産総研とNIMS、新しい動作原理のグラフェントランジスタを開発

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産業技術総合研究所(産総研)と物質・材料研究機構(NIMS)が、新しい動作原理のグラフェントランジスタを開発した。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。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。電流オンオフ比は約4桁と良好。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もできる。極性反転動作が可能なトランジスタが報告されたのは今回が初めてであるという。2012年12月10~12日に米国サンフランシスコ市で開催される国際会議 IEDM 2012 で技術の詳細が発表される。

試作したグラフェントランジスタの概念図 (出所:産総研)

今回開発されたグラフェントランジスタでは、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 6.9 x 1015 ions/cm2の密度で照射して結晶欠陥を導入している。チャネル両側のグラフェンのエネルギーバンドは、トップゲートに電圧をかけ、静電的な制御によって変調できる。トップゲート電圧の極性によって、キャリアの極性がn型/p型と変化する。チャネル両側の極性が異なる場合はトランジスタがオフ状態となり、極性が同じ場合はオン状態となる。

新しいグラフェントランジスタと従来型トランジスタの動作原理 (出所:産総研)

従来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またはドレイン側の端に形成される障壁で電荷移動を阻止するが、障壁が小さいためオフ状態におけるリーク電流が大きいという問題があった。今回のグラフェントランジスタでは、トランスポートギャップが従来よりも大きな障壁となるため、より良好なオフ状態を得られるという。

移動度が劣化するチャネル部分の長さを従来型のデバイスよりも短くできる。また、小さなトランスポートギャップでも有効にオフ状態を取れるため、従来型よりもトランスポートギャップを小さくできる。これらの特質から、トランジスタのオンオフ動作を高速化できるため、回路の動作電圧を低減した低消費電力LSIが実現できると考えられる。

プロセス的には、リソグラフィ、蒸着、不純物注入など、既存のシリコン集積回路の製造技術の枠内で作製でき、大面積ウェハーでも容易に製造できるとしている。

試作した素子のヘリウムイオン顕微鏡像と模式図 (出所:産総研)

新しい動作原理を実証するために試作されたトランジスタでは、1対のトップゲートの間に適量のヘリウムイオンを照射してチャネルを形成し、その外側の不要なグラフェンはヘリウムイオンを多く照射して絶縁化した。トランジスタのチャネル部分は、長さ20nm、幅30nmとなった。

作製したトランジスタを 200K(約-73℃)の低温でオンオフ動作させた。ソース・ドレイン端子にはそれぞれ -100 mV、+100 mV の電圧をかけ、ドレイン側ゲート電圧を -2 V に固定して、ソース側ゲート電圧を -4 V から +4 V まで変化させて、ソース・ドレイン電極間に流れる電流を測定したところ、約4桁のオンオフ比を示した。

新しいグラフェントランジスタの電流オンオフ比。約4桁の値が得られた (出所:産総研)

トランジスタ極性を電気的に反転 (出所:産総研)

今回のトランジスタは、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。従来のシリコントランジスタの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、回路形成後の変更はできなかった。今回の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。


発表資料

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