JP2010109037A - グラファイト薄膜の切断方法、グラファイト薄膜を備える積層基板、およびこれを用いる電界効果トランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な加工技術を用いることなく、グラファイト薄膜をナノスケール幅に切断することができるグラファイト薄膜の切断方法を提供すること。
【解決手段】複数の段差部１ａを有する基板１の表面に、グラファイト薄膜２を設ける工程と、グラファイト薄膜２が設けられた基板１を、酸素含有雰囲気下で加熱して、グラファイト薄膜２を段差部１ａの位置で切断する工程とを含む、グラファイト薄膜の切断方法。
【選択図】図１

Description

本願発明は、グラファイト薄膜の切断方法、グラファイト薄膜を備える積層基板、およびこれを用いる電界効果トランジスタに関する。

グラファイトは半導体の性質を有するため、将来のナノエレクトロニクス材料として注目されている。また、グラフェンと呼ばれる単層グラファイトや、グラフェン数層からなるグラファイト薄膜は、単位面積あたりの電子数が少ないため、ゲート電極によりその電気伝導度を制御することが可能である。また、グラフェンを短冊状に加工し、その幅を１０ナノメートル以下にすることにより、電子状態が量子サイズ効果により改変され、半導体的性質を示すことも明らかとなっている。この様な研究が可能となったのは、粘着テープなどを用いてグラファイト薄膜を基板上に機械的に転写する方法が確立されたためである。これにより、グラフェンまたはグラフェン数層からなるグラファイト薄膜における電子輸送現象の研究が大幅に進み、これらの材料の応用についての研究が急速に進展している。

現在、上述のようなグラファイト薄膜として、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されたものがある。特許文献１に記載のグラファイト薄膜は、リボン状のグラフェンシートが２〜７０層積層した構造を有するグラファイトリボンである。このグラファイトリボンは、環状炭素ハロゲン化物および／またはその還元物に対して、光、Ｘ線、電子線、プラズマまたはイオンビームを照射することにより、または上記炭素材料を加熱することにより、あるいはこれらの組み合わせにより作製される。

特許文献２には、表面第１原子層に、円形または多角形の穴を有するグラファイトが記載されている。同文献のグラファイトは、グラファイト表面に電子ビームもしくは収束イオンビームまたは収束電子ビームを照射することにより、あるいは走査型トンネル顕微鏡または原子間力顕微鏡により、グラファイト表面に微小な穴を形成した後、このグラファイトを加熱して穴を成長させることにより作製される。

また、現在提案されているグラファイトを備える半導体素子としては、特許文献３に記載されたものがある。同文献に記載の半導体素子は、ソース領域、チャネル形成領域およびドレイン領域と、絶縁膜を介してこのチャネル領域と重畳するゲート電極とを有する。このチャネル領域は、グラファイトナノファイバ、チューブ状グラファイト、コーン状グラファイト等の極細炭素繊維で形成されている。
特開２００２−３５６３１７号公報 特開平１０−１３９４１１号公報 特開２００５−１５９３３２号公報

グラフェンまたはグラファイト薄膜を、ナノスケールの幅で短冊状に加工することにより、これらの電子状態にバンドギャップを形成し、電界効果トランジスタのチャネル材料として使用することができる。しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載のグラファイト薄膜の微細加工技術のように、電子ビーム等の照射によるグラファイト薄膜の加工方法は、１０ナノメートル幅程度の加工が限界であり、さらに幅を狭くするためには、サイドエッチング技術などを併用する必要であった。しかし、電子ビーム照射とサイドエッチング技術などを組み合わせて使用した場合、加工精度が低下することがある。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、複雑な加工技術を用いることなく、グラファイト薄膜をナノスケール幅に切断することができるグラファイト薄膜の切断方法、この切断方法を用いて得られる積層基板、およびこの積層基板を用いる電界効果トランジスタを提供するものである。

上記課題を解決する本発明によれば、複数の段差部を有する基板の表面に、グラファイト薄膜を設ける工程と、前記グラファイト薄膜が設けられた基板を、酸素含有雰囲気下で加熱して、前記グラファイト薄膜を前記段差部の位置で切断する工程とを含む、グラファイト薄膜の切断方法が提供される。

この切断方法においては、複数の段差部を有する基板が用いられる。この基板の表面を被覆するように設けられたグラファイト薄膜は、酸素含有雰囲気下での加熱により、段差部の位置で切断される。したがって、例えば、紫外線露光技術、電子ビーム照射などのトップダウン式微細加工技術を用いることなく、グラファイト薄膜をナノスケール幅に切断することができる。

また、本発明によるグラファイト薄膜の切断方法において、上記段差部の高さは、０．３ナノメートル以上、２ナノメートル以下であり得る。段差部の高さが上記範囲内である場合、グラファイト薄膜の切断が最も効率よく生じる。

また、本発明によるグラファイト薄膜の切断方法において、上記複数の段差部は、互いに平行なストライプ状に設けられる。これにより、切断工程の後、短冊状のグラファイト薄膜が得られる。

また、本発明によるグラファイト薄膜の切断方法において、上記複数の段差部の間隔は、１ナノメートル以上、１０ナノメートル以下であり得る。

また、本発明によるグラファイト薄膜の切断方法において、上記グラファイト薄膜は、１層以上、１０層以下の層数であり得る。グラファイト薄膜の層数が上記範囲内である場合、グラファイト薄膜の切断が効率よく生じる。

また、本発明によるグラファイト薄膜の切断方法において、加熱する上記工程は、３００℃以上６００℃以下の温度で行われ得る。加熱温度が上記範囲である場合、グラファイト薄膜の切断が効率よく生じる。

また、本発明によれば、複数の段差部を有する基板と、前記基板の表面に設けられるとともに、前記段差部の位置で切断されたグラファイト薄膜とを含む、積層基板が提供される。

また、本発明によれば、チャネルと、前記チャネルの表面に設けられたソース電極、ドレイン電極およびゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の表面に設けられたゲート電極とを含み、前記チャネルが、上記積層基板を含む、電界効果トランジスタが提供される。

本発明による積層基板は、上記のグラファイト薄膜の切断方法を使用して作製される。これにより、トップダウン式微細加工技術を用いることなく、ナノスケール幅のグラファイト薄膜を備える積層基板を得ることができる。また、このような積層基板をチャネルとして用いる電界効果トランジスタは、良好なスイッチング特性を有する。

本発明によれば、グラファイト薄膜をナノスケール幅に切断することが可能なグラファイト薄膜の切断方法が実現される。また、本発明によれば、良好なスイッチング特性を有する電界効果トランジスタのチャネルとして使用できる積層基板が実現される。

図面を参照しつつ、本発明の積層基板およびその製造方法について以下に詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態による積層基板の断面図である。図１は、階段構造の基板を用いた場合の積層基板を示す。積層基板１０は、基板１と、基板１の表面に設けられたグラファイト薄膜２とを備える。基板１は、複数の段差部１ａを有する。グラファイト薄膜２は、基板１の表面に設けられるとともに、段差部１ａの位置で切断されている。

複数の段差部１ａを有する階段構造の基板１は、例えば、結晶成長技術を用いて原子ステップを形成することにより、作製することができる。一例としては、基板としてサファイア基板を用いる場合、サファイア基板のＲ面を、このＲ面に対して約１度傾斜するように研磨して、真空中（例えば、１０^−６ｔｏｒｒ）、１２００℃の温度で熱処理を行い、規則的な原子ステップを形成することにより作製することができる。Ｒ面の研磨は、例えば、当該分野で公知のダイアモンド研磨機を使用することができる。基板１としては、サファイア基板に加えて、炭化ケイ素基板、石英基板等を用いることができるが、これらに限定されない。

段差部１ａが溝形状である基板１の作製は、通常用いられるトップダウン式の微細加工技術（例えば、電子ビーム照射とドライエッチングの組み合わせ）により実施することができる。たとえば、第１に、露光用レジストを用いて電子ビーム照射を行いパターニングし、次いで、ドライエッチングにより基板に溝部を形成する方法が用いられる。しかし、グラファイト薄膜２を切断する工程において、切断は、基板１上に形成された段差部１ａのみならず、例えば１０ナノメートル程度のパーティクルが基板１に付着していれば、そこを中心とした穴がグラファイト薄膜に生じる。そのため、基板の清浄性に関しては細心の注意が必要である。

段差部１ａを有する基板１の表面に設けられたグラファイト薄膜２は、酸素含有雰囲気下での加熱により、段差部１ａの位置で切断される。グラファイト薄膜２の切断に関して、段差部１ａの高さが０．３ナノメートル以上、２ナノメートル以下の範囲内である場合、効率よく切断することができる。段差部１ａの高さが上記範囲外である場合、切断不良が発生する確率が高くなる。

基板１の表面に設けられる複数の段差部１ａは、好ましくは、互いに平行なストライプ状に設けられ、さらに好ましくは、等間隔のストライプ状に設けられる。段差部１ａは、好ましくは、１ナノメートル以上、１０ナノメートル以下の間隔で設けられる。段差部１ａの間隔は、例えば、基板１を研磨する場合、階段構造の傾斜角度を調整することにより、または溝部の間隔を調整することにより、制御することができる。上記のように基板としてサファイア基板のＲ面を研磨する場合、結晶方位からの角度を上げることにより、段差部の間隔を狭くすることができる。

基板１の表面に設けられたグラファイト薄膜２は、段差部１ａの位置で切断されるため、段差部１ａの間隔と、切断後のグラファイト薄膜２の幅はほぼ等しい。したがって、段差部１ａの間隔を狭くするほど、グラファイト薄膜２をより微細に切断することが可能となる。グラファイト薄膜２を電界効果トランジスタのチャネル材料として用いる場合、グラファイト薄膜２の幅が１ナノメートル〜１０ナノメートルの範囲であれば、良好なスイッチング特性を得ることができる。

本発明で用いられるグラファイト薄膜２は、好ましくは、１層以上、１０層以下の層数である。最も好ましくは、１層（単層）のグラファイト薄膜、すなわちグラフェンであり、グラフェンを用いた場合、最も効率よく切断することができる。なお、１０層を超えるグラファイト材料を用いた場合には、切断不良が発生する場合がある。

以下、図２を参照して、本発明の積層基板を作製する場合に用いられる、グラファイト薄膜の切断方法について説明する。図２は、本発明の一実施形態によるグラファイト薄膜の切断方法を説明する模式図である。本発明のグラファイト薄膜の切断方法は、複数の段差部１ａを有する基板１の表面に、グラファイト薄膜２を設ける工程と、グラファイト薄膜２が設けられた基板１を、酸素含有雰囲気下で加熱して、グラファイト薄膜２を段差部１ａの位置で切断する工程とを含む。

図２を参照して、複数の互いに平行で等間隔に設けられたストライプ状の段差部１ａを有する基板１を用いた場合のグラファイト薄膜の切断方法を説明する。基板１の表面にグラファイト薄膜２を設ける工程は、例えば、グラファイト薄膜（例えば、ＨＯＰＧグラファイト材料）をスコッチテープ等の粘着テープに貼り付け、この粘着テープのグラファイト薄膜側を基板１に押しつけて、グラファイト薄膜２と基板１との分子間力により、グラファイト薄膜２を基板１に転写することにより実施できる。

グラファイト薄膜２が設けられた基板１を酸素含有雰囲気下で加熱することにより、段差部１ａ上にあるグラファイトの酸化が優先的に生じ、結果として、段差部１ａの位置でグラファイト薄膜２が切断される。グラファイト薄膜２が設けられた基板１（図２（ａ））が、酸素含有雰囲気下で加熱されると、その周辺部の段差部１ａの位置で優先的にグラファイトの酸化が進行する。希に、中心部から酸化が進行することがある。部分的に酸化された状態を、図２（ｂ）に示す。加熱工程が終了すると、段差部１ａの位置にあるグラファイト薄膜２の全てが切断される（図２（ｃ））。

加熱工程の温度は、好ましくは３００℃以上、６００℃以下であるが、この温度は、基板の材料の種類、使用する基板の結晶面の状態、酸素分圧に依存して調整される。例えば、基板としてサファイア基板のＲ面を用い、酸素分圧１パスカルの条件で加熱を行う場合、５３０℃の温度において、グラファイト薄膜の切断が最も効率的に生じる。

本実施形態において、段差部１ａの形状は複数の互いに平行で等間隔に設けられたストライプ状であるが、その他種々の形状の段差部を有する基板を用いることができる。

図３は、本発明の積層基板をチャネルとして用いる電界効果トランジスタの上面図である。電界効果トランジスタ１００は、チャネルと、このチャネルの表面に設けられたソース電極３、ドレイン電極４およびゲート絶縁膜５と、ゲート絶縁膜５の表面に設けられたゲート電極６とを備え、チャネルは、上記積層基板１０である。本実施形態において、ソース電極３およびドレイン電極４は、金、銀、またはパラジウムを含み得る。ゲート絶縁膜５は、酸化シリコン、窒化シリコン、ポリメチルメタクリレート、またはポリイミドを含み得る。ゲート電極６は、金、銀、パラジウム、またはアルミニウムを含み得る。電界効果トランジスタ１００は、当該分野で公知の任意の方法を用いて製造することができる。上記の積層基板１０をチャネルとして用いる本発明の電界効果トランジスタ１００は、良好なスイッチング特性を備える。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することができる。

本発明の一実施形態による積層基板の断面図である。 本発明の一実施形態によるグラファイト薄膜の切断方法を説明する模式図である。 本発明の一実施形態による電界効果トランジスタの上面図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ 段差部
２ グラファイト薄膜
３ ソース電極
４ ドレイン電極
５ ゲート絶縁膜
６ ゲート電極
１０ 積層基板
１００ 電界効果トランジスタ

Claims (16)

1. 複数の段差部を有する基板の表面に、グラファイト薄膜を設ける工程と、
   前記グラファイト薄膜が設けられた基板を、酸素含有雰囲気下で加熱して、前記グラファイト薄膜を前記段差部の位置で切断する工程とを含む、グラファイト薄膜の切断方法。
2. 前記段差部の高さが、０．３ナノメートル以上、２ナノメートル以下である、請求項１に記載の切断方法。
3. 前記複数の段差部が、互いに平行なストライプ状に設けられる、請求項１または２に記載の切断方法。
4. 前記複数の段差部の間隔が、１ナノメートル以上、１０ナノメートル以下である、請求項３に記載の切断方法。
5. 前記グラファイト薄膜が、１層以上、１０層以下の層数である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の切断方法。
6. 前記段差部を有する基板が階段構造である、請求項１〜５のいずれかに記載のグラファイト薄膜の切断方法。
7. 前記段差部が溝形状である、請求項１〜５のいずれかに記載のグラファイト薄膜の切断方法。
8. 加熱する前記工程が、３００℃以上、６００℃以下の温度で行われる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の切断方法。
9. 複数の段差部を有する基板と、
   前記基板の表面に設けられるとともに、前記段差部の位置で切断されたグラファイト薄膜とを含む、積層基板。
10. 前記段差部の高さが、０．３ナノメートル以上、２ナノメートル以下である、請求項９に記載の積層基板。
11. 前記複数の段差部が、互いに平行なストライプ状である、請求項９または１０に記載の積層基板。
12. 前記複数の段差部の間隔が、１ナノメートル以上、１０ナノメートル以下である、請求項１１に記載の積層基板。
13. 前記グラファイト薄膜が、１層以上、１０層以下の層数である、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の積層基板。
14. 前記溝部を有する基板が階段構造である、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の積層基板。
15. 前記段差部が溝形状である、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の積層基板。
16. チャネルと、
    前記チャネルの表面に設けられたソース電極、ドレイン電極およびゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜の表面に設けられたゲート電極とを含み、
    前記チャネルが、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の積層基板を含む、電界効果トランジスタ。

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