JP2012001431A - ホウ素及び窒素で置換されたグラフェン及びその製造方法、並びにそれを具備したトランジスタ - Google Patents
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Abstract
【課題】ホウ素及び窒素で置換されたグラフェン及びその製造方法、並びにそれを具備したトランジスタを提供する。
【解決手段】ホウ素及び窒素が炭素原子の１−２０％置換されるグラフェンである。該ボロン及び窒素で置換されたグラフェンは、ほぼ０．０５−０．４５ｅＶのバンドギャップを有するので、電界効果トランジスタのチャネルとして使われうる。
【選択図】図１
【解決手段】ホウ素及び窒素が炭素原子の１−２０％置換されるグラフェンである。該ボロン及び窒素で置換されたグラフェンは、ほぼ０．０５−０．４５ｅＶのバンドギャップを有するので、電界効果トランジスタのチャネルとして使われうる。
【選択図】図１
Description
本発明は、ホウ素及び窒素で置換されたグラフェン及びその製造方法と、該グラフェンを具備したトランジスタとに関する。
グラフェン（graphene）は、炭素原子からなる六方晶系（hexagonal）単層構造物である。グラフェンは、化学的に非常に安定しており、伝導帯（conduction band）と価電子帯（valance band）とがただ一点（すなわち、Dirac point）で重なる半金属（semi-metal）の特性を有する。また、グラフェンは、二次元弾道輸送（２−dimensional ballistic transport）特性を有するので、グラフェン内で電荷の移動度（mobility）が非常に高い。
グラフェンは、ゼロギャップ半導体（zero gap semiconductor）であるから、グラフェンをチャネルとして使用した電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、オフ電流（off-current）が非常に大きく、オン−オフ比（ON-OFF ratio）が非常に小さく、電界効果トランジスタとして使用し難い。
グラフェンを電界効果トランジスタのチャネルとして利用するためには、バンドギャップ（band gap）を形成せねばならない。チャネル幅（channel width）を１０ｎｍ以下に小さくし、アームチェア（arm chair）状にエッジを形成する場合、サイズ効果（size effect）によって、バンドギャップが形成される。
しかし、チャネル幅を１０ｎｍ以下にパターニングすることは非常に困難であり、特に、アームチェア状にエッジをパターニングすることが困難である。
本発明の実施形態は、グラフェンにホウ素及び窒素を置換させ、バンドギャップを有したグラフェンと、これを利用したトランジスタとを提供する。
一実施形態によるグラフェンは、炭素原子がホウ素及び窒素で置換されてバンドギャップが形成される。
前記ホウ素及び前記窒素は、グラフェンの炭素原子の１−２０％を置換することができる。
前記ホウ素及び前記窒素の密度差は、１０１３ｃｍ−２以下である。
前記ホウ素と前記窒素は、実質的に同じ割合で、前記グラフェンの炭素を置換する。
前記グラフェンの炭素を、ホウ素及び窒素からなる二分子体、または３個のホウ素と３個の窒素とからなる六方晶系構造で置換する。
他の実施形態によるグラフェンをチャネルとして利用したグラフェン・トランジスタは、前記グラフェンがホウ素及び窒素で置換されたグラフェンである。
本発明のさらに他の実施形態によるグラフェンの製造方法は、グラフェンをＣＶＤ（chemical vapor deposition）法で形成するとき、ホウ素及び窒素の前駆体としてボラジンまたはアンモニアボランを使用する。
本発明の実施形態によるグラフェンは、電界効果トランジスタのチャネルとして作用することができるバンドギャップを有する。
グラフェンの製造時、ボラジンまたはアンモニアボランを前駆体として使用し、グラフェン内に同じ割合でボラン及び窒素を置換することができる。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態によるホウ素及び窒素で置換されたグラフェン及びその製造方法と、グラフェンを具備したトランジスタとについて詳細に説明する。この過程で、図面に図示された層や領域の厚みは、明細書の明確性のために誇張して図示されている。明細書を介して実質的に同じ構成要素には、同じ参照番号を使用して詳細な説明は省略する。
グラフェンのバンドギャップがゼロであるということは、グラフェンのフェルミ（Fermi）レベルに、同じエネルギー電位を有する２個の電子状態（electronic state）が存在するためである。これは、グラフェンの単位セル（unit cell）内の２個の原子が、副格子対称性（sublattice symmetry）を形成するためである。一方、副格子対称性が崩れた六方晶系の窒化ホウ素（hexagonal boron nitride）は、バンドギャップが５．５ｅＶ程度と高い。
グラフェンにバンドギャップを形成させるためには、グラフェンの副格子対称性を崩さねばならない。このために、グラフェンの炭素を不純物で非対称的に置換する。例えば、炭素をホウ素（Ｂ）で置換すれば、グラフェンにバンドギャップを形成させることができる。グラフェンのバンドギャップを大きくするためには、ホウ素の密度をかなり高くせねばならない。ホウ素原子の代わりに、窒素原子やその他の原子を使用することもできる。
ホウ素または窒素でグラフェンの炭素を置換するとき、グラフェンに余分の電子または正孔が生成されるので、バンドギャップが形成されたグラフェンを、電界効果トランジスタのチャネルとして使用するとき、キャリア空乏（carrier depletion）を形成するためには、過度のゲート電圧が必要になる。
図１は、本発明の一実施形態によるバンドギャップが形成されたグラフェンの模型図である。
図１を参照すれば、ホウ素及び窒素からなる二分子体（dimer）が、２つの単位セルにわたって形成されている。
図１の配列は、３ｘ３単位セルからなるスーパーセル（super cell）に、１対のホウ素−窒素二分子体が置換されている。１つのスーパーセルには、９個の単位セルがあり、各単位セルには、２個の炭素原子位置があるので、不純物は、２／１８原子あることになる。すなわち、ほぼ１１原子％の不純物が置換される。
図２は、ホウ素及び窒素で置換したグラフェンのバンドギャップを、密度汎関数理論（density functional theory）で計算した結果を示すグラフである。図２でｎは、スーパーセルに含まれる単位セル数の平方根に該当する。例えば、図１の配列は、ｎが３である。
図２を参照すれば、スーパーセル内では、２つの炭素が１対のホウ素と窒素とにより置換されるが、スーパーセルの大きさｎが大きくなるにつれて、グラフェンのバンドギャップは小さくなる。ｎが２になれば、スーパーセル内の不純物が２５原子％になるので、グラフェンの固有特性が悪くなりうる。ｎが１０以上に大きくなれば、不純物が１原子％以下に下がっていき、バンドギャップが０．０５ｅＶほどに低くなるので、電界効果トランジスタのチャネルとして使用するとき、オン−オフ比が小さい。従って、スーパーセルは、ほぼｎが３〜１０になり、グラフェンのバンドギャップは、ほぼ０．０５−０．３ｅＶになりうる。
グラフェンに、ホウ素と窒素とを類似した密度で置換ドーピングすることにより、グラフェンをチャネルとして使用する電界効果トランジスタのゲート制御性を確保することができる。一般的なゲート電圧を使用したゲート制御のために、ホウ素と窒素との二分子体で置換されたグラフェンのホウ素と窒素とのドーピング密度の差が、１０１３ｃｍ−２以下でなければならない。ホウ素と窒素とのドーピング密度の差が１０１３ｃｍ−２より大きければ、ゲート電圧が上昇する。
また、グラフェンをチャネルとして使用する電界効果トランジスタでのグラフェンは、有意のバンドギャップを有するために、ホウ素と窒素とのドーピング密度が、１原子％（１０１３ｃｍ−２）以上でなければならず、グラフェンの性質を維持するために、ホウ素と窒素とのドーピング密度が２０原子％以下でなければならない。
ホウ素及び窒素で置換されたグラフェンを製造するために、グラフェンを化学気相蒸着（ＣＶＤ）法で形成するとき、カーボン前駆体である炭素含有ガス、例えば、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４などと共に、ホウ素ソースであるＢＣｌ３、窒素ソースであるＮ２、ＮＨ３などをＣＶＤチャンバに供給する。
従って、ホウ素前駆体と窒素前駆体との濃度を調節すれば、生成されるグラフェンのバンドギャップを調節することができる。
他のＩＩＩ−Ｖ族原子対よりもホウ素と窒素との対の方が、グラフェンの炭素構造と類似した結合長（bond length）、結合強度（bond strength）を有するために、ホウ素−窒素が置換された後にも、グラフェンの強いｓｐ２ σ結合（sigma bonding）とｐｚ π結合（pi bonding）が維持されうる。
図３は、本発明の他の実施形態によるバンドギャップが形成されたグラフェンの模型図である。
図３を参照すれば、六方晶系窒化ホウ素が六方晶系炭素構造を置換している。スーパーセルは、４ｘ４単位セルからなり、１つのスーパーセルには、３原子ホウ素と３原子窒素とが配される。１つのスーパーセルには、１６個の単位セルがあり、各単位セルには、２個の原子位置があるので、不純物は、６／３２原子あることになる。すなわち、ほぼ１９原子％の不純物が置換される。
図４は、六方晶系窒化ホウ素でグラフェンの炭素を置換したとき、密度汎関数理論で計算したグラフェンのバンドギャップを示すグラフである。図４でｎは、スーパーセルに含まれる単位セル数の平方根に該当する。例えば、図３の配列は、ｎが４である。
図４を参照すれば、スーパーセル内には、ホウ素と窒素とがそれぞれ３つ炭素と置換されるが、スーパーセルの大きさｎが大きくなるにつれ、グラフェンのバンドギャップは小さくなる。当該図面を参照すれば、グラフェンのバンドギャップ曲線が二つ（Ｇ１，Ｇ２）表示されている。Ｇ２は、スーパーセルのｎが３の倍数である場合を示し、ｎが３の倍数ではない場合（Ｇ１）より、バンドギャップがさらに大きく形成されることが分かる。
ｎが３になれば、スーパーセル内の不純物が３３原子％になるので、グラフェンの特性が低下しうる。ｎが１８以上に大きくなれば、不純物が１原子％以下に下がってバンドギャップが低くなるので、電界効果トランジスタのチャネルとして使用するには、オン−オフ比が小さい。従って、スーパーセルは、ほぼｎが４〜１７になり、グラフェンのバンドギャップは、ほぼ０．０５−０．４５ｅＶになりうる。
窒化ホウ素で置換されたグラフェンを製造するために、グラフェンを化学気相蒸着（ＳＶＤ）法で形成するとき、カーボン前駆体である炭素含有ガス、例えば、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４などと共に、ホウ素ソースであるＢＣｌ３、窒素ソースであるＮ２、ＮＨ３などをＣＶＤチャンバに供給する。
一方、ホウ素及び窒素の前駆体として（ＨＢ）３−（ＮＨ）３六方晶系構造を有したボラジン（borazine）を使用することができる。ボラジンを使用するとき、ホウ素：窒素を１：１で供給するのが容易である。高温でＣＶＤ法でグラフェンを成長させるとき、ボラジンの構造が崩れても、化学量論（stoichiometry）は維持される。ホウ素原子と窒素原子は、炭素原子との結合に比べて、それぞれ窒素原子とホウ素原子との結合が容易になされる。グラフェンの炭素構造を六方晶系構造のボラジンで置換するとき、六方晶系ボラジン構造が維持され、エネルギー側面で、非常に安定した結合を有することができる。
ホウ素−窒素前駆体であるボラジンの量を制御すれば、生成されるグラフェンのバンドギャップを容易に調節することができる。
ボラジンの代わりにホウ素：窒素が１：１である前駆体であるアンモニアボラン（ammonia borane）を使用することもできる。アンモニアボランの化学式は、ＢＨ３−ＮＨ３である。
図５は、他の実施形態によるグラフェンを利用した電界効果トランジスタ１００の構造を示す断面図である。
図５を参照すれば、基板１０１上に、グラフェン・チャネル１１０と、ソース電極１２１及びドレイン電極１２２とが形成されている。基板１０１は、シリコン基板であり、基板１０１と、チャネル１１０、ソース電極１２１及びドレイン電極１２２との間には、絶縁膜１０２が形成される。絶縁膜１０２は、酸化シリコンから形成されうる。ソース電極１２１及びドレイン電極１２２は、一般金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）などから形成されうる。
グラフェン・チャネル１１０は、ホウ素及び窒素で置換されたグラフェンからなりうる。ホウ素及び窒素は、グラフェンの炭素原子の１−２０％を置換することができる。ホウ素及び窒素の置換密度は、ホウ素と窒素との密度差が１０１３ｃｍ−２以下になりうる。ホウ素及び窒素の密度差が１０１３ｃｍ−２より大きい場合、ゲート制御のためのスレショルド電圧が上昇する。
チャネル１１０上には、ゲートオキサイド１３０及びゲート電極１３２が順次に積層されている。ゲート電極１３２は、アルミニウム（Ａｌ）またはポリシリコンから形成されうる。ゲートオキサイド１３０は、酸化シリコンから形成されうる。
図５は、ホウ素及び窒素で置換されたグラフェンをチャネルとして使用する電界効果トランジスタが、トップゲートを具備するが、本発明の実施形態が、これに限定されるものではない。例えば、ホウ素及び窒素で置換されたグラフェンをチャネルとして使用するボトムゲート構造を具備したグラフェン電界効果トランジスタであってもよく、それについての詳細な説明は省略する。
本発明の実施形態によるグラフェンは、電界効果トランジスタのチャネルとして作用することができるバンドギャップを有する。
グラフェンの製造時、ボラジンまたはアンモニアボランを前駆体として使用し、グラフェン内に同じ割合でボラン及び窒素を置換することができる。
以上、添付された図面を参照しつつ説明した本発明の実施形態は、例示的なものに過ぎず、当分野の当業者であるならば、それらから多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるということを理解することができるであろう。よって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲によってのみ決まるものである。
１００ 電界効果トランジスタ
１０１ 基板
１０２ 絶縁膜
１１０ チャネル
１２１ ソース電極
１２２ ドレイン電極
１３０ ゲートオキサイド
１３２ ゲート電極
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Claims (14)
- 炭素元素の一部がホウ素及び窒素で置換されてバンドギャップが形成されたグラフェン。
- 前記ホウ素及び前記窒素は、グラフェンの炭素原子の１−２０％置換したことを特徴とする請求項１に記載のグラフェン。
- 前記ホウ素及び前記窒素の密度差は、１０１３ｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項１に記載のグラフェン。
- 前記ホウ素と前記窒素は、実質的に同じ割合で、前記グラフェンの炭素を置換したことを特徴とする請求項３に記載のグラフェン。
- 前記グラフェンの炭素を、ホウ素及び窒素からなる二分子体、または３個のホウ素と３個の窒素とからなる六方晶系構造で置換したことを特徴とする請求項４に記載のグラフェン。
- グラフェンをチャネルとして利用したグラフェン・トランジスタにおいて、
前記グラフェンは、一部炭素原子がホウ素及び窒素で置換されてバンドギャップが形成されたトランジスタ。 - 前記ホウ素及び前記窒素は、グラフェンの炭素原子の１−２０％置換したことを特徴とする請求項６に記載のトランジスタ。
- 前記ホウ素及び前記窒素の密度差は、１０１３ｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項６に記載のトランジスタ。
- 前記ホウ素と前記窒素は、実質的に同じ割合で、前記グラフェンの炭素を置換したことを特徴とする請求項８に記載のトランジスタ。
- 前記グラフェンの炭素を前記ホウ素と前記窒素が、ホウ素及び窒素からなる二分子体、または３個のホウ素と３個の窒素とからなる六方晶系構造で置換したことを特徴とする請求項９に記載のトランジスタ。
- 請求項１に記載のグラフェンの製造方法において、
グラフェンをＣＶＤ（chemical vapor deposition）法で形成するとき、ホウ素及び窒素の前駆体としてボラジンまたはアンモニアボランを使用するグラフェンの製造方法。 - 前記ホウ素及び前記窒素は、グラフェンの炭素原子の１−２０％置換することを特徴とする請求項１１に記載のグラフェンの製造方法。
- 前記ホウ素と前記窒素は、実質的に同じ割合で、前記グラフェンの炭素を置換したことを特徴とする請求項１１に記載のグラフェンの製造方法。
- 前記前駆体は、ホウ素及び窒素からなる二分子体、または３個のホウ素と３個の窒素とからなる六方晶系構造であることを特徴とする請求項１３に記載のグラフェンの製造方法。
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