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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。

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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
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
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。

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