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2012年12月11日

産総研、新しい動作原理のグラフェントランジスタを開発

 独立行政法人 産業技術総合研究所(産総研)ナノエレクトロニクス研究部門連携研究体長、中払 周 特定集中研究専門員らは2012年12月11日、ナノエレクトロニクス研究部門 小川 真一 招聘研究員らは、産総研ナノデバイスセンター、独立行政法人 物質・材料研究機構(物材機構)国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(WPI-MANA)塚越 一仁 主任研究者らと共同で新しい動作原理のグラフェントランジスタを開発したと発表した。
 今回開発したトランジスタでは、グラフェン上に2つの電極と2つのトップゲートを置き、トップゲート間のグラフェンにヘリウムイオンを照射して結晶欠陥を導入した。2つのトップゲートに独立した電圧をかけて、効率的に電荷の動きを制御できる。200 K(約-73℃)で、約4桁の電流オン・オフ比を示した。さらにトランジスタ極性を電気的に制御して反転させることができるが、これまで、このような動作が可能なトランジスタはなかった。この技術は、既存のシリコン集積回路の製造技術の中で利用でき、将来の動作電圧低減によって超低消費電力化されたエレクトロニクスの実現に貢献すると期待される。
 今回開発した新しいグラフェントランジスタは2つのトップゲートの間のチャネル部分のグラフェンにトランスポートギャップを生じさせるためにヘリウムイオン顕微鏡を用いてヘリウムイオンを6.9x1015ions/cm2の密度で照射して結晶欠陥を導入してある。トップゲートに電圧をかけ静電的な制御によってチャネル両側のグラフェンのエネルギーバンドを変調できるが、トップゲート電圧の極性によってグラフェンの電流を運ぶキャリアの極性がn型、p型と変化する。チャネルの両側の極性が異なる場合トランジスタはオフ状態となり、同じ極性の場合はオン状態となる。オフ状態のとき、従来型のトランジスタではトランスポートギャップを持つチャネルのソース側あるいはドレイン側の端に形成される障壁で電荷の移動を阻止するが、小さい障壁しか得られないためオフ状態におけるリーク電流が大きい。一方、今回開発したトランジスタでは、トランスポートギャップが従来型の場合よりも大きな障壁となって電荷の移動を阻止する。その結果、従来型と比較してより良好なオフ状態を得ることができる。
 このトランジスタでは、通常移動度が劣化するチャネル部分の長さを、従来型の素子よりも短くできる。さらに、小さなトランスポートギャップでも有効にオフ状態をとれるため、従来型の素子よりもトランスポートギャップをより小さくできる。これらの特質により、トランジスタのオン・オフ動作を従来型よりも高速にできるため、回路の動作電圧を低減して低消費電力化したLSIが実現できると考えられる。また、リソグラフィーや蒸着、不純物注入工程など、既存のシリコン集積回路の製造技術の枠内で作製でき、大面積ウェーハでも製造が容易である。
 今回開発したトランジスタは、2つのトップゲートに与える電圧の極性が同じか異なるかによってオン状態かオフ状態かが決まる。そのため、片方のゲート電圧を固定しその極性を変化させることで、もう一方のゲート電圧によるトランジスタ動作がn型かp型かを制御できる。ソース側ゲート電圧が負の場合にオフ状態、正の場合にオン状態となり、n型トランジスタとして動作している。一方、ドレイン側ゲート電圧を負に固定した場合の、ソース側ゲート電圧の変化に対する電流の変化がある。この場合は、ソース側ゲート電圧が負の場合にオン状態、正の場合にオフ状態となり、p型トランジスタとして動作している。すなわち、単一のトランジスタが、電気的な制御によって極性が反転したトランジスタとして動作していることが実証できた。
 従来のシリコン素子のトランジスタ極性は半導体への不純物ドーピングのイオンの種類で決まるため、回路を形成後の変更はできなかった。しかし、今回開発したトランジスタではトランジスタ極性を電気的に制御できるため、回路の構成自体を電気的に変更できる集積回路が実現する可能性があるとしている。
 今後はトランジスタ極性を電気的制御により変更できるCMOS動作の実現を目指す。さらに、CVD法(化学的気相堆積法)にて合成されたグラフェンを用いた大面積ウェハによる素子試作を目指す。同時に、室温における電流のオン・オフ比の向上や、電荷の移動度の向上のためのグラフェンの高品質化を実現していくとしている。

URL=http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20121211/pr20121211.html

 

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