特開 2022-163868 グラフェン素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022163868

(43)【公開日】2022-10-27

(54)【発明の名称】グラフェン素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/786 20060101AFI20221020BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20221020BHJP

   H01L 21/02 20060101ALI20221020BHJP

   H01L 21/20 20060101ALI20221020BHJP

   H01L 51/30 20060101ALI20221020BHJP

   H01L 51/05 20060101ALI20221020BHJP

   H01L 51/40 20060101ALI20221020BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20221020BHJP

   C30B 29/02 20060101ALI20221020BHJP

   C01B 32/182 20170101ALI20221020BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 618B

H01L29/78 626C

H01L29/78 617N

H01L27/12 B

H01L21/02 B

H01L21/02 C

H01L21/20

H01L29/28 250E

H01L29/28 100A

H01L29/28 310E

H01L21/205

C30B29/02

C01B32/182

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021068970

(22)【出願日】2021-04-15

【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２７年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「グラフェンナノリボンの合成・評価とシミュレーション」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】近藤 大雄

【テーマコード（参考）】

4G077

4G146

5F045

5F110

5F152

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077BA02

4G077ED06

4G077EF02

4G077HA06

4G146AA01

4G146AB07

4G146AD30

4G146BB23

5F045AA03

5F045AB07

5F045AC07

5F045AC16

5F045AD10

5F045AD11

5F045AD12

5F045AE15

5F110AA26

5F110CC01

5F110CC07

5F110CC10

5F110DD04

5F110DD05

5F110DD12

5F110DD13

5F110DD17

5F110DD21

5F110EE03

5F110EE04

5F110EE14

5F110EE30

5F110EE43

5F110FF01

5F110FF27

5F110FF28

5F110GG01

5F110GG05

5F110GG44

5F110HK03

5F110HK04

5F110HK21

5F110NN02

5F110NN22

5F110QQ04

5F110QQ14

5F110QQ16

5F152LL03

5F152LL05

5F152LL09

5F152LL10

5F152LN34

5F152LP01

5F152LP08

5F152MM04

5F152NN03

5F152NN13

5F152NP09

5F152NP13

5F152NQ02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】グラフェン転写時に使用する溶媒やレジストの残渣の影響を受けた特性のばらつきを抑制することができるグラフェン素子を提供する。
【解決手段】グラフェン素子１００は、基板１１０と、窒化ホウ素層１２０と、グラフェン層１３０と、絶縁層１４０と、ソース電極１５１と、ドレイン電極１５２と、ゲート電極１５３と、を有する。窒化ホウ素層１２０は、互いに積層された、層状物質である窒化ホウ素を複数有する。グラフェン層１３０は、窒化ホウ素層１２０の上面１２１及び側面１２２に接触する。グラフェン層１３０は、互いに積層された、層状物質であるグラフェンを１又は複数有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

乱層構造を有する窒化ホウ素層と、
前記窒化ホウ素層に接触するグラフェン層と、
を有することを特徴とするグラフェン素子。

【請求項2】

基板を有し、
前記基板と前記グラフェン層との間に前記窒化ホウ素層が位置することを特徴とする請求項１に記載のグラフェン素子。

【請求項3】

基板を有し、
前記基板と前記窒化ホウ素層との間に前記グラフェン層が位置することを特徴とする請求項１に記載のグラフェン素子。

【請求項4】

前記グラフェン層に接触する第１電極と、
前記グラフェン層に接触する第２電極と、
を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のグラフェン素子。

【請求項5】

前記グラフェン層の前記第１電極と前記第２電極との間の部分の電位を制御する制御電極を有することを特徴とする請求項４に記載のグラフェン素子。

【請求項6】

前記グラフェン層の少なくとも一部を覆う絶縁層を有し、
前記制御電極は、前記絶縁層の少なくとも一部を覆う第３電極を有することを特徴とする請求項５に記載のグラフェン素子。

【請求項7】

前記制御電極は、前記窒化ホウ素層の下に設けられた第４電極を有することを特徴とする請求項５又は６に記載のグラフェン素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、グラフェン素子に関する。

【背景技術】

【0002】

上面に酸化シリコン膜が形成されたシリコン基板の上に転写により六方晶の窒化ホウ素を転写し、窒化ホウ素の上に転写によりグラフェンを設けたグラフェン素子が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１９－５２２３４８号公報

【特許文献2】特開２０１６－５８６３１号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics, NATURE NANOTECHNOLOGY, VOL 5, OCTOBER 2010

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来のグラフェン素子では、転写位置の制御は困難であることから商用には適しているとはいえない。合成により作製した大面積グラフェンを用いることで素子化は容易となるものの、転写時に使用する溶媒やレジストの残渣の影響を受けるため特性にばらつきが生じやすい。

【0006】

本開示の目的は、グラフェン転写時に使用する溶媒やレジストの残渣の影響を受けた特性のばらつきを抑制することができるグラフェン素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一形態によれば、乱層構造を有する窒化ホウ素層と、前記窒化ホウ素層に接触するグラフェン層と、を有するグラフェン素子が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、グラフェン転写時に使用する溶媒やレジストの残渣の影響を受けた特性のばらつきを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図（その１）である。

【図2】第１実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図（その２）である。

【図3】第１実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その１）である。

【図4】第１実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その２）である。

【図5】第１実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その３）である。

【図6】第１実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その４）である。

【図7】第１実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その５）である。

【図8】第１実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その６）である。

【図9】第１実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その７）である。

【図10】第１実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す平面図（その１）である。

【図11】第１実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す平面図（その２）である。

【図12】第２実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図（その１）である。

【図13】第２実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図（その２）である。

【図14】第２実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その１）である。

【図15】第２実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その２）である。

【図16】第２実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その３）である。

【図17】第２実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その４）である。

【図18】第２実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その５）である。

【図19】第３実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図（その１）である。

【図20】第３実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図（その２）である。

【図21】第４実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その１）である。

【図22】第４実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その２）である。

【図23】第４実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その３）である。

【図24】第４実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その４）である。

【図25】第４実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その５）である。

【図26】第４実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その６）である。

【図27】第４実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その７）である。

【図28】第４実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その８）である。

【図29】第５実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図である。

【図30】第５実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その１）である。

【図31】第５実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その２）である。

【図32】第５実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その３）である。

【図33】第５実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その４）である。

【図34】第５実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その５）である。

【図35】第５実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図（その６）である。

【図36】第６実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図である。

【図37】ラマン分析の結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

【0011】

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。図１及び図２は、第１実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図である。図１は、図２中のI-I線に沿った断面図に相当し、図２は、図１中のII-II線に沿った断面図に相当する。

【0012】

第１実施形態に係るグラフェン素子１００は、図１及び図２に示すように、基板１１０と、窒化ホウ素層１２０と、グラフェン層１３０と、絶縁層１４０と、ソース電極１５１と、ドレイン電極１５２と、ゲート電極１５３とを有する。

【0013】

基板１１０は、シリコン基板１１１と、シリコン基板１１１の上面に形成された酸化シリコン膜１１２とを有する。基板１１０は、例えば熱酸化膜付きシリコン基板である。基板１１０がサファイア基板等の絶縁基板であってもよい。

【0014】

窒化ホウ素層１２０は、基板１１０の上面の一部に設けられている。窒化ホウ素層１２０は乱層構造を有する。窒化ホウ素層１２０は、互いに積層された、層状物質である窒化ホウ素を複数有する。各窒化ホウ素は、例えば六方晶構造を有してもよい。窒化ホウ素層１２０の厚さは、例えば２０ｎｍ～２００ｎｍである。

【0015】

グラフェン層１３０は窒化ホウ素層１２０を覆う。グラフェン層１３０は窒化ホウ素層１２０の上面１２１及び側面１２２に接触する。グラフェン層１３０は、互いに積層された、層状物質であるグラフェンを１又は複数有する。

【0016】

ソース電極１５１はグラフェン層１３０の一部に接触し、ドレイン電極１５２はグラフェン層１３０の他の一部に接触する。ソース電極１５１及びドレイン電極１５２は、例えば、チタン膜と、チタン膜上の金膜とを有する。チタン膜がグラフェン層１３０に接触する。例えば、チタン膜の厚さは１ｎｍ～１０ｎｍであり、金膜の厚さは２０ｎｍ～１００ｎｍである。ソース電極１５１及びドレイン電極１５２は、第１電極及び第２電極の一例である。

【0017】

ソース電極１５１とドレイン電極１５２との間において、グラフェン層１３０が絶縁層１４０により覆われている。絶縁層１４０は、例えば厚さが５ｎｍ～２０ｎｍの酸化アルミニウム膜である。絶縁層１４０が、乱層構造を有する窒化ホウ素層であってもよい。

【0018】

ゲート電極１５３は、ソース電極１５１とドレイン電極１５２との間において、絶縁層１４０を覆う。ゲート電極１５３は、ソース電極１５１及びドレイン電極１５２から離れている。ゲート電極１５３は、例えば、チタン膜と、チタン膜上の金膜とを有する。チタン膜が絶縁層１４０に接触する。例えば、チタン膜の厚さは１ｎｍ～１０ｎｍであり、金膜の厚さは２０ｎｍ～１００ｎｍである。ゲート電極１５３は、制御電極及び第３電極の一例である。

【0019】

第１実施形態では、絶縁層１４０がゲート絶縁膜として機能する。従って、グラフェン素子１００は、トップゲート構造を有する電界効果トランジスタとして用いることができる。

【0020】

次に、第１実施形態に係るグラフェン素子１００の製造方法について説明する。図３～図９は、第１実施形態に係るグラフェン素子１００の製造方法を示す断面図である。図１０～図１１は、第１実施形態に係るグラフェン素子１００の製造方法を示す平面図である。図５は、図１０中のV-V線に沿った断面図に相当し、図６は、図１１中のVI-VI線に沿った断面図に相当する。

【0021】

まず、図３に示すように、シリコン基板１１１及び酸化シリコン膜１１２を有する基板１１０を準備する。基板１１０は、例えば、シリコン基板の一方の面を熱酸化することにより形成することができる。基板１１０として、熱酸化膜付きシリコン基板を用いることができる。

【0022】

次いで、図４に示すように、酸化シリコン膜１１２の上に乱層構造を有する窒化ホウ素層１２０を形成する。乱層構造を有する窒化ホウ素層１２０は、例えば六方晶構造を有する窒化ホウ素ターゲットを用いたスパッタ法により形成することができる。スパッタ法を用いる場合は、使用ガスとしてはアルゴン若しくは窒素又はこれらの混合ガスを用いてよい。窒化ホウ素層１２０を電子ビーム法により形成してもよい。窒化ホウ素層１２０を形成する際の基板１１０の温度は、例えば２０℃～１０００℃とする。

【0023】

その後、図５及び図１０に示すように、窒化ホウ素層１２０を、予め定められている形状に加工する。窒化ホウ素層１２０の加工は、例えば酸素プラズマ等を用いた反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）により行うことができる。

【0024】

続いて、図６及び図１１に示すように、窒化ホウ素層１２０を覆うようにグラフェン層１３０を形成する。グラフェン層１３０は、例えば熱化学気相成長（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）法により合成することができる。グラフェン層１３０は、窒化ホウ素層１２０の上面１２１及び側面１２２から成長する。例えば、グラフェン層１３０を形成する際の基板１１０の温度は６００℃～８００℃とし、チャンバ内の圧力は０．８ｋＰａ～１．２ｋＰａとする。グラフェン層１３０の原料としては、例えばアセチレンガスを用いることができる。アセチレンガスは、例えばアルゴンガス等の希釈ガスとの混合ガスとしてチャンバ内に供給される。混合ガス中のアルゴンガスの割合は、例えば５体積％～１５体積％である。原料ガスとして、アセチレンガスに代えて、メタンガス及びエチレンガス等の炭化水素系ガスが用いられてもよく、エタノール及びメタノール等のアルコール系ガスが用いられてもよい。希釈ガスとして、アルゴンガスに代えて、ヘリウムガス又は水素ガスが用いられてもよい。また、希釈ガスを混合して用いてもよい。

【0025】

次いで、図７に示すように、ソース電極１５１及びドレイン電極１５２を形成する。ソース電極１５１及びドレイン電極１５２は、例えば、堆積及びリフトオフにより形成することができる。すなわち、ソース電極１５１及を形成する予定の領域及びドレイン電極１５２を形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法等により金属膜を堆積し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、チタン膜を形成し、その上に金膜を形成する。

【0026】

その後、基板１１０の上に、グラフェン層１３０、ソース電極１５１及びドレイン電極１５２を覆う絶縁層を形成する。続いて、図８に示すように、この絶縁層の、ソース電極１５１とドレイン電極１５２との間において、グラフェン層１３０を覆う部分以外を除去する。この結果、図８に示すように、絶縁層１４０が得られる。絶縁層１４０が酸化アルミニウム層である場合、例えば絶縁層は熱原子層堆積（atomic layer deposition：ＡＬＤ）法により形成することができる。絶縁層１４０が乱層構造を有する窒化ホウ素層である場合、例えば絶縁層はスパッタ法により形成することができる。

【0027】

次いで、図９に示すように、ゲート電極１５３を形成する。ゲート電極１５３は、例えば、堆積及びリフトオフにより形成することができる。すなわち、ゲート電極１５３を形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法等により金属膜を堆積し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、チタン膜を形成し、その上に金膜を形成する。

【0028】

このようにして第１実施形態に係るグラフェン素子１００を製造することができる。

【0029】

第１実施形態では、乱層構造を有する窒化ホウ素層１２０にグラフェン層１３０が接触している。このため、グラフェン層１３０は、窒化ホウ素層１２０の上に直接合成することができる。従って、グラフェン層１３０の窒化ホウ素層１２０の上への転写を行う必要がない。

【0030】

グラフェン層１３０の窒化ホウ素層１２０の上への転写を行った場合、転写に用いる基板の除去等の際に使用した溶媒やレジストを原因とする残渣が生じ、この残渣に伴って特性がばらつきやすい。本実施形態によれば、グラフェン層１３０の窒化ホウ素層１２０の上への転写を行う必要がないため、転写に伴う残渣の発生を防止することができる。従って、グラフェン素子１００の特性のばらつきを抑制することができる。

【0031】

また、本実施形態では、乱層構造を有する窒化ホウ素層１２０の上面１２１及び側面１２２からグラフェン層１３０が成長できる。このため、グラフェン層１３０と、ソース電極１５１及びドレイン電極１５２との間の接触面積を大きく確保して接触抵抗を低減することができる。更に、窒化ホウ素層１２０の上面１２１及び側面１２２から成長したグラフェン層１３０を用いて種々の構造を構築することもできる。

【0032】

なお、ソース電極１５１とドレイン電極１５２との間において、絶縁層１４０がグラフェン層１３０の上面及び側面の両方を覆う必要はなく、例えば絶縁層１４０がグラフェン層１３０の上面のみを覆っていてもよい。また、ゲート電極１５３が絶縁層１４０の上面及び側面の両方を覆う必要はなく、例えばゲート電極１５３が絶縁層１４０の上面のみを覆っていてもよい。

【0033】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、主としてゲート電極の構造の点で第１実施形態と相違する。図１２及び図１３は、第２実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図である。図１２は、図１３中のXII-XII線に沿った断面図に相当し、図１３は、図１２中のXIII-XIII線に沿った断面図に相当する。

【0034】

第２実施形態に係るグラフェン素子２００は、図１２及び図１３に示すように、第１実施形態におけるゲート電極１５３に代えて、ゲート電極２５３を有する。

【0035】

ゲート電極２５３は、ソース電極１５１とドレイン電極１５２との間において、窒化ホウ素層１２０の下で基板１１０の上に設けられている。ゲート電極２５３は窒化ホウ素層１２０により覆われている。ゲート電極２５３は、例えば、チタン膜と、チタン膜上の金膜とを有する。ゲート電極２５３は、制御電極及び第４電極の一例である。

【0036】

他の構成は第１実施形態と同様である。

【0037】

第２実施形態では、窒化ホウ素層１２０がゲート絶縁膜として機能する。従って、グラフェン素子２００は、埋込ゲート構造を有する電界効果トランジスタとして用いることができる。また、絶縁層１４０はグラフェン層１３０の保護層として機能する。絶縁層１４０が設けられていなくてもよい。

【0038】

次に、第２実施形態に係るグラフェン素子２００の製造方法について説明する。図１４～図１８は、第２実施形態に係るグラフェン素子２００の製造方法を示す断面図である。

【0039】

まず、図１４に示すように、第１実施形態と同様にして基板１１０を準備する。次いで、酸化シリコン膜１１２の上にゲート電極２５３を形成する。ゲート電極２５３は、例えば、堆積及びリフトオフにより形成することができる。すなわち、ゲート電極２５３を形成する予定の領域を露出し、他の領域を覆うフォトレジストのパターンを形成し、このパターンを成長マスクとして蒸着法等により金属膜を堆積し、このパターンをその上の金属膜と共に除去する。金属膜の形成では、例えば、チタン膜を形成し、その上に金膜を形成する。

【0040】

その後、図１５に示すように、ゲート電極２５３を覆うようにして、酸化シリコン膜１１２の上に乱層構造を有する窒化ホウ素層１２０を形成する。乱層構造を有する窒化ホウ素層１２０は、第１実施形態と同様に、例えば六方晶構造を有する窒化ホウ素ターゲットを用いたスパッタ法により形成することができる。

【0041】

続いて、図１６に示すように、窒化ホウ素層１２０を、予め定められている形状に加工する。窒化ホウ素層１２０の加工は、第１実施形態と同様に、例えば酸素プラズマ等を用いたＲＩＥにより行うことができる。

【0042】

次いで、図１７に示すように、窒化ホウ素層１２０を覆うようにグラフェン層１３０を形成する。グラフェン層１３０は、第１実施形態と同様に、例えば熱ＣＶＤ法により合成することができる。

【0043】

その後、図１８に示すように、第１実施形態と同様にして、ソース電極１５１、ドレイン電極１５２及び絶縁層１４０を形成する。

【0044】

このようにして第２実施形態に係るグラフェン素子２００を製造することができる。

【0045】

第２実施形態でも、乱層構造を有する窒化ホウ素層１２０にグラフェン層１３０が接触している。このため、第１実施形態と同様に、グラフェン素子２００の特性のばらつきを抑制することができる。

【0046】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、主としてゲート電極の構造の点で第１実施形態等と相違する。図１９及び図２０は、第３実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図である。図１９は、図２０中のXIX-XIX線に沿った断面図に相当し、図２０は、図１９中のXX-XX線に沿った断面図に相当する。

【0047】

第３実施形態に係るグラフェン素子３００は、図１９及び図２０に示すように、第１実施形態におけるゲート電極１５３に加えて、第２実施形態におけるゲート電極２５３を有する。

【0048】

他の構成は第１実施形態と同様である。

【0049】

第３実施形態では、窒化ホウ素層１２０及び絶縁層１４０がゲート絶縁膜として機能する。従って、グラフェン素子３００はダブルゲート構造を有する電界効果トランジスタとして用いることができる。グラフェン素子３００が、パーシャルなサラウンドゲート構造を有しているということもできる。

【0050】

第３実施形態に係るグラフェン素子３００を製造する場合、例えば、第２実施形態と同様にしてゲート電極２５３を形成し、その後、窒化ホウ素層１２０の形成及びグラフェン層１３０の形成等を経て、第１実施形態と同様にしてゲート電極１５３を形成する。

【0051】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は、製造方法の点で第１実施形態と相違する。図２１～図２８は、第４実施形態に係るグラフェン素子の製造方法を示す断面図である。

【0052】

まず、図２１に示すように、成長用の基板４６０を準備する。基板４６０は、例えば、シリコン基板４６１及び酸化シリコン膜４６２を有する。基板４６０は、例えば、シリコン基板の一方の面を熱酸化することにより形成することができる。基板４６０として、熱酸化膜付きシリコン基板を用いることができる。

【0053】

次いで、図２２に示すように、酸化シリコン膜４６２の上に触媒金属層４７０を形成する。触媒金属層４７０は、例えば鉄、ニッケル又はコバルトを含む。触媒金属層４７０の厚さは、例えば２０ｎｍ～５００ｎｍである。触媒金属層４７０は、例えばスパッタ法又は電子ビーム法により形成することができる。

【0054】

その後、図２３に示すように、触媒金属層４７０の上に乱層構造を有する窒化ホウ素層４２０を形成する。乱層構造を有する窒化ホウ素層４２０は、例えば六方晶構造を有する窒化ホウ素ターゲットを用いたスパッタ法により形成することができる。窒化ホウ素層４２０を有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、電子ビーム（Electron Beam：ＥＢ）法又は分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法により形成してもよい。窒化ホウ素層４２０を形成する際の基板４６０の温度は、例えば２０℃～１０００℃とする。

【0055】

続いて、図２４に示すように、窒化ホウ素層４２０の上にグラフェン層４３０を形成する。グラフェン層４３０は、例えば熱ＣＶＤ法により合成することができる。グラフェン層４３０は、窒化ホウ素層４２０の上面４２１及び側面４２２から成長する。グラフェン層４３０は、グラフェン層１３０と同様の方法で形成することができる。

【0056】

次いで、図２５に示すように、グラフェン層４３０の上面に転写用の支持部材４８０を形成する。支持部材４８０の材料としては、例えばポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）等の樹脂を用いることができる。

【0057】

その後、図２６に示すように、触媒金属層４７０を除去することで、窒化ホウ素層４２０、グラフェン層４３０及び支持部材４８０の積層体を、基板４６０から分離する。触媒金属層４７０は、例えば塩酸等を用いて除去することができる。

【0058】

続いて、図２７に示すように、窒化ホウ素層４２０及びグラフェン層４３０を基板４１０に転写する。基板４１０は、例えば、シリコン基板４１１及び酸化シリコン膜４１２を有する。基板４１０は、例えば、シリコン基板の一方の面を熱酸化することにより形成することができる。基板４１０として、熱酸化膜付きシリコン基板を用いることができる。窒化ホウ素層４２０及びグラフェン層４３０は、窒化ホウ素層４２０が酸化シリコン膜４１２に接するように転写する。基板４１０として、シリコン基板等を用いてもよい。窒化ホウ素層４２０及びグラフェン層４３０の転写に際して、支持部材４８０は、有機溶媒等を用いて除去することができる。

【0059】

次いで、図２８に示すように、第１実施形態と同様にして、ソース電極１５１及びドレイン電極１５２の形成からゲート電極１５３の形成までの処理を行う。

【0060】

このようにして第４実施形態に係るグラフェン素子４００を製造することができる。

【0061】

第４実施形態では、乱層構造を有する窒化ホウ素層４２０にグラフェン層４３０が接触している。このため、第１実施形態と同様に、グラフェン素子４００の特性のばらつきを抑制することができる。また、触媒金属層４７０を用いて窒化ホウ素層４２０を形成しているため、特に良好な品質の窒化ホウ素層４２０及びグラフェン層４３０を得やすい。

【0062】

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態は、主として窒化ホウ素層及びグラフェン層の構成の点で第１実施形態等と相違する。図２９は、第５実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図である。

【0063】

第５実施形態に係るグラフェン素子５００は、図２９に示すように、第１実施形態における基板１１０、窒化ホウ素層１２０及びグラフェン層１３０に代えて、基板４１０、窒化ホウ素層５２０及びグラフェン層５３０を有する。

【0064】

グラフェン層５３０は、基板４１０の上面の一部に設けられている。グラフェン層５３０は、互いに積層された、層状物質であるグラフェンを１又は複数有する。

【0065】

窒化ホウ素層５２０は、グラフェン層５３０の上に設けられている。窒化ホウ素層５２０は乱層構造を有する。窒化ホウ素層５２０は、互いに積層された、層状物質である窒化ホウ素を複数有する。各窒化ホウ素は、例えば六方晶構造を有してもよい。窒化ホウ素層５２０の厚さは、例えば２０ｎｍ～２００ｎｍである。グラフェン層５３０は窒化ホウ素層５２０の下面５２３に接触する。

【0066】

他の構成は第１実施形態と同様である。

【0067】

第５実施形態では、絶縁層１４０及び窒化ホウ素層５２０がゲート絶縁膜として機能する。従って、グラフェン素子５００は、トップゲート構造を有する電界効果トランジスタとして用いることができる。

【0068】

次に、第５実施形態に係るグラフェン素子５００の製造方法について説明する。図３０～図３５は、第５実施形態に係るグラフェン素子５００の製造方法を示す断面図である。

【0069】

まず、図３０に示すように、第４実施形態と同様にして、成長用の基板４６０を準備し、酸化シリコン膜４６２の上に触媒金属層４７０を形成し、触媒金属層４７０の上に乱層構造を有する窒化ホウ素層５２０を形成する。酸化シリコン膜４６２に代えて、酸化アルミニウム膜等の他の絶縁膜が用いられてもよい。

【0070】

次いで、図３１に示すように、触媒金属層４７０と窒化ホウ素層５２０との間にグラフェン層５３０を形成する。グラフェン層５３０は、例えば熱ＣＶＤ法により合成することができる。グラフェン層５３０は、触媒金属層４７０の上面から成長し、窒化ホウ素層５２０の下面５２３に接触する。

【0071】

その後、図３２に示すように、窒化ホウ素層５２０の上面に転写用の支持部材５８０を形成する。支持部材５８０の材料としては、例えばＰＭＭＡ等の樹脂を用いることができる。

【0072】

続いて、図３３に示すように、触媒金属層４７０を除去することで、窒化ホウ素層５２０、グラフェン層５３０及び支持部材５８０の積層体を、基板４６０から分離する。触媒金属層４７０は、例えば塩酸等を用いて除去することができる。

【0073】

次いで、図３４に示すように、窒化ホウ素層５２０及びグラフェン層５３０を基板４１０に転写する。窒化ホウ素層５２０及びグラフェン層５３０は、グラフェン層５３０が酸化シリコン膜４１２に接するように転写する。窒化ホウ素層５２０及びグラフェン層５３０の転写に際して、支持部材５８０は、有機溶媒等を用いて除去することができる。

【0074】

次いで、図３５に示すように、第１実施形態と同様にして、ソース電極１５１及びドレイン電極１５２の形成からゲート電極１５３の形成までの処理を行う。

【0075】

このようにして第５実施形態に係るグラフェン素子５００を製造することができる。

【0076】

第５実施形態では、乱層構造を有する窒化ホウ素層５２０にグラフェン層５３０が接触している。このため、第１実施形態と同様に、グラフェン素子５００の特性のばらつきを抑制することができる。また、触媒金属層４７０を用いて窒化ホウ素層５２０及びグラフェン層５３０を形成しているため、特に良好な品質の窒化ホウ素層５２０及びグラフェン層５３０を得やすい。更に、支持部材５８０は、グラフェン層５３０ではなく窒化ホウ素層５２０に接触するため、支持部材５８０の残渣による特性のばらつきを抑制することができる。

【0077】

（第６実施形態）
次に、第６実施形態について説明する。第６実施形態は、主として基板の構成の点で第５実施形態等と相違する。図３６は、第６実施形態に係るグラフェン素子を示す断面図である。

【0078】

第６実施形態に係るグラフェン素子６００は、図３６に示すように、第５実施形態における基板４１０に代えて、基板６１０を有する。基板６１０は、シリコン基板６１１と、シリコン基板６１１の上面に設けられた窒化ホウ素層６１２とを有する。窒化ホウ素層６１２は六方晶構造を有する。窒化ホウ素層６１２は、例えば、転写によりシリコン基板６１１の上に設けられている。

【0079】

他の構成は第５実施形態と同様である。

【0080】

本開示において、グラフェン層に接続される電極及び配線の形状は限定されない。例えば、グラフェン素子が、乱層構造を有する窒化ホウ素層の側面から成長したグラフェン層を利用した３次元構造を有してもよい。

【0081】

ここで、第５実施形態に倣って、乱層構造を有する窒化ホウ素層を基板の上に形成し、窒化ホウ素層の裏面からグラフェン層を成長させて作製した試料のラマン分析の結果について説明する。図３７は、ラマン分析の結果を示す図である。図３７には、グラフェン層を成長させる前に測定したラマンスペクトルＳ１と、グラフェン層を成長させた後に測定したラマンスペクトルＳ２とを示す。

【0082】

ラマンスペクトルＳ１では、１３００ｃｍ^－１近傍に窒化ホウ素層由来のＤバンドのピークＰ１１が現れている。ラマンスペクトルＳ２では、１３００ｃｍ^－１近傍に、窒化ホウ素層由来のＤバンドのピークとグラフェン層由来のＤバンドのピークとが重畳したピークＰ２１が現れている。また、ラマンスペクトルＳ２では、１５８０ｃｍ^－１近傍に、グラフェン層由来のＧバンドのピークＰ２２が現れ、２７００ｃｍ^－１近傍に、グラフェン層由来の２ＤバンドのピークＰ２３が現れている。図３７に示す分析結果から、良好な品質のグラフェン層が形成されているといえる。

【0083】

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

【0084】

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

【0085】

（付記１）
乱層構造を有する窒化ホウ素層と、
前記窒化ホウ素層に接触するグラフェン層と、
を有することを特徴とするグラフェン素子。
（付記２）
基板を有し、
前記基板と前記グラフェン層との間に前記窒化ホウ素層が位置することを特徴とする請求項１に記載のグラフェン素子。
（付記３）
基板を有し、
前記基板と前記窒化ホウ素層との間に前記グラフェン層が位置することを特徴とする付記１に記載のグラフェン素子。
（付記４）
前記グラフェン層に接触する第１電極と、
前記グラフェン層に接触する第２電極と、
を有することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のグラフェン素子。
（付記５）
前記グラフェン層の前記第１電極と前記第２電極との間の部分の電位を制御する制御電極を有することを特徴とする付記４に記載のグラフェン素子。
（付記６）
前記グラフェン層の少なくとも一部を覆う絶縁層を有し、
前記制御電極は、前記絶縁層の少なくとも一部を覆う第３電極を有することを特徴とする付記５に記載のグラフェン素子。
（付記７）
前記制御電極は、前記窒化ホウ素層の下に設けられた第４電極を有することを特徴とする付記５又は６に記載のグラフェン素子。
（付記８）
乱層構造を有する窒化ホウ素層を基板の上に形成する工程と、
前記窒化ホウ素層の表面からグラフェン層を成長させる工程と、
を有することを特徴とするグラフェン素子の製造方法。

【符号の説明】

【0086】

１００、２００、３００、４００、５００、６００：グラフェン素子
１１０、４１０、６１０：基板
１２０、４２０、５２０：窒化ホウ素層
１３０、４３０、５３０：グラフェン層
１５１：ソース電極
１５２：ドレイン電極
１５３、２５３：ゲート電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】