JP5124373B2 - 電子デバイス，受光・発光デバイス、それを用いた電子集積回路および光集積回路 - Google Patents

電子デバイス，受光・発光デバイス、それを用いた電子集積回路および光集積回路 Download PDF

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Description

本発明は、グラフェンシートを有する電子デバイス，受光・発光デバイス、それを用いた電子集積回路，光集積回路に関する。
炭素原子が六角形に規則正しく並んだ二次元構造をグラフェンシートと呼び、このグラフェンシートが何層にも重なったものをグラファイトと呼ぶ。従来から、グラフェンシートおよびグラファイトは知られている。近年、このグラフェンシート一枚を基板上に取出すことができるようになり（例えば、非特許文献１参照）、にわかに注目を集めるようになった。
グラフェンシートは、逆格子空間のＫ点において、πバンドとπ*バンドが接するため、金属的な性質を示す。このため、トランジスタ等の電子デバイス，ＬＥＤ等の受光・発光デバイスに応用することができない。
従来から、多くの計算がなされ、グラフェンシートの大きさや端構造がある条件の場合に、バンドギャップが出現することが示されている（例えば、非特許文献２参照）。
しかしながら、微細加工技術を用いてバンドギャップを制御する方法は見出されていない。
Nature 438, 197 (2005) Nature 444, 347 (2006)
本発明の目的は、グラフェンシートの電子構造を制御し、そのバンドギャップを制御することが可能な電子デバイス，受光・発光デバイス、それを用いた電子集積回路および光集積回路を提供することにある。
すなわち、本発明の電子デバイスは、基板と、前記基板上に配置された電極と、前記基板上に配置され、少なくとも１つの凸構造または凹構造を有する下地層と、前記下地層の凸構造または凹構造に沿うように配置され、前記電極と直に接続、又は絶縁層を介して配置された少なくとも１層のグラフェンシートと、を具備することを特徴としている。
また、本発明の受光・発光デバイスは、基板と、前記基板上に配置された電極と、前記基板上に配置され、少なくとも１つの凸構造または凹構造を有する下地層と、前記下地層の凸構造または凹構造に沿うように配置され、前記電極と接続された少なくとも１層のグラフェンシートと、を具備することを特徴としている。
また、本発明の電子集積回路は、電子デバイスを半導体基板またはフレキシブル基板に集積したことを特徴としている。
また、本発明の光集積回路は、受光・発光デバイスを半導体基板またはフレキシブル基板に集積したことを特徴としている。
なお、本発明において、グラフェンシートとは、炭素原子が六角形に規則正しく並んだ二次元構造を意味する。
グラフェンシートは、逆格子空間のＫ点において、πバンドとπ*バンドが接するため、金属的な性質を示す。この電子構造を制御して半導体的（すなわち、バンドギャップが存在する電子状態）にすることができれば、電界効果トランジスタなどの電子デバイス，ＬＥＤなどの受光・発光デバイスに適用することが可能となる。
本発明では、グラフェンシートを湾曲させることにより、その電子構造を制御する。グラフェンシートを凸構造又は凹構造を有する下地膜の上に形成することにより、湾曲させることが可能である。グラフェンシートを湾曲させることにより、湾曲部分に局所的な電子状態を形成することができる。これにより、ナノチューブのシリンダー部分やキャップ部分と同様の電子状態を実現することができ、逆格子空間のＫ点においてバンドギャップを形成することが可能である。
ナノチューブのシリンダー部分の電子状態は、逆格子空間において、複数の線分のペアにより規定される。その線分が、グラフェンシートのＫ点を通過する場合に、金属的性質（例えばカイラリティが（９,０）のナノチューブ等）を示し、通過しない場合に半導体的性質（例えばカイラリティが（１０,０）のナノチューブ等）を示す。これと同様に、グラフェンシートを湾曲させることにより、グラフェンシートのＫ点を通過しないような局所電子状態を実現することが可能である。
以下のようにして、グラフェンシートを基板上で湾曲させることができる。まず、基板上に、凸構造あるいは凹構造を有する下地層をフォトリソグラフィー技術により作製する。次に、炭素系ガスを原料とした気相成長法により、下地層の表面にのみ、グラフェンシートを選択成長させる。あるいは、鋳型法により作製したグラファイトナノロッドを用いて、ナノトランスファー法により、ナノメーターサイズの物質を下地層の表面にのみ転写してグラフェンシートを作成することもできる。
本発明によれば、グラフェンシートの電子構造を微細加工技術により制御し、そのバンドギャップを制御することができる。
以下、本発明を実施する形態について、図面を参照して説明する。
実施例１について、図１を用いて説明する。図１は、下地層の半円柱状の凸構造に沿うようにグラフェンシートを配置した一例を模式的に示す図である。
基板１０１（Ｓｉ基板）の表面に、気相成長法，フォトリソグラフィープロセス，ドライエッチングプロセスを順に行い、半円柱状の凸構造を有する下地層１０２を形成する。下地層１０２は、膜厚が１０ｎｍであり、材質が酸化アルミニウムである。また、半円柱構造の直径は３ｎｍであり、横方向の長さは３０ｎｍ、奥行きは３０ｎｍである。
次に、アセチレンを原料ガスとする気相成長法により、グラフェンを下地層１０２の表面にのみ、選択成長させる。気相成長の成長温度は４００℃、成長時間は１０分間である。グラフェンは、基板１０１には成長せず、下地層１０２である酸化アルミニウムの上にのみ選択的に成長する。選択成長後、グラフェンは下地層１０２の表面全体に成長しているため、フォトリソグラフィープロセスとドライエッチングプロセスにより、横方向１０ｎｍ，奥行き１０ｎｍの形状に加工することにより、グラフェン層１０３（グラフェンシート）とする。グラフェン層１０３は成長時間を制御することにより、単層だけでなく、層数を制御した多層構造とすることも可能である。多層構造の場合、層数は１０層未満であることが望ましい。層数が１０層以上になると、グラフェンシートの性質が失われ、グラファイトの性質（例えば、金属的性質）に近くなる。
また、グラフェン層１０３を形成するためにナノメーターサイズの物質を基板上に転写するナノトランスファー法を用いることもできる。この方法では、まずグラファイトからなるナノロッドを形成する。次に、このグラファイトナノロッドを基板上の下地層１０２に押付けることにより、グラフェン層１０３を形成する。ここで、グラファイトナノロッドは、陽極酸化アルミナ孔の中にピッチを溶解して挿入し、アルミナ層をウエットエッチングにより除去した後、ピッチロッドを３０００℃で高結晶化することにより作製することができる。このナノトランスファー技術を用いる場合、室温でグラフェン層１０３を作製することが可能であり、有機物質等のフレキシブル基板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit）への作製に適している。
以上のようにして、平坦な部分と凸構造を有する部分を有するグラフェン層１０３を形成することができる。平坦な部分は金属的に振るまい（例えばバンドギャップが０ｅＶ）、凸構造の部分は、半導体的に振る舞う（例えばバンドギャップが０.７ｅＶ）。この構造により、実施例５に示すような電子デバイス（例えば電界効果トランジスタ）、また実施例６に示すような発光および受光デバイス（例えばＬＥＤ）を作製することができる。
本実施例では、シリコン（Ｓｉ）基板を用いたが、これ以外の半導体基板，絶縁性基板（例えば合成樹脂基板）など、あらゆる材質の基板を用いることが可能である。また、有機物質等のフレキシブル基板を用いることも可能である。
また、本実施例では、グラフェンを選択成長するための原料ガスとして、アセチレンを用いたが、これ以外の炭素系ガス（例えば、エチレン，プロピレンなど）を用いることが可能である。また、選択成長をさせるための下地層１０２に酸化アルミニウムを用いたが、これ以外に、酸化シリコン等の金属酸化物，窒化アルミニウム，窒化シリコン等の金属窒化物を用いることが可能である。
実施例２について、図２を用いて説明する。
実施例２では、半円柱状の凹構造を有する下地層２０２を形成した後、その上にグラフェン層２０３を形成した点が、実施例１と異なる。半円柱状の凹構造の下地層２０２の形成方法，グラフェン層２０３の形成方法は、実施例１と同様である。
実施例３について、図３を用いて説明する。
実施例３では、半球状の凸構造を有する下地層３０２を形成した後、その上にグラフェン層３０３を形成した点が、実施例１と異なる。半球状の凸構造を有する下地層３０２の形成方法，グラフェン層３０３の形成方法は、実施例１と同様である。
実施例４について、図４を用いて説明する。
実施例４では、半球状の凹構造を有する下地層４０２を形成した後、その上にグラフェン層４０３を形成した点が、実施例１と異なる。半球状の凹構造を有する下地層４０２の形成方法，グラフェン層４０３の形成方法は、実施例１と同様である。
実施例１では半円柱状の凸構造、実施例２では半円柱状の凹構造、実施例３では半球状の凸構造、実施例４では半球状の凹構造を用いたが、これ以外のいかなる凸構造，凹構造を用いることも可能である。また、図７に示すように、複数の凹構造および凸構造を組み合せて、これらを直列あるいは並列に配置することも可能である。
実施例５について、図５を用いて説明する。図５は、電子デバイス（電界効果トランジスタ）の構成を模式的に示す図である。
実施例５では、グラフェン層５０３の一端にソース電極５０４を接続し、他端にドレイン電極５０５を接続し、グラフェン層５０３の凸構造の部位に絶縁層５０６を介してゲート電極５０７を配置した。これにより、移動度が２００００cm2／Ｖｓで、実用的なオンオフ比を有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）を作製することができた。
また、これらの電子デバイスをＳｉ基板などの半導体基板又はフレキシブル基板上に集積することにより、電子集積回路（例えば、該電界効果トランジスタを１００万個集積した回路など）を作製することも可能である。
なお、図５では、グラフェン層５０３の平坦な部分に電極を設けたが、図７に示すように、グラフェン層５０３の湾曲部分に電極を設けることも可能である。これにより、グラフェン層の湾曲部分と平坦部分の境界の湾曲が最も大きい部分を介さずにグラフェン層と電極が電気的に接続するため、より低抵抗な接続が可能である。
実施例６について、図６を用いて説明する。図６は、受光・発光デバイスの構成を模式的に示す図である。
実施例６では、グラフェン層６０３の一端にプラス電極６０４を接続し、他端にマイナス電極６０５を接続して、受光・発光デバイスを作製した。発光波長，受光波長は、概ね、近赤外領域（波長１２００〜１８００ｎｍ）である。
また、このような受光・発光デバイスを半導体基板（Ｓｉ基板など）又はフレキシブル基板上に集積することにより、光集積回路（例えば、発光デバイスを１万個、受光デバイスを１万個モノリシックに集積した回路など）を作製することも可能である。
また、このような受光・発光デバイスと、実施例５で述べた電界効果トランジスタとを半導体基板又はフレキシブル基板上に集積することにより、電子／光集積回路（例えば該電界効果トランジスタを１００万個、該発光デバイスを１万個、該受光デバイスを１万個モノリシックに集積した回路等）を作製することも可能である。
下地層の半円柱状の凸構造に沿うようにグラフェンシートを配置した一例を模式的に示す図。 下地層の半円柱状の凹構造に沿うようにグラフェンシートを配置した一例を模式的に示す図。 下地層の半球状の凸構造に沿うようにグラフェンシートを配置した一例を模式的に示す図。 下地層の半球状の凹構造に沿うようにグラフェンシートを配置した一例を模式的に示す図。 実施例５に係る電子デバイスの構成を模式的に示す図。 実施例６に係る受光・発光デバイスの構成を模式的に示す図。 下地層の半円柱状の凸構造および凹構造に沿うようにグラフェンシートを配置した一例を模式的に示す図。 実施例５に係る電子デバイスの構成を模式的に示す図。
符号の説明
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１ 基板
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，７０２，８０２ 下地層
１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３，７０３，８０３ グラフェン層
５０４，８０４ ソース電極
５０５，８０５ ドレイン電極
５０６，８０６ 絶縁層
５０７，８０７ ゲート電極
６０４ プラス電極
６０５ マイナス電極、

Claims (10)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置された電極と、
    前記基板上に配置され、少なくとも１つの凸構造または凹構造を有する下地層と、
    前記下地層の凸構造または凹構造に沿うように配置され、前記電極と直に接続、又は絶縁層を介して配置された少なくとも１層のグラフェンシートと、
    を具備することを特徴とする電子デバイス。
  2. 炭素系ガスを用いた気相成長法により、前記下地層に選択成長させて前記グラフェンシートを配置することを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
  3. ナノメーターサイズの物質を転写するナノトランスファー法により、前記グラフェンシートを前記下地層に配置することを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
  4. 前記グラフェンシートの層数が、１０層未満であることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
  5. 基板と、
    前記基板上に配置された電極と、
    前記基板上に配置され、少なくとも１つの凸構造または凹構造を有する下地層と、
    前記下地層の凸構造または凹構造に沿うように配置され、前記電極と接続された少なくとも１層のグラフェンシートと、
    を具備することを特徴とする受光・発光デバイス。
  6. 炭素系ガスを用いた気相成長法により、前記下地層に選択成長させて前記グラフェンシートを配置することを特徴とする請求項５に記載の受光・発光デバイス。
  7. ナノメーターサイズの物質を転写するナノトランスファー法により、前記グラフェンシートを前記下地層に配置することを特徴とする請求項５に記載の受光・発光デバイス。
  8. 前記グラフェンシートの層数が、１０層未満であることを特徴とする請求項５に記載の受光・発光デバイス。
  9. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子デバイスを半導体基板またはフレキシブル基板に集積した電子集積回路。
  10. 請求項５乃至８のいずれか１項に記載の受光・発光デバイスを半導体基板またはフレキシブル基板に集積した光集積回路。
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