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如何发挥石墨烯的潜力？东京大学解析载流子迁移率的劣化原理
2010/12/10 00:00
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准备的三种基板表面（点击放大）

载流子迁移率（点击放大）

载流子迁移率劣化的原理（点击放大）　　东京大学研究生院工学系研究科材料工学专业教授鸟海明与该专业讲师长汐晃辅等人的研究小组，分析了SiO2/硅基板和石墨烯界面上的相互作用对石墨烯载流子迁移率等特性造成的影响（演讲序号：23.4）。明确了如果对与石墨烯相连接的SiO2层整个表面以OH基团实施最终工艺处理，该OH基可作为电荷杂质发挥作用，并会降低石墨烯的载流子迁移率等。该成果对在石墨烯FET中通过制造工艺上的改进提高载流子迁移率具有指导意义。
　　石墨烯具有实现20万cm2/Vs载流子迁移率的潜力。不过，在FET的基本构造——SiO2/硅基板上，却无法实现如此高的载流子迁移率，多数的案例中，载流子迁移率仅为1万cm2/Vs左右。因此，通过在基板上采用有机材料等，以发挥高载流子迁移率潜力的尝试在增加。
　　长汐表示，东京大学的研究小组此次“从‘是否该轻易放弃使用半导体业界积累了多年经验的SiO2/硅基板？’这个问题开始了研究。此前没有见到过对SiO2/硅基板的表面状态与载流子迁移率的劣化有何关系的验证案例”。
　　该研究小组在硅基板上通过热氧化形成了100nm厚的SiO2层，准备了（1）利用HF（氢氟酸）将SiO2层厚度减至90nm的基板，之后（2）进行了O2等离子处理的基板，以及（3）通过高温热处理脱去了水分子的基板。首先，将纯水倒在这些基板上，测量与基板之间的接触角，由此查明各基板的亲水性或疏水性。显示出最高亲水性的是整个表面以OH基作最终处理的（2）基板。亲水性次高的是部分表面由CxHy基覆盖的（1）基板，（3）的基板显示出了疏水性。
　　然后，在各基板上通过转印工艺形成石墨烯，并测量其载流子迁移率等，调查与SiO2层表面亲水性和疏水性之间的关系。结果发现，（1）和（3）的基板上获得了1万cm2/Vs左右的载流子迁移率，而（2）的基板上的载流子迁移率则降至2000cm2/Vs左右。
　　在（2）的基板上，OH基和石墨烯以较短的距离相接，因此OH基会在石墨烯上诱导出正电荷，从而导致载流子迁移率劣化。（1）的基板由于CxHy基的干扰，OH基和石墨烯的距离大于（2）的基板。结果是，OH基难以影响到石墨烯，从而可以抑制载流子迁移率的劣化。
　　研究小组根据上述分析认为，在石墨烯FET的制造工艺中，采取使石墨烯和SiO2层表面不过分紧贴的表面处理，对获得高载流子迁移率是重要的。（记者：大下淳一）
■日文原文
【IEDM】グラフェンのポテンシャルを引き出す方法とは，東大がキャリア移動度の劣化機構を解析

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