JP2018198312A - 半導体素子及び半導体部品 - Google Patents

Abstract

【課題】ファンデルワールスヘテロ接合構造を含む半導体素子を提供する。
【解決手段】半導体素子は、半導体構造、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６を含む。半導体構造は、積層して設置されるＰ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂを含み、第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含む。カーボンナノチューブ１０２は、半導体構造の第一表面に設置される。導電フィルム１０６が堆積する方法によって、半導体構造の第二表面に形成され、該半導体構造をカーボンナノチューブ１０２と導電フィルム１０６との間に設置させ、カーボンナノチューブ１０２、半導体構造及び導電フィルム１０６が積層して、多層の立体構造が形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子及び半導体部品に関する。

最近、ファンデルワールスヘテロ接合構造が新しい研究領域となっている。ファンデルワールスヘテロ接合構造が、異なる性質（電気学及び熱学など）を持つ二次元材料を積み上げることを通じて、組み合わせて、形成される新しい材料の性質を人工的に調節できる。層と層との間の弱いファンデルワールス力により、隣接する層に結晶格子が必ずしもマッチングしなければならない制限を受けない。しかも、成分の移行は無いので、形成されるヘテロ接合構造が原子スケールの急であるキャリアー（ポテンシャル場）勾配を有して、遷移金属の硫化物を代表とする非グラフェンの二次元の層状材料が通常に２種類のエネルギー帯関係を形成できるので、それらを基礎として形成されるヘテロ接合構造が非常に強いキャリアーの分離能力を有する。また、ヘテロ接合構造が極めて薄い厚さ及び特別な二次元の構造を有するので、ゲート電極の応答能力を有して、伝統的なマイクロエレクトロニクス加工工程及び柔らかい基板と互換性を有する。

これによって、ファンデルワールスヘテロ接合構造を含む新型の半導体素子及び半導体部品を提供する必要がある。

半導体素子は、半導体構造、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含む。前記半導体構造が積層して設置されるＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含み、前記半導体構造が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含む。前記カーボンナノチューブが前記半導体構造の第一表面に設置される。前記導電フィルムが堆積する方法によって、前記半導体構造の第二表面に形成され、該半導体構造を前記カーボンナノチューブと前記導電フィルムとの間に設置させ、前記カーボンナノチューブ、前記半導体構造及び前記導電フィルムが積層して、多層の立体構造が形成される。

前記カーボンナノチューブが金属性のカーボンナノチューブである。

前記多層の立体構造の横方向断面の面積が１ｎｍ^２〜１００ｎｍ^２である。

前記半導体構造の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルである。

半導体部品は、第一電極、第二電極、第三電極及び半導体素子を含む。前記半導体素子が前記第一電極及び前記第二電極と電気的に接続され、前記第三電極が絶縁層を通じて、前記半導体素子、前記第一電極及び前記第二電極と絶縁して設置される。前記半導体素子は、上記の半導体素子である。前記第一電極が前記カーボンナノチューブと電気的に接続され、前記第二電極が前記導電フィルムと電気的に接続される。

従来技術と比べて、本発明は、新型の半導体素子及び半導体部品を提供する。半導体素子及び半導体部品が未来のナノ電子工学及びナノ光電子工学の領域に巨大な応用潜在力を有する。

本発明の第一実施例の半導体素子の構造を示す図である。 本発明の第一実施例の半導体素子の側面を示す図である。 本発明の他の実施例の半導体素子の側面を示す図である。 本発明の第二実施例の半導体部品の構造を示す図である。 本発明の第二実施例の半導体部品が応用される時の特性グラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１及び図２を参照すると、本発明の第一実施例は、半導体素子１００を提供する。半導体素子１００は、カーボンナノチューブ１０２、半導体構造１０４及び導電フィルム１０６を含む。カーボンナノチューブ１０２が半導体構造１０４の表面に設置される。半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルである。導電フィルム１０６が半導体構造１０４の表面に設置され、半導体構造１０４をカーボンナノチューブ１０２と導電フィルム１０６との間に設置させる。半導体構造１０４がＰ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂを含む。Ｐ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂが積層して設置される。半導体構造１０４が第一表面及び第二表面を含み、第一表面及び第二表面が対向して設置される。

カーボンナノチューブ１０２は、金属性のカーボンナノチューブである。カーボンナノチューブ１０２の直径が制限されず、０．５ナノメートル〜１５０ナノメートルであり、ある実施例において、カーボンナノチューブ１０２の直径が１ナノメートル〜１０ナノメートルである。好ましくは、カーボンナノチューブ１０２が単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートル〜５ナノメートルである。本実施例において、カーボンナノチューブ１０２が金属性の単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートルである。カーボンナノチューブ１０２が半導体構造１０４の第一表面に設置され、第一表面と直接的に接触される。半導体構造１０４が一つのカーボンナノチューブ１０２のみを含み、一つのカーボンナノチューブ１０２が半導体構造１０４の第一表面に設置される。

半導体構造１０４は、二次元構造の半導体層である。即ち、半導体構造１０４の厚さが小さくて、半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜２００ナノメートルである。好ましくは、半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルである。半導体構造１０４がＰ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂを含み、Ｐ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂが積層して設置される。半導体構造１０４が第一表面及び第二表面を含み、第一表面及び第二表面が対向して設置される。図２を参照すると、第一表面がＰ型半導体層１０４ａの表面であり、第二表面がＮ型半導体層１０４ｂの表面である。カーボンナノチューブ１０２がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置され、導電フィルム１０６がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置される。

図３を参照すると、他の実施例において、第一表面がＮ型半導体層１０４ｂの表面であり、第二表面がＰ型半導体層１０４ａの表面である。カーボンナノチューブ１０２がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置され、導電フィルム１０６がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置される。Ｐ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂの材料が制限されず、無機化合物半導体、元素半導体、有機半導体又はこれらの材料がドープされた材料である。本実施例において、Ｐ型半導体層１０４ａの材料がセレン化タングステン（ＷＳｅ_２）であり、その厚さが６ナノメートルであり、Ｎ型半導体層１０４ｂの材料が硫化モリブデン（Ｍ_ＯＳ_２）であり、その厚さが２．６ナノメートルである。カーボンナノチューブ１０２がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置され、導電フィルム１０６がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置される。

導電フィルム１０６の材料は、導電材料である。具体的には、導電フィルム１０６の材料が金属、導電性ポリマー又はＩＴＯである。導電フィルム１０６が半導体構造１０４の第二表面に直接的に堆積される。導電フィルム１０６が半導体構造１０４の第二表面に堆積される具体的な方法は、制限されず、イオンスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法又は他のフィルムをコーティングする方法であってもよい。導電フィルム１０６の厚さが制限されず、５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。ある実施例では、導電フィルム１０６の厚さが５ナノメートル〜１００ナノメートルである。ある実施例では、導電フィルム１０６の厚さが５ナノメートル〜２０ナノメートルである。導電フィルム１０６の形状が制限されず、長手形状、線形、方形などの形状である。本実施例において、導電フィルム１０６は、材料が金属であり、形状が長手形状である。

カーボンナノチューブ１０２、半導体構造１０４及び導電フィルム１０６が積層して、多層の立体構造１１０を形成する。カーボンナノチューブ１０２のサイズが半導体構造１０４及び導電フィルム１０６のサイズより小さいので、多層の立体構造１１０の断面の面積がカーボンナノチューブ１０２の直径及び長さによって決まる。カーボンナノチューブ１０２がナノ材料であるので、多層の立体構造１１０の断面の面積もナノスケールである。多層の立体構造１１０は、横方向断面及び縦方向断面を定義して、横方向断面が半導体構造１０４の表面に平行する断面であり、縦方向断面が半導体構造１０４の表面に垂直する断面である。横方向断面の面積がカーボンナノチューブ１０２の直径及び長さによって決まる。縦方向断面の面積がカーボンナノチューブ１０２の長さ及び多層の立体構造１１０の厚さによって決まる。好ましくは、多層の立体構造１１０の横方向断面の面積は、０．２５ｎｍ^２〜１０００ｎｍ^２である。更に好ましくは、多層の立体構造１１０の横方向断面の面積は、１ｎｍ^２〜１００ｎｍ^２である。

カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６と半導体構造１０４は、多層の立体構造１１０にファンデルワールスヘテロ接合構造を形成する。応用する時には、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６が半導体構造１０４の対向する二つの表面に設置される電極であると見られ、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６にバイアス電圧を印加して、半導体素子１００がオン状態になる。この時に、電流が多層の立体構造１１０の横方向断面を流れて、半導体素子１００の有効部分が多層の立体構造１１０である。半導体素子１００の全体のサイズが多層の立体構造１１０の体積より大きればよい。従って、半導体素子１００が小さいサイズを有することができ、多層の立体構造１１０を含めばよい。半導体素子１００はナノスケールの半導体素子となる。半導体素子は、低いエネルギー消費、ナノスケールのサイズ及びより高い集積度を持つ。

本発明の半導体素子はカーボンナノチューブに基づく非対称のファンデルワールスヘテロ接合構造（ＣＣＶＨ）である。半導体構造は、二次元の構造であり、非対称にカーボンナノチューブ１０２と導電フィルム１０６との間に挟まれる。半導体構造がＰ−Ｎ接合を含み、カーボンナノチューブ及び導電フィルムがそれぞれＰ−Ｎ接合の二つの電極とする。カーボンナノチューブ及び導電フィルムに電圧を印加することによって、半導体素子が一方向オン状態になる。本実施例において、カーボンナノチューブが半導体構造の第一表面と接触し、導電フィルムが半導体構造の第二表面と接触し、カーボンナノチューブ及び導電フィルムが二次元の半導体層との非対称接触は、ファンデルワールスヘテロ接合構造により優れる輸送性能を持たせる。半導体素子がトランジスタに用いられる時に、ゲート電極の電圧を制御することによって、ファンデルワールスヘテロ接合構造が対向して設置されるソース電極とドレイン電極のバイアス箇所に非対称の出力特性を表現する。輸送性能の多様性は、主に半導体素子１００がカーボンナノチューブ１０２で背面電極とするからである。カーボンナノチューブが特別な幾何学的形状及びエネルギーバンド構造を有するので、カーボンナノチューブのフェルミエネルギーがゲート電極に変調されやすい。従って、半導体素子が独特の性能を表現する。本発明の半導体素子は、未来のナノ電子工学及びナノ光電子工学の領域に巨大な潜在力を有する。

図４を参照すると、本発明の第二実施例は、半導体部品２００を提供する。半導体部品２００は、第一電極２０２、第二電極２０４、半導体素子１００及び第三電極２０８を含む。半導体素子１００が第一電極２０２及び第二電極２０４と電気的に接続される。第三電極２０８が絶縁層２１０を通じて、半導体素子１００、第一電極２０２及び第二電極２０４と絶縁して設置される。半導体素子１００の具体的な構造が第一実施例の半導体素子１００の構造と同じであり、ここで詳しく説明しない。

半導体部品２００において、第三電極２０８が絶縁層２１０と積層して設置され、半導体素子１００が絶縁層２１０の表面に設置され、絶縁層２１０を第三電極２０８と半導体素子１００との間に位置させる。半導体素子１００において、カーボンナノチューブ１０２が絶縁層２１０の表面に直接的に設置され、半導体構造１０４がカーボンナノチューブ１０２の上方に設置され、カーボンナノチューブ１０２を半導体構造１０４と絶縁層２１０との間に位置させ、導電フィルム１０６が半導体構造１０４の上方に位置する。本実施例において、カーボンナノチューブ１０２は、絶縁層２１０の表面に直接的に設置され、第三電極２０８に接近して、第三電極２０８が半導体素子１００を制御することができる。また、導電フィルム１０６が第三電極２０８から離れるので、導電フィルム１０６は半導体構造１０４及び第三電極２０８に遮蔽効果を生成することができず、半導体部品２００が作動できないことを防止するようになる。

第一電極２０２及び第二電極２０４が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。第一電極２０２及び第二電極２０４も導電フィルムであってもよく、導電フィルムの厚さが２マイクロメートル〜１００マイクロメートルである。本実施例において、第一電極２０２及び第二電極２０４が金及びチタンからなる金属複合構造であり、具体的には、金属複合構造が金層及びチタン層からなり、金層がチタン層の表面に設置される。チタン層の厚さが５ナノメートルであり、金層の厚さが５０ナノメートルである。本実施例において、第一電極２０２は、カーボンナノチューブ１０２と電気的に接続され、カーボンナノチューブ１０２の一端に設置され、カーボンナノチューブ１０２の表面と緊密に接触する。チタン層がカーボンナノチューブ１０２の表面に設置され、金層がチタン層の表面に設置される。第二電極２０４は、導電フィルム１０６と電気的に接続され、導電フィルム１０６の一端に設置され、導電フィルム１０６の表面と緊密に接触する。チタン層が導電フィルム１０６の表面に設置され、金層がチタン層の表面に設置される。

絶縁層２１０の材料が絶縁材料であり、その厚さが１ナノメートル〜１００マイクロメートルである。絶縁層２１０がカーボンナノチューブ１０２と第三電極２０８とを、間隔を置いて、絶縁的に設置させる。本実施例において、絶縁層の材料が酸化シリコンである。

第三電極２０８が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。本実施例において、第三電極２０８が層状の構造であり、絶縁層２１０が第三電極２０８の表面に設置され、第一電極２０２、第二電極２０４及び半導体素子１００が絶縁層２１０に設置され、第三電極２０８及び絶縁層２１０に支持される。

本実施例の半導体部品２００は、カーボンナノチューブ１０２が背面電極として、絶縁層２１０に直接的に設置され、ゲート電極としての第三電極２０８と絶縁層２１０のみが隔てられ、カーボンナノチューブ１０２が特別な性能を有するので、ゲート電極によって、半導体素子１００のオン状態を調節でき、半導体素子１００に非対称の出力特性を表現させる。本実施例において、カーボンナノチューブ１０２がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置され、導電フィルム１０６がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置され、Ｐ型半導体層１０４ａは、厚さが６ナノメートルであるＷＳｅ_２であり、Ｎ型半導体層１０４ｂは、厚さが２.６ナノメートルであるＭｏＳ_２であり、第一電極がアースされる。図５を参照すると、第二電極２０４の電圧が−１ボルトから１ボルトに変化し、第三電極２０８の電圧が−１２ボルトである時に、半導体素子１００がＰ−Ｎ接合の特性を表現して、第三電極２０８の電圧が１０ボルトである時に、半導体素子１００がＮ−Ｎ接合の特性を表現する。

１００ 半導体素子
１０２ カーボンナノチューブ
１０４ 半導体構造
１０４ａ Ｐ型半導体層
１０４ｂ Ｎ型半導体層
１０６ 導電フィルム
１１０ 多層の立体構造
２００ 半導体部品
２０２ 第一電極
２０４ 第二電極
２０８ 第三電極
２１０ 絶縁層

Claims (5)

1. 半導体構造、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含む半導体素子において、
   前記半導体構造が積層して設置されるＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含み、前記半導体構造が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含み、
   前記カーボンナノチューブが前記半導体構造の第一表面に設置され、
   前記導電フィルムが堆積する方法によって、前記半導体構造の第二表面に形成され、該半導体構造を前記カーボンナノチューブと前記導電フィルムとの間に設置させ、前記カーボンナノチューブ、前記半導体構造及び前記導電フィルムが積層して、多層の立体構造が形成されることを特徴とする半導体素子。
2. 前記カーボンナノチューブが金属性のカーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記多層の立体構造の前記半導体構造の表面に平行する断面の面積が１ｎｍ^２〜１００ｎｍ^２であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
4. 前記半導体構造の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
5. 第一電極、第二電極、第三電極及び半導体素子を含み、前記半導体素子が前記第一電極及び前記第二電極と電気的に接続され、前記第三電極が絶縁層を通じて、前記半導体素子、前記第一電極及び前記第二電極と絶縁して設置される半導体部品において、
   前記半導体素子は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半導体素子であり、
   前記第一電極が前記カーボンナノチューブと電気的に接続され、前記第二電極が前記導電フィルムと電気的に接続されることを特徴とする半導体部品。