JAIST，炭素２原子層厚のグラフェン膜を使った機械的スイッチを開発

北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）の研究チームは，2層グラフェン（原子2層厚の炭素原子シート）膜で作製した両持ち梁を，機械的に上下させて動作する電子機械スイッチの原理検証に世界で初めて成功した（ニュースリリース）。

現在のIT技術は，シリコン集積回路の基本素子であるMOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）の堅調な微細化に支えられ発展を遂げてきたが，この半導体微細化の追求に伴って，MOSFETのオフリーク電流の増大が深刻な問題となっている。

オフリーク電流によりシステム待機時の消費電力（スタンバイパワー）は急増し，現代の集積回路システムにおいてはシステム稼動時の消費電力（アクティブパワー）と同等の電力消費となっている。スタンバイパワーを低減するために様々な対策が検討されている。デバイスレベルでは，トンネルトランジスタやインパクトイオン化MOSFETなどいくつかの新原理のスイッチングトランジスタが提案され，研究開発が進められているが，未だ従来のMOSFETを凌駕するオフリーク電流特性を実現するには至っていない。

これに対して研究チームは，グラフェンをベースとしたナノメータスケールでの電子機械システム（Nano Electro-Mechanical Systems: NEMS）技術による新原理のスイッチングデバイスを提案している。今回，その第一段階として，2層グラフェンで形成した両持ち梁を機械的に上下させる，2端子型のグラフェンNEMSスイッチを作製し，低電圧で繰り返しスイッチング動作させることに成功した。

グラフェン両持ち梁の下部に設けた制御電極に電圧を印加すると，両持ち梁は静電的な引力で機械的に下方に引き寄せられ，制御電極表面に接触した瞬間，スイッチがオンする。スイッチング電圧は約1.8Vと従来のシリコンを用いたNEMS素子と比較すると1桁以上低電圧で，また，複数回のスイッチング動作を繰り返しても，スイッチング電圧の値は安定していた。

スイッチオフ時において，グラフェン梁は下部電極から物理的に切り離されることから，従来のMOSFETで問題となるオフリーク電流をシャットアウトすることが可能となる。一方，スイッチオン時においては，グラフェンの高いキャリア移動度によって非常に高いオン電流が実現されることから，超高速・低消費電力システムの新たな基本素子として大いに期待できるという。

研究チームは今後，集積回路素子としての応用を進めるため，対面する片持ちグラフェン梁NEMSのペアでチャネルを構成した3端子型NEMSトランジスタへと研究を発展させる。また，これと並行して，下部制御電極もグラフェンを用いて形成し，チャネルを形成するグラフェン梁が，同じ性質の表面を持つ下部グラフェン電極上にプル・インする動作とすることで，NEMSスイッチのオン・オフ動作繰り返しに対する信頼性向上を図る。

さらに，同じプロジェクト内で開発を進めているグラフェンNEMSによる超高感度化学分子センサ回路にこのグラフェンNEMSスイッチをスリープトランジスタとして集積化することにより，センサシステムの待機時消費電力をシャットアウトし，バッテリーの寿命を飛躍的に延ばすことを試みるとしいている。