JP5352334B2 - グラフェンと金属電極との電気的接合デバイス、それを用いた電子デバイス，電子集積回路及び光／電子集積回路 - Google Patents
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Description
本発明は、グラフェンと金属電極との電気的接合デバイス、それを用いた電子デバイス，電子集積回路および光／電子集積回路に関する。
カーボンナノチューブと金属電極との接触抵抗（カーボンナノチューブ自身の電気抵抗と、カーボンナノチューブと金属電極との間の界面抵抗が、並列になっている）はｋΩオーダであることが、非特許文献１に記載されている。グラフェンと金属電極との接触抵抗も、接触面積が同程度であれば、ｋΩオーダであると予想される。
J. Phys. D: Appl. Phys. 33, 1953 (2000)
本発明の目的は、グラフェンと金属電極との間の接触抵抗を低減することにある。
すなわち、本発明のグラフェンと金属電極との電気的接合デバイスは、グラフェンの単位面積あたりの電気抵抗をｒGP[Ω／μｍ2]、グラフェンと金属電極との単位面積当たりの界面抵抗をｒC[Ωμｍ2]とすると、グラフェンと金属電極との接触面積Ｓが
を満たすことを特徴とする。
本発明によれば、グラフェンと金属電極との間の接触抵抗（グラフェン自身の抵抗と、グラフェンと金属電極との界面抵抗が並列）を十分に低減することができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
グラフェンはカーボンナノチューブと異なり平面構造であるため、金属電極との接触面積をカーボンナノチューブに比べて、大きくすることが可能である。グラフェンと金属電極との接触面積を大きくすることにより、接触抵抗を低減することが可能である。
グラフェン自身の単位面積あたりの電気抵抗をｒGP[Ω／μｍ2]、グラフェンと金属電極との単位面積当たりの界面抵抗をｒC[Ωμｍ2]とすると、接触面積をＳとして、接触抵抗は
と計算できる。ｒGPを１０Ω／μｍ2、ｒCを１０Ωμｍ2とした場合の計算結果を図１に示す。接触面積が大きくなるとともに、接触抵抗は
に収束する。接触面積を
あるいは
になる値に設定することにより、接触抵抗を収束値の１０％増し、あるいは３０％増しの値にまで、低減することができる。
本発明の第１の実施例を図２を用いて説明する。本実施例は、グラフェンを配線材料として用いた例である。グラフェンはグラフェン配線２０１とグラフェンと金属電極との接合部２０２とからなる。基板上全面にグラフェン層を気相成長法により形成し、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法により図２の破線部分のようにパターンニングを行う。次に、その両端に金属電極２０３を形成する。
グラフェンと金属電極との接合部２０２の面積Ｓは、グラフェン自身の単位面積あたりの電気抵抗をｒGP[Ω／μｍ2]、グラフェンと金属電極との単位面積当たりの界面抵抗をｒC[Ωμｍ2]とすると、
を満たすように設定する必要がある。さらに望ましくは、
を満たすように設定する必要がある。また、ｒGPを１０Ω／μｍ2、ｒCを１０Ωμｍ2として、上式に代入することにより、グラフェンと金属電極との接合部２０２の面積Ｓは、１.０μｍ2以上に設定する必要がある。さらに望ましくは１.５μｍ2以上に設定する必要がある。
上記のように、グラフェンと金属電極との接合部２０２の面積Ｓを設定することにより、接合部での接触抵抗を十分低い値に抑えることができる。このように、二つの金属電極２０３の間を、グラフェン配線２０１を用いて、金属電極２０３とグラフェン配線２０１の接触抵抗を十分小さい値に押さえて、電気的に接合することができた。なお、金属電極２０３とグラフェン電極２０１の接触抵抗は、通常の二端子法、もしくは四端子法により測定した。
本発明の第２の実施例を図３を用いて説明する。本実施例は、グラフェンを電界効果トランジスタのチャネル材料として用いた例である。グラフェンはグラフェンチャネル３０１，グラフェンとソース電極との接合部３０２，グラフェンとドレイン電極との接合部３０３、とからなる。基板上全面にグラフェン層を気相成長法により形成し、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法により図３の破線部分のようにパターンニングを行う。次に、その両端にソース電極３０４，ドレイン電極３０５を形成する。さらにゲート絶縁膜を介してゲート電極３０６を形成する。
グラフェンとソース電極との接合部３０２およびグラフェンとドレイン電極との接合部３０３の面積Ｓは、グラフェン自身の単位面積あたりの電気抵抗をｒGP[Ω／μｍ2]、グラフェンと金属電極との単位面積当たりの界面抵抗をｒC[Ωμｍ2]とすると、
を満たすように設定する必要がある。さらに望ましくは、
を満たすように設定する必要がある。また、上式に、ｒGPを１０Ω／μｍ2、ｒCを１０Ωμｍ2を代入することにより、グラフェンとソース電極との接合部３０２およびグラフェンとドレイン電極との接合部３０３の面積Ｓは、１.０μｍ2以上に設定する必要がある。さらに望ましくは１.５μｍ2以上に設定する必要がある。
上記のようにグラフェンとソース電極との接合部３０２およびグラフェンとドレイン電極との接合部３０３の面積Ｓを設定することにより、接合部での接触抵抗を十分低い値に抑えることができる。
本発明の第３の実施例を図４を用いて説明する。本実施例は、グラフェンを発受光素子として用いた例である。グラフェン発光素子とは、バンドギャップを有するグラフェンに、一方の電極から電子を、もう一方の電極からホールを注入することにより、直接遷移により発光を得る素子のことである。また、グラフェン受光素子とは、バンドギャップを有するグラフェンに接続した二つの電極間に電圧を印加することにより、光照射によって生じた電子とホールを検知することにより、光を検出する素子である。グラフェンはグラフェン発受光素子４０１とグラフェンと金属電極との接合部４０２とからなる。基板上全面にグラフェン層を気相成長法により形成し、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法により図４の破線部分のようにパターンニングを行う。次に、その両端に金属電極４０３を形成する。
グラフェンと金属電極との接合部４０２の面積Ｓは、グラフェン自身の単位面積あたりの電気抵抗をｒGP[Ω／μｍ2]、グラフェンと金属電極との単位面積当たりの界面抵抗をｒC[Ωμｍ2]とすると、
を満たすように設定する必要がある。さらに望ましくは、
を満たすように設定する必要がある。また、上式に、ｒGPを１０Ω／μｍ2、ｒCを１０Ωμｍ2を代入することにより、グラフェンと金属電極との接合部４０２の面積Ｓは、１.０μｍ2以上に設定する必要がある。さらに望ましくは１.５μｍ2以上に設定する必要がある。
上記のようにグラフェンと金属電極との接合部４０２の面積Ｓを設定することにより、接合部での接触抵抗を十分低い値に抑えることができる。
２０１ グラフェン配線
２０２，４０２ グラフェンと金属電極との接合部
２０３，４０３ 金属電極
３０１ グラフェンチャネル
３０２ グラフェンとソース電極との接合部
３０３ グラフェンとドレイン電極との接合部
３０４ ソース電極
３０５ ドレイン電極
３０６ ゲート電極
４０１ グラフェン発受光素子
２０２，４０２ グラフェンと金属電極との接合部
２０３，４０３ 金属電極
３０１ グラフェンチャネル
３０２ グラフェンとソース電極との接合部
３０３ グラフェンとドレイン電極との接合部
３０４ ソース電極
３０５ ドレイン電極
３０６ ゲート電極
４０１ グラフェン発受光素子
Claims (7)
- グラフェンの単位面積あたりの電気抵抗をｒGP[Ω／μｍ2]、グラフェンと金属電極との単位面積当たりの界面抵抗をｒC[Ωμｍ2]とすると、グラフェンと金属電極との接触面積Ｓが
を満たすことを特徴とするグラフェンと金属電極との電気的接合デバイス。 - 前記接触面積Ｓが、
を満たすことを特徴とする請求項１に記載のグラフェンと金属電極との電気的接合デバイス。 - 前記接触面積Ｓが、１.０μｍ2以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のグラフェンと金属電極との電気的接合デバイス。
- 前記接触面積Ｓが、１.５μｍ2以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のグラフェンと金属電極との電気的接合デバイス。
- 前記グラフェンが、単層あるいは複数層からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のグラフェンと金属電極との電気的接合デバイス。
- グラフェンの単位面積あたりの電気抵抗をｒGP[Ω／μｍ2]、グラフェンと金属電極との単位面積当たりの界面抵抗をｒC[Ωμｍ2]とすると、グラフェンと金属電極との接触面積Ｓが
を満たし、前記グラフェンが配線材料であることを特徴とする電子デバイス。 - グラフェンの単位面積あたりの電気抵抗をｒGP[Ω／μｍ2]、グラフェンと金属電極との単位面積当たりの界面抵抗をｒC[Ωμｍ2]とすると、グラフェンと金属電極との接触面積Ｓが
を満たし、前記グラフェンが電界効果トランジスタのチャネル材料，配線材料，発受光素子であることを特徴とする電子集積回路および光／電子集積回路。
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