単層グラフェン膜を用いたNEMSスイッチを開発：超低電圧で急峻なオンオフ切り替え

北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）とデンマーク工科大学は、単層グラフェン膜を用いたNEMS（ナノ電子機械システム）スイッチを開発した。0.5V未満という極めて低いスイッチング電圧で、オンオフ切り替えを5万回繰り返しても安定動作することを確認した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

スティクションの発生を抑え、5万回の繰り返し動作を実現

　北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）サステイナブルイノベーション研究領域の水田博教授とマノハラン ムルガナタン元JAIST講師、デンマーク工科大学のゴク フィン ヴァン博士研究員（元JAIST博士研究員）らは2023年1月、単層グラフェン膜を用いた「NEMS（ナノ電子機械システム）スイッチ」を開発したと発表した。0.5V未満という極めて低いスイッチング電圧で、オンオフ切り替えを5万回繰り返しても安定動作することを確認した。

　水田教授らの研究チームはこれまで、グラフェンをベースとしたNEMS技術によるスイッチングデバイスの開発に取り組んできた。2014年には、2層グラフェンを用いて両持ちはりを形成したグラフェンNEMSスイッチの原理実験に成功した。このNEMSスイッチは動作を繰り返すうちに、グラフェン膜が金属表面に張り付く（スティクション）という課題もあったという。

　研究チームは今回、制御電極表面に単層の六方晶窒化ホウ素原子層膜を設けた。これによりスティクションの発生を抑えることができ、安定したオンオフ動作を実現した。同時に、素子構造を最適化することで、0.5V未満というスイッチング電圧を達成した。この値は、「従来の半導体技術を用いて製造されたMEMSスイッチに比べ約2桁も小さい」という。

　また、繰り返し動作を5万回以上行った後でも5桁近いオンオフ電流比や、約20mV/decという急峻（きゅうしゅん）な電流スイッチング傾きを維持するなど、経時劣化が極めて小さいことも確認した。

開発したグラフェンNEMSスイッチの作製方法と構造および、CVDグラフェン膜とhBN膜のラマンスペクトルと素子のSEM写真 出所：JAIST

オンオフの繰り返し動作測定結果。左図が印加電圧と電流応答、右図が繰り返し測定直後と2万5000回繰り返し後のオンオフ電流特性 出所：JAIST

　開発したグラフェンNEMSスイッチは、大面積化が可能なCVDグラフェン膜とhBN膜を用いて作製しており、将来の大規模集積化と大量生産に対応できる技術とみている。