JP2010062358A

JP2010062358A - 抵抗可変電子素子

Info

Publication number: JP2010062358A
Application number: JP2008226923A
Authority: JP
Inventors: Masao Nagase; 雅夫永瀬; Hiroki Hibino; 浩樹日比野; Hiroyuki Kageshima; 博之影島; Koji Yamaguchi; 浩司山口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: JP5155072B2

Abstract

【課題】数層のグラフェンを用いた実用的なデバイスを提供する。
【解決手段】段差部１０２を備えた基板１０１と、段差部１０２を含めた基板１０１の上に形成されたグラフェン層１０３と、所定の接触圧でグラフェン層１０３に接触してこの上を移動可能とされているプローブ１０５と、グラフェン層１０３に接続する共通電極１０４とを備える。グラフェン層１０３においては、段差部１０２の凹部の側の平坦部１３１と、段差部１０２の凹部より平坦部１３１の側に形成されるバリア領域１３２と、段差部１０２に形成される注入領域１３３と、段差部１０２の凸部の側の平坦部１３４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、数層のグラフェンにおける印加する電圧による抵抗の変化を用いた抵抗可変電子素子に関するものである。

近年、単層のグラファイト（グラフェン）を用いた電子素子が開発されている（非特許文献１参照）。グラフェン中のキャリア移動度は高く、高速な電子素子への適用が期待されている。キャリア移動度が高い他の半導体に比較し、グラフェン中のキャリア移動度は温度に対する依存性が小さく、また、電界強度に対する依存性が小さいなど、実用的なデバイスに適用する際に有効である各種の特徴を備えている。

また、単層まで薄層化しなくても、数層（１〜１０層）の極薄いグラファイト（以下、数層グラフェンと称す）であれば、この半導体的な性質を用いることで、例えば、電界効果によりキャリア密度を変調し、トランジスタ的なデバイスとして動作させることが可能である。数層グラフェンを導電層として用いた場合、極低温でかつ極微細デバイスであれば、大きなオン／オフ比を得ることが可能である。

K.S.Novoselov, et al.,"Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon films", SCIENCE,Vol.306, pp.666-669,2004.

しかしながら、上述したようなグラフェンを用いたデバイスでは、実用的な温度範囲や実用的な素子寸法では、電界効果でキャリア濃度を十分に高い状態から低い状態に変化させ、大きなオン／オフ比を得ることができないため、実用的なデバイスとして適用することが困難であるという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、数層のグラフェンを用いた実用的なデバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る抵抗可変電子素子は、段差部を備えた基板と、段差部を含めた基板の上に形成されたグラフェン層と、グラフェン層の段差部における領域に電子を注入する電子注入手段と、段差部の凸部の側の平坦部および段差部の凹部の側の平坦部の少なくとも一方のグラフェン層における電流を検出する電流検出手段を備えるものである。

上記抵抗可変電子素子において、グラフェン層に接触した状態で、段差部の凸部の側の平坦部および段差部の凹部の側の平坦部の間を移動可能とされたプローブと、グラフェン層に接続した電極とを備え、電子注入手段は、グラフェン層の段差部に接触したプローブと電極との間に電圧を印加することで、グラフェン層の段差部における領域に電子を注入し、電流検出手段は、段差部の凸部の側の平坦部および段差部の凹部の側の平坦部の少なくとも一方のグラフェン層に接触するプローブと、電極との間の電流を検出するようにすればよい。

また、上記抵抗可変電子素子において、グラフェン層の段差部に接続する第１電極と、段差部の凸部の側の平坦部および段差部の凹部の側の平坦部の少なくとも一方のグラフェン層に、互いに離間して接続する第２電極および第３電極とを少なくとも備え、電子注入手段は、第１電極に電圧を印加することで、グラフェン層の段差部における領域に電子を注入し、電流検出手段は、第２電極と第３電極との間の電流を検出するようにしてもよい。

なお、上記抵抗可変電子素子において、グラフェン層は、１〜１０層のグラフェンから構成されたものであればよい。

以上説明したように、本発明によれば、グラフェン層の段差部における領域に電子を注入する電子注入手段と、段差部の凸部の側の平坦部および段差部の凹部の側の平坦部の少なくとも一方のグラフェン層における電流を検出する電流検出手段を備えるようにしたので、数層のグラフェンを用いた実用的なデバイスが提供できるという優れた効果が得られるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における抵抗可変電子素子の構成を模式的に示す斜視図である。この抵抗可変電子素子は、段差部１０２を備えた基板１０１と、段差部１０２を含めた基板１０１の上に形成されたグラフェン層１０３と、所定の接触圧でグラフェン層１０３に接触してこの上を移動可能とされているプローブ１０５と、グラフェン層１０３に接続する共通電極１０４とを備える。

また、本実施の形態における抵抗可変電子素子では、グラフェン層１０３においては、段差部１０２の凹部の側の平坦部１３１と、段差部１０２の凹部より平坦部１３１の側に形成されるバリア領域１３２と、段差部１０２に形成される注入領域１３３と、段差部１０２の凸部の側の平坦部１３４とを備える。注入領域１３３は、段差部１０２の斜面から凸部の平坦部１３４側の一部領域にかけて形成される。

基板１０１は、例えば、半絶縁性を示す４Ｈ−ＳｉＣの結晶基板である。また、段差部１０２は、例えば、ＳｉＣ結晶表面に形成される原子ステップ（ステップ部）であり、０．５ｎｍあるいは１ｎｍの段差を備える。

グラフェン層１０３は、ＳｉＣからなる基板１０１の表面を熱昇華法により処理することで形成できる。例えば、基板１０１に超高真空中で１３００℃・１時間の加熱処理をすることで、ＳｉＣの表面の数原子層におけるシリコンが昇華して炭素のみの状態となり、例えば、２層の均一なグラフェンの層からなるグラフェン層１０３が形成できる。グラフェン層１０３は、段差部１０２においても連続して形成されている。

プローブ１０５は、グラフェン層１０３に接触した状態で、平坦部１３１，バリア領域１３２，注入領域１３３，および平坦部１３４の間を移動可能とされている。プローブ１０５は、例えば、よく知られた走査プローブ顕微鏡のプローブであり、カンチレバーに取り付けられて上述した移動を行う。プローブ１０５は、例えば１０ｎＮ程度の適切な接触圧でグラフェン層１０３に接触して移動する。また、共通電極１０４は、グラフェン層１０３に接続することで、平坦部１３１、バリア領域１３２、注入領域１３３、および平坦部１３４に共通に接続した状態となっている。なお、共通電極１０４は、少なくとも平坦部１３１および平坦部１３４に、物理的な接続（接触）がとれていればよい。

この抵抗可変電子素子では、プローブ１０５を注入領域１３３に配置すれば、プローブ１０５と共通電極１０４との間に電圧を印加することで、注入領域１３３にキャリア（電子）を注入することができる。従って、共通電極１０４と注入領域１３３に配置したプローブ１０５とにより、注入領域１３３に電子を注入する電子注入手段となる。

また、この抵抗可変電子素子では、プローブ１０５を、平坦部１３１もしくは平坦部１３４に配置すれば、プローブ１０５と共通電極１０４とにより、これらの領域のグラフェン層１０３における電流を検出することができる。従って、共通電極１０４と平坦部１３１もしくは平坦部１３４に配置したプローブ１０５とにより、平坦部１３１または平坦部１３４のグラフェン層１０３における電流を検出する電流検出手段となる。

次に、本実施の形態における抵抗可変電子素子の動作について説明する。まず、プローブ１０５をグラフェン層１０３に１０ｎＮの接触圧で接触させ、また、プローブ１０５と共通電極１０４との間に例えば１０ｍＶ程度の電圧を印加した状態で、プローブ１０５を、平坦部１３１→バリア領域１３２→注入領域１３３→平坦部１３４と移動させる。この動作により、プローブ１０５と共通電極１０４との間では、平坦部１３１→バリア領域１３２までは、オフ状態であるが、注入領域１３３を通過することで、グラフェン層１０３にキャリア（電子）が注入される。

後述するように、段差部１０２の凸部を中心としたグラフェン層１０３の領域である注入領域１３３では、グラフェン層１０３の電子状態（バンドギャップの状態）が他の領域とは異なり、接触抵抗が低下しているため、上述したキャリアの注入が行われるものと考えられる。この注入されたキャリアは、平坦部１３４には拡散してこの領域を低抵抗の状態とする。この結果、プローブ１０５が、注入領域１３３を通過して平坦部１３４に到達すると、共通電極１０４とプローブ１０５との間の抵抗が低下してオン状態となる。

引き続いて、プローブ１０５を、平坦部１３４→注入領域１３３→バリア領域１３２→平坦部１３１と移動させと、プローブ１０５と共通電極１０４との間では、平坦部１３４→注入領域１３３までは、オン状態である。しかしながら、上述した動作により注入領域１３３から注入されたキャリアは、平坦部１３４の領域には拡散するが、バリア領域１３２で拡散が抑制され、平坦部１３１にはあまり拡散しない。このため、平坦部１３１の抵抗は高い状態が維持される。

後述するように、段差部１０２の凹部にあたるグラフェン層１０３の領域であるバリア領域１３２では、グラフェン層１０３の電子状態が他の領域とは異なり、キャリアの拡散バリアとして働くためと考えられる。このため、プローブ１０５が、バリア領域１３２にさしかかるとオフ状態となり、このオフ状態が平坦部１３１の領域でも維持される。

以上に説明したように、所定の電圧を印加したプローブ１０５を、所定の接触圧でグラフェン層に接触させ、段差部１０２を横切るように移動させることで、プローブ１０５と共通電極１０４との間のオン状態とオフ状態とを切り替えることができる。

上述した状態を図２Ａに示す。図２Ａに示すように、オン状態とオフ状態との間の比（オン／オフ比）は、４桁を実現している。また、上述したオンとオフとの移動の動作を繰り返すことで、図２Ｂに示すような、連続的な方形波を得ることが可能である。

プローブ１０５の移動は、例えばピエゾ素子を用いて行うことができる。このピエゾ素子への電圧印加をゲート入力と見なし、プローブ１０５と共通電極１０４との間の電流を出力（ソース・ドレイン間電流）と見なせば、本実施の形態における抵抗可変電子素子は、図３の等価回路に示すような、三端子素子と考えることができる。

次に、本発明の抵抗可変電子素子の原理について、詳細に説明する。

既に、多くの研究事例で示されているように、数層グラフェンのキャリア濃度を電界効果で大きく変化させ、大きなオン／オフ比を得ることは困難である。将来においては、数層グラフェンの電子物性自身を変調して大きなオン／オフ比を得ることは、可能であるかもしれないが、これを実現するためには複雑なプロセスの追加が必要であることは自明であり、数層グラフェン自体の優れた電子物性、特に高い電子移動度を活用できなくなる可能性もある。

そこで、発明者らは、現在よく知られた技術で作製可能な数層グラフェンを用い、この優れた電子物性を損なうことなく活用し、かつ、通常の状態（実質的な使用状態）で高いオン／オフ比が得られるデバイス構成の検討を行った。数層グラフェンと金属電極との電気的な接触状態に関する実験を行った結果、以下のような新たな知見を得た。本発明は、この実験結果を基になされたものである。

実験に用いた装置および試料構造の概略を図４および図５に示す。図４は、試料の部分を示す斜視図であり、図５は試料の全体を示す断面図である。図４に示すように、ステップ−テラス構造（典型的なステップ高さ０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ）による段差部４０２を備える半絶縁性ＳｉＣからなる基板４０１の上に、熱昇華法により、２層のグラフェンからなる数層グラフェン層４０３を備える。数層グラフェン層４０３においては、段差部４０２の凹部の側の平坦部４１１と、段差部４０２の部分の段差領域４１３と、段差部４０２の凸部の側の平坦部４１４とを備える。

また、所定の接触圧で数層グラフェン層４０３に接触してこの上を移動可能とされているプローブ４０５を備える。プローブ４０５は、表面（先端部）にロジウム（Ｒｈ）がコートされた走査プローブ顕微鏡用Ｓｉカンチレバーである。加えて、図５に示すように、数層グラフェン層４０３のいずれかの部分に接続する共通電極４０４を備える。

数層グラフェン層４０３の表面には、図６のＡＦＭ（Atomic Force Microscope）像に示すように、基板４０１表面のステップ−テラス構造に対応して、同様のステップ−テラス構造が形成されている。また、図７のＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）像に示すように、数層グラフェン層４０３は、ステップ部（段差部４０２）においても途切れることなく形成されている。

上述したように、プローブ４０５には、走査プローブ顕微鏡用Ｓｉカンチレバーを用いており、以下に示す実験は、走査プローブ顕微鏡の中で行う。走査プローブ顕微鏡の機能を用いることで、プローブ４０５の位置を変化させることができる。また、プローブ４０５を構成するカンチレバーの変位量を制御することで、数層グラフェン層４０３に対するプローブ４０５の接触圧を変化させることも可能である。

上述した試料および装置を用いた実験により、次に示す知見が得られた。なお、電気的な計測は、共通電極４０４とプローブ４０５との間に流れる電流の状態を計測することで行う。

１．数層グラフェン層４０３の平坦部４１１および平坦部４１４にプローブ４０５を接触させ、各々の接触抵抗を計測すると、物理的に相互に接触しているにもかかわらず、非常に大きな電気抵抗を示す。

２．数層グラフェン層４０３の段差領域４１３にプローブ４０５を接触させて接触抵抗を計測すると、上述した平坦部４１１および平坦部４１４の場合に比較して小さく、容易にキャリア（電子）の注入が行える。

３．上記キャリアの注入により、平坦部４１４におけるプローブ４０５の接触抵抗が大幅に低下する。

４．上記キャリアの注入を行っても、平坦部４１１におけるプローブ４０５の接触抵抗はあまり低下しない。

５．上記キャリアの注入を行うと、プローブ４０５の接触圧が大きい（１００ｎＮ以上）場合、平坦部４１１における接触抵抗は、平坦部４１４における接触抵抗の数倍となる。また、プローブ４０５の接触圧が小さい（１０ｎＮ以下）場合、平坦部４１１における接触抵抗は、平坦部４１４における接触抵抗の１００倍以上となり、平坦部４１１における接触抵抗は、キャリアを注入する前の状態に近づく。

上述した実験の結果について、図８，図９，図１０Ａ，図１０Ｂ，図１１Ａ，図１１Ｂを用いて説明する。

図８は、プローブ４０５が、平坦部４１１および平坦部４１４に接触している各状態での、プローブ４０５と平坦部４１１および平坦部４１４との間の電流の、印加した電圧に対する依存性を示している。図８において、特性Ａ．は、上述したキャリアの注入前における両者の電圧依存性を示している。また、特性Ｂ．は、キャリアを注入した後の、プローブ４０５と平坦部４１４との間の電圧依存性を示している。また、特性Ｃ．は、キャリアを注入した後の、プローブ４０５と平坦部４１１との間の電圧依存性を示している。

この結果では、プローブ４０５と各々の接触抵抗は、Ａ．では５０ＭΩ、Ｂ．では、５０ｋΩ、Ｃ．では、１ＭΩとなっている。Ｂ．およびＣ．の状態は、オーミック接触である。

図９は、プローブ４０５と、平坦部４１１および平坦部４１４との間の接触抵抗の、接触圧依存性を示す特性図である。接触圧は、プローブ４０５を構成しているカンチレバーの変位により制御している。図９において、は、特性Ａ．は、上述したキャリアの注入前における両者の接触圧依存性を示している。また、特性Ｂ．は、キャリアを注入した後の、プローブ４０５と平坦部４１４との間の接触圧依存性を示している。また、特性Ｃ．は、キャリアを注入した後の、プローブ４０５と平坦部４１１との間の接触圧依存性を示している。

この結果において、特性Ａ．では、接触抵抗は非常に高く、１００ＭΩ以上となる場合もある。なお、実験に用いた測定装置の計測限界が、１００ＭΩである。接触圧を増加させると接触抵抗は低下している。この実験の範囲では、高い接触圧の領域における接触抵抗の低下の割合は、後述する他の状態に比較して大きい。

特性Ｂ．では、接触抵抗は上述したキャリア注入前の状態に比較して低く、概ね１００ｋΩ以下であり、接触圧の増大と共に接触抵抗は減少する。

特性Ｃ．では、接触抵抗の接触圧依存性は複雑な挙動を示している。接触圧が小さい領域では、特性Ａ．の状態に近い大きな接触抵抗を示し、接触圧の大きな領域では、特性Ｂ．の状態に近い状態となる。接触圧の大きい領域における特性Ｃ．の接触抵抗と特性Ｂ．の接触抵抗との比率は、概ね３である。一方、接触圧の小さい領域特性Ｃ．の接触抵抗と特性Ｂ．の接触抵抗との比率は、１００を超える大きさとなる。接触圧の小さい領域における特性Ｃ．の接触抵抗と特性Ｂ．の接触抵抗との比率は、１００００を超える場合もある。

図１０Ａ，図１１Ａは、プローブ４０５を数層グラフェン層４０３の表面に接触させて一定の電圧を印加した状態で走査し、プローブ４０５と共通電極４０４との間に流れる電流を計測した結果を示している。なお、図１０Ａの結果は、図１０Ｂの矢印で示す方向にプローブ４０５を走査した場合であり、図１１Ａの結果は、図１１Ｂの矢印で示す方向にプローブ４０５を走査した場合である。図１０Ｂおよび図１１Ｂにおいて、紙面の右側ほどテラスが高い状態となっている。従って、図１０Ａの結果は、プローブ４０５を、平坦部４１４から平坦部４１１にかけて走査した場合を示し、図１１Ａの結果は、プローブ４０５を、平坦部４１１から平坦部４１４にかけて走査した場合を示している。なお、図１０Ａおよび図１１Ａのいずれにおいても、平坦部４１１の側をプローブ位置「０」としている。

図１０Ａでは、段差領域４１３にプローブ４０５を接触させてキャリアを注入した後で、平坦部４１４の側より平坦部４１１の側へプローブ４０５を走査したときの状態を示している。従って、段差領域４１３より高いテラス（平坦部４１４）の領域を走査している初期の状態では、抵抗が低くプローブ４０５に大きな電流が流れている。これに対し、段差領域４１３より低いテラス（平坦部４１１）の領域を走査している状態では、抵抗が高く、プローブ４０５にはほとんど流れない。また、ステップ端（段差領域４１３）でより大きな電流が流れている。

この後、さらに次のステップ端に達すると、ステップ端の箇所では抵抗が低下して電流が増大し、この後の、ステップ端より下のテラスの領域では、再び、抵抗が高くプローブ４０５にはほとんど流れない状態となる。

このようなステップ端（段差部）における数層グラフェン層４０３の接触抵抗の低下は、段差部４０２（段差領域４１３）では、数層グラフェン層４０３が屈曲していることによるものと考えられる。段差部４０２の凸部により屈曲した状態となる数層グラフェン層４０３の段差領域４１３では、屈曲により電子状態（バンドギャップの状態）が変化し、平坦な状態の数層グラフェン層４０３に比較して抵抗が低くなるものと考えられる。また、段差部４０２の凹部により屈曲した状態となる段差部４０２近傍の平坦部４１１の領域でも、この屈曲により電子状態が変化するものと考えられる。ただし、この領域では、凹部による屈曲のため、電子状態の変化により例えばバンドギャップがより広がる状態となり、注入されたキャリアに対する拡散バリアとして働くものと考えられる。これは、前述したような、領域による接触抵抗の変化から判明することである。上述した段差部４０２による数層グラフェン層４０３の変形にともなう非対称性の結果、段差部４０２の前後の領域で、電気的な特性に非対称性が発現するものと考えられる。

例えば、図１１Ａに示すように、段差部４０２より下側のテラスの側よりプローブ４０５を走査すると、最初のステップ端にプローブ４０５が到達すると、数層グラフェン層４０３の接触抵抗が低下してプローブ４０５の電流が増大し、この状態が、以降のプローブ４０５の走査においても継続される。このように、図１０Ｂおよび図１１Ｂの写真に示す中央のテラスをプローブ４０５が通過したときの、プローブ４０５の電流が、図１０Ａで示した場合と図１１Ａで示した場合とで異なる。このように、上述した非対称性により、同じ領域を走査しているにもかかわらず、接触抵抗が大きく異なる現象が確認される。

上述した実験の結果により得られた事実および知見により本発明はなされたものであり、均一（均質）な数層グラフェン層を、微細な段差の上に形成して屈曲させ、非対称性を導入することで、これらを機能素子として用いることができるようにすることが本質である。また、これらのことは、数層（１〜１０層）の極薄いグラファイト（数層グラフェン層）であれば、得られるものと考えられる（非特許文献１参照）。

次に、本発明の概念について、図１２Ａ，図１２Ｂ，図１２Ｃ，図１２Ｄを用いて説明する。まず、図１２Ａは、数層グラフェン層にキャリアが注入される前の状態を示している。この状態では、数層グラフェン層のテラスである平坦部１２０１および平坦部１２０４に対するプローブ１２０５の接触抵抗は高く、数層グラフェン層とプローブ１２０５との間には、あまり電流が流れない。特に、プローブ１２０５の接触圧が低い場合は、キャリアの注入は行えない。

次に、図１２Ｂでは、数層グラフェン層の段差領域１２０３にプローブ１２０５を接触させた状態を示している。この状態では、プローブ１２０５と数層グラフェン層（段差領域１２０３）との間の接触抵抗は低く、数層グラフェン層の段差領域１２０３に対して容易にキャリア（電子）の注入を行うことができる。このようにして注入されたキャリアは、平坦部１２０４には容易に拡散し、平坦部１２０４には多くの注入キャリア１２０６が存在する状態となる。一方、段差領域１２０３に注入されたキャリアは、バリア領域１２０２の存在により、平坦部１２０１にはあまり拡散せず、平坦部１２０１には、注入キャリア１２０６があまり存在しない状態となる。

上述したように、キャリアを注入した後、図１２Ｃに示すように、プローブ１２０５を平坦部１２０４に移動させ、プローブ１２０５を平坦部１２０４に接触させると、平坦部１２０４には多くの注入キャリア１２０６が存在しており、接触抵抗が低く多くの電流を流すことが可能である。

一方、図１２Ｄに示すように、プローブ１２０５を平坦部１２０１に移動させ、プローブ１２０５を平坦部１２０１に接触させても、注入キャリア１２０６が少ないため、平坦部１２０４の場合に比較して低い電流しか流すことができない。

上述したようなプローブ１２０５の移動接触制御において、プローブ１２０５の数層グラフェン層に対する接触圧を適切に制御すれば、平坦部１２０１と平坦部１２０４との間の抵抗の比率を制御することが可能である。

上述した本発明は、極めて薄い数層グラフェン層の構造に起因する特殊な電気的特性を活用し、これを電子素子に応用することを目的になされている。本発明は、段差部を含めた基板の上にグラフェン層を形成し、このグラフェン層の段差部における変形領域に電子を注入する電子注入手段と、段差部の凸部の側の平坦部および段差部の凹部の側の平坦部の少なくとも一方のグラフェン層における電流を検出する電流検出手段とを備えるようにしたところに特徴がある。従って、基板は、ＳｉＣ結晶基板に限らず、表面にステップが形成されている他の結晶基板を用いてよい。例えば、表面に原子層オーダーのステップが形成されているサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃結晶）基板や、Ｓｉ基板表面に熱酸化膜を形成し、この熱酸化膜に微細加工技術を用いて微小な段差を形成した基板を用い、この表面にグラフェン層を貼り付けるようにしてもよい。

本発明における抵抗可変電子素子は、特定の部位（グラフェン層の段差部）からのキャリアの注入により導電性を制御する点は、既存のバイポーラトランジスタに似ているが、段差部を介した隣り合う平坦な領域（テラス）で、キャリア注入に対する振る舞いが異なる点は、グラフェン層に特有の現象である。また、電界効果特性が、他の半導体に比較してあまり優れていないグラフェンにおいては、接触抵抗を制御することにより大きなオン／オフ比が得られることは、本発明による抵抗可変電子素子の大きな特徴であり、また、利点である。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。上述では、プローブの走査（動作）により素子における電流のスイッチを行っているが、本発明における電流スイッチ現象の本質は、数層グラフェン層の段差領域からのキャリアの注入である。ここで、この段差領域に電極を設けることで、上述した各現象を電気的に行わせることができる。

例えば、図１３に示すように、グラフェン層１０３の段差部１０２上に形成される注入領域１３３に接続する制御電極（電子注入手段）１３０１を形成し、また、平坦部１３４に、各々離間して接続する２つの電極１３０２および電極１３０３を形成すれば、上述した現象を電気的に行わせることが可能となる。この場合、電極１３０２および電極１３０３により、電流検出手段が構成されることになる。なお、図１３において、他の構成は、図１と同様である。

この素子では、オフ状態からオン状態への遷移は、まず、制御電極１３０１と電極１３０２または電極１３０３との間に電圧を印加し、制御電極１３０１より注入領域１３３にキャリアを注入することで行う。このようにキャリアが注入された状態で、電極１３０２および電極１３０３に対して制御電極１３０１に印加する電圧が高い状態とすることで、電極１３０２と電極１３０３との間の抵抗は、図９に示した特性Ｂ．に対応する状態（オン状態）となる。

次に、上述したようにキャリアが注入された状態で、電極１３０２および電極１３０３に対して制御電極１３０１に印加する電圧を等しい状態とすると、電極１３０２と電極１３０３との間の抵抗は、図９に示した特性Ｂ．に対応する状態より高い状態（オフ状態）となる。これらのように、キャリアを注入した状態で、電極１３０２および電極１３０３に対する制御電極１３０１の電圧を制御することで、電極１３０２および電極１３０３との間の電流の状態（オン状態／オフ状態）を切り替えることができる。また、制御電極１３０１に対する電圧印加を停止して制御電極１３０１が開放状態となるようにすることで、リセットされ、平坦部１３４における抵抗状態は、図９に示した特性Ａ．に対応する状態に戻る。

また、図１４に示すように、グラフェン層１０３の段差部１０２上に形成される注入領域１３３に接続する制御電極（電子注入手段）１４０１を形成し、また、平坦部１３４に、各々離間して接続する２つの電極１４０２および電極１４０３を形成し、加えて、平坦部１３１に、各々離間して接続する２つの電極１４０４および電極１４０５を形成してもよい。この場合、電極１４０２および電極１４０３、また、電極１４０４および電極１４０５が、電流検出手段を構成するものとなる。なお、図１４において、他の構成は、図１と同様である。

このように構成した抵抗可変電子素子によれば、オン状態における電極１４０２および電極１４０３の間の電流値と、電極１４０４および電極１４０５の間の電流値との２値化が可能である。なお、電極１４０２および電極１４０３の間における振る舞いは、上述同様である。また、電極１４０４および電極１４０５の間の電流は、オン動作により、図９に示した特性Ａ．に対応する状態から、図９に示した特性Ｃ．に対応する状態に変位する。この後、上述したリセットの動作がなされるまで、電極１４０４および電極１４０５の間における状態は保持される特徴がある。

上述した本発明では、数層グラフェンの段差部における得意な電気的特性を活用し、関連するグラフェンを用いた技術では不可能であった、グラフェンを用いた素子で大きなオン／オフ比を得ることが可能となる。また、本発明における抵抗可変電子素子は、新たな原理に基づくものであり、従来技術の延長線上の各種の論理素子・記憶素子を超えた、新たな機能素子への展開も可能である。

本発明の実施の形態１における抵抗可変電子素子の構成を模式的に示す斜視図である。プローブ１０５と共通電極１０４との間の状態を説明する特性図である。プローブ１０５と共通電極１０４との間の状態の遷移を繰り返すことで得られる、連続的な方形波の状態を示す特性図である。実施の形態１における抵抗可変電子素子の等価回路を示す回路図である。数層グラフェンと金属電極との電気的な接触状態に関する実験に用いた素子および装置の構成を示す斜視図である。数層グラフェンと金属電極との電気的な接触状態に関する実験に用いた素子および装置の構成を示す断面図である。段差領域を備える数層グラフェン層の表面状態を示すＡＦＭ像である。段差領域を備える数層グラフェン層の断面の状態を示すＴＥＭ像である。プローブ４０５が、平坦部４１１および平坦部４１４に接触している各状態での、プローブ４０５と平坦部４１１および平坦部４１４との間の電流の、印加した電圧に対する依存性を示す特性図である。プローブ４０５と、平坦部４１１および平坦部４１４との間の接触抵抗の、接触圧依存性を示す特性図である。プローブ４０５を数層グラフェン層４０３の表面に接触させて一定の電圧を印加した状態で走査し、プローブ４０５と共通電極４０４との間に流れる電流を計測した結果を示す特性図である。段差領域を備える数層グラフェン層の表面状態を示すＡＦＭ像である。プローブ４０５を数層グラフェン層４０３の表面に接触させて一定の電圧を印加した状態で走査し、プローブ４０５と共通電極４０４との間に流れる電流を計測した結果を示す特性図である。段差領域を備える数層グラフェン層の表面状態を示すＡＦＭ像である。本発明の概念について説明するための説明図である。本発明の概念について説明するための説明図である。本発明の概念について説明するための説明図である。本発明の概念について説明するための説明図である。本発明の実施の形態２における抵抗可変電子素子の構成を模式的に示す斜視図である。本発明の実施の形態２における他の抵抗可変電子素子の構成を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２…段差部、１０３…グラフェン層、１０４…共通電極、１０５…プローブ、１３１…平坦部、１３２…バリア領域、１３３…注入領域、１３４…平坦部。

Claims

段差部を備えた基板と、
前記段差部を含めた前記基板の上に形成されたグラフェン層と、
前記グラフェン層の前記段差部における領域に電子を注入する電子注入手段と、
前記段差部の凸部の側の平坦部および前記段差部の凹部の側の平坦部の少なくとも一方の前記グラフェン層における電流を検出する電流検出手段
を備えることを特徴とする抵抗可変電子素子。
請求項１記載の抵抗可変電子素子において、
前記グラフェン層に接触した状態で、前記前記段差部の凸部の側の平坦部および前記段差部の凹部の側の平坦部の間を移動可能とされたプローブと、
前記グラフェン層に接続した電極と
を備え、
前記電子注入手段は、前記グラフェン層の前記段差部に接触した前記プローブと前記電極との間に電圧を印加することで、前記グラフェン層の前記段差部における領域に電子を注入し、
前記電流検出手段は、前記段差部の凸部の側の平坦部および前記段差部の凹部の側の平坦部の少なくとも一方の前記グラフェン層に接触する前記プローブと、前記電極との間の電流を検出する
ことを特徴とする抵抗可変電子素子。
請求項１記載の抵抗可変電子素子において、
前記グラフェン層の前記段差部に接続する第１電極と、
前記段差部の凸部の側の平坦部および前記段差部の凹部の側の平坦部の少なくとも一方の前記グラフェン層に、互いに離間して接続する第２電極および第３電極と
を少なくとも備え、
前記電子注入手段は、前記第１電極に電圧を印加することで、前記グラフェン層の前記段差部における領域に電子を注入し、
前記電流検出手段は、前記第２電極と前記第３電極との間の電流を検出する
ことを特徴とする抵抗可変電子素子。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の抵抗可変電子素子において、
前記グラフェン層は、１〜１０層のグラフェンから構成されたものである
ことを特徴とする抵抗可変電子素子。