産総研、グラフェンの新しい電気伝導制御技術を開発

グラフェンの新しい伝導制御技術を開発
−ヘリウムイオン照射で室温動作スイッチングトランジスタを実現−



【ポイント】
　・グラフェンに低密度の人工結晶欠陥を導入し電気伝導の変調を実現
　・欠陥導入されたグラフェントランジスタで初めて室温での電流のオン・オフ動作に成功
　・将来の超低電圧動作ＣＭＯＳのチャネル材料として期待


＜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【連携研究体長　横山　直樹】（以下「ＧＮＣ」という）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、ナノデバイスセンター【センター長　秋永　広幸】らは、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グラフェンの新しい電気伝導制御技術を開発した。

　今回開発した技術は、グラフェンに対してヘリウムイオン顕微鏡を用いてヘリウムイオンビームを照射し、人為的に低密度の結晶欠陥を導入することによって、グラフェンの中の電子や正孔の動きをゲート電極に電圧を与えて変調可能にするものである。このような結晶欠陥の導入による伝導制御はこれまで理論的には予想されてきたが、実験的に室温でオン・オフ動作に至った例はなかった。今回開発した技術は、大面積ウェハにおいても既存の製造技術の枠内で導入が可能である。

　なお、この技術の詳細は、２０１２年９月２５〜２７日に京都府京都市で開催される国際素子・材料コンファレンス（ＳＳＤＭ２０１２）で発表される。

　〔試作されたグラフェン素子のヘリウムイオン顕微鏡像〕

　　※画像は添付の関連資料「添付画像」を参照


＜開発の社会的背景＞
　近年、携帯情報端末の爆発的な普及や、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に関する社会的要求が高まっている。このような社会的要求から、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は、短チャネル効果やドーパント起因の特性ばらつきなどの本質的な限界があると指摘されている。一方、２００４年に初めて単離されて以降急速な注目を集めたグラフェンは、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、シリコンなどで本質的な問題となっている短チャネル効果への耐性もある。さらには、従来の半導体におけるドーパント起因の特性ばらつきに対する耐性も期待されている。以上の点から、グラフェンは現状のＬＳＩにおける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、グラフェンにはシリコンなどの半導体にみられるバンドギャップがないことから、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することができない。そこで、グラフェンにバンドギャップを生じさせる方法が活発に検討されているが、これまで実用化が期待できる方法は得られていなかった。


＜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。産総研研究者と企業５社（株式会社　富士通研究所、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との共同研究体制を構築し、グラフェンのエレクトロニクス応用に関する研究開発を遂行してきた。この研究成果は、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）の助成により得られたものである。



※以下、「研究の内容」などリリースの詳細は添付の関連資料を参照