JP2005332991A - カーボンナノチューブ発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 低電圧で駆動可能な光デバイスを実現する。
【解決手段】 ＣＮＴ発光素子２１は、ｐ^＋−Ｓｉ基板２３と、その表面上に形成された厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２酸化膜２５と、その上にある距離だけ離間して形成されたＣｏ／Ｐｔ触媒２７ａ、２７ｂと、Ｃｏ／Ｐｔ触媒２７ａ及び２７ｂとの間に形成されたＣＮＴ３７と、ＣＮＴ３７のそれぞれの端部と接するように形成されたＰｄ金属３１とＣａ金属３３と、Ｐｄ金属３１、Ｃａ金属３３のそれぞれの上に形成されたＡｌ電極３５ａ、３５ｂと、を有する正孔注入電極（３１／３５ａ）及び電子注入電極（３３／３５ｂ）と、ｐ^＋型Ｓｉ基板２３の裏面に形成されたＴｉ／Ａｕからなるバックゲート電極３９と、を有している。正孔注入電極と電子注入電極との間には、開口３８が形成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、高効率なカーボンナノチューブ発光素子に関する。

カーボンナノチューブは、カイラリティにより半導体的特性をもつこと、ほぼ１次元伝導とみなせるような非常に細い線路を形成できることなどから、量子デバイス用途に適した特性を有していると言える。これまでにカーボンナノチューブを用いた発光素子としては、カーボンナノチューブの両端にＴｉ電極（ソース電極、ドレイン電極）を設け、カーボンナノチューブに各Ｔｉ電極からそれぞれ電子と正孔とを同時に注入することにより、再結合発光させる素子が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。また、量子ドットを利用した発光ダイオードとしては、ＧａＡｓのp-i-n接合発光ダイオードの中にＩｎＡｓ量子ドットを埋め込んだ構造が作成されている。この素子にわずかな電流を流し、ＩｎＡｓ量子ドットに、ｐ−ＧａＡｓからホールをｎ−ＧａＡｓから電子を注入することにより単一電子放出が起こる（非特許文献２参照）。

J．A．Misewich et al.,"Electrically Induced Optical Emission from a Carbon Nanotube FET", Science, p.783-786 Vol 300, 2 May 2003. Zhiliang Yuan et al., "Electrically Driven Single-Photon Source", Science, p.102-105 Vol 295, 4 January 2002.

ところで、上記非特許文献１の発光素子では、発光に必要な印加電圧が非常に高い（印加電圧として、４〜６Ｖ程度）という問題がある。この点に関して図９を参照しつつ、金属とカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）との接合と関連付けて説明を行う。図９は、上記Ｔｉ電極とカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）との接合の様子を示す図である。図９において、上図は真空の準位Ｅ_ＶＡＣを基準にしたＴｉ電極とカーボンナノチューブＣＮＴとのそれぞれのエネルギーバンド図であり、中図は、Ｔｉ電極とカーボンナノチューブＣＮＴとを実際に接合した際のエネルギーバンド図であり、下図は、Ｔｉ電極に正の電圧を印加した際のエネルギーバンド図である。図９に示すように、Ｔｉ電極の仕事関数φ_ｍは４．３３ｅＶ程度であり、カーボンナノチューブＣＮＴの仕事関数φ_ＣＮＴ（４ｅＶ程度）とほぼ同等である。

従って、図９の中図に示すように、Ｔｉ電極とカーボンナノチューブＣＮＴとを接合させると、Ｔｉ電極とカーボンナノチューブＣＮＴとの仕事関数を素直に反映したバンド状態となり、カーボンナノチューブＣＮＴ側の価電子帯と伝導帯とに大きなバンド不連続（ΔＥ_Ｖ、ΔＥ_Ｃ）が形成される。バンド不連続値としては、約１ｅＶ程度の大きな値となる（価電子帯におけるバンド不連続値（ΔＥ_Ｖ）はきわめて小さい）。従って、下図のようにカーボンナノチューブＣＮＴの両端に形成されたＴｉ電極間に電圧を印加すると、図９に示すようにショットキー障壁が形成され、Ｔｉ電極の価電子帯近傍の正孔がカーボンナノチューブＣＮＴ内に輸送される際の障壁となり、一方、図示しない方のＴｉ電極の伝導帯近傍の電子がカーボンナノチューブＣＮＴ内に輸送される際の障壁となり、電子と正孔とをカーボンナノチューブＣＮＴ内にその延在方向の反対方向から注入するためには、極めて高い電圧が必要となる。

また、上記非特許文献２の発光素子では、低い印加電圧で単一光子放出を実現しているものの、極低温でしか動作できないという問題がある。

本発明は、カーボンナノチューブ発光素子おいて、低い電圧でも発光するようにし、電極からカーボンナノチューブへの注入効率を向上させ、発光素子における発光効率を高めることを目的とする。本発明の他の１つの目的は室温で単一光子放出を実現することであり、他の別の目的は受光素子を提供することである。

本発明の一観点によれば、カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブの延在方向の第１の位置に設けられた正孔注入電極と、前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられた電子注入電極とを有する発光素子が提供される。また、カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブの延在方向の第１の位置に設けられ該カーボンナノチューブよりも仕事関数の大きい材料からなる正孔注入電極と、前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられ前記カーボンナノチューブよりも仕事関数の小さい材料からなる電子注入電極とを有する発光素子が提供される。さらに、基板と、該基板に形成されたカーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブの延在方向の第１の位置に設けられた正孔注入電極と、前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられた電子注入電極と、前記カーボンナノチューブに対して電圧を印加する制御電極とを有する発光素子が提供される。制御電極は、例えば、前記カーボンナノチューブの前記第１の位置と前記第２の位置との間の第３の位置に設けられるのが好ましい。また、金属のフェルミエネルギーとカーボンナノチューブの伝導帯底とのエネルギー不連続が小さくなる電極を用いることにより電子注入電極を構成することができる。

本発明の他の観点によれば、導電性基板と、該導電性基板の表面側に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成されたカーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブの延在方向の第１の位置に設けられた正孔注入電極と、前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられた電子注入電極と、前記導電性基板の裏面側に設けられた制御電極とを有する発光素子が提供される。上記発光素子は、より具体的な構造として提供されるものである。

尚、前記カーボンナノチューブに代えて、カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブに内包されたフラーレン又は金属内包フラーレンと、を有するピーポッド構造であって、同じ種類又は異なる種類の前記フラーレン又は金属内包フラーレンが、前記カーボンナノチューブの延在する方向にある順番で配置されていることを特徴とするピーポッド構造にすることも可能である。前記同じ種類又は異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンは、前記カーボンナノチューブとの間にそれぞれ異なる混成軌道を形成し、カーボンナノチューブのエネルギーバンド構造を設計することができる。例えば、前記フラーレン又は異なる種類の金属内包フラーレンは、前記フラーレン又は異なる種類の金属内包フラーレンを配置した位置において量子井戸を形成する方向に前記カーボンナノチューブのエネルギーバンド構造を変調させることができる。前記同じ種類又は異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンは、前記カーボンナノチューブを変形させる程度の径を有しているのが好ましい。カーボンナノチューブを変形させることにより、エネルギーバンド構造を変調させることが可能である。

尚、前記カーボンナノチューブを覆う誘電体膜を備えることにより、レーザーダイオードを形成することも可能である。

本発明の他の観点によれば、カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブを露出する開口部に設けられた受光面と、該カーボンナノチューブの第１の位置に設けられた第１導電型の第１電極と、前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられ前記第１導電型とは第２導電型の第２電極とを有する受光素子が提供される。前記カーボンナノチューブの径又は前記カーボンナノチューブに内包させるフラーレン又は金属内包フラーレンにより、前記受光面から受光した光の検出波長領域を調整することができる。

本発明によれば、カーボンナノチューブに対して、正孔注入電極と電子注入電極とのそれぞれの接合を形成することができ、両電極間に電圧を印加することにより低い印加電圧でも正孔注入電極から注入された正孔と電子注入電極から注入された電子とをカーボンナノチューブ内において再結合させることができる。さらに、カーボンナノチューブ又はそれを用いたピーポッド構造による微細な構造を用いることにより、量子力学的効果を発現させることができ、一層効率の良い発光素子を実現することができる。

本発明に係るカーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ」と略記する。）発光素子は、ＣＮＴに仕事関数の小さい材料を用いた電子注入電極と仕事関数の大きい材料を用いた正孔注入電極とを有することを特徴としている。ここで、仕事関数とは、真空中の表面から１個の電子を無限遠まで取り出すのに必要な最小エネルギーのことであり、材料表面の電子状態に固有の値となる。仕事関数は、通常、ケルビン法（振動容量法）、熱電子放出や光電子放出実験などで測定することができる。尚、ここで言及している金属の仕事関数とは、ＣＮＴと接する金属の仕事関数のことであり、例えば電極が多層構造の場合には、ＣＮＴと接する金属の仕事関数を指す。以下、本発明に係るＣＮＴ発光素子の原理について図面を参照しつつ説明を行う。本発明の実施の形態について説明する前に、まず、発明者の考察について図面を参照しつつ説明を行う。発明者は、ＣＮＴに設置する電極を構成する材料の選択によって、ＣＮＴに対して注入されるキャリアの種類つまり電子か正孔かを選択する方法を考えついた。

一般的な半導体（Ｓｉなど）と金属との接合においては、Ｓｉ表面に形成されているダングリングボンド（非結合鎖）の影響のため、仕事関数と異種接合時のエネルギーバンド障壁との関連性が薄い。すなわち、一般的な半導体（Ｓｉなど）と金属との接合においては、Ｓｉ表面に形成されているダングリングボンド（非結合鎖）の影響のため表面準位によるバンドピニングが生じ、それぞれの仕事関数を反映したバンド構造となりにくい。

一方、ＣＮＴの場合には、結晶構造が閉じた系となっているため、表面準位によるバンドピニングの影響を受けにくく、金属をＣＮＴに接合させると、素直に金属とＣＮＴとの仕事関数を反映したエネルギーバンドを形成するものと考えられる。

より詳細には、ＣＮＴとコンタクト電極との間に流れる電流が、コンタクト電極と半導体的ＣＮＴの界面に形成されるショットキー障壁で制御されることに着目し、電子を注入する側の電極、すなわち電子注入電極としてはＣＮＴよりも仕事関数の小さい材料、例えばＣａをコンタクト電極に用い、正孔を注入する側の電極、すなわち正孔注入電極としてはＣＮＴよりも仕事関数の大きい材料を用いることを考えた。

図１及び図２を参照しつつ、金属とＣＮＴとの接合についてより詳細に参照しつつ説明する。図１及び図２は、実際には１つのＣＮＴの延在方向の異なる位置におけるエネルギーバンド図を示すものである。

図１は、ＡｕやＰｄなどＣＮＴよりも仕事関数の大きい（例えば５ｅＶ程度）金属とＣＮＴとの接合の様子を示す図である。図１において、上図は真空の準位Ｅ_ＶＡＣを基準にしたＡｕやＰｄなどの金属とＣＮＴとのそれぞれのエネルギーバンド図であり、中図は、ＡｕやＰｄなどの金属とＣＮＴとを実際に接合した際のエネルギーバンド図であり、下図は、ＡｕやＰｄなどの金属に正の電圧を印加した際のエネルギーバンド図である。

上述のように、ＡｕやＰｄなどの金属においては、仕事関数φ_ｍが５ｅＶ程度である。一方、ＣＮＴの仕事関数φ_ＣＮＴは４ｅＶ程度である。従って、図１の中図に示すように、金属とＣＮＴとを接合させると、金属とＣＮＴとの仕事関数の差を素直に反映したエネルギーバンド構造となり、ＣＮＴ側の価電子帯におけるバンド不連続（ΔＥ_Ｖ）をきわめて小さくすることができる。従って、下図のように金属にＣＮＴに対して正の電圧を印加すると、金属の価電子帯近傍の正孔は容易にＣＮＴに輸送可能であり、正孔電流がきわめて容易に（低電圧で）流れるようになる。尚、仕事関数がＣＮＴよりも大きい金属としては、例えば、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔなどが挙げられる。

一方、図２に示すように、電極材料である金属として仕事関数φ_ｍの小さい材料、例えばＣａを選択すると（具体的には、φ_ｍがφ_ＣＮＴ／２程度）、図２の中図に示すように、Ｃａなどの金属とＣＮＴとの接合界面における伝導帯の不連続値であるΔＥ_Ｃを極めて小さくすることができる。従って、図２の下図に示すように、Ｃａなどの金属に対してＣＮＴに正の電圧を印加すると、印加電圧をそれほど高くしなくても金属における伝導帯の電子がＣＮＴの伝導帯に注入されやすく、電子電流が低電圧でも流れるようになる。尚、仕事関数がＣＮＴよりも小さい金属としては、例えば、アルカリ金属であるＣｓ、Ｋ、Ｌｉなど、アルカリ土類金属であるＣａ、Ｍｇなどが挙げられる。

図１に示すように仕事関数の大きい材料（例えばＰｄ）を正孔に対するＣＮＴ／電極界面のショットキーポテンシャル障壁を低下させた電極を正孔注入電極として用い、図２に示すように仕事関数の小さい材料（例えばＣａ）を電子に対するＣＮＴ／電極界面のショットキーポテンシャル障壁を低下させた電子注入電極として用い、正孔注入電極と電子注入電極とをＣＮＴの延在方向に離間した位置に配置することにより、例えば、ＣＮＴ発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成することができる。

図３（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態による素子であり、上記のＣＮＴ発光ダイオード（以下、「ＣＮ−ＬＥＤ」と称する。）の概略構成を示す断面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に対応するＣＮ−ＬＥＤのエネルギーバンド構造を示す図である。図３（Ａ）に示すＣＮ−ＬＥＤ１は、例えばＢなどのｐ型不純物を高濃度にドーピングしたｐ^＋−Ｓｉ基板３と、その表面に形成され基板３を保護するとともに基板上に形成される電極間の絶縁性を確保するためのＳｉＯ_２絶縁膜５と、その上に形成されたＣＮＴ１５と、ＣＮＴ１５のそれぞれの端部において接するように配置されたＰｄ電極（正孔注入電極）７及びＣａ電極（電子注入電極）１１と、を有している。基板は、その上に形成される素子を支持する機能を有するが、導電性を有する場合には、例えば基板裏面に電極を形成する場合に、基板上の素子（ＣＮＴ）に対するゲート電極の一部としての機能を併せ持つ。尚、図３（Ａ）では、導電性を有するＳｉ基板３を用いたバックゲート電極構造を例示したが、一般的な基板又はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などを用い、その上に設けたＣＮＴに対して直接又は絶縁膜を介してゲート電極を形成することも可能である。

図３（Ｂ）に示すように、Ｐｄ電極７（正孔注入電極）とＣａ電極（電子注入電極）１１との間に、Ｐｄ電極７に対してＣａ電極１１に負の電圧を印加すると、Ｐｄ電極７側から正孔（ホール）が、Ｃａ電極１１側から電子（エレクトロン）がＣＮＴ１５内に注入され、ＣＮＴ１５の延在する方向において互いに近づくように移動する。注入された正孔と電子とがＣＮＴ内において再結合すると、再結合に伴う光ｈνが発生する。

以下、図４を参照しつつ、ＣＮＴ発光素子の詳細な構造と製造方法の一例について説明する。発光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）などが含まれる。図４に示すように、本実施の形態によるＣＮＴ発光素子２１は、ｐ^＋−Ｓｉ基板２３と、その表面上に形成された厚さ１００ｎｍのＳｉＯ_２酸化膜２５と、その上にある距離だけ離間して形成されたＣｏ／Ｐｔ触媒２７ａ、２７ｂと、Ｃｏ／Ｐｔ触媒２７ａ及び２７ｂとの間に形成されたＣＮＴ３７と、ＣＮＴ３７のそれぞれの端部と接するように形成されたＰｄ金属３１とＣａ金属３３と、Ｐｄ金属３１、Ｃａ金属３３のそれぞれの上に形成されたＡｌ電極３５ａ、３５ｂと、を有する正孔注入電極（３１／３５ａ）及び電子注入電極（３３／３５ｂ）と、ｐ^＋型Ｓｉ基板２３の裏面に形成されたＴｉ／Ａｕからなるバックゲート電極３９と、を有している。正孔注入電極と電子注入電極との間には、開口３８が形成される。尚、本実施の形態では、Ｃａ／Ａｌのそれぞれの厚みは、３ｎｍ／２５０ｎｍとした。また、ｐ^＋型Ｓｉ基板はＣＮＴの発光帯ではほぼ透明である。

次に、図４を参照して、ＣＮＴ発光素子の製造工程について説明する。まず、ｐ^＋型Ｓｉ／基板２３を準備し、表面にＳｉＯ_２酸化膜２５を形成し、裏面にバックゲート電極３９を形成する。次いで、表面にＣｏ／Ｐｔ触媒層を形成し、パターニングによりＣｏ／Ｐｔ触媒２７ａ、２７ｂを形成する。さらに、アルコールＣＣＶＤ（ａｌｃｏｈｏｌ ＣＣＶＤ；Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＣｏ／Ｐｔ触媒２７ａ、２７ｂ間に位置制御されたＳＷＮＴ（単層カーボンナノチューブ）３７を成長する。成長条件は、例えば、成長温度が９００℃、ガス流量がＡｒ／Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ（１００／５０ｃｍ^３／ｍｉｎ）、ガス圧が２００Ｐａ、成長時間が１時間である。次いで、ＳＷＮＴ３７と接するようにＰｄ／Ａｌからなる正孔注入電極３１／３５ａとＣａ／Ａｌからなる電子注入電極３３／３５ｂとを例えば公知のリソフラフィ、真空蒸着、リフトオフ法により形成する。正孔注入電極３１／３５ａと電子注入電極３３／３５ｂとの間には、ＣＮＴの表面を露出する開口３８が形成されている。尚、ＳＷＮＴなどのＣＮＴを、基板２３上で成長せずに、既に成長済みのＣＮＴを基板２３上に配置する方法を用いても良い。

ＣＮＴは、理想的な一次元量子細線構造を有しており、キャリアひとつ毎の伝導を制御できることから、１パルス当たり１光子という状況を作り出すことも可能であり、いわゆる、単一光子放出素子を実現することができる。単一光子は観測されることにより不確定性原理に起因して光子の状態が大きく変化することから、光子を他者に観測されたことを検知することが可能である。従って、単一光子放出素子は、例えば、いわゆる秘匿性の高い量子暗号通信にも利用可能である。さらに、ＣＮＴの発光波長は光ファイバの透過率の最も大きい１．５５μｍに合わせることが可能であり、光による通信関連技術の重要な要素技術である。加えて、ＣＮＴ内では後から注入された電子及び正孔は、先に注入された電子又は正孔を追い抜くことができないため、例えば通信技術において問題となる誤り率（ＢＥＲ：Ｂｉｔ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）を小さくできるという利点がある。

尚、上記ＬＥＤの構造により、発光に必要なドレイン電圧が低下するとともに、電子やホールの注入効率が向上し、発光効率も向上する。発光波長λ（μｍ）は、ＣＮＴの直径ｄ（ｎｍ）によって決まり、より詳細には以下の式で表される。
λ＝１．４８×ｄ
すなわち、ＣＮＴの径によりＬＥＤの発光波長を調整することができる。

図４に示す量子構造は、量子計算や量子通信に応用可能である。本実施の形態によるＣＮ−ＬＥＤ構造では、低いドレイン電圧で発光動作が可能なため、ゲート電極３９を設け、ゲート電圧の制御により単一電子注入および単一正孔注入動作をさせることにより、単一光子放出動作が可能となる。尚、従来報告されていた極低温で動作する単一光子放出素子は、例えばＧａＡｓなどの化合物半導体により微細加工技術を駆使することで作製されたものがあるが（前述の非特許文献２参照）、この構造に比べて、本実施の形態による素子は、ＣＮＴを自己組織的に得ることができるため、素子作製方法が簡便であり、かつ、ＣＮＴのサイズを非常に微細にできるため、室温での単一光子放出動作が可能であるという利点がある。また、動作電圧も０．５〜１Ｖ程度と低くなるため、動作時における低消費電力化が可能になる。

以上、本実施の形態によるＣＮＴ発光素子では、低い電圧でも電子と正孔とをＣＮＴに注入することができ、効率の良いＣＮＴ発光素子を提供することができるとともに、量子力学的な効果を利用した単一光子放出素子構造により、量子計算や量子通信などに応用可能である。

次に、本発明の第２の実施の形態によるＣＮＴ発光素子について図面を参照しつつ説明を行う。本明細書において、異種フラーレンとは、例えば、ＳＷＮＴなどのＣＮＴ内に配置された場合に、ＣＮＴとの間に形成する軌道が異なるフラーレン或いはＣＮＴのエネルギーバンドの変調量が異なるフラーレンを含む。この場合に、イオン価数に従ってＣＮＴに電子を供与することにより混成軌道を形成すること、ＣＮＴの変形により、バンドギャップが変調されることなどによりＣＮＴのエネルギーバンド構造に変調を施すことができるものと考えられる。フラーレンピーポッドにおける内包フラーレンとしては、Ｃ_６０、Ｃ_７８、Ｃ_９０を、金属内包フラーレンピーポッドの内包フラーレンとしては、Ｇｄ＠Ｃ_８２、Ｄｙ＠Ｃ_８２、Ｔｉ_２＠Ｃ_８０、Ｃｅ_２＠Ｃ_８０、Ｇｄ_２＠Ｃ_９２を用いることができる。図５は、これらのフラーレンピーポッドを用いてＦＥＴを作成した場合のオフ領域の電圧幅（バンドギャップと対応する値）と、内包金属の電荷移動数（内包金属のイオン価数）との関係を求めたグラフである。図５に示すように、フラーレンの大きさ及び電荷移動数とはＣＮＴのバンドギャップと高い関連性を示しており、内包するフラーレンの種類を選択することにより、バンドギャップを調整できることがわかる。さらに、フラーレンの大きさと電荷移動数との異なる内包フラーレンをＣＮＴ内に配置することにより、ＣＮＴの延在方向におけるバンド変調を行うことができる可能性を示唆している。すなわち、図５の結果を踏まえると、同じ種類の内包フラーレン又は異なる種類を含む内包フラーレンを、直径数ｎｍ程度のＣＮＴの延在方向に配置したピーポッド構造又は異種ピーポッド接合構造を用いるとＣＮＴの延在方向に関するバンドエンジニアリング（エネルギーバンド構造を所望の構造に設計する技術）が可能であることがわかる。例えば、内包させるフラーレンの種類により、ＣＮＴの径が変化すること、あるいはＣＮＴとフラーレンとの間で混成軌道を形成することにより、エネルギーバンド構造を変調させることができる。尚、フラーレン内包ピーポッドは前述のＣＣＶＤ法により形成可能である。

図６（Ａ）は、本実施の形態によるＣＮＴの構造断面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すＣＮＴのエネルギーバンド構造を示す図である。図６（Ａ）に示すように、Ｃ_６０とＣｅ＠Ｃ_８２とを順番にＣＮＴ内に内包させると、ＣＮＴの延在方向にＣ_６０とＣｅ＠Ｃ_８２とを位置制御して配置することができる。図６（Ａ）においては、図の右側から順番に３つのＣ_６０と２つのＣｅ＠Ｃ_８２と３つのＣ_６０とが順番に配置されている。

図６（Ａ）の構造に対応するエネルギーバンド構造（図６（Ｂ））に示すように、Ｃ_６０が配置されている位置におけるＣＮＴのエネルギーバンド構造と、Ｃｅ＠Ｃ_８２が配置されている位置におけるＣＮＴのエネルギーバンド構造と、は異なる。各構成要素の符号は、図３（Ａ）に示すものと同じ符号を付している。より具体的には、図６（Ｂ）に示すように、Ｃｅ＠Ｃ_８２が配置されている位置におけるＣＮＴのバンドギャップは、Ｃ_６０が配置されている位置におけるＣＮＴのバンドギャップと比べて小さく、その位置にはいわゆる量子井戸が形成されている。この量子井戸内においてはキャリアの閉じ込めにより電子及び正孔のエネルギー準位が離散的になっており、伝導帯側には電子の、価電子帯側には正孔のそれぞれのエネルギー準位が形成されている。

尚、ＣＮＴの延在方向に同種のフラーレンを内包させたピーポッド構造の場合でも、ＣＮＴに内包するフラーレンの種類によりＣＮＴのエネルギーバンド構造を変えることができる。すなわち、図６（Ａ）の構造に代えて、例えば、ＣＮＴに内包するフラーレンとしてＣ_６０のみを用いた場合とＣ_７８のみを用いた場合とでは、ＣＮＴのバンド構造が異なるため、発光波長を予め調整しておくことができる。

図７（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すピーポッド構造１５’を図３に示すＣＮＴ１５の代わりに用いたＬＥＤの構造と対応するエネルギーバンド構造とを示す図であり。その他の構造は同様である。

図７（Ａ）、（Ｂ）に示す構造において、正孔注入電極（Ｐｄ）７と電子注入電極（Ｃａ）１１との間に、正孔注入電極（Ｐｄ）７に対して正の電圧を印加すると、正孔注入電極（Ｐｄ）７から正孔が、電子注入電極（Ｃａ）１１から電子がＣＮＴ内に注入され、量子井戸内において電子と正孔とが再結合しエネルギー準位間のエネルギー差に対応する波長を有する光が発生する。電子と正孔との再結合によって発生する光は量子井戸において蓄積され増倍されるため、高効率な発光が得られる。また、ピーポッドにおいては内包するフラーレンの種類により、ＣＮＴのバンドギャップを調整することができるため、内包するフラーレンの種類により所望の発光波長を得ることができる。換言すれば、一般的な量子井戸構造の発光素子では、量子井戸構造を形成する材料を決めれば、量子井戸のサイズ（積層構造のうち量子井戸に対応する層の厚さ）に依存して波長が決まる。これに対して、本実施の形態によるＣＮＴピーポッドでは、内包するフラーレンの種類と分子の個数によって発光波長を調整することができる。内包するフラーレンの種類に関しては選択の自由度が高く、一般的な発光素子に比べて発光波長の調整が原理的に容易であるという利点がある。

次に、本発明の第３の実施の形態によるＣＮＴを用いた発光素子について図面を参照しつつ説明を行う。本実施の形態による発光素子は、上記各実施の形態によるＣＮ−ＬＥＤに、光共振器構造を設けた構造を有しており、これによりレーザーダイオード（ＬＤ）を作製することができる。図８は、本実施の形態によるカーボンナノチューブＬＤの構造例を示す断面図である。図８に示すように、本実施の形態によるカーボンナノチューブＬＤ５１は、図３（Ａ）に示すカーボンナノチューブＬＥＤにおいて、例えば、ＳｉＯ_２５５を表面に形成したｐ^＋Ｓｉ基板５３上に形成した正孔注入電極（Ｐｄ）５７と、電子注入電極（Ｃａ）６１との間に形成されたＣＮＴ６３の周囲を誘電体膜、例えば誘電体多層膜ミラー６５で覆うことにより光共振器を形成する。光共振器としては、高反射率のミラーで構成される必要があり、例えば、ＣＮＴ６３の周囲を上記誘電体多層膜ミラー６５で覆う構造により実現することができる。誘電体多層膜ミラーは、通常、２種類の酸化膜（ＴｉＯ，Ｔｉ_２Ｏ_３,Ｔａ_２Ｏ_５，ＺｒＯ，ＳｉＯ，ＳｉＯ_２など）を交互に積層することで形成可能である。尚、ＣＮＴとしては、第１の実施の形態によるＣＮＴを用いても良く、或いは、第２の実施の形態によるピーポッド構造を用いることができる。

本実施の形態によるカーボンナノチューブＬＤによれば、量子力学的な効果が発現する微細なレーザー素子を形成することができる。また、ピーポッド構造を用いると、レーザーの発光効率がさらに向上する上に、異種フラーレンを配置する位置に応じて発光位置を微細に調整することができるという利点もある。

次に、本発明の第４の実施の形態による素子について簡単に説明する。本実施の形態による素子は、例えば図４に示す構造において、ＣＮＴを露出させる開口部を設け、この開口部に入射した光に基づいて発生する電位差に基づく電流を検出する受光素子を形成することも可能である。この構造では、バイアスを印加しない状態において特定の波長の光がＣＮＴ（ピーポッド構造を含む）に照射されると、ＣＮＴの延在方向の異なる位置に設けられた第１電極と第２電極との間に光起電力が生じる。また、この受光素子構造の場合には、電極からＣＮＴ内に注入されるキャリアを抑制するために、ＰＩＮフォトダイオードのように発光素子の場合とは逆のバイアス電圧を印加し、高速応答可能な受光素子として働かせることができる。この際には、例えばＣａ電極は正孔に対して、Ｐｄ電極は電子に対して、大きなショットキー障壁を形成するため、暗電流を抑制することができ、高速かつＳ／Ｎ比の良好なフォトダイオードが実現できる。尚、ＣＮＴの径又はピーポッドにおける内包するフラーレンの種類に応じてＣＮＴのバンドギャップを変調させることができ、これに応じて検出可能な光の波長が変化するため、異なる波長帯の光を検知する種々の光検出器を製造することも可能である。

本発明は、ＣＮＴを用いた各種光デバイスに応用できる。さらに、光量子デバイスへの応用も可能である。

電極材料として仕事関数の比較的大きな金属を用い、この金属とＣＮＴとに関するエネルギーバンド構造を示す図であり、上図は真空の準位Ｅ_ＶＡＣを基準にした金属とＣＮＴとのそれぞれのエネルギーバンド図であり、中図は、金属とＣＮＴとを実際に接合した際のエネルギーバンド図であり、下図は、金属に正の電圧を印加した際のエネルギーバンド図である。 電極材料として仕事関数の比較的小さい材料を選択した場合の図であり、図１に対応する図である。 本発明の第１の実施の形態によるＣＮ−ＬＥＤの構造断面図（図３（Ａ））と、そのエネルギーバンド構造（図３（Ｂ））を示す図である。 本発明の第１の実施の形態によるＣＮ−ＬＥＤのより具体的な構造を示す断面図である。 フラーレンピーポッドを用いて作成したＦＥＴのオフ領域の電圧幅であって、バンドギャップと対応する値と、内包金属の電荷移動数（内包金属のイオン価数）との関係を求めたグラフである。 本発明の第２の実施の形態による発光素子の原理を示す図であり、図６（Ａ）は金属内包ピーポッドの構造例を示す図であり、図６（Ｂ）は対応するエネルギーバンド構造を示す図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示す構造を用いてＬＥＤを構成した発光素子の構造断面図とエネルギーバンド図である。 本発明の第３の実施の形態によるＣＮＴを用いた発光素子であって、上記各実施の形態によるＣＮ−ＬＥＤに、光共振器構造を設けた構造を有するレーザーダイオードの構造を示す断面図である。 Ｔｉ電極（Ｍｅｔａｌ）とＣＮＴとの接合の様子を示す図である。図９において、上図は真空の準位Ｅ_ＶＡＣを基準にしたＴｉ電極とＣＮＴとのそれぞれのエネルギーバンド図であり、中図は、Ｔｉ電極とＣＮＴとを実際に接合した際のエネルギーバンド図であり、下図は、Ｔｉ電極に正の電圧を印加した際のエネルギーバンド図である。

符号の説明

１…ＣＮ−ＬＥＤ、３…ｐ^＋−Ｓｉ基板、５…ＳｉＯ_２絶縁膜、７…Ｐｄ電極（正孔注入電極）、１１…Ｃａ電極（電子注入電極）、１５…カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、２１…ＣＮＴ発光素子、２３…ｐ^＋−Ｓｉ基板、２５…ＳｉＯ_２酸化膜、２７ａ、２７ｂ…Ｃｏ／Ｐｔ触媒、３１…Ｐｄ金属、３３…Ｃａ金属、３５ａ、３５ｂ…Ａｌ電極、３７…ＣＮＴ、３９…バックゲート電極。

Claims (14)

1. カーボンナノチューブと、
   該カーボンナノチューブの延在方向の第１の位置に設けられた正孔注入電極と、
   前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられた電子注入電極と
   を有する発光素子。
2. カーボンナノチューブと、
   該カーボンナノチューブの延在方向の第１の位置に設けられ該カーボンナノチューブよりも仕事関数の大きい材料からなる正孔注入電極と、
   前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられ前記カーボンナノチューブよりも仕事関数の小さい材料からなる電子注入電極と
   を有する発光素子。
3. 基板と、
   該基板に形成されたカーボンナノチューブと、
   該カーボンナノチューブの延在方向の第１の位置に設けられた正孔注入電極と、
   前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられた電子注入電極と、
   前記カーボンナノチューブに対して電圧を印加する制御電極と
   を有する発光素子。
4. 導電性基板と、
   該導電性基板の表面側に形成された絶縁膜と、
   該絶縁膜上に形成されたカーボンナノチューブと、
   該カーボンナノチューブの延在方向の第１の位置に設けられた正孔注入電極と、
   前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられた電子注入電極と、
   前記導電性基板の裏面側に設けられた制御電極と
   を有する発光素子。
5. 前記カーボンナノチューブに代えて、
   カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブに内包されたフラーレン又は金属内包フラーレンと、を有するピーポッド構造であって、同じ種類又は異なる種類の前記フラーレン又は金属内包フラーレンが、前記カーボンナノチューブの延在する方向にある順番で配置されているピーポッド構造を備えたことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の発光素子。
6. 前記異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンは、前記カーボンナノチューブとの間にそれぞれ異なる混成軌道を形成することを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
7. 前記同じ種類又は異なる種類のフラーレン又は金属内包フラーレンは、前記カーボンナノチューブを変形させる程度の径を有していることを特徴とする請求項５又は６に記載の発光素子。
8. 前記異なる種類の金属内包フラーレンは、電荷移動数の異なる金属内包フラーレンであることを特徴とする請求項５又は６に記載の発光素子。
9. 前記同じ種類又は異なる種類の金属内包フラーレンは、内包金属イオンによる前記カーボンナノチューブのエネルギーバンド構造を変調させることを特徴とする請求項５又は６に記載の発光素子。
10. 前記フラーレン又は異なる種類の金属内包フラーレンは、前記フラーレン又は異なる種類の金属内包フラーレンを配置した位置において量子井戸を形成する方向に前記カーボンナノチューブのエネルギーバンド構造を変調させることを特徴とする請求項５又は６に記載の発光素子。
11. 前記カーボンナノチューブは、ＳＷＮＴであることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の発光素子。
12. さらに、前記カーボンナノチューブを覆う誘電体膜を備えることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の発光素子。
13. カーボンナノチューブと、
    該カーボンナノチューブを露出する開口部に設けられた受光面と、
    該カーボンナノチューブの第１の位置に設けられた第１導電型の第１電極と、
    前記カーボンナノチューブの延在方向において前記第１の位置と異なる第２の位置に設けられた第２導電型の第２電極と
    を有する受光素子。
14. 前記カーボンナノチューブの径又は前記カーボンナノチューブに内包させるフラーレン又は金属内包フラーレンにより、前記受光面から受光した光の検出波長領域を調整することを特徴とする請求項１３に記載の受光素子。
    
    

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