[論文レビュー] The Development of Epitaxial Graphene For 21st Century Electronics

Walt A. de Heer|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2010

Graphene research and applications参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ジョージア工科大学におけるエpiタキシャルグラフェンの開発を、21世紀のエレクトロニクスの実用的プラットフォームとしてレビューし、基礎的研究から実用応用への発展を強調している。主な貢献は、チューナブルな電子的特性を有する高移動度エピタキシャルグラフェンの実証であり、高速・低消費電力エレクトロニクス素子の実現に向けた前進を可能にしている。

ABSTRACT

Graphene has been known for a long time but only recently has its potential for electronics been recognized. Its history is recalled starting from early graphene studies. A critical insight in June, 2001 brought to light that graphene could be used for electronics. This was followed by a series of proposals and measurements. The Georgia Institute of Technology (GIT) graphene electronics research project was first funded, by Intel in 2003, and later by the NSF in 2004 and the Keck foundation in 2008. The GIT group selected epitaxial graphene as the most viable route for graphene based electronics and their seminal paper on transport and structural measurements of epitaxial graphene was published in 2004. Subsequently, the field rapidly developed and multilayer graphene was discovered at GIT. This material consists of many graphene layers but it is not graphite: each layer has the electronic structure of graphene. Currently the field has developed to the point where epitaxial graphene based electronics may be realized in the not too distant future.

研究の動機と目的

• エピタキシャルグラフェンをスケーラブルかつ既存の電子デバイスと互換性のある材料として確立すること。
• 大面積で高品質なグラフェンを、制御された電子的特性を有する形で製造する課題に対処すること。
• 輸送および構造的測定を通じて、エピタキシャルグラフェンの実世界におけるエレクトロニクス応用の可能性を実証すること。
• 孤立したグラフェンフラクションから、グラフェンに類似した電子的挙動を示す統合的で多層構造のエピタキシャルグラフェンに分野を進展させること。
• 商業化可能性と既存の半導体プロセスへの統合可能性を示すことで、エピタキシャルグラフェンをポスト・CMOSエレクトロニクスの主要候補に位置づけること。

提案手法

• エピタキシャルグラフェンは、単一結晶性で大面積の膜を達成するため、高温アニールを用いた炭化ケイ素基板上に合成された。
• 輸送測定を用いて、エピタキシャルグラフェン層内の電子移動度およびキャリア行動を特徴付けた。
• 構造的分析により、単一結晶性および層間成長の性質が確認された。
• 多層エピタキシャルグラフェンが合成され、各層が孤立したグラフェンの電子構造を保持していることが明らかになった。
• 成長条件を制御するため、分子線エpitaxyと熱分解法を組み合わせた手法が用いられた。
• インテル、NSF、ケック財団からの助成金により、エピタキシャルグラフェンプラットフォームの持続的開発と検証が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エピタキシャルグラフェンは、十分な品質と均一性を有しており、高性能エレクトロニクス素子の支持に適していると言えるか？
• RQ2 エピタキシャルグラフェンの電子的特性は、剥離法で得たグラフェンと比較して、移動度およびキャリア行動の面でどう異なるか？
• RQ3 多層エピタキシャルグラフェンは、単層グラフェンの固有の電子的特性を維持できるか？
• RQ4 炭化ケイ素上に大面積で単一結晶性のエピタキシャルグラフェンを形成するための重要な成長パラメータは何か？
• RQ5 エピタキシャルグラフェンは、スケーラブルで産業用途に適合するエレクトロニクスシステムへの統合の可能性を有しているか？

主な発見

• 炭化ケイ素基板上に成長したエピタキシャルグラフェンは、高い電子移動度を示し、高速エレクトロニクスへの可能性を裏付けた。
• ジョージア工科大学グループによる2004年の画期的論文は、エピタキシャルグラフェンの最初の包括的な輸送および構造的特徴付けを提供した。
• 多層エピタキシャルグラフェンが発見され、各層が積層されていながらも、孤立したグラフェンの電子構造を保持していた。
• 2004年の結果以降、分野は急速に発展し、その後、インテル（2003年）、NSF（2004年）、ケック財団（2008年）からの助成金が開発を加速させた。
• エピタキシャルグラフェンは、既存の半導体プロセス技術と互換性があることから、21世紀のエレクトロニクスの主要候補として浮上した。
• 研究により、エピタキシャルグラフェンは石墨と同等ではないことが実証され、各層が明確にグラフェンに類似した電子的挙動を示すことが明らかになった。