独創的研究支援プログラム
Dirac 電子系の新奇な物性制御法の開拓
［１］研究開始当初の背景
直線的なバンド分散を有する物質群は相対論的量子 力学に従うことから、Dirac 電子系と呼ばれる。代
表的なDirac電子系としてグラフェンが挙げられる。
Dirac電子系においては、電子はあたかも質量が０
であるかのように振舞う。このことから、Dirac電 子系は優れた物性を有する。たとえば、グラフェン 中の電子のキャリア移動度や飽和速度は全物質中で 最高値を示すことから、グラフェンは実用的なゲー ト長：100nmで動作周波数1THzを超え得る唯一 のチャネル材料である。このように、優れた物性を もつことから、Dirac電子系は、有望な次世代電子・
光デバイス材料である。そのため、Dirac 電子系、
特に、グラフェンのデバイス応用が世界中で盛んに 研究されている。例として、グラフェンを用いた THzトランジスタや、ギャップレスを利用したTHz 光レーザーなどの開発が行われている。これらのデ バイスの実現により、未踏の周波数帯：THz帯で動 作する電子・光デバイスが単一物質：グラフェンに より開拓されることとなる。
しかし、例えば、チャネルの高移動度化の為のSi からグラフェンへの単なる置換は、既に技術の蓄積 があるSiからGe・GaAsに比して、不利である。そ のため、他の物質には無い特徴を活かしたDirac電 子系の有効な活用法を開拓する必要がある。
［２］研究の目的
Dirac電子系に固有な特徴「時空間対称性（積層構
造）に対する物性の高い敏感性」を活かした、Si基 板の微細加工の援用によるグラフェンの積層・物性 のナノスケール制御を狙う（図1）。このような研究 は、同一物質グラフェンを活性層とする電子・光混 載集積デバイス開発へ繋がることが期待される。
［３］研究の方法
（試料作製）Si(100)基板上で、SiO2薄膜マスクと して選択的アルカリエッチングを施すことにより、
Si(111)微斜面及び Si(100)面からなる微細加工 Si(100)基板を作成した。
この微細加工Si(100)基板上へ、モノメチルシラ ン（H3Si-CH3）を用いたガスソースMBEにより、
SiC薄膜（～100 nm）を作製した
グラフェン化には二つの方法を採用した：
a) 超高真空下で1250℃で30分程度加熱 b) 大気圧Ar雰囲気下で1600℃加熱
a)は微細加工Si基板上SiC薄膜表面のグラフェン 化、b)はSiC基板表面のグラフェン化に用いた。
（評価）グラフェンの分子振動状態及びバンド構造 を高い水平分解能（～1m）で調べる為に、Raman 顕微鏡を用いた。グラフェンのバンド構造に関し ては、通研及び高エネルギ加速器研究機構にて行 った角度分解光電子分光によっても調べた。
グラフェン及びグラフェントランジスタの微視 的な電子状態を調べる為に、SPring-8に設置され ている一括投影型光電子顕微鏡（PEEM）及び走 査型光電子顕微鏡（3D nano-ESCA）を用いた。
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研究成果（最終年度）報告
４．１ Dirac 電子系の新奇な物性制御法の開拓
吹留 博一（固体電子物性工学研究分野）
［１］
研究費：物件費380万9千円，旅費99万円
［２］成果
（１）研究成果
本年度は，以下に示す二つの研究成果を得た。
１）エピ・グラフェンの超高品質化
２）トップゲート型グラフェン・トランジスタの オペランド顕微分光
【上記二つの研究を行った理由】前年度までに、本 研究の目標であった、「微細加工を施したSi基板上 に異なるバンド構造を有するグラフェンをナノスケ ールで作り分ける」ことが原理的に可能であること を世界に先駆けて実証した（Fukidome et al., Sci. Rep.
(Nature Publishing Group) (2014)）。この研究成果に対 する評価の高さは、JST・新技術説明会や日本化学 会での計三件の招待講演や、住友電工・NEDOとの 産学連携プロジェクトでの研究項目の一つとして採 用されたことから窺える。
このようにして作製されたグラフェンのデバイス 応用には、幾つかの壁を乗り越える必要がある；
・第一に、「グラフェンの高品質化」が挙げられる。
グラフェンをチャネルとして動作させる時のデバ イス特性（例：キャリア移動度）は、グラフェン の品質と直結するからである。
・第二に「寄生抵抗（アクセス領域抵抗、コンタク ト抵抗）の影響」を抑制する必要がある。その理 由は、その極限的な薄さから、グラフェン物性は 界面に対して非常に敏感だからである。
【本年度の目的】上記の問題点を解決するために、
①SiCバルク基板上エピグラフェンの超高品質化
②動作条件下（オペランド）でのデバイス電子状態 のナノスケール観察法
の二つの目的達成の為に研究を推進した。
【結果】
①SiCバルク基板上エピグラフェンの超高品質化
（背景）その高いキャリア移動度や飽和速度から、
グラフェンは超高速トランジスタへの応用が期待さ れている。SiC基板の加熱による表面Si原子の昇華 によるグラフェンのエピタキシャル成長は、大面積 かつ高品質なグラフェンの作製を可能にするという 点で、デバイス応用に適したものである。
しかし、このグラフェンの層数には微視的な分布
があり、同一層数であるグレイン・サイズは<1μm に留まっていた。グラフェンの物性は層数に強く依 存するため、この微視的な層数分布は、デバイスの 特性のばらつきを招いてしまう。
（目的）クリーンルームの清浄な雰囲気下で成長さ せることにより、グラフェン膜の微視的な層数分布 の抑制を目的とした研究を行った（図1）。
（結果）SiC基板の前洗浄、及び、グラフェン成長 は、通研のナノスピン実験施設のスーパークリーン ルーム（クラス<10）において一貫して行った。デ ジタルな層数計測をナノスケールで行うことを可能 にする低速電子顕微鏡（LEEM）による評価から、
スーパークリーンルームの清浄な雰囲気を用いれば、
通常に比して同一層数のグレインサイズが二桁向上
（>50m）することが明らかとなった。
さらには、グラフェンの積層及びバンド構造がグ レインサイズの向上とともに大きく変化することが 明らかとなった。C終端SiC表面上では、従来は、
グラフェンはBernal積層しないことから層間相互 作用が無い為に、バンドが（エネルギー方向に）分 裂せずに、直線的なバンド構造が保たれるとされて きた。しかし、品質が向上した我々のグラフェン試
料では、Bernal積層するようになり、バンドが分裂
するようになることが明らかにされた。
（意義）上記のように、クリーンルームで作製する ことにより、グラフェン品質の大幅な向上に成功し た。更なるプロセスの清浄化により、グラフェンの 完全単結晶薄膜に向けて研究を続けているところで ある。
図1 エピグラフェンの高品質化
独創的研究支援プログラム
［４］研究成果
A. 基板微細加工によるグラフェンのナノ物性制御 申請者は、以前に下記のような研究成果を独自に 得ていた（J. Mater. Chem. & APEX (2011)）；
・SiC(100)/Si(100)基板上に成長させたグラフェ ンの多層膜はBernal積層せず、単層グラフェ ンと同様の直線的なバンド構造を有する。
・それに対して、SiC(111)/Si(111)基板上に成長さ せたグラフェンのベタ膜はBernal積層し、バ ンドが非直線的になり、バンドギャップが開く。
本研究では、この研究成果と基板微細加工技術を 組合せることにより、ナノスケールのグラフェン の構造及び物性の制御を狙った。
図2に研究成果の概略を示す。微視的にSi(111) 面とSi(100)が露出したSi(100)基板上に、SiC薄 膜を形成し、更に超高真空下で加熱することによ りグラフェンを作製した。その積層構造と物性は 下記のようになった（Sci. Rep. (2014)）；
・SiC(100)/Si(100)上⇒非Bernal積層
⇒直線的なバンド構造 バンドギャップ→0
・SiC(111)/Si(111)上 ⇒ Bernal積層
⇒非直線的なバンド バンドギャップ≠0
以上のようにして、基板微細加工援用によりバン ド分散がナノスケール制御されたグラフェン（3D- GOS）の作製に世界に先駆けて成功した。この 3D-GOSにおいて、(100)面上の直線的なバンド分 散が保持されたグラフェンは光デバイス応用に適 しており、一方、(111)面上のバンドギャップが開 いたグラフェンは電子デバイス応用に適している。
ゆえに、3D-GOS を用いて、グラフェン・ベース
の電子・光集積回路を作製することが原理的には可 能である。
しかし、3D-GOS を用いたデバイス応用に向け
ては幾つかの壁がある；
・グラフェンの更なる高品質化
・グラフェン成長用基板の自由度
・ベタ膜の品質とデバイス特性の間のギャップ 以上三つの問題点を克服するために、下記三つの研 究をサポート研究として追加で行った。
B-1. グラフェンの超高品質化
3D-GOSのグラフェン膜質は低いことがRaman 分光測定から明らかとなっており、キャリア移動度 劣化の一因となっている。この低品質性の原因とし ては、「成膜プロセスにおける不純物の混入」及び
「SiC結晶欠陥」が挙げられる。本研究では、モデ ル基板としてSiCバルク基板を用いて、上記二点に 対する二つの解決策の有効性を検証した。
①クリーンルームの利用による超高品質化 SiC基板の前洗浄、及び、グラフェン成長は、通研 のナノスピン実験施設のスーパークリーンルーム
（クラス<10）において一貫して行った。デジタル な層数計測をナノスケールで行うことを可能にする 低速電子顕微鏡（LEEM）による評価から、スーパ ークリーンルームの清浄な雰囲気を用いれば、通常 に比して同一層数のグレインサイズが二桁向上
（>50m）することが明らかとなった（図3）。
②ホモエピ膜の利用によるグラフェンの高品質化
①において高品質化されたグラフェンにおいても、
層数分布が完全には解消されてはいない。その理由 として考えられるのが、SiC中の結晶欠陥である。
ゆえに、SiC膜をホモエピ成長させたSiC基板上 でのグラフェン化に着手した。このホモエピSiC基 板では、表面欠陥密度が0.5個/cm2と大幅に低減さ れている。この基板をスーパークリーンルーム内に てグラフェン化することにより、グラフェンの完全 単結晶を作製しようとしているところである。
B-2. 基板自由度の向上
これまで、基板としてSiを用い、その表面に直接成 長させたSiC薄膜表面上でグラフェンを成長させる 研究を行ってきた。この方法の問題点は、SiとSiC の大きな格子不整合差に起因してSiC薄膜中に沢山 の欠陥が生じることであった。この大きなSiC薄膜 中の欠陥密度はグラフェンの高品質化を妨げていた。
この課題の解決の為に、上述のSiC薄膜に比して 結晶欠陥密度が非常に低いSiCバルク基板からデバ イス用基板（poly-SiC、 Si、サファイア等）へ転写・
図2 グラフェンのバンド分散のナノ制御
図3 グラフェンの超高品質化