(57)【要約】      （修正有）【課題】カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）集合体でチャネルを形成する電界効果トランジスタにおいて、高いオンオフ比を得る。【解決手段】波長５３２ｎｍのラマン分光分析で２００ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型ＣＮＴ由来のピーク面積を１３０ｃｍ−１以上２００ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型ＣＮＴ由来のピーク面積で除算して得た、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の金属型ＣＮＴの量が、波長７８５ｎｍのラマン分光分析で１９０ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型ＣＮＴ由来のピーク面積を１４０ｃｍ−１以上１９０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型ＣＮＴ由来のピーク面積で除算して得た、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の半導体型ＣＮＴの量の０．１倍以下となるカーボンナノチューブの集合体を用い、これを帯状領域に分割して電界効果トランジスタ１００のチャネル層106とする。【選択図】図１
2015095557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極及びドレイン電極、並びに前記ソース電極及び前記ドレイン電極に接するように設けられたカーボンナノチューブ集合体からなるチャネル層と、前記チャネル層と少なくとも一部が重なるゲート絶縁層及びゲート電極とを有し、
前記カーボンナノチューブ集合体は、波長５３２ｎｍのラマン分光分析で２００ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型カーボンナノチューブ由来のピーク面積を１３０ｃｍ−１以上２００ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型カーボンナンポチューブ由来のピーク面積で除算して得た、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の金属型カーボンナノチューブの量が、波長７８５ｎｍのラマン分光分析で１９０ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型カーボンナノチューブ由来のピーク面積を１４０ｃｍ−１以上１９０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型カーボンナノチューブ由来のピーク面積で除算して得た、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の半導体型カーボンナノチューブの量の０．１倍以下となる特性を有し、
前記カーボンナノチューブ集合体は、前記ソース電極及び前記ドレイン電極と接している短辺と、該短辺に対して略垂直な方向に延びる長辺により囲まれた帯状領域に存在し、前記短辺の長さが５マイクロメートル以下であり、前記帯状領域が離間して複数配設されていることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間隔が１０マイクロメートル以下である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】
オンオフ比が１０００以上であり、電界効果移動度が１０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記ソース電極と前記ドレイン電極間の電位差を０．１Ｖとしたときに、オン電流密度をチャネル幅で除算した値が１０−８Ａ／μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
【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集合体を用いた電子デバイスに関する。特に、半導体型カーボンナノチューブを主として含有するカーボンナノチューブ集合体によってチャネルが形成される電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」ともいう。）は、移動度がシリコンの１０倍以上であり、また１０９Ａ／ｃｍ２という高い電流密度で電流を流すことができるため、次世代の電子材料として注目されている。これまでの電子材料の主役はシリコン半導体であり、これによって作られるシリコンＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide- semiconductor field-effect transistor）は、微細化加工技術の発展と共に性能向上が図られてきた。しかし、集積回路の微細化が進むにつれてＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁層は薄膜化が必要とされ、それによってキャリアのトンネリングなど量子効果の影響が無視できなくなり、微細化の限界が近づいていると言われている。
【０００３】
そこで電界効果トランジスタの活性層（チャネル）にカーボンナノチューブ集合体を用いることで、シリコンＭＯＳＦＥＴでは実現できない高性能のデバイス開発が進められている。例えば、カーボンナノチューブ集合体をチャネルとする電界効果トランジスタで論理回路を形成し、その動作を実証した一例が報告されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
論理回路では電界効果トランジスタがスイッチとして利用されるため、スイッチング特性が優れていることが要求される。スイッチング特性を表す一つの指標はオンオフ比であり、この値が小さいと論理回路の動作マージンが狭くなるため、電界効果トランジスタは高いオンオフ比を有することが求められている。
【０００５】
しかしながら、非特許文献１で開示されているように、カーボンナノチューブ集合体を用いた電界効果トランジスタでオンオフ比を高くするためには、チャネル長を長くする必要がある。図１１は、従来のカーボンナノチューブ集合体を用いた電界効果トランジスタにおけるオンオフ比のチャネル長依存性を示す。図１１を参照すると、チャネル長が１０μｍ程度であるとオンオフ比は１桁程度しか得ることができず、オンオフ比を１０６以上にするにはチャネル長を１００μｍ程度以上にしなければならないことが示されている。
【０００６】
カーボンナノチューブ集合体を用いた電界効果トランジスタにおいて、チャネル長が短い場合にオンオフ比が低下するのは、カーボンナノチューブ集合体に含まれる電気伝導性の高い成分の影響であると考えられる。カーボンナノチューブ集合体は、アーク放電法、レーザアブレーション法、気相成長法などによって合成されるが、いずれの合成法によっても、合成されたカーボンナノチューブ集合体には半導体型カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブの双方が含まれていることが知られている。
【０００７】
半導体型カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブの双方が混在したカーボンナノチューブ集合体で電界効果トランジスタのチャネルを形成すると、金属型カーボンナノチューブによる導電性の影響が無視できなくなる。例えば、金属型カーボンナノチューブによって、ソース電極とドレイン電極間を架橋する導電パスが形成されると、その導電パスはゲート電圧に依存せず、ソース電極とドレイン電極間の電位差によって電流が流れてしまう。このため電界効果トランジスタのオフ電流は必然的に上昇してしまうこととなる。
【０００８】
このような問題に対して、合成されたカーボンナノチューブ集合体から金属型カーボンナノチューブを選択的に除去する方法が検討されている。金属型カーボンナノチューブと半導体型カーボンナノチューブは、構造上の違いが極僅かであるため、それらを分離することは極めて困難であり、回収率、純度、コスト等を考慮すると、実用的ないし経済的に満足できる水準にまで解決が図られていないのが現実である。例えば、金属型と半導体型のカーボンナノチューブが混在したカーボンナノチューブ集合体から半導体型カーボンナノチューブを分離精製する分離工程が開発されている（特許文献１及び２参照）。しかしながら分離過程に伴うカーボンナノチューブへのダメージ、分離コスト、分散剤などの残留不純物の問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２６６１１２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６６０７０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Dong-ming Sun, Marina Y. Timmermans, Ying Tian, Albert G. Nasibulin, Esko I. Kauppinen, Shigeru Kishimoto, Takashi Mizutani and Yutaka Ohno, “Flexible high-performance carbon nanotube integrated circuits”, NATURE NANOTECHNOLOGY, PUBLISHED ONLINE: 6 FEBRUARY 2011, pp.1-6.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の技術によれば、カーボンナノチューブ集合体を用いた電界効果トランジスタは、オンオフ比を高くするためにチャネル長を長くする必要があり、具体的にはチャネル長を１００μｍ以上にしなければならない。一方、電界効果トランジスタのオン電流はチャネル長に反比例するため、高いオンオフ比を得ようとしてチャネル長を長くすると、今度はオン電流が低下してしまうという問題がある。
【００１２】
そこで本発明は、カーボンナノチューブ集合体でチャネルを形成する電界効果トランジスタにおいて、高いオン電流と、高いオンオフ比を両立させることを目的の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタは、ソース電極及びドレイン電極、並びにソース電極及びドレイン電極に接するように設けたれたカーボンナノチューブ集合体からなるチャネル層と、チャネル層と少なくとも一部が重なるゲート絶縁層及びゲート電極とを有し、このカーボンナノチューブ集合体は、波長５３２ｎｍのラマン分光分析で２００ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型カーボンナノチューブ由来のピーク面積を１３０ｃｍ−１以上２００ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型カーボンナンポチューブ由来のピーク面積で除算して得た、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の金属型カーボンナノチューブの量が、波長７８５ｎｍのラマン分光分析で１９０ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型カーボンナノチューブ由来のピーク面積を１４０ｃｍ−１以上１９０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型カーボンナノチューブ由来のピーク面積で除算して得た、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の半導体型カーボンナノチューブの量の０．１倍以下となる特性を有し、カーボンナノチューブ集合体は、ソース電極及びドレイン電極と接している短辺と、該短辺に対して略垂直な方向に延びる長辺により囲まれた帯状領域に存在し、該短辺の長さが５マイクロメートル以下であり、該帯状領域が離間して複数配設されている。
【００１４】
電界効果トランジスタのチャネル層を形成するカーボンナノチューブ集合体において、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の直径を有する金属型カーボンナノチューブの量を、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の半導体型カーボンナノチューブの量の０．１倍以下としつつ、該カーボンナノチューブ集合体を複数の帯状領域に分割することで、金属型カーボンナノチューブからなる導電パスが消失することによりオフ電流を低減させ、かつ半導体型カーボンナノチューブからなる導電パス由来の高いオン電流を維持することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、チャネル層を形成するカーボンナノチューブ集合体を複数の帯状領域に分割することにより、チャネル長が短い場合であっても高いオンオフ比を得つつ、高いオン電流密度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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説明する図である。
【図２】本発明の一実施例に係るカーボンナノチューブ集合体の合成プロセスを説明する図である。
【図３】本発明の一実施例に係るカーボンナノチューブ集合体の合成プロセスを説明する図である。
【図４】本発明の一実施例に係る複数のカーボンナノチューブ集合体をラマン分光分析したときに得られるラマンスペクトルを示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例に係る複数のカーボンナノチューブ集合体をチャネル層として用いた電界効果トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を示すグラフである。
【図６】比較例におけるカーボンナノチューブ集合体の合成プロセスを説明する図である。
【図７】本発明の一実施例に係る電界効果トランジスタの構成を説明する図である。
【図８】本発明の一実施例に係る複数のカーボンナノチューブ集合体をチャネル層として用いた電界効果トランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施例に係る電界効果トランジスタのチャネル幅（帯状領域の短辺の幅とオンオフ比の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施例に係る電界効果トランジスタのチャネル幅（帯状領域の短辺の幅とオン電流密度の関係を示すグラフである。
【図１１】従来のカーボンナノチューブ集合体を用いたトランジスタにおけるオンオフ比のチャネル長依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、図面等を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に例示する実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の内容について、同一部分または同様な機能を有する部分については同じ符号を異なる図面間で共通して用い、その場合において特段の事情が無い限り繰り返しの説明は省略する。
【００１８】
［電界効果トランジスタについて］
図１は、本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタ１００の構成を示す。電界効果トランジスタ１００はゲート電極１０３、ゲート絶縁層１０４及びカーボンナノチューブ集合体から成るチャネル層１０６を有する。ソース電極１０８及びドレイン電極１１０はチャネル層１０６と接するように設けられている。チャネル層１０６の上部には、絶縁性材料でなるパッシベーション層１１２を設けてもよい。
【００１９】
チャネル層１０６を構成するカーボンナノチューブ集合体は、複数の領域に分割されている。カーボンナノチューブ集合体で成るそれぞれの領域は、一方の端がソース電極１０８と接し、他方の端がドレイン電極１１０と接するように設けられており、個々の領域は間隔をもって配置されている。すなわち、カーボンナノチューブ集合体は、ソース電極１０８とドレイン電極１１０と接する短辺（ｄ）と、この短辺（ｄ）に対して略垂直な方向に延びる長辺を有する帯状（若しくは短冊状）の領域に分離されている。チャネル層１０６において、隣接する帯状の領域は、相互に接することなく間隙もって複数個が配設されている。
【００２０】
カーボンナノチューブ集合体で成る帯状領域は、短辺（ｄ）の長さが１０マイクロメートル、好ましくは５マイクロメートル以下とされ、相互の間隔は０．１マイクロメートル以上、好ましくは１マクロメートル以上、例えば２マイクロメートルとなるように配設されている。
【００２１】
本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタ１００のチャネル長は、１００マイクロメートル以下、好ましくは２０マイクロメートル以下、より好ましくは１０マイクロメートル以下、さらに好ましくは５マイクロメートル以下の値であるとよい。この場合において、チャネル幅はカーボンナノチューブ集合体で成る帯状領域の、それぞれの短辺（ｄ）の長さの合計値である。なお、チャネル幅に限定はなく、チャネル幅に比例してオン電流が変化するので、チャネル幅の値はカーボンナノチューブ集合体でなる帯状領域の数によって適宜設定することができる。
【００２２】
［カーボンナノチューブ集合体について］
チャネル層１０６に用いるカーボンナノチューブ集合体は半導体型カーボンナノチューブのみから成ることが理想的であるが、合成されるカーボンナノチューブの集合体から半導体型カーボンナノチューブのみを精製することは困難である。そこで本発明の一実施形態においてはチャネル層１０６に用いるカーボンナノチューブ集合体に半導体型カーボンナノチューブのみならず、金属型カーボンナノチューブが含まれることを容認しつつ、特定の金属型カーボンナノチューブの割合を減少させている。それにより、チャネル長を短くしてもオフ電流の上昇を防ぐことができ、オンオフ比として１０００以上の値を得ることが可能となる。
【００２３】
ところでカーボンナノチューブ集合体に含まれる半導体型カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブには、それぞれについて太いカーボンナノチューブと細いカーボンナノチューブの存在が確認されている。本発明の一実施形態は、この中で細い金属型カーボンナノチューブに対して細い半導体型カーボンナノチューブの割合が高いものであることが好ましい。細い半導体型カーボンナノチューブは、ゲート電圧により電流値のスイッチングが可能なので、これの割合が大きなカーボンナノチューブ集合体を電界効果トランジスタのチャネルとして用いるとオンオフ比を高くすることができる。
【００２４】
カーボンナノチューブの集合体に含まれる半導体型カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブ、およびその太さに関する情報は、カーボンナノチューブ集合体をラマン分光分析することにより確認することができる。細い金属型カーボンナノチューブとは、励起波長が５３２ｎｍであるラマン分析の際に、ラマンシフト２００-２８０ｃｍ−１にシグナルを示す直径０．８−１．３ｎｍのカーボンナノチューブであり、これに対して太い金属型カーボンナノチューブとは、励起波長が７８５ｎｍであるラマン分析の際に、ラマンシフト１４０-１９０ｃｍ−１にシグナルを示す直径１．３−１．７ｎｍのカーボンナノチューブである。また、細い半導体型カーボンナノチューブとは、励起波長が７８５ｎｍであるラマン分析の際に、ラマンシフト１９０-２８０ｃｍ−１にシグナルを示す直径０．８−１．３ｎｍのカーボンナノチューブというものであり、太い半導体型カーボンナノチューブとは、励起波長が５３２ｎｍであるラマン分析の際に、ラマンシフト１３０-２００ｃｍ−１にシグナルを示す直径１．３−１．７ｎｍのカーボンナノチューブというものである。
【００２５】
本発明の一実施形態では、チャネル層１０６に適用するカーボンナノチューブ集合体として、波長５３２ｎｍのラマン分光分析で観測したときに得られるラマンシフトのうち、少なくとも２００〜２８０ｃｍ−１の領域で観測される細い金属型カーボンナノチューブの割合を低減させたものを用いることが好ましい。
【００２６】
本発明の一実施形態に係るカーボンナノチューブ集合体をラマン分光分析によって得られるスペクトルから特性付けると、波長５３２ｎｍのラマン分光分析で２００ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型カーボンナノチューブ由来のピーク面積を１３０ｃｍ−１以上２００ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型カーボンナンポチューブ由来のピーク面積で除算して得た直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の金属型カーボンナノチューブの量が、波長７８５ｎｍのラマン分光分析で１９０ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型カーボンナノチューブ由来のピーク面積を１４０ｃｍ−１以上１９０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型カーボンナノチューブ由来のピーク面積で除算して得た、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の半導体型カーボンナノチューブの量の１倍以下、好ましくは０．１倍以下となる。
【００２７】
また、他の指標としては、カーボンナノチューブ集合体を波長５３２ｎｍのラマン分光分析で観測したときに得られるラマンシフトのうち、（Ａ）２００〜２８０ｃｍ−１の領域で観測される細い金属型カーボンナノチューブと、（Ｂ）１３０〜２００ｃｍ−１で観測される太い半導体型カーボンナノチューブとのピーク面積強度を比較したとき、細い金属型カーボンナノチューブが少ないものであることが好ましく、例えば前記（Ａ）を（Ｂ）で除算（（Ａ）／（Ｂ））したときの値が、１以下、好ましくは０．５以下であるものが好ましい。
【００２８】
もちろん、太い金属型カーボンナノチューブも同時に低減できれば理想的であるが、電界効果トランジスタの特性に影響を与えない程度であれば、チャネル層１０６に含まれていてもよいものとする。
【００２９】
このように、本発明の一実施形態は、チャネル層１０６に用いるカーボンナノチューブ集合体に半導体型カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブが混在することを許容しつつも、特に細い金属型カーボンナノチューブが含まれる割合を低減することにより、電界効果トランジスタのオンオフ比が高くなるようにしている。
【００３０】
本発明の一実施形態において、チャネル層１０６は複数の帯状領域に分割されたカーボンナノチューブ集合体を用いるものであるが、電界効果トランジスタのその他の構造に限定はなく、チャネル層がゲート絶縁層によってゲート電極から絶縁された絶縁ゲート型の構造を有することが好ましい。図１では、ゲート電極１０３としてシリコン基板を用いる一例を示す。ゲート絶縁層１０４はシリコン基板の表面に形成された酸化シリコン膜であり、この表面にカーボンナノチューブ集合体を合成することでチャネル層１０６としている。そしてチャネル層１０６上にはパッシベーション層１１２が設けられている。このパッシベーション層に代えてイオンゲル膜を設け、これをゲート絶縁膜として用いることもできる。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、チャネル層を形成するカーボンナノチューブ集合体において半導体型カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブの比率を特定な比率とし、かつ、そのカーボンナノチューブ集合体を複数の帯状領域に分割することで、チャネル長が１０μｍないしそれ以下である電界効果トランジスタにおいて、高いオンオフ比を実現することができる。以下、実施例により、この電界効果トランジスタの詳細を説明する。
【実施例１】
【００３２】
［ＣＮＴの作製］
図２及び図３を参照して、半導体型カーボンナノチューブの含有比率が高いカーボンナノチューブ集合体を合成する一例を説明する。本実施例では、電界効果トランジスタのチャネル層に適用可能なカーボンナノチューブ集合体の合成法について示す。
【００３３】
（１）触媒粒子の形成
図２（Ａ）で示すように、カーボンナノチューブ集合体を合成するために基板１０２を用意する。この基板１０２の表面に触媒粒子１０５を形成する。本実施例では基板１０２としてシリコンウエハを用いる。この基板１０２の表面には酸化シリコン膜１０４が形成されている。酸化シリコン膜１０４の膜厚に限定はないが、例えば１００ｎｍとすればよい。
【００３４】
酸化シリコン膜１０４の表面は洗浄処理により清浄化しておく。カーボンナノチューブ集合体を合成するときに不純物が混入しないようにするためである。またカーボンナノチューブ集合体が異常成長しないようにするためである。洗浄処理は各種の方法を適用可能であるが、例えば酸素を用いたプラズマ処理により酸化シリコン膜１０４の表面を清浄化する。そして、酸化シリコン膜１０４の表面に触媒粒子１０５を形成する。
【００３５】
本実施例では、カーボンナノチューブ集合体を成長するための触媒として鉄（Ｆｅ）を用いる。この触媒による粒子を酸化シリコン膜１０４の表面に分散して敷設するために、ＦｅＣｌ３を２×１０−５ｍｏｌ／ｌ含む溶液５０ｍｌにＮＨ３Ｈ・Ｈ２Ｏ２を０．０１ｍｏｌ／Ｌ含む溶液を１０００μｌ添加した溶液に基板１０２を浸した後、超純水ですすぎ、その後イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）洗浄をして乾燥させる。このようにして、酸化シリコン膜１０４の表面に触媒粒子１０５が敷設される。触媒粒子１０５は、酸化シリコン膜１０４上で凝集することなく微粒子の状態で分散させている。
【００３６】
次に、触媒粒子が分散された基板を用いてカーボンナノチューブ集合体の合成を行う。このプロセスは触媒粒子の前処理の段階と、その後に行われるカーボンナノチューブ集合体を合成する段階とによって行われる。
【００３７】
（２）触媒微粒子の前処理
前処理（図３において「Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ」と表示されている期間）は、触媒粒子を適度に酸化させることを目的としており、これによってその次のカーボンナノチューブ集合体を合成する段階において半導体型カーボンナノチューブ集合体の含有率を高めることができる。前処理は、酸化シリコン膜１０４の表面に触媒粒子１０５が形成された基板１０２を合成炉に入れて加熱を行う。合成炉内に基板をセットした後、雰囲気ガスと還元ガスを流しながら基板を加熱する。基板の加熱は、炉内の温度を６００〜９００℃、例えば７８０℃に加熱する。雰囲気ガスとしては不活性ガスが好ましく、例えばヘリウム（Ｈｅ）を用い、還元ガスとしては水素（Ｈ２）を用いることができる。雰囲気ガスに対する還元ガスの割合は、流量比で１／１０以下とすればよく、本実施例においてはＨｅの流量が１９００ｓｃｃｍに対して、Ｈ２を１００ｓｃｃｍ流している。
【００３８】
合成炉内の温度が所定の温度（例えば７８０℃）に加熱された状態で、雰囲気ガスと還元ガスを流しながら一定時間、この状態を保持して合成炉内に残留する不純物を除去する。合成炉内から除去されるべき不純物は、吸着炭素、酸素であり、さらに残留水分も除去する（図３において「Ｔｒａｎｓｉｔ」から「Ｗａｉｔ」と表示されている期間）。特に合成炉内に残留する水分は十分に除去することが好ましく、ガスの排気側に設置した水分計により合成炉内の水蒸気量が５０ｐｐｍ以下となるようにする。
【００３９】
合成炉内において、ガス成分の９９．９％以上が雰囲気ガス及び還元ガスで占められた状態にした後、還元ガスの流量を減らしつつ水蒸気（Ｈ２Ｏ）を導入し、触媒粒子を水蒸気に暴露させる（図２（Ｂ）、および図３において「Ｘ」と表記されている期間）。例えば、Ｈｅのガス流量が２０００ｓｃｃｍに対してＨ２を４ｓｃｃｍとし、２０００ｐｐｍのＨ２Ｏを含んだＨｅガスを５０ｓｃｃｍとする。
【００４０】
このように、不純物として合成炉内に残留する炭素、酸素、水蒸気を除去した後、意図的に制御された量の水蒸気を合成炉内に供給することで、触媒粒子が均一に水蒸気に暴露され、触媒粒子が適度に酸化させる。これによって金属型と半導体型の比率が制御されたカーボンナノチューブ集合体を成長させることができる。
【００４１】
（３）カーボンナノチューブ集合体の合成
触媒粒子を一定時間水蒸気（Ｈ２Ｏ）に暴露した後、水蒸気（Ｈ２Ｏ）の供給は完全に停止させる。そして雰囲気ガスと還元ガスを流した状態で、原料ガスを合成炉内に導入する（図３において「Ｇｒｏｗｔｈ」と表示されている期間）。原料ガスは炭化水素ガスを用いることが好ましく、例えばエチレン（Ｃ２Ｈ４）を用いる。原料ガスの供給を一定時間続けることで、基板上にカーボンナノチューブの集合体が成長する（図２（Ｃ））。
【００４２】
この場合、上記のような触媒粒子の塗布と、合成炉での水蒸気処理により、触媒粒子が適度に酸化されることにより細い金属型カーボンナノチューブの成長効率が選択的に抑制される。これにより、半導体型カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブを含みつつも、金属型カーボンナノチューブが全体に占める割合が低減されたカーボンナノチューブ集合体を合成することができる。
【００４３】
原料ガスの供給を遮断すると、カーボンナノチューブ集合体の成長が停止する。雰囲気ガスを流した状態で温度を一定に保ち、所定時間が経過した後、合成炉内の温度を低下させ、基板を取り出すことでカーボンナノチューブの集合体を得ることができる（図３において「Ｋｅｅｐ」と表示されている期間及びそれ以降の期間）。
【００４４】
［カーボンナノチューブの特性］
（１）ラマン分光分析
波長５３２ｎｍのラマン分光分析から２００〜２８０ｃｍ−１の領域で観測されるピークは細い金属型カーボンナノチューブ、１３０〜２００ｃｍ−１の領域で観測されるピークからは太い半導体型カーボンナノチューブの存在を確認することができる。また、波長７８５ｎｍのラマン分光分析で１９０〜２８０ｃｍ−１の領域で観測されるピークから細い半導体型カーボンナノチューブ、１４０〜１９０ｃｍ−１の領域で観測されるピークから太い金属型カーボンナノチューブの存在を確認することができる。
【００４５】
図４は、励起波長５３２ｎｍのラマン分光分析により得られるラマンシフトと、励起波長７８５ｎｍのラマン分光分析により得られるラマンシフトのデータを示す。図４で示されるグラフから、励起波長５３２ｎｍにおけるラマンシフトにおいて、２００〜２８０ｃｍ−１の領域でピーク強度が極めて弱くなっており、細い金属型カーボンナノチューブの割合が少なくなっていることが観測される。一方、励起波長７８５ｎｍのラマンシフトのデータから１４０〜１９０ｃｍ−１の領域でピークが観測されており、太い金属型カーボンナノチューブが依然として存在していることが確認される。
【００４６】
表１は、各励起波長に対するラマンスペクトルのピーク面積と、その面積強度比を示す。表１に示されるように、本実施例で得られるカーボンナノチューブ集合体は、波長５３２ｎｍのラマン分光分析で２００ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型カーボンナノチューブ由来のピーク面積６７（ｃｏｕｎｔ）を、１３０ｃｍ−１以上２００ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型カーボンナンポチューブ由来のピーク面積１５８２（ｃｏｕｎｔ）で除算して得た、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の金属型カーボンナノチューブの量は０．０４２となる。一方波長７８５ｎｍのラマン分光分析で１９０ｃｍ−１以上２８０ｃｍ−１以下の領域に観測される半導体型カーボンナノチューブ由来のピーク面積８８３（ｃｏｕｎｔ）を１４０ｃｍ−１以上１９０ｃｍ−１以下の領域に観測される金属型カーボンナノチューブ由来のピーク面積６０５（ｃｏｕｎｔ）で除算して得た、直径０．８ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の半導体型カーボンナノチューブの量は１．４５である。前者を後者で除算した値は０．０３となっている。結果から、細い金属型カーボンナノチューブの割合が低下しているものの、太い金属型カーボンナノチューブはそれなりに存在していることがわかる。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
このように、カーボンナノチューブ集合体の合成前に反応炉内の不純物量として、特に水分量を一旦低減させ、その後、制御された水分量で触媒粒子に作用させることで、細い金属型カーボンナノチューブの割合が少ないカーボンナノチューブ集合体を合成することができる。
【００４９】
［電界効果トランジスタの特性］
上記カーボンナノチューブ集合体を用い、図１で示す構造と同じ電界効果トランジスタの特性を図５に示す。
【００５０】
本実施例で作製した電界効果トランジスタは、図１を参照すると、基板１０２としてシリコン基板が用いられ、これをゲート電極１０３として用いている。ゲート絶縁層１０４は酸化シリコン膜であり、１００ｎｍの厚さを有している。また、ソース電極１０８及びドレイン電極１１０として、チタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）の積層体を用い、チタン（Ｔｉ）を、カーボンナノチューブ集合体により形成されるチャネル層１０６とコンタクトさせている。
【００５１】
なお、本実施例で作製された電界効果トランジスタは、チャネル長が１０マイクロメートルである。チャネル層１０６は、カーボンナノチューブ集合体の短辺（ｄ：チャネル幅方向の長さ）が１マイクロメートルのものを、２マイクロメートルの間隔をおいて３０本設けている。よって、実質的なチャネル幅は３０マイクロメートルである。
【００５２】
図５で示すデータはドレイン電流対ゲート電圧特性（Ｉｄ−Ｖｇ特性）であり、ソース・ドレイン間電圧（Ｖｄｓ）を０．１Ｖ一定とし、ソース・ゲート間の電圧を掃引してドレイン電流を読み取ることで測定されたものである。
【００５３】
図５で示すＩｄ−Ｖｇ特性より、オン電流は１．４×１０−６Ａであり、オン電流をチャネル幅で除算したオン電流密度は４．０６×１０−８Ａ／μｍである。電界効果移動度は１５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃが得られている。このように、本実施例によれば、チャネル長が１０μｍであるにもかかわらず、高いオン電流密度を維持しつつ、オンオフ比が３４７０となっており非常に高い値を実現している。
【００５４】
この結果は、カーボンナノチューブ集合体で成るチャネル層１０６を複数の帯状領域に分割することにより、金属型カーボンナノチューブによって形成される導電パスが分割されることになるので、ゲート電圧に依存しない導電パスが実質的に減少していることを示唆している。このとき、金属型カーボンナノチューブに比べて半導体型カーボンナノチューブの割合を高めているので電界効果トランジスタとしての特性は劣化させていない。
【００５５】
このように本実施例によれば、チャネル層を形成するカーボンナノチューブ集合体を複数の帯状領域に分割することにより、チャネル長が短い場合であっても高いオンオフ比が１０００以上であり、オン電流密度をチャネル幅で除算した値が１×１０−８Ａ／μｍ以上の電界効果トランジスタを得ることができる。
【００５６】
［比較例］
実施例１で作成したカーボンナノチューブ集合体を用い、チャネル層を複数の帯状領域に分割せずに作製した電界効果トランジスタの特性を図６に示す。比較例の電界効果トランジスタは、チャネル長１０μｍ、チャネル幅１００μｍである。電界効果移動度は３５ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ、オン電流は２５×１０−６Ａと高いため、オン電流密度も２．５×１０−７Ａ／μｍと高い値になっているが、オンオフ比は８．５しか得られていない。
【００５７】
比較例の結果は、カーボンナノチューブ集合体の組成、すなわち半導体型カーボンナノチューブと金属型カーボンナノチューブの混在比率が同じ場合でも、チャネル層の形態によってオンオフ比、オン電流密度が異なることを示している。換言すれば、細い金属型カーボンナノチューブの存在割合を低減させたカーボンナノチューブ集合体を用い、当該カーボンナノチューブ集合体の幅（チャネル幅方向の長さ）を１０マイクロメートル以下として、所定の間隔をもって複数本配設し、これをチャネル層とすることで、高いオンオフ比とオン電流密度を両立させることができる。
【実施例２】
【００５８】
図７は、本実施例に係る電界効果トランジスタの構成を示す。図１で示した電界効果トランジスタとの相違は、チャネル層１０６上にイオンゲル膜でなるゲート絶縁膜１１６を設けた点にある。
【００５９】
図７で示すように、電界効果トランジスタ１０１は、ゲート絶縁膜１０４上にソース電極１０８、ドレイン電極１１０及びゲート電極１１４が設けられている。ソース電極１０８及びドレイン電極１１０と同じ層でゲート電極１１４を設けることもできる。イオンゲル膜でなるゲート絶縁膜１１６が、少なくともチャネル層１０６を覆うように設けられている。イオンゲル膜でなるゲート絶縁膜１１６には、ゲート電極１１４によって電場が印加される。
【００６０】
イオンゲル膜は、カーボンナノチューブ集合体で成る帯状領域の上面及び側面を覆うように設けられている。イオンゲル膜は、例えばπ共役高分子を含んだものが用いられ、これをゲート絶縁膜１１６として用いソース・ドレイン間の電圧に対するゲート電圧を制御することにより、π共役高分子が部分酸化してドレイン電流の制御（スイッチング）をすることができる。
【００６１】
図８で示すＩｄ−Ｖｇ特性より、オン電流は２．８×１０−６Ａであり、オン電流をチャネル幅で除算したオン電流密度は９．３×１０−８Ａ／μｍであり、オンオフ比は６２２０が得られている。
【００６２】
図９は、チャネル層１０６における帯状領域の短辺（ｄ）の幅とオンオフ比の関係を示す。オンオフ比は短辺（ｄ）の幅を１０マイクロメートル以下、好ましくは５マイクロメートル以下にすることで大幅に上昇している。
【００６３】
図１０は、チャネル層１０６における帯状領域の短辺（ｄ）の幅とオン電流密度の関係を示す。この場合、帯状領域の短辺（ｄ）の幅が１００マイクロメートルから１マイクロメートルまで変化しても、オン電流密度の減少は１桁以内に収まっている。
【００６４】
本実施例によれば、カーボンナノチューブ集合体を帯状領域に分割したチャネル層と、ゲート絶縁膜としてのイオンゲル膜を用いることにより、極めて高いオンオフ比と、十分なオン電流密度を実現することができる。この場合において、当該帯状領域の短辺（ｄ）の幅は、１０マイクロメートルよりも小さくすることが好ましく、一方オン電流密度は帯状領域の幅に大きく依存することはなく、高いオン電流密度を維持することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１００：電界効果トランジスタ
１０２：基板
１０３：ゲート電極
１０４：ゲート絶縁層
１０５：触媒粒子
１０６：チャネル層
１０８：ソース電極
１１０：ドレイン電極
１１２：パッシベーション膜
１１４：ゲート電極
１１６：ゲート絶縁膜
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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