(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、
前記各々の開口部は少なくとも一つのジグザグ端により画成されており、前記少なくとも一つのジグザグ端は、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°の角度をなす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、
前記各々の開口部は少なくとも一つのジグザグ端により画成されており、前記少なくとも一つのジグザグ端は、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°の角度をなすことを特徴とする電子装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つの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】
前記少なくとも一つの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】
前記少なくとも一つのジグザグ端は、前記ソース電極から前記ドレイン電極に向かって相互間隔を増大させる第１および第２のジグザグ端と、前記ソース電極から前記ドレイン電極に向かって相互間隔を減少させる第３および第４のジグザグ端と、を含み、前記第１および第３のジグザグ端は、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対し、それぞれ反時計回りおよび時計回りに３０°の角度をなし、前記第２および第４のジグザグ端は、前記ソース電極とドレイン電極を結んだ方向に対し、それぞれ時計回りおよび反時計回りに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】
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マスク開口部に対応した開口部を形成する工程と、
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、
前記マスク開口部を形成する工程は、前記マスク開口部が、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あるいは反時計回り方向に３０°の角度をなす一または複数の縁部により画成されるように実行され、前記パターニングにより前記グラフェンシート中に前記マスク開口部に対応して形成される開口部は、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あるいは反時計回り方向に３０°の角度をなす一または複数のジグザグ端により画成されることを特徴とする電子装置の製造方法。
【請求項８】
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７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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−９４１９０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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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領域とドレイン領域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、前記各々の開口部は少なくとも一つのジグザグ端により画成されており、前記少なくとも一つのジグザグ端は、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°の角度をなす。
【００１６】
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領域とドレイン領域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、前記各々の開口部は少なくとも一つのジグザグ端により画成されており、前記少なくとも一つのジグザグ端は、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°の角度をなす。
【００１７】
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マスク開口部に対応した開口部を形成する工程と、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、前記マスク開口部を形成する工程は、前記マスク開口部が、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あるいは反時計回り方向に３０°の角度をなす一または複数の縁部により画成されるように形成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、グラフェンシート中に、キャリアの移動方向に対して３０°の角度をなすジグザグ端が形成でき、かかるジグザグ端の効果により、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】
【００１９】
【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】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５】グラフェンシートに形成される他の開口部の例を示す平面図である。
【図６】グラフェンシートに形成されるさらに他の開口部の例を示す平面図である。
【図７】図２の電子装置において生じる電子透過率とエネルギの関係を示すグラフである。
【図８】図２の電子装置において生じるスイッチング特性を比較対照例のものと比較して示すグラフである。
【図９】第２の実施形態による電子装置を示す平面図である。
【図１０】図９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１１】図９の電子装置において生じる電子透過率とエネルギの関係を示すグラフである。
【図１２】図９の電子装置において生じるスイッチング特性を、比較対照例および図２の電子装置のものと比較して示すグラフである。
【図１３】図２および図９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１４Ａ】図２および図９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１４Ｂ】図２および図９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１４Ｃ】図２および図９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１４Ｄ】図２および図９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１４Ｅ】図２および図９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１４Ｆ】図２および図９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１４Ｇ】図２および図９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１４Ｈ】図２および図９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１４Ｉ】図２および図９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１４Ｊ】図２および図９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１５】グラフェンシートへの開口部のパターニングに使われるマスクの例を示す平面図である。
【図１６】第２の実施形態の一変形例によるグラフェンシートを示す平面図である。
【図１７】第３の実施形態による電子装置を示す断面図である。
【図１８】図１７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１９Ａ】図１７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１９Ｂ】図１７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１９Ｃ】図１７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１９Ｄ】図１７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１９Ｅ】図１７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１９Ｆ】図１７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１９Ｇ】図１７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１９Ｈ】図１７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１９Ｉ】図１７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１９Ｊ】図１７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１９Ｋ】図１７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】
【００２０】
［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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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２３ａ１〜２３ａ７により画成されて歪んだ七角形をなしており、前記縁部２３ａ１にはジグザグ端が、また前記縁部２３ａ２〜２３ａ７にはアームチェア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。
【００２４】
図２の構成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。
【００２５】
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辺が、前記チャネル方向に平行す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２３ａは、前記チャネル方向に対して反時計回り方向に３０°傾いた角度をなしている。
【００２６】
図４は、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、（ａ）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、図５に示す、正六角形状を有しアームチェア端のみで画成された開口部２３Ｂを形成した場合、および（ｂ）図６に示すように歪んだ七角形状で、一つのジグザグ端２３ｃ１と六つのアームチェア端２３ｃ２〜２３ｃ７を有する開口部２３Ｃを形成した場合と比較して示すグラフである。図４において（ｃ）で示したデータが、図２および図３の電子装置２０のものである。図４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。
【００２７】
また図４の計算において、図５および図６でのグラフェンシート２３の向きは、図２におけるグラフェンシート２３の向きと同じにしており、その結果、図５の構成では前記開口部２３Ｂの正六角形を画成する六つのアームチェア端２３ｂ１〜２３ｂ６は、前記チャネル方向に対して反時計回り方向に６０°または時計回り方向に６０°の角度を、あるいは０°の角度をなす。また図６の構成では、前記開口部２３Ｃを画成するジグザグ端２３ｃ１は、前記チャネル方向に直交する、すなわちチャネル幅方向の向きを有する一方、前記アームチェア端２３ｃ２〜２３ｃ７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６０°の角度、もしくは０°の角度をなす。
【００２８】
図４中、縦軸はこのようにして求められたバンドギャップＥｇの半値（Ｅｇ／２）をエレクトロンボルトの単位で、横軸は、前記キャリアの流れを横切るように配列された開口部列２３Ｎ中における開口部２３Ａ（あるいは開口部２３Ｂ，２３Ｃ）の繰り返し周期を、前記六角形状格子をなす炭素六員環一つの大きさを単位として表したものである。また図４中、（ｃ）のデータは図２および３に示す本実施形態の電子装置２０についてのものである。
【００２９】
なお図２の、グラフェンシート２３中に前記開口部２３Ａにより開口部列２３Ｎを形成した構成の場合、一つの開口部２３Ａのチャネル幅方向のサイズが、炭素原子六員環１５個分の大きさになっているため、図４中で周期が「１７」の値の場合には、二つの開口部２３Ａが前記チャネル幅方向に、炭素原子六員環１ないし２個分の距離を隔てて隣接していることになり、周期の値が事実上の最小値になっている。なおここで「チャネル幅方向」は、前記グラフェンシート２３の面内において前記「チャネル方向」に直交する方向を意味する。
【００３０】
図４を参照するに、（ｃ）で示す図２および図３の電子装置２０の場合には、前記開口部列２３Ｎ中の開口部２３Ａの繰り返し周期が１７〜１９の範囲においてバンドギャップＥｇが１．２ｅＶ以上で１．６ｅＶに近い値（半値Ｅｇ／２にして０．６ｅＶ以上で０．８ｅＶに近い値）をとるのに対し、図２および図３の電子装置２０において、図５の形状の開口部２３Ｂを形成したグラフェンシートを使った場合には、特定の繰り返し周期でしか、高いバンドギャップを得られないことがわかる。
【００３１】
ただし図４の結果は、前記グラフェンシート２３中に、図５のアームチェア端をなす開口部２３Ｂを形成する場合や、図６の、キャリアの移動方向に直交する向きにジグザグ端を有する開口部２３Ｃを形成する場合でも、開口部列中における開口部の繰り返し周期を最適化すれば、従来の０．３ｅＶ程度の値を大きく超えるバンドギャップを実現することが可能であることも示している。
【００３２】
図７は、図２のグラフェンシート２３において、前記開口部２３Ａを、炭素六員環１７個を１周期として繰り返し配列して開口部列２３Ｎを形成した場合の電子透過率とエネルギの関係を示すグラフである。図中ＥＦはフェルミ準位を表す。
【００３３】
図７を参照するに、通常のグラフェンシートではバンドギャップが存在しないのに対し、本実施形態のグラフェンシート２３では約１.５ｅＶのバンドギャップエネルギＥｇが出現しているのがわかる。
【００３４】
図８中、曲線Ａは、前記図２のグラフェンシート２３において、前記開口部２３Ａを、炭素六員環１７個を１周期として繰り返し配列して開口部列２３Ｎを形成し、さらに前記開口部列に直角方向に電流を流した場合の、グラフェンシート２３に印加するバイアス電圧と電流密度との関係を、強束縛近似計算の結果から見積もったグラフである。図８中、横軸はバイアス電圧を、縦軸は電流密度を表す。図８において横軸のバイアス電圧はゲート電極として作用するｐ＋型シリコン基板２１により前記グラフェンシート２３に、ゲート絶縁膜として作用するシリコン酸化膜２２を介して印加され、縦軸の電流密度は、前記ソース電極２３Ｓからドレイン電極２３Ｄへ流れる電流の密度である。
【００３５】
図８を参照するに、電子装置２０においては、導通／非導通のしきい値となる電流密度を０．２μＡ／ｎｍとした場合、グラフェンシート２３を導通させるには１．５Ｖのバイアス電圧がしきい値電圧（伝導ギャップ）として必要となり、明瞭なしきい値特性が得られているのがわかる。なお図８中、曲線「ＲＥＦ」は、前記グラフェンシート２３の代わりに、開口部を形成していないグラフェンを使った場合を示している。
【００３６】
また前記図８中、曲線Ｂは前記開口部２３Ａの代わりに図５の開口部２３Ｂを形成した場合、また曲線Ｃは図６の開口部２３Ｃを形成した場合の特性を示しているが、このような場合であっても、開口部列２３Ｎ中における繰り返し周期を、例えば炭素六員環の径（１．７ｎｍ）で１８個分、あるいは２１個分に最適化すれば、図２の開口部２３Ａを形成した場合と同等のバンドギャップＥｇを発生させることが可能であるのがわかる。
【００３７】
なおグラフェンシートに前記開口部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを含む一般的な開口部を形成した場合の熱力学的に安定な形状は、グラフェンシートを図２あるいは図５，図６に示すように六角形格子の互いに平行な一対の縁部を前記チャネル方向に直交する向きに配置した場合、前記開口部が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縁部により画成された形状に限定され、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となり、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となる。
【００３８】
前記電子装置２０の製造工程については、次の実施形態に関連して説明する。
【００３９】
［第２の実施形態］
図９は第２の実施形態による電子装置４０の構成を示す平面図である。図中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。また９の断面図は、先に図３で説明したものと同じであり、図示を省略する。
【００４０】
図９を参照するに、電子装置４０ではグラフェンシート２３中に、図２の開口部２３Ａに代えて図示の例では八角形状の開口部２３Ｅが形成され、前記開口部２３Ｅを前記チャネル幅方向に周期配列させることで前記開口部列２３Ｎを形成しており、各々の開口部２３Ｅは、前記チャネル方向に対して反時計回りに３０°傾いた第１のジグザグ端２３ｅ１と、時計回り方向に３０°傾いた第２のジグザグ端２３ｅ２と、さらにアームチェア端２３ｅ３〜２３ｅ８とよりなる縁部により画成されている。その際、前記開口部２３Ｆにおいて前記アームチェア端２３ｅ３と２３ｅ６とは前記チャネル方向に延在しており、アームチェア端２３ｅ７と２３ｅ８とは、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６０°傾いている。またアームチェア端２３ｅ４と２３ｅ５とは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６０°および６０°傾いている。
【００４１】
図１０は、前記図４の結果に、さらに図９の電子装置４０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、前記開口部２３Ｅのチャネル幅方向への繰り返し周期の関数として求めた結果を示すグラフである。図４の場合と同様に、バンドギャップＥｇ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。
【００４２】
図１０を参照するに、曲線（ａ）および曲線（ｃ）は図４の曲線（ａ）および曲線（ｃ）にそれぞれ対応し、前記グラフェンシート２３に図５の開口部２３Ｂあるいは図２の開口部２３Ａを形成することにより前記開口部列２３Ｎを形成した場合のバンドギャップＥｇと開口部の繰り返し周期の関係を示している。これに対し、曲線（ｄ）は前記図９の実施形態に対応しており、グラフェンシート２３中に開口部２３Ｅにより前記開口部列２３Ｎを形成した場合におけるバンドギャップＥｇと繰り返し周期との関係を示している。
【００４３】
図１０を参照するに、前記開口部２３Ｅにはチャネル方向に対して反時計回り方向に傾斜したジグザグ端２３ｅ１に加えて、時計回り方向にジグザグ端２３ｅ２が追加して形成されていることに対応して、グラフェンシート２３のバンド構造には、曲線（ｄ）の二倍近い大きなバンドギャップＥｇが生じること、また開口部２３Ｅの繰り返し周期が最小値である１７から増大しても、バンドギャップＥｇの値の減少は、曲線（ａ）あるいは（ｃ）の場合よりもゆるやかであることがわかる。
【００４４】
図１１は、前記図７に対応した、電子装置４０中のグラフェンシート２３において、前記開口部２３Ｅを、炭素六員環１７個を１周期として繰り返し配列して開口部列２３Ｎを形成した場合の電子透過率とエネルギの関係を示すグラフである。図中、比較のため図７に示した電子装置２０における電子透過率とエネルギの関係を示している。
【００４５】
図１１を参照するに、前記電子装置４０では、図１０の関係に対応して、２．７ｅＶに達する大きなバンドギャップが生じているのがわかる。
【００４６】
図１２は、前記図８に対応した、グラフェンシート２３印加するバイアス電圧と電流密度の関係を、強束縛近似計算の結果から見積もったグラフである。図１２中、曲線Ａは先の実施形態による電子装置２０に対応し、本実施形態による電子装置４０の特性は曲線Ｂにより示されている。なお図８と同様、比較のためグラフェンシート２３中に開口部を形成しなかった場合の特性を曲線「Ｒｅｆ」で示している。
【００４７】
図１２を参照するに、電子装置４０ではバンドギャップＥｇが増大した結果、さらに高い、約２．７Ｖのしきい値電圧を実現できることがわかる。
【００４８】
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。
【００４９】
次に、図１３のフローチャートおよび図１４Ａ〜図１４Ｌの工程断面図を参照しながら、図９の電子装置４０の製造工程について説明する。なお図２および図３で説明した第１の実施形態による電子装置２０も同様な製造工程により製造することができる。
【００５０】
図１３のフローチャートを参照するに、ステップ１において図１４Ａ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を介してグラフェンシート２３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。
【００５１】
次に図１３のステップ２において、図１４Ｂ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、図１４Ｂの構造が得られる。
【００５２】
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１４Ｂの構造を得ることができる。
【００５３】
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１４Ｂの構造を得ることができる。
【００５４】
次にステップ３において図１４Ｃ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、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１４Ｄ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直交するように、露出させる。
【００５５】
さらにステップ５において前記図１４Ｄ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１４Ｅ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において図１４Ｆに示すように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。
【００５６】
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１５のマスクパターンＭを使って図１４Ｇ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２３Ｅに対応した形状を有しており、前記開口部２３Ｅのジグザグ端２３ｅ１および２３ｅ２がそれぞれマスク開口部２３Ｍのエッジ２３ｍ１および２３ｍ２に対応し、また開口部２３Ｅのアームチェア端２３ｅ３〜２３ｅ８がそれぞれエッジ２３ｍ３〜２３ｍ８に対応している。
【００５７】
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。
【００５８】
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が図１４Ｈに示すようにパターニングされ、前記シリコン酸化膜ＨＭ１中には前記マスク開口部２３Ｍに対応したマスク開口部ＨＭＡが形成される。
【００５９】
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、図１４Ｉに示すように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、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２３ｅ１および２３ｅ２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°傾くように、形成する。前記マスクＭにおいて前記マスク開口部２３Ｍは図１５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。
【００６０】
さらにステップ１０において図１４Ｊ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１４Ｈの工程でマスク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。
【００６１】
先の第１の実施形態の電子装置２０においても上記の製造方法を適用することができる。
【００６２】
なお本実施形態において、図９の開口部２３Ｅの代わりに、図１６に示すように、チャネル幅方向に互いに対向し、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２３ｆ１および２３ｆ２と、チャネル幅方向に互いに対向し、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２３ｆ３および２３ｆ４とを含む縁部で画成された開口部２３Ｆを形成することも可能である。図１６の構成では、チャネル方向に対して３０°傾いたジグザグ端の数が増加するため、バンドギャップＥｇをさらに増大させることができる。
【００６３】
図１６の構成でも、開口部２３Ｆはチャネル幅方向に繰り返し形成されている。
【００６４】
［第３の実施形態］
図１７は、第３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。
【００６５】
図１７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あるいは図９、あるいは図１６の平面図に示した開口部２３Ａ，２３Ｅあるいは２３Ｆ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直交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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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直交するような向きに形成されているため、先の図２あるいは図９あるいは図１６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°傾いたジグザグ端が形成されており、その結果、前記グラフェンシート２３は、図４あるいは図１０よりわかるように、１．６ｅＶ以上、あるいは２．８ｅＶ以上の大きなバンドギャップＥｇを示す。このため図１７の電子装置１７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。
【００６９】
以下、図１７の電子装置６０の製造方法を、図１８のフローチャートおよび図１９Ａ〜図１９Ｋ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。
【００７０】
図１８を参照するに、ステップ２１において図１９Ａ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１９Ｂ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。
【００７１】
次に図１８のステップ２３において図１９Ｃ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、レジストパターンＲ１をマスクにパターニングして、図１９Ｄに示すように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。
【００７２】
さらに図１８のステップ２５において前記図１９Ｄ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１９Ｅに示す金属膜２３Ｍを形成し、さらに図１８のステップ２６において図１９Ｆ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。
【００７３】
さらに図１８のステップ２７において前記ハードマスク膜ＨＭ１を、例えば図１５で説明したマスクＭを使ってパターニングして、図１９Ｇ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、図１９Ｈ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。前記ステップ２８において、前記開口部２３Ａの代わりに開口部２３Ｅあるいは２３Ｆを形成することも可能である。
【００７４】
さらに図１８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など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１９Ｉ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１９Ｊ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。
【００７５】
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１９Ｋ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。
【００７６】
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】
【００７７】
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
２０，４０，６０  電子装置
２１  シリコン基板
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｅ，２３Ｆ  開口部
２３ａ１〜２３ａ７，２３ｂ１〜２３ｂ６，２３ｃ１〜２３ｃ７，２３ｅ１〜２３ｅ８，２３ｆ１〜２３ｆ４  縁部
２３Ｎ  開口部列
２３Ｍ  マスク開口部
２３ｍ１〜２３ｍ８  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】
0005772307.tif 000002
【図２】
0005772307.tif 000003
【図３】
0005772307.tif 000004
【図４】
0005772307.tif 000005
【図５】
0005772307.tif 000006
【図６】
0005772307.tif 000007
【図７】
0005772307.tif 000008
【図８】
0005772307.tif 000009
【図９】
0005772307.tif 000010
【図１０】
0005772307.tif 000011
【図１１】
0005772307.tif 000012
【図１２】
0005772307.tif 000013
【図１３】
0005772307.tif 000014
【図１４Ａ】
0005772307.tif 000015
【図１４Ｂ】
0005772307.tif 000016
【図１４Ｃ】
0005772307.tif 000017
【図１４Ｄ】
0005772307.tif 000018
【図１４Ｅ】
0005772307.tif 000019
【図１４Ｆ】
0005772307.tif 000020
【図１４Ｇ】
0005772307.tif 000021
【図１４Ｈ】
0005772307.tif 000022
【図１４Ｉ】
0005772307.tif 000023
【図１４Ｊ】
0005772307.tif 000024
【図１６】
0005772307.tif 000025
【図１７】
0005772307.tif 000026
【図１８】
0005772307.tif 000027
【図１９Ａ】
0005772307.tif 000028
【図１９Ｂ】
0005772307.tif 000029
【図１９Ｃ】
0005772307.tif 000030
【図１９Ｄ】
0005772307.tif 000031
【図１９Ｅ】
0005772307.tif 000032
【図１９Ｆ】
0005772307.tif 000033
【図１９Ｇ】
0005772307.tif 000034
【図１９Ｈ】
0005772307.tif 000035
【図１９Ｉ】
0005772307.tif 000036
【図１９Ｊ】
0005772307.tif 000037
【図１９Ｋ】
0005772307.tif 000038
【図１５】
0005772307.tif 000039