(57)【要約】【課題】本発明は、トランジスタ等の半導体装置に分散液・金属微粒子を含まないカーボンナノチューブの束群を用いた、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。【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、分散液・金属微粒子・欠陥のないカーボンナノチューブの束群からなるチャネル７と、を具備しているので、チャネルのカーボンナノチューブ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。【選択図】図２
2014150175.tif 000002
【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１．０×１０９本／ｃｍ２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、
からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブの束群は、下記の要件（ａ）乃至（ｃ）を満たすよう、製造される、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
（ａ）前記カーボンナノチューブの束群は、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。
（ｂ）前記カーボンナノチューブの束群の密度は、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２であること。
（ｃ）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平行であること。
【請求項３】
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、ことを特徴とする請求項１に記載の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、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【請求項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から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
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から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【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チャネルと、を具備する半導体装置であって、
密度が１．０×１０９本／ｃｍ２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、が形成された、
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブの束群は、下記の要件（ａ）乃至（ｃ）を満たす、ことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
（ａ）前記カーボンナノチューブの束群は、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。
（ｂ）前記カーボンナノチューブの束群の密度は、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２であること。
（ｃ）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平行であること。
【請求項８】
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、ことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
（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、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【請求項９】
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６から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記カーボンナノチューブの束群は、先端放電型ラジカルＣＶＤ法によって合成させた、ことを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【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。
【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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
［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。
【００１９】
［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。
【００２０】
［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。
【００２１】
［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。
【００２２】
［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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】国際公開第２００９／１３３８９１号
【特許文献２】特許第４６６６２７０号公報
【特許文献３】国際公開２０１１／０９００２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
（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１．０×１０９本／ｃｍ２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。
【００２６】
（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、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【００２７】
（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、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【００２８】
（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。
【００２９】
（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。
【００３０】
（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１．０×１０９本／ｃｍ２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。
【００３１】
（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、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【００３２】
（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、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【００３３】
（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。
【００３４】
（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。
【発明の効果】
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】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。
【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】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。
【図４】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】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。
【図６】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。
【図７】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。
【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製造手順を示すフローチャートである。
【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】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性能評価を示す図である。
【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。
【図１３】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１４】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１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
［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。
【００３８】
［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。
【００３９】
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。
【００４０】
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１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２という高密度で形成されている。
このように、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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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１．０×１０９〜１．０×１０１２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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、１．０×１０９〜１．０×１０１２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。
【００５３】
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。
【００５４】
［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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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）。
【００６４】
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）。
【００６５】
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）。
【００６６】
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）。
【００６７】
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）。
【００６８】
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）。
【００６９】
［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。
【００７０】
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。
【００７１】
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１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【００７２】
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１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
［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。
【００７８】
［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。
【００７９】
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。
【００８０】
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、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【００８１】
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。
【００８２】
また、要件（ｂ）は、チャネル２７に用いられるＣＮＴの本数密度が、１．０×１０９〜１．０×１０１２本／ｃｍ２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。
【００８３】
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。
【００８４】
［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。
【００８５】
［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。
【００８６】
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。
【００８７】
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、２．０×１０２Ω、１．０×１０２Ω、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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
［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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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】
【００９４】
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
【図１】
2014150175.tif 000003
【図２】
2014150175.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014150175.tif 000006
【図５】
2014150175.tif 000007
【図８】
2014150175.tif 000008
【図９】
2014150175.tif 000009
【図１０】
2014150175.tif 000010
【図１１】
2014150175.tif 000011
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2014150175.tif 000014
【図１５】
2014150175.tif 000015
【図１６】
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【図１７】
2014150175.tif 000017
【図６】
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【図７】
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