(57)【要約】【課題】グラフェンから成るチャネルの損傷が少なく、チャネルの抵抗を十分に変調でき、しかもリーク電流の少ないグラフェントランジスタおよびこのようなグラフェントランジスタを簡便な手法により製造する方法を提供する。【解決手段】グラフェン膜から成るチャネル１２０の上に、スピンコートにより形成された高分子膜１３０と、高分子膜１３０の上に形成された酸化物膜１４０とから成る絶縁膜が設けられている。このように、スピンコートにより高分子膜１３０を形成しているので、酸化物膜１４０を形成する際にチャネル１２０の上に形成された高分子膜１３０がチャネル１２０を保護し、チャネル１２０が損傷してしまうことを抑制できる。また、高分子膜１３０および酸化物膜１４０の厚さを調整することによって絶縁膜の静電容量および厚さを調整することができ、チャネル１２０の抵抗を十分に変調でき、しかもリーク電流が少ないグラフェントランジスタ１００を得ることができる。【選択図】図１
2011175996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
この基板の上に形成されたグラフェン膜から成るチャネルと、
このチャネルを覆うように形成された絶縁膜と、
この絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極をはさんで各々が前記チャネルと電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極と
を備え、
前記絶縁膜は、前記チャネルを覆うようにスピンコートにより形成された第１絶縁膜およびこの第１絶縁膜の上に形成された酸化物から成る第２絶縁膜から構成される
ことを特徴とするグラフェントランジスタ。
【請求項２】
前記第１絶縁膜は、水素シルセスキオサン，ポリスチレン，ポリモノクロロパラキシリレン，ポリメタクリル酸メチルのいずれかから成ることを特徴とする請求項１に記載のグラフェントランジスタ。
【請求項３】
前記第２絶縁膜は、二酸化珪素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウムのいずれかから成ることを特徴とする請求項１または２に記載のグラフェントランジスタ。
【請求項４】
基板の上にグラフェン膜から成るチャネルを形成する工程と、
スピンコートにより、前記基板および前記チャネルを覆う高分子膜を形成する工程と、
前記高分子膜の上に酸化物膜を形成する工程と、
前記酸化物膜および前記高分子膜に複数のスルーホールを形成して前記チャネルの一部を露出させる工程と、
各々が前記スルーホールを介して前記チャネルと電気的に接続された第１電極および第２電極ならびに前記酸化物膜の上に前記チャネルの上方で前記第１電極と前記第２電極との間に位置する第３電極を形成する工程と
を少なくとも備えることを特徴とするグラフェントランジスタの製造方法。
【請求項５】
基板の上にグラフェン膜から成るチャネルを形成する工程と、
前記チャネルをはさんで各々がこのチャネルに電気的に接続された第１電極および第２電極を形成する工程と、
スピンコートにより、少なくとも前記チャネル，前記第１電極，および前記第２電極を覆う高分子膜を形成する工程と、
前記高分子膜の上に酸化物膜を形成する工程と、
前記酸化物膜の上に前記チャネルの前記第１電極と前記第２電極との間の上方に位置する第３電極を形成する工程と、
前記酸化物膜および前記高分子膜を選択的に除去して前記第１電極および前記第２電極それぞれの一部を露出させる工程と
を少なくとも備えることを特徴とするグラフェントランジスタの製造方法。
【請求項６】
基板の上にグラフェン膜を形成する工程と、
前記グラフェン膜の上に第１電極および第２電極を形成する工程と、
前記グラフェン膜を加工して前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続するチャネルを形成する工程と、
スピンコートにより、少なくとも前記チャネル，前記第１電極，および前記第２電極を覆う高分子膜を形成する工程と、
前記高分子膜の上に酸化物膜を形成する工程と、
前記酸化物膜の上に前記チャネルの前記第１電極と前記第２電極との間の上方に位置する第３電極を形成する工程と、
前記酸化物膜および前記高分子膜を選択的に除去して前記第１電極および前記第２電極それぞれの一部を露出させる工程と
を少なくとも備えることを特徴とするグラフェントランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記高分子膜は、水素シルセスキオサン，ポリスチレン，ポリモノクロロパラキシリレン，ポリメタクリル酸メチルのいずれかから成ることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のグラフェントランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記酸化物膜は、二酸化珪素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウムのいずれかから成ることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載のグラフェントランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェントランジスタおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは、室温において極めて高いキャリア移動度を有することから、次世代エレクトロニクスの材料、特に電界効果トランジスタのチャネルの材料への応用が期待されている。このように、チャネルの材料としてグラフェンを用いた電界効果トランジスタのことを、グラフェントランジスタという。
【０００３】
この電界効果トランジスタは、ゲート電極が生成するゲート電界を制御することによってチャネル内のキャリア数を変化させ、これによってソース・ドレイン間の抵抗値を変化させてスイッチングを行なうものである。このため、グラフェントランジスタを実現するためには、まず、グラフェンのキャリア数を制御する技術を確立することが肝要であると考えられている。
【０００４】
このような技術を確立するためには、グラフェンという微細な構造をもつ構造体を基板上に緻密に形成しなければならないのはもとより、基板上に形成したグラフェンを損傷することなくソース電極やドレイン電極，ゲート電極，ゲート絶縁膜を形成しなければならない。このような課題を解決すべく、グラフェンの損傷の少ないグラフェントランジスタ，およびこのようなグラフェントランジスタの製造方法が活発に研究されている。以下、すでに報告がなされている研究内容のいくつかを説明する。
【０００５】
まず、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成し、グラファイトから剥離したグラフェンを用いてシリコン酸化膜上にチャネルを形成して、シリコンをゲート電極、シリコン酸化膜をゲート絶縁膜としたグラフェントランジスタが報告されている（たとえば、非特許文献１参照）。しかしながら、グラファイトから剥離して得られるグラフェンの面積が小さいこと、また、基板上に緻密にグラフェンを形成することが難しいという事情も相俟って、工業的な応用にはあまり適さないものと考えられる。
【０００６】
そこで、他の形態のグラフェントランジスタとして、絶縁基板上にグラフェンを形成し、このグラフェンをチャネルとして用いたグラフェントランジスタが報告されている（たとえば、非特許文献２参照）。
【０００７】
しかしながら、この形態のグラフェントランジスタでは、絶縁基板がゲート電極、ゲート絶縁膜の役割を果たさないため、グラフェン表面上にゲート絶縁膜とゲート電極を形成する必要がある。このため、室温で動作するグラフェントランジスタのゲート絶縁膜を、どのような材質および方法を用いて形成するかが問題となる。
【０００８】
この形態のグラフェントランジスタとして、まず、絶縁基板上に形成したグラフェン上にゲート絶縁膜となる二酸化珪素（ＳｉＯ2），酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）などを蒸着して酸化物膜を形成したものが報告されている（たとえば、非特許文献３参照）。また、酸化物膜を形成する方法としては、蒸着により形成する方法の他、原子層堆積法により形成する方法も報告されている（たとえば、非特許文献４参照）。
【０００９】
さらに、絶縁基板上にチャネルとなるグラフェンを形成したグラフェントランジスタとして、ポリスチレンをスピンコートによって塗布してゲート絶縁膜を形成したものも報告されている（たとえば、非特許文献５参照）。
【００１０】
また、厚さ２０ｎｍの水素シルセスキオサン（ＨＳＱ：Hydrogen Silsesquioxane）膜を形成した後に、電子線リソグラフィ技術を用いて水素シルセスキオサンを凝固させ、その上に原子層堆積法により厚さ１５ｎｍの酸化ハフニウム膜を形成することにより、水素シルセスキオサンおよび酸化ハフニウムの二層構造のゲート絶縁膜を備えたグラフェントランジスタも報告されている（たとえば、非特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】K. S. Novoselv et al.,“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”, Science 306, 666 (2004)
【非特許文献２】C. Berger et al., “Ultrathin Epitaxial Graphite: 2D ElectronGas Properties and a Route toward Graphene-based Nanoelectronics”, J. Phys. Chem. B 108, 19912 (2004)
【非特許文献３】Y. Q. Wu. et al., “Top-gated graphene field-effect-transistors formed by decomposition of SiC”, Appl. Phys. Lett. 92, 092102 (2008)
【非特許文献４】Kedzierski el al.“Epitaxial Graphene Transistors on SiC Substrates”, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol 55 No. 8
【非特許文献５】G. Gu et al., “Field effect in epitaxial graphene on a silicon carbide substrate”, Appl. Phys. Lett. 90 253507 (2007)
【非特許文献６】B. Ozyilmaz et al., “Electronic transport in locally gated graphene nanoconstrictions”, Appl. Phys. Lett. 91 192107 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、非特許文献３記載の方法では、二酸化シリコンや酸化ハフニウムを蒸着して酸化物膜を形成する際に、土台となるグラフェンから成るチャネルに高いエネルギーをもつ原子が衝突するので、チャネルが損傷してしまう恐れがある。
【００１３】
これに対し、非特許文献４記載の方法では、原子層堆積法により比較的低温で酸化物膜を形成すれば、グラフェンから成るチャネルが損傷する恐れは少ない。しかしながら、特殊な装置が必要となるため、簡便な方法であるとは言えなかった。
【００１４】
一方、非特許文献５記載の方法では、スピンコートによって、グラフェンを損傷することがなく、かつ、簡便にゲート絶縁膜を形成することが可能である。しかしながら、スピンコートしたポリスチレン膜が５３０ｎｍと厚いため、ゲート電界による抵抗変調が微弱になってしまうという課題がある。そこで、この対応策としてポリスチレン膜をより薄くすることが考えられるものの、ポリスチレン膜を薄くしすぎるとリーク電流が生じるという別の課題を生じてしまう。
【００１５】
非特許文献６記載の方法では、水素シルセスキオサン膜を形成した後に、電子線リソグラフィ技術を用いて水素シルセスキオサンを凝固させる工程や、酸化ハフニウム膜を形成する際に原子層堆積法による特殊な工程を経なければならず、簡便な方法であるとはいえない。また、原子層堆積法によって酸化ハフニウム膜を形成するため、特殊な装置を必要としてしまう。
【００１６】
本発明の目的は、上述した課題を解決するためになされたものであり、グラフェンから成るチャネルの損傷が少なく、チャネルの抵抗を十分に変調でき、しかもリーク電流の少ないグラフェントランジスタを提供することにある。また、本発明の別の目的は、このようなグラフェントランジスタを簡便な手法により製造することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
そこで、本発明に係るグラフェントランジスタは、基板と、この基板の上に形成されたグラフェン膜から成るチャネルと、このチャネルを覆うように形成された絶縁膜と、この絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極をはさんで各々が前記チャネルと電気的に接続されたソース電極およびドレイン電極とを備え、前記絶縁膜は、前記チャネルを覆うようにスピンコートにより形成された第１絶縁膜およびこの第１絶縁膜の上に形成された酸化物から成る第２絶縁膜から構成されることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係るグラフェントランジスタにおいて、前記第１絶縁膜は、水素シルセスキオサン，ポリスチレン，ポリモノクロロパラキシリレン，ポリメタクリル酸メチルのいずれかから成るものとしてもよい。さらに、前記第２絶縁膜は、二酸化珪素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウムのいずれかから成るものとしてもよい。
【００１９】
本発明に係る第１のグラフェントランジスタの製造方法は、基板の上にグラフェン膜から成るチャネルを形成する工程と、スピンコートにより、前記基板および前記チャネルを覆う高分子膜を形成する工程と、前記高分子膜の上に酸化物膜を形成する工程と、前記酸化物膜および前記高分子膜に複数のスルーホールを形成して前記チャネルの一部を露出させる工程と、各々が前記スルーホールを介して前記チャネルと電気的に接続された第１電極および第２電極ならびに前記酸化物膜の上に前記チャネルの上方で前記第１電極と前記第２電極との間に位置する第３電極を形成する工程とを少なくとも備えることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明に係る第２のグラフェントランジスタの製造方法は、基板の上にグラフェン膜から成るチャネルを形成する工程と、前記チャネルをはさんで各々がこのチャネルに電気的に接続された第１電極および第２電極を形成する工程と、スピンコートにより、少なくとも前記チャネル，前記第１電極，および前記第２電極を覆う高分子膜を形成する工程と、前記高分子膜の上に酸化物膜を形成する工程と、前記酸化物膜の上に前記チャネルの前記第１電極と前記第２電極との間の上方に位置する第３電極を形成する工程と、前記酸化物膜および前記高分子膜を選択的に除去して前記第１電極および前記第２電極それぞれの一部を露出させる工程とを少なくとも備えることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明に係る第３のグラフェントランジスタの製造方法は、基板の上にグラフェン膜を形成する工程と、前記グラフェン膜の上に第１電極および第２電極を形成する工程と、前記グラフェン膜を加工して前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続するチャネルを形成する工程と、スピンコートにより、少なくとも前記チャネル，前記第１電極，および前記第２電極を覆う高分子膜を形成する工程と、前記高分子膜の上に酸化物膜を形成する工程と、前記酸化物膜の上に前記チャネルの前記第１電極と前記第２電極との間の上方に位置する第３電極を形成する工程と、前記酸化物膜および前記高分子膜を選択的に除去して前記第１電極および前記第２電極それぞれの一部を露出させる工程とを少なくとも備えることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明に係る第１〜３のグラフェントランジスタの製造方法において、前記高分子膜は、水素シルセスキオサン，ポリスチレン，ポリモノクロロパラキシリレン，ポリメタクリル酸メチルのいずれかから成るものとしてもよい。さらに、前記酸化物膜は、二酸化珪素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウムのいずれかから成るものとしてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係るグラフェントランジスタによれば、前記絶縁膜は、前記チャネルを覆うようにスピンコートにより形成された第１絶縁膜およびこの第１絶縁膜の上に形成された酸化物から成る第２絶縁膜から構成されるので、第２絶縁膜を形成する際に、チャネルを覆うように形成された前記第１絶縁膜がチャネルを保護し、チャネルが損傷してしまうことを抑制できる。したがって、グラフェン膜から成るチャネルの損傷が少ないグラフェントランジスタを提供することができる。
また、前記絶縁膜が、第１絶縁膜および第２絶縁膜という誘電率の異なる二つの材質によって構成されているので、両者の厚さを調整することによって絶縁膜の静電容量および厚さを調整することができる。したがって、チャネルの抵抗を十分に変調でき、しかもリーク電流が少ないグラフェントランジスタを提供することができる。
【００２４】
また、本発明に係る第１〜第３のグラフェントランジスタの製造方法によれば、前記グラフェン膜の上にスピンコートにより形成された高分子膜の上に酸化物膜を形成している。このように、酸化物膜を形成する前に、スピンコートにより高分子膜を形成しているので、酸化物膜を形成する際にグラフェン膜の上に形成された高分子膜がグラフェン膜を保護し、グラフェン膜から成るチャネルが損傷してしまうことを抑制できる。
さらに、高分子膜および酸化物膜という誘電率の異なる二つの材質によって絶縁膜を形成しているので、高分子膜および酸化物膜の厚さを調整することによって絶縁膜の静電容量および厚さを調整することができる。したがって、チャネルの抵抗を十分に変調でき、しかもリーク電流が少ないグラフェントランジスタを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るグラフェントランジスタの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るグラフェントランジスタを製造する手順を示す工程図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るグラフェントランジスタを製造する手順を示す工程図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るグラフェントランジスタの抵抗とゲート電圧との関係を測定した結果を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るグラフェントランジスタの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るグラフェントランジスタを製造する手順を示す工程図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るグラフェントランジスタを製造する手順を示す工程図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係るグラフェントランジスタの構成を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係るグラフェントランジスタを製造する手順を示す工程図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係るグラフェントランジスタを製造する手順を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１に係るグラフェントランジスタ１００について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
まず、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ１００の構成について図１を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ１００の構成を示す断面図である。本実施の形態に係るグラフェントランジスタ１００は、図１に示すように、基板１１０，基板１１０の上に形成されたグラフェン膜から成るチャネル１２０，基板１１０およびチャネル１２０の上にまたがって形成された高分子膜１３０，高分子膜１３０の上に形成された酸化物膜１４０，高分子膜１３０および酸化物膜１４０を貫通するホールを通してチャネル１２０と一部が接触しているソース電極１５０およびドレイン電極１６０，酸化物膜１４０のうちチャネル１２０の上方となる部分に形成されたゲート電極１７０から構成されている。
【００２８】
グラフェントランジスタ１００の各構成要素について説明を加える。
基板１１０は、不純物濃度が小さく、半絶縁性を有する炭化珪素（ＳｉＣ）から構成されている。
チャネル１２０は、幅が約２．５μｍ、長さが約７．５μｍ、厚さが約６Åの矩形状のグラフェン膜から構成されている。ここで、本願では、ｓｐ2結合炭素原子のシートであるグラフェンが１〜１０層から成るものをグラフェン膜と総称するものとする。
高分子膜１３０は、厚さ約１００ｎｍの水素シルセスキオサンから構成されている。この高分子膜１３０は、基板１１０およびチャネル１２０の上にまたがってスピンコートにより形成されたものである。
酸化物膜１４０は、厚さ約２０ｎｍの二酸化珪素から構成されている。
ソース電極１５０，ドレイン電極１６０，ゲート電極１７０は、それぞれ、厚さ約１０ｎｍのクロム（Ｃｒ）の上に、厚さ約２００ｎｍの金（Ａｕ）を積層することによって形成されている。
【００２９】
本実施の形態に係るグラフェントランジスタ１００では、上述したように、基板１１０およびチャネル１２０の上にまたがって高分子膜１３０および酸化物膜１４０という二層構造のゲート絶縁膜が形成されている。高分子膜１３０を構成する水素シルセスキオサンの誘電率が２．８〜３．１であるのに比べると、酸化物膜１４０を構成する二酸化珪素の誘電率は３．９〜４．３と大きい。このため、高分子膜１３０および酸化物膜１４０の厚さを調整することによってゲート絶縁膜全体の厚さおよび静電容量を調整することができるので、所望の性能を持つグラフェントランジスタ１００を得ることができる。
【００３０】
次に、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ１００の製造方法について図２および図３を参照しながら説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）および図３（ｄ）〜（ｆ）は、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ１００を製造する手順を示す工程図である。
【００３１】
はじめに、図２（ａ）に示すように、半絶縁性を有する炭化珪素（ＳｉＣ）から構成される基板１１０を熱分解することによって、基板１１０の上に１〜１０層のグラフェンから構成されたグラフェン膜１１２を形成する。
【００３２】
次いで、図２（ｂ）に示すように、グラフェン膜１１２を加工してチャネル１２０を形成する。
具体的には、基板１１０の上のグラフェン膜１１２全体にフォトレジストを塗布し、塗布したフォトレジストのうちチャネル１２０を形成する部分のみが残るように露光をした後、現像液に浸して現像することによりチャネル１２０を形成する部分のみフォトレジストが残った状態にしておく。続いて、ドライエッチングを行ない、グラフェン膜１１２のうちフォトレジストにより保護されていない部分を除去してチャネル１２０を形成する。このドライエッチングとしては、たとえば、ＣＦ4とＯ2を用いた反応性イオンエッチングや、Ｏ2によるプラズマエッチング等が考えられる。この後、フォトレジストを取り除く。
【００３３】
続いて、図２（ｃ）に示すように、基板１１０およびチャネル１２０の上にまたがるように高分子膜１３０を形成する。
具体的には、メチルイソブチルケトン (ＭＩＢＫ：Methyl Isobutyl Ketone)を溶媒とした水素シルセスキオサンを滴下し、スピンコートによって成膜した後、溶媒を蒸発させ、水素シルセスキオサンから成る厚さ１００ｎｍの高分子膜１３０を形成する。ここで、基板１１０およびチャネル１２０の上に高分子膜１３０をスピンコートにより形成するのは、スピンコートにより高分子膜１３０を形成すれば土台となるチャネル１２０、すなわちグラフェン膜に損傷を与える恐れがないためである。
なお、本実施の形態では、高分子膜１３０は厚さ１００ｎｍであるものとしたが、これに限られるものではなく、後述する酸化物膜１４０を形成する工程で、高いエネルギーをもつ原子からチャネル１２０を保護できる程度の厚さがあればよい。
【００３４】
次いで、図３（ｄ）に示すように、高分子膜１３０の上に酸化物膜１４０を形成する。
具体的には、スパッタ法により高分子膜１３０の上に二酸化珪素から成る厚さ２０ｎｍの酸化物膜１４０を形成する。ここで、二酸化珪素から成る酸化物膜１４０を形成するのは、酸化物膜１４０をゲート絶縁膜として作用させる意味があるのはもとより、高分子膜１３０が露出していると、グラフェントランジスタを製造する過程においてフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングするとき、特に水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などのアルカリ性の物質を含む現像液を用いて現像を行なうときに、高分子膜１３０が分解してしまう恐れがあることに基づいている。この際、スパッタ法を用いて酸化物膜１４０を形成すると高いエネルギーの原子を高分子膜１３０に向かって入射することになるが、高分子膜１３０がシールドとして機能するので、その下にあるチャネル１２０、すなわちグラフェン膜を保護することができるのである。
なお、本実施の形態では、酸化物膜１４０の厚さは２０ｎｍとしたが、このような厚さに限られず、チャネル１２０の抵抗を十分に変調できるとともに、リーク電流を抑制することができるように所望の厚さに調整することができる。
【００３５】
続いて、図３（ｅ）に示すように、高分子膜１３０および酸化物膜１４０を貫通する二つのスルーホール１８０を形成する。
二つのスルーホール１８０を形成する方法の一例を説明する。まず、酸化物膜１４０の上にフォトレジストを塗布し、露光、現像することによって、スルーホール１８０を形成する部分、すなわち、最終的にソース電極１５０およびドレイン電極１６０を形成する部分のみ酸化物膜１４０が露出するようフォトレジストを選択的に除去したパターンを形成する。この後、フッ化水素（ＨＦ）を用いたエッチングによって、酸化物膜１４０のうち露出している部分を除去するとともに、さらにその下にある高分子膜１３０も除去し、チャネル１２０の一部を露出させる。この後、不要なフォトレジストを溶剤により溶解して除去する。こうした一連の処理を行なうことにより、二つのスルーホール１８０を形成することができる。
【００３６】
この後、図３（ｆ）に示すように、ソース電極１５０となる第１電極，ドレイン電極１６０となる第２電極，およびゲート電極１７０となる第３電極を形成し、グラフェントランジスタ１００を得ることができる。
第１電極（ソース電極１５０），第２電極（ドレイン電極１６０），および第３電極（ゲート電極１７０）を形成する方法の一例を説明する。まず、酸化物膜１４０，および酸化物膜１４０に設けられたスルーホール１８０を通じて露出したチャネル１２０の上にフォトレジストを塗布し、選択的に露光し、現像することによって、所望の部分、すなわち第１電極（ソース電極１５０），第２電極（ドレイン電極１６０），および第３電極（ゲート電極１７０）を形成する部分のみフォトレジストがない状態にする。この後、金属、たとえばクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）とを順に蒸着して堆積した後、リフトオフによって電極を形成する必要のない部分に堆積された金属をフォトレジストとともに除去することにより、第１電極（ソース電極１５０），第２電極（ドレイン電極１６０），および第３電極（ゲート電極１７０）を形成することができる。
【００３７】
このようにして製造したグラフェントランジスタ１００の抵抗とゲート電圧との関係を調べた結果を報告する。
図４は、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ１００の室温における四端子抵抗とゲート電圧との関係を測定した結果を示す図である。図４に示すように、ゲート電圧の変化に伴ってチャネル１２０中のキャリア濃度が変化し、このキャリア濃度の変化に応じてチャネル１２０の抵抗が変化する様子が明瞭に観測された。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ１００およびグラフェントランジスタ１００の製造方法によれば、酸化物膜１４０を形成する前に、スピンコートにより高分子膜１３０を形成しているので、酸化物膜１４０を形成する際にチャネル１２０の上に形成された高分子膜１３０がチャネル１２０を保護し、チャネル１２０が損傷してしまうことを抑制できる。
また、高分子膜１３０および酸化物膜１４０という誘電率の異なる二つの材質によって絶縁膜を形成しているので、高分子膜１３０および酸化物膜１４０の厚さを調整することによってゲート絶縁膜の静電容量および厚さを調整することができ、チャネル１２０の抵抗を十分に変調でき、しかもリーク電流が少ないグラフェントランジスタ１００を得ることができる。
さらに、グラフェントランジスタ１００を製造する過程において、フォトレジストの塗布、選択的な露光、現像液に浸しての現像という一連の処理を施して、酸化物膜１４０および高分子膜１３０に所望のパターンを形成する場合において、アルカリの現像液を用いると高分子膜１３０が分解してしまう恐れがあるが、高分子膜１３０の上に酸化物膜１４０を形成しているので、高分子膜１３０が現像液により分解されてしまうことを抑制できる。したがって、上述した簡便な手法によって加工し、グラフェントランジスタ１００を得ることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、高分子膜１３０は水素シルセスキオサンにより構成されるものとして説明したが、スピンコート可能で、かつ、酸化物膜１４０を形成する工程でチャネル１２０を保護できる高分子材料であれば、他の高分子材料、たとえば、ポリスチレン，ポリモノクロロパラキシリレン，ポリメタクリル酸メチルなどにより構成されるものとしてもよい。
【００４０】
さらに、本実施の形態では、酸化物膜１４０は二酸化珪素から構成されるものとして説明したが、高分子膜１３０を保護することができる酸化物であれば、他の酸化物、たとえば酸化アルミニウムや酸化マグネシウムなどにより構成されるものとしてもよい。
【００４１】
［実施の形態２］
次に、実施の形態２に係るグラフェントランジスタ２００について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４２】
まず、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ２００の構成について図５を参照しながら説明する。
図５は、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ２００の構成を示す断面図である。本実施の形態に係るグラフェントランジスタ２００では、ソース電極２５０およびドレイン電極２６０が、基板２１０およびグラフェン膜から成るチャネル２２０の上にまたがって形成されている点で、ソース電極１５０およびドレイン電極１６０が酸化物膜１４０およびグラフェン膜から成るチャネル１２０にまたがって形成されている実施の形態１に係るグラフェントランジスタ１００とは異なっている。その他の構成については、実施の形態１に係るグラフェントランジスタ１００と比べて異なる点はない。
【００４３】
次に、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ２００の製造方法について図６および図７を参照しながら説明する。
図６（ａ）〜（ｄ）および図７（ｅ）〜（ｇ）は、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ２００を製造する手順を示す工程図である。
【００４４】
はじめに、図６（ａ）に示すように、半絶縁性を有する炭化珪素（ＳｉＣ）から構成される基板２１０を熱分解することによって、基板２１０の上に１〜１０層のグラフェンから構成されたグラフェン膜２１２を形成する。
【００４５】
次いで、図６（ｂ）に示すように、グラフェン膜２１２を加工して矩形状のチャネル２２０を形成する。
具体的には、フォトレジストの塗布およびパターニング（露光および現像）、グラフェン膜２１２のエッチング、フォトレジストの洗浄除去という一連の処理を行なうことによって矩形状のチャネル２２０を形成すればよい。
【００４６】
続いて、図６（ｃ）に示すように、基板２１０およびチャネル２２０の上にまたがるようにソース電極２５０となる第１電極およびドレイン電極２６０となる第２電極を形成する。
具体的には、フォトレジストの塗布およびパターニング（露光および現像）、電極材料の蒸着、リフトオフという一連の処理を行なうことによって第１電極（ソース電極２５０）および第２電極（ドレイン電極２６０）を形成すればよい。
【００４７】
次いで、図６（ｄ）に示すように、基板２１０，チャネル２２０，第１電極（ソース電極２５０）および第２電極（ドレイン電極２６０）を覆うように高分子膜２３０を形成する。
具体的には、スピンコートによって高分子膜２３０を形成すればよい。
【００４８】
続いて、図７（ｅ）に示すように、高分子膜２３０の上に酸化物膜２４０を形成する。
具体的には、実施の形態１と同様、スパッタ法を用いて形成することができる。この際、実施の形態１で説明したように、高分子膜２３０によってその下層にあるチャネル２２０が保護されるので、高いエネルギーをもつ原子が衝突することによってチャネル２２０が損傷してしまうことを抑制できる。
【００４９】
次いで、図７（ｆ）に示すように、酸化物膜２４０のうちチャネル２２０の上方となる部分にゲート電極２７０となる第３電極を形成する。
具体的には、フォトレジストの塗布およびパターニング（露光および現像）、電極材料の蒸着、リフトオフという一連の処理を行なうことによって第３電極（ゲート電極２７０）を形成すればよい。
【００５０】
この後、図７（ｇ）に示すように、高分子膜２３０および酸化物膜２４０を貫通する二つのスルーホール２８０を形成し、第１電極（ソース電極）および第２電極（ドレイン電極）を露出させることにより、グラフェントランジスタ２００を得ることができる。
具体的には、フォトレジストの塗布およびパターニング（露光および現像）、パターニングされたフォトレジストをマスクとした高分子膜２３０および酸化物膜２４０のエッチング、フォトレジストの洗浄除去という一連の処理を行なうことによってスルーホール２８０を形成し、第１電極（ソース電極）および第２電極（ドレイン電極）を露出させることによって、グラフェントランジスタ２００を得ることができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ２００およびグラフェントランジスタ２００の製造方法によっても、実施の形態１に係るグラフェントランジスタ１００およびグラフェントランジスタ１００の製造方法と同様の効果を享受することができる。
【００５２】
［実施の形態３］
次に、実施の形態３に係るグラフェントランジスタ３００について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５３】
まず、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ３００の構成について図８を参照しながら説明する。
図８は、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ３００の構成を示す断面図である。本実施の形態に係るグラフェントランジスタ３００では、ソース電極３５０およびドレイン電極３６０の端部と、チャネル３２０の端部とが揃っている点で、実施の形態１に係るグラフェントランジスタ１００や実施の形態２に係るグラフェントランジスタ２００とは異なっている。その他の構成については、実施の形態１に係るグラフェントランジスタ１００や実施の形態２に係るグラフェントランジスタ２００と共通している。
【００５４】
次に、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ３００の製造方法について図９および図１０を参照しながら説明する。
図９（ａ）〜（ｄ）および図１０（ｅ）〜（ｇ）は、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ３００を製造する手順を示す工程図である。
【００５５】
はじめに、図９（ａ）に示すように、半絶縁性を有する炭化珪素（ＳｉＣ）から構成される基板３１０を熱分解することによって、基板３１０の上に１〜１０層のグラフェンから構成されたグラフェン膜３１２を形成する。
【００５６】
次いで、図９（ｂ）に示すように、グラフェン膜３１２と接触するようにソース電極３５０となる第１電極およびドレイン電極３６０となる第２電極を形成する。
具体的には、フォトレジストの塗布およびパターニング（露光および現像）、電極材料の蒸着、リフトオフという一連の処理を行なうことによって、グラフェン膜３１２と接触するように第１電極（ソース電極３５０）および第２電極（ドレイン電極３６０）を形成すればよい。
【００５７】
続いて、図９（ｃ）に示すように、グラフェン膜３１２を加工してチャネル３２０を形成する。これにより、第１電極（ソース電極３５０）および第２電極（ドレイン電極３６０）の端部と、チャネル３２０の端部とが揃うことになる。
具体的には、フォトレジストの塗布およびパターニング（露光および現像）により第１電極（ソース電極３５０）と第２電極（ドレイン電極３６０）との間にフォトレジストパターンを形成し、パターニングされたフォトレジスト、第１電極（ソース電極３５０）および第２電極（ドレイン電極３６０）をマスクとしたグラフェン膜３１２のエッチング、フォトレジストの洗浄除去という一連の処理を行なうことによって矩形状のチャネル３２０を形成すればよい。ここで、第１電極（ソース電極３５０）および第２電極（ドレイン電極３６０）の端部と、チャネル３２０の端部とが揃っているのは、グラフェン膜３１２の上に形成された第１電極（ソース電極３５０）および第２電極（ドレイン電極３６０）がマスクとなり、その下にあるグラフェン膜３１２がエッチングされないためである。
【００５８】
次いで、図９（ｄ）に示すように、基板３１０，チャネル３２０，第１電極（ソース電極３５０）および第２電極（ドレイン電極３６０）を覆うように高分子膜３３０を形成する。
具体的には、スピンコートによって高分子膜３３０を形成すればよい。
【００５９】
続いて、図１０（ｅ）に示すように、高分子膜３３０の上に酸化物膜３４０を形成する。
具体的には、実施の形態１，２と同様、スパッタ法を用いて形成することができる。この際、実施の形態１，２で説明したように、高分子膜３３０によってその下層にあるチャネル３２０が保護されるので、高いエネルギーをもつ原子が衝突することによってチャネル３２０が損傷してしまうことを抑制できる。
【００６０】
次いで、図１０（ｆ）に示すように、酸化物膜３４０のうちチャネル３２０の上方となる部分にゲート電極３７０となる第３電極を形成する。
具体的には、フォトレジストの塗布およびパターニング（露光および現像）、電極材料の蒸着、リフトオフという一連の処理を行なうことによって、酸化物膜３４０のうちチャネル３２０の上方となる部分に第３電極（ゲート電極３７０）を形成すればよい。
【００６１】
この後、図１０（ｇ）に示すように、高分子膜３３０および酸化物膜３４０を貫通する二つのスルーホール３８０を形成し、第１電極（ソース電極３５０）および第２電極（３６０）を露出させることにより、グラフェントランジスタ３００を得ることができる。
具体的には、フォトレジストの塗布およびパターニング（露光および現像）、パターニングされたフォトレジストをマスクとした高分子膜３３０および酸化物膜３４０のエッチング、フォトレジストの洗浄除去という一連の処理を行なうことによってスルーホール３８０を形成し、第１電極（ソース電極３５０）および第２電極（３６０）を露出させることによって、グラフェントランジスタ３００を得ることができる。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態に係るグラフェントランジスタ３００およびグラフェントランジスタ３００の製造方法によっても、実施の形態１に係るグラフェントランジスタ１００およびグラフェントランジスタ１００の製造方法と同様の効果を享受することができる。
【００６３】
なお、上述した実施の形態１〜３では、半絶縁性ＳｉＣ基板を熱分解することによって基板上にグラフェン膜を形成するものとして説明したが、その他、グラファイトから剥離したグラフェン膜を基板に転写する方法、化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）や分子線エピタキシー法で他の基板上に成膜したグラフェン膜を所定の基板に転写する方法などを用いることによってグラフェン膜を形成してもよい。
【００６４】
また、上述した実施の形態１〜３では、スパッタ法を用いて酸化物膜１４０，２４０，３４０を成膜するものとして説明したが、これ以外にも電子ビーム法，抵抗加熱法，プラズマＣＶＤ法などを用いて酸化物膜を形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、グラフェントランジスタの製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１００，２００，３００…グラフェントランジスタ、１１０，２１０，３１０…基板、１１２，２１２，３１２…グラフェン膜、１２０，２２０，３２０…チャネル、１３０，２３０，３３０…高分子膜、１４０，２４０，３４０…酸化物膜、１５０，２５０，３５０…ソース電極、１６０，２６０，３６０…ドレイン電極、１７０，２７０，３７０…ゲート電極、１８０，２８０，３８０…スルーホール。
【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１０】
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