充分利用石墨烯及量子点，新一代器件纷纷发布

光电人

　　在2010年9月14～17日于长崎大学举行的“2010年秋季第71届应用物理学会学术演讲会”上，不基于以往Si电路技术延伸的全新型电路元件纷纷发布注1）。具体包括①活性层等利用石墨烯（Graphene）*及碳纳米管（CNT），以用于超高速工作及大面积用途为目标的晶体管、②低损耗且能够高温工作的金刚石二极管、③为实现“光LSI”而输入输出光的“光逻辑门”等电路元件。


大阪大学等试制的金刚石SBD

注1）此外，与太阳能电池相关的发布超过150项，呈现出了增加趋势。“化合物太阳能电池”分会也首次开设。

*石墨烯＝相当于石墨中的一层的碳材料。2004年曼彻斯特大学研究人员发现，通过在铅笔芯使用的石墨上粘贴玻璃纸带并将其剥下，便可制成石墨烯。最近已发展到还可利用气相生长法等进行制造的水平。

在半导体碳材料上取得进展

　　与石墨烯及CNT相关的研究发布包括演讲在内超过了约130项。特点是其中实际试制晶体管的事例出现剧增（表1）。其背景在于一直被公认为无带隙且具有金属特性的石墨烯在重叠两层后会产生带隙，从而形成半导体注2）。据悉，如果是单层CNT（SWCNT）的话，已有厂商在分离半导体性SWCNT和金属性SWCNT的技术上取得了进展注3）。

注2）其理论从2006年起为人所知，2009年6月出现实际试制事例后，双层石墨烯立即引起了极大关注。

注3）由产业技术综合研究所于2009年3月开发。



　此次试制的采用石墨烯及CNT的晶体管，其制造工艺及设想的用途非常广泛，这也是特点之一。

　　比如，早稻田大学副教授竹延大志等的研究小组以利用卷到卷方式进行制造为目标，通过用喷墨法滴落单层CNT，试制出了TFT。而且还在绝缘层材料中使用了离子液体。凭借这些手段，利用与电双层电容器相同的原理，使晶体管的静电容量得到了大幅增加。另外，载流子浓度也有所提高，I-V（电流-电压）特性中普遍存在的特性滞后现象基本消失，并且驱动TFT时的源极与漏极间电压VSD也降到了只需-1V的水平。VSD值仅为原来的1/50以下。

　　索尼发表了以更简单地制造石墨烯晶体管为目标的技术。该公司利用通过聚集氧化石墨烯微小片材制成的“一种多结晶膜”（索尼），试制出了晶体管。

　　此外，在碳材料这一点上与石墨烯等相同的金刚石半导体的研究发布也有所增加。比如，大阪大学与产业技术综合研究所试制了高速工作的金刚石肖特基势垒二极管（SBD），并检测了开关特性，证实温度依存性非常小。另外，如何来制造基板也是金刚石半导体的重要课题。在这一方面，产综研表示“试制出了1英寸的接合状晶圆”，AGD材料也宣称“通过外延生长还有望实现2英寸晶圆”。但成本是一大课题。一直在开发金刚石单结晶晶圆的EDP指出：“由于结晶生长较为缓慢，因此2英寸晶圆即使以稳定水平进行量产，1张也需要花费数十万日元。”

开发用光工作的逻辑电路

　另一方面，还有研究小组开发出了不需要Si、甚至连电也不使用的电路元件。东京大学教授大津元一的研究室、先锋及信息通信研究机构（NICT）试制并发布了只要输入光信号，就会在逻辑与及逻辑非运算后输出光信号的光逻辑门元件。另外，东芝及柯尼卡美能达也参与了研发，但此次并未共同进行发布。

　　目标是开发出只靠光来工作的LSI。其最重要的一点是使用“近场光”。普通的光在原理上无法使用尺寸比波长小的导波路及元件。实际上，以通信用的波长1.5μm的红外线来说，微细化的下限尺寸为2～3μm。这就是光电路技术在研发和集成化、微细化上难以向前推进的最大原因。不过，东京大学等表示：“使用近场光的话，还有望实现不依存于波长的、可与数十nm的电路匹敌的小型电路元件”（图1）。因此，除了逻辑运算元件之外，此次还开发了将普通光与近场光连接起来的微细透镜，以及使近场光通过的微细导波路等。

功耗只有用电工作时的万分之一

　　此次东京大学等发布的逻辑与和逻辑非运算元件采用GaAs基板，并在其中的上下层各配置了1个由InAs构成的称为“量子点”的半导体微粒子（图2）。制造工艺采用分子线外延法（MBE）。此次在尺寸为20μm×20μm的基板上将大约400个这样的元件制成了阵列状。

　　逻辑门的工作原理利用在上下排列的量子点之间产生能量交换的现象（图3）。该能量交换的介质就是近场光。


  
图1：用近场光实现微细光逻辑电路
通过使用近场光，可突破以往在光电路微细化上存在的障碍，从而实现尺寸远远小于波长的元件及导波路。此次由东京大学和先锋负责逻辑运算元件的开发，由东芝负责近场光导波路的开发，由柯尼卡美能达负责微小透镜的开发。
  


图2：试制可在室温下工作的量子点逻辑门阵列
此次试制的光逻辑门阵列采用每个元件纵向排列两个由InAs构成的量子点的构造。元件的成品率约为70％。发挥功能的元件以各1/2的概率形成逻辑与门或逻辑非门，进行工作。本图根据NEDO的资料制成。照片由NEDO提供。


  
图3：证实可进行逻辑非工作
在输入作为基础的光，而不输入输入信号的光的状态下，下方的量子点会对基础光产生反应，形成一定能量的近场光，并以由此决定的波长进行发光（a）。在此输入波长与基础光不同的输入信号的光的话，两个量子点的近场光就会产生共振，使能量从下向上移动，从而不输出原来的输出信号（b）。本图根据NEDO的资料制成。照片由NEDO提供。

光电人

　　利用这种通过光来工作的逻辑门的好处之一是功耗非常小。由于近场光在原理上不易转变为热能，因此损耗非常小。“1个元件的能耗为24μeV。这一数值只有用电工作的晶体管等的万分之一左右”（先锋等）。

　　东京大学等研究小组是在新能源及产业技术综合开发机构（NEDO）的支援下从2006年开始对该元件展开开发的。不过，最初时因基板及量子点的结晶质量较低，因此只证实能够进行逻辑非门的工作。并且当时只能在100K以下极低温环境下工作，输出信号的光较微弱且不稳定。而此次通过优化设计以及提高结晶质量等手段，首次实现了在室温（300K）下连同逻辑与工作在内的稳定工作。

　　逻辑与门与逻辑非门在各元件所用量子点的配置及数量上基本相同。两者工作上的不同“由量子点的尺寸差异及组成差异决定”（先锋）。但现在还无法确保区分形成逻辑与门或逻辑非门。“一个元件有35％的概率形成逻辑与门，有35％的概率形成逻辑非门。而剩余的30％则成为两者都不是的不良元件”（东京大学）。不过，“目前已在能够基本消除不良元件的改善对策上取得了眉目”（先锋）。

　　对此次的元件进行光信号输入时采用向元件上配置的金（Au）微粒子照射光线的方法。将来计划实现经由近场光导波路直接输入输出信号的设计。“目前正在为实现这一目标而稳步推进微小透镜及近场光导波路的开发”（东京大学）。“有望在10年后的2020年实现光LSI。现在已走出基础研究阶段”（先锋）。如果开发能够按计划顺利推进，便有望实现由日本创造的全新型电路。