JP2006245566A - 自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子及びその製造方法 - Google Patents

自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成するための方法及び関連する構造を説明する。
【解決手段】本方法は、基板上に自立形部分を有するような方法でカーボンナノチューブ１２を形成する段階を含む。カーボンナノチューブの自立形部分を形成する１つの方法は、基板の一部分を除去することである。カーボンナノチューブの自立形部分を形成する別の記載した方法は、第１の基板部分上に一対の金属電極２４，２６を配置し、金属電極に隣接した第１の基板部分の一部分を除去し、かつ第１の基板部分上に第２の基板部分を共形状に配置して溝を形成することである。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的にはナノテクノロジーの分野に関する。より具体的には、本発明は、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成するための方法及び関連する構造に関する。
カーボンナノチューブは、ダイオード、トランジスタ及び半導体回路のようなナノスケール電子素子としての使用に対するそれらの可能性により、近年多大な注目を集めてきた。構造的には、カーボンナノチューブは、円筒形に丸めた炭素の六方格子に似ており、２つのタイプ、すなわち単層タイプ及び多層タイプの１つに属することになる。これらのタイプのいずれも、それらのキラリティ（すなわち、立体構造幾何学形状）に応じて、その全体又は一部が金属又は半導体材料の挙動を示すことができる。
半導体材料の挙動を示すカーボンナノチューブは一般的に、各種の化学的方法を使用してドープされる。つまり、異なる化学物質を使用して、カーボンナノチューブ内にｐ型（正孔多数キャリア）領域及びｎ型（電子多数キャリア）領域を作り出す。これにより、適切な電圧を印可したとき光を放出する（発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合において）Ｐ−Ｎ接合が得られる。しかしながら、カーボンナノチューブをドープする化学的方法には、一般的にｐ型領域及びｎ型領域が十分に特性化されず、性能特性が低いナノスケール電子素子を生じるという問題がある。
米国特許第６，４２３，５８３号公報 Al Javey et al. − High-Dielectrics for Advanced Carbon-Nanotube Transistors and Logic Gates, Nature Materials, 11-17-02 Bright-Band Gap Photoluminescence from Unprocessed Single-walled Carbon Nanotubes − Lefebvre, et al.. The American Physical Society .−pp 217401-217401-4-May 2003 Carbon Nanotube P-n Junction Diodes − Lee et al − American Institute of physics − pps. 145147--July 2004
従って、必要とされるのは、十分に特性化したｐ型領域及びｎ型領域を有し、例えば高い性能特性を有する光ダイオード、光検出器、光起電素子、センサ及び電源素子のようなナノスケール電子素子を作り出すことを可能にする、静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成するための方法及び関連する構造である。
本発明の実施形態は、その少なくとも一部分が自立形になるように基板上に配置されたカーボンナノチューブを含む、静電ドープカーボンナノチューブ素子を提供する。
本発明の実施形態は、静電ドープカーボンナノチューブ素子を含む光起電素子を提供する。
本発明の実施形態は、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を提供する。本方法は、基板上にカーボンナノチューブを形成する段階を含む。カーボンナノチューブは、第１の端部と、第２の端部と、それらの間の自立形部分とを含む。
これらの及び他の利点及び特徴は、添付の図面に関連してなした本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
本発明の記載した実施形態は、十分に特性化したｐ型領域及びｎ型領域を有し、高い性能特性を有する光起電ダイオード、電源素子、光ダイオード、光検出器、発光ダイオード（「ＬＥＤｓ」）及び同種のもののようなナノスケール電子素子を作り出すことを可能にする、静電的にドープされた（静電ドープ）カーボンナノチューブ素子を形成するための方法及び関連する構造を提供する。静電ドープカーボンナノチューブ素子の１つの特定の形態は、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子である。より具体的には、本発明の実施形態は、複数のバイアス電極から分離された複数のドーピング電極を使用することを行う。従って、カーボンナノチューブのドーピングは、複数のバイアス電極の各々のバイアスを変えることによって、細かく調整することができる。記載した方法及び関連する構造により、Ｐ−Ｎ接合、Ｐ−Ｉ−Ｐ接合、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合、Ｎ−Ｉ−Ｐ接合、Ｎ−Ｉ−Ｎ接合、Ｐ−Ｎ−Ｐ接合又はＮ−Ｐ−Ｎ接合を有するカーボンナノチューブを得ることができる利点がある。
図１を参照すると、静電ドープカーボンナノチューブ素子１０を示しており、静電ドープカーボンナノチューブ素子１０は、第１の端部１４と第２の端部１６とを有するカーボンナノチューブ１２を含む。カーボンナノチューブ１２は、単層カーボンナノチューブ（「ＳＷＣＮＴ」）又は多層カーボンナノチューブ（「ＭＷＣＮＴ」）のいずれかとすることができる。カーボンナノチューブ１２は、約０．１ミクロン〜約１０ミクロンの長さ及び約０．４ナノメートル（ｎｍ）〜約２０ナノメートル（ｎｍ）の直径を有するが、他の適当な寸法を使用することもできる。一般的に、カーボンナノチューブは、そのキラリティ（すなわち、立体構造幾何学形状）に応じて金属又は半導体材料として作用することができる。本発明のカーボンナノチューブ１２は、半導体材料として作用するのが好ましい。カーボンナノチューブ１２の第１の端部１４は、第１の金属接点１８に隣接しかつ該第１の金属接点１８と直接電気接触した状態で配置される。同様に、カーボンナノチューブ１２の第２の端部１６は、第２の金属接点２０に隣接しかつ該第２の金属接点２０と直接電気接触した状態で配置される。第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０は各々、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｃｒ又は同種のもので作られ、その各々が、約０．１ミクロン×約１０ミクロン〜約１ミクロン×約１０ミクロンの面積又は寸法を有する。一般的に、カーボンナノチューブ１２の第１の端部１４及びカーボンナノチューブ１２の第２の端部１６と適切な電気接触が得られるあらゆる寸法を使用することができる。第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０は、それぞれカーボンナノチューブ１２の第１の端部１４及びカーボンナノチューブ１２の第２の端部１６の上方又は下方のいずれかに配置することができる。
第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０は、誘電体材料２２の表面上に配置される。誘電体材料２２には、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２又は同種のものが含まれる。第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６は、それぞれ第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０に隣接しかつ該第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０からある距離を置いて誘電体材料２２内部に配置される。この分離の故に、第１の金属電極２４は、カーボンナノチューブ１２の第１の端部１４に容量結合され、また第２の金属電極２６は、カーボンナノチューブ１２の第２の端部１６に容量結合される。第１の金属電極２４とカーボンナノチューブ１２の第１の端部１４との間の距離及び第２の金属電極２６とカーボンナノチューブ１２の第２の端部１６との間の距離は、それぞれ約２ｎｍ〜約１００ｎｍであるのが好ましい。第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６は各々、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ又は同種のもので作られ、その各々が、約０．１ミクロン×約１０ミクロン〜約１ミクロン×約１０ミクロンの面積又は寸法を有する。第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６の面積又は寸法は、該第１の金属電極２４と第２の金属電極２６との間の望ましい間隔を達成するように選択することができる利点がある。この間隔の重要性を以下に詳細に説明する。第１の金属電極２４は、第２の金属電極から約１００ｎｍ〜約１ミクロンの距離だけ分離されるのが好ましい。
誘電体材料２２は、Ｓｉ、ＳｉＣ又は同種のもののような半導体材料２８の表面上に配置される。これに代えて、誘電体材料２２は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ又は同種のもののような金属層２８の表面上に配置される。上述のように、カーボンナノチューブ１２は、第１の端部１４と第２の端部１６とを有する。従って、中央部分３０は、カーボンナノチューブ１２の第１の端部１４とカーボンナノチューブ１２の第２の端部１６との間に配置される。本発明の１つの実施形態では、半導体材料２８の一部分は、誘電体材料２２、第１の金属電極２４の一部分及び第２の金属電極２６の一部分が該半導体材料２８とカーボンナノチューブ１２の中央部分３０との間に配置された状態で、カーボンナノチューブ１２の中央部分３０に隣接しかつ該中央部分３０からある距離を置いて配置される。本発明の別の実施形態では、半導体材料２８の一部分は、誘電体材料２２のみが該半導体材料２８とカーボンナノチューブ１２の中央部分３０との間に配置された状態で、カーボンナノチューブ１２の中央部分３０に隣接しかつ該中央部分３０からある距離を置いて配置される。今一度言うが、この差異は、第１の金属電極２４と第２の金属電極２６との間の間隔に関係し、その重要性を以下に詳細に説明する。
図２を参照すると、静電ドープカーボンナノチューブ素子１０（図１）を形成するための構造を回路図によって示す。第１の金属接点（「Ｍ１」）１８は、カーボンナノチューブ１２の第１の端部１４に電気結合され、また第２の金属接点（「Ｍ２」）２０は、カーボンナノチューブ１２の第２の端部１６に電気結合される。同様に、第１の金属電極（「ＶＣ１」）２４は、カーボンナノチューブ１２の第１の端部１４に容量結合され、また第２の金属電極（「ＶＣ２」）２６は、カーボンナノチューブ１２の第２の端部１６に容量結合される。この点において、ＶＣ１ ２４及びＶＣ２ ２６は、それぞれ第１のゲート及び第２のゲートを形成する。上述の本発明の別の実施形態では、半導体材料（「ＳＩ」）２８は、誘電体材料２２（図１）のみが該半導体材料２８とカーボンナノチューブ１２の中央部分３０との間に配置された状態で、カーボンナノチューブ１２の中央部分３０に容量結合されて、そうでなければ存在しなかった第３のゲートを形成する。
動作において、ＶＣ１ ２４には第１のバイアスが印加されて、カーボンナノチューブ１２の第１の端部１４の静電ドーピングをもたらす。同様に、ＶＣ２ ２６には第２のバイアスが印加されて、カーボンナノチューブ１２の第２の端部１６の静電ドーピングをもたらす。印加したバイアスに応じて、カーボンナノチューブ１２の第１の端部１４及びカーボンナノチューブ１２の第２の端部１６は各々、ｐ型半導体（正孔多数キャリア）又はｎ型半導体（電子多数キャリア）になることができる。カーボンナノチューブ１２の第１の端部１４がｐ型半導体になりまたカーボンナノチューブ１２の第２の端部１６がｎ型半導体になった場合に又はその逆の場合に、Ｐ−Ｎ接合が得られる。Ｐ−Ｎ接合を使用して、当業者には公知のように、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）を形成することができる。静電ドープカーボンナノチューブ素子１０を形成するための構造の好ましい電圧範囲は、ＶＣ１ ２４及びＶＣ２ ２６において約＋／−１Ｖ〜約＋／−３０Ｖである。
上述の本発明の別の実施形態では、ＳＩ２８とカーボンナノチューブ１２の中央部分３０との間に誘電体材料２２のみが配置された状態で、ＳＩ２８を使用して、カーボンナノチューブ１２の中央部分３０のドーピングを調節する。従って、カーボンナノチューブ１２の中央部分３０は、ｐ型半導体、Ｉ型（真性）半導体又はｎ型半導体になることができる。これによって、以下の表１に要約する多くの可能な構成及び当業者には公知の多くの可能な素子が得られる。
Figure 2006245566
 図３及び図４を参照すると、本発明の他の実施形態では、静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法は、最初に上述の半導体層２８を準備する段階を含む。今一度言うが、半導体層２８は、Ｓｉ、ＳｉＣ又は同種のものを含む。これに代えて、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ又は同種のもののような金属層２８とすることもできる。半導体層２８は、約１ミクロン〜約５５０ミクロンの厚さを有するのが好ましい。第１の絶縁層４０は、熱酸化物、化学気相蒸着誘電体、プラズマ化学気相蒸着誘電体、低圧化学気相蒸着誘電体又は同種のものを使用して、半導体層２８の表面上に蒸着させるか又は成長させる。第１の絶縁層４０には、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２又は同種のものが含まれる。第１の絶縁層４０は、約２ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。第１の絶縁層４０の蒸着又は成長の後に、第１の絶縁層４０の表面上に金属電極材料をパターン化しかつ蒸着させて、上述の第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６を形成する。金属電極材料には、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ又は同種のものが含まれる。第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６は各々、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。
図５を参照すると、次に、化学気相蒸着誘電体、プラズマ化学気相蒸着誘電体、低圧化学気相蒸着誘電体又は同種のものを使用して、第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６を実質的に囲んで第１の絶縁層４０の表面上に、第２の絶縁層４２を蒸着させるか又は成長させる。第２の絶縁層４２には、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２又は同種のものが含まれる。第２の絶縁層４２は、約２ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。全体として、第１の絶縁層４０及び第２の絶縁層４２は、上述の誘電体層２２を形成する。第２の絶縁層４２の蒸着又は成長の後に、第２の絶縁層４２の表面上に金属接点材料をパターン化しかつ蒸着させて、上述の第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０を形成する。金属接点材料には、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｃｒ又は同種のものが含まれる。第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０は各々、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。
図６を参照すると、次に、カーボンナノチューブを成長させるのに適した触媒材料４４を、例えば当業者には公知のリフトオフ法を使用して第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０の表面上にパターン化しかつ被着させる。触媒材料４４は、薄膜又はナノ粒子の形態を取ることができ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｏ、硝酸鉄内のＡｌ２Ｏ３又は同種のものを含む。触媒材料４４は、約０．１ｎｍ〜約１ｎｍの厚さを有するのが好ましい。第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０の表面上に触媒材料４４を被着させるのに先だって、第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０並びに誘電体層２２の表面は、フォトレジストで選択的に被覆することができる。このフォトレジストは、触媒材料４４の被着の適切なパターンを形成し、その後除去される。触媒材料は、第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０の１つのみの表面上に選択的に被着させることができることに注目されたい。触媒材料４４の被着の後に、図７に示すように上述のカーボンナノチューブ１２を成長させる。カーボンナノチューブ１２は、誘電体層２２の表面に対してほぼ平行に整列するのが好ましい。一般的に、カーボンナノチューブ１２は、約７００℃〜約１０００℃で、メタン源又はアセチレン源のような流動炭素（炭化水素）源に結合した化学気相蒸着（ＣＶＤ）チューブの形態で成長する。触媒材料４４は、これらの温度において複数の「島」を形成し、炭素で過飽和された状態になる。最終的には、これらの触媒の島からカーボンナノチューブ１２が成長する。このプロセスは、当業者には公知である。
図８を参照すると、カーボンナノチューブ１１２を有する自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子１１０を示す。自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子１１０は、光起電素子、センサ及び／又は電源素子において有用となる可能性がある。図示するようにカーボンナノチューブ１１２を懸架させたとき、得られたダイオードは、より理想的な挙動を示し、そのような構造は、一般的な電子素子、より具体的には光電池に対するより優れた適性を有する。カーボンナノチューブ１１２は、第１の端部１１４と第２の端部１１６とを有する。カーボンナノチューブ１１２は、第１の金属接点１８と第２の金属接点２０との間で延びかつ第１の端部１１４を介して第１の金属接点１８とまた第２の端部１１６を介して第２の金属接点２０と接触する。カーボンナノチューブ１１２は、単層カーボンナノチューブ（「ＳＷＣＮＴ」）又は多層カーボンナノチューブ（「ＭＷＣＮＴ」）のいずれかとすることができる。カーボンナノチューブ１１２は、カーボンナノチューブ１２（図１）と物理的外観、構成及び寸法が類似している。第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｃｒ又は同種のものを含むことができ、その各々が、約０．１ミクロン×約１０ミクロン〜約１ミクロン×約１０ミクロンの面積又は寸法を有することができる。しかしながら、一般的に、カーボンナノチューブ１１２の端部との適切な電気接触をもたらすあらゆる寸法を使用することができることを理解されたい。第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０は、カーボンナノチューブ１１２の端部１１４、１１６の上方又は下方のいずれかに配置することができる。
第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０は、例えば誘電体材料のような基板２２の表面上に配置される。誘電体材料２２は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２又は同種のもので形成することができる。第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６が、それぞれ第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０に隣接しかつ該第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０からある距離を置いて誘電体材料２２内部に配置される。この分離の故に、第１の金属電極２４は、カーボンナノチューブ１１２の第１の端部１１４に容量結合され、また第２の金属電極２６は、カーボンナノチューブ１１２の第２の端部１１６に容量結合される。特定の実施形態では、第１の金属電極２４とカーボンナノチューブ１１２の第１の端部１１４との間の距離及び第２の金属電極２６とカーボンナノチューブ１１２の第２の端部１１６との間の距離は、それぞれ約２ｎｍ〜約１００ｎｍである。第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６は各々、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ又は同種のもので作られ、その各々が、約０．１ミクロン×約１０ミクロン〜約１ミクロン×約１０ミクロンの面積又は寸法を有する。第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６の面積又は寸法は、第１の金属電極２４と第２の金属電極２６との間の望ましい間隔を達成するように選択することができる利点がある。この間隔の重要性は、既に詳細に説明した。
誘電体材料２２は、基板材料２８の表面上に配置される。基板材料２８は、Ｓｉ、ＳｉＣ又は同種のもので形成した半導体材料とすることができる。それに代えて、基板材料２８は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ又は同種のものを含む層のような金属層２８とすることができる。溝１２８が、誘電体材料２２内に形成され、従ってカーボンナノチューブ１１２がその位置で自立形になるのを可能にする。カーボンナノチューブ１１２が誘電体材料２２から自立形になるのを可能にすることによって、Ｐ−Ｎ接合ダイオードとしてカーボンナノチューブ１１２にバイアスをかけたときに、発光を強化することが可能になる。
特に図９を参照すると、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子１１０を回路図によって示す。第１の金属接点（「Ｍ１」）１８は、カーボンナノチューブ１１２の第１の端部１１４に電気結合され、また第２の金属接点（「Ｍ２」）２０は、カーボンナノチューブ１１２の第２の端部１１６に電気結合される。同様に、第１の金属電極（「ＶＣ１」）２４は、カーボンナノチューブ１１２の第１の端部１１４に容量結合され、また第２の金属電極（「ＶＣ２」）２６は、カーボンナノチューブ１１２の第２の端部１１６に容量結合される。この点において、ＶＣ１ ２４及びＶＣ２ ２６は、それぞれ第１のゲート及び第２のゲートを形成する。
動作において、ＶＣ１ ２４には第１のバイアスが印加されて、カーボンナノチューブ１１２の第１の端部１１４の静電ドーピングをもたらす。同様に、ＶＣ２ ２６には第２のバイアスが印加されて、カーボンナノチューブ１１２の第２の端部１１６の静電ドーピングをもたらす。印加したバイアスに応じて、カーボンナノチューブ１１２の第１の端部１１４及びカーボンナノチューブ１１２の第２の端部１１６は各々、ｐ型半導体（正孔多数キャリア）又はｎ型半導体（電子多数キャリア）になることができる。カーボンナノチューブ１１２の第１の端部１１４がｐ型半導体になりまたカーボンナノチューブ１１２の第２の端部１１６がｎ型半導体になった場合に又はその逆の場合に、Ｐ−Ｎ接合が得られる。Ｐ−Ｎ接合を使用して、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）、光起電ダイオード、電源素子、光ダイオード、光検出器又は同種のものを形成することができる。静電ドープカーボンナノチューブ素子１０を形成するための構造の好ましい電圧範囲は、ＶＣ１ ２４及びＶＣ２ ２６において約＋／−１Ｖ〜約＋／−３０Ｖである。
単層カーボンナノチューブは、直接遷移型バンドギャップ半導体であり、従って自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子１１０の１つ又はそれ以上は、光起電素子、センサ及び／又は電源素子に利用することができる。図１０は、単一の自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子１１０の光起電力応答性を示す。グラフは、次第に照度を高めた下での、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子１１０の電流電圧特性の変化を示す。第４象限に向って進展する変化は、より大きい電力がダイオードによって発生していることを意味する。
次に図１１〜図１６を参照すると、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子１１０を形成するためのプロセス段階を示す。最初の段階（図１１及び図１２）として、半導体層２８の表面上に絶縁層４０を蒸着させるか又は成長させる。第１の絶縁層４０は、熱酸化物、化学気相蒸着誘電体、プラズマ化学気相蒸着誘電体、低圧化学気相蒸着誘電体又は同種のものを使用して形成することができる。第１の絶縁層４０は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２又は同種のものを含むことができる。第１の絶縁層４０は、約２ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。第１の絶縁層４０の蒸着又は成長の後に、第１の絶縁層４０の表面上に金属電極材料をパターン化しかつ蒸着させて、上述の第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６を形成する。金属電極材料は、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｒ又は同種のもので形成することができる。第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６は各々、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。
図１３を参照すると、次に、第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６を実質的に囲んで第１の絶縁層４０の表面上に、第２の絶縁層４２を蒸着させるか又は成長させる。第２の絶縁層４２は、化学気相蒸着誘電体、プラズマ化学気相蒸着誘電体、低圧化学気相蒸着誘電体又は同種のものを使用して形成することができる。第２の絶縁層４２には、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２又は同種のものが含まれる。第２の絶縁層４２は、約２ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。全体として、第１の絶縁層４０及び第２の絶縁層４２は、上述の誘電体層２２を形成する。第２の絶縁層４２の蒸着又は成長の後に、第２の絶縁層４２の表面上に金属接点材料をパターン化しかつ蒸着させて、上述の第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０を形成する（図１５）。金属接点材料は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｃｒ又は同種のものを含むことができる。第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０は各々、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚さを有するのが好ましい。
図１４を参照すると、次に、カーボンナノチューブを成長させるのに適した触媒材料４４を、例えば当業者には公知であるリフトオフ法を使用して第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０の表面上にパターン化しかつ被着させる。触媒材料４４は、薄膜又はナノ粒子の形態を取ることができ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はＭｏのような元素或いは硝酸鉄内のＡｌ２Ｏ３のような混合物或いは同種のものを含むことができる。幾つかの実施形態では、触媒材料４４は、約０．１ｎｍ〜約１ｎｍの厚さを有するのが好ましい。第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０の表面上に触媒材料４４を被着させるのに先だって、第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０並びに誘電体層２２の表面は、フォトレジストで選択的に被覆することができる。フォトレジストは、触媒材料４４の被着の適切なパターンを形成する働きをし、その後除去される。触媒材料４４は、第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０の１つのみの表面上に選択的に被着させることができることに注目されたい。
触媒材料４４の被着の後に、図１５に示すように上述のカーボンナノチューブ１１２を成長させる。カーボンナノチューブ１１２は、誘電体層２２の表面に対してほぼ平行に整列するのが好ましい。一般的に、カーボンナノチューブ１１２は、約７００℃〜約１０００℃で、メタン源又はアセチレン源のような流動炭素（炭化水素）源に結合した化学気相蒸着（ＣＶＤ）チューブの形態で成長する。触媒材料４４は、これらの温度において複数の「島」を形成し、炭素で過飽和された状態になる。最終的には、これらの触媒の島からカーボンナノチューブ１１２が成長する。このプロセスは、当業者には公知である。最後に図１６に示すように、誘電体層２２内に溝１２８をエッチングして、カーボンナノチューブ１１２が自立形になるのを可能にする。
次に図１７〜図２１を参照すると、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子１１０を形成する別の方法を示す。最初の段階（図１７）として、半導体層２８の表面上に絶縁層４０を蒸着させるか又は成長させる。第１の絶縁層４０は、熱酸化物、化学気相蒸着誘電体、プラズマ化学気相蒸着誘電体、低圧化学気相蒸着誘電体又は類似のものを使用して形成することができる。第１の絶縁層４０の蒸着又は成長の後に、第１の絶縁層４０の表面上に金属電極材料をパターン化しかつ蒸着させて、上述の第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６を形成する。
図１８を参照すると、第１の絶縁層４０の一部分を除去して、変更した第１の絶縁層４０ａを形成する。適当な除去プロセスには、エッチング法及びリソグラフィー法が含まれる。第１及び第２の金属電極２４、２６は、エッチング及びリソグラフィー処理の間にマスクとして使用することができる。第１の絶縁層４０ａをエッチングするための適当なエッチング液には、ＳｉＯ２用の緩衝酸化物エッチのようなウエットエッチャント又はプラズマドライエッチャントが含まれる。エッチングプロセスによって第１及び第２の金属電極２４、２６の間に空きスペース１２７が形成される。図２１を参照すると、次に、第１の金属電極２４及び第２の金属電極２６を実質的に囲んで、エッチングした第１の絶縁層４０ａの表面上に、第２の絶縁層４２ａを蒸着させるか又は成長させる。第２の絶縁層４２ａは、エッチングした第１の絶縁層４０ａと共形である。空きスペース１２７における第２の絶縁層４２ａの共形（ｃｏｎｆｏｒｍａｎｃｅ）によって、第１及び第２の金属電極２４、２６の間に溝１２８を形成することが可能になる。第２の絶縁層４２ａの蒸着又は成長の後に、第２の絶縁層４２ａの表面上に金属接点材料をパターン化しかつ蒸着させて、第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０を形成する。
図２０を参照すると、次に、カーボンナノチューブを成長させるのに適した触媒材料４４を、例えば当業者には公知であるリフトオフ法を使用して第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０の表面上にパターン化しかつ被着させる。第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０の表面上に触媒材料４４を被着させるのに先だって、第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０並びに誘電体層２２の表面は、フォトレジストで選択的に被覆することができる。フォトレジストは、触媒材料４４の被着の適切なパターンを形成する働きをし、その後除去される。触媒材料４４は、第１の金属接点１８及び第２の金属接点２０の１つのみの表面上に選択的に被着させることができることに注目されたい。触媒材料４４の被着の後に、図２１に示すように上述のカーボンナノチューブ１１２を成長させる。
本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明したが、本発明はそのような開示した実施形態に限定されるものではないことを容易に理解されたい。むしろ、本発明は、これまで説明しなかったが本発明の技術思想及び技術的範囲に属する変形、変更、置換又は均等構成をいくらでも組み入れるように修正することができる。例えば、本発明の実施形態は単一の静電ドープカーボンナノチューブに関して説明したが、静電ドープカーボンナノチューブ１２、１１２の配列又は一組を配置して多数の電源素子を形成することができることを理解されたい。さらに、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は、説明した実施形態の幾つかのみを含む可能性があることを理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見做すべきではなく、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
本特許によって保護されることを望みかつ新規なものは、特許請求の範囲に記載したものである。
本発明の実施形態により作製した静電ドープカーボンナノチューブ素子の断面図。 図１の静電ドープカーボンナノチューブ素子を表わす回路図。 本発明の実施形態による、静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態により作製した自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子の断面図。 図８の自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を表わす回路図。 図８の自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子により得られた光起電力を示すグラフ。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。 本発明の実施形態による、自立形静電ドープカーボンナノチューブ素子を形成する方法を示す断面図。
符号の説明
１０、１１０ 静電ドープカーボンナノチューブ素子
１２、１１２ カーボンナノチューブ
１４、１１４ カーボンナノチューブの第１の端部
１６、１１６ カーボンナノチューブの第２の端部
１８ 第１の金属接点
２０ 第２の金属接点
２２誘電体層
２４ 第１の金属電極
２６ 第２の金属電極
２８ 半導体層
４０ 絶縁層
４４ 触媒材料
１２８ 溝

Claims (10)

  1. その少なくとも一部分が自立形になるように基板（２２）上に配置されたカーボンナノチューブ（１１２）を含む、静電ドープカーボンナノチューブ素子（１０）。
  2. 前記基板が溝（１２８）を含むことを特徴とする請求項１記載の静電ドープカーボンナノチューブ素子。
  3. 前記カーボンナノチューブが、第１の端部（１１４）と第２の端部（１１６）とを含み、該素子が、
    前記カーボンナノチューブの第１の端部に直接隣接して配置された第１の金属接点（１８）と、
    前記カーボンナノチューブの第２の端部に直接隣接して配置された第２の金属接点（２０）と、をさらに含み、
    前記カーボンナノチューブが、前記第１及び第２の金属接点に電気結合されていることを特徴とする請求項１記載の静電ドープカーボンナノチューブ素子。
  4. 前記カーボンナノチューブの第１の端部に隣接しかつ該第１の端部からある距離を置いて前記基板内に配置された第１の金属電極（２４）と、
    前記カーボンナノチューブの第２の端部に隣接しかつ該第２の端部からある距離を置いて前記基板内に配置された第２の金属電極（２６）とをさらに含み、前記第１の金属電極が、前記カーボンナノチューブの第１の端部に容量結合され、第１のバイアスを受けて前記カーボンナノチューブの第１の端部を静電ドープするように動作可能であり、
    前記第２の金属電極が、前記カーボンナノチューブの第２の端部に容量結合され、第２のバイアスを受けて前記カーボンナノチューブの第２の端部を静電ドープするように動作可能であることを特徴とする請求項３記載の静電ドープカーボンナノチューブ素子。
  5. 前記第１の金属電極及び第２の金属電極が各々、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕからなる群から選択された金属を含むことを特徴とする請求項３記載の静電ドープカーボンナノチューブ素子。
  6. 前記第１のバイアスが、前記カーボンナノチューブの第１の端部をｐ型半導体（正孔多数キャリア）又はｎ型半導体（電子多数キャリア）のいずれかにするように動作可能であることを特徴とする請求項３記載の静電ドープカーボンナノチューブ素子。
  7. 前記第２のバイアスが、前記カーボンナノチューブの第２の端部をｐ型半導体（正孔多数キャリア）又はｎ型半導体（電子多数キャリア）のいずれかにするように動作可能であることを特徴とする請求項３記載の静電ドープカーボンナノチューブ素子。
  8. 請求項１の静電ドープカーボンナノチューブ素子を含むことを特徴とする光起電素子。
  9. 請求項１の静電ドープカーボンナノチューブ素子を含むことを特徴とする電源素子。
  10. 請求項１の静電ドープカーボンナノチューブ素子を含むことを特徴とするセンサ。
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