JP5742335B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、炭素のナノ構造体を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、グラフェンやカーボンナノチューブ等、炭素のナノ構造体を用いた電子デバイスが注目されている。炭素のナノ構造体を用いた電子デバイスとしては、例えば、チャネル領域をグラフェンやカーボンナノチューブにより形成したトランジスタや、銅の代わりにグラフェンやカーボンナノチューブを用いたＬＳＩ用配線が提案されている。
炭素のナノ構造体を用いた電子デバイスを実現するためには、ナノ構造体に対してＮ型又はＰ型の任意の導電型を付与する技術を確立することが重要である。このため、より簡便な方法により炭素のナノ構造体に所望の導電型を付与しうる技術が望まれていた。
本発明の目的は、導電型を容易に制御することができる炭素のナノ構造体を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
実施形態の一観点によれば、グラフェンにより形成された電極と、前記電極上にインターカラントとを介して結合されたカーボンナノチューブとを有する半導体装置が提供される。
また、実施形態の他の観点によれば、グラフェンにより形成された電極と、前記電極に結合されたカーボンナノチューブとを有し、前記電極と前記カーボンナノチューブとの距離は、０．３７ｎｍ以上、０．９０ｎｍ以下である半導体装置が提供される。
また、実施形態の更に他の観点によれば、グラフェンにより形成された第１の電極と、前記第１の電極から離間して配置されたグラフェンにより形成された第２の電極と、第１のインターカラントを介して前記第１の電極に結合された第１導電型の一端部と、第２のインターカラントを介して前記第２の電極に結合された第２導電型の他端部とを有するカーボンナノチューブとを有する半導体装置が提供される。
開示の半導体装置及びその製造方法によれば、グラフェンとカーボンナノチューブとの間に挿入するインターカラントを適宜選択することにより、グラフェンと結合した部分のカーボンナノチューブに任意の導電型を付与することができる。
［第１実施形態］
第１実施形態による半導体装置について図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態による半導体装置の斜視図である。図２は、本実施形態による半導体装置の断面図である。図２（ａ）は、図１中のＡ−Ａ′線断面図を示し、図２（ｂ）は、図１中のＢ−Ｂ′線断面図を示す。図３は、カーボンナノチューブとグラフェンとの間にリチウムをインターカレートした場合におけるグラフェンのバンド構造とカーボンナノチューブのバンド構造を示す図である。図４は、カーボンナノチューブとグラフェンとの間に臭素をインターカレートした場合におけるグラフェンのバンド構造とカーボンナノチューブのバンド構造を示す図である。
第１実施形態による半導体装置について図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態による半導体装置の斜視図である。図２は、本実施形態による半導体装置の断面図である。図２（ａ）は、図１中のＡ−Ａ′線断面図を示し、図２（ｂ）は、図１中のＢ−Ｂ′線断面図を示す。図３は、カーボンナノチューブとグラフェンとの間にリチウムをインターカレートした場合におけるグラフェンのバンド構造とカーボンナノチューブのバンド構造を示す図である。図４は、カーボンナノチューブとグラフェンとの間に臭素をインターカレートした場合におけるグラフェンのバンド構造とカーボンナノチューブのバンド構造を示す図である。
本実施形態による半導体装置の構造について図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すように、グラフェンで形成される第１の電極１０及びグラフェンで形成される第２の電極１２上に、半導体型のカーボンナノチューブ１４が配されている。カーボンナノチューブ１４は、一端部が第１の電極１０上に位置し、他端部が第２の電極１２上に位置しており、第１の電極１０と第２の電極１２とを架橋するように配置されている。
グラフェンとは、炭素原子の六員環構造により形成されたシート状の物質である。グラフェンには、炭素１原子分の厚さの単層グラフェンと、単層グラフェンが積み重なって形成される多層グラフェンとがある。本実施形態で用いるグラフェンは、単層グラフェンでも多層グラフェンでもよい。
カーボンナノチューブとは、グラフェンが管状になったものである。カーボンナノチューブは、そのカイラリティにより金属の性質を有する金属型と半導体の性質を有する半導体型とに分けられる。カイラリティとは、炭素原子配列のねじれ度合いである。本実施形態には、半導体型のカーボンナノチューブが用いられる。
図１には、１本のカーボンナノチューブを用いた場合を示しているが、カーボンナノチューブの本数は、１本に限定されるものではなく、複数本のカーボンナノチューブを用いてもよい。また、複数本のカーボンナノチューブを用いる場合には、同じ直径のカーボンナノチューブを用いてもよいし、異なる直径のカーボンナノチューブを用いてもよい。
図２（ａ）に示すように、第１の電極１０とカーボンナノチューブ１４との間には、第１族の元素であるリチウム原子１１がインターカレートされている。インターカレートとは、一般的に層状物質の層と層との間にイオンや分子等を挿入することである。また、インターカレートされた物質は、インターカラントと呼ばれる。本願発明者は、これを応用し、グラフェンとカーボンナノチューブの間に原子を挿入した。
第１の電極１０とカーボンナノチューブ１４との間にインターカレートする原子は、第１族の元素であれば、特に限定されるものではない。第１族の元素としては、例えば、カリウムやナトリウムが挙げられる。インターカレートする原子は、１種類である必要はなく、複数の第１族の元素の組み合わせでもよい。
第１の電極１０とカーボンナノチューブ１４との間にリチウム原子１１をインターカレートしない場合、つまり、第１の電極１０とカーボンナノチューブ１４とが分子間力のみで結合している場合の距離は、０．３３５ｎｍである。
これに対し、リチウム原子１１をインターカレートした際の第１の電極１０とカーボンナノチューブ１４との間の距離は、０．３７ｎｍ〜０．４５ｎｍとなり、リチウム原子１１をインターカレートしない場合よりも大きくなる。この距離の差は、第１の電極１０とカーボンナノチューブ１４との間にリチウム原子１１がインターカレートされたことを意味する。
図３は、グラフェンとカーボンナノチューブとの間にリチウム原子をインターカレートした場合におけるグラフェンのバンド構造及びカーボンナノチューブのバンド構造を示す図である。グラフェンのバンド構造及びカーボンナノチューブのバンド構造は、第一原理計算によって求められた。
第一原理計算とは、実験結果に基づかない計算方法である。計算対象となる系の各構成元素の原子番号及びその構造のみをパラメータとし、系の電子状態が計算される。
図３に示すように、グラフェンのバンド構造は、２つの直線で表され、カーボンナノチューブのバンド構造は、多数の曲線で表される。
グラフェンのバンドギャップは、ほぼ０であり金属のような性質を示す。
グラフェンとカーボンナノチューブとの間にリチウム原子をインターカレートした構造体のフェルミ準位は、カーボンナノチューブの真性フェルミ準位より高い。このことから、リチウム原子をインターカレートすることにより、カーボンナノチューブはＮ型半導体となる。即ち、本実施形態において、第１の電極１０上のカーボンナノチューブ１４は、Ｎ型半導体として機能する。
一方、第２の電極１２とカーボンナノチューブ１４との間には、図２（ｂ）に示すように、第１７族の元素である臭素原子１３がインターカレートされている。
第２の電極１２とカーボンナノチューブ１４との間にインターカレートする原子は、第１７族の元素であれば、特に限定されるものではない。第１７族の元素としては、例えば、フッ素や塩素が挙げられる。インターカレートする原子は、１種類である必要はなく、複数の第１７族の元素の組み合わせでもよい。
第２の電極１２とカーボンナノチューブ１４との間に臭素原子１３をインターカレートしない場合、つまり、第２の電極１２とカーボンナノチューブ１４とが分子間力のみで結合している場合の距離は０．３３５ｎｍである。
これに対し、臭素原子１３をインターカレートした際の第１の電極１２とカーボンナノチューブ１４との間の距離は、０．３７ｎｍ〜０．９０ｎｍとなり、臭素原子１３をインターカレートしない場合よりも大きくなる。この距離の差は、第２の電極１２とカーボンナノチューブ１４との間に臭素原子１３がインターカレートされたことを意味する。
図４は、グラフェンとカーボンナノチューブとの間に臭素原子をインターカレートした場合におけるグラフェンのバンド構造及びカーボンナノチューブのバンド構造を示すグラフである。グラフェンのバンド構造及びカーボンナノチューブのバンド構造は、第一原理計算によって求められた。
図４に示すように、グラフェンのバンド構造は、２つの直線で表され、カーボンナノチューブのバンド構造は、多数の曲線で表される。
グラフェンのバンドギャップは、ほぼ０であり金属のような性質を示す。
グラフェンとカーボンナノチューブとの間に臭素原子をインターカレートした構造体のフェルミ準位は、カーボンナノチューブの真性フェルミ準位より低い。このことから、臭素原子をインターカレートすることにより、カーボンナノチューブはＰ型半導体となる。即ち、本実施形態において、第２の電極１２上のカーボンナノチューブ１４は、Ｐ型半導体として機能する。
このように、本実施形態によれば、第１の電極１０とカーボンナノチューブ１４との間にリチウム原子１１インターカレートするので、カーボンナノチューブ１４の一端部をＮ型の半導体とすることができる。また、本実施形態によれば、第２の電極１２とカーボンナノチューブ１４との間に臭素原子１３インターカレートするので、カーボンナノチューブ１４の他端部をＰ型の半導体とすることができる。これにより、カーボンナノチューブ１４にＰＮ結合を形成することができる。
［第２実施形態］
第２実施形態による半導体装置について図５乃至図７を用いて説明する。図５は、太陽光のスペクトルとシリコンの光吸収スペクトルを示すグラフである。図６、シリコンの光吸収スペクトル及びカーボンナノチューブの光吸収スペクトルを示すグラフである。図７は、カーボンナノチューブの直径とカーボンナノチューブの吸収端波長との関係を示すグラフである。
第２実施形態による半導体装置について図５乃至図７を用いて説明する。図５は、太陽光のスペクトルとシリコンの光吸収スペクトルを示すグラフである。図６、シリコンの光吸収スペクトル及びカーボンナノチューブの光吸収スペクトルを示すグラフである。図７は、カーボンナノチューブの直径とカーボンナノチューブの吸収端波長との関係を示すグラフである。
本実施形態では、第１実施形態による半導体装置を太陽電池として用いる例について説明する。
本実施形態による半導体装置の構造は、図１に示す第１実施形態による半導体装置の構造と基本的に同じである。本実施形態による半導体装置が第１実施形態による半導体装置と異なる点は、カーボンナノチューブ１４として、太陽光の波長域に応じた直径のカーボンナノチューブを用いている点である。
図５は、太陽光のスペクトルと、シリコンの光吸収スペクトルを示すグラフである。
図５に示すように、太陽光のスペクトルは、約３００ｎｍ〜数１０００ｎｍの波長域に分布している。（１０００ｎｍ以上の波長は省略）。それに対し、シリコンの光吸収スペクトルには、約４００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長域に分布している。
シリコンは、約１０００ｎｍ以上の波長の太陽光を吸収することができない。これは、シリコンの吸収端波長が約１０００ｎｍであるからである。シリコンの吸収端波長は、シリコンのバンドギャップエネルギーから求められる。吸収端波長は、バンドギャップエネルギーに反比例する。つまり、シリコンの吸収端波長である約１０００ｎｍ以上の波長の太陽光は、シリコンに吸収されずに透過する。
図６は、シリコンの光吸収スペクトル及びカーボンナノチューブの光吸収スペクトルを示すグラフである。カーボンナノチューブの吸光分析には、直径１．１ｎｍのカーボンナノチューブを用いた。
図６に示すように、カーボンナノチューブは、約４００ｎｍ〜２４００ｎｍの光を吸収する。シリコンと比較すると、カーボンナノチューブは、シリコンより長波長の光を吸収することができる。これは、カーボンナノチューブのバンドギャップエネルギーがシリコンのバンドギャップエネルギーより小さいからである。
図７は、カーボンナノチューブの直径とカーボンナノチューブの吸収端波長との関係を示すグラフである。カーボンナノチューブには、直径が変化するとその電気的性質が変化する。即ち、直径が変化すると、バンドギャップが変化するという性質がある。カーボンナノチューブの吸収端波長は、カーボンナノチューブの直径により決まる。
図７に示すように、カーボンナノチューブの直径が約０．１ｎｍ以上の範囲において、カーボンナノチューブの直径が増加すると、カーボンナノチューブの吸収端波長は直線的に増加する。例えば、直径約１ｎｍのカーボンナノチューブの吸収端波長は約１７００ｎｍであるのに対し、直径１．５ｎｍのカーボンナノチューブの吸収端波長は約２５００ｎｍである。
このように、直径約１ｎｍ以上のカーボンナノチューブを使用することにより、カーボンナノチューブはシリコンでは吸収できない長波長の太陽光を吸収することができる。
本実施形態による半導体装置の架橋部であるカーボンナノチューブ１４は、図３及び図４を用いて上述した第一原理計算結果と同様に、第１の電極１０上ではＮ型半導体となり、第２の電極１２上ではＰ型半導体となっている。カーボンナノチューブ１４はＰＮ接合を形成しているので、カーボンナノチューブ１４は太陽光を吸収して電流を発生させることができる。
このように、本実施形態による半導体装置は、太陽電池として用いることができる。また、本実施形態による半導体装置は、シリコンを用いた太陽電池より長波長の太陽光を吸収することができる。
本実施形態による半導体装置を太陽電池として用いる際には、シリコンを用いた太陽電池の代替として用いるだけでなく、シリコンを用いた太陽電池と併せて用いてもよい。
本実施形態による半導体装置を単独で用いる場合には、半導体装置の架橋部であるカーボンナノチューブ１４に、例えば、直径０．７ｎｍ〜２．０ｎｍのカーボンナノチューブを用いる。本実施形態による半導体装置とシリコンを用いた太陽電池とを併用する場合には、半導体装置の架橋部であるカーボンナノチューブ１４に、例えば、直径１．１ｎｍ〜２．０ｎｍのカーボンナノチューブを用いる。
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図８乃至図１０を用いて説明する。図８乃至図１０は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す斜視図である。
まず、基板１００を用意する。基板１００には、例えば、表面に酸化シリコンを有するシリコン基板を用いる。
次に、基板１００上に、例えば、真空蒸着法により、例えば、厚さ１０ｎｍ〜５００ｎｍのニッケル膜１０２を形成する（図８参照）。ニッケル膜１０２は、グラフェンを形成する際に触媒として作用する。
次に、ニッケル膜１０２上に、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）法によりグラフェン１０４を形成する（図８参照）。その際の温度は、例えば、８００℃〜１０００℃とする。
次に、ニッケル膜１０２上に形成されたグラフェン１０４を別の基板１０６に転写する。基板１０６には、例えば、酸化シリコン基板を用いる。
基板１０６は、後述する電極１０，１２とカーボンナノチューブ１４との間にリチウム原子１１及び臭素原子１３をそれぞれインターカレートする際の温度より高い耐熱温度を有する基板であれば、特に限定されるものではなく、任意の基板を用いることができる。
次に、例えば、電子線リソグラフィにより、グラフェン１０４をパターニングする。これにより、第１の電極１０及び第２の電極１２が形成される。第１の電極１０と第２の電極１２との間隔は、例えば、０．０２μｍ〜１０μｍである（図９参照）。
次に、カーボンナノチューブを別途合成する。その中から半導体型で、例えば、直径１．１ｎｍ、長さ０．０４μｍ〜２０μｍ以上のものを選択する。これを、カーボンナノチューブ１４とする。
次に、第１の電極１０上及び第２の電極１２上に、例えば、印刷技術により、カーボンナノチューブ１４を配する。これにより、第１の電極１０と第２の電極１２とが、カーボンナノチューブ１４により架橋される（図１０参照）。
次に、第２の電極１２上及び第２の電極１２上のカーボンナノチューブ１４上に、例えば、フォトレジストを用いてマスクを形成する。
次に、第１の電極１０及びカーボンナノチューブ１４を、例えば、２００℃に加熱し、気化したリチウムを含む雰囲気下に、例えば、１時間暴露する。これにより、第１の電極１０とカーボンナノチューブ１４との間にリチウム原子１１がインターカレートされる。
次に、フォトレジスト剥離液によりマスクを除去する。
次に、第１の電極１０上及び第１の電極１０上のカーボンナノチューブ１４上に、例えば、フォトレジストを用いてマスクを形成する。
次に、第２の電極１２及びカーボンナノチューブ１４を、例えば、２００℃に加熱し、気化した臭素を含む雰囲気下に、例えば、１時間暴露する。これにより、第２の電極１２とカーボンナノチューブ１４との間に臭素原子１３がインターカレートされる。
次に、フォトレジスト剥離液によりマスクを除去する。
こうして、本実施形態による半導体装置を完成する。
このように、本実施形態によれば、第１の電極１０とカーボンナノチューブ１４との間にリチウム原子１１インターカレートするので、カーボンナノチューブ１４の一端部をＮ型の半導体とすることができる。また、本実施形態によれば、第２の電極１２とカーボンナノチューブ１４との間に臭素原子１３インターカレートするので、カーボンナノチューブ１４の他端部をＰ型の半導体とすることができる。これにより、カーボンナノチューブ１４にＰＮ結合を形成することができ、本実施形態による半導体装置を太陽電池として用いることができる。
また、本実施形態によれば、カーボンナノチューブの直径を適宜選択することにより、カーボンナノチューブはシリコンより長波長の光を吸収することができる。これにより、本実施形態による半導体装置は吸収効率のよい太陽電池となる。
［第３実施形態］
第３実施形態による半導体装置について図１１乃至図１３を用いて説明する。図１１は、本実施形態による半導体装置を示す斜視図である。図１２は、本実施形態による半導体装置の断面図である。図１２（ａ）は、図１１中のＡ−Ａ′線断面図を示し、図１２（ｂ）は、図１１中のＢ−Ｂ′線断面図を示す。図１３は、シリコンの光吸収スペクトル及びカーボンナノチューブの光吸収スペクトルを示すグラフである。図１に示す第１実施形態による半導体装置と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
第３実施形態による半導体装置について図１１乃至図１３を用いて説明する。図１１は、本実施形態による半導体装置を示す斜視図である。図１２は、本実施形態による半導体装置の断面図である。図１２（ａ）は、図１１中のＡ−Ａ′線断面図を示し、図１２（ｂ）は、図１１中のＢ−Ｂ′線断面図を示す。図１３は、シリコンの光吸収スペクトル及びカーボンナノチューブの光吸収スペクトルを示すグラフである。図１に示す第１実施形態による半導体装置と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
本実施形態による半導体装置の構造について図１１及び図１２を用いて説明する。
図１１に示すように、グラフェンで形成される第１の電極１０及びグラフェンで形成される第２の電極１２上に、直径の異なる３本のカーボンナノチューブ１６，１８，２０が配されている。本実施形態で用いるカーボンナノチューブは、半導体型である。カーボンナノチューブ１６，１８，２０は、一端部が第１の電極１０上に位置し、他端部が第２の電極１２上に位置しており、第１の電極１０と第２の電極１２とを架橋するように配されている。カーボンナノチューブ１６の直径は、１．１ｎｍである。カーボンナノチューブ１８の直径は、１．４ｎｍである。カーボンナノチューブ２０の直径は、２．０ｎｍである。
図１２（ａ）に示すように、第１の電極１０とカーボンナノチューブ１６，１８，２０との間には、第１族の元素であるリチウム原子１１がインターカレートされている。
第１の電極１０とカーボンナノチューブ１６，１８，２０との間にインターカレートする原子は、第１族の元素であれば、特に限定されるものではない。第１族の元素としては、例えば、カリウムやナトリウムが挙げられる。インターカレートする原子は、１種類である必要はなく、複数の第１族の元素の組み合わせでもよい。
図１２（ｂ）に示すように、第２の電極１２とカーボンナノチューブ１６，１８，２０との間には、第１７族の元素である臭素原子１３がインターカレートされている。
第２の電極１２とカーボンナノチューブ１６，１８，２０との間にインターカレートする原子は、第１７族の元素であれば、特に限定されるものではない。第１７族の元素としては、例えば、フッ素や塩素が挙げられる。インターカレートする原子は、１種類である必要はなく、複数の第１７族の元素の組み合わせでもよい。
また、本実施形態によるカーボンナノチューブ１６，１８，２０は、図３及び図４を用いて上述した第一原理計算結果と同様に、第１の電極１０上ではＮ型半導体となり、第２の電極１２上ではＰ型半導体となっている。カーボンナノチューブ１６，１８，２０はそれぞれＰＮ接合を形成している。
本実施形態では、第１実施形態による半導体装置を太陽電池として用いる例について図１３を用いて説明する
図１３は、シリコンの光吸収スペクトル及びカーボンナノチューブの光吸収スペクトルを示すグラフである。図１３におけるカーボンナノチューブ（１種類）とは、直径１．１ｎｍのカーボンナノチューブのみを用いた場合を示している。図１１におけるカーボンナノチューブ（３種類）とは、直径１．１ｎｍ，１．４ｎｍ，２．０ｎｍと直径の異なる3種類のカーボンナノチューブを用いた場合を示している。
図１３は、シリコンの光吸収スペクトル及びカーボンナノチューブの光吸収スペクトルを示すグラフである。図１３におけるカーボンナノチューブ（１種類）とは、直径１．１ｎｍのカーボンナノチューブのみを用いた場合を示している。図１１におけるカーボンナノチューブ（３種類）とは、直径１．１ｎｍ，１．４ｎｍ，２．０ｎｍと直径の異なる3種類のカーボンナノチューブを用いた場合を示している。
図１３に示すように、シリコンの光吸収スペクトルは、約４００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長域に分布している。カーボンナノチューブ（１種類）の光吸収スペクトルは、約４００ｎｍ〜２４００ｎｍの波長域に分布している。カーボンナノチューブ（３種類）は、カーボンナノチューブ（１種類）より長波長の光を吸収する（２４００ｎｍ以上の波長は省略）。また、カーボンナノチューブ（３種類）の吸収曲線は、カーボンナノチューブ（１種類）の吸収曲線より安定して高い吸収率を示す。
カーボンナノチューブ（１種類）の吸収曲線には、吸収率の高いところと、低いところがある。これは、カーボンナノチューブが１次元物質であるために、バンド構造が離散化するからである。離散化したバンド構造により強い吸収を示すところと、そうでないところとが生じる。１次元物質とは、ある動作を行うのが直線方向のみの物質のことである。
本実施形態による半導体装置では、直径の異なる３種類のカーボンナノチューブを用いている。直径の異なる３種類のカーボンナノチューブを用いることにより、カーボンナノチューブ（３種類）の吸収曲線は、カーボンナノチューブ（１種類）の吸収曲線より高い吸収率を示し、且つ、なだらかな曲線になる。カーボンナノチューブは、その直径が変わるとそのバンド構造が変化するという性質を有する。バンド構造が変化すると、吸収スペクトルのピークがずれる。異なるピークを有するカーボンナノチューブの吸収曲線が重ね合わさることにより、カーボンナノチューブ（３種類）の吸収曲線は、安定して高い吸収率を示す。
カーボンナノチューブ（３種類）が長波長の光を吸収するのは、直径の大きなカーボンナノチューブを用いたからである。図７に示したように、直径２．０ｎｍのカーボンナノチューブは、約３３００ｎｍまでの波長の光を吸収することができる。
このように、直径の異なる３種類のカーボンナノチューブを用いることにより、１種類のカーボンナノチューブを用いる場合より吸収帯域を広げることができる。また、直径の異なる３種類のカーボンナノチューブを用いることにより、吸収効率が高くなる。
本実施形態による半導体装置の架橋部であるカーボンナノチューブ１６，１８，２０は図３及び図４を用いて上述した第一原理計算結果と同様に、第１の電極１０上ではＮ型半導体となり、第２の電極１２上ではＰ型半導体となっている。カーボンナノチューブ１６，１８，２０はそれぞれＰＮ接合を形成するので、カーボンナノチューブ１６，１８，２０はそれぞれ太陽光を吸収して電流を発生させることができる。
このように、本実施形態による半導体装置は、太陽電池として用いることができる。
また、異なる直径のカーボンナノチューブを複数種類用いることにより、太陽光の吸収効率がよくなる。
本実施形態による半導体装置を太陽電池として用いる際には、シリコンを用いた太陽電池の代替として用いるだけでなく、シリコンを用いた太陽電池と併せて用いてもよい。
本実施形態による半導体装置を単独で用いる場合には、半導体装置の架橋部であるカーボンナノチューブ１６，１８，２０に、例えば、直径０．７ｎｍ〜２．０ｎｍのカーボンナノチューブを用いる。本実施形態による半導体装置とシリコンを用いた太陽電池とを併用する場合には、半導体装置の架橋部であるカーボンナノチューブ１６，１８，２０に、例えば、直径１．１ｎｍ〜２．０ｎｍのカーボンナノチューブを用いる。
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図１４乃至図１６を用いて説明する。図１４乃至図１６は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す斜視図である。
まず、基板１００を用意する。基板１００には、例えば、シリコン基板を用いる。
次に、基板１００上に、例えば、真空蒸着法により、例えば、厚さ１０ｎｍ〜５００ｎｍのニッケル膜１０２を形成する（図１４参照）。ニッケル膜１０２は、グラフェンを形成する際に触媒として作用する。
次に、ニッケル膜１０２上に、例えば、化学気相成長（ＣＶＤ）法によりグラフェン１０４を形成する（図１４参照）。その際の温度は、例えば、８００℃〜１０００℃とする。
次に、ニッケル膜１０２上に形成されたグラフェン１０４を別の基板１０６に転写する。基板１０６には、例えば、酸化シリコン基板を用いる。
基板１０６は、後述する電極１０，１２とカーボンナノチューブ１６，１８，２０との間にリチウム原子１１及び臭素原子１３をそれぞれインターカレートする際の温度より高い耐熱温度を有する基板であれば、特に限定されるものではなく、任意の基板を用いることができる。
次に、例えば、電子線リソグラフィにより、グラフェン１０４をパターニングする。これにより、第１の電極１０及び第２の電極１２が形成される。第１の電極１０と第２の電極１２との間隔は、例えば、０．０２μｍ〜１０μｍである（図１５参照）。
次に、カーボンナノチューブを別途合成する。その中から半導体型で、例えば、直径１．１ｎｍ、長さ０．０４μｍ〜２０μｍ以上のものを選択する。これを、カーボンナノチューブ１６とする。また、半導体型で、直径１．４ｎｍ、長さ０．０４μｍ〜２０μｍ以上のものを選択する。これを、カーボンナノチューブ１８とする。また、半導体型で、直径２．０ｎｍ、長さ０．０４μｍ〜２０μｍ以上のものを選択する。これを、カーボンナノチューブ２０とする。
次に、第１の電極１０上及び第２の電極１２上に、例えば、印刷技術により、カーボンナノチューブ１６，１８，２０を配する。これにより、第１の電極１０と第２の電極１２とが、カーボンナノチューブ１６，１８，２０により架橋される（図１６参照）。
次に、第２の電極１２上及び第２の電極１２上のカーボンナノチューブ１６，１８，２０上に、例えば、フォトレジストを用いてマスクを形成する。
次に、第１の電極１０及びカーボンナノチューブ１６，１８，２０を、例えば、２００℃に加熱し、気化したリチウムを含む雰囲気下に、例えば、１時間暴露する。これにより、第１の電極１０とカーボンナノチューブ１６，１８，２０との間にリチウム原子１１がインターカレートされる。
次に、フォトレジスト剥離液によりマスクを除去する。
次に、第１の電極１０上及び第１の電極１０上のカーボンナノチューブ１６，１８，２０上に、例えば、フォトレジストを用いてマスクを形成する。
次に、第２の電極１２及びカーボンナノチューブ１６，１８，２０を、例えば、２００℃に加熱し、気化した臭素を含む雰囲気下に、例えば、１時間暴露する。これにより、第２の電極１２とカーボンナノチューブ１６，１８，２０との間に臭素１３原子がインターカレートされる。
次に、フォトレジスト剥離液によりマスクを除去する。
こうして、本実施形態による半導体装置を完成する。
このように、本実施形態によれば、直径の異なる複数のカーボンナノチューブを用いるので、更に吸収効率のよい太陽電池を形成することができる。
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、グラフェンを形成するための触媒としてニッケルを用いたが、グラフェンを成長させる触媒であれば、特に限定されるものではない。例えば、鉄や銅やコバルトでもよい。
また、上記実施形態では、触媒であるニッケル膜１０２上にグラフェン１０４を形成し、その後、グラフェン１０４をパターニングして第１の電極１０及び第２の電極１２を形成した。しかし、予めニッケル膜１０２をパターニングすることにより、ニッケル膜１０２上に直接第１の電極１０及び第２の電極１２を形成してもよい。
また、上記実施形態では、第１の電極１０と第２の電極１２との架橋に１種類カーボンナノチューブ又は３種類の異なる直径のカーボンナノチューブを用いたが、２種類又は４種類以上の異なる直径のカーボンナノチューブを用いてもよい。
カーボンナノチューブの直径や種類は、例えば、必要とされる吸収帯域等に応じて適宜選択することができる。
また、上記実施形態では、２つの電極１０、１２上にインターカラントを介してカーボンナノチューブを架橋するように配したが、１つの電極上にインターカラントを介してカーボンナノチューブを配してもよい。その際、インターカラントを適宜選択することにより、カーボンナノチューブを、Ｎ型の導電型又はＰ型の導電型にすることができる。
また、上記実施形態では、半導体装置は基板１０６上に形成された。しかし、カーボンナノチューブ及び電極１０，１２の材料であるグラフェンは高強度で柔軟な材料であるので、基板のような平面上以外に、例えば、曲面上或いは凹凸面上に形成することができる。
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
グラフェンにより形成された電極と、
前記電極に結合されたカーボンナノチューブとを有し、
前記電極と前記カーボンナノチューブとの距離は、０．３７ｎｍ以上、０．９０ｎｍ以下である
ことを特徴とする半導体装置。
グラフェンにより形成された電極と、
前記電極に結合されたカーボンナノチューブとを有し、
前記電極と前記カーボンナノチューブとの距離は、０．３７ｎｍ以上、０．９０ｎｍ以下である
ことを特徴とする半導体装置。
（付記２）
グラフェンにより形成された電極と、
前記電極上にインターカラントとを介して結合されたカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする半導体装置。
グラフェンにより形成された電極と、
前記電極上にインターカラントとを介して結合されたカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする半導体装置。
（付記３）
付記２記載の半導体装置において、
前記インターカラントは、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む群から選択される少なくとも１つの原子を含み、
前記カーボンナノチューブはＮ型の導電型を有する
ことを特徴とする半導体装置。
付記２記載の半導体装置において、
前記インターカラントは、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む群から選択される少なくとも１つの原子を含み、
前記カーボンナノチューブはＮ型の導電型を有する
ことを特徴とする半導体装置。
（付記４）
付記１又は２記載の半導体装置において、
前記インターカラントは、フッ素、塩素及び臭素を含む群から選択される少なくとも１つの原子を含み、
前記カーボンナノチューブはＰ型の導電型を有する
ことを特徴とする半導体装置。
付記１又は２記載の半導体装置において、
前記インターカラントは、フッ素、塩素及び臭素を含む群から選択される少なくとも１つの原子を含み、
前記カーボンナノチューブはＰ型の導電型を有する
ことを特徴とする半導体装置。
（付記５）
付記１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記カーボンナノチューブの直径が０．７ｎｍから２．０ｎｍである
ことを特徴とする半導体装置。
付記１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記カーボンナノチューブの直径が０．７ｎｍから２．０ｎｍである
ことを特徴とする半導体装置。
（付記６）
グラフェンにより形成された第１の電極と、
前記第１の電極から離間して配置されたグラフェンにより形成された第２の電極と、
第１のインターカラントを介して前記第１の電極に結合された第１導電型の一端部と、第２のインターカラントを介して前記第２の電極に結合された第２導電型の他端部とを有するカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする半導体装置。
グラフェンにより形成された第１の電極と、
前記第１の電極から離間して配置されたグラフェンにより形成された第２の電極と、
第１のインターカラントを介して前記第１の電極に結合された第１導電型の一端部と、第２のインターカラントを介して前記第２の電極に結合された第２導電型の他端部とを有するカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする半導体装置。
（付記７）
付記６記載の半導体装置において、
前記第１のインターカラントは、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む群から選択される少なくとも１つの原子であり、
前記第１の導電型はＮ型である
ことを特徴とする半導体装置。
付記６記載の半導体装置において、
前記第１のインターカラントは、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む群から選択される少なくとも１つの原子であり、
前記第１の導電型はＮ型である
ことを特徴とする半導体装置。
（付記８）
付記６記載の半導体装置において、
前記第２のインターカラントは、フッ素、塩素及び臭素を含む群から選択される少なくとも１つの原子であり、
前記第１の導電型はＰ型である
ことを特徴とする半導体装置。
付記６記載の半導体装置において、
前記第２のインターカラントは、フッ素、塩素及び臭素を含む群から選択される少なくとも１つの原子であり、
前記第１の導電型はＰ型である
ことを特徴とする半導体装置。
（付記９）
付記６乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記カーボンナノチューブの直径が０．７ｎｍから２．０ｎｍである
ことを特徴とする半導体装置。
付記６乃至８のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記カーボンナノチューブの直径が０．７ｎｍから２．０ｎｍである
ことを特徴とする半導体装置。
（付記１０）
付記６乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置において、
複数の前記カーボンナノチューブを有する
ことを特徴とする半導体装置。
付記６乃至９のいずれか１項に記載の半導体装置において、
複数の前記カーボンナノチューブを有する
ことを特徴とする半導体装置。
（付記１１）
付記１０記載の半導体装置において、
複数の前記カーボンナノチューブは、直径の異なるカーボンナノチューブを含む
ことを特徴とする半導体装置。
付記１０記載の半導体装置において、
複数の前記カーボンナノチューブは、直径の異なるカーボンナノチューブを含む
ことを特徴とする半導体装置。
（付記１２）
グラフェンにより電極を形成する工程と、
カーボンナノチューブを形成する工程と、
前記電極上に、前記カーボンナノチューブを配する工程と、
前記電極と前記カーボンナノチューブとの間に原子をインターカレートする工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
グラフェンにより電極を形成する工程と、
カーボンナノチューブを形成する工程と、
前記電極上に、前記カーボンナノチューブを配する工程と、
前記電極と前記カーボンナノチューブとの間に原子をインターカレートする工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１３）
付記１２記載の半導体装置の製造方法において、
前記電極と前記カーボンナノチューブとの間に、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む群から選択される少なくとも１つの原子をインターカレートし、前記カーボンナノチューブをＮ型の導電型にする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
付記１２記載の半導体装置の製造方法において、
前記電極と前記カーボンナノチューブとの間に、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む群から選択される少なくとも１つの原子をインターカレートし、前記カーボンナノチューブをＮ型の導電型にする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１４）
付記１２記載の半導体装置の製造方法において、
前記電極と前記カーボンナノチューブとの間に、フッ素、塩素及び臭素含む群から選択される少なくとも１つの原子をインターカレートし、前記カーボンナノチューブをＰ型の導電型にする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
付記１２記載の半導体装置の製造方法において、
前記電極と前記カーボンナノチューブとの間に、フッ素、塩素及び臭素含む群から選択される少なくとも１つの原子をインターカレートし、前記カーボンナノチューブをＰ型の導電型にする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１５）
グラフェンにより第１の電極を形成する工程と、
グラフェンにより第２の電極を形成する工程と、
前記第１の電極上及び前記第２の電極上にカーボンナノチューブを配する工程と、
前記第１の電極と前記カーボンナノチューブとの間にリチウム、ナトリウム及びカリウムを含む群から選択される少なくとも１つの原子をインターカレートし、前記カーボンナノチューブの一端部をＮ型半導体にする工程と、
前記第２の電極と前記カーボンナノチューブとの間にフッ素、塩素及び臭素含む群から選択される少なくとも１つの原子をインターカレートし、前記カーボンナノチューブの他端部をＰ型半導体にする工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
グラフェンにより第１の電極を形成する工程と、
グラフェンにより第２の電極を形成する工程と、
前記第１の電極上及び前記第２の電極上にカーボンナノチューブを配する工程と、
前記第１の電極と前記カーボンナノチューブとの間にリチウム、ナトリウム及びカリウムを含む群から選択される少なくとも１つの原子をインターカレートし、前記カーボンナノチューブの一端部をＮ型半導体にする工程と、
前記第２の電極と前記カーボンナノチューブとの間にフッ素、塩素及び臭素含む群から選択される少なくとも１つの原子をインターカレートし、前記カーボンナノチューブの他端部をＰ型半導体にする工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
１０…第１の電極
１２…第２の電極
１４…カーボンナノチューブ
１６…カーボンナノチューブ
１８…カーボンナノチューブ
２０…カーボンナノチューブ
１００…基板
１０２…ニッケル膜
１０４…グラフェン
１０６…基板
１２…第２の電極
１４…カーボンナノチューブ
１６…カーボンナノチューブ
１８…カーボンナノチューブ
２０…カーボンナノチューブ
１００…基板
１０２…ニッケル膜
１０４…グラフェン
１０６…基板
Claims (6)
- グラフェンにより形成された電極と、
前記電極上に、第１族又は第１７族に属する元素であるインターカラントを介して結合されたカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする半導体装置。 - グラフェンにより形成された第１の電極と、
前記第１の電極から離間して配置されたグラフェンにより形成された第２の電極と、
第１族又は第１７族に属する元素である第１のインターカラントを介して前記第１の電極に結合された第１導電型の一端部と、第１族又は第１７族に属する元素である第２のインターカラントを介して前記第２の電極に結合された第２導電型の他端部とを有するカーボンナノチューブと
を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項２記載の半導体装置において、
前記第１のインターカラントは、リチウム、ナトリウム及びカリウムを含む群から選択される少なくとも１つの原子であり、
前記第１の導電型はＮ型である
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項２記載の半導体装置において、
前記第２のインターカラントは、フッ素、塩素及び臭素を含む群から選択される少なくとも１つの原子であり、
前記第１の導電型はＰ型である
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
複数の前記カーボンナノチューブを有する
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項５記載の半導体装置において、
複数の前記カーボンナノチューブは、直径の異なるカーボンナノチューブを含む
ことを特徴とする半導体装置。
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