JP6621499B2 - 半導体素子及び半導体部品 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子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、ファンデルワールスヘテロ接合構造を含む新型の半導体素子及び半導体部品を提供する必要がある。
半導体素子は、半導体構造、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含む。前記半導体構造が積層して設置されるP型半導体層及びN型半導体層を含み、前記半導体構造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む。前記カーボンナノチューブが前記半導体構造の第一表面に設置される。前記導電フィルムが堆積する方法によって、前記半導体構造の第二表面に形成され、該半導体構造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、前記半導体構造及び前記導電フィルムが積層して、多層の立体構造が形成される。
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。
前記多層の立体構造の横方向断面の面積が1nm〜100nmである。
前記半導体構造の厚さが1ナノメートル〜100ナノメートルである。
半導体部品は、第一電極、第二電極、第三電極及び半導体素子を含む。前記半導体素子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、前記半導体素子、前記第一電極及び前記第二電極と絶縁して設置される。前記半導体素子は、上記の半導体素子である。前記第一電極が前記カーボンナノチューブと電気的に接続され、前記第二電極が前記導電フィルムと電気的に接続される。
従来技術と比べて、本発明は、新型の半導体素子及び半導体部品を提供する。半導体素子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素子の構造を示す図である。 本発明の第一実施例の半導体素子の側面を示す図である。 本発明の他の実施例の半導体素子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応用される時の特性グラフである。
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、半導体素子100を提供する。半導体素子100は、カーボンナノチューブ102、半導体構造104及び導電フィルム106を含む。カーボンナノチューブ102が半導体構造104の表面に設置される。半導体構造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が半導体構造104の表面に設置され、半導体構造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。半導体構造104がP型半導体層104a及びN型半導体層104bを含む。P型半導体層104a及びN型半導体層104bが積層して設置される。半導体構造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の直径が制限されず、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。カーボンナノチューブ102が半導体構造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104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が半導体構造104の第一表面に設置される。
半導体構造104は、二次元構造の半導体層である。即ち、半導体構造104の厚さが小さくて、半導体構造104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、半導体構造104の厚さが1ナノメートル〜100ナノメートルである。半導体構造104がP型半導体層104a及びN型半導体層104bを含み、P型半導体層104a及びN型半導体層104bが積層して設置される。半導体構造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。図2を参照すると、第一表面がP型半導体層104aの表面であり、第二表面がN型半導体層104bの表面である。カーボンナノチューブ102がP型半導体層104aの表面に設置され、導電フィルム106がN型半導体層104bの表面に設置される。
図3を参照すると、他の実施例において、第一表面がN型半導体層104bの表面であり、第二表面がP型半導体層104aの表面である。カーボンナノチューブ102がN型半導体層104bの表面に設置され、導電フィルム106がP型半導体層104aの表面に設置される。P型半導体層104a及びN型半導体層104bの材料が制限されず、無機化合物半導体、元素半導体、有機半導体又はこれらの材料がドープされた材料である。本実施例において、P型半導体層104aの材料がセレン化タングステン(WSe)であり、その厚さが6ナノメートルであり、N型半導体層104bの材料が硫化モリブデン(M)であり、その厚さが2.6ナノメートルである。カーボンナノチューブ102がN型半導体層104bの表面に設置され、導電フィルム106がP型半導体層104aの表面に設置される。
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が半導体構造104の第二表面に直接的に堆積される。導電フィルム106が半導体構造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の厚さが制限されず、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の形状が制限されず、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は、材料が金属であり、形状が長手形状である。
カーボンナノチューブ102、半導体構造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のサイズが半導体構造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構造104の表面に平行する断面であり、縦方向断面が半導体構造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。好ましくは、多層の立体構造110の横方向断面の面積は、0.25nm〜1000nm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、1nm〜100nmである。
カーボンナノチューブ102及び導電フィルム106と半導体構造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を形成する。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が半導体構造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、半導体素子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て、半導体素子100の有効部分が多層の立体構造110である。半導体素子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、半導体素子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。半導体素子100はナノスケールの半導体素子となる。半導体素子は、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。
本発明の半導体素子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。半導体構造がP−N接合を含み、カーボンナノチューブ及び導電フィルムがそれぞれP−N接合の二つの電極とする。カーボンナノチューブ及び導電フィルムに電圧を印加することによって、半導体素子が一方向オン状態になる。本実施例において、カーボンナノチューブが半導体構造の第一表面と接触し、導電フィルムが半導体構造の第二表面と接触し、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。半導体素子がトランジスタに用いられる時に、ゲート電極の電圧を制御することによって、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、主に半導体素子100がカーボンナノチューブ102で背面電極とするからである。カーボンナノチューブが特別な幾何学的形状及びエネルギーバンド構造を有するので、カーボンナノチューブのフェルミエネルギーがゲート電極に変調されやすい。従って、半導体素子が独特の性能を表現する。本発明の半導体素子は、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4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、半導体素子100及び第三電極208を含む。半導体素子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、半導体素子100、第一電極202及び第二電極204と絶縁して設置される。半導体素子100の具体的な構造が第一実施例の半導体素子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、半導体素子100が絶縁層210の表面に設置され、絶縁層210を第三電極208と半導体素子100との間に位置させる。半導体素子100において、カーボンナノチューブ102が絶縁層210の表面に直接的に設置され、半導体構造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を半導体構造104と絶縁層210との間に位置させ、導電フィルム106が半導体構造104の上方に位置する。本実施例において、カーボンナノチューブ102は、絶縁層210の表面に直接的に設置され、第三電極208に接近して、第三電極208が半導体素子100を制御することができる。また、導電フィルム106が第三電極208から離れるので、導電フィルム106は半導体構造104及び第三電極208に遮蔽効果を生成することができず、半導体部品200が作動できないことを防止するようになる。
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が金及びチタンからなる金属複合構造であり、具体的には、金属複合構造が金層及びチタン層からなり、金層がチタン層の表面に設置される。チタン層の厚さが5ナノメートルであり、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。チタン層がカーボンナノチューブ102の表面に設置され、金層がチタン層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。チタン層が導電フィルム106の表面に設置され、金層がチタン層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及び半導体素子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。
本実施例の半導体部品200は、カーボンナノチューブ102が背面電極として、絶縁層210に直接的に設置され、ゲート電極としての第三電極208と絶縁層210のみが隔てられ、カーボンナノチューブ102が特別な性能を有するので、ゲート電極によって、半導体素子100のオン状態を調節でき、半導体素子100に非対称の出力特性を表現させる。本実施例において、カーボンナノチューブ102がN型半導体層104bの表面に設置され、導電フィルム106がP型半導体層104aの表面に設置され、P型半導体層104aは、厚さが6ナノメートルであるWSeであり、N型半導体層104bは、厚さが2.6ナノメートルであるMoSであり、第一電極がアースされる。図5を参照すると、第二電極204の電圧が−1ボルトから1ボルトに変化し、第三電極208の電圧が−12ボルトである時に、半導体素子100がP−N接合の特性を表現して、第三電極208の電圧が10ボルトである時に、半導体素子100がN−N接合の特性を表現する。
100 半導体素子
102 カーボンナノチューブ
104 半導体構造
104a P型半導体層
104b N型半導体層
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

Claims (5)

  1. 半導体構造、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含む半導体素子において、
    前記半導体構造が積層して設置されるP型半導体層及びN型半導体層を含み、前記半導体構造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構造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、前記半導体構造の第二表面に形成され、該半導体構造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、前記半導体構造及び前記導電フィルムが積層して、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構造との非対称的な接触により前記多層の立体構造においてヘテロ接合構造が形成されることを特徴とする半導体素子。
  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に記載の半導体素子。
  3. 前記多層の立体構造の前記半導体構造の表面に平行する断面の面積が1nm〜100nmであることを特徴とする、請求項1に記載の半導体素子。
  4. 前記半導体構造の厚さが1ナノメートル〜100ナノメートルであることを特徴とする、請求項1に記載の半導体素子。
  5. 第一電極、第二電極、第三電極及び半導体素子を含み、前記半導体素子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、前記半導体素子、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、
    前記半導体素子は、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の半導体素子であり、
    前記第一電極が前記カーボンナノチューブと電気的に接続され、前記第二電極が前記導電フィルムと電気的に接続されることを特徴とする半導体部品。
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