JP6774452B2

JP6774452B2 - グラフェン含有構造体、半導体装置、およびグラフェン含有構造体の製造方法

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Publication number: JP6774452B2
Application number: JP2018054820A
Authority: JP
Inventors: ぺイツエンゴ; 学史吉田; 重哉木村; 久生宮崎; 雄一山崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: JP2019169544A

Description

グラフェン含有構造体、半導体装置、およびグラフェン含有構造体の製造方法に関する。

グラフェンは１００，０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓを超えるキャリア移動度を有しているため、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）など電子デバイス系への応用が期待されている。しかしながら、グラフェンを電子デバイスに応用する際に、金属上に形成されたグラフェンを剥離転写法でＳｉＯ_２等の絶縁膜上に転写して作製する必要があり、剥離―転写時にグラフェンの構造が乱れる等膜品質が劣化してしまう。そのため、グラフェンのキャリア移動度は理論値よりも大幅に減少してしまう。また、剥離転写法を用いた場合、グラフェンの大面積化や量産化は難しい。

よって、グラフェンの大面積化や量産化が可能であり、かつグラフェンのキャリア移動度を向上させることが可能であるグラフェンを備えるグラフェン含有構造体が望まれる。

ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３２，ｎｏ．９，ｐｐ．１２０９‐１２１１，Ｓｅｐｔ．２０１１

本発明が解決しようとする課題は、グラフェンの大面積化や量産化が可能であり、かつグラフェンのキャリア移動度を向上させることが可能であるグラフェン含有構造体、それを用いたキャリア移動度の高い半導体装置、およびグラフェン含有構造体の製造方法を提供することにある。

本発明のグラフェン含有構造体は、炭化珪素半導体層と、前記炭化珪素半導体層上にあるグラフェン層と、前記炭化珪素半導体層と前記グラフェン層との間に設けられた第１の窒化アルミニウム層と、前記グラフェン層と前記第１の窒化アルミニウム層との間に設けられた第２の窒化アルミニウム層と、を備える。

実施形態のグラフェン含有構造体の模式図。実施形態のグラフェン含有構造体の製造方法を示す図。実施形態の半導体装置の模式図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。

図１（ａ）にグラフェン含有構造体１００の斜視模式図を示す。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ‐Ａ’線の模式断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ‐Ｂ’線の模式断面図である。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、グラフェン含有構造体１００は、炭化珪素半導体層４上の一部に、第１の窒化アルミニウム層１、第２の窒化アルミニウム層２、グラフェン層３が順に積層された半導体層を備えている。

グラフェン層３の下方にある第２の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層２は、例えば、菱面体晶系構造を有する。第１の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層１は、例えば、六方晶系構造を有する。

図１（ａ）及び図１（ｃ）に示すように、第１の窒化アルミニウム層１は、第１の部分１ａと第２の部分１ｂを有している。第１の部分１ａは炭化珪素半導体層４と第２の窒化アルミニウム層２の間にある。第２の部分１ｂは炭化珪素半導体層４上にあって、第１の部分１ａ、第２の窒化アルミニウム層２、およびグラフェン層３と隣接している。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII‐Ｖ族窒化物半導体に関する研究は盛んに行われており、半導体デバイス等への応用が期待されている。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化ガリウム（ＧａＮ）は、六方晶系構造をとる、またワイドギャップ半導体である等の類似点を有していることが知られている。最近、III‐Ｖ族窒化物半導体のうち、窒化ガリウム（ＧａＮ）について、２次元状の形状で菱面体晶系構造をとることが報告されている。（参考文献：ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ１５，１１６６−１１７１（２０１６））。

本実施形態では、窒化ガリウム（ＧａＮ）ではなく窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いて、グラフェン含有構造体１００を作製した。

グラフェンは複数の炭素原子がｓｐ^２結合で結合したシート状の物質で、炭素原子１原子分の厚さを有する。グラフェンは、通常、１原子層である単層を意味する。グラフェン層３はグラフェンが１枚である単層である。ただし、グラフェン層３の面積の１０％以下で、炭素層が複数となっている場合があっても良い。

窒化アルミニウムは窒素原子とアルミニウム原子からなる物質である。窒化アルミニウムは、一般に、六方晶系構造をとる。しかしながら、グラフェンに接している窒化アルミニウムを成長させる場合、結晶成長の過程で、グラフェンのπ結合に由来するファンデルワールス力の引力により、窒素原子よりもアルミニウム原子が優先的にグラフェンの表面に吸着する。そのため、グラフェンに接している窒化アルミニウムにおいて、窒素原子とアルミニウム原子の配列の仕方は、一般的な窒化アルミニウムの配列とは異なり、グラフェンの表面で結晶成長した窒化アルミニウムは菱面体晶系構造をとる。菱面体晶系構造の第２の窒化アルミニウム層２はダングリングボンドを持たない。そのため、グラフェン層３と菱面体晶系構造を有する第２の窒化アルミニウム層２が積層している場合、グラフェン層３中のキャリアが、第２の窒化アルミニウム層２側に漏出することが抑制される。よって、菱面体晶系構造の第２の窒化アルミニウム層２上に積層されたグラフェン層３は、剥離転写法でＳｉＯ_２上にグラフェンを転写して形成されたグラフェンよりも、キャリア移動度は向上する。

また、本実施形態のグラフェン層３は炭化珪素半導体層４上に、炭化珪素熱分解法により形成でき、また第１の窒化アルミニウム層１と第２の窒化アルミニウム層２は有機金属気相成長法で形成可能なため、剥離転写法を用いた場合よりも、グラフェン層３の結晶品質が劣化しにくく、その点でもグラフェン層３のキャリア移動度向上に寄与する。

さらに、本実施形態のグラフェン層３は、窒化アルミニウム層上に、前述の如く剥離転写法を用いずに形成できるため、グラフェン層の大面積化や量産化が可能である。

グラフェン含有構造体１００において、炭化珪素半導体層４は、六方晶系構造であり、その上面はＣ面（カーボン面）である。炭化珪素半導体層４は、炭化珪素の熱分解により後述するグラフェン層３を結晶成長させるために用いられる。炭化珪素半導体層４上に後述する第１の窒化アルミニウム層１、第２の窒化アルミニウム層２、グラフェン層３を積層することで、炭化珪素半導体層４は第１の窒化アルミニウム層１、第２の窒化アルミニウム層２、グラフェン層３を支持する基板としても用いられる。炭化珪素半導体層４の厚さは、例えば、１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが望ましい。

第１の窒化アルミニウム層１は炭化珪素半導体層４上に設けられる。第１の窒化アルミニウム層１は例えば、六方晶系構造の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が挙げられる。図１（ｃ）に示すように、第１の窒化アルミニウム層１は第１の部分１ａと第２の部分１ｂを有する。第１の部分１ａは、炭化珪素半導体層４と後述する第２の窒化アルミニウム層２の間にある。第２の部分１ｂは、炭化珪素半導体層４上にあり、第１の部分１ａと隣接する。また、第２の部分１ｂは、後述する、第２の窒化アルミニウム層２の側面とグラフェン層３の側面と隣接する。第１の窒化アルミニウム層１の第１の部分１ａとグラフェン層３との間に第２の窒化アルミニウム層２が存在する。

第１の部分１ａの厚さと第２の部分１ｂの厚さは、グラフェン層３の側面に第２の部分１ｂが位置し、積層方向において第２の部分１ｂの上面が、グラフェン層３の上面と同じ、またはグラフェン層３の上面よりも上に位置するようにする。よって、グラフェン層３のチャネルから外部にキャリアが漏出することを防ぐことができる。そのため、例えば、第１の部分１ａの厚さが、例えば、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である場合、第２の部分１ｂの厚さは、例えば、２ｎｍ以上１０５ｎｍ以下であることが望ましい。なお、第１の部分１ａの厚さは、グラフェン層３に影響を与えないため０ｎｍでもよい。

第２の窒化アルミニウム層２は、第１の窒化アルミニウム層１の第１の部分１ａ上に設けられる。第２の窒化アルミニウム層２は、後述するグラフェン層３と接して設けられる。第２の窒化アルミニウム層２は菱面体晶系構造である。第２の窒化アルミニウム層２の厚さは、例えば、０ｎｍよりも大きく１ｎｍ以下である。

第１の窒化アルミニウム層１と第２の窒化アルミニウム層２は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によりその結晶構造を見分けることができる。ＴＥＭによりＡｌＮ分子を観察すると、六方晶系構造である第１の窒化アルミニウム層１と菱面体晶系構造の第２の窒化アルミニウム層２では、Ａｌ原子に対するＮ原子の位置が異なる。菱面体晶系構造の第２の窒化アルミニウム層２のＮ原子の位置は、Ａｌ原子を中心とした場合、六方晶系構造である第１の窒化アルミニウム層１のＮ原子の位置とは対称の位置にある。

また、第１の窒化アルミニウム層１のバンドギャップは、第２の窒化アルミニウム層２のバンドギャップよりも大きい。そのため、第１の窒化アルミニウム層１と第２の窒化アルミニウム層２は、それぞれのバンドギャップを算出することで見分けることができる。第１の窒化アルミニウム層１と第２の窒化アルミニウム層２のバンドギャップは、分光光度計で吸光度を測定し、吸光度から算出される。

グラフェン層３は、第２の窒化アルミニウム層２上に設けられる。グラフェン層３は単層のグラフェンであるため、グラフェン層３の厚さは、例えば、０ｎｍよりも大きく１ｎｍ以下である。グラフェン層３を半導体装置の配線として用いた場合、グラフェン層３の抵抗の向上を防ぐため、グラフェン層３の幅は、例えば、１ｎｍ以上が望ましい。グラフェン層３の幅の上限値は用途の設計に合わせた任意の値となる。

以下、図２（ａ）〜図２（ｅ）を用いて、グラフェン含有構造体１００の製造方法について述べる。

まず、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、基板として炭化珪素半導体層４を用意する。炭化珪素熱分解法により、炭化珪素半導体層４を加熱し、炭化珪素半導体層４上にグラフェンを結晶成長させる。作製条件としては、例えば、真空度１０^−４〜１０^−６Ｔｏｒｒの真空装置内で、ヒータで炭化珪素半導体層４を１４００℃以上の高温下で加熱する。これにより、炭化珪素半導体層４上にグラフェンを形成する。

次に図２（ｃ）に示すように、例えば、ドライエッチングによりグラフェンパターンを作製し、グラフェン層３を作製する。

次に図２（ｄ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、炭化珪素半導体層４上と、炭化珪素半導体層４とグラフェン層３の間に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を結晶成長させる。ＭＯＣＶＤ法による結晶成長において、Ａｌの原料として、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用い、Ｎ原子の原料として、例えばアンモニア（ＮＨ_３）を用いることができる。また、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長において、上記原料以外に、例えば、水素、窒素、アルゴンのいずれか、もしくはこれらの混合ガスをキャリアガスとして同時に供給する。

グラフェン層３と炭化珪素半導体層４の間に気体のＡｌＮが入り込むことで、グラフェン層３と炭化珪素半導体層４の間に第２の窒化アルミニウム層２が形成される。また、炭化珪素半導体層４上で、グラフェン層３と第２の窒化アルミニウム層２に隣接する位置には第１の窒化アルミニウム層１の第２の部分１ｂが形成される。グラフェン層３と炭化珪素半導体層４の間には気体のＡｌＮが入り込みづらいため、第２の窒化アルミニウム層２の結晶成長の速度は、第１の窒化アルミニウム層１の第２の部分１ｂの結晶成長の速度よりも遅い。そのため、積層方向において、第１の窒化アルミニウム層１の第２の部分１ｂの上面は、グラフェン層３の上面と同じか、グラフェン層３の上面よりも上に位置する。

ここで、第２の窒化アルミニウム層２は菱面体晶系構造で本来は化学的に不安定な構造であるが、グラフェンのπ結合に由来するファンデルワールス力の影響により、グラフェン層３と第１の窒化アルミニウム層１の間に第２の窒化アルミニウム層２が存在することが可能である。そして、グラフェン層３と炭化珪素半導体層４の間以外の炭化珪素半導体層４上には、第１の窒化物半導体層１の第２の部分１ｂが形成される。

次に図２（ｅ）に示すように、ＭＯＣＶＤでＡｌＮの結晶成長を続けると、第２の窒化物半導体層２と炭化珪素半導体層４の間、第１の窒化物半導体層１の第２の部分１ｂと炭化珪素半導体層４の間のそれぞれに気体のＡｌＮが入り込み、炭化珪素半導体層４上に積層される。そのため、第１の窒化物半導体層１の第２の部分１ｂはさらに積層され、また、炭化珪素半導体層４と第２の窒化物半導体層２の間に第１の窒化物半導体層１の第１の部分１ａが形成される。第１の部分１ａは、グラフェン層３下にあるが、第２の窒化物半導体層２よりもファンデルワールス力を受けない。そのため、第１の部分１ａは、化学的に安定な状態として、六方晶系構造をとる。このステップにより、グラフェン含有構造体１００が作製される。

以上のようにグラフェン層３は、炭化珪素熱分解法により、炭化珪素半導体層４上に結晶成長させることができ、第１の窒化アルミニウム層１および第２の窒化アルミニウム層２は、炭化珪素半導体層４上にＭＯＣＶＤ法等で結晶成長させることができる。そのため、剥離転写法を用いた場合と比較して、結晶の品質が高くキャリア移動度の向上に寄与する。また、グラフェン層３、第１の窒化アルミニウム層１、および第２の窒化アルミニウム層２は大面積で作製することができ、またグラフェン含有構造体１００を量産することが可能である。

六方晶系構造の窒化アルミニウムと異なり、菱面体晶系構造の第２の窒化アルミニウム層２はダングリングボンドを持たない。そのため、グラフェン層３と菱面体晶系構造を有する第２の窒化アルミニウム層２が積層している場合、グラフェン層３中のキャリアが、第２の窒化アルミニウム層２側に漏出することが抑制される。よって、グラフェン層３のキャリア移動度を向上させることが可能である。

第１の窒化アルミニウム層１は絶縁性を有する。絶縁性を有する第１の窒化アルミニウム層１の第２の部分１ｂがグラフェン層３の側面に形成されていることで、グラフェン層３のチャネルから他のデバイスにキャリアが漏出するのを防ぐことができるため、グラフェン含有構造体１００と他のデバイスとを電気的に分離することが可能である。

図３に半導体装置１０１の模式図を示す。

グラフェン含有構造体１００と同様の部分は同じ符号を付して説明を省略する。

半導体装置１０１は、グラフェン含有構造体１００にソース電極５、ドレイン電極６、およびゲート電極７をさらに備えたものである。

ソース電極５およびドレイン電極６はグラフェン層３上に設けられる。
ソース電極５とドレイン電極６は、例えば、金属電極である。金属電極は、グラフェン層３の炭素と親和性のある、例えば、タングステン（Ｗ）である。

絶縁層８は、グラフェン層３上にあって、ソース電極５とドレイン電極６の間に設けられる。絶縁層８は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化ハフニウムなどである。絶縁層８は２種類以上の異なる材料を積層したものであっても良い。チャネルから電極へのキャリアの漏出を防ぐため、絶縁層８の厚さは、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

ゲート電極７は、ソース電極５とドレイン電極６の間にあって、絶縁層８上に設けられる。ゲート電極７は、例えば、金属電極である。ゲート電極７は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）からなる群から選択された少なくとも一つを含む。

ゲート電極７に正の電圧を印加した場合、ゲート電極７側のグラフェン層３は電子が誘起される蓄積状態となる。このとき、ソース電極５とドレイン電極６の間に電圧を印加すると、グラフェン層３に含まれるチャネルで電子がソース電極５からドレイン電極６に向かって電子が流れる。よって、半導体装置１０１はＦＥＴとして動作する。

以上のように、グラフェン含有構造体１００にソース電極５、ドレイン電極６、およびゲート電極７をさらに備えることで、半導体装置１０１として動作させることが可能である。

半導体装置１０１において、菱面体晶系構造の第２の窒化アルミニウム層２はダングリングボンドを持たない。そのため、グラフェン層３と菱面体晶系構造を有する第２の窒化アルミニウム層２が積層している場合、グラフェン層３中のキャリアが、第２の窒化アルミニウム層２側に漏出することが抑制される。よって、グラフェン層３のキャリア移動度を向上させることが可能である。

また、第１の窒化アルミニウム層１は絶縁性を有する。絶縁性を有する第１の窒化アルミニウム層１の第２の部分１ｂがグラフェン層３の側面に形成されていることで、グラフェン層３のチャネルから他のデバイスにキャリアが漏出するのを防ぐことができるため、半導体装置１０１と他のデバイスとを電気的に分離することが可能である。

グラフェン層３は、炭化珪素熱分解法により、炭化珪素半導体層４上に結晶成長させることができ、第１の窒化アルミニウム層１および第２の窒化アルミニウム層２は、炭化珪素半導体層４上にＭＯＣＶＤ法等で結晶成長させることができる。そのため、剥離転写法を用いた場合と比較して、グラフェン層３、第１の窒化アルミニウム層１、および第２の窒化アルミニウム層２は大面積で作製することができ、また半導体装置１０１を量産することが可能である。

本実施形態では、グラフェン含有構造体１００を半導体装置１０１に用いた例を示したが、グラフェン含有構造体１００は、ＦＥＴ等の半導体装置に加え、ガスセンサ等の検出装置、光検出装置等にも応用可能である。

本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１窒化物半導体層
２第１の窒化物半導体層
２ａ第１の部分
２ｂ第２の部分
３第２の窒化物半導体層
４グラフェン層
５ソース電極
６ドレイン電極
７ゲート電極
８絶縁層
１００グラフェン含有構造体
１０１半導体装置

Claims

炭化珪素半導体層と、
前記炭化珪素半導体層上にあるグラフェン層と、
前記炭化珪素半導体層と前記グラフェン層との間に設けられた第１の窒化アルミニウム層と、
前記グラフェン層と前記第１の窒化アルミニウム層との間に設けられた第２の窒化アルミニウム層と、
を備えるグラフェン含有構造体。
前記第１の窒化アルミニウム層は六方晶系構造を有する請求項１に記載のグラフェン含有構造体。
前記第２の窒化アルミニウム層は菱面体晶系構造を有する請求項１または請求項２に記載のグラフェン含有構造体。
前記グラフェン層の幅は１ｎｍ以上である請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のグラフェン含有構造体。
前記第２の窒化アルミニウム層の厚さは０ｎｍより大きく１ｎｍ以下である請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のグラフェン含有構造体。
前記第１の窒化アルミニウム層の厚さは２ｎｍ以上１０５ｎｍ以下である請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のグラフェン含有構造体。
前記第１の窒化アルミニウム層は前記グラフェン層及び前記第２の窒化アルミニウム層の側面に延出している請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のグラフェン含有構造体。
炭化珪素半導体層と、
前記炭化珪素半導体層上にあるグラフェン層と、
前記炭化珪素半導体層上にあり、前記グラフェン層と隣接する第１の窒化アルミニウム層と、
前記グラフェン層と前記第１の窒化アルミニウム層との間に設けられた第２の窒化アルミニウム層と、
前記グラフェン層上にある、ソース電極およびドレイン電極と、
前記グラフェン層上にある絶縁層と、
前記絶縁層上にあるゲート電極と、
を備える半導体装置。
炭化珪素熱分解法により、炭化珪素半導体層上にグラフェン層を形成する工程と、
有機金属気相成長法により、前記炭化珪素半導体層と前記グラフェン層との間に菱面体構造の窒化アルミニウム層を形成する工程と、
を備えるグラフェン含有構造体の製造方法。
有機金属気相成長法により、前記菱面体構造の窒化アルミニウム層と前記炭化珪素半導体層の間に六方晶系構造の窒化アルミニウム層を形成する工程をさらに備える請求項９に記載のグラフェン含有構造体の製造方法。