特許 7535881 材料構造体、及び、半導体デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-08

(45)【発行日】2024-08-19

(54)【発明の名称】材料構造体、及び、半導体デバイス

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/38 20060101AFI20240809BHJP

   C01B 21/068 20060101ALI20240809BHJP

   C30B 29/36 20060101ALI20240809BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20240809BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20240809BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20240809BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240809BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20240809BHJP

   H01L 29/861 20060101ALI20240809BHJP

   H01L 29/868 20060101ALI20240809BHJP

   B32B 18/00 20060101ALI20240809BHJP

   H01L 29/26 20060101ALI20240809BHJP

【ＦＩ】

C30B29/38 B

C01B21/068 Z

C30B29/36 A

H01L29/80 B

H01L29/78 618B

H01L29/78 301B

H01L29/91 F

B32B18/00 A

B32B18/00

H01L29/26

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020119297

(22)【出願日】2020-07-10

(65)【公開番号】P2022016038

(43)【公開日】2022-01-21

【審査請求日】2023-07-05

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ＩＣＳＣＲＭ２０１９組織委員会（ＩＣＳＣＲＭ２０１９ Ｏｒｇａｎｉｚｉｎｇ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ）、シリコンカーバイド及び関連材料に関する国際会議２０１９（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０１９ （ＩＣＳＣＲＭ ２０１９）） 要旨集、２０１９年９月２９日 〔刊行物等〕シリコンカーバイド及び関連材料に関する国際会議２０１９（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０１９（ＩＣＳＣＲＭ ２０１９））、２０１９年９月３０日 〔刊行物等〕公益社団法人応用物理学会 先進パワー半導体分科会、先進パワー半導体分科会誌 第６回講演会 予稿集 ＶＯＬ．６ Ｎｏ．０１、２０１９年１２月３日 〔刊行物等〕先進パワー半導体分科会 第６回講演会、２０１９年１２月３日

(73)【特許権者】

【識別番号】000173809

【氏名又は名称】一般財団法人電力中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101236

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100166914

【弁理士】

【氏名又は名称】山▲崎▼ 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】土田 秀一

(72)【発明者】

【氏名】村田 晃一

(72)【発明者】

【氏名】森 大輔

(72)【発明者】

【氏名】瀧川 亜樹

【審査官】今井 淳一

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－３３５２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－３８３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】Tetsuroh Shirasawa et al.，Epitaxial Silicon Oxynitride Layer on a 6H-SiC(0001) Surface，Physical Review Letters，136105(2007)，米国，The American Physical Society，2007年03月30日，136105-1 - 136105-4

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ３０Ｂ ２９／３８

Ｃ０１Ｂ ２１／０６８

Ｃ３０Ｂ ２９／３６

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／７８６

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２９／８６１

Ｂ３２Ｂ １８／００

Ｈ０１Ｌ ２９／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化珪素の基板層の上に、材料構造体が設けられる、窒素を含有する２次元材料層が形成され、
前記２次元材料層は、
珪素及び窒素から形成され、
最表面は水素原子が結合しており
前記２次元材料層の初期状態の酸素の面密度は、５×１０ ^１４ ｃｍ ^-２ 以下まで低減している
ことを特徴とする材料構造体。

【請求項2】

請求項１に記載の材料構造体において、
前記基板層に対し、前記２次元材料層の２次元周期構造は、
（√３×√３ Ｒ３０）である
ことを特徴とする材料構造体。

【請求項3】

請求項１もしくは請求項２に記載の材料構造体において、
前記２次元材料層の厚さは、０.２ｎｍ以上０.８ｎｍ以下、
前記２次元材料層の窒素の面密度は、１×１０^１４ｃｍ^-２以上２×１０^１５ｃｍ^-２以下、
前記２次元材料層の初期状態は、面密度が５×１０^１４ｃｍ^-２以上の水素原子が最表面に結合している
ことを特徴とする材料構造体。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の材料構造体において、
前記２次元材料層の表面は、
水素が結合している領域を酸素が結合している領域で取り囲まれている
ことを特徴とする材料構造体。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の材料構造体において、
前記基板層はステップ・テラス構造を有し、
前記２次元材料層は前記基板層の上にテラス状（ステップ・テラス構造）に形成される
ことを特徴とする材料構造体。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の材料構造体において、
前記２次元材料層が形成される炭化珪素の前記基板層の上面は（０００１）面、または（０００１）面と等価な結晶構造を有するファセット面を形成する結晶面である
ことを特徴とする材料構造体。

【請求項7】

請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の材料構造体において、
前記２次元材料層の上に異種材料層を有する
ことを特徴とする材料構造体。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の材料構造体を有し、
前記２次元材料層の表面に２つ以上の電極を有し、
抵抗率が１×１０^５Ωｃｍ以上の基板に形成される
ことを特徴とする半導体デバイス。

【請求項9】

請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の材料構造体を有し、
前記２次元材料層の表面、及び、前記基板層に１つ以上の電極をそれぞれ有し、
抵抗率が１×１０^５Ωｃｍ以下の基板に形成される
ことを特徴とする半導体デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化珪素（ＳｉＣ）上に形成した層を用いた材料構造体、及び、半導体デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

近年の高度に発展した集積回路（ＬＳＩ）に代表されるように電子デバイスの多くは、シリコン結晶から構成される。ＬＳＩの高集積化に伴い、デバイスサイズは縮小化され、現在に至っては数ｎｍと原子層レベルまで近づいている。

【0003】

また、単原子層の炭素からなるグラフェンの発見以来、単原子または数原子層の様々な原子層材料の研究開発が進められており、バルク材料とは異なる特異な物性（例えば、電子構造）を示すことが数多く報告され、実用化に向けた取り組みが多くなされている。

【0004】

特に、原子層材料では、不純物密度や欠陥密度のみならず、表面への吸着物の有無や種類によって、物性が劇的に変化することがある。例えば、ダイヤモンドの表面を水素で終端すると、表面近傍に特異な電気伝導層が現れることが知られている。

【0005】

その中、炭化珪素（ＳｉＣ）上に熱処理を施すことで、原子層レベルの特異な表面構造を形成できることが知見として得られている（例えば、特許文献１）。ＳｉＣ単結晶は、不純物ドーピングによって、抵抗率および導電型の制御が可能であり、表面構造を利用した半導体デバイスの構築が可能となる。

【0006】

また、異なる結晶材料を積層化または集積化する場合においては、材料間の格子不整合や界面における表面自由エネルギーの差などが要因となり、界面の平坦性が維持できないことや、結晶欠陥の生成が生じる。特異な表面構造を予め形成することにより、その上部に形成する材料の品質を向上させる取り組みが多くなされている。

【0007】

このため、ＳｉＣ単結晶において、材料構造体の表面構造を利用した実用的な半導体デバイスの実現が望まれているのが実情である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開平１０－３３５２９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、炭化珪素単結晶上に形成した２次元材料層（数原子層）を利用することができる材料構造体、及び、半導体デバイスを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の材料構造体は、炭化珪素の基板層の上に、材料構造体が設けられる、窒素を含有する２次元材料層が形成され、前記２次元材料層は、珪素及び窒素から形成され、最表面は水素原子が結合しており、前記２次元材料層の初期状態の酸素の面密度は、５×１０ ^１４ ｃｍ ^-２ 以下まで低減していることを特徴とする。

【0011】

請求項１に係る本発明では、炭化珪素（ＳｉＣ）の基板層の上に、窒素（Ｎ）を含有する２次元材料層（数原子層）を形成することで、炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶上に形成した数原子層を利用することができる材料構造体とすることが可能になる。

【0012】

２次元材料層の最表面に水素が結合することで、材料構造体の特異な電気伝導が誘起される。

【0013】

例えば、２次元材料層を活性層として機能させることができる。応用例として、２次元材料層上に２つの電極を形成した２端子構造の横型デバイスを構築することができる。

【0014】

電極間に電圧を印加することで、２次元材料層の内部または界面に電流が流れる。また、２つの電極間に電極を追加することで３端子構造とし、中間の電極に電圧を印加することで、電極間に流れる電流を制御しても良い。また、２次元材料層に光が入射されると、２次元材料層の抵抗率が変化し、電極間に流れる電流が変化する、センサーとして用いることができる。また、デバイスに磁場を印加した状態としても良い。

【0015】

例えば、２次元材料層の上に１つ以上の表面電極を形成し、基板層の裏に裏面電極を形成した縦型デバイスを構築することができる。この場合、表面電極はメッシュ状、櫛状の窓あき形状等にしても良い。

【0016】

また、横型デバイスおよび縦型デバイスともに、２次元材料層の最表面に結合している原子（分子）の変化を、電流量の差から検出できるセンサーとして用いることができる。さらには、２次元材料層上に異種材料層を形成した材料構造体とすることもできる。

【0018】

また、請求項２に係る本発明の材料構造体は、請求項１に記載の材料構造体において、前記基板層に対し、前記２次元材料層の２次元周期構造は、
（√３×√３ Ｒ３０）であることを特徴とする。

【0019】

２次元材料層の厚さは、原子数層の厚さ、ＳｉとＮ密度が単原子層と同程度(高秩序度)、であるようにすることができる。

【0020】

また、請求項３に係る本発明の材料構造体は、請求項１もしくは請求項２に記載の材料構造体において、前記２次元材料層の厚さは、０.２ｎｍ以上０.８ｎｍ以下、前記２次元材料層の窒素の面密度は、１×１０^１４ｃｍ^-２以上２×１０^１５ｃｍ^-２以下、前記２次元材料層の初期状態は、面密度が５×１０^１４ｃｍ^-２以上の水素原子が最表面に結合していることを特徴とする。

【0021】

また、請求項４に係る本発明の材料構造体は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の材料構造体において、前記２次元材料層の表面は、水素が結合している領域を酸素が結合している領域で取り囲まれていることを特徴とする。また、請求項５に係る本発明の材料構造体は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の材料構造体において、前記基板層はステップ・テラス構造を有し、前記２次元材料層は前記基板層の上にテラス状（ステップ・テラス構造）に形成されることを特徴とする。

【0022】

また、請求項６に係る本発明の材料構造体は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の材料構造体において、前記２次元材料層が形成される炭化珪素の基板層の上面は（０００１）面、または（０００１）面と等価な結晶構造を有するファセット面を形成する結晶面であることを特徴とする。

【0023】

請求項６に係る本発明では、炭化珪素の基板層の（０００１）面、または（０００１）面と等価な結晶構造を有するファセット面を形成する結晶面上に２次元材料層を形成できる。

【0024】

２次元材料層の最表面に、結合状態が制御できるように、異種の元素材、例えば、水素原子が結合を結合させ、熱を加えることで水素原子を所定状態に離脱させて、２次元材料層の電子構造を変化させることができる。

【0025】

また、請求項７に係る本発明の材料構造体は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の材料構造体において、前記２次元材料層の上に異種材料層を有することを特徴とし、機能層として高品質の層を構築することができる。

【0026】

因みに、参考文献として、Tetsuroh Shirasawa, Kenjiro Hayashi, Seigi Mizuno, Satoru Tanaka, Kan Nakatsuji, Fumio Komori, and Hiroshi Tochihara, PHYSICAL REVIEW LETTERS 98, 136105 (2007)には、２次元周期構造が（√３×√３ Ｒ３０）であるＳｉとＮからなる層およびＯを含む層との積層構造が報告されている。上述した本発明の材料構造体はＯを含まず、水素原子と結合していることを特徴としているため、参考文献の技術とは相違する。

【0027】

参考文献に報告されている構造に比べて、上述した本発明の２次元材料層は、原子層レベルまで薄くすることで、電子デバイスに適応した場合、ゲート電圧の印加により変調度合の向上を図ることができ、センサーに適用した場合には感度の向上を図ることができる。

【0028】

上記目的を達成するための請求項８に係る本発明の半導体デバイスは、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の材料構造体を有し、前記２次元材料層の表面に２つ以上の電極を有し、抵抗率が１×１０^５Ωｃｍ以上の基板に形成されることを特徴とする。

【0029】

また、上記目的を達成するための請求項９に係る本発明の半導体デバイスは、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の材料構造体を有し、前記２次元材料層の表面、及び、基板層に１つ以上の電極をそれぞれ有し、抵抗率が１×１０^５Ωｃｍ以下の基板に形成されることを特徴とする。

【0030】

請求項８、請求項９に係る本発明では、炭化珪素単結晶上に形成した数原子層を利用することができる材料構造体を有する半導体デバイスとすることができる。

【発明の効果】

【0031】

本発明の材料構造体は、炭化珪素単結晶上に形成した数原子層を利用することが可能になる。

【0032】

また、本発明の半導体デバイスは、炭化珪素単結晶上に形成した数原子層を利用することができる材料構造体を適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】本発明の一実施例に係る材料構造体の概念構成図である。

【図2】本発明の一実施例に係る材料構造体の基板層に対する２次元材料層の２次元周期構造を説明する概略図である。

【図3】本発明の一実施例に係る材料構造体の基板層と２次元材料層の結合の一例を表す概念図である。

【図4】赤外分光による吸収度合いの状況を表すグラフである。

【図5】材料構造体の基板層に対する２次元材料層の状況を表す概念図である。

【図6】本発明の一実施例に係る材料構造体を用いた半導体デバイスの概念構成図である。

【図7】本発明の一実施例に係る材料構造体を用いた半導体デバイスの概念構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

図１、図２に基づいて本発明の材料構造体の実施例を説明する。

【0035】

図１には本発明の一実施例に係る材料構造体を概念的に説明する構成状況、図２には本発明の一実施例に係る材料構造体の基板層に対する２次元材料層の２次元周期構造を説明する概略状況を示してある。

【0036】

図１に示すように、炭化珪素（ＳｉＣ）の基板層１の上には、窒素（Ｎ）を含有する含有する２次元材料層２が形成されている。２次元材料層２の最表面には水素原子（水素：Ｈ）が結合されている。

【0037】

２次元材料層２は、珪素（Ｓｉ）及び窒素（Ｎ）から形成され、２次元材料層２の厚さは、０.２ｎｍ以上０.８ｎｍ以下とされることが好ましい。また、２次元材料層２の窒素（Ｎ）の面密度は、１×１０^１４ｃｍ^-２以上２×１０^１５ｃｍ^-２以下であり、さらに、２次元材料層２の初期状態の酸素（Ｏ）の面密度は、５×１０^１４ｃｍ^-２以下であることが好ましい。

【0038】

２次元材料層２の表面に結合する水素（Ｈ）の密度を上げることで、特異な電子状態を形成して特異な電気伝導を誘起することができる。このためには、水素の面密度は５×１０^１４ｃｍ^-２以上２×１０^１５ｃｍ^-２以下であることが好ましい。また表面の酸素（Ｏ）の面密度は、５×１０^１４ｃｍ^-２以下まで低減させることが好ましい。例えば、原子数層の薄さ、ＳｉとＮ密度が単原子層と同程度(高秩序度)、であることが好ましい。

【0039】

そして、２次元材料層２が窒素（Ｎ）を含有していることで、基板層１に対し、２次元材料層２の２次元周期構造は、（√３×√３ Ｒ３０）になる。つまり、窒素（Ｎ）を含有していることで、図２に示すように、基板層１の単位ユニットの単位辺の長さを１とした場合、２次元材料層２の単位ユニットの単位辺の長さは√３（√３倍）になる。

【0040】

そして、２次元材料層２が窒素（Ｎ）を含有していることで、図２に示すように、２次元材料層２の単位ユニットに対し、基板層１の単位ユニットが、図中で反時計回り方向に３０度回動された状態になる。または、図中で時計回り方向に３０度回動された状態にしてもよい。

【0041】

２次元材料層２が形成される炭化珪素（ＳｉＣ）の基板層１の上面は（０００１）面、または（０００１）面と等価な結晶構造を有するファセット面を形成する結晶面であることが好ましい。これにより、炭化珪素（ＳｉＣ）の基板層１の（０００１）面、または（０００１）面と等価な結晶構造を有するファセット面を形成する結晶面上に２次元材料層２を形成できる。

【0042】

２次元材料層２の上に異種材料層を形成することができる。異種材料を形成することで、機能層として高品質の層を構築することができる。

【0043】

図３、図４に基づいて材料構造体の具体例を説明する。

【0044】

図３には本発明の一実施例に係る材料構造体の基板層と２次元材料層の結合の一例を表す概念、図４には赤外分光による吸収度合いの状況を表すグラフを示してある。

【0045】

図３に示すように、基板層１は、炭化珪素（ＳｉＣ：丸印の中心にドットを記した印で示したＳｉ、●印で示したＣ）の上には、◎印で示した窒素（Ｎ）を含有する２次元材料層２が形成されている。２次元材料層２の最表面には（最表面の珪素Ｓｉには）、◎印で示した窒素（Ｎ）、丸印の中心にドットを記した印で示したＳｉを介在させて、〇印で示した異種の元素材である水素（Ｈ）が結合されている。水素（Ｈ）の結合状態により、２次元材料層２の電子構造を変化させることができる。

【0046】

水素（Ｈ）が結合されている場合、図４に実線で示すように、赤外分光による吸光度のピークが所望の波数（ｃｍ^-１）で生じることが確認されている。窒素（Ｎ）を含有している２次元材料層２を加熱することで、図４に破線で示すように、赤外分光による吸光度のピークが生じないことが確認されている。

【0047】

水素（Ｈ）が離脱した場合、酸素（Ｏ）が結合することが考えられる。また、他の原子、分子が吸着・結合させることも考えられる。これにより、２次元材料層２の電子構造を任意に変化させることができる。材料構造体を光素子として適用することで、２次元材料層２の最表面の結合状態により、２次元材料層２の光学特性を制御することができる。

【0048】

パターニングなどを用いて２次元材料層２の表面に結合する元素を局所的に変化させることで、２次元平面内に局所的に電気伝導度の異なる領域を形成し、配線などの回路要素を構成することもできる。例えば、Ｈが結合している領域と酸素（Ｏ）が結合している領域とを形成する場合、酸素が結合している領域では２次元材料層２の表面では特異な電気伝導は起きないので、水素が結合している領域だけに選択的に特異な電気伝導を起こすことができる。このため、水素が結合している領域を酸素が結合している領域で取り囲むことで素子分離ができ、上層の電極配線と組み合わせることで様々な回路を実現できる。

【0049】

図５には本発明の一実施例に係る材料構造体の基板層に対する２次元材料層の状況を表す概念を示してある。

【0050】

図５に示すように、２次元材料層２は下地の炭化珪素（ＳｉＣ）の基板層１上にテラス状（ステップ・テラス構造）に形成されるため、２次元材料層２は特定な方向のみに連続的に広がり、電気伝導度は面内で異方性を有している。ステップ・テラスを横切る方向（図中左右方向）では、電気伝導度が低く、ステップ・テラスと平行な方向（図中上下方向）では、電気伝導度が高くなる。

【0051】

ステップ・テラスの形態（大きさ、高さ、密度等）を制御することで、任意の電気伝導度を得ることができる。尚、炭化珪素（ＳｉＣ）表面のステップ・テラスの形態（大きさ、高さ、密度等）は、基板のオフ角により調整することができる。または、（０００１）面と同等の結晶構造を有するファセット面を利用する場合においては、基板の面方位を調整することで、ファセット面の幅を調整することができる。

【0052】

図６、図７に基づいて半導体デバイスの具体例を説明する。

【0053】

図６には本発明の一実施例に係る半導体デバイスの概念構造、図７には本発明の一実施例に係る半導体デバイスの概念構造を示してある。

【0054】

図６（ａ）に示すように、半導体デバイスとして、２次元材料層２の上部に２つの電極１１を形成した二端子構造を構築することができる。更に、２つの電極１１の間にショットキー型の電極１４を形成することで、ＭＥＳ(metal-semiconductor)型の電界効果型トランジスタ構造を構築することができる。

【0055】

図６（ｂ）に示すように、２次元材料層２の一部に、高誘電率材料（例えば、ＨｆＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３）の層１２、及び、電極１１を積層させることで、ＭＩＳ(metal-insulator)型の電界効果型トランジスタ構造を構築することができる。請求項に係る本発明の２次元材料層は、酸素を含む層が存在しないため、２次元材料層２と層１２の間を近づけることができ、電極１１（ゲート電極）を用いた電界効果、及び電極１１（ソース電極、ドレイン電極）のそれぞれおけるコンタクト抵抗の制御性を向上させることができる。

【0056】

図６（ａ）（ｂ）の半導体デバイス（横型トランジスタ構造において、基板層１は抵抗率１×１０^５Ωｃｍ以上の半絶縁性基板または半絶縁性エピタキシャル膜を利用することが好ましい。これにより、基板層１への電流の流れを抑制することができる。図６（ｃ）の半導体デバイス（ダイオード構造）において、基板層１は抵抗率１×１０^５Ωｃｍ以下の基板またはエピタキシャル膜を形成した基板を利用することが好ましい。

【0057】

２次元材料層２上に形成する電極１１は、蒸着やスパッタ法等を用いて金属薄膜（Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ等）の堆積により形成する。接触抵抗を低減するために、金属堆積後に６００℃以下の熱処理を加えてもよい。もしくは、電極１１を堆積する領域の２次元材料層２の導電性を変えても良い。これには、異種元素を含む雰囲気中で加熱することで表面元素を他の元素に置換することや、イオン注入法や電子線照射を用いることができる。

【0058】

これにより、電子デバイスとして機能させることができる。即ち、両端の２電極の間に電圧を印加することで、２次元材料層２の内部または界面に電流が流れる電子デバイスとして機能させることができる。また、２次元材料層２の光が入射されると、両端の２電極間に流れる電流が変化するセンサーを構築することができる。また、中間の電極に電圧を印加することで、両端の２電極の間の電流を制御することができる電子デバイスとして機能させることができる。

【0059】

図６（ｃ）に示すように、半導体デバイスとして、２次元材料層２の上に１つ以上の電極１１を積層し、基板層１の裏に１つ以上の電極１３を形成したダイオード構造を構築することができる。２次元材料層２の表面の水素の面密度により、２次元材料層２の電子状態が変化するために、ダイオードの電流－圧特性に影響が現れる。表面電極は、メッシュ状、櫛状の窓あき形状等の任意の形状を適用することができる。基板層１に低抵抗基板を利用することで、直列抵抗を小さくすることができる。

【0060】

図６（ｃ）における２次元材料層２上に形成する電極１１は、蒸着やスパッタ法等を用いて金属薄膜（Ｔｉ、Ｎｉ，Ａｌ等）の堆積により形成する。接触抵抗を低減するために、金属堆積後に６００℃以下の熱処理を加えてもよい。もしくは、電極１１を堆積する領域の２次元材料層２の導電性を変えても良い。これには、異種元素を含む雰囲気中で加熱することで表面元素を他の元素に置換することや、イオン注入法や電子線照射を用いることができる。

【0061】

図６（ａ）（ｂ）（ｃ）において、２次元材料層２の表面状態を維持するためには、スパッタ法やスピンコーティング法等を用いて、２次元材料層２の上部に封止材を形成しても良い。

【0062】

図７（ａ）に示すように、２次元材料層２上に異種材料層３を形成した半導体デバイスとして、異種材料層３の上部に２つの電極１１を形成した二端子構造を構築することができる。更に、２つの電極１１の間にショットキー型の電極１４を形成することで、ＭＥＳ(metal-semiconductor)型の電界効果型トランジスタ構造を構築することができる。

【0063】

図７（ｂ）に示すように、異種材料層３の一部に、高誘電率材料（例えば、ＨｆＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３）の層１２、及び、電極１１を積層させることで、ＭＩＳ(metal-insulator)型の電界効果型トランジスタ構造を構築することができる。

【0064】

２次元材料層２の上に面密度が１×１０^１５ｃｍ^-２以下の水素（Ｈ）原子を含ませた場合、異種材料層３の成長時に、２次元材料層２の最表面の水素（Ｈ）原子が異種材料層３の構成元素と置換されることで、２次元材料層２と異種材料層が結合される。

【0065】

図７（ｃ）に示すように、半導体デバイスとして、異種材料層３の上に１つ以上の電極１１を積層し、基板層１の裏に１つ以上の電極１３を形成したダイオード構造を構築することができる。表面電極は、メッシュ状、櫛状の窓あき形状等の任意の形状を適用することができる。

【0066】

前述した参考文献において、２次元周期構造（√３×√３ Ｒ３０）を有するＳｉとＮからなる層上に、炭化珪素（Ｓｉ）及び酸素（Ｏ）からなる結晶層(ＳｉＯ_２層)が自発的に形成された結果のみが示されている。

【0067】

本発明において、異種材料層３は、分子線エピタキシー法や原子層堆積法、化学気相成長法など、２次元材料層２とは異なる製造方法（製造装置）を用いることができ、ＳｉＯ_２層以外の材料（例えば、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物）の形成にも適用することができる。２次元材料層２の形成後、異種材料層３の材料を導入することで、連続的に成膜することができる。

【0068】

尚、２次元材料層２は数原子層の厚さであるため、異種材料層３と基板層１の距離を近づけることができる。

【0069】

図７（ａ）（ｂ）の半導体デバイス（横型トランジスタ構造）において、基板層１は抵抗率１×１０^５Ωｃｍ以上の半絶縁性基板または半絶縁性エピタキシャル膜を利用することが好ましい。図７（ｃ）の半導体デバイス（ダイオード構造）において、基板層１は抵抗率１×１０^５Ωｃｍ以下の基板またはエピタキシャル膜を形成した基板を利用することが好ましい。

【0070】

異種材料層３の上の表面の電極１１と基板層１の裏面の電極１３の間に電圧（逆バイアス）を印加した状態に、光が入射されると、電流が流れるセンサーを構築することができる。または、異種材料層３の上の表面の電極１１と基板層１の裏面の電極１３の間に電圧（順バイアス）を印加し、電流を流すことで、異種材料層３、及び、２次元材料層２からの発光デバイスとすることができる。基板層１に低抵抗基板を利用することで、直列抵抗を小さくすることができる。

【産業上の利用可能性】

【0071】

本発明は材料構造体、及び、半導体デバイスの産業分野で利用することができる。

【符号の説明】

【0072】

１ 基板層
２ ２次元材料層
３ 異種材料層
１１、１３、１４ 電極
１２ 層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】