(57)【要約】【課題】本発明は、カーボンナノチューブをチャネルに用いてソース電極とドレイン電極との間に０．１アンペアレベルの電流を制御することができ、かつこれを制御可能な電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】電界効果トランジスタ１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カーボンナノチューブの束群のみからなるチャネル７と、を具備している。チャネル７のカーボンナノチューブの束群は、同一方向に配向した複数本のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブの束の集合体であり、集合体自体としても配向性を有しており、前記ソース電極と前記ドレイン電極とを結ぶ最短距離の直線に対して直交方向に配向し、前記カーボンナノチューブ群を構成するカーボンナノチューブの平均長さ（Ｌｃｎｔ）がゲート幅（Ｗｇａｔｅ）以上である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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同一方向に配向した複数本のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ束の集合体であり、集合体自体としても配向性を有しているカーボンナノチューブの束群からなるチャネルと、を具備する電界効果トランジスタであって、
前記カーボンナノチューブの束群は、前記ソース電極と前記ドレイン電極とを結ぶ最短距離の直線に対して直交方向に配向し、かつ、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（Ｌｃｎｔ）がゲート幅（Ｗｇａｔｅ）以上である、
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブの束群は、隣接するカーボンナノチューブ同士との接点を介して、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を接続するものを含む、
ことを特徴とする、請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
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１又は請求項２に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブの密度は、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２である、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブは、先端放電型ラジカルＣＶＤ法によって合成された、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
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カーボンナノチューブの束群からなるチャネルと、を具備する電界効果トランジスタの製造方法であって、
先端放電型ラジカルＣＶＤ法によって前記カーボンナノチューブの束群を合成し、
基板上に、前記ソース電極と、前記ドレイン電極と、前記カーボンナノチューブの束群と、液体電解質からなるゲートと、を形成し、
前記カーボンナノチューブの束群は、同一方向に配向した複数本のカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ束の集合体であり、集合体自体としても配向性を有しており、前記ソース電極と前記ドレイン電極とを結ぶ最短距離の直線に対して直交方向に配向し、かつ、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（Ｌｃｎｔ）がゲート幅（Ｗｇａｔｅ）以上である
ことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項７】
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６に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に好適なカーボンナノチューブの束群を用いた電界効果トランジスタ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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１．５×１０４ｃｍ２／Ｖ・ｓであるのに比べて、ＣＮＴの電子移動度は約１．０×１０５ｃｍ２／Ｖ・ｓであり、１０倍程度大きい。
【０００４】
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。
【０００５】
このため、ＣＮＴを用いた従来のＦＥＴでは、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本の短尺ＣＮＴをソース電極とドレイン電極との間に分散させたチャネルによって、ソース電極とドレイン電極とを接続する方法が採られてきた（例えば、特許文献１及び特許文献２）。
【０００６】
このような特許文献１及び特許文献２に記載されたトランジスタは、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をソース電極とドレイン電極との間に分散させたチャネル構造を有する。
そして、特許文献１及び特許文献２のチャネルは、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ものであるので、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かった。
【０００７】
チャネルの抵抗を下げ、導電特性を向上させるためには、チャネルの半導体が規則正しく配置されていることが望ましい。特許文献３に記載されたトランジスタは、電子（正孔）の輸送方向に対して、直交する向きに金ナノロッドからなるチャネルを配置している。しかし、チャネルが金ナノロッドであるため、ＣＮＴに比べると電子（正孔）移動度が小さく、０．１アンペアレベルの電流を制御することができない。
【０００８】
また、一般的に、チャネルを高い電子（正孔）移動度の材料への置換する、若しくはチャネルの断面積を増やす等の手法によって、オン時の電流を上げようとすると、その分だけオフ時のリーク電流が増加する傾向がある。
【０００９】
このように、チャネルの抵抗値を下げて、チャネルに大電流を制御するという要求と、リーク電流を抑制しなければならないという制約と、を同時に満たすトランジスタを作成することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４６６６２７０号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／０９００２９号
【特許文献３】特許第４６３５４１０号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、配向性を有するＣＮＴ束群のみからなるチャネルを用いて、優れたスイッチング作用を保持しつつ、０．１アンペアオーダーの電流を制御可能な電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（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ＣＮＴの束群からなるチャネルと、を具備する電界効果トランジスタであって、前記ＣＮＴの束群は、同一方向に配向した複数本のＣＮＴからなるＣＮＴ束の集合体であり、ＣＮＴの束群自体としても配向性を有しており、前記ソース電極と前記ドレイン電極とを結ぶ最短距離の直線に対して直交方向に配向し、かつ、前記ＣＮＴの束群を構成するＣＮＴの平均長さ（Ｌｃｎｔ）がゲート幅（Ｗｇａｔｅ）以上である、ことを特徴とする。
（１）の発明によれば、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することができる。
【００１３】
（２）本発明は、前記ＣＮＴの束群は、隣接するＣＮＴ同士との接点を介して、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間を接続するものを含む、ことを特徴とする。
（２）の発明によれば、従来の分散液を用いたチャネル（後述する図５（ａ））に比べて、キャリア輸送の障害となる分散液を含まず、高い電子移動度を有するＣＮＴのみでチャネルが構成させるため導電性が高く、より大きい電流を制御することができる。
【００１４】
（３）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。
（３）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、スイッチング素子としての応答性が向上する。
【００１５】
（４）本発明は、前記ＣＮＴの束群を形成するＣＮＴの密度は、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２である、ことを特徴とする。
（４）の発明によれば、チャネルの本数及び断面積が従来のものに比べて飛躍的に増大する点に加え、同一方向に配向した複数本のＣＮＴからなるＣＮＴ束の集合体であり、ＣＮＴの束群自体としても配向性を有しているため、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おり、チャネル−電極間の電気抵抗が小さい。よって、電界効果トランジスタとして制御可能な電流値を向上させることができる。
【００１６】
（５）本発明は、前記ＣＮＴの束群は、先端放電型ラジカルＣＶＤ法によって合成された、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の束群を合成できるため、分散液を用いずにＣＮＴのみから構成される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。
【００１７】
（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ＣＮＴの束群からなるチャネルと、を具備する電界効果トランジスタの製造方法であって、先端放電型ラジカルＣＶＤ法によって前記ＣＮＴの束群を合成し、基板上に、ソース電極と、ドレイン電極と、ＣＮＴの束群からなるチャネルと、液体電解質からなるゲートと、を形成し、前記ＣＮＴの束群は同一方向に配向した複数本のＣＮＴからなるＣＮＴ束の集合体であり、ＣＮＴの束群自体としても配向性を有しているおり、前記ソース電極と前記ドレイン電極とを結ぶ最短距離の直線に対して直交方向に配向し、かつ、ＣＮＴの束群を構成するＣＮＴの平均長さ（Ｌｃｎｔ）がゲート幅（Ｗｇａｔｅ）以上である、
ことを特徴とする。
（６）の発明によれば、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とともに、０．１アンペアレベルの電流を制御することができる。
【００１８】
（７）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。
（７）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、スイッチング素子としての応答性が向上する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ＣＮＴの束群のみからなるチャネルを用いてソース電極とドレイン電極との間に０．１アンペアレベルの電流を制御することができ、かつこれを制御可能な電界効果トランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】金属性ＣＮＴと半導体性ＣＮＴとの構造上の違いについての模式図である。
【図２】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。
【図３】本発明に係る一実施形態のチャネルに用いるＣＮＴの幾何的条件を説明する模式図である。
【図４】チャネルとして配置されたＣＮＴの配向性の違いを説明する概念図である。
【図５】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。
【図６】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を合成するプラズマＣＶＤ装置の概略図である。
【図７】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ＳＥＭ像を示す図である。
【図８】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ＴＥＭ像を示す図である。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、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」呼ぶ）について図面を適宜参照しつつ説明する。
［第一実施形態］
【００２２】
［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の構成を示す模式図である。
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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（以下、必要に応じ「ＣＮＴの束群」と呼ぶ）として構成され、ソース電極３とドレイン電極４とを接続するように配置されている。
ここで、本発明のチャネル７を構成するＣＮＴの束群を構成するＣＮＴの長さは、少なくともゲート幅Ｗｇａｔｅ（Ｗｇａｔｅの定義については後述する）よりも長くなっており、ＣＮＴはソース電極３とドレイン電極４とを結ぶ直線に対して直交方向に向けて束になって配置される。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１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２という高密度で形成されている。
このように、ゲート幅Ｗｇａｔｅ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。加えて、電子（正孔）輸送を担うキャリアの本数及び断面積の増大によって、チャネルに流れる電流値が飛躍的に増大する。
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と個々のチャネル７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、更には電極とチャネル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、チャネル及びチャネル−電極間の電気抵抗が小さく、０．１アンペアレベルの電流を制御することができる。
【００２５】
なお、チャネル７を形成する複数のＣＮＴの束構造は、例えば、図１の模式図で示すようになっている。即ち、ＣＮＴの束構造は、半導体性ＣＮＴ１１と金属性ＣＮＴ１２とから構成され、その比率はおおよそ２：１で構成されている。これは、ＣＮＴがグラフェンシートを巻いた形状を有するものであり、ＣＮＴの構造上の違いにより半導体的性質と金属的性質とを有するＣＮＴがおおよそ２：１の比率で存在することに起因している。
図１において、白丸が黒丸に重なるように巻かれたＣＮＴは、アームチェア型ＣＮＴと呼ばれ、金属的性質を示す。一方、白丸がそれ以外の丸と重なる様に巻かれた場合であるカイラル型ＣＮＴ及びジグザグ型ＣＮＴは、半導体的性質を示す。つまり、図１のＣＮＴは、１／３程度がアームチェア型ＣＮＴ、２／３程度がカイラル型ＣＮＴ又はジグザグ型ＣＮＴから構成されることから、半導体的性質を有するＣＮＴと、金属的性質を有するＣＮＴがおおよそ２：１の比率となる。
【００２６】
図３は、本発明に係る一実施形態のチャネルに用いるＣＮＴの幾何的条件を説明する模式図である。チャネル７は、複数のＣＮＴが束ねられた束構造として構成され、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性をもって配置されている。
ここで、図３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ＣＮＴの束群を構成するＣＮＴ長さの平均、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。
【００２７】
そして、本発明のチャネル７としては、そのＣＮＴの束群の配向がソース電極３とドレイン電極４との間の電子（正孔）の輸送方向に直交するように形成されることが望ましいともいえる。即ち、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直交することが望ましい。
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、チャネル７の導電性が向上するが、リーク電流も増加する傾向にある。これに対し、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）の輸送方向に直交するようになるほど、またＣＮＴが高密度になるほど、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）は隣接するＣＮＴ間を移動するので導電性も高いうえに、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。したがって、高出力かつ低リーク電流の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）の輸送方向に直交することが望ましい。
【００２８】
図４は、チャネルとして配置されたＣＮＴの配向性の違いを説明する概念図である。
図４（ａ）に示すＣＮＴからなるチャネル７は、本発明に対する参考例であり、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平行となるように、ＣＮＴを配置している。
一方、図４（ｂ）に示すＣＮＴの束構造からなるチャネル７は、本発明の望ましい実施形態であり、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性を有する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４（ａ）のＣＮＴは、電子（正孔）の輸送方向に平行な配向性をもって配置され、図４（ｂ）のＣＮＴは、電子（正孔）の輸送方向に直交するような配向性をもって配置されているといえる。
本発明におけるＣＮＴは、後述する先端放電型ラジカルＣＶＤ法により合成される長尺かつ高密度・高配向のＣＮＴの束群が用いられる。このため、従来の分散液を用いたチャネル（後述する図５（ａ））よりも導電性が高い。しかも、図４（ｂ）の実施形態では、図４（ａ）の参考例に比して、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。
【００２９】
次に、図５を参照しつつ、チャンネル７の構造を説明する。
図５は、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。
図５（ａ）は、従来技術（例えば、特許文献１）に記載されたチャネルの概念図である。図５（ｂ）は、本発明の一実施形態としてのチャネルの概念図である。
図５（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５（ａ）に示されるチャネル７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、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。
【００３０】
一方、図５（ｂ）に示す、本発明の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、上述のような、ＣＮＴ以外の不純物や欠陥のあるＣＮＴの本数が減少する。これらの作用によって、優れた導電特性を示す。加えて、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、０．１アンペアレベルの電流を制御することが可能である。
【００３１】
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７の部分拡大図として示すとおりである）。
【００３２】
また、本発明のチャネル７の構造を別の視点から見ると、チャネル７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７に用いられるＣＮＴの束群は、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３に概念図としたとおりである。
（ｂ）チャネル７に用いられるＣＮＴの束群の本数密度が、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２であること。
（ｃ）チャネル７に用いられるＣＮＴの束群は、前記ソース電極と前記ドレイン電極とを結ぶ最短距離の直線に対して直交方向に配向していること。
【００３３】
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７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は、ゲート幅Ｗｇａｔｅよりも長くなる。よって、チャネル７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。
【００３４】
また、要件（ｂ）は、チャネル７に用いられるＣＮＴの本数密度が、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２である。本発明のチャネル７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。
【００３５】
さらに、要件（ｃ）は、ＣＮＴの束群の配向性に関する要件である。
チャネル７に用いられるＣＮＴの束群は、前記ソース電極と前記ドレイン電極とを結ぶ最短距離の直線に対して直交方向に配向していることで、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ている。
【００３６】
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液体電解質でもよい。液体電解質をゲートとして採用した場合、低い電圧であっても電場によって電解液中のイオンが移動して液体電解質と個々のチャネル７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。よって、低消費電力のトランジスタを実現することができる。
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。
そして、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。
【００３７】
［製造方法］
次に、ＦＥＴ１の製造方法について図６〜図１０を参照しつつ説明する。
図６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６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。
【００３８】
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１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２という高密度のＣＮＴを合成することができる。
【００３９】
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ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像を示す図である。なお、図７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７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。このように長尺のＣＮＴ束は、分散液を用いた加工をせずにそのまま切り出してチャネル７として用いることができるため、以降、必要に応じて自立型ＣＮＴと呼ぶ。そして、図７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。
【００４０】
図８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８は、複数のＣＮＴが、束になった束構造を形成していることを示している。
【００４１】
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。
【００４２】
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９及び図１０を参照しつつ説明する。
図９は、本発明の一実施形態に係るＦＥＴ１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９のステップＳ１２は、図１０（ａ）及び（ａ’）に、図９のステップＳ１３は、図１０（ｂ）及び（ｂ’）に、図９のステップＳ１４は、図１０（ｃ）及び（ｃ’）に、図９のステップＳ１５及びＳ１６は、図１０（ｄ）及び（ｄ’）に、図９のステップＳ１７は、図１０（ｅ’）に対応している。
【００４３】
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。
【００４４】
ステップＳ１１において、プラズマＣＶＤ装置３０により、チャネル幅（ゲート幅Ｗｇａｔｅ）の３〜５倍程度の長さのＣＮＴを合成する。
【００４５】
ステップＳ１２において、ステップ１において合成したＣＮＴをチャネル幅（ゲート幅Ｗｇａｔｅ）の２倍程度の長さになるようにＣＮＴを基板から剥がし取り、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）。
【００４６】
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との間の距離が１ｍｍになるように蒸着する（図１０（ｂ）及び（ｂ’）参照）。
【００４７】
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）。
【００４８】
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）。
【００４９】
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）。
【００５０】
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）。
【００５１】
［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の動作について図１１及び図１２を参照しつつ説明する。
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７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ＣＮＴ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１１（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。
【００５２】
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７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７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１１（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。
【００５３】
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を印加した際のソース電極３とドレイン電極４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１２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がよく流れることが図１２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、２．０×１０２Ω、１．０×１０２Ω、５５．５Ω、２１.１Ω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、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、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＝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、本発明では、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７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７のＣＮＴがゲート幅方向の配向性をもって配置されているためである。
以上のように、本発明のＦＥＴ１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。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態では、電界効果トランジスタ１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７と、を具備しており、チャネル７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７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、リーク電流を抑制できるという効果を有する。
【００５５】
要するに、本実施形態では、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。
【００５６】
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７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７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。
【００５７】
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７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７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。
【００５８】
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。
【符号の説明】
【００５９】
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
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
【図１】
2014150174.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図７】
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【図８】
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