phasonの日記： グラフェンの再成長による配線のパターニング：集積回路に向け一歩前進

"Graphene and boron nitride lateral heterostructures for atomically thin circuitry"
M.P. Levendorf et al., Nature, 488, 627-632 (2012).

グラフェンは原子1層分の薄さや非常に低い電気抵抗＆高い熱伝導性など，超微細回路を形成する上で有利な特性を持っている．またグラフェンそのものはゼロギャップ半導体（まあ事実上の金属に近い）であるが，炭素原子の一部を窒素で置き換えることでギャップの開いた半導体としたり，同一構造の窒化ホウ素（h-BN）が絶縁体であったりと，金属から絶縁体までの広い電気抵抗を実現出来る点でも回路に向いていると言える．例えばメインの配線を低抵抗なグラフェン，半導体素子部を窒素ドープのグラフェン，配線間の絶縁をh-BNで構築すれば，原子数層程度の厚みの回路が作れるわけだ．

こういった集積回路を作ろうと考えたときに最大の問題となるのが，これら異なる素材をどうつなぎ合わせるのか？という点である．配線を作る段階自体は（手間やコストをとりあえず考えなければ）問題は無い．例えばグラフェンシートを持ってきて電子線リソグラフィや通常のマスクと露光を用いたリソグラフィ（マスクがとれた部分のみ反応性の高いイオンで削られ，グラフェンが無くなる）を用いれば，望む形に削り出されたグラフェンは手に入る．しかしこの「配線部分」を，半導体素子となる窒素ドープグラフェンなどと結合する部分が難しいのだ．

この問題を解決する転機は2010年に訪れた．大面積のグラフェンは銅箔上でメタンなどの炭化水素を熱分解して作っているのだが，ここに原料としてBとNを含む分子（NH₃-BH₃）を同時に導入すると，原子レベルできれいに接合したグラフェン-h-BNシートが得られることが判明したのだ．
この手法で得られたシートは，全体がグラフェンと同じ構造をきれいに保ったまま，内部にh-BNのドメインを複数保持していた．つまりグラフェンとh-BNは，原子レベルできれいに接合して一体となったシートを形成出来るのだ！

そこで今回の著者らは，銅箔上での薄層成長とリソグラフィを組み合わせ，複数の異なる素材のグラフェン類をきれいに接合したシートを構築することを試み，報告している．手法としては以下の通りだ．まず，銅箔上でメタンを熱分解してグラフェンシートを作る．グラフェンシートが形成された場所ではメタンと銅が隔絶されるので，グラフェンはほぼ単層で成長が止まる．次に，通常のマスク形成＆露光＆イオンエッチングにより，グラフェンを適当な配線形状に加工する（それ以外の部分をエッチングで削り取る）．次にその削られたグラフェンが乗った銅箔に対し，今度はNH₃-BH₃を吹き付けながら熱分解することでh-BNのシートを形成する．グラフェンが残っている部分ではNH₃-BH₃が触媒となる銅箔と接触しないので，h-BNのシートはグラフェンの無い部分でのみ成長する．さて，グラフェンやh-BNは既存のシートのエッジ部分から徐々に伸びていくことで成長していく．従って今回の場合，エッチング後の残っているグラフェンに対し原子レベルできれいに接合したh-BNが成長するのだ．
この結果出来上がるのは，h-BNの巨大なシートで，内部の一部だけがグラフェンとなった単原子層（程度）の厚みのシートである．h-BN部分は絶縁体であり，グラフェンは金属なみの導電性であるので，これは単原子程度の絶縁性シートの中に配線を描いたことに相当する．実際，配線としたグラフェン部位の導電性が高く，隣接する（けれども間にh-BN部分を挟む）2本のグラフェン部位がきちんと絶縁されていることを実験で確認している．また，このシート全体は原子レベルできれいに接合されているので，機械的強度も単一組成のシートと変わらない．

この手法を用いれば，単原子層厚のシート内に絶縁体・半導体・金属を自在に構築することが出来る．さらにh-BNのシートや，同じようにパターニングしたシートを上下に重ねていくことで，原子数層程度の厚みの多層配線，FET構造などを作り込むことも可能である．
現段階では
・結局，既存の半導体系と同じように露光・マスク部分の分解能が重要
・現時点ではμmサイズの線幅でしか作成していない（微細化出来るかよくわからない）
などの問題はあるものの，グラフェン利用の集積回路に向け一歩前進，といったところか．