JP3781732B2 - Carbon nanotube manufacturing method, semiconductor device manufacturing method using carbon nanotube, and carbon nanotube manufacturing apparatus - Google Patents

Carbon nanotube manufacturing method, semiconductor device manufacturing method using carbon nanotube, and carbon nanotube manufacturing apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブの製造方法に関し、特に所望の電子的特性を有するカーボンナノチューブの製造方法、カーボンナノチューブを用いた半導体装置の製造方法、及びカーボンナノチューブの製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、一枚のグラファイトシートを丸めた円筒状の物質であり、直径が1nm程度から数十nmの極めて微細で安定な構造を有し、その構造により金属的な性質や半導体的な性質を示すものである(非特許文献1)。したがって、フォトリソグラフィによる微細加工の限界を超えた、より微細なナノ電子デバイス材料として注目されている。また、最近ではカーボンナノチューブがバリスティック伝導を示す可能性があることも示唆されており、高速動作が可能なトランジスタ材料としての期待ももたれている。
【0003】
【非特許文献1】
田中一義編、「カーボンナノチューブ」化学同人、2001年1月30日、第1版
【0004】
【非特許文献2】
フィリップ・ジー・コリン(Philip G. Collins)他2名、サイエンス(Science),No.292, p.706-709,(2001)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
カーボンナノチューブを用いてトランジスタ等の電子デバイスを作製するためには、カーボンナノチューブの電子的性質、特にそのバンドギャップを所定の値に揃えることが求められる。
【0006】
しかしながら、同じカーボンナノチューブであっても、カイラリティ(螺旋度)、直径、及び長さなどの幾何学的な構造によって、その電子的特性を決定づけるバンドギャップは変動し、金属的性質を示したり半導体性質を示したりする。
【0007】
カーボンナノチューブの合成方法としては、現在、炭化水素触媒分解法を始め種々の方法が知られているが、合成段階で幾何学的な構造を揃えることは極めて困難であり、合成されたカーボンナノチューブのバンドギャップは通常ばらばらで不揃いなものとなる。
【0008】
最近、発表されたカーボンナノチューブを用いたトランジスタの作製方法においては、「建設的破壊」と呼ばれる手法によりトランジスタに使用する半導体的性質を持つカーボンナノチューブの選択がなされている。この方法では、カーボンナノチューブをシリコン基板上に並べ、各カーボンナノチューブに電圧をかけ、金属的性質のカーボンナノチューブのみを選択的に焼き切ることで、半導体的性質のカーボンナノチューブを特定している(非特許文献2)。
【0009】
しかしながら、実用化のためには、より簡易で効率的な方法で、カーボンナノチューブのバンドギャップを用途に応じて所定の値に制御できる製造方法が求められる。
【0010】
本発明の目的は、上述する従来の課題に鑑み、より簡易で効率的な方法で所定のバンドギャップを有するカーボンナノチューブの製造方法を提供することである。
【0011】
本発明の別の目的は、所定のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを用いた半導体装置を提供することである。
【0012】
さらに、本発明の別の目的は、上記所定のバンドギャップを有するカーボンナノチューブの製造方法に適した製造装置を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1のカーボンナノチューブの製造方法の特徴は、カーボンナノチューブを合成する工程と、酸化ガス含有雰囲気中で、カーボンナノチューブに波長λ1を有する第1のレーザ光を照射し、第1のレーザ光の照射により励起したカーボンナノチューブを選択的に酸化し、ガス化する選択的酸化処理工程と、フッ化ガス含有雰囲気中で、残ったカーボンナノチューブに、波長λ1より短い波長λ2を有する第2のレーザ光を照射し、第2のレーザ光の照射により励起したカーボンナノチューブを選択的にフッ化ガスと反応させ、カーボンナノチューブの少なくとも表面にフッ化層を形成する選択的フッ化処理工程と、酸化ガス含有雰囲気中で、フッ化層が形成されなかったカーボンナノチューブを酸化し、ガス化する酸化処理工程と、ガス化されずに残ったフッ化層を有するカーボンナノチューブからフッ素成分を除去する脱フッ化処理工程とを有することである。
【0014】
上記第1のカーボンナノチューブの製造方法の特徴によれば、第1のレーザ光の波長λ1に対応するバンドギャップ以下のカーボンナノチューブが選択的に励起され、酸化消滅する。したがって、第1のレーザ光の波長λ1に対応する一定バンドギャップ以上のカーボンナノチューブのみを得ることが可能になる。
【0015】
本発明の第2のカーボンナノチューブの製造方法の特徴は、カーボンナノチューブを合成する工程と、フッ化ガス含有雰囲気中で、カーボンナノチューブに波長λ1を有する第1のレーザ光を照射し、第1のレーザ光の照射により励起したカーボンナノチューブを選択的にフッ化ガスと反応させ、該カーボンナノチューブの少なくとも表面にフッ化層を形成する選択的フッ化処理工程と、酸化ガス含有雰囲気中で、フッ化層が形成されなかったカーボンナノチューブを酸化し、ガス化する酸化処理工程と、ガス化されずに残ったフッ化層を有するカーボンナノチューブからフッ素成分を除去する脱フッ化処理工程とを有することである。
【0016】
上記本発明の第2のカーボンナノチューブの製造方法の特徴によれば、第1のレーザ光の波長λ1に対応するバンドギャップ以下のカーボンナノチューブが選択的に励起され、フッ化処理される。フッ化処理されたカーボンナノチューブの表面は、耐エッチング性の高いフッ化カーボン(FC)に変質する。この後に続く酸化処理では、フッ化物に変質しなかった部分のみが酸化消滅する。さらに、脱フッ化処理によりフッ化カーボンは、再びカーボンに戻る。この結果、第1のレーザ光の波長λ1に対応する一定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブを得ることができる。
【0018】
あるいは、上記第2のカーボンナノチューブの製造方法の後に、酸化ガス含有雰囲気中で、カーボンナノチューブに第1の波長λ1より長い第2の波長λ2を有する第2のレーザ光を照射し、該第2のレーザ光の照射により励起したカーボンナノチューブを選択的に酸化し、ガス化する選択的酸化処理工程とを有してもよい。
【0019】
上述するように、上記第1と第2のカーボンナノチューブの製造方法を組み合わせれば、2回のレーザ光照射により、第1の波長λ1に応じたバンドギャップと第2の波長λ2に応じたバンドギャップの間のさらに限定された範囲のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを得ることができる。
【0020】
上記第1と第2のカーボンナノチューブの製造方法において、カーボンナノチューブを合成する工程は、規則的に配列し、かつ底部に基板面が露出する細孔を有する多孔質層を形成する工程と、細孔底部に露出する基板面にカーボンナノチューブ成長反応に対し触媒機能を有する金属もしくは金属化合物からなる膜を形成する工程と、炭化水素触媒分解反応により、カーボンナノチューブを少なくとも前記細孔内に成長させる工程とを有してもよい。なお、ここで基板には、基板そのもののみならず素子分離層や薄膜形成等の加工がなされた基板をも含む。
【0021】
この場合は、最終的に多孔質層をエッチング排除することで、所定のバンドギャップを有し、基板面に垂直方向に延在するカーボンナノチューブを、多孔質層の細孔の配置に応じて、等間隔に基板上に形成することができる。
【0022】
本発明の第1のカーボンナノチューブを用いた半導体装置の製造方法の特徴は、上記本発明のカーボンナノチューブの製造方法により、カーボンナノチューブを製造する工程と、カーボンナノチューブの底部周囲を第1導電性膜で埋める工程と、カーボンナノチューブの第1導電性膜で埋められていない側壁面に第1絶縁膜でサイドウォールを形成する工程と、サイドウォール部の周囲に、下方より第2絶縁膜、第2導電性膜、第3絶縁膜を順次形成する工程と、第3絶縁膜、及びカーボンナノチューブの上部表面上に第3導電性膜を形成する工程とを有することである。
【0023】
上述する第1のカーボンナノチューブを用いた半導体装置の製造方法の特徴によれば、カーボンナノチューブをチャネル部とし、第1導電性膜及び第3導電性膜をソース/ドレイン電極、第2導電性膜をゲート電極とするFET(Field Effect Transistor)を形成できる。
【0024】
本発明の第2のカーボンナノチューブを用いた半導体装置の製造方法の特徴は、上記本発明のカーボンナノチューブの製造方法により、カーボンナノチューブを製造する工程と、カーボンナノチューブ側壁面全面を第1絶縁膜で被覆する工程と、第1絶縁膜で被覆されたカーボンナノチューブの底部周囲を第1導電性膜で埋める工程と、カーボンナノチューブの第1導電性膜で埋められていない側壁面に第2絶縁膜でサイドウォールを形成する工程と、サイドウォール部の周囲に、下方より第3絶縁膜、第2導電性膜、第4絶縁膜を順次形成する工程と、第4絶縁膜および、カーボンナノチューブの上部表面上に、第5絶縁膜、および第3導電性膜を順次形成する工程とを有することである。
【0025】
上述する第2のカーボンナノチューブを用いた半導体装置の製造方法の特徴によれば、カーボンナノチューブをチャネル部とし、第1導電性膜及び第3導電性膜をソース/ドレイン電極、第2導電性膜をゲート電極とし、ソース/ドレイン電極とカーボンナノチューブ間に第1絶縁膜および第5絶縁膜からなるバリア層を有するBARITT構造のFETを得ることができる。
【0026】
本発明のカーボンナノチューブの製造装置の特徴は、反応容器と、反応容器の壁に設けられた、レーザ光透過窓と、カーボンナノチューブ生成原料ガスと不活性ガスと少なくとも酸化ガスもしくはフッ化ガスのいずれかのガスとを反応容器内に導入する導入手段と、反応容器内のガスを排気する排気手段と、反応容器外部に備えられた、レーザ光透過窓を介して反応容器内にレーザ光を導入するレーザ発振装置とを有し、反応容器内にカーボンナノチューブ生成原料ガス及び不活性ガスを導入してカーボンナノチューブを合成し、且つ少なくとも酸化ガスもしくはフッ化ガスのいずれかを用いてレーザ光をカーボンナノチューブに照射することによりカーボンナノチューブの一部を選択的に除去することを同一の反応容器内で行うことである。
【0027】
上記カーボンナノチューブの製造装置の特徴によれば、カーボンナノチューブの合成が可能であるとともに、レーザ光透過窓を介してレーザ光を反応容器中に導入できるので、上記本発明の第1の製造方法における選択的酸化処理や第2の製造方法における選択的フッ化処理が実施できる。また、カーボンナノチューブの合成と、カーボンナノチューブのレーザ光照射による選択的酸化処理とを交互に連続して行うこともできる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【0029】
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法は、レーザ光照射と酸化反応を組み合わせることで、一定エネルギー以下のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを選択的酸化によりガス化消滅させ、一定エネルギー以上のバンドギャップを有するカーボンナノチューブのみを製造することを主な特徴とする。
【0030】
図1(a)および図1(b)は、第1の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法の特徴を示す概念図である。なお、ここでは、説明の便宜のため、代表的にバンドギャップEgがE1のカーボンナノチューブ10a、及びバンドギャップがE2のカーボンナノチューブ10bを示しているが、実際には複数のカーボンナノチューブが存在するものとする。
【0031】
まず、複数のカーボンナノチューブ(以下、単に「カーボンナノチューブ」という。)を種々の方法を用いて合成する。合成方法に特に限定はなく、例えば、炭化水素触媒分解法、アーク放電法、レーザアブレーション法、及びプラズマ合成法等を使用できる。合成直後のカーボンナノチューブのバンドギャップEgは、通常0≦Eg≦約2.5[eV]の間でばらばらな値を有し不揃いの状態である。
【0032】
第1の実施の形態では、図1(a)に示すように、不揃いのバンドギャップを有するカーボンナノチューブを、酸素雰囲気、すなわち酸素(O2)含有雰囲気に置き、所定の波長λ1を有するレーザ光の照射を行う。
【0033】
波長λ1のレーザ光は、E=hc/λ1(h:プランク定数、c:光速、λ1:波長)で示されるフォトンエネルギーを有する。よって、カーボンナノチューブのうち、hc/λ1以下のバンドギャップE1を有するカーボンナノチューブ10aでは、図2(a)に示すように、波長λ1のレーザ光を吸収し、キャリアのバンド間直接遷移が生じ、励起状態となる。励起状態となったカーボンナノチューブは、活性な状態となり周囲の酸素と反応し、よりエネルギー状態が安定な一酸化炭素(CO)や二酸化炭素(CO2)等のCOガスとなる。すなわち、図1(b)に示すように、hc/λ1以下のバンドギャップE1を有するカーボンナノチューブ10aは、選択的に酸化され消滅する。
【0034】
一方、hc/λ1より高いバンドギャップE2を有するカーボンナノチューブ10bは、図2(b)に示すように、レーザ光を吸収することなく、励起状態にもならないため、周囲の酸素とも反応しない。よって、そのまま残存する。
【0035】
このように、カーボンナノチューブの合成後、あるいは合成中に、酸素雰囲気中で特定波長λ1のレーザ光を照射することで、その波長に応じたエネルギー以上のバンドギャップをもつカーボンナノチューブだけを得ることが可能になる。
【0036】
上述する説明では、カーボンナノチューブが直接遷移型の場合を例にとり説明したが、カーボンナノチューブが間接遷移型である場合においても、バンドギャップに応じた一定以上のエネルギーのみを吸収し、励起された電子が緩和される時にフォノンとの相互作用によって熱せられてカーボンナノチューブの活性化が生じる。したがって、特定波長のレーザ光の照射により、一定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブのみを酸化消滅させることができる。
【0037】
なお、レーザ光を照射する際の酸素雰囲気としては、酸素(O2)含有雰囲気のみならず、励起したカーボンナノチューブを酸化できる、いわゆる酸化を含有する雰囲気であればよい。また、その際の基板等の温度条件は、レーザ光の吸収により励起状態となったカーボンナノチューブのみが選択的に酸化されるように、420℃以下、より好ましくは350℃〜420℃に調整する。なお、温度条件は所望の酸化速度に応じて調整する。レーザ光が照射されたカーボンナノチューブは加速的に酸化されるので、熱酸化が進行条件においても選択的な酸化は可能である。
【0038】
なお、レーザ光照射は、必ずしも密閉中や減圧中で行う必要はなく、簡易なレーザ光透過窓のついた反応容器、或いは大気中で行うことも可能である。
【0039】
さらに、照射するレーザ光の波長λ1は、カーボンナノチューブが取りうるバンドギャップ0≦Eg≦約2.5[eV]の範囲の中で、必要とするカーボンナノチューブのバンドギャップの値に応じて選択すればよく、特に限定はない。例えば、直接遷移型のバンドギャップEgより大きいカーボンナノチューブを必要とする場合は、Eg=h・c/λ1を充たす波長λ1を有するレーザ光を用いるとよい。例えば、1.06μmの波長を持つYAGレーザ及びガラスレーザ、0.69μmの波長を持つルビーレーザ、さらに0.4〜0.7μmの波長を持つ色素レーザ等を使用できる。また、GaAs基板上にGaInNAs層を形成した構造、あるいはInP基板上にGaInAsP層を形成した構造等により作製した種々の半導体レーザを使用することもできる。このような半導体レーザであれば、Eg=0〜2.5eVの範囲で照射エネルギーを可変できる。
【0040】
上述するように、第1の実施の形態によれば、従来のカーボンナノチューブの合成方法に、レーザ照射を伴う簡易な選択的酸化処理を加えるだけで、カーボンナノチューブのバンドギャップをレーザ光の波長λ1に応じた一定バンドギャップ以上に揃えることが可能になる。こうしてバンドギャップの揃ったカーボンナノチューブでは、仕事関数についてもほぼ揃ったものが得られる可能性が高い。この方法によれば、比較的大量のカーボンナノチューブを一括して処理し、所望のバンドギャップのカーボンナノチューブを選択的に取り出すことができる。また、カーボンナノチューブの合成途中で、上述するレーザ照射を用いた選択的酸化処理を繰り返し行うこともできるので、所望のバンドギャップのカーボンナノチューブを比較的大量に製造することも可能になる。
【0041】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法は、レーザ光照射とフッ化反応、さらにその後に行う酸化反応を組み合わせることで、一定エネルギー以下のバンドギャップを有するカーボンナノチューブのみを製造することを主な特徴とする。
【0042】
図3(a)〜図3(d)は、第2の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法の特徴を示す概念図である。
【0043】
まず、第1の実施の形態に係る方法と同様に、カーボンナノチューブを種々の方法を用いて合成する。合成方法に特に限定はなく、例えば、炭化水素触媒分解法、アーク放電法、レーザアブレーション法、及びプラズマ合成法等を使用できる。こうして合成した直後のカーボンナノチューブのバンドギャップEgは、通常0≦Eg≦約2.5[eV]の間でばらばらな値を有し不揃いの状態である。
【0044】
第2の実施の形態では、図3(a)に示すように、合成によって得られた不揃いのバンドギャップを有するカーボンナノチューブを、フッ素雰囲気、即ちフッ素(F)含有雰囲気に置き、カーボンナノチューブに所定の波長λ1を有するレーザ光を照射する。
【0045】
波長λ1のレーザ光は、E=hc/λ1で示されるフォトンエネルギーを有するため、カーボンナノチューブのうち、hc/λ1以下のバンドギャップE1を有するカーボンナノチューブ10aでは、波長λ1のレーザ光を吸収し、キャリアのバンド間遷移が生じるため、励起状態となる。励起状態となったカーボンナノチューブは、活性な状態となり周囲のフッ素と反応する。こうして、図3(b)に示すように、カーボンナノチューブ表面に安定なフッ化炭素が形成される。すなわち、hc/λ1以下のバンドギャップE1を有するカーボンナノチューブ10aが選択的にフッ化処理される。なお、このとき温度は250℃〜350℃が好ましい。
【0046】
一方、hc/λ1より高いバンドギャップE2を有するカーボンナノチューブ10bは、レーザ光を吸収することなく、励起状態にもならないため、周囲のフッ素とも反応せず、そのままの状態で残存する。
【0047】
次に、図3(c)に示すように、カーボンナノチューブ10a、及び10bを酸素雰囲気中に置き、例えば350℃〜420℃もしくはこれより高い温度で酸化を行う。なお、温度条件は所望の酸化速度に合わせて適宜設定できる。フッ化処理されたカーボンナノチューブ10bは、この高温酸化条件に対し耐性を有するが、フッ化処理されなかったカーボンナノチューブ12は図3(d)に示すように、酸化され、CO、あるいはCO2等のCOxガスとなって消滅する。この結果、フッ化処理されたカーボンナノチューブ10aのみが残存する。
【0048】
この後、図3(d)に示すように、残存するフッ化処理されたカーボンナノチューブ10aを例えばヒドラジン等の還元性の高い溶液中に浸漬し、脱フッ化処理を行う。こうして、フッ素を除去することにより、カーボンナノチューブ10aは元に戻り、hc/λ1のバンドギャップ以下のバンドギャップE1を有するカーボンナノチューブ10aのみを得ることができる。
【0049】
なお、上述する説明では、カーボンナノチューブが直接遷移型の場合を例にとり説明したが、カーボンナノチューブが間接遷移型である場合においても、バンドギャップに応じた一定以上のエネルギーのみを吸収し、カーボンナノチューブの活性化が生じるので、特定波長のレーザ光の照射により、一定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブのみを選択的にフッ化処理し、それ以外のカーボンナノチューブを酸化処理により消滅させ、残ったフッ化処理されたカーボンナノチューブを脱フッ化することにより、特定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブのみを得ることができる。
【0050】
さらに、レーザ光照射を行う際のフッ素雰囲気としては、励起したカーボンナノチューブと反応し安定なフッ化炭素を形成できるフッ化ガス含有雰囲気であればよく、フッ素のみならず、フッ化アンモニウム、フッ素水素酸等の種々のフッ化ガス含有雰囲気を使用できる。また、レーザ光の吸収により励起状態となったカーボンナノチューブのみがフッ化反応を生じるように、周囲の温度は、例えば、350℃以下、好ましくは250℃〜350℃に調整する。なお、この場合のフッ化処理は、レーザ光透過窓付の密閉可能な反応容器で行うことが好ましい。
【0051】
また、照射するレーザ光の波長λ1は、カーボンナノチューブが取りうるバンドギャップ0≦Eg≦約2.5[eV]の範囲の中で、必要とするカーボンナノチューブのバンドギャップの値に応じて選択すればよく、特に限定はない。
【0052】
一般的にバンドギャップがEg[eV]の半導体では、λ1≦1.239/Egを満たす波長λ[μm]のレーザ光を吸収し、電子が励起される。したがって、Eg[eV]以下のバンドギャップのカーボンナノチューブを得ようとする場合は、λ1(=1.239/Eg)の波長を有するレーザ光を照射することが望ましい。例えば、1.06μmの波長を持つYAGレーザ及びガラスレーザ、0.69μmの波長を持つルビーレーザ、さらに0.4〜0.7μmの波長を持つ色素レーザ等を使用できる。また、半導体レーザを使用することも可能である。
【0053】
上述するように、第2の実施の形態によれば、従来のカーボンナノチューブの合成方法に、簡易な選択的フッ化処理と酸化処理を加えるだけで、使用したレーザ光の波長λ1に応じた一定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブを得ることが可能になる。こうしてバンドギャップの揃ったカーボンナノチューブでは、仕事関数についてもほぼ揃ったものが得られる可能性が高い。この方法によれば、比較的大量のカーボンナノチューブを一括して処理し、所望のバンドギャップのカーボンナノチューブを選択的に取り出すことができる。また、カーボンナノチューブの合成途中で、上述するレーザ照射を用いた選択的フッ化処理を繰り返し行うこともできるので、所望のバンドギャップのカーボンナノチューブを比較的大量に製造することも可能になる。
【0054】
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法は、第1の実施の形態に係る製造方法と第2の実施の形態に係る製造方法を組み合わせた製造方法を特徴とし、特定のエネルギー範囲にバンドギャップを有するカーボンナノチューブのみを製造することを主な特徴とする。
【0055】
まず、第1の実施の形態に係る方法に沿って、一定エネルギー以上のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを作製する。すなわち、予め炭化水素触媒分解法等の種々の合成方法を用いて、不揃いのバンドギャップを有するカーボンナノチューブを作製する。次に、図4(a)に示すように、酸素雰囲気中で波長λ1のレーザ光を照射し、レーザ光のエネルギーEL1(=hc/λ1)以下のバンドギャップE11を有するカーボンナノチューブ10Aのみを励起し、選択的に酸化を行い、消滅させる。そして、EL1(=hc/λ1)より大きいバンドギャップE21、及びE31を有するカーボンナノチューブ10Bと10Cとを残存させる。
【0056】
続いて、図4(b)に示すように、残存したカーボンナノチューブ10B、及び10Cをフッ素雰囲気中に置き、λ1より短い波長λ2を持つレーザ光を照射する。ここで、エネルギーEL1(=hc/λ1)以下のバンドギャップE11を有するカーボンナノチューブ10Aはすでに消滅しているので、EL1(=hc/λ1)より大きくEL2(=hc/λ2)以下のバンドギャップであるE21を有するカーボンナノチューブ10Bが励起し、選択的にフッ化処理される。EL2より大きいバンドギャップE31を有するカーボンナノチューブ10Cは、そのままの状態で残存する。
【0057】
続いて、図4(c)に示すように、残存しているカーボンナノチューブ10Bと10Cを酸素雰囲気中に置き加熱を行う。この高温酸化処理により、フッ化処理されなかったバンドギャップE31を有するカーボンナノチューブ10Cは酸化消滅する。
【0058】
最後に、フッ化処理されたカーボンナノチューブ10Bをヒドラジン等の還元性溶液中に浸漬して脱フッ化処理を行えば、元のカーボンナノチューブ10Bに戻すことができる。こうして、二回のレーザ光照射と酸化、フッ化処理、及び脱フッ化処理を行うことで、1回目のレーザ照射光のエネルギーEL1(=hc/λ1)より高く、2回目のレーザ照射光のエネルギーEL2(=hc/λ2)以下のエネルギーギャップを有するカーボンナノチューブ10Bを得ることができる。
【0059】
なお、上述する例では、先に第1の実施の形態に係る方法を行っているが、先に第2の実施の形態に係る方法を行い、後に第1の実施の形態に係る方法を行ってもよい。すなわち、まず、カーボンナノチューブをフッ素雰囲気におき、波長λ1を有するレーザを照射し、選択的なフッ化処理を行った後、高温酸化を行い、フッ化処理されなかったhc/λ1より高いバンドギャップを有するカーボンナノチューブを酸化消滅させる。この後、フッ化処理されたhc/λ1以下のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを脱フッ化処理する。さらに、脱フッ化後のカーボンナノチューブを酸素雰囲気に置き、波長λ1より長い波長λ2を有するレーザ光を照射し、hc/λ2以下のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを選択的に酸化し、消滅させる。こうして、1回目のレーザ照射光のエネルギーEL1(=hc/λ1)以下で、2回目のレーザ照射光のエネルギーEL2(=hc/λ2)より高いエネルギーギャップを有するカーボンナノチューブを得ることができる。
【0060】
上述する不揃いのカーボンナノチューブから所定のバンドギャップを有するカーボンナノチューブのみを残存させる処理は、カーボンナノチューブの合成工程の途中で行ってもよく、複数回繰り返して行ってもよい。
【0061】
こうして、第3の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法によれば、より限定した範囲のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを製造することが可能になる。したがって、カーボンナノチューブのバンドギャップのより正確な制御が可能となる。よって、電子デバイスの中でも、正確なバンドギャップ制御が必要とされる発光ダイオードや半導体レーザ等のデバイス用途への応用も可能になる。
【0062】
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法は、上述する第1〜第3の実施の形態のいずれかの方法を用いて、バンドギャップの揃ったカーボンナノチューブを提供するとともに、規則的に配列した細孔を持つ多孔質層を利用して、基板面に対し垂直方向に延在するカーボンナノチューブを基板上に等間隔に配置することを特徴とする。
【0063】
以下に、図5(a)〜図8(b)を参照して、第4の実施の形態に係る製造方法について説明する。
【0064】
まず、図5(a)に示すように、任意の基板20表面に、アルマイト、ゼオライト、メソポーラスシリカ等の等間隔に配置された細孔32を有する多孔質層30を形成する。なお、細孔32が基板20表面まで到達していない場合は、Ar等でスパッタを全面に行い、細孔32の底部の残存層を除去し、基板20の表面を細孔32の底部に露出させることが好ましい。細孔32の大きさに特に限定はないが、作製しようとするカーボンナノチューブの大きさが各細孔32の径よりやや小さく、各細孔32に単一のカーボンナノチューブを形成できる大きさであることが好ましい。
【0065】
次に、カーボンナノチューブの合成を行う。なお、合成方法に限定はなく、炭化水素触媒分解法、アーク放電法、或いはレーザアブレーション法など種々の方法が使用できるが、ここでは、例えば熱CVD法を用いた炭化水素触媒分解法を用いる場合について説明する。図5(b)に示すように、多孔質層30が形成された基板表面全面に、カーボンナノチューブ生成反応に対し触媒機能を有する、Co薄膜40をスパッタあるいはCVD法を用いて、膜厚数nm〜数十nm程度形成する。図6(a)は、多孔質層30の細孔32底部および多孔質層30の表面にCo薄膜40が形成された状態を示す断面図である。なお、Co薄膜40に代えて、Fe、Ni、Co、Rh、Pd、Pt、Rh、Pd、Y、La等、グラファイト化触媒の機能を有する薄膜を形成することもできる。また、これらの触媒は、単体金属薄膜に限らず、Coシリサイドのような、金属化合物薄膜であってもよい。
【0066】
なお、好ましくはCo薄膜40を成膜した後、加熱処理を行い、図6(b)に示すような、Co薄膜40の凝集化を行う。Co薄膜40の凝集化は、後のカーボンナノチューブ成長反応の際に、触媒底部への原料ガスの供給を促進し、カーボンナノチューブの成長に必要な炭化水素触媒分解をより効率的に進行させる。
【0067】
次に、多孔質層30が形成された基板20表面上に、カーボンナノチューブ10を成長させる。このカーボンナノチューブ10の成長は、例えば、図7に示すような熱CVD装置を使用し、以下の手順で行う。反応チャンバ100内に、多孔質層30およびCo薄膜40が形成された基板20を入れ、反応チャンバ100の周囲に設けられたヒータ110により、基板20を300〜500℃に加熱する。反応チャンバ100内を、ロータリーポンプ等の排気ポンプ120を用いて減圧にし、例えばNで希釈したHS+Hガスを導入し、この状態で約30分〜5時間維持し、前処理を行う。
【0068】
次に、さらに反応チャンバ100内を減圧化し、キャリアガスであるArガスとともにアセチレン(C)等の炭化水素ガスを反応チャンバ100内に導入する。基板を500℃〜1000℃に加熱し、Co薄膜40の上記触媒反応により炭化水素ガスを熱分解させる。図6(c)に示すように、Co薄膜40が形成された、細孔32の底部および多孔質層30表面に、基板面に対し垂直方向に、Co薄膜40を押し上げる形でカーボンナノチューブ10が成長する。
【0069】
カーボンナノチューブ10の高さが、細孔32の孔の高さに達する手前で、一旦カーボンナノチューブの成長を停止させ、第1〜第3の実施の形態のいずれかの方法を使用し、カーボンナノチューブのバンドギャップを揃える処理を行う。例えば、第1の実施の形態に係る方法を使用する場合は、図6(d)に示すように、カーボンナノチューブを形成した基板を酸素雰囲気中に置き、所定の波長λ1を有するレーザ光を照射し、hc/λ1以下のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを選択的酸化処理により消滅させる。こうして、図6(e)に示すように、hc/λ1より高いバンドギャップE2を有するカーボンナノチューブ10のみを残存させる。なお、この選択的酸化処理は、CVD装置の外部で行ってもよいが、後述する図9に示すCVD装置を用いれば、カーボンナノチューブの成長反応に使用した反応チャンバ内で行うこともできる。
【0070】
再び炭化水素触媒分解法でカーボンナノチューブを成長させる。カーボンナノチューブの合成工程と、レーザ光照射により一定のバンドギャップ以下のカーボンナノチューブを選択的に酸化消滅させる工程とを交互に繰り返すことにより、図8(a)に示すような、バンドギャップがhc/λ1より大きいカーボンナノチューブのみを基板表面及び、細孔底部に成長させることができる。なお、カーボンナノチューブの合成工程の前に、再度Co膜を成膜してもよい。また、Co膜による細孔32の閉塞を防止するため、加熱による凝集化を行ってもよい。
【0071】
この後、多孔質層30をエッチング除去することにより、多孔質層30表面に成長したカーボンナノチューブ10を多孔質層30とともにリフトオフし、細孔32の底部の露出した基板20表面から成長したカーボンナノチューブのみを残存させる。こうして、基板面に対し垂直方向に延在する、バンドギャップの揃ったカーボンナノチューブ10を多孔質層の細孔32の配置に対応した等間隔に配置することができる。
【0072】
なお、細孔の大きさ、隣接する細孔との間隔を調整することで、カーボンナノチューブ10の配置を調整できる。多孔質層30の細孔32の底部に成膜されたCo薄膜40は、凝集により、より少数の、さらには単一の微粒子に凝集する傾向がある。単一の微粒子に対しては、単一のカーボンナノチューブが成長しやすいので、細孔32の底部では、そこに存在するCo微粒子の核数に応じたカーボンナノチューブが成長する。したがって、この性質を利用して、各細孔内に成長するカーボンナノチューブの数を調整することが可能になる。
【0073】
なお、図9に示すカーボンナノチューブ製造装置を利用すれば、上述する製造方法を反応チャンバから基板を取り出すことなく、カーボンナノチューブの成長と、レーザ光照射による所定のカーボンナノチューブの選択的酸化処理、あるいは選択的フッ化処理とを連続に行うことができる。
【0074】
この製造装置では、CVD装置の反応チャンバ102に、レーザ光透過窓140を有しており、外部に備えたレーザ発振器130から発振されるレーザ光をレンズ系132およびミラー系134を用いて、レーザ光透過窓140を介して反応チャンバ102内に導いている。また、CVD装置のガス供給源には、カーボンナノチューブの合成に使用する原料ガス源や不活性ガス源に加え、第1〜第3の実施の形態で説明した選択的酸化処理、あるいは選択的フッ化処理に使用する酸素(O)ガス、およびフッ素(F)ガス等のガス供給源が追加されている。このカーボンナノチューブの製造装置を用いれば、カーボンナノチューブの成長時には、反応チャンバ内を所定温度に上げ不活性ガスとカーボンナノチューブ原料ガスを反応チャンバ102に導入する。そして、カーボンナノチューブのバンドギャップを揃える処理を行う際には、反応チャンバ内を一旦排気し、不活性ガスで置換した後、反応チャンバ内を所定温度に調整し、酸素ガスもしくはフッ素ガスと不活性ガスを導入する。そして、レーザ光透過窓を介して所定波長のレーザ光を反応チャンバ内の基板に照射する。
【0075】
上述する第4の実施の形態によれば、基板に対し垂直方向に延在する、しかも所定のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを基板上に等間隔に配置できるため、アレイ状に配置されたトランジスタ等の電子部品の作製に極めて有効な製造方法となる。
【0076】
(第5の実施の形態)
第5の実施の形態では、上述する第1〜第3の実施の形態のいずれかの方法を用いて、バンドギャップの揃った単層のカーボンナノチューブを製造する具体的な方法を説明する。
【0077】
以下に、図10、及び図11を参照して、第5の実施の形態に係る製造方法について説明する。
【0078】
まず、図10に示すCVD装置等を用いて、単層のカーボンナノチューブの合成を行う。反応チャンバ102、及びその周囲の加熱炉112、反応チャンバ102内を排気するロータリーポンプ等の排気ポンプ122、および各原料ガス供給ラインを備える点は、図7及び図9に示すCVD装置と同様であるが、さらに、反応チャンバ102の上流域に、カーボンナノチューブ成長反応の触媒142を収納した石英管132を備える。
【0079】
触媒142としては、例えばアルミナに担持させたFe23微粒子を使用する。このFe23微粒子は、0.245gのFe(NO・9水和物をメタノール中に溶かしたのち、80℃に加熱しロータリーエバポレーターを用いてメタノールを除去し、さらに、150℃に加熱することで得られる。
【0080】
キャリアガスであるArガス、およびカーボンナノチューブ原料であるメタン(CH)ガスは、反応チャンバ102内に導入される際、触媒142が入った石英管132を通過するため、原料ガスおよびキャリアガスとともに反応チャンバ102内に触媒142成分も混入する。
【0081】
例えば、反応チャンバ102内を約1000℃程度に加熱し、原料ガス圧を1.25atm、原料ガス流量を6.15l/hの条件で反応チャンバ102内に原料ガスを供給し、約10分間反応させる。その結果、気相中での炭化水素触媒反応により直径1nm〜10nm、長さ10μm以下の単層カーボンナノチューブを得ることができる。こうして得られたカーボンナノチューブは、直径やカイラリティの状態に依存し種々のバンドギャップを持つ。
【0082】
次に、第1〜第3の実施の形態のいずれかの方法を用いて、バンドギャップが不揃いのカーボンナノチューブ12のバンドギャップを揃える処理を行う。
【0083】
例えば、第1の実施の形態に係る選択的酸化処理を使用する場合は、図11に示すように、合成されたバンドギャップが不揃いのカーボンナノチューブ12を反応チャンバ102から取り出し、SiC等の基板22上に載置する。この基板は、バンドギャップが大きく、照射するレーザ光の波長を吸収しないものであれば特に限定されない。
【0084】
次に、例えば図9に示すような、レーザ光透過窓を有する反応容器内に、カーボンナノチューブ12が載った基板22を移す。反応チャンバ内を、例えばO2:He=1:1の酸素含有雰囲気下に調整し、基板22上に載置されたカーボンナノチューブ12に対し、波長λのレーザ光を照射する。レーザ光の波長λは、作製しようとするカーボンナノチューブのバンドギャップに合わせて選択する。カーボンナノチューブのバンドギャップをEg[eV]より大きくしたい場合は、照射するレーザ光の波長λ[μm]は、λ≦1.239/Egをみたすよう選択するとよい。例えば、カーボンナノチューブのバンドギャップEgを1.5[eV]より大きくしたい場合は、λ=826[nm]のレーザ光を照射すれば良い。また、例えばレーザとして、波長1.064μmのYAGレーザを使用する場合は、カーボンナノチューブのバンドギャップを1.16[eV]より大きいものに揃えることができる。この際には、例えば繰り返し1kHz、ピークパワー密度300kW/cm2、パルス幅300nsecの条件でレーザ光照射を行う。
【0085】
なお、レーザ光照射と励起したカーボンナノチューブの選択的酸化処理は、カーボンナノチューブの成長過程で、繰り返し行ってもよい。
【0086】
以上に説明するように、第5の実施の形態によれば、バンドギャップの揃った単層カーボンナノチューブを簡易な方法で作製することができる。
【0087】
(第6の実施の形態)
第6の実施の形態では、上述する第1〜第3の実施の形態に係る方法および第4の実施の形態に係る方法を用いて、基板上に等間隔に、基板面に垂直な方向に延在する、バンドギャップの揃ったカーボンナノチューブを形成する具体的な方法について説明する。なお、ここでは多孔質層として、アルマイト層を用いる例について説明する。
【0088】
まず、基板上に以下の手順で細孔を備えたアルマイトを形成する。基板としては、SiC基板のように、陽極酸化に適した導体または半導体が好ましく、さらに、後に行うレーザ照射処理の際のレーザ光を吸収せず、かつカーボンナノチューブの成長時の温度に耐えるものが望ましい。
【0089】
例えばSiC基板上に真空蒸着法を用いてアルミニウム層を形成する。具体的には、洗浄したSiC基板を電子ビーム蒸着装置の真空チャンバ内に搬入し、真空チャンバ内を1E−4〜6Paまで減圧し、蒸着を行う。アルミニウム層の厚みt(nm)は、例えば2nm≦t≦50nmとする。
【0090】
次に、アルミニウム層を酸性水溶液中で陽極酸化し、アルマイト処理を行う。具体的には、硫酸濃度1〜50wt%、より好ましくは5〜30wt%、温度0〜50℃、より好ましくは5〜30℃の硫酸水溶液中にアルミニウム層が形成されたSiC基板を浸漬する。この硫酸水溶液に、電流密度J[A/dm2]を0<J≦10[[A/dm2]より好ましくは1≦J≦2[A/dm2]、電圧V[V]を0<V≦50V、より好ましくは5≦V≦20の条件で電界をかける。アルミニウム層は陽極酸化され、多孔質層であるアルマイト層が形成される。上記条件において、アルマイト層には、等間隔に孔径3〜100nm、孔密度5000〜500000/cm2の細孔が形成される。このように、孔径および孔密度は、電流時間、硫酸水溶液温度、浸漬時間等により調整できる。なお、硫酸水溶液に代えて、シュウ酸、リン酸、クロム酸、有機酸+硫酸、ホウ酸+ホルムアミド等の種々の酸性水溶液を使用することもできる。
【0091】
この後、Arスパッタなどの方法により孔底部に残ったアルミナを除去し、確実に各孔の底部にSiC基板表面を露出させる。
【0092】
次に、炭化水素触媒分解法を用いてカーボンナノチューブを成長させる。まず、アルマイト層を形成したSiC基板表面に、スパッタ法あるいはCVD法を用いて反応触媒、例えばCoを成膜する。Co膜厚はアルマイト層の厚みより薄ければよい。この後、好ましくはSiC基板を加熱し、Coを凝集させる。
【0093】
この基板を例えば図9に示すカーボンナノチューブ製造装置の反応チャンバ102内に搬入する。ヒータ112により基板温度を約400℃に設定し、反応チャンバ102内をNで希釈したHS+Hガスを流し、約2時間前処理を行う。
【0094】
次に、反応チャンバ102内を減圧にし、キャリアガスであるArガスとともに、アセチレン(C)などのカーボンナノチューブ原料ガスを反応チャンバ102内に導入する。基板温度を600〜1400℃、より好ましくは800〜1000℃に加熱し、原料ガスをCo触媒の下で熱分解し、アルマイト層表面及び、細孔底部にカーボンナノチューブを成長させる。
【0095】
カーボンナノチューブは、凝集したCo微粒子の下に、基板面に対し垂直方向に成長する。アルマイト層の細孔の底部から成長したカーボンナノチューブの高さがアルマイト層の厚みに達しない時点で、チャンバ内の原料ガスを排気し、一旦カーボンナノチューブの成長を停止する。
【0096】
次に、第1〜第3の実施の形態に係るいずれかの方法を用いて、バンドギャップが不揃いのカーボンナノチューブバンドギャップを揃える。例えば第1の実施の形態に係る選択的酸化処理を行う場合は、チャンバ内の原料ガスを排気し、反応チャンバ102内を減圧にした後、酸素(O2)ガスとヘリウム(He)ガスとを流量比約1:1で導入し、反応チャンバ102内を酸素含有雰囲気とする。
【0097】
レーザ光透過窓140を介してカーボンナノチューブに波長λのレーザ光を照射する。バンドギャップEg[eV]より大きい直接遷移型のカーボンナノチューブを得たい場合は、照射するレーザ光の波長λ[μm]は、λ≦1.239/Egを満たすよう選択する。例えば、カーボンナノチューブのバンドギャップをE=1.5[eV]より大きいものに揃える場合は、λ=826[nm]のレーザ光を照射すれば良い。また、例えばレーザとして、波長1.064μmのYAGレーザを使用する場合は、カーボンナノチューブのバンドギャップを1.16[eV]より大きいものに揃えることができる。この際には、繰り返し1kHz、ピークパワー密度300kW/cm2、パルス幅300nsec等の条件でレーザ光照射を行う。このレーザ光照射により励起した所定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブは酸化消滅する。
【0098】
この後、再び、上述する方法を用いて炭化水素触媒分解法で基板上にカーボンナノチューブを成長させる。カーボンナノチューブの成長と、酸化雰囲気でのレーザ光照射による所定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブの消滅処理を繰り返すことにより、所定長さ以上のバンドギャップの揃ったカーボンナノチューブをアルマイト層およびアルマイト層の細孔底部に露出するSiC基板上に成長させることができる。なお、再度のカーボンナノチューブ成長前にCo膜を再度形成してもよい。
【0099】
最後に、基板をリン酸溶液中に浸しアルマイト層をエッチング除去する。この工程によりアルマイト層表面上に成長したカーボンナノチューブもアルマイト層と一緒に剥離除去される。SiC基板上には、アルマイト層の各細孔の底部から成長した一定以上のバンドギャップを有するカーボンナノチューブのみが残存する。また、これらの残存したカーボンナノチューブは、細孔の位置に応じ等間隔に配列したものとなる。
【0100】
上述するように、第6の実施の形態によれば、アルマイト層の多孔質構造を利用し、基板上に等間隔に、基板面に対し垂直方向に延在する、バンドギャップの揃ったカーボンナノチューブを製造できる。
【0101】
(第7の実施の形態)
第7の実施の形態では、上述する第1〜第3の実施の形態に係る方法を用いて、基板上に基板面に垂直な方向に延在する、バンドギャップの揃ったカーボンナノチューブを形成する別の方法について説明する。ここでは基板上に触媒微粒子を浸漬法を用いて分散配置する方法を用いる。
【0102】
まず、基板上に分散させる触媒微粒子を用意する。この触媒微粒子としては、カーボンナノチューブの成長反応に対し触媒機能を有するものであれば、限定されず、Co、Ni、NiCo、Rh、Pd、Pt、RhPd、Y、La、あるいはこれらの金属を含むシリサイド等の金属化合物の微粒子を用いることができる。なお、ここではCo微粒子を用いる例について説明する。
【0103】
で十分置換されたグローブボックス内でトルエン中にジドデシルアンモニウムブロマイドを10wt%溶解し、この溶液中にCoCl・6HOを0.005M(mol/l)溶解させて攪拌する。さらに、この溶液に5M(mol/l)のNaBHを加え、混ぜ合わせ、再び攪拌する。こうして、径5nm程度のCoの微粒子が分散した溶液を作製する。この溶液からCo微粒子を分離し、さらに分離したCo微粒子をアセトン、トルエンを用いて洗浄し、最終的にアセトン中にCo微粒子を分散させる。
【0104】
Co微粒子を分散させたアセトン溶液中に、基板を浸漬し、引き上げ、室温で乾燥する。こうして、図12(a)に示すように、基板24上に約5nm程度のCo微粒子44を例えば50個/μm2程度の密度で分散させる。Co微粒子の分散密度は、浸漬する溶液中のCo含有濃度や引き上げ速度等で調整できる。
【0105】
なお、基板としては、後に行うレーザ照射の際に、照射レーザを吸収しないもので、カーボンナノチューブ成長時の温度に耐え得るものであればよい。したがって、ガラス基板、SiC基板、α−Al基板、あるいはゼオライト基板等を使用できる。
【0106】
次に、この基板24を図9に示すような熱CVD装置の反応チャンバ内に搬入し、第6の実施の形態と同様な条件でカーボンナノチューブを製造する。すなわち、Nで希釈したHS+Hガス中で、前処理を行った後、基板温度を約600〜1000℃に加熱し、炭化水素触媒分解を行い、カーボンナノチューブを成長させる。カーボンナノチューブは、基板24上のCo微粒子が存在する場所に、基板面に対し垂直方向に成長する。
【0107】
ある程度カーボンナノチューブが成長したところで、反応チャンバ内を減圧にし、反応ガスを排気し、カーボンナノチューブの成長を停止する。
【0108】
続いて、第6の実施の形態と同様な条件で、反応チャンバ内の原料ガスを排気し、O2ガスとHeガスを導入し、反応チャンバ内を酸素含有雰囲気とした上で、カーボンナノチューブに波長λ[μm]のレーザ光を照射する。所望のバンドギャップをEg[eV]の場合は、λ≦1.239/Egを満たすようなレーザ光を選択する。また、必要に応じYAG等のパルスレーザを使用することもできる。このレーザ光照射により励起した所定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブは、酸化消滅する。
【0109】
この後、再び、上述する炭化水素触媒分解法を用いて基板上にカーボンナノチューブを成長させる。カーボンナノチューブの成長と、酸素雰囲気でのレーザ光照射による所定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブの選択的酸化による消滅処理を繰り返すことにより、所定長さ以上のバンドギャップの揃ったカーボンナノチューブを基板上に成長させることができる。こうして、図12(b)に示すような、基板24上に分散したCo微粒子を核として、例えば長さ500nm以上のカーボンナノチューブ14を基板に対して垂直に成長させることができる。この製造方法によれば、カーボンナノチューブの隣接間距離が300nmで、密度10本/μm2程度のカーボンナノチューブを作製することができる。
【0110】
以上に説明するように、第7の実施の形態に係る製造方法によれば、基板に対し垂直方向に延在し、しかも所定のバンドギャップを有するカーボンナノチューブを基板上に分散配置できる。カーボンナノチューブの密度や分散状態は、基板上でのCo微粒子の分散条件で容易に調整できる。
【0111】
(第8の実施の形態)
第8の実施の形態では、第6の実施の形態に係る方法で作製したカーボンナノチューブを用いたFETを製造する方法について説明する。
【0112】
以下、図13(a)〜図14(n)を参照しながら、説明する。
【0113】
図13(a)〜図13(f)に示すように、第6の実施の形態に係る方法を利用して、SiC基板26上に一定バンドギャップに揃ったカーボンナノチューブを形成する。なお、第6の実施の形態と同様な条件を使用できるため、具体的条件についての説明は省略する。
【0114】
まず、電子ビーム蒸着法により、厚み2nm〜50nmのAl層36aを形成する(図13(a))。次に、Al層36aを硫酸水溶液中に浸漬させ、陽極酸化を行い、等間隔に配置された細孔を有するアルマイト層36を形成する(図13(b))。この後、必要に応じて、表面をAr等でスパッタを行い、アルマイト層36の細孔底部にSiC基板表面を露出させる。
【0115】
なお、上述の例において、基板上にアルマイト層を形成しているが、先に基板に必要な素子分離領域や半導体素子を形成した後に、これらの素子が形成された基板表面上にアルミニウム層を形成し、陽極酸化を行ってアルマイト層としてもよい。
【0116】
次に、表面に触媒機能を有するCo膜46を形成する(図13(c))。この後、好ましくはSiC基板を加熱し、Co膜を凝集させる。
【0117】
さらに、炭化水素触媒分解法を用いて、アルマイト層表面及び、細孔底部にカーボンナノチューブ16を成長させる。カーボンナノチューブ16は、凝集したCo微粒子の下に、基板面に対し垂直方向に成長する。
【0118】
なお、カーボンナノチューブの成長時に、原料ガスとともに、n型のドーピングガスである、例えばカリウム(K)蒸気を反応チャンバ内に導入し、FET(Field Effect Transistor)を作製した際に、チャネル部となる領域をn型の導電型にしておく。なお、ドーピングをしない領域のカーボンナノチューブはp型の導電型を示す。
【0119】
アルマイト層36の細孔の底部から成長したカーボンナノチューブの高さがアルマイト層36の厚みに達しない時点で、チャンバ内の原料ガスを排気し、一旦カーボンナノチューブの成長を停止する。
【0120】
次に、反応チャンバ内を酸素含有雰囲気とし、カーボンナノチューブに波長λのレーザ光を照射する。このレーザ光照射により励起した所定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブは、選択的に酸化消滅する(図13(d))。
【0121】
この後、さらにカーボンナノチューブの成長と酸素ガス含有雰囲気でのレーザ光照射による所定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブの酸化消滅処理を必要に応じて繰り返すことにより、所定エネルギー以上のバンドギャップを持つカーボンナノチューブをアルマイト層およびアルマイト層の細孔底部に露出するSiC基板上に成長させる(図13(e))。
【0122】
さらに、基板をリン酸溶液中に浸しアルマイト層36をエッチング除去し、アルマイト層36上に形成されたカーボンナノチューブも一緒にリフトオフする。こうして、SiC基板26上には、アルマイト層36の各細孔の底部から成長した一定以上のバンドギャップを持つn型の導電型を有するカーボンナノチューブ16のみが残存する(図13(f))。また、これらの残存したカーボンナノチューブは、細孔の位置に応じ等間隔に配列したものとなる。
【0123】
続いて、以下に説明する図14(g)〜図14(n)に示す工程を加えることで、カーボンナノチューブ16にp型チャネル部を有するFET構造を作製する。なお、必要に応じ、カーボンナノチューブの上層をエッチングし、カーボンナノチューブの高さ(長さ)を揃えたり、FET構造を形成する領域を限定し、それ以外の部分のカーボンナノチューブをエッチング除去したりしてもよい。また、触媒として用いたCo膜もこのとき一緒にエッチングしてもよい。
【0124】
カーボンナノチューブが形成されたSiC基板26表面に、スパッタ法等を用いてドレイン電極用の金属薄膜、例えばCo膜50(第1導電性膜)を形成する。Co膜50は、カーボンナノチューブの周囲に露出したSiC基板表面およびカーボンナノチューブ16上部表面に堆積する(図14(g))。
【0125】
続いて、プラズマCVD法等を用いてSiO2膜60(第1絶縁膜)を形成し、カーボンナノチューブの周囲を絶縁膜であるSiO2膜60で埋める(図14(h))。
【0126】
さらに、CF4等のエッチングガスを用いて、RIE(Reactive Ion Etching)法によりSiO2膜60をエッチバックし(図14(i))、さらに、エッチバックにより露出したカーボンナノチューブ上部のCo膜50をウエットエッチング等により除去する。また、ここで、ドレイン電極となるカーボンナノチューブ底部周囲に残るCo膜50とカーボンナノチューブ16との接触抵抗を下げるために基板を300〜600℃で加熱処理をすることが好ましい。
【0127】
再び、SiO2膜60をRIE法を用いてエッチバックし、カーボンナノチューブ16の側壁部のSiO2膜60のみを残し、あとのSiO2膜はエッチング除去する(図14(j))。こうして形成されるSiO2膜60によるサイドウォールの厚みは、約15nm〜1μmとする。
【0128】
次に、プラズマCVD法等を用いてSiO2膜62を成膜する。このSiO2膜62は、ドレイン電極となるCo膜50上およびカーボンナノチューブ上部表面上に堆積する。続いて、スパッタもしくはLPCVD(Low Pressure CVD)法を用いてポリシリコン層70(第2導電膜)を形成し、基板表面を被覆する(図14(k))。
【0129】
続いて、ポリシリコン層70をエッチングガスとしてCF4ガスを用いてRIE法によりエッチバックする。このエッチング条件において、ポリシリコン層70とSiO2膜62との間には2桁程度のエッチングレートの差があり、また、ポリシリコン層70とカーボンナノチューブ16との間には3桁以上のエッチングレートの差があるため、ポリシリコン層70が選択的にエッチングされ、カーボンナノチューブの上部に堆積したSiO2膜62(第2絶縁膜)が露出する(図14(l))。
【0130】
次に、プラズマCVD法等を用いて再びSiO2膜64(第2絶縁膜)を成膜する(図14(m))。このSiO2膜64は、ポリシリコン層70で形成されるゲート電極と次の工程で形成されるソース電極とを電気的に絶縁する、層間絶縁膜として機能する。
【0131】
再び、CF4ガスを用いてSiO2膜64をエッチングし、カーボンナノチューブ16の上部を露出させる。このエッチング条件において、カーボンナノチューブ16とSiO2膜64との間にはエッチングレートで約50倍以上の差があるため、SiO2膜64及びSiO2膜62の一部を選択的にエッチングすることができる。露出したカーボンナノチューブ上部表面に、ソース電極用の金属薄膜、例えばCo膜80(第3導電膜)を形成する。この後、Co膜80とカーボンナノチューブ16との接触抵抗を下げる為に300〜600℃で加熱処理を行う(図14(n))。
【0132】
こうして、第8の実施の形態によれば、一定バンドギャップのカーボンナノチューブを用いて図14(n)に示すFET構造を得ることが可能になる。すなわち、このFET構造では、Co膜80からなるソース電極、Co膜50からなるドレイン電極、ポリシリコン層70からなるゲート電極を有し、チャネルは半導体層であるカーボンナノチューブ16に形成される。このように、基板面に垂直に延在するカーボンナノチューブにチャネル層が形成され、上下にソース/ドレインが形成されるので、立体的なFET構造を得ることが可能になる。また、基板面内方向にソース/ドレイン、及びチャネルが形成される通常のFET構造に較べ、基板面上の占有面積を小さくできるため、デバイスのパターン密度を上げ、緻密化を図ることができる。また、カーボンナノチューブの形成位置は、規則正しい配置を持つアルマイト層の細孔の位置に対応するので、等間隔に基板上に形成することができる。
【0133】
さらに、カーボンナノチューブは、バリスティック伝導性を有するため、動作速度の極めて早いトランジスタを提供できる可能性も高い。
【0134】
なお、上述する説明では、ソース電極、ドレイン電極としてCo膜を使用しているが、これに限られるものではない。例えばTi膜を用いることもできる。この場合は、カーボンナノチューブとの接触抵抗を下げるために行う熱処理温度は、約600〜900℃が好ましい。
【0135】
また、上述の例では、ノンドーピングのカーボンナノチューブがp型を示すため、チャネル部となる高さのカーボンチューブにのみn型ドーパントに相当するKをドーピングしているが、導電型は必要に応じて変更することが可能である。p型のカーボンナノチューブを形成する場合は、Br、I等のp型ドーパント源をカーボンナノチューブ成長時に原料ガスとともに反応チャンバ内に導入させればよい。n型のカーボンナノチューブを形成させる場合は、例えば、K、Cs、Rb等のn型ドーパントを導入させればよい。なお、基板面に垂直方向に延在するカーボンナノチューブでは、カーボンナノチューブの成長に合わせて、経時的にドーピング材の種類を変更すれば高さ方向で異なる導電型のカーボンナノチューブを作製することができる。
【0136】
なお、第8の実施の形態では、基板上に等間隔にカーボンナノチューブを形成するため、第6の実施の形態に係る多孔質層を用いた方法でカーボンナノチューブを形成しているが、必ずしも等間隔にカーボンナノチューブを形成する必要がない場合には、第7の実施の形態に係る製造方法でカーボンナノチューブを作製することもできる。すなわち、Co等の触媒微粒子が分散された溶液に基板を浸漬することで、基板表面に触媒微粒子を分散配置した上で、カーボンナノチューブを成長させる方法を用いてもよい。一旦、バンドギャップの揃ったカーボンナノチューブが形成できれば、その後のFET構造を形成する工程は上述する図14(g)〜図14(n)に示す製造工程と同様な条件を使用できる。
【0137】
(第9の実施の形態)
第9の実施の形態では、第6の実施の形態に係る方法を応用して、カーボンナノチューブを用いたBARITT(Barrier Injection Transit Transistor)構造のFETを作製する方法について説明する。
【0138】
以下、図15(a)〜図16(j)を参照しながら、説明する。
【0139】
第6の実施の形態に係る方法を利用して、SiC基板28上に、一定バンドギャップに揃ったカーボンナノチューブを作製する。なお、カーボンナノチューブの作製方法については第6の実施の形態、および第8の実施の形態と同様な条件を使用できるため、具体的条件についての説明は省略する。
【0140】
まず、SiC基板上にアルマイト層を形成する。すなわち、SiC等の基板上にAl層を形成し、さらにこのAl層を陽極酸化することで、等間隔に配置された細孔を有するアルマイト層を形成する。この後、必要に応じて表面をAr等でスパッタし、アルマイト層の細孔底部に基板表面を露出させる。
【0141】
次に、表面に触媒機能を有するCo膜を形成する。この後、好ましくは基板を加熱しCo膜を凝集させる。さらに、炭化水素触媒分解法を用いて、アルマイト層表面及び、細孔底部にカーボンナノチューブを成長させる。カーボンナノチューブは、凝集したCo微粒子の下に、基板面に対し垂直方向に成長する。アルマイト層の細孔の底部から成長したカーボンナノチューブの高さがアルマイト層の厚みに達しない時点で、チャンバ内の原料ガスを排気し、一旦カーボンナノチューブの成長を停止する。
【0142】
続いて、反応チャンバ内を酸素含有雰囲気とし、カーボンナノチューブに波長λのレーザ光を照射する。このレーザ光照射により励起した所定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブは選択的に酸化され、消滅する。
【0143】
この後、さらにカーボンナノチューブの成長と酸化雰囲気でのレーザ光照射による所定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブの選択的酸化による消滅処理とを繰り返すことにより、所定長さ以上のバンドギャップの揃ったカーボンナノチューブをアルマイト層およびアルマイト層の細孔底部に露出するSiC基板上に成長させる。
【0144】
さらに、基板をリン酸溶液中に浸しアルマイト層をエッチング除去し、アルマイト層上に形成されたカーボンナノチューブも一緒にリフトオフする。こうして、SiC基板上には、アルマイト層の各細孔の底部から成長した一定以上のバンドギャップを持つn型の導電型を有するカーボンナノチューブのみが残存する。また、これらの残存したカーボンナノチューブは、細孔の位置に応じ等間隔に配列したものとなる。
【0145】
続いて、以下に説明する図15(a)〜図16(j)に示す工程を加えることで、カーボンナノチューブをチャネル部として使用したBARITT構造のFETを作製する。
【0146】
なお、必要に応じ、カーボンナノチューブにエッチングを行い、カーボンナノチューブの高さを揃えたり、FET構造を形成する領域を限定し、それ以外の部分のカーボンナノチューブをエッチング除去したりしてもよい。
【0147】
カーボンナノチューブ18表面および、基板28表面にプラズマCVDによりSiO2膜66(第1絶縁膜)を形成する。このときカーボンナノチューブ側面に堆積したSiO2膜の厚さは1〜50nmである。次に、ドレイン電極用の金属、例えばAu及び/又はPt(以下、Au/Ptと記す)膜52(第1導電性膜)をスパッタ法等を用いて成膜する。Au/Pt膜は、カーボンナノチューブ18の上部表面上、及びカーボンナノチューブ18の底部周囲に堆積する(図15(a))。
【0148】
続いて、プラズマCVD法等を用いてSiO2膜67(第2絶縁膜)を形成し、カーボンナノチューブの周囲を絶縁膜であるSiO膜67で埋める(図15(b))。
【0149】
さらに、CF4等のエッチングガスを用いて、RIE法によりSiO膜67をエッチングする。このプロセスにより、カーボンナノチューブ18の側面に、15nm〜1μmのSiO膜67によるサイドウォールが残る。なお、カーボンナノチューブ18底部周囲のAu/Pt膜52とカーボンナノチューブ18との間のSiO2膜の膜厚は1〜15nmである(図15(c))。
【0150】
次に、ドレイン電極とゲート電極を電気的に絶縁するためのSiO膜68(第3絶縁膜)をスパッタにより成膜する(図15(d))。
【0151】
続いて、LPCVDを用いて、ポリシリコン膜72(第2導電性膜)を形成し、隣接し合うカーボンナノチューブ間をポリシリコン層72で埋める(図15(e))。
【0152】
ポリシリコン層72をCF4ガスを用いてRIE法によりエッチバックする。このエッチング条件において、ポリシリコン層72とSiO膜67との間には2桁程度のエッチングレートの差があり、また、ポリシリコン層72とカーボンナノチューブ18との間には3桁以上のエッチングレートの差があるため、ポリシリコン層72が選択的にエッチングされる(図15(f))。
【0153】
次に、ポリシリコン層72の表面を酸化し、SiO2膜69(第4絶縁膜)を形成する(図16(g))。再びCF4を用いてRIE法によりSiO層69を一部エッチング除去する。このエッチング条件において、カーボンナノチューブ16とSiO膜69(SiO膜66,67を含む)との間にはエッチングレートで約50倍以上の差があるため、SiO膜69のみが選択的にエッチングされ、カーボンナノチューブ18の上部が露出する(図16(h))。
【0154】
露出したカーボンナノチューブ表面に、1〜15nmの薄いSiO膜80(第5絶縁膜)を成膜する(図16(i))。さらに、その上にソース電極用のAu/Pt90膜(第3導電性膜)をスパッタ法等を用いて形成する。こうして、図16(j)に示すBARITT構造を得ることができる。
【0155】
このBARITT構造では、カーボンナノチューブ18がチャネル部分を構成し、電子がトンネルできる程度の薄い絶縁層がカーボンナノチューブとソース電極、及びドレイン電極間に形成されている。また、図16(j)に示す構造では、カーボンナノチューブ18の側壁に形成されたサイドウォールであるSiO267がゲート絶縁膜であり、ゲートには電極と同じエネルギー準位が禁制帯となっているポリシリコン層72が用いられている。
【0156】
ゲートにバイアスがかかっていないときは電流は流れないが、ゲートに正バイアスがかかると、カーボンナノチューブ18の伝導帯が価電子帯側に押し下げられて、チャネルの準位がソース電極/ドレイン電極と同じ準位になり、トンネル電流により素子がON状態になる。
【0157】
以上に説明するように、第9の実施の形態によれば、基板面に垂直に延在するカーボンナノチューブにチャネル層が形成され、その上方、下方に絶縁膜を介してソース電極/ドレイン電極が形成されるので、立体的なBARITT構造のFETを得ることが可能になる。また、基板面内方向にソース/ドレイン、及びチャネルが形成される通常のFET構造より、基板面上の占有面積を小さくできるため、デバイスのパターン密度を上げ、緻密化を図ることができる。さらに、カーボンナノチューブの形成位置は、規則正しい配置を持つアルマイト層の細孔の位置に対応するので、等間隔に基板上に形成することができる。
【0158】
なお、第9の実施の形態では、基板上に等間隔にカーボンナノチューブを形成するため、第6の実施の形態に係る多孔質層を用いた方法でカーボンナノチューブを形成しているが、必ずしも等間隔にカーボンナノチューブを形成する必要がない場合には、第7の実施の形態に係る製造方法でカーボンナノチューブを作製することもできる。すなわち、Co等の反応触媒微粒子が分散された溶液に基板を浸漬することで、基板表面に触媒微粒子を分散配置した上で、カーボンナノチューブを成長させる方法を用いてもよい。一旦、バンドギャップの揃ったカーボンナノチューブが形成できれば、その後のBARITT構造を形成する図15(a)〜図16(j)に示す製造工程は同様な条件を使用できる。
【0159】
以上、実施の形態に沿って、本発明のカーボンナノチューブの製造方法について説明したが、本発明のカーボンナノチューブの製造方法は、上述する実施の形態の記載に限定されるものではなく、種々の変形および改良が可能であることは、当業者には自明である。
【0160】
例えば、第8及び第9の実施の形態では、カーボンナノチューブをFETに応用した例を説明しているが、FET以外にも発光ダイオードや半導体レーザ等への応用も可能である。また、第8及び第9の実施の形態では、カーボンナノチューブのバンドギャップを揃える方法として、第1の実施の形態に係る選択的酸化を用いたが、必要とされるバンドギャップの値に応じて第2、または第3の実施の形態に係る方法を使用してもよい。
【0161】
【発明の効果】
以上に説明するように、本発明の第1および第2のカーボンナノチューブの製造方法によれば、照射するレーザ光の波長に応じた、一定バンドギャップ以上、もしくは一定バンドギャップ以下のカーボンナノチューブのみを得ることが可能になる。この製造方法を用いれば、カーボンナノチューブの合成方法の種類によらず、バンドギャップの揃ったカーボンナノチューブを提供できる。したがって、カーボンナノチューブを用いた電子デバイスへの応用が可能となる。
【0162】
また、上述する第1または第2のカーボンナノチューブを用いた半導体装置の製造方法の特徴によれば、基板面に対し垂直方向に延在するカーボンナノチューブにチャネル部を持つ、ナノスケールのFETが提供できる。さらに、基板面方向に形成されるのではなく、基板面に対し垂直方向に延在するFETを形成できるので、極めて微細で緻密なナノスケールデバイスを提供できる。
【0163】
さらに、本発明のカーボンナノチューブの製造装置の特徴によれば、上記第1もしくは第2の本発明のカーボンナノチューブの製造方法をより効率的に実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るカーボンナノチューブのバンドギャップを揃える処理方法を示す概略図である。
【図2】直接遷移型カーボンナノチューブにおけるレーザ光照射と励起との関係を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態に係るカーボンナノチューブのバンドギャップを揃える処理方法を示す概略図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態に係るカーボンナノチューブのバンドギャップを揃える処理方法を示す概略図である。
【図5】本発明の第4の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法で使用する多孔質層の斜視図、および多孔質層上に形成されたCo薄膜の状態を示す断面図である。
【図6】本発明の第4の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を示す工程図である。
【図7】本発明の第4の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法に使用できる熱CVD装置の概略構成図である。
【図8】本発明の第4の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を示す工程図である。
【図9】本発明の第4の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法に使用できるカーボンナノチューブの合成と、レーザ光照射による所定のバンドギャップを持つカーボンナノチューブの消滅処理が可能な装置の概略構成図である。
【図10】本発明の第5の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法に使用できる熱CVD装置の概略構成図である。
【図11】本発明の第5の実施の形態に係る製造方法で合成された単層カーボンナノチューブの状態を示す斜視図である。
【図12】本発明の第7の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法における、基板上へのCo微粒子を分散した状態を示す斜視図、及び当該方法で得られる、基板面に対し垂直に延在するカーボンナノチューブの状態を示す斜視図である。
【図13】本発明の第8の実施の形態に係るカーボンナノチューブの製造方法を示す工程図である。
【図14】本発明の第8の実施の形態に係るカーボンナノチューブを用いたFETの製造方法を示す工程図である。
【図15】本発明の第9の実施の形態に係るカーボンナノチューブを用いたBARITT構造のFETの製造方法を示す工程図である。
【図16】本発明の第9の実施の形態に係るカーボンナノチューブを用いたBARITT構造のFETの製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
10a、10b、10c・・・カーボンナノチューブ
10、12、14、16、18・・・カーボンナノチューブ
20、22、24、26、28・・・基板
30、36・・・多孔質層(アルマイト層)
32・・・細孔
40、46・・・Co膜
44・・・Co微粒子
50・・・Co膜
52、90・・・Au/Pt膜
60、62、64、66、67、68、69、80・・・SiO2膜
70、72・・・ポリシリコン層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing carbon nanotubes, and more particularly to a method for producing carbon nanotubes having desired electronic characteristics, a method for producing a semiconductor device using carbon nanotubes, and a device for producing carbon nanotubes.
[0002]
[Prior art]
A carbon nanotube is a cylindrical material obtained by rolling a single graphite sheet, and has a very fine and stable structure with a diameter of about 1 nm to several tens of nm. (Non-patent Document 1). Therefore, it attracts attention as a finer nanoelectronic device material that exceeds the limit of microfabrication by photolithography. Recently, it has also been suggested that carbon nanotubes may exhibit ballistic conduction, and expectations are high as transistor materials capable of high-speed operation.
[0003]
[Non-Patent Document 1]
Tanaka Kazuyoshi, “Carbon Nanotube” Chemistry, January 30, 2001, 1st Edition
[0004]
[Non-Patent Document 2]
Philip G. Collins and two others, Science, No.292, p.706-709, (2001)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to fabricate an electronic device such as a transistor using carbon nanotubes, it is required to align the electronic properties of the carbon nanotubes, particularly the band gap thereof, to a predetermined value.
[0006]
However, even for the same carbon nanotube, the band gap that determines its electronic properties varies depending on the geometric structure such as chirality (helicality), diameter, and length, and it shows metallic properties or semiconductor properties. Or show.
[0007]
Various methods for synthesizing carbon nanotubes are currently known, including hydrocarbon catalyzed decomposition methods, but it is extremely difficult to align the geometric structure at the synthesis stage. The band gap is usually disjointed and irregular.
[0008]
Recently, in a method for manufacturing a transistor using carbon nanotubes, carbon nanotubes having semiconducting properties to be used for transistors are selected by a technique called “constructive destruction”. In this method, carbon nanotubes are arranged on a silicon substrate, a voltage is applied to each carbon nanotube, and only carbon nanotubes with metallic properties are selectively burned out to identify carbon nanotubes with semiconducting properties (non-patented). Reference 2).
[0009]
However, for practical use, there is a demand for a production method that can control the band gap of carbon nanotubes to a predetermined value according to the application by a simpler and more efficient method.
[0010]
In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide a method for producing a carbon nanotube having a predetermined band gap by a simpler and more efficient method.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device using carbon nanotubes having a predetermined band gap.
[0012]
Furthermore, another object of the present invention is to provide a production apparatus suitable for the production method of carbon nanotubes having the predetermined band gap.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The first carbon nanotube production method of the present invention is characterized by a step of synthesizing a carbon nanotube, and a first laser beam having a wavelength λ1 is irradiated to the carbon nanotube in an oxidizing gas-containing atmosphere. A selective oxidation process for selectively oxidizing and gasifying carbon nanotubes excited by light irradiation; The remaining carbon nanotubes are irradiated with a second laser beam having a wavelength λ2 shorter than the wavelength λ1 in a fluorinated gas-containing atmosphere, and the carbon nanotubes excited by the second laser beam irradiation are selectively fluorinated. A selective fluorination treatment step that reacts with gas to form a fluorinated layer on at least the surface of the carbon nanotube, and an oxidation that gasifies and oxidizes the carbon nanotube in which the fluorinated layer is not formed in an oxidizing gas-containing atmosphere A treatment step, and a defluorination treatment step for removing a fluorine component from the carbon nanotube having a fluoride layer remaining without being gasified; It is to have.
[0014]
According to the characteristics of the first carbon nanotube manufacturing method, carbon nanotubes having a band gap or less corresponding to the wavelength λ1 of the first laser light are selectively excited and oxidatively disappear. Accordingly, it is possible to obtain only carbon nanotubes having a certain band gap or more corresponding to the wavelength λ1 of the first laser beam.
[0015]
The second carbon nanotube production method of the present invention is characterized by the steps of synthesizing the carbon nanotubes, irradiating the carbon nanotubes with a first laser beam having a wavelength λ1 in a fluorinated gas-containing atmosphere, A selective fluorination treatment step of selectively reacting carbon nanotubes excited by laser light irradiation with a fluorinated gas to form a fluorinated layer on at least the surface of the carbon nanotubes; An oxidation treatment step for oxidizing and gasifying carbon nanotubes in which no layer has been formed, and a defluorination treatment step for removing fluorine components from carbon nanotubes having a fluoride layer remaining without being gasified is there.
[0016]
According to the characteristics of the second carbon nanotube production method of the present invention, carbon nanotubes having a band gap or less corresponding to the wavelength λ1 of the first laser beam are selectively excited and fluorinated. The surface of the fluorinated carbon nanotube is transformed into fluorinated carbon (FC) having high etching resistance. In the subsequent oxidation treatment, only the portion that has not been transformed into fluoride is oxidized and extinguished. Furthermore, carbon fluoride returns to carbon again by the defluorination treatment. As a result, a carbon nanotube having a certain band gap or less corresponding to the wavelength λ1 of the first laser beam can be obtained.
[0018]
Alternatively, after the second carbon nanotube production method, the second carbon beam having a second wavelength λ 2 longer than the first wavelength λ 1 is irradiated to the carbon nanotube in an oxidizing gas-containing atmosphere, A selective oxidation treatment step of selectively oxidizing and gasifying the carbon nanotubes excited by the laser light irradiation.
[0019]
As described above, when the first and second carbon nanotube production methods are combined, the band gap corresponding to the first wavelength λ1 and the band corresponding to the second wavelength λ2 can be obtained by two times of laser light irradiation. Carbon nanotubes having a more limited range of band gaps between the gaps can be obtained.
[0020]
In the first and second carbon nanotube production methods, the step of synthesizing the carbon nanotubes includes a step of regularly arranging and forming a porous layer having pores with the substrate surface exposed at the bottom, A step of forming a film made of a metal or a metal compound having a catalytic function for a carbon nanotube growth reaction on a substrate surface exposed at the bottom of the hole, and a step of growing carbon nanotubes at least in the pores by a hydrocarbon catalytic decomposition reaction You may have. Here, the substrate includes not only the substrate itself but also a substrate subjected to processing such as element isolation layer and thin film formation.
[0021]
In this case, by finally removing the porous layer by etching, the carbon nanotubes having a predetermined band gap and extending in the direction perpendicular to the substrate surface can be obtained according to the arrangement of the pores of the porous layer. They can be formed on the substrate at regular intervals.
[0022]
According to the first aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device using a carbon nanotube manufacturing method according to the present invention, and a first conductive film around the bottom of the carbon nanotube. , A step of forming a sidewall with the first insulating film on the side wall surface not filled with the first conductive film of carbon nanotubes, a second insulating film, A step of sequentially forming a conductive film and a third insulating film; and a step of forming a third conductive film on the upper surface of the third insulating film and the carbon nanotube.
[0023]
According to the characteristics of the semiconductor device manufacturing method using the first carbon nanotube described above, the carbon nanotube is used as a channel portion, the first conductive film and the third conductive film are the source / drain electrodes, and the second conductive film. An FET (Field Effect Transistor) having a gate electrode as a gate electrode can be formed.
[0024]
The characteristics of the method for manufacturing a semiconductor device using the second carbon nanotube of the present invention are the steps of manufacturing the carbon nanotube by the carbon nanotube manufacturing method of the present invention, and the first side wall surface of the carbon nanotube with the first insulating film. A step of covering, a step of filling the periphery of the bottom of the carbon nanotube covered with the first insulating film with the first conductive film, and a second insulating film on the side wall surface not filled with the first conductive film of the carbon nanotube. A step of forming a sidewall, a step of sequentially forming a third insulating film, a second conductive film, and a fourth insulating film around the sidewall portion from below; an upper surface of the fourth insulating film and the carbon nanotube; And a step of sequentially forming a fifth insulating film and a third conductive film.
[0025]
According to the characteristics of the semiconductor device manufacturing method using the second carbon nanotube described above, the carbon nanotube is used as a channel portion, the first conductive film and the third conductive film are the source / drain electrodes, and the second conductive film. As a gate electrode, a BARITT structure FET having a barrier layer made of a first insulating film and a fifth insulating film between the source / drain electrode and the carbon nanotube can be obtained.
[0026]
The carbon nanotube production apparatus of the present invention is characterized by a reaction vessel, a laser light transmission window provided on the wall of the reaction vessel, a carbon nanotube production raw material gas, an inert gas, and at least an oxidizing gas or a fluorinated gas. Introducing means for introducing the gas into the reaction vessel; and exhaust means for exhausting the gas in the reaction vessel; A laser oscillation device that is provided outside the reaction vessel and introduces laser light into the reaction vessel through a laser light transmission window, and introduces a carbon nanotube-forming raw material gas and an inert gas into the reaction vessel. In the same reaction vessel, carbon nanotubes are synthesized and part of the carbon nanotubes are selectively removed by irradiating the carbon nanotubes with laser light using at least either an oxidizing gas or a fluorinated gas. That is.
[0027]
According to the characteristics of the carbon nanotube production apparatus, since carbon nanotubes can be synthesized and laser light can be introduced into the reaction vessel through the laser light transmission window, the first production method of the present invention can be used. A selective oxidation treatment or a selective fluorination treatment in the second production method can be performed. Also, the synthesis of carbon nanotubes and the selective oxidation treatment of the carbon nanotubes by laser light irradiation can be performed alternately and continuously.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0029]
(First embodiment)
The method of manufacturing a carbon nanotube according to the first embodiment combines a laser beam irradiation and an oxidation reaction to gasify and extinguish carbon nanotubes having a band gap of a certain energy or less by selective oxidation, so that a certain energy or more is obtained. The main feature is to produce only carbon nanotubes having a band gap.
[0030]
FIG. 1A and FIG. 1B are conceptual diagrams showing the characteristics of the carbon nanotube manufacturing method according to the first embodiment. Here, for convenience of explanation, a carbon nanotube 10a having a band gap Eg of E1 and a carbon nanotube 10b having a band gap of E2 are typically shown. However, actually, there are a plurality of carbon nanotubes. And
[0031]
First, a plurality of carbon nanotubes (hereinafter simply referred to as “carbon nanotubes”) are synthesized using various methods. There is no particular limitation on the synthesis method, and for example, a hydrocarbon catalyst decomposition method, an arc discharge method, a laser ablation method, a plasma synthesis method, and the like can be used. The band gap Eg of the carbon nanotubes immediately after the synthesis is in a non-uniform state with a discrete value usually in the range of 0 ≦ Eg ≦ about 2.5 [eV].
[0032]
In the first embodiment, as shown in FIG. 1A, a carbon nanotube having an irregular band gap is formed in an oxygen atmosphere, that is, oxygen (O 2 ) Place in a contained atmosphere and irradiate with a laser beam having a predetermined wavelength λ1.
[0033]
The laser beam having the wavelength λ1 has a photon energy represented by E = hc / λ1 (h: Planck constant, c: speed of light, λ1: wavelength). Therefore, among the carbon nanotubes, the carbon nanotube 10a having a band gap E1 of hc / λ1 or less absorbs the laser light having the wavelength λ1 as shown in FIG. Excited state. The carbon nanotubes in the excited state become active and react with surrounding oxygen, and carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 CO) x It becomes gas. That is, as shown in FIG. 1B, the carbon nanotube 10a having a band gap E1 of hc / λ1 or less is selectively oxidized and disappears.
[0034]
On the other hand, as shown in FIG. 2B, the carbon nanotube 10b having a band gap E2 higher than hc / λ1 does not absorb laser light and does not enter an excited state, and therefore does not react with surrounding oxygen. Therefore, it remains as it is.
[0035]
In this way, by irradiating laser light having a specific wavelength λ1 in an oxygen atmosphere after or during synthesis of carbon nanotubes, only carbon nanotubes having a band gap greater than the energy corresponding to the wavelength can be obtained. It becomes possible.
[0036]
In the above description, the case where the carbon nanotube is a direct transition type has been described as an example. However, even when the carbon nanotube is an indirect transition type, only the energy exceeding a certain amount corresponding to the band gap is absorbed and excited electrons are absorbed. When carbon is relaxed, it is heated by the interaction with the phonon and the carbon nanotubes are activated. Accordingly, only carbon nanotubes having a certain band gap or less can be oxidized and extinguished by irradiation with laser light having a specific wavelength.
[0037]
Note that as an oxygen atmosphere at the time of laser light irradiation, oxygen (O 2 ) Not only the contained atmosphere but any atmosphere containing so-called oxidation that can oxidize excited carbon nanotubes may be used. In addition, the temperature condition of the substrate and the like at that time is adjusted to 420 ° C. or less, more preferably 350 ° C. to 420 ° C. so that only the carbon nanotubes excited by the absorption of laser light are selectively oxidized. . The temperature condition is adjusted according to the desired oxidation rate. Since the carbon nanotubes irradiated with the laser light are oxidized at an accelerated rate, selective oxidation is possible even under thermal oxidation conditions.
[0038]
Note that laser light irradiation is not necessarily performed in a sealed state or under reduced pressure, and can be performed in a reaction vessel with a simple laser light transmission window or in the air.
[0039]
Further, the wavelength λ1 of the laser beam to be irradiated is selected in accordance with the required value of the band gap of the carbon nanotube within the range of band gap 0 ≦ Eg ≦ about 2.5 [eV] that can be taken by the carbon nanotube. There is no particular limitation. For example, when a carbon nanotube larger than the direct transition type band gap Eg is required, a laser beam having a wavelength λ1 satisfying Eg = h · c / λ1 may be used. For example, a YAG laser and glass laser having a wavelength of 1.06 μm, a ruby laser having a wavelength of 0.69 μm, and a dye laser having a wavelength of 0.4 to 0.7 μm can be used. In addition, various semiconductor lasers manufactured by a structure in which a GaInNAs layer is formed on a GaAs substrate or a structure in which a GaInAsP layer is formed on an InP substrate can be used. With such a semiconductor laser, the irradiation energy can be varied in the range of Eg = 0 to 2.5 eV.
[0040]
As described above, according to the first embodiment, the band gap of the carbon nanotube can be changed to the wavelength λ1 of the laser beam only by adding a simple selective oxidation treatment with laser irradiation to the conventional method for synthesizing the carbon nanotube. It becomes possible to make it more than a certain band gap according to In this way, it is highly possible that carbon nanotubes with a uniform band gap can be obtained with a substantially uniform work function. According to this method, a relatively large amount of carbon nanotubes can be collectively processed, and carbon nanotubes having a desired band gap can be selectively extracted. Moreover, since the selective oxidation treatment using laser irradiation described above can be repeatedly performed during the synthesis of carbon nanotubes, carbon nanotubes having a desired band gap can be produced in a relatively large amount.
[0041]
(Second Embodiment)
The method for producing carbon nanotubes according to the second embodiment is to produce only carbon nanotubes having a band gap of a certain energy or less by combining laser light irradiation, fluorination reaction, and subsequent oxidation reaction. Main features.
[0042]
FIG. 3A to FIG. 3D are conceptual diagrams showing the characteristics of the carbon nanotube manufacturing method according to the second embodiment.
[0043]
First, similarly to the method according to the first embodiment, carbon nanotubes are synthesized using various methods. There is no particular limitation on the synthesis method, and for example, a hydrocarbon catalyst decomposition method, an arc discharge method, a laser ablation method, a plasma synthesis method, and the like can be used. The band gap Eg of the carbon nanotubes immediately after being synthesized in this way is usually in an uneven state, with values varying between 0 ≦ Eg ≦ about 2.5 [eV].
[0044]
In the second embodiment, as shown in FIG. 3A, the carbon nanotubes having an irregular band gap obtained by synthesis are placed in a fluorine atmosphere, that is, a fluorine (F) -containing atmosphere, and the carbon nanotubes have a predetermined shape. Is irradiated with a laser beam having a wavelength λ1.
[0045]
Since the laser beam having the wavelength λ1 has photon energy represented by E = hc / λ1, the carbon nanotube 10a having a band gap E1 of hc / λ1 or less among the carbon nanotubes absorbs the laser beam having the wavelength λ1. Since an interband transition of carriers occurs, an excited state is obtained. The carbon nanotubes in the excited state become active and react with surrounding fluorine. Thus, as shown in FIG. 3B, stable fluorocarbon is formed on the surface of the carbon nanotube. That is, the carbon nanotube 10a having a band gap E1 of hc / λ1 or less is selectively fluorinated. At this time, the temperature is preferably 250 ° C to 350 ° C.
[0046]
On the other hand, the carbon nanotube 10b having a band gap E2 higher than hc / λ1 does not absorb the laser beam and does not enter an excited state, so that it does not react with surrounding fluorine and remains as it is.
[0047]
Next, as shown in FIG. 3C, the carbon nanotubes 10a and 10b are placed in an oxygen atmosphere, and oxidation is performed at a temperature of 350 ° C. to 420 ° C. or higher, for example. The temperature condition can be appropriately set according to a desired oxidation rate. The carbon nanotubes 10b subjected to the fluorination treatment are resistant to the high temperature oxidation conditions. However, the carbon nanotubes 12 not subjected to the fluorination treatment are oxidized, as shown in FIG. 2 CO such as x It disappears as gas. As a result, only the fluorinated carbon nanotube 10a remains.
[0048]
Thereafter, as shown in FIG. 3 (d), the remaining fluorinated carbon nanotubes 10a are immersed in a highly reducing solution such as hydrazine to perform a defluorination treatment. Thus, by removing fluorine, the carbon nanotube 10a returns to its original state, and it is possible to obtain only the carbon nanotube 10a having a band gap E1 equal to or less than the band gap of hc / λ1.
[0049]
In the above description, the case where the carbon nanotube is a direct transition type has been described as an example. However, even when the carbon nanotube is an indirect transition type, only a certain amount of energy corresponding to the band gap is absorbed, and the carbon nanotube As a result, only carbon nanotubes with a certain band gap or less are selectively fluorinated by irradiation with laser light of a specific wavelength, and other carbon nanotubes are extinguished by oxidation treatment, and the remaining fluorination treatment By defluorinating the carbon nanotubes formed, only carbon nanotubes having a specific band gap or less can be obtained.
[0050]
Furthermore, the fluorine atmosphere when performing laser beam irradiation may be any fluorine-containing atmosphere that can react with excited carbon nanotubes to form stable carbon fluoride, and includes not only fluorine but also ammonium fluoride and fluorine hydrogen. Various fluorinated gas-containing atmospheres such as acids can be used. In addition, the ambient temperature is adjusted to, for example, 350 ° C. or less, preferably 250 ° C. to 350 ° C. so that only the carbon nanotubes excited by the absorption of laser light cause a fluorination reaction. In this case, the fluorination treatment is preferably performed in a sealable reaction vessel with a laser light transmission window.
[0051]
The wavelength λ1 of the laser beam to be irradiated is selected in accordance with the required value of the band gap of the carbon nanotube within the range of band gap 0 ≦ Eg ≦ about 2.5 [eV] that can be taken by the carbon nanotube. There is no particular limitation.
[0052]
In general, a semiconductor having a band gap of Eg [eV] absorbs laser light having a wavelength λ [μm] that satisfies λ1 ≦ 1.239 / Eg, and excites electrons. Therefore, in order to obtain a carbon nanotube having a band gap of Eg [eV] or less, it is desirable to irradiate a laser beam having a wavelength of λ1 (= 1.239 / Eg). For example, a YAG laser and glass laser having a wavelength of 1.06 μm, a ruby laser having a wavelength of 0.69 μm, and a dye laser having a wavelength of 0.4 to 0.7 μm can be used. It is also possible to use a semiconductor laser.
[0053]
As described above, according to the second embodiment, a simple selective fluorination treatment and oxidation treatment are added to the conventional method for synthesizing carbon nanotubes, and a constant value corresponding to the wavelength λ1 of the used laser beam is obtained. Carbon nanotubes having a band gap or less can be obtained. In this way, it is highly possible that carbon nanotubes with a uniform band gap can be obtained with a substantially uniform work function. According to this method, a relatively large amount of carbon nanotubes can be collectively processed, and carbon nanotubes having a desired band gap can be selectively extracted. In addition, since the selective fluorination treatment using the laser irradiation described above can be repeatedly performed during the synthesis of the carbon nanotube, carbon nanotubes having a desired band gap can be manufactured in a relatively large amount.
[0054]
(Third embodiment)
The carbon nanotube manufacturing method according to the third embodiment is characterized by a manufacturing method that combines the manufacturing method according to the first embodiment and the manufacturing method according to the second embodiment, and has a specific energy range. The main feature is to produce only carbon nanotubes having a band gap.
[0055]
First, in accordance with the method according to the first embodiment, a carbon nanotube having a band gap of a certain energy or more is produced. That is, carbon nanotubes having irregular band gaps are prepared in advance using various synthesis methods such as hydrocarbon catalyst decomposition. Next, as shown in FIG. 4A, a laser beam having a wavelength λ1 is irradiated in an oxygen atmosphere to excite only the carbon nanotube 10A having a band gap E11 less than the energy EL1 (= hc / λ1) of the laser beam. And selectively oxidize and extinguish. Then, carbon nanotubes 10B and 10C having band gaps E21 and E31 larger than EL1 (= hc / λ1) are left.
[0056]
Subsequently, as shown in FIG. 4B, the remaining carbon nanotubes 10B and 10C are placed in a fluorine atmosphere and irradiated with laser light having a wavelength λ2 shorter than λ1. Here, since the carbon nanotube 10A having the band gap E11 of energy EL1 (= hc / λ1) or less has already disappeared, the band gap is larger than EL1 (= hc / λ1) and less than EL2 (= hc / λ2). The carbon nanotube 10B having a certain E21 is excited and selectively fluorinated. The carbon nanotube 10C having a band gap E31 larger than EL2 remains as it is.
[0057]
Subsequently, as shown in FIG. 4C, the remaining carbon nanotubes 10B and 10C are placed in an oxygen atmosphere and heated. By this high temperature oxidation treatment, the carbon nanotube 10C having the band gap E31 that has not been fluorinated is oxidized and extinguished.
[0058]
Finally, when the fluorinated carbon nanotube 10B is immersed in a reducing solution such as hydrazine and defluorinated, the original carbon nanotube 10B can be returned. In this way, by performing laser irradiation twice and oxidation, fluorination treatment, and defluorination treatment, the energy of the first laser irradiation light is higher than the energy EL1 (= hc / λ1), and the second laser irradiation light A carbon nanotube 10B having an energy gap of energy EL2 (= hc / λ2) or less can be obtained.
[0059]
In the example described above, the method according to the first embodiment is performed first, but the method according to the second embodiment is performed first, and the method according to the first embodiment is performed later. May be. That is, first, the carbon nanotube is placed in a fluorine atmosphere, irradiated with a laser having a wavelength λ1, subjected to selective fluorination treatment, then subjected to high-temperature oxidation, and a band gap higher than hc / λ1 that has not been subjected to fluorination treatment. The carbon nanotubes having oxidization are oxidized and extinguished. Thereafter, the fluorinated carbon nanotubes having a band gap of hc / λ1 or less are defluorinated. Further, the carbon nanotubes after defluorination are placed in an oxygen atmosphere, and laser light having a wavelength λ2 longer than the wavelength λ1 is irradiated to selectively oxidize and extinguish the carbon nanotubes having a band gap of hc / λ2 or less. In this way, a carbon nanotube having an energy gap lower than the energy EL1 (= hc / λ1) of the first laser irradiation light and higher than the energy EL2 (= hc / λ2) of the second laser irradiation light can be obtained.
[0060]
The treatment for leaving only the carbon nanotubes having a predetermined band gap from the irregular carbon nanotubes described above may be performed during the carbon nanotube synthesis process, or may be repeated a plurality of times.
[0061]
Thus, according to the carbon nanotube manufacturing method of the third embodiment, it is possible to manufacture carbon nanotubes having a more limited band gap. Accordingly, it is possible to control the band gap of the carbon nanotube more accurately. Therefore, among electronic devices, application to device applications such as light-emitting diodes and semiconductor lasers that require accurate band gap control is also possible.
[0062]
(Fourth embodiment)
The method of manufacturing a carbon nanotube according to the fourth embodiment provides a carbon nanotube with a uniform band gap using the method of any of the first to third embodiments described above, and regularly. Carbon nanotubes extending in a direction perpendicular to the substrate surface are arranged on the substrate at equal intervals using a porous layer having arranged pores.
[0063]
The manufacturing method according to the fourth embodiment will be described below with reference to FIGS. 5 (a) to 8 (b).
[0064]
First, as shown in FIG. 5A, a porous layer 30 having pores 32 arranged at equal intervals such as alumite, zeolite, and mesoporous silica is formed on the surface of an arbitrary substrate 20. If the pores 32 do not reach the surface of the substrate 20, sputtering is performed on the entire surface with Ar or the like, the remaining layer at the bottom of the pores 32 is removed, and the surface of the substrate 20 is exposed at the bottom of the pores 32. It is preferable to make it. The size of the pores 32 is not particularly limited, but the size of the carbon nanotubes to be produced is slightly smaller than the diameter of each pore 32, and is a size capable of forming a single carbon nanotube in each pore 32. It is preferable.
[0065]
Next, carbon nanotubes are synthesized. The synthesis method is not limited, and various methods such as a hydrocarbon catalytic decomposition method, an arc discharge method, or a laser ablation method can be used. Here, for example, a hydrocarbon catalytic decomposition method using a thermal CVD method is used. Will be described. As shown in FIG. 5 (b), a Co thin film 40 having a catalytic function for the carbon nanotube formation reaction is formed on the entire surface of the substrate on which the porous layer 30 is formed by sputtering or CVD to a thickness of several nm. ˜about several tens of nm. FIG. 6A is a cross-sectional view showing a state in which the Co thin film 40 is formed on the bottoms of the pores 32 of the porous layer 30 and the surface of the porous layer 30. Instead of the Co thin film 40, a thin film having a function of a graphitization catalyst, such as Fe, Ni, Co, Rh, Pd, Pt, Rh, Pd, Y, La, or the like can be formed. These catalysts are not limited to single metal thin films, but may be metal compound thin films such as Co silicide.
[0066]
Preferably, after the Co thin film 40 is formed, heat treatment is performed, and the Co thin film 40 is agglomerated as shown in FIG. The agglomeration of the Co thin film 40 promotes the supply of the raw material gas to the bottom of the catalyst during the subsequent carbon nanotube growth reaction, and promotes the hydrocarbon catalytic decomposition necessary for the growth of the carbon nanotubes more efficiently.
[0067]
Next, the carbon nanotubes 10 are grown on the surface of the substrate 20 on which the porous layer 30 is formed. The growth of the carbon nanotube 10 is performed by the following procedure using, for example, a thermal CVD apparatus as shown in FIG. The substrate 20 on which the porous layer 30 and the Co thin film 40 are formed is placed in the reaction chamber 100, and the substrate 20 is heated to 300 to 500 ° C. by the heater 110 provided around the reaction chamber 100. The inside of the reaction chamber 100 is depressurized using an exhaust pump 120 such as a rotary pump. 2 H diluted with 2 S + H 2 The gas is introduced and maintained in this state for about 30 minutes to 5 hours, and pretreatment is performed.
[0068]
Next, the inside of the reaction chamber 100 is further depressurized, and acetylene (C 2 H 2 ) Or the like is introduced into the reaction chamber 100. The substrate is heated to 500 ° C. to 1000 ° C., and the hydrocarbon gas is thermally decomposed by the catalytic reaction of the Co thin film 40. As shown in FIG. 6 (c), the carbon nanotubes 10 are formed in such a manner that the Co thin film 40 is pushed up in the direction perpendicular to the substrate surface on the bottom of the pores 32 and the surface of the porous layer 30 where the Co thin film 40 is formed. grow up.
[0069]
Before the height of the carbon nanotube 10 reaches the height of the pore 32, the growth of the carbon nanotube is once stopped, and the method of any one of the first to third embodiments is used. The process of aligning the band gap is performed. For example, when the method according to the first embodiment is used, as shown in FIG. 6D, the substrate on which the carbon nanotubes are formed is placed in an oxygen atmosphere and irradiated with laser light having a predetermined wavelength λ1. Then, carbon nanotubes having a band gap of hc / λ1 or less are eliminated by selective oxidation treatment. Thus, as shown in FIG. 6E, only the carbon nanotubes 10 having a band gap E2 higher than hc / λ1 are left. This selective oxidation treatment may be performed outside the CVD apparatus. However, if the CVD apparatus shown in FIG. 9 described later is used, it can also be performed in the reaction chamber used for the carbon nanotube growth reaction.
[0070]
Carbon nanotubes are grown again by hydrocarbon catalytic decomposition. By alternately repeating the carbon nanotube synthesis step and the step of selectively oxidizing and annihilating carbon nanotubes having a certain band gap or less by laser light irradiation, the band gap as shown in FIG. Only carbon nanotubes larger than λ1 can be grown on the substrate surface and the bottom of the pores. Note that a Co film may be formed again before the carbon nanotube synthesis step. In order to prevent the pores 32 from being blocked by the Co film, agglomeration by heating may be performed.
[0071]
Thereafter, by removing the porous layer 30 by etching, the carbon nanotubes 10 grown on the surface of the porous layer 30 are lifted off together with the porous layer 30, and the carbon nanotubes grown from the surface of the substrate 20 where the bottoms of the pores 32 are exposed. Leave only. Thus, the carbon nanotubes 10 extending in the direction perpendicular to the substrate surface and having a uniform band gap can be arranged at equal intervals corresponding to the arrangement of the pores 32 of the porous layer.
[0072]
The arrangement of the carbon nanotubes 10 can be adjusted by adjusting the size of the pores and the spacing between adjacent pores. The Co thin film 40 formed on the bottoms of the pores 32 of the porous layer 30 tends to aggregate into a smaller number or even a single fine particle due to aggregation. Since a single carbon nanotube easily grows with respect to a single fine particle, a carbon nanotube corresponding to the number of nuclei of Co fine particles existing there grows at the bottom of the pore 32. Therefore, this property can be used to adjust the number of carbon nanotubes that grow in each pore.
[0073]
If the carbon nanotube production apparatus shown in FIG. 9 is used, the above-described production method does not take out the substrate from the reaction chamber, and growth of carbon nanotubes and selective oxidation treatment of predetermined carbon nanotubes by laser light irradiation, or The selective fluorination treatment can be performed continuously.
[0074]
In this manufacturing apparatus, a laser beam transmitting window 140 is provided in a reaction chamber 102 of a CVD apparatus, and a laser beam oscillated from a laser oscillator 130 provided outside is used as a laser beam by using a lens system 132 and a mirror system 134. The light is guided into the reaction chamber 102 through the light transmission window 140. Further, as the gas supply source of the CVD apparatus, in addition to the raw material gas source and the inert gas source used for the synthesis of the carbon nanotube, the selective oxidation treatment described in the first to third embodiments or the selective hooking process is used. Oxygen (O 2 ) Gas and gas supply sources such as fluorine (F) gas are added. If this carbon nanotube manufacturing apparatus is used, when the carbon nanotube is grown, the inside of the reaction chamber is raised to a predetermined temperature, and an inert gas and a carbon nanotube source gas are introduced into the reaction chamber 102. Then, when performing the process of aligning the band gaps of the carbon nanotubes, the reaction chamber is once evacuated and replaced with an inert gas, and then the reaction chamber is adjusted to a predetermined temperature to be inert with oxygen gas or fluorine gas. Introduce gas. Then, a laser beam having a predetermined wavelength is irradiated onto the substrate in the reaction chamber through the laser beam transmission window.
[0075]
According to the fourth embodiment described above, since the carbon nanotubes extending in the direction perpendicular to the substrate and having a predetermined band gap can be arranged on the substrate at equal intervals, the transistors arranged in an array, etc. This is an extremely effective manufacturing method for manufacturing electronic parts.
[0076]
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, a specific method for producing single-walled carbon nanotubes with a uniform band gap will be described using any of the methods of the first to third embodiments described above.
[0077]
Hereinafter, a manufacturing method according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 10 and 11.
[0078]
First, single-walled carbon nanotubes are synthesized using the CVD apparatus shown in FIG. The reaction chamber 102 and the surrounding heating furnace 112, an exhaust pump 122 such as a rotary pump for exhausting the inside of the reaction chamber 102, and each source gas supply line are the same as the CVD apparatus shown in FIGS. In addition, a quartz tube 132 containing a catalyst 142 for carbon nanotube growth reaction is provided in the upstream region of the reaction chamber 102.
[0079]
As the catalyst 142, for example, Fe supported on alumina. 2 O Three Use fine particles. This Fe 2 O Three The fine particles are 0.245 g Fe (NO 3 ) 3 -It is obtained by dissolving 9-hydrate in methanol, heating to 80 ° C, removing methanol using a rotary evaporator, and further heating to 150 ° C.
[0080]
Ar gas as a carrier gas and methane (CH 4 ) When the gas is introduced into the reaction chamber 102, it passes through the quartz tube 132 containing the catalyst 142, so that the components of the catalyst 142 are also mixed into the reaction chamber 102 together with the source gas and the carrier gas.
[0081]
For example, the inside of the reaction chamber 102 is heated to about 1000 ° C., the source gas is supplied into the reaction chamber 102 under the conditions of a source gas pressure of 1.25 atm and a source gas flow rate of 6.15 l / h, and the reaction is performed for about 10 minutes. Let As a result, single-walled carbon nanotubes having a diameter of 1 nm to 10 nm and a length of 10 μm or less can be obtained by a hydrocarbon catalytic reaction in a gas phase. The carbon nanotubes thus obtained have various band gaps depending on the diameter and chirality state.
[0082]
Next, a process for aligning the band gaps of the carbon nanotubes 12 with uneven band gaps is performed using the method according to any of the first to third embodiments.
[0083]
For example, when the selective oxidation process according to the first embodiment is used, as shown in FIG. 11, the synthesized carbon nanotubes 12 with uneven band gaps are taken out from the reaction chamber 102, and a substrate 22 made of SiC or the like is taken. Place on top. This substrate is not particularly limited as long as it has a large band gap and does not absorb the wavelength of the laser beam to be irradiated.
[0084]
Next, the substrate 22 on which the carbon nanotubes 12 are placed is transferred into a reaction vessel having a laser light transmission window, for example, as shown in FIG. The inside of the reaction chamber is adjusted to an oxygen-containing atmosphere of, for example, O 2: He = 1: 1, and the carbon nanotubes 12 placed on the substrate 22 are irradiated with laser light having a wavelength λ. The wavelength λ of the laser light is selected according to the band gap of the carbon nanotube to be produced. When it is desired to make the band gap of the carbon nanotube larger than Eg [eV], the wavelength λ [μm] of the laser beam to be irradiated may be selected so as to satisfy λ ≦ 1.239 / Eg. For example, when it is desired to make the band gap Eg of the carbon nanotube larger than 1.5 [eV], a laser beam with λ = 826 [nm] may be irradiated. For example, when a YAG laser having a wavelength of 1.064 μm is used as the laser, the band gap of the carbon nanotube can be made larger than 1.16 [eV]. In this case, for example, repetitive 1kHz, peak power density 300kW / cm 2 Laser light irradiation is performed under the condition of a pulse width of 300 nsec.
[0085]
Note that the selective oxidation treatment of the excited carbon nanotubes with laser light irradiation may be repeatedly performed during the growth process of the carbon nanotubes.
[0086]
As described above, according to the fifth embodiment, single-walled carbon nanotubes with a uniform band gap can be produced by a simple method.
[0087]
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment, using the method according to the first to third embodiments and the method according to the fourth embodiment described above, the substrate is equally spaced on the substrate in the direction perpendicular to the substrate surface. A specific method for forming extended carbon nanotubes with a uniform band gap will be described. Here, an example in which an alumite layer is used as the porous layer will be described.
[0088]
First, an alumite having pores is formed on a substrate by the following procedure. The substrate is preferably a conductor or semiconductor suitable for anodization, such as a SiC substrate, and further, a substrate that does not absorb laser light in the subsequent laser irradiation treatment and can withstand the temperature during the growth of carbon nanotubes. desirable.
[0089]
For example, an aluminum layer is formed on a SiC substrate using a vacuum deposition method. Specifically, the cleaned SiC substrate is carried into a vacuum chamber of an electron beam evaporation apparatus, and the inside of the vacuum chamber is depressurized to 1E-4 to 6 Pa to perform evaporation. The thickness t (nm) of the aluminum layer is, for example, 2 nm ≦ t ≦ 50 nm.
[0090]
Next, the aluminum layer is anodized in an acidic aqueous solution and alumite treatment is performed. Specifically, the SiC substrate on which the aluminum layer is formed is immersed in a sulfuric acid aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 1 to 50 wt%, more preferably 5 to 30 wt%, and a temperature of 0 to 50 ° C., more preferably 5 to 30 ° C. In this sulfuric acid aqueous solution, the current density J [A / dm 2 ] 0 <J ≦ 10 [[A / dm 2 More preferably, 1 ≦ J ≦ 2 [A / dm 2 ], An electric field is applied under the condition of voltage V [V] of 0 <V ≦ 50V, more preferably 5 ≦ V ≦ 20. The aluminum layer is anodized to form an alumite layer that is a porous layer. Under the above conditions, the alumite layer has a pore diameter of 3 to 100 nm and a pore density of 5000 to 500000 / cm at regular intervals. 2 Pores are formed. Thus, the pore diameter and the pore density can be adjusted by the current time, the sulfuric acid aqueous solution temperature, the immersion time, and the like. Note that various acidic aqueous solutions such as oxalic acid, phosphoric acid, chromic acid, organic acid + sulfuric acid, boric acid + formamide, and the like can be used instead of the sulfuric acid aqueous solution.
[0091]
Thereafter, alumina remaining at the bottom of the hole is removed by a method such as Ar sputtering, and the surface of the SiC substrate is surely exposed at the bottom of each hole.
[0092]
Next, carbon nanotubes are grown using a hydrocarbon catalytic decomposition method. First, a reaction catalyst, for example, Co is formed on the surface of the SiC substrate on which the alumite layer is formed using a sputtering method or a CVD method. Co film thickness should just be thinner than the thickness of an alumite layer. Thereafter, the SiC substrate is preferably heated to agglomerate Co.
[0093]
For example, this substrate is carried into the reaction chamber 102 of the carbon nanotube production apparatus shown in FIG. The substrate temperature is set to about 400 ° C. by the heater 112, and the reaction chamber 102 is filled with N 2 H diluted with 2 S + H 2 Flow gas and pre-process for about 2 hours.
[0094]
Next, the pressure in the reaction chamber 102 is reduced, and acetylene (C 2 H 2 ) Or the like is introduced into the reaction chamber 102. The substrate temperature is heated to 600 to 1400 ° C., more preferably 800 to 1000 ° C., and the raw material gas is pyrolyzed under a Co catalyst to grow carbon nanotubes on the surface of the alumite layer and the bottom of the pores.
[0095]
The carbon nanotubes grow in a direction perpendicular to the substrate surface under the aggregated Co fine particles. When the height of the carbon nanotubes grown from the bottom of the pores of the alumite layer does not reach the thickness of the alumite layer, the source gas in the chamber is exhausted and the growth of the carbon nanotubes is once stopped.
[0096]
Next, using any one of the methods according to the first to third embodiments, the carbon nanotube band gaps with uneven band gaps are aligned. For example, when the selective oxidation process according to the first embodiment is performed, the source gas in the chamber is evacuated, the pressure in the reaction chamber 102 is reduced, and oxygen (O 2 ) Gas and helium (He) gas are introduced at a flow rate ratio of about 1: 1, and the inside of the reaction chamber 102 is made an oxygen-containing atmosphere.
[0097]
The carbon nanotube is irradiated with laser light having a wavelength λ through the laser light transmission window 140. When it is desired to obtain a direct transition type carbon nanotube larger than the band gap Eg [eV], the wavelength λ [μm] of the laser beam to be irradiated is selected so as to satisfy λ ≦ 1.239 / Eg. For example, when aligning the band gaps of carbon nanotubes to those larger than E = 1.5 [eV], laser light with λ = 826 [nm] may be irradiated. For example, when a YAG laser having a wavelength of 1.064 μm is used as the laser, the band gap of the carbon nanotube can be made larger than 1.16 [eV]. In this case, repeated 1kHz, peak power density 300kW / cm 2 Laser light irradiation is performed under conditions such as a pulse width of 300 nsec. Carbon nanotubes having a predetermined band gap or less excited by this laser light irradiation are oxidized and extinguished.
[0098]
Thereafter, carbon nanotubes are again grown on the substrate by the hydrocarbon catalytic decomposition method using the method described above. By repeating the growth of carbon nanotubes and the annihilation process of carbon nanotubes below a predetermined band gap by laser irradiation in an oxidizing atmosphere, carbon nanotubes with a band gap equal to or longer than a predetermined length are converted into pores in the anodized layer and anodized layers. It can be grown on the SiC substrate exposed at the bottom. Note that the Co film may be formed again before the carbon nanotube growth again.
[0099]
Finally, the substrate is immersed in a phosphoric acid solution, and the alumite layer is removed by etching. Through this step, the carbon nanotubes grown on the surface of the alumite layer are also peeled off together with the alumite layer. On the SiC substrate, only carbon nanotubes having a band gap of a certain level or more grown from the bottom of each pore of the alumite layer remain. Further, these remaining carbon nanotubes are arranged at equal intervals according to the positions of the pores.
[0100]
As described above, according to the sixth embodiment, the carbon nanotubes having a uniform band gap are formed on the substrate in the direction perpendicular to the substrate surface by using the porous structure of the alumite layer. Can be manufactured.
[0101]
(Seventh embodiment)
In the seventh embodiment, carbon nanotubes with a uniform band gap extending in a direction perpendicular to the substrate surface are formed on the substrate using the methods according to the first to third embodiments described above. Another method will be described. Here, a method is used in which catalyst fine particles are dispersedly arranged on a substrate using an immersion method.
[0102]
First, catalyst fine particles to be dispersed on a substrate are prepared. The catalyst fine particles are not limited as long as they have a catalytic function for the carbon nanotube growth reaction, and include Co, Ni, NiCo, Rh, Pd, Pt, RhPd, Y, La, or these metals. Fine particles of a metal compound such as silicide can be used. Here, an example using Co fine particles will be described.
[0103]
N 2 10% by weight of didodecyl ammonium bromide in toluene in a glove box sufficiently substituted with 2 ・ 6H 2 O is dissolved in 0.005M (mol / l) and stirred. Furthermore, 5 M (mol / l) NaBH was added to this solution. 4 Add, mix and stir again. Thus, a solution in which Co fine particles having a diameter of about 5 nm are dispersed is prepared. Co fine particles are separated from this solution, and the separated Co fine particles are washed with acetone and toluene, and finally Co fine particles are dispersed in acetone.
[0104]
The substrate is immersed in an acetone solution in which Co fine particles are dispersed, pulled up, and dried at room temperature. Thus, as shown in FIG. 12A, about 5 nm of Co fine particles 44 of about 5 nm on the substrate 24, for example, 50 / μm. 2 Disperse at a certain density. The dispersion density of the Co fine particles can be adjusted by the Co content concentration in the solution to be immersed, the pulling rate, and the like.
[0105]
Note that the substrate may be any substrate that does not absorb the irradiation laser during the subsequent laser irradiation and can withstand the temperature during carbon nanotube growth. Therefore, glass substrate, SiC substrate, α-Al 2 O 3 A substrate or a zeolite substrate can be used.
[0106]
Next, this substrate 24 is carried into a reaction chamber of a thermal CVD apparatus as shown in FIG. 9, and carbon nanotubes are produced under the same conditions as in the sixth embodiment. That is, N 2 H diluted with 2 S + H 2 After the pretreatment in the gas, the substrate temperature is heated to about 600 to 1000 ° C., hydrocarbon catalytic decomposition is performed, and carbon nanotubes are grown. The carbon nanotubes grow in a direction perpendicular to the substrate surface where Co fine particles exist on the substrate 24.
[0107]
When carbon nanotubes have grown to some extent, the pressure in the reaction chamber is reduced, the reaction gas is exhausted, and the growth of carbon nanotubes is stopped.
[0108]
Subsequently, the source gas in the reaction chamber is exhausted under the same conditions as in the sixth embodiment, and O 2 Gas and He gas are introduced, and the reaction chamber is filled with an oxygen-containing atmosphere, and then the carbon nanotube is irradiated with laser light having a wavelength λ [μm]. When the desired band gap is Eg [eV], a laser beam that satisfies λ ≦ 1.239 / Eg is selected. Further, a pulse laser such as YAG can be used as necessary. Carbon nanotubes having a predetermined band gap or less excited by this laser light irradiation are oxidized and extinguished.
[0109]
Thereafter, carbon nanotubes are grown again on the substrate using the above-described hydrocarbon catalytic decomposition method. By repeating the growth of carbon nanotubes and the annihilation process by selective oxidation of carbon nanotubes below a predetermined band gap by laser light irradiation in an oxygen atmosphere, carbon nanotubes with a band gap of a predetermined length or more are grown on the substrate. Can be made. In this way, for example, carbon nanotubes 14 having a length of 500 nm or more can be grown perpendicularly to the substrate using Co fine particles dispersed on the substrate 24 as nuclei as shown in FIG. 12B. According to this manufacturing method, the distance between adjacent carbon nanotubes is 300 nm, and the density is 10 / μm. 2 Carbon nanotubes of a certain degree can be produced.
[0110]
As described above, according to the manufacturing method according to the seventh embodiment, carbon nanotubes extending in a direction perpendicular to the substrate and having a predetermined band gap can be dispersedly arranged on the substrate. The density and dispersion state of the carbon nanotubes can be easily adjusted by the dispersion conditions of the Co fine particles on the substrate.
[0111]
(Eighth embodiment)
In the eighth embodiment, a method for manufacturing an FET using carbon nanotubes manufactured by the method according to the sixth embodiment will be described.
[0112]
Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 13 (a) to 14 (n).
[0113]
As shown in FIGS. 13A to 13F, carbon nanotubes having a uniform band gap are formed on the SiC substrate 26 by using the method according to the sixth embodiment. Note that conditions similar to those in the sixth embodiment can be used, and thus description of specific conditions is omitted.
[0114]
First, an Al layer 36a having a thickness of 2 nm to 50 nm is formed by electron beam evaporation (FIG. 13A). Next, the Al layer 36a is immersed in a sulfuric acid aqueous solution, and anodization is performed to form an alumite layer 36 having pores arranged at equal intervals (FIG. 13B). Thereafter, if necessary, the surface is sputtered with Ar or the like to expose the SiC substrate surface at the bottom of the pores of the alumite layer 36.
[0115]
In the above example, an alumite layer is formed on the substrate. However, after forming an element isolation region and a semiconductor element necessary for the substrate, an aluminum layer is formed on the substrate surface on which these elements are formed. It may be formed and anodized to form an alumite layer.
[0116]
Next, a Co film 46 having a catalytic function is formed on the surface (FIG. 13C). Thereafter, the SiC substrate is preferably heated to coagulate the Co film.
[0117]
Further, the carbon nanotubes 16 are grown on the surface of the alumite layer and the bottom of the pores using a hydrocarbon catalytic decomposition method. The carbon nanotubes 16 grow in a direction perpendicular to the substrate surface under the aggregated Co fine particles.
[0118]
When the carbon nanotubes are grown, the channel portion is formed when an FET (Field Effect Transistor) is manufactured by introducing, for example, potassium (K) vapor, which is an n-type doping gas, into the reaction chamber together with the source gas. The region is made n-type conductivity. Note that the carbon nanotubes in the non-doped region exhibit p-type conductivity.
[0119]
When the height of the carbon nanotubes grown from the bottom of the pores of the alumite layer 36 does not reach the thickness of the alumite layer 36, the source gas in the chamber is exhausted and the growth of the carbon nanotubes is once stopped.
[0120]
Next, the inside of the reaction chamber is set to an oxygen-containing atmosphere, and the carbon nanotube is irradiated with laser light having a wavelength λ. Carbon nanotubes having a predetermined band gap or less excited by this laser light irradiation are selectively oxidized and extinguished (FIG. 13D).
[0121]
Thereafter, carbon nanotubes having a band gap greater than or equal to a predetermined energy can be obtained by repeating the oxidation and extinction treatment of the carbon nanotubes less than or equal to the predetermined band gap by laser beam irradiation in an oxygen gas-containing atmosphere as necessary. It grows on the SiC substrate exposed at the pore bottom of the alumite layer and the alumite layer (FIG. 13 (e)).
[0122]
Further, the substrate is immersed in a phosphoric acid solution to remove the anodized layer 36 by etching, and the carbon nanotubes formed on the anodized layer 36 are lifted off together. Thus, only the carbon nanotubes 16 having an n-type conductivity having a band gap of a certain level or more grown from the bottom of each pore of the alumite layer 36 remain on the SiC substrate 26 (FIG. 13 (f)). Further, these remaining carbon nanotubes are arranged at equal intervals according to the positions of the pores.
[0123]
Subsequently, an FET structure having a p-type channel portion in the carbon nanotube 16 is fabricated by adding the steps shown in FIGS. 14G to 14N described below. If necessary, the upper layer of carbon nanotubes is etched to align the height (length) of the carbon nanotubes, limit the region where the FET structure is formed, and remove other portions of the carbon nanotubes by etching. May be. Further, the Co film used as a catalyst may be etched together at this time.
[0124]
A metal thin film for a drain electrode, for example, a Co film 50 (first conductive film) is formed on the surface of the SiC substrate 26 on which the carbon nanotubes are formed by using a sputtering method or the like. The Co film 50 is deposited on the surface of the SiC substrate exposed around the carbon nanotubes and the upper surface of the carbon nanotubes 16 (FIG. 14G).
[0125]
Subsequently, using a plasma CVD method or the like, SiO 2 A film 60 (first insulating film) is formed, and the periphery of the carbon nanotube is SiO, which is an insulating film. 2 Filled with the film 60 (FIG. 14H).
[0126]
In addition, CF Four Etching gas such as RIE (Reactive Ion Etching) is used to make SiO 2 The film 60 is etched back (FIG. 14I), and the Co film 50 on the carbon nanotubes exposed by the etch back is removed by wet etching or the like. Here, it is preferable to heat the substrate at 300 to 600 ° C. in order to reduce the contact resistance between the Co film 50 remaining around the bottom of the carbon nanotube to be the drain electrode and the carbon nanotube 16.
[0127]
Again, SiO 2 The film 60 is etched back using the RIE method, and the SiO 2 on the side wall portion of the carbon nanotube 16 is etched. 2 Only the film 60 is left, and the remaining SiO 2 The film is removed by etching (FIG. 14 (j)). SiO formed in this way 2 The sidewall thickness of the film 60 is about 15 nm to 1 μm.
[0128]
Next, using a plasma CVD method or the like, SiO 2 A film 62 is formed. This SiO 2 The film 62 is deposited on the Co film 50 to be the drain electrode and on the upper surface of the carbon nanotube. Subsequently, a polysilicon layer 70 (second conductive film) is formed by sputtering or LPCVD (Low Pressure CVD) to cover the substrate surface (FIG. 14 (k)).
[0129]
Subsequently, CF is etched using the polysilicon layer 70 as an etching gas. Four Etch back by RIE using gas. Under these etching conditions, the polysilicon layer 70 and SiO 2 There is a difference in etching rate of about two digits between the film 62 and a difference in etching rate of three digits or more between the polysilicon layer 70 and the carbon nanotubes 16. SiO selectively etched and deposited on top of carbon nanotubes 2 The film 62 (second insulating film) is exposed (FIG. 14L).
[0130]
Next, again using a plasma CVD method or the like, SiO 2 A film 64 (second insulating film) is formed (FIG. 14M). This SiO 2 The film 64 functions as an interlayer insulating film that electrically insulates the gate electrode formed of the polysilicon layer 70 from the source electrode formed in the next step.
[0131]
Again, CF Four SiO2 using gas 2 The film 64 is etched to expose the upper part of the carbon nanotube 16. Under these etching conditions, the carbon nanotubes 16 and SiO 2 Since there is a difference of about 50 times or more in etching rate from the film 64, SiO 2 2 Film 64 and SiO 2 A part of the film 62 can be selectively etched. A metal thin film for a source electrode, for example, a Co film 80 (third conductive film) is formed on the exposed upper surface of the carbon nanotube. Thereafter, in order to reduce the contact resistance between the Co film 80 and the carbon nanotubes 16, heat treatment is performed at 300 to 600 ° C. (FIG. 14 (n)).
[0132]
Thus, according to the eighth embodiment, it is possible to obtain the FET structure shown in FIG. 14 (n) using carbon nanotubes having a constant band gap. That is, this FET structure has a source electrode made of a Co film 80, a drain electrode made of a Co film 50, and a gate electrode made of a polysilicon layer 70, and a channel is formed in the carbon nanotube 16 that is a semiconductor layer. Thus, since the channel layer is formed on the carbon nanotubes extending perpendicularly to the substrate surface, and the source / drain is formed above and below, a three-dimensional FET structure can be obtained. In addition, since the occupied area on the substrate surface can be reduced as compared with a normal FET structure in which a source / drain and a channel are formed in the in-plane direction of the substrate, the device pattern density can be increased and densification can be achieved. In addition, since the formation positions of the carbon nanotubes correspond to the positions of the pores of the anodized layer having a regular arrangement, they can be formed on the substrate at equal intervals.
[0133]
Furthermore, since carbon nanotubes have ballistic conductivity, there is a high possibility that a transistor having an extremely high operation speed can be provided.
[0134]
In the above description, the Co film is used as the source electrode and the drain electrode, but the present invention is not limited to this. For example, a Ti film can be used. In this case, the heat treatment temperature for reducing the contact resistance with the carbon nanotube is preferably about 600 to 900 ° C.
[0135]
In the above example, since the non-doped carbon nanotubes are p-type, only the carbon tube having the height of the channel portion is doped with K corresponding to the n-type dopant. Can be changed. When forming p-type carbon nanotubes, a p-type dopant source such as Br or I may be introduced into the reaction chamber together with the source gas during the growth of the carbon nanotubes. In the case of forming an n-type carbon nanotube, for example, an n-type dopant such as K, Cs, or Rb may be introduced. For carbon nanotubes extending in a direction perpendicular to the substrate surface, carbon nanotubes of different conductivity types in the height direction can be produced by changing the type of doping material over time as the carbon nanotubes grow. .
[0136]
In the eighth embodiment, the carbon nanotubes are formed by the method using the porous layer according to the sixth embodiment in order to form the carbon nanotubes on the substrate at equal intervals. When it is not necessary to form the carbon nanotubes at intervals, the carbon nanotubes can be produced by the production method according to the seventh embodiment. That is, a method of growing carbon nanotubes by immersing the substrate in a solution in which catalyst fine particles such as Co are dispersed to disperse and arrange the catalyst fine particles on the surface of the substrate may be used. Once carbon nanotubes with uniform band gaps can be formed, the subsequent steps of forming the FET structure can use the same conditions as the manufacturing steps shown in FIGS. 14 (g) to 14 (n).
[0137]
(Ninth embodiment)
In the ninth embodiment, a method for fabricating a FET having a BarriT (Barrier Injection Transit Transistor) structure using carbon nanotubes by applying the method according to the sixth embodiment will be described.
[0138]
Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 15 (a) to 16 (j).
[0139]
Using the method according to the sixth embodiment, carbon nanotubes with a uniform band gap are produced on the SiC substrate 28. In addition, about the preparation method of a carbon nanotube, since the conditions similar to 6th Embodiment and 8th Embodiment can be used, description about a specific condition is abbreviate | omitted.
[0140]
First, an alumite layer is formed on a SiC substrate. That is, an Al layer is formed on a substrate such as SiC, and this Al layer is further anodized to form an alumite layer having pores arranged at equal intervals. Thereafter, if necessary, the surface is sputtered with Ar or the like to expose the substrate surface at the pore bottoms of the alumite layer.
[0141]
Next, a Co film having a catalytic function is formed on the surface. Thereafter, the substrate is preferably heated to coagulate the Co film. Furthermore, carbon nanotubes are grown on the surface of the alumite layer and the bottom of the pores using a hydrocarbon catalytic decomposition method. The carbon nanotubes grow in a direction perpendicular to the substrate surface under the aggregated Co fine particles. When the height of the carbon nanotubes grown from the bottom of the pores of the alumite layer does not reach the thickness of the alumite layer, the source gas in the chamber is exhausted and the growth of the carbon nanotubes is once stopped.
[0142]
Subsequently, the reaction chamber is filled with an oxygen-containing atmosphere, and the carbon nanotube is irradiated with laser light having a wavelength λ. Carbon nanotubes having a predetermined band gap or less excited by this laser light irradiation are selectively oxidized and disappear.
[0143]
After that, by further repeating the growth of carbon nanotubes and the annihilation treatment by selective oxidation of carbon nanotubes with a predetermined band gap or less by laser light irradiation in an oxidizing atmosphere, The alumite layer and the SiC substrate exposed at the bottom of the pores of the alumite layer are grown.
[0144]
Further, the substrate is immersed in a phosphoric acid solution to remove the alumite layer by etching, and the carbon nanotubes formed on the alumite layer are lifted off together. In this way, only the carbon nanotubes having an n-type conductivity having a band gap of a certain level or more grown from the bottom of each pore of the alumite layer remain on the SiC substrate. Further, these remaining carbon nanotubes are arranged at equal intervals according to the positions of the pores.
[0145]
Subsequently, by adding the steps shown in FIGS. 15A to 16J described below, a FET having a BARTIT structure using carbon nanotubes as a channel portion is manufactured.
[0146]
If necessary, the carbon nanotubes may be etched so that the heights of the carbon nanotubes are uniformed, the region where the FET structure is formed is limited, and carbon nanotubes in other portions may be removed by etching.
[0147]
The surface of the carbon nanotube 18 and the surface of the substrate 28 are made of SiO by plasma CVD. 2 A film 66 (first insulating film) is formed. At this time, SiO deposited on the side surface of the carbon nanotube 2 The thickness of the film is 1-50 nm. Next, a metal for drain electrode, for example, Au and / or Pt (hereinafter referred to as Au / Pt) film 52 (first conductive film) is formed by sputtering or the like. The Au / Pt film is deposited on the upper surface of the carbon nanotube 18 and around the bottom of the carbon nanotube 18 (FIG. 15A).
[0148]
Subsequently, using a plasma CVD method or the like, SiO 2 A film 67 (second insulating film) is formed, and the periphery of the carbon nanotube is SiO, which is an insulating film. 2 The film 67 is filled (FIG. 15B).
[0149]
Further, using an etching gas such as CF.sub.4, SiO.sub. 2 The film 67 is etched. By this process, 15 nm to 1 μm of SiO is formed on the side surface of the carbon nanotube 18. 2 A sidewall by the film 67 remains. The film thickness of the SiO 2 film between the Au / Pt film 52 around the bottom of the carbon nanotube 18 and the carbon nanotube 18 is 1 to 15 nm (FIG. 15C).
[0150]
Next, SiO for electrically insulating the drain electrode and the gate electrode 2 A film 68 (third insulating film) is formed by sputtering (FIG. 15D).
[0151]
Subsequently, a polysilicon film 72 (second conductive film) is formed by using LPCVD, and a gap between adjacent carbon nanotubes is filled with the polysilicon layer 72 (FIG. 15E).
[0152]
Polysilicon layer 72 is CF Four Etch back by RIE using gas. Under this etching condition, the polysilicon layer 72 and SiO 2 There is a difference in etching rate of about two digits between the film 67 and a difference in etching rate of three digits or more between the polysilicon layer 72 and the carbon nanotube 18. It is selectively etched (FIG. 15 (f)).
[0153]
Next, the surface of the polysilicon layer 72 is oxidized to form SiO. 2 A film 69 (fourth insulating film) is formed (FIG. 16G). CF again Four SiO by RIE method using 2 Layer 69 is partially etched away. Under these etching conditions, the carbon nanotubes 16 and SiO 2 Film 69 (SiO 2 (Including the films 66 and 67), there is a difference of about 50 times or more in etching rate. 2 Only the film 69 is selectively etched, and the upper part of the carbon nanotube 18 is exposed (FIG. 16H).
[0154]
Thin SiO 1-15 nm on the exposed carbon nanotube surface 2 A film 80 (fifth insulating film) is formed (FIG. 16I). Further, an Au / Pt90 film (third conductive film) for the source electrode is formed thereon using a sputtering method or the like. In this way, the BARIT structure shown in FIG. 16 (j) can be obtained.
[0155]
In this BARITT structure, the carbon nanotube 18 forms a channel portion, and a thin insulating layer capable of tunneling electrons is formed between the carbon nanotube, the source electrode, and the drain electrode. In the structure shown in FIG. 16 (j), SiO, which is a side wall formed on the side wall of the carbon nanotube 18, is used. 2 67 is a gate insulating film, and a polysilicon layer 72 having a forbidden band at the same energy level as the electrode is used for the gate.
[0156]
When the gate is not biased, no current flows. However, when the gate is positively biased, the conduction band of the carbon nanotube 18 is pushed down to the valence band side, and the channel level becomes the same as the source electrode / drain electrode. At the same level, the element is turned on by the tunnel current.
[0157]
As described above, according to the ninth embodiment, the channel layer is formed on the carbon nanotube extending perpendicularly to the substrate surface, and the source electrode / drain electrode is formed above and below the insulating film via the insulating film. Since it is formed, it is possible to obtain a three-dimensional FET having a BARITT structure. In addition, since the occupied area on the substrate surface can be made smaller than a normal FET structure in which the source / drain and the channel are formed in the in-plane direction of the substrate, the device pattern density can be increased and the device can be densified. Furthermore, since the formation positions of the carbon nanotubes correspond to the positions of the pores of the alumite layer having a regular arrangement, they can be formed on the substrate at equal intervals.
[0158]
In the ninth embodiment, carbon nanotubes are formed by the method using the porous layer according to the sixth embodiment in order to form carbon nanotubes on the substrate at equal intervals. When it is not necessary to form the carbon nanotubes at intervals, the carbon nanotubes can be produced by the production method according to the seventh embodiment. That is, a method of growing carbon nanotubes by immersing the substrate in a solution in which reaction catalyst fine particles such as Co are dispersed to disperse and arrange the catalyst fine particles on the substrate surface may be used. Once carbon nanotubes with uniform band gaps can be formed, the same conditions can be used in the manufacturing steps shown in FIGS. 15A to 16J for forming the subsequent BARITT structure.
[0159]
As mentioned above, although the manufacturing method of the carbon nanotube of this invention was demonstrated along embodiment, the manufacturing method of the carbon nanotube of this invention is not limited to description of embodiment mentioned above, Various deformation | transformation It is obvious to those skilled in the art that improvements are possible.
[0160]
For example, in the eighth and ninth embodiments, examples in which carbon nanotubes are applied to FETs have been described. However, in addition to FETs, applications to light emitting diodes, semiconductor lasers, and the like are possible. In the eighth and ninth embodiments, the selective oxidation according to the first embodiment is used as a method of aligning the band gaps of the carbon nanotubes, but depending on the required band gap value. The method according to the second or third embodiment may be used.
[0161]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and second carbon nanotube production methods of the present invention, only the carbon nanotubes having a certain band gap or more or a certain band gap or less according to the wavelength of the irradiated laser beam are used. It becomes possible to obtain. If this manufacturing method is used, a carbon nanotube with a uniform band gap can be provided regardless of the type of carbon nanotube synthesis method. Therefore, application to an electronic device using carbon nanotubes becomes possible.
[0162]
In addition, according to the characteristics of the semiconductor device manufacturing method using the first or second carbon nanotube described above, a nanoscale FET having a channel portion in the carbon nanotube extending in a direction perpendicular to the substrate surface is provided. it can. Furthermore, since the FET extending in the direction perpendicular to the substrate surface can be formed instead of being formed in the substrate surface direction, an extremely fine and dense nanoscale device can be provided.
[0163]
Furthermore, according to the characteristics of the carbon nanotube production apparatus of the present invention, the carbon nanotube production method of the first or second aspect of the present invention can be implemented more efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a processing method for aligning the band gap of carbon nanotubes according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between laser light irradiation and excitation in a direct transition type carbon nanotube.
FIG. 3 is a schematic view showing a processing method for aligning the band gap of carbon nanotubes according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing a processing method for aligning the band gap of carbon nanotubes according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of a porous layer used in the carbon nanotube production method according to the fourth embodiment of the present invention, and a cross-sectional view showing a state of a Co thin film formed on the porous layer.
FIG. 6 is a process diagram showing a carbon nanotube production method according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a thermal CVD apparatus that can be used in a carbon nanotube manufacturing method according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a process diagram showing a carbon nanotube manufacturing method according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an outline of an apparatus capable of synthesizing carbon nanotubes that can be used in the carbon nanotube manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention and annihilating the carbon nanotubes having a predetermined band gap by laser light irradiation. It is a block diagram.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a thermal CVD apparatus that can be used in a carbon nanotube manufacturing method according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a perspective view showing a state of single-walled carbon nanotubes synthesized by the manufacturing method according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a perspective view showing a state in which Co fine particles are dispersed on a substrate in a carbon nanotube production method according to a seventh embodiment of the present invention, and is obtained perpendicularly to the substrate surface obtained by the method. It is a perspective view which shows the state of the carbon nanotube extended.
FIG. 13 is a process diagram showing a carbon nanotube manufacturing method according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a process diagram showing a method of manufacturing an FET using carbon nanotubes according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a process diagram showing a method for manufacturing a FET having a BARITT structure using carbon nanotubes according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a process diagram showing a method for manufacturing a FET having a BARITT structure using carbon nanotubes according to a ninth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10a, 10b, 10c ... carbon nanotubes
10, 12, 14, 16, 18 ... carbon nanotubes
20, 22, 24, 26, 28 ... substrate
30, 36 ... porous layer (alumite layer)
32 ... pores
40, 46 ... Co film
44 ... Co fine particles
50 ... Co film
52, 90 ... Au / Pt film
60, 62, 64, 66, 67, 68, 69, 80 ... SiO2 film
70, 72 ... polysilicon layer

Claims (7)

カーボンナノチューブを合成する工程と、
酸化ガス含有雰囲気中で、前記カーボンナノチューブに波長λ1を有する第1のレーザ光を照射し、前記第1のレーザ光の照射により励起したカーボンナノチューブを選択的に酸化し、ガス化する選択的酸化処理工程と
フッ化ガス含有雰囲気中で、残ったカーボンナノチューブに、前記波長λ1より短い波長λ2を有する第2のレーザ光を照射し、前記第2のレーザ光の照射により励起したカーボンナノチューブを選択的に前記フッ化ガスと反応させ、該カーボンナノチューブの少なくとも表面にフッ化層を形成する選択的フッ化処理工程と、
酸化ガス含有雰囲気中で、前記フッ化層が形成されなかったカーボンナノチューブを酸化し、ガス化する酸化処理工程と、
ガス化されずに残ったフッ化層を有するカーボンナノチューブからフッ素成分を除去する脱フッ化処理工程と
を有することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
Synthesizing carbon nanotubes;
Selective oxidation in which the carbon nanotubes are irradiated with a first laser beam having a wavelength λ1 in an oxidizing gas-containing atmosphere, and the carbon nanotubes excited by the first laser beam irradiation are selectively oxidized and gasified. Processing steps ;
In the fluorinated gas-containing atmosphere, the remaining carbon nanotubes are irradiated with a second laser beam having a wavelength λ2 shorter than the wavelength λ1, and the carbon nanotubes excited by the irradiation with the second laser beam are selectively used as the carbon nanotubes. A selective fluorination treatment step of reacting with a fluorinated gas to form a fluorinated layer on at least the surface of the carbon nanotube;
An oxidation treatment step of oxidizing and gasifying the carbon nanotubes in which the fluorinated layer is not formed in an oxidizing gas-containing atmosphere;
And a defluorination treatment step of removing a fluorine component from the carbon nanotube having a fluorinated layer remaining without being gasified .
カーボンナノチューブを合成する工程と、
フッ化ガス含有雰囲気中で、前記カーボンナノチューブに波長λ1を有する第1のレーザ光を照射し、前記第1のレーザ光の照射により励起したカーボンナノチューブを選択的に前記フッ化ガスと反応させ、該カーボンナノチューブの少なくとも表面にフッ化層を形成する選択的フッ化処理工程と、
酸化ガス含有雰囲気中で、前記フッ化層が形成されなかったカーボンナノチューブを酸化し、ガス化する酸化処理工程と、
ガス化されずに残ったフッ化層を有するカーボンナノチューブからフッ素成分を除去する脱フッ化処理工程と
を有することを特徴とするカーボンナノチューブの製造方法。
Synthesizing carbon nanotubes;
In a fluorinated gas-containing atmosphere, the carbon nanotube is irradiated with a first laser beam having a wavelength λ1, and the carbon nanotubes excited by the irradiation of the first laser beam are selectively reacted with the fluorinated gas, A selective fluorination treatment step of forming a fluorination layer on at least the surface of the carbon nanotube;
An oxidation treatment step of oxidizing and gasifying the carbon nanotubes in which the fluorinated layer is not formed in an oxidizing gas-containing atmosphere;
And a defluorination treatment step of removing a fluorine component from the carbon nanotube having a fluorinated layer remaining without being gasified.
さらに、前記脱フッ化処理工程後、
酸化ガス含有雰囲気中で、前記カーボンナノチューブに前記第1の波長λ1より長い第2の波長λ2を有する第2のレーザ光を照射し、前記第2のレーザ光の照射により励起したカーボンナノチューブを選択的に酸化し、ガス化する選択的酸化処理工程と
を有することを特徴とする請求項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。
Further, after the defluorination treatment step,
In an oxidizing gas-containing atmosphere, the carbon nanotubes are irradiated with a second laser beam having a second wavelength λ2 longer than the first wavelength λ1, and the carbon nanotubes excited by the second laser beam irradiation are selected. And a selective oxidation treatment step of oxidizing and gasifying the carbon nanotube according to claim 2 .
前記カーボンナノチューブを合成する工程は、
規則的に配列し、かつ底部に基板面が露出する細孔を有する多孔質層を形成する工程と、
前記細孔底部に露出する基板上にカーボンナノチューブ成長反応に対し触媒機能を有する金属もしくは金属化合物からなる膜を形成する工程と、
炭化水素触媒分解反応により、カーボンナノチューブを少なくとも前記細孔内に成長させる工程と
を有することを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法。
The step of synthesizing the carbon nanotubes includes:
Forming a porous layer having pores regularly arranged and having a substrate surface exposed at the bottom;
Forming a film made of a metal or a metal compound having a catalytic function for a carbon nanotube growth reaction on the substrate exposed at the bottom of the pore;
The method for producing carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a step of growing carbon nanotubes in at least the pores by a hydrocarbon catalytic decomposition reaction.
請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法を用いて、基板面に対し垂直な方向に延在するカーボンナノチューブを製造する工程と、
前記カーボンナノチューブの底部周囲を第1導電性膜で埋める工程と、
前記カーボンナノチューブの前記第1導電性膜で埋められていない側壁面に第1絶縁膜でサイドウォールを形成する工程と、
前記サイドウォールの周囲に、下方より第2絶縁膜、第2導電性膜、第3絶縁膜を順次形成する工程と、
前記第3絶縁膜および、前記カーボンナノチューブの上部表面上に、第3導電性膜を形成する工程と
を有することを特徴とするカーボンナノチューブを用いた半導体装置の製造方法。
Using the method for producing carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 4 , a step of producing carbon nanotubes extending in a direction perpendicular to the substrate surface;
Filling the periphery of the bottom of the carbon nanotube with a first conductive film;
Forming a side wall with a first insulating film on a side wall surface of the carbon nanotube not filled with the first conductive film;
Forming a second insulating film, a second conductive film, and a third insulating film sequentially around the sidewall from below;
Forming a third conductive film on the third insulating film and an upper surface of the carbon nanotube. A method of manufacturing a semiconductor device using a carbon nanotube.
請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のカーボンナノチューブの製造方法を用いて、基板面に対し垂直な方向に延在するカーボンナノチューブを製造する工程と、
前記カーボンナノチューブ側壁面全面を第1絶縁膜で被覆する工程と、
前記第1絶縁膜で被覆された前記カーボンナノチューブの底部周囲を第1導電性膜で埋める工程と、
前記カーボンナノチューブの前記第1導電性膜で埋められていない側壁面に第2絶縁膜でサイドウォールを形成する工程と、
前記サイドウォールの周囲に、下方より第3絶縁膜、第2導電性膜、及び第4絶縁膜を順次形成する工程と、
前記第4絶縁膜および、前記カーボンナノチューブの上部表面上に、第5絶縁膜、及び第3導電性膜を順次形成する工程と
を有することを特徴とするカーボンナノチューブを用いた半導体装置の製造方法。
Using the method for producing carbon nanotubes according to any one of claims 1 to 4 , a step of producing carbon nanotubes extending in a direction perpendicular to the substrate surface;
Coating the entire side wall surface of the carbon nanotube with a first insulating film;
Filling the periphery of the bottom of the carbon nanotube covered with the first insulating film with a first conductive film;
Forming a side wall with a second insulating film on a side wall surface of the carbon nanotube not filled with the first conductive film;
Forming a third insulating film, a second conductive film, and a fourth insulating film in order around the sidewall from below;
And a fourth insulating film and a step of sequentially forming a fifth insulating film and a third conductive film on the upper surface of the carbon nanotube. A method of manufacturing a semiconductor device using carbon nanotubes .
反応容器と、
前記反応容器の壁に設けられた、レーザ光透過窓と、
カーボンナノチューブ生成原料ガスと不活性ガスと少なくとも酸化ガスもしくはフッ化ガスのいずれかのガスとを前記反応容器内に導入する導入手段と、
前記反応容器内のガスを排気する排気手段と
前記反応容器外部に備えられた、前記レーザ光透過窓を介して前記反応容器内にレーザ光を導入するレーザ発振器とを有し、
前記反応容器内に前記カーボンナノチューブ生成原料ガス及び前記不活性ガスを導入してカーボンナノチューブを合成し、少なくとも前記酸化ガスもしくはフッ化ガスのいずれかを用いて前記レーザ光を前記カーボンナノチューブに照射することにより前記カーボンナノチューブの一部を選択的に除去することを同一の前記反応容器内で行うことを特徴とするカーボンナノチューブの製造装置。
A reaction vessel;
A laser light transmission window provided on the wall of the reaction vessel;
Introducing means for introducing a carbon nanotube-forming raw material gas, an inert gas, and at least one of an oxidizing gas or a fluorinated gas into the reaction vessel;
An exhaust means for exhausting the gas in the reaction vessel ;
A laser oscillator provided outside the reaction vessel and for introducing laser light into the reaction vessel through the laser light transmission window;
The carbon nanotube production raw material gas and the inert gas are introduced into the reaction vessel to synthesize the carbon nanotube, and at least the oxidizing gas or the fluorinated gas is used to irradiate the carbon nanotube with the laser beam. Thus , the carbon nanotube production apparatus is characterized in that the selective removal of a part of the carbon nanotube is performed in the same reaction vessel .
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