ジョージア工科大学の研究チームが、史上初となるグラフェンを用いた機能性半導体の作製に成功した事を発表した。

「私にとって、これはライト兄弟の瞬間のようなものです」と、この開発を率いたジョージア工科大学のリージェンツ物理学教授、Walter de Heer氏は言う。この新しく作られた技術は、量子コンピューティングの進歩に使われる可能性があるとのことだ。

シリコンに代わる可能性

グラフェンは、炭素原子が六角形の格子に組み合わされた単層で形成される二次元のハニカム状構造体である。強い電気伝導性、機械的強度、柔軟性など、卓越した性質を持つことで知られている。

「非常に頑丈な材料で、非常に大きな電流を扱うことができ、発熱したり分解したりすることもありません」と、グラフェンを半導体素材として用いることの有用性をde Heer氏は語った。

半導体とは、特定の条件下で電気伝導性を示す材料である。

この技術革新は、エレクトロニクス産業において非常に重要である。一般的に使用されているシリコン材料は、より迅速な処理と電子機器の小型化に対する要求の高まりに直面し、限界に近づいてきている。

ジョージア工科大学が開発に成功したグラフェン半導体は、今後シリコンの代替品として登場する可能性を秘めている。プレスリリースによると、この半導体は “従来のマイクロエレクトロニクスの処理方法”と互換性があるとのことだ。

「われわれは現在、シリコンの10倍の移動度を持ち、シリコンにはないユニークな特性を持つ、極めて堅牢なグラフェン半導体を手に入れたのです」とde Heer教授は語った。

材料の開発

de Heer教授らジョージア工科大学と中国天津大学天津国際ナノ粒子・ナノシステムセンターのLei Ma氏らは共同で、特殊な炉を使って炭化ケイ素ウェハー上にグラフェンを成長させる方法を発明し、これを実現した。

その結果、エピタキシャルグラフェン（炭化ケイ素の結晶面に付着した単層グラフェン）が形成された。研究チームは、このエピタキシャル・グラフェンを適切に作製すると、炭化ケイ素と化学的に結合し、半導体の性質を示すようになることを発見した。

この開発が行われるまで、グラフェンにはバンドギャップがなかった。バンドギャップとは、半導体素材として用いられているシリコンのように、電界をかけるとオン・オフできる性質のことだ。グラフェンエレクトロニクス研究における主要な問題は、シリコンのように機能させるために、どのようにオンとオフを切り替えるかということであった。

しかし、機能的なトランジスタを作るには、半導体材料を大きく操作しなければならず、その特性は損なわれる可能性がある。研究チームは、自分たちのプラットフォームが半導体として機能することを証明するために、グラフェンにダメージを与えることなくその電子特性を測定する必要があった。

研究チームは、電子を「供与」する原子をグラフェン上に配置した。これはドーピングと呼ばれる手法で、材料が優れた導電体であるかどうかを調べるのに使われる。ドーピングは、材料やその特性を損なうことなく機能した。

研究者らは、綿密なテストの結果、エピタキシャルグラフェンが炭化ケイ素と化学的に結合し、半導体特性を示すことを証明した。

研究チームの測定によると、グラフェン半導体の移動度はシリコンの10倍であった。これはつまり、電子が非常に低い抵抗の下で移動することが可能であるという事を示す。「砂利道を走るのと高速道路を走るのと同じです。より効率的で、それほど熱くならず、より高速に電子を移動させることができるのです」と、de Heer教授は説明する。

「グラフェンエレクトロニクスにおける長年の問題は、グラフェンが適切なバンドギャップを持たず、適切な比率でオン・オフを切り替えることができなかったことです。長年にわたり、多くの人々がさまざまな方法でこの問題に取り組んできました。われわれの技術はバンドギャップを実現するものであり、グラフェンをベースとしたエレクトロニクスの実現に不可欠なステップです」と、中国天津大学天津国際ナノ粒子・ナノシステムセンターのLei Ma所長はプレスリリースで述べている。

今回の成果は、そのユニークな特性を生かしたまったく新しい技術を可能にするかもしれない。この材料は、量子コンピューティングに必要な電子の量子力学的波動特性を利用することを可能にする。エレクトロニクス分野におけるパラダイム・シフトであり、グラフェンの驚異的な能力を活用する技術の新時代への道を開く画期的なものとなるであろう。

論文

• Nature: Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide

参考文献

• Georgia Institute of Technology: Researchers Create First Functional Semiconductor Made From Graphene

研究の要旨

半導体グラフェンは、グラフェン固有のバンドギャップがないため、グラフェンナノエレクトロニクスにおいて重要な役割を果たしている。過去20年間、量子閉じ込めや化学的官能基化によってバンドギャップを変化させようと試みられてきたが、実現可能な半導体グラフェンを得ることはできなかった。今回われわれは、炭化ケイ素単結晶基板上の半導体エピグラフェン（SEG）のバンドギャップが0.6eVであり、室温での移動度が5,000cm² V⁻¹ s⁻¹を超えることを実証した。炭化ケイ素の結晶表面からシリコンが蒸発すると、炭素を多く含む表面が結晶化してグラフェン多層膜が生成することはよく知られている。SiCのシリコン終端面に最初に形成されるグラファイト層は、SiC表面に部分的に共有結合した絶縁性のエピグラフェン層である。このバッファー層の分光学的測定では、半導体の特徴が示されたが、この層の移動度は、乱れのために制限されていた。ここでは、マクロな原子レベルで平坦なテラス上にSEG（すなわち、整然としたバッファ層）を生成する準平衡アニール法を実証する。SEG格子はSiC基板と整列している。SEGは化学的、機械的、熱的に頑健であり、従来の半導体製造技術を用いて、半金属エピグラフェンをパターニングし、シームレスに接続することができる。これらの本質的な特性により、SEGはナノエレクトロニクスに適している。