JP4304330B2 - カーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューブ状無機物質を用いた電子デバイスの製造方法及び該方法により製造された電子デバイスに関し、詳しくは、室温において優れた単一電子トンネリング電気伝導特性を有し、電子素子として有用な、チューブ状無機物質を用いたデバイスの製造方法及び該方法により製造された電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９９１年に発見されたカーボンナノチューブ（ネイチャー、３５４巻、５６−５８、１９９１年）はグラファイトシートがチューブ上に丸まった物質であり、その電気的特性は構造によって金属的にも半導体的にも成りうると予測されている。またカーボンナノチューブは直径が１〜数十ナノメートルであるのに対して長さが数十マイクロメートルであるため、典型的な１次元電気伝導を示すものと期待される物質でもある。このようなチューブ状物質は１次元電気伝導特性を有し、バリスティック伝導を示すことが期待されている。そのためチューブ状無機物質をエレクトロニクスデバイスに応用しようという試みが近年盛んである。
【０００３】
そのひとつにカーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子がある。このトンネリング素子では、カーボンナノチューブにソース、ドレーン、ゲート電極を形成し、カーボンナノチューブに欠陥を導入する。カーボンナノチューブの欠陥を導入した箇所は絶縁性となり微少なトンネル接合として働き、室温において単一電子トランジスタ動作を示す。単一電子トンネリング素子技術が、単一電子トンネリング概論（春山純志著、コロナ社、２００２年）にくわしく記載されている。
【０００４】
従来、カーボンナノチューブに欠陥を導入して微少なトンネル接合を形成する方法として、任意のカーボンナノチューブの箇所に導電性を有する走査プローブを近付けて、パルス電圧を印加することによりカーボンナノチューブに欠陥を導入する方法（アプライド フィジックス レター、８０巻、４４４６−４４４８ページ、２００２年）や、走査プローブをカーボンナノチューブに接触させて屈曲部をつくり欠陥を導入する方法（サイエンス、２９３巻、７６−７９ページ、２００１年）が知られている。しかし、従来の方法では走査プローブを用いているために欠陥の形成に長時間を要し、また多量の欠陥の形成が困難であった。このためチューブ状物質に欠陥密度を制御して導入する簡便な方法が強く要請されていた。
【０００５】
【非特許文献１】
単一電子トンネリング概論（春山純志著、コロナ社、２００２年）
【非特許文献２】
アプライド フィジックス レター、８０巻、４４４６−４４４８ページ、２００２年
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような従来技術の問題点を解消するためになされたものであって、チューブ状無機物質に微小なトンネル接合を多数形成し、単一電子トンネル電気伝導性を示すことが可能となり、かつ当該微少なトンネル接合量も適正に制御することができる、工業的に極めて有用な、単一電子トンネル電気伝導性を示すチューブ状無機物質及びこれを用いた電子デバイスの製造方法並びに該製造方法により製造された電子デバイスを提供することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、カーボンナノチューブにイオンを低い照射エネルギーで特定な条件で照射すると上記課題が解消できることを知見し本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、前記課題は下記の技術的手段により解決される。
（１）カーボンナノチューブに窒素イオンを照射イオンエネルギーが２０〜２００ｅＶで照射する工程を含むカーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法。
（２）照射イオン量が１×１０１３〜１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは炭素系物質に低エネルギーイオンビームを照射し、新規な表面機能性を付与する事を検討してきた。その結果、カーボンナノチューブに窒素イオンを２０〜２００ｅＶ、より好ましくは２０〜５０ｅＶの照射エネルギーでイオン量を１×１０１３〜１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２、より好ましくは１×１０１３〜５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲で照射する事により、カーボンナノチューブ中に欠陥が効果的に導入され、単一電子トンネリング電気伝導特性が向上することを見い出した。
【００１０】
本発明においては、イオン照射エネルギーを２０〜２００ｅＶエネルギーに設定することが必要である。イオン照射エネルギーが２０ｅＶ未満であると、チューブ状無機物質中に欠陥が導入されない事となり、また２００ｅＶを超えるとイオンエネルギーによりチューブ状無機物質が損傷を受ける事となるので好ましくない。また、イオン照射量として１×１０１３〜１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２のイオン密度が必要である。
【００１１】
イオン照射量が１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２未満であると、チューブ状無機物質中に導入される欠陥量が不十分であり、１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２を超えるとチューブ状無機物質に導入される欠陥量が過多となり、トンネル接合を示さなくなる。本発明のイオン照射条件は上記二つの要件を満たせば充分であり、他の条件は必要に応じ適宜選定すればよい。
【００１２】
本発明の方法において、チューブ状無機物質に照射するイオン種としては、窒素イオンの他、酸素イオン、ボロンイオン、ネオンイオン、アルゴンイオン等を挙げることができる。
【００１３】
本発明の方法で製造された電子デバイスは、化学センサー、バイオセンサー等のセンサーや、走査単電子プローブ、スピンプローブ等のプローブ等に利用することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１５】
実施例１
イオン照射装置としては、イオンを生成するイオン源、イオンをイオン源から引き出す機構、イオンの質量分離機構、イオン収束機構、イオン偏向機構、イオン減速機構、及びイオンを基材に堆積させる真空容器からなる製造装置を用いた。イオンの質量分離機構としてセクター型の電磁石を、イオン収束機構として４重極電磁石３つからなる電磁レンズを、イオン偏向機構としてセクター型の電磁石を、イオン減速機構としては静電場を形成する電極を用いた。
上記装置によりカーボンナノチューブデバイスに窒素イオンを照射した。カーボンナノチューブデバイスは以下のように作製した。熱酸化膜付きのシリコン単結晶（１００）基板にフォトレジストを用いた微細加工技術により、シリコン、モリブデン、鉄からなる積層膜を所定の電極形状に形成させる。ここで積層膜の膜厚はそれぞれ１０ｎｍ、１０ｎｍ、３ｎｍであり、真空蒸着で堆積させる。その後、メタンガスを原料とし、８３０度の気相成長法により、上記積層膜の電極間にカーボンナノチューブを成長させる。この時、上記積層膜においてモリブデンと鉄がカーボンナノチューブの成長における触媒として作用する。最後に上記積層膜の上に白金からなる電極を形成する。
【００１６】
イオン照射装置内にカーボンナノチューブデバイス設置した後、装置内を３×１０−８Ｐａ以下まで真空排気した。照射イオンの原料ガスとして窒素ガスを用いた。イオン源内で窒素ガスのプラズマを生成した後、イオンを接地電位に対して−３５ｋＶで引き出した。この時、イオンをイオン源から引き出す機構、イオンの質量分離機構、イオン収束機構、イオン偏向機構は全て−３５ｋＶとなっている。イオン源は接地電位に対して正電位にし、この電位により最終的に真空容器内のカーボンナノチューブに到達するイオンエネルギーを決めている。引き出したイオン束から質量分離電磁石により原子量１４の窒素イオンのみを選別し、イオン収束機構である４重極電磁石レンズによりイオン電流が最大となるように収束した。さらにイオン偏向電磁石により炭素イオンを真空容器内で曲げて真空容器内に導入し、イオンを所定のエネルギーとなるように減速して、カーボンナノチューブデバイスに所定のイオン量を照射した。イオン照射中の真空容器内の真空度は４×１０−７Ｐａであった。
【００１７】
イオン照射前後のカーボンナノチューブデバイスの電気伝導特性を真空中で測定して比較した。イオン照射前のカーボンナノチューブデバイスは、室温においてゲート電圧に対してドレイン電流が流れなくなる状態が離散的に現れ、１個の電子がクーロンブロッケード現象によりカーボンナノチューブ中の微細な領域に閉じ込められていることを示した。イオン照射後のカーボンナノチューブデバイスは、室温において照射前と同様に、室温においてゲート電圧に対してドレイン電流が流れなくなる状態が離散的に現れて単一電子トンネリング電気伝導特性を示し、電子を閉じ込めるエネルギーの増加が見られた。イオン照射前のカーボンナノチューブデバイスのクーロンギャップは０．５３Ｖであったが、イオン照射後のカーボンナノチューブデバイスのクーロンギャップは０．８２Ｖであった。これはイオン照射により、安定に電子をカーボンナノチューブ中の微細な領域に閉じ込めることが可能になった事を示し、カーボンナノチューブデバイスの単一電子トンネリング素子としての特性が向上した事を示す。このようにイオン照射により単一電子トンネリング素子特性の向上が見られたイオン照射条件は、イオンエネルギーが２０〜２００ｅＶ、イオン照射量が１×１０１３〜１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲であった。
【００１８】
【発明の効果】
本発明のチューブ状無機物質を用いた電子デバイスの製造方法は、チューブ状無機物質が単一電子トンネリング電気伝導を示すように、チューブ状無機物質中に欠陥を制御性良く導入する事が可能であり、工業的に極めて有利な製造方法ということができる。
また、上記製造方法で製造された電子デバイスは、例えばカーボンナノチューブの如き、チューブ状無機物質中の微細な領域に安定的に電子を閉じ込めることが可能となり、単一電子トンネリング素子としての特性が向上したものとなる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、チューブ状無機物質を用いた電子デバイスの製造方法及び該方法により製造された電子デバイスに関し、詳しくは、室温において優れた単一電子トンネリング電気伝導特性を有し、電子素子として有用な、チューブ状無機物質を用いたデバイスの製造方法及び該方法により製造された電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９９１年に発見されたカーボンナノチューブ（ネイチャー、３５４巻、５６−５８、１９９１年）はグラファイトシートがチューブ上に丸まった物質であり、その電気的特性は構造によって金属的にも半導体的にも成りうると予測されている。またカーボンナノチューブは直径が１〜数十ナノメートルであるのに対して長さが数十マイクロメートルであるため、典型的な１次元電気伝導を示すものと期待される物質でもある。このようなチューブ状物質は１次元電気伝導特性を有し、バリスティック伝導を示すことが期待されている。そのためチューブ状無機物質をエレクトロニクスデバイスに応用しようという試みが近年盛んである。
【０００３】
そのひとつにカーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子がある。このトンネリング素子では、カーボンナノチューブにソース、ドレーン、ゲート電極を形成し、カーボンナノチューブに欠陥を導入する。カーボンナノチューブの欠陥を導入した箇所は絶縁性となり微少なトンネル接合として働き、室温において単一電子トランジスタ動作を示す。単一電子トンネリング素子技術が、単一電子トンネリング概論（春山純志著、コロナ社、２００２年）にくわしく記載されている。
【０００４】
従来、カーボンナノチューブに欠陥を導入して微少なトンネル接合を形成する方法として、任意のカーボンナノチューブの箇所に導電性を有する走査プローブを近付けて、パルス電圧を印加することによりカーボンナノチューブに欠陥を導入する方法（アプライド フィジックス レター、８０巻、４４４６−４４４８ページ、２００２年）や、走査プローブをカーボンナノチューブに接触させて屈曲部をつくり欠陥を導入する方法（サイエンス、２９３巻、７６−７９ページ、２００１年）が知られている。しかし、従来の方法では走査プローブを用いているために欠陥の形成に長時間を要し、また多量の欠陥の形成が困難であった。このためチューブ状物質に欠陥密度を制御して導入する簡便な方法が強く要請されていた。
【０００５】
【非特許文献１】
単一電子トンネリング概論（春山純志著、コロナ社、２００２年）
【非特許文献２】
アプライド フィジックス レター、８０巻、４４４６−４４４８ページ、２００２年
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような従来技術の問題点を解消するためになされたものであって、チューブ状無機物質に微小なトンネル接合を多数形成し、単一電子トンネル電気伝導性を示すことが可能となり、かつ当該微少なトンネル接合量も適正に制御することができる、工業的に極めて有用な、単一電子トンネル電気伝導性を示すチューブ状無機物質及びこれを用いた電子デバイスの製造方法並びに該製造方法により製造された電子デバイスを提供することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、カーボンナノチューブにイオンを低い照射エネルギーで特定な条件で照射すると上記課題が解消できることを知見し本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、前記課題は下記の技術的手段により解決される。
（１）カーボンナノチューブに窒素イオンを照射イオンエネルギーが２０〜２００ｅＶで照射する工程を含むカーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法。
（２）照射イオン量が１×１０１３〜１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは炭素系物質に低エネルギーイオンビームを照射し、新規な表面機能性を付与する事を検討してきた。その結果、カーボンナノチューブに窒素イオンを２０〜２００ｅＶ、より好ましくは２０〜５０ｅＶの照射エネルギーでイオン量を１×１０１３〜１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２、より好ましくは１×１０１３〜５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲で照射する事により、カーボンナノチューブ中に欠陥が効果的に導入され、単一電子トンネリング電気伝導特性が向上することを見い出した。
【００１０】
本発明においては、イオン照射エネルギーを２０〜２００ｅＶエネルギーに設定することが必要である。イオン照射エネルギーが２０ｅＶ未満であると、チューブ状無機物質中に欠陥が導入されない事となり、また２００ｅＶを超えるとイオンエネルギーによりチューブ状無機物質が損傷を受ける事となるので好ましくない。また、イオン照射量として１×１０１３〜１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２のイオン密度が必要である。
【００１１】
イオン照射量が１×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２未満であると、チューブ状無機物質中に導入される欠陥量が不十分であり、１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２を超えるとチューブ状無機物質に導入される欠陥量が過多となり、トンネル接合を示さなくなる。本発明のイオン照射条件は上記二つの要件を満たせば充分であり、他の条件は必要に応じ適宜選定すればよい。
【００１２】
本発明の方法において、チューブ状無機物質に照射するイオン種としては、窒素イオンの他、酸素イオン、ボロンイオン、ネオンイオン、アルゴンイオン等を挙げることができる。
【００１３】
本発明の方法で製造された電子デバイスは、化学センサー、バイオセンサー等のセンサーや、走査単電子プローブ、スピンプローブ等のプローブ等に利用することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１５】
実施例１
イオン照射装置としては、イオンを生成するイオン源、イオンをイオン源から引き出す機構、イオンの質量分離機構、イオン収束機構、イオン偏向機構、イオン減速機構、及びイオンを基材に堆積させる真空容器からなる製造装置を用いた。イオンの質量分離機構としてセクター型の電磁石を、イオン収束機構として４重極電磁石３つからなる電磁レンズを、イオン偏向機構としてセクター型の電磁石を、イオン減速機構としては静電場を形成する電極を用いた。
上記装置によりカーボンナノチューブデバイスに窒素イオンを照射した。カーボンナノチューブデバイスは以下のように作製した。熱酸化膜付きのシリコン単結晶（１００）基板にフォトレジストを用いた微細加工技術により、シリコン、モリブデン、鉄からなる積層膜を所定の電極形状に形成させる。ここで積層膜の膜厚はそれぞれ１０ｎｍ、１０ｎｍ、３ｎｍであり、真空蒸着で堆積させる。その後、メタンガスを原料とし、８３０度の気相成長法により、上記積層膜の電極間にカーボンナノチューブを成長させる。この時、上記積層膜においてモリブデンと鉄がカーボンナノチューブの成長における触媒として作用する。最後に上記積層膜の上に白金からなる電極を形成する。
【００１６】
イオン照射装置内にカーボンナノチューブデバイス設置した後、装置内を３×１０−８Ｐａ以下まで真空排気した。照射イオンの原料ガスとして窒素ガスを用いた。イオン源内で窒素ガスのプラズマを生成した後、イオンを接地電位に対して−３５ｋＶで引き出した。この時、イオンをイオン源から引き出す機構、イオンの質量分離機構、イオン収束機構、イオン偏向機構は全て−３５ｋＶとなっている。イオン源は接地電位に対して正電位にし、この電位により最終的に真空容器内のカーボンナノチューブに到達するイオンエネルギーを決めている。引き出したイオン束から質量分離電磁石により原子量１４の窒素イオンのみを選別し、イオン収束機構である４重極電磁石レンズによりイオン電流が最大となるように収束した。さらにイオン偏向電磁石により炭素イオンを真空容器内で曲げて真空容器内に導入し、イオンを所定のエネルギーとなるように減速して、カーボンナノチューブデバイスに所定のイオン量を照射した。イオン照射中の真空容器内の真空度は４×１０−７Ｐａであった。
【００１７】
イオン照射前後のカーボンナノチューブデバイスの電気伝導特性を真空中で測定して比較した。イオン照射前のカーボンナノチューブデバイスは、室温においてゲート電圧に対してドレイン電流が流れなくなる状態が離散的に現れ、１個の電子がクーロンブロッケード現象によりカーボンナノチューブ中の微細な領域に閉じ込められていることを示した。イオン照射後のカーボンナノチューブデバイスは、室温において照射前と同様に、室温においてゲート電圧に対してドレイン電流が流れなくなる状態が離散的に現れて単一電子トンネリング電気伝導特性を示し、電子を閉じ込めるエネルギーの増加が見られた。イオン照射前のカーボンナノチューブデバイスのクーロンギャップは０．５３Ｖであったが、イオン照射後のカーボンナノチューブデバイスのクーロンギャップは０．８２Ｖであった。これはイオン照射により、安定に電子をカーボンナノチューブ中の微細な領域に閉じ込めることが可能になった事を示し、カーボンナノチューブデバイスの単一電子トンネリング素子としての特性が向上した事を示す。このようにイオン照射により単一電子トンネリング素子特性の向上が見られたイオン照射条件は、イオンエネルギーが２０〜２００ｅＶ、イオン照射量が１×１０１３〜１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２の範囲であった。
【００１８】
【発明の効果】
本発明のチューブ状無機物質を用いた電子デバイスの製造方法は、チューブ状無機物質が単一電子トンネリング電気伝導を示すように、チューブ状無機物質中に欠陥を制御性良く導入する事が可能であり、工業的に極めて有利な製造方法ということができる。
また、上記製造方法で製造された電子デバイスは、例えばカーボンナノチューブの如き、チューブ状無機物質中の微細な領域に安定的に電子を閉じ込めることが可能となり、単一電子トンネリング素子としての特性が向上したものとなる。
Claims (2)
- カーボンナノチューブに窒素イオンを、照射イオンエネルギーが２０〜２００ｅＶで照射する工程を含むカーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法。
- 照射イオン量が１×１０１３〜１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003163073A JP4304330B2 (ja) | 2003-06-09 | 2003-06-09 | カーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003163073A JP4304330B2 (ja) | 2003-06-09 | 2003-06-09 | カーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004363508A JP2004363508A (ja) | 2004-12-24 |
| JP4304330B2 true JP4304330B2 (ja) | 2009-07-29 |
Family
ID=34054987
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003163073A Expired - Lifetime JP4304330B2 (ja) | 2003-06-09 | 2003-06-09 | カーボンナノチューブを用いた単一電子トンネリング素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4304330B2 (ja) |
-
2003
- 2003-06-09 JP JP2003163073A patent/JP4304330B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004363508A (ja) | 2004-12-24 |
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