JP2006228864A - Ｔ型構造のナノチューブおよび電界効果トランジスタ並びにそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ナノチューブとナノチューブとがＳＰ３結合で接合されるようにして、チャネルとゲートの双方をナノチューブとするトランジスタを実現できるようにする。
【解決手段】 一対のソース・ドレイン電極２７とゲート端子２８が形成された基板を用意し〔（ａ）図〕、ソース・ドレイン電極２７の一方に触媒層２０を形成する〔（ｂ）図〕。触媒層２０を書くとしてＣＮＴを成長させ〔（ｃ）図〕、一対のソース・ドレイン電極２７間に第１のＣＮＴ２３を形成する〔（ｄ）図〕。把持手段２５により第２のＣＮＴ２４を採取し、必要に応じて電子ビームなどを用いてキャップを除去し開口部を清浄化した後、その開口部を第１のＣＮＴ２３の側面に接触させ、二つのＣＮＴを結合する〔（ｅ）図〕。第２のＣＮＴ２４の他端をゲート端子２８上に位置づける〔（ｆ）図〕。金属イオンを選択的に照射して、ＣＮＴの端部を電極、端子上に固定する。
【選択図】 図６
【解決手段】 一対のソース・ドレイン電極２７とゲート端子２８が形成された基板を用意し〔（ａ）図〕、ソース・ドレイン電極２７の一方に触媒層２０を形成する〔（ｂ）図〕。触媒層２０を書くとしてＣＮＴを成長させ〔（ｃ）図〕、一対のソース・ドレイン電極２７間に第１のＣＮＴ２３を形成する〔（ｄ）図〕。把持手段２５により第２のＣＮＴ２４を採取し、必要に応じて電子ビームなどを用いてキャップを除去し開口部を清浄化した後、その開口部を第１のＣＮＴ２３の側面に接触させ、二つのＣＮＴを結合する〔（ｅ）図〕。第２のＣＮＴ２４の他端をゲート端子２８上に位置づける〔（ｆ）図〕。金属イオンを選択的に照射して、ＣＮＴの端部を電極、端子上に固定する。
【選択図】 図６
Description
本発明は、Ｔ型構造のナノチューブおよび電界効果トランジスタ並びにそれらの製造方法に関し、特に２本のナノチューブがＳＰ３結合をもって接合されたＴ字型ナノチューブ構造およびそれを用いた電界効果トランジスタ並びにそれらの製造方法に関する。
ナノチューブは、グラファイトのような六員環構造のシートを筒状に丸めた構造を有した、直径が０．４ｎｍ〜数１０ｎｍの円筒体である。そして、その直径や螺旋状態（ナノチューブの軸方向と炭素原子の並び方向のなす角度の状態）によって半導体的あるいは金属的に振る舞う特異な電気的性質により、トランジスタを始めとする多様な機能素子が実現できる素材として注目を集めており、研究、開発が活発に行われている。
カーボンナノチューブを用いたトランジスタの代表的な従来例は、カーボンナノチューブの一端をソース電極に、その他端をドレイン電極に接続し、カーボンナノチューブに絶縁膜を介して金属膜等からなるゲート電極を配置した構造である（例えば、特許文献１参照）。
カーボンナノチューブを用いたトランジスタの代表的な従来例は、カーボンナノチューブの一端をソース電極に、その他端をドレイン電極に接続し、カーボンナノチューブに絶縁膜を介して金属膜等からなるゲート電極を配置した構造である（例えば、特許文献１参照）。
一方、２本のカーボンナノチューブが接合された構造としては、２本のカーボンナノチューブを“Ｘ”状、あるいは“Ｙ”状ないし“Ｔ”状に接合する技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。“Ｘ”状のカーボンナノチューブ結合体は、２本のカーボンナノチューブを十文字状に重ね、その重なり部に電子ビームを照射すると共にアニールを行うことによって作製される。この工程において、電子ビームの照射により炭素原子がスパッタされ、空孔（vacancy）が形成された個所の炭素が活性化されて相手側ナノチューブの炭素と結合されることにより２本のナノチューブが結合される。そして、“Ｙ”状あるいは“Ｔ”状のカーボンナノチューブ結合体は、“Ｘ”状のカーボンナノチューブ結合体の一分枝を電子ビーム照射により除去して形成される。これらのカーボンナノチューブ結合体は、２本のチューブの中空部が連続した構造となっており、２本のナノチューブはＳＰ２結合により接合されている。
特開２００３−０１７５０８号公報
M.Terrones, et al.,"Molecular Junctions by Joining Single-Walled Carbon Nanotubes", PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol. 89, No.7, 075505 (12 August, 2002)
ナノチューブを用いたトランジスタはナノチューブ自体が微細構造であるため極めて微細なトランジスタを形成できることが期待されているが、従来のトランジスタは、ナノチューブ上に絶縁膜を介して金属膜等からなるゲート電極を配置するものであるので、ゲート電極下のチャンネル長は金属電極のサイズで決定されており、そしてゲート電極の形成をフォトリソグラフィ法を用いて形成しなければならないため、微細化には限界があった。また、従来のトランジスタでは、チャネルを構成するナノチューブは、半導体的特性を持つものに限定されていたため、材料選択の自由度が低かった。
一方、従来の２本のナノチューブの結合体は、２本のナノチューブがＳＰ２結合により接合された構造であるため、２本のナノチューブは電気的に導通状態にある。ナノチューブ結合体のトランジスタなどの電子デバイスへの応用を考慮すると、両ナノチューブ間が導通状態にある場合にはその適用範囲が限定される。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、二つのナノチューブが非導通状態で結合された構造を提供できるようにして、ナノチューブの電子デバイスへの適用範囲を拡大することであり、第２に、この構造のナノチューブを用いて十分に微細化されたトランジスタを提供できるようにすることである。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、二つのナノチューブが非導通状態で結合された構造を提供できるようにして、ナノチューブの電子デバイスへの適用範囲を拡大することであり、第２に、この構造のナノチューブを用いて十分に微細化されたトランジスタを提供できるようにすることである。
上記の目的を達成するため、本発明によれば、第1のナノチューブの側面と、第２のナノチューブの開口部先端とがＳＰ３結合していることを特徴とするＴ型構造のナノチューブ、が提供される。
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、第1のナノチューブの側面に、第２のナノチューブの開口部先端が結合しているＴ型構造のナノチューブであって、結合部において第1のナノチューブは開口していないことを特徴とするＴ型構造のナノチューブ、が提供される。
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、ソース電極とドレイン電極との間に第１のナノチューブが配置されており、第１のナノチューブの側面にゲート電極である第２のナノチューブの開口部先端が結合されていることを特徴とする電界効果トランジスタ、が提供される。
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブを接合させてＴ型構造のナノチューブを製造する方法であって、第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブの開口端を近接ないし接触させて第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブを接合させることを特徴とするＴ型構造のナノチューブの製造方法、が提供される。
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、基板上に第１のナノチューブを配置する工程と、第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブの開口端を近接ないし接触させて第1のナノチューブの側面に第２のナノチューブを接合させる工程と、金属膜を堆積して第１のナノチューブの端部をソース・ドレイン電極に固着すると共に第２のナノチューブの他端部をゲート端子に固着する工程と、を有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法、が提供される。
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、基板上の１ないし複数箇所にナノチューブの成長触媒膜を形成する工程と、前記成長触媒膜を用いて気相成長法により第１のナノチューブを形成する工程と、第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブの開口端を近接ないし接触させて第1のナノチューブの側面に第２のナノチューブを接合させる工程と、金属膜を堆積して第１のナノチューブの端部をソース・ドレイン電極に固着すると共に第２のナノチューブの他端部をゲート端子に固着する工程と、を有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法、が提供される。
本発明のＴ型構造のナノチューブによると、２本のナノチューブがＳＰ３結合しているため、換言すると、２本のナノチューブがダイアモンド構造をもって接続されているため、両者間は絶縁分離されることになる。したがって、本発明によれば、第２のナノチューブに印加される電圧によって第１のナノチューブの電位状態を制御することが可能になり、この特徴を利用して各種の電子デバイスを実現することが可能になる。
また、本発明によるトランジスタでは、チャネル領域とこれを制御するゲート電極との双方をナノチューブによって構成しているため、ナノチューブの微細性を活かした極めて微細なトランジスタを提供することができる。また、チャネルを構成するナノチューブではその結合部付近の電子状態が変化し金属的ナノチューブであってもバンドギャップが生じ、ゲートにより制御可能となるため、チャネル領域に半導体ナノチューブのみならず金属ナノチューブを用いることも可能になる。
次に、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明のＴ型構造のナノチューブを製造する方法の一実施の形態を示す流れ図であり、図２は、その工程順の側面図である。ステップＳ１では、図２（ａ）に示すように、基板１上に第１のナノチューブ２を形成する。あるいは、別途形成された第１のナノチューブ２を取り出し基板１上に配置する。基板１としては、シリコン、石英、サファイア、ダイアモンド、ＭｇＯなどの結晶基板、アルミナ、ガラスなどの非晶質基板あるいは金属基板を用いることができる。金属基板などの導電性を有する基板を用いる場合には、必要に応じて表面に絶縁性被膜を形成する。ナノチューブ２は、単層または多層のカーボンナノチューブ若しくは単層または多層のＢＮ（窒化硼素）ナノチューブである。
図１は、本発明のＴ型構造のナノチューブを製造する方法の一実施の形態を示す流れ図であり、図２は、その工程順の側面図である。ステップＳ１では、図２（ａ）に示すように、基板１上に第１のナノチューブ２を形成する。あるいは、別途形成された第１のナノチューブ２を取り出し基板１上に配置する。基板１としては、シリコン、石英、サファイア、ダイアモンド、ＭｇＯなどの結晶基板、アルミナ、ガラスなどの非晶質基板あるいは金属基板を用いることができる。金属基板などの導電性を有する基板を用いる場合には、必要に応じて表面に絶縁性被膜を形成する。ナノチューブ２は、単層または多層のカーボンナノチューブ若しくは単層または多層のＢＮ（窒化硼素）ナノチューブである。
第１のナノチューブ２を基板上に成長させる場合、基板１上に選択的にナノチューブの成長の核となる触媒の膜若しくは触媒担体と触媒との積層膜または混合物膜を形成し、熱分解気相成長（熱ＣＶＤ）法などの気相成長法によりナノチューブを形成する。触媒には、Ｙ、Ｌａなどの３Ａ族金属、Ｍｏなどの６Ａ族金属、Ｍｎなどの７Ａ族金属、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔなどの８族金属またはそれらを含む合金またはそれらの化合物の中の一種または複数種を用いることができる。触媒担体としては、アルミナ、シリカなどの酸化物、酸化膜または水酸化膜を有する金属を用いることができる。これらの膜の選択的なパターン形成は、選択的なイオン照射技術を用いることができる。あるいは全面的に触媒膜などの膜を形成した後にフォトリソグラフィ法およびエッチング技術を用いてパターニングを行ってもよい。さらに、リフトオフ法によりパターニングを行うこともできる。熱分解気相成長法によりナノチューブを作製する場合には、メタン、エタン、エチレン、ベンゼン、一酸化炭素、エタノール、メタノールなどの炭素化合物をソースガスとして用いることができる。ＢＮナノチューブの場合には、塩化硼素（ＢＣｌ３）をソースとし、窒素＋水素をキャリアガスとすることができる。あるいは熱ＣＶＤ法に代えレーザアブレーション法などの他の気相成長法を用いてもよい。
また、別途形成されたナノチューブを第１のナノチューブ２として基板１上に配置する場合には、ＳＴＭ（scanning tunneling microscope；走査型トンネル顕微鏡）の探針あるいはＡＦＭ（atomic force microscope；原子間顕微鏡）の探針などの把持手段を用いてナノチューブを取り出し、ＴＥＭ（transmission electron microscope；透過型電子顕微鏡）などにより観察しながら、基板上に位置決めし配置する。ナノチューブからの把持手段の取り外しは、ナノチューブの被把持部に電子ビームを照射して行うことができる。ナノチューブの配置に先立って、基板上に予め接着剤を塗布しておいてもよい。
次のステップＳ２では、図２（ｂ）に示すように、ＳＴＭの探針若しくはＡＦＭの探針などの適当な把持手段を用いて第２のナノチューブ３を取り出し、電子ビーム４を照射する等の手段を用いて第２のナノチューブ３のキャップ（ナノチューブの先端に形成されたフラーレン部）を除去する。ナノチューブ３のキャップを除去すると、チューブの開口端が現れるが開口端のカーボンはダングリングボンドを有し化学的に活性であるため、雰囲気のＨ（水素）等の不純物と容易に結合する。したがって、作業の行われるチェンバ内は、１．３３×１０−５Ｐａ（１０−７Ｔｏｒｒ）程度ないしそれ以上の高真空に維持されていることが好ましい。また、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２等の不活性ガスに満たされた真空中で作業を行うことがより望ましい。第２のナノチューブ３は、単層または多層のカーボンナノチューブ若しくは単層または多層のＢＮ（窒化硼素）ナノチューブである。
次のステップＳ３では、図２（ｃ）に示すように、電子ビーム４を照射するなどして、第２のナノチューブ３の開口部先端に付着している（活性化カーボンと結合している）Ｈなどの不純物を除去して第２のナノチューブ３の開口部を清浄化する。この清浄化処理においては、電子ビームはナノチューブの構成元素をスパッタすることのないエネルギーレベルであることが望ましい。次のステップＳ４では、図２（ｄ）に示すように、ＴＥＭなどにより観察しながら、把持手段により第２のナノチューブ３を操作してその開口端を第１のナノチューブ２の側面に接触させる。すると、第２のナノチューブ３の開口端のダングリングボンドは第１のナノチューブ２のカーボンと反応して両チューブはＳＰ３結合により接続される。
図３には、このようにして形成されたＴ型構造ナノチューブの原子配列が示されている。但し、図３では、第１のナノチューブ２は、左側の約半分の図示が省略されている。本発明に係るＴ型構造のナノチューブの特徴的な点は、両ナノチューブがＳＰ３結合により接続されていることと、第１のナノチューブ２が完全にチューブの形状を保持していること、換言すると接合部において開口が形成されていないことと、接合部がなだらかな円弧状をなしておらず、第１のナノチューブ２から第２のナノチューブ３がシャープに立ち上がっていることである。
ステップＳ４の工程においても、第２のナノチューブ３の開口端に電子ビームを照射して清浄化処理を行いながら接合を行うようにしてもよい。
ステップＳ２の工程において、把持手段により採取された第２のナノチューブが既にキャップが除去されたものである場合には、ステップＳ２の工程は省略される。また、第２のナノチューブの開口端が汚染されていないことが明らかである場合にはステップＳ３の工程は省略してもよい。
また、上記の実施の形態では、ステップＳ２、Ｓ３の工程においては、電子ビームが用いられていたが、これに代え、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒなどの元素のイオンを照射するようにしてもよい。
ステップＳ２の工程において、把持手段により採取された第２のナノチューブが既にキャップが除去されたものである場合には、ステップＳ２の工程は省略される。また、第２のナノチューブの開口端が汚染されていないことが明らかである場合にはステップＳ３の工程は省略してもよい。
また、上記の実施の形態では、ステップＳ２、Ｓ３の工程においては、電子ビームが用いられていたが、これに代え、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒなどの元素のイオンを照射するようにしてもよい。
図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明のトランジスタの製造方法の第１の実施の形態を示す工程順の側面図である。なお、以下の図面では、簡単のために円筒形のナノチューブを円柱形に描いてある。
表面にシリコン酸化膜１２の形成されたシリコン基板１１を用意し、その上に第１のカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと記す）１３を配置する〔図４（ａ）〕。第１のＣＮＴ１３を配置する前に予めシリコン酸化膜１２上に接着剤を塗布しておいてもよい。第１のＣＮＴ１３は半導体特性を示すものであっても金属特性を有するものであってもよい（以下の実施の形態における第１のＣＮＴについても同様である）。
表面にシリコン酸化膜１２の形成されたシリコン基板１１を用意し、その上に第１のカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと記す）１３を配置する〔図４（ａ）〕。第１のＣＮＴ１３を配置する前に予めシリコン酸化膜１２上に接着剤を塗布しておいてもよい。第１のＣＮＴ１３は半導体特性を示すものであっても金属特性を有するものであってもよい（以下の実施の形態における第１のＣＮＴについても同様である）。
図４（ｂ）以降は、観察方向が図４（ａ）とは９０度異なっている。ＳＴＭの探針などからなる把持手段１５を用いて第２のＣＮＴ１４を採取し、電子ビーム１６を照射して〔図４（ｂ）〕第２のＣＮＴ１４の先端に形成されているキャップを除去する。第２のＣＮＴ１４は、金属ナノチューブであることが望ましいが半導体特性を有するものであってもよい（以下の実施の形態における第２のＣＮＴについても同様である）。続いて、電子ビーム１６を照射し〔図４（ｃ）〕つつ把持手段１５を操作して第１のＣＮＴ１３の側面に第２のＣＮＴ１４の開口端を接触させ、両ナノチューブを結合する〔図４（ｄ）〕。その後、選択的に金属イオンを照射して金属膜の堆積を行い、第１のＣＮＴ１３の端部にソース・ドレイン電極１７を形成し、第２のＣＮＴ１４の端部にゲート端子１８を形成すると共に各ＣＮＴの端部をシリコン酸化膜１２上に固定する〔図４（ｅ）〕。このようにして形成されたトランジスタの平面図を図５に示す。
図６（ａ）〜（ｆ）は、本発明のトランジスタの製造方法の第２の実施の形態を示す工程順の断面図であり、図７（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施の形態の工程順の平面図である。表面にシリコン酸化膜２２の形成されたシリコン基板２１を用意する。そして、その上に金属膜を堆積し、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を適用して一対のソース・ドレイン電極２７とゲート端子２８とを形成する。さらに、シリコン酸化膜を堆積し、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）により、研磨・平坦化を行ってソース・ドレイン電極２７とゲート端子２８とをシリコン酸化膜２２中に埋め込む〔図６（ａ）、図７（ａ）〕。
次に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの中の一種若しくは複数種の金属からなるイオンを選択的に照射して、ソース・ドレイン電極２７の一方の上に触媒層２０を形成する〔図６（ｂ）〕。触媒層を形成する方法として、スパッタ法などによる金属膜の堆積とリフトオフとを用いる手法を採用してしてもよい。次に、熱分解気相成長法により触媒層２０を出発点としてＣＮＴを成長させる。このとき、ソース電極−ドレイン電極方向に電界を印加する。これにより、ＣＮＴの成長は、一方のソース・ドレイン電極から他方のソース・ドレイン電極方向に向けて誘導される〔図６（ｃ）〕。そのままＣＮＴの成長を続けると、一対のソース・ドレイン電極２７間に第１のＣＮＴ２３が形成される〔図６（ｄ）、図７（ｂ）〕。
次に、把持手段２５により第２のＣＮＴ２４を採取し、必要に応じて電子ビームなどを用いてキャップを除去し開口部を清浄化した後、その開口部を第１のＣＮＴ２３の側面に接触させ、二つのナノチューブを結合する〔図６（ｅ）〕。その後、把持手段２５を操作して第２のＣＮＴ２４の他端をゲート端子２８上に位置付けする〔図６（ｆ）〕。ここで、図６（ｆ）は、図６（ａ）〜（ｅ）とは９０度異なる方向から見た図である。そして、金属イオンを選択的に照射して、ＣＮＴの端部を電極、端子上に固定する固着層２９を形成する。しかる後、把持手段２５を第２のＣＮＴ２４から引き離して、本実施の形態のトランジスタの作製工程を完了する〔図７（ｃ）〕。
図８Ａ（ａ）〜図８Ｂ（ｆ）は、本発明のトランジスタの製造方法の第３の実施の形態を示す工程順の側面図であり、図８Ｂ（ｇ）は、第３の実施の形態により作製されたトランジスタの平面図である。表面にシリコン酸化膜３２の形成されたシリコン基板３１を用意し、その上にフォトレジストをスピン塗布し電子線露光・現像を行って、触媒層形成個所に開口を有するレジスト膜３９を形成する〔図８Ａ（ａ）〕。触媒層形成個所は、形成さるべきソース電極とドレイン電極とを結ぶ線上でソース電極およびドレイン電極より内側の２個所である。その後、全面的に触媒層３０を形成する〔図８Ａ（ｂ）〕。触媒層３０の形成方法は一般的に知られている方法を適宜採用することができる。すなわち、触媒金属または触媒金属化合物の気相法による堆積、触媒を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。また、触媒担体を触媒と併用することもできる。次に、剥離液を用いてレジスト膜３９を除去して、所望のパターンの触媒層３０を基板上に残す〔図８Ａ（ｃ）〕。
次に、熱分解気相成長法を用いて２つの触媒層３０を出発点としてＣＮＴを成長させる。このとき、ソース電極−ドレイン電極方向の電界を印加する。電界の向きは適当なインターバルで反転するようにする。これにより、ＣＮＴは、触媒層３０を出発点として形成さるべきソース・ドレイン電極の方向に向けて成長する〔図８Ａ（ｄ）〕。そのままＣＮＴの成長を続けると、２本のＣＮＴは合体して１本となり、シリコン酸化膜３２上に第１のＣＮＴ３３が形成される〔図８Ｂ（ｅ）〕。
次に、把持手段（図示省略）により第２のＣＮＴ３４を採取し、必要に応じて電子ビームなどを用いてキャップを除去し開口部を清浄化した後、その開口部を第１のＣＮＴ３３の側面に接触させ、第１のＣＮＴ３３の側面に第２のＣＮＴ３４の開口部を結合する。然る後、把持手段を操作して第２のＣＮＴ３４の他端を形成されるべきゲート端子上に位置付けする〔図８Ｂ（ｆ）〕。ここで、図８Ｂ（ｆ）は、図８Ｂ（ｅ）までの図とは９０度異なる方向から見た図である。その後、金属イオンを選択的に照射して、第１のＣＮＴ３３の２つの端部にソース・ドレイン電極３７を形成し、第２のＣＮＴ３４の一端部にゲート端子３８を形成し、ＣＮＴの端部をシリコン酸化膜３２上に固定する。そして、把持手段を第２のＣＮＴ３４から引き離すと、図８Ｂ（ｇ）に示される、本実施の形態によるトランジスタが作製される。
上記実施の形態における第１、第２のＣＮＴは、単層ナノチューブであることが望ましいが多層ナノチューブであってもよい。また、ゲート電極となるナノチューブはＢＮナノチューブを用いることができる。
上記実施の形態における第１、第２のＣＮＴは、単層ナノチューブであることが望ましいが多層ナノチューブであってもよい。また、ゲート電極となるナノチューブはＢＮナノチューブを用いることができる。
シリコン酸化膜を表面に有するシリコン基板上にスパッタ法によりＡｌを堆積し、電子線リソグラフィ技術によりパターニングして、ソース電極とドレイン電極を形成した。選択的イオンビーム照射により、ソース電極とドレイン電極上にＮｉからなる触媒層を形成した。熱ＣＶＤ法によりＣＮＴを成長させ、ソース電極−ドレイン電極間に第１の単層ＣＮＴを形成した。別に形成された単層ＣＮＴを第２のＣＮＴとしてＳＴＭの探針の先端に強電界を用いて採取した。第２のＣＮＴの先端にキャップがないことが確認されたので、ＴＥＭで観察しつつ第１のＣＮＴに第２のＣＮＴの開口端を接近させた。そして、３００ｋＶで加速された電子ビームを照射して第２のＣＮＴの開口端に吸着していると考えられる不純物を取り去りつつ、第１のＣＮＴに第２のＣＮＴを接触させると、ＣＮＴ間で結合されＴ字型ジャンクションが形成された。続いて、選択的金属イオンビームの照射により、第２のＣＮＴの端部にゲート端子を形成した後、ＳＴＭの探針を第２のＣＮＴから引き離した。
次に、ソース・ドレイン電極間に１Ｖの電圧を印加し、ゲート電圧特性を調べたところ相互コンダクタンスは約６０００μＳ／μｍであった。これは、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成した従来型のナノチューブトランジスタと同等の値である。一方、ゲート電極にＣＮＴを用いるチャネル長がナノメートルオーダであるために従来型のナノチューブトランジスタより高速動作が可能であり、１０ＴＨｚを超える遮断周波数を期待することができる。また、1Ｖを超えるゲート電圧では電流リークによりトランジスタ特性を示さなくなった。
次に、ソース・ドレイン電極間に１Ｖの電圧を印加し、ゲート電圧特性を調べたところ相互コンダクタンスは約６０００μＳ／μｍであった。これは、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成した従来型のナノチューブトランジスタと同等の値である。一方、ゲート電極にＣＮＴを用いるチャネル長がナノメートルオーダであるために従来型のナノチューブトランジスタより高速動作が可能であり、１０ＴＨｚを超える遮断周波数を期待することができる。また、1Ｖを超えるゲート電圧では電流リークによりトランジスタ特性を示さなくなった。
本発明によるＴ型構造のナノチューブは、２本のナノチューブがＳＰ３結合にて接合されているので、両者間に電気伝導性がなく、一方のナノチューブに印加する電圧によって他方のナノチューブの電子の状態を制御することが可能になる。本発明のＴ型構造のナノチューブは、絶縁ゲート電界効果トランジスタとして利用することができるばかりでなく、制御ゲート付冷陰極、ゲートにより超電導／常電導を制御可能な超電導デバイスに用いることができる。また、結合部の絶縁体を誘電体膜として用いることにより、キャパシタやバリキャップに用いることができる。
１ 基板
２ 第１のナノチューブ
３ 第２のナノチューブ
４ 電子ビーム
１１、２１、３１ シリコン基板
１２、２２、３２ シリコン酸化膜
１３、２３、３３ 第１のＣＮＴ（第１のカーボンナノチューブ）
１４、２４、３４ 第２のＣＮＴ（第２のカーボンナノチューブ）
１５、２５ 把持手段
１６ 電子ビーム
１７、２７、３７ ソース・ドレイン電極
１８、２８、３８ ゲート端子
２０、３０ 触媒層
２９ 固着層
３９ レジスト膜
２ 第１のナノチューブ
３ 第２のナノチューブ
４ 電子ビーム
１１、２１、３１ シリコン基板
１２、２２、３２ シリコン酸化膜
１３、２３、３３ 第１のＣＮＴ（第１のカーボンナノチューブ）
１４、２４、３４ 第２のＣＮＴ（第２のカーボンナノチューブ）
１５、２５ 把持手段
１６ 電子ビーム
１７、２７、３７ ソース・ドレイン電極
１８、２８、３８ ゲート端子
２０、３０ 触媒層
２９ 固着層
３９ レジスト膜
Claims (14)
- 第1のナノチューブの側面と、第２のナノチューブの開口部先端とがＳＰ３結合していることを特徴とするＴ型構造のナノチューブ。
- 第1のナノチューブの側面に、第２のナノチューブの開口部先端が結合しているＴ型構造のナノチューブであって、結合部において第1のナノチューブは開口していないことを特徴とするＴ型構造のナノチューブ。
- ソース電極とドレイン電極との間に第１のナノチューブが配置されており、第１のナノチューブの側面にゲート電極である第２のナノチューブの開口部先端が結合されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
- 第１のナノチューブと第２のナノチューブとがＳＰ３結合していることを特徴とする請求項３に記載の電界効果トランジスタ。
- 第２のナノチューブが金属的性質を有していることを特徴とする請求項３または４に記載の電界効果トランジスタ。
- 第１のナノチューブが、カーボンナノチューブよりなることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。
- 第１のナノチューブが、単層のナノチューブであることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。
- 第２のナノチューブがカーボンナノチューブもしくは窒化ホウ素ナノチューブのいずれかよりなることを特徴とする請求項３から７のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。
- 第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブを接合させてＴ型構造のナノチューブを製造する方法であって、第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブの開口端を接触させて第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブを接合させることを特徴とするＴ型構造のナノチューブの製造方法。
- 接合に際して第２のナノチューブの開口端の清浄化処理が行われることを特徴とする請求項９に記載のＴ型構造のナノチューブの製造方法。
- 接合が１．３３×１０−５Ｐａ（１０−７Ｔｏｒｒ）ないしそれ以上の高真空下で行われることを特徴とする請求項９または１０に記載のＴ型構造のナノチューブの製造方法。
- 接合が希ガスまたは窒素雰囲気中で行われることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載のＴ型構造のナノチューブの製造方法。
- 基板上に第１のナノチューブを配置する工程と、第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブの開口端を接触させて第1のナノチューブの側面に第２のナノチューブを接合させる工程と、金属膜を堆積して第１のナノチューブの端部をソース・ドレイン電極に固着すると共に第２のナノチューブの他端部をゲート端子に固着する工程と、を有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
- 基板上の１ないし複数箇所にナノチューブの成長触媒膜を形成する工程と、前記成長触媒膜を用いて気相成長法により第１のナノチューブを形成する工程と、第１のナノチューブの側面に第２のナノチューブの開口端を接触させて第1のナノチューブの側面に第２のナノチューブを接合させる工程と、金属膜を堆積して第１のナノチューブの端部をソース・ドレイン電極に固着すると共に第２のナノチューブの他端部をゲート端子に固着する工程と、を有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
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