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Viability of graphene-on-silicon technology toward fusion of graphene with advanced Si-CMOS technologies

グラフェンとSi-CMOS技術の融合に向けたグラフェン=オン=シリコン技術の生存性

吹留 博一*; 高橋 良太*; 宮本 優*; 半田 浩之*; Kang, H. C.*; 唐澤 宏美*; 末光 哲也*; 尾辻 泰一*; 吉越 章隆 ; 寺岡 有殿; 末光 眞希*

Fukidome, Hirokazu*; Takahashi, Ryota*; Miyamoto, Yu*; Handa, Hiroyuki*; Kang, H. C.*; Karasawa, Hiromi*; Suemitsu, Tetsuya*; Otsuji, Taiichi*; Yoshigoe, Akitaka; Teraoka, Yuden; Suemitsu, Maki*

Si基板上にSiCを形成し、その最表面を熱的にグラフェンに変化させると、Si基板上にグラフェン層がエピタキシャル成長する(グラフェン=オン=シリコン;GOS)。このグラフェン形成ではSi基板上にまずSiCをガスソース分子線エピタキシー法でエピ成長させる。通常はSi(111), (110), (100)基板上に3C-SiC(111), (110), (100)面が成長する。それらを超高真空中で1523Kに加熱することでSi原子を昇華させてSiC表面を炭化させる。3C-SiC(111)ばかりでなく3C-SiC(100)と(110)でもグラフェンが形成されることがラマン散乱分光と放射光光電子分光で明らかになった。ラマンスペクトルではD, G, G'バンドが観測され、C1s光電子スペクトルではsp$$^{2}$$が観測された。このように三つの表面で等しくグラフェン成長に成功したことは、ポストSi技術開発でGOS技術が有効であることを示唆している。

By forming an SiC thin film on Si substrates and by thermally converting the film top surface into graphene, a graphene layer can be epitaxially formed on the Si substrates (graphene on silicon;GOS). In this method, epitaxial SiC thin films are first grown on the silicon substrate by using gas source molecular beam epitaxy. Normally, 3C-SiC(111), (110) and (100)-oriented films are grown on Si(111), (110) and (100) substrates, respectively. The surface of SiC thin films is then thermally graphitized by annealing at 1523 K in UHV to sublimate Si atoms. Not only 3C-SiC(111) but also (100) and (110) surfaces, produced epitaxial graphene as well. The Raman spectra show distinct D, G and G' bands for all these orientations. Synchrotron-radiation X-ray photoelectron spectrum of C1s presents sp$$^{2}$$ carbons atoms. The observation of the equally successful growth of graphene on these low-index SiC surfaces makes the GOS technology aviable in the post-Si device developments.

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