JP2008105906A - 単層カーボンナノチューブヘテロ接合およびその製造方法ならびに半導体素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】単層カーボンナノチューブの成長途中で欠陥を導入してグラフェンシートの6員環構造中に5員環または7員環を導入することによりカイラリティ変化を誘起し、半導体的単層カーボンナノチューブ11と金属的単層カーボンナノチューブ12とがそれらの長手方向に互いに接合している単層カーボンナノチューブヘテロ接合を形成する。この単層カーボンナノチューブヘテロ接合をチャネルに用いて単層カーボンナノチューブFETを製造する。
【選択図】図1
Description
そこで、この発明が解決しようとする課題は、半導体的単層カーボンナノチューブへの金属的単層カーボンナノチューブの混入による単層カーボンナノチューブFETの特性劣化の問題を根本的に解消することができ、オン/オフ比などの特性が良好な単層カーボンナノチューブFETの実現が可能となる単層カーボンナノチューブヘテロ接合およびその製造方法ならびにこの単層カーボンナノチューブヘテロ接合を用いた半導体素子およびその製造方法を提供することである。
この発明は、上記の検討に基づいて案出されたものである。
半導体的単層カーボンナノチューブと金属的単層カーボンナノチューブとがそれらの長手方向に互いに接合していることを特徴とする単層カーボンナノチューブヘテロ接合である。
この単層カーボンナノチューブヘテロ接合においては、典型的には、半導体的単層カーボンナノチューブと金属的単層カーボンナノチューブとがカイラリティが変化する境界部(あるいは遷移部)を介して互いに接合している。この境界部は一種の欠陥部であり、グラフェンシートの6員環構造中に5員環または7員環が導入されている。
半導体的単層カーボンナノチューブと金属的単層カーボンナノチューブとがそれらの長手方向に互いに接合している単層カーボンナノチューブヘテロ接合の製造方法であって、
単層カーボンナノチューブの成長途中で欠陥を導入してカイラリティ変化を誘起するようにした
ことを特徴とするものである。
ここで、典型的には、単層カーボンナノチューブの成長途中で欠陥を導入してグラフェンシートの6員環構造中に5員環または7員環を導入することによりカイラリティ変化を誘起するようにする。
半導体的単層カーボンナノチューブと金属的単層カーボンナノチューブとがそれらの長手方向に互いに接合している単層カーボンナノチューブヘテロ接合を用いたことを特徴とする半導体素子である。
半導体的単層カーボンナノチューブと金属的単層カーボンナノチューブとがそれらの長手方向に互いに接合している単層カーボンナノチューブヘテロ接合を形成する工程を有する半導体素子の製造方法であって、
単層カーボンナノチューブの成長途中で欠陥を導入してカイラリティ変化を誘起することにより上記単層カーボンナノチューブヘテロ接合を形成するようにした
ことを特徴とするものである。
第3および第4の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して述べたことが同様に成立する。
この一実施形態においては、単層カーボンナノチューブヘテロ接合をチャネルに用いた単層カーボンナノチューブFETについて説明する。
図1にこの単層カーボンナノチューブヘテロ接合を示す。
図1に示すように、この単層カーボンナノチューブヘテロ接合においては、半導体的単層カーボンナノチューブ11と金属的単層カーボンナノチューブ12とがそれらの長手方向に互いに接合しており、全体として1本の単層カーボンナノチューブを構成している。これらの半導体的単層カーボンナノチューブ11および金属的単層カーボンナノチューブ12は互いにカイラリティが異なり、それらの境界部においてカイラリティが変化している。具体的には、半導体的単層カーボンナノチューブ11および金属的単層カーボンナノチューブ12を構成するグラフェンシートはいずれも6員環構造を有するのに対し、これらの境界部ではこの6員環構造中に5員環または7員環が導入されている。これを反映して、図1に示すように、半導体的単層カーボンナノチューブ11と金属的単層カーボンナノチューブ12とは境界部において折れ曲がった形になっている。
図2に示すように、この単層カーボンナノチューブFETにおいては、表面が酸化物からなる基板(図示せず)上にソース電極13およびドレイン電極14が形成されている。基板としては、Si基板上にSiO2 膜を形成したものや石英基板などを用いることができる。これらのソース電極13およびドレイン電極14の間を架橋するように、半導体的単層カーボンナノチューブ11と金属的単層カーボンナノチューブ12とがそれらの長手方向に互いに接合した単層カーボンナノチューブヘテロ接合を一つまたは複数含む単層カーボンナノチューブ15が複数本形成されている(図2には単層カーボンナノチューブ15が5本形成されている場合が示されている)。ただし、図2においては、半導体的単層カーボンナノチューブ11と金属的単層カーボンナノチューブ12との境界部における折れ曲がりは省略している。
まず、表面が酸化物からなる基板上に、互いに対向して触媒を配置する。次に、この触媒付き基板をPECVD装置の反応室(例えば、石英管)に入れ、PECVD法によりこの触媒を起点として単層カーボンナノチューブ15を成長させる。このとき、成長条件の選択などによりこの単層カーボンナノチューブ15の成長途中で欠陥を導入してグラフェンシートの6員環構造中に5員環または7員環を導入することにより、1本の単層カーボンナノチューブ15の成長の途中でカイラリティ変化を誘起させ、半導体的単層カーボンナノチューブ11と金属的単層カーボンナノチューブ12とがそれらの長手方向に接合した構造を形成する。こうして単層カーボンナノチューブヘテロ接合が形成される。
トップゲート型FETの場合は、単層カーボンナノチューブ15上にゲート絶縁膜を形成した後、その上にゲート電極16を形成する。ボトムゲート型FETの場合は、単層カーボンナノチューブ15の成長前に基板上にあらかじめゲート電極16を形成し、その上にゲート絶縁膜を形成した後、その上に単層カーボンナノチューブ15を成長させるか、基板上にゲート絶縁膜を形成し、その上に単層カーボンナノチューブ15を成長させ、基板の裏面にゲート電極16を形成する。
単層カーボンナノチューブヘテロ接合を用いた単層カーボンナノチューブFETを図3に示す工程にしたがって作製した。
図3Aに示すように、まず、基板としてp+ 型Si基板21上に厚さ100nmのSiO2 膜22を形成したものを用い、このSiO2 膜22上にアラインメントマーク23を形成する。次に、SiO2 膜22上に電子線レジストをスピンコート法により回転数5000rpmで塗布する。この電子線レジストの厚さは350nmとする。次に、電子線レジストを塗布したp+ 型Si基板21をホットプレート上に載せ、200℃で3分間、電子線レジストのプレベークを行う。次に、この電子線レジストを電子ビームにより描画して触媒形成領域となる4μm×4μmの大きさのパターンを描画する。描画条件は、加速電圧5kV、倍率10000倍、スポットサイズ58nm、描画時間1.3s、ドーズ量32μC/cm2 とした。次に、この電子線レジストを形成した基板を現像液に浸漬し、電子線レジストを22℃で3.5分間現像することにより、触媒形成領域となる開口24aを有するレジストパターン24を形成した後、リンス液中において10秒間リンス処理を行う。この後、このレジストパターン24が形成されたp+ 型Si基板21をホットプレート上に載せ、200℃で1分間、レジストパターン24のポストベークを行う。
次に、石英管内の温度を650℃、圧力を600Paに維持して20分間保持することによりゼオライト担持触媒25を微粒子化する。
次に、プラズマ電源を投入する。このときのプラズマパワーは75Wに固定する。
この後、石英管の加熱およびプラズマ電源の投入を停止する。
次に、図3Dに示すように、p+ 型Si基板21の裏面にAlからなるゲート電極16を形成する。次に、ゼオライト担持触媒25のパターニングに用いたレジストパターン24と同様にして、ソース電極およびドレイン電極形成用のレジストパターン26を形成する。次に、厚さ2nmのTi膜および厚さ100nmのPd膜を基板全面に成膜速度0.03nm/sで順次真空蒸着した後、レジストパターン26を除去する(リフトオフ)。こうして、図3Eに示すように、ソース電極13およびドレイン電極14を形成する。チャネル幅は10μm、チャネル長は0.5μmとした。リフトオフ溶液としては、ジエチレングリコールジエチルエーテルを用いた。
以上により、単層カーボンナノチューブヘテロ接合を用いた単層カーボンナノチューブFETを作製した。こうして得られた単層カーボンナノチューブFETを走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を図5に示す。
図6はラマン分光分析の結果を示す。図6に示すように、1600cm-1付近のグラフェン結晶構造に由来するGバンド、および、1350cm-1付近の無秩序構造に由来するDバンドの比(G/D比)は4.5であった。650〜850℃付近の高温条件下で熱CVD法により単層カーボンナノチューブを合成した場合には、アモルファスカーボンの生成の低減や、単層カーボンナノチューブ壁面への欠陥の導入の低減などにより、G/D比が20〜100の結晶性の高い単層カーボンナノチューブが合成される。これに対し、この実施例では、PECVD法を用いていることにより熱CVD法と比較して単層カーボンナノチューブ15の成長速度は促進されているが、合成温度が650℃と低温なため、ゼオライト担持触媒25から単層カーボンナノチューブ15が成長する過程でチューブ壁面に欠陥が導入されている。
例えば、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、構成、配置、形状、材料、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構成、配置、形状、材料、原料、プロセスなどを用いてもよい。
具体的には、例えば、上述の実施形態による単層カーボンナノチューブFETにおいて、基板として透明基板を用い、さらにソース電極13、ドレイン電極14およびゲート電極16を単層カーボンナノチューブにより構成することで、透明な単層カーボンナノチューブFETを実現することが可能である。
Claims (7)
- 半導体的単層カーボンナノチューブと金属的単層カーボンナノチューブとがそれらの長手方向に互いに接合していることを特徴とする単層カーボンナノチューブヘテロ接合。
- 上記半導体的単層カーボンナノチューブと上記金属的単層カーボンナノチューブとがカイラリティが変化する境界部を介して互いに接合していることを特徴とする請求項1記載の単層カーボンナノチューブヘテロ接合。
- 半導体的単層カーボンナノチューブと金属的単層カーボンナノチューブとがそれらの長手方向に互いに接合している単層カーボンナノチューブヘテロ接合の製造方法であって、
単層カーボンナノチューブの成長途中で欠陥を導入してカイラリティ変化を誘起するようにした
ことを特徴とする単層カーボンナノチューブヘテロ接合の製造方法。 - 上記単層カーボンナノチューブの成長途中で欠陥を導入してグラフェンシートの6員環構造中に5員環または7員環を導入することによりカイラリティ変化を誘起するようにしたことを特徴とする請求項3記載の単層カーボンナノチューブヘテロ接合の製造方法。
- 上記単層カーボンナノチューブの成長をプラズマ強化化学気相成長法により400℃以上750℃以下の温度で行うようにしたことを特徴とする請求項3記載の単層カーボンナノチューブヘテロ接合の製造方法。
- 半導体的単層カーボンナノチューブと金属的単層カーボンナノチューブとがそれらの長手方向に互いに接合している単層カーボンナノチューブヘテロ接合を用いたことを特徴とする半導体素子。
- 半導体的単層カーボンナノチューブと金属的単層カーボンナノチューブとがそれらの長手方向に互いに接合している単層カーボンナノチューブヘテロ接合を形成する工程を有する半導体素子の製造方法であって、
単層カーボンナノチューブの成長途中で欠陥を導入してカイラリティ変化を誘起することにより上記単層カーボンナノチューブヘテロ接合を形成するようにした
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
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