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発表・掲載日:2012/12/11

新しい動作原理のグラフェントランジスタを開発

-約4桁の電流オン・オフ比を実現-

ポイント

  • 2つのゲートにかける電圧を制御する新しい動作原理のグラフェントランジスタ
  • トランジスタ極性を電気的に反転させることができる超低電圧動作素子として期待
  • 最先端研究開発支援プログラム(FIRST)のプロジェクト「グリーン・ナノエレクトロニクスのコア技術開発」の助成による成果

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 野間口 有】(以下「産総研」という)ナノエレクトロニクス研究部門【研究部門長 金丸 正剛】連携研究体グリーン・ナノエレクトロニクスセンター(以下「GNC」という)横山 直樹 連携研究体長、中払 周 特定集中研究専門員ら、ナノエレクトロニクス研究部門 小川 真一 招聘研究員らは、産総研ナノデバイスセンター【センター長 秋永 広幸】、独立行政法人 物質・材料研究機構【理事長 潮田 資勝】(以下「物材機構」という)国際ナノアーキテクトニクス研究拠点【拠点長 青野 正和】(以下「WPI-MANA」という)塚越 一仁 主任研究者らと共同で新しい動作原理のグラフェントランジスタを開発した。

 今回開発したトランジスタでは、グラフェン上に2つの電極と2つのトップゲートを置き、トップゲート間のグラフェンにヘリウムイオンを照射して結晶欠陥を導入した。2つのトップゲートに独立した電圧をかけて、効率的に電荷の動きを制御できる。200 K(約-73℃)で、約4桁の電流オン・オフ比を示した。さらにトランジスタ極性を電気的に制御して反転させることができるが、これまで、このような動作が可能なトランジスタはなかった。この技術は、既存のシリコン集積回路の製造技術の中で利用でき、将来の動作電圧低減によって超低消費電力化されたエレクトロニクスの実現に貢献すると期待される。

 この技術の詳細は、2012年12月10~12日に米国サンフランシスコ市で開催される国際会議2012 International Electron Devices Meeting(IEDM 2012)で発表される。

試作したグラフェントランジスタ概念図
試作したグラフェントランジスタの概念図

開発の社会的背景

 近年、携帯情報端末の普及や、IT機器の高機能化に伴う消費電力の増大が懸念され、電子情報機器の消費電力低減への社会的要求が高まっている。このため、大規模集積回路(LSI)の消費電力低減の試みは急速な進展を見せているが、従来のトランジスタ構造では、本質的な限界があるとされている。一方、グラフェンは、電子の動きやすさを表す電子移動度がシリコンの100倍以上もあり、さらに、シリコンなどの本質的な限界の問題も解決できると期待されている。これらのことから、グラフェンはLSI低消費電力化への障害を解決する可能性を秘めており、ポストシリコン世代の新しい機能性原子薄膜を用いた超低消費電力トランジスタの材料としても期待を集めている。

 しかし、グラフェンにはバンドギャップがないため、スイッチングトランジスタとして使用した場合に電流を十分に遮断できない。また、バンドギャップを形成する技術もあるが、スイッチング動作に必要なバンドギャップを形成すると、電子移動度が低くなってしまう。そのため、小さなバンドギャップで効率的にスイッチング動作ができる、新しい動作原理のグラフェントランジスタが求められている。

研究の経緯

 GNCは、内閣府と独立行政法人 日本学術振興会によって運営される最先端研究開発支援プログラム(FIRST)に採択されたプロジェクトを実施するために2010年4月に設立された。企業5社(富士通株式会社、株式会社 東芝、株式会社 日立製作所、ルネサスエレクトロニクス株式会社、株式会社 アルバック)からの出向研究者と産総研研究者によって構成されている。GNCでは、2010年度より、つくばイノベーションアリーナによる研究支援のフレームワークのもとで、産総研ナノエレクトロニクス研究部門、産総研ナノデバイスセンター、物材機構WPI-MANAと、グラフェンのエレクトロニクス応用に関する共同研究を行ってきた。

 なお、この研究は、FIRSTのプロジェクト「グリーン・ナノエレクトロニクスのコア技術開発」(中心研究者 横山 直樹)の助成により行われた。

研究の内容

 今回開発した新しいグラフェントランジスタの動作原理を図1(a)~(c)に示す。2つのトップゲートの間のチャネル部分のグラフェンにトランスポートギャップを生じさせるためにヘリウムイオン顕微鏡を用いてヘリウムイオンを6.9 x 1015 ions/cm2の密度で照射して結晶欠陥を導入してある。トップゲートに電圧をかけ静電的な制御によってチャネル両側のグラフェンのエネルギーバンドを変調できるが、トップゲート電圧の極性によってグラフェンの電流を運ぶキャリアの極性がn型p型と変化する。チャネルの両側の極性が異なる場合トランジスタはオフ状態となり(図1(b))、同じ極性の場合はオン状態となる(図1(c))。オフ状態のとき、従来型のトランジスタ(図1(d)~(f))ではトランスポートギャップを持つチャネルのソース側あるいはドレイン側の端に形成される障壁で電荷の移動を阻止するが、図1(e)に示すように小さい障壁しか得られないためオフ状態におけるリーク電流が大きい。一方、今回開発したトランジスタでは、図1(b)に示すようにトランスポートギャップが従来型の場合(図1(e))よりも大きな障壁となって電荷の移動を阻止する。その結果、従来型と比較してより良好なオフ状態を得ることができる。

 このトランジスタでは、通常移動度が劣化するチャネル部分の長さを、従来型の素子よりも短くできる。さらに、小さなトランスポートギャップでも有効にオフ状態をとれるため、従来型の素子よりもトランスポートギャップをより小さくできる。これらの特質により、トランジスタのオン・オフ動作を従来型よりも高速にできるため、回路の動作電圧を低減して低消費電力化したLSIが実現できると考えられる。また、リソグラフィーや蒸着、不純物注入工程など、既存のシリコン集積回路の製造技術の枠内で作製でき、大面積ウェハでも製造が容易である。

新しいグラフェントランジスタと従来型トランジスタの動作原理の図
図1 新しいグラフェントランジスタと従来型トランジスタの動作原理

 この新しい動作原理のトランジスタ動作を実証するために、グラファイトから剥離した単層グラフェン上にソース・ドレイン電極および1対のトップゲートを形成し、トランジスタを形成した。1対のトップゲートの間に適量のヘリウムイオンを照射してチャネルとし(図2の青点線部)、その外側の不要な部分のグラフェンはヘリウムイオンを多く照射して絶縁化した(図2の赤点線部)。その結果、トランジスタのチャネル部分は、長さ20 nm、幅 30 nmのサイズとなった。

試作した素子のヘリウムイオン顕微鏡像写真と模式図
図2 試作した素子のヘリウムイオン顕微鏡像と模式図

 作製したトランジスタを200 K(約-73℃)の低温でオン・オフ動作させた。ソース・ドレイン端子にはそれぞれ −100 mV、+100 mVの電圧をかけ、ドレイン側ゲート電圧を−2 Vに固定して、ソース側ゲート電圧を−4 Vから+4 Vまで変化させて、ソース・ドレイン電極間に流れる電流を測定したところ、約4桁のオン・オフ比を示した(図3)。

新しいグラフェントランジスタの電流のオン・オフ比の図
図3 新しいグラフェントランジスタの電流のオン・オフ比

 今回開発したトランジスタは、2つのトップゲートに与える電圧の極性が同じか異なるかによってオン状態かオフ状態かが決まる。そのため、片方のゲート電圧を固定しその極性を変化させることで、もう一方のゲート電圧によるトランジスタ動作がn型かp型かを制御できる。今回、ソース・ドレイン端子にそれぞれ −100 mV、+100 mVの電圧をかけ、ドレイン側ゲートの電圧VtgDを正に固定した場合(図4(a))の、ソース側ゲート電圧の変化に対するソース・ドレイン間の電流の変化を図4(b)に示す。図4(c)はその対数プロットである。ソース側ゲート電圧が負の場合にオフ状態、正の場合にオン状態となり、n型トランジスタとして動作している。一方、ドレイン側ゲート電圧を負に固定した場合(図4(d))の、ソース側ゲート電圧の変化に対する電流の変化を図4(e)、(f)に示す。この場合は、ソース側ゲート電圧が負の場合にオン状態、正の場合にオフ状態となり、p型トランジスタとして動作している。すなわち、単一のトランジスタが、電気的な制御によって極性が反転したトランジスタとして動作していることが実証できた。

 従来のシリコン素子のトランジスタ極性は半導体への不純物ドーピングのイオンの種類で決まるため、回路を形成後の変更はできなかった。しかし、今回開発したトランジスタではトランジスタ極性を電気的に制御できるため、回路の構成自体を電気的に変更できる集積回路が実現する可能性がある。

トランジスタ極性を電気的に反転させたトランジスタ動作の実証の図
図4 トランジスタ極性を電気的に反転させたトランジスタ動作の実証
ここでVtgDはドレイン側ゲート電圧

今後の予定

 トランジスタ極性を電気的制御により変更できるCMOS動作の実現を目指す。さらに、CVD法(化学的気相堆積法)にて合成されたグラフェンを用いた大面積ウェハによる素子試作を目指す。同時に、室温における電流のオン・オフ比の向上や、電荷の移動度の向上のためのグラフェンの高品質化を実現していく。


用語の説明

◆グラフェン
グラファイトを構成する単原子薄膜で、炭素原子が平面上で蜂の巣格子状に並んだ構造をもつ。2004年に英国マンチェスター大学のグループにより粘着テープでグラファイトから単離され、その特異な物理が明らかにされて以降、世界中で急速に研究が進められた。マンチェスター大学のグループはこの功績で、2010年ノーベル物理学賞を受賞した。[参照元へ戻る]
◆トップゲート
トランジスタのチャネルに対して絶縁膜を介して形成される電極で、基板に対して素子の上部から覆う形で形成されるものを特にトップゲートという。[参照元へ戻る]
◆オン・オフ比
ゲート制御によってチャネルの電流を増減させる場合の、最大電流値(オン電流)の最小電流値(オフ電流)に対する比。オン電流が小さいと回路の動作が遅くなり、オフ電流が大きいと電力消費が大きくなるため、オン・オフ比が大きい方がトランジスタには望ましい。[参照元へ戻る]
◆トランジスタ極性
トランジスタでは、電流を運ぶキャリアが電子か正孔かの違いがあり、それをトランジスタ極性という。キャリアが電子であるものをn型トランジスタといい、正孔であるものをp型トランジスタという。通常、n型トランジスタは正のゲート電圧に対してオン状態となり、p型トランジスタでは負のゲート電圧に対してオン状態となる。[参照元へ戻る]
◆大規模集積回路(LSI)
多数のトランジスタなどを、半導体表面に集積して構成される大規模な回路。現在、ほぼすべてがシリコン結晶の表面に形成されている。現代のエレクトロニクスの基幹を成す。[参照元へ戻る]
◆バンドギャップ
固体内の電子の取り得るエネルギー準位はバンド構造を形成するが、電子が取り得ないエネルギーの範囲を禁制帯、あるいはバンドギャップという。[参照元へ戻る]
◆トランスポートギャップ
電流を担う電荷が空間的に局在することで電流が流れなくなるエネルギーの範囲のこと。[参照元へ戻る]
◆ヘリウムイオン顕微鏡
イオン顕微鏡の一種で、電界で加速されたヘリウムイオンビームを物質に照射した際に生じる2次電子や反射イオンなどを検出して物質の形状を観察する。ヘリウムイオンビームは物質波の波長が電子線の波長よりも短く電子線よりも強く収束できることから、走査型電子顕微鏡よりも高い解像度で観察できる。またヘリウムイオンビームの照射量を制御して試料のエッチングや物性制御が可能である。[参照元へ戻る]
◆n型、p型
電流を運ぶキャリアが電子であるものをn型といい、キャリアが正孔であるものをp型という。[参照元へ戻る]
◆リソグラフィー
基板上に素子や回路の構造を転写するための技術で、基板上に塗布されたレジスト(感光剤)を、光や電子線などを照射して状態を変化させ、その部分のみ(またはそれ以外の部分だけ)のレジストを除去する。レジストが除去されて、露出した基板の部分のみに対してエッチングやイオン注入などの処理が可能となる。[参照元へ戻る]
◆フェルミ準位
導体内の電子系においては、絶対零度の電子のもつエネルギーのうち最も高いエネルギーに相当するが、半導体や絶縁体では、このフェルミ準位はもともとバンドギャップ内にあるため、温度や不純物ドーピングなどの状況によって変化する。フェルミ準位付近のエネルギーをもつ電子が電気伝導に寄与できるが、フェルミ準位がバンドギャップ内にあったり、フェルミ準位付近の電子が局在していれば、電流は流れにくい。[参照元へ戻る]
◆ソース・ドレイン
電界効果型トランジスタの電流が注入される部分をソース、電流が収集される部分をドレインと呼ぶ。[参照元へ戻る]
◆不純物ドーピング
純粋な半導体は、本質的には絶縁体と同様極めて電気抵抗が高い。電流を流しやすくするためには少量の不純物原子を意図的に混ぜる必要がある。これを不純物ドーピングという。不純物ドーピングによって、電子により電流が流れやすくなったものをn型、正孔により電流が流れやすくなったものをp型半導体と呼ぶ。従来のトランジスタは、これらn型、p型領域を作り分けることで形成されている。[参照元へ戻る]
◆CMOS
p型とn型の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOS型トランジスタ)を相補型に配置したゲート構造を持つ半導体素子。消費電力が少なく、論理回路などさまざまな電子部品を構成するのに用いられている。[参照元へ戻る]
◆CVD法(化学的気相堆積法)
反応容器内で原料ガスを熱などにより分解して基板上に薄膜や構造体を合成する方法。グラフェンの場合は、一般的にメタン(CH4)やアセチレン(C2H2)などの炭化水素系ガスを原料とし、遷移金属の触媒膜上に合成する。CVD法によれば、500~1,100 ℃程度の比較的低温でグラフェンを合成できる。[参照元へ戻る]

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