Siウエハー上へのグラフェン成膜と
ナノ加工による多機能化
研究責任者 ：
吹留博一
（東北大学 電気通信研究所 准教授）
コーディネータ：
高橋 哲
（東北大学 産学連携課 専門職員）
共同研究者：
川合祐輔
（東北大学 大学院工学研究科 助教）
末光眞希
（東北大学 電気通信研究所 教授）
研究背景（１） グラフェン（の必要性）？
グラフェン？ ・・・一層もしくは数層の厚みのグラファイト（黒鉛）
直線的なバンド構造
⇒ キャリアの有効質量→０
⇒キャリア移動度 200,000cm2/Vs
グラフェン物性の構造敏感性
積層
Bernal
非
Bernal
バンド構造
用途
電子
素子
光
素子
高周波
(THz)
THzレーザ
可飽和
吸収膜
研究背景（２） これまでのGOS研究
グラフェン・オン・シリコン（GOS）の成膜スキーム
Si 昇華
SiC
Graphene
SiC
Si
GOSの構造☛物性制御
面方位
Si(111)
グラフェン
積層
バンド
用途
Bernal
電子
素子
非
Bernal
光
素子
3C-SiC
Si
グラフェン
Si(100)
Si(110) 3C-SiC
Si
(H. Fukidome et al., J. Mater. Chem. & APEX (2011), 表面科学(2012), Proc. IEEE (2013))
研究背景（３） 研究目的
【目標】ウエハースケール3D-GOS製造技術の確立
【目的① 】ウエハースケール
GOS成膜の確立
【目的②】②3D-GOSの開発
金属
半導体
(100)
微細加工Si(100)基板
研究開発成果（１）ウエハースケールGOS成膜
①SiC製膜
②グラフェン製膜
エリプソメータによる
膜厚マッピング
15
mm
130 nm
100 nm
5mm
5mm
SiC膜厚のばらつきを
G・G’バンドを全ての箇所で検出
±4.5 %に抑制
⇒ GOSの（巨視的に）均一成膜
研究開発成果（２）微細加工Si基板上GOS (3D-GOS)試作
SiO2
アルカリ
エッチング
電子ビーム
リソ+FAB
Si(100)
3C-SiC(100)
Si(100)
3C-SiC(111)
Si(111)
HF
処理
SiC
成膜
15˚
(100)
60˚
Graphene
グラ
フェン化
①3D-GOSの
試作に成功！
②狙い通りの
グラフェンの
構造制御に
成功！
Intensity (arb. unit)
研究開発成果（３） 3D-GOSのバンド構造
D
G
単一のピーク
G’
複数のピーク
(100)
1200
1500 1800 2700
Raman shift (cm-1)
3000
狙い通りに、グラフェンの物性制御に成功！
新技術の特徴、従来技術・競合技術との比較
黒鉛
剥離法
化学気相
成長法(CVD)
C
概要
C C C
グラフェン
銅
エピタキシャル
グラフェン(EG)法
Si
Si
Si
3D-GOS
（本研究）
Si
グラフェン
SiC
・ナノ多機能化
・Si技術との適合性
品質
○
○
○
△
面積
×
（φ～100µm）
○
△
○
その
他の
課題
・金属汚染
・転写が必要
・物性制御困難
・高価なSiC基板
（2inch. 数十万円）
想定される用途
同一Si基板上でCMOSと整合するグラフェン多機能集積回路
【Si-CMOS】
メモリ・ロジック
【3D-GOS】
THz（光）信号処理部
(100)
Si(100)基板
（特徴）高度なウエハー貼り合わせ技術や位置精度技術
を必要としないモノリシック化が可能
実用化に向けた3D-GOS課題
１）膜質改善・・・SiCの表面平坦度の向上(Rms 3nm⇒<1nm)
グラ
フェン
SiC
⇒グラフェンの欠陥を1/3以下に
SiC
２）正確なバンド構造の測定
（SPring-8に設置されている光電子顕微鏡の利用）
３）3D-GOS デバイスの試作及び特性評価（移動度・on/off比）
Si(111)上グラフェン・・・・高いon/off比
Si(100)上グラフェン・・・・高いキャリア移動度
想定される技術移転
超高速大規模集積回路への応用が想定され、様々な製品の
付加価値向上へ
次世代自動車
スーパーコンピュータ
次世代情報端末
超高速大規模集積回路
ディスプレイ
お問い合わせ先
吹留 博一
東北大学電気通信研究所
〒980-8577 宮城県仙台市青葉区片平2-1-1
Tel/fax: 022-217-5484
e-mail: [email protected]