炭素機能性材料を用いた革新的次世代電子デバイスの開発

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24760247
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 鷹林 将 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (00464305)
• Keywords: グラフェン / ダイヤモンドライクカーボン (DLC) / 電界効果トランジスタ (FET) / 光電子制御プラズマCVD (PA-PECVD)

Research Abstract

グラフェンは、炭素材料の最安定構造であるグラファイト層状物の単層構造のことである。グラフェンは特異な線形バンド分散構造を有し、これから様々な特異物性が理論的に提唱されている。特にシリコンやガリウムヒ素などの既存半導体の値を凌駕するキャリア移動度を示すことから、現行電子バイスの微細化限界を打破し、年々肥大化している情報通信量を賄う材料として注目されている。
しかしながらグラフェンを、基本電子デバイス構造である電界効果トランジスタ(FET)構造のチャネル材料に用いた場合、ある重要な問題に直面する。グラフェンは炭素質であるがゆえに、従来の二酸化シリコンなどの酸化物ゲート絶縁膜に対しては、その成膜中における酸素種ラジカルがグラフェン膜質に顕著なダメージに与えるために、適合しない。既存の酸化ハフニウム、酸化アルミニウムなどの高誘電率膜も一様に酸化膜物構造であるため、ゲート絶縁膜は新たな非酸化物系材料の開発が望まれている。
そこで代表者は、同じ炭素材料でアモルファス構造を有するダイヤモンドライクカーボン(DLC)を、グラフェンFET (GFET)のゲート絶縁膜に用いることを試みた。特に、成膜中におけるプラズマダメージを最小化するために、独自の「光電子制御プラズマCVD (PA-PECVD)法」を用いたTownsend放電系で極小電力で成膜を行った。
最終的にDLCゲート絶縁膜グラフェンFET (DLC-GFET)構造を得た。その電気特性測定から、相互コンダクタンス(gm)を検討したところ、上述の二酸化ハフニウム等の高誘電率材料を使用した場合に匹敵する高い性能を示すことがわかった。したがって、DLC-GFET構造を追求し、最適化およびスケールダウンしていくことによって、所望の超高周波デバイスだけでなく、グラフェンの特異な物性を活かした新たな物理デバイスの実現が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Formation of Diamond-Like Carbon Films by Photoemission-Assisted Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (2013)
  • Author(s): Meng Yang, Susumu Takabayashi, Shuichi Ogawa, Hiroyuki Hayashi, Radek Ješko, Taiichi Otsuji, and Yuji Takakuwa
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics, Institute of Pure and Applied Physics Volume: 52巻 Pages: 110123/1-11
  • DOI: 10.7567/JJAP.52.110123
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 光電子制御プラズマCVDによるゲートスタック用DLCの誘電率制御： Low-kからHigh-kまで (2014)
  • Author(s): 林 広幸, 鷹林 将, 楊 猛, 小川 修一, 尾辻 泰一, 高桑 雄二
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学 相模原キャンパス (神奈川県相模原市)
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] グラフェンFET用DLCの光電子制御プラズマCVDプロセスの開発 (2014)
  • Author(s): 林 広幸, 鷹林 将, 楊 猛, イエシュコ ラデク, 小川 修一, 尾辻 泰一, 高桑 雄二
  • Organizer: 第19回ゲートスタック研究会
  • Place of Presentation: ニューウェルシティー湯河原 (静岡県熱海市)
  • Year and Date: 20140124-20140125
• [Presentation] グラフェンチャネルFET用DLC膜の誘電率制御 (2013)
  • Author(s): 林 広幸, 鷹林 将, 楊 猛, 小川 修一, 尾辻 泰一, 高桑 雄二
  • Organizer: 第68回応用物理学会東北支部学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学 工学部 (山形県米沢市)
  • Year and Date: 20131205-20131206
• [Presentation] Tuning of the Dielectric Constant of Diamond-Like Carbon Films Synthesized by Photoemission-Assisted Plasma-Enhanced CVD (2013)
  • Author(s): Hiroyuki Hayashi, Susumu Takabayashi, Meng Yang, Radek Jesko, Shuichi Ogawa, Taiichi Otsuji, Yuji Takakuwa
  • Organizer: 2013 International Workshop on DIELECTRIC THIN FILMS FOR FUTURE ELECTRON DEVICES - SCIENCE AND TECHNOLOGY -
  • Place of Presentation: University of Tsukuba, Tokyo Campus, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20131107-20131109
• [Presentation] Formation of a δ-Doped Diamond-Like Carbon Film with a Modulation-doped Gate Dielectric Structure (2013)
  • Author(s): Susumu Takabayashi, Hiroyuki Hayashi, Meng Yang, Radek Jesko, Rie Shishido, Shuichi Ogawa, Taiichi Otsuji, Yuji Takakuwa
  • Organizer: 12th. International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-12)
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 20131104-20131108
• [Presentation] Thermal Stability of Thick DLC Dielectric Films for Graphene-Channel THz Laser Prepared by Photoemission-Assisted Plasma-Enhanced CVD (2013)
  • Author(s): Radek Jesko, Hiroyuki Hayashi, Shuichi Ogawa, Susumu Takabayashi, Takanori Etoh, Yuki Kurita, Taiichi Otsuji, Yuji Takakuwa
  • Organizer: 12th. International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-12)
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 20131104-20131108
• [Presentation] 光電子制御プラズマCVD法によるδ-ドープダイヤモンドライクカーボン薄膜の作製 (2013)
  • Author(s): 鷹林 将, 楊 猛, 林 広幸, ラデク イェシコ, 小川 修一, 尾辻 泰一, 高桑 雄二
  • Organizer: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学 京田辺キャンパス (京都府京田辺市)
  • Year and Date: 20130916-20130920
• [Presentation] ダイヤモンドライクカーボン薄膜のラマン解析とXPS解析との関係 (2013)
  • Author(s): 鷹林 将, 高萩 隆行
  • Organizer: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学 京田辺キャンパス (京都府京田辺市)
  • Year and Date: 20130916-20130920
• [Presentation] Deposition of thick dielectric films of diamond-like carbon for graphene-channel THz laser by photoemission-assisted plasma-enhanced CVD (2013)
  • Author(s): Radek Jesko, Meng Yang, Hiroyuki, Hayashi, Shuichi. Ogawa, Susumu Takabayashi, Takanori Etou, Yuki Kurita, Taiichi Otsuji, Yuji Takakuwa
  • Organizer: The 12th. International Symposium on Sputtering & Plasma Processes (ISSP2013)
  • Place of Presentation: Kyoto Research Park, Kyoto, Japan
  • Year and Date: 20130710-20130712
• [Presentation] Growth Mechanism Analysis and Precise Control of Electrical and Optical Characteristics of Diamond-Like Carbon Films (2013)
  • Author(s): Susumu Takabayashi, Hiroyuki Hayashi, Meng. Yang, Radek Ješko, Shuichi Ogawa, Taiichi Otsuji and Yuji Takakuwa
  • Organizer: 12th. International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-12)
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center, Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 2013-11-07