(57)【要約】【課題】良好な膜質のグラフェン層を有する基板、基板の製造方法、及び電子装置を提供すること。【解決手段】本発明は、（１１１）面を上面とするシリコン基板１０の前記上面に設けられた窒化物半導体層１２と、窒化物半導体層１２の上面に設けられた炭化シリコン層１４と、炭化シリコン層１４の上面に設けられたグラフェン層１６と、を備える基板である。本発明によれば、例えばＤ／Ｇの値が１．１以下のような、良好な膜質のグラフェン層を得ることができる。【選択図】図１
2014241387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１１１）面を上面とするシリコン基板の前記上面に設けられた窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上面に設けられた炭化シリコン層と、
前記炭化シリコン層の上面に設けられたグラフェン層と、を備えることを特徴とする基板。
【請求項２】
前記グラフェン層に対するラマン分光法におけるＧバンドに対するＤバンドの強度比（Ｄ／Ｇ）の値が１．１以下であることを特徴とする請求項１記載の基板。
【請求項３】
前記窒化物半導体層は、窒化アルミニウム層であることを特徴とする請求項１または２記載の基板。
【請求項４】
前記窒化アルミニウム層の厚さは、１００ｎｍ以上且つ７００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の基板。
【請求項５】
前記炭化シリコン層は、立方晶炭化シリコン層であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の基板。
【請求項６】
（１１１）面を上面とするシリコン基板の前記上面に、窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層の上面に、炭化シリコン層を形成する工程と、
前記炭化シリコン層の上面に、グラフェン層を形成する工程と、を備えることを特徴とする基板の製造方法。
【請求項７】
前記炭化シリコン層の上面に対して熱処理を行うことによって、前記グラフェン層を形成することを特徴とする請求項６記載の基板の製造方法。
【請求項８】
前記窒化物半導体層は、窒化アルミニウム層であることを特徴とする請求項６または７記載の基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１から５のいずれか一項記載の基板を備えることを特徴とする電子装置。
【請求項１０】
前記グラフェン層上に設けられたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで設けられたソース電極およびドレイン電極と、を備え、
前記ゲート電極下の前記グラフェン層にチャネルが形成されることを特徴とする請求項９記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板、基板の製造方法、及び電子装置に関し、例えばグラフェン層を有する基板、基板の製造方法、及び電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭素原子が形成する六角形の骨格をシート状に延ばしたナノカーボン材料であるグラフェンの研究が様々な分野でなされている。例えば、グラフェンは、キャリア移動度が高いという特長を有することから、グラフェンをチャネルに利用したトランジスタの研究がなされている。
【０００３】
グラフェンの製造方法は、様々な方法が提案されている。例えば、炭化シリコン基板を用い、炭化シリコン基板上にグラフェン層を形成する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、炭化シリコン基板が高価であり、基板の大口径化が難しいとの課題がある。そこで、安価で大口径化が容易なシリコン基板上に炭化シリコン層を形成し、この炭化シリコン層上にグラフェン層を形成する方法が提案されている。
【０００４】
例えば、シリコン基板の（１００）面上に窒化アルミニウム層と炭化シリコン層とを順に形成し、炭化シリコン層上にグラフェン層を形成する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、シリコン基板の（１００）面上に窒化アルミニウム層と炭化シリコン層とを形成した構造についての研究もなされている（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Benjamin Hsia、外５名、「Epitaxial Graphene Growth on 3C-SIC(111)/AlN(0001)/Si(100)」、Electrochemical and Solid-State Letters、２０１１年、１４巻、ｐ．Ｋ１３−Ｋ１５
【非特許文献２】Wei-Cheng Lien、外５名、「Growth of 3C-SiC Thin Film on AlN/Si(100) with Atomically Abrupt Interface via Tailored Precursor Feeding Procedure」、Electrochemical and Solid-State Letters、２０１０年、１３巻、ｐ．Ｄ５３−Ｄ５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、シリコン基板の（１００）面上に形成した炭化シリコン層を利用してグラフェン層を形成する方法では、グラフェン層の膜質の点で改善の余地が残されていた。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、膜質の良好なグラフェン層を有する基板、基板の製造方法、及び電子装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、（１１１）面を上面とするシリコン基板の前記上面に設けられた窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の上面に設けられた炭化シリコン層と、前記炭化シリコン層の上面に設けられたグラフェン層と、を備えることを特徴とする基板である。本発明によれば、膜質の良好なグラフェン層を得ることができる。
【０００９】
上記構成において、前記グラフェン層に対するラマン分光法におけるＧバンドに対するＤバンドの強度比（Ｄ／Ｇ）の値が１．１以下である構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記窒化物半導体層は、窒化アルミニウム層である構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記窒化アルミニウム層の厚さは、１００ｎｍ以上且つ７００ｎｍ以下である構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記炭化シリコン層は、立方晶炭化シリコン層である構成とすることができる。
【００１３】
本発明は、（１１１）面を上面とするシリコン基板の前記上面に、窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層の上面に、炭化シリコン層を形成する工程と、前記炭化シリコン層の上面に、グラフェン層を形成する工程と、を備えることを特徴とする基板の製造方法である。本発明によれば、良好な膜質のグラフェン層を得ることができる。
【００１４】
上記構成において、前記炭化シリコン層の上面に対して熱処理を行うことによって、前記グラフェン層を形成する構成とすることができる。
【００１５】
上記構成において、前記窒化物半導体層は、窒化アルミニウム層である構成とすることができる。
【００１６】
本発明は、上記いずれかに記載の基板を備えることを特徴とする電子装置である。
【００１７】
上記構成において、前記グラフェン層上に設けられたゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで設けられたソース電極およびドレイン電極と、を備え、前記ゲート電極下の前記グラフェン層にチャネルが形成される構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、膜質の良好なグラフェン層を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１に係る基板を示す断面図である。
【図２】図２は、ＡｌＮ層の膜厚と半値幅との関係を示す図である。
【図３】図３は、ＳｉＣ層の成長温度と半値幅との関係を示す図である。
【図４】図４は、ＳｉＣ層の成長温度と成長速度との関係を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、実施例１の基板に備わるグラフェン層に対するラマン分光法の測定結果であり、図５（ｂ）は、比較例１の基板に備わるグラフェン層に対するラマン分光法の測定結果である。
【図６】図６は、実施例２に係る電子装置を示す断面図である。
【図７】図７は、ＡｌＮ層の絶縁性を評価した実験結果である。
【図８】図８は、ＳｉＣ層からＳｉ基板に流れる電流を計算したシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１に係る基板を示す断面図である。図１のように、実施例１の基板１００は、シリコン（Ｓｉ）基板１０上に、窒化物半導体層１２、炭化シリコン（ＳｉＣ）層１４、及びグラフェン層１６がこの順に積層された構造をしている。Ｓｉ基板１０の上面は、（１１１）面である。窒化物半導体層１２は、Ｓｉ基板１０の上面への結晶成長によって、Ｓｉ基板１０の上面に接して設けられている。窒化物半導体層１２は、例えば六方晶の結晶構造を有する窒化物半導体層であり、（０００１）面（ｃ面）を結晶成長面としている。つまり、窒化物半導体層１２の（０００１）面は、Ｓｉ基板１０の上面である（１１１）面上に存在する。窒化物半導体層１２は、例えば六方晶の結晶構造を有する窒化アルミニウム（４Ｈ−ＡｌＮ）層である場合が好ましい。
【００２２】
ＳｉＣ層１４は、窒化物半導体層１２の上面への結晶成長によって、窒化物半導体層１２の上面に接して設けられている。ＳｉＣ層１４は、例えば立方晶炭化シリコン（３Ｃ−ＳｉＣ）層であり、（１１１）面を結晶成長面としている。つまり、ＳｉＣ層１４の（１１１）面は、窒化物半導体層１２の上面である（０００１）面上に存在する。
【００２３】
グラフェン層１６は、ＳｉＣ層１４の上面に接して設けられている。グラフェン層１６は、炭素原子の六員環が連なった構造をしていて、このような構造のシートが１層又は数層に積層されて設けられている。グラフェン層１６は、ラマン分光法におけるＧバンドに対するＤバンドの強度比（Ｄ／Ｇ）、即ち１５９０ｃｍ−１付近のピーク強度Ｇに対する１３５０ｃｍ−１付近のピーク強度Ｄの比の値が１．１以下となっている。この点の詳細ついては後述する。
【００２４】
ここで、窒化物半導体層１２がＡｌＮ層である場合での、窒化物半導体層１２の好ましい膜厚を調べた実験について説明する。実験には、Ｓｉ基板の上面である（１１１）面に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いて、六方晶の結晶構造を有するＡｌＮ層を以下の条件で結晶成長させた複数の基板を用いた。なお、Ｓｉ基板の大きさは、４インチである。
原料ガス：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）
成長温度：１１００℃
成長圧力：１００Ｔｏｒｒ（１３３ｈＰａ）
膜厚    ：１４０ｎｍ〜３００ｎｍ
【００２５】
上記方法で作製した複数の基板に対して、ＡｌＮ層の（０００２）面でのＸ線解析におけるロッキングカーブの半値幅を測定した。図２は、ＡｌＮ層の膜厚と半値幅との関係を示す図である。図２の横軸はＡｌＮ層の膜厚であり、縦軸はＡｌＮ層の（０００２）面でのＸ線解析におけるロッキングカーブの半値幅である。図２のように、ＡｌＮ層が厚くなるに従い、半値幅が小さくなっていくことが分かる。つまり、ＡｌＮ層が厚くなると、ＡｌＮ層の結晶性が良好になることが分かる。これは、ＡｌＮ層が薄い場合では、ＡｌＮ層に生じる欠陥が多いが、厚くなると、このような欠陥が減少するためであると考えられる。しかしながら、ＡｌＮ層が厚くなりすぎると、ＡｌＮ層にクラックが発生し易くなってしまう。
【００２６】
このことから、ＡｌＮ層の欠陥による結晶性の劣化を考慮すると、ＡｌＮ層の膜厚は、１００ｎｍ以上が好ましく、１５０ｎｍ以上がより好ましく、２００ｎｍ以上がさらに好ましい。ＡｌＮ層に生じるクラックを考慮すると、ＡｌＮ層の膜厚は、７００ｎｍ以下が好ましく、５００ｎｍ以下がより好ましく、３００ｎｍ以下がさらに好ましい。したがって、窒化物半導体層１２がＡｌＮ層である場合、窒化物半導体層１２の膜厚は、１００ｎｍ以上且つ７００ｎｍ以下が好ましく、１５０ｎｍ以上且つ５００ｎｍ以下がより好ましく、２００ｎｍ以上且つ３００ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００２７】
次に、Ｓｉ基板１０とＳｉＣ層１４との間に窒化物半導体層１２を設けることで、ＳｉＣ層１４に与える影響を調べた実験について説明する。実験に用いた基板（以下、実験基板１と称す）は、次の製造方法によって作製した。まず、Ｓｉ基板の上面である（１１１）面に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、六方晶の結晶構造を有するＡｌＮ層を以下の条件で結晶成長させた。ＡｌＮ層は、（０００１）面を結晶成長面として、Ｓｉ基板の上面である（１１１）面に形成される。なお、Ｓｉ基板の大きさは、４インチである。
原料ガス：ＴＭＡ、ＮＨ３
成長温度：１１００℃
成長圧力：１００Ｔｏｒｒ（１３３ｈＰａ）
膜厚    ：２５０ｎｍ
【００２８】
ＡｌＮ層の上面に、ガスソース分子線エピタキシー（ＧＳＭＢＥ：Gas-Source Molecular Beam Epitaxy）法を用いて、ＳｉＣ層を以下の条件で結晶成長させた。ここで、Ｓｉ基板の融点は低いことから、ＳｉＣ層を高温で成長させることが難しい。したがって、ＳｉＣ層を低めの温度で成長させることになるが、この場合、ＳｉＣ層は立方晶の結晶構造を取り易くなる。ＳｉＣ層は、（１１１）面を結晶成長面として、ＡｌＮ層の上面である（０００１）面に形成される。
原料ガス：モノメチルシラン（ＭＭＳ：ＣＨ３ＳｉＨ３）
成長温度：８００℃〜１０５０℃
成長圧力：２．５×１０−２Ｐａ、４．０×１０−２Ｐａ
膜厚    ：１００ｎｍ
【００２９】
上記方法で作製した複数の実験基板１に対して、ＳｉＣ層の（１１１）面でのＸ線解析におけるロッキングカーブの半値幅を測定した。また、比較のために、次の製造方法で作製した実験基板２に対しても、ＳｉＣ層の（１１１）面でのＸ線解析におけるロッキングカーブの半値幅を測定した。実験基板２は、Ｓｉ基板の上面である（１１１）面に、ＡｌＮ層を介さずに、ＧＳＭＢＥ法を用いて、ＳｉＣ層を以下の条件で結晶成長させた。ＳｉＣ層は、（１１１）面を結晶成長面として、Ｓｉ基板の上面である（１１１）面に形成される。
原料ガス  ＭＭＳ
成長温度  ８００℃〜１０５０℃
成長圧力  ２．５×１０−２Ｐａ
膜厚      １００ｎｍ
【００３０】
図３は、ＳｉＣ層の成長温度と半値幅との関係を示す図である。図３の横軸はＳｉＣ層の成長温度であり、縦軸はＳｉＣ層の（１１１）面でのＸ線解析におけるロッキングカーブの半値幅である。図３中の丸印はＳｉＣ層の成長圧力を４．０×１０−２Ｐａとした実験基板１の測定結果であり、三角印はＳｉＣ層の成長圧力を２．５×１０−２Ｐａとした実験基板１の測定結果であり、四角印は実験基板２の測定結果である。図３のように、成長圧力が２．５×１０−２Ｐａ及び４．０×１０−２Ｐａのいずれの場合の実験基板１も、実験基板２と比べて、半値幅が小さく、ＳｉＣ層の結晶性が良好である結果が得られた。これは、以下の理由によるものと考えられる。
【００３１】
表１は、Ｓｉ、４Ｈ−ＡｌＮ、３Ｃ−ＳｉＣの格子定数、熱膨張係数、及びエネルギーバンドギャップを示す表である。なお、参考として、ＧａＮ、サファイア、４Ｈ−ＳｉＣ、６Ｈ−ＳｉＣの格子定数、熱膨張係数、及びバンドギャップエネルギーについても示す。
【表１】
2014241387.tif 000003
【００３２】
表１のように、Ｓｉの格子定数は５．４３Åで、３Ｃ−ＳｉＣの格子定数は４．３６Åである。このため、実験基板２のように、Ｓｉ基板の上面である（１１１）面に、立方晶の結晶構造を有するＳｉＣ層の（１１１）面を直接形成した場合、Ｓｉ基板とＳｉＣ層との間には、約２０％程度の格子歪みが生じてしまう。一方、実験基板１では、Ｓｉ基板の上面である（１１１）面に、六方晶の結晶構造を有するＡｌＮ層の（０００１）面を介して、立方晶の結晶構造を有するＳｉＣ層１４の（１１１）面を形成している。この場合、ＡｌＮ層とＳｉＣ層との間の格子歪みは約１％程度と小さくなる。このようなことから、実験基板１では、実験基板２と比べて、ＳｉＣ層に加わる格子歪みを低下させることができ、その結果、ＳｉＣ層の結晶性が良好になったものと考えられる。
【００３３】
また、表１から、ＡｌＮ層の代わりにＧａＮ層を用いた場合でも、ＳｉＣ層に加わる格子歪みを抑えることができ、ＳｉＣ層の結晶性を良好にできることが分かる。さらに、ＡｌＮ層又はＧａＮ層をＳｉ基板とＳｉＣ層との間に形成することで、Ｓｉ基板とＳｉＣ層との間の熱膨張係数の差を緩和できることが分かる。これらのことから、Ｓｉ基板とＳｉＣ層との間に窒化物半導体層を形成することで、ＳｉＣ層の結晶性を良好にできることが分かる。
【００３４】
上述の実験基板１と実験基板２とにおけるＳｉＣ層の成長速度について説明する。図４は、ＳｉＣ層の成長温度と成長速度との関係を示す図である。図４の横軸の上側はＳｉＣ層の成長温度であり、横軸の下側は成長温度で１０００を割った値である。図４の縦軸はＳｉＣ層の成長速度である。図４中の丸印はＳｉＣ層の成長圧力を４．０×１０−２Ｐａとした実験基板１の測定結果であり、三角印はＳｉＣ層の成長圧力を２．５×１０−２Ｐａとした実験基板１の測定結果であり、四角印は実験基板２の測定結果である。図４のように、実験基板２では、ＳｉＣ層の成長温度が９００℃を超えた高温になると、成長速度の低下が生じている。一方、実験基板１では、成長圧力が２．５×１０−２Ｐａ及び４．０×１０−２Ｐａのいずれの場合でも、ＳｉＣ層の成長温度が９００℃以上の高温になっても、成長速度の低下は抑えられていることが分かる。
【００３５】
上述した実験結果を踏まえ、窒化物半導体層１２がＡｌＮ層である場合での、図１に示した実施例１の基板１００の製造方法について説明する。まず、上面が（１１１）面であるＳｉ基板１０を準備する。Ｓｉ基板１０の上面に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、以下に示す条件によって、六方晶の結晶構造を有するＡｌＮ層からなる窒化物半導体層１２を結晶成長させる。窒化物半導体層１２は、（０００１）面を結晶成長面として、Ｓｉ基板の上面である（１１１）面に形成される。
原料ガス：ＴＭＡ、ＮＨ３
成長温度：１１００℃
成長圧力：１００Ｔｏｒｒ（１３３ｈＰａ）
膜厚    ：１００ｎｍ〜７００ｎｍ
【００３６】
窒化物半導体層１２の上面に、ＧＳＭＢＥ法を用いて、以下に示す条件によって、ＳｉＣ層１４を結晶成長させる。上述したように、ＳｉＣ層１４は、立方晶の結晶構造を取り易く、（１１１）面を結晶成長面として、窒化物半導体層１２の上面である（０００１）面に形成される。また、ＧＳＭＢＥ法によってＳｉＣ層１４を成長させることで、低圧力での成長が可能となり、これは、ＳｉＣ層１４の結晶性の点から好ましい。
原料ガス：ＭＭＳ
成長温度：８００℃〜１０５０℃
成長圧力：２．５×１０−２Ｐａ〜４．０×１０−２Ｐａ
膜厚    ：５０ｎｍ〜５００ｎｍ
【００３７】
ＳｉＣ層１４の上面に対して、高真空中で、例えば約１２００℃〜１３００℃程度の温度で熱処理を行う。これにより、ＳｉＣ層１４の上面において、Ｓｉが昇華してＣだけが残存し、残存したＣが六員環に連なった構造となるグラフェン化が生じて、グラフェン層１６が形成される。このような製造工程を含んで、実施例１の基板１００が形成される。
【００３８】
次に、実施例１の基板１００に備わるグラフェン層１６の膜質を評価した実験について説明する。実験に用いた基板１００は、次の製造方法によって作製した。まず、Ｓｉ基板１０の上面である（１１１）面に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、以下に示す条件で、六方晶の結晶構造を有するＡｌＮ層からなる窒化物半導体層１２を結晶成長させた。
原料ガス：ＴＡＭ、ＮＨ３
成長温度：１１００℃
成長圧力：１００Ｔｏｒｒ（１３３ｈＰａ）
膜厚    ：１５０ｎｍ
【００３９】
窒化物半導体層１２の上面に、ＧＳＭＢＥ法を用いて、以下に示す条件で、立方晶の結晶構造を有するＳｉＣ層１４を結晶成長させた。
原料ガス：ＭＭＳ
成長温度：１０５０℃
成長圧力：２．５×１０−２Ｐａ
膜厚    ：１００ｎｍ
【００４０】
１．０×１０−８Ｐａ〜１．０×１０−９Ｐａの高真空中で、Ｓｉ基板１０を１２００℃に昇温させて数秒経過させ、その後、８００℃に降温させることを３回〜５回程度繰り返して、ＳｉＣ層１４の上面の異物及び水分を除去する表面クリーニングを行った。その後、ＳｉＣ層１４の上面に対して１２５０℃で１０分間の熱処理を行い、ＳｉＣ層１４の上面をグラフェン化させて、グラフェン層１６を形成した。
【００４１】
上記方法で作製した実施例１の基板１００に備わるグラフェン層１６の膜質を、ラマン分光法を用いて評価した。グラフェン層１６の膜質は、グラフェン層１６に対するラマン分光法におけるＧバンドに対するＤバンドの強度比であるＤ／Ｇの値で評価することができる。つまり、ラマン分光法における１５９０ｃｍ−１付近のピーク強度Ｇに対する１３５０ｃｍ−１付近のピーク強度Ｄの比であるＤ／Ｇの値で評価することができる。グラフェン層１６のグレインの端部分に起因するスペクトルがＤバンドで、中央部分に起因するスペクトルがＧバンドであることから、グレインサイズが大きくなるとＤ／Ｇの値は小さくなる。したがって、Ｄ／Ｇの値が小さいほど、グラフェン層１６の膜質が良好であることが言える。また、比較のために、窒化物半導体層１２を形成しない点を除いて、上記の方法と同じ方法で作製した比較例１の基板に備わるグラフェン層１６の膜質も、ラマン分光法を用いて評価した。なお、ラマン分光法による評価は、室温の状態で、２．４１ｅＶのレーザ光を用いて行った。
【００４２】
図５（ａ）は、実施例１の基板１００に備わるグラフェン層１６に対するラマン分光法の測定結果であり、図５（ｂ）は、比較例１の基板に備わるグラフェン層１６に対するラマン分光法の測定結果である。図５（ｂ）のように、比較例１の基板に備わるグラフェン層１６のＤ／Ｇの値は１．１８である。これに対し、図５（ａ）のように、実施例１の基板１００に備わるグラフェン層１６のＤ／Ｇの値は１．０３である。このように、実施例１は、比較例１に比べて、グラフェン層１６の膜質が向上する結果が得られた。実施例１において、グラフェン層１６の膜質が向上した理由は、次のように考えられる。
【００４３】
１つ目の理由は、図３で説明したように、Ｓｉ基板１０上に窒化物半導体層１２を介してＳｉＣ層１４を形成することで、Ｓｉ基板１０上にＳｉＣ層１４を直接形成した場合に比べて、ＳｉＣ層１４の結晶性が良好になる。このため、ＳｉＣ層１４の上面に形成されるグラフェン層１６の膜質も向上したものと考えられる。
【００４４】
２つ目の理由は、ＳｉＣ層１４に対して熱処理を行うことで、グラフェン層１６を形成しているが、これは、上述したように、熱処理によってＳｉが昇華されて、残存したＣがグラフェン化することで形成されるものである。この場合に、Ｓｉ基板１０上にＳｉＣ層１４を直接形成した場合では、熱処理によってＳｉ基板１０のＳｉがＳｉＣ層１４に拡散され、その結果、グラフェン化が阻害されて、良好な膜質のグラフェン層１６を形成することが難しくなると考えられる。一方、実施例１のように、Ｓｉ基板１０とＳｉＣ層１４との間に窒化物半導体層１２が形成されている場合では、窒化物半導体層１２によって、Ｓｉ基板１０のＳｉの拡散が抑制される。このような理由からも、良好な膜質のグラフェン層１６が形成されたものと考えられる。なお、Ｓｉ基板１０のＳｉの拡散を抑制する点からは、Ｓｉ基板１０とＳｉＣ層１４との間に酸化膜層を形成することも考えられる。しかしながら、この場合、ＳｉＣ層１４に対する熱処理において、酸化膜層の酸素（Ｏ）がＣと反応して、良好な膜質のグラフェン層１６の形成が難しくなることが考えられる。したがって、Ｓｉ基板１０とＳｉＣ層１４との間の層は、窒化物半導体層１２であることが好ましい。
【００４５】
以上説明したように、実施例１の基板１００は、（１１１）面であるＳｉ基板１０の上面に窒化物半導体層１２が設けられ、窒化物半導体層１２の上面にＳｉＣ層１４が設けられ、ＳｉＣ層１４の上面にグラフェン層１６が設けられている。これにより、図５（ａ）で説明したように、ラマン分光法におけるＤ／Ｇの値が１．１以下のような、良好な膜質のグラフェン層１６を得ることができる。また、図５（ａ）のように、上記構造の基板１００では、ラマン分光法におけるＤ／Ｇの値が１．０８以下のグラフェン層１６や、Ｄ／Ｇの値が１．０５以下のグラフェン層１６を得ることも可能である。
【００４６】
ＳｉＣ層１４の上面のグラフェン層１６を、ＳｉＣ層１４の上面に対して熱処理を行うことで形成する場合を例に示したが、その他の方法によって形成してもよい。例えば、Ｃを含む気体又は固体を原料としたＧＳＭＢＥ法又はＭＢＥ法を用い、ＳｉＣ層１４の上面の結晶をテンプレートとしてグラフェン層１６を形成してもよい。原料としては、例えばメタン、エタン、プロパン、フラーレンなどが挙げられる。
【００４７】
窒化物半導体層１２は、表１に示したＡｌＮ層やＧａＮ層以外の層、例えばＡｌＧａＮ層、ＩｎＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＩｎＡｌＧａＮ層等の場合でもよい。窒化物半導体層１２は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層である場合が好ましく、ＳｉＣ層１４に加わる格子歪みをより小さくする観点から、ＡｌＮ層である場合がより好ましい。
【実施例２】
【００４８】
実施例２は、実施例１の基板１００を備えた電子装置の例である。図６は、実施例２に係る電子装置を示す断面図である。実施例２では、電子装置として電界効果トランジスタの場合を例に説明する。図６のように、実施例２の電子装置２００は、実施例１の基板１００に備わるグラフェン層１６上に、ゲート絶縁膜２０を介して、ゲート電極２２が設けられている。ゲート絶縁膜２０は、例えばグラフェン層１６側から膜厚５ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層と膜厚３０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）層とが積層された絶縁膜である。Ａｌ２Ｏ３層は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を蒸着法を用いて堆積させた後、自然酸化させることで形成できる。ＳｉＯ２層は、例えばプラズマ化学気相成長（ＰＣＶＤ：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成できる。ゲート電極２２は、例えばゲート絶縁膜２０側からチタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）が積層された金属膜である。
【００４９】
ゲート電極２２の両側には、グラフェン層１６上に、ソース電極２４とドレイン電極２６とが設けられている。ソース電極２４とドレイン電極２６とは、例えば膜厚１５ｎｍのニッケル（Ｎｉ）からなる金属膜である。ゲート電極２２、ソース電極２４、及びドレイン電極２６は、例えば蒸着法を用いて形成できる。ゲート電極２２下であって、ソース電極２４とドレイン電極２６との間のグラフェン層１６にチャネル２８が形成される。ソース電極２４上にはソースパッド３０が設けられ、ドレイン電極２６上にはドレインパッド３２が設けられている。ソースパッド３０及びドレインパッド３２は、例えば電極側からＴｉとＡｕが積層された金属膜である。ソースパッド３０及びドレインパッド３２も、例えば蒸着法を用いて形成できる。
【００５０】
実施例２の電子装置２００は、実施例１の基板１００に備わるグラフェン層１６上にゲート電極２２が設けられ、ゲート電極２２を挟んでソース電極２４とドレイン電極２６とが設けられた電界効果トランジスタであり、ゲート電極２２下のグラフェン層１６にチャネル２８が形成される。実施例１の基板１００に備わるグラフェン層１６の膜質は良好であることから、実施例２の電子装置２００は、良好な特性を得ることができる。
【００５１】
次に、実施例２の電子装置２００に生じるリーク電流について説明する。まず、窒化物半導体層１２にＡｌＮ層を用いた場合を考え、ＡｌＮ層の絶縁性を評価した実験について説明する。実験には、Ｓｉ基板上に厚さ１５０ｎｍのＡｌＮ層を形成した基板を用い、ＡｌＮ層の上面に５０μｍ×５０μｍの大きさの２つのパッドを１０μｍ間隔で配置し、パッド間に流れる電流を測定することで、ＡｌＮ層の絶縁性を評価した。
【００５２】
図７は、ＡｌＮ層の絶縁性を評価した実験結果である。図７の横軸は、パッド間の電圧であり、縦軸はパッド間を流れた電流である。図７のように、パッド間に−４Ｖ〜＋４Ｖの電圧を印加した場合に、パッド間を流れた電流は、ほぼ測定限界以下の約１．０×１０−１０Ａ／ｍｍ〜１．０×１０−１２Ａ／ｍｍ程度であった。つまり、ＡｌＮ層は、少なくとも１．０×１０１２Ω／ｓｑ．以上の高抵抗であることが確認できた。
【００５３】
次に、実施例２に備わる基板１００において、ＳｉＣ層１４からＳｉ基板１０に流れる電流をシミュレーションにより計算した。シミュレーションは、厚さ１μｍのＳｉ基板１０上に、厚さ１２０ｎｍのＡｌＮ層からなる窒化物半導体層１２と厚さ１００ｎｍのＳｉＣ層１４とが順に積層されているとした。そして、Ｓｉ基板１０の下面とＳｉＣ層１４の上面とに、５０μｍ×５０μｍの大きさのパッドを設けて、パッド間に流れる電流を計算することで行った。また、比較のために、厚さ１μｍのＳｉ基板上に厚さ１００ｎｍのＳｉＣ層が設けられた構造の比較例２に対しても、同様な方法によって電流を計算するシミュレーションを行った。
【００５４】
図８は、ＳｉＣ層からＳｉ基板に流れる電流を計算したシミュレーション結果である。図８の横軸は、パッド間の電圧であり、縦軸はパッド間を流れた電流である。図８中の実線は実施例２のシミュレーション結果であり、破線は比較例２のシミュレーション結果である。
【００５５】
図８のように、実施例２は、比較例２と比べて、ＳｉＣ層１４からＳｉ基板１０へ流れる電流が低減された結果が得られた。これは、Ｓｉ基板１０とＳｉＣ層１４との間に設けられた窒化物半導体層１２は、表１のように、バンドギャップエネルギーが大きい（例えばＡｌＮ層：６．２ｅＶ、ＧａＮ層：３．３９）。このため、電流経路にポテンシャル障壁が形成されることによって、ＳｉＣ層１４からＳｉ基板１０に流れる電流が減少したものと考えられる。
【００５６】
このように、Ｓｉ基板１０とＳｉＣ層１４との間に窒化物半導体層１２を形成することで、ＳｉＣ層１４の上面のグラフェン層１６の膜質を良好にでき、電子装置２００の特性を良好にできることに加え、リーク電流を低減できる効果も得られることが分かる。
【００５７】
実施例２では、実施例１の基板１００を備えた電界効果トランジスタの場合を例に説明したが、その他の電子デバイス、光デバイス、センサデバイスなどの電子装置の場合でもよい。
【００５８】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  Ｓｉ基板
１２  窒化物半導体層
１４  ＳｉＣ層
１６  グラフェン層
２０  ゲート絶縁膜
２２  ゲート電極
２４  ソース電極
２６  ドレイン電極
２８  チャネル
３０  ソースパッド
３２  ドレインパッド
１００  基板
２００  電子装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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