JP6621498B2 - 半導体構造及び半導体部品 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体構造及び半導体部品に関する。
最近、ファンデルワールスヘテロ接合構造が新しい研究領域となっている。ファンデルワールスヘテロ接合構造が、異なる性質（電気学及び熱学など）を持つ二次元材料を積み上げることを通じて、組み合わせて、形成される新しい材料の性質を人工的に調節できる。層と層との間の弱いファンデルワールス力により、隣接する層に結晶格子が必ずしもマッチングしなければならない制限を受けない。しかも、成分の移行は無いので、形成されるヘテロ接合構造が原子スケールの急であるキャリアー（ポテンシャル場）勾配を有して、遷移金属の硫化物を代表とする非グラフェンの二次元の層状材料が通常に２種類のエネルギー帯関係を形成できるので、それらを基礎として形成されるヘテロ接合構造が非常に強いキャリアーの分離能力を有する。また、ヘテロ接合構造が極めて薄い厚さ及び特別な二次元の構造を有するので、ゲート電極の応答能力を有して、伝統的なマイクロエレクトロニクス加工工程及び柔らかい基板と互換性を有する。
これによって、半導体構造及び半導体部品を提供する必要がある。
半導体層、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含み、半導体層の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルであり、半導体層が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含み、カーボンナノチューブが半導体層の第一表面に設置され、導電フィルムが堆積する方法によって、半導体層の第二表面に形成され、半導体層をカーボンナノチューブと導電フィルムとの間に設置させ、カーボンナノチューブ、半導体層及び導電フィルムが積層して、多層の立体構造を形成する。
前記カーボンナノチューブが金属性のカーボンナノチューブである。
多層の立体構造の横方向断面の面積が１ｎｍ２〜１００ｎｍ２である。
半導体層の厚さが１ナノメートル〜２００ナノメートルである。
第一電極、第二電極、半導体構造及び第三電極を含み、半導体構造が第一電極及び第二電極と電気的に接続され、第三電極が絶縁層を通じて、半導体構造、第一電極及び第二電極と絶縁して設置される半導体部品において、半導体構造は、半導体層、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含み、半導体層の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルであり、半導体層が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含み、カーボンナノチューブが半導体層の第一表面に設置され、導電フィルムが堆積する方法によって、半導体層の第二表面に形成され、半導体層をカーボンナノチューブと導電フィルムとの間に設置させ、カーボンナノチューブ、半導体層及び導電フィルムが積層して、多層の立体構造を形成し、カーボンナノチューブが絶縁層の表面に設置され、絶縁層をカーボンナノチューブと第三電極との間に位置させる。
従来技術と比べて、本発明は、新型の半導体構造及び半導体部品を提供する。半導体構造及び半導体部品が未来のナノ電子工学及びナノ光電子工学の領域に巨大な応用潜在力を有する。
本発明の第一実施例の半導体構造の構造を示す図である。 本発明の第一実施例の半導体構造の側面を示す図である。 本発明の第二実施例の半導体部品の立体構造を示す図である。 本発明の第二実施例の半導体部品がトランジスタに応用される場合、ゲート電極の電圧が異なる時、トランジスタの伝達特性を示すグラフである。 本発明の第二実施例の半導体部品がトランジスタに応用される場合、ゲート電極の電圧が異なる時、トランジスタの出力特性を示すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１及び図２を参照すると、本発明の第一実施例は、半導体構造１００を提供する。半導体構造１００は、カーボンナノチューブ１０２、半導体層１０４及び導電フィルム１０６を含む。カーボンナノチューブ１０２が第一方向に沿って延伸する。半導体層１０４の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルである。導電フィルム１０６が半導体層１０４の表面に設置され、半導体層１０４をカーボンナノチューブ１０２と導電フィルム１０６との間に設置させる。半導体層１０４が第一表面及び第二表面を含み、第一表面及び第二表面が対向して設置される。カーボンナノチューブ１０２が半導体層１０４の第一表面に設置され、第一表面と直接的に接触される。半導体構造１００が一つのカーボンナノチューブ１０２のみを含み、一つのカーボンナノチューブ１０２が半導体層１０４の第一表面に設置される。
カーボンナノチューブ１０２は、金属性のカーボンナノチューブである。カーボンナノチューブ１０２の直径は制限されず、０．５ナノメートル〜１５０ナノメートルであり、ある実施例において、カーボンナノチューブ１０２の直径が１ナノメートル〜１０ナノメートルである。好ましくは、カーボンナノチューブ１０２が単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートル〜５ナノメートルである。本実施例において、カーボンナノチューブ１０２が金属性の単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートルである。
半導体層１０４は、二次元構造の半導体層である。即ち、半導体層１０４の厚さが小さくて、半導体層の厚さが１ナノメートル〜２００ナノメートルである。好ましくは、半導体層１０４の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルである。半導体層１０４が一層の半導体材料のみを含んでもよい。即ち、半導体層１０４が単層の構造である。半導体層１０４は、Ｐ型半導体又はＮ型半導体である。半導体層１０４の材料は制限されず、無機化合物半導体、元素半導体又は有機半導体であり、例えば、ガリウムヒ素、炭化ケイ素、多結晶シリコン、単結晶シリコン又はナフタレンなどである。ある実施例において、半導体層１０４の材料は、遷移金属硫化物である。本実施例において、半導体層１０４の材料がＮ型半導体である硫化モリブデン（ＭＯＳ２）であり、その厚さが１８ナノメートルである。他の実施例において、半導体層１０４の材料がセレン化タングステン（ＷＳｅ２）であり、その厚さが２２ナノメートルである。
導電フィルム１０６の材料は、導電材料である。具体的には、導電フィルム１０６の材料が金属、導電性ポリマー又はＩＴＯである。導電フィルム１０６が半導体層１０４の第二表面に直接的に堆積される。導電フィルム１０６が半導体層１０４の第二表面に堆積される具体的な方法は、制限されず、イオンスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法又は他のフィルムをコーティングする方法であってもよい。導電フィルム１０６の厚さは制限されず、５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。ある実施例では、導電フィルム１０６の厚さが５ナノメートル〜１００ナノメートルである。ある実施例では、導電フィルム１０６の厚さが５ナノメートル〜２０ナノメートルである。導電フィルム１０６の形状は制限されず、長手形状、線形、方形などの形状である。本実施例において、導電フィルム１０６の形状が長手形状である。
カーボンナノチューブ１０２、半導体層１０４及び導電フィルム１０６が積層して、多層の立体構造１１０を形成する。カーボンナノチューブ１０２のサイズが半導体層１０４及び導電フィルム１０６のサイズより小さいので、多層の立体構造１１０の断面の面積がカーボンナノチューブ１０２の直径及び長さによって決まる。カーボンナノチューブ１０２がナノ材料であるので、多層の立体構造１１０の断面の面積もナノスケールである。多層の立体構造１１０は、横方向断面及び縦方向断面を定義して、横方向断面が半導体層１０４の表面に平行する断面であり、縦方向断面が半導体層１０４の表面に垂直する断面である。横方向断面の面積がカーボンナノチューブ１０２の直径及び長さによって決まる。縦方向断面の面積がカーボンナノチューブ１０２の長さ及び多層の立体構造１１０の厚さによって決まる。カーボンナノチューブ１０２のサイズが半導体層１０４及び導電フィルム１０６のサイズより小さいので、多層の立体構造１１０の横方向断面及び縦方向断面の面積がとても小さく、多層の立体構造１１０の体積も小さい。好ましくは、多層の立体構造１１０の横方向断面の面積は、０．２５ｎｍ２〜１０００ｎｍ２である。更に好ましくは、多層の立体構造１１０の横方向断面の面積は、１ｎｍ２〜１００ｎｍ２である。
カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６と二次元の半導体層１０４は、多層の立体構造１１０にファンデルワールスヘテロ接合構造が形成される。応用する時には、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６が半導体層１０４の対向する二つの表面に設置される電極であると見られ、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６にバイアス電圧を印加して、半導体構造１００がオン状態になる。この時に、電流が多層の立体構造１１０の横方向断面を流れ、半導体構造１００の有効部分が多層の立体構造１１０である。半導体構造１００の全体のサイズが多層の立体構造１１０の体積より大きればよい。従って、半導体構造１００が小さいサイズを有することができ、多層の立体構造１１０を含めばよい。半導体構造１００はナノスケールの半導体構造となる。半導体構造は、低いエネルギー消費、ナノスケールのサイズ及びより高い集積度を持つ。
本発明の半導体構造はカーボンナノチューブに基づく非対称のファンデルワールスヘテロ接合構造（ＣＣＶＨ）である。半導体構造における半導体層は、二次元の構造であり、非対称にカーボンナノチューブ１０２と導電フィルム１０６との間に挟まれる。半導体層１０４が一種の半導体材料のみを含むことができる。半導体構造がトランジスタに用いられる時に、高いオン／オフ比（１０５より大きい）及び大きな電流密度（１０５Ａ／ｃｍ２）を有して、論理電路の要求を満足することができる。本発明において、カーボンナノチューブが半導体層の第一表面と接触して、導電フィルムが半導体層の第二表面と接触して、カーボンナノチューブ及び導電フィルムが二次元の半導体層との非対称接触は、ファンデルワールスヘテロ接合構造により優れる輸送性能を持たせる。半導体構造がトランジスタに用いられる時に、ファンデルワールスヘテロ接合構造が対向して設置されるソース電極とドレイン電極のバイアス箇所に非対称の出力特性を表現する。輸送性能の多様性は、主にカーボンナノチューブのフェルミエネルギーが変調されやすいこと及び、カーボンナノチューブ及び導電フィルムが二次元の半導体層との非対称接触することの影響を受ける。且つ、カーボンナノチューブ電極は、電子型電気伝導又は正孔型電気伝導に適用する。半導体構造の調節できる機能及び半導体構造がより小さいサイズを有することは、カーボンナノチューブを含む非対称接触のファンデルワールスヘテロ接合構造を有する半導体構造に独立性を持たせる。未来のナノ電子工学及びナノ光電子工学の領域に巨大な潜在力を有する。
図３を参照すると、本発明の第二実施例は、半導体部品２００を提供する。半導体部品２００は、第一電極２０２、第二電極２０４、半導体構造１００及び第三電極２０８を含む。半導体構造１００が第一電極２０２及び第二電極２０４と電気的に接続される。第三電極２０８が絶縁層２１０を通じて、半導体構造１００、第一電極２０２及び第二電極２０４と絶縁して設置される。半導体構造１００の具体的な構造が第一実施例の半導体構造１００の構造と同じであり、ここで詳しく説明しない。
半導体部品２００において、第三電極２０８が絶縁層２１０と積層して設置され、半導体構造１００が絶縁層２１０の表面に設置され、絶縁層２１０を第三電極２０８と半導体構造１００との間に位置させる。半導体構造１００において、カーボンナノチューブ１０２が直接的に絶縁層２１０の表面に設置され、半導体層１０４がカーボンナノチューブ１０２の上方に設置され、カーボンナノチューブ１０２を半導体層１０４と絶縁層２１０との間に位置させ、導電フィルム１０６が半導体層１０４の上方に位置する。
第一電極２０２及び第二電極２０４が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。第一電極２０２及び第二電極２０４も導電フィルムであってもよく、導電フィルムの厚さが２マイクロメートル〜１００マイクロメートルである。本実施例において、第一電極２０２及び第二電極２０４が金であり、金層の厚さが５０ナノメートルである。本実施例において、第一電極２０２は、カーボンナノチューブ１０２と電気的に接続され、カーボンナノチューブ１０２の一端に設置され、カーボンナノチューブ１０２の表面と緊密に接触する。即ち、金層がカーボンナノチューブ１０２の表面に設置される。第二電極２０４は、導電フィルム１０６と電気的に接続され、導電フィルム１０６の一端に設置され、導電フィルム１０６の表面と緊密に接触する。即ち、金層が導電フィルム１０６の表面に設置される。
絶縁層２１０の材料が絶縁材料であり、その厚さが１ナノメートル〜１００マイクロメートルである。絶縁層２１０がカーボンナノチューブ１０２と第三電極２０８とを、間隔を置いて、絶縁的に設置させる。本実施例において、絶縁層の材料が酸化シリコンである。
第三電極２０８が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。本実施例において、第三電極２０８が層状の構造であり、絶縁層２１０が第三電極２０８の表面に設置され、第一電極２０２、第二電極２０４及び半導体構造１００が絶縁層２１０に設置され、第三電極２０８及び絶縁層２１０に支持される。本実施例において、カーボンナノチューブ１０２が直接的に絶縁層２１０の表面に設置され、カーボンナノチューブ１０２が第三電極２０８に接近し、導電フィルム１０６が第三電極２０８から離れ、導電フィルム１０６は半導体層１０４及び第三電極２０８に遮蔽効果を形成することができない。従って、半導体部品２００が応用される時には、第三電極２０８が半導体構造１００を制御できる。
半導体部品２００において、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６と半導体層１０４との間にヘテロ接合構造が形成される。即ち、多層の立体構造１１０の内部にヘテロ接合構造が形成される。本実施例の半導体部品２００がトランジスタであり、第一電極２０２がドレイン電極であり、第二電極２０４がソース電極であり、第三電極２０８がゲート電極である。第三電極２０８に異なるバイアス電圧を印加することを通じて、ヘテロ接合構造のバリヤーの高さを変更して、第一電極２０２と第二電極２０４との間の電流の大きさを制御するようになる。本実施例において、半導体層１０４の材料がｎ型半導体の硫化モリブデンであり、第一電極２０２及び第二電極２０４のバイアス電圧が決められる時には、第三電極２０８の電圧がプラスである時、多層の立体構造１１０の内部にショットキー接合のバリヤーが低くなり、第一電極２０２と第二電極２０４がオン状態になり、電流が第一電極２０２、カーボンナノチューブ１０２、多層の立体構造１１０、導電フィルム１０６及び第二電極２０４を流れる。第三電極２０８の電圧がマイナスである時、ヘテロ接合構造のバリヤーが高くなり、第一電極２０２と第二電極２０４との間に流れる電流は無く、オフ状態になる。図４を参照すると、トランジスタのオンオフ比が１０６に達する。図５を参照すると、トランジスタから出力する電流が大きくなり（電流密度が１０５Ａ／ｃｍ２以上である）、トランジスタが論理電路の要求を満足することができる。
１００ 半導体構造
１０２ カーボンナノチューブ
１０４ 半導体層
１０６ 導電フィルム
１１０ 多層の立体構造
２００ 半導体部品
２０２ 第一電極
２０４ 第二電極
２０８ 第三電極
２１０ 絶縁層

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  1. 半導体層、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含み、前記半導体層の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルであり、前記半導体層が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含み、前記カーボンナノチューブが前記半導体層の第一表面に設置され、前記導電フィルムは堆積する方法によって、前記半導体層の第二表面に形成され、該半導体層を前記カーボンナノチューブと前記導電フィルムとの間に設置させ、前記カーボンナノチューブ、前記半導体層及び前記導電フィルムが積層することにより、多層の立体構造が形成され、前記カーボンナノチューブ及び前記導電フィルムと前記半導体層との非対称的な接触が前記多層の立体構造にヘテロ接合構造を形成することを特徴とする半導体構造。
  2. 前記カーボンナノチューブが金属性のカーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体構造。
  3. 前記多層の立体構造の前記半導体層の表面に平行する断面の面積が１ｎｍ２〜１００ｎｍ２であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体構造。
  4. 第一電極、第二電極、半導体構造及び第三電極を含み、前記半導体構造が前記第一電極及び前記第二電極と電気的に接続され、前記第三電極が絶縁層を通じて、前記半導体構造、前記第一電極及び前記第二電極と絶縁して設置される半導体部品において、
    前記半導体構造は、半導体層、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含み、前記半導体層の厚さが１ナノメートル〜１００ナノメートルであり、前記半導体層が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含み、前記カーボンナノチューブが前記半導体層の第一表面に設置され、前記導電フィルムが堆積する方法によって、前記半導体層の第二表面に形成されて、該半導体層を前記カーボンナノチューブと前記導電フィルムとの間に設置させ、前記カーボンナノチューブ、前記半導体層及び前記導電フィルムが積層することにより、多層の立体構造が形成され、前記カーボンナノチューブ及び前記導電フィルムと前記半導体層との非対称的な接触が前記多層の立体構造にヘテロ接合構造を形成し、
    前記カーボンナノチューブが前記絶縁層の表面に設置されて、前記絶縁層を前記カーボンナノチューブと前記第三電極との間に位置させることを特徴とする半導体部品。
  5. 前記カーボンナノチューブが金属性のカーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項４に記載の半導体部品。
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