JP7510860B2 - Semiconductor device, information processing device, and method for manufacturing the semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置、情報処理装置、及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, an information processing device, and a method for manufacturing a semiconductor device.

数ナノメートル程度の幅のリボン状のグラフェンはGNR(グラフェンナノリボン)と呼ばれる。グラフェン自体はバンドギャップがないが、GNRは、狭い幅に起因した量子閉じ込め効果によってバンドギャップが生じ、半導体として振る舞うことが知られている。GNRはキャリアの移動度が高いため、GNRをトランジスタのチャネルに使用することにより、高速動作が可能なトランジスタを得ることができる。 Graphene ribbons with a width of about a few nanometers are called GNRs (graphene nanoribbons). Graphene itself does not have a band gap, but GNRs are known to behave as semiconductors because of the quantum confinement effect caused by their narrow width. Because GNRs have high carrier mobility, using GNRs in transistor channels can produce transistors capable of high-speed operation.

シート状のグラフェンをリソグラフィ等で加工してナノメートルオーダの幅のGNRを形成するのは技術的に難しい。そこで、触媒金属の表面で前駆体分子を重合させることによりGNRを形成する方法が報告されている。この方法によればリソグラフィでグラフェンを加工する必要がないため、技術的に容易にGNRを形成することができる。この方法で形成したGNRでFET(Field Effect Transistor)を作製すると、シリコンのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)よりも特性が向上することが報告されている。 It is technically difficult to process sheet-like graphene using lithography or other methods to form GNRs with widths on the order of nanometers. Therefore, a method has been reported in which GNRs are formed by polymerizing precursor molecules on the surface of a catalytic metal. This method does not require processing graphene using lithography, making it technically easy to form GNRs. It has been reported that when GNRs formed using this method are used to make field effect transistors (FETs), their characteristics are improved over silicon metal oxide semiconductor FETs (MOSFETs).

但し、このようにGNRを利用したトランジスタには、ドレイン電流を高めるという点で改善の余地がある。 However, there is still room for improvement in transistors using GNRs in terms of increasing the drain current.

特開2015-101499号公報JP 2015-101499 A 特開2020-47646号公報JP 2020-47646 A

“Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons”, Cai et al., Nature, volume 466, pages 470-473, 2010“Atomically precise bottom-up fabrication of graphene nanoribbons”, Cai et al., Nature, volume 466, pages 470-473, 2010 “Graphene Nanoribbon Tunnel Transistors”, Zhang et al., Electron Device Letters, IEEE, volume 29, pages 1344-1346, 2009“Graphene Nanoribbon Tunnel Transistors”, Zhang et al., Electron Device Letters, IEEE, volume 29, pages 1344-1346, 2009 “States Modulation in Graphene Nanoribbons through Metal Contacts”, Archambault et al, ACS Nano, volume 7, number 6, pages 5414-5420, 2013“States Modulation in Graphene Nanoribbons through Metal Contacts”, Archambault et al, ACS Nano, volume 7, number 6, pages 5414-5420, 2013 “Quasiparticle energies and band gaps in graphene nanoribbons”, Li Yang et al., Physical Review Letters, volume 99, number 18, pages 186801, 2007“Quasiparticle energies and band gaps in graphene nanoribbons”, Li Yang et al., Physical Review Letters, volume 99, number 18, pages 186801, 2007

一側面によれば、ドレイン電流を高めることを目的とする。 According to one aspect, the aim is to increase the drain current.

一側面によれば、複数の第1のグラフェンナノリボンを備えた不純物を含まない真正半導体である第1のグラフェンナノリボン層と、前記第1のグラフェンナノリボンよりもバンドギャップが狭い第2のグラフェンナノリボンを複数備えた不純物を含まない真正半導体である第2のグラフェンナノリボン層とが積層されたチャネル層と、前記チャネル層に接続されたソース電極と、前記チャネル層に接続されたドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層に対向する位置に設けられたゲート電極とを有し、前記ソース電極と前記ドレイン電極のうちの少なくとも一方が、前記第2のグラフェンナノリボン層に接続された半導体装置が提供される。 According to one aspect, a semiconductor device is provided, comprising: a channel layer in which a first graphene nanoribbon layer which is an intrinsic semiconductor containing no impurities and which has a plurality of first graphene nanoribbons; and a second graphene nanoribbon layer which is an intrinsic semiconductor containing no impurities and which has a plurality of second graphene nanoribbons having a band gap narrower than that of the first graphene nanoribbons; a source electrode connected to the channel layer; a drain electrode connected to the channel layer; and a gate electrode provided between the source electrode and the drain electrode and facing the channel layer, wherein at least one of the source electrode and the drain electrode is connected to the second graphene nanoribbon layer.

一側面によれば、ドレイン電流を高めることができる。 According to one aspect, the drain current can be increased.

図1は、GNRの模式平面図である。FIG. 1 is a schematic plan view of a GNR. 図2は、GNRの長さの分布を示す曲線である。FIG. 2 shows a curve showing the distribution of the length of GNRs. 図3(a)は本願発明者が検討したトランジスタの平面図であり、図3(b)はGNR層の断面図である。FIG. 3(a) is a plan view of the transistor investigated by the inventors, and FIG. 3(b) is a cross-sectional view of a GNR layer. 図4(a)~(d)は、GNR層のDOS(Density of States)を密度汎関数法で計算して得られた図である。4(a) to (d) show the density of states (DOS) of the GNR layer calculated by the density functional theory. 図5は、フェルミ面のピン止めによって生じる問題について説明するためのバンド図である。FIG. 5 is a band diagram for explaining the problems caused by Fermi surface pinning. 図6(a)~(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その1)である。6A to 6C are cross-sectional views (part 1) of the semiconductor device according to the first embodiment during its manufacture. 図7(a)~(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その2)である。7A to 7C are cross-sectional views (part 2) of the semiconductor device according to the first embodiment during its manufacture. 図8(a)~(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その3)である。8A to 8C are cross-sectional views (part 3) of the semiconductor device according to the first embodiment during its manufacture. 図9(a)、(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その4)である。9A and 9B are cross-sectional views (part 4) of the semiconductor device according to the first embodiment during its manufacture. 図10(a)~(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その5)である。10A to 10C are cross-sectional views (part 5) of the semiconductor device according to the first embodiment during its manufacture. 図11(a)、(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その6)である。11A and 11B are cross-sectional views (part 6) of the semiconductor device according to the first embodiment during its manufacture. 図12は、第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その7)である。FIG. 12 is a cross-sectional view (part 7) of the semiconductor device according to the first embodiment during manufacturing. 図13(a)、(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その1)である。13A and 13B are plan views (part 1) of the semiconductor device according to the first embodiment during its manufacture. 図14(a)、(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造途中の平面図(その2)である。14A and 14B are plan views (part 2) of the semiconductor device according to the first embodiment during its manufacture. 図15(a)は、第1実施形態に係る第1のGNR層に含まれる第1のGNRの拡大平面図であり、図15(b)は、第1実施形態に係る第2のGNR層に含まれる第2のGNRの拡大平面図である。FIG. 15(a) is an enlarged plan view of a first GNR included in a first GNR layer according to the first embodiment, and FIG. 15(b) is an enlarged plan view of a second GNR included in a second GNR layer according to the first embodiment. 図16(a)はGNRの短手方向の幅とGNRのバンドギャップとの関係を示すグラフであり、図16(b)は第1実施形態に係るチャネル層の拡大断面図である。FIG. 16A is a graph showing the relationship between the width of a GNR in the short direction and the band gap of the GNR, and FIG. 16B is an enlarged cross-sectional view of the channel layer according to the first embodiment. 図17(a)は、比較例に係る半導体装置の特性の調査結果を示すグラフであり、図17(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の特性の調査結果を示すグラフである。FIG. 17A is a graph showing the results of investigating the characteristics of the semiconductor device according to the comparative example, and FIG. 17B is a graph showing the results of investigating the characteristics of the semiconductor device according to the first embodiment. 図18(a)は、第1実施形態における調査で使用した計算モデルの断面図であり、図18(b)は、この計算モデルを使用した場合の第1実施形態に係るチャネル層のDOSを密度汎関数法で計算して得られた図である。FIG. 18( a ) is a cross-sectional view of a calculation model used in the investigation of the first embodiment, and FIG. 18 ( b ) is a diagram obtained by calculating the DOS of the channel layer according to the first embodiment using this calculation model by the density functional method. 図19(a)は、第1実施形態における調査で使用した別の計算モデルの断面図であり、図19(b)は、この計算モデルを使用した場合の第1実施形態に係るチャネル層のDOSを密度汎関数法で計算して得られた図である。FIG. 19( a ) is a cross-sectional view of another calculation model used in the investigation of the first embodiment, and FIG. 19 ( b ) is a diagram obtained by calculating the DOS of the channel layer according to the first embodiment using this calculation model by the density functional method. 図20(a)~(d)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その1)である。20A to 20D are cross-sectional views (part 1) of the semiconductor device according to the second embodiment during its manufacture. 図21(a)~(d)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その2)である。21A to 21D are cross-sectional views (part 2) of the semiconductor device according to the second embodiment during its manufacture. 図22(a)~(d)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その3)である。22A to 22D are cross-sectional views (part 3) of the semiconductor device according to the second embodiment during its manufacture. 図23(a)、(b)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その4)である。23A and 23B are cross-sectional views (part 4) of the semiconductor device according to the second embodiment during its manufacture. 図24(a)、(b)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図(その5)である。24A and 24B are cross-sectional views (part 5) of the semiconductor device according to the second embodiment during its manufacture. 図25は、第3実施形態に係る情報処理装置の模式図である。FIG. 25 is a schematic diagram of an information processing apparatus according to the third embodiment. 図26は、シリコン基板に形成されたMOSFETを備えた半導体装置で量子回路素子を制御する場合の模式図である。FIG. 26 is a schematic diagram of a case where a quantum circuit element is controlled by a semiconductor device having a MOSFET formed on a silicon substrate.

本実施形態の説明に先立ち、基礎となる事項について説明する。 Before explaining this embodiment, we will explain the basics.

図1は、GNRの模式平面図である。
図1に示すように、GNR1は、長さDが幅Wよりも長いリボン状の平面形状を有すると共に、平面内に炭素原子Cの六員環が配置された構造を有する。グラフェン自体はギャップレスであるが、GNR1は幅Wをナノメートルオーダにすると量子閉じ込め効果によって数eV程度のバンドギャップが形成される。
FIG. 1 is a schematic plan view of a GNR.
As shown in Figure 1, GNR1 has a ribbon-like planar shape with a length D longer than its width W, and has a structure in which six-membered rings of carbon atoms C are arranged in a plane. Although graphene itself is gapless, when the width W of GNR1 is made on the order of nanometers, a band gap of about several eV is formed due to the quantum confinement effect.

このようなGNR1の形成方法としては、前述のように触媒金属の表面で前駆体分子を重合させる方法がある。 One method for forming such GNR1 is to polymerize precursor molecules on the surface of a catalytic metal, as mentioned above.

図2は、この方法で形成したGNR1の長さDの分布を示す曲線である。 Figure 2 shows a curve showing the distribution of the length D of GNR1 formed by this method.

図2に示すように、GNR1の長さDの最頻値は20nm程度しかない。20nm程度の長さでは、トランジスタのソース電極とドレイン電極とを接続するのには短すぎ、GNR1をトランジスタのチャネルとして使用することはできない。 As shown in Figure 2, the most common length D of GNR1 is only about 20 nm. A length of about 20 nm is too short to connect the source and drain electrodes of a transistor, and GNR1 cannot be used as a transistor channel.

この問題を解決するため、図3(a)に示すトランジスタについて検討する。 To solve this problem, consider the transistor shown in Figure 3(a).

図3(a)は、本願発明者が検討したトランジスタの平面図である。
このトランジスタ5は、複数のGNR1を備えたGNR層6と、そのGNR層6の上に間隔をおいて設けられたソース電極7及びドレイン電極8とを有する。なお、ソース電極7とドレイン電極8との間にあるゲート電極については図示を省略してある。
FIG. 3A is a plan view of a transistor examined by the present inventors.
This transistor 5 has a GNR layer 6 including a number of GNRs 1, and a source electrode 7 and a drain electrode 8 spaced apart on the GNR layer 6. Note that a gate electrode between the source electrode 7 and the drain electrode 8 is not shown in the figure.

このうち、GNR1は、触媒金属の表面で前駆体分子を重合させることにより形成される。各GNR1は同一面内にあり、GNR層6は1原子層の厚みしかない。 Of these, GNR1 is formed by polymerizing precursor molecules on the surface of a catalytic metal. Each GNR1 is in the same plane, and the GNR layer6 is only one atomic layer thick.

このような構造によれば、複数のGNR1が上下に重なることはなく、上面視で隣同士のGNR1同士が接することによりGNR層6が電気伝導性を有することになる。 With this structure, multiple GNRs 1 do not overlap vertically, and adjacent GNRs 1 are in contact with each other when viewed from above, making the GNR layer 6 electrically conductive.

図3(b)は、GNR層6の断面図である。
炭素の六員環の分子軌道にはπ軌道9がある。そのπ軌道9は、六員環の対称性からGNR1の厚さ方向zに対して伸びる。そのため、厚さ方向zに対して垂直な方向xに並ぶ二つのGNR1の各々のπ軌道9同士は重複せず、重複したπ軌道9を介して電子が二つのGNR1を流れることができない。
FIG. 3( b ) is a cross-sectional view of a GNR layer 6 .
The molecular orbital of a six-membered carbon ring has a π orbital 9. Due to the symmetry of the six-membered ring, the π orbital 9 extends in the thickness direction z of the GNR 1. Therefore, the π orbitals 9 of two GNRs 1 aligned in the direction x perpendicular to the thickness direction z do not overlap, and electrons cannot flow between the two GNRs 1 via the overlapped π orbitals 9.

その結果、ホッピング伝導により電子が二つのGNR1を伝導するようになるため、GNR層6の電気伝導性が極めて悪くなり、トランジスタ5のドレイン電流は極めて小さくなる。 As a result, electrons are conducted through two GNRs 1 by hopping conduction, so the electrical conductivity of the GNR layer 6 becomes extremely poor, and the drain current of the transistor 5 becomes extremely small.

また、このGNR層6には次のような問題もある。
図4(a)~(d)は、GNR層6のDOS(Density of States)を密度汎関数法で計算して得られた図である。
Furthermore, the GNR layer 6 has the following problems.
4(a) to (d) are diagrams obtained by calculating the DOS (Density of States) of the GNR layer 6 using the density functional method.

このうち、図4(a)は、ソース電極7とドレイン電極8とを形成しない場合のGNR層6のDOSである。この場合は、LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)とHOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)の各々からほぼ等しい位置にフェルミ面Fが存在しており特に問題はない。 Figure 4(a) shows the DOS of the GNR layer 6 when the source electrode 7 and drain electrode 8 are not formed. In this case, the Fermi surface F exists at a position almost equal to the LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) and the HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital), so there is no particular problem.

一方、図4(b)~(d)は、ソース電極7とドレイン電極8とを形成した場合のGNR層6のDOSである。図4(b)はソース電極7とドレイン電極8の各々の材料として金を使用した場合のDOSであり、図4(c)はソース電極7とドレイン電極8の各々の材料としてパラジウムを使用した場合のDOSである。そして、図4(d)は、ソース電極7とドレイン電極8の各々の材料としてチタンを使用した場合のDOSである。 On the other hand, Figures 4(b) to (d) show the DOS of the GNR layer 6 when the source electrode 7 and drain electrode 8 are formed. Figure 4(b) shows the DOS when gold is used as the material for each of the source electrode 7 and drain electrode 8, and Figure 4(c) shows the DOS when palladium is used as the material for each of the source electrode 7 and drain electrode 8. And Figure 4(d) shows the DOS when titanium is used as the material for each of the source electrode 7 and drain electrode 8.

図4(b)~(d)においては、ソース電極7とドレイン電極8の各材料がGNR1と反応し、MIGS(Metal-Induced Gap State)と呼ばれるギャップ内準位が形成される。その結果、フェルミ面がMIGSにピン止めされてしまい、HOMOとLUMOのいずれかに偏った位置にフェルミ面Fが位置してしまう。 In Figures 4(b) to (d), the materials of the source electrode 7 and drain electrode 8 react with the GNR 1, forming an in-gap state called MIGS (Metal-Induced Gap State). As a result, the Fermi surface is pinned to the MIGS, and the Fermi surface F is positioned toward either the HOMO or the LUMO.

図5は、フェルミ面のピン止めによって生じる問題について説明するためのバンド図である。 Figure 5 is a band diagram to explain the problems caused by Fermi surface pinning.

図5に例示するように、ピン止めによってGNR層6のHOMOとLUMOの各々のバンドが曲がってしまい、ソース電極7とGNR層6との間にショットキー障壁Vが形成される。この状態でソース電極7からGNR層6にホールを注入するには、曲がったバンドをフラットにするための強い電界をソースドレイン間に印加する必要が生じ、トランジスタの駆動電圧が高くなってしまう。 As shown in Figure 5, the HOMO and LUMO bands of the GNR layer 6 are bent by pinning, forming a Schottky barrier V between the source electrode 7 and the GNR layer 6. In order to inject holes from the source electrode 7 into the GNR layer 6 in this state, a strong electric field must be applied between the source and drain to flatten the bent bands, which increases the driving voltage of the transistor.

以下に、これらの問題を解消し得る各実施形態について説明する。 Below, we explain some embodiments that can solve these problems.

(第1実施形態)
本実施形態では、GNRをチャネル層に利用した半導体装置を以下のようにして製造する。
First Embodiment
In this embodiment, a semiconductor device using GNRs in a channel layer is manufactured as follows.

図6~図12は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。 Figures 6 to 12 are cross-sectional views of the semiconductor device according to this embodiment during manufacturing.

まず、図6(a)に示すように、第1の支持基板10として厚さが500μm~600μm程度のマイカ基板を用意する。そして、第1の支持基板10の上に第1の触媒金属層11として金層を蒸着法で200nm程度の厚さに形成する。 First, as shown in FIG. 6(a), a mica substrate with a thickness of about 500 μm to 600 μm is prepared as the first support substrate 10. Then, a gold layer is formed on the first support substrate 10 as the first catalytic metal layer 11 by vapor deposition to a thickness of about 200 nm.

第1の触媒金属層11の面方位は特に限定されないが、本実施形態では第1の触媒金属層11の表面11aに金の(111)面が現れるようにする。なお、(111)面に代えて、(110)面や(778)面等の金の高指数面が表面11aに現れるようにしてもよい。その後、表面11aを真空中で清浄化する。 The surface orientation of the first catalytic metal layer 11 is not particularly limited, but in this embodiment, the (111) gold surface is made to appear on the surface 11a of the first catalytic metal layer 11. Note that instead of the (111) surface, a high-index gold surface such as the (110) surface or the (778) surface may be made to appear on the surface 11a. The surface 11a is then cleaned in a vacuum.

次に、図6(b)に示すように、真空中で第1の触媒金属層11を200℃程度に加熱する。そして、この状態で第1の前駆体分子のモノマーを表面11aに蒸着することにより、第1の触媒金属層11の上に第1の分子層12を一分子層程度の厚さに形成する。 Next, as shown in FIG. 6(b), the first catalytic metal layer 11 is heated to about 200°C in a vacuum. Then, in this state, a monomer of the first precursor molecule is vapor-deposited onto the surface 11a, thereby forming a first molecular layer 12 on the first catalytic metal layer 11 to a thickness of about one molecular layer.

その第1の前駆体分子として、本実施形態では3’,6’-dibromo-1,1’:2’,1”-terphenylや1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzene等のハロゲン基として臭素を含む芳香族化合物を使用する。 In this embodiment, the first precursor molecule is an aromatic compound containing bromine as a halogen group, such as 3',6'-dibromo-1,1':2',1"-terphenyl or 1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzene.

これらの芳香族化合物を使用すると、第1の分子層12において芳香族化合物からハロゲンが脱離してUllmann反応が生じ、芳香族化合物のポリマーが形成される。 When these aromatic compounds are used, halogens are eliminated from the aromatic compounds in the first molecular layer 12, causing the Ullmann reaction to occur, forming a polymer of the aromatic compounds.

次いで、図6(c)に示すように、第1の触媒金属層11の温度を350℃~450℃程度にまで加熱し、第1の分子層12に含まれる芳香族化合物から水素を脱離させる。これにより第1の触媒金属層11の触媒作用によって第1の分子層12が芳香環化し、第1の触媒金属層11の上に複数の第1のGNR13が形成される。その第1のGNR13は、不純物を含まない真正半導体である。 Next, as shown in FIG. 6(c), the temperature of the first catalytic metal layer 11 is heated to about 350°C to 450°C, and hydrogen is desorbed from the aromatic compounds contained in the first molecular layer 12. As a result, the first molecular layer 12 is aromaticized by the catalytic action of the first catalytic metal layer 11, and multiple first GNRs 13 are formed on the first catalytic metal layer 11. The first GNRs 13 are intrinsic semiconductors that do not contain impurities.

また、このように第1の触媒金属層11の触媒作用を利用すると、第1の分子層12に含まれる複数のポリマーのうち、第1の触媒金属層11に接しているポリマーのみが芳香環化により第1のGNR13となる。そのため、第1のGNR13の厚さは1分子層の厚さとなる。 In addition, when the catalytic action of the first catalytic metal layer 11 is utilized in this manner, among the multiple polymers contained in the first molecular layer 12, only the polymer in contact with the first catalytic metal layer 11 becomes the first GNR 13 through aromatization. Therefore, the thickness of the first GNR 13 is the thickness of one molecular layer.

ここまでの工程により、複数の第1のGNR13を備えた第1のGNR(グラフェンナノリボン)層14が形成されたことになる。 By carrying out the steps up to this point, a first GNR (graphene nanoribbon) layer 14 having a plurality of first GNRs 13 has been formed.

図13(a)は、第1のGNR層14の平面図である。
図13(a)に示すように、第1のGNR層14に含まれる複数の第1のGNR13の各々は、平面視でランダムな方向に延在する。
FIG. 13( a ) is a plan view of the first GNR layer 14 .
As shown in FIG. 13A, each of the multiple first GNRs 13 included in the first GNR layer 14 extends in a random direction in a plan view.

この後は、第1のGNR層14と積層する第2のGNR層を以下のようにして形成する。 Then, the second GNR layer to be laminated with the first GNR layer 14 is formed as follows.

まず、図7(a)に示すように、第2の支持基板20として厚さが500μm~600μm程度のマイカ基板を用意し、その上に第2の触媒金属層21として金層を蒸着法で200nm程度の厚さに形成する。 First, as shown in FIG. 7(a), a mica substrate with a thickness of about 500 μm to 600 μm is prepared as the second support substrate 20, and a gold layer is formed on top of it by vapor deposition to a thickness of about 200 nm as the second catalytic metal layer 21.

第2の触媒金属層21の面方位は特に限定されない。本実施形態では、第1の触媒金属層11と同様に、第2の触媒金属層21の表面21aに金の(111)面が現れるようにする。なお、(111)面に代えて、(110)面や(778)面等の金の高指数面が表面21aに現れるようにしてもよい。その後、表面21aを真空中で清浄化する。 The plane orientation of the second catalytic metal layer 21 is not particularly limited. In this embodiment, similar to the first catalytic metal layer 11, the (111) plane of gold is made to appear on the surface 21a of the second catalytic metal layer 21. Note that instead of the (111) plane, a high-index plane of gold, such as the (110) plane or the (778) plane, may be made to appear on the surface 21a. Thereafter, the surface 21a is cleaned in a vacuum.

次に、図7(b)に示すように、真空中で第2の触媒金属層21を200℃程度に加熱する。そして、この状態で第2の前駆体分子のモノマーを表面21aに蒸着することにより、第2の触媒金属層21の上に第2の分子層22を一分子層程度の厚さに形成する。 Next, as shown in FIG. 7(b), the second catalytic metal layer 21 is heated to about 200°C in a vacuum. Then, in this state, a monomer of the second precursor molecule is vapor-deposited onto the surface 21a, thereby forming a second molecular layer 22 on the second catalytic metal layer 21 to a thickness of about one molecular layer.

第1の分子層12を形成する第1の前駆体分子と同様に、本実施形態ではハロゲン基として臭素を含む芳香族化合物を第2の前駆体分子として使用する。そのような芳香族化合物としては、前述の3’,6’-dibromo-1,1’:2’,1”-terphenylや1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzeneがある。 Similar to the first precursor molecule that forms the first molecular layer 12, in this embodiment, an aromatic compound containing bromine as a halogen group is used as the second precursor molecule. Examples of such aromatic compounds include the aforementioned 3',6'-dibromo-1,1':2',1"-terphenyl and 1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzene.

これらの芳香族化合物を使用すると、第2の分子層22において芳香族化合物からハロゲンが脱離してUllmann反応が生じ、芳香族化合物のポリマーが形成される。 When these aromatic compounds are used, halogens are eliminated from the aromatic compounds in the second molecular layer 22, causing the Ullmann reaction to occur, forming a polymer of the aromatic compounds.

次いで、図7(c)に示すように、第2の触媒金属層21の温度を350℃~450℃程度にまで加熱し、第2の分子層22に含まれる芳香族化合物から水素を脱離させる。これにより第2の触媒金属層21の触媒作用によって第2の分子層22が芳香環化し、第2の触媒金属層21の上に複数の第2のGNR23が1分子層の厚さに形成される。第1のGNR13と同様に、第2のGNR23も不純物を含まない真正半導体である。 Next, as shown in FIG. 7(c), the temperature of the second catalytic metal layer 21 is heated to approximately 350°C to 450°C, and hydrogen is desorbed from the aromatic compounds contained in the second molecular layer 22. This causes the second molecular layer 22 to be aromaticized by the catalytic action of the second catalytic metal layer 21, and multiple second GNRs 23 are formed on the second catalytic metal layer 21 to a thickness of one molecular layer. Like the first GNRs 13, the second GNRs 23 are also true semiconductors that do not contain impurities.

ここまでの工程により、複数の第2のGNR23を備えた第2のGNR(グラフェンナノリボン)層24が形成されたことになる。 By carrying out the steps up to this point, a second GNR (graphene nanoribbon) layer 24 having a plurality of second GNRs 23 has been formed.

図13(b)は、第2のGNR層24の平面図である。
図13(b)に示すように、第2のGNR層24に含まれる複数の第2のGNR23の各々は平面視でランダムな方向に延在する。
FIG. 13( b ) is a top view of second GNR layer 24 .
As shown in FIG. 13B, each of the second GNRs 23 included in the second GNR layer 24 extends in a random direction in a plan view.

次に、図8(a)に示すように、第2のGNR層24の上にレジストをスピンコート法で塗布し、それをキュアすることにより支持層25を形成する。そのレジストの材料として、本実施形態ではPMMA(ポリメチルメタクリレート)を使用する。 Next, as shown in FIG. 8(a), a resist is applied onto the second GNR layer 24 by spin coating and then cured to form a support layer 25. In this embodiment, PMMA (polymethyl methacrylate) is used as the material for the resist.

続いて、図8(b)に示すように、塩酸やフッ酸等の酸で第2の支持基板20を溶解して除去する。 Next, as shown in FIG. 8(b), the second support substrate 20 is dissolved and removed using an acid such as hydrochloric acid or hydrofluoric acid.

そして、図8(c)に示すように、ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液で第2の触媒金属層21を溶解して除去する。 Then, as shown in FIG. 8(c), the second catalytic metal layer 21 is dissolved and removed using an aqueous solution of iodine and potassium iodide.

以上により、第2のGNR層24が支持層25で支持された構造が得られる。この後は、第1のGNR層14と第2のGNR層24とを積層する工程に移る。 As a result of the above, a structure is obtained in which the second GNR layer 24 is supported by the support layer 25. After this, the process moves to laminating the first GNR layer 14 and the second GNR layer 24.

まず、図9(a)に示すように、水31を溜めた容器30を用意し、第1のGNR層14を第1の支持基板10と共に水31に浸漬する。そして、第2のGNR層24を下にして支持層25を水31に浮かべる。このとき、本実施形態では第2のGNR層24が支持層25で支持されているため第2のGNR層24の取り扱いが容易となり、簡単に水31に浮かべることができる。 First, as shown in FIG. 9(a), a container 30 containing water 31 is prepared, and the first GNR layer 14 is immersed in the water 31 together with the first support substrate 10. Then, the support layer 25 is floated in the water 31 with the second GNR layer 24 facing down. At this time, in this embodiment, since the second GNR layer 24 is supported by the support layer 25, the second GNR layer 24 is easy to handle and can be easily floated in the water 31.

次に、図9(b)に示すように、第1の支持基板10を水31から引き上げることにより、第1のGNR層14で第2のGNR層24を水31から大気中にすくい上げる。これにより、第1のGNR層14と第2のGNR層24との間に残存する僅かな水を介して各GNR層14、24が相互に密着し、これらのGNR層14、24を積層したチャネル層33を得ることができる。 Next, as shown in FIG. 9(b), the first support substrate 10 is lifted out of the water 31, and the first GNR layer 14 scoops up the second GNR layer 24 from the water 31 into the air. This allows the first GNR layer 14 and the second GNR layer 24 to adhere to each other via the small amount of water remaining between them, and a channel layer 33 can be obtained in which these GNR layers 14 and 24 are stacked.

前述のように各GNR13、23は真正半導体であるため、これらのGNR13、23から形成されるチャネル層33も不純物を含まない真正半導体となる。 As mentioned above, each GNR 13, 23 is an intrinsic semiconductor, so the channel layer 33 formed from these GNRs 13, 23 is also an intrinsic semiconductor that does not contain impurities.

その後に、各GNR層14、24の各々を大気中で80℃程度の温度に加熱することにより両者の間に残存する水を乾燥させ、各GNR層14、24をファンデルワールス力で相互に確実に密着させる。 Then, each of the GNR layers 14, 24 is heated to a temperature of about 80°C in the atmosphere to dry any water remaining between them, and the GNR layers 14, 24 are securely attached to each other by van der Waals forces.

図14(a)は、チャネル層33の平面図である。
図14(a)に示すように、チャネル層33においては、第1のGNR13と第2のGNR23とが平面視で交差する。
FIG. 14A is a plan view of the channel layer 33.
As shown in FIG. 14( a ), in the channel layer 33 , the first GNR 13 and the second GNR 23 intersect in a plan view.

次に、図10(a)に示すように、塩酸やフッ酸等の酸で第1の支持基板10を溶解して除去する。 Next, as shown in FIG. 10(a), the first support substrate 10 is dissolved and removed using an acid such as hydrochloric acid or hydrofluoric acid.

更に、図10(b)に示すように、ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液で第1の触媒金属層11を溶解して除去する。 Furthermore, as shown in FIG. 10(b), the first catalytic metal layer 11 is dissolved and removed using an aqueous solution of iodine and potassium iodide.

次いで、図10(c)に示すように、シリコン基板35aの上に酸化シリコン層35bが形成された基板35を用意し、その基板35の表面35cにチャネル層33を載置する。これにより、表面35cとチャネル層33との間のファンデルワールス力によってチャネル層33が基板35に貼付されることになる。 Next, as shown in FIG. 10(c), a substrate 35 is prepared in which a silicon oxide layer 35b is formed on a silicon substrate 35a, and a channel layer 33 is placed on a surface 35c of the substrate 35. As a result, the channel layer 33 is attached to the substrate 35 by the van der Waals force between the surface 35c and the channel layer 33.

次に、図11(a)に示すように、アセトンで支持層25を溶解して除去する。 Next, as shown in FIG. 11(a), the support layer 25 is dissolved and removed with acetone.

続いて、図11(b)に示すように、チャネル層33の上側全面に蒸着法で金層を形成し、リフトオフ法でその金層をパターニングすることにより、チャネル層33の上にソース電極36とドレイン電極37とを形成する。なお、金層に代えてパラジウム層でソース電極36とドレイン電極37とを形成してもよい。 11(b), a gold layer is formed on the entire upper surface of the channel layer 33 by vapor deposition, and the gold layer is patterned by lift-off to form a source electrode 36 and a drain electrode 37 on the channel layer 33. Note that the source electrode 36 and the drain electrode 37 may be formed of a palladium layer instead of a gold layer.

図14(b)は、本工程を終了した時点でのチャネル層33の平面図である。 Figure 14(b) is a plan view of the channel layer 33 at the end of this process.

前述のように、チャネル層33においては第1のGNR13と第2のGNR23とが平面視で交差している。そのため、各GNR13、23の長さがソース電極36とドレイン電極37との間隔Lより短い場合でも、各GNR13、23を介してソース電極36とドレイン電極37とを接続できる。 As described above, the first GNR 13 and the second GNR 23 intersect in a planar view in the channel layer 33. Therefore, even if the length of each GNR 13, 23 is shorter than the distance L between the source electrode 36 and the drain electrode 37, the source electrode 36 and the drain electrode 37 can be connected via each GNR 13, 23.

次に、図12に示すように、ソース電極36とドレイン電極37の間のチャネル層33の上にゲート絶縁層38として酸化ハフニウム層をALD(Atomic Layer Deposition)法で形成する。なお、ゲート絶縁層38は酸化ハフニウム層に限定されない。例えば、六方晶窒化ホウ素層の単結晶層をゲート絶縁層38としてチャネル層33に貼付してもよい。 Next, as shown in FIG. 12, a hafnium oxide layer is formed as a gate insulating layer 38 on the channel layer 33 between the source electrode 36 and the drain electrode 37 by the ALD (Atomic Layer Deposition) method. Note that the gate insulating layer 38 is not limited to a hafnium oxide layer. For example, a single crystal layer of a hexagonal boron nitride layer may be attached to the channel layer 33 as the gate insulating layer 38.

その後に、ゲート絶縁層38の上にゲート電極39として金層を蒸着法で形成することにより、ゲート電極39をチャネル層33に対向させる。なお、金層に代えて、プラチナ層又はアルミニウム層をゲート電極39として形成してもよい。 After that, a gold layer is formed as a gate electrode 39 on the gate insulating layer 38 by vapor deposition, so that the gate electrode 39 faces the channel layer 33. Note that instead of the gold layer, a platinum layer or an aluminum layer may be formed as the gate electrode 39.

以上により、本実施形態に係る半導体装置40の基本構造が完成する。
この半導体装置40は、FETであって、第1のGNR層14と第2のGNR層24とを積層したチャネル層33を有する。
With the above steps, the basic structure of the semiconductor device 40 according to this embodiment is completed.
This semiconductor device 40 is a FET and has a channel layer 33 in which a first GNR layer 14 and a second GNR layer 24 are laminated.

図15(a)は、第1のGNR層14に含まれる第1のGNR13の拡大平面図である。 Figure 15(a) is an enlarged plan view of the first GNR 13 included in the first GNR layer 14.

図15(a)に示すように、第1のGNR13は、基板35の表面35cに平行な第1の面P1内に炭素原子Cの六員環を複数備える。 As shown in FIG. 15(a), the first GNR 13 has multiple six-membered rings of carbon atoms C in a first plane P1 parallel to the surface 35c of the substrate 35.

その第1のGNR13の短手方向Y1に沿った炭素原子Cの個数N1は、第1のGNR13の成膜に使用する第1の前駆体分子で制御できる。なお、個数N1を計数する場合には、線M1のように短手方向Y1に沿って隣接する炭素原子Cを数え上げるものとする。 The number N1 of carbon atoms C along the short-side direction Y1 of the first GNR 13 can be controlled by the first precursor molecule used to deposit the first GNR 13. Note that when counting the number N1 , adjacent carbon atoms C along the short-side direction Y1 are counted as shown by line M1.

例えば、3’,6’-dibromo-1,1’:2’,1”-terphenylから第1のGNR13を形成すると個数N1は9個となる。このように短手方向に沿った炭素原子Cの個数N1が9個のGNRは「N9」とも呼ばれる。 For example, when the first GNR 13 is formed from 3',6'-dibromo-1,1':2',1"-terphenyl, the number N1 is 9. A GNR in which the number N1 of carbon atoms C along the short side is 9 is also called an "N9" GNR.

また、1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzeneから第1のGNR13を形成すると個数N1が17個となり、「N17」の第1のGNR13を得ることができる。 Furthermore, when the first GNRs 13 are formed from 1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzene, the number N1 becomes 17, and it is possible to obtain the first GNRs 13 with “N17”.

図15(b)は、第2のGNR層24に含まれる第2のGNR23の拡大平面図である。 Figure 15(b) is an enlarged plan view of the second GNR 23 included in the second GNR layer 24.

第1のGNR13と同様に、第2のGNR23は、基板35の表面35cと第1の面P1の各々に平行な第2の面P2内に炭素原子Cの六員環を複数備える。 Similar to the first GNR 13, the second GNR 23 has multiple hexagonal rings of carbon atoms C in a second plane P2 that is parallel to both the surface 35c of the substrate 35 and the first plane P1.

第1のGNR13と同様に、第2のGNR23の短手方向Y2に沿った炭素原子Cの個数N2は、第2のGNR23の成膜に使用した第2の前駆体分子で制御できる。例えば、3’,6’-dibromo-1,1’:2’,1”-terphenylを使用すると「N9」の第2のGNR23となり、1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzeneを使用すると「N17」の第2のGNR23となる。 Similar to the first GNR 13, the number N2 of carbon atoms C along the short axis Y2 of the second GNR 23 can be controlled by the second precursor molecule used to deposit the second GNR 23. For example, the use of 3',6'-dibromo-1,1':2',1"-terphenyl results in the second GNR 23 of "N9", and the use of 1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzene results in the second GNR 23 of "N17".

なお、個数N2を計数する場合には、線M2のように短手方向Y2に沿って隣接する炭素原子Cを数え上げるものとする。 When counting the number N2 , the carbon atoms C adjacent to each other along the short direction Y2, as shown by the line M2, are counted.

図16(a)は、GNRの短手方向の幅とGNRのバンドギャップとの関係を示すグラフである。 Figure 16(a) is a graph showing the relationship between the width of the GNR in the short direction and the band gap of the GNR.

図16(a)においては、GNRの短手方向の沿った炭素原子Cの個数Nが、整数pを利用して3p、3p+1、及び3p+2の各々で表現される各系列のグラフを併記してある。 Figure 16(a) also shows graphs of each series in which the number N of carbon atoms C along the short side of the GNR is expressed as 3p, 3p+1, and 3p+2, respectively, using an integer p.

例えば、3pのグラフは、Nの値が3、6、9、…のときのバンドギャップを示すグラフである。また、3p+1のグラフは、Nの値が1、4、7、…のときのバンドギャップを示すグラフである。そして、3p+2のグラフは、Nの値が2、5、7、…のときのバンドギャップを示すグラフである。 For example, the 3p graph shows the band gap when N is 3, 6, 9, .... The 3p+1 graph shows the band gap when N is 1, 4, 7, .... The 3p+2 graph shows the band gap when N is 2, 5, 7, ....

図16(a)に示すように、3p、3p+1、及び3p+2のいずれの系列においても、幅が狭いほどバンドギャップが大きくなる。但し、同一の幅で見た場合は、3p、3p+2、及び3p+1の系列の順にバンドギャップが大きくなる。 As shown in FIG. 16(a), in the 3p, 3p+1, and 3p+2 series, the narrower the width, the larger the band gap. However, when viewed at the same width, the band gap increases in the order of 3p, 3p+2, and 3p+1.

よって、第1のGNR13のバンドギャップは、幅を定める個数N1の値と、その個数N1が属する系列(3p、3p+1、及び3p+2)とを選択することにより制御できる。これらは第1のGNR13を形成するときに使用する第1の前駆体分子の種類で制御できる。例えば、第1の前駆体分子として3’,6’-dibromo-1,1’:2’,1”-terphenylを使用するとN1=9となり、N1が属する系列が「3p」となる。また、第1の前駆体分子として1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzeneを使用するとN1=17となり、個数N1が属する系列が「3p+2」となる。 Thus, the band gap of the first GNR 13 can be controlled by selecting the value of the number N1 that determines the width and the series (3p, 3p+1, and 3p+2) to which the number N1 belongs. These can be controlled by the type of first precursor molecule used to form the first GNR 13. For example, when 3',6'-dibromo-1,1':2',1"-terphenyl is used as the first precursor molecule, N1 = 9, and the series to which N1 belongs is "3p". When 1,2-bis-(2-anthracenyl)-3,6-dibromobenzene is used as the first precursor molecule, N1 = 17, and the series to which the number N1 belongs is "3p+2".

これと同様に、第2のGNR23のバンドギャップも、幅を定める個数N2の値と、その個数N2が属する系列(3p、3p+1、及び3p+2)とを選択することにより制御できる。 Similarly, the bandgap of the second GNR 23 can be controlled by selecting the value of the number N2 that defines its width and the series (3p, 3p+1, and 3p+2) to which it belongs.

このようにバンドギャップを制御することにより、本実施形態では第2のGNR23のバンドギャップを第1のGNR13のバンドギャップよりも小さくする。これにより、第2のGNR23に接続されたソース電極36からチャネル層33にホールを注入するときの障壁が小さくなり、チャネル層33に効率的にホールを注入できる。 By controlling the band gap in this manner, in this embodiment, the band gap of the second GNR 23 is made smaller than the band gap of the first GNR 13. This reduces the barrier when injecting holes from the source electrode 36 connected to the second GNR 23 into the channel layer 33, allowing holes to be injected into the channel layer 33 efficiently.

なお、図12の例ではドレイン電極37が第2のGNR層24に接続されていない例を示しているが、ソース電極36とドレイン電極37の少なくとも一方が第2のGNR層24に接続されればよい。これにより、ソース電極36とドレイン電極37のうち、第2のGNR層24と接続されている方の電極からチャネル層33に効率的にキャリアを注入できる。 In the example of FIG. 12, the drain electrode 37 is not connected to the second GNR layer 24, but at least one of the source electrode 36 and the drain electrode 37 may be connected to the second GNR layer 24. This allows carriers to be efficiently injected into the channel layer 33 from the electrode connected to the second GNR layer 24, out of the source electrode 36 and the drain electrode 37.

また、図16(a)によれば、以下の(1)~(3)の条件のいずれかを採用することにより、凡そ第2のGNR23のバンドギャップを第1のGNR13のバンドギャップよりも小さくできる。 Furthermore, according to FIG. 16(a), by adopting any one of the following conditions (1) to (3), the band gap of the second GNR 23 can be made approximately smaller than the band gap of the first GNR 13.

(1)N1=3p+1のとき
個数N2は、3p+1の系列に属するN2>N1の自然数。又は、個数N2は、3pと3p+1のいずれかの系列に属する自然数。
(1) When N1 = 3p+1, the number N2 is a natural number that belongs to the 3p+1 series, N2 > N1 . Or, the number N2 is a natural number that belongs to either the 3p or 3p+1 series.

(2)N1=3pのとき
個数N2は、3pの系列に属するN2>N1の自然数。又は、個数N2は、3p+2の系列に属する自然数。
(2) When N1 = 3p, the number N2 is a natural number that belongs to the 3p series, N2 > N1 . Or, the number N2 is a natural number that belongs to the 3p + 2 series.

(3)N1=3p+2のとき
個数N2は、3p+2の系列に属するN2>N1の自然数。
(3) When N1 = 3p+2, the number N2 is a natural number that belongs to the 3p+2 series, N2 > N1 .

次に、チャネル層33の伝導性について説明する。
図16(b)は、チャネル層33の拡大断面図である。
図16(b)に示すように、第1のGNR13のπ軌道13pは、炭素の六員環の空間対称性に起因して、該六員環が位置する面P1に垂直な方向Z1に向かって伸びる。同様の理由により、第2のGNR23のπ軌道23pも面P2に垂直な方向Z2に向かって伸びる。
Next, the conductivity of the channel layer 33 will be described.
FIG. 16B is an enlarged cross-sectional view of the channel layer 33.
16(b), the π orbital 13p of the first GNR 13 extends in a direction Z1 perpendicular to the plane P1 in which the carbon hexagon is located, due to the spatial symmetry of the carbon hexagon. For the same reason, the π orbital 23p of the second GNR 23 also extends in a direction Z2 perpendicular to the plane P2.

その結果、本実施形態ではπ軌道13p、23p同士が相互に重複し、上下に隣接する各GNR13、23を電子が移動するのが容易になる。そのため、単層の第1のGNR層14の内部や単層の第2のGNR層24の内部を電子がホッピング伝導する場合と比較して、チャネル層33の全体の電気伝導性を高めることができる。 As a result, in this embodiment, the π orbitals 13p and 23p overlap each other, making it easier for electrons to move between adjacent GNRs 13 and 23. Therefore, the overall electrical conductivity of the channel layer 33 can be improved compared to when electrons are hopping-conducted inside the single first GNR layer 14 or inside the single second GNR layer 24.

本願発明者は、これを確かめるために半導体装置40の特性を調査した。その調査では、比較例として、チャネル層33として単層の第1のGNR層14のみを使用した場合も調べた。 The inventors of the present application investigated the characteristics of the semiconductor device 40 to confirm this. In the investigation, as a comparative example, a case was also investigated in which only a single first GNR layer 14 was used as the channel layer 33.

図17(a)は、その比較例に係る半導体装置40の特性の調査結果を示すグラフである。このグラフの横軸は、ソース電極36とドレイン電極37との間の電圧として定義されるドレイン電圧である。また、グラフの縦軸は、ソース電極36とドレイン電極37との間を流れるドレイン電流である。なお、ソース電極36とドレイン電極37との間隔L(図14(b)参照)は0.5μmとした。本願発明者は、ゲート電極を様々に変えることにより複数のグラフを得た。 Figure 17(a) is a graph showing the results of an investigation into the characteristics of the semiconductor device 40 according to the comparative example. The horizontal axis of this graph is the drain voltage, defined as the voltage between the source electrode 36 and the drain electrode 37. The vertical axis of the graph is the drain current flowing between the source electrode 36 and the drain electrode 37. The distance L between the source electrode 36 and the drain electrode 37 (see Figure 14(b)) was set to 0.5 μm. The inventors of the present application obtained multiple graphs by changing the gate electrode in various ways.

図17(a)に示すように、この比較例においては、ドレイン電流の大きさが最大でも40pA程度しかない。このように小さなドレイン電流しか得られないのは、比較例では単層の第1のGNR層14に含まれる複数の第1のGNR13の各々を電子がホッピング伝導するためと考えられる。 As shown in FIG. 17(a), in this comparative example, the magnitude of the drain current is only about 40 pA at most. The reason why only such a small drain current is obtained is thought to be that in the comparative example, electrons are conducted by hopping through each of the multiple first GNRs 13 contained in the single-layer first GNR layer 14.

一方、図17(b)は、図17(a)におけるのと同じ調査を本実施形態に係る半導体装置40に対して行って得られたグラフである。そのグラフの縦軸と横軸の意味は図17(a)におけるのと同じなのでその説明は省略する。また、比較例と同様に、ソース電極36とドレイン電極37との間隔Lは0.5μmとした。 On the other hand, FIG. 17(b) is a graph obtained by carrying out the same investigation as in FIG. 17(a) on the semiconductor device 40 according to this embodiment. The meanings of the vertical and horizontal axes of the graph are the same as those in FIG. 17(a), so the explanation is omitted. Also, as in the comparative example, the distance L between the source electrode 36 and the drain electrode 37 was set to 0.5 μm.

図17(b)に示すように、本実施形態においてはドレイン電流の大きさが最大で3nAとなっており、比較例と比べてドレイン電流が二けたも増大している。 As shown in FIG. 17(b), in this embodiment, the magnitude of the drain current is a maximum of 3 nA, which is a two-digit increase compared to the comparative example.

本実施形態では各GNR層14、24を積層してチャネル層33としているため、比較例と比べてチャネル層33の厚さは2倍程度しか増加していない。これにも関わらず比較例よりもドレイン電流が二けたも増大したのは、本実施形態では図16(b)のように各GNR13、23のπ軌道13p、23p同士が重複し、チャネル層33の電気伝導性が高められたためと考えられる。 In this embodiment, the GNR layers 14 and 24 are stacked to form the channel layer 33, so the thickness of the channel layer 33 is only about twice as thick as in the comparative example. Despite this, the drain current is two orders of magnitude higher than in the comparative example. This is thought to be because in this embodiment, the π orbitals 13p and 23p of the GNRs 13 and 23 overlap as shown in FIG. 16(b), enhancing the electrical conductivity of the channel layer 33.

また、本願発明者は、本実施形態に係るチャネル層33においてフェルミ面のピン止めがどの程度生じているのかを以下のように調査した。 The inventors of the present application also investigated the extent to which Fermi surface pinning occurs in the channel layer 33 according to this embodiment as follows.

図18(a)は、その調査で使用した計算モデルの断面図である。
この例では、ソース電極36やドレイン電極37を形成する金属原子43としてパラジウム原子を想定している。また、短手方向Y1(図15(a)参照)に沿った第1のGNR層14の炭素原子の個数N1を9とし、短手方向Y2(図15(b)参照)に沿った第2のGNR層24の炭素原子の個数N2を11とした。
FIG. 18(a) is a cross-sectional view of the computational model used in the study.
In this example, palladium atoms are assumed as the metal atoms 43 forming the source electrode 36 and the drain electrode 37. The number N1 of carbon atoms in the first GNR layer 14 along the short side direction Y1 (see FIG. 15(a)) is set to 9, and the number N2 of carbon atoms in the second GNR layer 24 along the short side direction Y2 (see FIG. 15(b)) is set to 11.

図18(b)は、この場合のチャネル層33のDOSを密度汎関数法で計算して得られた図である。 Figure 18(b) shows the DOS of the channel layer 33 in this case, calculated using the density functional theory.

図18(b)に示すように、第2のGNR層24は、金属原子43との反応によってバンドギャップが消失し、金属的な電子状態となっている。 As shown in FIG. 18(b), the band gap of the second GNR layer 24 disappears due to the reaction with the metal atoms 43, and the second GNR layer 24 enters a metallic electronic state.

一方、第1のGNR層14は、金属原子43との反応が抑制されており、HOMOとLUMOの略中央にフェルミ面Fが位置している。 On the other hand, in the first GNR layer 14, the reaction with the metal atoms 43 is suppressed, and the Fermi surface F is located approximately in the center between the HOMO and LUMO.

図19(a)は、その調査で使用した別の計算モデルの断面図である。
図18(a)の例と同様に、本例でも金属原子43としてパラジウム原子を想定している。但し、本例では、短手方向Y1(図15(a)参照)に沿った第1のGNR層14の炭素原子の個数N1を11とし、短手方向Y2(図15(b)参照)に沿った第2のGNR層24の炭素原子の個数N2も11とした。
FIG. 19(a) is a cross-sectional view of another computational model used in the study.
As in the example of Fig. 18(a), this example also assumes palladium atoms as metal atoms 43. However, in this example, the number N1 of carbon atoms in the first GNR layer 14 along the short-side direction Y1 (see Fig. 15(a)) is set to 11, and the number N2 of carbon atoms in the second GNR layer 24 along the short-side direction Y2 (see Fig. 15(b)) is also set to 11.

図19(b)は、この場合のチャネル層33のDOSを密度汎関数法で計算して得られた図である。 Figure 19(b) shows the DOS of the channel layer 33 in this case, calculated using the density functional theory.

図19(b)に示すように、本例においても、第2のGNR層24は金属原子43との反応によって金属的な電子状態となっている。 As shown in FIG. 19(b), in this example, the second GNR layer 24 is also in a metallic electronic state due to reaction with the metal atoms 43.

一方、第1のGNR層14は、金属原子43との反応が抑制されており、HOMOとLUMOの略中央にフェルミ面Fが位置している。 On the other hand, in the first GNR layer 14, the reaction with the metal atoms 43 is suppressed, and the Fermi surface F is located approximately in the center between the HOMO and LUMO.

このように、図18(b)と図19(b)のいずれにおいても、第1のGNR層14のフェルミ面FがHOMOとLUMOの略中央に位置しており、フェルミ面Fのピン止めが抑制されている。これにより、図5に示したようなバンドの曲がりが抑制され、ソース電極36と第1のGNR層14との間にショットキー障壁が形成されるのを防止できる。その結果、僅かなドレイン電圧でもソース電極36からチャネル層33にホールを注入でき、トランジスタの駆動電圧を低減することが可能となる。 In this way, in both Figures 18(b) and 19(b), the Fermi surface F of the first GNR layer 14 is located approximately in the center between the HOMO and LUMO, and pinning of the Fermi surface F is suppressed. This suppresses the band bending shown in Figure 5, and prevents the formation of a Schottky barrier between the source electrode 36 and the first GNR layer 14. As a result, holes can be injected from the source electrode 36 to the channel layer 33 even with a small drain voltage, making it possible to reduce the driving voltage of the transistor.

(第2実施形態)
図20~図24は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。
Second Embodiment
20 to 24 are cross-sectional views of the semiconductor device according to this embodiment during its manufacture.

まず、第1実施形態で説明した図6(a)~(c)の工程を行うことにより、図20(a)に示すように、第1の支持基板10の上に第1の触媒金属層11と第1のGNR層14とがこの順に積層された構造を作製する。 First, by carrying out the steps shown in Figs. 6(a) to (c) described in the first embodiment, a structure is produced in which a first catalytic metal layer 11 and a first GNR layer 14 are laminated in this order on a first support substrate 10, as shown in Fig. 20(a).

次に、図20(b)に示すように、塩酸やフッ酸等の酸で第1の支持基板10を溶解して除去する。 Next, as shown in FIG. 20(b), the first support substrate 10 is dissolved and removed using an acid such as hydrochloric acid or hydrofluoric acid.

次いで、図20(c)に示すように、シリコン基板35aの上に酸化シリコン層35bが形成された基板35を用意する。そして、第1のGNR層14を下に向けた状態で基板35の表面35cの上に第1の触媒金属層11を載置する。これにより、表面35cと第1のGNR層14との間のファンデルワールス力によって第1のGNR層14が基板35に貼付されることになる。 Next, as shown in FIG. 20(c), a substrate 35 is prepared in which a silicon oxide layer 35b is formed on a silicon substrate 35a. Then, a first catalyst metal layer 11 is placed on a surface 35c of the substrate 35 with the first GNR layer 14 facing downward. This causes the first GNR layer 14 to be attached to the substrate 35 by the van der Waals forces between the surface 35c and the first GNR layer 14.

続いて、図20(d)に示すように、ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液で第1の触媒金属層11を溶解して除去する。 Next, as shown in FIG. 20(d), the first catalytic metal layer 11 is dissolved and removed using an aqueous solution of iodine and potassium iodide.

ここまでの工程により、基板35に第1のGNR層14が貼付された構造が完成する。この後は、第1のGNR層14と積層する第2のGNR層24を以下のようにして形成する。 The process up to this point completes the structure in which the first GNR layer 14 is attached to the substrate 35. After this, the second GNR layer 24 to be laminated with the first GNR layer 14 is formed as follows.

まず、第1実施形態で説明した図7(a)~(c)の工程を行うことにより、図21(a)に示すように、第2の支持基板20の上に第2の触媒金属層21と第2のGNR層24とがこの順に積層された構造を作製する。 First, by carrying out the steps shown in Figs. 7(a) to (c) described in the first embodiment, a structure is produced in which a second catalytic metal layer 21 and a second GNR layer 24 are stacked in this order on a second support substrate 20, as shown in Fig. 21(a).

次いで、図21(b)に示すように、塩酸やフッ酸等の酸で第2の支持基板20を溶解して除去する。 Next, as shown in FIG. 21(b), the second support substrate 20 is dissolved and removed using an acid such as hydrochloric acid or hydrofluoric acid.

次に、図21(c)に示すように、第3の支持基板51として二酸化シリコン基板を用意する。そして、第2のGNR層24を下に向けた状態で第3の支持基板51の上に第2の触媒金属層21を載置し、第3の支持基板51と第2のGNR層24とをファンデルワールス力で相互に吸着させる。 Next, as shown in FIG. 21(c), a silicon dioxide substrate is prepared as a third support substrate 51. Then, the second catalyst metal layer 21 is placed on the third support substrate 51 with the second GNR layer 24 facing downward, and the third support substrate 51 and the second GNR layer 24 are mutually attracted by van der Waals forces.

その後、図21(d)に示すように、ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液で第2の触媒金属層21を溶解して除去する。 Then, as shown in FIG. 21(d), the second catalytic metal layer 21 is dissolved and removed using an aqueous solution of iodine and potassium iodide.

次いで、図22(a)に示すように、第2のGNR層24の上側全面に蒸着法で金層を形成し、リフトオフ法でその金層をパターニングすることによりソース電極36とドレイン電極37とを形成する。 Next, as shown in FIG. 22(a), a gold layer is formed on the entire upper surface of the second GNR layer 24 by vapor deposition, and the gold layer is patterned by lift-off to form a source electrode 36 and a drain electrode 37.

次に、図22(b)に示すように、ソース電極36とドレイン電極37の各々をマスクにしながら、ソース電極36とドレイン電極37で覆われていない部分の第2のGNR層24をドライエッチングして除去する。このドライエッチングは、例えば、酸素プラズマを使用するRIE(Reactive Ion Etching)により行われる。 22(b), the second GNR layer 24 is removed by dry etching in the portions not covered by the source electrode 36 and the drain electrode 37 while using the source electrode 36 and the drain electrode 37 as masks. This dry etching is performed by, for example, reactive ion etching (RIE) using oxygen plasma.

次に、図22(c)に示すように、ソース電極36、ドレイン電極37、及び第3の支持基板51の各々の上にレジスト層をスピンコート法で塗布し、それをキュアすることにより支持層53を形成する。また、支持層53の材料としては、例えばPMMAがある。 22(c), a resist layer is applied by spin coating onto each of the source electrode 36, the drain electrode 37, and the third support substrate 51, and then cured to form the support layer 53. The material of the support layer 53 is, for example, PMMA.

続いて、図22(d)に示すように、第3の支持基板51をフッ酸溶液で溶解して除去する。 Next, as shown in FIG. 22(d), the third support substrate 51 is dissolved and removed using a hydrofluoric acid solution.

ここまでの工程により、第2のGNR層24が支持層53で支持された構造が完成する。この後は、第1のGNR層14と第2のGNR層24とを積層する工程に移る。 By carrying out the steps up to this point, a structure is completed in which the second GNR layer 24 is supported by the support layer 53. After this, we move on to the process of laminating the first GNR layer 14 and the second GNR layer 24.

まず、図23(a)に示すように、水31を溜めた容器30を用意し、第1のGNR層14を基板35と共に水31に浸漬する。このとき、本実施形態では第1のGNR層14が基板35で支持されているため第1のGNR層14の取り扱いが容易となり、水31に簡単に第1のGNR層14を浸漬することができる。 First, as shown in FIG. 23(a), a container 30 containing water 31 is prepared, and the first GNR layer 14 is immersed in the water 31 together with the substrate 35. In this embodiment, the first GNR layer 14 is supported by the substrate 35, making it easy to handle the first GNR layer 14, and the first GNR layer 14 can be easily immersed in the water 31.

その後、第2のGNR層24を下にして支持層53を水31に浮かべる。支持層53で支持された第2のGNR層24は取り扱いが容易であり、簡単に水31に浮かべることができる。 Then, the support layer 53 is floated on the water 31 with the second GNR layer 24 facing down. The second GNR layer 24 supported by the support layer 53 is easy to handle and can be easily floated on the water 31.

次に、図23(b)に示すように、基板35を水31から引き上げることにより、第1のGNR層14で第2のGNR層24を水31から大気中にすくい上げる。これにより、第1実施形態と同様に、第1のGNR層14と第2のGNR層24との間に残存する僅かな水を介して各GNR層14、24が相互に密着し、これらのGNR層14、24を積層したチャネル層33を得ることができる。 23(b), the substrate 35 is lifted from the water 31, and the first GNR layer 14 scoops up the second GNR layer 24 from the water 31 into the air. As a result, as in the first embodiment, the first GNR layer 14 and the second GNR layer 24 are adhered to each other via the small amount of water remaining between them, and a channel layer 33 can be obtained in which these GNR layers 14 and 24 are stacked.

第1実施形態と同様に、そのチャネル層33は、不純物を含まない真正半導体である。 As in the first embodiment, the channel layer 33 is a true semiconductor that does not contain impurities.

その後に、各GNR層14、24の各々を大気中で80℃程度の温度に加熱することにより両者の間に残存する水を乾燥させ、各GNR層14、24をファンデルワールス力で相互に確実に密着させる。 Then, each of the GNR layers 14, 24 is heated to a temperature of about 80°C in the atmosphere to dry any water remaining between them, and the GNR layers 14, 24 are securely attached to each other by van der Waals forces.

次いで、図24(a)に示すように、アセトンで支持層53を溶解して除去する。 Next, as shown in FIG. 24(a), the support layer 53 is dissolved and removed with acetone.

次に、図24(b)に示すように、ソース電極36とドレイン電極37の間のチャネル層33の上にゲート絶縁層38として酸化ハフニウム層をALD法で形成する。なお、六方晶窒化ホウ素層の単結晶層をゲート絶縁層38としてチャネル層33に貼付してもよい。 Next, as shown in FIG. 24(b), a hafnium oxide layer is formed by the ALD method as the gate insulating layer 38 on the channel layer 33 between the source electrode 36 and the drain electrode 37. Note that a single crystal layer of hexagonal boron nitride may be attached to the channel layer 33 as the gate insulating layer 38.

その後に、ゲート絶縁層38の上にゲート電極39として金層を蒸着法で形成することにより、チャネル層33に含まれる第1のGNR層14にゲート電極39を対向させる。ゲート電極39の材料としては、金の他にプラチナやアルミニウムもある。 After that, a gold layer is formed as a gate electrode 39 on the gate insulating layer 38 by deposition, so that the gate electrode 39 faces the first GNR layer 14 included in the channel layer 33. In addition to gold, the gate electrode 39 can also be made of platinum or aluminum.

以上により、本実施形態に係る半導体装置60の基本構造が完成する。 This completes the basic structure of the semiconductor device 60 according to this embodiment.

この半導体装置60においては、ソース電極36とドレイン電極37の各々の下のチャネル層33が、第1のGNR層14と第2のGNR層24とを積層した構造を有する。そのため、第1実施形態と同様にチャネル層33の電気伝導性が高まり、半導体装置60のドレイン電流を増大させることができる。 In this semiconductor device 60, the channel layer 33 beneath each of the source electrode 36 and the drain electrode 37 has a structure in which the first GNR layer 14 and the second GNR layer 24 are stacked. Therefore, as in the first embodiment, the electrical conductivity of the channel layer 33 is increased, and the drain current of the semiconductor device 60 can be increased.

しかも、第1実施形態で説明したように第1のGNR層14のフェルミ面のピン止めを抑制できるため、ソース電極36とチャネル層33との間にショットキー障壁が形成されるのを抑えることができる。その結果、僅かなドレイン電圧でソース電極36からチャネル層33にホールを注入でき、トランジスタの駆動電圧を低減できる。 In addition, as described in the first embodiment, the pinning of the Fermi surface of the first GNR layer 14 can be suppressed, so that the formation of a Schottky barrier between the source electrode 36 and the channel layer 33 can be suppressed. As a result, holes can be injected from the source electrode 36 to the channel layer 33 with a small drain voltage, and the driving voltage of the transistor can be reduced.

また、第1実施形態と同様に、本実施形態でも第2のGNR層24に含まれる第2のGNR23のバンドギャップを第1のGNR層14に含まれる第1のGNR13のそれよりも小さくする。これにより、ソース電極36やドレイン電極37からチャネル層33にキャリアを注入するときの障壁が小さくなり、チャネル層33に効率的にキャリアを注入できる。 As in the first embodiment, in this embodiment, the band gap of the second GNR 23 contained in the second GNR layer 24 is made smaller than that of the first GNR 13 contained in the first GNR layer 14. This reduces the barrier when injecting carriers from the source electrode 36 or drain electrode 37 into the channel layer 33, allowing carriers to be injected into the channel layer 33 efficiently.

(第3実施形態)
本実施形態では、第1実施形態に係る半導体装置40を備えた情報処理装置について説明する。
Third Embodiment
In this embodiment, an information processing device including a semiconductor device 40 according to the first embodiment will be described.

図25は、本実施形態に係る情報処理装置70の模式図である。
この情報処理装置70は、量子コンピュータであって、希釈冷凍機71とその内部に収容された量子回路素子72とを有する。
FIG. 25 is a schematic diagram of an information processing device 70 according to the present embodiment.
This information processing device 70 is a quantum computer, and includes a dilution refrigerator 71 and a quantum circuit element 72 housed therein.

このうち、希釈冷凍機71は、液相の4Heを液相の3Heで希釈するときの希釈熱を利用した冷凍機であって、量子回路素子72を10mK程度の極低温に冷却する。 Of these, the dilution refrigerator 71 is a refrigerator that utilizes the heat of dilution generated when liquid 4He is diluted with liquid 3He , and cools the quantum circuit element 72 to an extremely low temperature of about 10 mK.

また、量子回路素子72は複数の量子ビットを備えた回路素子である。その量子ビットのオンオフを制御する制御チップとして、第1実施形態に係る半導体装置40が量子回路素子72に貼付される。なお、半導体装置40に代えて、第2実施形態に係る半導体装置60を量子回路素子72に貼付してもよい。 The quantum circuit element 72 is a circuit element equipped with multiple quantum bits. The semiconductor device 40 according to the first embodiment is attached to the quantum circuit element 72 as a control chip that controls the on/off of the quantum bits. Note that instead of the semiconductor device 40, the semiconductor device 60 according to the second embodiment may be attached to the quantum circuit element 72.

このような情報処理装置70によれば、量子回路素子72と半導体装置40とを共に希釈冷凍機71に収容する。そのため、外部から希釈冷凍機71に熱が流入する経路がなくなり、希釈冷凍機71で効率的に量子回路素子72を冷却することができる。 In this type of information processing device 70, the quantum circuit element 72 and the semiconductor device 40 are both housed in the dilution refrigerator 71. This eliminates the path for heat to flow from the outside into the dilution refrigerator 71, allowing the dilution refrigerator 71 to efficiently cool the quantum circuit element 72.

しかも、各GNR層14、24(図12参照)は不純物を含まない真正半導体であるため、キャリアは各GNR層14、24の不純物から発生せずに、ソース電極36やドレイン電極37から各GNR層14、24に注入される。そのため、不純物から発生するキャリアの活性化率が低温において低下するという問題が発生せず、低温においても各GNR層14、24におけるキャリア濃度を維持することが可能となる。 In addition, since each GNR layer 14, 24 (see FIG. 12) is a true semiconductor that does not contain impurities, carriers are not generated from the impurities in each GNR layer 14, 24, but are injected into each GNR layer 14, 24 from the source electrode 36 or the drain electrode 37. Therefore, the problem of the activation rate of carriers generated from impurities decreasing at low temperatures does not occur, and it is possible to maintain the carrier concentration in each GNR layer 14, 24 even at low temperatures.

図26は、本実施形態とは異なり、シリコン基板に形成されたMOSFETを備えた半導体装置81で量子回路素子72を制御する場合の模式図である。そのMOSFETにおいては、シリコン基板に注入されたp型不純物やn型不純物からキャリアが生成する。そのため、低温においてキャリアの活性化率が低下してしまい、MOSFETにおけるキャリア濃度が低下してしまう。これを避けるため、図26の例では希釈冷凍機71の外部に半導体装置81を置き、半導体装置81を室温に維持する。そして、半導体装置81と量子回路素子72とをケーブル82で接続する。 Unlike this embodiment, FIG. 26 is a schematic diagram of a case where a quantum circuit element 72 is controlled by a semiconductor device 81 having a MOSFET formed on a silicon substrate. In the MOSFET, carriers are generated from p-type impurities and n-type impurities implanted in the silicon substrate. Therefore, the carrier activation rate decreases at low temperatures, and the carrier concentration in the MOSFET decreases. To avoid this, in the example of FIG. 26, the semiconductor device 81 is placed outside the dilution refrigerator 71 and maintained at room temperature. The semiconductor device 81 and the quantum circuit element 72 are then connected by a cable 82.

この場合は、ケーブル82を介して希釈冷凍機71の外部から内部に熱が流入し、希釈冷凍機71で量子回路素子72を冷却するのが困難となってしまう。 In this case, heat flows from the outside to the inside of the dilution refrigerator 71 via the cable 82, making it difficult for the dilution refrigerator 71 to cool the quantum circuit element 72.

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1) 複数の第1のグラフェンナノリボンを備えた第1のグラフェンナノリボン層と、前記第1のグラフェンナノリボンよりもバンドギャップが狭い第2のグラフェンナノリボンを複数備えた第2のグラフェンナノリボン層とが積層されたチャネル層と、
前記チャネル層に接続されたソース電極と、
前記チャネル層に接続されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層に対向する位置に設けられたゲート電極とを有し、
前記ソース電極と前記ドレイン電極のうちの少なくとも一方が、前記第2のグラフェンナノリボン層に接続されたことを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記第1のグラフェンナノリボンは、第1の面に含まれる炭素原子の六員環を有し、
前記第2のグラフェンナノリボンは、前記第1の面に平行な第2の面に含まれる炭素原子の六員環を有することを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 第1の触媒金属層の上に、複数の第1のグラフェンナノリボンを備えた第1のグラフェンナノリボン層を形成する工程と、
第2の触媒金属層の上に、前記第1のグラフェンナノリボンよりもバンドギャップが小さい第2のグラフェンナノリボンを複数備えた第2のグラフェンナノリボン層を形成する工程と、
前記第1のグラフェンナノリボン層と前記第2のグラフェンナノリボン層とを積層することによりチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層の上にソース電極とドレイン電極とを形成することにより、前記ソース電極と前記ドレイン電極の少なくとも一方を前記第2のグラフェンナノリボン層に接続する工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層に対向する位置にゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記4) 前記チャネル層を形成する工程は、
前記第2のグラフェンナノリボン層を水に浮かべる工程と、
前記第1のグラフェンナノリボン層で前記第2のグラフェンナノリボン層を前記水からすくい上げることにより、前記第1のグラフェンナノリボン層と前記第2のグラフェンナノリボン層とを積層する工程とを有することを特徴とする付記3に記載の半導体装置の製造方法。
(付記5) 前記第2のグラフェンナノリボン層の上に支持層を形成する工程を更に有し、
前記第2のグラフェンナノリボン層を前記水に浮かべる工程は、前記第2のグラフェンナノリボン層を下にして前記支持層を前記水に浮かべることにより行われることを特徴とする付記4に記載の半導体装置の製造方法。
(付記6) 基板に前記第1のグラフェンナノリボン層を貼付する工程を更に有し、
前記第1のグラフェンナノリボン層と前記第2のグラフェンナノリボン層とを積層する工程は、前記基板と前記第1のグラフェンナノリボン層とを前記水に浸漬し、前記水から前記基板を引き上げて前記第1のグラフェンナノリボン層で前記第2のグラフェンナノリボン層を前記水からすくい上げることにより行われることを特徴とする付記4に記載の半導体装置の製造方法。
(付記7) 量子ビットを備えた量子回路素子と、
前記量子ビットを制御する半導体装置とを有し、
前記半導体装置は、
複数の第1のグラフェンナノリボンを備えた第1のグラフェンナノリボン層と、前記第1のグラフェンナノリボンよりもバンドギャップが狭い第2のグラフェンナノリボンを複数備えた第2のグラフェンナノリボン層とが積層されたチャネル層と、
前記チャネル層に接続されたソース電極と、
前記チャネル層に接続されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層に対向する位置に設けられたゲート電極とを有し、
前記ソース電極と前記ドレイン電極のうちの少なくとも一方が、前記第2のグラフェンナノリボン層に接続されたことを特徴とする情報処理装置。
The following supplementary notes are further provided with respect to each of the embodiments described above.
(Supplementary Note 1) A channel layer in which a first graphene nanoribbon layer including a plurality of first graphene nanoribbons and a second graphene nanoribbon layer including a plurality of second graphene nanoribbons having a band gap narrower than that of the first graphene nanoribbons are stacked;
a source electrode connected to the channel layer;
a drain electrode connected to the channel layer;
a gate electrode provided at a position facing the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
The semiconductor device, wherein at least one of the source electrode and the drain electrode is connected to the second graphene nanoribbon layer.
(Supplementary Note 2) The first graphene nanoribbon has a six-membered ring of carbon atoms included in a first plane,
The semiconductor device described in Appendix 1, characterized in that the second graphene nanoribbon has a six-membered ring of carbon atoms included in a second plane parallel to the first plane.
(Supplementary Note 3) A step of forming a first graphene nanoribbon layer having a plurality of first graphene nanoribbons on a first catalytic metal layer;
forming a second graphene nanoribbon layer on the second catalytic metal layer, the second graphene nanoribbon layer including a plurality of second graphene nanoribbons having a band gap smaller than that of the first graphene nanoribbon;
forming a channel layer by stacking the first graphene nanoribbon layer and the second graphene nanoribbon layer;
forming a source electrode and a drain electrode on the channel layer, thereby connecting at least one of the source electrode and the drain electrode to the second graphene nanoribbon layer;
forming a gate electrode at a position facing the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
1. A method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
(Additional Note 4) The step of forming the channel layer includes:
floating the second graphene nanoribbon layer on water;
The method for manufacturing a semiconductor device described in Appendix 3, further comprising the step of stacking the first graphene nanoribbon layer and the second graphene nanoribbon layer by scooping up the second graphene nanoribbon layer from the water with the first graphene nanoribbon layer.
(Supplementary Note 5) The method further comprises forming a support layer on the second graphene nanoribbon layer,
The method for manufacturing a semiconductor device described in Appendix 4, characterized in that the step of floating the second graphene nanoribbon layer on the water is performed by floating the support layer on the water with the second graphene nanoribbon layer facing down.
(Supplementary Note 6) The method further comprises attaching the first graphene nanoribbon layer to a substrate,
The method for manufacturing a semiconductor device described in Appendix 4, characterized in that the step of stacking the first graphene nanoribbon layer and the second graphene nanoribbon layer is performed by immersing the substrate and the first graphene nanoribbon layer in the water, pulling the substrate out of the water, and scooping up the second graphene nanoribbon layer from the water with the first graphene nanoribbon layer.
(Supplementary Note 7) A quantum circuit element having a quantum bit;
A semiconductor device for controlling the quantum bit,
The semiconductor device includes:
a channel layer in which a first graphene nanoribbon layer including a plurality of first graphene nanoribbons and a second graphene nanoribbon layer including a plurality of second graphene nanoribbons having a band gap narrower than that of the first graphene nanoribbons are stacked;
a source electrode connected to the channel layer;
a drain electrode connected to the channel layer;
a gate electrode provided at a position facing the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
The data processing device, characterized in that at least one of the source electrode and the drain electrode is connected to the second graphene nanoribbon layer.

5…トランジスタ、6…GNR層、7…ソース電極、8…ドレイン電極、9…π軌道、10…第1の支持基板、11…第1の触媒金属層、11a…表面、12…第1の分子層、13…第1のGNR、13p…π軌道、14…第1のGNR層、20…第2の支持基板、21…第2の触媒金属層、21a…表面、22…第2の分子層、23…第2のGNR、23p…π軌道、24…第2のGNR層、25…支持層、30…容器、31…水、33…チャネル層、35…基板、35a…シリコン基板、35b…酸化シリコン層、35c…表面、36…ソース電極、37…ドレイン電極、38…ゲート絶縁層、39…ゲート電極、40…半導体装置、43…金属原子、51…第3の支持基板、53…支持層、60…半導体装置、70…情報処理装置、71…希釈冷凍機、72…量子回路素子、81…半導体装置、82…ケーブル。
5...transistor, 6...GNR layer, 7...source electrode, 8...drain electrode, 9...π orbital, 10...first support substrate, 11...first catalytic metal layer, 11a...surface, 12...first molecular layer, 13...first GNR, 13p...π orbital, 14...first GNR layer, 20...second support substrate, 21...second catalytic metal layer, 21a...surface, 22...second molecular layer, 23...second GNR, 23p...π orbital, 24...second GNR layer, 25...support layer, 30...container, 31...water, 33...channel layer, 35...substrate, 35a...silicon substrate, 35b...silicon oxide layer, 35c...surface, 36...source electrode, 37...drain electrode, 38...gate insulating layer, 39...gate electrode, 40...semiconductor device, 43...metal atoms, 51...third support substrate, 53...support layer, 60...semiconductor device, 70...information processing device, 71...dilution refrigerator, 72...quantum circuit element, 81...semiconductor device, 82...cable.

Claims (5)

複数の第1のグラフェンナノリボンを備えた不純物を含まない真正半導体である第1のグラフェンナノリボン層と、前記第1のグラフェンナノリボンよりもバンドギャップが狭い第2のグラフェンナノリボンを複数備えた不純物を含まない真正半導体である第2のグラフェンナノリボン層とが積層されたチャネル層と、
前記チャネル層に接続されたソース電極と、
前記チャネル層に接続されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層に対向する位置に設けられたゲート電極とを有し、
前記ソース電極と前記ドレイン電極のうちの少なくとも一方が、前記第2のグラフェンナノリボン層に接続されたことを特徴とする半導体装置。
a channel layer including a first graphene nanoribbon layer which is an intrinsic semiconductor containing no impurities and which includes a plurality of first graphene nanoribbons, and a second graphene nanoribbon layer which is an intrinsic semiconductor containing no impurities and which includes a plurality of second graphene nanoribbons having a band gap narrower than that of the first graphene nanoribbons;
a source electrode connected to the channel layer;
a drain electrode connected to the channel layer;
a gate electrode provided at a position facing the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
The semiconductor device, wherein at least one of the source electrode and the drain electrode is connected to the second graphene nanoribbon layer.
前記第1のグラフェンナノリボンは、第1の面に含まれる炭素原子の六員環を有し、
前記第2のグラフェンナノリボンは、前記第1の面に平行な第2の面に含まれる炭素原子の六員環を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
the first graphene nanoribbon has a six-membered ring of carbon atoms included in a first plane;
The semiconductor device according to claim 1 , wherein the second graphene nanoribbon has a six-membered ring of carbon atoms included in a second plane parallel to the first plane.
第1の触媒金属層の上に、複数の第1のグラフェンナノリボンを備えた不純物を含まない真正半導体である第1のグラフェンナノリボン層を形成する工程と、
第2の触媒金属層の上に、前記第1のグラフェンナノリボンよりもバンドギャップが小さい第2のグラフェンナノリボンを複数備えた不純物を含まない真正半導体である第2のグラフェンナノリボン層を形成する工程と、
前記第1のグラフェンナノリボン層と前記第2のグラフェンナノリボン層とを積層することによりチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層の上にソース電極とドレイン電極とを形成することにより、前記ソース電極と前記ドレイン電極の少なくとも一方を前記第2のグラフェンナノリボン層に接続する工程と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層に対向する位置にゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
forming a first graphene nanoribbon layer that is an intrinsic semiconductor free of impurities and includes a plurality of first graphene nanoribbons on the first catalytic metal layer;
forming a second graphene nanoribbon layer, which is an intrinsic semiconductor containing no impurities, on the second catalytic metal layer and includes a plurality of second graphene nanoribbons having a band gap smaller than that of the first graphene nanoribbon;
forming a channel layer by stacking the first graphene nanoribbon layer and the second graphene nanoribbon layer;
forming a source electrode and a drain electrode on the channel layer, thereby connecting at least one of the source electrode and the drain electrode to the second graphene nanoribbon layer;
forming a gate electrode at a position facing the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
1. A method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
前記チャネル層を形成する工程は、
前記第2のグラフェンナノリボン層を水に浮かべる工程と、
前記第1のグラフェンナノリボン層で前記第2のグラフェンナノリボン層を前記水からすくい上げることにより、前記第1のグラフェンナノリボン層と前記第2のグラフェンナノリボン層とを積層する工程とを有することを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
The step of forming the channel layer includes:
floating the second graphene nanoribbon layer on water;
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, further comprising the step of stacking the first graphene nanoribbon layer and the second graphene nanoribbon layer by scooping up the second graphene nanoribbon layer from the water with the first graphene nanoribbon layer.
量子ビットを備えた量子回路素子と、
前記量子ビットを制御する半導体装置とを有し、
前記半導体装置は、
複数の第1のグラフェンナノリボンを備えた不純物を含まない真正半導体である第1のグラフェンナノリボン層と、前記第1のグラフェンナノリボンよりもバンドギャップが狭い第2のグラフェンナノリボンを複数備えた不純物を含まない真正半導体である第2のグラフェンナノリボン層とが積層されたチャネル層と、
前記チャネル層に接続されたソース電極と、
前記チャネル層に接続されたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル層に対向する位置に設けられたゲート電極とを有し、
前記ソース電極と前記ドレイン電極のうちの少なくとも一方が、前記第2のグラフェンナノリボン層に接続されたことを特徴とする情報処理装置。
A quantum circuit element having a quantum bit;
A semiconductor device for controlling the quantum bit,
The semiconductor device includes:
a channel layer including a first graphene nanoribbon layer which is an intrinsic semiconductor containing no impurities and which includes a plurality of first graphene nanoribbons, and a second graphene nanoribbon layer which is an intrinsic semiconductor containing no impurities and which includes a plurality of second graphene nanoribbons having a band gap narrower than that of the first graphene nanoribbons;
a source electrode connected to the channel layer;
a drain electrode connected to the channel layer;
a gate electrode provided at a position facing the channel layer between the source electrode and the drain electrode;
The data processing device, characterized in that at least one of the source electrode and the drain electrode is connected to the second graphene nanoribbon layer.
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