2021 Fiscal Year Annual Research Report
カリウム修飾積層グラフェンの物性解明と二次元層状物質用ウエハへの応用
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20H02191
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
山田 貴壽 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (30306500)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小川 修一 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00579203)
岡崎 俊也 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 副研究センター長 (90314054)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | グラフェン / カリウム修飾 / 移動度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高移動度を有するカリウム修飾・積層グラフェンの物性を解明し、二次元デバイス用基板としての応用を探索することを目的としている。2021年度は、カリウム修飾グラフェンの構造解明と濃度の定量に取り組んだ。さらに、カリウムの面内分布と電流経路の関連性を明らかとした。
2020年度に改良した光電子分光法の解析法を用いて、カリウムがグラフェン端・グラフェン層間に存在していることが示唆された。さらに、動的シャリー法によるピーク解析を適用することで、グラフェン内に約1%のカリウムが含まれていることが明らかになった。
半導体デバイスの不良・故障解析手法の電子線吸収電流(EBAC)法によるグラフェン電界効果トランジスタのチェネルの抵抗分布可視化と、ラマンマップによるフェルミ準位マップから、グラフェン中に分布しているカリウム近傍で抵抗変化し、優先的に電流が流れていることがわかった。これはラマン分光法により、非破壊で電流経路や電気物性評価を画像により評価可能とする手法としての発展が大きく期待でいる成果である。局所的な分布を評価したところ、皺等の構造的な欠陥との相関はみられなかった。
積層グラフェンの結晶性が移動度向上に貢献できることも見出した。これは、カリウム修飾グラフェンがシリコンやシリコン酸化膜の荷電不純物の影響を抑制する効果を有するものと考えられる。この結果は、グラフェンの電気特性の温度依存性により評価した移動度散乱機構とも良い一致を示した。
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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
光電子分光スペクトル解析に動的シャリー法を用いることで、カリウム濃度見積もりに成功した。半導体デバイスの不良・故障解析手法をグラフェン電界効果トランジスタチャネル評価に適用することを提案し、グラフェン内の電流経路評価に有効であることを見出した。その結果、カリウムから電子がドープされ優先的に電流が流れることがわかった。カリウム修飾グラフェンの結晶性を変えることで、グラフェン移動度の散乱要因の1つであるシリコンやシリコン酸化膜の荷電不純物を抑制できることが明らかとなった。以上から、概ね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度までに開発した光電子分光法、EBAC法、ラマン分光法の解析手法を用いて、積層による導電性や移動度向上効果を解明し、カリウム修飾・積層グラフェンの二次元デバイス用基板としての機能化を確立する。
カリウム修飾グラフェンがシリコンやシリコン酸化膜の荷電不純物を抑制する効果を有することが明らかになったため、正の電荷を有するハロゲンをグラフェンに修飾した場合の効果を評価し、モデルの検証に取組む。さらに、プローブ顕微鏡よりもラマンマッピングがカリウム分布に適していることわかったため、ラマン分光法を主な手法としてカリウム添加有無の効果を電流経路の評価し、移動度とラマンスペクトルの関連を明らかとする。
具体的には、光電子分光法によるフェルミ準位の同定や、ラマン分光法によるカリウム位置の同定に取り組む。
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