JP6215537B2 - Manufacturing method of semiconductor device using carbon nanotube bundle group suitable for semiconductor device, and semiconductor device - Google Patents

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本発明は、電界効果トランジスタ等の半導体装置に好適なカーボンナノチューブ束群を用いた半導体装置の製造方法、及び半導体装置に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using a carbon nanotube bundle group suitable for a semiconductor device such as a field effect transistor, and a semiconductor device.

電気自動車の制御には高出力かつ低消費電力のトランジスタが必要とされる。とくに近年、0.1アンペアレベルの電流を制御することができるトランジスタに対するニーズが高い。また、バッテリーの有効利用という点からトランジスタがオフした状態で流れてしまう電流(リーク電流)を抑制したトランジスタに対するニーズも高い。
ここで、トランジスタで高出力、即ち、大電流を制御するためには、チャネルの長さを短くすることにより、チャネルの抵抗値を小さくすることが有効である。加えて、チャネルの断面積を大きくすることにより、チャネルに流れるキャリアの数を増やす事も有効である。また、電解液やイオン液体からなる液体電解質をゲートに採用した場合、液体電解質とチャネルの表面との接触面積が大きくなり、複数本のチャネルの表面に対して、瞬時かつ一括にゲート絶縁層として機能する電気二重層を生じさせることができ、スイッチング素子としての応答性が向上するので、ゲートとして液体電解質を採用することが有効である。
特許文献1には、互いに対向するソース電極とドレイン電極の間に複数の短い柱状の半導体を配置してチャネルの長さを短く、チャネルの断面積を大きく確保しつつ、その半導体の周囲にイオン液体を充填したゲートを備えたトランジスタが開示されている。
Control of an electric vehicle requires a transistor with high output and low power consumption. In particular, in recent years, there is a great need for a transistor capable of controlling a current of 0.1 ampere level. In addition, there is a high need for a transistor that suppresses a current (leakage current) that flows when the transistor is turned off from the viewpoint of effective use of the battery.
Here, in order to control a high output, that is, a large current with a transistor, it is effective to reduce the channel resistance value by reducing the channel length. In addition, it is also effective to increase the number of carriers flowing in the channel by increasing the cross-sectional area of the channel. In addition, when a liquid electrolyte consisting of an electrolyte or ionic liquid is used for the gate, the contact area between the liquid electrolyte and the channel surface increases, and the gate insulating layer can be instantaneously and collectively applied to the surface of multiple channels. Since a functioning electric double layer can be generated and the responsiveness as a switching element is improved, it is effective to employ a liquid electrolyte as the gate.
In Patent Document 1, a plurality of short columnar semiconductors are arranged between a source electrode and a drain electrode facing each other to shorten the channel length and ensure a large cross-sectional area of the channel. A transistor with a liquid filled gate is disclosed.

一方で、近年、半導体材料として広く利用されているシリコンに比べて、高い電子(正孔)移動度を有するカーボンナノチューブ(以下、「CNT」と呼ぶ)を用いた電界効果トランジスタ(以下、「FET」と呼ぶ)の研究が行われている。
CNTは、原子1個分の厚みで炭素原子が6角形のハニカム構造を形成するグラフェンシートと呼ばれるシート状の物質が円筒状に巻かれた形状を有する。炭素原子の最外殻電子4個のうち、3個の電子は隣接する炭素原子との共有結合のために使われているが、未結合の4番目の電子は、グラフェンシートの平面の上下に垂直に伸びた軌道に存在する。この軌道はグラフェンシート全体にわたって広がっている。このシートの上下に広がる電子が、障害となるものに衝突することなくバリスティック伝導(無散乱で電子が走行する)に近い移動を行い得ることから、CNTは高い電子(正孔)移動度を有し、電気抵抗が小さいという性質を有する。実際、シリコンの電子移動度が約1.5×10cm/V・sであるのに比べて、CNTの電子移動度は約1.0×10cm/V・sであり、10倍程度大きい。
On the other hand, a field effect transistor (hereinafter referred to as “FET”) using carbon nanotubes (hereinafter referred to as “CNT”) having higher electron (hole) mobility than silicon that is widely used as a semiconductor material in recent years. ") Is being studied.
The CNT has a shape in which a sheet-like substance called a graphene sheet, which forms a honeycomb structure having a hexagonal carbon atom with a thickness of one atom, is wound in a cylindrical shape. Of the four outermost electrons of a carbon atom, three are used for covalent bonds with adjacent carbon atoms, but the fourth unbonded electron is above and below the plane of the graphene sheet. It exists in a vertically extending orbit. This orbit extends throughout the graphene sheet. Since electrons spreading above and below the sheet can move close to ballistic conduction (electrons travel without scattering) without colliding with obstacles, CNT has high electron (hole) mobility. And has a property of low electrical resistance. In fact, the electron mobility of CNT is about 1.0 × 10 5 cm 2 / V · s compared to the electron mobility of silicon is about 1.5 × 10 4 cm 2 / V · s, About 10 times larger.

ところで、CNTの合成方法として広く知られているレーザーアブレーション法、アークプラズマ法、化学気相成長法(CVD法)等を用いて得られるCNTの長さは、数μm程度である。このCNTを特許文献1における柱状の半導体チャネルとして使用し、しかもソース電極とドレイン電極の間を連続する1本のCNTで接続しようとすると、ソース電極とドレイン電極との間の距離を数μm以下にする必要がある。しかしながら、ソース電極とドレイン電極との間の距離が短すぎると、トンネル効果によるリーク電流が増大し、FETの主たる目的である電流のスイッチング素子としての用途を果たさない。   By the way, the length of CNT obtained by using a laser ablation method, an arc plasma method, a chemical vapor deposition method (CVD method) or the like widely known as a CNT synthesis method is about several μm. When this CNT is used as a columnar semiconductor channel in Patent Document 1 and an attempt is made to connect the source electrode and the drain electrode with a single continuous CNT, the distance between the source electrode and the drain electrode is several μm or less. It is necessary to. However, if the distance between the source electrode and the drain electrode is too short, the leakage current due to the tunnel effect increases, and it does not serve as a current switching element that is the main purpose of the FET.

ここで、上記のCNTをチャネルに用いた場合、ソース電極とドレイン電極間を連続する金属性CNTが接続すると、リーク電流が生じることになり、トランジスタとしてのON/OFF比が低下し、スイッチング素子としての性能が低下してしまう。   Here, when the above-described CNT is used for a channel, if a continuous metallic CNT is connected between the source electrode and the drain electrode, a leakage current is generated, and the ON / OFF ratio as a transistor is lowered, and the switching element As a result, the performance will deteriorate.

特許文献2及び特許文献3に記載された電界効果トランジスタは、ソース電極とドレイン電極との間の距離よりも短い複数の短尺CNTを分散させたチャネル構造を有することから、ソース電極とドレイン電極との間を連続する1本の金属性CNTが存在しない。このため、抵抗の小さい金属性CNTを流れるリーク電流を抑制することができるという利点がある。しかしながら、短い複数の短尺CNTを分散液により分散させてチャネルを形成するので、チャネルは、1)チャネルに電子(正孔)輸送の障害となる分散液が残留する、2)構造上CNT同士の接点が多いために接触抵抗が増大する、3)分散液中にCNTを高分散させるためにCNTの密度に制限がある上にランダムな方向に分散しているので電極との接触面積が小さい等のため、チャネルの抵抗及びチャネル−電極界面の抵抗が増大してしまうおそれがあった。即ち、これら1)〜3)の性質は、ソース電極とドレイン電極との間の電気抵抗を増大させる方向に作用するため、ソース電極とドレイン電極との間の電流はせいぜい120μA/mm(ドレイン電極とソース電極との間の電圧:VDS=5.0V、ゲート電極とソース電極との間の電圧:VGS=7.0V)程度であって、0.1アンペア〜数アンペアレベルの電流の制御が要求される電気自動車用パワーデバイスには用いることができない。 The field effect transistors described in Patent Document 2 and Patent Document 3 have a channel structure in which a plurality of short CNTs shorter than the distance between the source electrode and the drain electrode are dispersed. There is no single metallic CNT continuous between the two. For this reason, there exists an advantage that the leakage current which flows through metallic CNT with small resistance can be suppressed. However, since a plurality of short CNTs are dispersed with a dispersion liquid to form a channel, the channel is 1) a dispersion liquid that obstructs electron (hole) transport remains in the channel. The contact resistance increases because there are many contacts. 3) The density of CNTs is limited in order to highly disperse CNTs in the dispersion, and the contact area with the electrodes is small because they are dispersed in random directions. For this reason, the resistance of the channel and the resistance of the channel-electrode interface may increase. That is, since the properties 1) to 3) act in the direction of increasing the electrical resistance between the source electrode and the drain electrode, the current between the source electrode and the drain electrode is at most 120 μA / mm (drain electrode). Between the source electrode and the source electrode: V DS = 5.0 V, and the voltage between the gate electrode and the source electrode: V GS = 7.0 V), and a current of 0.1 ampere to several amperes level It cannot be used for power devices for electric vehicles that require control.

以下に、図17を参照しつつ、従来技術(例えば、特許文献2及び特許文献3)におけるCNTの製造方法を説明する。
図17は、従来技術のFETの製造方法を示す概略図である。
Below, the manufacturing method of CNT in a prior art (for example, patent document 2 and patent document 3) is demonstrated, referring FIG.
FIG. 17 is a schematic view showing a conventional method for manufacturing an FET.

従来技術におけるFETの作成は、次のような手順により実行される。   The creation of the FET in the prior art is executed by the following procedure.

ステップS101において、ゲート長さの設定をする。ゲート長さについては、格段の制限はなく、要件に対して自由に設計できる。これに応じてCNTの密度・長さを決定する。   In step S101, the gate length is set. There is no particular limitation on the gate length, and it can be designed freely according to requirements. Accordingly, the density and length of the CNT are determined.

ステップS102において、CNTを準備する。CNTの合成方法としては、一般的なレーザーアブレーション法、アークプラズマ法、化学気層成長法(CVD法)のいずれでもよいとされているが、いずれの方法においても得られるCNTの長さは数10μm程であり、半導体CNTと金属性CNTの比率もおよそ2:1である。   In step S102, CNTs are prepared. As a method for synthesizing CNT, any of a general laser ablation method, an arc plasma method, and a chemical vapor deposition method (CVD method) may be used, but the length of CNT obtained by any method is several. The ratio of semiconductor CNT to metallic CNT is about 2: 1.

ステップS103において、CNTの密度・長さを決定する。CNTの密度及び長さの範囲は、ゲート長さ及び半導体性CNTと金属性CNTの比率をもとに計算を行い、一意的に規定される。   In step S103, the density and length of the CNT are determined. The range of CNT density and length is uniquely defined by calculation based on the gate length and the ratio of semiconducting CNT to metallic CNT.

ステップS104において、CNTの分散液を作成する。CNTの長さを調整するにあたって、有機溶媒または水性溶媒中にCNT群を分散させて、CNT分散液を作成する。この分散液には、分散を促進させるための表面活性剤、断片化を促進させるための金属微粒子等を含む。   In step S104, a CNT dispersion is prepared. In adjusting the length of CNTs, a CNT dispersion is prepared by dispersing CNT groups in an organic solvent or an aqueous solvent. This dispersion contains a surfactant for promoting dispersion, metal fine particles for promoting fragmentation, and the like.

ステップS105において、CNTの断片化処理を行う。CNT分散液に超音波処理を施し、CNTを断片化する。   In step S105, CNT fragmentation processing is performed. The CNT dispersion is subjected to ultrasonic treatment to fragment the CNT.

ステップS106において、CNTの分離を行う。フィルターによって必要以上の長さを持つCNTを分離する。また溶媒、表面活性剤、金属微粒子等も遠心分離等の処理によって分離する。   In step S106, CNTs are separated. A CNT having a length longer than necessary is separated by a filter. Solvents, surfactants, metal fine particles, and the like are also separated by a process such as centrifugation.

ステップS107において、CNTの分散液を作成する。この際のCNT濃度はステップS103で決定された濃度以下になるようにする。この分散液には、分散を促進させるための表面活性剤が含まれる。   In step S107, a CNT dispersion is prepared. At this time, the CNT concentration is set to be equal to or lower than the concentration determined in step S103. This dispersion contains a surfactant for promoting dispersion.

ステップS108において、チャネル層を形成する。チャネル層を形成する方法としては、CNT分散液をスピンコート等の手法による基板上への塗布が挙げられ、ステップS103で決定された濃度になるまでこれを繰り返す。   In step S108, a channel layer is formed. Examples of the method for forming the channel layer include coating the CNT dispersion on the substrate by a technique such as spin coating, and this is repeated until the concentration determined in step S103 is reached.

上記のステップの中で、ステップS104〜ステップS108については、それぞれ以下のような課題を抱えている。   Among the above steps, steps S104 to S108 have the following problems.

[ステップS104の課題]
CNT分散液には有機溶媒または水性溶媒からなる分散溶媒、それ以外にも分散を促進させるための表面活性剤、断片化を促進させるための金属微粒子が含まれる。これらをステップS106で完全に除去するのは容易でなく、これらは、ステップS108で形成するチャネル層に含まれてしまう。こうしたチャネルに残留した不純物はトランジスタとして作用する際に、キャリアの輸送に大きな障害となり、チャネルの導電特性の悪化、さらにはトランジスタとして制御できる電流値が大幅に低下してしまうおそれがある。
[Problem of Step S104]
The CNT dispersion includes a dispersion solvent composed of an organic solvent or an aqueous solvent, a surfactant for promoting dispersion, and metal fine particles for promoting fragmentation. It is not easy to completely remove them in step S106, and they are included in the channel layer formed in step S108. When such impurities remaining in the channel act as a transistor, there is a serious obstacle to carrier transport, and there is a possibility that the channel conduction characteristics deteriorate, and further, the current value that can be controlled as a transistor is greatly reduced.

[ステップS105の課題]
断片化処理はCNTの側壁に不必要な欠陥を生じさせ、導電特性を悪化させる。また、ステップS103で規定された長さに対してマイクロオーダーの精度で長さを揃えるのは、技術的に容易でない。
[Problem of Step S105]
The fragmentation process causes unnecessary defects on the sidewalls of the CNTs and deteriorates the conductive properties. In addition, it is not technically easy to align the lengths with the accuracy of the micro order with respect to the length defined in step S103.

[ステップS106の課題]
ステップS104で説明したように、分散溶媒、表面活性剤、金属微粒子を完全にCNTと分離することは容易でない。さらに、半導体装置作成の工数・時間・コストを大幅に増やしてしまう。また除去されたCNT、分散溶媒、表面活性剤、金属微粒子の処理も、実際に製造するにあたっての課題となり得る。
[Problem of Step S106]
As described in step S104, it is not easy to completely separate the dispersion solvent, the surfactant, and the metal fine particles from the CNTs. Furthermore, the man-hours, time, and cost for semiconductor device creation are greatly increased. Further, the treatment of the removed CNT, the dispersion solvent, the surfactant, and the metal fine particles can be a problem in actual production.

[ステップS107の課題]
このステップにおいても、CNTと分散溶媒及び界面活性剤を混合して分散液を作成することから、ステップS108におけるチャネル層の形成において、チャネルにこれら不純物が残留してしまうおそれがある。
[Problem of Step S107]
Also in this step, since the dispersion liquid is prepared by mixing CNT, the dispersion solvent, and the surfactant, these impurities may remain in the channel in forming the channel layer in step S108.

[ステップS108の課題]
スピンコート等の手法による基板上への塗布によって、基板上にチャネル層を形成するのだが、ステップS103で決定した濃度にするためには、分散液の濃度に応じてこのステップを複数回繰り返す必要がある。しかし、分散液中のCNTを均一に分散させるためにも、分散液中のCNT濃度は必然的に薄いものとなる上に、均一に塗布を行いチャネル形成するという製法を採っているために、一度に塗布できる分散液の量にも制限がかかる。従って、トランジスタの設計に応じてこのステップを数10〜数100回繰り返す必要があり、半導体装置作成の工数・時間・コストを大幅に増やしてしまうおそれがある。
[Problem of Step S108]
A channel layer is formed on the substrate by coating on the substrate by a technique such as spin coating. In order to obtain the concentration determined in step S103, it is necessary to repeat this step a plurality of times depending on the concentration of the dispersion. There is. However, in order to uniformly disperse the CNTs in the dispersion, the concentration of CNTs in the dispersion is inevitably thin, and since a method of uniformly applying and forming channels is adopted, There is also a limit to the amount of dispersion that can be applied at one time. Therefore, it is necessary to repeat this step several tens to several hundreds of times depending on the design of the transistor, which may significantly increase the man-hours, time, and cost for manufacturing the semiconductor device.

国際公開第2009/133891号International Publication No. 2009/1333891 特許第4666270号公報Japanese Patent No. 4666270 国際公開2011/090029号International Publication No. 2011/090029

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、トランジスタ等の半導体装置に分散液・金属微粒子・欠陥CNTを含まないCNTの束群を用いた、半導体装置の製造方法を提供すると共に、それを用いたリーク電流を抑制しつつ、0.1アンペアからアンペアレベルの電流を制御可能な半導体装置の1つである電界効果トランジスタを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a situation, and provides a method for manufacturing a semiconductor device using a bundle of CNTs that do not include a dispersion, metal fine particles, and defective CNTs in a semiconductor device such as a transistor. Another object of the present invention is to provide a field effect transistor which is one of semiconductor devices capable of controlling a current of 0.1 to ampere level while suppressing leakage current using the same.

(1)本発明は、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲートと、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたチャネルと、を具備する半導体装置の製造方法であって、密度が1.0×10本/cm以上であるCNTの束群が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の最短距離をなす直線に対して所定の方向に配向するように、前記チャネルとして基板上に配置される工程と、前記基板上に、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、前記ゲートと、が形成される工程と、からなることを特徴とする半導体装置の製造方法、を提供する。
(1)の発明によれば、この構成により、ソース電極3とドレイン電極4との間で輸送される電子(正孔)は、高密度に隣接しているCNT間を移動するので優れた導電性を有するチャネルを構成し、さらに、配向を変えることにより、電流値を制御する、ことができる。
(1) The present invention is a method for manufacturing a semiconductor device comprising a source electrode, a drain electrode, a gate, and a channel provided between the source electrode and the drain electrode, and the density is 1 A substrate as the channel so that a bundle of CNTs of 0.0 × 10 9 pieces / cm 2 or more is oriented in a predetermined direction with respect to a straight line forming the shortest distance between the source electrode and the drain electrode. There is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step disposed on the substrate; and a step of forming the source electrode, the drain electrode, and the gate on the substrate. .
According to the invention of (1), with this configuration, electrons (holes) transported between the source electrode 3 and the drain electrode 4 move between CNTs adjacent to each other with high density, so that excellent conductivity is achieved. It is possible to control the current value by configuring a channel having the property and changing the orientation.

(2)本発明は、前記CNTの束群は、下記の要件(a)乃至(c)を満たすよう製造される、ことを特徴とする。
(a)前記CNTの束群は、以下の式(1)を満たす
Lgate≦Lcnt (1)
前記の式(1)において、
Lgateは、前記ゲートの長さを示し、
Lcntは、前記CNTの束群を構成するCNTの平均長さを示す数字である。
(b)前記CNTの束群の密度が、1.0×10〜1.0×1012本/cmであること。
(c)前記CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して平行であること。
(2)の発明によれば、長尺なCNTが、ソース電極とドレイン電極との間を架橋しているため、チャネルの電気抵抗値が小さく、更には電極とチャネルがその界面において良好な接触状態を実現しているため、チャネル−電極間の電気抵抗が小さく、アンペアレベルの大電流を制御すること、ができる。
(2) The present invention is characterized in that the bundle group of CNTs is manufactured to satisfy the following requirements (a) to (c).
(A) The bundle group of CNTs satisfies Lgate ≦ Lcnt (1) that satisfies the following formula (1):
In the above formula (1),
Lgate indicates the length of the gate,
Lcnt is a number indicating the average length of CNTs constituting the bundle group of CNTs.
(B) The density of the bundle group of the CNTs is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pieces / cm 2 .
(C) The orientation of the CNT bundle group is parallel to the straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.
According to the invention of (2), since the long CNT bridges between the source electrode and the drain electrode, the electrical resistance value of the channel is small, and furthermore, the electrode and the channel are in good contact at the interface. Since the state is realized, the electric resistance between the channel and the electrode is small, and a large ampere level current can be controlled.

(3)本発明は、前記CNTの束群は、下記の要件(d)乃至(f)を満たすよう製造される、ことを特徴とする。
(d)前記CNTの束群は、以下の式(2)を満たす
Wgate≦Lcnt (2)
前記の式(2)において、
Wgateは、前記ゲートの幅を示し、
Lcntは、前記カーボンナノチューブの束群を構成するCNTの平均長さを示す数字である。
(e)前記CNTの束群の密度は、1.0×10〜1.0×1012本/cmであること。
(f)前記CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交すること。
(3)の発明によれば、ソース電極とドレイン電極との間を金属性CNTが連続して接続してしまうことをできるだけ回避し、リーク電流が流れることを抑制する、ことができる。
(3) The present invention is characterized in that the bundle group of CNTs is manufactured to satisfy the following requirements (d) to (f).
(D) The CNT bundle group satisfies the following formula (2): Wgate ≦ Lcnt (2)
In the above formula (2),
Wgate indicates the width of the gate;
Lcnt is a number indicating the average length of the CNTs constituting the bundle of carbon nanotubes.
(E) The density of the bundle group of the CNTs is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pieces / cm 2 .
(F) The orientation of the bundle group of CNTs is orthogonal to the straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.
According to the invention of (3), continuous connection of metallic CNTs between the source electrode and the drain electrode can be avoided as much as possible, and leakage current can be suppressed.

(4)本発明は、前記ゲートは、液体電解質からなるように製造される、ことを特徴とする。
(4)の発明によれば、チャネルの表面に液体電解質が密着性よく含浸し、ゲート参照電極に電圧を印加した際に、液体電解質と個々のチャネルの表面に瞬時かつ一括にゲート絶縁層として機能する電気二重層が生じるため、低消費電力で0.1アンペアレベルの電流を制御する、ことができる。
(4) The present invention is characterized in that the gate is made of a liquid electrolyte.
According to the invention of (4), when the surface of the channel is impregnated with the liquid electrolyte with good adhesion and a voltage is applied to the gate reference electrode, the surface of the liquid electrolyte and each channel is instantaneously and collectively formed as a gate insulating layer. Since a functioning electric double layer is generated, a current of 0.1 ampere level can be controlled with low power consumption.

(5)本発明は、前記CNTの束群を用意する工程において、先端放電型ラジカルCVD法によってCNTの束群を準備する工程を含む、ことを特徴とする。
(5)の発明によれば、ソース電極とドレイン電極とを連続して接続できる長さ以上のCNTを合成できるため、分散液を用いずに電界効果トランジスタのチャネルを製造する、ことができる。
(5) The present invention is characterized in that the step of preparing the bundle group of CNTs includes the step of preparing the bundle group of CNTs by a tip discharge radical CVD method.
According to the invention of (5), since a CNT having a length longer than that capable of continuously connecting the source electrode and the drain electrode can be synthesized, a channel of the field effect transistor can be manufactured without using a dispersion.

(6)本発明は、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲートと、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたチャネルと、を具備する半導体装置であって、密度が1.0×10本/cm以上であるCNTの束群が前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の最短距離をなす直線に対して所定の方向に配向するように、前記チャネルとして基板上に配置され、前記基板上に、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、前記ゲートとが形成された、ことを特徴とする。
(6)の発明によれば、この構成により、ソース電極3とドレイン電極4との間で輸送される電子(正孔)は、高密度に隣接しているCNT間を移動するので優れた導電性を有するチャネルを構成し、さらに、配向を変えることにより、電流値を制御する、ことができる。
(6) The present invention is a semiconductor device including a source electrode, a drain electrode, a gate, and a channel provided between the source electrode and the drain electrode, and has a density of 1.0 × A group of CNT bundles of 10 9 pieces / cm 2 or more is arranged on the substrate as the channel so as to be oriented in a predetermined direction with respect to a straight line forming the shortest distance between the source electrode and the drain electrode. The source electrode, the drain electrode, and the gate are formed on the substrate.
According to the invention of (6), with this configuration, electrons (holes) transported between the source electrode 3 and the drain electrode 4 move between CNTs adjacent to each other with high density, and thus have excellent conductivity. It is possible to control the current value by configuring a channel having the property and changing the orientation.

(7)本発明は、前記CNTの束群は、下記の要件(a)乃至(c)を満たす、ことを特徴とする。
(a)前記CNTの束群は、以下の式(1)を満たす
Lgate≦Lcnt (1)
前記の式(1)において、
Lgateは、前記ゲートの長さを示し、
Lcntは、前記CNTの束群を構成するCNTの平均長さを示す数字である。
(b)前記CNTの束群の密度は、1.0×10〜1.0×1012本/cmであること。
(c)前記CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して平行であること。
(7)の発明によれば、長尺なCNTが、ソース電極とドレイン電極との間を架橋しているため、チャネルの電気抵抗値が小さく、更には電極とチャネルがその界面において良好な接触状態を実現しているため、チャネル−電極間の電気抵抗が小さく、アンペアレベルの大電流を制御する、ことができる。
(7) The present invention is characterized in that the bundle of CNTs satisfies the following requirements (a) to (c).
(A) The bundle group of CNTs satisfies Lgate ≦ Lcnt (1) that satisfies the following formula (1):
In the above formula (1),
Lgate indicates the length of the gate,
Lcnt is a number indicating the average length of CNTs constituting the bundle group of CNTs.
(B) The density of the bundle group of the CNTs is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pieces / cm 2 .
(C) The orientation of the CNT bundle group is parallel to the straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.
According to the invention of (7), since the long CNT bridges between the source electrode and the drain electrode, the electrical resistance value of the channel is small, and furthermore, the electrode and the channel are in good contact at the interface. Since the state is realized, the electrical resistance between the channel and the electrode is small, and a large ampere level current can be controlled.

(8)本発明は、前記CNTの束群は、下記の要件(d)乃至(f)を満たす、ことを特徴とする。
(d)前記CNTの束群は、以下の式(2)を満たす
Wgate≦Lcnt (2)
前記の式(2)において、
Wgateは、前記ゲートの幅を示し、
Lcntは、前記CNTの束群を構成するCNTの平均長さを示す数字である。
(e)前記CNTの束群の密度は、1.0×10〜1.0×1012本/cmであること。
(f)前記CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交すること。
(8)の発明によれば、ソース電極とドレイン電極との間を金属性CNTが連続して接続してしまうことをできるだけ回避し、リーク電流が流れることを抑制する、ことができる。
(8) The present invention is characterized in that the bundle of CNTs satisfies the following requirements (d) to (f).
(D) The CNT bundle group satisfies the following formula (2): Wgate ≦ Lcnt (2)
In the above formula (2),
Wgate indicates the width of the gate;
Lcnt is a number indicating the average length of CNTs constituting the bundle group of CNTs.
(E) The density of the bundle group of the CNTs is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pieces / cm 2 .
(F) The orientation of the bundle group of CNTs is orthogonal to the straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.
According to the invention of (8), it is possible to avoid the continuous connection of metallic CNT between the source electrode and the drain electrode as much as possible, and to suppress the leakage current from flowing.

(9)本発明は、前記ゲートは、液体電解質からなる、ことを特徴とする。
(9)の発明によれば、チャネルの表面に液体電解質が密着性よく含浸し、ゲート参照電極に電圧を印加した際に、液体電解質と個々のチャネルの表面に瞬時かつ一括にゲート絶縁層として機能する電気二重層が生じるため、低消費電力で0.1アンペアレベルの電流を制御する、ことができる。
(9) The present invention is characterized in that the gate is made of a liquid electrolyte.
According to the invention of (9), when the surface of the channel is impregnated with the liquid electrolyte with good adhesion and a voltage is applied to the gate reference electrode, the surface of the liquid electrolyte and each channel is instantaneously and collectively formed as a gate insulating layer. Since a functioning electric double layer is generated, a current of 0.1 ampere level can be controlled with low power consumption.

(10)本発明は、前記CNTの束群は、先端放電型ラジカルCVD法によって合成させた、ことを特徴とする。
(10)の発明によれば、ソース電極とドレイン電極とを連続して接続できる長さ以上のCNTを合成できるため、分散液を用いずに電界効果トランジスタのチャネルを製造する、ことができる。
(10) The present invention is characterized in that the bundle of CNTs is synthesized by a tip discharge radical CVD method.
According to the invention of (10), since a CNT having a length longer than that capable of continuously connecting the source electrode and the drain electrode can be synthesized, the channel of the field effect transistor can be manufactured without using a dispersion.

本発明によれば、プラズマCVD法によって得られるCNT構造体をチャネルに用いた電界効果トランジスタは、チャネルのCNTの配向を変えるだけで、電流値に特化した構成や、スイッチング作用に特化した構成を非常に簡便に提供できる。   According to the present invention, a field effect transistor using a CNT structure obtained by a plasma CVD method for a channel is specialized for a current value configuration and a switching action only by changing the orientation of the CNT in the channel. The configuration can be provided very simply.

金属性CNTと半導体性CNTとの構造上の違いを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural difference between metallic CNT and semiconducting CNT. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. チャネルとして電子(正孔)輸送方向に平行に配置されたCNTの配向及び幾何的要件を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the orientation and geometric requirements of CNT arranged parallel to the electron (hole) transport direction as a channel. 従来技術と本発明のチャネル構造の違いを説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the difference of the channel structure of a prior art and this invention. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタに用いるCNTを合成するプラズマCVD装置の概略図である。It is the schematic of the plasma CVD apparatus which synthesize | combines CNT used for the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. 本発明に係る一実施形態としてプラズマCVD法を用いて合成したCNTのSEM像を示す図である。It is a figure which shows the SEM image of CNT synthesize | combined using plasma CVD method as one Embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る一実施形態としてプラズマCVD法を用いて合成したCNTのTEM像を示す図である。It is a figure which shows the TEM image of CNT synthesized using plasma CVD method as one Embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタの製造手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacture procedure of the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタのチャネル層の製造手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacture procedure of the channel layer of the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタの製造方法を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing method of the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタの性能評価を示す図である。It is a figure which shows the performance evaluation of the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタに用いるCNTの束構造による電子(正孔)輸送経路を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the electron (hole) transport path | route by the bundle structure of CNT used for the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. チャネルとして電子(正孔)輸送方向に直交する方向に配置されたCNTの配向及び幾何的要件を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the orientation and geometric requirement of CNT arrange | positioned as a channel in the direction orthogonal to an electron (hole) transport direction. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタに用いるCNTの束構造による電子(正孔)輸送経路を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the electron (hole) transport path | route by the bundle structure of CNT used for the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. 本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタの性能評価を示す図である。It is a figure which shows the performance evaluation of the field effect transistor as one Embodiment concerning this invention. 従来技術に係る電界効果トランジスタのチャネル層の製造手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacture procedure of the channel layer of the field effect transistor which concerns on a prior art.

[第一実施形態]
本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタ1(以下、必要に応じ「FET1」と呼ぶ)について図面を適宜参照しつつ説明する。
[First embodiment]
A field effect transistor 1 according to an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “FET 1” as necessary) will be described with reference to the drawings as appropriate.

[構成]
図2は、本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタ1の構成の模式図である。
本発明の一実施形態に係るFET1は、基板2、ソース電極3、ドレイン電極4、導電性樹脂5、絶縁性樹脂6、チャネル7、ゲート8、ゲート参照電極9、及び配線10から構成される。
[Constitution]
FIG. 2 is a schematic diagram of a configuration of the field effect transistor 1 according to an embodiment of the present invention.
An FET 1 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 2, a source electrode 3, a drain electrode 4, a conductive resin 5, an insulating resin 6, a channel 7, a gate 8, a gate reference electrode 9, and a wiring 10. .

基板2は、ガラスで構成されるが、例えば、ポリエチレンナフタレート等の樹脂フィルムやプラスチックであってもよい。
基板2上の一部の領域には、直方体の形状からなるソース電極3及びドレイン電極4がそれぞれ互いに対面するように配置されている。ソース電極3及びドレイン電極4は、各々、チタン及びそのチタンの周囲を金が被覆したもので構成されている。
導電性樹脂5は、導電性エポキシ樹脂又は銀ペーストで構成され、ソース電極3及びドレイン電極4の周囲を覆うように配置されている。
絶縁性樹脂6は、絶縁性エポキシ樹脂で構成され、導電性樹脂5の外周を覆うように配置されている。
The substrate 2 is made of glass, but may be a resin film such as polyethylene naphthalate or a plastic, for example.
In a partial region on the substrate 2, a source electrode 3 and a drain electrode 4 each having a rectangular parallelepiped shape are arranged so as to face each other. Each of the source electrode 3 and the drain electrode 4 is composed of titanium and a titanium covered with gold.
The conductive resin 5 is made of a conductive epoxy resin or silver paste, and is disposed so as to cover the periphery of the source electrode 3 and the drain electrode 4.
The insulating resin 6 is made of an insulating epoxy resin and is disposed so as to cover the outer periphery of the conductive resin 5.

ここで、本発明のチャネル7を構成するCNTは、その長さが少なくともソース電極3とドレイン電極4との間の距離よりも長くなっており、CNTがソース電極3とドレイン電極4との間を連続して接続するようになっている。また、本発明のチャネル7を構成するCNTは、その単位面積当たりの本数が1.0×10〜1.0×1012本/cmという高密度で形成されている。
このように、ソース電極3及びドレイン電極4間の距離よりも長く、従来のCNTを用いたFETデバイスのチャネル数の比にならないほど高密度化されたCNTをチャネル7に用いることで、本発明のFET1では、従来例のような分散処理(短い複数の短尺CNTを分散液により分散させてチャネル7を形成する処理)を行わずに、FETとしての役割を付与することができる。
そして、本発明のFET1では、チャネル7内に電子(正孔)輸送の障害となる分散液が残留することもなく、また、チャネル7がゲート8に効率よく含浸されてチャネル7及びゲート8間の接触面積が大きくなるので、ゲート参照電極9に電圧を印加した際に、ゲート8とチャネル7の表面に容易に電気二重層が生じるため、更にはソース電極3及びドレイン電極4とチャネル7がその界面において良好な接触状態を実現しているため、チャネル及びチャネル−電極間の電気抵抗が小さく、アンペアレベルの大電流を制御することができる。
Here, the length of the CNT constituting the channel 7 of the present invention is at least longer than the distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4, and the CNT is between the source electrode 3 and the drain electrode 4. Are connected continuously. In addition, the CNTs constituting the channel 7 of the present invention are formed at a high density of 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 / cm 2 per unit area.
In this way, the CNTs that are longer than the distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4 and have a higher density than the ratio of the number of channels of the conventional FET device using CNTs are used for the channel 7. In the FET 1, the role as an FET can be given without performing a dispersion process (a process of forming a channel 7 by dispersing a plurality of short CNTs with a dispersion) as in the conventional example.
In the FET 1 of the present invention, no dispersion liquid that obstructs electron (hole) transport remains in the channel 7, and the channel 7 is efficiently impregnated in the gate 8, so that the channel 7 and the gate 8 are not impregnated. Therefore, when a voltage is applied to the gate reference electrode 9, an electric double layer is easily generated on the surfaces of the gate 8 and the channel 7. Further, the source electrode 3, the drain electrode 4, and the channel 7 are Since a good contact state is realized at the interface, the electrical resistance between the channel and the channel-electrode is small, and a large ampere level current can be controlled.

図3(a)は、本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタのチャネルに用いるCNTの模式図である。チャネル7は同一方向に配向した複数本のCNTからなるCNT束の集合体の延伸方向がソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に平行となるように配置されている。
ここで、図3(b)に示すように、ソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線の長さLgateを「ゲート長」と呼ぶ。また、基板2の平面に並行であって、ソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に直角な方向を「ゲート幅方向」と呼び、チャネル7のゲート幅方向の長さWgateを「ゲート幅」と呼ぶ。そして、チャネル7として用いられる複数のCNTの長さの平均(以下、「カーボンナノチューブの束群の平均長さ」と呼ぶ)、即ち、平均長さLcntを「チャネル長」と呼ぶ。さらに、基板2の平面に垂直な方向を「ゲート高さ方向」と呼び、チャネル7のゲート高さ方向の寸法を「ゲートの厚み」と呼ぶ。
なお、本実施形態においては、例えばゲート長Lgate及びゲート幅Wgateはいずれも1mmであり、ゲートの厚み(基板2の平面に垂直な方向の厚み)は300μmである。あるいは、ゲート長Lgateは、1インチ(2.54mm)程度であってもよい。なお、チャネル7の構成としては、チャネル7の表面にめっき処理を施して形成されたものであってもよい。
FIG. 3A is a schematic view of a CNT used for a channel of a field effect transistor as an embodiment according to the present invention. The channel 7 is arranged so that the extending direction of the aggregate of CNT bundles composed of a plurality of CNTs oriented in the same direction is parallel to a straight line that is the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.
Here, as shown in FIG. 3B, the length Lgate of the straight line that is the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4 is referred to as “gate length”. A direction parallel to the plane of the substrate 2 and perpendicular to the straight line that is the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4 is called a “gate width direction”, and the length Wgate of the channel 7 in the gate width direction is This is called “gate width”. The average length of the plurality of CNTs used as the channel 7 (hereinafter referred to as “average length of a bundle of carbon nanotubes”), that is, the average length Lcnt is referred to as “channel length”. Further, the direction perpendicular to the plane of the substrate 2 is called “gate height direction”, and the dimension of the channel 7 in the gate height direction is called “gate thickness”.
In this embodiment, for example, the gate length Lgate and the gate width Wgate are both 1 mm, and the thickness of the gate (the thickness in the direction perpendicular to the plane of the substrate 2) is 300 μm. Alternatively, the gate length Lgate may be about 1 inch (2.54 mm). Note that the channel 7 may be formed by plating the surface of the channel 7.

そして、本発明のチャネル7としては、そのCNTの配向がソース電極3とドレイン電極4との間の電子(正孔)の輸送方向に平行となるように形成されることが望ましいともいえる。すなわち、CNTの配向が、ソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に対して平行であることが望ましい。
CNTの配向がソース電極3とドレイン電極4との間の電子(正孔)の輸送方向に平行になるほど、ソース電極3及びドレイン電極4間に輸送される電子(正孔)が同じ1本の(あるいはその近傍の)金属性CNT上を移動しやすくなり、隣り合うCNT間の移動が少なくなる分だけチャネル7の抵抗が下がるからである。したがって、高出力のFET1を得るためには、CNTの配向がソース電極3とドレイン電極4との間の電子(正孔)の輸送方向に平行であることが望ましい。
It can be said that the channel 7 of the present invention is desirably formed so that the orientation of the CNTs is parallel to the transport direction of electrons (holes) between the source electrode 3 and the drain electrode 4. That is, it is desirable that the orientation of the CNTs be parallel to a straight line that is the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.
The more the orientation of the CNT becomes parallel to the transport direction of electrons (holes) between the source electrode 3 and the drain electrode 4, the more electrons (holes) transported between the source electrode 3 and the drain electrode 4 This is because it becomes easier to move on (or in the vicinity of) the metallic CNT, and the resistance of the channel 7 is reduced by the amount of movement between adjacent CNTs. Therefore, in order to obtain a high-power FET 1, it is desirable that the orientation of the CNTs is parallel to the electron (hole) transport direction between the source electrode 3 and the drain electrode 4.

ここで、1本のCNTは巨視的には十分に長尺ではあるが、厳密には「直線」ではない(例えば、後述する図6の部分拡大図として示すとおりである)ので、「CNTの配向」について定義しておく。つまり、CNTの配向とは、CNTの製造プロセスの観点からは、後述するプラズマCVD装置30を用いて先端放電型ラジカルCVD法によりCNTを合成する際の基板33の平面に対して垂直な方向を意味する。または、CNTが厳密に垂直に成長しない場合があることを考慮した観点からは、CNTの成長方向(長尺の方向)を意味する。   Here, although one CNT is macroscopically long enough, it is not strictly a “straight line” (for example, as shown as a partially enlarged view of FIG. 6 described later). “Orientation” is defined in advance. That is, from the viewpoint of the CNT manufacturing process, the orientation of the CNT is a direction perpendicular to the plane of the substrate 33 when the CNT is synthesized by the tip discharge radical CVD method using the plasma CVD apparatus 30 described later. means. Or, from the viewpoint of considering that CNT may not grow strictly vertically, it means the growth direction (long direction) of CNT.

また、本発明のチャネル7の構造を別の視点から見ると、束構造を構成するCNTのうち、CNTがソース電極3とドレイン電極4との間を連続して接続するものを含むよう構成されることが望ましいともいえる。
ソース電極3とドレイン電極4の間が1本の連続したCNTで接続されていた方が、従来例のように、短いCNT同士を複数繋いだ場合よりも、各CNT間の接触抵抗がない分だけ、チャネル7の抵抗が小さくなるからである。つまり、高出力のFET1を得るという観点からは、CNTの束群は、ソース電極3とドレイン電極4との間を連続して接続するCNTを含むよう構成されていることも大切である。
Further, when the structure of the channel 7 of the present invention is viewed from another viewpoint, the CNTs constituting the bundle structure are configured to include those in which the CNTs continuously connect the source electrode 3 and the drain electrode 4. It can be said that it is desirable.
When the source electrode 3 and the drain electrode 4 are connected by one continuous CNT, there is no contact resistance between the CNTs as compared with the case where a plurality of short CNTs are connected as in the conventional example. This is because the resistance of the channel 7 is reduced. That is, from the viewpoint of obtaining a high-power FET 1, it is also important that the bundle group of CNTs includes a CNT that continuously connects the source electrode 3 and the drain electrode 4.

再び、図2に戻って、本発明の第一実施形態に係る電界効果トランジスタ1の構成を説明する。ゲート8は食塩水であって、基板2、絶縁性樹脂6及びチャネル7に触れる様に液層内に満たされている。特に、チャネル7に対しては、本発明のチャネル7は従来例のような分散処理を行っていないため、ゲート8が、チャネル7の厚み方向(基板2の平面に垂直な方向)へ効率よく含浸している。なお、ゲート8は、食塩水に代えて、リン酸緩衝生理食塩水(PBS、又はこれらに塩化水素・水酸化ナトリウム等を加えたもの)、水酸化カリウム、シュウ酸塩、フタル酸塩、中性リン酸塩、ホウ酸塩の溶液等の電解液やイオン液体でもよい。
ゲート参照電極9は、銀の周囲を塩化銀で覆うように構成された銀−塩化銀電極であり、ゲート8の液体電解質の溶液内に浸漬されている。
なお、ゲート参照電極9に電圧が加えられると、CNTの外周を覆うように電気二重層によるゲート絶縁層13が形成されることになる。
Returning to FIG. 2 again, the configuration of the field effect transistor 1 according to the first embodiment of the present invention will be described. The gate 8 is a saline solution, and is filled in the liquid layer so as to touch the substrate 2, the insulating resin 6, and the channel 7. In particular, for the channel 7, since the channel 7 of the present invention is not subjected to the dispersion processing as in the conventional example, the gate 8 is efficiently in the thickness direction of the channel 7 (direction perpendicular to the plane of the substrate 2) Impregnated. The gate 8 is a phosphate buffered saline (PBS or a solution obtained by adding hydrogen chloride / sodium hydroxide, etc.), potassium hydroxide, oxalate, phthalate, medium, instead of saline. Electrolytic solutions and ionic liquids such as a solution of basic phosphate and borate may be used.
The gate reference electrode 9 is a silver-silver chloride electrode configured to cover the periphery of silver with silver chloride, and is immersed in the liquid electrolyte solution of the gate 8.
When a voltage is applied to the gate reference electrode 9, a gate insulating layer 13 made of an electric double layer is formed so as to cover the outer periphery of the CNT.

次に、図4を参照しつつ、チャネル7の構造を説明する。
図4は、従来技術と本発明に係る一実施形態のチャネルに用いるチャネル構造について説明する概念図である。
図4(a)は、従来技術(例えば、特許文献2及び特許文献3)に記載されたチャネルの概念図である。図4(b)は、本発明の一実施形態(第一実施形態)としてのチャネルの概念図である。図4(c)は、本発明の一実施形態(後述する第二実施形態)としてのチャネルの概念図である。
図4(a)に示されるチャネルは、半導体性CNT11と、金属性CNT12と、それら以外にも断片化処理及び分散処理に由来する分散溶媒14、界面活性剤15、金属微粒子16等の不純物を含む。さらに、断片化処理では、CNTの側壁に亀裂等が生じやすいため、図4(a)に示されるチャネルは、欠陥のあるCNT17を含む。これら不純物や欠陥のあるCNTは、導電特性の低下及びスイッチング特性の低下の原因となる。さらに、従来技術のチャネルは、分散液中にCNTを高分散させるためCNTの密度に制限があるうえに、CNTがランダムな方向に分散しているので、電極との接触面積が小さくなり、大電流を制御することができない。
Next, the structure of the channel 7 will be described with reference to FIG.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a channel structure used for a channel according to an embodiment of the prior art and the present invention.
FIG. 4A is a conceptual diagram of channels described in the prior art (for example, Patent Document 2 and Patent Document 3). FIG. 4B is a conceptual diagram of a channel as one embodiment (first embodiment) of the present invention. FIG.4 (c) is a conceptual diagram of the channel as one Embodiment (2nd Embodiment mentioned later) of this invention.
The channel shown in FIG. 4 (a) contains semiconducting CNT11, metallic CNT12, and impurities such as dispersion solvent 14, surfactant 15 and metal fine particles 16 derived from fragmentation treatment and dispersion treatment. Including. Furthermore, in the fragmentation process, cracks or the like are likely to occur on the side walls of the CNTs, so the channel shown in FIG. 4A includes the defective CNTs 17. These impurities and defective CNTs cause deterioration in conductive characteristics and switching characteristics. Furthermore, in the prior art channel, the density of CNTs is limited because CNTs are highly dispersed in the dispersion, and since the CNTs are dispersed in a random direction, the contact area with the electrode is reduced, resulting in a large size. The current cannot be controlled.

一方、図4(b)に示す、本発明の一実施形態(第一実施形態)としてのチャネル7は、半導体性CNT11と金属性CNT12のみから構成されるため、図4(a)のような、CNT以外の不純物を含まない。さらには断片化処理等も不要のため、欠陥のあるCNTの本数が減少する。これらの作用によって優れた導電特性を示す。このため、ゲート8として液体電解質を用いた場合には、ゲート8がチャネル7の厚み方向へ効率よく含浸し、チャネル7とゲート8の接触面積を大きくすることができる。更には、チャネル7が配向していることからソース電極及びドレイン電極とチャネル7がその界面において良好な接触状態を実現しているため、チャネル−電極間の電気抵抗が小さい。上述のように、本発明のFET1では、チャネル−ゲート間、チャネル−電極間の接触面積が大きいことに加え、チャネルに高い電子移動度を誇るCNTが、単位面積あたりの本数が1.0×10〜1.0×1012本/cmという高密度で形成されたものを用いるためにチャネル7の抵抗が小さいことから、アンペアレベルの大電流を制御することが可能である。 On the other hand, the channel 7 as one embodiment (first embodiment) of the present invention shown in FIG. 4B is composed of only the semiconducting CNTs 11 and the metallic CNTs 12, as shown in FIG. Does not contain impurities other than CNT. Furthermore, since the fragmentation process is unnecessary, the number of defective CNTs is reduced. Due to these effects, excellent conductive properties are exhibited. Therefore, when a liquid electrolyte is used as the gate 8, the gate 8 can be efficiently impregnated in the thickness direction of the channel 7, and the contact area between the channel 7 and the gate 8 can be increased. Further, since the channel 7 is oriented, the source electrode and the drain electrode and the channel 7 realize a good contact state at the interface, and thus the electrical resistance between the channel and the electrode is small. As described above, in the FET 1 of the present invention, in addition to the large contact area between the channel and the gate and between the channel and the electrode, the CNT having high electron mobility in the channel has a number per unit area of 1.0 ×. Since the channel 7 has a small resistance because it is formed at a high density of 10 9 to 1.0 × 10 12 lines / cm, it is possible to control a large ampere level current.

一方、図4(c)に示す、本発明の一実施形態(後述する第二実施形態)のチャネル7は、図4(b)と同様に半導体性CNT11と金属性CNT12のみから構成されるため、図4(a)のような、CNT以外の不純物や欠陥のあるCNTの本数が減少する。また図4(a)同様にチャネル7が配向していることからソース電極及びドレイン電極とチャネル7がその界面において良好な接触状態を実現しているため、チャネル−電極間の電気抵抗が小さい。これらの作用によって、優れた導電特性を示す。このため、ゲート8として液体電解質を用いた場合には、ゲート8がチャネル7の厚み方向へ効率よく含浸し、CNTとゲート8の接触面積を大きくすることができる。このため、本発明のFET1では、アンペアレベルの電流を制御することが可能である。   On the other hand, the channel 7 of one embodiment of the present invention (second embodiment to be described later) shown in FIG. 4C is composed of only semiconductor CNTs 11 and metallic CNTs 12 as in FIG. 4B. As shown in FIG. 4A, the number of CNTs having impurities or defects other than CNTs decreases. Similarly to FIG. 4A, since the channel 7 is oriented, the source and drain electrodes and the channel 7 realize a good contact state at the interface, and therefore the electrical resistance between the channel and the electrode is small. By these actions, excellent conductive properties are exhibited. For this reason, when a liquid electrolyte is used as the gate 8, the gate 8 can efficiently impregnate in the thickness direction of the channel 7, and the contact area between the CNT and the gate 8 can be increased. Therefore, the ampere level current can be controlled in the FET 1 of the present invention.

ここで、1本のCNTは巨視的には十分に直線ではあるが、厳密には曲がりや捻りが存在するため「直線」ではない(例えば、後述する図6の部分拡大図として示すとおりである)ので、「CNTの配向」について定義しておく。つまり、CNTの配向とは、CNTの製造プロセスの観点からは、後述するプラズマCVD装置30を用いて先端放電型ラジカルCVD法によりCNTを合成する際の基板33の平面に対して垂直な方向を意味する。または、CNTが厳密に垂直に成長しない場合があることを考慮した観点からは、CNTの成長方向(長尺の方向)を意味する。   Here, one CNT is macroscopically straight enough, but strictly speaking, it is not a "straight line" because of bending and twisting (for example, as shown in a partially enlarged view of FIG. 6 described later). Therefore, “CNT orientation” is defined. That is, from the viewpoint of the CNT manufacturing process, the orientation of the CNT is a direction perpendicular to the plane of the substrate 33 when the CNT is synthesized by the tip discharge radical CVD method using the plasma CVD apparatus 30 described later. means. Or, from the viewpoint of considering that CNT may not grow strictly vertically, it means the growth direction (long direction) of CNT.

本実施形態においては、後述するように、基板上に成長させた垂直方向に配向を有するCNTの束群を基板に移し替えて、固定することでトランジスタを作成するので、図3(a)に示す、チャネルが電子(正孔)移動方向に対して並行方向に配向したトランジスタを構成することができる。この様なチャネルを実現するためにチャネルに用いられるCNTの束群には、以下の要件(a)〜(c)が求められる。
(a)チャネルに用いられるCNTは、図3(b)に示す記号を用いた以下の式(1)を満たすものが望ましい。
Lgate≦Lcnt (1)
(b)チャネルに用いられるCNTの密度が、1.0×10〜1.0×1012本/cmであること。
(c)CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して平行であること。
In the present embodiment, as will be described later, a transistor is created by transferring and fixing a bundle of CNTs grown in the vertical direction on the substrate to the substrate. As shown, a transistor in which a channel is oriented in a direction parallel to the electron (hole) moving direction can be formed. The following requirements (a) to (c) are required for a bundle of CNTs used for a channel to realize such a channel.
(A) It is desirable that the CNT used in the channel satisfy the following formula (1) using the symbols shown in FIG.
Lgate ≦ Lcnt (1)
(B) The density of the CNT used for the channel is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pieces / cm 2 .
(C) The orientation of the bundle group of CNTs is parallel to the straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.

上記の要件(a)〜(c)について、以下、説明する。
要件(a)は、チャネルに用いられるCNTの平均長さLcntが、ゲート長Lgate以上であることを意味する。チャネルに用いられるCNTは巨視的には直線であるものの、チャネルを構成する個々のCNTには曲がりや捻りが存在するため、厳密には直線ではない。従って、必然的に本発明のCNTの平均長さLcntは、ゲート長Lgateよりも長くなる。よって、チャネル7部分の実効的なゲート長Lgateを確保するために、かかる要件を有することが望ましい。
The requirements (a) to (c) will be described below.
The requirement (a) means that the average length Lcnt of the CNT used for the channel is not less than the gate length Lgate. Although the CNTs used for the channels are macroscopically straight, the individual CNTs constituting the channel are not straight because they are bent or twisted. Therefore, the average length Lcnt of the CNT of the present invention is necessarily longer than the gate length Lgate. Therefore, it is desirable to have such a requirement in order to ensure an effective gate length Lgate of the channel 7 portion.

また、要件(b)は、チャネル7に用いられるCNTの束群の本数密度が、1.0×10〜1.0×1012本/cmである。本発明のチャネル7に用いられるCNTの束群は、後述する先端放電型ラジカルCVD法によって合成される。この構成により、ソース電極3とドレイン電極4との間の電子(正孔)は、後述の送距離ショートカット経路、高伝導チャネルシフト経路、欠陥チャネル迂回経路などが形成されやすく、チャネル全体の電流の抵抗値を小さくするよう寄与するため、これらの効果によってドレイン−ソース間電流が飛躍的に増大するといえる。 The requirement (b) is that the number density of bundles of CNTs used for the channel 7 is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 / cm 2 . The bundle of CNTs used in the channel 7 of the present invention is synthesized by a tip discharge radical CVD method described later. With this configuration, electrons (holes) between the source electrode 3 and the drain electrode 4 are likely to form a transmission distance shortcut path, a high-conductivity channel shift path, a defective channel bypass path, and the like, which will be described later. In order to contribute to reducing the resistance value, it can be said that the drain-source current increases dramatically due to these effects.

さらに、要件(c)は、CNT束群の配向が、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して平行であることである。本要件を満たすことにより、CNTの束群は、ソース電極とドレイン電極との間を連続して接続するようになるため、チャネルの電気抵抗値が小さくすることができ、本実施形態に係るFET1はアンペアレベルの大電流を制御することができる。   Furthermore, the requirement (c) is that the orientation of the CNT bundle group is parallel to a straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4. By satisfying this requirement, the bundle group of CNTs continuously connects between the source electrode and the drain electrode, so that the electrical resistance value of the channel can be reduced, and the FET 1 according to the present embodiment. Can control a large ampere level current.

[製造方法]
次に、FET1の製造方法について図5〜図10を参照しつつ説明する。
図5は、本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタに用いるCNTを合成するプラズマCVD装置の概略図である。
本実施形態におけるチャネル7は、先端放電型ラジカルCVD法(以下、「プラズマCVD法」と呼ぶ)によって合成されるCNTから構成される。本実施形態におけるプラズマCVD法によるCNTの合成装置が、プラズマCVD装置30である。プラズマCVD装置30は、図5に示すように、チャンバー31と、基板加熱部32、基板33、基板ホルダ34、マイクロ波導波管35と、マイクロ波導波管35から伸びるアンテナ36と、から構成される。そして、チャンバー31は、内部に原料ガス37を導入するための入口である原料ガス導入部38と、外部に原料ガス37を排出するための原料ガス排出部39と、を備えている。
[Production method]
Next, the manufacturing method of FET1 is demonstrated, referring FIGS.
FIG. 5 is a schematic view of a plasma CVD apparatus for synthesizing CNTs used in a field effect transistor as one embodiment according to the present invention.
The channel 7 in this embodiment is composed of CNT synthesized by a tip discharge radical CVD method (hereinafter referred to as “plasma CVD method”). The plasma CVD apparatus 30 is an apparatus for synthesizing CNTs by plasma CVD in this embodiment. As shown in FIG. 5, the plasma CVD apparatus 30 includes a chamber 31, a substrate heating unit 32, a substrate 33, a substrate holder 34, a microwave waveguide 35, and an antenna 36 extending from the microwave waveguide 35. The The chamber 31 includes a source gas introduction unit 38 that is an inlet for introducing the source gas 37 therein, and a source gas discharge unit 39 for discharging the source gas 37 to the outside.

ここで、プラズマCVD装置30を用いたCNTの製造方法を説明する。
原料ガス37は、炭化水素ガスであり、メタンやアセチレン等が好適である。
まず、基板33上には鉄粒子等の触媒40が高密度に配置される。触媒40は、コバルトと鉄の合金、ニッケルと鉄の合金が用いられてもよい。次に、基板33から離れたアンテナ36の先端部41でプラズマを発生させ、プラズマがプラズマ発生領域42内の原料ガス37を分解することにより、基板33の上にCNTが合成される。
本プラズマCVD装置は、マイクロ波の定在波の腹がちょうどアンテナ36の先端部41に位置するよう設計されているため、60Wという低電力で放電可能である。また、基板33とアンテナ36の先端部41との距離dは、上下に可動な基板ホルダ34によって自由に調整することができるので、プラズマを触媒40から離れた場所で発生させることができる。このため、触媒40がプラズマによって損傷を受けにくく、触媒40の活性時間が伸びることになるので、数mmという長尺かつ垂直に配向し、かつ単位面積当たりの本数が1.0×10〜1.0×1012本/cmという高密度のCNTを合成することができる。
Here, the manufacturing method of CNT using the plasma CVD apparatus 30 is demonstrated.
The source gas 37 is a hydrocarbon gas, and methane, acetylene, or the like is preferable.
First, the catalyst 40 such as iron particles is arranged on the substrate 33 at a high density. The catalyst 40 may be an alloy of cobalt and iron, or an alloy of nickel and iron. Next, plasma is generated at the tip 41 of the antenna 36 away from the substrate 33, and the plasma decomposes the source gas 37 in the plasma generation region 42, thereby synthesizing CNTs on the substrate 33.
Since this plasma CVD apparatus is designed so that the antinode of the microwave standing wave is located at the front end 41 of the antenna 36, it can be discharged with a low power of 60W. Further, since the distance d between the substrate 33 and the tip portion 41 of the antenna 36 can be freely adjusted by the substrate holder 34 that is movable up and down, plasma can be generated at a location away from the catalyst 40. For this reason, the catalyst 40 is not easily damaged by the plasma, and the active time of the catalyst 40 is extended. Therefore, the catalyst 40 is oriented as long and vertically as several mm, and the number per unit area is 1.0 × 10 9 to A high-density CNT of 1.0 × 10 12 / cm 2 can be synthesized.

上述のプラズマCVD法におるCNTの合成を、690℃、20Torr、60Wの条件下で行うことにより、長尺なCNTを合成することができる。
図6は、本発明に係る一実施形態としてプラズマCVD法を用いて合成したCNTのSEM(Scanning Electron Microscopy)像を示す図である。なお、図6の右上の写真はこのSEM像の部分拡大図である。
基板に垂直な方向に成長した自立するCNT(フォレストと呼ばれる)が合成されているのがわかる。従来の方法では、CNTの長さはせいぜい数μmであったのに対し、プラズマCVD法によれば、図6に示すように、1mm程度の厚さに成長していることがわかる。そして、図6の右上のCNTの部分拡大図から、個々のCNTは、基板に垂直な方向に配向して伸びている。
By performing the synthesis of CNTs in the above-described plasma CVD method under the conditions of 690 ° C., 20 Torr, and 60 W, long CNTs can be synthesized.
FIG. 6 is a view showing an SEM (Scanning Electron Microscopy) image of CNT synthesized using the plasma CVD method as one embodiment according to the present invention. Note that the upper right photograph in FIG. 6 is a partially enlarged view of this SEM image.
It can be seen that free-standing CNT (called a forest) grown in a direction perpendicular to the substrate is synthesized. In the conventional method, the length of the CNT is at most several μm, whereas according to the plasma CVD method, it is found that the CNT grows to a thickness of about 1 mm as shown in FIG. And from the partial enlarged view of the CNT in the upper right of FIG. 6, each CNT extends in the direction perpendicular to the substrate.

図7は、本発明に係る一実施形態としてプラズマCVD法を用いて合成したCNTのTEM(Transmission Electron Microscopy)像を示す図である。図7から、複数のCNTが、束になった束構造を形成している。   FIG. 7 is a diagram showing a TEM (Transmission Electron Microscopy) image of CNT synthesized using a plasma CVD method as an embodiment according to the present invention. From FIG. 7, a plurality of CNTs form a bundle structure in a bundle.

上記のプラズマCVD法により合成した長尺のCNTの組成比率は、単層CNTが82%、2層CNTが18%を占める。そして、単層CNTの平均直径は2.2nm、2層CNTの平均直径は3.7nmであった。   The composition ratio of the long CNT synthesized by the above plasma CVD method is 82% for single-walled CNT and 18% for double-walled CNT. The average diameter of single-walled CNTs was 2.2 nm, and the average diameter of double-walled CNTs was 3.7 nm.

次に、本発明の一実施形態に係るFET1の製造方法について図8、図9及び図10を参照しつつ説明する。
図8は、本発明の第一実施形態に係る電界効果トランジスタ1の製造方法の製造手順を示すフローチャートである。
図9は、本発明の一実施形態に係るFET1に用いるチャネル層の製造手順を示すフローチャートである。図10は、本発明の一実施形態に係るFET1の製造方法の概略図を示している。図10の(a)〜(d)はFET1を上方向から俯瞰した図であり、図10の(a’)〜(e’)はFET1の側面方向から見た図である。図10(a)〜(d)は、それぞれ図10(a’)〜(e’)に対応している。さらに、図8のステップS12は、図10(a)及び(a’)に、図8のステップS13は、図10(b)及び(b’)に、図8のステップS14は、図10(c)及び(c’)に、図8のステップS15及びS16は、図10(d)及び(d’)に、図8のステップS17は、図10(e’)に対応している。
Next, the manufacturing method of FET1 which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated, referring FIG.8, FIG.9 and FIG.10.
FIG. 8 is a flowchart showing a manufacturing procedure of the method for manufacturing the field effect transistor 1 according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for manufacturing a channel layer used in the FET 1 according to the embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a schematic diagram of a method of manufacturing the FET 1 according to one embodiment of the present invention. 10A to 10D are views of the FET 1 viewed from above, and FIGS. 10A to 10E are views of the FET 1 viewed from the side. FIGS. 10A to 10D correspond to FIGS. 10A to 10E, respectively. Further, step S12 in FIG. 8 is shown in FIGS. 10A and 10A, step S13 in FIG. 8 is shown in FIGS. 10B and 10B, and step S14 in FIG. 8, steps S15 and S16 in FIG. 8 correspond to FIGS. 10 (d) and 10 (d ′), and step S17 in FIG. 8 corresponds to FIG. 10 (e ′).

本発明に係る電界効果トランジスタの製造方法については、詳細に後述するが、まず、従来技術との違いを、図9及び図17を参照しつつ、簡単に説明する。
図9に示した本発明の第一実施形態に係るFET1のチャネル層の製造方法は、図17に示した特許文献2の製造方法に比べて、CNTのチャネルに不純物を混入してしまうことがない、またはCNT側壁に欠陥を生じてしまうステップS104〜S107を必要としない。さらには、CNTからなるチャネルを基板上に成長させた垂直配向のCNTの束群をトランジスタ基板に移し替えればよいので、トランジスタ製造における工数・時間・コストを大幅に削減し、非常に簡便にトランジスタを製造する方法を提供することが可能となる。
The method of manufacturing the field effect transistor according to the present invention will be described in detail later. First, differences from the prior art will be briefly described with reference to FIGS. 9 and 17.
Compared with the manufacturing method of Patent Document 2 shown in FIG. 17, the manufacturing method of the channel layer of FET 1 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. There is no need for steps S104 to S107, which cause defects on the CNT side walls. Furthermore, since a bundle of vertically aligned CNTs in which a channel made of CNTs is grown on the substrate may be transferred to the transistor substrate, the number of steps, time, and cost in manufacturing the transistor are greatly reduced, and the transistor is very simple. Can be provided.

以下、本発明の第一実施形態に係るFET1の作成手順を、図8を参照しつつ、説明する。
本発明の第一実施形態に係るFET1の作成は、次のような手順により実行される。
Hereinafter, the procedure for creating the FET 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The creation of the FET 1 according to the first embodiment of the present invention is executed by the following procedure.

図8に示すステップS11(図9のステップS01〜S08に相当する)において、プラズマCVD装置30により、ゲート長Lgateの3〜5倍程度の長さのCNTを合成する。   In step S11 shown in FIG. 8 (corresponding to steps S01 to S08 in FIG. 9), the plasma CVD apparatus 30 synthesizes CNTs having a length of about 3 to 5 times the gate length Lgate.

ステップS12において、ステップ11において合成したCNTをゲート長Lgateの2倍程度の長さになるようにCNTを基板33から剥がし取り、ガラスからなる基板2の上に絶縁性樹脂(図示しない)を用いて固定する。この固定されたCNTがチャネル7である(図10(a)及び(a’)参照)。   In step S12, the CNT synthesized in step 11 is peeled off from the substrate 33 so as to be about twice as long as the gate length Lgate, and an insulating resin (not shown) is used on the substrate 2 made of glass. And fix. This fixed CNT is the channel 7 (see FIGS. 10A and 10A).

ステップS13において、チタンの周囲を金が被覆して構成されるソース電極3及びドレイン電極4を、ソース電極3とドレイン電極4との間の距離(すなわちゲート長)が1mmになるように蒸着する(図10(b)及び(b’)参照)。   In step S13, the source electrode 3 and the drain electrode 4 configured by covering titanium with gold are deposited so that the distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4 (that is, the gate length) is 1 mm. (Refer to Drawing 10 (b) and (b ')).

ステップS14において、別のガラス基板2上に、ステップS13において作成したCNTのチャネル7と、ソース電極3及びドレイン電極4を移し替える(図10(c)及び(c’)参照)。   In step S14, the CNT channel 7, the source electrode 3 and the drain electrode 4 prepared in step S13 are transferred onto another glass substrate 2 (see FIGS. 10C and 10C).

ステップS15において、ソース電極3及びドレイン電極4にそれぞれ配線10を導電性樹脂5(伝導性エポキシ樹脂、又は銀ペースト)で電気的に接合する(図10(d)及び(d’)参照)。   In step S15, the wiring 10 is electrically joined to the source electrode 3 and the drain electrode 4 with a conductive resin 5 (conductive epoxy resin or silver paste), respectively (see FIGS. 10D and 10D).

ステップS16において、絶縁性樹脂6(絶縁性エポキシ樹脂)によりソース電極3と、ドレイン電極4及び配線10を覆い、液体電解質からなるゲート8に直接暴露することを防止する(図10(d)及び(d’)参照)。   In step S16, the source electrode 3, the drain electrode 4 and the wiring 10 are covered with the insulating resin 6 (insulating epoxy resin) to prevent direct exposure to the gate 8 made of a liquid electrolyte (FIG. 10 (d) and (See (d ′)).

ステップS17において、絶縁性樹脂6による壁20を設け、液体電解質を貯留できる液槽とし、液体電解質からなるゲート8に、ゲート参照電極9を浸漬させる(図10(e’)参照)。   In step S17, the wall 20 made of the insulating resin 6 is provided to form a liquid tank in which the liquid electrolyte can be stored, and the gate reference electrode 9 is immersed in the gate 8 made of the liquid electrolyte (see FIG. 10 (e ')).

[動作]
次に、上述のように、プラズマCVD法により合成したCNTを用いて作成したFET1の動作について説明する。
ゲート参照電極9に、電圧がゼロの状態から電圧を印加すると、チャネル7の個々のCNTとゲート8の液体電解質との界面に電気二重層によるゲート絶縁層13が形成される。ゲート8は、液体電解質であるため、CNTとの密着性がよく、容易かつ均一に電界をチャネル7に作用させることができるため、高速にゲート絶縁層13を形成することができる。
そして、当該ゲート絶縁層13を介してCNTチャネル7に電界が作用するので、このときにソース電極3とドレイン電極4との間に電圧を印加しておくと、ソース電極3とドレイン電極4との間に電流が流れる。
[Operation]
Next, the operation of the FET 1 created using the CNT synthesized by the plasma CVD method as described above will be described.
When a voltage is applied to the gate reference electrode 9 from a state in which the voltage is zero, a gate insulating layer 13 of an electric double layer is formed at the interface between each CNT of the channel 7 and the liquid electrolyte of the gate 8. Since the gate 8 is a liquid electrolyte, it has good adhesion to the CNTs, and an electric field can be applied to the channel 7 easily and uniformly, so that the gate insulating layer 13 can be formed at high speed.
Since an electric field acts on the CNT channel 7 via the gate insulating layer 13, if a voltage is applied between the source electrode 3 and the drain electrode 4 at this time, the source electrode 3 and the drain electrode 4 Current flows between the two.

図11は、本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタの性能評価を示す図である。
ゲート参照電極9とソース電極3の間の電圧(以下、「ゲート参照電極−ソース電極間電圧」と呼ぶ)VGSを0V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vに設定し、ドレイン電極4とソース電極3の間の電圧(以下、「ドレイン−ソース電極間電圧」と呼ぶ)VDSを印加した際のドレイン電極4−ソース電極3間に流れる電流(以下、「ドレイン−ソース電極間電流」と呼ぶ)IDSが図11に示されている。
ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0Vの場合とゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.5Vの場合とで、ドレイン−ソース電極間電流IDSに大差がない。これは、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.0V〜0.5Vの範囲では、チャネル7に十分に電気二重層が形成されていないためと考えられる。
その後、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが1.0V以上になると、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが大きくなるほどドレイン−ソース電極間電流IDSがよく流れることを図11は示している。つまり、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.5V以上では、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの順に大きくなるほど、ソース電極3とドレイン電極4の間の抵抗(VDS/IDS)は、3.1Ω、1.8Ω、1.2Ω、1.0Ωの順に小さくなり、本発明のFET1がトランジスタとして機能していることが分かる。
なお、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの場合のFET1のオン抵抗値を、測定に用いたFET1の実際のゲート幅Wgate、厚み及びゲート長Lgateを考慮して体積抵抗率に換算すると、1.2×10−3Ω・cm、7.0×10−4Ω・cm、4.7×10−4Ω・cm、4.0×10−4Ω・cmとなる。
以上のように、本発明のFET1では、ドレイン−ソース電極間電圧VDS=2.0V、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=2.0Vにおいて、ドレイン−ソース電極間電流IDS=2.0A/mmの電流、すなわちアンペアレベルの大電流を制御することができる。
FIG. 11 is a diagram showing a performance evaluation of a field effect transistor as an embodiment according to the present invention.
Voltage between gate reference electrode 9 and source electrode 3 (hereinafter referred to as “gate reference electrode-source electrode voltage”) V GS is set to 0V, 0.5V, 1.0V, 1.5V, 2.0V The current flowing between the drain electrode 4 and the source electrode 3 (hereinafter referred to as “drain”) when a voltage V DS between the drain electrode 4 and the source electrode 3 (hereinafter referred to as “drain-source electrode voltage”) V DS is applied. (Referred to as “source-source current”) IDS is shown in FIG.
There is no significant difference between the drain-source electrode current I DS between the gate reference electrode-source electrode voltage V GS = 0 V and the gate reference electrode-source electrode voltage V GS = 0.5 V. This is presumably because the electric double layer is not sufficiently formed in the channel 7 when the gate reference electrode-source electrode voltage V GS is in the range of 0.0 V to 0.5 V.
Thereafter, when the gate reference electrode-source electrode voltage V GS becomes 1.0 V or more, FIG. 11 shows that the drain-source electrode current I DS flows better as the gate reference electrode-source electrode voltage V GS increases. ing. That is, when the gate reference electrode-source electrode voltage V GS is 0.5 V or higher, the gate reference electrode-source electrode voltage V GS increases in the order of 0.5 V, 1.0 V, 1.5 V, and 2.0 V. The resistance (V DS / I DS ) between the source electrode 3 and the drain electrode 4 decreases in the order of 3.1Ω, 1.8Ω, 1.2Ω, and 1.0Ω, and the FET 1 of the present invention functions as a transistor. I understand that.
Note that the on-resistance value of the FET 1 when the gate reference electrode-source electrode voltage V GS is 0.5 V, 1.0 V, 1.5 V, and 2.0 V is the actual gate width Wgate of the FET 1 used for the measurement, When converted into volume resistivity in consideration of thickness and gate length Lgate, 1.2 × 10 −3 Ω · cm, 7.0 × 10 −4 Ω · cm, 4.7 × 10 −4 Ω · cm, 4 0.0 × 10 −4 Ω · cm.
As described above, in the FET 1 of the present invention, the drain-source electrode current I DS = 2 at the drain-source electrode voltage V DS = 2.0 V and the gate reference electrode-source electrode voltage V GS = 2.0 V. It is possible to control a current of 0.0 A / mm, that is, a large current of an ampere level.

以上のように、プラズマCVD法によって合成されたCNTをチャネル7に用いた本発明のFET1は、以下の特徴を有する。
(1)単位面積当たりのCNTの本数が1.0×10〜1.0×1012本/cmという高密度であるので、FET1全体、ソース及びゲート単位面積あたりにおけるチャネル数が飛躍的に増大し、電流値及び電流密度の大幅な向上が可能となる。
(2)個々のCNTが数mmという長尺であるために、連続するCNTによってドレイン−ソース電極間を接続することが可能となる。このため、短いCNT同士を複数繋いだ場合よりも、その接触抵抗が無い分だけ、チャネル抵抗の大幅な軽減が可能となる。
(3)チャネル7は複数のCNTが束ねられた複数本の束(バンドル)構造を形成しており、個々の束において、電子(正孔)輸送経路の最適化が見込まれる。
(4)チャネル7に分散処理を行わず、かつ、ゲート8に液体電解質を用いることで、ゲート8がチャネル7の厚み方向へ効率よく含浸し、CNTとゲート8の接触面積を大きくすることができる。このため、チャネル7を構成する各CNTの表面に電気二重層が形成され、ドレイン−ソース電極間にアンペアレベルの大電流を制御することができ、かつこれを制御可能なFETを提供することができる。
As described above, the FET 1 of the present invention using the CNT synthesized by the plasma CVD method for the channel 7 has the following characteristics.
(1) Since the number of CNTs per unit area is as high as 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pieces / cm 2, the number of channels per unit area of the entire FET 1, source and gate is dramatically increased. The current value and the current density can be greatly improved.
(2) Since each CNT is as long as several millimeters, it is possible to connect the drain-source electrodes by continuous CNTs. For this reason, the channel resistance can be greatly reduced by the amount of no contact resistance compared to the case where a plurality of short CNTs are connected.
(3) The channel 7 forms a plurality of bundle structures in which a plurality of CNTs are bundled, and the electron (hole) transport path is expected to be optimized in each bundle.
(4) Dispersion treatment is not performed on the channel 7 and a liquid electrolyte is used for the gate 8, so that the gate 8 can be efficiently impregnated in the thickness direction of the channel 7 and the contact area between the CNT and the gate 8 can be increased. it can. For this reason, an electric double layer is formed on the surface of each CNT constituting the channel 7, and an ampere level large current can be controlled between the drain and source electrodes, and an FET capable of controlling this can be provided. it can.

図12は、本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタのCNTの束構造による電子(正孔)輸送経路の最適化を示す概念図である。
CNTの束構造の周囲に、電気二重層によるゲートが形成されることで以下の効果が表れる。
1.送距離ショートカット経路
本発明のCNTは、その単位面積当たりのCNTの本数が1.0×10〜1.0×1012本/cmという高密度を有している。このような高密度なCNTの束構造内には、半導体性CNT同士が接触する接点が多く存在する。電子(正孔)は、接点による分岐の度に、ソース電極からドレイン電極までの輸送距離が最も短くなる経路を選択することになるので、結果としてショートカット経路が形成される。
2.高伝導チャネルシフト経路
上記のような高密度なCNTの束構造内には、半導体性CNTと金属性CNTが接触する接点も多く存在することになる。チャネル7に形成された電気二重層によって半導体性CNTから輸送される電子(正孔)が、ある接点による分岐において、より伝導度の高い金属性チャネルにシフトする経路が形成される。
3.欠陥チャネル迂回経路
上記のような高密度なCNTの束構造を採用することで、本来ならば電子(正孔)の輸送が行えない、破断点等を持つ欠陥CNTが存在する場合であっても、CNT同士の接触する接点による分岐において、欠陥が無いCNTに迂回する経路が形成される。
FIG. 12 is a conceptual diagram showing optimization of an electron (hole) transport path by a CNT bundle structure of a field effect transistor as one embodiment according to the present invention.
By forming a gate with an electric double layer around the bundle structure of CNTs, the following effects appear.
1. Transmission distance shortcut path The CNT of the present invention has a high density of 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pcs / cm 2 per unit area. In such a high-density CNT bundle structure, there are many contacts where semiconducting CNTs contact each other. Electrons (holes) select a path that has the shortest transport distance from the source electrode to the drain electrode every time the contact is branched, and as a result, a shortcut path is formed.
2. High-conducting channel shift path In the bundle structure of high-density CNTs as described above, there are many contacts at which semiconducting CNTs and metallic CNTs are in contact. A path is formed in which electrons (holes) transported from the semiconducting CNTs by the electric double layer formed in the channel 7 are shifted to a metallic channel having higher conductivity at a certain contact point.
3. Defect channel detour path By adopting a high-density CNT bundle structure as described above, even if there is a defect CNT with a break point or the like that cannot originally transport electrons (holes) In the branch by the contact point between the CNTs, a path detouring to the CNT having no defect is formed.

本発明のFET1では、上述の送距離ショートカット経路、高伝導チャネルシフト経路、欠陥チャネル迂回経路は、チャネル全体の電流の抵抗値を小さくするよう寄与するため、これらの効果によってドレイン−ソース間電流が飛躍的に増大するといえる。
以上より、プラズマCVD法によって合成したCNTをチャネル7に用いることで、ドレイン−ソース電極間にアンペアレベルの大電流を制御することができ、これを制御可能なFETの作成が可能となる。
In the FET 1 of the present invention, the above-mentioned transmission distance shortcut path, high-conductivity channel shift path, and defective channel bypass path contribute to reduce the resistance value of the current of the entire channel. It can be said that it will increase dramatically.
As described above, by using the CNT synthesized by the plasma CVD method for the channel 7, it is possible to control a large ampere level current between the drain and source electrodes, and it is possible to create an FET capable of controlling this.

以上説明したように、本実施形態に係る電界効果トランジスタ1は、ソース電極3及びドレイン電極4と、ソース電極3とドレイン電極4との間に設けられた複数の長尺CNTからなるチャネル7と、液体電解質からなるゲート8を具備しており、CNTの束群は、ソース電極3とドレイン電極4を連続して接続しているCNTを含む。
たとえば、本発明の電界効果トランジスタ1のチャネル7は、ゲートとドレイン電極との間の電圧がゼロの場合、体積抵抗率が1.3×10−3Ω・cm以下である。また、本発明のチャネル7を構成するCNTの束群は、ソース電極とドレイン電極との間の最短距離をなす直線に対して平行に配向し、かつ、前記カーボンナノチューブの束群の平均長さ(Lcnt)がゲート長(Lgate)以上である。
そして、かかる構成を有しているため、電界効果トランジスタ1がオンした場合であっても、体積抵抗率が小さく、アンペアレベルの大電流を制御することができる。また、ゲートが液体電解質であるため、低い電圧であっても液体電解質とチャネル7の表面に容易に電気二重層が生じ、低消費電力でアンペアレベルの大電流を制御することができる。さらに、ゲートが液体電解質であるため、CNTからなるチャネル7の表面と、液体電解質との間の密着性がよく、高い電子(正孔)移動度がもたらされ、応答性の高いトランジスタを実現することができる。
As described above, the field effect transistor 1 according to this embodiment includes the source electrode 3 and the drain electrode 4, and the channel 7 made of a plurality of long CNTs provided between the source electrode 3 and the drain electrode 4. The CNT bundle group includes the CNTs that continuously connect the source electrode 3 and the drain electrode 4.
For example, the channel 7 of the field effect transistor 1 of the present invention has a volume resistivity of 1.3 × 10 −3 Ω · cm or less when the voltage between the gate and the drain electrode is zero. Further, the bundle group of CNTs constituting the channel 7 of the present invention is oriented in parallel to the straight line forming the shortest distance between the source electrode and the drain electrode, and the average length of the bundle group of carbon nanotubes. (Lcnt) is greater than or equal to the gate length (Lgate).
And since it has such a structure, even when the field effect transistor 1 is turned on, the volume resistivity is small, and a large ampere level current can be controlled. Further, since the gate is a liquid electrolyte, an electric double layer is easily generated on the surface of the liquid electrolyte and the channel 7 even at a low voltage, and a large ampere level current can be controlled with low power consumption. Furthermore, since the gate is a liquid electrolyte, the adhesion between the surface of the channel 7 made of CNT and the liquid electrolyte is good, high electron (hole) mobility is brought about, and a highly responsive transistor is realized. can do.

要するに、本実施形態では、電界効果トランジスタが、液体電解質からなるゲート8と、ソース電極3とドレイン電極4を連続して接続しているCNTを含む長尺でかつ高密度なCNTの束群からなるチャネル7とを備えているため、高出力、低消費電力、高速応答が実現される。   In short, in this embodiment, the field effect transistor is formed from a long and high-density bundle of CNTs including a gate 8 made of a liquid electrolyte and CNTs that continuously connect the source electrode 3 and the drain electrode 4. Therefore, high output, low power consumption, and high-speed response are realized.

なお、上述した本発明の一実施形態に係るFET1の製造手順におけるステップS15とステップS16との間で、ソース電極3とドレイン電極4との間に比較的大きな電圧を印加してCNTからなるチャネル7に比較的大きな電流を制御することで、金属性CNTを選択除去し、チャネル7における金属製CNTの比率を下げるイニシャライズ処理を行うことは、適宜、行うことができる。   A channel made of CNT by applying a relatively large voltage between the source electrode 3 and the drain electrode 4 between step S15 and step S16 in the manufacturing procedure of the FET 1 according to the embodiment of the present invention described above. It is possible to appropriately perform the initialization process for selectively removing the metallic CNTs and controlling the ratio of the metallic CNTs in the channel 7 by controlling a relatively large current.

[第二実施形態]
以下、本発明の第二実施形態に係る電界効果トランジスタ2(以下、必要に応じ「FET2」と呼ぶ)について図面を適宜参照しつつ説明する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a field effect transistor 2 (hereinafter referred to as “FET2” as necessary) according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.

[構成]
本発明の第二実施形態に係るFET2は、第一実施形態に係るFET1と同じ要素、即ち、基板2、ソース電極3、ドレイン電極4、導電性樹脂5、絶縁性樹脂6、チャネル7、ゲート8、ゲート参照電極9、及び配線10から構成される。第一実施形態と同一符号は同一の構成であるものとし、説明は省略する。
図13は、第二実施形態に係る電界効果トランジスタ2の構成の模式図である。第二実施形態に係るFET2は、そのチャネル27に用いられるCNTの束群が、第一実施形態に係るFET1のチャネル7に用いられるCNTの束群の配向と異なる点で相違する。
ここで、第二実施形態に係るFET2のチャネルの配向について説明する。
[Constitution]
The FET 2 according to the second embodiment of the present invention has the same elements as the FET 1 according to the first embodiment, that is, the substrate 2, the source electrode 3, the drain electrode 4, the conductive resin 5, the insulating resin 6, the channel 7, and the gate. 8, a gate reference electrode 9, and a wiring 10. The same reference numerals as those in the first embodiment are assumed to have the same configuration, and the description thereof is omitted.
FIG. 13 is a schematic diagram of a configuration of the field effect transistor 2 according to the second embodiment. The FET 2 according to the second embodiment is different in that the bundle group of CNT used for the channel 27 is different from the orientation of the bundle group of CNT used for the channel 7 of the FET 1 according to the first embodiment.
Here, the orientation of the channel of the FET 2 according to the second embodiment will be described.

図14(a)は、チャネルとして電子(正孔)輸送方向に直交する方向に配置されたCNTの配向及び幾何的要件を説明する概念図である。
図14(a)に示すように、第二実施形態に係るFET2のチャネル27に用いるCNTの束群は、CNTの延伸方向がソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に直交するような配向を有するCNTから形成されている。
ソース電極3とドレイン電極4との間を結ぶ直線の方向は、ほぼ電子(正孔)の輸送方向であるともいえるから、図14(a)のCNTは、電子(正孔)の輸送方向に直交するような配向をもって配置されているといえる。
また、第二実施形態に係るFET2のチャネル27に用いられるCNTの束群は、第一実施形態と同様に、プラズマCVD法により合成される長尺かつ高密度のCNTの束群である。このため、従来の分散液を用いたチャネル(前述した図4(a))よりも導電性が高い。しかも、図4(c)に示す第二実施形態に係るCNTは、図4(b)の第一実施形態に比して、金属性CNTにより形成される導電経路を少なくできるため、リーク電流を抑制することができる。
FIG. 14A is a conceptual diagram illustrating the orientation and geometric requirements of CNTs arranged in a direction orthogonal to the electron (hole) transport direction as a channel.
As shown in FIG. 14A, in the CNT bundle group used for the channel 27 of the FET 2 according to the second embodiment, the extending direction of the CNT is orthogonal to a straight line that is the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4. It is formed from CNTs having such an orientation.
Since it can be said that the direction of the straight line connecting the source electrode 3 and the drain electrode 4 is almost the electron (hole) transport direction, the CNT in FIG. It can be said that they are arranged with an orthogonal orientation.
Further, the CNT bundle group used for the channel 27 of the FET 2 according to the second embodiment is a long and high-density CNT bundle group synthesized by the plasma CVD method, as in the first embodiment. For this reason, the conductivity is higher than that of the channel using the conventional dispersion (FIG. 4A). In addition, the CNT according to the second embodiment shown in FIG. 4C can reduce the number of conductive paths formed by the metallic CNT compared to the first embodiment of FIG. Can be suppressed.

また、本実施形態のチャネル27の構造を別の視点から見ると、チャネル27に用いられるCNTは、以下の要件(a)〜(c)を満たすともいえる。
(a)チャネル27に用いられるCNTは、以下の式(1)を満たすものが望ましい。
Wgate≦Lcnt ・・・(1)
上記のCNTの束群を構成するCNTの平均長さLcnt、ゲート幅Wgateは、図14(b)に概念図としたとおりである。
(b)チャネル27に用いられるCNTの束群の本数密度が、1.0×10〜1.0×1012本/cmであること。
(c)CNTの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直行すること。
Moreover, when the structure of the channel 27 of this embodiment is seen from another viewpoint, it can be said that the CNT used for the channel 27 satisfies the following requirements (a) to (c).
(A) The CNT used in the channel 27 preferably satisfies the following formula (1).
Wgate ≦ Lcnt (1)
The average length Lcnt and gate width Wgate of the CNTs constituting the bundle group of CNTs are as conceptually shown in FIG.
(B) The number density of the bundle group of CNT used for the channel 27 is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pieces / cm 2 .
(C) The orientation of the bundle group of CNTs is perpendicular to the straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.

上記の要件(a)〜(c)について、以下、説明する。
要件(a)は、チャネル27に用いられるCNTの束群を構成するCNTの平均長さLcntが、ゲート幅Wgateよりも長い長尺CNTであることを意味する。チャネルを構成する個々のCNTには曲がりや捻りが存在するため、厳密には直線では無い。従って、必然的に本発明のCNTの束群を構成するCNTの平均長さLcntがゲート幅Wgateよりも長くなる。よって、チャネル27部分の実効的なチャネル幅(ゲート幅)を確保するために、かかる要件を有することが望ましい。
The requirements (a) to (c) will be described below.
The requirement (a) means that the average length Lcnt of the CNTs constituting the CNT bundle group used for the channel 27 is a long CNT longer than the gate width Wgate. Strictly speaking, the individual CNTs constituting the channel are not straight because there are bends and twists. Accordingly, the average length Lcnt of the CNTs constituting the CNT bundle group of the present invention is necessarily longer than the gate width Wgate. Therefore, it is desirable to have such a requirement in order to ensure an effective channel width (gate width) of the channel 27 portion.

また、要件(b)は、チャネル27に用いられるCNTの本数密度が、1.0×10〜1.0×1012本/cmである。本発明のチャネル27に用いられるCNTは、後述する先端放電型ラジカルCVD法によって合成される。この構成により、ソース電極3とドレイン電極4との間で輸送される電子(正孔)は、高密度に隣接しているCNT間を移動するので、ソース電極3とドレイン電極4との間を金属性CNTの経路が少なくなるため、リーク電流を抑止することができる。 The requirement (b) is that the number density of CNTs used for the channel 27 is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 / cm 2 . The CNT used in the channel 27 of the present invention is synthesized by a tip discharge radical CVD method described later. With this configuration, electrons (holes) transported between the source electrode 3 and the drain electrode 4 move between the CNTs adjacent to each other at a high density, and therefore between the source electrode 3 and the drain electrode 4. Since there are fewer paths for metallic CNT, leakage current can be suppressed.

さらに、要件(c)は、CNTの束群の配向に関する要件である。
CNTの束群の配向を、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交させることにより、ソース電極3とドレイン電極4との間を金属性CNTが連続して接続してしまうことをできるだけ回避し、リーク電流が流れることを抑制するように構成することができる。
Furthermore, requirement (c) is a requirement regarding the orientation of the bundle group of CNTs.
By making the orientation of the bundle group of CNTs orthogonal to the straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4, metallic CNTs are continuously formed between the source electrode 3 and the drain electrode 4. Connection can be avoided as much as possible, and leakage current can be suppressed from flowing.

[製造方法]
次に、第二実施形態に係るFET2の製造方法は、第一実施形態に係るFET1の製造方法と同様であるが、配置されるチャネル27に用いるCNTの配向が異なる点で相違する。即ち、第二実施形態に係るFET2のチャネル27は、CNTの延伸方向がソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に直交するような配向を有するCNTの束群から形成される。
[Production method]
Next, the manufacturing method of the FET 2 according to the second embodiment is the same as the manufacturing method of the FET 1 according to the first embodiment, but is different in that the orientation of the CNT used for the channel 27 to be arranged is different. That is, the channel 27 of the FET 2 according to the second embodiment is formed of a bundle of CNTs having an orientation such that the extending direction of the CNTs is orthogonal to a straight line that is the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.

[動作]
次に、第二実施形態に係るFET2の動作について図15及び図16を参照しつつ説明する。
図15は、本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタのCNTの束構造による電子(正孔)輸送経路の形成を示す概念図である。
本発明に係る一実施形態としてのトランジスタにおいては、電子(正孔)は、隣接するCNTに移りながら、CNT側壁上を移動して、ソース電極3とドレイン電極4の間を移動する。チャネル27は、ゲート幅方向に配向しているので、ゲート長方向に配向している場合に比べ、ソース電極3とドレイン電極4との間の金属性CNT12のみによる経路が少ない。よって、ゲート参照電極9とソース電極3との間に電圧を印加していない場合、図15(a)に示すように、電気二重層は形成されず、リーク電流は抑制される。
[Operation]
Next, the operation of the FET 2 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 15 and 16.
FIG. 15 is a conceptual diagram showing formation of an electron (hole) transport path by a CNT bundle structure of a field effect transistor as an embodiment according to the present invention.
In the transistor according to an embodiment of the present invention, electrons (holes) move between the source electrode 3 and the drain electrode 4 while moving on the CNT side wall while moving to adjacent CNTs. Since the channel 27 is oriented in the gate width direction, there are fewer paths due to only the metallic CNT 12 between the source electrode 3 and the drain electrode 4 than in the case where the channel 27 is oriented in the gate length direction. Therefore, when no voltage is applied between the gate reference electrode 9 and the source electrode 3, as shown in FIG. 15A, the electric double layer is not formed, and the leakage current is suppressed.

一方、ゲート参照電極9とソース電極3との間に電圧を印加した場合、各々のCNTのチャネル27に対して一括かつ均一に液体電解質からなるゲート8との界面に電気二重層19が形成される。この電気二重層19を介してCNTチャネル27に電界が作用することで、ソース電極3とドレイン電極4との間に流れる電流の制御が可能になる。図15(b)に示すように、半導体性CNT11の表面周囲に電気二重層19が形成され、隣接するCNTに移りながらソース電極3とドレイン電極4との間に電子(正孔)が輸送される。これらの効果によって、スイッチング作用が実現され、高出力の制御ができる。   On the other hand, when a voltage is applied between the gate reference electrode 9 and the source electrode 3, the electric double layer 19 is formed at the interface with the gate 8 made of a liquid electrolyte all together and uniformly with respect to each CNT channel 27. The By applying an electric field to the CNT channel 27 through the electric double layer 19, it is possible to control the current flowing between the source electrode 3 and the drain electrode 4. As shown in FIG. 15B, an electric double layer 19 is formed around the surface of the semiconducting CNT 11, and electrons (holes) are transported between the source electrode 3 and the drain electrode 4 while moving to adjacent CNTs. The With these effects, a switching action is realized and high output control can be performed.

図16は、本発明に係る一実施形態としての電界効果トランジスタの性能評価を示す図である。
ゲート8とソース電極3の間の電圧(以下、「ゲート参照電極−ソース電極間電圧」と呼ぶ)VGSを0.0V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vに設定し、ドレイン電極4とソース電極3の間の電圧(以下、「ドレイン−ソース電極間電圧」と呼ぶ)VDSを印加した際のドレイン電極4とソース電極3との間に流れる電流(以下、「ドレイン−ソース電極間電流」と呼ぶ)IDSが図16に示されている。
ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.0Vの場合とゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.5Vの場合とで、ドレイン−ソース電極間電流IDSに大差がない。これは、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.0V〜0.5Vの範囲では、チャネル27に十分に電気二重層が形成されていないためと考えられる。
その後、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが1.0V以上になると、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが大きくなるほどドレイン−ソース電極間電流IDSがよく流れることが図16からわかる。つまり、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=0.5V以上では、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの順に大きくなるほど、ソース電極3とドレイン電極4の間の抵抗(VDS/IDS)は、2.0×10Ω、1.0×10Ω、55.5Ω、21.1Ωの順に小さくなり、第二実施形態のFET2がトランジスタとして機能していることがわかる。
なお、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGSが0.5V、1.0V、1.5V、2.0Vの場合のFET2のオン抵抗値を、測定に用いたFET2の実際のゲート幅Wgate、厚み、ゲート長Lgateを考慮して体積抵抗率に換算すると、7.8×10−2、4.0×10−2Ω・cm、2.2×10−2Ω・cm、8.0×10−3Ω・cmとなる。
以上のように、第二実施形態のFET2では、ドレイン−ソース電極間電圧VDS=2.0V、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=2.0Vにおいて、ドレイン−ソース電極間電流IDS=95mA/mmの電流、即ち0.1アンペアレベルの電流を制御することができる。
なお、第二実施形態では、ゲート参照電極9に電圧を印加していない場合、ソース電極3とドレイン電極4との間に電圧を印加しても、チャネル27に電流(いわゆるリーク電流)がほとんど流れない(ドレイン−ソース電極間電圧VDS=2.0V、ゲート参照電極−ソース電極間電圧VGS=2.0Vにおいて、ドレイン−ソース電極間電流IDS=10mA以下程度のリーク電流)。これは、本発明のFET1において、チャネル27のCNTがゲート幅方向の配向をもって配置されているためである。
以上のように、第二実施形態のFET2は、リーク電流を抑制しつつ、0.1アンペアレベルの電流を制御することができる。
FIG. 16 is a diagram showing a performance evaluation of a field effect transistor as an embodiment according to the present invention.
Voltage between gate 8 and source electrode 3 (hereinafter referred to as “gate reference electrode-source electrode voltage”) V GS is set to 0.0 V, 0.5 V, 1.0 V, 1.5 V, and 2.0 V The voltage between the drain electrode 4 and the source electrode 3 (hereinafter referred to as “drain-source electrode voltage”) V DS when the voltage V DS is applied (hereinafter referred to as the current flowing between the drain electrode 4 and the source electrode 3). It referred to as - "drain source electrode between current") I DS is shown in Figure 16.
There is no significant difference between the drain-source electrode current I DS between the gate reference electrode-source electrode voltage V GS = 0.0 V and the gate reference electrode-source electrode voltage V GS = 0.5 V. This is presumably because the electric double layer is not sufficiently formed in the channel 27 when the gate reference electrode-source electrode voltage V GS is in the range of 0.0 V to 0.5 V.
Thereafter, it can be seen from FIG. 16 that when the gate reference electrode-source electrode voltage V GS becomes 1.0 V or more, the drain-source electrode current I DS flows better as the gate reference electrode-source electrode voltage V GS increases. . That is, when the gate reference electrode-source electrode voltage V GS is 0.5 V or higher, the gate reference electrode-source electrode voltage V GS increases in the order of 0.5 V, 1.0 V, 1.5 V, and 2.0 V. The resistance (V DS / I DS ) between the source electrode 3 and the drain electrode 4 decreases in the order of 2.0 × 10 2 Ω, 1.0 × 10 2 Ω, 55.5Ω, 21.1Ω, It can be seen that the FET 2 of the embodiment functions as a transistor.
Note that the on-resistance value of the FET 2 when the gate reference electrode-source electrode voltage V GS is 0.5 V, 1.0 V, 1.5 V, and 2.0 V is the actual gate width Wgate of the FET 2 used for the measurement, When converted to volume resistivity in consideration of thickness and gate length Lgate, 7.8 × 10 −2 , 4.0 × 10 −2 Ω · cm, 2.2 × 10 −2 Ω · cm, 8.0 × 10 −3 Ω · cm.
As described above, in the FET 2 of the second embodiment, when the drain-source electrode voltage V DS = 2.0 V and the gate reference electrode-source electrode voltage V GS = 2.0 V, the drain-source electrode current I DS = 95 mA / mm current, that is, a current of 0.1 ampere level can be controlled.
In the second embodiment, when no voltage is applied to the gate reference electrode 9, even if a voltage is applied between the source electrode 3 and the drain electrode 4, almost no current (so-called leak current) is generated in the channel 27. It does not flow (drain-source electrode voltage V DS = 2.0 V, gate reference electrode-source electrode voltage V GS = 2.0 V, drain-source electrode current I DS = about 10 mA or less). This is because in the FET 1 of the present invention, the CNTs of the channel 27 are arranged with an orientation in the gate width direction.
As described above, the FET 2 of the second embodiment can control a current of 0.1 ampere level while suppressing the leakage current.

以上説明したように、第二実施形態では、第一実施形態と同様に、電界効果トランジスタ2は、ソース電極3と、ドレイン電極4と、ゲート8と、ソース電極3とドレイン電極4との間に設けられた複数の長尺CNTからなるチャネル27と、を具備しており、チャネル27に用いられるCNTは、自立型のCNT(分散液を用いて加工されていないCNT)であるので、分散液を用いておらず、不純物がないため、導電特性がよく、分散液を用いたチャネル27よりもより大きな電流を制御することができる。さらに、ソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に直交するように配置されており、ソース電極3とドレイン電極4との間を金属性CNTが連続して接続していないため、リーク電流をより抑制できるという効果を有する。   As described above, in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the field effect transistor 2 includes the source electrode 3, the drain electrode 4, the gate 8, and the source electrode 3 and the drain electrode 4. Since the CNTs used for the channels 27 are self-standing CNTs (CNTs that have not been processed using a dispersion liquid), the dispersion is performed. Since no liquid is used and there are no impurities, the conductive characteristics are good, and a larger current can be controlled than in the channel 27 using a dispersion liquid. Furthermore, since it is arranged so as to be orthogonal to the straight line that is the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4, the metallic CNT is not continuously connected between the source electrode 3 and the drain electrode 4, It has an effect that the leakage current can be further suppressed.

要するに、第二実施形態では、自立型のCNT(分散液を用いて加工されていないCNT)が、ソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に直交するように配置されているため、0.1アンペアレベルの電流を制御することができるうえに、リーク電流の抑制も可能である電界効果トランジスタが実現される。   In short, in the second embodiment, self-standing CNTs (CNTs that have not been processed using the dispersion liquid) are arranged so as to be orthogonal to the straight line that is the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4. Thus, a field effect transistor capable of controlling a current of 0.1 ampere level and suppressing a leakage current is realized.

[第三実施形態]
本発明の第三実施形態に係る電界効果トランジスタについて説明する。
本発明の第三実施形態は、第一実施形態に係るFET1及び第二実施形態に係るFET2とは、チャネルとなるCNTの配向が更に異なっている。
すなわち、図示しないが、第三実施形態の電界効果トランジスタのチャネルは、そのCNTの束群の配向が、ソース電極3とドレイン電極4との最短距離となる直線に対して平行(第一実施形態)でも、直交(第二実施形態)でもなく、これらの中間の配向を有している。
このため、CNTの束群の中間の配向として、これを上記平行方向に近づければ、電界効果トランジスタでアンペアレベルの電流を制御することができるようになる一方で、その配向を上記直交方向に近づければ、0.1アンペアレベルの電流制御と低リーク電流を達成することができるようになる。
したがって、電界効果トランジスタに要求される仕様に応じて、チャネルとなるCNTの配向を適宜に選択すればよい。
なお、この場合の電界効果トランジスタの製法については、図9のステップS12において、CNTの束群の切り取りの形状や基板2上への固定の向きに関し、上記所望の配向が達成できるように適宜に調整を行えばよい。
以上により、第三実施形態に係る電界効果トランジスタにおいては、チャネルのCNTの配向を変えるだけで、電流値に特化した構成や、スイッチング作用に特化した構成を非常に簡便に提供することができる。
[Third embodiment]
A field effect transistor according to a third embodiment of the present invention will be described.
The third embodiment of the present invention is further different from the FET 1 according to the first embodiment and the FET 2 according to the second embodiment in the orientation of CNTs serving as channels.
That is, although not shown, the channel of the field effect transistor of the third embodiment is parallel to the straight line in which the orientation of the bundle group of CNTs is the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4 (first embodiment). ) Or orthogonal (second embodiment), but has an intermediate orientation between them.
For this reason, if the CNT bundle group has an intermediate orientation that is close to the parallel direction, the ampere level current can be controlled by the field effect transistor, while the orientation is set to the orthogonal direction. When approaching, current control of 0.1 ampere level and low leakage current can be achieved.
Therefore, the orientation of the CNT serving as a channel may be appropriately selected according to the specifications required for the field effect transistor.
In addition, regarding the manufacturing method of the field effect transistor in this case, in step S12 of FIG. 9, the CNT bundle group cut shape and the fixing direction on the substrate 2 are appropriately set so as to achieve the desired orientation. Adjustments can be made.
As described above, in the field effect transistor according to the third embodiment, it is possible to provide a configuration specialized for the current value and a configuration specialized for the switching action by simply changing the orientation of the channel CNT. it can.

なお、上述した本発明の各実施形態の製造手順において、ステップS15とステップS16との間で、ソース電極3とドレイン電極4との間に比較的大きな電圧を印加してCNTからなるチャネル27に比較的大きな電流を流すことで、金属性CNTを選択除去し、チャネル27における金属性CNTの比率を下げるイニシャライズ処理を行うことは、適宜、行うことができる。   In the manufacturing procedure of each embodiment of the present invention described above, a relatively large voltage is applied between the source electrode 3 and the drain electrode 4 between the step S15 and the step S16, and the channel 27 made of CNT is applied. It is possible to appropriately perform the initializing process for selectively removing the metallic CNTs and reducing the ratio of the metallic CNTs in the channel 27 by flowing a relatively large current.

さらに、金属性CNTを選択的に除去し、半導体性CNTのみのCNTをチャネル27として用いることもできる。この場合、金属性CNTを全て焼ききる程の大きな電圧を印加するようなイニシャライズが必要となる。この半導体性CNTのみからなるCNTをチャネル27に用いることにより、リーク電流を抑制することができる。   Furthermore, it is possible to selectively remove metallic CNTs and use only semiconducting CNTs as the channel 27. In this case, it is necessary to initialize such that a voltage large enough to burn all the metallic CNTs is applied. Leakage current can be suppressed by using CNTs made only of this semiconducting CNT for the channel 27.

以上、本発明の実施形態について説明したが、この実施形態は、例示に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明はその他の様々な実施形態を取ることが可能であり、さらに、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、本明細書等に記載された発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this embodiment is only an illustration and does not limit the technical scope of this invention. The present invention can take other various embodiments, and various modifications such as omission and replacement can be made without departing from the gist of the present invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention described in this specification and the like, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1・・・電界効果トランジスタ
2・・・基板
3・・・ソース電極
4・・・ドレイン電極
5・・・導電性樹脂
6・・・絶縁性樹脂
7・・・チャネル
8・・・ゲート
9・・・ゲート参照電極
10・・・配線
11・・・半導体性CNT
12・・・金属性CNT
13・・・ゲート絶縁層
14・・・分散溶媒
15・・・界面活性剤
16・・・金属微粒子
17・・・欠陥のあるCNT
18・・・電子(正孔)の移動方向
19・・・電気二重層
20・・・壁
30・・・プラズマCVD装置
31・・・チャンバー
32・・・基板加熱部
33・・・基板
34・・・基板ホルダ
35・・・マイクロ波導波管
36・・・アンテナ
37・・・原料ガス
38・・・原料ガス導入部
39・・・原料ガス排出部
40・・・触媒
41・・・先端部
42・・・プラズマ発生領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Field effect transistor 2 ... Substrate 3 ... Source electrode 4 ... Drain electrode 5 ... Conductive resin 6 ... Insulating resin 7 ... Channel 8 ... Gate 9. ..Gate reference electrode 10 ... wiring 11 ... semiconductor CNT
12 ... Metal CNT
13 ... Gate insulating layer 14 ... Dispersing solvent 15 ... Surfactant 16 ... Metal fine particle 17 ... Defective CNT
18 ... Electron (hole) moving direction 19 ... Electric double layer 20 ... Wall 30 ... Plasma CVD apparatus 31 ... Chamber 32 ... Substrate heating unit 33 ... Substrate 34 ..Substrate holder 35 ... microwave waveguide 36 ... antenna 37 ... source gas 38 ... source gas introduction part 39 ... source gas discharge part 40 ... catalyst 41 ... tip part 42 ... Plasma generation region

Claims (5)

ソース電極と、ドレイン電極と、ゲートと、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたチャネルと、を具備する半導体装置の製造方法であって、
密度が1.0×10本/cm以上であるカーボンナノチューブの束群が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の最短距離をなす直線に対して所定の方向に配向するように、前記チャネルとして基板上に配置される工程と、
前記基板上に、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、前記ゲートと、が形成される工程と、
からな
前記カーボンナノチューブの束群は、下記の要件(d)乃至(f)を満たすよう製造されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(d)前記カーボンナノチューブの束群は、以下の式(2)を満たす
Wgate≦Lcnt (2)
前記の式(2)において、
Wgateは、前記ゲートの幅を示し、
Lcntは、前記カーボンナノチューブの束群を構成するカーボンナノチューブ平均長さを示す数字である。
(e)前記カーボンナノチューブの束群の密度は、1.0×10 〜1.0×10 12 本/cm であること。
(f)前記カーボンナノチューブの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交すること。
A method of manufacturing a semiconductor device comprising a source electrode, a drain electrode, a gate, and a channel provided between the source electrode and the drain electrode,
A bundle of carbon nanotubes having a density of 1.0 × 10 9 pieces / cm 2 or more is oriented in a predetermined direction with respect to a straight line forming the shortest distance between the source electrode and the drain electrode. Being disposed on a substrate as the channel;
Forming the source electrode, the drain electrode, and the gate on the substrate;
Tona is,
The carbon nanotube bundle group is manufactured so as to satisfy the following requirements (d) to (f) .
(D) The bundle of carbon nanotubes satisfies the following formula (2):
Wgate ≦ Lcnt (2)
In the above formula (2),
Wgate indicates the width of the gate;
Lcnt is a number indicating the average length of carbon nanotubes constituting the bundle group of carbon nanotubes.
(E) The density of the carbon nanotube bundle group is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pieces / cm 2 .
(F) The orientation of the bundle of carbon nanotubes is orthogonal to the straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.
前記ゲートは、液体電解質からなるように製造される、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the gate is manufactured to be made of a liquid electrolyte. 前記カーボンナノチューブの束群を用意する工程において、先端放電型ラジカルCVD法によってカーボンナノチューブの束群を準備する工程を含む、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。 In preparing a bundle group of the carbon nanotube manufacturing method of the tip discharge type radical containing CVD method to prepare the bundle group of carbon nanotubes by step, the semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized . ソース電極と、ドレイン電極と、ゲートと、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられたチャネルと、を具備する半導体装置であって、
密度が1.0×10本/cm以上であるカーボンナノチューブの束群が前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の最短距離をなす直線に対して所定の方向に配向するように、前記チャネルとして基板上に配置され、
前記基板上に、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、前記ゲートと、が形成され、
前記カーボンナノチューブの束群は、下記の要件(d)乃至(f)を満たす、ことを特徴とする半導体装置。
(d)前記カーボンナノチューブの束群は、以下の式(2)を満たす
Wgate≦Lcnt (2)
前記の式(2)において、
Wgateは、前記ゲートの幅を示し、
Lcntは、前記カーボンナノチューブの束群を構成するカーボンナノチューブの平均長さを示す数字である。
(e)前記カーボンナノチューブの束群の密度は、1.0×10 〜1.0×10 12 本/cm であること。
(f)前記カーボンナノチューブの束群の配向は、ソース電極3とドレイン電極4との間の最短距離をなす直線に対して直交すること。
A semiconductor device comprising a source electrode, a drain electrode, a gate, and a channel provided between the source electrode and the drain electrode,
The bundle of carbon nanotubes having a density of 1.0 × 10 9 pieces / cm 2 or more is oriented in a predetermined direction with respect to a straight line forming the shortest distance between the source electrode and the drain electrode. Placed on the substrate as a channel,
On the substrate, the source electrode, the drain electrode, and the gate are formed,
The bundle of carbon nanotubes satisfies the following requirements (d) to (f):
(D) The bundle of carbon nanotubes satisfies the following formula (2):
Wgate ≦ Lcnt (2)
In the above formula (2),
Wgate indicates the width of the gate;
Lcnt is a number indicating the average length of the carbon nanotubes constituting the bundle of carbon nanotubes.
(E) The density of the carbon nanotube bundle group is 1.0 × 10 9 to 1.0 × 10 12 pieces / cm 2 .
(F) The orientation of the bundle of carbon nanotubes is orthogonal to the straight line forming the shortest distance between the source electrode 3 and the drain electrode 4.
前記ゲートは、液体電解質からなる、ことを特徴とする請求項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4 , wherein the gate is made of a liquid electrolyte.
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