特許 5967486 グラフェン基板の製造方法およびグラフェン基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5967486

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】グラフェン基板の製造方法およびグラフェン基板

(51)【国際特許分類】

   C01B 31/02 20060101AFI20160728BHJP

   H01L 21/208 20060101ALI20160728BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20160728BHJP

   H01L 51/05 20060101ALI20160728BHJP

   H01L 51/30 20060101ALI20160728BHJP

   H01L 51/40 20060101ALI20160728BHJP

【ＦＩ】

   C01B31/02 101Z

   H01L21/208 Z

   H01L29/78 618B

   H01L29/28 100A

   H01L29/28 250E

   H01L29/28 310E

【請求項の数】14

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2012-541920(P2012-541920)

(86)(22)【出願日】2011年11月2日

(86)【国際出願番号】JP2011075883

(87)【国際公開番号】WO2012060468

(87)【国際公開日】20120510

【審査請求日】2014年10月7日

(31)【優先権主張番号】特願2010-247122(P2010-247122)

(32)【優先日】2010年11月4日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人科学技術振興機構、企業研究者活用型基礎研究推進事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100077838

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 憲保

(74)【代理人】

【識別番号】100129023

【弁理士】

【氏名又は名称】佐々木 敬

(72)【発明者】

【氏名】日浦 英文

(72)【発明者】

【氏名】塚越 一仁

【審査官】 壷内 信吾

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０８９９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０２３９３４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１０７９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１２２９２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 W. LU et al.，Growth of graphene-like structures on an oxidized SiC surface，Journal of Electronic Materials，２００９年 ６月，Vol.38, No.6，p.731-736

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ３１／００−３１／３６

Ｈ０１Ｌ２９／７８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＣＡｐｌｕｓ（ＳＴＮ）

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

ＣｉＮｉｉ

ＷＰＩ

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｉｔａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ Ｅｘｐａｎｄｅｄ（Ｗｅｂ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）金属層を炭化物層に接触させ、前記金属層および前記炭化物層を加熱することで前記金属層中に前記炭化物層中の炭素を溶解させ、
（ｂ）前記金属層および前記炭化物層を冷却することで前記金属層中の前記炭素を前記炭化物層の表面にグラフェンとして析出させる、グラフェン基板の製造方法。

【請求項2】

前記（ｂ）の後に、
（ｃ）前記金属層を除去する、請求項１に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項3】

前記（ａ）は、前記金属層を前記炭化物層と耐熱材料層の間に挟みこみ、前記金属層および前記炭化物層を加熱することで前記金属層中に前記炭化物層表層の炭素を溶解させ、
前記（ｂ）は、前記金属層および前記炭化物層を冷却することで前記金属層から前記炭化物層表面と前記耐熱材料層の双方に前記金属層中の炭素をグラフェンとして析出させる、請求項２に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項4】

前記耐熱材料層は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、炭化アルミニウム（Ａｌ_４Ｃ_３）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）。炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）、炭化モリブデン（ＭｏＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、石英（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、サファイヤ（単結晶Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる群から選ばれる少なくとも１つを有する、請求項３に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項5】

前記炭化物層は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、炭化アルミニウム（Ａｌ_４Ｃ_３）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）。炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）、炭化モリブデン（ＭｏＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）からなる群から選ばれる少なくとも１つを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項6】

前記金属層は、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）、スズ（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、Ｃｄ（カドミウム）からなる群から選ばれる少なくとも１つを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項7】

前記（ａ）は、加熱する温度が８００〜１２００℃である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項8】

前記（ａ）は、加熱する温度が８００℃より高く、
前記（ｂ）は、８００℃まで冷却する時間が３０〜１５０分である、請求項７に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項9】

前記（ａ）は、ホルダの中に前記金属層を配置した後に、前記金属層上に前記炭化物層を配置し、前記金属層および前記炭化物層を加熱することで前記金属層中に前記炭化物層中の炭素を溶解させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項10】

前記（ａ）は、ホルダの中に、少なくとも表面に前記炭化物を有する基板を配置し、前記基板の上にスペーサを配置し、前記スペーサ内に前記金属層を配置し、その上に第２の基板を配置してから、前記金属層、前記炭化物層、および前記第２の基板を加熱することで前記金属層中に前記炭化物層中の炭素を溶解させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項11】

前記炭化物層は、凹凸形状を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項12】

前記炭化物層は、前記凹凸形状の凹部と凸部の両方にグラフェンを析出させる、請求項１１に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項13】

前記（ｂ）は、前記凹凸形状の凸部にのみグラフェンを析出させる、請求項１１に記載のグラフェン基板の製造方法。

【請求項14】

前記（ｂ）は、前記凹凸形状の凸部を架橋するようにグラフェンを析出させる、請求項１１に記載のグラフェン基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本発明は、グラフェン基板の製造方法および当該製造法によって製造されたグラフェン基板に関し、特に、例外的な電子物性や光学特性、優れた機械的特性や化学的特性に由来する、次世代のエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、スピントロニクスに応用できるグラフェン基板の製造方法およびグラフェン基板に関する。
現在の情報化社会を支えるのはシリコンをベースとしたＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）に代表される半導体素子である。これまで、シリコン半導体産業は、リソグラフィー技術、エッチング技術、成膜技術などの微細加工技術の適用範囲をマイクロメートルから数十ナノメートルまで継続的に引き下げることで微細化を果たし、高集積化と高性能化を同時に実現してきた。近年、半導体チャネルとして働くシリコン層の薄さは原子層レベルに達しようとしており、その材料的・物理的限界が指摘されている。
究極の薄さである２次元原子層薄膜でありながら、化学的にも熱力学的にも安定なグラフェンはこの要請に応える大きな潜在性を秘める新規半導体材料であり、それらの優れた物性を活用することで、既存素子の性能を凌駕する新素子が実現できる可能性がある。
グラフェンはｓｐ^２混成の炭素のみで構成される層状物質であるグラファイトを１層だけ取り出したものであり、前述の通り、化学反応に対して非常に堅牢であり、また、熱力学的にも安定な単原子層平面物質である。
グラフェンの構造は、炭素原子を頂点とする正６角形の六炭素環を隙間なく敷き詰めた蜂の巣（ハニカム、ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ）状の（擬）２次元シートで、炭素−炭素間距離は約１．４２オングストローム（０．１４２ｎｍ）、層の厚さは、下地がグラファイトならば、３．３〜３．４オングストローム（０．３３〜０．３４ｎｍ）、その他の基板上では１０オングストローム（１ｎｍ）程度である。
グラフェン平面の大きさは、一片の長さがナノメートルオーダーの分子サイズから理論上は無限大まで、様々なサイズを想定することが出来る。通常、グラフェンは１層のグラファイトを指すが、層数が２層以上のものを含む場合も多い。その場合、１層、２層、３層のものは、それぞれ、単層（モノレイヤー、ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）グラフェン、２層（バイレイヤー、ｂｉｌａｙｅｒ）グラフェン、３層（トリレイヤー、ｔｒｉｌａｙｅｒ）グラフェンと呼ばれ、１０層程度までのものをまとめて数層（フューレイヤー、ｆｅｗ−ｌａｙｅｒ）グラフェンと呼ぶ。また、単層グラフェン以外は多層グラフェンと言い表す。
グラフェンの電子状態はＡｎｄｏ，”Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｕｓ”，ＮＰＧ Ａｓｉａ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １（１），２００９，ｐ１７−２１（非特許文献１）に記載のように、低エネルギー領域においてディラック方程式で記述できる。この点、グラフェン以外の物質の電子状態がシュレディンガー方程式で良く記述されるのと好対照である。
グラフェンの電子エネルギーはＫ点近傍で波数に対して線形の分散関係を持ち、より詳しくは、伝導帯と荷電子帯に対応する正と負の傾きを持つ２つの直線で表現できる。それらが交差する点はディラックポイントと呼ばれ、そこでグラフェンの電子は有効質量ゼロのフェルミオンとして振舞うという特異な電子物性を持つ。これに由来して、グラフェンの移動度は１０^７ｃｍ^２Ｖ^−１ｓ^−１以上という既存物質中で最高の値を示し、しかも温度依存性が小さいという特長を持つ。
単層グラフェンは基本的にバンドギャップがゼロの金属もしくは半金属である。しかしながら、大きさがナノメートルオーダーになるとバンドギャップが開き、グラフェンの幅と端構造に依存して、有限のバンドギャップを持つ半導体となる。また、２層グラフェンは摂動なしではバンドギャップがゼロであるが、２枚のグラフェン間の鏡面対称性を崩すような摂動、例えば、電界を加えると、電界の大きさに応じて有限のギャップを持つようになる。
例えば、３Ｖｎｍ^−１の電界でギャップは０．２５ｅＶ程度開く。３層グラフェンの場合は伝導帯と荷電子帯が３０ｍｅＶ程度の幅で重ね合わさる半金属的な電子物性を呈する。伝導帯と荷電子帯が重なるという点はバルクのグラファイトに近い。４層以上のグラフェンも半金属的物性を呈し、層数が増えるに従って、バルクのグラファイトの電子物性に漸近して行く。
また、グラフェンは機械的特性にも優れ、グラフェンの１層のヤング率は２ＴＰａ（テラパスカル）と跳びぬけて大きい。引っ張り強度は既存物質中最高レベルである。
その他、グラフェンは独特の光学特性を持つ。例えば、紫外光領域（波長：〜２００ｎｍ）からテラヘルツ光近傍領域（波長：〜３００μｍ）までの幅広い電磁波領域において、グラフェンの透過率は、１−ｎα（ｎ：グラフェンの層数、ｎ＝１〜１０程度、α：微細構造定数、α＝ｅ^２／２ｈｃε_０＝０．０２２９２５３０１２、ｅ：電気素量、ｈ：プランク定数、ε_０：真空の誘電率）と、グラフェンの物質定数ではなく、基本物理定数のみで表される。これは他の物質材料では見られない、グラフェン特有の特徴である。
さらに、グラフェンの透過率と反射率はテラヘルツ光領域でキャリア密度依存性を示す。これは電界効果に基づいてグラフェンの光学特性を制御できることを意味する。他の２次元原子層薄膜も次元性に基づく特異な物性を持つことが知られている。
上述の如く、グラフェンの例外的な電子物性や光学特性、優れた機械的特性や化学的特性を持つことから、化学からエレクトロニクスまで幅広い産業分野での利用が期待される。特に、次世代エレクトロニクス、スピントロニクス、オプトエレクトロニクス、マイクロ・ナノメカニクス、バイオエレクトロニクス分野の半導体装置や微小機械装置への展開が世界各国で進められている。他の２次元原子層薄膜に関してもグラフェン同様、産業利用を目的とした研究開発が活発に行われている。
グラフェンを電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）のチャネルなど、半導体装置に利用する場合、グラフェンを支持する基板（グラフェン基板）が必要である。
従来技術のグラフェン基板の製造方法は以下の４つの方法が用いられてきた。
即ち、（１）剥離による製造方法（例えばＫ．Ｓ．Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ，Ｄ．Ｊｉａｎｇ，Ｆ．Ｓｃｈｅｄｉｎ，Ｔ．Ｊ．Ｂｏｏｔｈ，Ｖ．Ｖ．Ｋｈｏｔｋｅｖｉｃｈ，Ｓ．Ｖ．Ｍｏｒｏｚｏｖ，ａｎｄ Ａ．Ｋ．Ｇｅｉｍ，”Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｔｏｍｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓ”，ＰＮＡＳ，１０２（３０），２００５，ｐ１０４５１−１０４５３（非特許文献２）参照）、（２）ＣＶＤによる製造方法（熱分解気相成長、例えばＸｕｅｓｏｎｇ Ｌｉ，Ｗｅｉｗｅｉ Ｃａｉ，Ｊｉｎｈｏ Ａｎ，Ｓｅｙｏｕｎｇ Ｋｉｍ，Ｊｕｎｇｈｙｏ Ｎａｈ，Ｄｏｎｇｘｉｎｇ Ｙａｎｇ，Ｒｉｃｈａｒｄ Ｐｉｎｅｒ，Ａｒｕｎａ Ｖｅｌａｍａｋａｎｎｉ，Ｉｎｈｗａ Ｊｕｎｇ，Ｅｍａｎｕｅｌ Ｔｕｔｕｃ，Ｓａｎｊａｙ Ｋ．Ｂａｎｅｒｊｅｅ，Ｌｕｉｇｉ Ｃｏｌｏｍｂｏ，ａｎｄ Ｒｏｄｎｅｙ Ｓ．Ｒｕｏｆｆ，“Ｌａｒｇｅ−Ａｒｅａ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ−Ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｇｒａｐｈｅｎｅ Ｆｉｌｍｓ ｏｎ Ｃｏｐｐｅｒ Ｆｏｉｌｓ”，Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．３２４，２００９，ｐ１３１２−１３１４（非特許文献３）参照）、（３）ＳｉＣ（炭化ケイ素）の熱分解による製造方法（例えばＭ．Ｋｕｓｕｎｏｋｉ，Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｔ．Ｈｉｒａｙａｍａ，Ｎ．Ｓｈｉｂａｔａ，ａｎｄ Ｋ．Ｋａｎｅｋｏ，“Ａ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍｓ ｏｎ ＳｉＣ（０００１）”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７７（４），２０００，ｐ５３１−５３３（非特許文献４）参照）、（４）ガリウム・アモルファス炭素界面成長による製造方法（例えば特開２０１０−０３７１２８号公報（特許文献１）およびＦｕｊｉｔａ，Ｕｅｋｉ，Ｍｉｙａｚａｗａ，ａｎｄ Ｉｃｈｉｈａｓｈｉ，“Ｇｒａｐｈｉｔｉｚａｔｉｏｎ ａｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｇａｌｌｉｕｍ ｆｏｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｌａｒｇｅ ａｒｅａ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｓｈｅｅｔｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｅｃｏｎｄ ｓｅｒｉｅｓ．Ｂ，ｖｏｌ．７７（４），２００６，ｐ３０６３−３０６６（非特許文献５）参照）の４つの製造方法である。
（１）の剥離による製造方法は天然グラファイトやＨＯＰＧ（Ｈｉｇｈｌｙ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ、高配向熱分解黒鉛）などグラファイト結晶から粘着テープでグラファイト・グラフェン片を剥ぎ取り、基板に貼り付けるという方法である。
また、（２）のＣＶＤによる製造方法は、金属触媒を蒸着した基板もしくは金属触媒として働くフォイル（箔）上でメタンなどの炭化水素を熱分解もしくはプラズマ分解してグラフェンを成長させた後、不要になった金属触媒を酸等で除去し、別の基板にグラフェンを転写する方法である。
さらに、（３）のＳｉＣ（炭化ケイ素）の熱分解による製造方法は、ＳｉＣ基板を高温（〜１６００℃）で熱処理し、基板表面のシリコン原子を飛ばしつつ、同基板上で炭素原子を凝集しグラフェンを成長させる方法である。
（４）のガリウム・アモルファス炭素界面成長による製造方法は、基板上に蒸着したアモルファス炭素層に上方から液体ガリウム層を高温（〜１０００℃）で接触させることで、界面反応によりアモルファス炭素上にグラフェンを成長させ、別な基板にガリウム層／グラフェン層／アモルファス炭素層の複合層を転写し、ガリウムを酸で溶解することで、グラフェン層／アモルファス炭素層の複合層を得るという方法である。（４）の方法によると、１回の転写ではアモルファス炭素層／グラフェン層／基板という順序になるので、素子作製上の要請からグラフェンを最上層にする、すなわち、グラフェン層／アモルファス層／基板の順序にするには、さらにもう１回、合計２回の転写が必要となる。

【発明の開示】

【0002】

しかしながら、従来技術のグラフェン基板の製造法には以下のような問題があった。
まず、（１）の剥離による製造方法の場合、量産が困難であるという問題点があった。
次に、（２）のＣＶＤによる製造方法の場合、グラフェン転写工程時の欠陥・不純物の導入による品質劣化が生じるという問題があった。また、金属表面の還元に爆発性の水素ガスを使用するため、防爆など安全対策のコストが必要であるという問題点もあった。
次に、（３）のＳｉＣ（炭化ケイ素）の熱分解による製造方法の場合、即ちＳｉＣ熱分解グラフェンを製造する場合、グラフェンとＳｉＣ基板上層との間にグラフェンの特性を劣化させる中間層が挿入されるため、一般に品質が低く、また、ＳｉＣ基板のオフ角がゼロの場合、ラフニング（表面の荒れ）に起因するグラフェンの品質劣化が起こるので、ラフニングを防ぐために傾斜基板（オフ角が３．５〜８°）を使用しなければならないという基板選択上の制約がある。さらに、使用するＳｉＣ基板は水素プラズマで前処理する必要があり、また、シリコンの脱離促進のため、シランガス処理も必要とするほか、ＳｉＣ熱分解のためには１４００〜１６００℃の高温を使用するので、それに対応した特殊装置を必要とする。そのため、特殊ガス装置や高温装置など設備コストが必要になるという問題点もあった。
最後に、（４）のガリウム・アモルファス炭素界面成長による製造方法の場合、ガリウム・アモルファス炭素界面成長グラフェンの場合、最終的に得られるグラフェンは、グラフェン層／アモルファス炭素層／支持基板という層構造になり、余分なアモルファス炭素層が電気伝導の主な経路となるため、デバイス化が困難という問題点があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、量産性があり、高品質であると同時に、低製造コストで半導体装置製造に直接使用可能な、絶縁体上グラフェンであるグラフェン基板の製造方法を提供することにある。
前記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、（ａ）金属層を炭化物層に接触させ、前記金属層および前記炭化物層を加熱することで前記金属層中に前記炭化物層中の炭素を溶解させ、（ｂ）前記金属層および前記炭化物層を冷却することで前記金属層中の前記炭素を前記炭化物層の表面にグラフェンとして析出させる、グラフェン基板の製造方法である。
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のグラフェン基板の製造方法を用いて製造されたグラフェン基板である。
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載のグラフェン基板を用いて製造された半導体素子である。
（発明の効果）
本発明によれば、量産性があり、高品質であると同時に、低製造コストで半導体装置製造に直接使用可能な、絶縁体上グラフェンであるグラフェン基板の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0003】

図１は第１の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法の概略を示す図である。
図２は第１の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法の詳細を示す図である。
図３は第２の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法の詳細を示す図である。
図４は第３の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法の詳細を示す図である。
図５は第４の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法の詳細を示す図である。
図６は第５の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法の詳細を示す図である。
図７は第６の実施形態に係る電界効果トランジスタ３７の製造の手順を示す図である。
図８は実施例１のグラフェン基板の製造の際の温度条件を示すグラフである。
図９は実施例２のグラフェン基板の製造の際の温度条件を示すグラフである。
図１０は実施例３のグラフェン基板の製造に適する加熱温度と降温時間の範囲を温度プロファイル上に示した図である。
図１１は実施例４を説明するための図であって、（ａ）は実施例４のグラフェン形成前の基板を示す図、（ｂ）はグラフェン形成後の基板を示す図、（ｃ）は（ｂ）のラマンスペクトルを示す図である。

【符号の説明】

【0004】

１ 金属層
２ 炭化物層
３ 炭素
４ 金属
７ グラフェン
７ａ グラフェン
７ｅ 短冊状グラフェン
７ｆ ２次元グラフェン
８ グラフェン基板
８ａ グラフェン基板
８ｂ グラフェン基板
８ｃ グラフェン基板
８ｄ グラフェン基板
８ｅ グラフェン基板
８ｆ グラフェン基板
１２ 基板
１２ａ 基板
２０ 第２の基板
２１ ホルダ
２１ａ ホルダ
２２ スペーサ
３１ マスク
３２ ソース・ドレイン電極コンタクト部分
３３ グラフェン・チャネル
３４ ソース・ドレイン電極
３５ ゲート絶縁体
３６ ゲート電極
３７ 電界効果トランジスタ
４１ 下段側凹部
４３ 上段側凹部

【発明を実施するための形態】

【0005】

以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。
まず、第１の実施形態に係るグラフェン基板の製造方法の概略について、図１を参照して説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、炭素３と金属４を含む炭化物層２上に、金属層１を配置して炭化物層２と接触させ、金属層／炭化物層の２層構造を加熱する。
すると、図１（ｂ）に示すように、金属層１は液体となり、炭化物層２の表層に存在する炭素３と金属４が金属層１に溶解する。
即ち、金属層１は液体状態で炭素３を溶解するためのフラックスとして働く。
ここで、金属層１としては、高温でも炭素固溶度が著しく低いもの、具体的には炭素固溶度がｐｐｍレベルのものを用いる。
そのため、金属層１へ極微量の炭素３だけが溶解すると伴に、著しく低い炭素固溶度が律速となって、金属層１へ金属４も極微量しか溶解しない。
最後に、図１（ｃ）に示すように、炭素３が極微量溶解した金属層１を冷却すると、金属層１の炭素固溶度が減少し、過飽和状態となるため、炭素３は炭化物層２の表面にグラフェン７として析出する。
この時、２次元構造を持つグラフェン７として析出し、無定形のアモルファス炭素として析出しないのは、フラックス１がグラフェン形成の触媒として働くという効果のためであると考えられる。
また、基板２の表面が平滑であることと、基板２とグラフェン構造の表面構造が格子整合することとがグラフェンの層成長を促進する働きがあると考えられる。
なお、図１（ｃ）の冷却時に、金属４は通常析出しない。これは、金属４の固溶度が室温でも数百ｐｐｍから％レベルであるため、過飽和とならないためである。ただし、冷却時間が長い場合など、金属４の再結晶条件が揃うと、稀に金属４が析出することがある。その場合、金属微粒子としてグラフェン層上に付着するだけなので、それらはグラフェン上から酸やアルカリなどにより容易に除去できる。
そのため、グラフェンのみを選択的に炭化物層２の表面に介在物無しで直接形成することが可能となる。
以上が、本発明で示されるフラックス法によるグラフェン基板の製造方法の概略である。
次に、図２を参照してグラフェン基板８の製造方法をより具体的に説明する。
始めに、図２（ａ）に示すように、表面に炭化物層２を有する基板１２を用意する。
なお、基板１２は少なくとも表面に炭化物層２があればよいので、適当な基板上に炭化物層２を形成したものでもよいし、基板１２全体を炭化物で形成したものでもよい。
なお、基板１２の表面は適当な方法で予め清浄しておく。
前述の通り、炭化物層２中の炭素３がグラフェン７の原料である。炭化物層２の材料として、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、炭化アルミニウム（Ａｌ_４Ｃ_３）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）。炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）、炭化モリブデン（ＭｏＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）からなる群から選ばれる少なくとも１つを使用することが出来る。
次いで、図２（ｂ）で示すように、金属層１を基板１２上に配置し、気泡が入らないように金属層１と炭化物層２を密着して配置する。
前述の通り、金属層１は炭素３を融解させるフラックスとしての役割がある。
また、前述の通り、金属層１としては、炭素固溶度がｐｐｍレベルのものを用いる。
このような、炭素固溶度の低い金属を使用することは、グラファイトではなく、極薄の原子層薄膜であるグラフェンを形成する上で必須条件である。
このような金属としては、例えばガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）、タリウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）の群から選ばれる少なくとも１つを用いることが出来る。
なお、金属層１と炭化物層２の密着作業を室温で行う場合、室温付近で液体であるものが扱い易い。
例えば、室温付近で液体である金属としては、ガリウム（融点：２９．８℃）、ガリウム・インジウム合金（融点：１５．７℃程度）、ガリウム・インジウム・スズ合金（融点：１９℃）、ビスマス・鉛・スズ・カドミウム・インジウム合金（融点：４６．７℃程度）などが挙げられる。
ただし、適当な加熱のもとで密着作業を扱う場合は、必ずしも室温付近の融点を持つ金属を用いる必要はない。
次いで、真空下または不活性ガス気流下で適当な加熱装置、例えば、電気炉などを用いて、基板１２と金属層１（金属層／炭化物層の２層構造）を加熱する。
すると、図２（ｃ）に示すように、基板１２の表面から、炭化物層２を構成する炭素３と金属４が金属層１に溶解する。
加熱する温度は、８００℃〜１２００℃が望ましく、９００℃〜１１００℃がより好ましい。
８００℃という温度範囲の下限は、グラフェン化に最低限必要な温度であり、１２００℃という上限は、溶解する炭素３の量をグラフェンの層数が１０層程度に相当する量に抑制する必要性から決まる。
また、加熱温度を９００〜１１００℃の範囲に設定すると、特に高品質なグラフェンを形成できる。
ここで「高品質なグラフェン」とは結晶性の高いグラフェンを意味する。
具体的には、ラマン分光で得られるＤバンドとＧバンドの比であるＤ／Ｇ比が小さいグラフェンである。Ｄ／Ｇ比は出来るだけ小さいほうが良く、Ｄ／Ｇ比≦０．２が望ましい。
なお、ＤバンドはＤｅｆｅｃｔ ｂａｎｄの略称で、１３５０ｃｍ^−１付近に現れる欠陥構造に由来するラマンバンドであり、ＧバンドはＧｒａｐｈｉｔｅ ｂａｎｄの略称で、〜１５８０ｃｍ^−１付近に現れる理想結晶におけるＣ−Ｃ結合の全対称伸縮振動に由来するラマンバンドある。
また、グラフェン品質の極限を考えると、最高品質は、完全結晶で、Ｄ／Ｇ比＝０、最低品質は、アモルファスで、Ｄ／Ｇ比≧１となる。
次に、図２（ｄ）に示すように、金属層／炭化物層（基板１２）の２層構造を冷却すると、金属層１に溶解した炭素３が析出し始め、最終的に、図２（ｅ）に示すように、グラフェン７が基板１２に形成される。
この際、前述の通り、金属層１に溶解した金属４は過飽和とならないので、通常は析出せず、グラフェン７のみが介在物なしで基板１２表面に直接形成される。
加熱温度が８００℃を超える場合、加熱した温度から８００℃まで降温する時間は、３０〜１５０分が望ましく、６０〜１２０分が最適である。
３０分という降温時間の下限は、グラフェン化に最低限必要な時間であり、１５０分という降温時間の上限は、これ以上時間を掛けるとグラフェン７の品質に劣化が起こるため、品質維持という必要性から決まる。
また、最適な降温時間を６０〜１２０分とした理由は、この範囲で降温することにより、特に高品質なグラフェンを形成できるためである。
一方、加熱温度が８００℃の場合は、その温度を３０〜１５０分間維持するのが望ましく、６０〜１２０分間維持するのが最適である。
なお、８００℃まで降温した後の降温条件は任意の条件でよく、例えば自然冷却すればよい。
最後に、金属層１の大部分を吸引など適当な方法で物理的に取り除き、さらに残渣の金属層１を酸などで完全に溶解して除去すると、図２（ｆ）に示すように、グラフェン基板８が得られる。
金属層１の残渣を溶解する酸としては塩酸（ＨＣｌ）、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）、硝酸（ＨＮＯ_３）などを用いることが可能で、適当な温度（〜８０℃）に酸を加熱すると、金属層１の溶解を促進出来る。また、前述の通り、冷却時間が長い場合（約９０分以上の場合）、稀に金属４が微粒子（粒径：数マイクロメートル）としてグラフェン上に析出する場合がある。この場合、金属微粒子を酸やアルカリなどで除去する。
このように、第１の実施形態によれば、金属層１を炭化物層２と接触させ、金属層１と炭化物層２を加熱することで金属層１中に炭化物層２中の炭素３を溶解させ、次いで金属層１と炭化物層２を冷却して金属層１中の炭素３を炭化物層２の表面にグラフェン７として析出させることにより、グラフェン基板８を製造している。
そのため、グラフェン基板８のスケールアップが容易であり、大面積のグラフェン基板を製造できるという利点が得られる。
さらに、第１の実施形態ではＳｉＣ熱分解グラフェンの場合のような、高温（〜１６００℃）処理や、基板１２の水素プラズマ処理・シラン処理が不要であるので、低コスト化が図れる。
さらに、第１の実施形態によれば、基板１２は表面に炭化物層２を有するので、一般的に絶縁体である。すなわち、グラフェン基板８はグラフェン・オン・インシュレータ（ｇｒａｐｈｅｎｅ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ、絶縁体上グラフェン）基板である。
そのため、ガリウム・アモルファス炭素界面成長グラフェンの場合とは全く異なり、第１の実施形態のグラフェン基板８はそのまま、グラフェン素子の製造に使用できる。
さらに、第１の実施形態では、ＣＶＤグラフェンの場合のような、グラフェン７の品質を劣化させる転送工程を必要としないので、高品質を維持しつつ、グラフェン素子を製造できる利点が得られる。
即ち、第１の実施形態に係るグラフェンの製造方法は、量産性があり、高品質のグラフェンが得られると同時に、低製造コストで、半導体装置製造に直接使用可能である。
次に、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態は、基本的な製造の手順は第１の実施形態と同様であるが、異なる点が２つある。
１つ目の相違点は、金属層１の蒸発や流動を防ぐための工夫が施されている点、具体的には金属層１を炭化物層２（基板１２）と第２の基板２０で挟み込んでいる点である。
２つ目の相違点は、第２の基板２０上にグラフェン７を直接形成している点である。
以下、図３を参照して第２の実施形態に係るグラフェン基板８ａ、８ｂの製造方法について説明する。
なお、第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、説明を省略する。
まず、図３（ａ）に示すように、基板１２を用意する。
次に、図３（ｂ）に示すように、基板１２上に金属層１を配置し金属層１と炭化物層２を接触させる。
次に、図３（ｃ）に示すように、金属層１上に第２の基板２０（耐熱材料層）を配置して両者を接触させる。
第２の基板２０の材料としては、上記で示した炭化物（炭化物層２を構成する炭化物）のほか、石英（ＳｉＯ_２）、アルミナやサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）など、耐熱性のある材料から選択可能である。
このように、第２の基板２０を金属層１上に密着して配置すると、第１の実施形態と比べて加熱時の金属層１の蒸発を減少させることができる。
次に、図３（ｄ）に示すように、加熱・冷却によりグラフェン７を形成する。
この際、図３（ｄ）に示すように、基板１２のみならず、第２の基板２０にもグラフェン７が成長する。
そのため、炭化物層２（基板１２）上のグラフェン基板８ａは勿論、第２の基板２０上のグラフェン基板８ｂも、グラフェン素子の製造に用いることが可能である。
従って、図３の配置を利用することにより、様々な材質の基板上にグラフェンを製造できる。
最後に、図３（ｅ）に示すように、金属層１を基板１２および第２の基板２０から除去してグラフェン基板８ａ、８ｂが完成する。
このように、第２の実施形態によれば、金属層１を炭化物層２上に配置し、金属層１と炭化物層２を加熱することで金属層１中に炭化物層２中の炭素３を溶解させ、次いで金属層１と炭化物層２を冷却して金属層１中の炭素３を炭化物層２の表面にグラフェン７として析出させることにより、グラフェン基板８ａを製造している。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第２の実施形態によれば、金属層１の上に第２の基板２０を密着して配置してから金属層１を加熱・冷却してグラフェン７を析出させている。
そのため、第１の実施形態と比べて加熱時の金属層１の蒸発量を減少させることができる。
また、第２の基板２０上のグラフェン基板８ｂも、グラフェン素子の製造に用いることが可能である。
次に、第３の実施形態について、図４を参照して説明する。
第３の実施形態は、第１の実施形態において、基板１２上に金属層１を配置するのではなく、ホルダ２１内に金属層１を配置し、その上に基板１２を配置してグラフェン基板８を形成するものである。
なお、第３の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、説明を省略する。
以下、図４を参照して第３の実施形態に係るグラフェン基板８の製造方法について説明する。
まず、図４（ａ）に示すようにホルダ２１を用意する。
ホルダ２１は図４（ａ）に示すように、二段階に凹部が形成された箱型の形状を有しており、下段側凹部４１（底面側の凹部）が金属層１の寸法・形状に対応しており、上段側凹部４３（上面側の凹部）が基板１２の寸法・形状に対応している。
また、ホルダ２１の材質は、後述する熱処理に耐えられる材料であれば良い。
このような材料としては、例えば石英（ＳｉＯ_２）、アルミナやサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などが挙げられる。
次に、図４（ｂ）に示すように、ホルダ２１の下段側凹部４１に金属層１を配置する。
次に、図４（ｃ）に示すように、ホルダ２１の上段側凹部４３に基板１２を配置し、炭化物層２を金属層１と接触させる。
次に、図４（ｄ）に示すように、加熱・冷却によりグラフェン７を形成する。
ここで、図４（ｄ）の状態では、金属層１はホルダ２１に保持され、底面と側面はホルダ２１に接触し、上面は基板１２と接触している。
そのため、加熱時に溶融した金属層１はホルダ２１によって流動を抑制され、金属層１によって上方への蒸発を防止されている。
そのため、金属層１の蒸発や流動による損失を最小限にすることができる。
最後に、図４（ｅ）に示すように、基板１２をホルダ２１から取り出し、金属層１を基板１２から除去してグラフェン基板８が完成する。
このように、第３の実施形態によれば、金属層１を炭化物層２上に配置し、金属層１と炭化物層２を加熱することで金属層１中に炭化物層２中の炭素３を溶解させ、次いで金属層１と炭化物層２を冷却して金属層１中の炭素３を炭化物層２の表面にグラフェン７として析出させることにより、グラフェン基板８を製造している。
従って、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第３の実施形態によれば、ホルダ２１内に金属層１を配置し、その上に基板１２を配置してグラフェン基板８を製造している。
そのため、金属層１の蒸発や流動による損失を最小限にすることができる。
次に、第４の実施形態について、図５を参照して説明する。
第４の実施形態は、第２の実施形態において、ホルダ２１ａ内でグラフェン基板８ａ、８ｂを製造するものである。
なお、第４の実施形態において、第２の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、説明を省略する。
以下、図５を参照して第４の実施形態に係るグラフェン基板８ａ、８ｂの製造方法について説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、ホルダ２１ａを用意する。
ホルダ２１ａは凹部を有する箱型の形状をしており、材料は第３の実施形態のホルダ２１と同様である。
なお、ホルダ２１ａはホルダ２１とは異なり、凹部は１段であり、基板１２に対応した形状を有している。
次に、図５（ｂ）に示すように、ホルダ２１ａ内に基板１２を、炭化物層２が上（ホルダ１２ａの開放端側）を向くように配置する。
次に、図５（ｃ）に示すように、基板１２上にスペーサ２２を配置する。
スペーサ２２は枠状の形状を有しており、枠の外周形状はホルダ２１ａの内周形状に対応しており、枠の内周の形状は金属層１の外周形状に対応している。
スペーサ２２の材質は、ホルダ２１、２１ａと同様に後述する熱処理に耐えられる材料であれば良い。
即ち、具体的には石英（ＳｉＯ_２）、アルミナやサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ素（ＢＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などが挙げられる。
次に、図５（ｄ）に示すように、スペーサ２２の枠内に金属層１を配置し、基板１２の炭化物層２と接触させる。
次に、図５（ｅ）に示すように、スペーサ２２および金属層１上に第２の基板２０を配置し、金属層１に接触させる。
次に、図５（ｆ）に示すように、加熱・冷却によりグラフェン７を形成する。
ここで、金属層１は底面が基板１２と、側面がスペーサ２２と、上面が第２の基板２０とそれぞれ接触している。
即ち、加熱の際には、金属層１は基板１２とスペーサ２２によって流動を阻止され、第２の基板２０によって上方への蒸発を阻止される。
最後に、図５（ｇ）に示すように、基板１２と第２の基板２０をホルダ２１ａから取り出して金属層１を除去し、グラフェン基板８ａ、８ｂが完成する。
なお、基板１２と第２の基板２０の配置場所は逆でも良い。
このように、第４の実施形態によれば、金属層１を炭化物層２と接触させ、金属層１と炭化物層２を加熱することで金属層１中に炭化物層２中の炭素３を溶解させ、次いで金属層１と炭化物層２を冷却して金属層１中の炭素３を炭化物層２および第２の基板２０の表面にグラフェン７として析出させることにより、グラフェン基板８、８ａを製造している。
従って、第２の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第４の実施形態によれば、ホルダ２１ａとスペーサ２２を用い、金属層１が、底面は基板１２と、側面はスペーサ２２と、上面は第２の基板２０とそれぞれ接触した状態で加熱・冷却によりグラフェン７を形成する。
そのため、第２の実施形態と比較して、加熱時の金属層１の流動や蒸発を阻止または減少させることができる。
次に、第５の実施形態について説明する。
第５の実施形態は、第１〜第４の実施形態において、種々の表面形状を有する基板１２の表面にグラフェン７を形成したものである。
図６（ａ）に示す基板１２ａは、第１〜第４の実施形態で用いた基板１２と同様の平面形状、即ち平坦な平面形状を有している。
そのため、第１〜第４の実施形態で説明した方法により、平坦な基板１２ａから、平坦なグラフェン７ａを有する平坦なグラフェン基板８ａが得られる。
一方、図６（ｂ）では凸型の３次元構造を持つグラフェン基板８ｂ、図６（ｃ）では波型の３次元構造を持つグラフェン基板８ｃ、図６（ｄ）では凹型の３次元構造を持つグラフェン基板８ｄが得られる。
ここで、図６（ｂ）〜（ｄ）において、３次元構造が十分大きい（１００μｍ以上）場合、液化した金属層１は炭化物層２のすべての面と接することができる為、３次元構造のすべての面がグラフェン化する。一方、図６（ｅ）や（ｆ）において、３次元構造の周期寸法が概ね１００μｍ以下と小さい場合は、液化した金属層１は炭化物層２の３次元構造のすべての面に接することが出来ない。
これは金属層１を構成する金属の界面張力のためである。
そのため、例えば、図６（ｅ）の場合、拡大図９ｅに示すように、炭化物層２の波型構造（凹凸形状）において山の頂点部分（凸部）のみがグラフェン化するため、グラフェン基板８ｅの拡大図１０ｅに示すように、短冊状グラフェン７ｅを頂くグラフェン基板８ｅが得られる。
また、図６（ｆ）の場合、拡大図９ｆに示すように、液化したフラックスはメッシュ構造内部に浸透することが出来ず、メッシュ構造の表面のみと接する。
この場合は、メッシュ構造の周期が十分小さいためにグラフェン化がメッシュ（凸部）を架橋するようにして進行する。
この結果、拡大図１０ｆに示すように、メッシュ構造を２次元グラフェン７ｆが被覆したグラフェン基板８ｆが得られる。これらグラフェン基板８ａ〜８ｆを元に、後述する様々なグラフェン素子を作製することが可能である。
次に、第６の実施形態について説明する。
第６の実施形態は、第１の実施形態に係るグラフェン基板８を用いて電界効果トランジスタ３７を製造したものである。
なお、第６の実施形態において、第１の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、説明を省略する。
以下、図７を参照して第６の実施形態に係る電界効果トランジスタ３７の製造方法について説明する。
ここでは、標準的なリソグラフィー技術を用いてグラフェン７をチャネルとして有する電界効果トランジスタ３７を製造する手順が例示されている。
まず、図７（ａ）で示すように、炭化物層２を表層に持つ基板１２もしくは炭化物基板を用意し、第１の実施形態に係る方法により図７（ｂ）に示すように、基板１２がグラフェン７で被覆されたグラフェン基板８を得る。
次いで、レジスト塗布、リソグラフィー露光、ウェットエッチングにより、図７（ｃ）に示すように、マスク３１を形成し、マスク３１で覆われた以外のグラフェン７を酸素プラズマでドライエッチングすることで、図７（ｄ）に示すように、グラフェン７からなるソース・ドレイン電極コンタクト部分３２、ならびに、グラフェン・チャネル３３を得る。
次いで、図７（ｅ）に示すように、ソース・ドレイン電極３４を蒸着により形成し、さらに、図７（ｆ）に示すように、ゲート絶縁体３５を蒸着により形成する。
最後に、図７（ｇ）に示すように、ゲート電極３６をゲート絶縁体３５上に蒸着により形成することで、最終的に、グラフェン７をチャネルとして有する電界効果トランジスタ３７を得る。
なお、図７は図６（ａ）の平坦なグラフェン基板８ａから出発して電界効果トランジスタ３７を製造した例であるが、図６（ｂ）〜図６（ｆ）の様々な表面構造を持つグラフェン基板８ｂ〜８ｆから出発すれば、様々なグラフェン素子を得ることが可能である。
例えば、図６（ｂ）〜図６（ｄ）に示される３次元構造のグラフェン基板８ｂ〜８ｄからは、機械要素部品、センサー、アクチュエターと電子回路を組み合わせたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）やＮＥＭＳ（Ｎａｎｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）に代表されるメカノエレクトロニクス分野の半導体装置を得ることが出来る。
また、図６（ｃ）〜図６（ｆ）の周期構造を持つグラフェン基板８ｃ〜８ｆからは、その周期が遠赤外からテラヘルツ電磁波帯の波長程度である場合、増幅器、発信器、光源、レーザー、超高速・広帯域情報通信機器などのオプトエレクトロニクス分野の半導体装置を得ることが出来る。
さらに、図６（ｅ）や図６（ｆ）の微細な周期構造を持つグラフェン基板６ｅ、６ｆから出発すれば、太陽電池、省エネルギー発光ダイオード照明、熱電変換素子などの環境・エネルギー分野の半導体装置を得ることが可能である。

【実施例】

【0006】

以下、実施例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例１）
図５に示す方法により種々の加熱温度でグラフェン基板８ａ、８ｂを作製し、作製したグラフェン基板８ａ、８ｂ中のグラフェン７の構造と加熱温度との関係を調べた。具体的な手順は以下の通りである。
まず、基板１２（炭化物層２）として炭化ケイ素基板（６Ｈ−ＳｉＣ／シリコン面、１０×１０×０．４５ｍｍｔ）、第２の基板２０としてサファイヤ基板（１０×１０×１ｍｍｔ）を用意し、イソプロピルアルコール、アセトンの順で洗浄した。
なお、サファイヤ基板は大気中１０００℃で１時間加熱することで、炭素化合物を完全に除去した。
次いで、図５に示すように、サファイヤ基板をホルダ２１ａに嵌め込んだ後、溶融したガリウム２００μｌ（マイクロリットル、約１ｇ）をサファイヤ基板上に配置し、さらに、炭化ケイ素基板をガリウム上に配置した。
このサンプルを６個用意した。次いで、サファイヤ基板／ガリウム／炭化ケイ素基板を保持したホルダ２１ａを電気炉内にセットし、真空ポンプで排気した後、ホルダ等に付着している可能性のある有機物等を除去するために、３０分間、３００℃で予備加熱した。
次に、グラフェン成長のための加熱した後・室温まで冷却した。
加熱温度は、図８に示すように、６個のサンプルについて、それぞれ（１）６００℃、（２）８００℃、（３）９００℃、（４）１０００℃、（５）１１００℃、（６）１２００℃とした。
また、冷却温度は図８に示すように、（１）と（２）の場合、９０分間、加熱温度と同温度で維持し、（３）〜（６）の場合は、それぞれ、８００℃まで降温する時間を９０分に固定した。
その後、ホルダ２１ａから基板１２および第２の基板２０を取り出し、ガリウムをピペットで吸引した後、８０℃に加熱した濃塩酸中に基板１２を３０分間浸漬し、ガリウム残渣を除去した。また、グラフェン上にＳｉＣ基板由来のシリコン微粒子の析出が認められる場合は、８０℃に加熱した５０％水酸化カリウム水溶液または２５％水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液中に基板１２を６０分間浸漬し、シリコン微粒子を除去した。
最後に、イソプロピルアルコール、アセトンで基板１２を洗浄した後、窒素ブローで乾燥させた。
以上の工程により試料が完成した。
次に、炭化ケイ素基板（グラフェン基板８ａ）・サファイヤ基板（グラフェン基板８ｂ）の表面のグラフェン形成状態をラマン分光法により評価した。
その結果、炭化ケイ素基板・サファイヤ基板由来のグラフェン基板８ａ、８ｂのどちらとも、（１）６００℃、の場合では、Ｄ／Ｇ比が１程度と大きいことから、グラフェン化が殆ど起こらず、アモルファス的であると評価される一方、（２）８００℃、〜（６）１２００℃の場合、Ｄ／Ｇ比≦０．２と小さいことから、グラフェン化が十分進行し、グラフェン７の品質は高いと評価できることが分かった。
また、グラフェン７の層数は単層から１０層の範囲にあり、加熱温度が高くなるにつれ、層数の増大が見られた。
特に、（３）〜（５）の場合、グラフェン７の品質は非常に高かった。
以上より、本発明のグラフェン基板８ａ、８ｂを製造するのに適する加熱温度は８００〜１２００℃であり、最適な加熱温度は９００〜１１００℃と考えられる。
（実施例２）
実施例１において、加熱温度を一定にし、種々の冷却速度で冷却を行い、作製したグラフェン基板８ａ、８ｂのグラフェン７の構造と冷却速度との関係を調べた。
具体的には、６つのサンプルを用意し、図９に示すように、加熱温度をグラフェン成長に最適な１０００℃とし、降温時間をそれぞれ、（１）０分、（２）３０分、（３）６０分、（４）９０分、（５）１２０分、（６）１５０分、（７）１８０分としてグラフェン基板８ａ、８ｂを製造した。他の条件は実施例１と同様とした。
なお、ここでいう降温時間とは、１０００℃から８００℃まで冷却する時間のことである。
次に、炭化ケイ素基板（グラフェン基板８ａ）・サファイヤ基板（グラフェン基板８ｂ）の表面のグラフェン形成状態をラマン分光法により評価した。
その結果、炭化ケイ素基板・サファイヤ基板由来のグラフェン基板８ａ、８ｂのどちらでも、（１）の場合では、Ｄ／Ｇ比が１程度と大きいことから、グラフェン化が殆ど起こらず、アモルファス的であると評価される一方、（２）〜（６）の場合、Ｄ／Ｇ比≦０．２と小さいことから、グラフェン化が十分進行し、グラフェン７の品質は高いと評価できることが分かった。層数は単層から１０層の範囲であった。特に、（３）〜（５）の場合、Ｄ／Ｇ比が０．１以下であることから、グラフェン７の品質は非常に高いと評価できた。しかし、（７）の場合、Ｄ／Ｇ比≦０．２と小さいことから、グラフェン化は起こっていると評価されるが、２７００ｃｍ^−１付近の２Ｄバンド（Ｄバンドの倍音）の形状と中心波数から判断すると、グラフェンの層数は１０層を大幅に超えていることから、グラフェンとしての品質は低下していることが分かった。
以上より、本発明のグラフェン基板８ａ、８ｂを製造するのに適する降温時間は３０〜１５０分であり、最適な降温時間は６０〜１２０分と考えられる。
（実施例３）
組成の異なる種々の炭化物基板（基板１２）に種々の加熱温度条件下でグラフェン基板を作製し、炭化物基板を構成する炭化物の種類と加熱温度条件の関係を評価した。具体的に手順は以下の通りである。
まず、基板１２（炭化物層２）として、６Ｈ−ＳｉＣ／炭素面、４Ｈ−ＳｉＣ／シリコン面、４Ｈ−ＳｉＣ／炭素面の基板、および炭化タングステン、炭化チタンの基板１２を複数用意し、実施例１と同じ種々の熱処理条件でグラフェン基板８を作製した。
結果を図１０に示す。
なお、図１０は、本発明によるグラフェン基板製造に適する加熱温度と降温時間の範囲を温度プロファイル上に示したものである。
図１０に示すように、どの種類の炭化物を用いた場合でも、加熱温度は８００〜１２００℃、降温時間は３０〜１５０分の範囲にある場合に、高品質なグラフェン７が得られた。
（実施例４）
実施例１と同様の条件でグラフェン基板８ａを作製し、グラフェン７の表面状態および構造を評価した。
まず、グラフェン基板８ａを作製した。
具体的には、実験条件は実施例１と同様で、加熱温度１０００℃、８００℃までの降温時間は６０分の条件下でグラフェン基板８ａを作製した。
図１１（ａ）に、グラフェン形成前の基板１２（炭化ケイ素基板、６Ｈ−ＳｉＣ／シリコン面、１０×１０×０．４５ｍｍｔ）を、図１１（ｂ）にグラフェン形成後の基板（グラフェン基板８ａ）を示す。
なお、図１１（ｂ）の四隅の矢印はガリウムが接触した部分としない部分の境界を示す。
図１１（ａ）、（ｂ）の比較から明らかなように、図１１（ｂ）では、中央部がグラフェン７で覆われていた。
次に、図１１（ｂ）のグラフェン基板表面のラマンスペクトルを求めた。
結果を図１１（ｃ）に示す。
図１１（ｃ）から明らかなように、欠陥の存在を示す１３５０ｃｍ^−１付近のＤバンドは十分小さく（Ｄ／Ｇ比〜０．０５）、１５８０ｃｍ^−１付近のＧバンドと２７００ｃｍ^−１付近の２Ｄバンドの比が約１：１であることから、２層程度のグラフェン７が支配的であることが分かった。
（実施例５）
実施例１と同様の実験条件で、第２の基板２０の材質が、炭化ケイ素（６Ｈ−ＳｉＣ／シリコン面、半絶縁体性）、石英、アルミナ、六方晶系窒化ホウ素の場合を試験した結果、実施例１と同様、どの第２の基板２０の表面にもグラフェン７が形成されることが確認された。従って、本発明によれば、第２の基板２０は耐熱性があれば、グラフェン形成が可能であることが証明された。
（実施例６）
本発明の方法で得られたグラフェン基板８（炭化ケイ素上グラフェン）を用いて、図７に示す手順に従って電界効果トランジスタ３７を作製した。
なお、グラフェン基板の作製条件は、加熱温度を１０００℃とし、８００℃までの降温時間は９０分とした他は実施例１と同様とした。
次に、得られた電界効果トランジスタ３７を、プローバーと半導体パラメーターアナライザーを用いて、室温で伝導特性を評価した。
その結果、ドレイン電流のゲート電圧依存性（輸送特性）は、０Ｖ付近のディラックポイントでドレイン電流が最小となり、ゲート電圧をマイナス側、プラス側どちらに掃引してもドレイン電流が増大するという、グラフェンに典型的な両極性伝導を呈した。
従って、本発明の方法を用いてグラフェン素子を製造できることが証明された。
以上、本発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、本実施形態ではグラフェン基板を用いて電界効果トランジスタを製造した場合について説明したが、本発明は何らこれに限定されることはなく、例えば論理回路、記憶素子回路、ＡＤ（アナログ・デジタル）コンバーターなどのエレクトロニクス分野の半導体装置を製造することも可能である。
なお、本出願は、２０１０年１１月４日に出願された、日本国特許出願第２０１０−２４７１２２号からの優先権を基礎として、その利益を主張するものであり、その開示はここに全体として参考文献として取り込む。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】