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論文

Controls over structural and electronic properties of epitaxial graphene on silicon using surface termination of 3C-SiC(111)/Si

吹留 博一*; 阿部 峻佑*; 高橋 良太*; 今泉 京*; 猪俣 州哉*; 半田 浩之*; 齋藤 英司*; 遠田 義晴*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; et al.

Applied Physics Express, 4(11), p.115104_1 - 115104_3, 2011/11

 被引用回数:29 パーセンタイル:17.88(Physics, Applied)

Epitaxial graphene on Si (GOS) using a heteroepitaxy of 3C-SiC/Si has attracted recent attention owing to its capability to fuse graphene with Si-based electronics. We demonstrate that the stacking, interface structure, and hence, electronic properties of GOS can be controlled by tuning the surface termination of 3C-SiC(111)/Si, with a proper choice of Si substrate and SiC growth conditions. On the Si-terminated 3C-SiC(111)/Si(111) surface, GOS is Bernal-stacked with a band splitting, while on the C-terminated 3C-SiC(111)/Si(110) surface, GOS is turbostratically stacked without a band splitting. This work enables us to precisely control the electronic properties of GOS for forthcoming devices.

論文

Control of epitaxy of graphene by crystallographic orientation of a Si substrate toward device applications

吹留 博一*; 高橋 良太*; 阿部 峻佑*; 今泉 京*; 半田 浩之*; Kang, H. C.*; 唐澤 宏美*; 末光 哲也*; 尾辻 泰一*; 遠田 義晴*; et al.

Journal of Materials Chemistry, 21(43), p.17242 - 17248, 2011/11

 被引用回数:26 パーセンタイル:27.67(Chemistry, Physical)

Graphene is a promising material in the next-generation devices. Large-scale epitaxial graphene should be grown on Si substrates to take over the accumulated technologies for integrated devices. We have for this reason developed epitaxy of graphene on Si (GOS) and device operation of the backgate field-effect transistors (FETs) using GOS has been confirmed. It is demonstrated in this paper that the GOS method enables us to tune the structural and electronic properties of graphene in terms of the crystallographic orientation of the Si substrate. Furthermore, it is shown that the uniformity of the GOS process within a sizable area enables us to reliably fabricate topgate FETs using conventional lithography techniques. GOS can be thus the key material in the next-generation devices owing to the tunability of the electronic structure by the crystallographic orientation of the Si substrate.

論文

Low-energy-electron-diffraction and X-ray-phototelectron-spectroscopy studies of graphitization of 3C-SiC(111) thin film on Si(111) substrate

高橋 良太*; 半田 浩之*; 阿部 峻佑*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 末光 眞希*

Japanese Journal of Applied Physics, 50(7), p.070103_1 - 070103_6, 2011/07

 被引用回数:29 パーセンタイル:17.88(Physics, Applied)

Epitaxial graphene can be formed on silicon substrates by annealing a 3C-SiC film formed on a silicon substrate in ultrahigh vacuum (G/3C-SiC/Si). In this work, we explore the graphitization process on the 3C-SiC(111)/Si(111) surface by using low-energy electron diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and compare them with that on 6H-SiC(0001). Upon annealing at substrate temperature higher than 1423 K, the 3C-SiC(111)/Si(111) surface follows the sequence of ($$sqrt{3}$$$$times$$$$sqrt{3}$$)R30$$^{circ}$$, (6$$sqrt{3}$$$$times$$6$$sqrt{3}$$)R30$$^{circ}$$ and (1$$times$$1)$$_{rm graphene}$$ in the surface structures. The C 1s core level according to XPS indicates that a buffer layer, identical with that in G/6H-SiC(0001), exists at the G/3C-SiC(111) buffer. These observations strongly suggest that graphitization on the surface of the 3C-SiC(111) face proceeds in a similar manner to that on the Si-terminated hexagonal bulk SiC crystals.

論文

Oxygen-induced reduction of the graphitization temperature of SiC surface

今泉 京*; 半田 浩之*; 高橋 良太*; 齋藤 英司*; 吹留 博一*; 遠田 義晴*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 末光 眞希*

Japanese Journal of Applied Physics, 50(7), p.070105_1 - 070105_6, 2011/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:75.1(Physics, Applied)

In the solid-vapor phase equilibria between SiC and O$$_{2}$$ system, there exists a region where the reaction of O$$_{2}$$ with SiC takes place. By tuning the temperature and the oxygen pressure used in the graphitization annealing, we have succeeded in the growth of epitaxial graphene on SiC crystals at 1273 K, which is lower by 250$$^{circ}$$C or more than the conventional epitaxial graphene method. The method is especially useful to form an epitaxial graphene on a silicon substrate (GOS), which requires a lower graphitization temperature because of necessity of compatibility with conventional Si technologies.

論文

LET dependence of single event transient pulse-widths in SOI logic cell

牧野 高紘*; 小林 大輔*; 廣瀬 和之*; 柳川 善光*; 齋藤 宏文*; 池田 博一*; 高橋 大輔*; 石井 茂*; 草野 将樹*; 小野田 忍; et al.

IEEE Transactions on Nuclear Science, 56(1), p.202 - 207, 2009/02

 被引用回数:26 パーセンタイル:9.41(Engineering, Electrical & Electronic)

SET(Single Event Transient)パルス幅と線エネルギー付与(LET)との関係を求めるために、高い放射線耐性を持つSOI(Silicon on Insulator)基板上に試作したテストチップを用いてSETパルス幅のLET依存性を評価した。Kr322MeVとXe454MeVのイオンをテストチップに垂直又は45度で照射した。その結果、垂直入射の場合、LETの増加に対してSETパルス幅が直線的に増加し、45度の場合、LETの増加に対してSETパルス幅が飽和傾向を示すことがわかった。この飽和傾向を示す主な要因を調べるために3次元デバイスシミュレーター(TCAD)による解析を行った。その結果、重イオンによって誘起する過剰キャリアの再結合が飽和傾向を説明する一つの要因であることがわかった。

報告書

ZrC-TRISO被覆燃料粒子の開発計画とZrC蒸着試験装置の製作

植田 祥平; 飛田 勉*; 猪 博一*; 高橋 昌史*; 沢 和弘

JAERI-Tech 2002-085, 41 Pages, 2002/11

JAERI-Tech-2002-085.pdf:2.66MB

被覆燃料粒子をさらに高温領域で使用するために、従来の被覆層として使用されている炭化ケイ素(SiC)よりさらに耐熱性の高い被覆材を用いることが有効である。炭化ジルコニウム(ZrC)は約2000$$^{circ}C$$の高温下で健全性を保ち、通常運転条件下での燃料核移動,核分裂生成物による腐食に対して耐性が高く、GENERATION-IVにおいてはVHTR燃料の候補として提案されている。商用規模でのZrC被覆燃料粒子の開発を行うため、先行研究のレビューにより今後の研究開発の課題を摘出し、これに基づいて研究開発計画を作成した。本研究では臭化物プロセスによる100gバッチ規模のZrC蒸着試験装置を製作し、各種試験を実施することとした。本報告では先行研究のレビュー,摘出した研究開発課題及び研究計画,ZrC蒸着試験装置の概要について述べる。

口頭

SOI論理セル内で発生するSETパルス幅のLET依存性

牧野 高紘*; 小林 大輔*; 廣瀬 和之*; 柳川 善光*; 齋藤 宏文*; 池田 博一*; 高橋 大輔*; 石井 茂*; 草野 将樹*; 小野田 忍; et al.

no journal, , 

シングルイベントトランジェント(SET: Single Event Transient)は放射線が論理LSIに入射して発生する過渡的な電圧変動に由来した誤動作(ソフトエラー)として知られる。発生したSETパルスが回路中を伝搬し記憶セルにラッチされるとソフトエラーを招くが、その確率はSETパルス幅に比例して増大し、さらにSETパルス幅は入射するイオンの線エネルギー付与(LET: MeV/cm$$^{2}$$/mg)の増加に伴って大きくなることが明らかとなっている。ここではSETパルス幅の増加傾向を決める要因を調べるために3次元のデバイスシミュレーションを実施した。n型FD-SOI MOSFET(FUlly Depleted Silicon on Insulator)にKr322 MeVとXe454 MeVを照射したときの重イオン誘起SET電流パルスをDESSIS(Device Simulation For Smart Integrated System)デバイスシミュレータで求め、さらにデバイス回路混合シミュレーションによってインバータセルでの電圧パルスを求めた。さらに、過剰キャリアの再結合がSETパルス幅の増加傾向を決める要因と考え、再結合プロセスの有無を考慮してSETパルス幅のLET依存性をシミュレーションした。その結果、重イオンによって誘起する過剰キャリアの再結合がSETパルス幅の増加傾向を支配する大きな要因であることがわかった。

口頭

Epitaxy of graphene on Si substrates toward three-dimensional graphene devices

吹留 博一*; 宮本 優*; 半田 浩之*; 高橋 良太*; 今泉 京*; 末光 眞希*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿

no journal, , 

sp$$^{2}$$混成軌道の炭素の二次元ネットワークであるグラフェンは、半導体ロードマップに記述されているように、今やCMOSの次に期待されている物質のひとつである。グラフェンの主な問題は適当な基板上にエピタキシャル成長させるためのよい方法がないことである。実際に、グラファイトの剥離やSiC単結晶上でのエピタキシー成長のような現在行われている製作方法は、大量生産には向かない。われわれは三次元化されたシリコン上グラフェン(3D-GOS)を開発するため、最近のシリコン技術のトレンドに合った方法を探っている。3D-GOSに向けてキーとなる問題のひとつは、主要な面方位、例えば、Si(100), Si(110), Si(111)の上でのエピタキシャルグラフェンの形成である。本論文ではSi(110), Si(100), Si(111)面上の大面積グラフェンエピタキシーを提出する。結果はよいニュースに違いない。なぜなら、CMOSの次に向けたグラフェンベースの素子を三次元的に製作する新しい現実的な方法を開くことができたからである。

口頭

グラフェン・オン・シリコン表面構造のLEED観察

高橋 良太*; 宮本 優*; 半田 浩之*; 齋藤 英司*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 末光 眞希*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

われわれはSi基板上に3C-SiC極薄膜をエピタキシャル成長させ、このSiC極薄膜を真空熱処理することによりグラフェンを形成することに成功した(グラフェン・オン・シリコン技術)。本研究ではGOS形成過程の解明を目的としてLEED及びXPSによる表面構造観察を行った。Si(111)上に形成した3C-SiC(111)薄膜のLEED観察ではバルクSiCの周期性を示す1$$times$$1パターンが確認された。グラフェン化処理(1523K,30分間加熱)後はグラフェン構造の周期性を示す1$$times$$1パターンが確認された。バルクSiC(1$$times$$1)に対してグラフェン(1$$times$$1)のスポットは30度回転している。グラフェン化処理前後のC1s-XPS観察では、グラフェン化処理後にsp$$^{2}$$結合に起因するピークが顕著になり、SiCバルクピークが減少することが確認された。本研究の結果、Si基板上の3C-SiCからのグラフェン形成は、6H-SiC(0001)基板上でのグラフェン化と同様であることが明らかになった。

口頭

酸素添加によるSiC表面グラフェン化プロセスの低温化

今泉 京*; 高橋 良太*; 宮本 優*; 半田 浩之*; 齋藤 英司*; 吹留 博一*; 末光 眞希*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

カーボン原子層の2次元結晶であるグラフェンは、300,000cm$$^{2}$$/V/sという高移動度を示すため、次世代デバイス材料として大きな注目を集めている。グラフェンの実用化に関しては、Si基板上SiC薄膜の熱改質によりシリコン基板上にグラフェンを形成するグラフェン・オン・シリコン(GOS)技術が一つの有力な解である。しかしGOSプロセスを含めた従来技術では、グラフェン形成温度が1523$$sim$$1573Kと高いために、これを直ちにシリコンデバイスプロセスに導入することは困難である。われわれはYongwei Songらが報告したSiC表面と酸素分子の温度・圧力反応図に注目し、グラフェン化アニール雰囲気への微量酸素の添加により、1273Kという低温でSiC表面のグラフェン化に成功した。

口頭

グラフェン・オン・シリコン形成過程のLEED, XPS観察

高橋 良太*; 宮本 優*; 半田 浩之*; 齋藤 英司*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 末光 眞希*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

本研究ではグラフェンオンシリコン形成過程を解明するため、LEED及びXPSによる表面構造観察を行った。Si(111)上に形成した3C-SiC(111)薄膜のLEED観察ではSiC(1$$times$$1)とSi再構成表面(RT3$$times$$RT3)R30$$^{circ}$$が確認された。グラフェン化処理(1523Kで30分アニール)後のLEED観察では、graphene(1$$times$$1)が確認された。また、SiC(1$$times$$1)に対してgraphene(1$$times$$1)のスポットは30$$^{circ}$$回転していた。これらSi(111)基板上の3C-SiC(111)薄膜のグラフェン形成過程は6H-SiC(0001)基板上のグラフェン形成過程と同様であることが判明した。また、グラフェン化処理前後のC1s内殻光電子スぺクトルでは、グラフェン化処理後にsp$$^{2}$$混成軌道に起因するピークが出現し、SiCバルクピークが減少した。したがって、Si(111)基板上でのグラフェンオンシリコン形成過程でも、6H-SiC(0001)バルク基板上グラフェン形成過程と同様のSiC(1$$times$$1)(バルク状態)からgraphene(1$$times$$1)(グラフェン状態)への変化が生じていることが明らかになった。

口頭

グラフェン・オン・シリコン形成過程の放射光光電子分光評価

末光 眞希*; 高橋 良太*; 半田 浩之*; 齋藤 英司*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

現在最も工業的と考えられるグラフェン形成法は、SiC基板表面を真空加熱することでSiを昇華させ、基板表面にグラフェンを形成するエピタキシャルグラフェン法である。しかし、同法には大口径で安価なSiCバルク基板の入手が困難という大きな欠点がある。このような背景の下、われわれはSi基板上に高品質3C-SiC極薄膜(80-100nm)をエピタキシャル成長させ、このSiC極薄膜を真空熱処理することによってSi基板上にグラフェンを形成することに成功した(グラフェン・オン・シリコン;GOS)。本研究ではGOS形成過程の解明を念頭に、低エネルギー電子回折(LEED)、及び、X線光電子分光法(XPS)による表面構造観察を行った。その結果、Si(111)基板上の3C-SiC(111)薄膜のグラフェン形成過程は、6H-SiC(0001)基板上のグラフェン形成過程と同様であることが判明した。

口頭

Controlling the interface between graphene and SiC by use of graphene-on-silicon technology

吹留 博一*; 高橋 良太*; 今泉 京*; 半田 浩之*; 末光 眞希*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿

no journal, , 

Si基板上にガスソースMBE法で成長させたSiC薄膜を真空中で加熱することによって最表面をグラフェン化することに初めて成功した。その界面を制御することが課題である。本発表ではSi基板の面方位とグラフェン-SiC界面の関係を述べる。Si(110), Si(100), Si(111)基板上にそれぞれSiC(110, SiC(100), SiC(111)面のSiC薄膜を形成できる。それらを1523Kに加熱することによってSiC上にグラフェン膜が形成された。放射光を用いたC1s光電子分光によって、SiC(100)及びSiC(110)とグラフェン膜の間には中間層がないが、SiC(111)とグラフェン膜の間には中間層が存在することがわかった。

口頭

超低圧酸素雰囲気下でのSi基板上低温グラフェン形成過程のリアルタイム放射光光電子分光

今泉 京*; 高橋 良太*; 半田 浩之*; 齋藤 英司*; 吹留 博一*; 末光 眞希*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

われわれはSiC表面と酸素分子の温度・圧力反応図に注目し、酸素ガス雰囲気で1273Kという低温でSiC表面のグラフェン化が可能であることを見いだしている。今回われわれは超低圧酸素雰囲気下でのグラフェン形成過程を、放射光光電子分光法を用いたリアルタイム測定により評価した。Si(111)基板上にモノメチルシランを原料ガスに用いて成膜した3C-SiC(111)薄膜を用い、SPring-8 BL23SUにてリアルタイム放射光光電子分光測定を行った。反応時間の経過とともにsp2炭素に起因するC1sピーク成分が増大し、SiC薄膜表面のグラフェン化が進行していることが明らかになった。

口頭

3C-SiC(111)極薄膜上エピタキシャルグラフェン形成過程のLEED観察

高橋 良太*; 宮本 優*; 半田 浩之*; 齋藤 英司*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 末光 眞希*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

シリコン電子デバイス開発ではCMOS技術の後の新しい技術を確立することが急務となっている。そこで、大きな移動度を持つグラフェンが大きな注目を集めている。6H-SiC基板表面を真空中で加熱することにより、Siを昇華させ、表面をグラフェン化する技術は知られている。われわれはSi基板上に高品質の3C-SiC極薄膜をエピタキシャル成長させ、真空熱処理することでSi基板上にグラフェンを形成するグラフェン・オン・シリコン(GOS)法を開発した。今回、6H-SiC(0001)面と、表面構造がそれと類似する3C-SiC(111)面のグラフェン化過程をLEED観察した。3C-SiC(111)薄膜上のグラフェン形成過程は、6H-SiC(0001)基板上のグラフェン形成過程と全く同一の表面再配列構造を経ることがわかった。

口頭

マウス移植腫瘍モデルによるHsp90阻害剤17AAGの放射線増感効果

高橋 桃子; 野口 実穂; 平川 博一*; 岡安 隆一*

no journal, , 

腫瘍治療法の一つである放射線治療は、他の治療法と比較して患者への負担が少ないことが利点である。しかしX線を使用した治療法の場合、放射線単独での固形腫瘍の治療は困難であるのが現状である。X線と薬剤を併用することにより腫瘍をより効果的に治療するための研究も進められている。その中で、野口らは放射線応答で重要な役割を持つシグナル分子に着目した。Hsp90ストレスによって発現が増加することが知られており、Hsp90を阻害することにより、下流にある癌化関連タンパク質の発現も抑えられることが考えられる。野口らは、Hsp90の分子治療標的薬剤である17AAGを用いて、X線との併用による放射線増感効果を検討した。その結果、腫瘍細胞に対してのX線との併用による有意な治療効果をみることができた。これを踏まえて、炭素イオン線を用いて17AAGとの併用による治療効果をマウスの${it in vivo}$モデルで検討し、X線での${it in vivo}$モデルの実験結果、${it in vitro}$での実験結果と比較して発表する。

口頭

Orientation-mediated control of interfacial structure in epitaxial graphene on silicon substrates

末光 眞希*; 吹留 博一*; 高橋 良太*; 今泉 京*; 半田 浩之*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿

no journal, , 

Si基板上でのSiC薄膜の形成とその後の加熱によって最表面層はグラフェン化する(グラフェン=オン=シリコン;GOS)。通常はSi(111), (110), (100)基板上に3C-SiC(111), (110), (100)層が形成される。3C-SiC(111)ばかりでなく3C-SiC(100)と(110)でもエピタキシャルグラフェン層が形成された。ラマンスペクトルでは三つの面方位で同じバンドが観測され、放射光光電子分光によるC1s光電子スペクトルではsp$$^{2}$$炭素が存在することがわかった。SiC(100)と(110)では界面層は存在しないが、SiC(111)ではグラフェンとSiC(111)の間に界面層が存在する。以上のように三つの低指数面のSiC上でグラフェンが成長することは、ポストSiデバイス開発におけるGOS技術の有用性を示すことになった。

口頭

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

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; et al.

no journal, , 

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。

口頭

面方位回転エピタキシャル成長3C-SiC(111)/Si(110)薄膜上グラフェン成長過程のLEED、SR-XPS観察

高橋 良太*; 半田 浩之*; 阿部 峻佑*; 猪俣 州哉*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 小嗣 真人*; 大河内 拓雄*; et al.

no journal, , 

3C-SiC(111)/Si(110)薄膜表面にエピタキシャルグラフェンを高品質に形成できることを見いだしている。今回、このグラフェン形成過程を低エネルギー電子回折(LEED)と放射光X線光電子分光(SR-XPS)を用いて詳細に評価した。1250$$^{circ}$$Cのグラフェン化アニール後、LEEDパタンはグラフェンの(1$$times$$1)パタンへと変化した。一方、SR-XPSの結果から、グラフェン/SiC界面には界面層が存在しないことがわかった。これらの知見は既に多数報告されているバルクSiC結晶基板C面(4H, 6H-SiC(000-1))のグラフェン形成過程と同一である。また、3C-SiC(111)/Si(110)表面がC終端であるとのD$$_{2}$$-TPD観察とも矛盾しない。したがって、Si(110)基板上3C-SiC(111)薄膜はC原子終端であり、その表面のグラフェンはturbostratic stackingをしながら形成されることが明らかになった。

口頭

3C-SiC(100)/Si(100)薄膜上グラフェン形成過程のLEED及びSR-XPS観察

猪俣 州哉*; 半田 浩之*; 阿部 峻佑*; 高橋 良太*; 今泉 京*; 吹留 博一*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 小嗣 真人*; 大河内 拓雄*; et al.

no journal, , 

Si(100)基板上に形成した3C-SiC(100)薄膜の熱処理によって形成されるグラフェンの表面原子配列を低エネルギー電子回折(LEED)法で、表面原子組成と化学結合状態を放射光X線光電子分光(SR-XPS)法で評価した。LEEDからグラフェンは下地のSiC(100)層に対して15度回転して積層していることがわかった。また、SR-XPSからグラフェン層とSiC(100)層の間には界面層が存在しないことがわかった。

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