(57)【要約】【課題】  半導体基板中に、カイラリティ及びサイズが制御されたカーボンナノチューブの配列を作製し、電流制御特性の向上を図る。【解決手段】  ＳｉＣからなる半導体基板４０上のマスク４２に、リソグラフィによって微細な小孔４４のパターンを形成した後、半導体基板４０を真空化で加熱すると、前記小孔４４内に露出した基板表面が分解して珪素原子が失われ、カーボンのキャップ構造４６が生成する。更に、加熱を続けると、前記キャップ構造４６から、前記半導体基板４０を厚み方向に貫くように、カーボンナノチューブ１８が成長する。得られたカーボンナノチューブ１８は、ジグザグ型構造にカイラリティが制御されるとともに、チューブ径（サイズ）及び配列も制御されている。このようなカーボンナノチューブ１８を導電部として利用することにより、電流制御素子の特性が大幅に向上する。【選択図】図２
2006135187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の半導体層の少なくとも一部を、その両面側から絶縁層で挟み込んだ積層構造を有する基板と、前記積層構造を厚み方向に貫通する少なくとも一つ以上のカーボンナノチューブからなる導電部とを備えたことを特徴とする電流制御素子。
【請求項２】
前記基板が、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）からなることを特徴とする請求項１記載の電流制御素子。
【請求項３】
前記積層構造の全体もしくは一部が、導電性のＳｉＣ層の両面に、絶縁性のＳｉＣ層を設けた構造であることを特徴とする請求項２記載の電流制御素子。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブのカイラリティが、ジグザグ型に制御されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電流制御素子。
【請求項５】
前記導電部が、配列及びチューブ径が制御された複数のカーボンナノチューブにより形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電流制御素子。
【請求項６】
炭素を含有する半導体基板表面に形成されたマスクに、前記基板表面が露出するナノメーターオーダーの小孔を形成し、前記基板を加熱することにより、前記小孔中に生成した炭素のキャップ構造から前記基板の内側に向けてカーボンナノチューブを成長させることを特徴とするカーボンナノチューブの作製方法。
【請求項７】
炭素を含有しており、導電性の半導体層の少なくとも一部を、その両面側から絶縁層で挟み込んだ積層構造を有する基板の表面にマスクを形成する工程，
前記マスクに、前記基板表面が露出するナノメーターオーダーの小孔を少なくとも一つ以上形成する工程，
前記基板を加熱し、前記小孔中に生成した炭素のキャップ構造から、前記基板の内側へ向けて、前記積層構造を厚み方向に貫通するカーボンナノチューブを成長させ、該カーボンナノチューブからなる導電部を形成する工程，
を含むことを特徴とする電流制御素子の作製方法。
【請求項８】
前記基板が、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）からなることを特徴とする請求項７記載の電流制御素子の作製方法。
【請求項９】
前記積層構造の全体もしくは一部が、導電性のＳｉＣ層の両面に、絶縁性のＳｉＣ層を設けた構造であることを特徴とする請求項８記載の電流制御素子の作製方法。
【請求項１０】
前記小孔を、リソグラフィ的手法によって形成することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の電流制御素子の作製方法。
【請求項１１】
前記リソグラフィ的手法は、走査型トンネル顕微鏡，ナノインプリント装置，ナノメーターオーダーの微粒子のいずれかを利用するものであることを特徴とする請求項１０記載の電流制御素子の作製方法。
【請求項１２】
前記導電部が複数のカーボンナノチューブによって形成されるときに、前記小孔の配列及びサイズを制御することによって、前記複数のカーボンナノチューブの配列及びチューブ径を制御することを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の電流制御素子の作製方法。
【請求項１３】
前記マスクが、前記基板上の自然酸化膜，ＳｉＮＸマスク（Ｘ＞０），ＳｉＣＯマスク，ＳｉＯ２マスク，ＧａＮマスク，ＡｌＮマスク，グラファイトマスク，カーボンマスクのいずれかであることを特徴とする請求項７〜１２のいずれかに記載の電流制御素子の作製方法。
【請求項１４】
請求項７〜１３のいずれかに記載の作製方法によって作製されることを特徴とする電流制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブの作製方法，電流制御素子及びその作製方法に関し、更に具体的には、カーボンナノチューブのカイラリティ（螺旋度）及び配列制御と、電流制御特性の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の工業社会の発展に伴い、電流制御素子ないし電流制御装置の需要拡大や高度化に伴う更なる要求が発生している。これらの要求に応えるためには、装置特性の大幅な改善が必要である。従来の電流制御装置は、代表的なサイリスタをはじめ、全て半導体材料を用いて製造されている。従って、半導体のみで構成された装置の最大電流値などの諸特性は、最終的に、半導体材料の導電特性により決定される。このため、従来装置の性能限界を究極的に改善するためには、半導体材料の特性自体を改善する必要がある。しかしながら、半導体材料が有する本質的な特性限界のために、今後要求される大幅な特性改善は困難であり、大きな課題となっている。以上のような理由により、電流制御装置の大幅な特性改善のためには、半導体材料の特性を大幅に上回る材料を使用することが必要である。
【０００３】
ところで、層状構造の炭素が、直径がナノメートルオーダーの筒状になったものであるカーボンナノチューブは、同じ太さの導線に比べ、条件によっては千倍程度の電流を流せるという優れた伝導特性も有する。従って、カーボンナノチューブを導電材料として用いることができれば、電流制御素子（ないし装置）の飛躍的な性能向上が期待できる。カーボンナノチューブの通常の作製手法としては、例えば、以下の非特許文献１に示すように、アーク放電や気相成長法（ＣＶＤ法）などの技術がある。
【非特許文献１】齋藤理一郎・篠原久則著，「カーボンナノチューブの基礎と応用」，初版，培風館，第２３−２８頁，第３１―３６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のカーボンナノチューブの作製手法では、カーボンナノチューブが基板表面から外側に向けて成長するため、基板中に存在する導電部として適した構造を得ることができない。また、効率が良好な素子ないし装置を得るためには、特性が良く揃ったカーボンナノチューブを配列する必要がある。ここで、カーボンナノチューブの特性は、そのカイラリティ及びそのサイズにより決定されることから、上述した目的のためには、カイラリティならびにサイズの揃ったカーボンナノチューブの配列を作製することが不可欠である。しかしながら、上述した従来技術では、カーボンナノチューブのカイラリティ制御が困難であった。更に、これらの手法では、複数のカーボンナノチューブの配列を制御することも難しい。従って、大幅に特性を改善した電流制御素子を実現するめに、カイラリティが制御されたカーボンナノチューブの配列を、基板中に作製する技術の開発が待望されている。
【０００５】
本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、半導体基板中に、カイラリティが制御されたカーボンナノチューブの配列を作製することである。他の目的は、前記カーボンナノチューブを利用して、電流制御特性の向上を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明の電流制御素子は、導電性の半導体層の少なくとも一部を、その両面側から絶縁層で挟み込んだ積層構造を有する基板と、前記積層構造を厚み方向に貫通する少なくとも一つ以上のカーボンナノチューブからなる導電部とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
主要な形態の一つは、前記基板が、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）からなることを特徴とする。他の形態は、前記積層構造の全体もしくは一部が、導電性のＳｉＣ層の両面に、絶縁性のＳｉＣ層を設けた構造であることを特徴とする。更に他の形態は、前記カーボンナノチューブのカイラリティが、ジグザグ型に制御されていることを特徴とする。更に他の形態は、前記導電部が、配列及びチューブ径が制御された複数のカーボンナノチューブにより形成されることを特徴とする。
【０００８】
本発明のカーボンナノチューブの作製方法は、炭素を含有する半導体基板表面に形成されたマスクに、前記基板表面が露出するナノメーターオーダーの小孔を形成し、前記基板を加熱することにより、前記小孔中に生成した炭素のキャップ構造から前記基板の内側に向けてカーボンナノチューブを成長させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の電流制御素子の作製方法は、炭素を含有しており、導電性の半導体層の少なくとも一部を、その両面側から絶縁層で挟み込んだ積層構造を有する基板の表面にマスクを形成する工程，前記マスクに、前記基板表面が露出するナノメーターオーダーの小孔を少なくとも一つ以上形成する工程，前記基板を加熱し、前記小孔中に生成した炭素のキャップ構造から、前記基板の内側へ向けて、前記積層構造を厚み方向に貫通するカーボンナノチューブを成長させ、該カーボンナノチューブからなる導電部を形成する工程，を含むことを特徴とする。
【００１０】
主要な形態の一つは、前記基板が、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）からなることを特徴とする。他の形態は、前記積層構造の全体もしくは一部が、導電性のＳｉＣ層の両面に、絶縁性のＳｉＣ層を設けた構造であることを特徴とする。更に他の形態は、前記小孔を、リソグラフィ的手法によって形成することを特徴とする。更に他の形態は、前記リソグラフィ的手法は、走査型トンネル顕微鏡，ナノインプリント装置，ナノメーターオーダーの微粒子のいずれかを利用するものであることを特徴とする。更に他の形態は、前記導電部が複数のカーボンナノチューブによって形成されるときに、前記小孔の配列及びサイズを制御することによって、前記複数のカーボンナノチューブの配列及びチューブ径を制御することを特徴とする。更に他の形態は、前記マスクが、前記基板上の自然酸化膜，ＳｉＮＸマスク（Ｘ＞０），ＳｉＣＯマスク，ＳｉＯ２マスク，ＧａＮマスク，ＡｌＮマスク，グラファイトマスク，カーボンマスクのいずれかであることを特徴とする。
【００１１】
他の発明の電流制御素子は、前記いずれかの作製方法によって作製されることを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、半導体の積層構造を有する基板中に、前記積層構造を厚み方向に貫通する少なくとも一つ以上のカーボンナノチューブを導電部として形成することとしたので、前記カーボンナノチューブの伝導特性を活かし、電流制御特性ないし信号増幅制御特性を大幅に改善することができる。また、前記カーボンナノチューブのカイラリティ及びサイズ（チューブ径）を制御するとともに、複数のカーボンナノチューブの配列を制御することとしたので、より一層の小型化，高効率化，高耐圧化，大容量化を実現し、エネルギーや資源の効率的な活用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
最初に、図１〜図７を参照しながら、本発明の実施例１を説明する。まず、図１を参照して、本実施例の構造を説明する。図１(A)は、本実施例の電流制御素子を構成する半導体基板の構造を示す斜視図，図１(B)は、本実施例の電流制御素子を使用した場合の回路接続図である。図１(A)に示すように、半導体基板１０は、導電層１２の上下両面に、絶縁層（半絶縁層を含む）１４及び１６が設けられた積層構造となっており、該積層構造を貫通するように、多数のカーボンナノチューブ１８の配列が形成されている。前記導電層１２は、ゲート領域として機能し、前記カーボンナノチューブ１８は、導電部として機能する。本実施例では、導電層１２として、例えば、導電性のＳｉＣ（シリコンカーバイド）層を用い、絶縁層１４及び１６として、絶縁性のＳｉＣ層を用いている。前記多数のカーボンナノチューブ１８は、それぞれが単一のカイラリティ（螺旋度）に制御されており。このような半導体基板１０を用いて、図１(B)に示す電流制御素子２０が作製される。なお、カイラリティが制御された状態とは、単一のカイラリティ（本実施例では、ジグザグタイプのカイラリティ）のみを選択的に成長させた状態をいい、制御されていない状態とは、様々なカイラリティを持つカーボンナノチューブ１８が混ざって成長することをいう。
【００１５】
前記半導体基板１０を用いて、図１(B)に示す電流制御素子２０を構成するためには、絶縁層１４の表面に上部電極２２を、絶縁層１６の表面に下部電極２４を設けるとともに、導電層１２の周面にゲート電極２６を形成する必要がある。本実施例では、例えば、金を用いてこれら上部電極２２，下部電極２４，ゲート電極２６を形成することとしたが、公知の各種の金属ないし合金を用いてこれら電極を形成するようにしてよい。また、ゲート電極２６は、導電層１２の周面全体を覆う必要はなく、周面の一部に形成されていても、導通が可能である。
【００１６】
前記電流制御素子２０に、交流電源２８，直流電源３０，負荷（抵抗）３２を接続し、ゲート領域（導電層１２）にゲート電圧を印加する。そして、該ゲート電圧を制御することにより、各カーボンナノチューブ１８を流れる電流，ひいては、負荷３２を流れる電流を制御することが可能となる。本実施例の電流制御素子２０は、電流導電部がカーボンナノチューブ１８を用いて構成されているため、極めて導電特性が良好であり、効率が高い電力制御用デバイスを実現できるという大きな利点を有する。
【００１７】
また、電流制御素子２０の耐圧は、主にゲート領域，すなわち、導電層１２の厚さによって決定される。特に、本実施例では、半導体基板１０として、バンドギャップが広く、耐圧が大きい材料であるＳｉＣを利用しているため、高耐圧化が期待できる。また、電流制御素子２０の効率は、オン状態の導電率によりおおよそ規定される。したがって、カーボンナノチューブ１８の優れた導電特性を利用した本実施例の電流制御素子２０の効率は、非常に高い値となる。更に、前記電流制御素子２０では、半導体的特性を有するカーボンナノチューブ１８をゲート電圧により反転空乏化することにより、そこに流れる電流を制御する。例えば、ゲート電圧を上げることで、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）でいうオフ状態を実現し、電流のオン／オフを制御することも可能である。
【００１８】
ここで、図２〜図６を参照して、本実施例で利用する半導体基板中にカーボンナノチューブの配列構造を作製する方法について説明する。基本的には、半導体基板上に形成されたマスクに、ナノサイズの小孔のパターンを形成し、該パターンを利用して前記半導体基板内部に向けてカーボンナノチューブを成長させるものである。前記小孔のパターンは、リソグラフィ的手段によって形成されるが、前記図２〜図６は、それぞれ異なるリソグラフィ的手法を利用した場合の作製工程例を示す図である。以下、順に説明する。
【００１９】
＜走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の利用＞・・・最初に、図２を参照して、走査トンネル顕微鏡（以下「ＳＴＭ」）を利用したリソグラフィによって小孔のパターンを形成し、該小孔から半導体基板の内部に向けてカーボンナノチューブを形成させる方法について説明する。図２は、高真空中におけるＳＴＭを利用したカーボンナノチューブの作製工程を示す図である。まず、図２(A)に示す（０００１）ＳｉＣ半導体基板４０上に、図２(B)で示すようにマスク４２を形成する。前記半導体基板４０は、図示の例では、単層構造となっているが、前記図１で示す電流制御素子２０に利用する場合には、前記図１(A)に示すような積層構造のものを利用する。マスク４２は、前記半導体基板４０上の自然酸化膜であってもよいし、ＳｉＮＸマスク（Ｘ＞０），ＳｉＣＯマスク，ＳｉＯ２マスク，ＧａＮマスク，ＡｌＮマスク，グラファイトマスク，カーボンマスクなどであってもよい。特に、グラファイトマスクは、ＳｉＣのカーボンナノチューブ化を強力に阻止する効果が高いことから、マスク材として適している。
【００２０】
次に、前記マスク４２に対し、リソグラフィ的手段を用いて、図２(C)で示すように、小孔４４の配列を形成する。該小孔４４は、作製しようとするカーボンナノチューブのサイズと対応するものであり、ナノメーターオーダーの大きさとする。ここでは、高真空中で前記ＳＴＭを利用して、前記小孔４４を作製する。以上のようにして小孔４４を形成した半導体基板４０を、真空中で、例えば１１００℃に加熱することにより、図２(D)に示すキャップ構造４６が、前記小孔４４内に露出した半導体基板４０の表面に形成される。これは、前記小孔４４中に露出する半導体基板４０の表面が分解し、該半導体基板４０表面部から珪素（Ｓｉ）原子が失われることによるものである。
【００２１】
図２(D)の状態にある半導体基板４０の温度を、更に昇温させ、例えば、１４００℃にすることにより、図２(E)に示すように、前記キャップ構造４６から半導体基板４０の内部へ向かってカーボンナノチューブ１８が成長する。成長は、図２(F)に示すように、カーボンナノチューブ１８が、半導体基板４０の下面に達するまで，すなわち、半導体基板４０を貫通するまで続けられる。最後に、マスク４２を除去し、図２(G)に示すように、内部にカーボンナノチューブ１８が形成された半導体基板４０が得られる。このようにして作製されたカーボンナノチューブ１８は、リソグラフィにより位置が正確に規定されているため、半導体基板４０中に配列制御されている。また、これらのカーボンナノチューブ１８のカイラリティは、半導体基板４０の結晶方位を反映したものであり、Ｃ面基板の使用により、カーボンナノチューブ１８のカイラリティを、ジグザグ型のものに統一的に制御することが可能となる。ジグザグ型のカーボンナノチューブが、直径を制御することで半導体性質を有することは公知である。このように、半導体基板４０を真空中で加熱することにより、カイラリティが制御され、リソグラフィパターンにより配列及びチューブ径が制御されたカーボンナノチューブ１８を得ることができる。電流制御素子として安定した動作を行うためには、カーボンナノチューブ１８のカイラリティ制御が極めて重要であるが、本手法によってカイラリティ制御を行うことが可能となる。
【００２２】
次に、図３を参照して、ＳＴＭを利用した他の例について説明する。図３(A)〜(D)は、酸素雰囲気下でのＳＴＭリソグラフィによる小孔４４のパターン形成の工程を示す図である。まず、図３(A)に示す半導体基板４０の表面に、図３(B)に示すようにマスク４２を形成する。マスク４２としては、上述した各種のもののうち、酸化物であるＳｉＯ２マスク以外のものが利用可能である。次に、図３(C)に示すように、前記マスク４２に対して、酸素５１を照射し、マスク４２を酸化させる。そして、前記マスク４２が酸化反応を起こした部分を適宜手段で除去することにより、図３(D)に示すように、小孔４４のパターンが形成される。なお、図３(D)の小孔４４を利用してカーボンナノチューブ１８を成長させる方法については、図２に示した方法と同様である。
【００２３】
＜ナノインプリント装置の利用＞・・・次に、図４を参照して、ナノインプリント装置を利用した小孔パターンの形成方法を説明する。上述したＳＴＭを利用した作製方法は、マスク４２に多数の小孔４４のパターンを形成するとなると、量産性があまり高くない。そこで、小孔４４のリソグラフィの量産性を向上させるために、ナノインプリント装置を利用した方法が考えられる。図４は、ナノインプリント装置を利用した小孔パターンの形成工程の一例を示す図である。まず、図４(A)に示す半導体基板４０上に、図４(B)で示すように、適宜手段でマスク４２を形成する。そして、図４(C)に示すように、パターン用の突起５４が多数形成された型５２を、前記マスク４２上に押圧し、図４(D)に示す小孔４４のパターンが形成された半導体基板４０を作製する。以降のカーボンナノチューブ１８の作製手順は、上述した通りである。この方法によれば、一度のプリントで多数の小孔４４を同時に形成することができるため、上述したＳＴＭを利用した微細加工技術よりも、大幅に量産性を向上させることができる。また、このナノインプリントの際、電流を流したり熱を加えたりすることにより、再現性の向上が見られる場合もある。
【００２４】
＜微粒子の利用＞・・・次に、図５を参照して、微粒子を利用した小孔パターンの形成方法の一例を説明する。この例も、上述したＳＴＭによる作製方法よりも量産性を向上させるものである。図５は、微粒子を利用した小孔パターンの形成工程の一例を示す図である。まず、図５(A)に示す半導体基板４０上に、図５(B)で示すように、ナノサイズの微粒子５０を均一に塗布する。その上から、例えば、電子ビーム蒸着法などで、図５(C)に示すように、前記微粒子５０上を覆うようにマスク４２を形成する。次いで、前記微粒子５０を、エッチング等の適宜手法によって除去すると、図５(D)に示すように、マスク４２に、小孔４４のパターン（配列）が形成される。該小孔４４を利用したカーボンナノチューブの作製方法は上述した例と同様である。
【００２５】
一方、上述した微粒子５０とマスク４２との反応を利用しても、ナノサイズの小孔４４の配列を同様に形成することが可能である。図６には、微粒子を利用した小孔パターンの形成工程の他の例が示されている。最初に、図６(A)に示す半導体基板４０の表面に、図６(B)で示すように、適宜手段によってマスク４２を形成する。そして、前記マスク４２上に、ナノサイズの微粒子５０を塗布し、図６(C)に示すように微粒子５０の配列を形成する。次に、例えば、昇温により、前記微粒子５０とマスク４２を反応させ、図６(D)に示すように、新たな化合物を生成させる。そして、生成した化合物を溶解させ、かつ、マスク４２とは反応しない溶液を用いて、前記微粒子５０が存在する部分のみをエッチングすると、図６(E)に示すような小孔４４の配列を半導体基板４０の表面上に形成することが可能となる。
【００２６】
上述した微粒子５０を利用して小孔４４を形成する二つの方法では、該小孔４４のサイズは、ナノサイズの微粒子５０の大きさによって規定されるため、サイズの揃った微粒子５０を使用することにより、小孔４４のサイズを均一に揃えることが可能である。小孔４４のサイズを揃えることは、カーボンナノチューブ１８のチューブ径，ひいては、その特性の均一化に効果があり、電流制御素子の特性向上のための重要な要素となる。一方、微粒子５０を利用した手法では、半導体基板４０上の小孔４４の密度を均一に制御することは可能であるが、各小孔４４の位置を精確に制御することは困難である。しかしながら、本発明の電流制御素子２０を作製するためには、小孔４４の位置の厳密な制御性は重要ではない。従って、以上のようなナノサイズの微粒子５０を用いた手法でも、十分に実用に足る電流制御素子２０を作製することが可能である。
【００２７】
次に、図７を参照して、上述したいずれかの小孔４４の形成方法を用いて、図１(A)に示す半導体基板１０中にカーボンナノチューブ１８の配列を作製する方法を、より具体的に説明する。図７は、カーボンナノチューブの作製工程の一例を示す図である。本実施例の電流制御素子２０を作製するためには、絶縁性（ないし半絶縁性）の半導体層により、ゲート領域として用いる導電性の半導体層を挟み込んだ半導体の積層構造が必要となる。このような半導体積層構造を厚み方向に貫くようにカーボンナノチューブ配列を作製することは、以下に示す手順により可能となる。
【００２８】
まず、図７(A)に示すように、導電層１２を、絶縁層１４及び１６で挟み込んだ半導体基板１０を用意する。そして、該半導体基板１０の表面上に、図７(B)に示すマスク４２を形成し、更に、図７(C)に示すように、小孔４４の配列を形成する。なお、小孔４４の配列の形成手法は、上述したＳＴＭを利用する手法，ナノインプリント装置を利用する手法，微粒子を利用する手法のいずれであってもよい。このようにして準備した半導体基板１０を、真空中で加熱することにより、図７(D)に示すキャップ構造４６が、小孔４４内に露出した半導体基板１０の表面上に形成され、図７(E)に示すようなカーボンナノチューブ１８の成長が可能となる。更に連続して加熱することにより、カーボンナノチューブ１８は、半導体基板１０を厚み方向に貫き、図７(F)に示すように、基板全領域に到達する。最後に、図７(G)に示すように、マスク４２を適宜手段で除去することにより、図１(A)に示す半導体基板１０が作製される。なお、本手法で成長させるカーボンナノチューブ１８の特性は、半導体基板１０の結晶構造により規定されるため、絶縁性の半導体（絶縁層１４及び１６）中でも、ドーピングされた導電性の半導体（導電層１２）中でも、特に変化せず、同一のカイラリティ特性を示す。従って、図７(G)に示す構造の半導体基板１０を用いることで、本実施例の電流制御素子２０を作製することが可能となる。
【００２９】
ここで、半導体基板１０中にカーボンナノチューブ１８を成長させる際の成長条件について、詳細に説明する。なお、以下の成長条件は、半導体基板１０としてＳｉＣを用いている場合の条件であり、該ＳｉＣ基板の結晶系は、α−ＳｉＣ，β−ＳｉＣのいずれであってもよい。前記図７(C)に示すように小孔４４が形成された基板は、真空下で加熱されるが、好ましい真空度は、１０−１〜１０−１０Ｔｏｒｒであり、より好ましくは１０−２〜１０−９Ｔｏｒｒ、更に好ましくは１０−４〜１０−７Ｔｏｒｒである。また、加熱温度は、昇温速度や昇温後の温度維持時間といった加熱条件に関わらず、通常、１，４００℃以上とすることでジグザグ型構造のカーボンナノチューブを得ることができる。しかしながら、加熱条件を更に詳しく検討した結果、以下のような条件とすることによって、ジグザグ型構造のカーボンナノチューブ１８がより選択的に得られること，更には、チューブ径のばらつきの度合いが小さいカーボンナノチューブ１０を得られることが確認された。通常、チューブ径自体は、主として上述した小孔４４のサイズに規定されるものであるが、ここでは、小孔４４のサイズが適正であるという前提に基づいて、更にばらつきを抑制するための加熱条件を検討している。以下、加熱条件について順に説明する。なお、前記ＳｉＣ基板（半導体基板１０）を加熱する手段は、特に限定されるものではなく、電気炉，レーザービーム照射，直接通電加熱，赤外線照射加熱等の各種の公知手段を用いることができる。
【００３０】
＜昇温速度＞・・・まず、昇温速度について検討する。昇温速度を５０℃／分以下，好ましくは１〜３０℃／分，より好ましくは１〜１０℃／分の範囲内に制御することにより、ジグザグ型構造のカーボンナノチューブ１８を選択的に得ることができ、チューブ径をより揃えることができる。昇温速度が５０℃／分を超えると、カイラル型構造のカーボンナノチューブ１８が混在し、チューブ径のばらつきの度合いが大きくなる傾向にある。
【００３１】
＜段階的加熱＞・・・また、チューブ径のばらつきの度合いが小さいジグザグ型構造のカーボンナノチューブ１８を得るために適した加熱条件として、加熱を段階的に行う方法がある。具体的には、常温付近から６００〜８００℃まで昇温させる第１加熱段階、続いて、１，１００〜１，３００℃まで昇温する第２加熱段階、更に１，４００℃以上，好ましくは１，４００〜１，９００℃に昇温する第３加熱段階を経るように加熱を行うようにする。なお、前記第１加熱段階及び第２加熱段階は、各昇温が終了した時点の温度で一定時間保持されるものであってもよいし、それぞれそのまま次の段階に進んでもよい。
【００３２】
＜多段階加熱時の昇温後の温度保持時間＞・・・前記第１加熱段階の昇温によって達した温度で保持する場合の保持時間は、好ましくは１〜１０時間，より好ましくは３〜７時間である。また、前記第２加熱段階の昇温によって達した温度で保持する場合の保持時間は、好ましくは１分〜１，５００時間，より好ましくは１〜１，０００時間である。前記第３加熱段階の昇温によって達した温度で保持する場合の保持時間は、好ましくは１分〜１，５００時間，より好ましくは３分〜１，２００時間，更に好ましくは５分〜１，０００時間，特に好ましくは１０分〜８００時間である。加熱温度が高すぎると、ＳｉＣから珪素原子が失われる速度が大きくなることがある。また、カーボンナノチューブ１８が不規則な方向に成長し、チューブ径が不均一になることがある。更には、チューブ形成に関与しないカーボンによってグラファイト層が形成されることがある。
【００３３】
＜多段階加熱時の昇温速度＞・・・また、ジグザグ型構造のカーボンナノチューブを安定して成長させるための第２加熱段階の昇温速度は、好ましくは５０℃／分以下であり，より好ましくは０．０１〜４５℃／分，更に好ましくは０．０５〜４０℃／分，特に好ましくは０．１〜３５℃／分である。前記第２加熱段階の昇温速度が大きすぎるとジグザグ型構造を有するカーボンナノチューブ１８の割合が小さくなる傾向がある。特に、前記第２加熱段階は、カーボンナノチューブ１８の形成の初期段階、すなわち、ＳｉＣの分解の初期段階（図７(D)）に相当する熱処理である。そのため、均一なチューブ径を有するカーボンナノチューブ１８の形成に必要な略半球状のカーボンナノキャップ（キャップ構造４６）を、形状を乱すことなく生成するためには、上述した範囲内の昇温速度とすることが重要な条件となる。なお、上述した昇温速度範囲内であれば、速度は一定であっても段階的であってもよい。
【００３４】
一方、前記第１加熱段階及び第３加熱段階の昇温速度は特に限定されず、それぞれ、目的の温度に達するまで一定の速度で昇温させてもよいし、段階的に変化するものであってもよい。例えば、前記第１加熱段階の平均昇温速度は、好ましくは０．１〜５０℃／分，更に好ましくは０．５〜４５℃／分であり、前記第３加熱段階の平均昇温速度は、好ましくは１〜４０℃／分、更に好ましくは３〜３５℃／分程度である。
【００３５】
＜降温方法＞・・・加熱終了後の降温条件は特に限定されず、一定速度で常温まで冷却したり、前記各段階での目的温度よりも低い温度で一定時間保持した後に冷却したりする方法（段階的冷却）などがあげられる。また、冷却手段も特定の手段に限定されることなく、各種の公知手段によって冷却が可能である。例えば、自然冷却の場合なども含まれる。
【００３６】
以上の加熱条件を組み合わせることにより、ジグザグ型構造を主とするカーボンナノチューブ１８を選択的に得ることが容易となる。得られるカーボンナノチューブ１８のうち、ジグザグ型構造のものが全体に対して占める割合としては、好ましくは８０％以上，より好ましくは８５％以上，更に好ましくは９０％以上であり、特に好ましくは９５％以上（いずれの場合も１００％を含む）である。ジグザグ型構造以外のものが含まれる場合は、カイラル型構造が混在しているものと考えられる。また、得られるカーボンナノチューブ１８の平均径は、通常、１〜１０ｎｍであるが、好ましくは１〜８ｎｍ，より好ましくは１〜６ｎｍのものが得られるようにすると、電流制御の応答速度を上げる意味でも都合がよい。上述した作製条件を適切に設定することにより、チューブ径の分布が小さい，すなわち、ばらつきが少ないカーボンナノチューブ１８を得ることができる。更に、前記条件によれば、単層構造のカーボンナノチューブが得られ、低いゲート電圧，電力で素子の動作を制御でき、効率の向上を図ることが可能となる。
【００３７】
このように、実施例１によれば、次のような効果がある。
(1)半導体基板１０としてＳｉＣを用い、該半導体基板１０上のマスク４２に小孔４４を形成した後に、前記半導体基板１０を加熱することとしたので、半導体基板１０を厚み方向に貫通するカイラリティが制御されたカーボンナノチューブ１８を形成することができる。
(2)前記半導体基板１０上のマスク４２に形成された小孔４４の配列を制御することとしたので、カーボンナノチューブ１８の配列及びチューブ径（サイズ）を制御することが可能となる。
(3)所定の加熱条件に従って半導体基板１０の加熱を行うことにより、カイラリティが制御され、チューブ径のばらつきが少ないカーボンナノチューブ１８を、容易に得ることができる。
(4)前記カーボンナノチューブ１８の配列を内包する半導体基板１０を用いて、電流制御素子２０を形成し、前記カーボンナノチューブ１８を導電部とすることとしたので、カーボンナノチューブ１８の伝導特性を活かし、電流制御素子２０の特性を大幅に向上させることができる。
(5)複数のカーボンナノチューブ１８を形成することにより、電流制御素子２０の小型化，高効率化，高耐圧化，大容量化の一層の促進を図ることができ、エネルギーや資源の効率的な活用が可能となる。
【実施例２】
【００３８】
次に、図８を参照しながら、本発明の実施例２を説明する。なお、上述した実施例１と同一ないし対応する構成要素には同一の符号を用いることとする（以下の実施例についても同様）。図８(A)は、本実施例の構造を示す斜視図，図８(B)は、前記(A)を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。図８に示すように、本実施例の電流制御素子６０は、カーボンナノチューブ１８の両端における電極形成プロセスの安定性の向上のために、半導体基板１０の両面に、ドーピングにより導電的性質を備えた薄膜層６２，６４を設けた構造となっている。そして、前記薄膜層６２，６４の表面にそれぞれ図示しない上部電極および下部電極が形成されるとともに、導電層１２の周面にゲート電極（図示せず）が形成される。このような構造の電流制御素子６０では、カーボンナノチューブ１８の両端が伝導層であるため、カーボンナノチューブ１８との電気的結合が可能になるとともに、電極材料である金属の蒸着により安定性の高い電極が作製される。本実施例によれば、基板の上部及び下部に導電性の薄膜層６２，６４を設けることにより、電流制御素子６０の電極形成プロセスの安定性を向上させるという効果がある。
【実施例３】
【００３９】
次に、図９を参照しながら、本発明の実施例３を説明する。本実施例は、本発明の電流制御素子を利用して、集積回路を作製した例である。図９は、前記集積回路の作製手順の一例を示す図である。
【００４０】
まず、図９(A)に示すように、絶縁性基板７２上に、アノード層７４，絶縁層１６，導電層１２，絶縁層１４が順に積層された積層体を用意する。そして、図９(B)に示すように、前記積層体中の半導体基板１０（ＳｉＣ層）を適宜手段で加工して分離するとともに、該半導体基板１０中に上述した手法によりカーボンナノチューブ１８を成長させる。カーボンナノチューブ１８の作製後、図９(C)に示すように、半導体基板１０の上面にカソード電極７６を形成し、半導体基板１０の周面には、導電層１２と接触するようにゲート電極７８が形成される。このようにして形成された電流制御素子７１は、それぞれが分離・独立して動作する。本実施例においては、カーボンナノチューブ１８は、絶縁性基板７２を貫いて裏面まで成長させる必要はなく、アノード層７４の内部に到達する長さがあれば、導電部として十分に作用する。
【００４１】
本実施例においては、電流制御素子７１の上部に形成されたカソード電極７６から、電子がカーボンナノチューブ１８に注入され、注入された電子の流れが、ゲート電極７８及びゲート層（導電層１２）に印加された電圧により制御される。その結果、カーボンナノチューブ１８を流れてアノード層７４に到達する電子の数を制御することが可能となる。このような電流制御素子７１を集積し、集積回路７０として動作させる。なお、図示の例では、アノード層７４を絶縁性基板７２側、カソード電極７６を電流制御素子７１の上面側としたが、これに限定されるものではなく、アノード層７４とカソード電極７６の配置が逆であっても、つまり、印加電圧の方向が逆であっても、ゲート電圧を適切に考慮すれば、何ら問題なく、電流制御素子７１を動作させることが可能である。
【実施例４】
【００４２】
次に、図１０を参照しながら、本発明の実施例４を説明する。本実施例は、本発明の電流制御素子の他の応用例である。図１０(A)は、本実施例の集積回路８０の構造を示す主要断面図，図１０(B)は、カーボンナノチューブの作製手順の一例を示す図である。図１０(A)に示すように、本実施例においては、絶縁性基板８２の上にカソード電極層８４が形成されており、該カソード電極層８４上に、複数の電流制御素子８１が分離独立するように構成されている。電流制御素子８１の作製及び分離方法は、上述した実施例３と基本的には同様であり、電流制御素子８１の作製後に、ゲート電極８６が形成される。本実施例では、カーボンナノチューブ１８の一方の端部を、絶縁性基板８２側に形成されたカソード電極層８４と結合させ、他方の端部を、半導体基板１０から若干突出した構造とし、前記カソード電極層８４側から電子を注入する。
【００４３】
カーボンナノチューブ１８の突出構造の形成方法としては、例えば、図１０(B)に示す方法が考えられる。まず、図１０(B-1)に示すように、ＳｉＣからなる半導体基板１０の表面に、あらかじめ柱状ないし半球状のＳｉＣの突起９０を形成する。そして、図１０(B-2)に示すように、前記突起９０をマスク９２で覆い、上述した実施例１に示すリソグラフィ手法を用いて、図１０(B-3)に示すように小孔９４を形成する。そして、該小孔９４を利用して、図１０(B-4)に示すように、カーボンナノチューブ１８を、半導体基板１０の内部に向けて成長させる（本実施例では、カソード電極層８４に達するまで成長が継続される）。最後に、突起９０及びマスク９２を除去することにより、半導体基板１０の表面から突出した図１０(B-5)に示す構造を得ることができる。なお、図示の例では、突起９０を取り除くこととしたが、突起９０を残したままであっても、動作条件を適切に設定することにより、動作可能である。
【００４４】
本実施例においては、正電圧が印加された蛍光電極８８を上方に配置することにより、カーボンナノチューブ１８から電子を電界放射させることが可能となる。また、ゲート電極８６によりカーボンナノチューブ１８に流れる電流値を制御すれば、カーボンナノチューブ１８から放射される電子数を変化させることが可能であり、その結果、蛍光電極８８の発光を制御することも可能となる。このような構造をアレイ状に配置した集積回路８０を利用すれば、ディスプレイ装置を構成することができる。本実施例を利用して作製したディスプレイ装置において、特に重要な利点は、各カーボンナノチューブ１８の先端の高さが、使用する基板の表面の位置により規定されていることである。なぜなら、本手法で作製されるカーボンナノチューブ１８は基板が変成することにより生成されるものであり、基板によってその位置、この場合は特に先端の高さが規定されるからである。つまり、本実施例では、もともとの基板の形状により、突起９０の位置が規定されており、ひいてはカーボンナノチューブ１８の先端の高さが規定される。このことは、作製されたディスプレイ装置の各画素の明るさの均一性を確保するために非常に重要な要素であり、かつ、ディスプレイ装置特性向上のため避けて通れない課題であったが、これまでのカーボンナノチューブを利用したディスプレイでは実現が困難であった。しかしながら、本手法を用いれば、以上の様な理由によりカーボンナノチューブ１８の先端の高さの均一性は、最初に用いる基板表面の平坦性によるため、ミクロンないしオングストロームの精度で揃えることが可能となる。
【００４５】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した導電層，半絶縁層（ないし絶縁層），マスク，薄膜層，各種電極層の材質は一例であり、同様の作用を奏するように適宜変更可能である。また、半導体基板としては、カイラリティの制御されたカーボンナノチューブの形成という点からすると、ＳｉＣ基板を用いるのが最も都合がよいが、他の半導体基板を用いることを妨げるものではない。
(2)前記実施例に示した形状や寸法も一例であり、同様の効果を奏するように適宜変更してよい。また、マスク４２に設ける小孔４４の位置や数も任意であり、必要に応じて適宜変更可能である。
(3)前記実施例３及び４では、一つの電流制御素子７１，８１に、一本のカーボンナノチューブ１８が存在することとしたが、一つの素子に対して配列が制御された複数のカーボンナノチューブ１８を形成するようにしてもよい。
(4)前記実施例に示した作製条件や作製手順は一例であり、何ら前記実施例に限定されるものではない。例えば、マスクに小孔のパターンを形成する方法も一例であり、同様の効果を奏するように、適宜変更してよい。
(5)前記実施例の半導体基板の厚みも一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。特に、本発明の電流制御素子の耐圧は、主にゲート領域（導電層）の長さ（厚み）に比例するため、ゲート領域長に対応するカーボンナノチューブの長さの延長のみで、耐圧の向上が可能となる。
(6)前記実施例３及び４における電流制御素子７１，８１の集積数も一例であり、素子の複数化，すなわち、素子面積の大面積化により、大容量化に対応するようにしてもよい。
(7)本発明の電流制御素子の具体的な用途としては、例えば、電源等の制御装置，電車の自動車の動力コントローラ，集積回路，ディスプレイなどがあり、その他多様な電力・電気・電子デバイスとして応用が可能である。
(8)本発明は、電流制御に好適であるが、図１(B)に示すように、電流制御素子２０に直列接続した負荷（抵抗）３２に発生する電圧を取り出せば、入力信号電圧の増幅も可能であり、信号増幅制御素子としても機能する。また、入力電流信号を本発明の素子に直接入力せず、いったん抵抗に流し、その両端の電圧を前記素子に入力すれば、電流増幅素子としても動作する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によれば、半導体の積層構造を有する基板中に、前記積層構造を厚み方向に貫通する少なくとも一つ以上のカーボンナノチューブを導電部として形成することとしたので、前記カーボンナノチューブの伝導特性を活かして、電流制御素子の用途に適用できる。特に、前記カーボンナノチューブのカイラリティ及びチューブ径（サイズ）の制御，複数のカーボンナノチューブの配列の制御が可能であることから、より一層の小型化，高効率化，高耐圧化，大容量化を必要とする各種電力・電気・電子デバイスの用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施例１を示す図であり、(A)は半導体基板の構造を示す斜視図，(B)は本実施例の電流制御素子使用時の回路接続図である。
【図２】本発明のカーボンナノチューブを、高真空中でのＳＴＭリソグラフィによって作製する工程の一例を示す図である。
【図３】本発明のカーボンナノチューブを作製するための小孔パターンを、酸素雰囲気下でのＳＴＭリソグラフィによって形成する工程を示す図である。
【図４】本発明のカーボンナノチューブを作製するための小孔パターンを、ナノインプリント装置によって形成する工程を示す図である。
【図５】本発明のカーボンナノチューブを作製するための小孔パターンを、微粒子を利用して形成する工程の一例を示す図である。
【図６】本発明のカーボンナノチューブを作製するための小孔パターンを、微粒子を利用して形成する工程の他の例を示す図である。
【図７】前記実施例１の半導体基板中にカーボンナノチューブを作製する工程の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施例２を示す図であり、(A)は斜視図，(B)は前記(A)を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断した断面図である。
【図９】本発明の実施例３の集積回路の作製手順の一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４を示す図であり、(A)は本実施例の主要断面図，(B)は本実施例におけるカーボンナノチューブの作製工程の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０，１０Ａ：半導体基板
１２：導電層（ゲート領域）
１４，１６：絶縁層（ないし半絶縁層）
１８：カーボンナノチューブ
２０：電流制御素子
２２：上部電極
２４：下部電極
２６：ゲート電極
２８：交流電源
３０：直流電源
３２：負荷（抵抗）
４０：半導体基板
４２：マスク
４４：小孔
４６：キャップ構造
５０：微粒子
５１：酸素
５２：型
５４：突起
６０：電流制御素子
６２，６４：薄膜層
７０：集積回路
７１：電流制御素子
７２：絶縁性基板
７４：アノード層
７６：カソード電極
７８：ゲート電極
８０：集積回路
８１：電流制御素子
８２：絶縁性基板
８４：カソード電極層
８６：ゲート電極
８８：蛍光電極
９０：突起
９２：マスク
９４：小孔
【図１】
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【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７】
2006135187.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006135187.tif 000011
【図１０】
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