JP2014218386A - グラフェン膜、電子装置、及び電子装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、非特許文献4では、ベンゼン環が3つのアントラセン骨格を基本とした前駆体を用いているため、リボン幅が1nm以上のGNRを形成することができない。FET設計の観点から、GNRのリボン幅を変えてバンドギャップのサイズを制御することは重要な技術ではあるが、ベンゼン環が4つ以上の高次アセンでは反応性の高いベンゼン環が内側に複数存在するために安定して直線的に連結されず、結果的にランダムなエッジ構造のGNRが形成される可能性がある。
本実施形態では、GNRの構成について、その作製方法と共に説明する。
図1は、第1の実施形態によるGNRの製造方法を工程順に示す模式図であり、(a),(b)において、右側が平面図、左側が平面図の一点鎖線I−I'に沿った断面図である。
絶縁基板1としては、絶縁性結晶の基板として、例えばマイカ基板、c面サファイア(α−Al2O3)結晶基板、MgO(111)結晶基板等が適用可能であり、本実施形態ではマイカ基板を用いる。
次に、絶縁基板1の劈開面上に所期の細線パターンを形成するための2層レジストをスピンコートする。下層の犠牲層レジストには、例えばPMGI SFG2S(Michrochem社製)を、上層の電子線レジストには、例えばZEP520A(日本ゼオン社製)をZEP-A(同社製)で1:1に希釈したレジストを用いる。
また、金属細線材料の堆積方法としては、蒸着法に代わって、スパッタ法、パルスレーザ堆積法、分子線エピタキシー法等を利用することもできる。
この表面清浄処理により、リフトオフの際にAuの表面に付着したレジスト等の有機系の残留物が除去される。更に、金属細線2においてAuの(111)再構成表面が得られ、原子レベルでの平坦性がより向上する。
詳細には、熱変換型前駆体法により、絶縁基板1及び金属細線2を大気中に曝さらさすことなく、超高真空度の真空槽内で金属細線2の(111)表面上にGNR3をin situで形成する。
ペンタセンダイマー前駆体の構造式を図2(a)に示す。このペンタセンダイマー前駆体では、2つのペンタセン骨格の中央のベンゼン環のそれぞれ片側にBr基が導入されている。ペンタセン骨格の両端にビシクロ骨格が導入されることで、安定性の高い熱変換型前駆体となる。
以下のように、基板温度を上げてゆき、図2(b)〜図2(c)に示す過程を経て、最終的に図2(d)のペンタセンGNRが形成される。
次に、基板温度を例えば250℃程度〜300℃程度に昇温することで、逆ディールス・アルダー反応によりビシクロ骨格が芳香化されてC2H4分子が脱離する。これにより、図2(c)に示すように、ペンタセンが直線的に連結した高分子が得られる。
また、(111)結晶面を有する金属細線上にペンタセンGNRを形成することにより、ペンタセンGNRの位置と方向を制御することが可能となり、リスクの高いGNRの転写プロセスを行うことなく、より簡便な製造プロセスでペンタセンGNRを得ることができる。
以下、第1の実施形態の諸変形例について説明する。
本例では、第1の実施形態と同様にGNRを作製するが、GNRとして、ペンタセンGNRに代わって、ヘプタセンGNRを作製する場合について例示する。
続いて、図1(b)と同様に、金属細線2上にGNR3を形成する。本例では、GNR3として、ベンゼン環が7個結合してなり、リボン幅(短手方向の寸法)が1.7nm程度のヘプタセンGNRを形成する。本例では、より安定にヘプタセンを重合させるために、基板加熱による熱変換型前駆体法に加え、光照射による光変換型前駆体法を用いる。
ヘプタセン前駆体の構造式を図3(a)に示す。このヘプタセン前駆体では、1つのヘプタセン骨格の中央のベンゼン環の両側にそれぞれBr基が導入されている。
以下のように、基板加熱と共に光照射を行い、図3(b)に示す過程を経て、最終的に図3(c)のペンタセンGNRが形成される。
次に、上記の青色光を照射しながら、基板温度を例えば250℃程度〜300℃程度に昇温することで、逆ディールス・アルダー反応によりビシクロ骨格が芳香化されてCO分子が脱離する。これにより、図3(b)に示すように、ヘプタセンが直線的に連結した高分子が得られる。
また、(111)結晶面を有する金属細線上にヘプタセンGNRを形成することにより、ヘプタセンGNRの位置と方向を制御することが可能となり、リスクの高いGNRの転写プロセスを行うことなく、より簡便な製造プロセスでヘプタセンGNRを得ることができる。
本例では、第1の実施形態と同様にGNRを作製するが、GNRとして、ペンタセンGNRに代わって、ノナセンGNRを作製する場合について例示する。
続いて、図1(b)と同様に、金属細線2上にGNR3を形成する。本例では、GNR3として、ベンゼン環が9個結合してなり、リボン幅(短手方向の寸法)が2.2nm程度のノナセンGNRを形成する。本例では、より安定にノナセンを重合させるために、基板加熱による熱変換型前駆体法に加え、光照射による光変換型前駆体法を用いる。
ノナセン前駆体の構造式を図4(a)に示す。このノナセン前駆体では、ノナセン自身がビラジカル性を有するため、反応点として中央のベンゼン環にBr基を導入する必要はない。
以下のように、基板加熱と共に光照射を行い、図4(b)〜図4(c)に示す過程を経て、最終的に図4(d)のノナセンGNRが形成される。
次に、上記の青色光を照射しながら、基板温度を例えば250℃程度〜300℃程度に昇温することで、逆ディールス・アルダー反応によりビシクロ骨格が芳香化されてCO分子が脱離する。これにより、図4(c)に示すように、ノナセンが直線的に連結した高分子が得られる。
また、(111)結晶面を有する金属細線上にノナセンGNRを形成することにより、ノナセンGNRの位置と方向を制御することが可能となり、リスクの高いGNRの転写プロセスを行うことなく、より簡便な製造プロセスでノナセンGNRを得ることができる。
本実施形態では、GNRをチャネルに用いたグラフェントランジスタの構成について、その作製方法と共に説明する。
図5は、第2の実施形態によるグラフェントランジスタの製造方法を工程順に示す模式図であり、(a)〜(d)において、右側が平面図、左側が平面図の一点鎖線I−I'に沿った断面図である。
本実施形態では、GNR3として、第1の実施形態で説明したペンタセンGNR、変形例1で説明したヘプタセンGNR、及び変形例2で説明したノナセンGNRのうちのいずれかのGNRを形成する。
詳細には、先ず、金属細線2を形成する工程と同様にして、電子線リソグラフィで2層レジストからなるレジストパターンを形成する。
電極材料の堆積方法としては、蒸着法に代わって、スパッタ法、パルスレーザ堆積法等を利用することもできる。
後述するように、Au(111)の金属細線2のウェットエッチングのエッチャントに、HNO3+HCl混合水溶液を用いた場合、このエッチャントに溶解しないTi及びCrは、電極材料の金属種として適切である。
詳細には、先ず、金属細線2を形成する工程と同様にして、電子線リソグラフィで2層レジストからなるレジストパターンを形成する。
Y2O3は、1×10-5Pa以下の高真空下でO2ガスを導入しながらY金属を蒸着することにより形成される。
Ti及びCrは、ソース電極4及びドレイン電極5の形成時と同様の蒸着条件及び厚みに蒸着することにより形成される。
絶縁材料及び電極材料の堆積方法としては、蒸着法に代わって、スパッタ法、パルスレーザ堆積法等を利用することもできる。
ゲート絶縁膜の絶縁材料及びゲート電極の電極材料は、後工程の金属細線の除去処理に用いるウェットエッチングのエッチャントに対して十分なエッチング耐性を有する必要がある。
詳細には、約60℃のHNO3(6.5vol%)+HCl(17.5vol%)混合水溶液をエッチャントとして用いて、金属細線2をウェットエッチングする。これにより、金属細線2が除去される。絶縁基板1とGNR3との間に空隙8が形成され、GNR3は、ソース電極4及びドレイン電極5によって架橋された状態とされる。
短手方向に炭素原子の六員環が5個以上結合して並列しており、長手方向に沿ったエッジ構造がアームチェア型とされていることを特徴とするグラフェン膜。
前記絶縁材料上の一対の電極と、
前記一対の電極によって架橋されたリボン形状のグラフェン膜と
を含み、
前記グラフェン膜は、短手方向に炭素原子の六員環が5個以上結合して並列しており、長手方向に沿ったエッジ構造がアームチェア型とされていることを特徴とする電子装置。
前記金属細線上に、短手方向に炭素原子の六員環が5個以上結合して並列しており、長手方向に沿ったエッジ構造がアームチェア型とされたリボン形状のグラフェン膜を形成する工程と、
前記金属細線を除去する工程と
を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。
2 金属細線
3 GNR
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 空隙
Claims (10)
- リボン形状のグラフェン膜であって、
短手方向に炭素原子の六員環が5個以上結合して並列しており、長手方向に沿ったエッジ構造がアームチェア型とされていることを特徴とするグラフェン膜。 - 短手方向に炭素原子の六員環が5個以上結合して並列する部分の幅が1.2nm以上であることを特徴とする請求項1に記載のグラフェン膜。
- 単原子層構造であることを特徴とする請求項1又は2に記載のグラフェン膜。
- 絶縁材料と、
前記絶縁材料上の一対の電極と、
前記一対の電極によって架橋されたリボン形状のグラフェン膜と
を含み、
前記グラフェン膜は、短手方向に炭素原子の六員環が5個以上結合して並列しており、長手方向に沿ったエッジ構造がアームチェア型とされていることを特徴とする電子装置。 - 前記グラフェン膜は、短手方向に炭素原子の六員環が5個以上結合して並列する部分の幅が1.2nm以上であることを特徴とする請求項4に記載の電子装置。
- 前記絶縁材料は、絶縁性結晶の基板であることを特徴とする請求項4又は5に記載の電子装置。
- 絶縁材料上に金属細線を形成する工程と、
前記金属細線上に、短手方向に炭素原子の六員環が5個以上結合して並列しており、長手方向に沿ったエッジ構造がアームチェア型とされたリボン形状のグラフェン膜を形成する工程と、
前記金属細線を除去する工程と
を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。 - 前記グラフェン膜は、短手方向に炭素原子の六員環が5個以上結合して並列する部分の幅が1.2nm以上であることを特徴とする請求項7に記載の電子装置の製造方法。
- 前記絶縁材料は、絶縁性結晶の基板であることを特徴とする請求項7又は8に記載の電子装置の製造方法。
- 前記金属細線は、Au,Ag,Cu,Co,Ni,Pd,Ir,Ptから選択された少なくとも1種により形成されることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の電子装置の製造方法。
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