，高NbドープWSe2バルクサンプルは縮退した輸送挙動を示すものの、単層限界では両極性挙動が現れることを示した．この試料のNb置換量をTEMにより2.3％であることを明らかにした．これらの実験結果は，3Dシステムから2Dシステムへの移行時に臨界ドーピングレベルが大幅に増加することを浮き彫りにしています。さらに，これらの現象を解明するために，量子閉じ込め効果によるドーパントイオンの活性化エネルギーの増大と2Dシステムを囲む誘電環境の変化を組み込んだ半経験的モデルを開発し，次元によって引き起こされるこれらの違いの根底にあるメカニズムを明らかにした．この理解により，高性能電子デバイスおよび光電子デバイスのドーピング戦略の設計が可能となった．
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図 1 (a) 3D および 2D Nb ドープ WSe2 システム間の臨界ドーピング レベルの違いを示す概念図．(b) 3D および 2D Nb ドープ WSe2 におけるドーパントのイオン化エネルギーとドーピング レベルの関係．
図 2. (a) pristine WSe2，(b) 非縮退，(c) 縮退した Nb ドープ WSe2 結晶から剥離した WSe2 単層の ADF-STEM 画像と対応する原子マッピング．スケール バーは 2 nm ．垂直に積み重ねられた 2 つの Se 原子、単一の Se 空孔、および 2 つの Se 空孔は、それぞれ 2Se、VSe、および V2Se でラベル付けされている．
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.
- Kaito Kanahashi, Itsuki Tanaka, Tomonori Nishimura, Kohei Aso, Limi Chen, Takafumi Kakeya, Yoshifumi Oshima, Yukiko Yamada-Takamura, Keiji Ueno, Kosuke Nagashio, "Transition from p+-type to ambipolar in both non-degenerated and degenerated Nb-doped WSe2", The 67th Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium(FNTG), (September. 3, 2024, Kochi University of Technology, Eikokuji Campus).
- 金橋 魁利、西村 知紀、上野 啓司、長汐 晃輔, "希薄NbドープWSe2 FETにおける層数減少に伴うp+からn型への遷移", 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会,（2024年3月23日, 東京都市大学 世田谷キャンパス(東京)).
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