(57)【要約】【課題】グラフェンチャネルを直接傷つけることなくキャリア密度およびキャリア移動度を高め、動作速度の向上を図ることができ、さらにアクセス抵抗を低減可能で、デジタルスイッチング動作を実現することができるグラフェン電界効果トランジスタおよびグラフェン半導体部材を提供する。【解決手段】絶縁体層１４が、グラフェンとの反応性が低いダイヤモンドライクカーボンから成り、グラフェンから成るチャネル層１１の上に設けられている。絶縁体層１４は、トンネル効果によりチャネル層１１にキャリアを供給可能な薄膜状の変調ドープ部１４ａを有している。ソース電極１２およびドレイン電極１３が、チャネル層１１に電気的に接続され、絶縁体層１４を挟む位置に互いに離れて配置されている。ゲート電極１５が、絶縁体層１４の上に設けられている。【選択図】図１
2013121954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラフェンから成るチャネル層と、
前記チャネル層の上に設けられ、グラフェンとの反応性が低い材料から成る絶縁体層と、
前記チャネル層に電気的に接続され、前記絶縁体層を挟む位置に互いに離れて配置されたソース電極およびドレイン電極と、
前記絶縁体層の上に設けられたゲート電極とを有し、
前記絶縁体層は、前記チャネル層にキャリアを供給可能な薄膜状の変調ドープ部を有することを
特徴とするグラフェン電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記変調ドープ部は、前記チャネル層との間に、トンネル効果により前記チャネル層にキャリアを供給可能な距離をあけて設けられていることを特徴とする請求項１記載のグラフェン電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記変調ドープ部は、前記チャネル層との間に、３乃至６ｎｍの距離をあけて設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のグラフェン電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記絶縁体層は、ダイヤモンドライクカーボンから成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のグラフェン電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記絶縁体層は、前記ゲート電極の直下から前記チャネル層まで伸びた高誘電率部を有し、前記高誘電率部と前記ソース電極および前記ドレイン電極との間に、前記高誘電率部よりも誘電率が低い低誘電率部を有し、前記低誘電率部に前記変調ドープ部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のグラフェン電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記絶縁体層は、前記高誘電率部にも前記変調ドープ部を有することを特徴とする請求項５記載のグラフェン電界効果トランジスタ。
【請求項７】
グラフェンから成るチャネル層と、
前記チャネル層の上に設けられ、グラフェンとの反応性が低い材料から成る絶縁体層とを有し、
前記絶縁体層は、前記チャネル層にキャリアを供給可能な薄膜状の変調ドープ部を有することを
特徴とするグラフェン半導体部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェン電界効果トランジスタおよびグラフェン半導体部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラファイトは炭素同素体の一種であり、ｓｐ２炭素混成軌道から成る六員環ユニットが２次元展開したものの積層膜である。グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）は、図９に示すように、そのグラファイトの単層膜として定義される。図１０（ａ）に示すように、グラフェンのエネルギー（Ｅ）−運動量（ｐ）（もしくは波数ｋ）の関係（分散曲線）は直線形状となり、Ｅ、ｐ両軸に対して完全対称となる。一方、図１０（ｂ）に示すように、一般の半導体の場合、伝導帯および価電子帯共に放物線形状となり、かつ価電子帯の方が、傾きが緩やかである。古典的運動エネルギーの式から、キャリアの有効質量ｍ＊（伝導帯における電子および価電子帯における正孔の実効的な質量）を求めると、次式のようになる。【０００３】
【数１】
2013121954.tif 000003
【０００４】
すなわち、一般の半導体の場合には、Ｅ−ｐ（ｋ）分散曲線の傾きがきついほど、キャリアは軽くなって動きやすくなる。価電子帯の傾きは伝導帯のものより緩いので、正孔は電子よりも重く、動きにくい。【０００５】
ところがグラフェンの場合、分散曲線が直接形状のために、このような古典的な考え方は意味を成さない。グラフェンの場合は、バンド構造の線形分散の帰結として、電子・正孔ともにニュートリノ様の質量ゼロの相対論粒子として振る舞う（ｍａｓｓｌｅｓｓ  Ｄｉｒａｃ  Ｆｅｒｍｉｏｎ）。これにより、グラフェンのキャリア移動度μは、電子・正孔共に、２００，０００ｃｍ２／Ｖｓという途方もなく大きい値となる。なお、一般の半導体で頻繁に使用されるＳｉでは、μ＝１４５０ｃｍ２／Ｖｓ（電子）、ＧａＡｓでは、μ＝９２００ｃｍ２／Ｖｓ（電子）である。【０００６】
一般に電子デバイスを作製する場合、用いる材料のキャリア移動度μが最も重要な要素となる。キャリアの速度ｖは、ｖ＝μＥ（ここで、Ｅはキャリアにかかる電界強度）と表されるため、μが大きいほどキャリア動作は速くなり、高い応答速度（周波数）が得られる。【０００７】
電子デバイスの基本ユニットの一つである電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）では、ドレイン−ソース間に流れる電流ＩＤＳは、次式のように表される。
【数２】
2013121954.tif 000004
ここで、Ｗはゲート電極の幅（奥行）、ｅは電荷素量、ｎはキャリア密度、Ｃはゲート絶縁膜間の静電容量、ＶＤＳはドレイン−ソース間電圧、ＬＧはゲート電極の長さである。ＶＧＳとＶＤＳが一定の条件下で、ＩＤＳを大きくしようとした場合、キャリア密度ｎを高くするか、キャリア速度ｖを高くすればよい。より具体的には、ゲート絶縁膜間の静電容量Ｃを増大してキャリア密度ｎを高くするか、キャリア移動度μを大きくしたり、幾何学的にＬＧを短く（微細化）したりして電界強度を大きくすることにより、キャリア速度ｖを高くすればよい。【０００８】
信号処理速度（周波数）は、電流応答が追随できずに電流増幅率が１に落ち込む周波数をｆＴ（遮断周波数）と定義すると、次式のように表される。
【数３】
2013121954.tif 000005
ここで、ｇｍは相互コンダクタンス（＝∂ＩＤＳ／∂ＶＧＳ）、ＶＧＳおよびＣＧＳはそれぞれ、ゲート−ソース間の電圧および静電容量である。この式から、ゲート絶縁膜間の静電容量Ｃ、およびキャリア移動度μが大きければ、高い動作周波数が得られることがわかる。【０００９】
従来のＳｉを用いた電界効果トランジスタは、微細化限界に到達しており、ＬＧをこれ以上小さくできないため、μの大きい代替チャネル材料が望まれており、グラフェンはその有望材料の一つである。グラフェンをＦＥＴに応用した、いわゆるＧＦＥＴ（グラフェン電界効果トランジスタ）では、テラヘルツ（１０１２Ｈｚ）級の動作速度が期待されており、今後益々増加していく情報通信量をまかなうことができるものと考えられる。【００１０】
しかし、そのためには、図１１に示すように、ソース／ドレイン電極とグラフェンチャネルとのオーミック接合抵抗（コンタクト抵抗）の低減、ゲート−ドレイン（ソース）間の抵抗（アクセス抵抗）の低減、これらを解決するためのｐ／ｎ−チャネルドーピング技術の確立、そしてゲートスタック／チャネル界面制御などの様々な課題を解決する必要がある。また、グラフェンにはバンドギャップが存在しないため、電流をゼロにすることができず、デジタル回路応用に必要な十分な電流ＯＮ／ＯＦＦ比が取れず、デジタルスイッチング動作が困難であることや、高速化に必要な飽和領域が欠如しているといった問題も解決しなければならない。【００１１】
グラフェンは固有キャリア密度が１０１０ｃｍ−２オーダーと小さく、特性向上のためにゲート長ＬＧを短くした場合、必然的にゲート／ドレイン（ソース）電極間距離が長くなり、アクセス抵抗領域が長くなる。低いキャリア密度のために、この抵抗は非常に大きくなってしまい、これを補償するためにゲート電極にかかる電界強度（ＶＤＳ／ＬＧ）が実際には小さくなるため、このまま短ゲート化していっても、特性向上は望めない。そのため、外部からチャネルにキャリアをドープして、キャリア密度を上げる必要がある。【００１２】
従来、グラフェンチャネルを「直接」化学修飾することによって不純物を導入し、キャリア密度向上を図った研究がある（例えば、非特許文献１参照）。しかし、この場合、グラフェンチャネルそのものをある意味傷つけることになってしまう。一般的に、チャネルに直接不純物を導入してキャリア密度を増大させる手法は、チャネル中でキャリアと不純物との散乱を引き起こしてしまい、結果として逆にキャリア移動度の低下を招く。【００１３】
これに対し、ＧａＡｓを代表とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体デバイスにおいては、キャリアをドープする層とキャリアを走行する層（チャネル）とを分離させた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造が用いられている（例えば、特許文献１乃至４、もしくは、非特許文献２または３参照）。これは、チャネル材料上に、これよりもバンドギャップが広く、かつ電子親和力が小さい半導体層を積層し、その層内でチャネルから少し離れた位置に不純物を層状にドープ（δ−ドープ）した半導体を製膜して、そこからのキャリアをチャネルとの界面に落として溜め込む構造を有している（変調ドーピング）。これは、チャネルを直接修飾しているわけではないため、導入されたキャリアがチャネル中で不純物散乱されることはなく、チャネル中のキャリア移動度は低下しない。【００１４】
また、チャネル材料としてグラフェンを使用する場合、炭素質であるグラフェンは、本質的に酸化ダメージを受けやすく、Ｓｉ系デバイスに用いられている酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）などの酸化物系高誘電率（ｈｉｇｈ−κ）材料を、直接的にトップゲート絶縁膜として適用することができない。そのため、グラフェン自身を損なわず、その上に「直接」製膜できるゲート絶縁膜物質およびその手法が必要とされている。【００１５】
なお、グラフェンとの高い化学的親和性が期待できるものとして、グラフェンと同じ炭素質であるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）がある。このＤＬＣにドーピングしたものとして、主に低摩擦化などの機械工学的目的のために、炭素系ガスに異元素ガスを混ぜてＤＬＣを製膜し、異元素を膜全体に取り込んだもの（例えば、非特許文献４または５参照）、製膜条件を変えてＤＬＣの誘電率を制御することにより、ＤＬＣを主に低誘電率（ｌｏｗ−κ）化し、層間絶縁膜用途に用いたもの（例えば、非特許文献６または７参照）、界面準位低減のため、ＤＬＣに金属元素をドープし、ＤＬＣを導電性チャネル薄膜材料として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に用いたもの（例えば、非特許文献８乃至１１参照）などがある。【００１６】
また、基板の表面に薄膜を形成する方法として、光電子制御プラズマＣＶＤ（ＰＡ−ＰＥＣＶＤ；Ｐｈｏｔｏｅｍｉｓｓｉｏｎ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が開発されている（例えば、特許文献５乃至７、または非特許文献１２参照）。ＰＡ−ＰＥＣＶＤ法は、通常の浮遊電子をプラズマのトリガーとする手法とは異なり、サンプル基板への紫外光照射により発生する光電子をトリガーとするＤＣプラズマ製膜法である。プラズマ発生は光照射部位に限定されるために製膜部位を精密制御でき、かつクリーンルームプロセスに大敵となる煤の発生を防ぐことができる。さらに低電圧でプラズマ発生できることから、ｍＷオーダーの従来よりも著しく低い電力で製膜でき、基板へのプラズマダメージをも防ぐことができる。ＰＡ−ＰＥＣＶＤ法で使用されるＰＡ−ＰＥＣＶＤ装置を、図１２に示す。【００１７】
なお、本発明者らにより、ＰＡ−ＰＥＣＶＤ法を用いてＤＬＣを製膜する場合、成長雰囲気（Ａｒ＋ＣＨ４）中のＣＨ４ガスの濃度比によって、ＤＬＣの比誘電率を、約１程度から５付近まで広い範囲で制御・変調できる可能性が示されている（例えば、非特許文献１３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特公昭５９−５３７１４号公報
【特許文献２】米国特許第４１６３２３７号明細書
【特許文献３】米国特許第４１９４９３５号明細書
【特許文献４】米国再発行特許発明第３３６７１号明細書
【特許文献５】特許第３６４２３８５号公報
【特許文献６】特許第３９３２１８１号公報
【特許文献７】米国特許第７８７１６７７号明細書
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】X. R. Wang, X. L. Li, L. Zhang, Y. Yoon, P.K. Weber, H. L. Wang, J. Guo, and H. J. Dai, “N-Doping of Graphene ThroughElectrothermal Reactions with Ammonia”, Science, 2009年,第324巻,第5928号,p.768-771
【非特許文献２】T. Mimura, S. Hiyamizu, T. Fujii, and K.Nanbu, “A NEW FIELD-EFFECT TRANSISTOR WITH SELECTIVELY DOPED GAAS-N-ALXGA1-XASHETEROJUNCTIONS”, Japanese Journal of Applied Physics, 1980年,第19巻,第5号,p.L225-L227
【非特許文献３】R. Dingle, H. L. Stormer, A. C. Gossard, andW. Wiegmann, “ELECTRON MOBILITIES IN MODULATION-DOPED SEMICONDUCTORHETEROJUNCTION SUPER-LATTICES”, Applied Physics Letters, 1978年,第33巻,第7号,p.665-667
【非特許文献４】H. Hofsass et al., “Doping andgrowth of diamond-like carbon-films by ion beam deposition”, Diamond Relat.Mater., 1993年, 3, p.137-142
【非特許文献５】C.Donnet, “Recent progress on the tribology of doped diamond-like and carbonalloy coatings: a review”, Surf. Coat. Technol., 1998年, 100, p.180-186
【非特許文献６】A. Grill et al., “Novel low kdielectrics based on diamondlike carbon materials”, J. Electrochem. Soc., 1998年5月, Vol.145, No.5, p.1649-1653
【非特許文献７】A.Grill, “Amorphous carbon based materials as the interconnect dielectric in ULSIchips”, Diamond Relat. Mater., 2001年, 10, p.234-239
【非特許文献８】F. J. Clough et al., “Tetrahedrallybonded amorphous carbon (ta-C) thin film transistors”, Electron. Lett., 1996年2月29日, Vol.32,No.5, p.498-499
【非特許文献９】S. L.Maeng et al., “A carbon based bottom gate thin film transistor”, Diamond Relat.Mater., 2000年, 9, p.805-810
【非特許文献１０】Y.Miyajima et al., “Amorphous carbon and carbon nitride bottom gate thin filmtransistors”, Appl. Phys. Lett., 2009年, 95,102102
【非特許文献１１】奥山紘章、大竹尚登、「金属含有アモルファスカーボン膜の合成と電気的特性評価」、第25回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集、2011年、p.182-183
【非特許文献１２】T. Takami et al., “Catalyst-Free Growth of Networked Nanographiteon Si and SiO2 Substrates by Photoemission-Assisted Plasma-EnhancedChemical Vapor Deposition”, e-J. Surf. Sci. Nanotech., 2009年, Vol.7, p.882-890
【非特許文献１３】楊  猛、小川  修一、鷹林  将、尾辻  泰一、高桑  雄二、「トップゲート型グラフェン・チャネルFETのゲートスタック用炭素系絶縁膜の合成プロセスの開発」、応用物理学会  薄膜・表面物理分科会、シリコンテクノロジー分科会  共催特別研究会「ゲートスタック研究会─材料・プロセス・評価の物理─」第17回研究会予稿集、2012年、p.205-208
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上記のように、グラフェンをＦＥＴに応用する場合には、図１１に示すような様々な課題が存在している。また、非特許文献１に記載のような、グラフェンチャネルを直接化学修飾することによって不純物を導入し、キャリア密度を増大させる方法では、グラフェンチャネルを傷つけてしまい、逆にキャリア移動度の低下を招くという課題もあった。【００２１】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、グラフェンチャネルを直接傷つけることなくキャリア密度およびキャリア移動度を高め、動作速度の向上を図ることができ、さらにアクセス抵抗を低減可能で、デジタルスイッチング動作を実現することができるグラフェン電界効果トランジスタおよびグラフェン半導体部材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタは、グラフェンから成るチャネル層と、前記チャネル層の上に設けられ、グラフェンとの反応性が低い材料から成る絶縁体層と、前記チャネル層に電気的に接続され、前記絶縁体層を挟む位置に互いに離れて配置されたソース電極およびドレイン電極と、前記絶縁体層の上に設けられたゲート電極とを有し、前記絶縁体層は、前記チャネル層にキャリアを供給可能な薄膜状の変調ドープ部を有することを特徴とする。【００２３】
本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタでは、グラフェンから成るチャネル層の上に設けられた絶縁体層中の薄膜状の変調ドープ部が、チャネル層にキャリアを供給することができるため、チャネル層のキャリア密度を増大させることができる。このとき、チャネル層を直接修飾していないため、キャリアがチャネル層中で不純物散乱されることはなく、キャリア移動度は低下しない。また、絶縁体層がグラフェンとの反応性が低い材料から成るため、絶縁体層をグラフェンから成るチャネル層の上に直接設けても、チャネル層にダメージを与えない。このように、本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタは、ＨＥＭＴ構造のように、グラフェンから成るチャネル層を直接傷つけることなくキャリア密度およびキャリア移動度を高めることができ、動作速度の向上を図ることができる。【００２４】
本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタは、チャネル層がグラフェンから成るため、従来のＳｉ等を用いたＦＥＴよりも速い動作速度が得られ、さらに従来のＦＥＴでは実現できなかったテラヘルツ領域での動作を可能にすることができる。このため、今後発展していく情報化社会の情報通信量をまかなうことができるものと期待される。なお、変調ドープ部は、絶縁体層中に不純物元素（ヘテロ元素）をドープして形成される。【００２５】
本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタで、絶縁体層を成す、グラフェンとの反応性が低い材料とは、グラフェンから成るチャネル層に直接接触させても、チャネル層に対して、チャネル層中のキャリアの移動を妨げるほどのダメージを与えない材料である。例えば、１）グラフェンとの化学的反応性、２）グラフェンとの格子不整合や表面不平坦性による応力や、それにともなう欠陥および欠陥準位の発生、ならびに、３）グラフェンとの界面における散乱効果、がいずれも極めて低く、４）温度・湿度等の環境変化に対しても機械的・化学的・電気的に安定である材料であり、具体的な例としては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）やｈＢＮ（ｈｅｘａｇｏｎａｌ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）である。また、薄膜状の変調ドープ部は、絶縁体層の厚み方向に対して、少なくとも、ある局所的な位置に薄く局在分布していればよく、その分布が均一で面状に形成されていても、分布が不均一で島状に形成されていても、あるいは縞状に形成されていてもよい。【００２６】
本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタで、前記変調ドープ部は、前記チャネル層との間に、トンネル効果により前記チャネル層にキャリアを供給可能な距離をあけて設けられていることが好ましい。特に、前記変調ドープ部は、前記チャネル層との間に、３乃至６ｎｍの距離をあけて設けられていることが好ましい。この場合、チャネル層を直接修飾することなく、効率的に変調ドープ部からチャネル層にキャリアを供給することができる。このため、特に効果的にキャリア密度およびキャリア移動度を高めることができ、動作速度を向上させることができる。【００２７】
本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタで、前記絶縁体層は、ダイヤモンドライクカーボンから成ることが好ましい。ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）はｓｐ２炭素・ｓｐ３炭素・水素から成るアモルファス炭素材料であり、グラフェンと同じ炭素質であることから、グラフェンに対して高い化学的親和性を有している。具体的には、１）グラフェンとの化学的反応性、２）グラフェンとの格子不整合や表面不平坦性による応力やそれにともなう欠陥および欠陥準位の発生、ならびに、３）グラフェン・絶縁膜界面における散乱効果、がいずれも極めて低く、かつ、４）温度・湿度等の環境変化に対しても機械的・化学的・電気的に安定である。このため、グラフェンから成るチャネル層にダメージを与えることなく、絶縁体層をチャネル層の上に直接設けることができる。このため、キャリア密度およびキャリア移動度の低下を防ぐことができ、高い動作速度を実現することができる。また、ＤＬＣはアモルファス性で平坦な膜を成すことから、均質な膜質を有する絶縁体層を得ることができる。なお、ＤＬＣは、絶縁性を有するものから成り、例えば、ｔａ−Ｃ、ｔａ−Ｃ：Ｈ、ａ−Ｃ：Ｈから成ることが好ましい。【００２８】
本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタで、前記絶縁体層は、前記ゲート電極の直下から前記チャネル層まで伸びた高誘電率部を有し、前記高誘電率部と前記ソース電極および前記ドレイン電極との間に、前記高誘電率部よりも誘電率が低い低誘電率部を有し、前記低誘電率部に前記変調ドープ部を有していてもよい。この場合、高誘電率部により、ゲート電極の直下に高い静電誘導効果をもたらすことができ、チャネル界面制御を高精度で行うことができる。また、低誘電率部により、各電極間の寄生容量を低減させることができ、高速化を図ることができる。変調ドープ部が高誘電率部とソース電極およびドレイン電極との間に設けられているため、アクセス領域のチャネル層に効果的にキャリアを供給することができ、アクセス抵抗を低減することができる。【００２９】
本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタで、前記絶縁体層は、前記高誘電率部にも前記変調ドープ部を有していてもよい。この場合、低誘電率部および高誘電率部の変調ドープ部の極性を、それぞれｐ型およびｎ型、またはｎ型およびｐ型と区別することにより、高いキャリア密度および高い移動度を維持しながら、ｐ−ｎ−ｐ接合またはｎ−ｐ−ｎ接合を作ることができる。これにより、チャネル層における電流の整流性をもたらすことができ、デジタルスイッチング動作を実現することができる。なお、低誘電率部および高誘電率部の各変調ドープ部は、チャネル層からの距離が同じであっても、異なっていてもよい。【００３０】
本発明に係るグラフェン半導体部材は、グラフェンから成るチャネル層と、前記チャネル層の上に設けられ、グラフェンとの反応性が低い材料から成る絶縁体層とを有し、前記絶縁体層は、前記チャネル層にキャリアを供給可能な薄膜状の変調ドープ部を有することを特徴とする。【００３１】
本発明に係るグラフェン半導体部材は、例えば、絶縁体層に透明度の高い材料を用いることにより、タッチパネル用の部材として利用することができる。また、本発明に係るグラフェン半導体部材は、ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極を繋げることにより、本発明に係るグラフェン電界効果トランジスタを構成することができる。【００３２】
本発明に係るグラフェン半導体部材は、グラフェンから成るチャネル層の上に設けられた絶縁体層中の薄膜状の変調ドープ部が、チャネル層にキャリアを供給することができるため、チャネル層のキャリア密度を増大させることができる。このとき、チャネル層を直接修飾していないため、チャネル層中でキャリアを移動させても不純物散乱されることはなく、キャリア移動度は低下しない。また、絶縁体層がグラフェンとの反応性が低い材料から成るため、絶縁体層をグラフェンから成るチャネル層の上に直接設けても、チャネル層にダメージを与えない。このように、本発明に係るグラフェン半導体部材は、ＨＥＭＴ構造のように、グラフェンから成るチャネル層を直接傷つけることなくキャリア密度およびキャリア移動度を高めることができ、動作速度の向上を図ることができる。【００３３】
本発明に係るグラフェン半導体部材で、変調ドープ部は、チャネル層との間に、トンネル効果によりチャネル層にキャリアを供給可能な距離をあけて設けられていることが好ましく、特に、チャネル層との間に、３乃至６ｎｍの距離をあけて設けられていることが好ましい。この場合、チャネル層を直接修飾することなく、効率的に変調ドープ部からチャネル層にキャリアを供給することができる。このため、特に効果的にキャリア密度およびキャリア移動度を高めることができ、動作速度を向上させることができる。【００３４】
本発明に係るグラフェン半導体部材で、絶縁体層は、例えば、グラフェンとの反応性が低いダイヤモンドライクカーボンやｈＢＮなどから成り、特に、ダイヤモンドライクカーボンから成ることが好ましい。この場合、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）がグラフェンに対して高い化学的親和性を有しているため、グラフェンから成るチャネル層にダメージを与えることなく、絶縁体層をチャネル層の上に直接設けることができる。このため、キャリア密度およびキャリア移動度の低下を防ぐことができ、高い動作速度を実現することができる。また、ＤＬＣはアモルファス性で平坦な膜を成すことから、均質な膜質を有する絶縁体層を得ることができる。ＤＬＣは可視光や赤外光に対して透明であり、透明度を下げることなく、キャリア密度およびキャリア移動度を高めることができるため、低抵抗のタッチパネルとして利用することができる。なお、ＤＬＣは、絶縁性を有するものから成り、例えば、ｔａ−Ｃ、ｔａ−Ｃ：Ｈ、ａ−Ｃ：Ｈから成ることが好ましい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、グラフェンチャネルを直接傷つけることなくキャリア密度およびキャリア移動度を高め、動作速度の向上を図ることができ、さらにアクセス抵抗を低減可能で、デジタルスイッチング動作を実現することができるグラフェン電界効果トランジスタおよびグラフェン半導体部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態のグラフェン電界効果トランジスタの（ａ）断面図、（ｂ）第１の変形例を示す断面図、（ｃ）第２の変形例を示す断面図である。
【図２】本発明の一つの実施例のグラフェン電界効果トランジスタの、（ａ）ＩＤＳ−ＶＤＳ特性を示すグラフ、（ｂ）ＩＤＳ−ＶＧＳ特性を示すグラフである。
【図３】図２に示すグラフェン電界効果トランジスタの、グラフェンチャネル層の２Ｄバンド領域のラマンスペクトルである。
【図４】図２に示すグラフェン電界効果トランジスタの、ＤＬＣ絶縁体層のＳＩＭＳ元素深さプロファイルを示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態のグラフェン電界効果トランジスタのバンド予想図である。
【図６】本発明の実施の形態のグラフェン電界効果トランジスタを製造するときの、ＰＡ−ＰＥＣＶＤ装置によるＤＬＣ製膜の際に、ＣＨ４＋Ａｒに加えてＣＯ２ガスを導入したときの、ＤＬＣ膜絶縁耐圧のＣＯ２流量比依存性を示すグラフである。
【図７】図１（ａ）に相当するグラフェン電界効果トランジスタの実施例（δ−ドープ素子）の（ａ）ＳＩＭＳ元素深さプロファイル、（ｂ）ＩＤＳ−ＶＧＳ特性を示すグラフである。
【図８】図２乃至４に相当するグラフェン電界効果トランジスタの実施例（界面吸着素子）の（ａ）ＳＩＭＳ元素深さプロファイル、（ｂ）ＩＤＳ−ＶＧＳ特性を示すグラフである。
【図９】グラフェンの構造を示す斜視図である。
【図１０】（ａ）グラフェン、（ｂ）一般の半導体のＥ−ｐ（ｋ）分散曲線である。
【図１１】グラフェン電界効果トランジスタの、解決すべき課題を示す断面図である。
【図１２】ＰＡ−ＰＥＣＶＤ装置を示す模式側面図である（非特許文献１２から引用）。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図８は、本発明の実施の形態のグラフェン電界効果トランジスタおよびグラフェン半導体部材を示している。
【００３８】
図１（ａ）に示すように、グラフェン電界効果トランジスタ１０は、基板の上に設けられたグラフェンから成るチャネル層１１と、チャネル層１１の上に設けられたソース電極１２とドレイン電極１３と絶縁体層１４と、絶縁体層１４の上に設けられたゲート電極１５とを有している。
【００３９】
ソース電極１２およびドレイン電極１３は、それぞれチャネル層１１の両端部に、互いに離れて配置されている。ソース電極１２およびドレイン電極１３は、チャネル層１１に電気的に接続されている。
【００４０】
絶縁体層１４は、グラフェンとの反応性が低いダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から成り、ソース電極１２とドレイン電極１３との間、およびソース電極１２およびドレイン電極１３の周囲を囲むよう設けられている。絶縁体層１４は、その層中に、チャネル層１１の表面に対して平行に設けられた、薄膜状で、かつグラフェンへのキャリア供給能力を有する酸素や窒素等の不純物をＤＬＣ中にドープした変調ドープ部１４ａを有している。変調ドープ部１４ａは、チャネル層１１との間に、トンネル効果によりチャネル層１１にキャリアを供給可能な距離をあけて設けられている。図１（ａ）に示す具体的な一例では、変調ドープ部１４ａは、チャネル層１１との間に、約５ｎｍの距離をあけて設けられている。なお、薄膜状の変調ドープ部１４ａは、絶縁体層１４の厚み方向に対して、ある局所的な位置に薄く局在分布していればよく、その分布が均一で面状に形成されていても、分布が不均一で島状に形成されていても、あるいは縞状に形成されていてもよい。
【００４１】
次に、作用について説明する。
グラフェン電界効果トランジスタ１０では、変調ドープ部１４ａが、チャネル層１１にキャリアを供給することができるため、チャネル層１１のキャリア密度を増大させることができる。このとき、チャネル層１１を直接修飾していないため、キャリアがチャネル層１１の中で不純物散乱されることはなく、キャリア移動度は低下しない。また、絶縁体層１４が、グラフェンに対して高い化学的親和性を有するＤＬＣから成るため、絶縁体層１４をグラフェンから成るチャネル層１１の上に直接設けても、チャネル層１１にダメージを与えない。このように、グラフェン電界効果トランジスタ１０は、ＨＥＭＴ構造のように、グラフェンから成るチャネル層１１を直接傷つけることなくキャリア密度およびキャリア移動度を高めることができ、動作速度の向上を図ることができる。
【００４２】
グラフェン電界効果トランジスタ１０は、チャネル層１１がグラフェンから成るため、従来のＳｉ等を用いたＦＥＴよりも速い動作速度が得られ、さらに従来のＦＥＴでは実現できなかったテラヘルツ領域での動作を可能にすることができる。このため、今後発展していく情報化社会の情報通信量をまかなうことができるものと期待される。グラフェン電界効果トランジスタ１０は、例えば、コンピュータの計算速度を著しく向上させる次世代超高速中央演算処理装置（ＣＰＵ）や、通信容量を著しく増大させるスマートフォン等の超小型超高速通信デバイス、利用可能電波領域を格段に広げるテラヘルツ波発信器などへの利用が考えられる。
【００４３】
なお、本発明の実施の形態のグラフェン半導体部材は、グラフェン電界効果トランジスタ１０のゲート電極１５、ソース電極１２およびドレイン電極１３を取り除いた構成から成っている。本発明の実施の形態のグラフェン半導体部材は、グラフェン電界効果トランジスタ１０を構成するだけでなく、ＤＬＣの透明度が高いため、タッチパネル用の部材として利用することもできる。
【実施例１】
【００４４】
チャネル層１１のグラフェン上に、トップゲート絶縁膜（絶縁体層１４）としてＤＬＣ薄膜を直接製膜することにより、グラフェン電界効果トランジスタ１０を製造することができたため、その特性等の評価を行った。グラフェン電界効果トランジスタ１０は、以下の方法により製造された。チャネル層１１として、６Ｈ−ＳｉＣ（０００１）基板（Ｓｉ面）を１７００℃で１５分間、超高真空アニールすることにより、基板上にエピタキシャル数層グラフェン（ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｆｅｗ−ｌａｙｅｒ  ｇｒａｐｈｅｎｅ，  ＥＦＬＧ）を作製した。オーミックコンタクト金属としてＰｔを用い、金（Ａｕ）製のゲート電極１５、ソース電極１２、ドレイン電極１３を作製した。【００４５】
また、図１２に示すＰＡ−ＰＥＣＶＤ装置を用いて、ＤＬＣから成る絶縁体層１４を、ＣＨ４／Ａｒガスを用いた光電子制御プラズマＣＶＤ（ＰＡ−ＰＥＣＶＤ）法により、グラフェンから成るチャネル層１１の上に直接製膜した。ＰＡ−ＰＥＣＶＤ法を用いることにより、低電圧でプラズマ発生できることから、従来よりも著しく低い電力で製膜でき、グラフェンへのプラズマダメージを防ぐことができる。【００４６】
製造されたグラフェン電界効果トランジスタ１０は、チャネル幅（ＷＣ）が１１μｍ、チャネル長（ＬＣ）が６μｍ、ゲート長（ＬＧ）が５μｍである。また、絶縁体層１４の膜厚が、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）の深さプロファイルより、４８ｎｍと見積もられた。容量（Ｃ−Ｖ）測定より、比誘電率が５．１、等価酸化膜厚（ＥＯＴ）が３７ｎｍと求められた。【００４７】
図２（ａ）および（ｂ）に、製造されたグラフェン電界効果トランジスタ１０のＩＤＳ（ドレイン−ソース電流）−ＶＤＳ（ドレイン−ソース電圧）およびＩＤＳ−ＶＧＳ（ゲート−ソース電圧）特性を示す。図２（ｂ）に示すように、ＩＤＳはＶＧＳ＝＋０．５Ｖで極小値を示し、グラフェン特有のａｍｂｉｐｏｌａｒ特性を示している。電荷中性点であるディラック電圧（ＶＤｉｒａｃ）は、理論的には（１／２）ＶＤＳで与えられるが、図２（ｂ）では若干正にシフトしている。このことから、チャネル層１１は、弱いｐ性を有していることがわかる。【００４８】
図３に、グラフェンチャネル層１１の２Ｄバンド領域のラマンスペクトルを示す。図３に示すように、グラフェン成長直後（Ａｓ−ｇｒｏｗｎ）のスペクトルと比較すると、ＤＬＣ絶縁体層１４の製膜後（Ａｆｔｅｒ  ＤＬＣ  ｆｏｒｍｉｎｇ）の２Ｄバンドピークは、高波数シフトしていることがわかる。これは、ＤＬＣ絶縁体層１４からグラフェンチャネル層１１へ、ｐドープされていることを示唆している。強いｎ型特性を示す６Ｈ−ＳｉＣ基板上のグラフェンにおいてａｍｂｉｐｏｌａｒ特性を示した原因は、このＤＬＣ絶縁体層１４からグラフェンチャネル層１１への“ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌ  ｐ−ｄｏｐｉｎｇ”であると考えられる。【００４９】
図４に、ＤＬＣ絶縁体層１４のＳＩＭＳ元素深さプロファイルを示す。図４に示すように、グラフェンチャネル層１１の近傍の深さ（Ｄｅｐｔｈ）が４０〜５６ｎｍで酸素原子数の急激な増加が認められたことから、ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌ  ｐ−ｄｏｐｉｎｇは、絶縁体層１４の中の酸素原子に由来するものと考えられる。この酸素原子は、製膜に用いたＰＡ−ＰＥＣＶＤ装置のチャンバー内に残留していた水（Ｈ２Ｏ）分子に由来すると考えられる。なお、図４に示すように、ＤＬＣ絶縁体層１４を構成する炭素・水素量が、層の深さ方向に対して一様に得られたことから、数ｎｍレベルの一層の絶縁体層１４の薄膜化が期待できる。微細化する際、短チャネル効果を抑止するためには、ゲート長ＬＧと絶縁体層１４の膜厚ｄとのアスペクト比（＝ＬＧ／ｄ）を高く保持しなければならないが、ＤＬＣ絶縁体層１４の均質性は、高い比率を保持した状態での微細化を可能にすると考えられる。【００５０】
図５に、以上の結果から予想される、グラフェン電界効果トランジスタ１０のバンド予想図を示す。図５に示すように、ＤＬＣ絶縁体層１４（ゲート絶縁膜）の正孔が、空乏層障壁をトンネルするためにグラフェンチャネル層１１に供給されているものと予想される。【００５１】
同時に、ＤＬＣ絶縁体層１４とグラフェンチャネル層１１との界面に存在する酸素不純物からも、多大な正孔がグラフェンチャネル層１１に供給されているものと考えられる。図４に示すように、Ｓｉ原子の濃度が急激に上昇して一定の高値に落ち着いた領域は、ＳｉＣ基板である。Ｓｉ原子が高値に達した位置とＣ原子の濃度が若干上昇を開始する位置とが、図４中の点線の位置で一致していることから、この点線の位置が、ＳｉＣ基板上のグラフェンチャネル層１１とＤＬＣ絶縁体層１４との界面であると同定できる。なお、グラフェンチャネル層１１の厚さはサブｎｍであり、図４中では判別できない。【００５２】
図４に示すように、ＤＬＣ絶縁体層１４とグラフェンチャネル層１１・ＳｉＣ基板との界面で酸素原子の濃度が最高値であることから、酸素原子はグラフェンと直接接する界面位置に局在し、ＳｉＣ基板とＤＬＣ絶縁体層１４の両方向にしみだしてテールを引きながら分布していることがわかる。なお、ＳｉＣ基板側へのしみ出しは、エッチングイオンによるｋｎｏｃｋ  ｏｎ効果もしくはｍｉｘｉｎｇ効果によるものである。このため、界面付近に存在する酸素不純物からのグラフェンチャネル層１１に対するキャリア供給能力が最も高いことが予想されると同時に、グラフェンチャネル層１１中のキャリアに対しては、界面に存在する酸素不純物が散乱因子として強く作用するため、グラフェンチャネル層１１内を走行するキャリアの輸送特性を阻害することが推察される。
【実施例２】
【００５３】
図１２に示すＰＡ−ＰＥＣＶＤ装置を利用することにより、変調ドープ部１４ａの形成など、絶縁体層１４の製膜を高精度で行うことができ、図１（ａ）乃至（ｃ）に示すグラフェン電界効果トランジスタ１０を高品質・高精度で製造することができる。その一例を、以下に示す。【００５４】
ＰＡ−ＰＥＣＶＤ装置でＤＬＣを製膜する際には、一般にＣＨ４とＡｒの混合ガス源をＰＡ−ＰＥＣＶＤ装置チャンバー内に導入する。Ｘｅエキシマランプにより紫外線を照射することによって、被製膜基板内の原子が励起され、光電子が基板表面から放出される。この光電子によってＣＨ４が電離し、電離した炭素イオンが基板表面でアモルファス状に堆積される。製膜速度は、真空度、温度、ガスの混合比および流量によって一定に制御される。そこで、製膜開始から例えば数ｎｍのＤＬＣ膜が製膜されたところで、予め用意していたＣＯ２ガス源のバルブを開き、ＣＯ２ガスをチャンバー内に導入すれば、アクセプタとして作用する酸素不純物をドーパントとして注入できる。ドーピング濃度は、ＣＯ２ガスの流量で制御できる。所望の厚さのドープ層が形成されたところで、ＣＯ２ガス源のバルブを閉じて、継続してＤＬＣを製膜すれば、変調ドープ部１４ａを有するＤＬＣ絶縁体層１4を製膜することができる。酸素不純物ガス源としては、ＣＯ２のほか、Ｈ２Ｏでもよい。また、ＮＨ３ガスあるいはＮ２ガスを用いれば、ドナーとして作用する窒素不純物をドープした変調ドープ部１４ａの製膜が実現できる。例えば、グラフェンチャネル層１１との界面から１０ｎｍ弱程度離れた、ＤＬＣ絶縁体層１４内の位置に、数ｎｍの厚みの変調ドープ部１４ａを形成することができる。【００５５】
この場合、変調ドープ部１４ａ内の不純物原子は、グラフェンと直接接していないため、グラフェンチャネル層１１内のキャリアに対して不純物散乱因子として寄与することはない。このため、グラフェンチャネル層１１内のキャリア輸送特性を阻害する要因とは成りえない。また、その不純物原子がグラフェンに対して正孔キャリア供給能力を有していれば、ＤＬＣ絶縁体層１４のバンドの湾曲にともなう、ＤＬＣ絶縁体層１４とグラフェンチャネル層１１との界面の空乏層障壁の薄層化によって、ＤＬＣ絶縁体層１４内の正孔はグラフェンチャネル層１１への量子力学的トンネルが可能となり、所望の効果を得ることができる。すなわち、グラフェンチャネル層１１を直接傷つけることなくキャリア密度およびキャリア移動度を高めることができ、動作速度の向上を図ることができる。【００５６】
ところで、上述の酸素不純物原子は、ＤＬＣ中に存在するだけでは室温下で正孔キャリアを価電子帯内に供給する能力をほとんど有しない。これは、図６に示す、ＰＡ−ＰＥＣＶＤ装置によるＤＬＣ製膜の際に、本来のＣＨ４＋Ａｒに加えてＣＯ２ガスを導入したときの、ＤＬＣ膜絶縁耐圧のＣＯ２流量比依存性に見て取れる。なお、図６の横軸の単位は、ＳＣＣＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｃｕｂｉｃ  Ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ  ｐｅｒ  Ｍｉｎｕｔｅ）であり、０℃、１ａｔｍ環境下での１分あたりの流量（ｃｍ３）を示している。図６に示すように、ＣＯ２流量比の増加とともに、ＤＬＣの絶縁耐圧は上昇傾向を示している。このように、酸素不純物の導入によってＤＬＣの絶縁性が向上することから、酸素不純物はＤＬＣに対してキャリア供給能力を有さないことがわかる。これは、酸素不純物がイオン化して電子を捕獲（従って、価電子帯には正孔を供給）するのに必要な活性化エネルギーが、熱エネルギー（室温下で約２６ｍｅＶ）に比して高いためと考えられる。【００５７】
しかしながら、実験結果から、グラフェン上に製膜したＤＬＣ絶縁体層１４においては、酸素不純物が正孔を供給する能力を有していることが推察される。これは、図５に示すように、グラフェンと製膜したＤＬＣとの電子親和力の相違によって生じる、ＤＬＣの伝導帯および価電子帯のバンドの湾曲によって果たされる。すなわち、ゲート電極に負バイアスを印加すると、ゲート電極のフェルミ準位ＥＦが印加バイアス分だけ上昇し、それに伴って、ＤＬＣのバンドはゲート電極端が持ち上げられ、グラフェン界面では図５に示すようなバンドの湾曲が生じる。このとき、バンドの湾曲が強いグラフェン界面近傍のＤＬＣ内に酸素不純物が厚さ方向に（わずかでも）広がりを有して存在すると、バンドの湾曲に伴い、酸素不純物のエネルギー準位とＤＬＣの価電子帯上端（ＶＢＭ）とのエネルギー差がバンドの傾斜分だけ実効的に縮まる。このエネルギー差が酸素不純物原子の活性化（イオン化）エネルギーを下回ることにより、価電子帯中の電子を捕獲して価電子帯中に正孔を生じさせる（図５中の「１」）。さらに、ＤＬＣのバンドの湾曲にともなうＤＬＣ−グラフェン界面の空乏層障壁の薄層化によって、ＤＬＣからグラフェンへの量子力学的トンネルが可能となり、それによってグラフェンチャネル層１１に正孔が供給されている（図５中の「２」）、と考えられる。【００５８】
グラフェンチャネル層１１の界面と変調ドープ部１４ａとの間隔は、室温動作環境下でキャリアがグラフェンにトンネルできるよう狭く設定する必要がある。室温下では一般に電子の波動関数の広がりは１０ｎｍ程度であることから、十分に高い量子力学的トンネル確率を有するためには、その間隔を１０ｎｍ程度もしくはそれ以下に設定する必要がある。加えて、グラフェンチャネル層１１の界面付近でのＤＬＣ絶縁体層１４のバンドの湾曲にともなう正孔キャリアの供給では、価電子帯の上端（ＶＢＭ）が高くグラフェンチャネル層１１の界面から遠ざかる領域に、キャリア供給域が拡がりを有することから、その拡がり分だけグラフェンチャネル層１１の界面により近接した領域に形成することが望ましい。一方、グラフェンチャネル層１１の界面に最近接可能な位置としては、酸素不純物原子の深さ方向分布がグラフェンチャネル層１１の界面で十分に減衰し得る位置に設定する必要がある。この最近接可能な位置は、製膜に用いる製造装置の不純物濃度分布の制御性にも依存する。以上の点と現状の製膜装置とを仮定すれば、変調ドープ部１４ａはグラフェンチャネル層１１の界面から３乃至６ｎｍ程度の位置に形成することが望ましい。【００５９】
実際に、図１（ａ）に相当する構造のグラフェン電界効果トランジスタ１０（以下、「δ−ドープ素子」と呼ぶ）、ならびに、図２乃至４に示したものと同様の、ＤＬＣ絶縁体層１４とグラフェンチャネル層１１との界面に、酸素不純物原子の多くが局在する構造のグラフェン電界効果トランジスタ１０（以下、「界面吸着素子」と呼ぶ）を同一基板上に形成し、両者の特性を比較検証した。図７に、δ−ドープ素子のＳＩＭＳ元素深さプロファイルおよびＩＤＳ−ＶＧＳ特性を示す。また、図８に、界面吸着素子のＳＩＭＳ元素深さプロファイルおよびＩＤＳ−ＶＧＳ特性を示す。【００６０】
δ−ドープ素子では、図７（ａ）に示すように、ＤＬＣ絶縁体層１４の厚さは、約４４ｎｍ（図７（ａ）中の点線の位置）と同定できる。また、酸素不純物原子の濃度ピークは、グラフェンチャネル層１１の界面から６ｎｍほどＤＬＣ絶縁体層１４に入ったところに位置しており、変調ドープ部１４ａが形成できていることが確認できる。酸素不純物原子の濃度分布は厚み方向に広がり、グラフェンチャネル層１１の界面においても完全には低減できていないが、図１（ａ）に示す構造に近い状況が再現できている。【００６１】
一方、界面吸着素子では、図８（ａ）に示すように、ＤＬＣ絶縁体層１４の厚さは、約３１ｎｍ（図８（ａ）中の点線の位置）であり、図７に示すδ−ドープ素子よりは薄く、図４と同様にＤＬＣ絶縁体層１４とグラフェンチャネル層１１との界面に、酸素不純物原子濃度のピークが位置している。なお、このピークは、図８（ａ）の丸印（破線）で示すように、図４と同様、吸着水（Ｈ２Ｏ）によるものと考えられる。【００６２】
図７（ｂ）および図８（ｂ）に示すように、両者のＩＤＳ−ＶＧＳ特性を比較すると、両者ともグラフェンチャネルＦＥＴ特有のアンバイポーラ特性が現れているが、界面吸着素子では、Ｄｉｒａｃ電位（ＩＤＳが最小となるＶＧＳ電位）が正方向に大きくシフトしており、酸素不純物由来の正孔ドーピングによりグラフェンチャネル層１１がｐ型となっていることがわかる。両者において、特にＶＧＳがＤｉｒａｃ電位より低い領域、すなわち正孔モードによるＩＤＳ−ＶＧＳ特性に注目すると、その微係数∂ＩＤＳ／∂ＶＧＳで定義される相互コンダクタンスｇｍは、図７に示す変調ドープ部１４ａを有するδ−ドープ素子の方が高いことがわかる。【００６３】
ここで、ゲート絶縁膜によるゲート容量Ｃを単純な平行平板近似と仮定すれば、ＤＬＣ絶縁体層１４の厚さの差異により、ＤＬＣ絶縁体層１４が４４ｎｍと厚いδ−ドープ素子のゲート容量Ｃは、酸素不純物濃度ピークがグラフェンチャネル層１１の界面に位置する界面吸着素子のゲート容量Ｃよりも小さいものと考えられる。相互コンダクタンスｇｍは、上述のように、ゲート容量Ｃおよびキャリア移動度μに比例する。また、キャリア移動度μは、キャリアの平均寿命τに比例する。これらのことから、以下の２つのことが推察される。【００６４】
１）δ−ドープ素子のキャリア移動度μは、界面吸着素子よりも高い。
２）δ−ドープ素子の実効的なゲート容量Ｃは、変調ドープ部１４ａからのキャリア注入効果によって、単純な平行平板近似を仮定したときのゲート容量値よりも高い。
δ−ドープ素子は、グラフェンチャネル層１１の界面の酸素不純物濃度が低いことから、キャリアの散乱が低減され、より長い平均寿命、従ってより高いキャリア移動度μを有することは容易に推察される。同時に、酸素不純物のキャリア供給能力によって、ゲートバイアス印加とともにグラフェンチャネル層１１内のキャリア濃度はより高く増加できることが推察される。【００６５】
なお、図１（ｂ）に示すように、グラフェン電界効果トランジスタ１０で、絶縁体層１４は、ゲート電極１５の直下からチャネル層１１まで伸びた高誘電率部（ｈｉｇｈ−κ膜）１４ｂを有し、高誘電率部１４ｂとソース電極１２およびドレイン電極１３との間に、高誘電率部１４ｂよりも誘電率が低い低誘電率部（ｌｏｗ−κ膜）１４ｃを有し、低誘電率部１４ｃに変調ドープ部１４ａを有していてもよい。【００６６】
この場合、非特許文献１３に記載の技術を適用し、かつ、通常のＦＥＴ製造加工プロセスで用いられる光露光もしくは電子線露光による選択エッチングの技術を用いることにより、高誘電率部１４ｂと低誘電率部１４ｃとを有するＤＬＣ絶縁体層１４を形成することができる。例えば、初めに高誘電率のＤＬＣ膜を基盤全面に製膜し、ゲート電極直下の真性チャネル領域をレジスト膜でマスクした露光・エッチングによって、ゲート電極直下以外の領域のＤＬＣ膜を除去する。続いて、低誘電率のＤＬＣ膜を全面に製膜し、ゲート電極直下の真性チャネル領域にあるレジスト膜をリフトオフして除去することにより、高誘電率部１４ｂと低誘電率部１４ｃからなるＤＬＣ絶縁体層１４を形成することができる。【００６７】
この場合、高誘電率部１４ｂにより、ゲート電極１５の直下に高い静電誘導効果をもたらすことができ、チャネル界面制御を高精度で行うことができる。また、低誘電率部１４ｃにより、各電極間の寄生容量を低減させることができ、高速化を図ることができる。変調ドープ部１４ａが高誘電率部１４ｂとソース電極１２およびドレイン電極１３との間に設けられているため、アクセス領域のチャネル層１１に効果的にキャリアを供給することができ、アクセス抵抗を低減することができる。【００６８】
さらに、図１（ｃ）に示すように、グラフェン電界効果トランジスタ１０で、絶縁体層１４は、高誘電率部１４ｂにも変調ドープ部１４ａを有していてもよい。この場合、上述のＰＡ−ＰＥＣＶＤ法に変調ドープ部１４ａを形成する手法を、高誘電率部１４ｂおよび低誘電率部１４ｃの製膜時にそれぞれ導入することによって実現することができる。【００６９】
この場合、低誘電率部１４ｃおよび高誘電率部１４ｂの変調ドープ部１４ａの極性を、それぞれｐ型およびｎ型、またはｎ型およびｐ型と区別することにより、高いキャリア密度および高い移動度を維持しながら、ｐ−ｎ−ｐ接合またはｎ−ｐ−ｎ接合を作ることができる。これにより、チャネル層１１における電流の整流性をもたらすことができ、デジタルスイッチング動作を実現することができる。なお、低誘電率部１４ｃおよび高誘電率部１４ｂの各変調ドープ部１４ａは、チャネル層１１からの距離が同じであっても、異なっていてもよい。【００７０】
このように、図１（ａ）乃至（ｃ）に示すような高品質・高精度で製造されたグラフェン電界効果トランジスタ１０は、絶縁体層１４とグラフェンチャネル層１１との界面に存在する酸素不純物原子、または、絶縁体層１４の中に不純物として取り込まれた酸素原子によってグラフェンがｐドープされた図２乃至４に示す実施例１のものと比べて、動作速度が飛躍的に速い等の非常に高い性能を示すものと考えられる。
【符号の説明】
【００７１】
１０  グラフェン電界効果トランジスタ
１１  チャネル層
１２  ソース電極
１３  ドレイン電極
１４  絶縁体層
１４ａ  変調ドープ部
１４ｂ  高誘電率部
１４ｃ  低誘電率部
１５  ゲート電極
【図１０】
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【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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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
2013121954.tif 000018
2013121954.tif 000019
2013121954.tif 000020
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