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微細加工 名古屋大学 名古屋大学

新規窒化界面を有するSiC表面上グラフェンの形成

名古屋大学工学研究科,名古屋大学未来材料・システム研究所 乗松 航,楠 美智子

 名古屋大学未来材料・システム研究所・楠研究室は,絶縁性SiC表面上に,新規な窒化シリコン界面を持つグラフェンを形成する手法を開発した.

 厚さ1原子層の炭素物質であるグラフェンは,究極的な高キャリア移動度を有することから,新規半導体材料として非常に期待されている.SiC上エピタキシャルグラフェンは,ウェハースケールの単結晶グラフェンを,絶縁性基板上に直接作製できる唯一の手法である.しかしながら,グラフェンとSiC基板の界面に存在するバッファー層の格子振動によって,グラフェン中の電子が散乱され,温度上昇に伴って移動度が低下してしまうという問題点がある.そこで本研究では,窒素処理によって新たな界面構造を持つグラフェン作製を目指した.

 実際にはまず,半絶縁性SiC基板を窒素ガス中1600℃で加熱することで,基板表面の窒化処理を行った.その後,表面窒化基板を,アルゴンガス中1700℃で加熱し,グラフェンを形成した.

 図(a)に,窒化処理後の表面構造を示す.SiC上に,4.6Åの周期を持つ新規なSi-N層が形成されており,その上に炭素原子から成る層(0th layer)が存在する.この第0層は,通常のグラフェンが形成される際に界面に形成されるバッファー層と同じ構造である.図(b)は実際の高分解能透過型電子顕微鏡像であり,図中の白い四角で囲んだ像は,(a)の構造に基づいて計算したシミュレーション像である.シミュレーション像は実験結果と非常に良く一致していることから,(a)の構造モデルの妥当性が高いことがわかる.この窒化表面を持つ試料をアルゴン中で加熱すると,窒化界面層を持つ第0層の上に単層グラフェンが形成された.このグラフェン試料のHall効果測定の結果を図(c)に示す.図から,通常のグラフェンと比べて温度上昇に伴う移動度の低下が抑制されていることがわかる.これは,新規窒化界面の存在によって,界面での格子振動が減少したためであると考えられる.その結果として,室温での移動度は,通常グラフェンに比べて向上した.

 本研究は,米国科学雑誌『Physical Review B』誌に掲載された(Y. Masuda, et al., Phys. Rev. B 91, 075421 (2015).).


図(a)窒化界面の構造を示す模式図.第0層(バッファー層)とSiCの間に,Si-N層が形成されている.
(b)窒化界面の透過型電子顕微鏡像.図中には,(a)の構造モデルとシミュレーション像を重ねて描いている.
(c)新規窒化界面を持つグラフェンの電気伝導測定結果.