JP6714390B2 - Electronic device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電子装置およびその製造方法に関し、例えば2次元能動層を有する電子装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an electronic device and a manufacturing method thereof, for example, an electronic device having a two-dimensional active layer and a manufacturing method thereof.
グラフェンは、炭素が形成する六員環をシート状にしたカーボン材料である。グラフェンの電子移動度は非常に高い。そこで、グラフェンをチャネルに用いたトランジスタが知られている(特許文献1)。また、2次元伝導性の高いMoS、MoS2、MoSeまたはMoSe2等の遷移金属カルコゲナイドが知られている。 Graphene is a carbon material in which a 6-membered ring formed by carbon is formed into a sheet. The electron mobility of graphene is very high. Therefore, a transistor using graphene as a channel is known (Patent Document 1). Further, two-dimensional conductive high MoS, transition metal chalcogenides, such as MoS 2, MoSe or MoSe 2 are known.
グラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトの能動層上にオーミック電極を形成しても、オーミック電極と能動層との接触抵抗が高くなる。 Even if an ohmic electrode is formed on the active layer of graphene or transition metal chalcogenite, the contact resistance between the ohmic electrode and the active layer is high.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、オーミック電極と能動層との接触抵抗を低減することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to reduce the contact resistance between an ohmic electrode and an active layer.
本願発明は、基板と、前記基板上に設けられ、グラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる原子層または分子層が1または複数層積層された能動層と、前記能動層上に設けられ、前記能動層に電気的に接触する複数のオーミック電極と、を具備し、前記複数のオーミック電極が前記能動層に電気的接触する第1領域における前記基板の上面の粗さは、前記複数のオーミック電極間の前記能動層内をキャリアが走行する第2領域における前記基板の上面の粗さより大きい電子装置である。 The present invention provides a substrate, an active layer provided on the substrate, in which one or more atomic layers or molecular layers made of graphene or transition metal chalcogenite are laminated, and the active layer provided on the active layer. A plurality of ohmic electrodes electrically contacting each other, wherein the roughness of the upper surface of the substrate in the first region where the plurality of ohmic electrodes electrically contact the active layer is equal to the roughness between the plurality of ohmic electrodes. The electronic device is larger than the roughness of the upper surface of the substrate in the second region in which carriers travel in the active layer.
本願発明は、第1領域における基板の上面を第2領域における前記基板の上面より粗くする工程と、前記第1領域および前記第2領域における前記基板上にグラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる原子層または分子層が1または複数層積層された能動層を形成する工程と、前記能動層上に前記能動層と電気的に接触する複数のオーミック電極を前記第1領域内に形成し、前記第2領域内に形成しない工程と、を含み、前記第2領域は、前記複数のオーミック電極間の前記能動層内をキャリアが走行する領域である電子装置の製造方法である。 The invention of the present application comprises the step of making the upper surface of the substrate in the first region rougher than the upper surface of the substrate in the second region, and an atomic layer made of graphene or transition metal chalcogenite on the substrate in the first region and the second region, or Forming an active layer in which one or more molecular layers are laminated, and forming a plurality of ohmic electrodes on the active layer in electrical contact with the active layer in the first region; And a step of not forming the inside thereof, wherein the second region is a region in which carriers travel in the active layer between the plurality of ohmic electrodes.
本発明によれば、オーミック電極と能動層との接触抵抗を低減することができる。 According to the present invention, the contact resistance between the ohmic electrode and the active layer can be reduced.
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明は、基板と、前記基板上に設けられ、グラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる原子層または分子層が1または複数層積層された能動層と、前記能動層上に設けられ、前記能動層に電気的に接触する複数のオーミック電極と、を具備し、前記複数のオーミック電極が前記能動層に電気的接触する第1領域における前記基板の上面の粗さは、前記複数のオーミック電極間の前記能動層内をキャリアが走行する第2領域における前記基板の上面の粗さより大きい電子装置である。これにより、キャリアが走行する第2領域の能動層のキャリア移動度を低下させずに、オーミック電極と能動層との接触抵抗を低減できる。
[Description of Embodiments of the Present Invention]
First, the contents of the embodiments of the present invention will be listed and described.
The present invention provides a substrate, an active layer provided on the substrate, in which one or more atomic layers or molecular layers made of graphene or transition metal chalcogenite are laminated, and the active layer provided on the active layer. A plurality of ohmic electrodes electrically contacting each other, wherein the roughness of the upper surface of the substrate in the first region where the plurality of ohmic electrodes electrically contact the active layer is equal to the roughness between the plurality of ohmic electrodes. The electronic device is larger than the roughness of the upper surface of the substrate in the second region in which carriers travel in the active layer. This makes it possible to reduce the contact resistance between the ohmic electrode and the active layer without lowering the carrier mobility of the active layer in the second region in which the carriers travel.
前記基板はSiC基板であり、前記能動層はグラフェン層であることが好ましい。これにより、キャリアが走行する第2領域のグラフェン層のキャリア移動度を低下させずに、オーミック電極とグラフェン層との接触抵抗を低減できる。 It is preferable that the substrate is a SiC substrate and the active layer is a graphene layer. This makes it possible to reduce the contact resistance between the ohmic electrode and the graphene layer without lowering the carrier mobility of the graphene layer in the second region in which the carriers travel.
前記第2領域における前記能動層上に設けられたゲート電極を具備することが好ましい。これにより、ゲート電極下のチャネルとなるグラフェン層の移動度が低下することを抑制できる。 It is preferable to provide a gate electrode provided on the active layer in the second region. Accordingly, it is possible to prevent the mobility of the graphene layer serving as a channel below the gate electrode from being lowered.
本願発明は、第1領域における基板の上面を第2領域における前記基板の上面より粗くする工程と、前記第1領域および前記第2領域における前記基板上にグラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる原子層または分子層が1または複数層積層された能動層を形成する工程と、前記能動層上に前記能動層と電気的に接触する複数のオーミック電極を前記第1領域内に形成し、前記第2領域内に形成しない工程と、を含み、前記第2領域は、前記複数のオーミック電極間の前記能動層内をキャリアが走行する領域である電子装置の製造方法である。これにより、キャリアが走行する第2領域の能動層のキャリア移動度を低下させずに、オーミック電極と能動層との接触抵抗を低減できる。 The present invention comprises the step of making the upper surface of the substrate in the first region rougher than the upper surface of the substrate in the second region, and an atomic layer of graphene or a transition metal chalcogenite on the substrate in the first region and the second region, or Forming an active layer in which one or more molecular layers are laminated, and forming a plurality of ohmic electrodes on the active layer in electrical contact with the active layer in the first region; And a step of not forming the inside thereof, wherein the second region is a region in which carriers travel in the active layer between the plurality of ohmic electrodes. This makes it possible to reduce the contact resistance between the ohmic electrode and the active layer without lowering the carrier mobility of the active layer in the second region in which carriers travel.
前記基板はSiC基板であり、前記原子層または前記能動層を形成する工程は、前記基板を熱処理することにより、前記基板内の炭素からグラフェン層を形成する工程を含むことが好ましい。これにより、キャリアが走行する第2領域のグラフェン層のキャリア移動度を低下させずに、オーミック電極とグラフェン層との接触抵抗を低減できる。 The substrate is a SiC substrate, and the step of forming the atomic layer or the active layer preferably includes a step of forming a graphene layer from carbon in the substrate by heat-treating the substrate. This makes it possible to reduce the contact resistance between the ohmic electrode and the graphene layer without lowering the carrier mobility of the graphene layer in the second region in which the carriers travel.
[本願発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態にかかる半導体装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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。
[Details of Embodiment of Present Invention]
Specific examples of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to these exemplifications, and is shown by the scope of the claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.
図1は、比較例におけるグラフェン層とオーミック電極を示す概念図である。図1に示すように、比較例1に係る電子装置は、SiC基板10上にグラフェン層12が設けられている。グラフェン層12上にオーミック電極25が設けられている。グラフェン層12内には、1またの複数の原子層48が積層されている。1原子層48は炭素原子40が1層の層である。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a graphene layer and an ohmic electrode in a comparative example. As shown in FIG. 1, in the electronic device according to Comparative Example 1, a
グラフェン層12とオーミック電極25との接触抵抗が高い理由は明確ではないが、例えば以下のように考えられる。原子層48の炭素原子間は、σ軌道42によるσ結合44により形成される。σ結合44は、面方向に2次元に広がっている。価電子軌道であるππ*軌道46がσ結合44にほぼ垂直に存在する。ππ*軌道46の波動関数が面方向に重なり合って電子雲47により形成される。グラフェン層12内の2次元方向のキャリアの伝導はσ結合44と電子雲47により行なわれる。
The reason why the contact resistance between the
理想的には、グラフェン層12内の炭素原子40の軌道は全て炭素原子間で結合されている。すなわち、グラフェン層12は、オーミック電極25と軌道を共有しない。グラフェン層12とオーミック電極25との結合は、ファンデルワールス力により弱い結合のみである。このため、グラフェン層12内の炭素原子間の結合が理想状態の場合、オーミック電極25からグラフェン層12内のππ*軌道46の電子雲47への電子の注入または電子雲47からの電子の引き抜き(ホールの注入)が起こり難い。
Ideally, the orbits of the carbon atoms 40 in the
実際には、グラフェン層12に欠陥が存在する。また、グラフェン層12の端部が存在する。これらにより、電子雲47へのキャリアの注入が生じる。しかし、欠陥および端部の密度は低いため、オーミック電極25とグラフェン層12との接触抵抗が高くなってしまう。
In reality, the
例えば、発明者らが試作したグラフェン層12をチャネルとするFET(Field Effect Transistor)では、オーミック電極25との接触抵抗は、約1×10−4Ω・cm2である。ゲート長が80nmとき、遮断周波数は400GHzである。デバイスシミュレーションでは、チャネルとオーミック電極との接触抵抗を、GaN系のFET並みの1×1010−6Ω・cm2にできれば、遮断周波数を600GHzにできる。
For example, in an FET (Field Effect Transistor), which the prototypes of the present inventors prototype, use the
図2は、実施例1に係る電子装置の断面概念図である。図2に示すように、基板10上にグラフェン層12が設けられている。グラフェン層12は1または複数の原子層48からなる。グラフェン層12上にオーミック電極25としてソース電極24およびドレイン電極26が設けられている。グラフェン層12上のソース電極24とドレイン電極26との間にゲート電極20がゲート絶縁膜14を介し設けられている。第1領域60は、オーミック電極25がグラフェン層12に電気的に接触する領域である。第2領域62は、オーミック電極25間(例えばソース電極24とドレイン電極26との間)のグラフェン層12をキャリアが走行する領域である。第1領域60の上面には凹部45が形成されている。第2領域62の上面は平坦である。基板10は、SiC基板であり、グラフェン層12は熱昇華法により形成される。オーミック電極25はニッケル(Ni)層である。
FIG. 2 is a conceptual sectional view of the electronic device according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the
図3は、実施例1における第1領域の断面概念図である。図3に示すように、第1領域60内の基板10の上面には、凹部45が形成されている。凹部45以外の領域の基板10の上面11から凹部45の底までの深さDは例えば1nmから100nmであり、幅Wは例えば数100nmから数10μmである。凹部45内は凹部45以外に比べ多い原子層48が積層されている。凹部45の形成されていない領域の原子層48aは2次元に広がっている。これに対し凹部45内に設けられる原子層48bは端部49を有する。熱昇華法では、グラフェン層12の基板10側から原子層48が形成される。このため、凹部45における複数の原子層48bは上層の原子層48aと基板10との間に形成される。
FIG. 3 is a conceptual sectional view of the first region in the first embodiment. As shown in FIG. 3, a
SiC基板10上にグラフェン層12を形成し、凹部45内外のグラフェン層12内の原子層48の層数を観察した。サンプルの作製方法は以下である。H−SiC基板10の上面11に深さDが約16nm、幅Wが約20μmであり、深さDが16μmである凹部45を形成した。SiC基板10の表面を洗浄する。洗浄の条件は、アセトン処理を5分、エタノール処理を5分、および水洗を5分である。に熱昇華法を用いグラフェン層12を形成する。SiC基板10を、Ar雰囲気中において、1600℃の熱処理を行なうことにより、グラフェン層12を形成する。グラフェン層12を観察し易いように、熱処理時間は後述するFETを製造するときより長くした。
The
図4Aから図4Cは、SiC基板上に形成したグラフェン層のTEM(Transmission Electron Microscope)画像である。図4Aは、凹部45以外の箇所の断面TEM像である。図4Bは、凹部45内であって最深部でなく、上面11からの深さが約9.5nmの箇所の断面TEM画像である。図4Cは、凹部45内であって最深部であり上面11からの深さDが約16nmの箇所の断面TEM画像である。上面11からの深さは、AFM(Atomic Force Microscope)法を用いた測定した。
4A to 4C are TEM (Transmission Electron Microscope) images of the graphene layer formed on the SiC substrate. FIG. 4A is a cross-sectional TEM image of a portion other than the
図4Aから図4Cに示すように、グラフェン層12に積層された原子層が観察できる。図4Aでは、3層から5層の原子層が積層されている。図4Bでは、約15層の原子層が積層されている。図4Cでは約30層の原子層が積層されている。グラフェン層12における1原子層は約0.35nmである。よって、凹部45内には、上面11からの深さの約30%から60%の厚さのグラフェン層12が形成されている。このように、凹部45内には深さに応じ原子層が積層される。
As shown in FIGS. 4A to 4C, the atomic layer stacked on the
図3に戻り、このため、凹部45の深さが変化する領域では、原子層48bの端部49が存在する。端部49では、炭素原子の軌道のうち未結合の軌道が存在する。このため、矢印70のように、オーミック電極25から原子層48bにキャリアが注入され易くなる。原子層48bに注入されたキャリアは原子層48aに移動し、2次元方向に伝搬する。または、原子層48bの端部49の影響により、原子層48aの電子雲の状態が変化する。これにより、オーミック電極25から原子層48aへのキャリアの注入が容易になる。これらにより、オーミック電極25とグラフェン層12との接触抵抗を低減できる。
Returning to FIG. 3, for this reason, the
基板10に凹部45が形成され、グラフェン層12の原子層48の積層数が変調されると、グラフェン層12内のポテンシャルが変調される。これにより、グラフェン層12内のキャリア移動度が低下する。そこで、図2のように第2領域62の基板10には凹部45を設けない。すなわち、第2領域62における基板10の上面の粗さを第2領域62より小さくする。これにより、第2領域62におけるグラフェン層12のキャリア移動度を低下させずに、第1領域60におけるオーミック電極25とグラフェン層12との接触抵抗を低減できる。
When the
実施例2は、FET(Field Effect Transistor)に実施例1を適用した例である。図5Aから図8Cは、実施例2に係るFETの製造方法を示す断面図である。図5Aに示すように、6H−SiC基板10の表面を洗浄する。洗浄の条件は、アセトン処理を5分、エタノール処理を5分、および水洗を5分である。基板10の洗浄として、例えばRCA処理を行なってもよい。基板10としては、SiC層が形成されたSi基板でもよい。SiC熱昇華法を用いグラフェン層12を形成する場合、基板10の最上面はSiC層である。例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いグラフェン層12を形成する場合、基板10の最上面はSiC以外の材料層でもよい。
The second embodiment is an example in which the first embodiment is applied to an FET (Field Effect Transistor). 5A to 8C are cross-sectional views showing the method for manufacturing the FET according to the second embodiment. As shown in FIG. 5A, the surface of the 6H—
図5Bに示すように、基板10上に開口58を有するマスク層56を形成する。マスク層56は、例えばフォトレジストである。開口58は、第1領域60に設けられ、第1領域60の間の第2領域62には設けられていない。
As shown in FIG. 5B, a
図5Cに示すように、マスク層56をマスクに第1領域60内の基板10の上面に凹部45を形成する。第1領域60の基板10の上面は第2領域62の基板10の上面より平坦性が悪ければよい。凹部45を形成する方法として、ドライ処理およびウェット処理を用いることができる。ドライ処理として、第1領域60内の基板10の表面を、例えばCF4プラズマに曝す。プラズマ形成の条件は、例えば高周波電力が800W、処理時間が3分である。ウェット処理として、第1領域60内の基板10の表面を、例えばHCl(塩酸)溶液に浸漬する。処理時間は例えば5分である。その後、マスク層56を除去する。図5Aの基板10の表面の洗浄は、図5Cの後、図6A前に行なってもよい。
As shown in FIG. 5C, a
図6Aに示すように、基板10上に熱昇華法を用いグラフェン層12を形成する。SiC基板10を、Ar雰囲気中において、1600℃1分熱処理する。これにより、基板10上に1原子層から2原子層であり膜厚で0.35nmから0.7nmのグラフェン層12が形成される。このように、SiCを熱処理することにより、SiC基板10内のSi原子が昇華し、C原子同士がsp2結合する。これにより、SiCよりグラフェン層12が形成される。
As shown in FIG. 6A, the
熱昇華法における、熱処理雰囲気、熱処理温度および熱処理時間は、グラフェン層12の膜厚および膜質に応じ適宜設定することができる。例えば熱処理温度を1600℃から1800℃とすることができる。また、熱処理雰囲気を真空とすることもできる。グラフェン層12を薄くするためには、成長速度が遅くなる不活性ガス中の熱処理が好ましい。グラフェン層12の形成には例えばCVD法を用いることもできる。第1領域60では、凹部45の深さに応じグラフェン層12内の原子層が積層される。第2領域62では、グラフェン層12内の原子層の層数はほぼ一定である。
The heat treatment atmosphere, heat treatment temperature, and heat treatment time in the thermal sublimation method can be appropriately set according to the film thickness and film quality of the
図6Bに示すように、グラフェン層12上に蒸着法を用い、膜厚が5nmのAl(アルミニウム)膜15を形成する。Al膜15の形成は、例えばスパッタリング法を用いることもできる。図6Cに示すように、Al膜15を例えば24時間大気に曝す。これにより、Al膜15が自然酸化し、グラフェン層12上に酸化アルミニウム(Al2O3)膜16が形成される。ゲート絶縁膜14のうちグラフェン層12に接する膜として、自然酸化以外の方法でAl膜を酸化させた酸化アルミニウム膜、酸化以外の方法で形成した酸化アルミニウム膜、または酸化アルミニウム膜以外の膜を用いてもよい。
As shown in FIG. 6B, an Al (aluminum)
図6Dに示すように、酸化アルミニウム膜16上にフォトレジスト50を塗布する。フォトレジスト50を露光現像する。これにより、活性領域上のフォトレジスト50が残存し、非活性領域のフォトレジスト50は除去される。例えば、図6Dの工程においては、フォトレジスト50を現像するときのアルカリ系の現像液により酸化アルミニウム膜16が除去される。さらに、フォトレジスト50をマスクにグラフェン層12を除去する。グラフェン層12の除去には、酸素プラズマを用いる。グラフェン層12を除去する条件は圧力が4Pa、パワーが200Wである。その後、フォトレジスト50を除去する。
As shown in FIG. 6D, a
図7Aに示すように、基板10上に酸化アルミニウム膜16を覆うようにCVD法を用い膜厚が30nmの酸化シリコン膜18を形成する。酸化シリコン膜18は、ゲート絶縁膜14を厚くするための膜である。良好な膜質の酸化アルミニウム膜16を厚く形成することは難しい。一方、オーミック電極25とゲート電極20との接触を防ぐためゲート絶縁膜14は厚いことが好ましい。このため、酸化アルミニウム膜16上に酸化シリコン膜18を形成する。このような膜として、酸化シリコン膜18以外の膜を用いてもよいが、誘電率が小さくかつ形成しやすい絶縁膜として酸化シリコン膜18が好ましい。
As shown in FIG. 7A, a
図7Bに示すように、酸化シリコン膜18上に蒸着法およびリフトオフ法を用いゲート電極20を形成する。ゲート電極20は、例えばゲート絶縁膜14側から膜厚が10nmのTi(チタン)膜および膜厚が100nmの金膜である。ゲート電極20は、例えばスパッタリング法を用い形成してもよい。ゲート電極20としては、金膜以外の膜を用いてもよい。ゲート抵抗の抑制の観点から抵抗率の低い材料が好ましい。
As shown in FIG. 7B, the
図7Cに示すように、ドライエッチング法を用い酸化シリコン膜18および酸化アルミニウム膜16を除去する。これにより、酸化アルミニウム膜16および酸化シリコン膜18からゲート絶縁膜14を形成する。
As shown in FIG. 7C, the
図7Dに示すように、酸化シリコン膜18の側面を、緩衝フッ酸溶液を用いエッチングする。このとき、酸化アルミニウム膜16の側面もエッチングされる。これにより、ゲート絶縁膜14は、ゲート電極20より細くなる。このように、ゲート絶縁膜14とゲート電極20とを庇状とする。これにより、ソース電極24およびドレイン電極26を含むオーミック電極25を形成したときに、オーミック電極25とゲート電極20との短絡を抑制できる。
As shown in FIG. 7D, the side surface of the
図8Aに示すように、基板10上にマスク層52を形成する。マスク層52は例えばフォトレジスト層であり、グラフェン層12の表面が露出する開口54を有する。
As shown in FIG. 8A, a
図8Bに示すように、ゲート電極20と自己整合的にソース電極24、ドレイン電極26を含むオーミック電極25を、蒸着法を用い形成する。オーミック電極25は、膜厚が15nmのニッケル層である。蒸着はプラネタリ法を用いる。マスク層52およびマスク層52上の金属層をリフトオフ法を用い除去する。これにより、ゲート絶縁膜14との間からグラフェン層12の上面が露出しないように、オーミック電極25を形成することができる。ゲート絶縁膜14が庇状に形成され、かつゲート絶縁膜14がおよびオーミック電極25より厚い。これにより、オーミック電極25とゲート電極20と、の短絡を抑制できる。オーミック電極25は、ニッケル層上に金層を含んでもよい。
As shown in FIG. 8B, an
図8Cに示すように、ソース電極24およびドレイン電極26上に、蒸着法およびリフトオフ法を用いパッド30を形成する。パッド30は、ソース電極24およびドレイン電極26側から膜厚が10nmのチタン膜および膜厚が100nmの金膜である。これにより、実施例1のFETが完成する。
As shown in FIG. 8C, the
図7Bから図8Cのように、グラフェン層12上にゲート電極20を形成した後に、オーミック電極25を形成する例を説明したが、グラフェン層12上にオーミック電極25を形成した後に、ゲート電極20を形成してもよい。また、図5Bおよび図5Cのように、第1領域60内の基板10の上面に凹部45を形成する例を説明したが、第1領域60に凸部を形成してもよい。また、第1領域60に凸部および凹部を形成してもよい。
7B to 8C, the example in which the
実施例1および2によれば、図2のように、オーミック電極25がグラフェン層12(能動層)に電気的接触する第1領域60における基板10の上面の粗さは、オーミック電極25間のグラフェン層12内をキャリアが走行する第2領域62における基板10の上面の粗さより大きい。これにより、図3のように、第1領域60において、グラフェン層12内の原子層48の層数が変化する。これにより、オーミック電極25からグラフェン層12へのキャリアの注入が容易となる。よって、オーミック電極25とグラフェン層12との接触抵抗を低減できる。一方、キャリアが走行する第2領域62において、原子層48の層数が変化すると、原子層48aの電子雲の状態が変化する。これにより、キャリアの移動度が低下する。そこで、第2領域62における基板10の上面は平坦とする。これにより、グラフェン層12のキャリア移動度の低下を抑制できる。
According to Examples 1 and 2, the roughness of the upper surface of the
基板10の上面の粗さは、例えばAFM法を用い測定することができる。粗さとしては、例えば算術平均粗さRaを用いることができる。
The roughness of the upper surface of the
第1領域60におけるグラフェン層12内の原子層の積層数の標準偏差を平均値で除した値は、第2領域62におけるグラフェン層12内の原子層の積層数の標準偏差を平均値で除した値より大きい。すなわち、第1領域60は第2領域62に比べ原子層の積層数のばらつきが大きくなる。これにより、図2で説明したように、オーミック電極25とグラフェン層12との接触抵抗を低減できる。グラフェン層12内の原子層の積層数は、例えば図4Aから図4Cのように、TEM画像により測定することができる。
The value obtained by dividing the standard deviation of the number of stacked atomic layers in the
能動層としてグラフェン層12を例に説明したが、グラフェン層12は、遷移金属カルコゲナイト層でもよい。遷移金属カルコゲナイトは例えばMoS、MoS2、MoSeまたはMoSe2である。遷移金属カルコゲナイト層は、1または複数の分子層が積層された構造となり、グラフェン層と同様に、2次元伝導性を有する。遷移金属カルコゲナイト層においても電子雲は面方向に広がっており、積層方向のオーミック電極から遷移金属カルコゲナイト層に電子を注入するおよび電子を引き抜くことは難しい。グラフェン層と同様に、基板10の上面に凹凸が存在すると、2次元に広がった電子雲の状態が変化する。よって、オーミック電極から遷移金属カルコゲナイト層に電子を注入するおよび電子を引き抜くことが容易となる。これにより、オーミック電極と遷移金属カルコゲナイト層との接触抵抗を低減できる。
Although the
能動層がグラフェン層12の場合、第1領域60における基板10の上面の算術平均粗さRaは1nm以上であることが好ましい。これにより、オーミック電極25とグラフェン層12との接触抵抗を低減できる。基板10の上面の算術平均粗さRaは2nm以上が好ましく、3nm以上がより好ましい。第2領域62における基板10の上面の算術平均粗さRaは1nm未満であることが好ましい。これにより、第2領域62におけるグラフェン層12のキャリア移動度の劣化を抑制できる。基板10の上面の算術平均粗さRaは0.1nm以下がより好ましく、3nm以上がより好ましい。
When the active layer is the
また、第1領域60におけるグラフェン層12内の原子層の積層数の標準偏差を平均値で除した値は0.01以下であり、第2領域62におけるグラフェン層12内の原子層の標準偏差を平均値で除した値は0.1以上であることが好ましい。これにより、オーミック電極25とグラフェン層12との接触抵抗を低減し、かつ第2領域62におけるグラフェン層12のキャリアの移動度を向上できる。
A value obtained by dividing the standard deviation of the number of stacked atomic layers in the
図8Cのように、ゲート電極20は第2領域62におけるグラフェン層12上に設けられている。これにより、ゲート電極20下のグラフェン層12のキャリア移動度の低下を抑制できる。
As shown in FIG. 8C, the
また、図5Cのように、第1領域60における基板10の上面を第2領域62における基板10の上面より粗くする。図6Aのように、第1領域60および第2領域62における基板10上にグラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる原子層または分子層が1または複数層積層された能動層を形成する。図8Cのように、グラフェン層12上にグラフェン層12と電気的に接触するオーミック電極25を第1領域60内に形成し、第2領域62内に形成しない。これにより、実施例1に係る電子装置が製造できる。
Further, as shown in FIG. 5C, the upper surface of the
基板はSiC基板であり、SiC基板10上に、基板10を熱処理することにより、基板10内の炭素からグラフェン層12を形成することが好ましい。このように、グラフェン層12を形成すると、凹部45内のグラフェン層12の原子層数が変化する。よって、図3で説明したように、オーミック電極25とグラフェン層12との接触抵抗を低減できる。
The substrate is a SiC substrate, and it is preferable that the
なお、熱昇華法以外の方法でグラフェン層または遷移金属カルコゲナイト層を成膜した場合においても、第1領域60において基板10の表面の凸凹により、2次元に広がる電子雲の状態が変化する。これにより、オーミック電極25から電子雲への電子の注入および引く抜きが容易となる。よって、オーミック電極25とグラフェン層または遷移金属カルコゲナイト層との接触抵抗を低減できる。
Even when the graphene layer or the transition metal chalcogenite layer is formed by a method other than the thermal sublimation method, the state of the electron cloud spreading two-dimensionally changes due to the unevenness of the surface of the
第2領域62におけるグラフェン層12の膜厚は、1原子層以上の膜厚とするため0.35nm以上が好ましく、成膜時間を短くするため2nm以下が好ましい。グラフェン層12の膜厚は10原子層以下の膜厚とするため、3.5nm以下が好ましい。オーミック電極25のニッケル層の膜厚は2nm以上が好ましく、50nm以下が好ましい。電子装置の例としてFETについて説明したが、その他のトランジスタまたは電子装置に実施例1を用いることができる。
The film thickness of the
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、上記した意味ではなく、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。 The embodiments disclosed this time are to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined not by the meanings described above but by the claims, and is intended to include meanings equivalent to the claims and all modifications within the scope.
(付記1)
基板と、前記基板上に設けられ、グラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる原子層または分子層が1または複数層積層された能動層と、前記能動層上に設けられ、前記能動層に電気的に接触する複数のオーミック電極と、を具備し、前記複数のオーミック電極が前記能動層に電気的接触する第1領域における前記基板の上面の粗さは、前記複数のオーミック電極間の前記能動層内をキャリアが走行する第2領域における前記基板の上面の粗さより大きい電子装置。
(付記2)
前記基板はSiC基板であり、前記能動層はグラフェン層である付記1に記載の電子装置。
(付記3)
前記第2領域における前記能動層上に設けられたゲート電極を具備する付記1に記載の電子装置。
(付記4)
第1領域における基板の上面を第2領域における前記基板の上面より粗くする工程と、前記第1領域および前記第2領域における前記基板上にグラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる原子層または分子層が1または複数層積層された能動層を形成する工程と、前記能動層上に前記能動層と電気的に接触する複数のオーミック電極を前記第1領域内に形成し、前記第2領域内に形成しない工程と、を含み、前記第2領域は、前記複数のオーミック電極間の前記能動層内をキャリアが走行する領域である電子装置の製造方法。
(付記5)
前記基板はSiC基板であり、前記原子層または前記能動層を形成する工程は、前記基板を熱処理することにより、前記基板内の炭素からグラフェン層を形成する工程を含む付記4記載の電子装置の製造方法。
(付記6)
前記第1領域における前記能動層内の前記原子層または分子層の積層数の標準偏差を平均値で除した値は、前記第2領域における前記能動層内の前記原子または分子層の積層数の標準偏差を平均値で除した値より大きい付記1に記載の電子装置。
(付記7)
前記能動層は遷移金属カルコゲナイド層である付記1に記載の電子装置。
(付記8)
前記オーミック電極はニッケル層である付記2に記載の電子装置。
(付記9)
前記第1領域における前記基板の上面の粗さは、前記複数のオーミック電極間の前記第2領域の前記基板の上面の粗さより大きい付記5に記載の電子装置の製造方法。
(付記10)
前記第2領域における前記能動層上にゲート電極形成する工程を含む付記4に記載の電子装置の製造方法。
(Appendix 1)
A substrate, an active layer provided on the substrate and having one or more atomic layers or molecular layers made of graphene or a transition metal chalcogenite laminated thereon, and an active layer provided on the active layer and electrically contacting the active layer. A plurality of ohmic electrodes that are provided, wherein the roughness of the upper surface of the substrate in the first region where the plurality of ohmic electrodes make electrical contact with the active layer is within the active layer between the plurality of ohmic electrodes. An electronic device that is larger than the roughness of the upper surface of the substrate in the second region in which the carrier travels.
(Appendix 2)
The electronic device according to Appendix 1, wherein the substrate is a SiC substrate and the active layer is a graphene layer.
(Appendix 3)
2. The electronic device according to appendix 1, further comprising a gate electrode provided on the active layer in the second region.
(Appendix 4)
A step of making the upper surface of the substrate in the first region rougher than the upper surface of the substrate in the second region; and an atomic layer or a molecular layer made of graphene or a transition metal chalcogenite on the substrate in the first region and the second region. Or a step of forming a plurality of stacked active layers, and forming a plurality of ohmic electrodes on the active layer in electrical contact with the active layer in the first region and not in the second region. And a second step, wherein the second region is a region in which carriers travel in the active layer between the plurality of ohmic electrodes.
(Appendix 5)
5. The electronic device according to appendix 4, wherein the substrate is a SiC substrate, and the step of forming the atomic layer or the active layer includes a step of forming a graphene layer from carbon in the substrate by heat treating the substrate. Production method.
(Appendix 6)
A value obtained by dividing a standard deviation of the number of stacked atomic layers or molecular layers in the active layer in the first region by an average value is equal to a number of stacked layers of the atomic or molecular layers in the active layer in the second region. The electronic device according to Appendix 1, which is larger than a value obtained by dividing the standard deviation by the average value.
(Appendix 7)
The electronic device according to Appendix 1, wherein the active layer is a transition metal chalcogenide layer.
(Appendix 8)
The electronic device according to Appendix 2, wherein the ohmic electrode is a nickel layer.
(Appendix 9)
The method of manufacturing an electronic device according to appendix 5, wherein the roughness of the upper surface of the substrate in the first region is larger than the roughness of the upper surface of the substrate in the second region between the plurality of ohmic electrodes.
(Appendix 10)
5. The method for manufacturing an electronic device according to Appendix 4, including a step of forming a gate electrode on the active layer in the second region.
10 基板
11 上面
12 グラフェン層
14 ゲート絶縁膜
15 Al膜
16 酸化アルミニウム膜
18 酸化シリコン膜
20 ゲート電極
24 ソース電極
25 オーミック電極
26 ドレイン電極
30 パッド
40 炭素原子
42 σ軌道
44 σ結合
45 凹部
46 ππ*軌道
47 電子雲
48、48a、48b 原子層
49 端部
50 フォトレジスト
52、56 マスク層
54、58 開口
60 第1領域
62 第2領域
70 矢印
10
Claims (5)
前記基板の前記上面上に設けられ、グラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる原子層または分子層が1または複数層積層された能動層と、
前記能動層上に設けられ、前記能動層に電気的に接触する複数のオーミック電極と、
を具備し、
前記基板の前記上面は、前記複数のオーミック電極が前記能動層に電気的接触する第1領域において複数の凹部を有し、
前記原子層または分子層は、前記第1領域および前記第1領域間の第2領域において、前記基板の前記上面と平行かつ平面状に形成され、前記複数の凹部内にグラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる複数の原子層または分子層がさらに形成されている、電子装置。 A substrate having an upper surface ,
An active layer provided on the upper surface of the substrate , in which one or more atomic layers or molecular layers made of graphene or transition metal chalcogenite are stacked;
A plurality of ohmic electrodes provided on the active layer and in electrical contact with the active layer;
Equipped with,
It said top surface of said substrate has a Oite plurality of recesses in a first region where the plurality of ohmic electrodes is electrically in contact with the active layer,
The atomic layer or the molecular layer is formed in the first region and the second region between the first regions in parallel and flat with the upper surface of the substrate, and is formed from graphene or transition metal chalcogenite in the plurality of recesses. An electronic device , wherein a plurality of atomic layers or molecular layers are further formed .
前記複数の凹部内にグラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる複数の原子層または分子層を形成し、前記第1領域および前記第1領域の間の第2領域
における前記基板の前記上面上に前記基板の前記上面と平行かつ平面状にグラフェンまたは遷移金属カルコゲナイトからなる原子層または分子層が1または複数層積層された能動層を形成する工程と、
前記能動層上に前記能動層と電気的に接触する複数のオーミック電極を前記第1領域内に形成し、前記第2領域内に形成しない工程と、
を含み、
前記第2領域は、前記複数のオーミック電極間の前記能動層内をキャリアが走行する領域である電子装置の製造方法。 Forming a plurality of recesses on the upper surface of the substrate in the first region;
A plurality of atomic layers or molecular layers made of graphene or a transition metal chalcogenite is formed in the plurality of recesses, and the substrate is formed on the upper surface of the substrate in the first region and a second region between the first regions . Forming an active layer in which one or more atomic layers or molecular layers made of graphene or a transition metal chalcogenite are laminated in parallel and in a plane with the upper surface ;
Forming a plurality of ohmic electrodes on the active layer in electrical contact with the active layer in the first region and not in the second region;
Including,
The method of manufacturing an electronic device, wherein the second region is a region where carriers travel in the active layer between the plurality of ohmic electrodes.
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