産総研など、グラフェンで室温動作のスイッチングトランジスタを作成

産業技術総合研究所(産総研)は、グラフェンの新しい電気伝導制御技術を開発したと発表した。同技術は、グラフェンに対してヘリウムイオン顕微鏡を用いてヘリウムイオンビームを照射し、人為的に低密度の結晶欠陥を導入することで、グラフェンの中の電子や正孔の動きをゲート電極に電圧を与えて変調可能にするものである。このような結晶欠陥の導入による伝導制御はこれまで理論的には予想されてきたが、実験的に室温でオン・オフ動作に至った例はこれまでなかったという。

同成果は、産総研 ナノエレクトロニクス研究部門 連携研究体グリーン・ナノエレクトロニクスセンター(GNC)の中払周 特定集中研究専門員ら、ナノエレクトロニクス研究部門 小川 真一 招聘研究員、ナノデバイスセンターらは、物質・材料研究機構(NIMS)国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(WPI-MANA)の塚越一仁 主任研究者らの共同研究グループによるもので、詳細は2012年9月25~27日に京都府京都市で開催される「国際素子・材料コンファレンス(SSDM2012)」にて発表される。

半導体はプロセスの微細化により、性能向上や低消費電力化を実現してきたが、その物理限界が見え始めてきた。その一方で、2004年に単離されて以降、注目を集めるようになったグラフェンは、電子の動きやすさを表す電子移動度がシリコンの100倍以上あり、シリコンなどで本質的な問題となっている短チャネル効果への耐性もあるほか、従来の半導体におけるドーパント起因の特性バラつきに対する耐性も期待されているため、次世代半導体材料として期待を集めるようになっている。しかし、グラフェンにはシリコンなどの半導体にみられるバンドギャップがないことから、スイッチングトランジスタとして使用した場合に電流を十分に遮断することができないという課題があり、各所でグラフェンにバンドギャップを生じさせる方法が検討されているが、これまで実用化が期待できる方法は得られていなかった。

GNCは、2010年4月に設立された。産総研研究者と5企業(富士通研究所、東芝、日立製作所、ルネサス エレクトロニクス、アルバック)からの出向研究者によって構成されている組織で、2010年度より、つくばイノベーションアリーナによる研究支援のフレームワークのもとで、産総研ナノエレクトロニクス研究部門、産総研ナノデバイスセンター、物材機構 WPI-MANAとの共同研究体制を構築し、グラフェンのエレクトロニクス応用に関する研究開発を遂行してきた。

今回の研究は、まずヘリウムイオン顕微鏡を用いてグラフェン素子の中心部にヘリウムイオンビームを適量照射することで、グラフェンの電気伝導状態を変化させた。素子の不要な部分のグラフェンも、高い照射量のヘリウムイオンビームで絶縁化を施した。このグラフェンは、グラファイト結晶から単離し、シリコン基板上の二酸化シリコン絶縁膜表面に貼り付けられたもので、電気特性評価用に電極が形成されたものとなっている。

図1 試作したグラフェン素子におけるヘリウムイオン照射領域の概念図

これによりグラフェンを流れる電流は急激に減少することとなるが、このとき、ヘリウムイオン照射量にしたがって、図1の適量に照射された領域のグラフェンに原子サイズの結晶欠陥が0.1%から1%程度の低密度で導入され、これらの低密度の欠陥の効果でグラフェンを流れる電流が抑制されるようになる。

図2 イオン照射量に対する電流値の変化

これらの低密度欠陥の導入により、グラフェンのフェルミ準位付近の状態密度の比較的低いエネルギーに、トランスポートギャップと呼ばれる状態が生じることとなる。フェルミ準位がこのトランスポートギャップ内にある場合は電流が流れず、グラフェンとバックゲート電極の間に電圧を与えることで、グラフェンのフェルミ準位のエネルギーを増減できるため、バックゲートの電圧で電流を変調させることができるようになる。これによりグラフェンが機能化され、その結果、室温で約2桁のオン・オフ比を確認することに成功した。結晶欠陥で機能化されたグラフェンにおいて、これまで室温でオン・オフ比が1桁を超えたことはなかったが、今回初めて室温で2桁以上のオン・オフ比が実現されたことになるという。

図3 ヘリウムイオン照射で機能化されたグラフェンの室温における電流のオン・オフ動作(照射量8.7×1015ions/cm2)。挿入図はその対数プロット

同手法によるグラフェンの機能化は、広い面積のグラフェンのままで加工できることから、極細線の端制御が難しいグラフェンナノリボン化よりも有望な技術となる可能性があるという。また、通常のリソグラフィ技術と合わせれば、ウェハ全面へのイオン照射によるプロセスが可能であるため、従来のシリコンCMOS製造技術の枠内においても加工が可能であるとのことで、研究グループでは、今後、トップゲート制御によるトランジスタ動作の実現を目指すほか、大面積ウェハによる素子試作を目指すとする。また併せて、機能化されたグラフェンの電気特性、特に電流のオン・オフ比の向上や、電荷の移動度の向上のためにグラフェンの高品質化も図っていくとしている。

試作されたグラフェン素子のヘリウムイオン顕微鏡像

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