(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたグラフェンシートと、
前記グラフェンシートの一端に形成されたソース電極と、
前記グラフェンシートの他端に形成されたドレイン電極と、
前記グラフェンシートに前記ソース電極とドレイン電極との間でゲート電圧を印加するゲート電極と、
前記グラフェンシートに前記ソース電極とドレイン電極の間において、前記ソース電極とドレイン電極を結ぶ方向を横切って形成された、複数の開口部よりなる開口部列と、
を備え、
前記複数の開口部はいずれも、三つのジグザグ端により画成されて正三角形の形状を有し、前記ジグザグ端のうち二つは、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対しいずれも３０°の角度をなし、もう一つのジグザグ端は９０°の角度をなし、
前記複数の開口部は前記開口部列において、それぞれの正三角形の向きを揃えて形成されていることを特徴とする電子装置。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に形成されたグラフェンシートと、
前記グラフェンシートの一端に形成されたソース電極と、
前記グラフェンシートの他端に形成されたドレイン電極と、
前記グラフェンシートを前記ソース電極とドレイン電極の間において覆うゲート絶縁膜と、
前記ソース電極とドレイン電極の間において前記グラフェンシート上に、前記ゲート絶縁膜を介して形成され、前記グラフェンシートに前記ソース電極とドレイン電極との間でゲート電圧を印加するゲート電極と、
前記ソース電極とドレイン電極の間において、前記グラフェンシートに前記ソース電極とドレイン電極を結ぶ方向を横切って形成された複数の開口部よりなる開口部列と、
を備え、
前記複数の開口部はいずれも、三つのジグザグ端により画成されて正三角形の形状を有し、前記ジグザグ端のうち二つは、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対しいずれも３０°の角度をなし、もう一つのジグザグ端は９０°の角度をなし、
前記複数の開口部は前記開口部列において、それぞれの正三角形の向きを揃えて形成されていることを特徴とする電子装置。
【請求項３】
前記ジグザグ端の一つは、前記グラフェンシートの面に対して垂直方向から見た場合に、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対し、時計回りに３０°の角度をなすことを特徴とする請求項１または２記載の電子装置。
【請求項４】
前記ジグザグ端の一つは、前記グラフェンシートの面に対して垂直方向から見た場合に、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対し、反時計回りに３０°の角度をなすことを特徴とする請求項１または２記載の電子装置。
【請求項５】
前記ジグザグ端の一つは、前記グラフェンシートの面に対して垂直方向から見た場合に、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対し、直交することを特徴とする請求項１または２記載の電子装置。
【請求項６】
前記ジグザグ端は、他の炭素原子に結合していない結合手を有する炭素原子を二個以上含む５個以上の炭素原子から構成されていることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の電子装置。
【請求項７】
前記開口部列は、前記ソース電極とドレイン電極の間でキャリアの流れを横切って複数列にわたり形成されていることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の電子装置。
【請求項８】
前記開口部列において、隣接する開口部間の中心間距離に対する前記開口部の一辺の長さの割合が６割以上であることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載の電子装置。
【請求項９】
基板上にグラフェンシートを形成する工程と、
前記グラフェンシート上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜中に複数のマスク開口部を形成する工程と、
前記グラフェンシートを、前記絶縁膜をマスクにパターニングし、前記グラフェンシート中に前記複数のマスク開口部にそれぞれ対応した複数の開口部を形成し、前記複数の開口部により開口部列を形成する工程と、
前記グラフェンシートを非酸化性雰囲気中で熱処理し、前記グラフェンシート中の前記複数の開口部の形状を安定な形状に変化させる工程と、
前記グラフェンシート上に、前記開口部列を挟んで一方の側にソース電極を、他方の側にドレイン電極を形成する工程と、
を含み、
前記複数のマスク開口部を形成する工程は、前記複数のマスク開口部の各々が、前記ソース電極とドレイン電極を結ぶ直線に対し、いずれも時計回り方向と反時計回り方向に３０°の角度をなす二つの縁部と、前記ソース電極とドレイン電極を結ぶ直線に対して直交する一つの縁部により画成される正三角形の形状を有するように実行され、
また前記複数のマスク開口部を形成する工程では、前記複数のマスク開口部が、それぞれの三角形の向きを揃えて形成され、
前記グラフェンシートにおいて前記複数の開口部はいずれも三つのジグザグ端により画成されて正三角形の形状を有し、前記ジグザグ端のうち二つは、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対しいずれも３０°の角度をなし、もう一つのジグザグ端は９０°の角度をなし、前記複数の開口部は前記開口部列において、それぞれの正三角形の向きを揃えて形成されていることを特徴とする電子装置の製造方法。
【請求項１０】
前記ソース電極とドレイン電極とを形成する工程は、前記ソース電極とドレイン電極とを結んだ直線が、前記グラフェンシートを構成する炭素原子の六角形格子の相対向する２辺に平行するように、位置合わせする工程を含むことを特徴とする請求項９記載の電子装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はグラフェンシートを使った電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
グラフェンは例えば黒鉛結晶中において炭素の六角形格子を構成するｓｐ２結合をした炭素原子よりなる原子層であるが、散乱の効果を抑制できれば室温でも２０００００ｃｍ2Ｖ-1ｃｍ-1を超える非常に大きな電子移動度を達成可能であることから、グラフェンのシートを使って超高速電子装置を作製する研究がなされている。
【０００３】
しかしながら黒鉛結晶と同様にグラフェンシートも半金属であり、価電子帯と伝導帯が重なっていてバンドギャップが存在しないため、そのままでは電流のスイッチングに使えない。
【０００４】
このため、特許文献１におけるようにグラフェンシートにより幅が１０ｎｍ以下のリボン状構造を形成し、量子閉じ込め効果によって、バンドギャップを発生させる技術が提案されている。
【０００５】
またグラフェンシートに半径が１０ｎｍ前後の孔をメッシュ状に形成し、形成された孔の周期配列の効果によりバンドギャップを発生させる技術も提案されている（非特許文献１〜３）。バンドギャップが発生するという効果までは言及されていないものの、このような穴開き構造は、特許文献２よっても公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−９４１９０号公報
【特許文献２】特開平１０−１３９４１１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J. Bai et al., Nature Nanotech. 5, 190 (2010)
【非特許文献２】M. Kim et al., Nano. Lett. 10, 1125 (2010)
【非特許文献３】X. Liang et al., Nano Lett. 10, 2454 (2010)
【非特許文献４】K. S. Noveselov, et al., Science 306, 666 (2004)
【非特許文献５】C. Berger, et al., J. Phys. Chem. B 108, 19912 (2004)
【非特許文献６】A. Reina et.al., Nano. Lett. 9, 30 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１は、グラフェンシート１の例を示す平面図である。
【０００９】
図１を参照するに、グラフェンシート１は先にも述べた通りｓｐ２結合をした炭素原子の六角格子よりなる原子層であるが、このようなグラフェンシート１を構成する六角形格子は、互いに平行で互い違いに配置されたＣ−Ｃ結合１ａおよびＣ−Ｃ結合１ｂを含み全体としては前記Ｃ−Ｃ結合１ａおよび１ｂの方向に延在する第１のエッジ１Ａと、ジグザグに繰り返すＣ−Ｃ（炭素−炭素）結合１ｃおよび１ｄを含み、全体としては前記エッジ１Ａに直交する方向に延在する第２のエッジ１Ｂで画成されている。
【００１０】
前記第１のエッジ１Ａでは、Ｃ−Ｃ結合１ａは次のＣ−Ｃ結合１ｂに斜めのＣ−Ｃ結合１ｅで連続し、また前記Ｃ−Ｃ結合１ｂが次のＣ−Ｃ結合１ａに、斜めのＣ−Ｃ結合１ｆにより連続し、アームチェア端とよばれる縁部形状をなす。これに対し前記第２のエッジ１Ｂは前記Ｃ−Ｃ結合１ｃとＣ−Ｃ結合１ｄが繰り返されることからジグザグ端とよばれる形状をなす。図１を参照するに、例えばＣ−Ｃ結合１ｃとＣ−Ｃ結合１ｄとが１ｄ−１ｃ−１ｄ−１ｃ・・・と繰り返されるジグザグ端１Ｂには５個以上の炭素原子が含まれ、そのうち２個以上の炭素原子が他の炭素原子に結合していない結合手を有するのが明らかである。
【００１１】
このようなアームチェア端をなすエッジ１Ａあるいはジグザグ端をなすエッジ１Ｂでは電子の量子閉じ込め効果が生じ、このため、前記特許文献１ではこのようなアームチェア端あるいはジグザグ端により、グラフェンシートのバンド構造中にバンドギャップを発生させ、電子装置のオン／オフ動作を可能としていた。
【００１２】
しかし特許文献１に記載の方法では、チャネルが実効的に前記アームチェア端あるいはジグザグ端に対応して形成されるためチャネル幅が１０ｎｍ以下と狭くなり、大きな電流を得ようとすると、アームチェア端あるいはジグザグ端を有する多数のリボン状構造をグラフェンシートにより作製し、これらのリボン状構造をソース領域とドレイン領域の間に並列に、かつ高密度に配置する必要がある。このためかかる従来技術では、電子装置の製造工程が複雑になる問題が生じる。
【００１３】
また非特許文献１〜３に記載の方法では、孔の二次元周期配列によりバンドギャップを発生させていることから、グラフェンシート中に半径が１０ｎｍ程度の孔を二次元的に配列させる必要があり、チャネル長が数十ナノメートル程度の微細化された電子装置には使うことができない。さらにこのような１０ｎｍオーダーの周期性により形成されたバンドギャップはせいぜい０．１ｅＶ程度と小さく、通常の電子装置で使われるような動作電圧で確実にオンオフ動作をさせるのは容易ではない。
【００１４】
さらに２層になったグラフェンシートの面に垂直に電場を印加することによりバンドギャップを発生させる技術も提案されているが、かかる構成で得られるバンドギャップの大きさは最大でも０．３ｅＶ程度にしかならず、電子装置への適用は困難である。
【００１５】
また特許文献２に記載の方法では、円形の穴又は円形の組み合わせによる穴、又は多角形の穴を有する構造を請求しているが、穴の形状や並べ方、サイズによっては期待通りの大きさのバンドギャップを得られない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
一の側面によれば電子装置は基板と、前記基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたグラフェンシートと、前記グラフェンシートの一端に形成されたソース電極と、前記グラフェンシートの他端に形成されたドレイン電極と、前記グラフェンシートに前記ソース電極とドレイン電極との間でゲート電圧を印加するゲート電極と、前記グラフェンシートに前記ソース電極とドレイン電極の間において、前記ソース電極とドレイン電極を結ぶ方向を横切って形成された、複数の開口部よりなる開口部列と、を備え、前記複数の開口部はいずれも、三つのジグザグ端により画成されて正三角形の形状を有し、前記ジグザグ端のうち二つは、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対しいずれも３０°の角度をなし、もう一つのジグザグ端は９０°の角度をなし、前記複数の開口部は前記開口部列において、それぞれの正三角形の向きを揃えて形成されている。
【００１７】
他の側面によれば電子装置は基板と、前記基板上に形成されたグラフェンシートと、前記グラフェンシートの一端に形成されたソース電極と、前記グラフェンシートの他端に形成されたドレイン電極と、前記グラフェンシートを前記ソース電極とドレイン電極の間において覆うゲート絶縁膜と、前記ソース電極とドレイン電極の間において前記グラフェンシート上に、前記ゲート絶縁膜を介して形成され、前記グラフェンシートに前記ソース電極とドレイン電極との間でゲート電圧を印加するゲート電極と、前記ソース電極とドレイン電極の間において、前記グラフェンシートに前記ソース電極とドレイン電極を結ぶ方向を横切って形成された複数の開口部よりなる開口部列と、を備え、前記複数の開口部はいずれも、三つのジグザグ端により画成されて正三角形の形状を有し、前記ジグザグ端のうち二つは、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対しいずれも３０°の角度をなし、もう一つのジグザグ端は９０°の角度をなし、前記複数の開口部は前記開口部列において、それぞれの正三角形の向きを揃えて形成されている。
【００１８】
他の側面によれば電子装置の製造方法は、基板上にグラフェンシートを形成する工程と、前記グラフェンシート上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜中に複数のマスク開口部を形成する工程と、前記グラフェンシートを、前記絶縁膜をマスクにパターニングし、前記グラフェンシート中に前記複数のマスク開口部にそれぞれ対応した複数の開口部を形成し、前記複数の開口部により開口部列を形成する工程と、前記グラフェンシートを非酸化性雰囲気中で熱処理し、前記グラフェンシート中の前記複数の開口部の形状を安定な形状に変化させる工程と、前記グラフェンシート上に、前記開口部列を挟んで一方の側にソース電極を、他方の側にドレイン電極を形成する工程と、を含み、前記複数のマスク開口部を形成する工程は、前記複数のマスク開口部の各々が、前記ソース電極とドレイン電極を結ぶ直線に対し、いずれも時計回り方向と反時計回り方向に３０°の角度をなす二つの縁部と、前記ソース電極とドレイン電極を結ぶ直線に対して直交する一つの縁部により画成される正三角形の形状を有するように実行され、また前記複数のマスク開口部を形成する工程では、前記複数のマスク開口部が、それぞれの三角形の向きを揃えて形成され、前記グラフェンシートにおいて前記複数の開口部はいずれも三つのジグザグ端により画成されて正三角形の形状を有し、前記ジグザグ端のうち二つは、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対しいずれも３０°の角度をなし、もう一つのジグザグ端は９０°の角度をなし、前記複数の開口部は前記開口部列において、それぞれの正三角形の向きを揃えて形成されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、グラフェンシート中に、向きを揃えて正三角形形状の複数の開口部を形成することにより、前記グラフェンシートのバンド構造中に、大きな伝導ギャップを形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】グラフェンの六角形格子を示す平面図である。
【図２】第１の実施形態による電子装置を示す平面図である。
【図３】図２中、線Ａ−Ａ'に沿った断面図である。
【図４】比較対照例による開口部の例を示す平面図である。
【図５】比較対照例による開口部の他の例を示す平面図である。
【図６】比較対照例による開口部のさらに他の例を示す平面図である。
【図７】第１の実施形態の一変形例による開口部列を示す平面図である。
【図８】第１の実施形態の他の変形例による開口部列を示す平面図である。
【図９】第１の実施形態のさらに他の変形例による開口部列を示す平面図である。
【図１０】第１の実施形態のさらに他の変形例による開口部列を示す平面図である。
【図１１】図２の電子装置においてグラフェンシートに生じるバンドギャップを示すグラフである。
【図１２】図２の電子装置の製造方法を説明するフローチャートである。
【図１３Ａ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その１）である。
【図１３Ｂ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その２）である。
【図１３Ｃ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その３）である。
【図１３Ｄ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その４）である。
【図１３Ｅ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その５）である。
【図１３Ｆ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その６）である。
【図１３Ｇ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その７）である。
【図１３Ｈ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その８）である。
【図１３Ｉ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その９）である。
【図１３Ｊ】図２の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その１０）である。
【図１４】図１３Ｇの工程で使われるマスクパターンを示す平面図である。
【図１５】第２の実施形態による電子装置を示す断面図である。
【図１６】図１５の電子装置の製造方法を説明するフローチャートである。
【図１７Ａ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その１）である。
【図１７Ｂ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その２）である。
【図１７Ｃ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その３）である。
【図１７Ｄ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その４）である。
【図１７Ｅ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その５）である。
【図１７Ｆ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その６）である。
【図１７Ｇ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その７）である。
【図１７Ｈ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その８）である。
【図１７Ｉ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その９）である。
【図１７Ｊ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その１０）である。
【図１７Ｋ】図１５の電子装置の製造方法を説明する工程断面図（その１１）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態による電子装置２０の平面図、図３は、図２中、線Ａ−Ａ'に沿った断面図を示す。
【００２２】
最初に図３の断面図を参照するに、例えばｐ＋型にドープされゲート電極を兼用するシリコン基板２１上には、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜２２が形成されており、前記シリコン酸化膜２２上には前記図１のグラフェンシート１と同様なグラフェンシート２３が形成されている。
【００２３】
さらに前記シリコン基板２１上、前記グラフェンシート２３の一方の端にはソース電極２３Ｓが、また他方の端にはドレイン電極２３Ｄが形成されている。
【００２４】
前記グラフェンシート２３には、図２の平面図に示すように複数の開口部２３Ａが、前記ソース電極２３Ｓとドレイン電極２３Ｄを結んだ方向（以下、「チャネル方向」と表記する）を横切って、前記チャネル方向に直交するチャネル幅方向に延在する開口部列２３Ｎの形で形成されている。図示の例では各々の開口部２３Ａは縁部２３ａ１〜２３ａ３により画成されて正三角形をなしており、前記縁部２３ａ１〜２３ａ３のすべてにジグザグ端が形成されている。ここで前記「チャネル方向」は、前記ソース電極２３Ｓから前記グラフェンシート２３に放出された電子が前記グラフェンシート２３中をドレイン電極２３Ｄに向かって走行する方向でもあり、図２における直線Ａ−Ａ'に平行な方向である。
【００２５】
図２の構成の電子装置２０では前記ソース電極２３Ｓとドレイン電極２３Ｄとは平行に対向しており、前記直線Ａ−Ａ'は前記ソース電極２３Ｓおよびドレイン電極２３Ｄに直交している。
【００２６】
さらに図２の構成の電子装置２０では、前記グラフェンシート２３が前記シリコン基板２１上において、グラフェンシート２３を構成する炭素原子の六角形格子のうちの平行に対向する一対の縁部が、前記チャネル方向に平行になるような向きに配置されており、その結果、前記ジグザグ端２３ａ１、２３ａ２は、前記チャネル方向に対してそれぞれ反時計回りと時計回り方向に３０°傾いた角度をなしており、２３ａ３は、前記チャネル方向に直交している。
【００２７】
このような構成の電子装置２０において、グラフェンシート２３に生じるバンドギャップＥｇの大きさを計算したところ、例えば図２に示した構成において前記開口部２３Ａの一辺の長さを約２．５ｎｍとして、前記開口部２３Ａを中心間距離が約３．５ｎｍとなるように配列した場合、前記バンドギャップＥｇは１．００ｅＶとなることが示された。ただしこの計算は、炭素原子一個あたり一つのｐｚ軌道を基底とし、最近接原子間の相互作用のみを考慮した強束縛近似計算により行っている。
【００２８】
一方、前記グラフェンシート２３中に形成される開口部２３Ａの代わりに、比較対照例として、（Ａ）図４の平面図に示すように一辺の長さが２．５ｎｍの菱形形状を有し、ジグザグ端２３ｂ１〜２３ｂ４のみで画成された開口部２３Ｂを形成した場合、（Ｂ）図５に示すように長方形状で、２つのジグザグ端２３ｃ１，２３ｃ３による長さ２．５ｎｍの辺と２つのアームチェア端２３ｃ２，２３ｃ４による長さ２．３ｎｍの辺を有する開口部２３Ｃを形成した場合、および（Ｃ）図６に示すように一辺の長さが１．５ｎｍの六角形状を有し、ジグザグ端のみで画成された開口部２３Ｅを形成した場合を考えると、前記バンドギャップＥｇの大きさは、前記（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に対応して、それぞれ０．５４ｅＶ，０．１３ｅＶ，および０．５６ｅＶとなることが示された。ただしこの計算も、炭素原子一個あたり一つのｐｚ軌道を基底とし、最近接原子間の相互作用のみを考慮した強束縛近似計算により行っている。また上記の計算でも、開口部の中心間距離は約３．５ｎｍとしている。
【００２９】
上記の計算において、図４，図５および図６におけるグラフェンシート２３の向きは、図２におけるグラフェンシート２３の向きと同じに設定している。そこで図４の構成（Ａ）では前記開口部２３Ｂは、チャネル幅方向に互いに対向し、かつチャネル方向に対してそれぞれ反時計回り方向および時計回り方向に３０°傾いたジグザグ端２３ｂ１および２３ｂ２と、チャネル幅方向に互いに対向し、かつチャネル方向に対してそれぞれ時計回り方向および反時計回り方向に３０°傾いたジグザグ端２３ｂ３および２３ｂ４とを含む縁部で画成されており、また図５の構成（Ｂ）では、前記開口部２３Ｃを画成するジグザグ端２３ｃ１，２３ｃ３は、前記チャネル方向に直交する方向、すなわちチャネル幅方向に延在し、一方、前記アームチェア端２３ｃ２，２３ｃ４は、前記チャネル幅方向に直交する方向、すなわちチャネル方向に延在しており、また図６の構成（Ｃ）では、前記開口部２３Ｅを画成するジグザグ端２３ｅ１，２３ｅ４は前記チャネル方向に直交する方向、すなわちチャネル幅方向に延在する一方、ジグザグ端２３ｅ２，２３ｅ３，２３ｃ５，２３ｃ６は前記チャネル方向に対して反時計回り方向あるいは時計回り方向に３０°の角度をなしていることに注意すべきである。
【００３０】
このように本実施形態によれば、グラフェンシート２３には、図２に示した正三角形形状の開口部を形成した場合に、最も大きなバンドギャップＥｇが生じることが発見された。
【００３１】
次に、前記正三角形形状の開口部２３Ａに対応する正三角形形状の開口部２３Ｆの、前記グラフェンシート２３中における並べ方を、図７〜１０のように様々に変化させた場合における、前記バンドギャップＥｇの変化について説明する。
【００３２】
まず図７を参照するに、図７の例は前記図２と実質的に同一であり、正三角形の開口部２３Ｆが同じ方向を向いてチャネル幅方向に沿って整列している。この場合のバンドギャップは前述の通り１．００ｅＶである。また図８に示したように各開口部２３Ｆがチャネル幅方向に沿って一列に整列していない場合であっても、先と同様な計算により、バンドギャップＥｇとして前記１．００ｅＶの値が得られることが示された。
【００３３】
一方、同様な計算により、図９に示すような、正三角形状開口部２３Ｆとその逆向きの正三角形状開口部２３Ｇが交互に配列され、かつこれらがチャネル幅方向に沿って一列に整列している場合にはバンドギャップＥｇは０．０２ｅＶにしかならず、また図１０に示すような、開口部２３Ｆと２３Ｇが交互に並んではいるが、それぞれの底辺を結ぶ線で左右に線対称に折り返され、チャネル幅方向に沿って一列には整列していない場合には、バンドギャップＥｇは０．０６ｅＶにしかならないことが示された。
【００３４】
このような図７あるいは図８以外の配置においてバンドギャップＥｇの減少が生じる理由であるが、例えば図９における開口部２３Ｆと開口部２３Ｇとでは、二つの隣接する開口部で、二つのジグザグ端が平行に対向していることが関係している可能性がある。すなわち、平行なジグザグ端が近接して形成された場合、それぞれのジグザグ端に局在化してバンドギャップを形成するはずであった電子の波動関数が拡がってしまい、このような電子の波動関数の非局在化が上記のバンドギャップの減少をもたらしている可能性がある。例えば図１０の配置では、開口部２３Ｆおよび２３Ｇの相対向する平行なジグザグ端が図９の場合よりも斜めに離間しており、これに伴ってより大きな０．０６ｅＶのバンドギャップＥｇが生じている可能性がある。このようなグラフェンシート２３において平行に相対向するジグザグ端は、比較対照例による前記図４の構成、図５の構成および図６の構成においても生じていることがわかる。これに対し、図２あるいは図７，図８に示す本実施形態においては、このような平行に相対向するジグザグ端は形成されていないことに注意すべきである。
【００３５】
このように本実施形態によれば、グラフェンシート２３において大きなバンドギャップＥｇを得るには、前記グラフェンシート２３中に、各々三つのジグザグ端により画成された正三角形状の複数の開口部２３Ｆを、前記ジグザグ端のうち二つは、前記ソース電極２３Ｓとドレイン電極２３Ｄを結んだ方向に対しいずれも３０°の角度をなし、もう一つのジグザグ端は９０°の角度をなすように、向きを揃えて形成するのが有利であることが結論される。
【００３６】
図１１は、前記図７に示した一列に整列した正三角形状開口部２３Ｆについて、（ａ）隣接する開口部２３Ｆ間での中心間距離を固定し、開口部２３Ｆの大きさ、すなわち正三角形の一辺の長さを変化させた場合、（ｂ）開口部２３Ｆの端間距離を固定し開口部２３Ｆの大きさ、すなわち正三角形の一辺の長さを変化させた場合、および（ｃ）開口部２３Ｆの大きさ、すなわち正三角形の一辺の長さを固定し開口部２３Ｆの中心間距離を変化させた場合について、バンドギャップＥｇの値を、先の計算と同様にして求めた結果を示すグラフである。中心間距離、端間距離および辺の長さは、図１１に定義した通りである。
【００３７】
図１１を参照するに、横軸は、前記開口部２３Ｆの中心間距離に対する前記開口部２３Ｆの正三角形の一辺の長さの割合を示しているが、図１１の関係より、この割合が大きいほどバンドギャップＥｇが増大することが分かる。例えばＥｇ＞０．５ｅＶのグラフェンシート２３を得たい場合は、前記割合を６割以上にすればよいことがわかる。
【００３８】
なお本実施形態において、前記グラフェンシート２３を、図２あるいは図４〜図１０におけるように、六角形格子の互いに平行な一対の縁部が前記チャネル方向に平行するような向きに配置し、かかるグラフェンシート２３に前記開口部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｆ，２３Ｇなどの一般的な開口部を形成した場合、熱力学的な安定性の観点から、前記開口部を画成する縁部のうち安定なものは、前記チャネル方向に対し０°，あるいは反時計回りあるいは時計回り方向に３０°、あるいは反時計回りあるいは時計回り方向に６０°、あるいは９０°のいずれかの角度をなすものに限定されることに注意すべきである。このうち０°方向および反時計回りあるいは時計回り方向に６０°の角度をなす縁部はアームチェア端を形成し、反時計回りあるいは時計回り方向に３０°の角度をなす縁部、および９０°の角度をなす縁部はジグザグ端を形成する。
【００３９】
次に、図１２のフローチャートおよび図１３Ａ〜図１３Ｊの工程断面図を参照しながら、図２の電子装置２０の製造工程について説明する。
【００４０】
図１２のフローチャートを参照するに、ステップ１において図１３Ａに示すように、例えばｐ＋型にドープされたシリコン基板２１上に、ゲート絶縁膜として作用する厚さが例えば３００ｎｍのシリコン酸化膜２２を形成する。ここで前記シリコン酸化膜２２は、前記シリコン基板２１の熱酸化などにより形成することができる。なお前記基板２１としては、ｐ＋型にドープされたシリコン基板以外にも、ｎ＋型にドープされたシリコン基板や金属基板など、他の導電性基板を使うことができる。この場合には前記シリコン酸化膜２２は例えばスパッタ法などにより形成することができる。
【００４１】
次に図１２のステップ２において、図１３Ｂに示すように、前記シリコン酸化膜２２上にグラフェンシート２３を形成する。前記グラフェンシート２３は、例えば高配向熱分解グラファイト（Highly Oriented Pyrolytic Graphite;ＨＯＰＧ）や天然グラファイト、キッシュグラファイトなどのバルクグラファイト結晶表面からグラファイト層をスコッチテープ（登録商標）やセロテープ（登録商標）などの粘着テープや粘着シートなどの粘着媒体により機械的に剥離ないしへき開させ、さらにこれを例えば非特許文献４などに記載されているように、別の粘着テープで繰り返しへき開させることにより薄片化するプロセスにより得ることができる。このようにして得られたグラフェンシート２３は、さらに粘着媒体ごと、前記シリコン酸化膜２２の表面にこすりつけて転写され、これにより図１３Ｂの構造が得られる。
【００４２】
あるいは非特許文献５などに記載されているように六方晶系の６Ｈ−ＳｉＣ基板を用意し、これを真空中またはＡｒなど非酸化性雰囲気中、１２００℃以上に加熱することで基板表面からＳｉ原子を脱離させることにより、ＳｉＣ基板表面にＳｉＣの六方晶系の原子配列に依存してグラフェンシートをエピタキシャルに得ることも可能である。この場合にも、得られたグラフェンシートを粘着媒体などに転写し、これを前記シリコン酸化膜２２の表面に転写することによって、前記図１３Ｂの構造を得ることができる。
【００４３】
また非特許文献６などに記載されているようにグラフェンシートをＣＶＤ法で形成することも可能である。この場合には、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕなどの金属触媒をシリコン基板上のシリコン酸化膜表面に堆積し、アセチレンを原料とした熱ＣＶＤプロセスを６５０〜１０００℃程度の温度で実行することにより、前記金属触媒上にグラフェンを合成することができる。この場合も、得られたグラフェンを粘着媒体に転写し、さらにこれを前記シリコン酸化膜２２の表面に転写することにより、図１３Ｂの構造を得ることができる。
【００４４】
次にステップ３において図１３Ｃに示すように、前記グラフェンシート２３を覆って、ハードマスクとなるシリコン酸化膜ＨＭ１を、例えばＣＶＤ法あるいはスパッタ法により、例えば１０ｎｍの膜厚に形成し、さらにステップ４において、レジストパターンＲ１のマスク方位を合わせた上で、前記シリコン酸化膜ＨＭ１を図１３Ｄに示すように、前記レジストパターンＲ１をマスクにパターニングし、前記グラフェンシート２３のうち、前記ソース電極２３Ｓが形成されるソース領域２３ｓと前記ドレイン電極２３Ｄが形成されるドレイン領域２３ｄとを、前記ソース領域２３ｓとドレイン領域２３ｄとを結んだ線が、前記グラフェンシート２３を構成する炭素の六角形格子のうち、平行に対向して延在する二辺に平行するように、露出させる。
【００４５】
さらにステップ５において前記図１３Ｄの構造上にソース電極パターン２３Ｓ，ドレイン電極パターン２３Ｄとなる金属膜２３Ｍを、図１３Ｅに示すように前記シリコン酸化膜ＨＭ１上においてレジストパターンＲ１をも覆うように例えばスパッタ法あるいは電子ビーム蒸着法などにより堆積し、さらにステップ７において前記レジストパターンＲ１を、その上に堆積した金属膜２３Ｍ共々リフトオフする。これにより、前記グラフェンシート２３のソース領域２３ｓに前記ソース電極パターン２３Ｓが、またドレイン領域２３ｄに前記ドレイン電極パターン２３Ｄが、それぞれ形成される。前記金属膜２３Ｍは、例えば厚さが５ｎｍのＴｉ密着膜（図示せず）と厚さが例えば３０ｎｍのＡｕ膜（図示せず）とを順次積層した構造を有してもよい。
【００４６】
次にステップ８において前記シリコン酸化膜ＨＭ１上にレジスト膜Ｒ２が形成され、前記レジスト膜Ｒ２中に図１４のマスクパターンＭを使って図１３Ｇに示すようにレジスト開口部Ｒ２Ａが、前記マスクパターンＭ中のマスク開口部２３Ｍに対応して形成される。前記マスク開口部２３Ｍは、前記グラフェンシート２３中に形成される開口部列２３Ａに対応した正三角形形状のマスク開口部を、向きを揃えて前記開口部列に沿って配列させた構成を有しており、前記開口部２３Ａのジグザグ端２３ａ１、２３ａ２および２３ａ３がそれぞれマスク開口部２３Ｍのエッジ２３ｍ１、２３ｍ２および２３ｍ３に対応している。
【００４７】
前記ステップ８ではその際、前記マスク開口部２３Ｍの向きが、前記グラフェンシート２３中に形成したい開口部２３Ａの向きに一致するように、前記グラフェンシート２３に対して前記レジスト膜Ｒ２の方位を設定される。このようなマスク方位合わせの結果、前記エッジ２３ｍ１は前記チャネル方向から反時計回り方向に３０°傾いており、一方前記エッジ２３ｍ２は、前記チャネル方向から時計回り方向に３０°傾いている。前記エッジ２３ｍ３は、前記チャネル方向に直交している。
【００４８】
前記ステップ８では、さらにこのようにして形成されたレジスト開口部Ｒ２Ａにより前記シリコン酸化膜ＨＭ１がパターニングされ、前記シリコン酸化膜ＨＭ１中には、図１３Ｈに示すように前記マスク開口部２３Ｍに対応したマスク開口部ＨＭＡが形成される。
【００４９】
次にステップ９の工程において前記グラフェンシート２３に対し、前記シリコン酸化膜ＨＭ１をマスクに、例えば１０ｍＴｏｒｒの圧力下、９０Ｗのプラズマパワーで２５ｓｃｃｍの流量で酸素ガスを供給しながら反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、前記グラフェンシート２３に、図１３Ｉに示すように、前記マスク開口部ＨＭＡに対応して開口部２３Ａを、前記グラフェンシート２３の方位に対して所定の関係になるように、すなわち開口部２３Ａのジグザグ端２３ａ１および２３ａ２が、前記チャネル方向に対してそれぞれ反時計回り方向および時計回り方向に３０°傾き、ジグザグ端２３ｍ３が、前記チャネル方向に直交するように、形成する。前記マスクパタ―ンＭにおいて前記マスク開口部２３Ｍは図１４に示すように開口部列方向に周期的に形成されており、これにより前記グラフェンシート２３にはかかる開口部２３Ａにより開口部列２３Ｎが、前記チャネル幅方向に形成される。
【００５０】
さらにステップ１０において図１３Ｊに示すように前記シリコン酸化膜ＨＭ１を、ＨＦを使ったウェットエッチングにより選択的に除去し、その後、水素雰囲気などの還元雰囲気中、例えば１０００°の温度で熱処理することにより、前記開口部２３Ａの端部における炭素原子の配列を安定化させる。かかる安定化の結果、仮に図１３Ｈの工程でマスクパタ―ンＭの方位が僅かにずれていたとしても、前記開口部２３Ａの縁部において炭素原子は再配列し、前記チャネル方向に反時計回り方向あるいは時計回り方向に３０°の角度のジグザグ端が安定に得られる。
【００５１】
［第２の実施形態］
図１４は、第２の実施形態による電子装置６０の構成を示す断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５２】
図１４を参照するに、電子装置６０は６Ｈ−ＳｉＣ基板６１の（０００１）面上に形成されており、前記（０００１）面上に直接に形成され、前記図２の平面図に示した開口部２３Ａにより開口部列２３Ｎを形成されたグラフェンシート２３と、前記グラフェンシート２３上に、前記グラフェンシート２３を構成する炭素原子の六角形格子のうち、平行に対向する二辺に対して平行する向きにおいて相互に対向するように形成されたソース電極２３Ｓおよびドレイン電極２３Ｄを含む。
【００５３】
さらに前記グラフェンシート２３は、前記開口部列２３Ｎごと、たとえは厚さが１０ｎｍの酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）よりなるゲート絶縁膜６２により覆われ、前記ゲート絶縁膜６２上には、厚さが例えば５ｎｍのチタン（Ｔｉ）膜と厚さが例えば３０ｎｍの金（Ａｕ）膜とを順次積層した構成のゲート電極６３が形成されている。
【００５４】
なお図示の構成ではソース電極２３Ｓおよびドレイン電極２３Ｄも前記酸化ハフニウム膜６２により覆われており、前記酸化ハフニウム膜６２には前記ソース電極２３Ｓおよび２３Ｄに対応して図示しないビアホールが形成される。
【００５５】
かかる構成の電子装置でも、前記ソース電極２３Ｓとドレイン電極２３Ｄとが、前記ソース電極２３Ｓとドレイン電極２３Ｄとを結んだ直線が、前記グラフェンシート２３Ｓを構成する炭素の六角形格子のうち相対向する二辺に対して平行するような向きに形成されているため、先の図２の実施形態と同様に、前記グラフェンシート２３中には、前記チャネル方向に対して時計回り方向あるいは反時計回り方向に３０°傾いたジグザグ端とチャネル方向に直交するジグザグ端により画成された正三角形形状の開口部２３Ａの開口部列２３Ｎが、先の実施形態と同様に形成されており、その結果、前記グラフェンシート２３は、先の図１１のグラフよりわかるように、例えば開口部２３Ａの辺の長さが開口部２３Ａの中心間距離の６割以上であれば、０．５ｅＶ以上の大きなバンドギャップＥｇを示す。このため図１４の電子装置６０においても、前記ソース電極２３Ｓからドレイン電極６２Ｄへの電子の流れを、前記ゲート電極６３に印加したゲート電圧により確実に制御することが可能となる。
【００５６】
以下、図１５の電子装置６０の製造方法を、図１６のフローチャートおよび図１７Ａ〜図１７Ｋの工程断面図を参照しながら説明する。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図１６のフローチャートを参照するに、ステップ２１において図１７Ａに示すように（０００１）面を主面とする６Ｈ−ＳｉＣ基板６１を準備し、ステップ２２において前記６Ｈ−ＳｉＣ基板を真空中、あるいは１２００°以上のアルゴン（Ａｒ）など非酸化雰囲気中において熱処理し、前記基板２１の主面を画成する（０００１）面からＳｉ元素を脱離させる。その結果、（０００１）面よりなる前記６Ｈ−ＳｉＣ基板２１の主面には、図１７Ｂに示すように六方晶系配列した炭素原子よりなる炭素原子層が残り、所望のグラフェンシート２３がエピタキシャルに形成される。
【００５８】
次に図１６のステップ２３において図１７Ｃに示すようにシリコン酸化膜よりなるハードマスク膜ＨＭ１を、例えばスパッタ法やＣＶＤ法により形成し、ステップ２４において前記ハードマスク膜ＨＭ１を、図１７Ｄに示すようにレジストパターンＲ１をマスクにパターニングして、前記グラフェンシート２３のうち、ソース領域２３ｓとドレイン領域２３ｄとを露出する。
【００５９】
さらに図１６のステップ２５において前記図１７Ｄの構造上に、厚さが５ｎｍのチタン膜と厚さが３０ｎｍの金膜とを、電子ビーム蒸着法あるいはスパッタ法により順次堆積して図１７Ｅに示す金属膜２３Ｍを形成し、さらに図１６のステップ２６において図１７Ｆに示すように前記レジストパターンＲ１をその上の金属膜２３Ｍ共々リフトオフし、前記グラフェンシート２３のソース領域２３ｓにソース電極２３Ｓを、またドレイン領域２３ｄにドレイン電極２３Ｄを、それぞれ形成する。
【００６０】
さらに図１６のステップ２７において前記ハードマスク膜ＨＭ１を、例えば先の図１４で説明したマスクパタ―ンＭを使ってマスク開口部２３Ｍに従ってパターニングし、図１７Ｇに示すように前記グラフェンシート２３を露出する開口部ＨＭＡを形成し、ステップ２８において前記グラフェンシート２３を、前記ハードマスク膜ＨＭ１をマスクにパターニングし、さらに図１７Ｈに示すように前記グラフェンシート２３中に、例えば開口部２３Ａよりなる開口部列２３Ｎを形成する。
【００６１】
さらに図１６のステップ２９において、前記グラフェンシート２３を水素雰囲気など還元雰囲気中、例えば１０００°の温度で熱処理し、先に形成された開口部２３Ａの縁部における炭素原子の配列を安定化させる。さらにステップ３０において図１７Ｉに示すようにハードマスク膜ＨＭ１をたとえはＨＦによるウェット処理により除去し、さらにステップ３１において図１７Ｊに示すように、ゲート絶縁膜６２を前記グラフェンシート２３上に形成する。図示の例では、前記ゲート絶縁膜６２として酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜を使っているが、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）膜やハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ４）膜やハフニウムジルコネート（ＺｒＳｉＯ４）膜などを使うことも可能である。
【００６２】
さらにステップ３２において前記ゲート絶縁膜６２上に前記ソース電極パターン２３Ｓあるいはドレイン電極パターン２３Ｄと同様な、Ｔｉ膜と金膜の積層構造のゲート電極６３を形成することにより、図１７Ｋに示すようにトップゲート構造の電子装置を得ることができる。
【００６３】
なお上記の各実施形態において、「グラフェンシート」は、必ずしも、炭素の六角形格子を構成するｓｐ２結合をした炭素原子よりなる厳密に単一の原子層である必要はなく、かかる原子層を複数含んでいてもよい。
【００６４】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１，２３  グラフェンシート
１Ａ  アームチェア端
１Ｂ  ジグザグ端
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ  Ｃ−Ｃ結合
２０，６０  電子装置
２１  シリコン基板
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｆ，２３Ｇ  開口部
２３ａ１〜２３ａ３，２３ｂ１〜２３ｂ４，２３ｃ１〜２３ｃ４，２３ｅ１〜２３ｅ６  縁部
２３Ｎ  開口部列
２３Ｍ  マスク開口部
２３ｍ１〜２３ｍ３  エッジ
２３Ｓ  ソース電極パターン
２３Ｄ  ドレイン電極パターン
６１  ＳｉＣ基板
６２  ゲート絶縁膜
６３  ゲート電極
【図１】
0005794075.tif 000002
【図２】
0005794075.tif 000003
【図３】
0005794075.tif 000004
【図４】
0005794075.tif 000005
【図５】
0005794075.tif 000006
【図６】
0005794075.tif 000007
【図７】
0005794075.tif 000008
【図８】
0005794075.tif 000009
【図９】
0005794075.tif 000010
【図１０】
0005794075.tif 000011
【図１１】
0005794075.tif 000012
【図１２】
0005794075.tif 000013
【図１３Ａ】
0005794075.tif 000014
【図１３Ｂ】
0005794075.tif 000015
【図１３Ｃ】
0005794075.tif 000016
【図１３Ｄ】
0005794075.tif 000017
【図１３Ｅ】
0005794075.tif 000018
【図１３Ｆ】
0005794075.tif 000019
【図１３Ｇ】
0005794075.tif 000020
【図１３Ｈ】
0005794075.tif 000021
【図１３Ｉ】
0005794075.tif 000022
【図１３Ｊ】
0005794075.tif 000023
【図１４】
0005794075.tif 000024
【図１５】
0005794075.tif 000025
【図１６】
0005794075.tif 000026
【図１７Ａ】
0005794075.tif 000027
【図１７Ｂ】
0005794075.tif 000028
【図１７Ｃ】
0005794075.tif 000029
【図１７Ｄ】
0005794075.tif 000030
【図１７Ｅ】
0005794075.tif 000031
【図１７Ｆ】
0005794075.tif 000032
【図１７Ｇ】
0005794075.tif 000033
【図１７Ｈ】
0005794075.tif 000034
【図１７Ｉ】
0005794075.tif 000035
【図１７Ｊ】
0005794075.tif 000036
【図１７Ｋ】
0005794075.tif 000037