JP4053083B1 - カーボンナノチューブを含む素子、および、その素子を備える回路、電池充電回路、自動車システム、コンピュータシステム、または電子機器 - Google Patents

Abstract

単層カーボンナノチューブトランジスタおよび整流素子、ならびに単層カーボンナノチューブのための多孔質構造体を含む素子を製造するための関連する方法。多孔質構造体（１１２０）は、陽極酸化された酸化アルミニウムであっても良く、他の材料であっても良い。トランジスタのソース（１１４０）とドレイン（１１５０）のための電極が、単層カーボンナノチューブ素子の両端部に設けられている。多孔質構造体の一端または両端に、ゲート領域（１１１０）が設けられてもよい。ゲート電極は、多孔質構造体の中に侵入するように形成しても良い。本発明のトランジスタは、電力用トランジスタまたは電力増幅器の用途に、特に適している。

Description

発明の背景
本発明は、半導体素子およびその製造に関し、より特定的には、カーボンナノチューブトランジスタ技術に関する。

情報の時代や電子商取引の時代は、トランジスタや電子回路の開発、並びにそれらを集積回路技術により縮小化する技術の開発によって可能とされたものである。集積回路は、時に「チップ」と称される。電子回路や集積回路を作り上げるためには、多数のトランジスタが用いられる。近年のマイクロプロセッサ集積回路は、５０００万個を超えるトランジスタを有しており、将来には１０億個を超えるトランジスタを有するものと予想される。

ある種の回路には、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）、増幅器、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）、消去可能プログラマブル・リード・オンリー・メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル・リード・オンリー・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）およびプログラム可能論理回路が含まれる。他の回路には、増幅器、演算増幅器、送信機、電力増幅器、アナログのスイッチおよびマルチプレクサ、発振器、クロック、フィルタ、電源および電池管理回路、熱管理回路、基準電圧回路、比較器、およびセンサが含まれる。

電子回路は幅広く採用され、コンピュータや、その他のプログラム化された機械、家庭用電化製品、電気通信および通信網の設備、無線の通信網および通信機器、産業用オートメーション、医療機器など、一部の例を挙げたに過ぎないが、これらの領域の数多くの製品に利用される。電子回路および集積回路は、コンピュータ、インターネット、ボイス・オーバＩＰ（ＶｏＩＰ）、およびワールド・ワイド・ウェブ（ＷＷＷ）を含むオンライン技術の基礎となっている。

電子製品については、より使い易く、より多くの利用者にアクセス可能で、より多くの特徴があって、一般に消費者および顧客のニーズに応えることが、絶えず要求されている。集積回路技術は、急速な発展を続けている。技術が新たに進歩するのに伴い、ますます多くのニーズが充足されている。その上に、新たな進歩が、将来の製品に対して深遠な影響を与え、大きな向上をもたらすような技術の根本的変化を招来する可能性がある。

電子技術の基本的要素は、電気および電子素子である。これらの素子には、トランジスタ、ダイオード、抵抗素子、および容量素子が含まれる。単一の集積回路には、これらの素子が多数存在している。これらの素子の改良、および新たな素子や改良された素子の開発によって、集積回路の性能、機能および寸法が向上する。

電子技術の重要な基本的要素はトランジスタである。事実、ほとんど全ての集積回路の動作は、トランジスタに依存している。トランジスタは、多くの回路を実現するのに用いられている。トランジスタの製造上の特徴や技術を改良することによって、電子回路や集積回路が大幅に改良されることが予想される。

現在は、シリコン系のＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）が、電子システムや電力用電子システムの主力となっている。しかし、より一層の要求性能が求められて
おり、それによりシリコン材料の限界が押しやられようとしている。向上した特性を有するトランジスタ、特に、より高い電流密度、より高い熱伝導率、より高いスイッチング周波数を有するトランジスタの実現が待望されている。

以上の通り、向上したトランジスタ技術を提供することが求められている。

発明の概要
本発明は、カーボンナノチューブ技術を用いたトランジスタ素子および整流素子、並びにこれらに関連してこれらの素子を製造する方法に関する。本発明のある実施形態は、特にトランジスタに適用可能である。１つの実施形態では、トランジスタがカーボンナノチューブ、より特定的には単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）を含んでいる。１つの実装では、トランジスタが構造体の孔の中にある単層カーボンナノチューブを含んでいる。これらの構造体は、陽極酸化アルミニウムなどを含む型を用いることができる。本発明のある実施形態は、特に、電力用トランジスタまたは電力増幅器への応用、またはそれら双方に適している。本発明のトランジスタは、特に、幅広い周波数、スイッチ、電源、および駆動モータに適する可能性がある。

本発明の他の実施形態は、特に、ダイオード、整流素子、シリコン制御整流素子、バリスタ、サイリスタ、および関連する素子に適用可能である。１つの実施形態では、本発明は、カーボンナノチューブとナノワイヤ要素とを組み合わせる。この素子は、大電流、高電流密度、および大電力を可能とすることが予測されるものであり、このことは電力用ダイオード、電力用整流素子、および関連する用途に特に適するものである。

１つの実施形態では、本発明は、多孔質アルミナ型または他の多孔質構造体内に相当数の単層カーボンナノチューブを含んだ電力用の電界効果トランジスタ素子である。単層カーボンナノチューブは、孔内で直接に合成されるか、あるいは合成後に孔内に移される。ソース、ドレイン、およびゲート電極は、複数の単層カーボンナノチューブが垂直に接続されるように配置される。この素子は、高電流密度、大電力、および効率の良い電力供給が可能である。

１つの実施形態では、本発明は、トランジスタ素子あるいは電力用トランジスタ素子のような素子を含んでおり、この素子は、一緒に開閉し動作する相当数の単層カーボンナノチューブを基礎とするものである。この素子は、大電流で大電力の電界効果トランジスタとして動作する。特定の実施形態では、当該素子は、様々な電力用途に適するような向上した性能を得るために半導体技術により従来および現在入手可能なものに比べて、著しく高い電流密度と電力容量とを得るように構成されている。

１つの実施形態では、ゲート電極が、酸化アルミニウム構造体または他の多孔質構造体の中に、垂直に刻み込まれても良く、それにより、半導体単層カーボンナノチューブの全長にわたって、あるいは全長の一部に対して、効果的に電気的な変調を行い、オンオフすることが予測される。ゲートは、上記のものに代えて、酸化アルミニウム構造体の一方側あるいは両側に、エッチングなしでパターニングすることも可能である。半導体単層カーボンナノチューブは、例えば大気への環境曝露、計画的なドーピングや被覆、アニールなどに基づいて、あるいはその他の方法に基づいて、ｐ型またはｎ型にすることができる。したがって、電力用トランジスタは、ｐ型でもｎ型でもあり得るし、相補型の構成でもあり得る。望ましくないあるいは余分である単層カーボンナノチューブあるいは単層カーボンナノチューブの一部分は、化学的、電気的、あるいは機械的な方法などの有効な任意の方法により除去される。可能性のある接続が高い密度で存在しており、各孔が、機能する
半導体単層カーボンナノチューブ素子を含んでいることを要しない。冗長さのために、不良、破壊、低い歩留まりが許容される。

１つの実施形態では、本発明は素子を含んでおり、当該素子は、第１の側と、第２の側と、第１の側から第２の側へ延在する相当数の孔とを有する構造体を含んでいる。各孔内に少なくとも１つが含まれ、構造体の第１の側にある孔の第１端から構造体の第２の側にある孔の第２端へ延在する複数の単層カーボンナノチューブが存在する。第１電極領域が、構造体の第１の側にあって、相当数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続されている。第２電極領域が、構造体の第２の側にあって、上記の単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続されている。第１ゲート領域と第２ゲート領域とが、構造体の第１の側にあって、これら第１ゲート領域と第２ゲート領域との間に、少なくとも２つの単層カーボンナノチューブと第１電極領域とが存在している。

１つの実施形態では、本発明は素子を製造する方法を含んでいる。基体の第１の側から基体の第２の側へ延在する複数の孔を有するように基体材料が準備される。複数の孔のうち少なくとも２個の孔内に複数の単層カーボンナノチューブが形成される。第１の側にある複数の単層カーボンナノチューブの端部に電気的に接続されるように第１電極領域が形成される。第２の側にある複数の単層カーボンナノチューブの端部に電気的に接続されるように第２電極領域が形成される。互いの間に少なくとも２つの単層カーボンナノチューブが存在するように、第１ゲート領域と第２ゲート領域とが形成される。

１つの実施形態では、本発明はトランジスタを製造する方法を含んでいる。当該方法は、アルミニウム基体を陽極酸化し、各々が孔径を有する複数の孔を有するアルミナ型を作る工程と、その中に自身が生成される型内の孔径よりも小さい外径を各々が有する複数のカーボンナノチューブが複数の孔内に成長する温度で、複数の孔を有するアルミナ型を炭化水素ガスに曝す工程とを含んでいる。複数のカーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続されるように第１電極領域が形成される。複数のカーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続されるように第２電極領域が形成される。アルミナ型上にゲート領域が形成される。

１つの実施形態では、本発明の回路は、電圧入力電極と、電圧出力電極と、第１ゲート領域と第２ゲート領域との間に複数の単層カーボンナノチューブを含み、電圧入力電極と第１電極との間に接続された第１の単層カーボンナノチューブトランジスタとを含んでいる。第１電極と接地との間に、第２の単層カーボンナノチューブトランジスタが接続されている。第１電極と電圧出力電極との間に、誘導素子が接続されている。

１つの実施形態では、本発明の方法は、多孔質構造体を準備する工程と、多孔質構造体の複数の孔内に複数の単層カーボンナノチューブを得るための処理を行う工程と、複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に接続される第１電極を設ける工程と、複数の単層カーボンナノチューブの第２端部に接続される第２電極を設ける工程とを含んでいる。多孔質構造体上にゲート電極が形成される。複数の単層カーボンナノチューブに電流が流れ、少なくとも２本の非半導体単層カーボンナノチューブが電流によって破壊されるように、ゲート、第１および第２電極に１以上の電圧が印加される。

１つの実施形態では、本発明は構造体を含んでいる。当該構造体は、複数の孔を有する多孔質構造体を有しており、各孔は、この孔の第１の部分内に複数の単層カーボンナノチューブを有するとともに孔の第２の部分内にナノワイヤを有しており、このナノワイヤは孔内の単層カーボンナノチューブと接続されている。複数の単層カーボンナノチューブと接続された第１電極と、複数のナノワイヤと接続された第２電極とが存在している。

１つの実施形態では、本発明は方法であって、第１の個数の孔を有する構造体を準備する工程と、各孔の第１の部分内に単層カーボンナノチューブを得るための処理を行う工程と、各孔の第２の部分内に、孔内の単層カーボンナノチューブと接続されたナノワイヤを得るための処理を行う工程とを含んでいる。

１つの実施形態では、本発明は、単層カーボンナノチューブトランジスタを多孔質構造体の第１の区域に形成する方法と、接合部が単層カーボンナノチューブとナノワイヤとを含む単層カーボンナノチューブダイオード素子を、多孔質構造体の第２の区域に形成する方法とを含んでいる。

１つの実施形態では、本発明は装置を含んでいる。当該装置は、厚さと、第１の側と、第２の側とを有する構造体を有しており、この構造体は、第１の側から第２の側へ延在する複数の平行な孔を備えており、複数の孔の一部が単層カーボンナノチューブを含んでいる。構造体の第１の側に第１導電材料があり、この第１導電材料は、第１導電材料の下にある複数の単層カーボンナノチューブに電気的に接続されている。構造体の第１の側に第２導電材料があり、この第２導電材料は、第２導電材料の下にある複数の単層カーボンナノチューブに電気的に接続されている。構造体の第１の側に第３導電材料があり、第２導電材料がこの第２導電材料の下にある複数の単層カーボンナノチューブに電気的に接続されている。第１および第２導電材料の間であって、かつ構造体の第１の側に第１ゲート材料が存在している。第２および第３導電材料の間であって、かつ構造体の第１の側に第２ゲート材料が存在している。

１つの実施形態では、本発明は装置を含んでいる。当該装置は、第１の側と第２の側とを含み、第１の側から第２の側へ延在する相当数の孔を提供する第１手段を有している。第１手段の第１の側にある孔の第１端から第１手段の第２の側にある孔の第２端へ延在し、各孔内にチャネル領域を生成する第２手段が存在している。第１の側にあり、第２手段の第１端部に電気的に接続される第３手段が存在している。第２の側にあり、第２手段の第２端部に電気的に接続される第４手段が存在している。互いの間に少なくとも相当数の第２手段が存在し、各孔内にチャネル領域を生成する第５および第６手段とが存在している。

１つの実施形態では、本発明はトランジスタを製造する方法を含んでいる。当該方法は、アルミニウム基体を陽極酸化し、各々が孔径を有する相当数の孔を有するアルミナ型を作る工程と、孔内に導電層を形成する工程と、複数の孔内の導電層上に絶縁層を形成する工程とを含んでいる。その中に自身が生成される型内の孔径よりも小さい外径を各々が有する複数のカーボンナノチューブが孔内に成長する温度で、孔を有するアルミナ型が炭化水素ガスに曝される。あるいは、カーボンナノチューブを孔内で合成する代わりに、カーボンナノチューブは孔内に移されてもよい。

さらなる実施形態では、本発明は、複数の並列冗長トランジスタを形成するための複数の垂直配向単層カーボンナノチューブの使用；ノートブック型コンピュータの電子回路に電力を供給するための複数の並列単層カーボンナノチューブトランジスタの使用；携帯通信機器の電子回路に電力を供給するための複数の並列単層カーボンナノチューブトランジスタの使用；自動車の充電回路に電力を供給するための複数の並列単層カーボンナノチューブトランジスタの使用；構造体内の複数の垂直配向単層カーボンナノチューブの動作に影響を与えるための構造体内に垂直に延在するゲート領域の使用；および集積回路を形成するための本発明の複数の単層カーボンナノチューブトランジスタの使用を含んでいる。

本発明の他の目的、特徴および効果は、以下の詳細な説明と添付図面とを考慮することにより明らかとなる。図面において、同様の参照符号は全図面を通して同様の特徴を表し
ている。

詳細な説明
本発明は、カーボンナノチューブトランジスタ素子と、このようなトランジスタ素子を製造するための技術とを提供する。ある特定の実施形態では、カーボンナノチューブトランジスタは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）トランジスタである。ここで、単層カーボンナノチューブは、トランジスタのチャネルとなっている。本発明のＳＷＮＴトランジスタの特定の用途として、電力用トランジスタ、すなわち標準的なトランジスタに比して相対的に大きな電流を通すことのできる種類のトランジスタが挙げられる。さらに、本発明は、ダイオード、シリコン制御整流素子、および他の関連する素子であって、カーボンナノチューブを有するものを提供し、これらの素子を製造する方法をも提供する。これらの素子は、本発明のトランジスタ素子とは別個に、あるいはそれと組み合わせて製造しても良い。

図１は、本発明の１以上のカーボンナノチューブトランジスタまたは整流素子、あるいはそれらの組合せが組み込まれた電子システムの一例を示している。電子システムは、数多くの異なる構成および寸法を採り得る。ある電子システムは、持ち運び可能あるいは手持ち式である。このような持ち運び可能なシステムは、代表的には電池で動作し得るものである。

その電池は、代表的には充電可能な種類のものであり、例えば、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）、リチウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）、リチウムポリマー、鉛酸、その他の充電式電池用化学物質を有するものである。そのシステムは、１回の電池充電によってある時間の間動作可能である。電池が空になると、充電することにより再び使用可能となる。

ある特定の実施形態では、電子システムは、持ち運び可能なコンピュータシステムあるいはコンピュータであり、例えば、ラップトップ型あるいはノートブック型のコンピュータである。代表的なコンピュータシステムは、画面、筐体、およびキーボードを含んでいる。ポインティングデバイス、タッチパッド、あるいは１個以上のボタンを有するマウスと等価な物があってもよい。筐体は、よく知られたコンピュータ部品を収容するもので、その中には図示されないものもあり、例えば、プロセッサ、メモリ、大容量記憶装置、電池、無線送信器などである。大容量記憶装置には、大容量ディスクドライブ、フロッピー（登録商標）ディスク、磁気ディスク、固定ディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭおよびＣＤ−ＲＷドライブ、ＤＶＤ−ＲＯＭおよびＤＶＤ−ＲＷドライブ、フラッシュおよび他の不揮発性固体記憶ドライブ、テープ記憶装置、読取装置および他の同様の装置、並びにそれらの組合せが含まれる。

持ち運び可能で電池で動作する電子システムの他の例には、電子ゲーム機（例えば、Ｓｏｎｙ ＰｌａｙＳｔａｔｉｏｎ Ｐｏｒｔａｂｌｅ）、ＤＶＤプレーヤ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、遠隔制御装置、携帯電話機、遠隔操作ロボットおよび玩具、電力工具、静止画像および動画像カメラ、医療機器、ラジオ、および無線送信機、その他多数のものが含まれる。本発明のトランジスタは、これらの、あるいはその他の電池で動作する電子システムのいずれにも用いることができ、それにより同様の利点が得られる。

本発明のトランジスタまたは整流素子、あるいはそれらの組合せは、電子システムの様々な回路に用いることができる。そのような回路には、電池を急速に充電する回路や、ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電圧変換回路が含まれる。例えば、ラップトップ型の電源は、１台につき８個の電力用トランジスタを有している。本発明のトランジスタは、システム
の画面を駆動する回路に用いることができる。当該画面は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ、あるいは有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイなどのフラットパネルディスプレイであってもよい。本発明のトランジスタは、システムを無線で動作させるための回路、例えば無線ネットワーク構築のための回路（例えば、Ｗｉ−Ｆｉ、８０２．１ｌａ、８０２．１ｌｂ、８０２．１ｌｇ、または８０２．１ｌｎ）、あるいは他の無線接続のための回路（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）に用いることができる。

図２は、本発明のカーボンナノチューブトランジスタまたは整流素子、あるいはそれらの組合せが１つ以上組み込まれた乗り物の一例を示している。図には乗用車を例として示しているが、乗り物は、乗用車、自動車、トラック、バス、自動二輪車、スクータ、ゴルフカート、列車、飛行機、ボート、船舶、潜水艦、車いす、個人輸送装置（例えば、Ｓｅｇｗａｙ Ｈｕｍａｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ（ＨＴ））などであってもよい。ある特定の実施形態では、乗り物は、電動乗り物あるいはハイブリッド型電動乗り物であり、その動きあるいは動作は、少なくとも一部については電動モータによりもたらされる。

電動乗り物では、充電式電池、代表的には鉛酸電池が、電動モータを駆動する。これらの電動乗り物、あるいはハイブリッド型電動乗り物には、本発明のトランジスタあるいは素子が含まれており、中でも、電池を充電するのに用いられる充電回路に含まれている。ハイブリッド型の電動乗り物では、電池は乗り物の動きによって充電される。完全電動乗り物では、電池は外部電源を通じて充電される。この外部電源は、例えばＡＣラインであり、あるいは電力供給網や発電機への接続部である。乗り物システムは、乗り物に搭載された電子および電気システムを動作させるために、本発明のトランジスタを有する回路を含んでいてもよい。

図３は、本発明のカーボンナノチューブトランジスタまたは整流素子、あるいはそれらの組合せが１つ以上組み込まれた電気通信システムの一例を示している。電気通信システムは、１以上の携帯電話機と１以上の携帯電話網基地局とを有している。持ち運び可能な電子機器について上述したように、各携帯電話機は、代表的には本発明のトランジスタまたは素子を有する回路を用いて充電することができる充電式電池を有している。その上に、携帯電話機やその他の無線機器に対して、本発明のトランジスタを用いて実現される送信機または無線放送回路があっても良い。また、携帯電話網基地局が、本発明のトランジスタまたは素子を有する送信機または放送回路を有することも可能である。

図４は、本発明を組み込んだ代表的なシステムをより詳細に示すブロック図である。これは、上述したように本発明を組み込んだ電子機器、ノートブック型コンピュータ、乗り物、電気通信網、その他のシステムを代表するシステムの一例である。このシステムは、電力の供給を受けるシステムの部品である中央ブロック４０１を有している。中央ブロックは、中央演算ユニット、マイクロプロセッサ、メモリ、増幅器、電動モータ、ディスプレイなどであり得る。

ＤＣ電力が、充電式電池４１１から中央ブロックに供給される。この電池は、本発明のカーボンナノチューブトランジスタまたは素子を含む回路ブロックＡを用いて、ＡＣ電源４０３から充電される。回路ブロックＡは、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する回路を含んでいても良く、この回路はまた、カーボンナノチューブトランジスタまたは整流素子を含んでいてもよい。図を簡単にするために単一の回路ブロックＡのみを示しているが、この回路は２つの回路ブロック、すなわちＡＣ−ＤＣ変換のためのブロックと、充電回路のためのブロックとに分割されていても良い。

中央ブロックは、ＡＣラインまたは電池のいずれからも電力の供給を受ける装置であって良い。このような実施形態では、ＡＣ電力、接続部４０５、回路ブロックＢ、そして接
続部４０８からスイッチ４１５へ至る経路が存在することになろう。電池もまた、スイッチ４１５に接続される。スイッチは、電池とＡＣ電力ライン（回路ブロックＢを介して）とのいずれから中央ブロックへ電力を供給するかを選択する。回路ブロックＢは、本発明のカーボンナノチューブトランジスタまたは素子を用いて実現されるＡＣ−ＤＣ変換回路を含んでいても良い。さらに、本発明の１つの実施形態では、スイッチ４１５は本発明のカーボンナノチューブトランジスタまたは素子を含む。

回路ブロックＢは、中央ブロックの電源に組み込まれても良い。この電源は、スイッチングまたはリニア電源であってもよい。本発明のカーボンナノチューブトランジスタを有することにより、電源は、代表的なトランジスタを用いたときに比べて、よりコンパクトなフォームファクタでより大きな電力を供給することができるであろう。本発明の電源は発熱が少ないことも予測され、その結果、加熱や火災の可能性も低い。さらに、電源のためのファンが必要でなくなる可能性があり、それにより、本発明のカーボンナノチューブトランジスタを有する電源を組み込んだシステムは、より静かなものとなろう。

ＡＣ電力から回路ブロックＢを通る経路は、設けるか否か選択可能である。この経路は、ＡＣラインから中央ブロックへ電力を供給するという選択を採らないのであれば、無用である。このような場合には、スイッチ４１５も用いられず、電池４１１は回路ブロックＣに直接に接続されることとなる。理解できるように、この図のシステムの回路を如何に接続するかについては、多くの変形例が存在し得る。そして、これらの変形例は、本発明の範囲を逸脱するものではない。

回路ブロックＣは、本発明のカーボンナノチューブトランジスタまたは素子を含むＤＣ―ＤＣ電力変換器または電圧レギュレータのような回路である。この回路は、ある電圧のＤＣ電力の入力を受け、これを異なる電圧レベルのＤＣ電圧に変換する。例えば、電池または回路ブロックＢは、約７．２ボルトの出力電圧を有するのに対し、中央ブロックは３ボルトを用いている。回路ブロックＣは、７．２ボルトを３ボルトに変換する。これは、高レベルの電圧を低レベルへ変換するものであるから、降圧型コンバータに該当するものであろう。

中央ブロック４０１が無線部品を有する場合には、無線信号を送信および受信するために、回路ブロックＤとアンテナ４２６との経路が用いられることになろう。回路ブロックは、信号の送信および受信を行うために、本発明のカーボンナノチューブトランジスタを含んでいる。例えば、無線信号を生成する増幅器内の出力素子として、カーボンナノチューブトランジスタを用いることができる。無線部品なしで本発明を実施する例では、回路ブロックＤおよびアンテナは存在しないことになろう。

図５は、本発明のカーボンナノチューブトランジスタの記号を示している。本発明によれば、トランジスタはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いて製造される。そして、より特定的には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が、単層カーボンナノチューブを用いて製造される。このトランジスタは、ゲート電極Ｇ、ドレイン電極Ｄおよびソース電極Ｓを有している。本発明によるこのカーボンナノチューブトランジスタは、集積回路の代表的なＭＯＳトランジスタにあるようなバルク電極、基板電極、あるいはウェル電極を有していない。本発明の他の実施形態では、カーボンナノチューブトランジスタがバルク電極を有することもあり得る。

適切な電圧がゲート電極に印加されると、ＮＴの符号が付されたカーボンナノチューブにチャネルが形成され得る。電流がドレインからソースへ流れ得る。本発明の単層カーボンナノチューブトランジスタの動作は、ＭＯＳ型トランジスタと類似のものである。

単層カーボンナノチューブは、比較的最近になって発見された材料である。単層カーボンナノチューブは、継ぎ目のない円筒状の巻物へと構成され、代表的には約１ナノメートルで、約０．４から約５ナノメートルの範囲を取り得る直径を有する単一シートのグラファイト（グラフェンとも称される）として、概念的に描き出すことが可能である。この円筒は、単一層の厚い層であり得る。例えば、ナノチューブは、０．５、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１；１．２、１．３、１．６、２、２．５、２．７、３、３．２、３．６、３．８、４．０、４．２、４．３、４．５、４．６、４．７、または４．９ナノメートルであり得る。処理技術に依存して、単層カーボンナノチューブは、０．７ナノメートルより小さいか、あるいは５ナノメートルより大きい直径を有することが可能である。

単層カーボンナノチューブに加えて、別の種類のカーボンナノチューブがあり、それが多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）である。多層カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブとは異なっている。単層カーボンナノチューブとは異なり、多層カーボンナノチューブは複数のカーボンナノチューブの同心円筒を有している。その結果、多層カーボンナノチューブは、より厚く、代表的には約５ナノメートル以上の直径を有している。例えば、多層カーボンナノチューブは、６、７、８、１０、１１、１５、２０、３０、３２、３６、５０、５６、６２、７４、７８、８６、９０、９６、または１００ナノメートル、あるいはそれよりも大きい直径をも有し得る。

単層カーボンナノチューブは、独特の電気的、熱的、および機械的特性を具備している。電気的には、そのキラリティまたはヘリシティに基づいて、金属または半導体であり得る。キラリティまたはヘリシティは、その（ｎ，ｍ）指標によって定まり、この指標はグラファイトのシートが如何にして円筒へと巻かれているか、を表すものとみなすことができる。代表的には、個々の単層カーボンナノチューブは、２０マイクロアンペア以上を損傷なしで流すことが可能である。多層カーボンナノチューブに比べて、単層カーボンナノチューブには、電子技術への応用上重大となる構造欠陥が一般的に存在しない。

単層カーボンナノチューブ材料は、信じ難いほどの優れた材料特性を有することが実証されている。既知の材料の中では最も強いものであり、鋼の約１５０倍の強さを有している。また、既知の中では最も高い熱伝導率（約６０００Ｗ／ｍＫ）を有している。半導体単層カーボンナノチューブの特性は、真に有望なものである。単層カーボンナノチューブは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、不揮発性メモリ、論理回路、その他の用途に用いることができる。

トランジスタの応用に関しては、単層カーボンナノチューブ素子は、シリコンの場合よりも著しく低い「オン」抵抗とスイッチング抵抗とを有している。単層カーボンナノチューブ技術に基づくトランジスタは、従来のシリコン素子のように熱くなることなく、相当に大きい電流負荷を扱うことが可能である。この主要な利点は、２つの因子に基づいている。第１に、より低い「オン」抵抗と、より効率的なスイッチングとによって、熱発生が著しく低く抑えられる。第２に、単層カーボンナノチューブは、高い熱伝導率を有しており、そのため熱が蓄積されない。

カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＣＮＴＦＥＴ）の設計および製造において考慮すべき重要な事項が３つある。第１に考慮すべき事項は、望みの直径、長さ、およびキラリティを有する高品質の単層カーボンナノチューブを、制御されかつ再現性のある方法で成長させることである。第２に考慮すべき事項は、ナノチューブを電子素子の構造へ効率よく集積化することである。そして第３に考慮すべき事項は、拡張性があり経済的な製造を行うことができるためには、現在のナノチューブの成長および素子製造プロセスを著しく改善する必要があるという点である。

図６は、本発明の２個のカーボンナノチューブトランジスタＭ６０１およびＭ６０３を用いたＡＣ−ＤＣコンバータ回路を示す。この回路は、例えば変圧器Ｔ１に供給される１２０ボルト等のＡＣ電圧入力を取り入れ、例えば図に示すように１２ボルト等のＤＣ電圧出力を供給する。このコンバータは、どのようなＡＣ電圧であっても取り入れるように設計することが可能であるが、米国における標準ＡＣラインの電圧であるとの理由により、１２０ボルトを選択している。この回路は、回路部品を変えることにより、例えば２ボルト、３ボルト、５ボルト、６ボルト、１６ボルト、１８ボルトあるいは２０ボルト など、１２ボルトより低かろうが高かろうが、希望する任意のＤＣ電圧を出力するように設計することが可能である。例えば、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４を変えてもよい。

単層カーボンナノチューブトランジスタＭ６０１は、電極６０４と接地との間に接続されている。Ｍ６０１のゲート電極は電極６０８に接続されている。容量素子Ｃ２は６０４と６１４との間に接続されており、６１４は単層カーボンナノチューブトランジスタＭ６０３のゲートに接続されている。Ｍ６０３は、電極６１９と接地との間に接続されている。容量素子Ｃ１は、６０８と６１９との間に接続されている。抵抗素子Ｒ３は、ＤＣ出力ＶＯＵＴと６１４との間に接続されている。抵抗素子Ｒ４は、ＶＯＵＴと６０８との間に接続されている。ＶＯＵＴと６０４との間には、ダイオードＤ１と抵抗素子Ｒ２とが存在する。ＶＯＵＴと６１９との間には、ダイオードＤ２と抵抗素子Ｒ１とが存在している。電極６０４および６１９は、変圧器Ｔ１の巻き線に接続されている。

ＡＣ−ＤＣコンバータは、比較的大電力を要する回路に電力を供給するものであるので、大きな電流を出力することもある。したがって、このような場合には、カーボンナノチューブトランジスタＭ６０１およびＭ６０３は、比較的大きい電流を通すことになろう。加えて、電池を充電するという電池用途においては、Ｍ６０１およびＭ６０３が、素子を過熱させたり破損させたりすることなく通過させる電流を大きくすることにより、電池を充電する速度を高めることができる。

図７は、本発明の２個のカーボンナノチューブトランジスタＭ７０１およびＭ７０５を用いたＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示す。この回路は、ＤＣ入力電圧ＶＩＮを取り入れ、それとは異なるＤＣ電圧ＶＯを出力する。例えば、ＶＩＮは７．２ボルトまたは１２ボルトであり得て、ＶＯは５ボルトまたは３ボルトであり得る。電圧変換回路は、持ち運び可能な電子機器など、数多くの用途に用いられている。なぜなら、電池は、望まれる電圧レベルあるいは電子回路と両立可能な電圧を出力することができないからである。

この回路はまた、ＤＣインバータ回路の一部でもあり得る。この場合には、入力電圧とは逆極性の電圧出力が出力される。例えば、もしも入力電圧が正であれば、インバータの出力電圧は負となる。あるいは、入力電圧が負であれば、インバータの出力電圧は正となる。

単層カーボンナノチューブトランジスタＭ７０１は、ＶＩＮ＋と電極７１２との間に接続されている。単層カーボンナノチューブトランジスタＭ７０５は、電極７１２とＶＩＮ−（または接地）との間に接続されている。７１２と７１６との間には、誘導素子Ｌが接続されている。７１６とＶＩＮ−との間には、容量素子と抵抗素子とが接続されている。出力ＶＯは、電極７１６と接地との間で取り出される。

本発明の別の実施形態において、トランジスタＭ７０１のドレインとソースとの間に第１ダイオードを接続し、トランジスタＭ７０５のドレインとソースとの間に第２ダイオードを接続してもよい。第１ダイオードは、電流が電極７１２からＶＩＮ＋の方向へ流れ得るように接続することができる。また、第２ダイオードは、電流が接地から電極７１２の
方向へ流れ得るように接続することができる。

これらのダイオードは、ダイオード接続されたトランジスタ、すなわちゲートおよびドレインが互いに接続されたトランジスタを用いることや、その他のトランジスタ技術を含めて、ダイオード特性を有する素子を得るために用いられる任意の技術を用いて、設計または製造することができる。別の実施形態では、ダイオードは、後に詳述するように、単層カーボンナノチューブとナノワイヤとの接合、あるいは他の接合を用いて、ナノチューブトランジスタと一体化しても良い。

動作する際には、コンバータ回路はＶＩＮ電圧をＶＯまたはＶＯＵＴ電圧へ変換する。トランジスタＭ７０１のゲートに第１の信号が接続され、トランジスタＭ７０５に第２の信号が接続される。第１および第２の信号は、矩形波、パルス列、鋸歯状信号などを含むクロック信号あるいは発振器の信号であり得る。第１および第２の信号は、コンバータ回路のための制御器によって生成してもよい。

電力用トランジスタは、代表的には大電流または大電力を伝える電子回路において、大電力出力段である。また、電力用トランジスタは電力増幅器内の素子であって、要求される大きさの電流および電力を負荷へ効率よく伝えるのに用いられる。用途には、集積回路内の素子、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、無線基地局、および様々な電子機器への電力の供給が含まれる。電力用トランジスタはまた、大電流スイッチおよびモータへの電力供給に用いられる。

現在のところ、電力用トランジスタは、シリコン技術に基づいたバイポーラ接合トランジスタ（ＢＩＴ）またはＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。これらのシリコン系トランジスタに加えて、ガリウムヒ素、窒化ガリウムなどの他の材料が用いられる。しかしながら、シリコン系バイポーラ接合トランジスタおよびシリコン系ＭＯＳ型電界効果トランジスタ、特に横方向拡散ＭＯＳがこの分野を凌駕している。電力用トランジスタ素子の全体は、全電流および全電力を分配するために、互いに結合したトランジスタを多数含んでいる。電力用トランジスタの関連するパラメータには、電流および電力容量、電流利得、効率、および熱抵抗が含まれる。

カーボンナノチューブトランジスタを商業化し、現在の半導体技術に取って代わるための数多くの試みがなされている。その中には、大規模の単層カーボンナノチューブについてのキラリティ制御、位置と配向の制御、寸法と長さの制御、そして全面的な品質制御が含まれる。本発明は、これらの問題に対処している。

本発明の１つの実施形態は、単層カーボンナノチューブ系の電力用トランジスタ素子であり、これには相当数の単層カーボンナノチューブが含まれる。この構造には、酸化アルミニウムまたはその他の材料が含まれる。垂直に配向した単層カーボンナノチューブの各々の側に、導電性のソースおよびドレインが接続されている。単層カーボンナノチューブは孔の中に存在する。単層カーボンナノチューブの導電性を効果的に変調するために、ゲート電極がパターニングされ、しかもソースおよびドレインから電気的に絶縁されている。本発明の素子は、従来の技術に基づく素子よりも高い電流密度および大きい全電力密度を得るものであり、高電流および大電力の素子、あるいはより小さい寸法の素子で同一の電流および電力を実現する。

本発明の１つの実施形態では、単層カーボンナノチューブは多孔質構造体の孔の中で合成される。多孔質構造体は、有効な任意の材料を用いた有効な任意の方法を通じて製造される。例えば、アルミニウムに陽極酸化処理を用いて、酸化アルミニウムが作られる。単層カーボンナノチューブの合成に適切で効果的な触媒を、孔の底部に堆積させる。

本発明のトランジスタを製造するために、多孔質構造体または基体が用いられる。図８は、このような多孔質構造体または基体の上面図である。図９は、多孔質構造体の断面図である。多孔質構造体は、例えば、酸化アルミニウムＡｌ２０３であって良い。これは、与えられた孔密度および孔寸法を実現する酸化アルミニウム膜の形状をなす構造のものである。それぞれの孔は、構造体内に形成された開口部である。１つの実施形態では、この開口部は、形状が概ね円形であり直径を有している。孔は、孔壁を有し、概ね円筒状の開口部を有している。孔の開口部は、他の形状であっても良く、完全な円筒状（または他の形状）の開口部であると考えられるものである必要はない。多孔質構造体は、酸化アルミニウム以外の材料から作られても良く、それには、シリコン、シリコンゲルマニウム、窒化ガリウム、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、プラスチック、ポリマー、ガラス、石英など、あるいは、それらの組合せが含まれる。

孔は、孔径、孔間隔、および孔長を有することになろう。孔径は、約１０ナノメートルから２００ナノメートルになろう。孔密度は、代表的には１平方センチメートル当たり約１０^８個から１平方センチメートル当たり約１０^１１個になろう。下記は、孔の六角形状配列についての本発明の様々な実施形態に対する孔密度と対応する孔間隔とを示す表Ａである。

孔長は、代表的には約５００ナノメートルから約１．５ミクロンとなろう。しかし、他の実施形態では、孔長は、５００ナノメートルより小さくても良く、例えば、５０ナノメートル以下であってもよい。あるいは、１．５ミクロンより大きくても良く、例えば４ミクロン以上に達しても良い。

孔間隔を決定する重要な因子は、支持構造体の一体性であろう。多孔質構造体が載るための別の支持構造体がある場合には、多孔質構造体の厚さは小さく（すなわち、孔長は短く）なることが見込まれる。例えば、多孔質の酸化アルミニウム構造体が、構造的一体性を実現するサファイア、ダイヤモンド、またはシリコンのシートの上にあってもよい。酸化アルミニウム構造体のみである（すなわち、付加的な支持構造体がない）場合には、約２５ミクロンから約１００ミクロンの厚さがあれば、十分な支持を実現するはずである。

支持構造体が用いられるときには、金、チタニウム、パラジウム、白金その他の金属などの導電材料が、支持構造体と孔との接合部に堆積し得る。この導電材料により、カーボンナノチューブが支持構造体に付着ないし接触し易くなることが予測され、特に、支持構造体が絶縁体または半導体である場合、あるいは、電気的接触が不十分である場合に予測される。ナノチューブの付着または電気的接触、あるいはその双方のためには、比較的少量の導電材料で足りる可能性がある。本特許において後述するように、導電材料は、必ず
しも整流接合を形成しないことだろう（例えば、カーボンナノチューブ−ナノワイヤ）。

図８は、六角形パターンに配列された孔を示している。各々の孔は、六角形の頂点にあって、六角形の中心にも１つの孔が存在している。このパターンが、多孔質構造体の全体を通じて反復されている。これに代えて、他のどのような有効なパターンも同様に用いることができる。例えば、三角形、正方形、長方形、五角形、八角形、台形、その他の規則的な構造で、孔が配列してもよい。本発明の他の実施形態において、孔がランダムに分布しても良い。同一の多孔質構造体内の孔について、２以上の異なる配置があっても良い。例えば、構造体の一部分は六角形パターンを有し、別の部分は八角形構造を有していても良い。このことは、同一の構造体の上に、異なる特性を持った２以上のカーボンナノチューブトランジスタを設ける際に有用であり得る。

さらに、同一の多孔質構造体に同一のパターンで、異なる配列が存在し得る。例えば、同一の多孔質構造体上に２つの六角形パターンが存在し、しかも互いから、あるずれをもって存在していても良い。一方の六角形パターンが、他方のパターンからある直線距離だけずれていても良い。あるいは、一方の六角パターンが、他方の六角パターンに対して、ある角度をもって回転していても良い。

六角形パターンに対しては、ピッチは（１／（ｓｉｎ６０＊孔密度））の平方根を取ることによって計算される。ピッチは、２つの孔の間の距離であり、それ故、孔径を評価する方法となる。十分な構造的一体性のためには構造体はある壁厚を持つであろうから、孔径はピッチよりは小さくなるはずである。１つの実施形態では、孔径は約２０ナノメートルから約３５ナノメートルの範囲となろう。別の実施形態では、孔径は約１５ナノメートルから約５０ナノメートルの範囲となろう。別の実施形態では、孔径は約５ナノメートルから約２５０ナノメートルの範囲となろう。

構造体は、アルミニウムの電気化学陽極酸化エッチング等のような効果的な方法であれば、何でも使って作ることができる。孔の長さと密度は、電圧および時間を含む陽極酸化の条件によって定まる。孔は一旦作り出した後に、例えば室温、６０度Ｃ、その他の様々な温度で陽極酸化エッチングのような化学的技術によって広げることが可能である。他の化学的技術には、クロム酸を用いる方法や、クロム酸とリン酸との組合せを用いる方法が含まれる。

構造体での孔のパターンは、酸化アルミニウムから初めに作られ、本特許の別の箇所で議論したように多孔質に作られた多孔質構造体から転写することによって、作ることができる。孔のパターンの転写は、どのような有効な方法によっても行うことができ、例えば、多孔質の酸化アルミニウム構造体をマスクとして用いて、その孔を通して他の媒体、例えばシリコン、シリコンゲルマニウムなどをエッチングすることにより行うことができる。詳細に後述するように、単層カーボンナノチューブが、その後に、新たな媒体の孔の中で直接に合成されるか、あるいはその孔の中に移される。ソース、ドレイン、およびゲート電極は、本発明のカーボンナノチューブトランジスタを形成するように規定される。

１つの実施形態では、出発点となる基体材料はアルミニウムである。そして、このアルミニウム前駆物質は、９９．９９パーセントないしそれ以上の純度となろう。アルミニウム前駆物質が高純度であるほど、トランジスタの歩留まりおよびトランジスタ特性に関して、結果は概してより良好なものとなろう。

孔を生成するのに先だって、前駆物質が洗浄され、かつアニールされる。代表的には、アルミニウムがある時間にわたって電解研磨される。その後、基体が陽極酸化あるいは酸化されることにより、第１層の孔を生成した酸化アルミニウムが形成される。この第１層
の孔は、過度に組織的で一貫性のあるものである必要はなく、化学的手段により除去しても良い。その後、基体を再び陽極酸化または酸化しても良い。この第２段階の孔生成は、その後に良質の孔の規則的な配置を作り出すのに用いられる。規則性をさらに改善するために、陽極酸化工程をさらに実行しても良い。

本発明の１つの実施形態では、アルミニウムが基体上に形成されるときに、電解研磨は必要ではなく、代わりに、洗浄が用いられ、あるいは、洗浄とアニールとが用いられることであろう。電解研磨ではアルミニウムが過度に除去されることがあるので、蒸着あるいはスパッタによるアルミニウム膜に対しては、電解研磨はうまく機能しないおそれがある。これらの技術では、比較的薄いアルミニウム膜が形成される。膜がこのように薄いので、アルミニウムが過度に除去されないことを確実なものとするように、電解研磨の間に十分な制御を行うことはできない。しかし、バルクのアルミニウムあるいはアルミニウム箔の場合であれば、陽極酸化の間にアニールと電解研磨とを処理に含めることができる。第１の陽極酸化の後に、第２の陽極酸化を行うか否かは選択可能な事項である。第２の陽極酸化がなくとも、相応の孔を形成することができる。しかし、第２の陽極酸化は、電解研磨のような工程を回避するためには有用である。

この処理によって、孔の一方側が露出し、孔の他端に、残留するアルミニウムバルクあるいはアルミニウム基体の上の酸化アルミニウム膜の薄いバリア層があるような孔が作られる。ある実施形態では、バルクのアルミニウムの代わりに基体が用いられるときには、いくつかの処理では、バリア層がなくても良い。アルミニウムバルクを化学的手段によってエッチングあるいは除去することにより、孔の他端側を開けることができる。これにより、エッチング条件（すなわち、時間）により規定される厚さを有する酸化アルミニウム膜が残る。それは、通常において、約１ミクロンから数十ミクロンの厚さである。

図１０は、孔内に単層カーボンナノチューブを有する多孔質構造体を示している。以下に詳述するように、処理を通じて単層カーボンナノチューブが孔内に形成される。単層カーボンナノチューブは、孔の中で合成するか、あるいは孔の中に移すことが可能である。半導体単層カーボンナノチューブがそれぞれの孔の中にあるのが望ましい。また、金属接続を行うためには、単層カーボンナノチューブは両端部が孔に露出するか、あるいは孔の外に露出するのが望ましい。したがって、単層カーボンナノチューブの長さは、少なくとも孔長と略同一であるべきである。

しかし、製造プロセスでは典型的であるように、望ましい特性を満足する半導体単層カーボンナノチューブの歩留まりは変動するであろう。単層カーボンナノチューブは、殆どの孔内に形成されるであろうが、必ずしも全ての孔に形成されるとは限らない。孔当たりの収量の問題により、全ての孔がナノチューブを含むことにはならない可能性がある。より高い可能性として、孔は平均的には１本のチューブを有することになろうが、あるものはゼロ本のチューブ、あるものは１本、またあるものは２から４本のチューブといった複数のチューブを有するものへと分布することであろう。そして、形成される単層カーボンナノチューブについて、あるものは望ましい特性を示し、あるものは示さないことになろう。

単層カーボンナノチューブは、例えば大気中酸素の吸着が起こる場合にはｐ型となり得る。また、単層カーボンナノチューブが、電子を供給する種類のもの、例えば金属粒子、精選されたポリマー被覆材、あるいは精選された気体種で被覆されるときには、ｎ型となり得る。

欠落したり不良であったりした孔が、ある数量は見込まれ、欠落したり無効となっている単層カーボンナノチューブも、ある数量は見込まれる。加えて、トランジスタのゲート
を形成するときには、ある数量の孔とカーボンナノチューブとを取り除いても良い。しかしながら、単位面積当たりにナノチューブを有する孔が多数存在し、冗長性を有することから、孔の全てに有効な単層カーボンナノチューブ素子があるわけではなくても、有効なトランジスタが形成されることであろう。

望ましくない特性を有するナノチューブが存在していても良い。例えば、ある数のナノチューブは、電気的なゲート制御によっても有効に空乏状態にならない金属単層カーボンナノチューブまたは半導体単層カーボンナノチューブであっても良い。望ましくないこれらのカーボンナノチューブ素子は、化学的、機械的、または電気的技術など、あるいはそれらの技術を組み合わせたものなど、任意の有効な技術によって、取り除くことができる。ある特定の技術では、半導体チューブよりも高い速度で金属チューブをエッチングするために、硝酸のような酸が用いられる。別の技術は、ゲートを用いることにより、「求められる」半導体チューブは遮断し、金属チューブには破壊するまで十分な電流を流すという要領で、保護しつつ電気的に焼失させるというものである。望ましくないカーボンナノチューブの破壊あるいは電気的降伏を引き起こす電流は、１本のチューブ当たり、約１５マイクロアンペアより大きく、約２５マイクロアンペアまでであり、あるいはさらに大きい電流も使用可能である。冗長性と素子密度とのために、すべての孔が有効な単層カーボンナノチューブ素子を取得してはいない場合であっても、それによってトランジスタ素子が不良であったり、動作不能であったりするわけではない。

本発明のある実施形態では、高い電流密度が得られる。例えば、本発明のある実施形態は、１平方センチメートル当たり約１０００アンペアより高い電流密度を得るのに十分な密度の機能的な単層カーボンナノチューブを有することによって構成される。各カーボンナノチューブの密度と電流への寄与に依存して、電流密度は、１平方センチメートル当たり１０００アンペアより高くすることが可能であり、例えば、１平方センチメートル当たり２０００アンペア、１平方センチメートル当たり３０００アンペア、１平方センチメートル当たり４０００アンペア、あるいは１平方センチメートル当たり５０００アンペア、あるいはそれ以上にすることが可能である。電流密度は、１平方センチメートル当たり１０００アンペア未満にすることも可能である。電流密度は、１平方センチメートル当たり５０００アンペアよりもさらに高くすることも可能であり、例えば１平方センチメートル当たり１０^１１アンペアにすることも可能である。

単層カーボンナノチューブ素子を孔の中で直接に合成するためには、任意の有効な方法を用いることができる。本発明の１つの実施形態において、ある技術は、孔の中に単層カーボンナノチューブ素子を合成するのに、４００度Ｃから１２００度Ｃで化学気相成長（ＣＶＤ）を実行する工程を含んでいる。その結果、約９５パーセント以上の単層カーボンナノチューブが半導体となる可能性がある。別の実施形態では、７０パーセント以上の単層カーボンナノチューブが半導体である。しかし、機能する素子を得る上では、少なくとも６０パーセント、あるいはそれ未満といった低い百分率も許容される。

本発明の別の実施形態では、方法は次の通りである。アルミニウムバルク上の酸化アルミニウム膜の構造中に孔を形成する。１つの実施形態では、孔と酸化アルミニウムとは、アルミニウムが酸化されると同時に形成される。次に、単層カーボンナノチューブ素子を形成するために、孔の底部に適切な触媒を置く。適切な触媒は、例えば、鉄、ニッケル、もしくはコバルト、またはこれらの金属の任意の組合せ、あるいは、これらのうちの１以上のものと他の金属との任意の組合せであり得る。代表的には、触媒は、通常１ナノメートルから４ナノメートルの直径を持つ適切なサイズのナノ粒子の形状をなしている。他の実施形態では、触媒は４ナノメートルより大きくてもよい。これらのナノ粒子は、金属蒸着、金属の電気化学的析出、または触媒の湿性沈着などの金属堆積により得られ、単一または複数の金属触媒ナノ粒子が、無機支持体またはフェリチン蛋白のような有機殻によっ
て支持される。

単層カーボンナノチューブを合成するためには、触媒粒子は、適切な寸法のままでなければならない。温度が約６００度Ｃ未満から約６５０度Ｃまでであれば、構造体の底部にアルミニウムバルクがなお存在した状態で合成が起こる。酸化アルミニウムを用いた型は、例えば約９００度Ｃから約１０００度Ｃまでの高温にすることができるに過ぎない。６５０度Ｃより高温では、アルミニウムは溶融し始め、６００度Ｃ未満では、カーボンナノチューブの生成は、より高い温度での生成に比べて低いものとなる。残留するアルミニウムバルクの存在によって、上限温度が制限される。そうでなければ、約４００度Ｃから約１２００度Ｃの全範囲が利用可能となる。一例として、タングステンのような別の材料が用いられる場合には、この材料の融点がアルミニウムよりも高いために、６５０度Ｃより高い温度を用いることが可能となる。

１つの実施形態では、アルミニウムバルクが取り除かれるが、薄い酸化アルミニウム膜が底部側に残されるので、触媒粒子は露出しない（あるいは、単層カーボンナノチューブがこの側から成長し、孔自身の中には成長しない）。合成の後に、薄い酸化アルミニウム膜またはバルクのアルミニウムが除去され、酸化アルミニウム膜が単層カーボンナノチューブの両側に金属接続できるようになることであろう。

本発明の別の実施形態では、トランジスタ素子の中へ組み込まれる前に、単層カーボンナノチューブが合成される。単層カーボンナノチューブは、例えばＣＶＤ、アーク放電、レーザ切除法など、またはそれらの組合せ、あるいはその他の任意の方法など、任意の有効な方法を用いて、あらかじめバルクの中で合成される。次に、カーボンナノチューブは、構造体の孔の中に移される。単層カーボンナノチューブを配置するために移す方法には、任意の有効な方法を用いることができる。

本発明の１つの実施形態において、１つの方法は次の通りである。孔と酸化アルミニウム膜を作り出し、次にアルミニウムバルクを除去し、孔の両側を露出させる。上述したように、１つの実施形態では、孔と酸化アルミニウムとは、アルミニウムが酸化されると同時に形成される。単層カーボンナノチューブを合成する。その後、任意の有効な方法を用いて単層カーボンナノチューブが溶液または懸濁液の中に投入される。単層カーボンナノチューブを含んだ溶液または懸濁液を、孔を通るように流し、両端部に金属電極が接触し得るように単層カーボンナノチューブを孔の中に残す。

すなわち、溶液または懸濁液が孔を通過するのにともなって、液中の単層カーボンナノチューブが孔に移送される。マイクロ流体法を用いても良い。望ましくないか、または余剰の単層カーボンナノチューブもしくは単層カーボンナノチューブの一部分は、どのようなものであっても、化学的、電気的、または機械的方法など、任意の有効な方法によって取り除かれる。

溶液中にある間に、単層カーボンナノチューブは、半導体含有量を高め、長さと直径とを最適化するために、さらに分離することができる。例えば、単層カーボンナノチューブは、寸法、長さ、または電気的特性により分離しても良い。１つの実施形態では、半導体単層カーボンナノチューブが金属単層カーボンナノチューブから分離される。したがって、この方法を用いることによって、合成のみによって得られる場合よりも高い濃度半導体単層カーボンナノチューブを得ることができる。溶液または懸濁液もまた、望ましい直径と長さの単層カーボンナノチューブのために、最適化することができる。単層カーボンナノチューブの直径は、半導体バンドギャップの大きさを決定することであろう。単層カーボンナノチューブの長さは、少なくとも孔長ほどの長さである必要がある。

ソースおよびドレイン電極は、単層カーボンナノチューブと酸化アルミニウム構造体の両側（例えば、頂部と底部）に形成することができる。電極の接続のために、酸化アルミニウム構造体と単層カーボンナノチューブの両側を開口し易くするために、障害となるアルミニウムまたは酸化アルミニウムはいずれも、任意の有効な方法を用いて除去される。１以上の電極が作り上げられることにより、トランジスタが形成される。

図１１Ａは、本発明の１つの実施形態によるトランジスタの斜視図である。図１１Ａは本発明による１個のトランジスタを示しているが、本発明の技術を用いることにより、数多くのトランジスタを同時に形成しても良い。図を簡素化するために、単一のトランジスタのみを示している。

多孔質構造体１１２０の一方側は、導電性の電極１１４０に接続されており、トランジスタのソース電極となっている。反対側は、導電性の電極１１５０に接続されており、トランジスタのドレイン電極となっている。導電性のゲート電極１１１０は、パターニングされることにより、酸化物または他の絶縁材料１１３０により、ソース、ドレインおよびカーボンナノチューブから絶縁されている。１つの実施形態では、酸化物１１３０は酸化アルミニウムである。このゲートは、複数の単層カーボンナノチューブの接続を断続する。ゲートは、金属、ポリシリコン、ポリシリサイド、その他の導電材料を用いて形成することができる。

本特許では、頂部電極１１４０はトランジスタのソース電極として記載され、底部電極１１５０はトランジスタのドレイン電極として記載されている。しかし、本発明の他の実施形態では、当業者が認めるものと推測されるように、これらの指定は入れ替えることができ、それにより、頂部電極をドレインとし、底部電極をソースとすることができる。したがって、この特許では第一義的には整合性を取るために電極の特定の配置について記載するが、それに代えて他の配置も本発明の範囲を逸脱することなく用いることができる。

多孔質構造体の頂部側のレイアウトは、導電体の種類が交互に入れ替わる縞状となっている。この特定の場合には、導電体は、ソース、ゲート、ソース、ゲートおよびソースである。これに代えて、縞は、ドレイン、ゲート、ドレイン、ゲート、およびドレインであっても良い。１つの実施形態では、これらの導電体は、金属、ポリシリコン、金属、ポリシリコン、および金属であっても良い。

別の実施形態では、構造体の底部側のレイアウトは、頂部側の縞状配置を鏡に映したものであっても良い。例えば、頂部がソース、ゲート、ソース、ゲート、およびソースであって、底部がドレイン、ゲート、ドレイン、ゲート、およびドレインであってもよい。ここで、頂部のゲートは、底部のゲートの上方にある。底部での別の配置は、ゲート、ドレイン、ゲート、ドレイン、およびゲートであり、この場合には、頂部のソースが底部のゲートの上方にある。

さらに別の実施形態において、ソース電極とドレイン電極とは、構造体の同一側に統合されてもよい。例えば、構造体の頂部側のドレイン電極が、ジャンパ、ビアホール、カーボンナノチューブまたはナノワイヤなど適当な接続を通じて、底部にあるナノチューブの端部に接続されても良い。

図１１Ａの実施形態では、トランジスタは２つのゲート電極と２つのゲート電極領域１１１０とを有しており、これらの領域の間には、相当数の孔と単層カーボンナノチューブが存在している。図には、ゲート領域の間にある５本のチューブと４本の単層カーボンナノチューブとが表されている。しかし、本発明の他の実施形態では、さらに多くの孔と単層カーボンナノチューブがゲート電極の間に存在しても良い。それら２つの電極の間に、
４本未満の単層カーボンナノチューブ、例えば２本または３本の単層カーボンナノチューブがあっても良い。

ゲート領域１１１０は、互いに分離し、独立していても良い。これは、異なる電圧または同一の電圧を、他から独立して各々に印加できることを意味している。あるいは、これらの領域は、電気的に接続されていたり、あるいは構造体内のどこか別の部位（不図示）で互いに結びつけられていたりしても良く、それにより実質的には単一で分散したゲート電極として一緒に機能しても良い。図示したゲート電極部分は、３本の「指」または拡張された大文字「Ｅ」の中の１つに似たものとなっていることであろう。本発明のトランジスタでは、ゲート電極のこのような指はどのような本数であっても良く、例えば、２本、３本、４本、５本、さらに数百あるいは数千のこのようなゲート領域があっても良い。したがって、ゲート１１１０は、ゲート領域、ゲート部材、ゲート部、ゲート区分、ゲート区画、またはゲート片と称されても良く、各領域は、他の領域から分離し独立していてもよく、あるいは１以上の他の領域と電気的に接続されていても良い。

３つのソース領域１１４０が存在している。ゲート１１１０の場合と同様に、ソースおよびドレイン領域は、互いに分離し独立していても良い。あるいは、ソースおよびドレイン領域は、電気的に接続されていたり、さもなくば、構造体内のどこか別の部位（不図示）で互いに結びつけられていたりしても良く、それにより実質的には単一で分散したソースおよびドレイン電極として一緒に機能しても良い。構造体には、どのような個数のソースおよびドレイン領域があっても良い。

より特定的には、ソースは酸化アルミニウム構造体などの多孔質構造体の一方側にあり、単層カーボンナノチューブの一端部に接続されている。ドレインは、多孔質構造体の他方側にあり、単層カーボンナノチューブの他端部に接続されている。単層カーボンナノチューブは、それにより電気的に接続され、電流を伝える素子すなわちチャネルとして機能し得るようになる。

本発明の１つの実施形態では、構造体のゲート領域が互いに接続されており、ソース領域が互いに接続され、そしてドレイン領域が互いに接続されている。この配置では、単層カーボンナノチューブが並列に接続され動作することが想定されている。互いに接続されて本発明の１つの単層カーボンナノチューブトランジスタを形成するカーボンナノチューブが、数百、数千、数百千、あるいはさらに多く存在しても良い。

図１１Ａに示すように本発明の１つの実施形態では、ゲート電極は、酸化アルミニウム構造体の一方側または両側に形成される。例えば、ソース層もしくはドレイン層、または双方の上にゲート電極層を形成しても良い。この実施形態では、ナノチューブは、ソースおよびドレイン電極の間に「サンドイッチ」されており、ある本数のナノチューブは、ゲート電極の下方にある。あるいは、ナノチューブが反対側にある２つのゲート電極の間にサンドイッチされていても良い。あるいは、ゲートが構造体の両側にあるときには、カーボンナノチューブがゲート電極によってサンドイッチされないように、交互に並ぶドレイン−ゲート−ソース−型の構造に、ゲートをパターニングしても良い。

これらのカーボンナノチューブは、絶縁層のためにゲート電極には電気的に接触しない。そして、おそらくはゲート電極層とソース（またはドレイン）電極層との間に絶縁層を用いることにより、単一または複数のゲート電極が、ソース電極およびドレイン電極から電気的に絶縁されている。

本発明の別の実施形態を図１１Ｂに示す。この実施形態は、図１１Ａに示したものと類似している。ただし、ゲート領域１１１０が、エッチング、堆積、その他の方法により酸
化アルミニウム構造体の中に形成され、それにより、相当な長さの単層カーボンナノチューブをより効果的に断続できるようになっている。ゲート領域の深さは、多孔質構造体の全長（例えば、ソース電極を通じて、ドレイン電極まで、あるいはドレイン電極付近）にわたっても良く、あるいは多孔質構造体の長さのどの部分であっても良い。例えば、ゲートの深さは、多孔質構造体の長さの５パーセント、１０パーセント、２０パーセント、３０パーセント、４０パーセント、５０パーセント、５５パーセント、６０パーセント、あるいはさらに高いパーセンテージであっても良い。この深さは、２０パーセント未満、３０パーセント未満、４０パーセント未満、５０パーセント未満、あるいは他のパーセンテージであっても良い。

本発明の素子を加工する際には、導電層が多孔質構造体の表面に形成される。この導電層は、ソースおよびドレイン電極のためのものであっても良い。導電層は、ゲートのための開口部をエッチングするためにパターニングされる。酸化アルミニウム構造体をエッチングするためには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いても良い。反応性イオンエッチングは、ドライエッチングの一形態である。反応性イオンエッチングのために用いられるガスの一例として、アルゴンがある。別の例として、アルゴンおよびＳＦ_６がある。使用されるガスは、アルゴン、フッ化物（ＳＦ_６のような）、塩化物、酸素、またはそれらの組合せであっても良い。

多孔質構造体の中にエッチングする距離または深さに関して、１つの実施形態では、トレンチ深さは、約５ナノメートルすなわち５０オングストロームである。もしも、全厚さが１ミクロンすなわち１０，０００オングストロームであるならば、５０オングストロームは、０．５パーセントとなる。このような実施形態では、トレンチ深さは、少なくとも０．５パーセントである。別の実施形態では、深さは約１０ナノメートル、１００オングストローム、すなわち１パーセントの深さとなろう。別の実施形態では、深さは約５０ナノメートル、５００オングストローム、すなわち５パーセントの深さとなろう。別の実施形態では、深さは約１００ナノメートル、１０００オングストローム、すなわち１０パーセントの深さとなろう。さらに別の実施形態では、深さは約５００ナノメートル、５０００オングストローム、すなわち５０パーセントの深さとなろう。さらに別の実施形態では、深さは約１０００ナノメートル、１０，０００オングストローム、すなわち１００パーセントの深さとなろう。

エッチング速度は、トレンチの寸法に依存し、特に線の幅に依存する。小さい線すなわち開口部は、大きいものに比べて緩やかにエッチングされ、このことは深さとリソグラフィ線寸法との比率に影響する。

また、図１１Ａおよび図１１Ｂには、ゲート領域は長方形として表されている。しかし、本発明の別の実施形態では、ゲートは、多角形、三角形、台形、円形、楕円、卵形、またはそれらの組合せなど、任意の形状をなしていても良い。

さらに、本発明の技術によれば、トレンチは、薬品、プラズマ、レーザ、機械的手段、ミクロ−電子−機械システム（ＭＥＭｓ）、その他の技術を用いたエッチングによって、多孔質構造体の中に形成される。酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、またはその他の絶縁材料などの絶縁材料が、トレンチの中に堆積させられる。この絶縁材料は、ゲート材料がカーボンナノチューブと短絡するのを防止することであろう。ゲート材料１１１０はトレンチに堆積する。ゲート材料は、スパッタ、蒸着、その他の技術を用いて堆積させられる。

ゲート深さを選択する上で考慮すべき別の事項は、製造されるトランジスタの種類である。素子がデプレション型のトランジスタであれば、素子がエンハンスメント型のトラン
ジスタである場合よりも、ゲート深さは浅くしても良い。なぜなら、デプレション型のトランジスタは、ノーマル状態ではオンしているからである。このため、デプレション型のトランジスタをターンオフするためには、ゲートはチャネルすなわち単層カーボンナノチューブの比較的小さいどの部分をターンオフしてもよい。これとは逆に、エンハンスメント型のトランジスタでは、ゲートはトランジスタを完全にオンするためにはチャネル全体をオン状態にしなければならない。

素子の製造後に、単層カーボンナノチューブトランジスタ素子は、最終製品としての機械的、電気的、および熱的性質、並びに安定性を全面的に達成するために、実装およびパッケージングされる。

動作するときには、半導体単層カーボンナノチューブの電気的特性を変調するために、ゲート電極に電圧が印加される。ゲート電極は、有効なゲートとなるように、単層カーボンナノチューブの十分に近くに設けられる。本発明のある実施形態では、トランジスタの有効なゲートは、単に、半導体単層カーボンナノチューブの部分、すなわちゲート電極に最も近接する部分となろう。言い換えると、電圧がゲートに印加されるときには、多孔質構造体中に電場が存在する。電場の強さは、ゲートからの距離が大きくなるに伴って減少する。したがって、ゲートにより近い単層カーボンナノチューブが、よりゲートの影響を受けることになろう。

半導体単層カーボンナノチューブの特性に依存して、トランジスタはエンハンスメント型、デプレション型、ネイティブ型、その他の型のトランジスタであり得る。それにより、トランジスタの特性が調整されることになろう。例えば、デプレション型の単層カーボンナノチューブトランジスタは、ターンオフするまで電流を流し続けるのに対し、エンハンスメント型の単層カーボンナノチューブトランジスタは、ターンオンされるまで、ノーマル状態において電流を阻止し続ける。望ましいトランジスタ特性を得るために、単層カーボンナノチューブを、加工の過程で調整しても良い。例えば、カーボンナノチューブには、その特性を調整するために、ある種のイオンをドーピングしたり分子を吸収させたりしてもよい。

１つの実施形態では、孔はチューブが成長した後に充填される。例えば、単層カーボンナノチューブが孔全体を満たさないような実施形態では、孔内の残余の領域は部分的に、あるいは完全に材料で充填される。材料の例として、絶縁体、金属、半導体またはポリマーがあり得る。この材料は、不活性化、保護、安定化、改質あるいはそれらの組合せを、カーボンナノチューブの特性に対して行うために用いることができる。例えば、ナノチューブに塗布してナノチューブに特定の種類のドーピングを行うために、ポリマーを使っても良い。また、ポリマーは加工の過程で化学修飾が施されても良い
さらに別の実施形態では、孔内の空いた領域のうちの少なくともある部分を充填するために、材料を付加しても良い。特に、上述したように、単層カーボンナノチューブは直径に関して孔よりも小さい。ナノチューブと孔壁との間にあるこの「空いた」隙間は、絶縁体、金属酸化物、ポリマー、あるいはその他の材料などの材料で、充填ないし被覆してもよい。

上記の隙間は、複数の材料で充填しても良く、異なる材料からなる複数の層で充填しても良い。１つの層は、絶縁体、金属酸化物、ポリマー、または他の非導電性の層であっても良い。別の層は、金属、半導体、ポリシリコン、ポリマー、または他の導電性の層であっても良い。非導電性の層は、導電性の層に比べて、非導電性であると考えられるであろう。絶縁体は、単層カーボンナノチューブを、導電材料であり得る他の材料から絶縁するであろう。それぞれの孔には、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つあるいはさらに多くの層があっても良い。いくつかの層が、望ましい任意の組合せで、同一であっても
、異なっていても良く、例えば、これらの層が導電性と非導電性とが交互に入れ替わったものであっても良い。

材料の異なる複数の同心円状の層を用いて、個々の孔をトランジスタ素子を形成するのに用いることができる。１つの孔の中に、単層カーボンナノチューブが存在すると、それがトランジスタのチャネル領域として機能することが予測される。単層カーボンナノチューブの少なくとも一部分を包囲するように、酸化物のような比較的薄い絶縁層が設けられるであろう。さらに、この酸化物を包囲するように、金属、ポリシリコン、その他の導電体のような導電層が設けられるであろう。この層は、トランジスタのゲート電極として機能することになろう。本発明のこのような実施形態では、孔径は、複数の層を作り、かつ接続し得るように選択され、そして孔密度はそれによって影響を受けることになろう。多孔質構造体は、このようなトランジスタを多数有しており、各々が他とは独立に動作するか、あるいは２以上のトランジスタを互いに接続しても良い。あるいは、多孔質構造体の１群のトランジスタ、または全てのトランジスタが、互いに接続され、単一の大きなトランジスタとして動作しても良い。

１つの特定の実施形態では、単層カーボンナノチューブは層が形成される前に、孔の中に形成されるか、または孔の中に置かれる。単層カーボンナノチューブは合成されるか、あるいは被覆されない孔の中に移送される。単層カーボンナノチューブは、酸化物または同様の絶縁物により絶縁される。その後、ゲート材料が加えられる。ソースおよびドレイン、またはそれら双方が、ゲートが加えられる前か後に密着させられる。

その上さらに、単層カーボンナノチューブは、孔壁の一方側の同じ場所に留まっていても良い。その後、絶縁層と他の任意の層とで孔を充填し、元の多孔質構造体に接触しているナノチューブの部分を除いて、ナノチューブの全長を殆ど包囲することになろう。望ましければ、多孔質構造体に接触しているナノチューブの部分を除去しても良い。例えば、エッチング、化学機械研磨法、電解研磨、機械的な研磨、あるいは他の除去方法により、この部分を取り除いても良い。残っているものは、１以上の層と、多孔質構造体に接触する部分を有しない単層カーボンナノチューブである。

別の特定的な実施形態では、単層カーボンナノチューブは、層が形成された後に、形成されるか、あるいは孔の中に置かれる。本発明のこの実施形態のものを製造するための１つの技術は、孔を形成した後に、ゲートとなる導電材料を孔の中に形成するか、あるいは当該材料で孔を被覆するものである。その後に、ゲート酸化膜となる絶縁性の被覆が付加される。その後に、本特許の別の箇所で議論したような要領で、被覆された孔に単層カーボンナノチューブが合成されるか、あるいは移送される。その後に接続がなされ、トランジスタが出来上がる。

２以上の単層カーボンナノチューブトランジスタを、同一の多孔質構造体に形成しても良い。同一の構造体上のこれらの単層カーボンナノチューブトランジスタは、互いに独立に動作するものであってもよく、あるいは、ある方法で互いに電気的に接続して、単層カーボンナノチューブトランジスタの回路、集積回路を形成しても良い。本発明の単層カーボンナノチューブトランジスタは、同一の多孔質構造体に形成される他の非カーボンナノチューブ素子、例えばＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ、もしくはＢＩＴトランジスタ、ダイオード、抵抗素子、容量素子、誘導素子、インピーダンス素子、その他とともに集積化しても良く、あるいは、非カーボンナノチューブ素子が半導体基板など、別個の構造体の上にあっても良い。これら別個の構造体（ダイスと称しても良い）は、単一のパッケージに一緒にパッケージングされてもよく、個別にパッケージングされても良い。

図１２は、本発明の１つの特定の実施形態に基づいて、単層カーボンナノチューブを配
置するために直接に合成する方法のフロー図である。ステップ１２０４では、この技術は、洗浄されアニールされたアルミニウム箔を陽極酸化し、多孔質の酸化アルミニウム層を生成する。出発アルミニウム材料は、どのような厚さのものであってもよく、箔形状に限られない。出発アルミニウム材料またはアルミニウム基体は、アルミニウム箔よりも厚くても良い。既に議論したように、アルミニウム以外の材料を出発材料として用いても良い。

ステップ１２０８では、直径、秩序性、および均一性を含む孔の質を点検する。ステップ１２１２では、孔寸法と秩序性が許容可能か否かをチェックする。これらのチェックは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、偏光解析法、もしくは他の特徴を明らかにする技術、またはそれらの組合せによって行っても良い。もしも許容可能でなければ、ステップ１２１５において、化学的または機械的処理によって孔を広げる。秩序性を高めるために、第１の多孔質構造体を除去した後に第２の陽極酸化を実行しても良い。基体は様々な温度で、リン酸、クロム酸、あるいはこれらの組合せなどの化学溶液の中に浸漬し、より大きい直径を有するように孔をエッチングしても良い。

孔寸法と秩序性とが許容可能になったならば、当技術はステップ１２１９へ進み、孔の底部に単層カーボンナノチューブを合成するための触媒を堆積させる。触媒のいくつかの例には、電着、スパッタ、蒸着、あるいはフェリチンの構造の金属ナノ粒子による鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）またはこれらの組合せが含まれる。触媒は、鉄、ニッケル、またはコバルトの合金であっても良い。

触媒により、カーボンナノチューブを以下のような条件の下で形成することが可能となる。すなわち、約４００度Ｃから約１２００度Ｃの温度で、炭化水素ガスもしくは炭素を含有する分子種、またはこれらの組合せが、反応器の中にあるか、あるいは反応器を通過して流れることである。カーボンナノチューブを成長させる条件の一例は、約８００度Ｃから約８５０度Ｃのメタンと水素とを用いることである。さらに別の実施形態では、カーボンナノチューブを成長させるために、約６００度Ｃから約９００度Ｃの温度が採用される。

ステップ１２２２では、化学気相成長による単層カーボンナノチューブの合成を実行する。ステップ１２２６では、単層カーボンナノチューブが許容可能か否かを点検する。歩留まりと品質とを明らかにする。もしも、許容可能でなければ、ステップ１２２９へ進んで、多層カーボンナノチューブ、カーボン細管もしくは繊維、またはアモルファスカーボンをチェックする。もしも、多層、細管、またはアモルファスのカーボンが存在しておれば、その試料は使用できない公算が高く、処理をもう一度やり直すことになろう。例えば、今回の一連の処理に対して何が起こったのかについての情報を、次回以降の処理を精緻化するのに用いることができる。反応性カーボンの量を減らしたり、また、おそらくは触媒の量を変更したり減らしたりするといった合成条件の調整を行っても良い。

もしも、ステップ１２２６の後に、単層カーボンナノチューブが許容可能であれば、ステップ１２３２へ進み、アルミニウム系の化学エッチングにより孔の露出していない端部を開口する。

ステップ１２３５では、余剰の単層カーボンナノチューブまたは不良の単層カーボンナノチューブがあるか否かをチェックする。もしもなければステップ１２４３へ進み、そうでなければ、ステップ１２３７へ進んで、望ましくない単層カーボンナノチューブまたはその一部分を、化学的または機械的手段により除去する。例えば、望ましいチューブの保護のためにリソグラフィによるパターニングと組み合わせることになる可能性が高いが、プラズマエッチングまたは酸処理により、余剰のナノチューブを選択的にエッチングする
工程を用いても良い。

次に、ステップ１２４３に進んで、酸化アルミニウム構造体の一方側にソース電極をパターニングし、反対側にドレイン電極をパターニングし、かつゲート電極を絶縁する。このステップの間に、単層カーボンナノチューブトランジスタが形成される。

ステップ１２４７では、トランジスタ素子を試験する。いずれかの単層カーボンナノチューブトランジスタが有効な電界効果トランジスタの特性を示さないかどうかを判定する。もしも否であれば、ステップ１２５６へ進み、そうでなければステップ１２５０で、望ましくない単層カーボンナノチューブまたはその一部分を、電気的、化学的または機械的手段により除去する。議論した電気的焼失のような技術を用いても良い。

ステップ１２５６では、トランジスタ素子がパッケージングされ、試験される。
図１３は、本発明の１つの特定の実施形態による単層カーボンナノチューブの配置のための移送方法を示すフロー図である。ステップ１３０３では、この技術は、洗浄およびアニールされたアルミニウム箔を陽極酸化し、多孔質の酸化アルミニウム層を生成する。出発アルミニウム材料は、どのような厚さのものであってもよく、箔形状に限られない。出発アルミニウム材料またはアルミニウム基体は、アルミニウム箔よりも厚くても良い。既に議論したように、アルミニウム以外の材料を出発材料として用いても良い。

ステップ１３０６では、直径、秩序性、および均一性を含む孔の質を点検する。ステップ１３０９では、孔寸法と秩序性が許容可能か否かをチェックする。これらのチェックは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、偏光解析法、もしくは他の特徴を明らかにする技術、またはそれらの組合せによって行っても良い。もしも許容可能でなければ、ステップ１３１１において、化学的または機械的処理によって孔を広げる。秩序性を高めるために、第１の多孔質構造体を除去した後に第２の陽極酸化を実行しても良い。基体は様々な温度で、リン酸、クロム酸、あるいはこれらの組合せなどの化学溶液の中に浸漬し、より大きい直径を有するように孔をエッチングしても良い。

孔寸法と秩序性とが許容可能になったならば、当技術はステップ１３１５へ進み、アルミニウム系の化学エッチングにより孔の露出していない端部を開口する。ステップ１３１８では、単層カーボンナノチューブの溶液または懸濁液を孔に通して濾過し、酸化アルミニウム構造体内に単層カーボンナノチューブを堆積させる。ステップ１３２２では、単層カーボンナノチューブの歩留まりと品質とを点検する。

ステップ１３２４では、余剰の単層カーボンナノチューブまたは不良の単層カーボンナノチューブがあるか否かをチェックする。もしもなければステップ１３３１へ進み、そうでなければ、ステップ１３２７へ進んで、望ましくない単層カーボンナノチューブまたはその一部分を、化学的または機械的手段により除去する。例えば、望ましいチューブの保護のためにリソグラフィによるパターニングと組み合わせることになる可能性が高いが、プラズマエッチングまたは酸処理により、余剰のナノチューブを選択的にエッチングする工程を用いても良い。その後、次のステップは、１３３１となる。

ステップ１３３１では、酸化アルミニウム構造体の一方側にソース電極をパターニングし、反対側にドレイン電極をパターニングし、かつゲート電極を絶縁する。このステップの間に、単層カーボンナノチューブトランジスタが形成される。

ステップ１３３６では、トランジスタ素子を試験する。いずれかの単層カーボンナノチューブトランジスタが有効な電界効果トランジスタの特性を示さないかどうかを判定する。もしも否であれば、ステップ１３４３へ進み、そうでなければステップ１３４０で、望
ましくない単層カーボンナノチューブまたは単層カーボンナノチューブの一部分を、電気的、化学的または機械的手段により除去する。上で議論した電気的焼失のような技術を用いても良い。

ステップ１３４３では、トランジスタ素子がパッケージングされ、試験される。
本発明の様々な実施形態について以下に述べる。本発明の実施形態の一例は、以下を含むトランジスタまたは電力用トランジスタを製造する方法である。アルミニウムが陽極酸化され、酸化アルミニウムに孔が形成される。酸化アルミニウムの一端が開口されることであろう。孔の底部に触媒が置かれる。６５０度Ｃの温度で、単層カーボンナノチューブが孔の底部から頂部まで成長し、おそらくは頂部から外に延びるほどに成長する。孔ごとに１本の単層カーボンナノチューブが存在するのが望ましい。バルクのアルミニウムと酸化アルミニウムの任意の薄膜とを除去して、孔の底部と、結果として生じた単層カーボンナノチューブとを露出させる。孔を有する材料の１つの側にドレインが付加され、１つの側にソースが付加される。孔を有する材料の１以上の側にゲートが付加される。別の実施形態では、酸化アルミニウムの中にゲートを配置するために、トレンチをエッチングまたは生成する。

電極のうちの１つ（ドレインまたはソース）を頂部側に付加する工程は、バルクのアルミニウムを除去する工程の前または後に実行される点に注目されたい。頂部側にゲートを付加する工程は、バルクのアルミニウムを除去する工程の前または後に実行することが可能である。

ゲートを絶縁するために、保護膜または絶縁膜を付加しても良い。保護膜の付加は、ゲートと付加する前に行っても良く、バルクのアルミニウムを除去する前に行っても良い。

この方法および他の方法の実施形態では、もしも孔を形成する材料が酸化アルミニウムでない場合には、用いられる孔形成工程は、選択された特定の材料に有効ないかなる孔形成工程であってもよい。

さらに別の実施形態では、本発明は以下を含む電力用トランジスタを製造する方法である。アルミニウムを陽極酸化し孔を形成する。孔は一端が開口する。バルクのアルミニウムを除去する。薄い酸化アルミニウムが残り、孔を覆われた状態に保つ。孔の底部に触媒を置く。単層カーボンナノチューブ（望ましくは孔ごとに１本ずつ）を孔の底部から頂部まで成長させ、おそらくは頂部から外に延びるほどに成長させる。酸化アルミニウムの任意の薄膜を除去して、孔の底部と、結果として生じた単層カーボンナノチューブとを露出させる。１つの側にドレインを付加し、１つの側にソースを付加する。１以上の側にゲートを付加し、またはそれに代えて、もしくはそれと共に、酸化アルミニウムの中にトレンチまたは他の開口部をエッチングし、トレンチまたは開口部の中にゲートを形成する。

１つの電極（ドレインまたはソース）とゲートとを（おそらくは保護膜をも）頂部側に付加する工程は、バルクのアルミニウムを除去する工程の前に実行しても良い。

さらに別の実施形態では、本発明は以下を含むトランジスタまたは電力用トランジスタを製造する方法である。アルミニウムを陽極酸化し孔を形成する。孔は一端が開口するものであっても良い。バルクのアルミニウムと任意の酸化アルミニウム膜とを除去し、孔の両端を完全に露出させる。孔の一端に触媒を置く。位置によっては、触媒で覆われた別の基体の上に型を置くことにより、これを行うことができる。単層カーボンナノチューブが孔の中に成長することができる。さらに別の実施形態では、単層カーボンナノチューブを（望ましくは孔ごとにただ１本ずつ）孔の一端から孔を通して他端まで成長させ、おそらくは孔から外に延びるほどに成長させる。１つの側にドレインを付加し、１つの側にソー
スを付加する。１以上の側にゲートを付加し、またはそれに代えて、もしくはそれと共に、酸化アルミニウムの中にトレンチまたは他の開口部をエッチングし、トレンチまたは開口部の中にゲートを形成する。

さらに別の実施形態では、本発明は以下を含むトランジスタまたは電力用トランジスタを製造する方法である。ソースを基体の上に配置する。ソース層の上にアルミニウム層を付加する。陽極酸化によりアルミニウム層に孔を形成し、多孔質の酸化アルミニウムを形成する。孔がソースに達していることを確認する。確認する工程は、エッチング工程を含んでいても良い。孔の底部に触媒を置く。孔を通して単層カーボンナノチューブを成長させ、おそらくは孔を通して延びるほどに成長させる。ナノチューブは、ソースに電気的に接続しても良い。ドレインとゲートとを付加する。

この実施形態では、孔を有する酸化アルミニウムが、ソースが既に存在する基体の上に直接に存在している点に注目されたい。基体により、機械的安定性も付与される。そのために、酸化アルミニウム膜は、薄くしかも頑丈であり得る。触媒は、アルミニウム層を付加する工程の前にソース層の上に置くことも可能である。

別の実施形態の一例では、孔の両端を露出させ、孔の一端に触媒が置かれ、あるいは配置される。それにより、単層カーボンナノチューブが孔の一端から孔を通して他端まで成長し、おそらくは他端から外に延びるほどに成長する。例えば、孔を有する酸化アルミニウム膜は、単層カーボンナノチューブの触媒で覆われた基体に接触可能である。別の形態では、機械的安定性を実現する構造として用いられる基体の上に、陽極酸化されることとなるアルミニウムが堆積し、あるいは配置される。ソース電極は、孔がソースに達するように、基体とアルミニウムとの間に置くことができる。単層カーボンナノチューブは、合成の間、およびその後に、ソースに電気的に接触することになろう。単層カーボンナノチューブを合成するための触媒は、多孔質の酸化アルミニウム膜の形成の前にソースの上に置いても良い。

本発明の別の実施形態は、本発明の任意の方法により製造された装置または物品、あるいは本発明の実施形態の任意の装置または物品を用いて製造された装置または物品である。

別の実施形態の一例は、以下を含んでいる。あるトランジスタ素子は、相当数の孔を規定する構造体を含んでいる。少なくともある数の孔の内側には、単層カーボンナノチューブが存在することであろう。構造体の第１の側の第１電極が、単層カーボンナノチューブのうちの複数に接続される。構造体の第２の側（例えば、反対側）の第２電極が、単層カーボンナノチューブのうちの複数に接続される。第１および第２電極から電気的に絶縁された第３電極が存在する。

第１電極はトランジスタのソースを規定しても良い。第２電極はトランジスタのドレインを規定しても良い。第３電極はトランジスタのゲートを規定しても良い。この素子は、電界効果トランジスタとして動作する。上記相当数の孔には、約１ナノメートルから約２００ナノメートルの範囲内の直径を有する孔が含まれている。構造体は、１平方センチメートル当たり約１０^６個から１平方センチメートル当たり約１０^１４個の孔密度を有する。

１つの実施形態では、孔のうち少なくとも与えられた百分率のものが、単層カーボンナノチューブを含むことが分かるであろう。各孔は、ゼロ、１、または複数の単層カーボンナノチューブを含んでいても良い。少なくとも６０パーセントの単層カーボンナノチューブは半導体である。１つの実施形態では、金属であるか、有効でないか、または望ましく
ない単層カーボンナノチューブは、化学的、機械的、または電気的方法により、破壊され、改質され、または除去される。

１つの実施形態では、単層カーボンナノチューブは、主要にはｐ型の半導体単層カーボンナノチューブを含んでいる。別の実施形態では、単層カーボンナノチューブは、主要にはｎ型の半導体単層カーボンナノチューブを含んでいる。別の実施形態では、ｐ型とｎ型の素子が、同一のチップ上に集積化されている。単層カーボンナノチューブは、構造体の上記相当数の孔のうちの少なくともある数の中で、直接に合成されても良い。単層カーボンナノチューブを合成するのに化学気相成長を用いても良い。単層カーボンナノチューブを合成するのに、有効な触媒が用いられる。触媒には、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、またはそれらの組合せが含まれる。触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、またはそれらの組合せの合金であっても良い。

単層カーボンナノチューブは、主要には、約０．４ナノメートルから約５ナノメートルの直径を有していても良い。１つの実施形態では、単層カーボンナノチューブのうち、少なくとも与えられた百分率のものが、構造体内の孔の長さに略等しいか、それよりも大きい長さを持つことが知られるか、あるいはそのように概算される。

望ましくない単層カーボンナノチューブまたはその一部分は、化学的、機械的、または電気的方法により、破壊されるか、改変されるか、または除去される。単層カーボンナノチューブは、構造体の孔の中に移送されるものであっても良い。単層カーボンナノチューブは、孔に移送される前に、化学気相成長、アーク放電、またはレーザ切除法により合成しても良い。

単層カーボンナノチューブは、構造体への移送に用いられる溶液または懸濁液の中にあっても良い。溶液または懸濁液が構造体内の孔を通過して流れ、単層カーボンナノチューブが孔の中に堆積した。

１つの実施形態では、単層カーボンナノチューブのうち、少なくとも与えられた百分率のものが、構造体内の孔の長さに略等しいか、それよりも大きい長さを持っている。単層カーボンナノチューブは、主要には、約０．４ナノメートルから約５ナノメートルの直径を有しても良い。望ましくない単層カーボンナノチューブまたはその一部分は、化学的、機械的、または電気的方法により、破壊されるか、改変されるか、または除去されても良い。

ゲート電極は、構造体の一方側または両側に位置していても良い。ゲート電極は、部分的または完全に、構造体の中に刻み込まれていても良い。１つの実施形態では、素子は１平方センチメートル当たり少なくとも約５０００アンペアの高電流密度を達成する能力がある。

１つの実施形態では、構造体は材料で作られており、構造体の孔のパターンは、孔パターンの型を介して、化学的、電気化学的、ドライエッチング、または機械的方法により構造体に転写することにより得られた。上記材料は、シリコン、シリコンゲルマニウム、窒化ガリウム、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、プラスチック、ポリマー、ガラス、または石英であって良い。孔パターンの型には、酸化アルミニウムが含まれても良い。

さらに別の実施形態では、本発明は、本特許に記載のように、電力用トランジスタ、電力増幅器、大電流スイッチ、ＤＣまたは他のモータ用の電源、あるいは汎用電源としてのカーボンナノチューブトランジスタの使用である。本発明は、本特許に記載のように、１平方センチメートル当たり少なくとも約１０００アンペアの高電流密を達成する能力を有
するトランジスタとしてのカーボンナノチューブトランジスタの使用である。トランジスタ素子は、酸化アルミニウムを含む構造体を有していても良い。他の材料は、シリコン、シリコンゲルマニウム、窒化ガリウム、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、プラスチック、ポリマー、ガラス、石英、またはこれらの組合せを含んでいても良い。本発明は、本特許に記載のようにカーボンナノチューブトランジスタを形成するためのシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、プラスチック、ポリマー、ガラス、石英、金属またはこれらの組合せの使用である。

さらに別の例として、本発明の記載された実施形態では、トランジスタまたは電力用トランジスタは、多数もしくは高密度、またはそれら双方の単層カーボンナノチューブを得るように構成しても良い。例えば、電力用トランジスタ素子は、ナノ寸法より大、１平方ミクロンより大、２平方ミクロンより大、５平方ミクロンより大、またはさらに大となるように構成することができる。

さらに別の例として、図１１に概略的に示したトランジスタ素子は、説明を簡略化するために、少ない数の孔と、単層カーボンナノチューブの一方側または両側にあるゲートとを示している。より広くは、本発明の実施形態では、単層カーボンナノチューブを含む孔を、１本より多く、２千本より多く、または５千本より多く、またはさらに多く含むように、単一の電力用トランジスタを構成しても良い。ゲート電極は、有効な形状であればどのような形状に構成されても良い。いくつかの実施形態では、１つのゲート構造が、このゲート構造に対して様々な最短距離を有する単層カーボンナノチューブを含む相当数の単層カーボンナノチューブを制御するように、ゲートが配置される。例えば、あるものは他のものよりも少なくとも２倍、少なくとも３倍、または少なくとも５倍ゲート構造から離れている単層カーボンナノチューブが、ゲート構造によって制御される。

さらに別の例として、本発明のどの実施形態においても、当該実施形態によるトランジスタまたは電力用トランジスタは、任意の非導電性の有効な材料から作られる多孔質構造体を用いるものであっても良い。

ナノ構造接合の製造
１つの実施形態では、本発明は、カーボンナノチューブを有するダイオード、シリコン制御整流素子（ＳＣＲ）、およびその他の関連する素子と、カーボンナノチューブ技術を用いてこれらの素子を製造する方法とを含んでいる。このような素子は、ナノ構造接合を有することになろう。カーボンナノチューブ技術を用いたトランジスタに関する上記の議論は、適切な変更を加えた上で、カーボンナノチューブ技術を用いたダイオード、シリコン制御整流素子、およびその他の関連する素子に適用することができる。そして、カーボンナノチューブ技術を用いたダイオード、シリコン制御整流素子、およびその他の関連する素子に関する以下の議論は、適切な変更を加えた上で、カーボンナノチューブを用いたトランジスタに適用することができる。本発明のダイオード、シリコン制御整流素子、およびその他の関連する素子は、同一の多孔質構造体上に、単層カーボンナノチューブトランジスタとして製造しても良い。

整流素子は、電気を特定方向に導通させる素子である。一般的に、この素子は非線型であり、逆方向よりも順方向の方が容易に導通する。ダイオードは２端子素子であり、ＡＣ−ＤＣ変換、ラジオ周波数からの信号の分離、オン／オフスイッチ、論理回路、電圧レギュレータ、半端整流、ピーク整流、ブリッジ整流、線形回路、電圧ダブラー、直流再生回路、その他に応用される。逆方向で動作するツェナーダイオードがあり、高周波数で良好に動作するショットキーダイオードがある。ダイオードの望ましい特性には、高い降伏電圧、大きい電流容量、導通時の低い電圧降下、非常に低い逆回復、および小さいスイッチング時間遅れが含まれる。サイリスタとシリコン制御整流素子（ＳＣＲ）は、電流が概ね
一方向にしか流れないスイッチとして機能する。

一般に、これらの素子で重要な構成要素は接合であり、この接合は、単一の半導体内で２つの半導体または電子工学的領域を接続するものである。この接合は、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との接合であるｐ−ｎ接合であっても良い。別の接合には、ｎ型領域内で変化するｎ^＋密度、あるいは低電子密度から高電子密度までといった、電子キャリア密度の異なる領域の結合が含まれる。別の接合には、ｐ型領域内で変化するｐ^＋密度、あるいは低ホール密度から高ホール密度までといった、ホールキャリア密度の異なる領域の結合が含まれる。別の接合は、２つの異なる材料のヘテロ接合である。

現在のところ、これらの種類の整流素子は、大きくはシリコン技術に基づいている。炭化珪素、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、およびその他の半導体材料も用いられている。これらの技術では、その性能の向上が、多くの場合にトップダウンと称されているが、これらの技術の限界は、寸法をナノメートル寸法など、より小さい特徴寸法へと縮小するときのバルクの半導体の物理的特性や、より進歩したリソグラフィその他の処理装置の開発にある。現在の技術の近い将来における可能性ある限界は、ナノ寸法および分子レベルの材料の研究への弾みとなっている。この種の技術は、多くの場合、ボトムアップと称される。未来技術への応用の可能性ある２種類の１次元ナノ構造が、ナノワイヤとナノチューブである。ナノワイヤには、シリコン、ゲルマニウム、窒化ガリウム、金属酸化物、ＩＩＩ／Ｖ属元素、ＩＩ／ＶＩ属元素、その他の材料が含まれる。ナノワイヤは固体の構造物である。ナノチューブは、空洞の芯を持っており、炭素、窒化炭素、その他の材料、あるいはそれらの組合せを含んでいる。炭素はナノチューブの最も一般的な形態である。

カーボンナノチューブは、知られている材料中で熱伝導性が最良であり、ダイヤモンドやグラファイトよりも著しく熱良導性であると考えられている。カーボンナノチューブはまた、知られた材料中では最も強く、著しく高い引っ張り強さ、ヤング率、および弾力性を有している。カーボンナノチューブの電気的特性は、金属導電性から様々なバンドギャップを有する半導体まで変化し、その物理的構造によって定まる。

半導体単層カーボンナノチューブは、空気、酸素、または大気に曝すことにより、ｐ型に形成される。気体種、ポリマー、液体、金属もしくは半導体粒子、または様々な被覆に意図的に曝すことにより、多数キャリアの導電型と密度とを制御することができる。１つの方法では、４２５度Ｃの窒素中でアニールすることにより、ｎ型ナノチューブトランジスタを製造する。酸素のような吸着した種を除去することにより、アニール、真空加熱、またはその他の方法で、ｎ型ナノチューブを製造することができる。

１つの方法では、ｎ型ナノチューブの部分を生成するために、カリウムのドープを用いる。真空中で電気的に加熱することにより、カリウム源からカリウム原子が放出され、カーボンナノチューブの露出する部分に吸着し、このチューブに電子を供給する。電子の供給によって、当該部分がｐ型からｎ型に転換される。カーボンナノチューブの一部をカリウムのドーピングから保護することにより、ｐ−ｎ接合を形成することができる。カーボンナノチューブの電気的性質を変えるのに、電界効果ドーピングまたはゲート制御を用いることができる。例えば、多数キャリアの導電型と密度とを変えるのにゲート制御を用いることができ、それによりナノチューブの電気的特性が変調される。

１つの方法では、カーボンナノチューブ素子にｐ−ｎ接合を形成するために、分離したゲート構造を用いる。一方のゲートはプラス１０ボルトに設定され、他方のゲートはマイナス１０ボルトに設定される。この方法により、ｐ側とｎ側とｐ−ｎ接合とが作られる。これは、電流−電圧計測の際の整流作用に示される。カーボンナノチューブの合成中にお
ける窒素の意図的なドーピングを、ＣＮｘ／Ｃ接合を生成するのに用いることができる。多層カーボンナノチューブとＣＮｘナノチューブとの接合によって、整流作用が生じる。ＣＮｘナノチューブ中の窒素の量は、約９．５パーセントであって良い。

ナノワイヤは、ドーピングとヘテロ構造の合成とを通じて、接合を有するものとして製造することができる。ｐ−ｎ接合を有する窒化ガリウムナノワイヤがあり、そこでは、接合を形成するために、ナノワイヤの合成中に窒化マグネシウムが加えられる。ナノワイヤの中にヘテロ構造と超格子が生成され、合成中に交互に入れ替わるナノワイヤ材料の前駆物質によって交互に入れ替わる領域が形成される。交互に入れ替わるｐ−ｎ接合を有するリン化インジウムとシリコンのナノワイヤが、整流特性を示すように特徴づけられる。

ガリウムヒ素／ガリウム燐が交互に入れ替わる部分が、単一のナノワイヤの中に多重のヘテロ接合を有しても良い。接合は、イオン注入のような伝統的な手段で形成することができる。カーボンナノチューブはまた、ナノワイヤとも接合を形成する。カーボンナノチューブとシリコンナノワイヤとの間には、ヘテロ接合が存在し得る。その合成は２段階プロセスであり、シリコンナノワイヤが合成された後にカーボンナノチューブが合成されるか、またはカーボンナノチューブが合成された後にシリコンナノワイヤが合成される。これらの接合を有する素子は、整流特性を示す。

これらのナノ構造の発展性と、それらがナノ電子素子として振る舞う能力は示されている。実用的で、拡張可能で、現在の産業上の利用に要求される電圧、電流、および電力を可能にする素子に、ナノ構造を組み込む方法を得ることは有益であろう。単一ないしわずかな数のナノ構造素子では、殆どの場合、電流および電力の限界から、十分ではないだろう。ナノ構造を実用的な素子に組み込むためには、新たな方法と基本設計概念が求められている。

必要なものは、ナノ構造が持つ高性能な可能性を利用するナノ構造系のダイオード、整流素子、サイリスタ、シリコン制御整流素子、または関連する素子を製造するための拡張可能で実用的な方法である。ナノワイヤとカーボンナノチューブとの可能性を、制御された方法で結びつけることは有益である。

本発明の１つの実施形態は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタニウム、酸化ニオビウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、もしくは他の材料、またはそれらの組合せといった材料を含む多孔質の型または構造体の中に、相当数のカーボンナノチューブおよびナノワイヤを有する素子を含んでいる。

孔は、任意の有効な方法によって形成される。１つの方法は、アルミニウムを陽極酸化して多孔質の酸化アルミニウムを形成するように、金属の前駆物質の陽極酸化を用いるものである。孔は垂直に配列することであろう。カーボンナノチューブは、孔の中に直接に合成されるか、または合成後に孔へ移送される。孔の一端にナノワイヤが堆積する。多数のカーボンナノチューブを接続するように第１電極が配置される。

多数のナノワイヤを接続するように第２電極が配置される。例えば、第１電極は型または構造体の一方側に配置され、第２電極は他方側、例えば反対側または正反対側に配置される。カーボンナノチューブは、その長さに沿って著しく変化することはなく、孔径よりも小さい直径を有することが可能である。

ナノワイヤは、孔径と略等しい直径を有しており、部分的に一端から孔の中に延びている。ナノワイヤは、少なくともいくつかのカーボンナノチューブの少なくともある部分を覆うべきである。ナノワイヤは、電着、蒸着、スパッタ、または関連する技術によって堆
積することができる。ナノワイヤは、孔の底部に堆積する。ナノワイヤは、孔の頂部から、例えば、射出、溶融材料の押圧、蒸着、スパッタ、または関連する技術により堆積する。いくつかの実施形態では、孔の両端が開口しており、ナノワイヤはいずれの端にも堆積する。

カーボンナノチューブもしくはナノワイヤまたはそれら双方の少なくともある部分の特性を変調するために、１以上の追加の電極（例えば、ゲート）が付加される。整流接合を形成するためにヘテロ構造が用いられ、そこでは、他方向よりも一方向に電流が良く流れる。この素子は、電子素子としての使用に適している。この素子は、特に、ダイオード、整流素子、シリコン制御整流素子、サイリスタ、バリスタ、または関連する素子としての使用に適している。

この素子は、高電流密度、大電力、および効率の良い電力供給が可能である。可能性ある接続が高い密度で存在しており、各孔が、機能するカーボンナノチューブ−ナノワイヤヘテロ構造素子を含んでいることを要しない。冗長さのために、不良、破壊、低い歩留まりが許容される。望ましくないか、有効でないか、あるいは余分であるカーボンナノチューブあるいはカーボンナノチューブの一部分は、化学的、電気的、もしくは機械的な方法など、または他の方法といった、任意の有効な方法によって除去することができる。当該素子は、様々な電力用途に適するような向上した性能を得るために半導体技術により従来および現在入手可能なものに比べて、著しく高い電流密度と電力容量とを得るように構成することができる。

本発明の１つの実施形態では、カーボンナノチューブは構造体の孔の中で直接に合成される。孔を有する構造体は、アルミニウム、チタニウム、ニオビウム、タンタル、ジルコニウム、またはこれらの組合せのような金属の陽極酸化によって形成することができる。孔は、例えば、ドライエッチング、プラズマエッチング、化学エッチング、ウェットエッチング、反応性イオンエッチング、またはこれらの組合せを含むエッチング技術により形成することができる。

カーボンナノチューブの合成は、触媒の存在があって、あるいは触媒の存在なしで行うことができる。カーボンナノチューブの合成に化学気相成長を用いても良い。望ましくないか、有効でないか、あるいは余分である任意のカーボンナノチューブあるいはカーボンナノチューブの一部分を、化学的、電気的、もしくは機械的な方法など、または他の任意の方法といった、任意の有効な方法によって除去することができる。

ナノワイヤは、孔のどの端に堆積しても良い。構造体の一方側に第１電極が配置され、複数のカーボンナノチューブに接続される。構造体の他方側、例えば反対側または正反対側には、第２電極が配置され、複数のナノワイヤに接続される。ナノワイヤは、少なくともいくつかのカーボンナノチューブの少なくともある部分を覆い、ヘテロ構造を形成する。電極は、リソグラフィ技術または非リソグラフィ技術のような堆積技術を含む任意の有効な方法によって配置することができる。孔内の残余の領域は、部分的にまたは完全に材料で充填しても良い。この材料は、不活性化、保護、安定化、もしくは化学修飾をカーボンナノチューブもしくはナノワイヤまたはそれら双方の特性に対して行うために用いることができる。

本発明の１つの実施形態では、相当数の孔を有する構造体が基体上にある。基体は、半導体、導体、または絶縁体であって良い。基体は、主要には機械的支持のために用いることができ、あるいは電気的または熱的に利点を得るために用いても良い。１つの実施形態では、基体は電極の１つである。基体は、例えば、アルミニウム、チタニウム、ニオビウム、タンタル、ジルコニウム、またはこれらの組合せといった金属で、任意の有効な方法
を用いて被覆される。例えば、金属は、スパッタ、熱蒸着、または電子ビーム蒸着により堆積することができる。

金属は陽極酸化され、それにより相当数の孔が生成される。そこでは、複数の孔が下地となる基体へ延びている。陽極酸化されるべき金属を堆積させる前に、下地となる基体を導電層で被覆して、底部電極の導電性を決定したり改善したりしても良い。この層は、モリブデン、タングステン、白金、または他の導電層などの金属であって良い。

付加的な触媒堆積工程は、下地となる基体上に前記導電層が堆積した後に用いることができる。触媒層はまた、前記導電層なしで、下地となる基体に直接に塗布しても良い。触媒は、絶縁層内に孔が形成された後に露出し、カーボンナノチューブの合成に用いることができる。別の実施形態では、触媒は、孔の形成後に堆積する。さらに別の実施形態では、カーボンナノチューブの合成に触媒を要しない。望ましくないか、有効でないか、あるいは余分であるカーボンナノチューブあるいはカーボンナノチューブの一部分は、どのようなものであっても、化学的、電気的、もしくは機械的な方法など、または他の任意の方法といった、任意の有効な方法によって除去することができる。

ナノワイヤが堆積し、少なくともいくつかのカーボンナノチューブとヘテロ構造を形成する。１つの実施形態では、ナノワイヤは孔の底部に堆積し、孔を通して部分的に上方へ延在する。次に、底部電極（すなわち、基体、または基体上の導電層）が複数のナノワイヤに接続される。頂部電極が配置され、複数のカーボンナノチューブに接続される。別の実施形態では、ナノワイヤは孔の上端に堆積する。底部電極（すなわち、基体、または基体上の導電層）は、複数のカーボンナノチューブに接続するために用いられる。頂部電極が配置され、複数のカーボンナノチューブに接続される。

本発明の１つの実施形態では、相当数の孔を有する構造体が基体上にある。基体は、半導体、導電体、または絶縁体であって良い。基体は、主要には機械的支持のために用いることができ、あるいは電気的または熱的に利点を得るために用いても良い。

１つの実施形態では、基体は電極の１つである。基体は導電材料などの材料で被覆されており、この材料には相当数の孔が形成されており、これらの孔は下地となる基体へ延びている。導電材料は有効な任意の方法により堆積することができる。例えば、スパッタ、熱蒸着、または電子ビーム蒸着により、金属を堆積しても良い。

孔は、有効な任意の方法で形成することができる。例えば、エッチング技術を用いても良く、これには例えば、ドライエッチング、プラズマエッチング、化学エッチング、ウェットエッチング、反応性イオンエッチング、またはこれらの組合せが含まれる。この方法は、フォトレジスト、金属、金属酸化物、絶縁物、半導体、孔を有する陽極酸化された酸化アルミニウム層、孔を有する陽極酸化された金属酸化物層、またはこれらの組合せを用いることを含んでいる。材料を堆積する前に、下地となる基体を導電層で被覆することにより、例えば、金属、モリブデン、タングステン、白金、または他の導電層などの底部電極導電性を規定または改善しても良い。

付加的な触媒堆積工程は、下地となる基体上に前記導電層が堆積した後に用いることができる。触媒層はまた、前記導電層なしで、下地となる基体に直接に塗布しても良い。触媒は、材料内に孔が形成された後に露出し、カーボンナノチューブの合成に用いることができる。別の実施形態では、触媒は、孔の形成後に堆積する。さらに別の実施形態では、カーボンナノチューブの合成に触媒を要しない。望ましくないか、有効でないか、あるいは余分であるカーボンナノチューブあるいはカーボンナノチューブの一部分は、どのようなものであっても、例えば、化学的、電気的、もしくは機械的な方法など、または他の任
意の方法を含む任意の有効な方法によって除去することができる。

ナノワイヤが堆積し、少なくともいくつかのカーボンナノチューブとヘテロ構造を形成する。１つの実施形態では、ナノワイヤは孔の底部に堆積し、孔を通して部分的に上方へ延在する。次に、底部電極（すなわち、基体、または基体上の導電層）が複数のナノワイヤに接続される。頂部電極が配置され、複数のカーボンナノチューブに接続される。別の実施形態では、ナノワイヤは孔の上端に堆積する。底部電極（すなわち、基体、または基体上の導電層）は、複数のカーボンナノチューブに接続するために用いられる。頂部電極が配置され、複数のカーボンナノチューブに接続される。

本発明の１つの実施形態では、カーボンナノチューブは、合成されてから相当数の孔を有する構造体の中に組み込まれる。合成は、例えば化学気相成長、アーク放電、レーザ切除法など、あるいは他の任意の技術といった有効な任意の方法で行うことができる。カーボンナノチューブはさらに、素子に組み込まれるためのナノチューブの特徴を最適化するために分離することができる。これらの特徴は、電気的特性、長さ、直径、欠陥密度、および他の特性であり得る。

溶液、懸濁液、または混合液中のカーボンナノチューブは、孔の中を通して、あるいは孔の中へ液体が流れるのに伴って、孔へ移送される。マイクロ流体法を用いても良い。孔を有する構造体は、孔の大部分が両側に開口する膜であっても良く、あるいは、残留するバルクの材料によって支持されても良く、また、基体の上にあっても良い。望ましくないか、有効でないか、あるいは余分であるカーボンナノチューブあるいはカーボンナノチューブの一部分は、どのようなものであっても、例えば化学的、電気的、もしくは機械的な方法など、または他の任意の方法といった、任意の有効な方法によって除去することができる。

ナノワイヤは、孔のどの端に堆積しても良い。構造体の一方側に第１電極が配置され、複数のカーボンナノチューブに接続される。構造体の他方側、例えば反対側または正反対側には、第２電極が配置され、複数のナノワイヤに接続される。ナノワイヤは、少なくともいくつかのカーボンナノチューブの少なくともある部分を覆い、ヘテロ構造を形成する。電極は、リソグラフィ技術または非リソグラフィ技術を含む堆積技術を含む任意の有効な方法によって配置することができる。孔内の残余の領域は、部分的にまたは完全に材料で充填しても良い。この材料は、不活性化、保護、安定化、もしくは化学修飾をカーボンナノチューブまたはカーボンナノチューブの組合せの特性に対して行うために用いることができる。

本発明の１つの実施形態では、孔を有する構造体は導電材料である。カーボンナノチューブまたはナノワイヤの堆積の前に、薄い絶縁層が孔壁に形成される。この層は有効な任意の方法で形成することができ、それには例えば、酸化環境中で加熱することにより導電材料の上に金属酸化物層を形成することや、自然酸化物層を形成することや、孔壁上に絶縁層をスパッタ、蒸着、または堆積させることが含まれる。それにより構造体は、ゲート電極として有用なものとなり、カーボンナノチューブもしくはナノワイヤまたはその双方の少なくともある部分の特性を変調するのに用いられる。

本発明の１つの実施形態では、相当数の孔を有する構造体は、主要には絶縁材料、導電材料、または半導体材料で形成することができ、有効な任意の方法により孔のパターンが当該材料に転写される。構造体の孔のパターンは、第１の多孔質構造体から転写されることにより形成される。この第１の多孔質構造体は、酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化ニオビウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、またはこれらの組合せを含んでおり、本特許の別の箇所で述べたように多孔質に形成される。例えば、孔の転写は、第１の多
孔質構造体をマスクとして用い、さらにその孔を通して他方の媒体をエッチングする工程を用いることができる。ここでエッチングは、例えば、ドライエッチング、プラズマエッチング、化学エッチング、ウェットエッチング、反応性イオンエッチングといった化学的、機械的、または電気的方法により行うことができる。第１の多孔質構造体は、素子を形成する前に、そのまま残してもよく、一部を除去してもよく、または完全に除去してもよい。

本発明の１つの実施形態では、電子素子を製造するための方法が用いられる。この電子素子は、ダイオード、整流素子、シリコン制御整流素子、またはサイリスタであり、相当数の孔を規定する構造体、相当数の孔のうち少なくともある数の孔内にあるカーボンナノチューブ、少なくともある数のカーボンナノチューブとヘテロ構造を形成するナノワイヤ、構造体の第１の側にあってカーボンナノチューブのうちの複数のものに接続される第１電極、および構造体の第２の（例えば反対の）側にあってナノワイヤのうちの複数のものに接続される第２電極を含んでいる。

孔を有する構造体は、金属、半導体、または絶縁体を含んでいても良い。例えば、構造体は、酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化ニオビウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛、シリコン、窒化ガリウム、炭化シリコン、ガリウムヒ素、プラスチック、ポリマー、ガラス、石英、炭素、アルミニウム、銅、モリブデン、タンタル、タングステン、貴金属、またはこれらの組合せを含んでいても良い。素子には、少なくとも１つのゲート電極を加えても良い。別の実施形態では、相当数の孔を規定する構造体が、ゲートとして用いられるものであっても良い。このゲートは、素子の特性を電気的に変調することができる。この実施形態では、カーボンナノチューブとナノワイヤの堆積または合成の前に、薄い絶縁層または保護層を構造体に付加しても良い。

本発明の別の実施形態では、素子を製造するための方法が用いられる。この素子は、ダイオード、整流素子、シリコン制御整流素子、またはサイリスタであり、相当数の孔を有する構造体を含んでおり、当該構造体は２以上の層を含んでいる。これらの層は異なる材料であって良い。これらの層は、絶縁体、半導体、または導電体であって良い。１つの実施形態では、２以上の層があって、少なくとも１つの層が絶縁体であり、少なくとも別の１つが導電体である。構造体は、第１層に相当数の孔を形成し、付加的な層にそれを転写することにより作っても良い。例えば、第１層は、酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化ニオビウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、またはこれらの組合せを含んでいても良く、孔は陽極酸化を含む任意の有効な方法によって形成することができる。孔は有効な任意の方法により付加的な層に転写することができ、それには、例えば化学的、機械的、もしくは電気的方法を通じたエッチング、またはドライエッチング、プラズマエッチング、化学エッチング、ウェットエッチング、反応性イオンエッチング、またはこれらの組合せがある。

本発明の１つの実施形態では、かなりの数のカーボンナノチューブが半導体でありナノワイヤは金属である。別の実施形態では、カーボンナノチューブは、主要には金属であり、ナノワイヤは半導体である。さらに別の実施形態では、かなりの数のカーボンナノチューブが半導体であり、ナノワイヤは半導体である。

本発明の１つの実施形態では、カーボンナノチューブ、ナノワイヤ、またはそれら双方の電気的特性が、化学的または電気的方法により変更され、例えば、制御された環境曝露、大気曝露、酸化環境への曝露、計画的なドーピングもしくは被覆、アニール、真空加熱、静電ドーピング、ポリマー被覆、またはこれらの組合せに基づいて変更される。

本発明による方法によれば、可能性ある接続が高い密度で存在し得るが、それぞれの孔が、機能するカーボンナノチューブ−ナノワイヤ・ヘテロ構造素子を含んでいることを要しない。冗長さのために、不良、破壊、低い歩留まりが許容される。

本発明の１つの実施形態では、素子の製造の後にこの電子素子が、最終製品としての機械的、電気的、および熱的性質、並びに安定性を全面的に達成するために、適切に実装およびパッケージングされる。

図８および図９を再度参照すると、孔は一端に開口している。孔径は、通常において約５ナノメートルから約５００ナノメートルである。孔密度は、通常において１平方センチメートル当たり約１０^７本から１平方センチメートル当たり約１０^１２本である。ある特定の実施形態では、孔密度は約１０^８本から約１０^１１本の範囲に入るであろう。図８の上面図は、六角形パターンに配列されている孔を示している。先に述べたように、同時にまたはそれに代えて、他の任意の有効なパターンを用いることができる。

構造体は、材料の電気化学陽極酸化エッチングといった有効な任意の方法で形成することができる。この材料には、アルミニウム、チタニウム、ニオビウム、タンタル、ジルコニウム、またはこれらの組合せが含まれる。孔の長さと密度は、電圧、電流、および時間を含む陽極酸化の条件によって定まる。孔は一旦作り出した後に、従来技術のような付加的な化学的技術によって広げることが可能である。

前記物質が純粋であるほど（例えば、９９．９９パーセント以上）、結果は良好となる。それは製造前に洗浄されアニールされる。通常は、その材料はある時間にわたって電解研磨される。第１層の孔が生成されるが、過度に組織的で一貫性のあるものである必要はなく、化学的手段により除去しても良い。そして第２段階の孔生成が、その後に良好に配列しかつ良質の孔を作り出すのに用いられる。リソグラフ法およびエッチング技術によって構造体を形成しても良い。例えば、相当数の孔を有する構造体を形成するのに、ドライエッチング技術とともに、孔を有するマスクを用いても良い。このマスクは、フォトレジスト、金属、金属酸化物、酸化シリコン、窒化シリコン、またはこれらの組合せであっても良い。マスクはエッチング処理の後に除去することができる。

図９に例示する処理により、相当数の孔のうち少なくともある数の孔が構造体を通して延びているような構造体が得られる。孔は両端が開口している。構造体の厚さ（すなわち、孔の長さ）は、通常において１０ミクロンより大きい。

図１４は、基体上にあって相当数の孔を有する構造体を例示している。かなりの数の孔が、基体まで延々と延在し得る。基体は導電体、半導体、または絶縁体であり得る。基体は、構造体のバルクの材料であり得る。基体は、相当数の孔を有する構造体を支持するために用いることができ、構造体が約１０ミクロン未満の厚さであるときに、特に有用である。

図１５は、構造体１５２０の孔内にカーボンナノチューブ１５１０を有し、カーボンナノチューブの一部分を覆うナノワイヤ１５３０を有する素子の断面図である。頂部電極１５４０と底部電極１５５０が規定されている。図１６は基体１６６０が用いられ、底部電極に接続されている素子を例示している。

図１５を参照すると、カーボンナノチューブは、孔内で合成するか、孔に移送することが可能である。望ましいケースは、１本の孔当たり１本のカーボンナノチューブである。しかし、１本の孔当たりに複数のナノチューブを用いても良い。単位面積当たりに孔が多数存在し、冗長性を有することから、全ての孔が有効な素子部品をもたらすものではなく
てもよい。素子の基本設計概念により取り除かれたある数量の欠落したり不良であったりした孔、欠落したり不良であったりしたカーボンナノチューブもしくはナノワイヤまたはそれら双方、カーボンナノチューブもしくはナノワイヤまたはそれら双方、およびその他の歩留まりの問題があっても、それによって素子が動作不能になることはないであろう。望ましくないものは、例えば化学的、機械的、もしくは電気的な技術など、または他の任意の技術といった、任意の有効な方法によって除去することができる。冗長性と素子密度とに照らして、すべての孔が有効な素子部品を取得してはいないという事実があっても、それによって素子が不良であったり、動作不能であったりするわけではない。

カーボンナノチューブを孔内で直接に合成するためには、任意の有効な方法を用いることができる。本発明の１つの実施形態では、孔内のカーボンナノチューブのための適切な触媒とともに、触媒化学気相成長が用いられる。適切な触媒は、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、モリブデン、もしくはこれらの組合せ、または他の金属との組合せであり得る。ここで触媒は、金属蒸着、金属の電気化学的析出、または触媒の湿性沈着などの金属堆積により得られ、単一または複数の金属触媒ナノ粒子が、大きい無機支持体または（フェリチン蛋白またはデンドリマーのような）有機殻によって支持される。別の実施形態では、触媒なしで化学気相成長が用いられる。

カーボンナノチューブを配置するために移送する方法には、任意の有効な方法を用いることができる。本発明の１つの実施形態では、方法は次の通りである。金属、半導体、絶縁体、酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化ニオビウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、またはこれらの組合せを含む構造体に孔を形成し、その後に、孔の両側を露出させる。カーボンナノチューブを含んだ溶液または懸濁液を、孔を通るように流し、少なくとも一方側に金属電極が接触し得るようにカーボンナノチューブを孔の中に残す。カーボンナノチューブは、例えばＣＶＤ、アーク放電、レーザ切除法など、またはその他の任意の方法など、任意の有効な方法によって、あらかじめバルクの中で合成される。次に、カーボンナノチューブは、有効な任意の方法により、溶液または懸濁液の中に入れられる。カーボンナノチューブはさらに、寸法、長さおよび電気的特性によって分離することができる。したがて、最適化されたカーボンナノチューブを、合成のみである場合よりも高い濃度で得ることができる。溶液または懸濁液もまた、カーボンナノチューブの直径と長さに対して最適化することができる。

カーボンナノチューブの堆積に続いて、ナノワイヤが孔内に堆積し、カーボンナノチューブの少なくとも一部分を覆う。ナノワイヤは、例えば、電気化学、蒸着、スパッタ、もしくは関連する技術、またはこれらの組合せといった有効な任意の方法で堆積させることができる。溶融または液体の材料は、例えば、射出、毛管力、または関連する技術により、孔の中に注入することができる。カーボンナノチューブのうちの複数に、第１電極が接続される。ナノワイヤのうちの複数に、第２電極が接続される。

孔、カーボンナノチューブ、および多孔質構造体について上に与えられた寸法を、ここで適用する。ナノワイヤの直径は、孔の寸法までの値を取り得る。ナノワイヤの直径は、孔の直径よりも小さくても良い。例えば、孔の直径が１００ナノメートルであれば、ナノワイヤの直径は１００ナノメートルまでの値を取り得る。

図１６を参照すると、孔を有する構造体が基体に支持されており、かなりの数の孔が基体まで延々と延びている。カーボンナノチューブは、孔の中で合成することも、孔へ移送することも可能である。基体は導電層で被覆しても良い。基体または基体上の導電層は、カーボンナノチューブの合成に有効な触媒で被覆しても良い。カーボンナノチューブを孔内で直接に合成するには、有効な任意の方法を用いることができる。本発明の１つの実施形態では、触媒化学気相成長が用いられる。触媒は、事前に孔の底部に堆積するか、ある
いは、孔形成後に孔内に堆積する。別の実施形態では、触媒なしで化学気相成長が用いられる。

カーボンナノチューブの堆積に続いて、ナノワイヤが孔内に堆積し、カーボンナノチューブの少なくとも一部分を覆う。ナノワイヤは、例えば、電気化学、蒸着、スパッタ、もしくは関連する技術、またはこれらの組合せといった有効な任意の方法で堆積させることができる。溶融または液体の材料は、例えば、射出、毛管力、または関連する技術により、孔の中に注入することができる。ナノワイヤは、孔の底部に（例えば、電着、蒸着、またはスパッタ技術により）堆積し、底部電極に接続されても良い。反対の電極は、その後に、カーボンナノチューブのうちの複数に接続されることになろう。それに代えて、ナノワイヤは、孔の頂部側に（例えば、射出、蒸着、溶融材料注入、蒸着、またはスパッタ技術により）堆積させ、頂部電極に接続しても良い。底部電極は、その後にカーボンナノチューブのうちの複数に接続されることになろう。

図１７、１８、１９、および２０は、素子製造の結果を示している。図１７は、相当数の孔を有する構造体１７２０に堆積したカーボンナノチューブ１７１０を示している。孔を有する構造体と支持用基体１７６０との間には、設けるか否かが選択自由な導電層１７５０が存在する。図１８は、孔内に堆積してカーボンナノチューブの一部分を覆うナノワイヤ１８３０を示している。図１９は、カーボンナノチューブのうちの複数に接続された第１電極１９４０を示している。第２電極１９５０は、ナノワイヤのうちの複数に接続されている。図２０は、孔の一部分を充填するのに用いられ、設けるか否かが選択自由な充填材料２０７０を示している。

相当数の孔を規定する構造体が準備される。１つの実施形態では、孔は基体へ延びている。孔と基体との間には、導電層が存在しても良い。カーボンナノチューブの直接合成を用いる実施形態では、設けるか否かが選択自由な導電層上に触媒種があっても良い。カーボンナノチューブは、例えば、ＣＶＤのような直接合成、または事前に合成されたカーボンナノチューブを孔に移送する工程などにより、孔内に堆積する。

ナノワイヤは、孔の底部に堆積して、カーボンナノチューブの少なくとも一部分を覆い、そして、カーボンナノチューブ−ナノワイヤのヘテロ構造を形成する。複数のナノワイヤに接続される１つの電極は、底部電極であり、例えば導電層である。頂部電極は、堆積して複数のカーボンナノチューブに接続される。カーボンナノチューブとナノワイヤのヘテロ構造は、それにより電気的に接続され、電流を伝える素子として機能することが可能となる。設けるか否かが選択自由な充填材は、素子の孔のうちの空いた領域に付加される。この領域は、ナノワイヤの上方であって、カーボンナノチューブで満たされていない領域である。充填材は、カーボンナノチューブ、ナノワイヤ、孔、またはこれらの組合せを不活性化、保護、または安定化するために用いることができる。充填材はまた、カーボンナノチューブの全てまたは一部を電気的に変更するのにも有用である。

図２１は、付加されたゲート材料２１１０の概略を示す斜視図であり、ここでは構造体２１２０の中にゲートが部分的に刻み込まれている。薄い層２１３０は、第１電極２１４０と第２電極２１５０とのいずれにも電気的に接触しないように、導電性のゲートを絶縁している。設けるか否かが選択自由な基体については図示していない。

ゲート電極は、多孔質構造の一方側または両側に形成される。ゲート電極の電圧は、カーボンナノチューブ、ナノワイヤ、またはこれら双方の電気的特性を変調するのに用いられる。ゲート電極は、有効であるために、ナノ構造部品の十分近くに配置される。ゲート電極は、可能性としてより有効となるように、相当数の孔を規定する構造体の中に刻み込まれても良い。図は、構造体の中に部分的に刻み込まれたゲートを示している。ゲート材
料と構造体との間の薄い層は、導電ゲート材料を、第１電極、第２電極、カーボンナノチューブ、およびナノワイヤから絶縁する。構造体は、設けるか否かが選択自由な基体（不図示）によって支持しても良い。

図２２は、本発明の特定の実施形態によるカーボンナノチューブを配置するための直接合成方法を示すフロー図である。フロー図によれば、（１）第１の材料が孔形成のために選択される。（２）第１の材料に孔が形成される。（３）第２の材料は孔形成に望ましいか？（４）そうである場合には、孔のパターンを第２の材料へ転写する。（５）そうでない場合には、構造体中の孔の特徴を明確にする。（６）ＣＶＤによるカーボンナノチューブの合成に触媒を用いるか？（７）そうである場合には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、またはこれらの組合せ含む触媒の中から選択する。（８）そうでない場合には、孔の一端にナノワイヤを堆積させ、孔を通して部分的に延ばす。（９）必要であれば孔の底部を開口する。（１０）構造体の一方側に第１電極を付加する。この電極はカーボンナノチューブのうちの複数に接続されることになろう。（１１）構造体の他方側に第２電極を付加する。この電極もまた、カーボンナノワイヤのうちの複数に接続されることになろう。（１２）構造体に１以上のゲート電極を付加するか？（１３）そうである場合には、ゲートに接続するか、またはゲートをパターニングし、かつ堆積させ、望ましければ構造体に刻み込む。（１４）そうでない場合には、素子を試験し、その特徴を明らかにし、最終製品のためにパッケージを適切に実装する。

図２３は、本発明の特定の実施形態による、カーボンナノチューブを配置するための直接合成方法を示す概略フロー図である。ここでは、相当数の孔を有する多孔質構造体に加えて基体が存在する。フロー図によれば、（１）第１の材料が孔形成のために選択される。（２）第２の材料は孔形成に望ましいか？そうでない場合には、ステップ７へ進む。（３）そうである場合には、孔パターンの形成のために第２の材料を選択する。（４）基体の上に第２の材料を置き、第２の材料の上に第１の材料を置く。（５）第１の材料に孔を形成し、第２の材料に孔のパターンを転写し、基体にまで延在するようにする。（６）望ましければ、第１の材料を部分的または全体的に除去する。その後、ステップ９へ移る。（７）基体の上に、設けるか否かが選択自由な導電層を付加した上で、第１の材料を置く。（８）第１の材料中に基体にまで延在する孔を形成する。（９）ＣＶＤによるカーボンナノチューブの合成のために触媒を用いるか？（１０）そうである場合には、触媒を孔の底部に加えるか、または事前に堆積した触媒を用いる。（１１）そうでない場合には、孔内にカーボンナノチューブを合成する。（１２）孔の一端にナノワイヤを堆積させ、孔を通して部分的に延在させる。（１３）基体、または基体上の任意の導電層に接続し、１つの電極を規定する。（１４）別の電極を構造体の頂部側に付加する。（１５）構造体に１以上のゲート電極を付加するか？（１６）そうである場合には、ゲートに接続するか、またはゲートをパターニングおよび堆積させ、望ましければ構造体に刻み込む。１７に進む。（１７）そうでない場合には、素子を試験し、その特徴を明らかにし、最終製品のために適切に実装しパッケージングする。

図２４は、本発明の特定の実施形態による、カーボンナノチューブを配置するための移送方法を示す概略フロー図である。フロー図によれば、（１）第１の材料が孔形成のために選択される。（２）第１の材料に孔が形成される。（３）第２の材料は孔形成に望ましいか？そうでない場合には、ステップ５へ進む。（４）そうである場合には、孔のパターンを第２の材料へ転写する。次に、必要であれば第１の材料の一部または全てを除去する。ステップ５へ進む。（５）構造体中の孔の特徴を明確にする。（６）必要であれば孔の両端を開口する。（７）溶液、懸濁液、ポリマーまたは他の混合液を、孔の中へ、または孔を通して流すことにより、カーボンナノチューブを孔へ移送する。（８）カーボンナノチューブが孔内に堆積していることを確認する。（９）孔の一端にナノワイヤを堆積させ、孔を通して部分的に延在させる。（１０）構造体の一方側に第１電極を付加し、カーボ
ンナノチューブのうちの複数に接続させる。（１１）構造体の他方側に第２電極を付加し、ナノワイヤのうちの複数に接続させる。（１２）構造体に１以上のゲート電極を付加するか？（１３）そうである場合には、ゲートに接続するか、またはゲートをパターニングおよび堆積させ、望ましければ構造体に刻み込む。１４へ進む。（１４）そうでない場合には、素子を試験し、その特徴を明らかにし、最終製品のために適切に実装しパッケージングする。

本発明の他の実施形態は、本発明の任意の実施形態によって製造された装置もしくは物品、または、本発明の任意の装置もしくは物品の実施形態を用いた製品である。

１つの実施形態では、本発明は電子素子を製造する方法を含んでいる。この方法は、以下の工程を含んでいる。（１）相当数の孔を規定する構造体を準備する。（２）相当数の孔のうち少なくともある数の孔の中にカーボンナノチューブを堆積させる。ここで、カーボンナノチューブの直径は、孔径よりも小さい。（３）相当数の孔のうち少なくともある数の孔の一方側にナノワイヤを堆積させる。ここで、ナノワイヤは、孔を通して部分的に延在し、カーボンナノチューブの少なくともある数のナノチューブの少なくともある一部分を覆う。（４）構造体の第１の側に第１電極を設け、カーボンナノチューブのうちの複数に接続させる。そして、（５）構造体の第２の（例えば、反対の）側に第２電極を設け、ナノワイヤのうちの複数に接続させる。

構造体は、酸化アルミニウム、酸化チタニウム、酸化ニオビウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、またはこれらの組合せを含んでいても良い。構造体は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、またはこれらの組合せを含んでいても良い。構造体は、金属、半導体、絶縁体、またはこれらの組合せを含んでいても良い。

相当数の孔の中には、互いにつながりかつ実質的に平行である孔が含まれていても良い。相当数の孔の中には、約１ナノメートルから約２００ナノメートルまでの範囲内の直径を有する孔が含まれていても良い。相当数の孔には、約１０ナノメートルから約１０ミクロンの範囲の長さを有する孔が含まれていても良い。

構造体は、１平方センチメートル当たり約１０^６本から１平方センチメートル当たり約１０^４本の孔密度を有していても良い。

相当数の孔を含む構造体を形成するのに、金属の陽極酸化を用いても良い。この金属は、アルミニウム、チタニウム、ニオビウム、タンタル、ジルコニウム、またはこれらの組合せを含んでいても良い。

孔を有する構造体は、ドライエッチングにより形成しても良い。マスクを用いても良く、これには、フォトレジスト、金属、金属酸化物、酸化シリコン、窒化シリコン、またはこれらの組合せが含まれる。

孔のうち少なくとも与えられた百分率のものが、カーボンナノチューブを含むことが分かっていても良い。それぞれの孔は、ゼロ、１本、または複数本のカーボンナノチューブを含んでいても良い。ナノワイヤは、金属または半導体であっても良い。

ナノワイヤは、シリコン、ゲルマニウム、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、セレン化カドミウム、酸化錫、酸化亜鉛、ＩＩＩ／Ｖ半導体、ＩＩ／ＶＩ半導体、金属酸化物、金属、またはこれらの組合せを含んでいても良い。ナノワイヤは、孔の直径に略等しい直径を有しても良い。ナノワイヤは、孔の直径よりも小さい直径を有しても良い。

少なくとも１つのゲート電極を付加しても良い。この少なくとも１つのゲートは、カーボンナノチューブ、ナノワイヤ、またはこれら双方の電気的特性を変調するのに用いることができる。

カーボンナノチューブは、相当数の孔のうち少なくともある数の孔の中で合成しても良い。化学気相成長は、カーボンナノチューブを合成するための１つの技術である。カーボンナノチューブを合成するのに、有効な触媒を用いても良い。触媒は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、またはこれらの組合せを含んでいても良い。触媒は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＭｏの合金であっても良い。

カーボンナノチューブは、相当数の孔の少なくともある数の孔に移送しても良い。カーボンナノチューブは、孔に移送する前に、化学気相成長、アーク放電、またはレーザ切除技術によって合成しても良い。カーボンナノチューブは、構造体への移送に用いるために、溶液または懸濁液の中にあっても良い。溶液または懸濁液が、構造体内の孔の中に、または孔を通して流れ、そして、カーボンナノチューブを孔内に堆積させることができる。

望ましくないカーボンナノチューブまたはその一部分は、化学的、機械的、または電気的技術により、破壊、改質、または除去される。

孔内の空いた領域のうちの少なくともある部分を充填するために、材料を付加しても良い。充填材料は、カーボンナノチューブまたはナノワイヤの少なくともある部分を不活性化または保護するために用いることができる。

１つの実施形態では、本発明は以下を含む電子素子である。（１）相当数の孔を規定する構造体。（２）相当数の孔のうちの少なくともある数の孔の中にあるカーボンナノチューブ。ここで、カーボンナノチューブの直径は、孔の直径よりも小さい。（３）相当数の孔のうちの少なくともある数の孔の一方側にあるナノワイヤ。ここで、ナノワイヤは、孔を通して部分的に延在し、カーボンナノチューブのうちの少なくともある数のチューブの少なくともある部分を覆っている。（４）構造体の第１の側にあって、カーボンナノチューブのうちの複数に接続された第１電極。そして（５）構造体の第２の（例えば、反対の）側にあって、ナノワイヤのうちの複数に接続された第２電極。

少なくとも部分的には、本特許に記載された技術によって、ダイオード、整流素子、シリコン制御整流素子、またはサイリスタを形成しても良い。

本発明の本明細書は、例示および記述の目的のために提出されたものである。網羅的であったり、記載された形態とまさしく同一のものに発明を限定したりすることは意図しておらず、上記の教示内容に照らして、多くの変更や様々な変形が可能である。実施形態は、本発明の原理とその実用的な応用とを、最も良く説明するために選択され、記載されたものである。本明細書によれば、当技術分野の熟練した他者が、特定用途に適するように様々な実施形態で、また様々な変更を加えて、本発明を最も良く利用し実施することが可能となろう。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲により規定されている。

本発明を組み込んだコンピュータシステムを示している。 本発明を組み込んだ自動車システムを示している。 本発明を組み込んだ電気通信システムを示している。 本発明を組み込んだシステムのブロック図を示している。 カーボンナノチューブトランジスタの回路記号を示している。 カーボンナノチューブトランジスタを用いたＤＣ−ＡＣインバータ回路を示している。 カーボンナノチューブトランジスタを用いたＤＣ−ＤＣコンバータ回路を示している。 本発明のカーボンナノチューブトランジスタを製造する技術に用いられる多孔質構造体の上面図を示している。 本発明のカーボンナノチューブトランジスタを製造する技術に用いられる多孔質構造体の断面図を示している。 単層カーボンナノチューブを有する孔を有する基体または構造体の断面図を示している。 本発明の単層カーボンナノチューブトランジスタ素子の斜視図を示している。 本発明の単層カーボンナノチューブトランジスタ素子の斜視図を示しており、ここではゲート電極が構造体の中に延びている。 化学気相成長（ＣＶＤ）合成法を用いて単層カーボンナノチューブトランジスタ素子を製造する技術のフロー図を示している。 液相成長を用いて単層カーボンナノチューブトランジスタ素子を製造する技術のフロー図を示している。 孔を有しない構造体または基体に支持された多孔質構造体の断面図を示している。 多孔質構造体の孔内のカーボンナノチューブとカーボンナノチューブの一部を覆うナノワイヤとを有する素子の断面図を示している。 基体が用いられ、当該基体が底部電極に接続されている素子を示している。 自身と支持用基体との間に、設けるか否かが選択自由な伝導層を有し、かつ孔を有する構造体内に成長したカーボンナノチューブを示している。 孔内に成長しカーボンナノチューブの一部分を覆うナノワイヤを示している。 多数のカーボンナノチューブに接続された第１電極と、多数のナノワイヤに接続された第２電極とを示している。 設けるか否かが選択自由で、孔の一部分を充填するのに用いられる充填材を示している。 本発明のダイオード素子の斜視図を示している。 化学気相成長（ＣＶＤ）合成法を用いて単層カーボンナノチューブダイオード素子を製造する技術のフロー図を示している。 化学気相成長（ＣＶＤ）合成法を用いて単層カーボンナノチューブダイオード素子を製造する技術のフロー図を示しており、ここでは多孔質構造体に基体が付加されている。 液相成長を用いて単層カーボンナノチューブダイオード素子を製造する技術のフロー図を示している。

Claims (71)

1. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える構造体と、
   各孔内に少なくとも１つが含まれ、前記構造体の第１の側にある前記孔の第１端から前記構造体の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する複数の単層カーボンナノチューブと、
   前記構造体の第１の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
   前記構造体の第２の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続された第２電極領域と、
   第１トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びている第１ゲート電極と、
   第２トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びている第２ゲート電極とを備え、前記第１および第２ゲート電極の間には少なくとも２つの単層カーボンナノチューブが存在することを特徴とする、素子。
2. 前記複数の孔のうちには、単層カーボンナノチューブを有しないものが含まれていることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
3. 前記第１ゲート電極と第２ゲート電極とが互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
4. 前記単層カーボンナノチューブが約０．４ナノメートルから約５ナノメートルの直径を有することを特徴とする、請求項１に記載の素子。
5. 前記複数の単層カーボンナノチューブが半導体単層カーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
6. 前記第１ゲート電極が、前記第２の側に向かう方向に沿って、前記構造体の中に延びて
   いることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
7. 前記第１トレンチが、前記第２の側に向かう方向に沿って、前記構造体の厚さの少なくとも２０パーセントの深さに延びていることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
8. 前記単層カーボンナノチューブが、化学気相成長を用いて合成されていることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
9. 前記単層カーボンナノチューブが、液相成長を用いて前記構造体の複数の孔に移されることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
10. 前記構造体が、平方センチメートル当たり約１０^７本から平方センチメートル当たり約１０^１２本の孔密度を有することを特徴とする、請求項１に記載の素子。
11. 前記構造体の前記複数の孔が、六角形パターンに配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
12. 前記単層カーボンナノチューブがｐ型ナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
13. 前記単層カーボンナノチューブがｎ型ナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
14. 前記構造体が、酸化アルミニウムであることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
15. 第１の直流電圧レベルを当該第１の直流電圧レベルとは異なる第２の直流電圧レベルへ変換する回路であって、少なくとも１個の請求項１に記載の素子を備える回路。
16. 少なくとも１個の請求項１に記載の素子を備える電池充電回路。
17. 少なくとも１個の請求項１に記載の素子を備える自動車システム。
18. 少なくとも１個の請求項１に記載の素子を備えるコンピュータシステム。
19. 少なくとも１個の請求項１に記載の素子を備える持ち運び可能な電子機器。
20. 第１の側と第２の側とを含み、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔を提供する第１手段と、
    前記第１手段の前記第１の側にある前記孔の第１端から前記第１手段の前記第２の側にある前記孔の第２端へ延在し、各孔内にチャネル領域として機能する単層カーボンナノチューブを含む第２手段と、
    前記第１の側にあり、前記第２手段の第１端部に電気的に接続される第３手段と、
    前記第２の側にあり、前記第２手段の第２端部に電気的に接続される第４手段と、
    前記第１手段の前記第１の側の第１および第２トレンチにそれぞれ形成され、互いの間に少なくとも複数の前記単層カーボンナノチューブが存在し、各孔内の前記単層カーボンナノチューブにチャネル領域を形成する第５および第６手段とを備える素子。
21. 前記第３手段は前記第５および第６手段の間に存在することを特徴とする、請求項２０に記載の素子。
22. 前記第５および第６手段が互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項２０に記載の素子。
23. 前記第２手段が、約０．４ナノメートルから約５ナノメートルの直径を有する半導体単層カーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項２０に記載の素子。
24. 前記第１および第２トレンチが、前記第２の側に向かう方向に沿って、前記第１手段の厚さの少なくとも２０パーセントの深さに延びていることを特徴とする、請求項２０に記載の素子。
25. 前記第２手段が、化学気相成長を用いて合成されていることを特徴とする、請求項２０に記載の素子。
26. 前記第２手段が、液相成長を用いて前記第１手段の複数の孔に移されることを特徴とする、請求項２０に記載の素子。
27. 前記第１電極領域が、前記第１および第２ゲート電極の間に存在することを特徴とする、請求項１に記載の素子。
28. 前記第１および第２トレンチが、約５ナノメートルから約５０オングストロームの深さを有することを特徴とする、請求項１に記載の素子。
29. 前記複数の孔が、２次元パターンに配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
30. 第３トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びている第３ゲート電極をさらに備え、前記第２および第３ゲート電極の間には少なくとも２つの単層カーボンナノチューブが存在することを特徴とする、請求項１に記載の素子。
31. 前記第１および第２トレンチが互いに平行であることを特徴とする、請求項１に記載の素子。
32. 前記第１ゲート電極と前記第１トレンチの表面との間には第１絶縁層が存在し、前記第２ゲート電極と前記第２トレンチの表面との間には第２絶縁層が存在することを特徴とする、請求項１に記載の素子。
33. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える構造体と、
    各孔内に少なくとも１つが含まれ、前記構造体の第１の側にある前記孔の第１端から前記構造体の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する複数の単層カーボンナノチューブと、
    前記構造体の第１の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第１サブセットの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
    前記構造体の第２の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの前記第１サブセットの第２端部に電気的に接続された第２電極領域と、
    前記構造体の第１の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第２サブセットの第１端部に電気的に接続された第３電極領域と、
    前記構造体の第２の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの前記第２サブセットの第２端部に電気的に接続された第４電極領域と、
    第１トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びている第１ゲー
    ト電極と、
    第２トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びており、前記第１ゲート電極との間に前記第１電極領域が存在する、第２ゲート電極と、
    第３トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びており、前記第２ゲート電極との間に前記第３電極領域が存在する、第３ゲート電極とを備え、
    前記第１ゲート電極と前記第２ゲート電極との間に前記複数の単層カーボンナノチューブの前記第１サブセットが存在し、かつ、前記第２ゲート電極と前記第３ゲート電極との間に前記複数のカーボンナノチューブの前記第２サブセットが存在することを特徴とする、素子。
34. 前記第２および第４電極領域とが互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項３３に記載の素子。
35. 前記第１、第２、および第３ゲート電極とが互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項３３に記載の素子。
36. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える構造体と、
    各孔内に少なくとも１つが含まれ、前記構造体の第１の側にある前記孔の第１端から前記構造体の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する複数の単層カーボンナノチューブと、
    前記構造体の第１の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第１サブセットの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
    前記構造体の第１の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第２サブセットの第１端部に電気的に接続された第２電極領域と、
    前記構造体の第２の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの前記第１および第２サブセットの第２端部に電気的に接続された第３電極領域と、
    第１トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びている第１ゲート電極と、
    第２トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びており、前記第１ゲート電極との間に前記第１電極領域が存在する、第２ゲート電極と、
    第３トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びており、前記第２ゲート電極との間に前記第２電極領域が存在する、第３ゲート電極とを備え、
    前記第１ゲート電極と前記第２ゲート電極との間に前記複数の単層カーボンナノチューブの前記第１サブセットが存在し、かつ、前記第２ゲート電極と前記第３ゲート電極との間に前記複数のカーボンナノチューブの前記第２サブセットが存在することを特徴とする、素子。
37. 前記第１および第２電極領域とが互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項３６に記載の素子。
38. 前記第１、第２、および第３ゲート電極とが互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項３６に記載の素子。
39. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える構造体と、
    第１トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びている第１ゲート電極と、
    第２トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びており、前記第１ゲート電極との間に前記複数の孔が存在する、第２ゲート電極と、
    前記第１および第２ゲート電極の間の前記複数の孔のサブセットの中にあって、それぞれが、前記構造体の第１の側にある孔の第１端から前記構造体の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する複数の単層カーボンナノチューブと、
    前記構造体の第１の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
    前記構造体の第２の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続された第２電極領域とを備える素子。
40. 前記第１および第２ゲート電極の間にある前記複数の孔のうちのいくつかは、単層カーボンナノチューブを有していないことを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
41. 前記第１および第２ゲート電極とが互いに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
42. 前記単層カーボンナノチューブが約０．４ナノメートルから約５ナノメートルの直径を有することを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
43. 前記複数の単層カーボンナノチューブが半導体単層カーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
44. 前記第１トレンチが、前記構造体の厚さの少なくとも２０パーセントの深さに延びていることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
45. 前記単層カーボンナノチューブが、化学気相成長を用いて合成されていることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
46. 前記単層カーボンナノチューブが、液相成長を用いて前記構造体の複数の孔に移されることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
47. 前記構造体の前記複数の孔が、２次元パターンに配列されていることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
48. 前記単層カーボンナノチューブがｐ型ナノチューブであることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
49. 前記単層カーボンナノチューブがｎ型ナノチューブであることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
50. 前記構造体が、酸化アルミニウムであることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
51. 前記第１および第２トレンチが互いに平行であることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
52. 前記第１および第２トレンチが、エッチングにより形成されていることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
53. 前記第１および第２トレンチが、レーザを用いて形成されていることを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
54. 前記第１および第２トレンチが、約５ナノメートルから約５０オングストロームの深さ
    を有することを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
55. 前記第１ゲート電極と前記第１トレンチの表面との間には第１絶縁層が存在し、前記第２ゲート電極と前記第２トレンチの表面との間には第２絶縁層が存在することを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
56. 第３トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びている第３ゲート電極をさらに備え、前記第２および第３ゲート電極の間には複数の孔が存在し、前記第２および第３ゲート電極の間にある前記複数の孔のサブセットが、前記構造体の第１の側にある孔の第１端から前記構造体の第２の側にある前記孔の第２端に延在する単層カーボンナノチューブを有することを特徴とする、請求項３９に記載の素子。
57. 前記構造体の第１の側にあって、前記第２および第３ゲート電極の間にある複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第３電極領域をさらに備え、
    前記構造体の第２の側にある前記第２電極領域が、前記第２および第３ゲート電極の間にある前記複数の単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項５６に記載の素子。
58. 第１の直流電圧レベルを当該第１の直流電圧レベルとは異なる第２の直流電圧レベルへ変換する回路であって、少なくとも１個の請求項３９に記載の素子を備える回路。
59. 少なくとも１個の請求項３９に記載の素子を備える電池充電回路。
60. 少なくとも１個の請求項３９に記載の素子を備える自動車システム。
61. 少なくとも１個の請求項３９に記載の素子を備えるコンピュータシステム。
62. 少なくとも１個の請求項３９に記載の素子を備える持ち運び可能な電子機器。
63. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える構造体と、
    第１トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びている第１ゲート電極と、
    第２トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びており、前記第１ゲート電極との間に前記複数の孔が存在する、第２ゲート電極と、
    第３トレンチに形成され、前記構造体の第１の側から構造体の中に延びており、前記第２ゲート電極との間に前記複数の孔が存在する、第３ゲート電極と、
    前記第１および第２ゲート電極の間の前記複数の孔のサブセットの中にあって、それぞれが、前記構造体の第１の側にある孔の第１端から前記構造体の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する第１の複数の単層カーボンナノチューブと、
    前記第２および第３ゲート電極の間の前記複数の孔のサブセットの中にあって、それぞれが、前記構造体の第１の側にある孔の第１端から前記構造体の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する第２の複数の単層カーボンナノチューブと、
    前記構造体の第１の側にあって、前記第１の複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
    前記構造体の第２の側にあって、前記第１の複数の単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続された第２電極領域とを備える素子。
64. 前記構造体の第１の側にあって、前記第２の複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第３電極領域と、
    前記構造体の第２の側にあって、前記第２の複数の単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続された第４電極領域とをさらに備える、請求項６３に記載の素子。
65. 前記構造体の第１の側にあって、前記第２の複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第３電極領域をさらに備え、
    前記第２電極領域が、前記第２の複数の単層カーボンナノチューブの第２端部とさらに電気的に接続されていることを特徴とする、請求項６３に記載の素子。
66. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える第１絶縁層と、
    第１トレンチに形成され、前記第１の側から前記第１絶縁層の中に延びている第１ゲート電極と、
    第２トレンチに形成され、前記第１の側から前記第１絶縁層の中に延びており、前記第１ゲート電極との間に前記複数の孔が存在する、第２ゲート電極と、
    前記第１および第２ゲート電極の間の前記複数の孔のサブセットの中にあって、それぞれが、前記第１絶縁層の第１の側にある孔の第１端から前記第１絶縁層の第２の側にある前記孔の第２端に延在する複数の単層カーボンナノチューブと、
    前記第１絶縁層の第１の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
    前記第１絶縁層の第２の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続された第２電極領域とを備え、
    前記第１ゲート電極と前記第１トレンチの表面との間には第２絶縁層が存在し、前記第２ゲート電極と前記第２トレンチの表面との間には第３絶縁層が存在することを特徴とする、素子。
67. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える第１絶縁層と、
    第１トレンチに形成され、前記第１の側から前記第１絶縁層の中に延びている第１ゲート電極と、
    第２トレンチに形成され、前記第１の側から前記第１絶縁層の中に延びており、前記第１ゲート電極との間に前記複数の孔が存在する、第２ゲート電極と、
    前記第１および第２ゲート電極の間の前記複数の孔の第１サブセットの中にあって、それぞれが、前記第１絶縁層の第１の側にある孔の第１端から前記第１絶縁層の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する複数の半導体単層カーボンナノチューブと、
    前記第１および第２ゲート電極の間の前記複数の孔の第２サブセットの中にある複数の無効となっているカーボンナノチューブと、
    前記第１絶縁層の第１の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
    前記第１絶縁層の第２の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続された第２電極領域とを備え、
    前記第１電極領域は、前記無効となっているカーボンナノチューブを介して前記第２電極領域に電気的に接続されておらず、
    前記第１ゲート電極と前記第１トレンチの表面との間には第２絶縁層が存在し、前記第２ゲート電極と前記第２トレンチの表面との間には第３絶縁層が存在することを特徴とする、素子。
68. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える第１絶縁層と、
    前記第１絶縁層の第１トレンチに形成され、前記第１トレンチが約５ナノメートルから約５０オングストロームの深さを有する第１ゲート電極と、
    前記第１絶縁層の第２トレンチに形成され、前記第２トレンチが約５ナノメートルから約５０オングストロームの深さを有し、前記第１ゲート電極との間に前記複数の孔が存在する第２ゲート電極と、
    前記第１および第２ゲート電極の間の前記複数の孔のサブセットの中にあって、それぞれが、前記第１絶縁層の第１の側にある孔の第１端から前記第１絶縁層の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する複数の単層カーボンナノチューブと、
    前記第１絶縁層の第１の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
    前記第１絶縁層の第２の側にあって、前記複数の単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続された第２電極領域とを備え、
    前記第１ゲート電極と前記第１トレンチの表面との間には第２絶縁層が存在し、前記第２ゲート電極と前記第２トレンチの表面との間には第３絶縁層が存在することを特徴とする、素子。
69. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える酸化アルミニウム層と、
    第１トレンチに形成され、前記第１の側から前記酸化アルミニウム層の中に延びている第１ポリシリコンゲート電極と、
    第２トレンチに形成され、前記第１の側から前記酸化アルミニウム層の中に延びており、前記第１ポリシリコンゲート電極との間に前記複数の孔が存在する第２ポリシリコンゲート電極と、
    前記第１および第２ポリシリコンゲート電極の間の前記複数の孔のサブセットの中にあって、それぞれが、前記酸化アルミニウム層の第１の側にある孔の第１端から前記酸化アルミニウム層の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する複数の半導体単層カーボンナノチューブと、
    前記酸化アルミニウム層の第１の側にあって、前記複数の半導体単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
    前記酸化アルミニウム層の第２の側にあって、前記複数の半導体単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続された第２電極領域とを備え、
    前記第１ポリシリコンゲート電極と前記第１トレンチの表面との間には第１絶縁層が存在し、前記第２ポリシリコンゲート電極と前記第２トレンチの表面との間には第２絶縁層が存在することを特徴とする、素子。
70. 前記酸化アルミニウム層は、アルミニウム基体上に形成されていることを特徴とする、請求項６９に記載の素子。
71. 第１の側と、第２の側と、前記第１の側から前記第２の側へ延在する複数の孔とを備える酸化アルミニウム層と、
    第１トレンチに形成され、前記第１の側から前記酸化アルミニウム層の中に延びており、前記酸化アルミニウム層の厚さの少なくとも２０パーセントの厚さを有する第１ポリシリコンゲート電極と、
    第２トレンチに形成され、前記第１の側から前記酸化アルミニウム層の中に延びており、前記第１ポリシリコンゲート電極との間に前記複数の孔が存在する第２ポリシリコンゲート電極と、
    前記第１および第２ポリシリコンゲート電極の間の前記複数の孔のサブセットの中にあって、それぞれが、前記酸化アルミニウム層の第１の側にある孔の第１端から前記酸化アルミニウム層の第２の側にある前記孔の第２端へ延在する複数の半導体単層カーボンナノチューブと、
    前記酸化アルミニウム層の第１の側にあって、前記複数の半導体単層カーボンナノチューブの第１端部に電気的に接続された第１電極領域と、
    前記酸化アルミニウム層の第２の側にあって、前記複数の半導体単層カーボンナノチューブの第２端部に電気的に接続された第２電極領域とを備え、
    前記第１ポリシリコンゲート電極と前記第１トレンチの表面との間には第１酸化層が存在し、前記第２ポリシリコンゲート電極と前記第２トレンチの表面との間には第２酸化層が存在することを特徴とする、素子。

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