JP2014150175A - 半導体装置に好適なカーボンナノチューブ束群を用いた半導体装置の製造方法、及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電界効果トランジスタ1は、ソース電極3と、ドレイン電極4と、ゲート8と、ソース電極3とドレイン電極4との間に設けられた、分散液・金属微粒子・欠陥のないカーボンナノチューブの束群からなるチャネル7と、を具備しているので、チャネルのカーボンナノチューブの配向を変えるだけで、電流値に特化した構成や、スイッチング作用に特化した構成を非常に簡便に提供できる。
【選択図】図2
Description
ここで、トランジスタで高出力、即ち、大電流を制御するためには、チャネルの長さを短くすることにより、チャネルの抵抗値を小さくすることが有効である。加えて、チャネルの断面積を大きくすることにより、チャネルに流れるキャリアの数を増やす事も有効である。また、電解液やイオン液体からなる液体電解質をゲートに採用した場合、液体電解質とチャネルの表面との接触面積が大きくなり、複数本のチャネルの表面に対して、瞬時かつ一括にゲート絶縁層として機能する電気二重層を生じさせることができ、スイッチング素子としての応答性が向上するので、ゲートとして液体電解質を採用することが有効である。
特許文献1には、互いに対向するソース電極とドレイン電極の間に複数の短い柱状の半導体を配置してチャネルの長さを短く、チャネルの断面積を大きく確保しつつ、その半導体の周囲にイオン液体を充填したゲートを備えたトランジスタが開示されている。
CNTは、原子1個分の厚みで炭素原子が6角形のハニカム構造を形成するグラフェンシートと呼ばれるシート状の物質が円筒状に巻かれた形状を有する。炭素原子の最外殻電子4個のうち、3個の電子は隣接する炭素原子との共有結合のために使われているが、未結合の4番目の電子は、グラフェンシートの平面の上下に垂直に伸びた軌道に存在する。この軌道はグラフェンシート全体にわたって広がっている。このシートの上下に広がる電子が、障害となるものに衝突することなくバリスティック伝導(無散乱で電子が走行する)に近い移動を行い得ることから、CNTは高い電子(正孔)移動度を有し、電気抵抗が小さいという性質を有する。実際、シリコンの電子移動度が約1.5×104cm2/V・sであるのに比べて、CNTの電子移動度は約1.0×105cm2/V・sであり、10倍程度大きい。
図17は、従来技術のFETの製造方法を示す概略図である。
CNT分散液には有機溶媒または水性溶媒からなる分散溶媒、それ以外にも分散を促進させるための表面活性剤、断片化を促進させるための金属微粒子が含まれる。これらをステップS106で完全に除去するのは容易でなく、これらは、ステップS108で形成するチャネル層に含まれてしまう。こうしたチャネルに残留した不純物はトランジスタとして作用する際に、キャリアの輸送に大きな障害となり、チャネルの導電特性の悪化、さらにはトランジスタとして制御できる電流値が大幅に低下してしまうおそれがある。
断片化処理はCNTの側壁に不必要な欠陥を生じさせ、導電特性を悪化させる。また、ステップS103で規定された長さに対してマイクロオーダーの精度で長さを揃えるのは、技術的に容易でない。
ステップS104で説明したように、分散溶媒、表面活性剤、金属微粒子を完全にCNTと分離することは容易でない。さらに、半導体装置作成の工数・時間・コストを大幅に増やしてしまう。また除去されたCNT、分散溶媒、表面活性剤、金属微粒子の処理も、実際に製造するにあたっての課題となり得る。
このステップにおいても、CNTと分散溶媒及び界面活性剤を混合して分散液を作成することから、ステップS108におけるチャネル層の形成において、チャネルにこれら不純物が残留してしまうおそれがある。
スピンコート等の手法による基板上への塗布によって、基板上にチャネル層を形成するのだが、ステップS103で決定した濃度にするためには、分散液の濃度に応じてこのステップを複数回繰り返す必要がある。しかし、分散液中のCNTを均一に分散させるためにも、分散液中のCNT濃度は必然的に薄いものとなる上に、均一に塗布を行いチャネル形成するという製法を採っているために、一度に塗布できる分散液の量にも制限がかかる。従って、トランジスタの設計に応じてこのステップを数10〜数100回繰り返す必要があり、半導体装置作成の工数・時間・コストを大幅に増やしてしまうおそれがある。
(1)の発明によれば、この構成により、ソース電極3とドレイン電極4との間で輸送される電子(正孔)は、高密度に隣接しているCNT間を移動するので優れた導電性を有するチャネルを構成し、さらに、配向を変えることにより、電流値を制御する、ことができる。
(a)前記CNTの束群は、以下の式(1)を満たす
Lgate≦Lcnt (1)
前記の式(1)において、
Lgateは、前記ゲートの長さを示し、
Lcntは、前記CNTの束群を構成するCNTの平均長さを示す数字である。
(b)前記CNTの束群の密度が、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(c)前記CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して平行であること。
(2)の発明によれば、長尺なCNTが、ソース電極とドレイン電極との間を架橋しているため、チャネルの電気抵抗値が小さく、更には電極とチャネルがその界面において良好な接触状態を実現しているため、チャネル−電極間の電気抵抗が小さく、アンペアレベルの大電流を制御すること、ができる。
(d)前記CNTの束群は、以下の式(2)を満たす
Wgate≦Lcnt (2)
前記の式(2)において、
Wgateは、前記ゲートの幅を示し、
Lcntは、前記カーボンナノチューブの束群を構成するCNTの平均長さを示す数字である。
(e)前記CNTの束群の密度は、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(f)前記CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交すること。
(3)の発明によれば、ソース電極とドレイン電極との間を金属性CNTが連続して接続してしまうことをできるだけ回避し、リーク電流が流れることを抑制する、ことができる。
(4)の発明によれば、チャネルの表面に液体電解質が密着性よく含浸し、ゲート参照電極に電圧を印加した際に、液体電解質と個々のチャネルの表面に瞬時かつ一括にゲート絶縁層として機能する電気二重層が生じるため、低消費電力で0.1アンペアレベルの電流を制御する、ことができる。
(5)の発明によれば、ソース電極とドレイン電極とを連続して接続できる長さ以上のCNTを合成できるため、分散液を用いずに電界効果トランジスタのチャネルを製造する、ことができる。
(6)の発明によれば、この構成により、ソース電極3とドレイン電極4との間で輸送される電子(正孔)は、高密度に隣接しているCNT間を移動するので優れた導電性を有するチャネルを構成し、さらに、配向を変えることにより、電流値を制御する、ことができる。
(a)前記CNTの束群は、以下の式(1)を満たす
Lgate≦Lcnt (1)
前記の式(1)において、
Lgateは、前記ゲートの長さを示し、
Lcntは、前記CNTの束群を構成するCNTの平均長さを示す数字である。
(b)前記CNTの束群の密度は、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(c)前記CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して平行であること。
(7)の発明によれば、長尺なCNTが、ソース電極とドレイン電極との間を架橋しているため、チャネルの電気抵抗値が小さく、更には電極とチャネルがその界面において良好な接触状態を実現しているため、チャネル−電極間の電気抵抗が小さく、アンペアレベルの大電流を制御する、ことができる。
(d)前記CNTの束群は、以下の式(2)を満たす
Wgate≦Lcnt (2)
前記の式(2)において、
Wgateは、前記ゲートの幅を示し、
Lcntは、前記CNTの束群を構成するCNTの平均長さを示す数字である。
(e)前記CNTの束群の密度は、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(f)前記CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交すること。
(8)の発明によれば、ソース電極とドレイン電極との間を金属性CNTが連続して接続してしまうことをできるだけ回避し、リーク電流が流れることを抑制する、ことができる。
(9)の発明によれば、チャネルの表面に液体電解質が密着性よく含浸し、ゲート参照電極に電圧を印加した際に、液体電解質と個々のチャネルの表面に瞬時かつ一括にゲート絶縁層として機能する電気二重層が生じるため、低消費電力で0.1アンペアレベルの電流を制御する、ことができる。
(10)の発明によれば、ソース電極とドレイン電極とを連続して接続できる長さ以上のCNTを合成できるため、分散液を用いずに電界効果トランジスタのチャネルを製造する、ことができる。
本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタ1(以下、必要に応じ「FET1」と呼ぶ)について図面を適宜参照しつつ説明する。
図2は、本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタ1の構成の模式図である。
本発明の一実施形態に係るFET1は、基板2、ソース電極3、ドレイン電極4、導電性樹脂5、絶縁性樹脂6、チャネル7、ゲート8、ゲート参照電極9、及び配線10から構成される。
基板2上の一部の領域には、直方体の形状からなるソース電極3及びドレイン電極4がそれぞれ互いに対面するように配置されている。ソース電極3及びドレイン電極4は、各々、チタン及びそのチタンの周囲を金が被覆したもので構成されている。
導電性樹脂5は、導電性エポキシ樹脂又は銀ペーストで構成され、ソース電極3及びドレイン電極4の周囲を覆うように配置されている。
絶縁性樹脂6は、絶縁性エポキシ樹脂で構成され、導電性樹脂5の外周を覆うように配置されている。
このように、ソース電極3及びドレイン電極4間の距離よりも長く、従来のCNTを用いたFETデバイスのチャネル数の比にならないほど高密度化されたCNTをチャネル7に用いることで、本発明のFET1では、従来例のような分散処理(短い複数の短尺CNTを分散液により分散させてチャネル7を形成する処理)を行わずに、FETとしての役割を付与することができる。
そして、本発明のFET1では、チャネル7内に電子(正孔)輸送の障害となる分散液が残留することもなく、また、チャネル7がゲート8に効率よく含浸されてチャネル7及びゲート8間の接触面積が大きくなるので、ゲート参照電極9に電圧を印加した際に、ゲート8とチャネル7の表面に容易に電気二重層が生じるため、更にはソース電極3及びドレイン電極4とチャネル7がその界面において良好な接触状態を実現しているため、チャネル及びチャネル−電極間の電気抵抗が小さく、アンペアレベルの大電流を制御することができる。
ここで、図3(b)に示すように、ソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線の長さLgateを「ゲート長」と呼ぶ。また、基板2の平面に並行であって、ソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に直角な方向を「ゲート幅方向」と呼び、チャネル7のゲート幅方向の長さWgateを「ゲート幅」と呼ぶ。そして、チャネル7として用いられる複数のCNTの長さの平均(以下、「カーボンナノチューブの束群の平均長さ」と呼ぶ)、即ち、平均長さLcntを「チャネル長」と呼ぶ。さらに、基板2の平面に垂直な方向を「ゲート高さ方向」と呼び、チャネル7のゲート高さ方向の寸法を「ゲートの厚み」と呼ぶ。
なお、本実施形態においては、例えばゲート長Lgate及びゲート幅Wgateはいずれも1mmであり、ゲートの厚み(基板2の平面に垂直な方向の厚み)は300μmである。あるいは、ゲート長Lgateは、1インチ(2.54mm)程度であってもよい。なお、チャネル7の構成としては、チャネル7の表面にめっき処理を施して形成されたものであってもよい。
CNTの配向がソース電極3とドレイン電極4との間の電子(正孔)の輸送方向に平行になるほど、ソース電極3及びドレイン電極4間に輸送される電子(正孔)が同じ1本の(あるいはその近傍の)金属性CNT上を移動しやすくなり、隣り合うCNT間の移動が少なくなる分だけチャネル7の抵抗が下がるからである。したがって、高出力のFET1を得るためには、CNTの配向がソース電極3とドレイン電極4との間の電子(正孔)の輸送方向に平行であることが望ましい。
ソース電極3とドレイン電極4の間が1本の連続したCNTで接続されていた方が、従来例のように、短いCNT同士を複数繋いだ場合よりも、各CNT間の接触抵抗がない分だけ、チャネル7の抵抗が小さくなるからである。つまり、高出力のFET1を得るという観点からは、CNTの束群は、ソース電極3とドレイン電極4との間を連続して接続するCNTを含むよう構成されていることも大切である。
ゲート参照電極9は、銀の周囲を塩化銀で覆うように構成された銀−塩化銀電極であり、ゲート8の液体電解質の溶液内に浸漬されている。
なお、ゲート参照電極9に電圧が加えられると、CNTの外周を覆うように電気二重層によるゲート絶縁層13が形成されることになる。
図4は、従来技術と本発明に係る一実施形態のチャネルに用いるチャネル構造について説明する概念図である。
図4(a)は、従来技術(例えば、特許文献2及び特許文献3)に記載されたチャネルの概念図である。図4(b)は、本発明の一実施形態(第一実施形態)としてのチャネルの概念図である。図4(c)は、本発明の一実施形態(後述する第二実施形態)としてのチャネルの概念図である。
図4(a)に示されるチャネルは、半導体性CNT11と、金属性CNT12と、それら以外にも断片化処理及び分散処理に由来する分散溶媒14、界面活性剤15、金属微粒子16等の不純物を含む。さらに、断片化処理では、CNTの側壁に亀裂等が生じやすいため、図4(a)に示されるチャネルは、欠陥のあるCNT17を含む。これら不純物や欠陥のあるCNTは、導電特性の低下及びスイッチング特性の低下の原因となる。さらに、従来技術のチャネルは、分散液中にCNTを高分散させるためCNTの密度に制限があるうえに、CNTがランダムな方向に分散しているので、電極との接触面積が小さくなり、大電流を制御することができない。
(a)チャネルに用いられるCNTは、図3(b)に示す記号を用いた以下の式(1)を満たすものが望ましい。
Lgate≦Lcnt (1)
(b)チャネルに用いられるCNTの密度が、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(c)CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して平行であること。
要件(a)は、チャネルに用いられるCNTの平均長さLcntが、ゲート長Lgate以上であることを意味する。チャネルに用いられるCNTは巨視的には直線であるものの、チャネルを構成する個々のCNTには曲がりや捻りが存在するため、厳密には直線ではない。従って、必然的に本発明のCNTの平均長さLcntは、ゲート長Lgateよりも長くなる。よって、チャネル7部分の実効的なゲート長Lgateを確保するために、かかる要件を有することが望ましい。
次に、FET1の製造方法について図5〜図10を参照しつつ説明する。
図5は、本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタに用いるCNTを合成するプラズマCVD装置の概略図である。
本実施形態におけるチャネル7は、先端放電型ラジカルCVD法(以下、「プラズマCVD法」と呼ぶ)によって合成されるCNTから構成される。本実施形態におけるプラズマCVD法によるCNTの合成装置が、プラズマCVD装置30である。プラズマCVD装置30は、図5に示すように、チャンバー31と、基板加熱部32、基板33、基板ホルダ34、マイクロ波導波管35と、マイクロ波導波管35から伸びるアンテナ36と、から構成される。そして、チャンバー31は、内部に原料ガス37を導入するための入口である原料ガス導入部38と、外部に原料ガス37を排出するための原料ガス排出部39と、を備えている。
原料ガス37は、炭化水素ガスであり、メタンやアセチレン等が好適である。
まず、基板33上には鉄粒子等の触媒40が高密度に配置される。触媒40は、コバルトと鉄の合金、ニッケルと鉄の合金が用いられてもよい。次に、基板33から離れたアンテナ36の先端部41でプラズマを発生させ、プラズマがプラズマ発生領域42内の原料ガス37を分解することにより、基板33の上にCNTが合成される。
本プラズマCVD装置は、マイクロ波の定在波の腹がちょうどアンテナ36の先端部41に位置するよう設計されているため、60Wという低電力で放電可能である。また、基板33とアンテナ36の先端部41との距離dは、上下に可動な基板ホルダ34によって自由に調整することができるので、プラズマを触媒40から離れた場所で発生させることができる。このため、触媒40がプラズマによって損傷を受けにくく、触媒40の活性時間が伸びることになるので、数mmという長尺かつ垂直に配向し、かつ単位面積当たりの本数が1.0×109〜1.0×1012本/cm2という高密度のCNTを合成することができる。
図6は、本発明に係る一実施形態としてプラズマCVD法を用いて合成したCNTのSEM(Scanning Electron Microscopy)像を示す図である。なお、図6の右上の写真はこのSEM像の部分拡大図である。
基板に垂直な方向に成長した自立するCNT(フォレストと呼ばれる)が合成されているのがわかる。従来の方法では、CNTの長さはせいぜい数μmであったのに対し、プラズマCVD法によれば、図6に示すように、1mm程度の厚さに成長していることがわかる。そして、図6の右上のCNTの部分拡大図から、個々のCNTは、基板に垂直な方向に配向して伸びている。
図8は、本発明の第一実施形態に係る電界効果トランジスタ1の製造方法の製造手順を示すフローチャートである。
図9は、本発明の一実施形態に係るFET1に用いるチャネル層の製造手順を示すフローチャートである。図10は、本発明の一実施形態に係るFET1の製造方法の概略図を示している。図10の(a)〜(d)はFET1を上方向から俯瞰した図であり、図10の(a’)〜(e’)はFET1の側面方向から見た図である。図10(a)〜(d)は、それぞれ図10(a’)〜(e’)に対応している。さらに、図8のステップS12は、図10(a)及び(a’)に、図8のステップS13は、図10(b)及び(b’)に、図8のステップS14は、図10(c)及び(c’)に、図8のステップS15及びS16は、図10(d)及び(d’)に、図8のステップS17は、図10(e’)に対応している。
図9に示した本発明の第一実施形態に係るFET1のチャネル層の製造方法は、図17に示した特許文献2の製造方法に比べて、CNTのチャネルに不純物を混入してしまうことがない、またはCNT側壁に欠陥を生じてしまうステップS104〜S107を必要としない。さらには、CNTからなるチャネルを基板上に成長させた垂直配向のCNTの束群をトランジスタ基板に移し替えればよいので、トランジスタ製造における工数・時間・コストを大幅に削減し、非常に簡便にトランジスタを製造する方法を提供することが可能となる。
本発明の第一実施形態に係るFET1の作成は、次のような手順により実行される。
次に、上述のように、プラズマCVD法により合成したCNTを用いて作成したFET1の動作について説明する。
ゲート参照電極9に、電圧がゼロの状態から電圧を印加すると、チャネル7の個々のCNTとゲート8の液体電解質との界面に電気二重層によるゲート絶縁層13が形成される。ゲート8は、液体電解質であるため、CNTとの密着性がよく、容易かつ均一に電界をチャネル7に作用させることができるため、高速にゲート絶縁層13を形成することができる。
そして、当該ゲート絶縁層13を介してCNTチャネル7に電界が作用するので、このときにソース電極3とドレイン電極4との間に電圧を印加しておくと、ソース電極3とドレイン電極4との間に電流が流れる。
ゲート参照電極9とソース電極3の間の電圧(以下、「ゲート参照電極−ソース電極間電圧」と呼ぶ)VGSを0V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vに設定し、ドレイン電極4とソース電極3の間の電圧(以下、「ドレイン−ソース電極間電圧」と呼ぶ)VDSを印加した際のドレイン電極4−ソース電極3間に流れる電流(以下、「ドレイン−ソース電極間電流」と呼ぶ)IDSが図11に示されている。
ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0Vの場合とゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.5Vの場合とで、ドレイン−ソース電極間電流IDSに大差がない。これは、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.0V〜0.5Vの範囲では、チャネル7に十分に電気二重層が形成されていないためと考えられる。
その後、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが1.0V以上になると、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが大きくなるほどドレイン−ソース電極間電流IDSがよく流れることを図11は示している。つまり、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.5V以上では、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの順に大きくなるほど、ソース電極3とドレイン電極4の間の抵抗(VDS/IDS)は、3.1Ω、1.8Ω、1.2Ω、1.0Ωの順に小さくなり、本発明のFET1がトランジスタとして機能していることが分かる。
なお、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの場合のFET1のオン抵抗値を、測定に用いたFET1の実際のゲート幅Wgate、厚み及びゲート長Lgateを考慮して体積抵抗率に換算すると、1.2×10−3Ω・cm、7.0×10−4Ω・cm、4.7×10−4Ω・cm、4.0×10−4Ω・cmとなる。
以上のように、本発明のFET1では、ドレイン−ソース電極間電圧VDS=2.0V、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=2.0Vにおいて、ドレイン−ソース電極間電流IDS=2.0A/mmの電流、すなわちアンペアレベルの大電流を制御することができる。
(1)単位面積当たりのCNTの本数が1.0×109〜1.0×1012本/cm2という高密度であるので、FET1全体、ソース及びゲート単位面積あたりにおけるチャネル数が飛躍的に増大し、電流値及び電流密度の大幅な向上が可能となる。
(2)個々のCNTが数mmという長尺であるために、連続するCNTによってドレイン−ソース電極間を接続することが可能となる。このため、短いCNT同士を複数繋いだ場合よりも、その接触抵抗が無い分だけ、チャネル抵抗の大幅な軽減が可能となる。
(3)チャネル7は複数のCNTが束ねられた複数本の束(バンドル)構造を形成しており、個々の束において、電子(正孔)輸送経路の最適化が見込まれる。
(4)チャネル7に分散処理を行わず、かつ、ゲート8に液体電解質を用いることで、ゲート8がチャネル7の厚み方向へ効率よく含浸し、CNTとゲート8の接触面積を大きくすることができる。このため、チャネル7を構成する各CNTの表面に電気二重層が形成され、ドレイン−ソース電極間にアンペアレベルの大電流を制御することができ、かつこれを制御可能なFETを提供することができる。
CNTの束構造の周囲に、電気二重層によるゲートが形成されることで以下の効果が表れる。
1.送距離ショートカット経路
本発明のCNTは、その単位面積当たりのCNTの本数が1.0×109〜1.0×1012本/cm2という高密度を有している。このような高密度なCNTの束構造内には、半導体性CNT同士が接触する接点が多く存在する。電子(正孔)は、接点による分岐の度に、ソース電極からドレイン電極までの輸送距離が最も短くなる経路を選択することになるので、結果としてショートカット経路が形成される。
2.高伝導チャネルシフト経路
上記のような高密度なCNTの束構造内には、半導体性CNTと金属性CNTが接触する接点も多く存在することになる。チャネル7に形成された電気二重層によって半導体性CNTから輸送される電子(正孔)が、ある接点による分岐において、より伝導度の高い金属性チャネルにシフトする経路が形成される。
3.欠陥チャネル迂回経路
上記のような高密度なCNTの束構造を採用することで、本来ならば電子(正孔)の輸送が行えない、破断点等を持つ欠陥CNTが存在する場合であっても、CNT同士の接触する接点による分岐において、欠陥が無いCNTに迂回する経路が形成される。
以上より、プラズマCVD法によって合成したCNTをチャネル7に用いることで、ドレイン−ソース電極間にアンペアレベルの大電流を制御することができ、これを制御可能なFETの作成が可能となる。
たとえば、本発明の電界効果トランジスタ1のチャネル7は、ゲートとドレイン電極との間の電圧がゼロの場合、体積抵抗率が1.3×10−3Ω・cm以下である。また、本発明のチャネル7を構成するCNTの束群は、ソース電極とドレイン電極との間の最短距離をなす直線に対して平行に配向し、かつ、前記カーボンナノチューブの束群の平均長さ(Lcnt)がゲート長(Lgate)以上である。
そして、かかる構成を有しているため、電界効果トランジスタ1がオンした場合であっても、体積抵抗率が小さく、アンペアレベルの大電流を制御することができる。また、ゲートが液体電解質であるため、低い電圧であっても液体電解質とチャネル7の表面に容易に電気二重層が生じ、低消費電力でアンペアレベルの大電流を制御することができる。さらに、ゲートが液体電解質であるため、CNTからなるチャネル7の表面と、液体電解質との間の密着性がよく、高い電子(正孔)移動度がもたらされ、応答性の高いトランジスタを実現することができる。
以下、本発明の第二実施形態に係る電界効果トランジスタ2(以下、必要に応じ「FET2」と呼ぶ)について図面を適宜参照しつつ説明する。
本発明の第二実施形態に係るFET2は、第一実施形態に係るFET1と同じ要素、即ち、基板2、ソース電極3、ドレイン電極4、導電性樹脂5、絶縁性樹脂6、チャネル7、ゲート8、ゲート参照電極9、及び配線10から構成される。第一実施形態と同一符号は同一の構成であるものとし、説明は省略する。
図13は、第二実施形態に係る電界効果トランジスタ2の構成の模式図である。第二実施形態に係るFET2は、そのチャネル27に用いられるCNTの束群が、第一実施形態に係るFET1のチャネル7に用いられるCNTの束群の配向と異なる点で相違する。
ここで、第二実施形態に係るFET2のチャネルの配向について説明する。
図14(a)に示すように、第二実施形態に係るFET2のチャネル27に用いるCNTの束群は、CNTの延伸方向がソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に直交するような配向を有するCNTから形成されている。
ソース電極3とドレイン電極4との間を結ぶ直線の方向は、ほぼ電子(正孔)の輸送方向であるともいえるから、図14(a)のCNTは、電子(正孔)の輸送方向に直交するような配向をもって配置されているといえる。
また、第二実施形態に係るFET2のチャネル27に用いられるCNTの束群は、第一実施形態と同様に、プラズマCVD法により合成される長尺かつ高密度のCNTの束群である。このため、従来の分散液を用いたチャネル(前述した図4(a))よりも導電性が高い。しかも、図4(c)に示す第二実施形態に係るCNTは、図4(b)の第一実施形態に比して、金属性CNTにより形成される導電経路を少なくできるため、リーク電流を抑制することができる。
(a)チャネル27に用いられるCNTは、以下の式(1)を満たすものが望ましい。
Wgate≦Lcnt ・・・(1)
上記のCNTの束群を構成するCNTの平均長さLcnt、ゲート幅Wgateは、図14(b)に概念図としたとおりである。
(b)チャネル27に用いられるCNTの束群の本数密度が、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(c)CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直行すること。
要件(a)は、チャネル27に用いられるCNTの束群を構成するCNTの平均長さLcntが、ゲート幅Wgateよりも長い長尺CNTであることを意味する。チャネルを構成する個々のCNTには曲がりや捻りが存在するため、厳密には直線では無い。従って、必然的に本発明のCNTの束群を構成するCNTの平均長さLcntがゲート幅Wgateよりも長くなる。よって、チャネル27部分の実効的なチャネル幅(ゲート幅)を確保するために、かかる要件を有することが望ましい。
CNTの束群の配向を、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交させることにより、ソース電極3とドレイン電極4との間を金属性CNTが連続して接続してしまうことをできるだけ回避し、リーク電流が流れることを抑制するように構成することができる。
次に、第二実施形態に係るFET2の製造方法は、第一実施形態に係るFET1の製造方法と同様であるが、配置されるチャネル27に用いるCNTの配向が異なる点で相違する。即ち、第二実施形態に係るFET2のチャネル27は、CNTの延伸方向がソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に直交するような配向を有するCNTの束群から形成される。
次に、第二実施形態に係るFET2の動作について図15及び図16を参照しつつ説明する。
図15は、本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタのCNTの束構造による電子(正孔)輸送経路の形成を示す概念図である。
本発明に係る一実施形態としてのトランジスタにおいては、電子(正孔)は、隣接するCNTに移りながら、CNT側壁上を移動して、ソース電極3とドレイン電極4の間を移動する。チャネル27は、ゲート幅方向に配向しているので、ゲート長方向に配向している場合に比べ、ソース電極3とドレイン電極4との間の金属性CNT12のみによる経路が少ない。よって、ゲート参照電極9とソース電極3との間に電圧を印加していない場合、図15(a)に示すように、電気二重層は形成されず、リーク電流は抑制される。
ゲート8とソース電極3の間の電圧(以下、「ゲート参照電極−ソース電極間電圧」と呼ぶ)VGSを0.0V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vに設定し、ドレイン電極4とソース電極3の間の電圧(以下、「ドレイン−ソース電極間電圧」と呼ぶ)VDSを印加した際のドレイン電極4とソース電極3との間に流れる電流(以下、「ドレイン−ソース電極間電流」と呼ぶ)IDSが図16に示されている。
ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.0Vの場合とゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.5Vの場合とで、ドレイン−ソース電極間電流IDSに大差がない。これは、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.0V〜0.5Vの範囲では、チャネル27に十分に電気二重層が形成されていないためと考えられる。
その後、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが1.0V以上になると、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが大きくなるほどドレイン−ソース電極間電流IDSがよく流れることが図16からわかる。つまり、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.5V以上では、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの順に大きくなるほど、ソース電極3とドレイン電極4の間の抵抗(VDS/IDS)は、2.0×102Ω、1.0×102Ω、55.5Ω、21.1Ωの順に小さくなり、第二実施形態のFET2がトランジスタとして機能していることがわかる。
なお、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの場合のFET2のオン抵抗値を、測定に用いたFET2の実際のゲート幅Wgate、厚み、ゲート長Lgateを考慮して体積抵抗率に換算すると、7.8×10−2、4.0×10−2Ω・cm、2.2×10−2Ω・cm、8.0×10−3Ω・cmとなる。
以上のように、第二実施形態のFET2では、ドレイン−ソース電極間電圧VDS=2.0V、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=2.0Vにおいて、ドレイン−ソース電極間電流IDS=95mA/mmの電流、即ち0.1アンペアレベルの電流を制御することができる。
なお、第二実施形態では、ゲート参照電極9に電圧を印加していない場合、ソース電極3とドレイン電極4との間に電圧を印加しても、チャネル27に電流(いわゆるリーク電流)がほとんど流れない(ドレイン−ソース電極間電圧VDS=2.0V、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=2.0Vにおいて、ドレイン−ソース電極間電流IDS=10mA以下程度のリーク電流)。これは、本発明のFET1において、チャネル27のCNTがゲート幅方向の配向をもって配置されているためである。
以上のように、第二実施形態のFET2は、リーク電流を抑制しつつ、0.1アンペアレベルの電流を制御することができる。
本発明の第三実施形態に係る電界効果トランジスタについて説明する。
本発明の第三実施形態は、第一実施形態に係るFET1及び第二実施形態に係るFET2とは、チャネルとなるCNTの配向が更に異なっている。
すなわち、図示しないが、第三実施形態の電界効果トランジスタのチャネルは、そのCNTの束群の配向が、ソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に対して平行(第一実施形態)でも、直交(第二実施形態)でもなく、これらの中間の配向を有している。
このため、CNTの束群の中間の配向として、これを上記平行方向に近づければ、電界効果トランジスタでアンペアレベルの電流を制御することができるようになる一方で、その配向を上記直交方向に近づければ、0.1アンペアレベルの電流制御と低リーク電流を達成することができるようになる。
したがって、電界効果トランジスタに要求される仕様に応じて、チャネルとなるCNTの配向を適宜に選択すればよい。
なお、この場合の電界効果トランジスタの製法については、図9のステップS12において、CNTの束群の切り取りの形状や基板2上への固定の向きに関し、上記所望の配向が達成できるように適宜に調整を行えばよい。
以上により、第三実施形態に係る電界効果トランジスタにおいては、チャネルのCNTの配向を変えるだけで、電流値に特化した構成や、スイッチング作用に特化した構成を非常に簡便に提供することができる。
2・・・基板
3・・・ソース電極
4・・・ドレイン電極
5・・・導電性樹脂
6・・・絶縁性樹脂
7・・・チャネル
8・・・ゲート
9・・・ゲート参照電極
10・・・配線
11・・・半導体性CNT
12・・・金属性CNT
13・・・ゲート絶縁層
14・・・分散溶媒
15・・・界面活性剤
16・・・金属微粒子
17・・・欠陥のあるCNT
18・・・電子(正孔)の移動方向
19・・・電気二重層
20・・・壁
30・・・プラズマCVD装置
31・・・チャンバー
32・・・基板加熱部
33・・・基板
34・・・基板ホルダ
35・・・マイクロ波導波管
36・・・アンテナ
37・・・原料ガス
38・・・原料ガス導入部
39・・・原料ガス排出部
40・・・触媒
41・・・先端部
42・・・プラズマ発生領域
Claims (10)
- ソース電極と、ドレイン電極と、ゲートと、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたチャネルと、を具備する半導体装置の製造方法であって、
密度が1.0×109本/cm2以上であるカーボンナノチューブの束群が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の最短距離をなす直線に対して所定の方向に配向するように、前記チャネルとして基板上に配置される工程と、
前記基板上に、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、前記ゲートと、が形成される工程と、
からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記カーボンナノチューブの束群は、下記の要件(a)乃至(c)を満たすよう、製造される、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
(a)前記カーボンナノチューブの束群は、以下の式(1)を満たす
Lgate≦Lcnt (1)
前記の式(1)において、
Lgateは、前記ゲートの長さを示し、
Lcntは、前記カーボンナノチューブの束群を構成するカーボンナノチューブの平均長さを示す数字である。
(b)前記カーボンナノチューブの束群の密度は、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(c)前記カーボンナノチューブの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して平行であること。 - 前記カーボンナノチューブの束群は、下記の要件(d)乃至(f)を満たすよう製造される、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
(d)前記カーボンナノチューブの束群は、以下の式(2)を満たす
Wgate≦Lcnt (2)
前記の式(2)において、
Wgateは、前記ゲートの幅を示し、
Lcntは、前記カーボンナノチューブの束群を構成するカーボンナノチューブ平均長さを示す数字である。
(e)前記カーボンナノチューブの束群の密度は、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(f)前記カーボンナノチューブの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交すること。 - 前記ゲートは、液体電解質からなるように製造される、ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブの束群を用意する工程において、先端放電型ラジカルCVD法によってカーボンナノチューブの束群を準備する工程を含む、ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- ソース電極と、ドレイン電極と、ゲートと、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたチャネルと、を具備する半導体装置であって、
密度が1.0×109本/cm2以上であるカーボンナノチューブの束群が前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の最短距離をなす直線に対して所定の方向に配向するように、前記チャネルとして基板上に配置され、
前記基板上に、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、前記ゲートと、が形成された、
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記カーボンナノチューブの束群は、下記の要件(a)乃至(c)を満たす、ことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
(a)前記カーボンナノチューブの束群は、以下の式(1)を満たす
Lgate≦Lcnt (1)
前記の式(1)において、
Lgateは、前記ゲートの長さを示し、
Lcntは、前記カーボンナノチューブの束群を構成するカーボンナノチューブの平均長さを示す数字である。
(b)前記カーボンナノチューブの束群の密度は、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(c)前記カーボンナノチューブの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して平行であること。 - 前記カーボンナノチューブの束群は、下記の要件(d)乃至(f)を満たす、ことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
(d)前記カーボンナノチューブの束群は、以下の式(2)を満たす
Wgate≦Lcnt (2)
前記の式(2)において、
Wgateは、前記ゲートの幅を示し、
Lcntは、前記カーボンナノチューブの束群を構成するカーボンナノチューブの平均長さを示す数字である。
(e)前記カーボンナノチューブの束群の密度は、1.0×109〜1.0×1012本/cm2であること。
(f)前記カーボンナノチューブの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交すること。 - 前記ゲートは、液体電解質からなる、ことを特徴とする請求項6から請求項8のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記カーボンナノチューブの束群は、先端放電型ラジカルCVD法によって合成させた、ことを特徴とする請求項6から請求項9のいずれか1項に記載の半導体装置。
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