ウェハスケール表面構造制御を用いた単結晶グラフェン基板創製

2009 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21246006
• 研究機関: 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所
• 研究代表者: 日比野 浩樹 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 主幹研究員 (60393740)
• 研究分担者: 永瀬 雅夫 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 主任研究員 (20393762) ; 影島 博之 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 主任研究員 (70374072) ; 蟹澤 聖 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 主任研究員 (70393767) ; 山口 徹 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 主任研究員 (30393763) ; 田中 悟 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80281640) ; 水野 清義 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (60229705)
• キーワード: グラフェン / シリコンカーバイド / 低エネルギー電子顕微鏡 / 成長機構 / バンドギャップ / トランジスタ

研究概要

本研究課題では、SiC基板の熱分解によりグラフェンをエピタキシャル成長する手法を用いて、単結晶グラフェン基板を創製することを目標にしている。平成21年度は、SiC基板をAr中で1800℃まで急速加熱可能な装置を購入し、Ar雰囲気下でグラフェン成長が可能な環境を整備した。予備的な実験から、Ar雰囲気での加熱により、数μmで均一な1層グラフェンが得られることを確認した。
SiC基板上のグラフェン成長機構を解明するために、微傾斜SiC基板を超高真空下において様々な条件で加熱し、成長したグラフェン層数の空間的な分布を、低エネルギー電子顕微鏡により評価した。観察結果から、グラフェンがlayer-by-layerで成長すること、グラフェン2次元島がステップに沿った方向に速く成長するため、非常に異方的な形状を取ることが示された。また、グラフェン層数の加熱時間依存性を初めて定量的に求め、グラフェンの成長速度が層数の増加に伴い急速に低下することを明らかにした。Si原子がグラフェン層中を通過して脱離する過程が、グラフェン成長を律速しているために起きる現象と考えられ、成長機構解明への重要な手掛りとなる。更に、グラフェン成長速度が層数に強く依存することを用い、成長条件の最適化を進め、μmスケールで均一な2層グラフェンの成長に成功した。他の研究機関では得られていない大面積2層グラフェンである。
SiC上の2層グラフェンでは、基板との相互作用により、バンドギャップが出現することが、光電子分光法によるバンド構造測定から知られていた。ところが、これまでバンドギャップを電気伝導特性で検証した例は無かった。我々は、大面積2層グラフェンを用い、トップゲートを有するトランジスタを作製し、電界によるキャリア濃度の変調を確認するとともに、最小電気伝導度の温度依存性から、バンドギャップの値を評価することに成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Anisotropic layer-by-layer growth of graphene on vicinal SiC(0001)surfaces (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Tanaka, K.Morita, H.Hibino
  • 雑誌名: Physical Review B 81 ページ: 041406-1-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epitaxial graphene growth studied by low-energy electron microscopy and first-principles (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kageshima, H.Hibino, M.Nagase
  • 雑誌名: Materials Science Forum 645-648 ページ: 597-602
  • 査読あり
• [雑誌論文] 単結晶グラフェン基板の創製に向けたSiC上エピタキシャル少数層グラフェンの層数解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹、影島博之、永瀬雅夫
  • 雑誌名: Journal of the Vacuum Society of Japan 53 ページ: 101-108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local conductance measurements of double-layer graphene on SiC substrate (2009)
  • 著者名/発表者名: M.Nagase, H.Hibino, H.Kageshima, H.Yamaguchi
  • 雑誌名: Nanotechnology 20 ページ: 445704-1-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] グラフェンの基礎物性とその理論-デバイス応用の観点から (2009)
  • 著者名/発表者名: 影島博之
  • 雑誌名: 応用物理学会応用電子物性分科会誌 15 ページ: 97-102
• [学会発表] SiC上エピタキシャルグラフェンの原子構造と電子状態 (2010)
  • 著者名/発表者名: 影島博之
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春第65回年次大会
  • 発表場所: 岡山、日本
  • 年月日: 2010-03-22
• [学会発表] SiC上に成長したエピタキシャルグラフェンの構造と電子特性の表面電子顕微鏡による解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春第65回年次大会
  • 発表場所: 岡山、日本
  • 年月日: 2010-03-21
• [学会発表] SiC上グラフェントランジスタの電気特性評価 (2010)
  • 著者名/発表者名: 田邉真一、関根佳明、永瀬雅夫、日比野浩樹
  • 学会等名: 2010年春季・第57回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚、日本
  • 年月日: 2010-03-19
• [学会発表] SiC上数層グラフェンの断面TEM観察 (2010)
  • 著者名/発表者名: 永瀬雅夫、日比野浩樹、影島博之、山口浩司
  • 学会等名: 2010年春季・第57回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚、日本
  • 年月日: 2010-03-18
• [学会発表] 炭化反応が駆動する少数層グラフェン上のSiナノ粒子の移動 (2010)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹、影島博之、永瀬雅夫、山口浩司
  • 学会等名: 2010年春季・第57回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚、日本
  • 年月日: 2010-03-18
• [学会発表] 微傾斜SiC表面上のエピタキシャルグラフェンの異方的成長モード (2010)
  • 著者名/発表者名: 田中悟、森田康平、上原直也、日比野浩樹
  • 学会等名: 2010年春季・第57回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚、日本
  • 年月日: 2010-03-18
• [学会発表] エピタキシャルグラフェン/Tiテープを用いたSiO2/Si基板上への大面積グラフェン転写プロセス (2010)
  • 著者名/発表者名: 寺崎博満、橋本明弘、森田康平、田中悟、日比野浩樹
  • 学会等名: 2010年春季・第57回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚、日本
  • 年月日: 2010-03-18
• [学会発表] SiO2/Si基板上大面積転写エピタキシャルグラフェン層のラマン散乱分光法評価 (2010)
  • 著者名/発表者名: 寺崎博満、橋本明弘、森田康平、田中悟、日比野浩樹
  • 学会等名: 2010年春季・第57回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚、日本
  • 年月日: 2010-03-18
• [学会発表] SiC(0001)面上に形成されるグラフェン島の理論検討 (2010)
  • 著者名/発表者名: 影島博之、日比野浩樹、永瀬雅夫、山口浩司
  • 学会等名: 2010年春季・第57回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚、日本
  • 年月日: 2010-03-18
• [学会発表] LEEM/PEEMによるグラフェンの構造と電子物性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹
  • 学会等名: 2010年春季・第57回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚、日本
  • 年月日: 2010-03-17
• [学会発表] SiCからのグラフェン成長 (2010)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹
  • 学会等名: (社)表面技術協会 材料機能ドライプロセス部会 第82会例会
  • 発表場所: 東京、日本
  • 年月日: 2010-01-21
• [学会発表] Microscopic characterization of few-layer graphene on SiC using an integrated nanogap probe (2009)
  • 著者名/発表者名: M.Nagase, H.Hibino, H.Kageshima, H.Yamaguchi
  • 学会等名: 17th Int.Colloquium on Scanning Probe Microscopy(ICSPM17)
  • 発表場所: 伊豆、日本
  • 年月日: 20091210-20091212
• [学会発表] Microscopic evaluations of structure and electronic properties of epitaxial graphene (2009)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino, H.Kageshima, M.Nagase
  • 学会等名: 7th Int.Symp.Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices(ALC'09)
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 20091206-20091211
• [学会発表] Microscopic characterization of few-layer graphene on SiC (2009)
  • 著者名/発表者名: M.Nagase, H.Hibino, H.Kageshima, H.Yamaguchi
  • 学会等名: Int.Symp.Advanced Nanodevices and Nanotechnology(ISANN2009)
  • 発表場所: Hawaii, USA
  • 年月日: 20091130-20091204
• [学会発表] Structure and electronic properties of epitaxial graphene grown on SiC studied by surface electron microscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino, H.Kageshima, M.Nagase
  • 学会等名: 22nd Int.Microproesses and Nanotechnology Conf.(MNC2009)
  • 発表場所: 札幌、日本
  • 年月日: 20091117-20091119
• [学会発表] Study of Epitaxial Graphene Growth using LEEM and First-principles (2009)
  • 著者名/発表者名: H.Kageshima, H.Hibino, M.Nagase
  • 学会等名: 13th International Conference on Silicon Carbide and Related Materials,(ICSCRM2009)
  • 発表場所: Nurnberg, Germany
  • 年月日: 20091011-20091013
• [学会発表] Formation mechanisms of graphene on vicinal SiC(0001)surfaces (2009)
  • 著者名/発表者名: K.Morita, S, Chenda, Y.hagihara, S.Mizuno, H.Hibino, S.Tanaka
  • 学会等名: 13th International Conference on Silicon Carbide and Related Materials,(ICSCRM2009)
  • 発表場所: Nurnberg, Germany
  • 年月日: 20091011-20091013
• [学会発表] A breakthrough toward wafer-size bilayer graphene transfer (2009)
  • 著者名/発表者名: A.Hashimoto, H.Tearsaki, K.Morita, S.Tanaka, H.Hibino
  • 学会等名: 13th International Conference on Silicon Carbide and Related Materials,(ICSCRM2009)
  • 発表場所: Nurnberg, Germany
  • 年月日: 20091011-20091013
• [学会発表] SiC単結晶基板上のエピタキシャルグラフェン形成と基礎物性-デバイス展開を目指して- (2009)
  • 著者名/発表者名: 影島博之、日比野浩樹、永瀬雅夫、山口浩司
  • 学会等名: 第18回SiC及び関連ワイドギャップ半導体研究会
  • 発表場所: 神戸、日本
  • 年月日: 2009-12-18
• [学会発表] 表面電子顕微鏡によるエピタキシャルグラフェンの構造と電子特性 (2009)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹
  • 学会等名: プローブ顕微鏡(SPM)による表面分析研究会
  • 発表場所: 名古屋、日本
  • 年月日: 2009-12-15
• [学会発表] A breakthrough toward wafer-size graphene transfer (2009)
  • 著者名/発表者名: A.Hashimoto, H.Tearsaki, K.Morita, S.Tanaka, H.Hibino
  • 学会等名: 2009 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2009-12-01
• [学会発表] SiC上エピタキシャル数層グラフェンの積層ドメイン (2009)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会"ディラック電子系の物性-グラフェンおよび関連物質の最近の研究"
  • 発表場所: 柏、日本
  • 年月日: 2009-10-24
• [学会発表] SiC上グラフェン島の理論検討 (2009)
  • 著者名/発表者名: 影島博之、日比野浩樹、永瀬雅夫、山口浩司
  • 学会等名: 物性研究所短期研究会"ディラック電子系の物性-グラフェンおよび関連物質の最近の研究"
  • 発表場所: 神戸、日本
  • 年月日: 2009-10-24
• [学会発表] Microscopic conductance measurement of few-layer graphene on SiC (2009)
  • 著者名/発表者名: M.Nagase
  • 学会等名: 東北大学・電気通信研究所・共同プロジェクト研究会「次世代デバイス応用を企図したグラフェン形成機構の解明及び制御の研究」
  • 発表場所: 仙台、日本
  • 年月日: 2009-10-06
• [学会発表] First-principles study on energetics of C aggregation on SiC surfaces for understanding epitaxial graphene growth mechanism (2009)
  • 著者名/発表者名: H.Kageshima
  • 学会等名: 東北大学・電気通信研究所・共同プロジェクト研究会「次世代デバイス応用を企図したグラフェン形成機構の解明及び制御の研究」
  • 発表場所: 仙台、日本
  • 年月日: 2009-10-06
• [学会発表] Surface electron microscopy studies of structure and electronic properties of epitaxial few-layer graphene grown on SiC (2009)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino
  • 学会等名: 東北大学・電気通信研究所・共同プロジェクト研究会「次世代デバイス応用を企図したグラフェン形成機構の解明及び制御の研究」
  • 発表場所: 仙台、日本
  • 年月日: 2009-10-06
• [学会発表] SiC(0001)上のC原子の吸着構造とその安定性 (2009)
  • 著者名/発表者名: 影島博之、日比野浩樹、永瀬雅夫、山口浩司
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会
  • 発表場所: 熊本、日本
  • 年月日: 2009-09-27
• [学会発表] 傾斜SiC上グラフェンの空間層厚制御と電子状態 (2009)
  • 著者名/発表者名: 森田康平、日比野浩樹、中辻寛、小森文夫、水野清義、田中悟
  • 学会等名: 日本物理学会2009年秋季大会
  • 発表場所: 熊本、日本
  • 年月日: 2009-09-26
• [学会発表] 微傾斜6H-SiC(0001)上に形成するエピタキシャルグラフェンの層数制御と電子状態 (2009)
  • 著者名/発表者名: 森田康平、日比野浩樹、中辻寛、小森文夫、水野清義、田中悟
  • 学会等名: 2009年秋季・第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山、日本
  • 年月日: 2009-09-11
• [学会発表] 微傾斜SiCのin-situ熱分解によるナノリップル構造グラフェン (2009)
  • 著者名/発表者名: 萩原好人、森田康平、チェンダースレイ、日比野浩樹、水野清義、田中悟
  • 学会等名: 2009年秋季・第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山、日本
  • 年月日: 2009-09-11
• [学会発表] 微傾斜Si面SiCエピタキシャルグラフェンシード層を用いた大面積グラフェン層の転写法 (2009)
  • 著者名/発表者名: 寺崎博満、橋本明弘、塩島謙次、森田康平、田中悟、日比野浩樹
  • 学会等名: 2009年秋季・第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山、日本
  • 年月日: 2009-09-10
• [学会発表] 微傾斜Si面SiCエピタキシャルグラフェンシード層を用いた大面積転写グラフェン層の顕微ラマン散乱分光測定 (2009)
  • 著者名/発表者名: 寺崎博満、橋本明弘、塩島謙次、森田康平、田中悟、日比野浩樹
  • 学会等名: 2009年秋季・第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山、日本
  • 年月日: 2009-09-10
• [学会発表] 転写されたSiC上エピタキシャルグラフェン層の層数・表面構造評価 (2009)
  • 著者名/発表者名: 上原直也、寺崎博満、森田康平、塩島謙次、日比野浩樹、水野清義、橋本明弘、田中悟
  • 学会等名: 2009年秋季・第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山、日本
  • 年月日: 2009-09-10
• [学会発表] SiC上グラフェンへの導電性プローブのコンタクト特性(2) (2009)
  • 著者名/発表者名: 永瀬雅夫、日比野浩樹、影島博之、山口浩司
  • 学会等名: 2009年秋季・第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山、日本
  • 年月日: 2009-09-09
• [学会発表] エピタキシャルグラフェン/SiC界面構造のX線CTR散乱による解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹、前田文彦、影島博之、永瀬雅夫、広沢一郎、渡辺義夫
  • 学会等名: 2009年秋季・第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山、日本
  • 年月日: 2009-09-08
• [学会発表] SiC(0001)面上グラフェン形成の第一原理計算-吸着原子・原子空孔の影響- (2009)
  • 著者名/発表者名: 影島博之、日比野浩樹、永瀬雅夫、山口浩司
  • 学会等名: 2009年秋季・第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山、日本
  • 年月日: 2009-09-08
• [産業財産権] グラフェントランジスタおよびその製造方法 (2010)
  • 発明者名: 田邉真一、日比野浩樹、永瀬雅夫、関根佳明
  • 権利者名: 日本電信電話株式会社
  • 産業財産権番号: 特許、特願2010-037004
  • 出願年月日: 2010-02-23