2022 Fiscal Year Research-status Report
二次元層状物質を用いた金属/Si，Ge界面のバンドアライメント決定機構の解明
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22K04212
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
西村 知紀 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 技術専門職員 (10396781)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | グラフェン / 仕事関数 / フェルミレベルピンニング / 界面 / 半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大面積二次元材料の転写手法をウェット法に定め，その改善を進めた．興味の対象である金属/グラフェン/Si界面の形成において，グラフェン/Si界面にSiO2界面層形成の抑制は必須である．しかしながらこれまで用いた手法（Au転写法）では，Au除去に用いる酸化剤により転写先のSi基板上にSiO2膜が形成される問題が生じることが分かった．そこで転写後の密着性を向上させる柔軟性と酸化剤を用いずに除去可能な特性を有するInに注目し，Cu上に成長した大面積グラフェンをAu転写法を介したIn転写法により，最終的にSi基板上へのミリメートル角サイズでのグラフェン転写を実現した．
また前述の界面の解析に当たり，グラフェンを表面に持つ金属の仕事関数をSiO2上の実効仕事関数の形で調査を進めた．グラフェンに対して物理吸着する金属種に関してみると，従来の理論的な予測よりもグラフェン表面での仕事関数値に金属依存性が生じない結果が得られたが，一方でグラフェン自身の質が関係する点も踏まえて今後の検討が必要である．
またグラフェンを表面に持つ金属の仕事関数を解析する過程において，半金属的特性を有するグラフェンより，仕事関数における表面項寄与を実験的に検出できる可能性が分かってきた．具体的には，接触による金属-グラフェン間の電荷移動に伴い，グラフェン内におけるフェルミ準位が大きく変化する際にグラフェンの持つ電子構造とSiO2における真空準位のエネルギー的な位置関係が変わることが示唆された．
また，金属/半導体界面のバンドアライメント決定機構に関するレビュー論文を執筆した．
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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
金属/グラフェン/Si界面のバンドアライメントを解析するに当たり，本年度はまずグラフェン転写プロセスの構築に注力した．ドライプロセスによる転写先基板との密着性の確保が極めて困難であることから，ウェットプロセスにその手法を絞った．本研究提案時のAu転写法は半導体表面に酸化層を形成する問題が明らかとなったが，新たにInを用いた手法を検討しており，ミリメートル角サイズの大面積グラフェンを転写先基板に密着させ，酸化剤を用いない処理によりInの除去が可能であることが確認できている．
また前述の解析に当たりグラフェンを表面に持つ金属の仕事関数に関して，グラフェンを転写したSiO2/Si基板上に物理吸着する金属電極を形成し容量-電圧特性より評価を進めている．
更に当初の目的からはやや逸れるものの，金属/グラフェン/SiO2界面においてグラフェン-SiO2間のバンドアライメントに金属の仕事関数の物理描像に関わる興味深い相関が現れている可能性が分かってきている．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在進めているInを用いたウエット転写法を確立し，界面層レスの金属/グラフェン/Si接合の作成，界面のバンドアライメント評価へと進める．また，金属の仕事関数の物理描像に関わるグラフェン/SiO2界面のバンドアライメントに関しては，より良質なグラフェンを用いることで電気的・光学的な分析により明らかにしていく．
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| Causes of Carryover |
本年度計画にあったグラフェンドライ転写法の構築において，当初計画したドライプロセスの難しさからウェットプロセスに切り替えた為，ドライ転写法に関わる機材の購入計画を見直した．一方で転写するグラフェンのクオリティが重要となることから，来年度以降高価であるが高品質の大面積グラフェンの購入を検討している．
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