成果報告書詳細
管理番号20140000000012
タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 革新的ナノカーボン材料先導研究開発 窒化物材料上グラフェンを活用したテラヘルツ帯デバイスの研究開発
公開日2014/3/8
報告書年度2011 - 2012
委託先名住友電気工業株式会社 国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P11019
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約量産化に適したグラフェン形成手法を用いてグラフェントランジスタのテラヘルツ帯動作ポテンシャルを実証するため、下記の開発を実施した。
研究開発項目(1)「支持基板・中間挿入層の開発」
下地材料がグラフェンに与える影響を理論面から解析するため、下地材料を含めた第一原理計算技術を実施し、AlN層挿入構造の優位性を理論的にも確認した。
 また、グラフェンに電界を印加した状態のキャリア輸送を解析する手法を開発した。
 さらに、実際にAlN/Si構造の成長実験を行い、成長条件やAlN厚の最適化によってAlN層の高品質化に取り組んだ。その結果、AlN層のX線回折半値幅が1800秒と良好な基板を得ることに成功し、最終目標の到達に必要な開発を成し遂げた。
研究開発項目(2)「グラフェン成膜・評価技術の開発」
AlN/Si上にSiC層を成長する技術開発を行い、Si上SiCと比べて、AlN/Si上SiCは成長メカニズムが異なり、良好な結晶となっていることを確認した。
続いて、SiC/AlN/Si上にグラフェンを形成する技術開発に取り組み、特にSiCの状態を改善することで、グラフェン膜質が飛躍的に改善されることを確認した。その結果、グラフェン膜のラマン分光評価でD/G比が0.24となり、最終目標の到達に必要な開発を成し遂げた。
 また、放射光を用いた、グラフェン膜の分析手法開発に取り組み、硬X線光電子分光法(HAXPES)によって、グラフェンと下地材料界面の状態が深さ方向で変化している様子を捉えることに成功した。
研究開発項目(3)「グラフェントランジスタの開発」
グラフェントランジスタ(GFET)のGate-Drain/Source間のアクセス抵抗を極限まで低減するセルフアライン型プロセスを開発し、その優れた高周波特性を確認することで、基本的なトランジスタ構造・デバイスプロセス技術については、高周波特性を飛躍的に改善できることを実証した。
また、デバイスシミュレーション技術を開発し、現状のGFETでは、オーミックの接触抵抗が高周波特性を劣化させている主原因の一つであることを確認した。
英文要約In order to demonstrate the potential of the graphene transistor on its terahertz operation, we have carried out the following.
1. Development of interface layer technology for the substrate
To analyze the impact of underneath material on the properties of graphene formed thereon, we carried out a first-principle calculation. As a result, we demonstrated the advantage of insertion of AlN interlayer between SiC and Si substrate. We further developed a method to analyze the carrier transport in graphene under electric-field bias.
 Based on these theoretical predictions, we conducted growth of AlN thin film on Si substrates. We optimized the quality of the AlN film in terms of optimizing the growth condition. As a result, a high quality AlN layer with its XRD-FWHM being as small as 1800 arcsec has been obtained, which fulfills the final requirement of the project.
2. Development of growth and evaluation technology for graphene
We developed a technology to grow a SiC thin film on AlN/Si structure. After finding a different growth mechanism to be operative in the growth of SiC on AlN/Si as compared to the case on Si substrate, we confirmed betterment of the film quality in the former.
Next, we developed a graphene growth technology on SiC/AlN/Si. By optimizing the surface condition of the SiC film, we succeeded in a drastic improvement of the graphene quality from that on SiC/Si. The Raman D/G ratio was reduced to a value as low as 0.24, which fulfills the final requirement of the project.
 We finally developed a characterization of graphene using synchrotron-radiation- based hard x-ray photoemission spectroscopy (HAXPES), and succeeded in observing how the chemical state in the vicinity of graphene/substrate interface varies along the depth direction.
3. Development of graphene transistors
We developed a self-aligned process in which the access resistances between gate/drain and gate/source in graphene field effect transistors (GFET) are minimized. By confirming the excellent high-frequency (HF) properties, we demonstrated that the HF properties of GFET can greatly be improved by optimizing the transistor structure as well as the device fabrication process. Finally, we developed a device simulation technology for GFETs, and confirmed that the Ohmic resistance can be a critical parameter that limits the HF performance in GFETs.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る