JP2006240898A - Method for doping of carbon nanotube by solution treatment, semiconductor device, and method of forming the semiconductor device - Google Patents

Method for doping of carbon nanotube by solution treatment, semiconductor device, and method of forming the semiconductor device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for doping carbon nanotube by a solution treatment, a semiconductor device and a method of forming the semiconductor device. <P>SOLUTION: This doping method for carbon nanotube includes a process for exposing the carbon nanotube to a one-electron oxidizer in a solution phase. Further, there are provided a method of forming a carbon nanotube FET device and also a semiconductor device. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、2004年3月2日に出願された出願番号第60/549,185号のプロビジョナル出願に基づく優先権主張を伴う出願であり、当該プロビジョナル出願の内容は、参照として本明細書に含まれる。本発明は、ナノ構造に関し、より詳細には、カーボンナノチューブ(CN)のドーピングのための溶液処理方法に関する。   The present invention is an application with a priority claim based on a provisional application filed on March 2, 2004, application number 60 / 549,185, the contents of which are hereby incorporated by reference. included. The present invention relates to nanostructures, and more particularly to a solution processing method for doping carbon nanotubes (CN).

分子ナノエレクトロニクスの分野においては、ナノチューブほどに見込みのある材料は少なく、特にカーボンナノチューブでは、グラファイトの中空円筒を含んでいる。ナノチューブは、ナノチューブの電気的特性に依存して、ダイオードやトランジスタといった微小な電子デバイスとされる。ナノチューブは、それらのサイズ、形状、および物理特性について特異的である。構造的には、カーボンナノチューブは、円筒状に巻き付けられた炭素の六方格子に似ている。   In the field of molecular nanoelectronics, few materials are as promising as nanotubes, especially carbon nanotubes, which contain a hollow graphite cylinder. Nanotubes are microelectronic devices such as diodes and transistors, depending on the electrical properties of the nanotubes. Nanotubes are specific for their size, shape, and physical properties. Structurally, carbon nanotubes resemble a hexagonal lattice of carbon wound in a cylindrical shape.

低温度で興味深い量子挙動を示す他、カーボンナノチューブは、少なくとも2つの重要な特性を示す:ナノチューブは、そのキラル性(すなわち、形態構造)に依存して、金属または半導体のいずれかとなる。金属カーボンナノチューブは、一定の抵抗率で極めて大きな電流密度を伝搬させることができる。半導体カーボンナノチューブは、電界効果トランジスタ(FETs)の如くに電気的にオン−オフのスイッチが可能である。この2つのタイプは、電子を共有することにより、共役的に結合している。これらの特性は、ナノチューブをナノメートルサイズの半導体回路とするための優れた材料とさせている。   Besides showing interesting quantum behavior at low temperatures, carbon nanotubes exhibit at least two important properties: nanotubes can be either metals or semiconductors, depending on their chirality (ie, morphological structure). Metallic carbon nanotubes can propagate a very large current density with a certain resistivity. Semiconductor carbon nanotubes can be switched on and off electrically like field effect transistors (FETs). These two types are coupled in a conjugate manner by sharing electrons. These characteristics make nanotubes an excellent material for making nanometer-sized semiconductor circuits.

ナノチューブを製造する従来の方法は、金属ナノチューブおよび半導体ナノチューブの両方をランダムに形成することに依存している。従来の方法の下では、カーボンナノチューブFETsは、周囲条件の下で成長させたカーボンナノチューブから製造されている。これらのナノチューブは、金属−カーボンナノチューブ界面での酸素関与のため、pチャネル伝導性を示す(V. Derycke et.
al., Appl. Phys. Lett.第80巻、2273頁、2002年:非特許文献1)。金属−カーボンナノチューブ界面での酸素量は、標準的な製造プロセスにより容易に変更できる(例えば、薄膜堆積のように、真空排気を含む、どのような後処理をも挙げることができる)。実際に、p−カーボン−ナノチューブFETは、真空排気により、同時両極性またはn−カーボン−ナノチューブFETへと容易に変換することができる。
Conventional methods of manufacturing nanotubes rely on randomly forming both metal and semiconductor nanotubes. Under conventional methods, carbon nanotube FETs are fabricated from carbon nanotubes grown under ambient conditions. These nanotubes exhibit p-channel conductivity due to oxygen involvement at the metal-carbon nanotube interface (V. Derycke et.
al., Appl. Phys. Lett. 80, 2273, 2002: Non-Patent Document 1). The amount of oxygen at the metal-carbon nanotube interface can be easily changed by standard manufacturing processes (for example, any post-treatment including evacuation, such as thin film deposition). Indeed, p-carbon-nanotube FETs can be easily converted to simultaneous bipolar or n-carbon-nanotube FETs by evacuation.

カーボンナノチューブへのp−ドーピングのために気体NOを使用した従来の方法は、ドーパントの脱着を防止するため、デバイスを制御した環境下に保存することが必要である。カーボンナノチューブFETに対するn−チャネル伝導性のための従来の方法は、電子供与性のアルカリ金属またはガス(NH)と接触下でのアニーリング/脱ガス、またはドーピングを必要とする(V. Derycke et. al.
Appl. Phys. Lett.,第80巻、2773頁、2002年)。両方とも制御した環境が必要とされ、かつデバイスは、空気へと曝露されると急速に劣化し、機能しなくなってしまう(J. Kong et. al., Science, 第287巻、第622頁、2000年:非特許文献2)。
Conventional methods using gaseous NO 2 for p-doping carbon nanotubes require the device to be stored in a controlled environment to prevent dopant desorption. Conventional methods for n-channel conductivity for carbon nanotube FETs require annealing / degassing or doping in contact with an electron-donating alkali metal or gas (NH 3 ) (V. Derycke et al. al.
Appl. Phys. Lett., 80, 2773, 2002). Both require a controlled environment, and the device quickly degrades and fails when exposed to air (J. Kong et. Al., Science, 287, 622, 2000: Non-patent document 2).

カーボンナノチューブFETsは、ショットキー・バリア(SB)型のFETsとして知られており、そのスイッチングが、金属/ナノチューブ界面で生成されるSBにより支配され(J. Appenzeller
et. al., Phys. Rev. Lett., 第89巻、126801頁、2002年:非特許文献3)、空気中では、p型FETsとして動作することが知られている(V. Derycke et.
al.Appl. Phys. Lett., 第80巻、2773頁、2002年)。ゲート誘電体の厚さを減少させるにつれて、ナノチューブの擬似一次元的チャネル、および極めて薄いカーボンナノチューブ体部の厚さのために、SBは、電子またはホールの熱的トンネリングを充分に許容してしまう程度に薄くなるので、空気中では、カーボンナノチューブFETsは、同期両極性FETsとして機能する。電子およびホールのカーボンナノチューブのチャネルへの同時的な注入およびドレイン電界の増加に伴うOFF電流の指数関数的な劣化(導通をオフした場合のトランジスタを通過して流れるリーク電流として定義される:M. Radosavljevic
et. al., Appl. Phys. Lett., 第83巻、第2435頁、2003年:非特許文献4)は、可能性のある論理ゲート用途のための小型のFETにおいては許容されない(オフ電流が、オン電流ほどに高く、トランジスタがスイッチ・オフしない)。加えて、従来のカーボンナノチューブFETの製造方法の非制御性は、カーボンナノチューブFETsのデバイス駆動電流が大きく変動してしまうこと、および究極的なデバイス小型化のためには高すぎるデバイス閾値電位としてしまうことになっている。
Carbon nanotube FETs are known as Schottky barrier (SB) type FETs whose switching is dominated by SB generated at the metal / nanotube interface (J. Appenzeller
et. al., Phys. Rev. Lett., 89, 126801, 2002: Non-Patent Document 3), known to operate as p-type FETs in air (V. Derycke et.
al. Appl. Phys. Lett., 80, 2773, 2002). As the gate dielectric thickness is reduced, due to the quasi-one-dimensional channel of the nanotubes and the very thin carbon nanotube body thickness, SB is well tolerated for thermal tunneling of electrons or holes. The carbon nanotube FETs function as synchronous bipolar FETs in the air because they become so thin. Exponential degradation of OFF current with simultaneous injection of electrons and holes into the channel of carbon nanotubes and increased drain field (defined as leakage current flowing through the transistor when conduction is turned off: M . Radosavljevic
et. al., Appl. Phys. Lett., 83, 2435, 2003: Non-Patent Document 4) is not allowed in small FETs for potential logic gate applications (off current) Is as high as the on-current, and the transistor does not switch off). In addition, the uncontrollability of the conventional carbon nanotube FET manufacturing method results in large fluctuations in the device drive current of the carbon nanotube FETs, and the device threshold potential that is too high for ultimate device miniaturization. It is supposed to be.

特定の特性を有するカーボンナノチューブを製造するために信頼性のある方法は、知られていない。また、選択的合成(金属ナノチューブまたは半導体ナノチューブを選択的に合成する手法)またはポスト合成(金属ナノチューブを半導体ナノチューブから単離する手法や、半導体チューブを金属チューブに変換すること)といったナノチューブ分離も知られてはいない。特に、カーボンナノチューブFETsに対してp−ドーピングする方法は知られていない。   No reliable method is known for producing carbon nanotubes with specific properties. Also known are nanotube separations such as selective synthesis (methods of selectively synthesizing metal nanotubes or semiconductor nanotubes) or post synthesis (methods of isolating metal nanotubes from semiconductor nanotubes or converting semiconductor tubes into metal tubes). It has not been done. In particular, there is no known method for p-doping carbon nanotube FETs.

V. Derycke et. al.Appl. Phys. Lett.,第80巻、2773頁、2002年V. Derycke et. Al. Appl. Phys. Lett., 80, 2773, 2002 J. Kong et. al., Science, 第287巻、第622頁、2000年J. Kong et.al., Science, 287, 622, 2000 J. Appenzelleret. al., Phys. Rev. Lett., 第89巻、126801頁、2002年J. Appenzelleret. Al., Phys. Rev. Lett., 89, 126801, 2002 M. Radosavljevicet. al., Appl. Phys. Lett., 第83巻、第2435頁、2003年M. Radosavljevicet. Al., Appl. Phys. Lett., 83, 2435, 2003

したがって、駆動電流が改善され、閾値電位が減少/制御可能で、オフ状態での小数キャリアの注入が抑制され(すなわち、同時両極性トランジスタからユニポーラ・トランジスタへの変更)、かつ雰囲気環境に対して安定なカーボンナノチューブFETsを製造するための、安定でかつ信頼性の高い方法を提供することが必要とされていた。   Therefore, the drive current is improved, the threshold potential can be reduced / controlled, the minority carrier injection in the off state is suppressed (ie, the change from a simultaneous bipolar transistor to a unipolar transistor) and the ambient There was a need to provide a stable and reliable method for producing stable carbon nanotube FETs.

本発明の一つの実施の形態は、ナノ構造に関し、より詳細には、カーボンナノチューブFETsの溶液処理p−ドーピングのためのシステムおよび方法に関する。本発明は、また、カーボンナノチューブFETデバイスの形成に関連する。本発明の一つの構成では、カーボンナノチューブをドーピングするための方法は、ナノチューブを液相中で一電子酸化剤に曝露するステップを含んでいる。一つの実施の形態では、一電子酸化剤の濃度は、約0.01mM〜約20mMとされ、温度は、約10℃〜約100℃とされる。一つの実施の形態では、一電子酸化剤は、有機一電子酸化剤、有機金属錯体、π電子受容体および銀塩を含む群から選択される。有機一電子酸化剤は、トリアルキルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート、五塩化アンチモン、ニトロソオニウム塩、トリス−(ペンタフルオロフェニル)ボラン、およびニトロソオニウム塩を含む群から選択される。有機金属錯体は、トリス−(2,2′−ビピリジル)コバルト(III)およびトリス−(2,2′−ビピリジル)ルテニウム(II)を含み、およびπ電子受容体は、テトラシアノキノジメタン、ベンゾキノン、テトラクロロベンゾキノン、テトラフルオロベンゾキノンン、テトラシアノエチレン、テトラフルオロ−テトラシアノキノジメタン、クロラニル、ブロマニルおよびジクロロジシアノベンゾキノンからなる群から選択される。   One embodiment of the present invention relates to nanostructures, and more particularly to systems and methods for solution processing p-doping of carbon nanotube FETs. The present invention also relates to the formation of carbon nanotube FET devices. In one configuration of the invention, a method for doping carbon nanotubes includes exposing the nanotubes to a one-electron oxidant in a liquid phase. In one embodiment, the concentration of the one-electron oxidant is about 0.01 mM to about 20 mM, and the temperature is about 10 ° C. to about 100 ° C. In one embodiment, the one-electron oxidant is selected from the group comprising an organic one-electron oxidant, an organometallic complex, a pi-electron acceptor and a silver salt. The organic one-electron oxidant is selected from the group comprising trialkyloxonium hexachloroantimonate, antimony pentachloride, nitrosoonium salt, tris- (pentafluorophenyl) borane, and nitrosoonium salt. The organometallic complex includes tris- (2,2′-bipyridyl) cobalt (III) and tris- (2,2′-bipyridyl) ruthenium (II), and the pi-electron acceptor is tetracyanoquinodimethane, It is selected from the group consisting of benzoquinone, tetrachlorobenzoquinone, tetrafluorobenzoquinone, tetracyanoethylene, tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane, chloranyl, bromanyl and dichlorodicyanobenzoquinone.

本発明の他の構成では、カーボンナノチューブFETデバイスが提供される。このデバイスは、ゲートと、ゲート上に堆積されたゲート誘電体と、ゲート誘電体上のカーボンナノチューブのp−ドープ領域とを含み、p−ドープされた領域は、一電子酸化剤を用いた溶液処理ドーピングにより形成され、ソースは、カーボンナノチューブの第1の端部上に形成され、ドレインは、カーボンナノチューブの第2の端部上に形成される。他の構成では、デバイスは、ゲート誘電体の第1の端部上に形成されたソースと、ゲート誘電体の第2の端部上に形成されたドレインとを備え、カーボンナノチューブは、ゲート誘電体およびソースおよびドレインの上に配設される。さらに別の構成では、デバイスは、カーボンナノチューブ上に堆積された第2の誘電体層を含み、第2の誘電体層の上にトップゲートが形成される。さらに別の構成では、デバイスは、カーボンナノチューブの第1のドープされた端部の上に形成され、ドレインは、カーボンナノチューブの第2のドープされた端部の上に形成される。   In another configuration of the invention, a carbon nanotube FET device is provided. The device includes a gate, a gate dielectric deposited on the gate, and a p-doped region of carbon nanotubes on the gate dielectric, wherein the p-doped region is a solution using a one-electron oxidant. Formed by process doping, the source is formed on the first end of the carbon nanotube and the drain is formed on the second end of the carbon nanotube. In another configuration, the device comprises a source formed on the first end of the gate dielectric and a drain formed on the second end of the gate dielectric, wherein the carbon nanotube is a gate dielectric. Disposed on the body and the source and drain. In yet another configuration, the device includes a second dielectric layer deposited on the carbon nanotubes, and a top gate is formed on the second dielectric layer. In yet another configuration, the device is formed on the first doped end of the carbon nanotube and the drain is formed on the second doped end of the carbon nanotube.

本発明の他の構成では、カーボンナノチューブFETデバイスの形成方法が提供される。この方法は、ゲートを提供する工程と、ゲート上にゲート誘電体を堆積する工程と、ゲート誘電体上にカーボンナノチューブのp−ドープした領域を含むチャネルを形成する工程とを含み、p−ドープした領域が一電子酸化剤による溶液処理ドーピングにより形成され、カーボンナノチューブの第1の端部上にソースを形成する工程と、カーボンナノチューブの第2の端部上にドレインを形成する工程とを含んでいる。この方法の他の構成では、ソースは、ゲート誘電体の第1の端部上に形成され、ドレインはゲート誘電体の第2の端部上に形成され、カーボンナノチューブは、ゲート誘電体およびソースおよびドレインの上に堆積される。この方法のさらに別の構成では、第2の誘電体層が、カーボンナノチューブ上に堆積され、トップゲートが第2の誘電体層の上に形成される。この方法のさらに他の構成では、ゲート誘電体上にチャネルが形成され、ソースがカーボンナノチューブのドープされた第1の端部の上に形成され、ドレインがカーボンナノチューブのドープされた第2の端部の上に形成される。   In another configuration of the present invention, a method of forming a carbon nanotube FET device is provided. The method includes the steps of providing a gate, depositing a gate dielectric on the gate, and forming a channel on the gate dielectric that includes a p-doped region of carbon nanotubes. And forming a source on the first end of the carbon nanotube and forming a drain on the second end of the carbon nanotube. It is out. In another configuration of this method, the source is formed on the first end of the gate dielectric, the drain is formed on the second end of the gate dielectric, and the carbon nanotubes are formed on the gate dielectric and the source. And deposited on the drain. In yet another configuration of this method, a second dielectric layer is deposited on the carbon nanotubes, and a top gate is formed on the second dielectric layer. In yet another configuration of the method, a channel is formed on the gate dielectric, a source is formed on the carbon nanotube doped first end, and a drain is formed on the carbon nanotube doped second end. Formed on the part.

理解の容易のため、図面に共通する同一の要素を示すために、可能である場合には、同一の参照符号を使用する。   For ease of understanding, the same reference numerals will be used where possible to indicate the same elements common to the drawings.

第1の実施の形態では、本発明は、溶液処理によりドープされたカーボンナノチューブを形成する方法に関する。本発明のカーボンナノチューブは、空気安定性を有し、オン状態およびオフ状態の両方で改善されたデバイス性能を示す。本発明のカーボンナノチューブの特性は、閾値電位Vthの可変性、約1〜約3桁のIonの改善、少数キャリア注入の抑制、およびカーボンナノチューブFETの場合における通常のSBカーボンナノチューブFETからのドレイン誘起Ioff劣化への耐久性、カーボンナノチューブFETの同時両極性からユニポーラへの変換、約10〜約10のIon/Ioff比、およびドレイン誘起障壁低下(DIBL)様の挙動を含むがこれらに限定されるものではない。Ionは、トランジスタがスイッチ・オンされた(V>Vth)状態での電流として定義される。通常では、Ionは、一定の電圧過剰の下で比較される(すなわち、V−Vth=一定、例えば0.5V付近である)。 In a first embodiment, the present invention relates to a method of forming doped carbon nanotubes by solution processing. The carbon nanotubes of the present invention are air stable and exhibit improved device performance in both on and off states. The characteristics of the carbon nanotubes of the present invention are: variability in threshold potential V th , improvement of I on about 1 to about 3 orders of magnitude, suppression of minority carrier injection, and in the case of carbon nanotube FETs from the usual SB carbon nanotube FETs. Durability to drain induced I off degradation, simultaneous bipolar to unipolar conversion of carbon nanotube FET, I on / I off ratio of about 10 2 to about 10 7 , and drain induced barrier lowering (DIBL) -like behavior Including, but not limited to. I on is defined as the current when the transistor is switched on (V g > V th ). Normally, I on is compared under a constant voltage excess (ie, V g −V th = constant, eg, around 0.5V).

本発明の1つの実施の形態に従えば、カーボンナノチューブがゲート誘電体(例えば、二酸化ケイ素)の両端で上部のソースおよびドレインおよびドープされたバックゲート(例えばシリコン)により押さえつけられたカーボンナノチューブFETデバイスを製造するための方法が提供される。一つの実施の形態では、パラジウムを含むソース電極とドレイン電極とが使用され、ソース電極とドレイン電極とは、約2nm〜約100nmのSiOおよびSiバックゲートの上部に約10nm〜約5μm離間されている。ナノチューブは、芳香族化合物を酸化することが可能な一電子酸化剤を含む溶液内に導入することができる。p−ドーピングは、一電子酸化剤と芳香族化合物とのカーボンナノチューブ上での反応により行われ、電荷移動錯体が形成される。カーボンナノチューブと電荷移動錯体との間の相互作用は、カーボンナノチューブ上に電荷を帯びた(ラジカルカチオン)雰囲気を与える。 In accordance with one embodiment of the present invention, a carbon nanotube FET device in which carbon nanotubes are constrained by upper source and drain and doped back gate (eg, silicon) at both ends of a gate dielectric (eg, silicon dioxide). A method for manufacturing is provided. In one embodiment, a source electrode and a drain electrode comprising palladium are used, the source electrode and the drain electrode being about 10 nm to about 5 μm apart on top of about 2 nm to about 100 nm of SiO 2 and Si back gate. ing. The nanotubes can be introduced into a solution containing a one-electron oxidant capable of oxidizing aromatic compounds. The p-doping is performed by a reaction between the one-electron oxidant and the aromatic compound on the carbon nanotube to form a charge transfer complex. The interaction between the carbon nanotubes and the charge transfer complex provides a charged (radical cation) atmosphere on the carbon nanotubes.

一電子酸化剤を用いる溶液処理ドーピングは、ジクロロメタン、アセトニトリル、クロロホルムおよびにこれらの混合物を含む有機溶媒中で行うことができるが、これらに限定されるものではない。本発明の溶液処理ドーピングにおいて使用することができる一電子酸化剤としては、有機一電子酸化剤、有機金属錯体、π電子受容体、および銀塩を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。有機一電子酸化剤の例としては、トリアルキルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート、五塩化アンチモン、ニトロソオニウム塩(例えば、トリエチルオキソニウムテトラフルオロボレート)、トリス−(ペンタフルオロフェニル)ボラン、およびニトロソオニウムカチオンを挙げることができる。有機金属錯体の例としては、トリス−(2,2′−ビピリジル)コバルト(III)およびトリス−(2,2′−ビピリジル)ルテニウム(II)を挙げることができる。π電子受容体の例としては、テトラシアノキノジメタン、ベンゾキノン、テトラクロロベンゾキノン、テトラフルオロベンゾキノン、テトラシアノエチレン、テトラフルオロ−テトラシアノキノジメタン、クロラニル、トロマニル、ブロマニルおよびジクロロジシアノベンゾキノンを挙げることができる。銀塩の例としては、フッ化銀、銀トリフルオロアセテートを挙げることができる。有機金属ドーパントについて、共通の溶媒としては、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、および芳香族炭化水素およびジクロロメタン、クロロホルムといった含塩素溶媒が好適である。フッ化銀などの無機塩については、アルコールまたはアルコールと水との混合物のいずれかを使用することができる。   Solution processing doping using a one-electron oxidant can be performed in an organic solvent including, but not limited to, dichloromethane, acetonitrile, chloroform, and mixtures thereof. One-electron oxidizing agents that can be used in the solution processing doping of the present invention can include, but are not limited to, organic one-electron oxidizing agents, organometallic complexes, π electron acceptors, and silver salts. Absent. Examples of organic one-electron oxidants include trialkyloxonium hexachloroantimonate, antimony pentachloride, nitrosoonium salts (eg, triethyloxonium tetrafluoroborate), tris- (pentafluorophenyl) borane, and nitrosoonium cations. Can be mentioned. Examples of organometallic complexes include tris- (2,2′-bipyridyl) cobalt (III) and tris- (2,2′-bipyridyl) ruthenium (II). Examples of pi-electron acceptors include tetracyanoquinodimethane, benzoquinone, tetrachlorobenzoquinone, tetrafluorobenzoquinone, tetracyanoethylene, tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane, chloranil, tromanyl, bromanyl and dichlorodicyanobenzoquinone. Can do. Examples of silver salts include silver fluoride and silver trifluoroacetate. As the common solvent for the organometallic dopant, acetonitrile, tetrahydrofuran, and aromatic hydrocarbons and chlorine-containing solvents such as dichloromethane and chloroform are suitable. For inorganic salts such as silver fluoride, either alcohol or a mixture of alcohol and water can be used.

1つの実施の形態においては、濃度範囲が約1〜10mMで、温度範囲が約10〜100℃のトリエチルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート(CSbCl を使用することができ、1つの例示的な溶媒としては、アセトニトリルを挙げることができる。アンチモンは、カーボンナノチューブと、「1」をカーボンナノチューブ上のベンゼン環または複数のベンゼン環として、下記のように反応するものと考えられる。 In one embodiment, triethyloxonium hexachloroantimonate (C 2 H 5 ) 3 O + SbCl 6 with a concentration range of about 1-10 mM and a temperature range of about 10-100 ° C. can be used. One exemplary solvent can include acetonitrile. Antimony is considered to react with carbon nanotubes as follows, with “1” as a benzene ring or a plurality of benzene rings on the carbon nanotubes.

Figure 2006240898
本発明の方法に従い、ナノチューブのドーピングは、チャネル材料としてナノチューブを用いるデバイス上で行うことができる。他の方法に従えば、ナノチューブのドーピングはまた、バルク中で行うことができる。いずれの方法によってもp−ドープされたカーボンナノチューブは、約1〜2桁の駆動電流の改善、約0.5〜約1Vの閾値電位の増加、同時両極性トランジスタの電子電流の抑制、同時両極性からユニポーラへの微小カーボンナノチューブFETの変更、約10〜約10のIon/Ioff比および優れたDIBLを示す。
Figure 2006240898
In accordance with the method of the present invention, the doping of the nanotubes can be performed on a device that uses nanotubes as the channel material. According to other methods, the doping of the nanotubes can also be performed in bulk. Either way, p-doped carbon nanotubes can improve driving current by about 1 to 2 digits, increase threshold voltage by about 0.5 to about 1V, suppress electronic current of simultaneous bipolar transistors, From small to unipolar carbon nanotube FETs, an I on / I off ratio of about 10 2 to about 10 7 and excellent DIBL.

デバイスのドーピングは、概ね、単一のナノチューブを含むデバイスを、一電子酸化剤といったドーパントの有機溶媒溶液に曝露することにより行われる。有機溶液中での一電子酸化剤の濃度は、約0.01mM〜約20mMであり、温度は、約10℃〜約100℃とされる。反応速度および温度は、チューブ長さ1nmあたり約0.01電子〜約1電子の電荷密度を達成するように制御される。ナノチューブ上でのいかなる過剰の一電子酸化剤は、ドーピング処理で使用した同一または異なった有機溶媒中でナノチューブをリンスすることにより除去される。リンスの後、デバイスは、真空下で乾燥される。   Device doping is generally performed by exposing a device containing a single nanotube to an organic solvent solution of a dopant, such as a one-electron oxidant. The concentration of the one-electron oxidant in the organic solution is about 0.01 mM to about 20 mM, and the temperature is about 10 ° C to about 100 ° C. The reaction rate and temperature are controlled to achieve a charge density of about 0.01 electrons to about 1 electron per nm of tube length. Any excess one-electron oxidant on the nanotubes is removed by rinsing the nanotubes in the same or different organic solvent used in the doping process. After rinsing, the device is dried under vacuum.

本発明の方法においては、バルク・ドーピングは、ナノチューブの有機溶媒中の懸濁物を、有機溶媒溶液中で一電子酸化剤の存在下で攪拌することにより行われる。一電子酸化剤の有機溶液中の濃度は、約0.01mM〜約20mMであり、温度は、約10℃〜約100℃である。反応速度および温度は、チューブ長さ1nmあたり約0.01電子〜約1電子の電荷密度を達成するように制御される。ナノチューブ上でのいかなる過剰の一電子酸化剤は、ドーピング処理で使用したと同一、または異なった有機溶媒中でナノチューブをリンスすることにより除去される。リンスの後、サンプル、例えばバルク・ナノチューブは、真空下で乾燥される。   In the method of the present invention, bulk doping is performed by stirring a suspension of nanotubes in an organic solvent in an organic solvent solution in the presence of a one-electron oxidant. The concentration of the one-electron oxidant in the organic solution is about 0.01 mM to about 20 mM, and the temperature is about 10 ° C. to about 100 ° C. The reaction rate and temperature are controlled to achieve a charge density of about 0.01 electrons to about 1 electron per nm of tube length. Any excess one-electron oxidant on the nanotubes is removed by rinsing the nanotubes in the same or different organic solvent used in the doping process. After rinsing, the sample, eg, bulk nanotube, is dried under vacuum.

図1〜図4は、本発明の1つの実施の形態に従ったFET形成方法を示す。ゲート100上に、二酸化シリコンまたは酸−窒化物(oxynitride)といったゲート誘電体120または高K(融点)金属を堆積させる。1つの実施の形態では、シリコン基板は、重複してドープされる。ゲート誘電体は、約1〜約100nmの厚さを有する。例えば、カーボンナノチューブといったナノ成分140を、ナノチューブを含有する溶液をスピンコーティングによりゲート誘電体120上に堆積させる。スピンコーティングによるカーボンナノチューブの液体懸濁物からの堆積は、当業界において知られており、溶媒としては、例えば、ジクロロエタン、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、および水を挙げることができる。レジスト・パターンは、その後、従来のリソグラフィー技術によりカーボンナノチューブ上に形成される。例えば、レジスト層は、カーボンナノチューブ140上に堆積させることができ、電子ビームリソグラフィーまたはフォトリソグラフィーを使用してパターニングすることができる。ポジレジストを使用して、電子ビームまたはリソグラフィー的な輻射へと曝されたレジスト層は、現像剤を使用して除去され、図1に示すレジスト・パターンを与える。カーボンナノチューブ上に形成されたレジスト・パターンは、電子ビーム・リソグラフィーを使用した場合、約10nmから約500nm、フォトリソグラフィーを使用した場合で約500nmから約10μmの、1つまたは複数の区画を有している。多数の区画は、それぞれのリソグラフィー技術から得られるライン−スペース区画に対応しており、隣接するトップゲート間の分離を表している。複数のトップゲートの利用は、異なる論理用途、例えばAND、OR、NOR動作のための柔軟な個別的制御を提供する。   1-4 show a method of forming an FET according to one embodiment of the present invention. A gate dielectric 120 or high K (melting point) metal such as silicon dioxide or oxynitride is deposited on the gate 100. In one embodiment, the silicon substrate is redundantly doped. The gate dielectric has a thickness of about 1 to about 100 nm. For example, a nanocomponent 140 such as a carbon nanotube is deposited on the gate dielectric 120 by spin coating a solution containing the nanotube. The deposition of carbon nanotubes from liquid suspensions by spin coating is known in the art and solvents can include, for example, dichloroethane, N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and water. . A resist pattern is then formed on the carbon nanotubes by conventional lithographic techniques. For example, the resist layer can be deposited on the carbon nanotubes 140 and can be patterned using electron beam lithography or photolithography. Using a positive resist, the resist layer exposed to electron beam or lithographic radiation is removed using a developer to give the resist pattern shown in FIG. The resist pattern formed on the carbon nanotube has one or more sections of about 10 nm to about 500 nm when using electron beam lithography and about 500 nm to about 10 μm when using photolithography. ing. The multiple compartments correspond to line-space compartments derived from the respective lithographic techniques and represent the separation between adjacent top gates. The use of multiple top gates provides flexible individual control for different logic applications, eg, AND, OR, NOR operations.

図2に示されるように、金属層160は、約15nm〜約50nmの範囲の厚さを有しておりレジスト・パターン上にカーボンナノチューブ140の部分を被覆するように堆積される。金属は、Pd、Ti、W、Au、Co、Pt、またはこれらの合金または金属ナノチューブとすることができる。金属ナノチューブを使用する場合には、金属層160は、1種またはそれ以上の金属ナノチューブを含むことができる。他の金属またはPd、Ti、W、Au、Co、Ptなどの合金は、真空下での電子ビームまたは蒸着により堆積させることができるが、金属ナノチューブは、スピンコーティングといった溶液相技術で堆積させることができる。金属の堆積の後、構造体は、レジストを剥離するためにアセトンまたはN−メチルピロリドン(NMP)中に浸漬することができる。このプロセスは、リソグラフィー的にパターン付けされたレジストおよび上層に堆積された金属を、サンプルをアセトンまたはNMPといった溶媒に浸漬することによって除去する。本明細書の目的のため、上述した溶媒を、また、一般化してレジスト剥離成分として参照する。カーボンナノチューブ140上に残留した金属部分162および164(図3に示す。)は、FETのソースおよびドレインを形成する。この実施の形態においては、ソースおよびドレインは、それぞれカーボンナノチューブ140、より一般的にはナノ成分140の第1の領域および第2の領域を被覆して形成される。   As shown in FIG. 2, the metal layer 160 has a thickness in the range of about 15 nm to about 50 nm and is deposited to cover a portion of the carbon nanotubes 140 on the resist pattern. The metal can be Pd, Ti, W, Au, Co, Pt, or alloys or metal nanotubes thereof. If metal nanotubes are used, the metal layer 160 can include one or more metal nanotubes. Other metals or alloys such as Pd, Ti, W, Au, Co, Pt can be deposited by electron beam or evaporation under vacuum, while metal nanotubes should be deposited by solution phase techniques such as spin coating. Can do. After metal deposition, the structure can be immersed in acetone or N-methylpyrrolidone (NMP) to strip the resist. This process removes the lithographically patterned resist and the metal deposited on the top layer by immersing the sample in a solvent such as acetone or NMP. For the purposes of this specification, the solvents described above are also referred to generically as resist stripping components. The metal portions 162 and 164 (shown in FIG. 3) remaining on the carbon nanotubes 140 form the source and drain of the FET. In this embodiment, the source and drain are formed covering the carbon nanotubes 140, more generally the first and second regions of the nanocomponent 140, respectively.

レジストの剥離の後、図3に示すカーボンナノチューブ140を有する構造は、上述した好適な一電子酸化剤を含む有機溶液中に浸漬される。図4は、カーボンナノチューブ140へと結合したドーピング分子を示す。カーボンナノチューブ140のドープされた部分(金属ソースおよびドレインの間)は、FETのチャネルとして機能する。   After stripping the resist, the structure having the carbon nanotubes 140 shown in FIG. 3 is immersed in an organic solution containing the preferred one-electron oxidant described above. FIG. 4 shows the doping molecules bound to the carbon nanotubes 140. The doped portion of carbon nanotube 140 (between the metal source and drain) functions as the channel of the FET.

図5は、カーボンナノチューブFETの別の実施の形態を示す。ゲート100、この実施の形態では、重複してドープされたシリコン基板上に、約1nm〜約100nm厚の二酸化ケイ素または酸−窒化物積層体、または高K金属層ゲート誘電体120が堆積されている。金属部分162、164は、その後、図1〜図3について上述したと同様のレジスト剥離プロセス(図示せず)を使用してゲート誘電体120上に形成される。約15nm〜約300nmの厚さを有する金属部分162、164は、FETのソースおよびドレインを形成する。金属としては、Pd、Ti、W、Au、Co、Ptまたはこれらの合金または1種またはそれ以上の金属ナノチューブとすることができる。カーボンナノチューブ140は、その後、ゲート誘電体120および金属部分162、164上に堆積される。カーボンナノチューブ140のブランケット・ドーピングは、好適な一電子酸化剤を含む有機溶液中に浸漬することにより達成される。ドーピング分子は、カーボンナノチューブに対して本明細書中で説明したように結合する。図示した例では、カーボンナノチューブ140のゲート誘電体120に接触した部分が、FETのチャネルを形成する。これとは別に、カーボンナノチューブ140は、カーボンナノチューブ140上に形成したパターン付けされたレジストを通して選択的にドーピングすることもできる。パターン付けされたレジストは、例えば、カーボンナノチューブ140上に好適なレジスト材料を堆積させ、従来のリソグラフィー技術を使用してパターン付けすることにより形成することができる。1つの実施の形態では、ネガティブ・レジストとして使用することができるハイドロジェン・シルセスキオキサン(HSQ)をこの目的のために使用することができる。   FIG. 5 shows another embodiment of a carbon nanotube FET. A gate 100, in this embodiment, a silicon dioxide or oxynitride stack, or a high-K metal layer gate dielectric 120, about 1 nm to about 100 nm thick, is deposited on the overdoped silicon substrate. Yes. Metal portions 162, 164 are then formed on gate dielectric 120 using a resist stripping process (not shown) similar to that described above with respect to FIGS. Metal portions 162, 164 having a thickness of about 15 nm to about 300 nm form the source and drain of the FET. The metal can be Pd, Ti, W, Au, Co, Pt or an alloy thereof or one or more metal nanotubes. Carbon nanotubes 140 are then deposited on the gate dielectric 120 and metal portions 162,164. Blanket doping of the carbon nanotubes 140 is accomplished by immersing in an organic solution containing a suitable one-electron oxidant. The doping molecules bind to the carbon nanotubes as described herein. In the illustrated example, the portion of the carbon nanotube 140 in contact with the gate dielectric 120 forms the FET channel. Alternatively, the carbon nanotubes 140 can be selectively doped through a patterned resist formed on the carbon nanotubes 140. The patterned resist can be formed, for example, by depositing a suitable resist material on the carbon nanotubes 140 and patterning using conventional lithographic techniques. In one embodiment, hydrogen silsesquioxane (HSQ), which can be used as a negative resist, can be used for this purpose.

図6は、トップゲートを含むデュアル・ゲート・カーボンナノチューブFETを示す。この実施の形態では、重複してドープされたシリコン基板からなるゲート100上に、約1nm〜約100nm厚の二酸化ケイ素または酸−窒化物積層体、または高K金属層ゲート誘電体120が堆積されている。ゲート誘電体120上には、カーボンナノチューブ140が、例えばスピンコーティングにより堆積されている。金属部分162、164は、図1〜図3に関連して説明したレジスト剥離技術を使用して、カーボンナノチューブ140上に形成される。金属部分162、164(FETのソースおよびドレインとして機能する。)の形成の後、カーボンナノチューブ140を含む構造体および金属部分162、164は、低温酸化物(LTO)またはCVDによる高K誘電体(例えば、二酸化ハフニウム)層といった誘電体層180により被覆される。トップゲート200は、金属または高度にドープされたポリシリコンを含み、誘電体層180の上部に形成される。トップゲート200をエッチングマスクとして機能させて、誘電体層180をエッチングし、トップゲート200の直下の部分のみを残留させる。例えば、希釈フッ化水素酸(例えば、100:1HF)は、LTOのエッチャントとして使用することができる。このデバイスを、ドーパント溶液中でドーピングして、カーボンナノチューブ140の部分ドーピングを達成する。ドーピング分子は、カーボンナノチューブに上述したようにして結合する。この場合、チャネルは、ゲートされた未ドープ領域と2つのドープされた領域の両方からなる。ドープ領域は、CMOS FETの延長上にあるように機能し、接触バリアを低減させ、駆動電流およびトランジスタのスイッチング性を改善する。デバイスは、トップ(またはフロント)ゲートまたはバックゲートのいずれか、またはそれらの両方により動作させることができる。論理用途においては、FETを、良好なAC特性のため、トップゲート配置として駆動させることが好ましい。   FIG. 6 shows a dual gate carbon nanotube FET including a top gate. In this embodiment, a silicon dioxide or oxy-nitride stack, or a high-K metal layer gate dielectric 120, about 1 nm to about 100 nm thick is deposited on a gate 100 consisting of an overdoped silicon substrate. ing. On the gate dielectric 120, carbon nanotubes 140 are deposited, for example, by spin coating. The metal portions 162, 164 are formed on the carbon nanotubes 140 using the resist stripping technique described in connection with FIGS. After the formation of the metal portions 162, 164 (which function as the source and drain of the FET), the structure including the carbon nanotubes 140 and the metal portions 162, 164 can be made of low-temperature oxide (LTO) or CVD high K dielectric ( For example, it is covered by a dielectric layer 180 such as a hafnium dioxide layer. The top gate 200 includes metal or highly doped polysilicon and is formed on top of the dielectric layer 180. Using the top gate 200 as an etching mask, the dielectric layer 180 is etched to leave only the portion immediately below the top gate 200. For example, diluted hydrofluoric acid (eg, 100: 1 HF) can be used as an etchant for LTO. This device is doped in a dopant solution to achieve partial doping of the carbon nanotubes 140. The doping molecules are bonded to the carbon nanotubes as described above. In this case, the channel consists of both a gated undoped region and two doped regions. The doped region functions to be on the extension of the CMOS FET, reduces the contact barrier, and improves the drive current and transistor switching properties. The device can be operated by either the top (or front) gate or the back gate, or both. In logic applications, it is preferable to drive the FET as a top gate configuration for good AC characteristics.

図7〜図9は、FETの別の実施の形態を示す。1つの実施の形態では、重複してドープされたシリコン基板からなるゲート100上に、約1nm〜約100nm厚の二酸化ケイ素または酸−窒化物積層体、または高K金属層ゲート誘電体120が堆積されている。ゲート誘電体120上には、カーボンナノチューブ140が、例えばスピンコーティングにより堆積されている。パターン付けされたレジストは、電子ビームまたはフォトリソグラフィーといった従来のリソグラフィー技術を使用して、カーボンナノチューブ140上に形成される。パターン付けされたレジストおよびカーボンナノチューブ140を含む構造体は、好適な一電子有機ドーパントを含む有機溶媒中に浸漬される。ドーピング分子は、カーボンナノチューブ140の露出した部分へと結合する。ドーピングの後、約15nm〜約50nmの厚さの金属層160は、パターン付けされたレジストおよびドープされたカーボンナノチューブ140上に堆積される。金属は、Pd、Ti、W、Au、Co、Ptまたはこれらの合金または1種またはそれ以上の金属ナノチューブとすることができ、例えば、電子ビームまたは熱蒸着またはスピンコーティングなどを使用して上述のように堆積させることができる。金属の堆積後、図8に示す構造体は、アセトンまたはNMPへと、リソグラフィー的にパターン付けされたレジストおよび上部に堆積された金属を、サンプルをアセトンまたはNMPに浸積させるプロセスであるレジスト剥離のために浸漬される。図9に示すように、剥離後に残された金属部分162、164は、FETのソースおよびドレインを形成する。図7〜図9のプロセスは、カーボンナノチューブ・トランジスタのチャネルに沿って著しいドーピングプロファイルの相違を生成する。この場合には、カーボンナノチューブ140の未ドープ部分は、FETのチャネルを形成する。   7-9 show another embodiment of the FET. In one embodiment, a silicon dioxide or oxy-nitride stack, or a high-K metal layer gate dielectric 120, about 1 nm to about 100 nm thick is deposited on a gate 100 composed of an overdoped silicon substrate. Has been. On the gate dielectric 120, carbon nanotubes 140 are deposited, for example, by spin coating. The patterned resist is formed on the carbon nanotubes 140 using conventional lithography techniques such as electron beam or photolithography. The structure containing the patterned resist and carbon nanotubes 140 is immersed in an organic solvent containing a suitable one-electron organic dopant. Doping molecules bind to the exposed portions of the carbon nanotubes 140. After doping, a metal layer 160 having a thickness of about 15 nm to about 50 nm is deposited on the patterned resist and doped carbon nanotubes 140. The metal can be Pd, Ti, W, Au, Co, Pt or an alloy thereof or one or more metal nanotubes, for example as described above using electron beam or thermal evaporation or spin coating. Can be deposited as follows. After metal deposition, the structure shown in FIG. 8 is resist stripping, which is a process of immersing a sample in acetone or NMP with lithographically patterned resist and metal deposited on top into acetone or NMP. Soaked for. As shown in FIG. 9, the metal portions 162, 164 left after stripping form the source and drain of the FET. The process of FIGS. 7-9 creates significant doping profile differences along the channel of the carbon nanotube transistor. In this case, the undoped portion of the carbon nanotube 140 forms a channel of the FET.

図1〜図4のFETデバイスの形成を完了させるために、デバイスは、PMMA(ポリ(メチルメタクリレート))またはHSQ(ハイドロジェンシルセスキオキサン、低K誘電体層)といった有機材料で被覆するか、または低温度フィルム状二酸化ケイ素誘電体膜を堆積させることによって保護される。デバイスのさらなる処理は、ラインのバックエンドのためのメタライゼーションにより達成される。   To complete the formation of the FET device of FIGS. 1-4, is the device coated with an organic material such as PMMA (poly (methyl methacrylate)) or HSQ (hydrogensilsesquioxane, low K dielectric layer)? Or by depositing a low temperature film-like silicon dioxide dielectric film. Further processing of the device is accomplished by metallization for the line back end.

図10を参照すると、SbCl カウンタイオン510でドープされたカーボンナノチューブFET500の概略図を示す。例えば、ドーパントは、(CSbCl とすることができ、SbCl カウンタイオンは、静電的にカーボンナノチューブへと結合され、CCl、(COおよびSbClは、揮発性生成物(図示せず)として除去される。 Referring to FIG. 10, SbCl 6 - shows a schematic diagram of a carbon nanotube FET500 doped with counter ions 510. For example, the dopant, (C 2 H 5) 3 O + SbCl 6 - and it can be, SbCl 6 - counter ions are bound to electrostatically carbon nanotubes, C 2 H 5 Cl, ( C 2 H 5 ) 2 O and SbCl 3 are removed as volatile products (not shown).

図11を参照すると、(CSbCl によるドーピング前後のカーボンナノチューブFETのVsd=−0.5Vでの典型的な輸送特性(I vs.Vgs)が示されている。この実施例では、ドーピングは、カーボンナノチューブを含むデバイスを、アセトニトリル(例えば溶媒)に溶解させた約1−10mMの濃度の(CSbCl を含む約50℃の溶液中に約12時間曝露することによって行なった。特定のドーパントおよび所望されるデバイス特性に依存して、例えば、濃度は約0.01mM〜約20mM、温度は約10℃〜約100℃といった異なるプロセス条件をまた使用することができることは理解されよう。ホール伝導についてのVthは、−1.55V(本来のカーボンナノチューブFET)から−0.85Vにまで増加し、これは、ナノチューブからドーパント(CSbCl へと電子移動が発生し、ナノチューブのフェルミ・レベルEFを結合帯側へと移動させ、Vthを適切なゲート・バイアス領域に調節したことを示すものである。駆動電流Ionは、2桁改善されて、チューブと金属との間の接触抵抗を大きく低減させた。ドーピング後では、ドレインでの少数キャリア(電子電流)の注入が抑制され、カーボンナノチューブFETは、同時両極性からユニポーラへと転換された。同時両極性は、両方のキャリア(電子およびホール)がチャネル伝導に参加し、ユニポーラは、チャネル伝導に対して1つのタイプのキャリアが参加していることを意味するものとして理解される。 Referring to FIG. 11, a typical transport property (I d vs. V gs ) at Vsd = −0.5 V of a carbon nanotube FET before and after doping with (C 2 H 5 ) 3 O + SbCl 6 is shown. ing. In this example, the doping is a solution at about 50 ° C. containing (C 2 H 5 ) 3 O + SbCl 6 at a concentration of about 1-10 mM in a device containing carbon nanotubes dissolved in acetonitrile (eg, solvent). In for about 12 hours. It will be appreciated that different process conditions can also be used depending on the particular dopant and the desired device characteristics, for example, a concentration of about 0.01 mM to about 20 mM, and a temperature of about 10 ° C. to about 100 ° C. . V th for hole conduction increases from −1.55 V (original carbon nanotube FET) to −0.85 V, which is an electron from the nanotube to the dopant (C 2 H 5 ) 3 O + SbCl 6 . This shows that the migration occurred, the Fermi level EF of the nanotube was moved to the coupling band side, and Vth was adjusted to an appropriate gate bias region. The drive current I on was improved by two orders of magnitude, greatly reducing the contact resistance between the tube and the metal. After doping, injection of minority carriers (electron current) at the drain was suppressed, and the carbon nanotube FET was converted from simultaneous bipolar to unipolar. Simultaneous bipolar is understood as meaning that both carriers (electrons and holes) participate in channel conduction and unipolar means that one type of carrier participates in channel conduction.

図12を参照すると、上述したドープされたデバイスの、種々のVds(−0.1〜−0.5Vまで−0.1V刻み)におけるI−Vgs特性を示す。ドレイン電界の完全な抑制は、少数キャリアの注入を誘起し、ドレイン誘起障壁低下(DIBL)様の挙動を誘起した。これは、金属コンタクト/チューブ界面へのドーパントの親和性/吸着がより強い可能性を示唆する。これは、ナノチューブ/金属界面へと、よりドーパントがアグリゲートして、強いバンド曲がりを生じさせ、オフ状態での少数キャリア(電子)の注入を抑制することに起因するものといえる。減少した副閾値S=dVgs/d(logI)の120mVから85mV/ディケード(ドーピング後のI−V)という変動量は、カーボンナノチューブチャネルのスイッチングの改善と優れたゲート制御性とを示すものである。 Referring to FIG. 12, the I d -V gs characteristics of the doped device described above at various V ds (from −0.1 to −0.5 V in −0.1 V increments) are shown. Complete suppression of the drain electric field induced minority carrier injection and induced a drain induced barrier lowering (DIBL) -like behavior. This suggests that the affinity / adsorption of dopant to the metal contact / tube interface may be stronger. This can be attributed to the fact that the dopant is more aggregated to the nanotube / metal interface, causing strong band bending and suppressing the injection of minority carriers (electrons) in the off state. The reduced amount of subthreshold S = dV gs / d (log I d ) from 120 mV to 85 mV / decade (I d −V g after doping) improves carbon nanotube channel switching and excellent gate control. It is shown.

図13は、上述のp−ドープしたデバイスの出力特性(I vs.Vds)を示す。Vds=−1.32Vでのそのトランスコンダクタンスg(dI/dV)は、2uSであり、ゲート誘電体を用いた小径のカーボンナノチューブでのp−CNFETの優れた性能を示すものである。デバイスは、空気中で数週間安定であり、溶媒洗浄および真空排気の後にもドーピング特性を保存している。さらに、本発明のデバイスによるドーパントの吸収は、不可逆的であった。 FIG. 13 shows the output characteristics (I d vs. V ds ) of the p-doped device described above. Its transconductance g m (dI d / dV g ) at V ds = −1.32 V is 2 uS, indicating the superior performance of p-CNFET with small diameter carbon nanotubes using a gate dielectric. is there. The device is stable for several weeks in air and preserves the doping properties after solvent cleaning and evacuation. Furthermore, the absorption of dopants by the device of the present invention was irreversible.

本発明の図面に示した構造体は、スケール通りに記載したものではない。すなわち、種々の構造体は、例示的な実施例として記載したものである。したがって、図面に示された種々の構造体の長さ、高さ、および幅は、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。   The structures shown in the drawings of the present invention are not drawn to scale. That is, the various structures are described as exemplary embodiments. Accordingly, the length, height, and width of the various structures shown in the drawings should not be construed as limiting the invention.

FET形成プロセスの概略図。Schematic of FET formation process. FET形成プロセスの概略図。Schematic of FET formation process. FET形成プロセスの概略図。Schematic of FET formation process. FET形成プロセスの概略図。Schematic of FET formation process. カーボンナノチューブFETの別の実施の形態の概略図。Schematic of another embodiment of a carbon nanotube FET. デュアル・ゲート・カーボンナノチューブFETの概略図。Schematic of dual gate carbon nanotube FET. FETの別の実施の形態を示した図。The figure which showed another embodiment of FET. FETの別の実施の形態を示した図。The figure which showed another embodiment of FET. FETの別の実施の形態を示した図。The figure which showed another embodiment of FET. SbCl カウンタイオンでドープしたカーボンナノチューブFETの概略図。SbCl 6 - schematic view of a carbon nanotube FET doped with counter ions. (CSbCl によるドーピング前後でのカーボンナノチューブFETの、Vds=−0.5Vにおける輸送特性(I vs.Vgs)を示した図。 (C 2 H 5) 3 O + SbCl 6 - carbon nanotube FET before and after doping with, shows the transport properties of Vds = -0.5V (I d vs.V gs ). (CSbCl でドーピングした後の、デバイスの種々のVdsでのI−Vgs特性を示した図(−0.1〜−0.5までの0.1V刻み)。 (C 2 H 5) 3 O + SbCl 6 - after doping with, shows the I d -V gs characteristics at various V ds of the device (up to -0.1 0.5 0. 1V increments). p−ドープしたデバイスの出力特性(I vs.Vds)を示した図。p- doped device output characteristics (I d vs.V ds) shows a.

符号の説明Explanation of symbols

100…ゲート、120…ゲート誘電体、140…カーボンナノチューブ、160…金属層、162、164…金属部分、180…誘電体層、200…トップゲート、500…カーボンナノチューブFET、510…SbCl カウンタイオン 100 ... gate, 120 ... gate dielectric 140 ... carbon nanotube, 160 ... metal layer, 162, 164 ... metal part, 180 ... dielectric layer, 200 ... top gate, 500 ... carbon nanotube FET, 510 ... SbCl 6 - Counter ion

Claims (27)

カーボンナノチューブにドーピングする方法であって、前記方法は、溶液中で一電子酸化剤に前記カーボンナノチューブを曝露する工程を含む、方法。   A method of doping carbon nanotubes, the method comprising exposing the carbon nanotubes to a one-electron oxidant in solution. 前記一電子酸化剤の濃度は、0.01mM〜20mMである、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the concentration of the one-electron oxidizing agent is 0.01 mM to 20 mM. 前記一電子酸化剤は、有機一電子酸化剤、有機金属錯体、π電子受容体および銀塩の少なくとも1種から選択される、請求項2に記載の方法。   The method according to claim 2, wherein the one-electron oxidant is selected from at least one of an organic one-electron oxidant, an organometallic complex, a π-electron acceptor, and a silver salt. 前記有機一電子酸化剤は、トリアルキルオキソニウムヘキサクロロアンチモネート、5塩化アンチモン、ニトロソオニウム塩、トリエチルオキソニウムテトラフルオロボレート、トリス−(ペンタフルオロフェニル)ボラン、およびニトロソオニウムカチオンの少なくとも1種から選択される、請求項3に記載の方法。   The organic one-electron oxidant is selected from at least one of trialkyloxonium hexachloroantimonate, antimony pentachloride, nitrosoonium salt, triethyloxonium tetrafluoroborate, tris- (pentafluorophenyl) borane, and nitrosoonium cation. 4. The method of claim 3, wherein: 前記有機金属錯体は、トリス−(2,2′−ビピリジル)コバルト(III)およびトリス−(2,2′−ビピリジル)ルテニウム(II)の少なくとも1種から選択される、請求項3に記載の方法。   4. The organometallic complex according to claim 3, wherein the organometallic complex is selected from at least one of tris- (2,2'-bipyridyl) cobalt (III) and tris- (2,2'-bipyridyl) ruthenium (II). Method. 前記π電子受容体は、テトラシアノキノジメタン、ベンゾキノン、テトラクロロベンゾキノン、テトラフルオロベンゾキノンン、テトラシアノエチレン、テトラフルオロ−テトラシアノキノジメタン、クロラニル、ブロマニルおよびジクロロジシアノベンゾキノンの少なくとも1種から選択される、請求項3に記載の方法。   The π electron acceptor is selected from at least one of tetracyanoquinodimethane, benzoquinone, tetrachlorobenzoquinone, tetrafluorobenzoquinone, tetracyanoethylene, tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane, chloranil, bromanyl and dichlorodicyanobenzoquinone. 4. The method of claim 3, wherein: 前記銀塩は、フッ化銀である、請求項3に記載の方法。   The method of claim 3, wherein the silver salt is silver fluoride. カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(FET)であって、
ゲートと、
前記ゲート上に堆積されたゲート誘電体と、
前記ゲート誘電体上に堆積され、一電子酸化剤で溶液ドーピングされることで形成された少なくとも1つのドープ領域を含むカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブの第1の端部上に形成されるソースと、
前記カーボンナノチューブの第2の端部上に形成されるドレインと
を含むカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
A carbon nanotube field effect transistor (FET) comprising:
The gate,
A gate dielectric deposited on the gate;
Carbon nanotubes comprising at least one doped region formed on the gate dielectric and formed by solution doping with a one-electron oxidant;
A source formed on a first end of the carbon nanotube;
A carbon nanotube field effect transistor comprising: a drain formed on a second end of the carbon nanotube.
前記少なくとも1つのドープ領域は、p−ドープ領域である、請求項8に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。   The carbon nanotube field effect transistor of claim 8, wherein the at least one doped region is a p-doped region. 前記少なくとも1つのドープ領域は、前記FETのチャネルを提供する、請求項8に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。   The carbon nanotube field effect transistor of claim 8, wherein the at least one doped region provides a channel for the FET. さらに、前記カーボンナノチューブ上に堆積された誘電体層と、
前記誘電体層上に堆積されたトップゲートと
を含む請求項8に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
And a dielectric layer deposited on the carbon nanotubes;
The carbon nanotube field effect transistor of claim 8, comprising: a top gate deposited on the dielectric layer.
前記カーボンナノチューブの少なくとも前記1つのドープ領域は、前記誘電体層または前記ソースまたは前記ドレインに接触しないドープ領域を含む、請求項11に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。   The carbon nanotube field effect transistor of claim 11, wherein at least the one doped region of the carbon nanotube includes a doped region that does not contact the dielectric layer or the source or the drain. 前記少なくとも1つのドープ領域は、2つのドープ領域を含み、前記ソースは、前記ドープ領域の内に一方上に堆積され、前記ドレインは、前記ドープ領域の別の1つ上に堆積される、請求項8に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。   The at least one doped region includes two doped regions, the source is deposited on one of the doped regions, and the drain is deposited on another one of the doped regions. Item 9. The carbon nanotube field effect transistor according to Item 8. カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(FET)であって、
ゲートと、
前記ゲート上に堆積されたゲート誘電体と、
前記ゲート誘電体の第1の端部上に形成されたソースと、
前記ゲート誘電体の第2の端部上に形成されたドレインと、
前記ソース、前記ドレイン及び前記ゲート誘電体上に堆積されたカーボンナノチューブとを含み、前記カーボンナノチューブの全体は、一電子酸化剤での溶液処理ドーピングによりドープされた、カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。
A carbon nanotube field effect transistor (FET) comprising:
The gate,
A gate dielectric deposited on the gate;
A source formed on a first end of the gate dielectric;
A drain formed on the second end of the gate dielectric;
A carbon nanotube field effect transistor comprising carbon nanotubes deposited on the source, the drain, and the gate dielectric, the carbon nanotubes being doped by solution processing doping with a one-electron oxidant.
前記ドープされたカーボンナノチューブは、p−ドープ領域である、請求項14に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。   The carbon nanotube field effect transistor of claim 14, wherein the doped carbon nanotube is a p-doped region. 前記ドープされたカーボンナノチューブの部分は、前記FETのチャネルを提供する、請求項14に記載のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ。   The carbon nanotube field effect transistor of claim 14, wherein the portion of the doped carbon nanotube provides a channel for the FET. カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(FET)を形成するための方法であって、前記方法は、
ゲートを提供する工程と、
前記ゲート上にゲート誘電体を堆積させる工程と、
前記ゲート誘電体上に一電子酸化剤での溶液処理ドーピングにより形成された少なくとも1つのドープ領域を含むカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブの第1の端部上にソースを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブの第2の端部上にドレインを形成する工程と
を含む方法。
A method for forming a carbon nanotube field effect transistor (FET) comprising:
Providing a gate;
Depositing a gate dielectric on the gate;
Forming a carbon nanotube comprising at least one doped region formed by solution processing doping with a one-electron oxidant on the gate dielectric;
Forming a source on a first end of the carbon nanotube;
Forming a drain on the second end of the carbon nanotube.
前記少なくとも1つのドープ領域は、p−ドープ領域である、請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the at least one doped region is a p-doped region. 前記ソースを形成し、前記ドレインを形成する工程は、
前記カーボンナノチューブ上にレジスト層を設ける工程と、
前記レジスト層上に金属層を堆積させる工程と、
前記金属層にレジスト剥離成分を作用させて前記ドレインと前記ソースとを形成する工程と
を含む、請求項17に記載の方法。
The steps of forming the source and forming the drain include
Providing a resist layer on the carbon nanotube;
Depositing a metal layer on the resist layer;
The method according to claim 17, further comprising: applying a resist stripping component to the metal layer to form the drain and the source.
さらに、前記カーボンナノチューブ上に誘電体層を堆積させる工程と、
前記誘電体層上にトップゲートを堆積させる工程と
を含む、請求項17に記載の方法。
And depositing a dielectric layer on the carbon nanotubes;
And depositing a top gate on the dielectric layer.
前記カーボンナノチューブの少なくとも前記1つのドープ領域は、前記誘電体層または前記ソースまたは前記ドレインに接触しないドープ領域を含む、請求項20に記載の方法。     21. The method of claim 20, wherein at least the one doped region of the carbon nanotube includes a doped region that does not contact the dielectric layer or the source or drain. 前記ソースを形成し、前記ドレインを形成する工程は、
前記カーボンナノチューブ上にレジスト層を設ける工程と、
前記レジスト層上に金属層を堆積させる工程と、
前記金属層にレジスト剥離成分を作用させて前記ドレインと前記ソースとを形成する工程と
を含む、請求項20に記載の方法。
The steps of forming the source and forming the drain include
Providing a resist layer on the carbon nanotube;
Depositing a metal layer on the resist layer;
21. A method according to claim 20, comprising: applying a resist stripping component to the metal layer to form the drain and the source.
前記少なくとも1つのドープ領域は、2つのドープ領域を含み、前記ソースは、前記ドープ領域の内に一方上に堆積され、前記ドレインは、前記ドープ領域の別の1つ上に堆積される、請求項17に記載の方法。   The at least one doped region includes two doped regions, the source is deposited on one of the doped regions, and the drain is deposited on another one of the doped regions. Item 18. The method according to Item 17. 前記ソースを形成し、前記ドレインを形成する工程は、
前記カーボンナノチューブ上にレジスト層を設ける工程と、
前記カーボンナノチューブに対して前記一電子酸化剤の溶液を接触させる工程と、
前記レジスト層上に金属層を堆積させる工程と、
前記金属層にレジスト剥離成分を作用させて前記ドレインと前記ソースとを形成する工程と
を含む、請求項23に記載の方法。
The steps of forming the source and forming the drain include
Providing a resist layer on the carbon nanotube;
Contacting the carbon nanotube with a solution of the one-electron oxidant;
Depositing a metal layer on the resist layer;
24. A method according to claim 23, comprising: applying a resist stripping component to the metal layer to form the drain and the source.
カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(FET)を形成する方法であって、
ゲートを提供する工程と、
前記ゲート上にゲート誘電体を堆積させる工程と、
前記ゲート誘電体の第1の端部上にソースを形成する工程と、
前記ゲート誘電体の第2の端部上にドレインを形成する工程と、
前記ソース、前記ドレインおよび前記ゲート誘電体上に、全体が一電子酸化剤での溶液処理ドーピングによりドーピングされたカーボンナノチューブを形成する工程と
を含む方法。
A method of forming a carbon nanotube field effect transistor (FET) comprising:
Providing a gate;
Depositing a gate dielectric on the gate;
Forming a source on a first end of the gate dielectric;
Forming a drain on the second end of the gate dielectric;
Forming carbon nanotubes that are entirely doped by solution treatment doping with a one-electron oxidant on the source, the drain, and the gate dielectric.
前記ドープされたカーボンナノチューブは、p−ドープされる、請求項25に記載の方法。   26. The method of claim 25, wherein the doped carbon nanotube is p-doped. 前記ソースを形成し、前記ドレインを形成する工程は、
前記ゲート誘電体上にレジスト層を設ける工程と、
前記レジスト層上に金属層を堆積させる工程と、
前記金属層にレジスト剥離成分を作用させて前記ドレインと前記ソースとを形成する工程と
を含む、請求項25に記載の方法。

The steps of forming the source and forming the drain include
Providing a resist layer on the gate dielectric;
Depositing a metal layer on the resist layer;
The method according to claim 25, comprising: applying a resist stripping component to the metal layer to form the drain and the source.

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