2016 Fiscal Year Annual Research Report
Formation of graphene with low density of defects by plasma-assisted anneal on flat SiC(0001) surfaces
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15H03902
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
有馬 健太 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (10324807)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | グラフェン / プラズマ酸化 / SiC表面 / 構造制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンとは、単原子層の厚さを有する炭素（C）原子の二次元ネットワーク（シート）である。グラフェンは、非常に優れた電気的・機械的・磁気的性質を持つことが予測されており、超高性能電子デバイスにおけるチャネル材料や透明電極材料など、将来の科学技術において鍵となる材料である。しかし、シリコンカーバイド（SiC）表面に形成されるグラフェンの電子移動度は、予想される理論値を大幅に下回る。これは、SiC表面に凹凸（ピットやマルチステップ、スクラッチに代表されるnmオーダーの段差）が存在し、その上に成長するグラフェンに断裂等の微小な構造欠陥が導入されるためであり、次世代の電子デバイス産業が解決すべき大きな課題である。
本研究の目的は、原子レベルで超平坦に研磨された独自のSiC表面に、プラズマプロセスとアニール処理を組み合わせることにより、他に例の無い低欠陥グラフェンの形成を目指すことである。
本年度は、SiC表面に、ヘリウムやアルゴン、水素や酸素を原料ガスとしたプラズマを照射した。そして、SiC表面のC原子とシリコン（Si）原子の濃度比（C/Si比）をX線光電子分光法により調べると共に、SiC表面の濡れ特性や表面構造の変化を観察した。これにより、プラズマ／SiC間での化学的な相互作用を明らかにした。ここで、反応を促進するために、プラズマは通常のTorr領域の低圧力ではなく、大気圧近傍の高い圧力とした。また、このC/Si比がプラズマ条件（ガス組成、流量比、圧力 等）によってどう変わるかを調査した。次に、プラズマ照射時や照射後に試料を昇温し、得られる表面の構造や電子状態をラマン分光測定や走査型プローブ顕微鏡により観測した。これにより、欠陥フリーのグラフェンを形成するためのプラズマ照射条件の探索を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初予定していた、ヘリウムやアルゴン、水素や酸素を原料ガスとしたプラズマをSiC表面に照射する実験を進め、SiC表面のC原子濃度を分子層レベルで制御する手法にめどがついた。特に、SiC表面をプラズマにより酸化し、その酸化膜をウェットエッチングにより除去する独自のアプローチにより、通常の熱酸化では得られないようなSiC表面が形成できることを見出し、その形成メカニズムについて理解を深めることができた。以上により、本研究はおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、得られたグラフェンの性能評価は、ラマン分光測定やプローブ顕微鏡測定に留まっている。しかし、実際に得られたグラフェンを電子デバイスに応用するためには、その電気特性を把握する必要がある。今回のグラフェン形成には、SiC表面の通電過熱を利用しているため、導電性を持つSiC表面を用いている。そのため、ホール効果測定などでグラフェンの電気特性を測定する際には、SiC上から別の絶縁性基板上に転写する必要がある。今後は、グラフェンの転写技術と共に、転写したグラフェンの原子構造を計測・評価する手法の開発を並行して進め、電気特性測定につなげていきたいと考えている。
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