NiCO3とのヘテロ接合によるグラフェンTFTの高移動度と高オンオフ比の実現

• 研究課題/領域番号: 21K04163
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21050:電気電子材料工学関連
• 研究機関: 松江工業高等専門学校
• 研究代表者: 市川 和典 松江工業高等専門学校, 電子制御工学科, 准教授 (90509936)
• 研究分担者: 大島 多美子 佐世保工業高等専門学校, 電気電子工学科, 准教授 (00370049)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
• キーワード: グラフェン / 薄膜トランジスタ / ヘテロ接合

研究開始時の研究の概要

我々はグラフェン合成前のNiを酸化することで、グラフェンのデバイス化に必須である転写やナノ構造を用いずとも、グラフェンのトランジスタが高性能化することを明らかにしてきた。本研究ではより高い性能のグラフェントランジスタの実現のために、3年の研究期間によりグラフェンの合成条件、高純度で蒸着されたNi薄膜の酸化条件、アセチレンガスの導入条件を変化させ、最適条件の探索を行う。その評価にトランジスタ構造による電気特性評価だけではなく、研究分担者の協力によりX線による構造解析やNi内部の結晶構造をについて分析を行う。

研究成果の概要

より性能の高いグラフェンの薄膜トランジスタの作製を目指し, 研究期間3年間で様々な合成条件で研究を行ってきた.
その結果, 最も高性能の薄膜トランジスタの作製条件は, ニッケルの膜厚200 nm, 合成温度900℃, 炭素の供給源であるアセチレンの導入時間30秒, 希釈ガスに窒素ガスを用いた場合であり, これまでよりもON/OFF比を向上させることができた. その中でキャリアガスをアルゴンから窒素に変更した場合, グラフェンの膜質が大幅に向上することが新たに分かった. よって様々な希釈ガスを用いることで大幅な性能向上が見込めることが明らかとなった.

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでグラフェンの薄膜トランジスタは, 二硫化モリブデンなどとのヘテロ接合により性能向上させてきたが、我々はグラフェン合成時にできるNiCO3とのヘテロ接合によりトランジスタのON/OFF比を向上させてきた. 今回の結果は結果的にON/OFF比を向上することができたことから、様々な半導体とのヘテロ接合の研究が進んでいくことで, グラフェンの薄膜トランジスタの実現が近づくと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Ni化合物半導体とのヘテロ接合によるグラフェンTFTの特性向上 (2021)
  • 著者名/発表者名: 市川和典
  • 雑誌名: 信学技報 巻: vol. 121, no. 8 ページ: 26-29
  • オープンアクセス
• [学会発表] Ni膜厚の薄膜化によるヘテロ接合型グラフェンへの影響と炭化時間依存性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 錦織悠玖, 市川和典, 赤松浩
  • 学会等名: 薄膜材料デバイス研究会 第20回研究集会
• [学会発表] 900℃の熱 CVD で合成したグラフェンの炭化時間依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 榎本陽菜, 市川和典, 大島多美子
  • 学会等名: 第18回薄膜材料デバイス研究会
• [学会発表] 炭素導入量の変化によるグラフェン合成後の物性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 市川 和典, 江角 卓哉
  • 学会等名: 第27回高専シンポジウム
• [学会発表] Ni化合物半導体とのヘテロ接合によるグラフェンTFTの特性向上 (2021)
  • 著者名/発表者名: 市川和典
  • 学会等名: 電子情報通信学会 シリコン材料・デバイス研究会（SDM）
  • 招待講演
• [学会発表] Ni 触媒の酸化によるヘテロ接合型グラフェン TFT の高性能化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 市川 和典, 江角 卓哉, 大島 多美子
  • 学会等名: 令和 3 年 電気学会 基礎・材料・共通部門大会
  • 招待講演
• [学会発表] グラフェン合成後における Ni 薄膜の酸素濃度依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 市川 和典, 江角 卓哉, 赤松 浩, 大島 多美子
  • 学会等名: 第18回薄膜材料デバイス研究会資料
• [備考] 松江高専 電子制御工学科 市川研究室 ホームページ
  • URL: https://control.matsue-ct.ac.jp/
• [備考] 松江高専 電子制御工学科 市川研究室HP
  • URL: http://www2.matsue-ct.ac.jp/home/ichikawa/