JP6268419B2 - 電子装置及びその製造方法 - Google Patents
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本発明の電子装置は、グラフェンと、前記グラフェンと電気的に接続された電極とを含み、前記グラフェンは、前記電極との接続部分に、ナノメッシュ構造に加工されて他の部位よりも状態密度の高い部位を有する。
本発明の電子装置の製造方法は、ナノメッシュ構造に加工し、前記ナノメッシュ構造の部位が他の部位よりも状態密度の高い部位となるグラフェンを形成する工程と、前記ナノメッシュ構造の部位で前記グラフェンと電気的に接続される電極を形成する工程とを含む。
本実施形態では、本発明の基本構成である電子装置の概略構成について説明する。この接続構造は、ナノカーボン材料を用いた各種トランジスタやダイオード、ホール素子等に適用することができる。
図1は、第1の実施形態による接続構造の構成を示す模式図であり、(a)が平面図、(b)が(a)の破線I−I'に沿った断面図である。
基板は、Si基板1以外に、ガラス基板、サファイア基板、更にはポリイミド等各種フレキシブル基板等、目的に応じて選択される。
グラフェン膜3は、移動度の高い半導体材料であり、そのグレインサイズが十分大きく、単結晶且つ単層(単原子層)として形成されており、その電極4との接続部分に、他の部位よりも状態密度(DOS)の高い高状態密度部位3Aが形成されている。
電極4は、Ti/Au、Ni/Au、或いはPd/Au等を材料として形成される。
DOSは、2層のグラフェン積層構造では単層グラフェンに比して約2倍、アームチェア状のナノリボン構造では1018(1/eVm2)台の値が得られた。ジグザク状のナノリボン構造では、特に中性点(E=0)の近傍で状態密度が顕著になり、1019(1/eVm2)台の値が得られた。
本実施形態では、電子装置として、第1の実施形態による接続構造を適用した、チャネル材料にグラフェンを用いたトランジスタ(グラフェン・トランジスタ)を開示する。本実施形態では、グラフェン・トランジスタの構成をその製造方法と共に説明する。なお、第1の実施形態による接続構造は、グラフェン・トランジスタ以外、例えば4つの電極を有するホール素子等にも適用することができる。
基板、ここではSi基板11を用意し、Si基板11上に熱酸化法あるいはCVD法等によりシリコン酸化膜12を形成する。
詳細には、Cu,Fe,Ni等の触媒基板上に、メタン、エチレン等の炭化水素ガスを原料とした化学気相成長法を用いて、単層(単原子層)のグラフェンを成長する(非特許文献2を参照)。
ウェット処理により触媒基板を溶解し、グラフェンのみを取り出す。このグラフェンをシリコン酸化膜12上に転写する。以上により、グラフェン膜13が形成される。グラフェンの層数は、主に原料ガスの供給量と成長時間によって決定され、最適化することによって精度良く作製することができる。層数の確認は、干渉色の観察やラマン分光法によって決定することができる。
詳細には、グラフェン膜13の後述するソース電極及びドレイン電極との接続部分に、他の部位よりも状態密度(DOS)の高い高状態密度部位13Aを形成する。高状態密度部位13Aは、図5(b)に示すように、グラフェン膜13の電流の流れる方向(後述するゲート電極のゲート長に平行な方向)を長手方向とする櫛歯状(細線状)の複数のナノリボン13aを有するナノリボン構造に微細加工される。
詳細には、先ず、グラフェン膜13上を含む全面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術によりレジストを加工して、グラフェン膜13の高状態密度部位13Aを含む接続部分のみを露出する開口を有するレジストマスクを形成する。
開口内を含むレジストマスク上に電極材料、例えばTi(5nm)/Au(100nm)を真空蒸着法等により堆積する。この場合、Tiが下層でAuが上層となる。電極材料としては、Ti/Auの代わりにNi/Au又はPd/Au等を用いても良い。レジストマスク及びその上に堆積したTi/Auをウェットエッチングにより除去する。以上により、グラフェン膜13の高状態密度部位13Aを含む接続部分と接触するソース電極14及びドレイン電極15が形成される。
詳細には、先ず、ソース電極14及びドレイン電極15間のグラフェン膜13上を含む全面に、スパッタ法等によりAlを例えば1nm程度の厚みに堆積し、このAlを自然酸化させる。
次に、Al上に絶縁材料として例えばHfO2を堆積する。HfO2は、例えば原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により、例えば5nm程度の厚みに堆積する。これにより、ゲート絶縁膜16が形成される。
詳細には、ゲート絶縁膜16上を含む全面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりレジストを加工して、電極形成予定部位を露出する開口を形成する。電極材料、例えばTi/Auを蒸着法等により開口内を含む全面に堆積する。リフトオフ法により、レジスト及びその上のTi/Auを除去する。以上により、グラフェン膜13上にゲート絶縁膜16を介してゲート電極17が形成される。
本実施形態では、第2の実施形態と同様に、電子装置として、第1の実施形態による接続構造を適用したグラフェン・トランジスタを開示するが、グラフェン膜の構造が異なる点で第2の実施形態と相違する。
続いて、第1の実施形態と同様に、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術によりグラフェン膜13の素子分離を行う。
詳細には、グラフェン膜13の後述するソース電極及びドレイン電極との接続部分に、他の部位よりも状態密度(DOS)の高い高状態密度部位13Bを形成する。高状態密度部位13Bは、図9(a)に示すように、直径が例えば数原子程度の複数のアンチドット13bが所定間隔をおいて周期的に形成されたナノメッシュ構造とされている。
詳細には、先ず、グラフェン膜13上を含む全面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術によりレジストを加工して、グラフェン膜13の高状態密度部位13Bを含む接続部分のみを露出する開口を有するレジストマスクを形成する。
開口内を含むレジストマスク上に電極材料、例えばTi(5nm)/Au(100nm)を真空蒸着法等により堆積する。この場合、Tiが下層でAuが上層となる。電極材料としては、Ti/Auの代わりにNi/Au又はPd/Au等を用いても良い。レジストマスク及びその上に堆積したTi/Auをウェットエッチングにより除去する。以上により、グラフェン膜13の高状態密度部位13Bを含む接続部分と接触するソース電極14及びドレイン電極15が形成される。
詳細には、先ず、ソース電極14及びドレイン電極15間のグラフェン膜13上を含む全面に、スパッタ法等によりAlを例えば1nm程度の厚みに堆積し、このAlを自然酸化させる。
次に、Al上に絶縁材料として例えばHfO2を堆積する。HfO2は、例えばALD法により、例えば5nm程度の厚みに堆積する。これにより、ゲート絶縁膜16が形成される。
詳細には、ゲート絶縁膜16上を含む全面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりレジストを加工して、電極形成予定部位を露出する開口を形成する。電極材料、例えばTi/Auを蒸着法等により開口内を含む全面に堆積する。リフトオフ法により、レジスト及びその上のTi/Auを除去する。以上により、グラフェン膜13上にゲート絶縁膜16を介してゲート電極17が形成される。
本実施形態では、第2の実施形態と同様に、電子装置として、第1の実施形態による接続構造を適用したグラフェン・トランジスタを開示するが、グラフェン膜の構造が異なる点で第2の実施形態と相違する。
基板、ここではSi基板11を用意し、Si基板11上に熱酸化法あるいはCVD法等によりシリコン酸化膜12を形成する。
詳細には、Cu,Fe,Ni等の触媒基板上に、メタン、エチレン等の炭化水素ガスを原料とした化学気相成長法を用いて、複数層(複数原子層)、ここでは2層のグラフェン21a,21bを成長する。
ウェット処理により触媒基板を溶解し、グラフェンのみを取り出す。このグラフェンをシリコン酸化膜12上に転写する。以上により、単層グラフェン21a,21bが積層された2層のグラフェン膜21が形成される。グラフェンの層数は、主に原料ガスの供給量と成長時間によって決定され、最適化することによって精度良く作製することができる。層数の確認は、干渉色の観察やラマン分光法によって決定することができる。
続いて、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術によりグラフェン膜21の素子分離を行う。
詳細には、先ず、グラフェン膜21上を含む全面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術によりレジストを加工して、グラフェン膜21のソース電極及びドレイン電極との接続部分のみを露出する開口を有するレジストマスクを形成する。
開口内を含むレジストマスク上に電極材料、例えばTi(5nm)/Au(100nm)を真空蒸着法等により堆積する。この場合、Tiが下層でAuが上層となる。電極材料としては、Ti/Auの代わりにNi/Au又はPd/Au等を用いても良い。レジストマスク及びその上に堆積したTi/Auをウェットエッチングにより除去する。以上により、グラフェン膜21の接続部分と接触するソース電極14及びドレイン電極15が形成される。
詳細には、ソース電極14及びドレイン電極15をマスクとして、或いはソース電極14及びドレイン電極15を覆うレジストマスクを形成して、グラフェン膜21のソース電極14及びドレイン電極15から露出する部分をエッチングする。ここでは、酸素プラズマを用いて、グラフェン膜21の露出部分について、単層グラフェン21bのみをエッチングして除去する。これにより、グラフェン膜21は、ソース電極14及びドレイン電極15との非接続部位では単層グラフェン21aのみとなり、接続部位が単層グラフェン21a,21bの積層構造となる。グラフェン膜21の当該接続部位が高状態密度部位21Aとなる。グラフェン膜21は、高状態密度部位21A以外の部位では、単層グラフェン21aのみである。そのため、グラフェン膜21は全体として、高い移動度が保持される。
詳細には、先ず、ソース電極14及びドレイン電極15間のグラフェン膜21上(単層グラフェン21a上)を含む全面に、スパッタ法等によりAlを例えば1nm程度の厚みに堆積し、このAlを自然酸化させる。
次に、Al上に絶縁材料として例えばHfO2を堆積する。HfO2は、例えば原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD法)により、例えば5nm程度の厚みに堆積する。これにより、ゲート絶縁膜16が形成される。
詳細には、ゲート絶縁膜16上を含む全面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりレジストを加工して、電極形成予定部位を露出する開口を形成する。電極材料、例えばTi/Auを蒸着法等により開口内を含む全面に堆積する。リフトオフ法により、レジスト及びその上のTi/Auを除去する。以上により、グラフェン膜21上(単層グラフェン21a上)にゲート絶縁膜16を介してゲート電極17が形成される。
前記グラフェンと電気的に接続された電極と
を含み、
前記グラフェンは、前記電極との接続部分に、他の部位よりも状態密度の高い部位を有することを特徴とする電子装置。
前記状態密度の高い部位で前記グラフェンと電気的に接続される電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。
2 絶縁膜
3,13,21 グラフェン膜
3A,13A,13B,21A 高状態密度部位
4 電極
12 シリコン酸化膜
13a ナノリボン
13b アンチドット
14 ソース電極
15 ドレイン電極
16 ゲート絶縁膜
17 ゲート電極
21a,21b 単層グラフェン
Claims (4)
- グラフェンと、
前記グラフェンと電気的に接続された電極と
を含み、
前記グラフェンは、前記電極との接続部分に、ナノリボン構造に加工されて他の部位よりも状態密度の高い部位を有することを特徴とする電子装置。 - グラフェンと、
前記グラフェンと電気的に接続された電極と
を含み、
前記グラフェンは、前記電極との接続部分に、ナノメッシュ構造に加工されて他の部位よりも状態密度の高い部位を有することを特徴とする電子装置。 - ナノリボン構造に加工し、前記ナノリボン構造の部位が他の部位よりも状態密度の高い部位となるグラフェンを形成する工程と、
前記ナノリボン構造の部位で前記グラフェンと電気的に接続される電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。 - ナノメッシュ構造に加工し、前記ナノメッシュ構造の部位が他の部位よりも状態密度の高い部位となるグラフェンを形成する工程と、
前記ナノメッシュ構造の部位で前記グラフェンと電気的に接続される電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。
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