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

2010 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 徳島大学, 大学院・ソシオテクノサイエンス研究部, 教授 (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 / 電気伝導特性 / 量子ホール効果 / バンドギャップ

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22年度の主な成果は、SiC基板をそれぞれAr雰囲気下と超高真空中で加熱することにより、均一性の高い1層および2層グラフェンを成長させ、トップゲートを有するホール素子を用いた電気伝導特性の評価から、1層と2層で伝導特性が大きく異なることを明らかにしたことである。
1層グラフェンについては、電気伝導度の磁場依存性から、1層グラフェンに特有の量子ホール効果を観測した。ゲート電圧でキャリア濃度を制御可能な環境で、SiC上に成長したエピタキシャルグラフェンの量子ホール効果を測定した初めての例である。また、キャリア移動度が温度とキャリア濃度にどう依存するかを調べ、温度が低くキャリア濃度が少ないほど、移動度が高いことを明らかにした。得られた最大のキャリア移動度は10,000cm^2V^<-1>s^<-1>を超え、Si酸化膜上に剥離したグラフェンに匹敵する。作製したグラフェンは、1cm角の範囲で層数分布が概ね一定で、高品質かつ大面積のグラフェン基板として、基礎物性解明にもデバイス開拓にも大きく寄与すると期待される。
一方、2層グラフェンについては、電気伝導度の温度依存性を解析することにより、電気測定から初めてバンドギャップの値を評価した。バンドギャップの存在は、2層グラフェンがトランジスタのチャネル材料として有望であることを示している。2層グラフェンのキャリア移動度は、温度依存性に乏しく、また、キャリア濃度依存性も、キャリア濃度が減るにつれ移動度が減少するという、1層とは逆の傾向を示した。1層および2層グラフェンのキャリア濃度と移動度の相関は、剥離グラフェンと同様で、電子構造の違いがその起源であることが示された。

研究成果

• [雑誌論文] Evaluation of few-layer graphene grown by gas-source molecular beam epitaxy using cracked ethanol (2011)
  • 著者名/発表者名: F.Maeda, H.Hibino, I.Hirosawa, Y.Watanabe
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 9 ページ: 58-62
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic transport properties of top-gated monolayer and bilayer graphene devices on SiC (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Tanabe, Y.Sekine, H.Kageshima, M.Nagase, H.Hibino
  • 雑誌名: MRS Proceedings 巻: 1283 ページ: mrsf10-1283-b09-02
  • 査読あり
• [雑誌論文] Contact conductance measurement of locally suspended graphene on SiC (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Nagase, H.Hibino, H.Kageshima, H.Yamaguchi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 3 ページ: 045101-1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Half-integer quantum Hall effect in gate-controlled epitaxial graphene devices (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Tanabe, Y.Sekine, H.Kageshima, M.Nagase, H.Hibino
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 3 ページ: 075102-1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] シリコンカーバイド上のグラフェン成長 (2010)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹、影島博之、永瀬雅夫
  • 雑誌名: NTT技術ジャーナル 巻: 21(6) ページ: 18-21
• [雑誌論文] Graphene growth on silicon carbide (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino, H.Kageshima, M.Nagase
  • 雑誌名: NTT Technical Review 巻: 18(8) ページ: 1-6
• [雑誌論文] Epitaxial few-layer graphene : toward single crystal growth (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino, H.Kageshima, M.Nagase
  • 雑誌名: Journal of Physics D : Applied Physics 巻: 43 ページ: 374005-1-14
  • 査読あり
• [雑誌論文] シリコンカーバイド上に成長したエピタキシャルグラフェン (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino, S.Tanabe, H.Kageshima
  • 雑誌名: NEW DIAMOND 巻: 26(4) ページ: 23-27
• [雑誌論文] Atomic structure and physical properties of epitaxial graphene islands embedded in SiC(0001)surfaces (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kageshima, H.Hibino, M.Nagase, Y.Sekine, H.Yamaguchi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 3 ページ: 115103-1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] SiC上エピタキシャルグラフェン成長の理論検討 (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
  • 雑誌名: 日本結晶成長学会誌 巻: 37 ページ: 190-195
• [雑誌論文] SiC上エピタキシャルグラフェンの成長と評価 (2010)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹、影島博之、田邉真一、永瀬雅夫、水野清義
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 45 ページ: 645-655
• [学会発表] エタノールを用いたガスソースMBEによるグラフェンの成長-成長温度依存性- (2011)
  • 著者名/発表者名: 前田文彦、日比野浩樹
  • 学会等名: 第58回応用物理学関連連合講演会
  • 発表場所: 厚木
  • 年月日: 2011-03-27
• [学会発表] SiC上グラフェンの表面増強ラマン散乱 (2011)
  • 著者名/発表者名: 関根佳明、日比野浩樹、小栗克弥、赤崎達志、影島博之、永瀬雅夫、山口浩司
  • 学会等名: 日本物理学会第66回年次大会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 2011-03-26
• [学会発表] SiC(ooo1)面上でのSi脱離とグラフェン形成 (2011)
  • 著者名/発表者名: 影島博之、日比野浩樹、山口浩司、永瀬雅夫
  • 学会等名: 第58回応用物理学関連連合講演会
  • 発表場所: 厚木
  • 年月日: 2011-03-26
• [学会発表] 水素をインターカレートしたエピタキシャルグラフェンのLEEM観察 (2011)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹、桐生貢、田邉真一、影島博之
  • 学会等名: 第58回応用物理学関連連合講演会
  • 発表場所: 厚木
  • 年月日: 2011-03-26
• [学会発表] エピタキシャルグラフェンのHall移動度評価 (2011)
  • 著者名/発表者名: 田邉真一、関根佳明、影島博之、永瀬雅夫、日比野浩樹
  • 学会等名: 第58回応用物理学関連連合講演会
  • 発表場所: 厚木
  • 年月日: 2011-03-26
• [学会発表] ラマン分光法による4H-SiC上エピタキシャルグラフェンの膜質評価 (2011)
  • 著者名/発表者名: 呉龍錫、岩本篤、西勇輝、船瀬雄也、湯浅貴浩、富田卓朗、永瀬雅夫、日比野浩樹、山口浩司
  • 学会等名: 第58回応用物理学関連連合講演会
  • 発表場所: 厚木
  • 年月日: 2011-03-26
• [学会発表] エピタキシャルグラフェン成長とLEEM評価技術 (2011)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹、田邉真一、影島博之、前田文彦
  • 学会等名: 第58回応用物理学関連連合講演会
  • 発表場所: 厚木
  • 年月日: 2011-03-25
• [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気伝導特性 (2011)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹
  • 学会等名: 第3回九大グラフェン研究会
  • 発表場所: 春日
  • 年月日: 2011-02-04
• [学会発表] Theoretical study on epitaxial graphene growth on SiC(0001)surface (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Kageshima, H.Hibino, H.Yamaguchi, M.Nagase
  • 学会等名: 2011 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices : Science and Technology(IWDTF-11)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2011-01-20
• [学会発表] Growth and chracterization of graphene on SiC (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino, S.Tanabe, H.Kageshima
  • 学会等名: Graphene Workshop in Tsukuba
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2011-01-17
• [学会発表] Theoretical study on magnetoelectric effects of embedded graphene nanoribbons on SiC(0001)surface (2011)
  • 著者名/発表者名: H.Kageshima, H.Hibino, M.Nagase, Y.Sekine, H.Yamaguchi
  • 学会等名: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology(ISNTT)
  • 発表場所: Atsugi, Japan
  • 年月日: 2011-01-12
• [学会発表] Surface enhanced Raman spectroscopy of graphene grown on SiC (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Sekine, H.Hibino, K.Oguri, T.Akazaki, H.Kageshima, M.Nagase, H.Yamaguchi
  • 学会等名: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology(ISNTT)
  • 発表場所: Atsugi, Japan
  • 年月日: 2011-01-12
• [学会発表] 表面電子顕微鏡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: 第6回放射光表面科学部会・顕微ナノ材料科学研究会合同シンポジウム
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2010-12-11
• [学会発表] Electronic transport properties of top-gated monolayer and bilayer graphene devices on SiC (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Tanabe, Y.Sekinae, H.Kageshima, M.Nagase, H.Hibino
  • 学会等名: 2010 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2010-12-02
• [学会発表] Study of graphene growth by gas-source molecular beam epitaxy using cracked ethanol : influence of gas flow rate on graphitic material deposition (2010)
  • 著者名/発表者名: F.Maeda, H.Hibino
  • 学会等名: 23rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference(MNC 2010)
  • 発表場所: Fukuoka, Japan
  • 年月日: 2010-11-12
• [学会発表] Theoretical study on functions of graphene (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Kageshima, H.Hibino, M.Nagase, Y.Sekine, H.Yamaguchi
  • 学会等名: International Symposium on Graphene Devices : Technology, Physics, and Modeling(ISGD 2010)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2010-10-29
• [学会発表] Electrical contact properties of few-layer epitaxial on SiC substrate (2010)
  • 著者名/発表者名: M.Nagase, H.Hibino, H.Kageshima, H.Yamaguchi
  • 学会等名: International Symposium on Graphene Devices : Technology, Physics, and Modeling(ISGD 2010)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2010-10-28
• [学会発表] Growth, structure, and transport properties of epitaxial graphene on SiC (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino, S.Tanabe, H.Kageshima, M.Nagase
  • 学会等名: International Symposium on Graphene Devices: Technology, Physics, and Modeling(ISGD 2010)
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2010-10-27
• [学会発表] Evaluation of few-layer graphene grown by gas-source molecular beam epitaxy using cracked ethanol (2010)
  • 著者名/発表者名: F.Maeda, H.Hibino, I.Hirosawa, Y.Watanabe
  • 学会等名: 6th International Workshop on Nano-scale Spectroscopy and Nanotechnology(NSS 6)
  • 発表場所: Kobe, Japan
  • 年月日: 2010-10-26
• [学会発表] SiC(0001)表面上のエピタキシャルグラフェン島の原子構造と電気磁気効果 (2010)
  • 著者名/発表者名: 影島博之、日比野浩樹、永瀬雅夫、関根佳明、山口浩司
  • 学会等名: 日本物理学会平成22年度秋季大会
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 2010-09-25
• [学会発表] Observation of bandgap in SiC graphene field-effect transistors (2010)
  • 著者名/発表者名: S.Tanabe, Y.Sekinae, H.Kageshima, M.Nagase, H.Hibino
  • 学会等名: 2010 International Conference on Solid State Devices and Materials(SSDM 2010)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2010-09-23
• [学会発表] エタノールの用いたガスソースMBEによるグラフェン成長-流量の変化が成長に及ぼす影響- (2010)
  • 著者名/発表者名: 前田文彦、日比野浩樹
  • 学会等名: 第71回応用物理学学術講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2010-09-17
• [学会発表] 微傾斜SiC表面上に形成するエピタキシャルグラフェンの異方性成長モードーオフ方向依存性- (2010)
  • 著者名/発表者名: 森田康平、上原直也、萩原好人、日比野浩樹、田中悟
  • 学会等名: 第71回応用物理学学術講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2010-09-16
• [学会発表] SiC上エピタキシャルグラフェンのステップ境界 (2010)
  • 著者名/発表者名: 影島博之、日比野浩樹・山口浩司、永瀬雅夫
  • 学会等名: 第71回応用物理学学術講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2010-09-16
• [学会発表] 単層エピタキシャルグラフェンにおける半整数量子ホール効果の観測 (2010)
  • 著者名/発表者名: 田邉真一、関根佳明、影島博之、永瀬雅夫、日比野浩樹
  • 学会等名: 第71回応用物理学学術講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 2010-09-16
• [学会発表] Surface electron microscopy of epitaxial graphene (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino
  • 学会等名: 2nd International Symposium on the Surface and Technology of Epitaxial Graphene(STEG2)
  • 発表場所: Amelia Island, USA
  • 年月日: 2010-09-14
• [学会発表] Dynamics of Si surface morphology/ Epitaxial graphene growth on SiC surfaces (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino
  • 学会等名: The 14th International Summer School on Crystal Growth(ISSCG-14)
  • 発表場所: Dalian, China
  • 年月日: 2010-08-06
• [学会発表] SiC上エピタキシャルグラフェンの構造と電子特性 (2010)
  • 著者名/発表者名: 日比野浩樹
  • 学会等名: 第29回電子材料シンポジウム
  • 発表場所: 伊豆
  • 年月日: 2010-07-15
• [学会発表] In-situ surface electron microscopy observations of growth and etching of epitaxial few-layer graphene on SiC (2010)
  • 著者名/発表者名: H.Hibino, H.Kageshima, M.Nagase
  • 学会等名: International Workshop on in situ characterization of near surface processes 2010
  • 発表場所: Eisenerz, Austria
  • 年月日: 2010-05-31
• [図書] グラフェン・イノベーション 電子デバイスを変えるナノカーボン材料革命 (2011)
  • 著者名/発表者名: 日経エレクトロニクス編
  • 総ページ数: 146-153
  • 出版者: 日経BP社