JP2017195358A - グラフェントランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】グラフェン膜の膜厚が均一でゲート幅が大きく大電流での使用が可能なグラフェントランジスタおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】グラフェントランジスタ１０は、ＳｉＣで構成され、Ｓｉ面に対するオフ角が２０°以下の第１主面を有する支持基板１１と、支持基板の第１主面の一部分上に配置され、支持基板を構成するＳｉＣの原子配列に対して配向する原子配列を有するグラフェン膜１３と、グラフェン膜１３の一部分上に配置される絶縁膜１６と、ソース電極１４およびドレイン電極１５と、ゲート電極１７と、を備え、グラフェン膜１３の支持基板１１側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であり、ゲート幅が１００μｍ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、グラフェントランジスタおよびその製造方法に関する。

グラフェンは、炭素（Ｃ）原子がｓｐ²混成軌道を形成して平面的に結合している物質である。グラフェンは、室温における電子移動度が極めて高いことから、トランジスタのチャネル層として注目されており、グラフェンをチャネル層として用いたトランジスタの開発が要望されている。特に、大電流での使用が可能なゲート幅の大きなトランジスタの開発が要望されている。

上記のトランジスタの開発のために、たとえば、特開２０１５−４８２５８号公報（特許文献１）は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板を加熱してケイ素（Ｓｉ）原子を脱離させることによりＳｉＣ基板の表層部をグラフェンに変換して、ＳｉＣ基板の表面上にグラフェンを形成するグラフェン製造方法を開示する。

特開２０１５−４８２５８号公報

しかしながら、特開２０１５−４８２５８号（特許文献１）に開示される製造方法によりＳｉＣ基板の表面上にグラフェン膜を形成すると、ＳｉＣ基板に含まれる結晶欠陥などにより、グラフェン膜が形成されない部分や形成されるグラフェン膜が厚い部分が発生して、広い面積に亘って膜厚を小さく均一にすることが困難である。このため、上記のグラフェン膜では、大電流での使用が可能なゲート幅の大きなトランジスタを形成することが困難であるという問題がある。

そこで、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きく大電流での使用が可能なグラフェントランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様にかかるグラフェントランジスタは、炭化ケイ素で構成され、ケイ素面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板と、支持基板の第１主面の一部分上に配置され、支持基板を構成する炭化ケイ素の原子配列に対して配向する原子配列を有するグラフェン膜と、グラフェン膜の一部分上および支持基板の一部分上に亘って配置されるソース電極およびドレイン電極と、グラフェン膜の他の一部分上に配置される絶縁膜と、絶縁膜の少なくとも一部分上に配置されるゲート電極と、を備える。ここで、グラフェン膜の支持基板側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であり、ゲート電極のゲート幅が１００μｍ以上である。

本発明の別の態様にかかるグラフェントランジスタの製造方法は、炭化ケイ素で構成され、ケイ素面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板の第１主面上に、スパッタ法により、炭化ケイ素膜を形成する第１工程と、炭化ケイ素膜中のケイ素を昇華させることにより、グラフェン膜を形成する第２工程と、グラフェン膜の一部分を除去する第３工程と、グラフェン膜の一部分上および支持基板の一部分上に亘ってソース電極およびドレイン電極を形成する第４工程と、グラフェン膜の他の一部分上に絶縁膜を形成する第５工程と、絶縁膜の少なくとも一部分上にゲート電極を形成する第６工程と、を備える。

上記によれば、グラフェン膜の膜厚が均一でゲート幅が大きく大電流での使用が可能なグラフェントランジスタおよびその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明のある態様にかかるグラフェントランジスタのある例を示す概略断面図である。 図２は、本発明のある態様にかかるグラフェントランジスタのある例を示す概略平面図である。 図３は、本発明の別の態様にかかるグラフェントランジスタの製造方法のある例を示す概略断面図である。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

本発明のある実施形態にかかるグラフェントランジスタは、炭化ケイ素で構成され、ケイ素面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板と、支持基板の第１主面の一部分上に配置され、支持基板を構成する炭化ケイ素の原子配列に対して配向する原子配列を有するグラフェン膜と、グラフェン膜の一部分上および支持基板の一部分上に亘って配置されるソース電極およびドレイン電極と、グラフェン膜の他の一部分上に配置される絶縁膜と、絶縁膜の少なくとも一部分上に配置されるゲート電極と、を備える。ここで、グラフェン膜の支持基板側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であり、ゲート電極のゲート幅が１００μｍ以上である。本実施形態のグラフェントランジスタは、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が１００μｍ以上と大きいため、１Ａ（アンペア）以上の大電流での使用が可能である。

本実施形態のグラフェントランジスタにおいて、ソース電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗およびドレイン電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗をいずれも１Ωｍｍ以下とすることができる。かかるグラフェントランジスタは、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいため大電流での使用が可能であり、さらに、ソース電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗およびドレイン電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗がいずれも低いことから、寄生直列抵抗が低くなるため、大電流動作が可能である。

本実施形態のグラフェントランジスタにおいて、絶縁膜のゲート電極に接する部分のシート抵抗を１０００Ω／ｓｑ以下とすることができる。かかるグラフェントランジスタは、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいため大電流での使用が可能であり、さらに、絶縁膜のゲート電極に接する部分のシート抵抗が低いことから、真性チャネル抵抗および寄生直列抵抗が低くなるため、大電流動作が可能である。

本実施形態のグラフェントランジスタは、その相互コンダクタンスを１００ｍＳ以上とすることができる。かかるグラフェントランジスタは、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいため大電流での使用が可能であり、さらに、グラフェントランジスタの相互コンダクタンスが高いことから、ドレイン電流の真性チャネル抵抗及び寄生直列抵抗が低いため、大電流動作が可能である。

本実施形態のグラフェントランジスタは、その電流利得の遮断周波数を１００ＧＨｚ以上とすることができる。かかるグラフェントランジスタは、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいため大電流での使用が可能であり、さらに、グラフェントランジスタの電流利得の遮断周波数が高いため、高周波帯高速無線通信用増幅器を実現できる。

本実施形態のグラフェントランジスタは、炭化ケイ素で構成され、ケイ素面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板と、支持基板の前記第１主面の一部分上に配置され、支持基板を構成する炭化ケイ素の原子配列に対して配向する原子配列を有するグラフェン膜と、グラフェン膜の一部分上および支持基板の一部分上に亘って配置されるソース電極およびドレイン電極と、グラフェン膜の他の一部分上に配置される絶縁膜と、絶縁膜の少なくとも一部分上に配置されるゲート電極と、を備え、グラフェン膜の支持基板側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であり、ゲート電極のゲート幅が１００μｍ以上であり、ソース電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗およびドレイン電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗がいずれも１Ωｍｍ以下であり、絶縁膜のゲート電極に接する部分のシート抵抗が１０００Ω／ｓｑ以下であるグラフェントランジスタであって、グラフェントランジスタの相互コンダクタンスを１００ｍＳ以上とし、グラフェントランジスタの電流利得の遮断周波数を１００ＧＨｚ以上とすることができる。かかるグラフェントランジスタは、かかるグラフェントランジスタは、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいため大電流での使用が可能であり、さらに、ソース電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗およびドレイン電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗がいずれも低く、絶縁膜のゲート電極に接する部分のシート抵抗が低く、グラフェントランジスタの相互コンダクタンスが高く、グラフェントランジスタの電流利得の遮断周波数が高いため、高周波帯高速無線通信用増幅器を実現できる。

本発明の別の実施形態にかかるグラフェントランジスタの製造方法は、炭化ケイ素で構成され、ケイ素面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板の第１主面上に、スパッタ法により、炭化ケイ素膜を形成する第１工程と、炭化ケイ素膜中のケイ素を昇華させることにより、グラフェン膜を形成する第２工程と、グラフェン膜の一部分を除去する第３工程と、グラフェン膜の一部分上および支持基板の一部分上に亘ってソース電極およびドレイン電極を形成する第４工程と、グラフェン膜の他の一部分上に絶縁膜を形成する第５工程と、絶縁膜の少なくとも一部分上にゲート電極を形成する第６工程と、を備える。本実施形態のグラフェントランジスタの製造方法は、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいグラフェントランジスタを製造することができる。

本実施形態のグラフェントランジスタの製造方法において、グラフェン膜の支持基板側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅を４０ｃｍ^-1以下とすることができる。かかるグラフェントランジスタの製造方法は、かかるグラフェントランジスタの製造方法は、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいグラフェントランジスタを製造することができる。

本実施形態のグラフェントランジスタの製造方法において、ゲート電極のゲート幅を１００μｍ以上とすることができる。かかるグラフェントランジスタの製造方法は、かかるグラフェントランジスタの製造方法は、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいグラフェントランジスタを製造することができる。

[本発明の実施形態の詳細]
＜実施形態１：グラフェントランジスタ＞
図１および図２を参照して、本実施形態のグラフェントランジスタ１０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成され、ケイ素（Ｓｉ）面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板１１と、支持基板１１の第１主面の一部分上に配置され、支持基板１１を構成するＳｉＣの原子配列に対して配向する原子配列を有するグラフェン膜１３と、グラフェン膜１３の一部分上および支持基板１１の一部分上に亘って配置されるソース電極１４およびドレイン電極１５と、グラフェン膜１３の他の一部分上に配置される絶縁膜１６と、絶縁膜１６の少なくとも一部分上に配置されるゲート電極１７と、を備える。ここで、グラフェン膜１３の支持基板側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であり、ゲート電極１７のゲート幅Ｗ_Gが１００μｍ以上である。本実施形態のグラフェントランジスタ１０は、グラフェン膜１３の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きい。なお、図１は、図２のＩ−Ｉにおける概略断面図である。

（支持基板）
支持基板１１は、ＳｉＣで構成される。支持基板１１を構成するＳｉＣは、六方晶ＳｉＣであって、たとえば６Ｈ構造を有する。支持基板１１は、Ｓｉ面（すなわち（０００１）面）に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する。オフ角は、第１主面の平坦性が高い観点から、２０°以下であり、１０°以下が好ましく、５°以下がより好ましく、１°以下（すなわち、支持基板１１の第１主面は、実質的にＳｉ面と一致または平行）であることがさらに好ましい。

（グラフェン膜）
グラフェン膜１３は、炭素（Ｃ）原子がｓｐ²混成軌道を形成して平面的に結合している膜であり、支持基板１１の上記第１主面の一部分上に配置される。グラフェン膜１３は、支持基板１１を構成するＳｉＣの原子配列（Ｓｉ原子およびＣ原子の配列）に対して配向する原子配列（Ｃ原子の配列）を有する。ここで、グラフェン膜１３の原子配列が支持基板１１を構成するＳｉＣの原子配列に対して配向する状態とは、グラフェン膜１３の原子配列がＳｉＣの原子配列に対して一定の関係を有していることを意味する。グラフェン膜１３の原子配列がＳｉＣの原子配列に対して配向しているかどうかは、たとえば低速電子線回折（ＬＥＥＤ）法により確認する。

グラフェン膜１３は、後述のように支持基板１１上にスパッタ法により形成されたＳｉＣ膜からＳｉを昇華させることにより得られたものであるため、支持基板１１に含まれる欠陥に関わらず、広い面積に亘って膜厚が小さく均一である。グラフェン膜１３の膜厚は、単層であることが好ましいとともに複層になるとキャリアの有効質量が発生し移動度が低下する観点から、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以上３ｎｍ以下がより好ましい。グラフェン膜１３の膜厚は、たとえば、フォトルミネッセンスによる観察および／または後述のラマン分光スペクトル測定により得られるＧバンドのピークの強度およびＧ’バンドの半値幅の少なくともいずれかから算出する。グラフェン膜１３の膜厚の測定および算出は、その膜厚が小さく均一であることを確認する観点から、可能な限り中央部から端部までの広範囲において複数の点で測定することが好ましい。

（ソース電極およびドレイン電極）
ソース電極１４およびドレイン電極１５は、グラフェン膜１３の一部分上および支持基板１１の一部分上に亘って配置される。ソース電極１４およびドレイン電極１５は、グラフェン膜１３との接触抵抗を低減する観点から、グラフェン膜１３とオーミック接触する電極が好ましく、具体的には、ニッケル（Ｎｉ）電極、白金（Ｐｔ）電極、ニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）電極、白金／金（Ｐｔ／Ａｕ）電極などが好ましい。

（絶縁膜）
絶縁膜１６は、グラフェン膜１３の他の一部分上に配置される。絶縁膜１６は、絶縁性を有するものであれば特に制限はないが、誘電率および絶縁破壊電界が高い観点から、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜、窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜、炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）膜などが好ましい。また、絶縁膜１６の膜厚は、ゲート容量を低減するとともにゲートリーク電流を低減する観点から、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下がより好ましい。

（ゲート電極）
ゲート電極１７は、絶縁膜１６の少なくとも一部分上に配置される。ゲート電極１７は、特に制限はないが、絶縁膜１６との密着性が高い観点から、ニッケル（Ｎｉ）電極、チタン（Ｔｉ）電極、ニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）電極、チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）電極などが好ましい。

（ラマン分光スペクトル）
本実施形態のグラフェントランジスタ１０は、グラフェン膜１３の支持基板１１とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下である。グラフェン膜１３のラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅は、グラフェン膜１３の膜厚が小さくかつ均一である観点から、４０ｃｍ^-1以下であり、好ましくは３０ｃｍ^-1以下であり、より好ましくは２０ｃｍ^-1以下である。ここで、Ｇ’バンドのピークは、ラマン分光スペクトルにおいて、Ｃ原子のｓｐ²混成軌道に共通して観測されるピークの１種である。なお、Ｃ原子のｓｐ²混成軌道に共通して観測されるピークとしては、励起エネルギーが２．４１ｅＶのときに、１５８０ｃｍ^-1に観測されるＧバンドのピークと、２７００ｃｍ^-1に観測されるＧ’バンドのピークとがある。グラフェン膜１３の露出面におけるラマン分光スペクトルの測定およびＧ’バンドのピークの半値幅の算出は、グラフェン膜１３の膜厚が小さく均一であることを確認する観点から、可能な限り中央部から端部までの広範囲において複数の点で測定することが好ましい。

（ゲート幅）
本実施形態のグラフェントランジスタ１０においては、グラフェン膜１３の膜厚が均一であるため、また、大電流での使用を可能とする観点から、ゲート電極１７のゲート幅Ｗ_Gは、１００μｍ以上であり、２００μｍ以上が好ましく、５００μｍ以上がより好ましい。ここで、ゲート幅Ｗ_Gは、たとえばＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）（たとえば、日立製作所製Ｓ−８０００など）により測定する。

（ゲート長）
本実施形態のグラフェントランジスタ１０においては、グラフェン膜１３の膜厚が均一であるため、また、リソグラフィのパターン精度の下限以上とするとともに電流利得の遮断周波数の低下を抑制する観点から、ゲート電極１７のゲート長Ｌ_Gは、０．０５μｍ以上５μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以上１μｍ以下がより好ましい。ここで、ゲート長Ｌ_Gは、たとえばＳＥＭ（たとえば、日立製作所製Ｓ−８０００など）により測定する。

（コンタクト抵抗）
本実施形態のグラフェントランジスタ１０においては、電流利得の遮断周波数の低下を抑制する観点から、ソース電極１４とグラフェン膜１３とのコンタクト抵抗Ｒ_C(s)およびドレイン電極１５とグラフェン膜１３とのコンタクト抵抗Ｒ_C(d)は、いずれも、１Ωｍｍ以下が好ましく、０．８Ωｍｍ以下がより好ましく、０．５Ωｍｍ以下がさらに好ましい。ここで、コンタクト抵抗Ｒ_C(s)およびコンタクト抵抗Ｒ_C(d)は、たとえば半導体パラメータ・アナライザ（たとえば、アジレント・テクノロジー社製Ａｇｉｌｅｎｔ ４１５５Ｃなど）により測定する。

（シート抵抗）
本実施形態のグラフェントランジスタ１０においては、電流利得の遮断周波数を増大させる観点から、絶縁膜１６のゲート電極１７に接する部分のシート抵抗Ｒ_Sは、１０００Ω／ｓｑ以下が好ましく、５００Ω／ｓｑ以下がより好ましく、３００Ω／ｓｑ以下がさらに好ましい。ここで、シート抵抗Ｒ_Sは、たとえば半導体パラメータ・アナライザ（たとえば、アジレント・テクノロジー社製Ａｇｉｌｅｎｔ ４１５５Ｃなど）により測定する。

（相互コンダクタンス）
本実施形態のグラフェントランジスタ１０においては、電流利得の遮断周波数を増大させる観点から、相互コンダクタンスｇ_mは、１００ｍＳ以上が好ましく、１０００ｍＳ以上がより好ましく、５０００ｍＳ以上がさらに好ましい。ここで、相互コンダクタンスｇ_mは、たとえば半導体パラメータ・アナライザ（たとえば、アジレント・テクノロジー社製Ａｇｉｌｅｎｔ ４１５５Ｃなど）により測定する。

（遮断周波数）
本実施形態のグラフェントランジスタ１０においては、大容量無線通信を可能とする観点から、その電流利得の遮断周波数ｆ_Tは、１００ＧＨｚ以上が好ましく、５００ＧＨｚ以上がより好ましく、１０００ＧＨｚ以上がさらに好ましい。ここで、電流利得の遮断周波数ｆ_Tは、たとえばネットワーク・アナライザ（ＫＥＹＳＩＧＨＴ社製ＰＮＡネットワーク・アナライザ）により測定する。

すなわち、本実施形態のグラフェントランジスタ１０は、ＳｉＣで構成され、Ｓｉ面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板１１と、支持基板１１の第１主面の一部分上に配置され、支持基板１１を構成するＳｉＣの原子配列に対して配向する原子配列を有するグラフェン膜と、グラフェン膜の一部分上および支持基板の一部分上に亘って配置されるソース電極およびドレイン電極と、グラフェン膜の他の一部分上に配置される絶縁膜と、絶縁膜の少なくとも一部分上に配置されるゲート電極と、を備え、グラフェン膜の支持基板側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であり、ゲート電極のゲート幅が１００μｍ以上であり、ソース電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗およびドレイン電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗がいずれも１Ωｍｍ以下であり、絶縁膜のゲート電極に接する部分のシート抵抗が１０００Ω／ｓｑ以下であるグラフェントランジスタであって、グラフェントランジスタの相互コンダクタンスが１００ｍＳ以上であり、グラフェントランジスタの電流利得の遮断周波数が１００ＧＨｚ以上であることが好ましい。かかるグラフェントランジスタは、かかるグラフェントランジスタは、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいため大電流での使用が可能であり、さらに、ソース電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗およびドレイン電極とグラフェン膜とのコンタクト抵抗がいずれも低く、絶縁膜のゲート電極に接する部分のシート抵抗が低く、グラフェントランジスタの相互コンダクタンスが高く、グラフェントランジスタの電流利得の遮断周波数が高いため、大容量無線通信が可能となる。

＜実施形態２：グラフェントランジスタの製造方法＞
図３を参照して、本実施形態にかかるグラフェントランジスタ１０の製造方法は、ＳｉＣで構成され、Ｓｉ面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板１１の第１主面上に、スパッタ法により、炭化ケイ素膜１２（ＳｉＣ膜）を形成する第１工程（図３（Ａ））と、炭化ケイ素膜１２中のケイ素を昇華させることにより、グラフェン膜１３を形成する第２工程（図３（Ｂ））と、グラフェン膜１３の一部分を除去する第３工程（図３（Ｃ））と、グラフェン膜１３の一部分上および支持基板１１の一部分上に亘ってソース電極１４およびドレイン電極１５を形成する第４工程（図３（Ｄ））と、グラフェン膜１３の他の一部分上に絶縁膜１６を形成する第５工程（図３（Ｅ））と、絶縁膜１６の少なくとも一部分上にゲート電極１７を形成する第６工程（図３（Ｆ））と、を備える。本実施形態のグラフェントランジスタ１０の製造方法は、支持基板１１上にスパッタ法により形成した炭化ケイ素膜１２中の炭素を昇華させることによりグラフェン膜１３を形成することにより、グラフェン膜１３の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいグラフェントランジスタを製造することができる。

（第１工程）
図３（Ａ）を参照して、第１工程において、支持基板１１の第１主面上に、スパッタ法により、炭化ケイ素膜１２（ＳｉＣ膜）を形成する。炭化ケイ素膜１２は、非結晶、多結晶、および／または単結晶の炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成される。炭化ケイ素膜１２は、スパッタ法により形成されるため、支持基板１１を構成する炭化ケイ素の欠陥に関わらず、高品質で膜厚が均一で平坦である。炭化ケイ素膜１２の膜厚は、特に制限はないが、膜厚が小さくて均一なグラフェン膜１３を形成する観点から、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以上３ｎｍ以下がより好ましい。

（第２工程）
図３（Ｂ）を参照して、第２工程において、炭化ケイ素膜１２中のケイ素を昇華させることにより、グラフェン膜１３を形成する。炭化ケイ素膜１２中のケイ素を昇華させる方法は、特に制限はなく、たとえば炭化ケイ素膜１２を熱処理することが挙げられる。熱処理雰囲気は、特に制限はないが、不純物混入を抑制する観点から、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中、窒素（Ｎ₂）雰囲気中などが好ましい。熱処理圧力は、特に制限はないが、ケイ素（Ｓｉ）の昇華を制御する観点から、１００ｋＰａ以上１０００ｋＰａが好ましく、大気圧（１０１．３ｋＰａ）がより好ましい。熱処理温度は、Ｓｉの昇華温度以上であれば特に制限はないが、Ｓｉの昇華を制御する観点から、１０００℃以上２０００℃以下が好ましく、１２００℃以下１８００℃以下がより好ましい。これにより、膜厚が小さく均一なグラフェン膜１３が得られる。たとえば、膜厚が１ｎｍ以上３ｎｍ以下の炭化ケイ素膜１２から、約１層以上３層以下のグラフェン層からなる膜厚が０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下のグラフェン膜１３が得られる。

（第３工程）
図３（Ｃ）を参照して、第３工程において、グラフェン膜１３の一部分を除去する。グラフェン膜１３の一部分を除去する工程は、特に制限なく、たとえば、レジストのリソグラフィによりグラフェン膜１３の一部分上にマスクを形成するサブ工程、エッチングによりグラフェン膜のマスクが形成されていない部分を除去するサブ工程、および有機溶剤での洗浄によりマスクを除去するサブ工程を含む。ここで、エッチングとしては、酸素（Ｏ₂）ガス、オゾン（Ｏ₃）ガスなどによるドライエッチングなどが挙げられる。

（第４工程）
図３（Ｄ）を参照して、第４工程において、グラフェン膜１３の一部分上および支持基板１１の一部分上に亘ってソース電極１４およびドレイン電極１５を形成する。グラフェン膜１３の一部分上および支持基板１１の一部分上に亘ってソース電極１４およびドレイン電極１５を形成する工程は、特に制限はなく、たとえば、レジストのフォトリソグラフィによりグラフェン膜１３の一部分および支持基板１１の一部分に亘る部分上に開口部を複数有するマスクを形成するサブ工程、マスクの開口部にソース電極１４およびドレイン電極１５を形成するサブ工程、および有機溶剤での洗浄によりマスクを除去するサブ工程を含む。ここで、ソース電極１４およびドレイン電極１５を形成する方法は、特に制限はなく、電子線蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法などが挙げられる。

（第５工程）
図３（Ｅ）を参照して、第５工程において、グラフェン膜１３の他の一部分上に絶縁膜１６を形成する。グラフェン膜１３の他の一部分上に絶縁膜１６を形成する工程は、特に制限ない。ここで、絶縁膜１６を形成する方法は、特に制限はなく、ＣＶＤ（化学気相堆積）法、ＡＬＤ（原子層堆積）法などが挙げられる。

（第６工程）
図３（Ｆ）を参照して、第６工程において、絶縁膜１６の少なくとも一部分上にゲート電極１７を形成する。絶縁膜１６の少なくとも一部分上にゲート電極１７を形成する工程は、特に制限はなく、たとえば、レジストのフォトリソグラフィにより絶縁膜１６の少なくとも一部上に開口部を有するマスクを形成するサブ工程と、マスクの開口部にゲート電極１７を形成するサブ工程、および有機溶剤での洗浄によりマスクを除去するサブ工程を含む。ここで、ゲート電極１７を形成する方法は、特に制限はなく、電子線蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法などが挙げられる。

（ラマン分光スペクトル）
本実施形態のグラフェントランジスタ１０の製造方法において、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいグラフェントランジスタを製造することができる観点から、グラフェン膜１３の支持基板１１とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であることが好ましい。グラフェン膜１３の露出面におけるラマン分光スペクトルの測定およびＧ’バンドのピークの半値幅の算出は、グラフェン膜１３の膜厚が小さく均一であることを確認する観点から、可能な限り中央部から端部までの広範囲において複数の点で測定することが好ましい。たとえば、第２工程において支持基板１１の第１主面上にグラフェン膜１３を形成後、支持基板１１の第１主面側の全領域の中央部から端部までに亘って任意に特定される複数の点においてそのラマン分光スペクトルを測定し、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下である領域内に、グラフェントランジスタ１０のグラフェン膜１３が配置されるように、第３工程においてグラフェン膜１３の一部分を除去するのが好適である。

（ゲート幅）
本実施形態のグラフェントランジスタ１０の製造方法において、グラフェン膜の膜厚が小さく均一でゲート幅が大きいグラフェントランジスタを製造することができる観点から、たとえば、ゲート電極１７のゲート幅Ｗ_Gが、好ましくは１００μｍ以上、より好ましくは２００μｍ以上、さらに好ましくは５００μｍ以上になるように、第３工程においてグラフェン膜１３の一部を除去し、第６工程においてゲート電極１７を形成することが好ましい。

（実施例１）
１．第１工程
図３（Ａ）を参照して、支持基板１１である直径が５０．８ｍｍ（２インチ）で厚さが５００μｍでＳｉ面に対するオフ角が１°である第１主面を有するＳｉＣ基板上に、スパッタ法により、Ａｒガス雰囲気中で、厚さ２ｎｍの炭化ケイ素膜１２（ＳｉＣ膜）を形成した。

２．第２工程
図３（Ｂ）を参照して、支持基板１１の第１主面上に形成された炭化ケイ素膜１２を、１０１．３ｋＰａのＡｒガス雰囲気中で、１６００℃で３時間熱処理することにより、炭化ケイ素膜１２中のケイ素を昇華させて、支持基板１１の第１主面上にグラフェン膜１３を形成した。

グラフェン膜１３の支持基板１１とは反対側の主面である露出面において、中央部から端部までの全領域に亘る１００点の０．５ｍｍ×０．５ｍｍの正方形格子点におけるラマン分光スペクトルを測定したところ、Ｇ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であったものが９０点あった。したがって、グラフェン膜１３は、広い領域（具体的には、支持基板の第１主面上の９０％の領域）に亘って膜厚が小さくかつ均一であった。

（第３工程）
図３（Ｃ）を参照して、グラフェン膜１３のうち、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下の領域に含まれるグラフェン膜１３の一部分上にフォトレジストからなるマスクを形成し、ＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合型プラズマ−反応性イオンエッチング）を用いたエッチングによりグラフェン膜１３の一部分を除去した後、アセトンを用いた洗浄によりマスクを除去した。一部分除去後のグラフェン膜１３は、その領域内の上記９０点のうち１０点についてのラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が３５ｃｍ^-1以下の領域に含まれており、その領域の大きさが幅５００μｍ×長さ５００μｍであった。

（第４工程）
図３（Ｄ）を参照して、グラフェン膜１３の幅方向の二辺の近くの一部分上と支持基板１１の一部分上に亘って、幅１００μｍ×長さ１００μｍの２つの開口部（このうちグラフェン膜１３と開口部との重なり部分は幅１０μｍ×長さ１００μｍ）を有するフォトレジストからなるマスクを形成し、２つの開口部にソース電極１４およびドレイン電極１５として、電子線蒸着法によりＮｉ（厚さ１００ｎｍ）／Ａｕ(厚さ２００ｎｍ)電極を形成し、アセトンを用いた洗浄によりマスクを除去した。ソース電極１４とドレイン電極１５との両端間の距離は２μｍであった。

（第５工程）
図３（Ｅ）を参照して、グラフェン膜１３の中央部の一部分上に、絶縁膜１６として、ＣＶＤ法により厚さ３０ｎｍのＳｉＮ膜を形成した。

（第６工程）
図３（Ｆ）を参照して、絶縁膜１６の中央部の一部分上に、幅１００μｍ×長さ０．１μｍの開口部を有するフォトレジストからなるマスクを形成し、その開口部にゲート電極１７として、電子線蒸着法によりＮｉ（厚さ１００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ６００ｎｍ）電極を形成し、アセトンを用いた洗浄によりマスクを除去した。こうして、ゲート幅が１００μｍでゲート長が０．１μｍであるグラフェントランジスタ１０が得られた。

（グラフェントランジスタの特性評価）
得られたグラフェントランジスタ１０の特性に関して、ソース電極１４と絶縁膜１６との間およびドレイン電極１５と絶縁膜１６との間で露出しているグラフェン膜１３の主面の中央点および幅方向の両端から３μｍの２点の合計６点についてのラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅は、いずれも３５ｃｍ^-1以下であった。そのソース電極１４とグラフェン膜１３とのコンタクト抵抗Ｒ_C(s)およびドレイン電極１５とグラフェン膜１３とのコンタクト抵抗Ｒ_C(d)は、半導体パラメータ・アナライザであるアジレント・テクノロジー社製Ａｇｉｌｅｎｔ ４１５５Ｃより測定したところ、コンタクト抵抗Ｒ_C(s)が０．３Ωｍｍでコンタクト抵抗Ｒ_C(d)が０．３Ωｍｍであり、いずれも１Ωｍｍ以下であった。その絶縁膜１６のゲート電極１７に接する部分のシート抵抗Ｒ_Sは、アジレント・テクノロジー社製Ａｇｉｌｅｎｔ ４１５５Ｃより測定したところ、５００Ω／ｓｑであり、１０００Ω／ｓｑ以下であった。その相互コンダクタンスｇ_mは、アジレント・テクノロジー社製Ａｇｉｌｅｎｔ ４１５５Ｃより測定したところ、５０００ｍＳであり、１００ｍＳ以上であった。その電流利得の遮断周波数ｆ_Tは、ＥＹＳＩＧＨＴ社製ＰＮＡネットワーク・アナライザより測定したところ、１０００ＧＨｚであり、１００ＧＨｚ以上であった。また、最大使用可能電流は、別の半導体パラメータ・アナライザであるアジレント・テクノロジー社製Ａｇｉｌｅｎｔ １５０５Ａより測定したところ、５Ａと、１Ａ以上の大電流であった。

（比較例１）
グラフェントランジスタのグラフェン膜１３の領域内の上記１００点についてのがラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅について、４０ｃｍ^-1以下のものが１０点、４０ｃｍ^-1より大きいものが９０点であったこと以外は、実施例１と同様にして、グラフェントランジスタを作製した。

得られたグラフェントランジスタの特性に関して、ソース電極１４と絶縁膜１６との間およびドレイン電極１５と絶縁膜１６との間で露出しているグラフェン膜１３の主面の中央点および幅方向の両端から３μｍの２点の合計６点についてのラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅は、４０ｃｍ^-1以下のものが１点、４０ｃｍ^-1より大きいものが５点であった。そのソース電極１４とグラフェン膜１３とのコンタクト抵抗Ｒ_C(s)およびドレイン電極１５とグラフェン膜１３とのコンタクト抵抗Ｒ_C(d)は、コンタクト抵抗Ｒ_C(s)が２Ωｍｍでコンタクト抵抗Ｒ_C(d)が２Ωｍｍであり、いずれも１Ωｍｍより高かった。その絶縁膜１６のゲート電極１７に接する部分のシート抵抗Ｒ_Sは、２０００Ω／ｓｑであり、１０００Ω／ｓｑより高かった。その相互コンダクタンスｇ_mは、５０ｍＳであり、１００ｍＳより低かった。その電流利得の遮断周波数ｆ_Tは、５０ＧＨｚであり、１００ＧＨｚより低かった。また、最大使用可能電流は、０．１Ａと、１Ａ未満であった。

（比較例２）
グラフェントランジスタのゲート幅を１０μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、グラフェントランジスタを作製した。

得られたグラフェントランジスタの特性に関して、ソース電極１４と絶縁膜１６との間およびドレイン電極１５と絶縁膜１６との間で露出しているグラフェン膜１３の主面の中央点および幅方向の両端から３μｍの２点の合計６点についてのラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅は、いずれも３５ｃｍ^-1以下であった。そのソース電極１４とグラフェン膜１３とのコンタクト抵抗Ｒ_C(s)およびドレイン電極１５とグラフェン膜１３とのコンタクト抵抗Ｒ_C(d)は、コンタクト抵抗Ｒ_C(s)が０．３Ωｍｍでコンタクト抵抗Ｒ_C(d)が０．３Ωｍｍであり、いずれも１Ωｍｍ未満であった。その絶縁膜１６のゲート電極１７に接する部分のシート抵抗Ｒ_Sは、５００Ω／ｓｑであり、１０００Ω／ｓｑ未満であった。その相互コンダクタンスｇ_mは、５０００ｍＳであり、１００ｍＳ以上であった。その電流利得の遮断周波数ｆ_Tは、１０００ＧＨｚであり、１００ＧＨｚ以上であった。また、最大使用可能電流は、０．５Ａと、１Ａ未満であった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ グラフェントランジスタ
１１ 支持基板
１２ 炭化ケイ素膜
１３ グラフェン膜
１４ ソース電極
１５ ドレイン電極
１６ 絶縁膜
１７ ゲート電極

Claims (9)

1. 炭化ケイ素で構成され、ケイ素面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板と、
   前記支持基板の前記第１主面の一部分上に配置され、前記支持基板を構成する炭化ケイ素の原子配列に対して配向する原子配列を有するグラフェン膜と、
   前記グラフェン膜の一部分上および前記支持基板の一部分上に亘って配置されるソース電極およびドレイン電極と、
   前記グラフェン膜の他の一部分上に配置される絶縁膜と、
   前記絶縁膜の少なくとも一部分上に配置されるゲート電極と、を備え、
   前記グラフェン膜の前記支持基板側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であり、
   前記ゲート電極のゲート幅が１００μｍ以上である、グラフェントランジスタ。
2. 前記ソース電極と前記グラフェン膜とのコンタクト抵抗および前記ドレイン電極と前記グラフェン膜とのコンタクト抵抗がいずれも１Ωｍｍ以下である、請求項１に記載のグラフェントランジスタ。
3. 前記絶縁膜の前記ゲート電極に接する部分のシート抵抗が１０００Ω／ｓｑ以下である、請求項１または請求項２に記載のグラフェントランジスタ。
4. 前記グラフェントランジスタの相互コンダクタンスが１００ｍＳ以上である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のグラフェントランジスタ。
5. 前記グラフェントランジスタの電流利得の遮断周波数が１００ＧＨｚ以上である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のグラフェントランジスタ。
6. 炭化ケイ素で構成され、ケイ素面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板と、
   前記支持基板の前記第１主面の一部分上に配置され、前記支持基板を構成する炭化ケイ素の原子配列に対して配向する原子配列を有するグラフェン膜と、
   前記グラフェン膜の一部分上および前記支持基板の一部分上に亘って配置されるソース電極およびドレイン電極と、
   前記グラフェン膜の他の一部分上に配置される絶縁膜と、
   前記絶縁膜の少なくとも一部分上に配置されるゲート電極と、を備え、
   前記グラフェン膜の前記支持基板側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下であり、
   前記ゲート電極のゲート幅が１００μｍ以上であり、
   前記ソース電極と前記グラフェン膜とのコンタクト抵抗および前記ドレイン電極と前記グラフェン膜とのコンタクト抵抗がいずれも１Ωｍｍ以下であり、
   前記絶縁膜の前記ゲート電極に接する部分のシート抵抗が１０００Ω／ｓｑ以下である、グラフェントランジスタであって、
   前記グラフェントランジスタの相互コンダクタンスが１００ｍＳ以上であり、
   前記グラフェントランジスタの電流利得の遮断周波数が１００ＧＨｚ以上である、グラフェントランジスタ。
7. 炭化ケイ素で構成され、ケイ素面に対するオフ角が２０°以下である第１主面を有する支持基板の前記第１主面上に、スパッタ法により、炭化ケイ素膜を形成する第１工程と、
   前記炭化ケイ素膜中のケイ素を昇華させることにより、グラフェン膜を形成する第２工程と、
   前記グラフェン膜の一部分を除去する第３工程と、
   前記グラフェン膜の一部分上および前記支持基板の一部分上に亘ってソース電極およびドレイン電極を形成する第４工程と、
   前記グラフェン膜の他の一部分上に絶縁膜を形成する第５工程と、
   前記絶縁膜の少なくとも一部分上にゲート電極を形成する第６工程と、を備える、グラフェントランジスタの製造方法。
8. 前記グラフェン膜の前記支持基板側とは反対側の主面である露出面において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ’バンドのピークの半値幅が４０ｃｍ^-1以下である、請求項７に記載のグラフェントランジスタの製造方法。
9. 前記ゲート電極のゲート幅が１００μｍ以上である、請求項７または請求項８に記載のグラフェントランジスタの製造方法。

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