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摘要：本研究阐明，无需像以往调制掺杂结构那样的精密杂质控制，仅通过构建由相同元素（锗）组成的二维物质与三维物质的界面，即可形成强烈抑制电离杂质散射的清洁导电通道（二维空穴气体），作为在低温下实现高迁移率界面的设计方针，为未来高速器件的开发提供了重要启示。

关键词：层状半导体、氢化锗、杂质控制、2D/3D同素异形体异质界面、氢原子终止

要点

在氢终止锗层状半导体（氢化锗：GeH）中，观测到同系统结构中最高水平的空穴迁移率。
不引入外部杂质原子，仅通过堆叠2D物质（GeH）与3D物质（Ge），即可自发形成高品质的二维空穴气。
为将来开发无需调制掺杂结构等精密的杂质浓度控制，利用二维层状半导体的高速电子器件的设计开辟了新路径。

氢化锗2D/3D界面所具有的高空穴迁移率

概要

研究小组提出在被视为下一代半导体材料的二维（2D）层状物质中，实现高速电荷传输的创新界面设计方针。

研究小组在广泛用于半导体的3D块晶体——锗（Ge）衬底上，将其原子层用氢原子终止，使其外延生长为2D层状半导体“氢化锗（Germanane：GeH）”，构建了以同种元素为基础的“2D/3D同素异形体异质界面”。在这一界面上实现了低温下（15 K）67,000 cm²/Vs的空穴迁移率，创下了氢化锗相关结构中最高的记录。

在半导体材料研究中，已知衬底及界面环境对传输特性有巨大影响。本研究阐明，无需像以往调制掺杂结构那样的精密杂质控制，仅通过构建由相同元素（锗）组成的二维物质与三维物质的界面，即可形成强烈抑制电离杂质散射的清洁导电通道（二维空穴气体）。该成果作为在低温下实现高迁移率界面的设计方针，为未来高速器件的开发提供了重要启示。

研究内容

现代电子器件的性能提升与电荷在材料中能否顺畅移动（即迁移率）直接相关。仅有数层原子层厚度的2D层状半导体显示出与块体单晶相同的物性，作为兼具细微化适应性与优异电学特性的候选材料而受到关注，但是如何通过界面控制实现理想的传输特性成为重要的课题。

此次，研究团队将目光聚焦于一种氢原子终止的蜂窝状锗晶格层状半导体——“锗烷（GeH）”。与未进行氢原子终止处理的二维锗烯（Germanene）不同，锗烷是一种具有约1.6eV直接带隙的半导体，有望在光电器件领域得到广泛应用。

研究团队通过在锗衬底上外延生长CaGe2薄膜，并利用拓扑取向反应（在保持晶体结构骨架的前提下进行化学转化），成功制备了锗烷薄膜。

本研究的主要成果

1. 创造氢化锗系材料的迁移率记录

在15K低温下进行检测，确认空穴迁移率达到了67,000 cm²/Vs。这一数值远高于通过剥离法制备的氢化锗单晶剥片、以及使用传统电解质栅极的氢化锗薄膜上的晶体管元件。

2. 形成高质量二维空穴气

通过低温磁阻观测到了被认为是SdH振荡（电阻在磁场中振动）的结构。通过该振荡计算出的载流子密度与霍尔测量结果一致，这一结果有力地支持了在2D/3D界面处形成了“二维空穴气（2DHG）”的结论。

3. 不依赖杂质原子的载流子供给机制

此次实现的高迁移率不是依靠人为引入杂质原子（化学掺杂），而是通过氢化锗与锗的功函数差异所引起的界面电荷移动来实现的。温度相关性分析表明，限制迁移率的主要因素——“电离杂质散射”得到显著抑制。此外，与以往的研究不同，计算得到的荷电子带最上部的电子有效质量仅为0.12me（me为电子质量），这种极小的有效质量也被认为是促成高迁移率的原因。

此次的发现表明，将2D层状半导体与以往3D半导体技术相结合的“2D/3D同素异形体异质界面”，是一种无需精密的杂质设计即可实现高质量量子传输的有效平台。今后，基于这一界面设计方针，通过优化栅极电极控制和提高室温性能，有望推动其在下一代高速电子器件中的应用。

https://www.c.u-tokyo.ac.jp/info/news/topics/20260409140000.html

https://doi.org/10.1063/5.0321934

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