JP4810650B2 - Carbon nanotube FET - Google Patents
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本発明は、カーボンナノチューブFETに関し、より詳細には、新しい電極材料を用いることによりn型のカーボンナノチューブFETを実現する技術に関する。 The present invention relates to a carbon nanotube FET, and more particularly to a technique for realizing an n-type carbon nanotube FET by using a new electrode material.
カーボンナノチューブは、カイラリティにより半導体的特性をもつこと、高い電流密度を実現可能なこと、ほぼ1次元伝導とみなせるような非常に細い線路を形成できること、などにより、カーボンナノチューブを用いた極微細・高速動作が可能な量子デバイス用途に適している。中でも、量子細線としてのカーボンナノチューブは、次世代電子デバイスの有力な候補であり、現在、カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ(以下、「CN−FET」と称する。)に関する研究が盛んに行われている。 Carbon nanotubes have semiconductor characteristics due to chirality, can achieve a high current density, and can form very thin lines that can be regarded as almost one-dimensional conduction. Suitable for quantum device applications that can operate. Among these, carbon nanotubes as quantum wires are promising candidates for next-generation electronic devices, and research on carbon nanotube field effect transistors (hereinafter referred to as “CN-FET”) is being actively conducted.
ところで、CN−FETはp型のトランジスタとなりやすく、n型CN−FETの作成例は少ない。カーボンナノチューブの表面にカリウムをドーピングしn型CN−FETを作製した例はあるが、カーボンナノチューブチャネルの表面にカリウムを蒸着するには超高真空の装置が必要でありプロセスが煩雑であるばかりでなく、カーボンナノチューブチャネルにカリウムのドーピングを行うとイオン化不純物がキャリア散乱センターとなるため、移動度が小さくなるという問題がある。 By the way, a CN-FET tends to be a p-type transistor, and there are few examples of making an n-type CN-FET. There is an example in which an n-type CN-FET is manufactured by doping potassium on the surface of a carbon nanotube, but in order to deposit potassium on the surface of a carbon nanotube channel, an ultra-high vacuum apparatus is required and the process is complicated. If the carbon nanotube channel is doped with potassium, the ionized impurity becomes a carrier scattering center, which causes a problem of low mobility.
本発明は、移動度を下げることなくn型CN−FETを作成することを目的とする。さらに、この作成技術を利用してその他の電子デバイスを作成することを目的とする。 An object of the present invention is to produce an n-type CN-FET without reducing mobility. It is another object of the present invention to create other electronic devices using this creation technique.
本発明の一観点によれば、カーボンナノチューブからなるチャネル層と、該カーボンナノチューブからなるチャネル層に対して形成されたゲート電極と、前記チャネル層と接する領域に形成されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属のうちの少なくともいずれか一方を含むソース電極及びドレイン電極とを有することを特徴とするn型CN−FET構造が提供される。アルカリ金属又はアルカリ土類金属とカーボンナノチューブとを接合すると、それらの金属のフェルミエネルギーとカーボンナノチューブの伝導帯底とのエネルギー不連続が小さく、ソース又はドレイン電極からカーボンナノチューブへ電子が移動しやすく、電子注入可能な電極を形成しやすい。電子注入電極から注入された電子は、カーボンナノチューブのチャネルを移動しもう一方の電極に到達する。 According to one aspect of the present invention, a channel layer made of carbon nanotubes, a gate electrode formed for the channel layer made of carbon nanotubes, and an alkali metal or alkaline earth formed in a region in contact with the channel layer An n-type CN-FET structure having a source electrode and a drain electrode including at least one of metals is provided. When an alkali metal or alkaline earth metal and a carbon nanotube are joined, the energy discontinuity between the Fermi energy of the metal and the conduction band bottom of the carbon nanotube is small, and electrons easily move from the source or drain electrode to the carbon nanotube. It is easy to form an electrode capable of electron injection. Electrons injected from the electron injection electrode move through the channel of the carbon nanotube and reach the other electrode.
また、カーボンナノチューブからなるチャネル層と、該カーボンナノチューブからなるチャネル層に対して形成されたゲート電極と、前記チャネル層と接する領域に形成されカーボンナノチューブの仕事関数よりも小さい仕事関数を持つ材料からなるソース電極及びドレイン電極とを有することを特徴とするn型CN−FET構造が提供される。前記ソース電極及びドレイン電極を形成する材料の仕事関数が4eV以下であること、さらに、3eV以下であることが好ましい。カーボンナノチューブの場合には、結晶構造が閉じた系となっているため、表面準位によるバンドピニングの影響を受けにくく、金属をカーボンナノチューブCNTに接合させると、金属の仕事関数に応じて、仕事関数の小さい金属との間には電子注入電極を形成することができる。 Also, a channel layer made of carbon nanotubes, a gate electrode formed for the channel layer made of carbon nanotubes, and a material having a work function smaller than the work function of carbon nanotubes formed in a region in contact with the channel layer An n-type CN-FET structure having a source electrode and a drain electrode is provided. The work function of the material forming the source electrode and the drain electrode is preferably 4 eV or less, and more preferably 3 eV or less. In the case of carbon nanotubes, since the crystal structure is a closed system, it is not easily affected by band pinning due to surface states, and when a metal is bonded to the carbon nanotube CNT, the work depends on the work function of the metal An electron injection electrode can be formed between the metal having a small function.
前記チャネル層には不純物がドーピングされていないことを特徴とする。ここでドーピングとは、カーボンナノチューブに電子または正孔を誘起する目的でカーボンナノチューブに不純物を添加する操作であり、カーボンナノチューブを製造する工程での不純物や伝導に寄与しない不純物が混入することは含まれない。従って、「不純物がドーピングされていない」とは、カーボンナノチューブを製造する工程で自然に混入する不純物を除く趣旨であり、また、伝導に寄与しない不純物は除かれる。加えて、上記のような仕事関数などにより規定されている材料を電極とした場合に形成されるショットキー接合の界面付近において、例えばわずかにカーボンナノチューブ内に拡散した原子などは、上記不純物の中には入らない。 The channel layer is not doped with impurities. Here, doping is an operation of adding impurities to the carbon nanotubes for the purpose of inducing electrons or holes in the carbon nanotubes, and includes the inclusion of impurities in the process of manufacturing the carbon nanotubes or impurities that do not contribute to conduction. I can't. Therefore, “impurities are not doped” means that impurities that are naturally mixed in the process of manufacturing the carbon nanotube are excluded, and impurities that do not contribute to conduction are excluded. In addition, in the vicinity of the interface of the Schottky junction formed when the material defined by the work function as described above is used as an electrode, for example, atoms slightly diffused into the carbon nanotubes are included in the impurities. Does not enter.
このように、チャネル層に相当するカーボンナノチューブに不純物を添加しない場合でも、電極からの電子の注入によりn型FETを形成することができる。 Thus, even when no impurity is added to the carbon nanotube corresponding to the channel layer, an n-type FET can be formed by injecting electrons from the electrode.
本発明の他の観点によれば、カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブに接する前記電子注入電極構造と、該電子注入電極構造とは異なる位置において前記カーボンナノチューブに接する仕事関数が5eV以上の正孔注入電極とを備えることを特徴とする素子が提供される。この素子に電圧を印加すると、電子と正孔とがカーボンナノチューブ内を互いに近づく方向に注入される。 According to another aspect of the present invention, a carbon nanotube, the electron injection electrode structure in contact with the carbon nanotube, and a hole injection having a work function in contact with the carbon nanotube at a position different from the electron injection electrode structure of 5 eV or more. An element comprising an electrode is provided. When a voltage is applied to this element, electrons and holes are injected in a direction approaching each other in the carbon nanotube.
本発明によれば、カーボンナノチューブに対してn型の接合を形成することができ、これを利用して不純物の添加なしにn型のCN−FETを形成することができる。 According to the present invention, an n-type junction can be formed with respect to a carbon nanotube, and an n-type CN-FET can be formed without adding impurities by using this.
本明細書において、電子注入電極とは、電子を注入する機能を主たる機能とする電極であり、正孔注入電極とは、正孔を注入する機能を主たる機能とする電極である。本明細書では、より小さい印加電圧により注入できる方のキャリアに基づいて電子又は正孔と定義している。 In this specification, an electron injection electrode is an electrode having a function of injecting electrons as a main function, and a hole injection electrode is an electrode having a function of injecting holes as a main function. In this specification, it defines as an electron or a hole based on the carrier which can be inject | poured with a smaller applied voltage.
本発明に係るn型CN−FET作成技術として、チャネル層に相当するカーボンナノチューブに不純物をドーピングするのではなく、電子又は正孔などのキャリアの注入源として電極を機能させ、この注入電極を構成する材料の選択によって、CN−FETの伝導型を制御する方法を考えついた。 As an n-type CN-FET manufacturing technique according to the present invention, the carbon nanotube corresponding to the channel layer is not doped with impurities, but the electrode functions as an injection source of carriers such as electrons or holes, and this injection electrode is configured. A method has been devised for controlling the conductivity type of a CN-FET by selecting the material to be used.
一般的な半導体(Siなど)と金属との接合においては、Si表面に形成されているダングリングボンド(非結合手)の影響のため、仕事関数と異種接合時のエネルギーバンド障壁との関連性が薄い。すなわち、一般的な半導体(Siなど)と金属との接合においては、Si表面に形成されているダングリングボンドの影響のため表面準位によるバンドピニングが生じ、それぞれの仕事関数を反映したバンド構造となりにくい。 In general semiconductor (such as Si) and metal bonding, the relationship between the work function and the energy band barrier during heterogeneous bonding due to the influence of dangling bonds (non-bonding hands) formed on the Si surface. Is thin. In other words, in general bonding of semiconductors (such as Si) and metals, band pinning occurs due to surface states due to the influence of dangling bonds formed on the Si surface, and the band structure reflects each work function. It is hard to become.
これに対して、カーボンナノチューブの場合には、結晶構造が閉じた系となっているため、表面準位によるバンドピニングの影響を受けにくく、金属をカーボンナノチューブCNTに接合させると、素直に金属とカーボンナノチューブCNTとの仕事関数差を反映したエネルギー障壁が形成されると考えられる。 On the other hand, in the case of carbon nanotubes, since the crystal structure is a closed system, it is not easily affected by band pinning due to surface states. It is considered that an energy barrier reflecting a work function difference from the carbon nanotube CNT is formed.
すなわち、CN−FETの電流が、コンタクト電極と半導体的カーボンナノチューブの界面に形成されるショットキー障壁で制御されることに着目し、仕事関数の小さい材料、例えばCaをコンタクト電極に用いることにより、n型トランジスタの作製を可能とすることができると考えた。 That is, focusing on the fact that the current of the CN-FET is controlled by a Schottky barrier formed at the interface between the contact electrode and the semiconducting carbon nanotube, by using a material having a low work function, for example, Ca for the contact electrode, It was considered that an n-type transistor could be manufactured.
ここで、仕事関数とは、真空中の表面から1個の電子を無限遠まで取り出すのに必要な最小エネルギーのことであり、材料表面の電子状態に固有の値となる。仕事関数は、通常、ケルビン法(振動容量法)、熱電子放出や光電子放出実験などで測定することができる。 Here, the work function is the minimum energy required to extract one electron from the surface in vacuum to infinity, and is a value specific to the electronic state of the material surface. The work function can usually be measured by the Kelvin method (vibration capacity method), thermionic emission, photoelectron emission experiments, or the like.
尚、ここで言及している金属Metalの仕事関数とは、カーボンナノチューブCNTと接する金属の仕事関数のことであり、例えば電極が多層構造の場合には、カーボンナノチューブCNTと接する金属の仕事関数を指す。すなわち、カーボンナノチューブと電極材料との界面において、カーボンナノチューブの仕事関数より電極材料の仕事関数が小さい組み合わせを選択する。電極材料の仕事関数は、4eV以下が好ましく、特に3eV以下が好ましい。 The work function of the metal Metal referred to here is the work function of the metal in contact with the carbon nanotube CNT. For example, when the electrode has a multilayer structure, the work function of the metal in contact with the carbon nanotube CNT is Point to. That is, a combination having a work function of the electrode material smaller than that of the carbon nanotube is selected at the interface between the carbon nanotube and the electrode material. The work function of the electrode material is preferably 4 eV or less, and particularly preferably 3 eV or less.
尚、この考えを発展させると、電極材料を選ぶことのみによりカーボンナノチューブへの注入キャリア(電子又は正孔)を選択でき、後述するように整流ダイオードや発光ダイオード等が作製可能である。 If this idea is developed, injection carriers (electrons or holes) into the carbon nanotube can be selected only by selecting an electrode material, and a rectifier diode, a light-emitting diode, or the like can be manufactured as described later.
図1及び図2を参照しつつ、金属(Metal)とカーボンナノチューブ(CNT)との接合についてより詳細に参照しつつ説明する。図1は、半導体に対する一般的な電極材料であるAuやPdなどの金属とカーボンナノチューブとの接合の様子を示す図である。図1において、上図は真空の準位EVACを基準にした金属MetalとカーボンナノチューブCNTとのそれぞれのエネルギーバンド図であり、中図は、AuやPdなどの金属MetalとカーボンナノチューブCNTとを実際に接合した際のエネルギーバンド図であり、下図は、金属Metalに正の電圧を印加した際のエネルギーバンド図である。 The joining of metal (Metal) and carbon nanotube (CNT) will be described with reference to FIGS. 1 and 2 in more detail. FIG. 1 is a view showing a state of bonding between a carbon nanotube and a metal such as Au or Pd which is a general electrode material for a semiconductor. In FIG. 1, the upper diagram is an energy band diagram of the metal Metal and the carbon nanotube CNT based on the vacuum level E VAC , and the middle diagram shows the metal Metal such as Au and Pd and the carbon nanotube CNT. It is an energy band figure at the time of actually joining, and the following figure is an energy band figure at the time of applying a positive voltage to metal Metal.
図1に示すように、一般的な電極用の金属であるAuやPdなどの金属においては、仕事関数φmが5eV程度である。一方、カーボンナノチューブCNTの仕事関数φCNTは4eV程度である。従って、図1の中図に示すように、金属MetalとカーボンナノチューブCNTとを接合させると、金属とカーボンナノチューブCNTとのフェルミエネルギーEFが一致する状態となり、カーボンナノチューブCNT側の価電子帯におけるバンド不連続(ΔEV)を極めて小さくすることができる。尚、伝導帯のバンド不連続値ΔECとしては、約1eV程度の大きな値となる。従って、下図のように金属MetalにカーボンナノチューブCNTに対して正の電圧を印加すると、金属Metalの価電子帯近傍の正孔は容易にカーボンナノチューブCNTに輸送可能であり、正孔電流がきわめて容易に流れる。 As shown in FIG. 1, in a metal such as Au and Pd are metals for common electrode, the work function phi m is about 5 eV. On the other hand, the work function φ CNT of the carbon nanotube CNT is about 4 eV. Accordingly, as shown in Figure in Figure 1, when bonding the metal Metal and carbon nanotubes CNT, a state where the Fermi energy E F of the metal and carbon nanotubes CNT coincide, in the valence band of the carbon nanotubes CNT-side Band discontinuity (ΔE V ) can be made extremely small. The band discontinuity value ΔE C of the conduction band is a large value of about 1 eV. Therefore, when a positive voltage is applied to the metal metal with respect to the carbon nanotube CNT as shown in the figure below, holes near the valence band of the metal metal can be easily transported to the carbon nanotube CNT, and the hole current is very easy. Flowing into.
これに対して、カーボンナノチューブCNTに対して金属Metalに負の電圧を印加すると、金属Metalの伝導帯近傍の電子は大きなエネルギー障壁(ΔEC)により、カーボンナノチューブCNTに輸送されにくく、非常に高い電圧を印加しない限り電子電流が流れにくい。従って、カーボンナノチューブに不純物をドーピングしない構造で一般的な金属(Au)を用いるとp型のカーボンナノチューブFETになりやすく、n型のカーボンナノチューブFETは実現しにくい傾向にあったものと考えられる。 On the other hand, when a negative voltage is applied to the metal Metal with respect to the carbon nanotube CNT, electrons near the conduction band of the metal Metal are hardly transported to the carbon nanotube CNT due to a large energy barrier (ΔE C ), which is very high. As long as no voltage is applied, the electron current hardly flows. Therefore, if a general metal (Au) is used with a structure in which impurities are not doped in the carbon nanotube, it is likely to become a p-type carbon nanotube FET, and the n-type carbon nanotube FET tends to be difficult to realize.
発明者は、従来のようなカーボンナノチューブ自体にドーピングする方法の代わりに、ソース又はドレインのうち少なくともキャリアを注入する側の電極を構成する材料を工夫することによりCN−FETの導電型を設計することを考えた。上述のように、一般的な半導体(Siなど)と金属との接合と異なり、金属MetalをカーボンナノチューブCNTに接合させると、図1の中の図に示すように、金属とカーボンナノチューブCNTとのフェルミエネルギーEFが一致する状態となるため、仕事関数の大きさ(より具体的には、φCNT程度)の障壁が生じる。 The inventor designs the conductivity type of the CN-FET by devising a material that constitutes at least the carrier injection electrode of the source or drain instead of the conventional method of doping the carbon nanotube itself. I thought. As described above, unlike the bonding of a general semiconductor (such as Si) and a metal, when the metal Metal is bonded to the carbon nanotube CNT, as shown in the diagram in FIG. since a state where the Fermi energy E F match, the magnitude of the work function (more specifically, phi about CNT) barrier occurs.
一方、図2に示すように、電極材料である金属Metalの仕事関数φmの小さい材料を選択すると(具体的には、φmがφCNT/2程度)、図2の中図に示すように、金属MetalとカーボンナノチューブCNTとの接合界面における伝導帯の不連続値であるΔECを極めて小さくすることができ、図2の下図に示すように、金属Metalに対してカーボンナノチューブCNTに正の電圧を印加すると、印加電圧が小さい値でも金属Metalにおける伝導帯の電子がカーボンナノチューブCNTの伝導帯に注入されやすくなる。従って、n型CN−FETを簡単に形成することが可能である。n型CN−FETに適した金属Metalとしては、例えば、アルカリ金属であるCs(仕事関数φs=2.14eV程度)、K(仕事関数φs=2.3eV程度)、Li(仕事関数φs=2.9eV程度)など、アルカリ土類金属であるCa(仕事関数φs=2.87eV程度)、Mg(仕事関数φs=3.66eV程度)などが、4eV又は3eVの範囲内の金属である。尚、上記範囲内ではないが、遷移金属又は金属であるMn、Al、Tiなども電子注入電極の候補となりうる。 On the other hand, as shown in FIG. 2, selecting a material with a low work function phi m metal Metal an electrode material (specifically, phi m is the order of phi CNT / 2), as shown in Figure in Figure 2 a, can be made extremely small Delta] E C is the discontinuity value of the conduction band at a joint interface between the metal metal and carbon nanotubes CNT, as shown in the lower part of FIG. 2, positive carbon nanotubes CNT to metals metal When the voltage is applied, electrons in the conduction band of the metal Metal are easily injected into the conduction band of the carbon nanotube CNT even when the applied voltage is small. Therefore, it is possible to easily form an n-type CN-FET. Examples of the metal Metal suitable for the n-type CN-FET include Cs (work function φs = 2.14 eV), K (work function φs = 2.3 eV), Li (work function φs = 2), which are alkali metals. Alkaline earth metals such as Ca (work function φs = 2.87 eV), Mg (work function φs = 3.66 eV) and the like are metals in the range of 4 eV or 3 eV. Although not within the above range, transition metals or metals such as Mn, Al, and Ti can also be candidates for the electron injection electrode.
以下、本発明の実施の形態によるn型CN−FETについて図面を参照しつつ説明を行う。図3は、本実施の形態によるCN−FETの構造を示す断面図である。図3に示すように、本実施の形態によるCN−FET1は、p+型Si基板3と、その表面上に形成された厚さ100nmのSiO2酸化膜5と、その上にある距離だけ離間して形成されたCo/Pt触媒7a、7bと、Co/Pt触媒7aと7bとの間に形成されたカーボンナノチューブ11と、カーボンナノチューブ11のそれぞれの端部と接するように形成されたCa金属15a、15bと、Ca金属15a、15bの上に形成されたAl電極17a、17bと、を有するソース電極(15a/17a)及びドレイン電極(15b/17b)と、p+型Si基板3の裏面に形成されたTi/Auからなるバックゲート電極21と、を有している。仕事関数φmの小さい(2.87eV)Ca金属15a、15bが、カーボンナノチューブCNT11の両端にそれぞれ接触し、図2に示すようなエネルギーバンド構造を形成するため、n型CN−FETを作成することができる。尚、カーボンナノチューブCNT11上にCa金属15a、15bの酸化を防止するためのフォトレジスト23などの酸化防止膜を形成すると良い。尚、CaとAlとは連続して堆積するのが好ましい。これは、Caがアルカリ土類金属であり、単独では(表面がさらされると)不安定なためである。すなわち、AlがCaの保護膜の機能と抵抗を低くする機能とを有している。さらに、フォトレジスト23も全体を覆ってCaを酸化から防ぐ機能を有している。尚、本実施の形態では、Ca/Alのそれぞれの厚みは、3nm/250nmとした。
Hereinafter, an n-type CN-FET according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the CN-FET according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the CN-
図3を参照して、CN−FETの製造工程について説明する。まず、p+型Si基板3を準備し、表面にSiO2酸化膜5を形成し、裏面にバックゲート電極21を形成する。次いで、表面にCo/Pt触媒層を形成し、パターニングによりCo/Pt触媒7a、7bを形成する。さらに、アルコールCCVD(alcohol CCVD)法によりCo/Pt触媒7a、7b間に位置制御されたSWNT(単層(カーボン)ナノチューブ)11を成長する。成長条件は、例えば、成長温度が900℃、ガス流量がAr/C2H5OH(100/50cm3/min)、ガス圧が200Pa、成長時間が1時間である。次いで、SWNT11と接するようにCa/Alからなるソース電極17aとドレイン電極17bとを例えば公知のリフトオフ法により形成する。最終的には、例えばフォトレジスト23などの有機膜により全面を覆う。尚、SWNTなどのナノチューブを、基板3上で成長せずに、既に成長済みのナノチューブを基板3上に配置する方法を用いても良い。或いは、何らかの支持部材によりカーボンナノチューブを支持する構造を用いても良い。
With reference to FIG. 3, the manufacturing process of CN-FET is demonstrated. First, a p +
次に、p型CN−FETとn型CN−FETとのそれぞれの動作について図4〜図7を参照しつつ説明を行う。図4(A)、(B)及び図5(A)、(B)は、p型CN−FETとn型CN−FETとの平衡状態と動作状態とにおけるエネルギーバンド構造を示す図である。図4(A)に示すように、p型CN−FETは平衡状態ではフェルミ準位EFがカーボンナノチューブCNTの価電子帯の頂上のエネルギーEVと近い位置にあり、電極からカーボンナノチューブへの電子に関する障壁高さφBnは大きく、電極からカーボンナノチューブへ正孔に関する障壁高さφBpは小さい。従って、図4(B)に示すように、ゲートに適度な電圧を印加した状態でソース−ドレイン間に電圧を印加すると、正孔がソースからチャネル領域に注入され、チャネル領域を経てドレインに輸送される。正孔に起因するいわゆるドレイン電流が流れる。図7に電極としてPdを用いたp型CN−FETのドレイン電流IDのゲート電圧VGS依存性を示す。図7に示すように、一般的なp型FETと同様の伝達特性が得られていることがわかる。 Next, operations of the p-type CN-FET and the n-type CN-FET will be described with reference to FIGS. 4A, 4B, 5A, and 5B are diagrams showing energy band structures in an equilibrium state and an operating state of the p-type CN-FET and the n-type CN-FET. As shown in FIG. 4 (A), p-type CN-FET is on top of the energy E V position near the valence band of the Fermi level E F is carbon nanotubes CNT is at equilibrium, from the electrode to the carbon nanotube The barrier height φ Bn related to electrons is large, and the barrier height φ Bp related to holes from the electrode to the carbon nanotube is small. Therefore, as shown in FIG. 4B, when a voltage is applied between the source and the drain while an appropriate voltage is applied to the gate, holes are injected from the source into the channel region and transported to the drain through the channel region. Is done. A so-called drain current caused by holes flows. FIG. 7 shows the gate voltage V GS dependence of the drain current ID of the p-type CN-FET using Pd as an electrode. As shown in FIG. 7, it can be seen that transfer characteristics similar to those of a general p-type FET are obtained.
一方、図5(A)に示すように、n型CN−FETは平衡状態ではフェルミ準位EFがカーボンナノチューブCNTの伝導帯の底のエネルギーECと近い位置にあり、電極からカーボンナノチューブへの正孔に関する障壁高さφBpは大きく、電極からカーボンナノチューブへ電子に関する障壁高さφBnは小さい。従って、図5(B)に示すように、ゲートに適度な電圧を印加した状態でソース−ドレイン間に電圧を印加すると、電子がソースからチャネル領域に注入され、チャネル領域を経てドレインに輸送される。電子に起因するいわゆるドレイン電流が流れる。図6に電極としてCa/Alを用いたn型CN−FETのドレイン電流IDのゲート電圧VGS依存性を示す。図6に示すように、一般的なn型FETと同様の伝達特性が得られていることがわかる。ゲート電圧−5V程度でドレイン電流が流れ始めており、n型CN−FETとして良好な特性が得られることがわかる。 On the other hand, as shown in FIG. 5 (A), n-type CN-FET is in the energy E C and close the Fermi level E F is the conduction band of the carbon nanotubes CNT bottom at equilibrium, from the electrode to the carbon nanotube The barrier height φ Bp related to the holes of the electrode is large, and the barrier height φ Bn related to electrons from the electrode to the carbon nanotube is small. Therefore, as shown in FIG. 5B, when a voltage is applied between the source and the drain while an appropriate voltage is applied to the gate, electrons are injected from the source into the channel region and transported to the drain through the channel region. The A so-called drain current caused by electrons flows. FIG. 6 shows the gate voltage V GS dependence of the drain current ID of an n-type CN-FET using Ca / Al as an electrode. As shown in FIG. 6, it can be seen that transfer characteristics similar to those of a general n-type FET are obtained. It can be seen that a drain current starts to flow at a gate voltage of about -5 V, and good characteristics can be obtained as an n-type CN-FET.
以上に説明したように、本実施の形態によれば、n型の接合を形成することができ、これを利用して不純物の添加なしにn型のCN−FETを形成することができる。 As described above, according to the present embodiment, an n-type junction can be formed, and an n-type CN-FET can be formed by using this without adding impurities.
尚、同一基板上にp型CN−FETとn型CN−FETとを形成することができるため、両者のゲート電極とドレイン電極とをそれぞれ共通に配線することもでき、例えば、いわゆる相補型(Complementary)FETを製造することも可能である。その他、p−n接合ダイオードなど一般的な電子デバイスを簡単に製造することができる。 Since the p-type CN-FET and the n-type CN-FET can be formed on the same substrate, both the gate electrode and the drain electrode can be wired in common, for example, so-called complementary type ( It is also possible to manufacture complementary FETs. In addition, a general electronic device such as a pn junction diode can be easily manufactured.
尚、n型電極を形成するためには、例えば、金属の仕事関数を4.0eV以下、好ましくは3.0eV以下にするのが好ましい。また、カーボンナノチューブの径によりバンドギャップを調整することが可能であるため、上記金属の仕事関数の調整に代えて、又は仕事関数の調整とともにカーボンナノチューブの径によるCN−FETのしきい値の調整を行うこともできる。また、カーボンナノチューブ内にフラーレンなどを内包させたいわゆるピーポッド構造(B.W.Smith et al, Nature 396, 323 (1998)参照)によっても、カーボンナノチューブのエネルギーバンド構造を調整することができる。 In order to form an n-type electrode, for example, the work function of the metal is preferably 4.0 eV or less, and preferably 3.0 eV or less. Further, since the band gap can be adjusted by the diameter of the carbon nanotube, the threshold value of the CN-FET is adjusted by the diameter of the carbon nanotube instead of the adjustment of the work function of the metal or the adjustment of the work function. Can also be done. The energy band structure of the carbon nanotube can also be adjusted by a so-called peapod structure (see B.W.Smith et al, Nature 396, 323 (1998)) in which fullerene is included in the carbon nanotube.
上記本発明の第1の実施の形態においては、電子注入電極を用いた素子の一例としてn型CN−FETについて説明したが、本発明の実施の形態による電子注入電極を用いたカーボンナノチューブ素子に関しては、いわゆる半導体材料を用いた多くの電子デバイス及び光デバイスなどの多くの素子に適用可能である。以下においては、その例としてバイポーラトランジスタに応用した例(第2の実施の形態)と、LEDに応用した例(第3の実施の形態)について説明する。もちろん、本発明はこれらに限定されるものではない。 In the first embodiment of the present invention, an n-type CN-FET has been described as an example of an element using an electron injection electrode. However, the carbon nanotube element using an electron injection electrode according to an embodiment of the present invention is described. Is applicable to many elements such as many electronic devices and optical devices using so-called semiconductor materials. In the following, an example applied to a bipolar transistor (second embodiment) and an example applied to an LED (third embodiment) will be described. Of course, the present invention is not limited to these.
次に、本発明の第2の実施の形態によるカーボンナノチューブデバイスについて図面を参照しつつ説明を行う。図8は、本実施の形態によるカーボンナノチューブデバイスの構成例であり、図8(A)は本実施の形態によるカーボンナノチューブバイポーラトランジスタの構造断面図であり、図8(B)は図8(A)に対応するエネルギーバンド図である。 Next, a carbon nanotube device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a structural example of the carbon nanotube device according to the present embodiment, FIG. 8A is a structural sectional view of the carbon nanotube bipolar transistor according to the present embodiment, and FIG. It is an energy band figure corresponding to).
図8(A)に示すように、本実施の形態によるカーボンナノチューブバイポーラトランジスタ41は、カーボンナノチューブCNT45と、それに接するようにかつカーボンナノチューブCNTの延在する方向に順番に形成された電子注入電極であるCaエミッタ電極47と正孔注入電極であるPdベース電極51と電子注入電極であるCaエミッタ電極53とを有している。図8(B)に示すように、カーボンナノチューブCNT45のエネルギーバンド図は、一般的なnpnバイポーラトランジスタと同様の構成を有することがわかる。上記構成を有するnpnバイポーラトランジスタ41においては、Caコレクタ電極47からカーボンナノチューブCNT45内に注入された電子が、ベースBを越えてコレクタCに至り、コレクタ電流を生成する。コレクタ電流は、エミッタ−ベース間の電圧により制御できる。もちろん、上記npn構成の代わりにpnp構成を実現することも可能である。すなわち、カーボンナノチューブに対して、電子注入電極又は正孔注入電極のいずれかを形成することによりエミッタ及びコレクタとし、エミッタ及びコレクタに用いられなかった方の電子注入電極又は正孔注入電極をベースとすることにより、カーボンナノチューブを用いたバイポーラトランジスタを実現できる。
As shown in FIG. 8A, the carbon nanotube
以上、本実施の形態によれば、カーボンナノチューブに接する電極材料をpnp又はnpnになるように配置することによりバイポーラトランジスタを形成することが可能である。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to form a bipolar transistor by arranging the electrode material in contact with the carbon nanotube so as to be pnp or npn.
次に、本発明の第3の実施の形態によるカーボンナノチューブ光デバイスについて図面を参照しつつ説明を行う。図9は、本実施の形態によるカーボンナノチューブ光デバイスの構成例であり、図9に示すデバイス61においては、カーボンナノチューブ62の一端(ソース側)に正孔注入電極を、他端(ドレイン側)に電子注入電極を配置した構成を有している。この構造において、ソース65に対してドレイン67に負の電圧を印加すると、ソース側から正孔が、ドレイン側から電子がカーボンナノチューブ内に注入され、カーボンナノチューブ内において正孔と電子との再結合に起因する発光が得られ、いわゆるLEDを形成することができる。すなわち、電極によりp型とn型とを形成することができるため、光デバイスへの応用も可能である。
Next, a carbon nanotube optical device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 9 shows a configuration example of the carbon nanotube optical device according to the present embodiment. In the
すなわち、電子注入電極と正孔注入電極とをカーボンナノチューブに対して形成することにより、カーボンナノチューブ内に電子と正孔とを発生させ、電子と正孔とを再結合させることにより発光素子などの光素子を形成することができる。 That is, by forming an electron injection electrode and a hole injection electrode with respect to a carbon nanotube, an electron and a hole are generated in the carbon nanotube, and by recombining the electron and the hole, a light emitting device, etc. An optical element can be formed.
以上、第2及び第3の実施の形態において説明したように、電子注入電極を簡単に形成することができ、電子、光デバイスにおいてp型とn型との両方を得ることができるため、一般的な半導体を用いたデバイス群をカーボンナノチューブを用いたデバイス群に置き換えることができる。 As described above in the second and third embodiments, the electron injection electrode can be easily formed, and both p-type and n-type can be obtained in electronic and optical devices. A device group using a typical semiconductor can be replaced with a device group using a carbon nanotube.
本発明は、一般的な半導体材料を用いた電子デバイス、光デバイスに適用することができる。また、CN−FET以外にも、カーボンナノチューブを用いた各種デバイスを実現する際に適用可能である。 The present invention can be applied to electronic devices and optical devices using general semiconductor materials. In addition to CN-FETs, the present invention can be applied when various devices using carbon nanotubes are realized.
1…CN−FET、3…p+型Si基板、5…SiO2酸化膜、7a、7b…Co/Pt触媒、11…カーボンナノチューブ、15a、15b…Ca金属、17a、17b…Al電極、21…バックゲート電極。 1 ... CN-FET, 3 ... p + -type Si substrate, 5 ... SiO 2 oxide film, 7a, 7b ... Co / Pt catalyst, 11 ... carbon nanotube, 15a, 15b ... Ca metal, 17a, 17b ... Al electrode, 21 ... back gate electrode.
Claims (13)
該カーボンナノチューブからなるチャネル層に対して形成されたゲート電極と、
前記チャネル層と接する領域に形成されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属のうち少なくともいずれか一方を含むソース電極及びドレイン電極と
を有することを特徴とするn型CN−FET構造。 A channel layer made of carbon nanotubes;
A gate electrode formed for the channel layer made of the carbon nanotube;
An n-type CN-FET structure comprising a source electrode and a drain electrode containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal formed in a region in contact with the channel layer.
該カーボンナノチューブからなるチャネル層に対して形成されたゲート電極と、
前記チャネル層と接する領域に形成されカーボンナノチューブの仕事関数よりも小さい仕事関数を持つ材料からなるソース電極及びドレイン電極と
を有することを特徴とするn型CN−FET構造。 A channel layer made of carbon nanotubes;
A gate electrode formed for the channel layer made of the carbon nanotube;
An n-type CN-FET structure comprising a source electrode and a drain electrode formed in a region in contact with the channel layer and made of a material having a work function smaller than that of a carbon nanotube.
該カーボンナノチューブに接するアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む電極と
を有する電子注入電極構造。 Carbon nanotubes,
And an electrode including an alkali metal or an alkaline earth metal in contact with the carbon nanotube.
該カーボンナノチューブに接する仕事関数が4eV以下の電極と
を有する電子注入電極構造。 Carbon nanotubes,
An electron injection electrode structure having an electrode having a work function of 4 eV or less in contact with the carbon nanotube.
該カーボンナノチューブに接する仕事関数が3eV以下の電極と
を有する電子注入電極構造。 Carbon nanotubes,
An electron injection electrode structure having an electrode having a work function of 3 eV or less in contact with the carbon nanotube.
該カーボンナノチューブに接する請求項7から9までのいずれか1項に記載の電子注入電極構造と、
該電子注入電極構造とは異なる位置において前記カーボンナノチューブに接する仕事関数が5eV以上の正孔注入電極と
を備えることを特徴とする素子。 Carbon nanotubes,
The electron injection electrode structure according to any one of claims 7 to 9, which is in contact with the carbon nanotube,
A device comprising: a hole injection electrode having a work function of 5 eV or more in contact with the carbon nanotube at a position different from the electron injection electrode structure.
前記チャネルに対して電界を印加できる位置にゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とするn型CN−FETの製造方法。 Forming a source electrode and a drain electrode containing at least one of an alkali metal and an alkaline earth metal so as to be in contact with the channel of the carbon nanotube;
And a step of forming a gate electrode at a position where an electric field can be applied to the channel.
前記チャネルに対して電界を印加できる位置にゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とするn型CN−FETの製造方法。 Forming a source electrode and a drain electrode containing a material having a work function of 4 eV or less so as to be in contact with the channel of the carbon nanotube;
And a step of forming a gate electrode at a position where an electric field can be applied to the channel.
前記チャネルに対して電界を印加できる位置にゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とするn型CN−FETの製造方法。
Forming a source electrode and a drain electrode containing a material having a work function of 3 eV or less so as to be in contact with the channel of the carbon nanotube;
And a step of forming a gate electrode at a position where an electric field can be applied to the channel.
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