(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のカーボンナノチューブで構成された電流通路と、
前記電流通路を介して電気的に接している２つの電極と、
前記電流通路の一部或いは全ての領域に接するように設けられた色素と樹脂の混合物層と、を備えていることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネルと、
前記チャネルを介して電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極と、
ゲート絶縁膜を挟んで前記チャネルと対向するように配置されたゲート電極と、を有する薄膜トランジスタを備え、
前記チャネルに接して設けられた色素と樹脂の混合物層をさらに備える、半導体素子。
【請求項３】
前記チャネルと前記ゲート絶縁膜との間に設けられたシリカ層をさらに備える、請求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】
複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネルと、
前記チャネルを介して電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極と、
ゲート絶縁膜を挟んで前記チャネルと対向するように配置されたゲート電極と、を有する薄膜トランジスタを備え、
前記ゲート絶縁膜は色素と樹脂の混合物層からなる、半導体素子。
【請求項５】
前記薄膜トランジスタは支持基板上に形成されており、
前記ゲート電極は前記支持基板上に形成されており、前記ゲート絶縁膜を介して前記チャネルと対向するように配置されている、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記薄膜トランジスタは支持基板上に形成されており、
前記ゲート電極は前記支持基板上に形成されており、前記色素と樹脂の混合物層は前記チャネルの一部又は全部を覆うように形成されている、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記色素と樹脂の混合物層は、前記チャネルと、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方とを覆うように形成されている、請求項６に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記薄膜トランジスタは支持基板上に形成されており、
前記色素と樹脂の混合物層は前記支持基板上に形成されており、
前記チャネルは前記混合物層上に形成されており、
前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜を介して前記チャネルと対向するように配置されている、請求項２又は請求項３に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記混合物層は、前記色素がフタロシアニン及びその錯体のいずれかから選ばれている、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体素子を複数個有する半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流通路として複数のカーボンナノチューブを用いた半導体素子、及びこの半導体素子を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ(TFT: Thin Film Transistor)は、液晶ディスプレイやELディスプレイ(Electro-Luminescenceディスプレイ)などの表示装置用の画素スイッチング素子として、広く用いられている。こうしたTFTは、アモルファスや多結晶のシリコンを用いてガラス基板上に作成されていた。しかしシリコンを用いたTFTの作成に用いられるCVD装置(Chemical Vapor Deposition装置)は非常に高額であり、TFTを用いた表示装置などの大面積化は製造コストの大幅な増加を伴うという課題があった。またアモルファスや多結晶のシリコンを成膜するプロセスは極めて高い温度で行われるため、基板として使用可能な材料が限られており、軽量な樹脂基板等が使用できないといった制限があった。
【０００３】
カーボンナノチューブ(CNT: Carbon NanoTube)は炭素のみからなる筒状炭素分子であり、炭素原子の六員環で構成されるグラフェンシートを巻いた構造をとっている。１枚のグラフェンシートを丸めて筒状になったCNTは、単層ナノチューブ(SWNT: Single-Wall NanoTube)と呼ばれる。多層のグラフェンシートが筒状になったCNTは、多層ナノチューブ(MWNT: Multi-Wall NanoTube)と呼ばれる。SWNTの直径は約１ｎｍ、MWNTは数十ｎｍ程度である。SWNTでは、グラフェンシートを丸める向きの違い、即ち、円周方向に対する炭素原子の六員環の配向の違いによって、らせん度（カイラリティ）の異なる種々のカーボンナノチューブがある。らせん度（カイラリティ）の異なる種々のカーボンナノチューブとしては、例えば、らせん型カーボンナノチューブ、ジグザグ型カーボンナノチューブ、アームチェア型カーボンナノチューブ等がある。SWNTでは、らせん度（カイラリティ）の違いにより、金属性と半導体性の両方の性質が現れる。
【０００４】
上記したような特徴を有するSWNTを例えば化学的気相成長法（CVD法）によってランダムにソース／ドレイン電極間に成長させることにより、チャネル層がSWNTからなる電界効果トランジスタを作製することができる。このSWNTからなるチャネル層は、SWNTを液体中に分散し、基板上に塗布・堆積、印刷することによっても形成することが可能である。
【０００５】
非特許文献１では、このようにして形成されたSWNTのランダムネットワークでは、多くの接触が形成されてカーボンナノチューブ間の接続が発生し、薄膜トランジスタのチャネル層に利用することができると報告している。
【０００６】
非特許文献１によれば、チャネル層における単層カーボンナノチューブの密度が１本／μｍ２程度の時には、５桁のオン・オフ比と、７ｃｍ２／Ｖｓの移動度が得られ、良好な薄膜トランジスタが実現できたとしている。SWNTのランダムネットワークは、前述したように、SWNTの分散液を塗布、或いはSWNTの分散液を印刷することで形成できる。このプロセスは大面積化が安価に実現可能であると共に、そのプロセス温度が低く、基板として用いる材料を選択する際の制限が少ない。そのため、旧来の、ガラス基板上に形成されたシリコン系のTFTに比べて、大幅に製造コストを抑えることが可能である。近年SWNTのランダムネットワークを用いたTFTが盛んに報告されるようになり、多くの報告例がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】E. S. Snow et al., Applied Physics Letters, Vol.82, No.13, pp.2145-2147, (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した背景技術の半導体素子には以下のような課題がある。
【０００９】
SWNTをチャネルとするTFTは、一般的にｐ型のTFT特性を示す。SWNTの合成、精製、分散処理の条件、或いは、チャネルの形成条件、SWNT表面のガス吸着などの状況により、SWNTは過剰にドープされ、その結果、ｐ型特性が強くなりすぎることがある。
【００１０】
この時、TFTがオン状態になるゲートの閾値電圧が、大きく正の電圧に移動する。その結果、TFTのゲート電圧を０Ｖにしても、ソースとドレイン電極間には電流が流れ続けることになり、実用上のTFTのオン・オフ比は著しく低下する。TFTを完全なオフ状態にするには、ゲート電極に正の電圧を印加し続ける必要があり、このような状況は消費電力の観点からは望ましくない。また、ゲート電極に電圧を印加し続けることは、TFTのゲート絶縁膜の静電破壊を誘発し、素子寿命を著しく低下させる。こうした課題は、SWNTをチャネルとするTFTのキャリヤ濃度の制御がきわめて困難であるということが要因である。
【００１１】
本発明は、SWNTランダムネットワークを電流通路とするTFTの電気特性を実用的に向上することを目的とする。特に、キャリヤ濃度を制御し、半導体素子の閾値電圧を調整することを可能にし、実用上のオン・オフ比を向上させたTFTを提供する。また、本発明は、電気特性が向上したSWNTのランダムネットワークを電流通路とする半導体素子を要素とした、半導体装置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】
前記目的を達成するため、本発明に係る半導体素子は、複数のカーボンナノチューブで構成された電流通路と、上記電流通路を介して電気的に接している２つの電極と、上記電流通路の一部或いは全ての領域に接するように設けられた色素と樹脂の混合物層と、を備えている。
【００１３】
本発明に係る半導体素子は、複数のカーボンナノチューブで構成された電流通路、上記電流通路を介して電気的に接している２つの電極、及び上記電流通路の一部或いは全ての領域に接するように設けられた色素と樹脂の混合物層を備える半導体素子を、複数個有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数のカーボンナノチューブをチャネルとした半導体素子の閾値電圧を、調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態による、SWNTのランダムネットワークのチャネルと色素含有の樹脂層を有する半導体素子の模式断面図である。
【図２】本発明の実施形態及び実施例に用いられる色素とその分子構造の例である。
【図３Ａ】本発明の第１実施形態による半導体素子の電気特性の一例を示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態による半導体素子の電気特性の他の一例を示すグラフである。
【図３Ｃ】本発明の第１実施形態による半導体素子の電気特性のさらに他の一例を示すグラフである。
【図３Ｄ】本発明の第１実施形態による半導体素子の電気特性のさらに他の一例を示すグラフである。
【図４】本発明に用いられる代表的な色素の光吸収特性である。
【図５】（ａ）は背景技術の半導体素子の断面図であり、（ｂ）は背景技術の半導体素子の電気特性を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態による半導体素子の模式断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態による半導体素子の模式断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態による半導体素子の模式断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態による半導体素子の模式断面図である。
【図１０】本発明の第６実施形態による半導体素子の模式断面図である。
【図１１Ａ】本発明の第７実施形態による半導体装置の模式断面図である。
【図１１Ｂ】本発明の第７実施形態による半導体装置を適用した回路構成を示す、模式回路図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｂの回路構成の基本セルの一例を示す、模式回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、２つの電極間の電流通路が制御される半導体素子や、これを用いた半導体装置に関するものである。半導体素子の電流通路は、複数のカーボンナノチューブで構成されたものである。本発明は特に、上記電流通路の一部或いは全ての領域に接するように設けられた色素と樹脂の混合物層を備えることを特徴とする。以下、本発明の半導体素子や半導体装置をより具体的に、実施形態及び実施例として説明する。
【００１７】
〔第１実施形態〕
初めに、本発明の第１実施形態による半導体素子について、説明する。
【００１８】
図１は、本発明のCNTのランダムネットワークをチャネル層に用いた電界効果トランジスタの構造の一例を示す断面図である。本実施形態は、ボトムゲート型の電界効果トランジスタに本発明を適用した一例を示す。
【００１９】
本実施形態の半導体素子は、支持基板の一例としてのフィルム基板１１上に形成されたゲート電極１２と、ゲート電極１２を覆うように形成されたゲート絶縁膜１３と、を備える。さらに本実施形態の半導体素子は、チャネル長に応じた距離を隔ててゲート絶縁膜１３上に配置されたソース電極１４及びドレイン電極１５を備える。さらに本実施形態の半導体素子は、ゲート電極１２上方のゲート絶縁膜１３に形成されソース電極１４・ドレイン電極１５間を電気的に接続するように、複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネルの一例としてのSWNTチャネル１６を備える。さらに本実施形態の半導体素子は、SWNTチャネル１６に接しSWNTチャネル１６を覆うように、色素を含有する色素含有樹脂層１７が設けられている。図１の半導体素子では、色素含有樹脂層１７はSWNTチャネル１６を覆い、ドレイン電極１５及びソース電極１４の一部も覆うように形成されている。
【００２０】
色素含有樹脂層１７としては、例えば、フタロシアニンを含有するアクリル樹脂が考えられる。
【００２１】
フタロシアニンは、４つのフタル酸イミドが窒素原子で架橋された、環状構造の化合物である。中心部分に遷移金属をはじめ様々な元素が結合し、安定な錯体を形成する。フタロシアニン、及びその錯体は、分子全体にπ電子が広がっており、強い色を呈する。フタロシアニン及びその錯体は分子が堅牢で、耐光性が高いことから、標準的な顔料として使用されてきた。具体的には、銅フタロシアニン（ＰＢ１５：ピグメントブルー１５）、無金属フタロシアニン（ＰＢ１６：ピグメントブルー１６）、高塩素化銅フタロシアニン（ＰＧ７：ピグメントグリーン７）、臭素化塩素化銅フタロシアニン（ＰＧ３６：ピグメントグリーン３６）などが挙げられる。
【００２２】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本発明の実施形態や実施例に用いられるフタロシアニンの分子構造の例を示す。図２（ａ）は銅フタロシアニン、図２（ｂ）は無金属フタロシアニン、図２（ｃ）は臭素化塩素化銅フタロシアニン、図２（ｄ）は高塩素化銅フタロシアニンを示す。
【００２３】
図４に示すように、フタロシアニン系の色素は、波長６００〜７００ｎｍ付近のＱ帯、及び４００ｎｍ以下のソーレー帯と呼ばれる主に２つの光吸収帯を持っている。中心金属、或いは修飾基を変えることで、分子の電子状態及び光吸収波長が変化し、色素としての色相を変化させることができる。
【００２４】
また、フタロシアニン系色素では分子全体に広がったπ電子により、分子間にπ−π相互作用が働き、平面型の分子が積み重なるような結晶を作りやすく、凝集しやすい。このため一般には、樹脂などと混ぜ合わせて分散させている。特に水溶性のアクリル樹脂に分散させたものは、アクリル絵の具として一般に市販されている。
【００２５】
一方、SWNTはグラフェンシートを丸めたもので、表面にπ電子が広がっている。表面が曲率を持っていることにより、π電子が外に染み出し、外部のπ電子と相互作用しやすい。したがって、SWNTの周囲にフタロシアニン系の色素が近付くと、π−π相互作用により結合し、SWNTの電子状態を変化させることができる。本実施形態の半導体素子では、SWNTチャネル１６に接しSWNTチャネル１６を覆うように色素含有樹脂層１７を設けている。これによりπ−π相互作用により結合し、SWNTチャネル１６の電子状態が変化する。
【００２６】
このように、フタロシアニン系の色素が結合する頻度（色素の濃度）、フタロシアニンの中心金属の種類、修飾基の種類を変化させることで、SWNTの電子状態を制御することができる。この結果、所望の電気特性を有する、SWNTのランダムネットワークを電流通路とする半導体素子を得ることができる。
【００２７】
本実施形態の半導体素子の具体的な製造方法や、電気特性については、下記の（実施例）において詳細に説明する。
【００２８】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による半導体素子について、説明する。図６は、本発明の第２実施形態の半導体素子を示す断面図である。本実施形態の半導体素子は、第１実施形態の半導体素子がさらにシリカ層を備えるものである。
【００２９】
本実施形態の半導体素子は、第１実施形態の半導体素子と同様に、支持基板の一例としてのフィルム基板３１上に形成されたゲート電極３２と、ゲート電極３２を覆うように形成されたゲート絶縁膜３３と、を備える。さらに本実施形態の半導体素子は、ゲート絶縁膜３３を覆うように形成された薄いシリカ層３８を備える。さらに本実施形態の半導体素子は、チャネル長に応じた距離を隔ててシリカ層３８上に配置されたソース電極３４及びドレイン電極３５を備える。さらに本実施形態の半導体素子は、ゲート電極３２上方のシリカ層３８に形成されソース電極３４・ドレイン電極３５間を電気的に接続するように、複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネルの一例としてのSWNTチャネル３６を備える。さらに本実施形態の半導体素子は、SWNTチャネル３６に接しSWNTチャネル３６を覆うように、色素を含有する色素含有樹脂層３７が設けられている。図６の半導体素子では、色素含有樹脂層３７はSWNTチャネル３６を覆い、ソース電極３４及びドレイン電極３５の一部も覆うように形成されている。
【００３０】
本実施形態の半導体素子では、第１実施形態の半導体素子と同様に、色素含有樹脂層３７中の色素とSWNTチャネル３６のπ電子が相互作用し、SWNTチャネル３６の電子状態が変化する。これにより、第１実施形態の半導体素子と同様の効果が得られる。
【００３１】
さらに、本実施形態の半導体素子では、ゲート絶縁膜３３とSWNTチャネル３６との間に薄いシリカ層３８が設けられている。この薄いシリカ層３８は、メチルイソブチルケトン(MIBK)で希釈した水素シルセスキオキサンをスピン塗布し、１８０℃で焼成することで形成した。また、SWNTチャネル３６を印刷形成する前に、３−アミノプロピルトリエトキシシラン水溶液で処理することで、薄いシリカ層３８の上面をアミノ基で修飾した。SWNTがアミノ基に積極的に吸着されることで、SWNTチャネル３６の均一性が向上した。この結果、本実施形態によれば第１実施形態と同様な効果に加えて、素子特性の均一性と、色素含有樹脂層３７によるキャリヤ濃度の制御性を向上させることができた。
【００３２】
〔第３実施形態〕
本発明の第１実施形態及び第２実施形態の半導体素子では、色素含有樹脂層をSWNTチャネルの上に設けた場合の効果について述べた。本発明の本質は、色素とSWNTチャネルのπ電子が相互作用することで、SWNTチャネルのキャリヤ濃度を制御することにある。したがって、色素含有樹脂層がSWNTチャネルに接していれば良く、SWNTチャネルの下に設けられていても効果は同様である。
【００３３】
次に、本発明の第３実施形態の半導体素子について、説明する。図７は、本発明の第３実施形態の半導体素子を示す断面図である。本実施形態の半導体素子は、第１実施形態や第２実施形態の半導体素子と同様に、支持基板の一例としてのフィルム基板４１上に形成されたゲート電極４２と、ゲート電極４２を覆うように形成されたゲート絶縁膜４３と、を備える。さらに本実施形態の半導体素子では、ゲート絶縁膜４３上に積層するように設けられた色素含有樹脂層４７を備える。さらに本実施形態の半導体素子は、チャネル長に応じた距離を隔てて色素含有樹脂層４７上に配置されたソース電極４４及びドレイン電極４５を備える。さらに、ゲート電極４２上方の色素含有樹脂層４７上に形成されソース電極４４・ドレイン電極４５間を電気的に接続するように、複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネルの一例としてのSWNTチャネル４６を備える。図７に示したデバイス構造では、色素含有樹脂層４７は、ゲート絶縁膜４３上に積層するように設けられている。SWNTチャネル４６は、色素含有樹脂層４７上に接するように配置されており、キャリヤ濃度を調整する機能は第１実施形態や第２実施形態と同等である。
【００３４】
〔第４実施形態〕
第３実施形態とは異なる態様で、色素含有樹脂層がSWNTチャネルに接し、SWNTチャネルの下に設けられている半導体素子を、本発明の第４実施形態の半導体素子として説明する。
【００３５】
図８は、本発明の第４実施形態の半導体素子を示す断面図である。図８に示したデバイス構造では、ゲート絶縁膜が色素を含有しており、ゲート絶縁膜を色素含有ゲート絶縁膜５３としている。本実施形態の半導体素子は、支持基板の一例としてのフィルム基板５１上に形成されたゲート電極５２と、ゲート電極５２を覆うように形成されたゲート絶縁膜と、を備える。本実施形態のゲート絶縁膜は、色素含有ゲート絶縁膜５３である。さらに本実施形態の半導体素子は、チャネル長に応じた距離を隔てて色素含有ゲート絶縁膜５３上に配置されたソース電極５４及びドレイン電極５５を備える。さらに、ゲート電極５２上方の色素含有ゲート絶縁膜５３上に形成されソース電極５４・ドレイン電極５５間を電気的に接続するように、複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネルの一例としてのSWNTチャネル５６を備える。
【００３６】
本実施形態の色素含有ゲート絶縁膜５３は、フタロシアニンを含有し有機高分子からなる絶縁体を、ゲート電極５２を覆うようにフィルム基板５１上にスピン塗布した後、焼き締めて形成される。こうして形成された色素含有ゲート絶縁膜５３は、色素含有樹脂からなる。
【００３７】
本実施形態の半導体素子では、色素含有ゲート絶縁膜５３中の色素とSWNTチャネル５６のπ電子が相互作用し、SWNTチャネル５６の電子状態が変化する。これにより、第１実施形態乃至第３実施形態の半導体素子と同様の効果が得られる。
【００３８】
さらに本実施形態の半導体素子では、前述の図７に示したデバイス構造に比べて、デバイスを構成する層が減らせるので、製造プロセスの短縮化が可能である。さらに、図８のデバイス構造では、SWNTチャネルの上面が空いている。したがって、厚いSWNTチャネルを使用する場合など、より強いキャリヤ濃度の調整が必要な場合には、SWNTチャネルの上面にも色素含有樹脂層を設けて対応することができる。
【００３９】
〔第５実施形態〕
本発明は、第１実施形態乃至第４実施形態として説明したボトムゲート型の薄膜トランジスタだけでなく、トップゲート型の薄膜トランジスタにも適用可能である。トップゲート型の薄膜トランジスタに適用した一例を、本発明の第５実施形態の半導体素子として説明する。
【００４０】
図９は、本発明の第５実施形態の半導体素子を示す断面図である。支持基板の一例としてのフィルム基板６１上に色素含有樹脂層６７が積層され、さらに複数のSWNTで構成されたチャネル６６が形成されている。このSWNTチャネル６６と電気接触を得るように、ソース電極６４・ドレイン電極６５が配置されている。このソース電極６４・ドレイン電極６５の一部と、上記SWNTチャネル６６を覆うようにゲート絶縁膜６３が形成されている。ゲート絶縁膜６３の表面は、電極の高さに応じて起伏しており、上記SWNTチャネル６６に対向する部位には凹みが生じている。この凹みの部分にインクの流動性を利用し、ゲート電極６２が形成されている。
【００４１】
このようなデバイス構造でも、SWNTチャネル６６と色素含有樹脂層６７は接しており、本発明によるキャリヤ濃度の調整・制御は有効に機能する。また、このようなデバイス構造を採用することで、ソース電極６４・ドレイン電極６５と、ゲート電極６２との位置関係はセルフアライン的に決定されるので、デバイスの寄生容量を下げて、素子パフォ−マンスを向上させることができる。また、SWNTチャネル６６は、より平滑な面に形成することができるので、デバイス特性の均一性、再現性を高めることができる。また、色素含有樹脂層６７を形成するための特定のマスク、版、パタンデータなどを用意する必要がなく、製造時のコスト負荷が小さい。
【００４２】
〔第６実施形態〕
本発明が主眼とする目的は、色素とチャネルのSWNTのπ電子の相互作用を利用して、過剰なキャリヤを抑制しTFTオフ特性の改善を図る点にある。しかし、キャリヤ濃度が低下すると、見かけ上のオン特性は低下する。TFTオフ特性の改善の観点からは、必ずしもチャネル全体のSWNTと色素が相互作用し、キャリヤ濃度を調整する必要はなく、チャネルの一部分だけで十分である。
【００４３】
本発明の第６実施形態として、第１実施形態の半導体素子の変形例を示す。図１０は、本発明のCNTのランダムネットワークをチャネル層に用いた電界効果トランジスタの構造の一例を示す断面図である。本実施形態の半導体素子は、第１実施形態と同様に、フィルム基板７１と、ゲート電極７２と、ゲート絶縁膜７３と、ソース電極７４及びドレイン電極７５と、SWNTチャネル７６と、を備える。図１０に示したデバイス構造の例では、SWNTチャネル７６の一部のみに接するように、色素含有樹脂層７７が設置されている。言い換えると、本実施形態の半導体素子では、色素含有樹脂層７７はSWNTチャネル７６の一部のみを覆うように、形成されている。
【００４４】
色素含有樹脂層７７が接しているSWNTチャネル７６の部位では、色素と相互作用することで過剰なキャリヤを抑制し、オフ特性を確保している。色素含有樹脂層７７が接していない部分のSWNTチャネル７６では、色素との相互作用がなく、過剰なキャリヤが存在している。過剰なキャリヤはチャネル抵抗の低減とソース電極７４及びドレイン電極７５とSWNTチャネル７６との間に生じるショットキー障壁の低減に効果があり、この結果、TFTのオン特性が向上する。図１０に示したデバイス構造により、オフ特性とオン特性に優れたTFTを提供することができる。
【００４５】
なお、本発明の実施形態では、SWNTと相互作用する色素をあらかじめ樹脂と混合することで、図１０に示した色素含有樹脂層７７の形状の維持が可能で、また、実用上充分な付着性が得られている。
【００４６】
〔第７実施形態〕
次に、本発明の半導体素子を複数個用いて製造した半導体装置の一例を、本発明の第７実施形態として説明する。本実施形態は、アレイセンサに適用した場合を示す。単位セルがマトリックス状に配列されて、接触や押圧を検出するアレイセンサを構成している。図１１Ａは、本実施形態の半導体装置のデバイス構造を示す断面図である。図１１Ｂは、本実施形態の半導体装置が適用される回路構成を示す回路図である。図１１Ｃは、図１１Ｂの回路構成の単位セルを示す回路図である。
【００４７】
図１１Ａでは、二つの薄膜トランジスタからなる回路構成を示すが、図１１Ｂに示すように多数の単位セルが配列されて構成されるものである。
【００４８】
図１１Ａに示す半導体装置は、支持基板の一例としてのフィルム基板８１上に形成された複数のゲート電極８２を備える。ゲート電極８２は電気的に、図１１Ｂに示すワード線９１（ＷＬ１〜ＷＬ４、…）の一つに接続されている。さらに半導体装置は、複数のゲート電極８２を覆うように形成されたゲート絶縁膜８３と、チャネル長に応じた距離を隔ててゲート絶縁膜８３上に配置されたソース電極８４及びドレイン電極８５の複数のペアと、を備える。
【００４９】
さらに本実施形態の半導体装置は、ゲート電極８２上方のゲート絶縁膜８３に形成されソース電極８４・ドレイン電極８５間を電気的に接続するように、複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネルの一例としてのSWNTチャネル８６を備える。上記ドレイン電極８５は電気的に、図１１Ｂに示すビット線９２（ＢＬ１〜ＢＬ４、…）の一つに接続されている。また、上記ソース電極８４は電気的に、図１１Ｂに示す素子パッド９３に接続されている。
【００５０】
上記ゲート絶縁層８３上で上記ゲート電極８２と対向し、かつ、上記ソース電極８４・ドレイン電極８５に電気的に接続するように、複数のカーボンナノチューブで構成されたSWNTチャネル８６が複数個配置されている。
【００５１】
さらに、SWNTチャネル８６に接するように、色素を含有する色素含有樹脂層８７が設けられている。この色素含有樹脂層８７は、上記素子パッド９３と周辺パッド９４以外の素子領域を覆うように形成されている。周辺パッド９４を介してワード線９１は、ワードセレクタ／ドライバ回路に接続されている。周辺パッド９４を介してビット線９２は、ビットセレクタ／ドライバ回路に接続されている。さらに、感圧導電ゴムシート８８と金属ホイル８９が積層され、素子パッド９３を介して、電気的に接続されている。
【００５２】
感圧導電ゴムシート８８は、単位セル（図１１Ｃ）の可変抵抗９６に相当し、ゴムの弾性変形により垂直方向の抵抗が変化する性質を持っている。金属ホイル８９は、単位セル（図１１Ｃ）のグラウンド９５に相当する。感圧導電ゴムシート８８は図１１Ａに示すように、複数個の薄膜トランジスタと平面的にオーバーラップするように形成されており、図１１Ｃの単位セルの共通のグラウンド９５を構成している。
【００５３】
この例では、色素含有樹脂層８７は、SWNTチャネル８６のキャリヤ濃度を調整するとともに、ドレイン電極８５、ワード線９１、SWNTチャネル８６などが、金属ホイル８９と短絡することを防ぐための層間絶縁膜の機能を有している。
【００５４】
本実施形態の半導体装置によれば、キャリヤ濃度を調整と、層間絶縁の機能を持つ層を同時に形成することができ、製造時のコスト負荷が小さい。
【００５５】
また、本発明は感圧導電ゴムシートに限らず、表示素子に用いられる電気泳動強誘電性マイクロカプセルなど垂直方向に電流／電圧を印加して使用する全ての機能素子の集積化に有効であることは明らかである。さらに、平面方向に電流／電圧を印加して使用する機能素子を集積化する場合には、周辺パッドを除く全ての領域に色素含有樹脂層８７を設けることができる。その際には、色素含有樹脂層８７に、半導体装置を摩擦や、周辺の環境から保護するパッシベーション膜としての機能を持たせることができ、装置寿命の観点からも有効性が高い。
【実施例】
【００５６】
次に、本発明の実施形態による半導体素子の電気特性について、説明する。
【００５７】
初めに、本発明との比較対象として背景技術の半導体素子を説明する。図５（ａ）は背景技術の半導体素子のデバイス構造を示す断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の半導体素子の電気特性を示すグラフである。背景技術の半導体素子は、支持基板２１上にゲート電極２２が形成され、さらに、ゲート絶縁膜２３が積層されている。上記ゲート絶縁膜２３上に、ソース電極２４及びドレイン電極２５が配置され、さらに、SWNTチャネル２６が電気的に接続されている。
【００５８】
図５（ａ）に示される背景技術の半導体素子構造により得られた複数個のTFTに対して、ドレイン電圧−２Ｖ、ソース電圧０Ｖをそれぞれ与えた状態で、ゲート電圧を−４０Ｖから＋４０Ｖまで変化させた時の伝達特性を図５（ｂ）に示す。
【００５９】
この背景技術のTFTはｐ型の特性を示し、１００，０００を超えるオン・オフ比を有している。しかしながら、過剰なｐ型キャリヤを有しており、TFTを完全なオフ状態に保つためには、ゲートに約３０Ｖの電圧を印加し続ける必要がある。オフ状態を保つためにゲートに約３０Ｖの電圧を印加し続けることは、消費電力の観点からも、素子寿命の観点からも望ましくない。仮にゲート電圧を印加しない時（ゲート電圧が０Ｖ）をオフ状態として使用すると、実効的なオン・オフ比は７００程度に低下してしまい、選択スイッチとしての機能が損なわれてしまう。
【００６０】
次に、本発明の実施形態による半導体素子の電気特性について、説明する。図２（ａ）の構造をもつ銅フタロシアニン（ＰＢ１５：ピグメントブルー１５）とアクリル樹脂の混合物を色素含有樹脂層１７として形成した時の、本発明の半導体素子構造の複数個のTFTに対して得られた伝達特性を図３Ａに示した。色素含有樹脂層１７を設けることで、閾値が負の方向へ約１６Ｖシフトしている。これは、銅フタロシアニン（ＰＢ１５）とSWNT表面のπ軌道が相互作用し、SWNTチャネルの過剰なｐ型キャリヤが抑制できたことを示している。SWNTチャネルのキャリヤ濃度が適度に調整された結果、ゲート電圧が０Ｖの時に充分TFTをオフ状態にすることが可能となり、実効的なオン・オフ比は１，５００に達する。この結果、実用性の高いTFTを提供することができた。
【００６１】
図２（ｂ）の構造をもつ無金属フタロシアニン（ＰＢ１６：ピグメントブルー１６）とアクリル樹脂の混合物を色素含有樹脂層１７として形成した時の、本発明の半導体素子構造の複数個のTFTに対して得られた伝達特性を図３Ｂに示した。図２（ｃ）の構造をもつ臭素化塩素化銅フタロシアニン（ＰＧ３６：ピグメントグリーン３６）とアクリル樹脂の混合物を色素含有樹脂層１７として形成した時の、本発明の半導体素子構造の複数個のTFTに対して得られた伝達特性を図３Ｃに示した。図２（ｄ）の構造をもつ高塩素化銅フタロシアニン（ＰＧ７：ピグメントグリーン７）とアクリル樹脂の混合物を色素含有樹脂層１７として形成した時の、本発明の半導体素子構造の複数個のTFTに対して得られた伝達特性を図３Ｄに示した。
【００６２】
色素含有樹脂層１７の樹脂と混合する色素としては、上述した銅フタロシアニンの他にも、無金属フタロシアニン（ＰＢ１６）、臭素化塩素化銅フタロシアニン（ＰＧ３６）、高塩素化銅フタロシアニン（ＰＧ７）などを用いることができる。図３Ｂ〜図３Ｄに示されるように、これらのフタロシアニンを用いても同様の効果が得られることが、確認されている。
【００６３】
図３Ｂのピグメントブルー１６では、図３Ａのピグメントブルー１５と同様な素子特性が得られた。図３Ｃのピグメントグリーン３６では、閾値のシフト量がピグメントブルー１５の時より大きく、約２０Ｖほど閾値が負の方向へシフトしている。図３Ｄのピグメントグリーン７では、ピグメントブルー１５の時より小さい閾値のシフト量であった。
【００６４】
本発明による、キャリヤ濃度や、閾値のシフト量は、色素含有樹脂層に混合する色素の種類、濃度、及び／又は塗布量を変化させることで、制御することができる。また、図５（ａ）に示される素子構造で一度素子特性を確認した後に、所望の素子特性になるようにこれらのパラメータを調整して実施することができ、実用的である。また、ここで用いられる色素は、π電子を持っており、SWNTチャネル１６の上側又は下側或いは両方の表面に接触することで、SWNTチャネル１６のπ電子と相互作用することが本質である。フタロシアニン類とその金属錯体は、本発明の目的に合致している。
【００６５】
また、フタロシアニン類、及びその金属錯体は、図４に示すような波長６００〜７００ｎｍ付近のＱ帯、及び４００ｎｍ以下のソーレー帯と呼ばれる、主に２つの光吸収帯を持っていることを特徴としている。
【００６６】
また、本発明によれば、SWNTのπ電子と相互作用する色素はあらかじめ樹脂中に均一に分散されている。したがって、製造時の扱いが容易であると同時に、実施する際の濃度調整なども容易である。この結果、目的とするSWNTチャネルのキャリヤ濃度の調整範囲が広く、また、制御性に優れており、非常に効果的である。
【００６７】
（実施形態の半導体素子の製造方法）
図１に示される本発明の第１実施形態の半導体素子は、例えば以下のような製造方法で作製される。例えば、０．１ｍｍ厚のポリイミドフィルムをフィルム基板１１として用意する。次に、銀のナノ粒子を溶媒に分散させたものをインクとし、例えばインクジェットプリンタを用いて所望の形状をフィルム基板１１上に描画した後、乾燥させる。さらに、１８０℃で熱処理を行って焼結し、ゲート電極１２をフィルム基板１１上に形成する。
【００６８】
次に、ポリビニルフェノールなどの有機高分子からなる絶縁体を、上記ゲート電極１２を覆うようにフィルム基板１１上にスピン塗布し、１５０℃で焼き締めて、ゲート絶縁膜１３を形成する。
【００６９】
このゲート絶縁膜１３の膜厚は、特に制限されるものではない。しかしながら、薄すぎるとゲート電極１２と他の電極間のリーク電流を効果的に抑制することが困難となり、厚すぎるとゲートバイアス電圧によるチャネル層のスイッチング現象を効果的に制御できなくなる。このためこのゲート絶縁膜１３の膜厚は、１０〜１０００ｎｍの範囲が好ましい。
【００７０】
次に、表面が有機物で安定化された銀のナノ粒子を溶媒に分散させ、例えばインクジェットプリンタを用いてゲート絶縁膜１３上に所望の電極の形状に描画し、乾燥させた後に、１８０℃の熱処理で焼結させる。こうして、チャネル長に応じた距離を隔てて配置されたソース電極１４及びドレイン電極１５を、ゲート絶縁膜１３上に形成する。
【００７１】
次に、半導体特性を示す単層ナノチューブを溶媒中に分散させたCNTインクを、ディスペンサを用いて所定の場所に塗布、乾燥させ、ソース電極１４・ドレイン電極１５間にSWNTチャネル１６を形成する。
【００７２】
さらに、フタロシアニンを含有するアクリル樹脂を、SWNTチャネル１６を覆うように、ディスペンサを用いて塗布、乾燥させ色素含有樹脂層１７とした。このような作製工程は、プロセスの最高温度も低く、フィルム基板１１の材料として、多くのエンジニアリングプラスチックが使用可能である。したがって、製造される半導体装置に、柔軟性、透明性などの既存の固体シリコンの半導体集積回路では不可能であった付加価値を与えることができる。また、高価な真空装置も使用せず、製造コストも低く抑えることができる。また、本実施例では、インクジェットプリンタ、及びディスペンサを印刷手段として用いたが、スクリーン印刷、凸版印刷、オフセット印刷などの手段も、同様に用いることは可能である。また塗布手段として、スピン塗布のほかに、スプレーコート、ダイコート、ディップコートなど様々な塗布手法を用いることができる。
【００７３】
以上、本発明の実施形態及び実施例について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。本発明は、これら実施形態及び実施例に限定されるものではない。本発明の半導体素子や半導体装置は、液体もしくはペースト状の材料を用い、印刷あるいは塗布工程で形成される。本発明の色素を含有する樹脂層として絶縁性を有するものを用い、複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネル、或いはソース電極・ドレイン電極などの層間絶縁層として機能させることが考えられる。本発明の色素を含有する樹脂層として絶縁性を有するものを用い、基板上に配置された半導体素子の耐摩擦用、或いは耐環境用のカバー膜として機能させることが考えられる。支持基板としては、プラスチックフィルム、紙、ゴムなどの柔軟性のある基板を用いることができる。特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
【００７４】
上記の実施形態及び実施例の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）複数のカーボンナノチューブで構成された電流通路と、
前記電流通路を介して電気的に接している２つの電極と、
前記電流通路の一部或いは全ての領域に接するように設けられた色素と樹脂の混合物層と、を備えていることを特徴とする半導体素子。
（付記２）複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネルと、
前記チャネルを介して電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極と、
ゲート絶縁膜を挟んで前記チャネルと対向するように配置されたゲート電極と、を有する薄膜トランジスタを備え、
前記チャネルに接して設けられた色素と樹脂の混合物層をさらに備える、半導体素子。
（付記３）前記チャネルと前記ゲート絶縁膜との間に設けられたシリカ層をさらに備える、付記２に記載の半導体素子。
（付記４）複数のカーボンナノチューブで構成されたチャネルと、
前記チャネルを介して電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極と、
ゲート絶縁膜を挟んで前記チャネルと対向するように配置されたゲート電極と、を有する薄膜トランジスタを備え、
前記ゲート絶縁膜は色素と樹脂の混合物層からなる、半導体素子。
（付記５）前記薄膜トランジスタは支持基板上に形成されており、
前記ゲート電極は前記支持基板上に形成されており、前記ゲート絶縁膜を介して前記チャネルと対向するように配置されている、付記２乃至付記４のいずれか一つに記載の半導体素子。
（付記６）前記薄膜トランジスタは支持基板上に形成されており、
前記ゲート電極は前記支持基板上に形成されており、前記色素と樹脂の混合物層は前記チャネルの一部又は全部を覆うように形成されている、付記２乃至付記４のいずれか一つに記載の半導体素子。
（付記７）前記色素と樹脂の混合物層は、前記ゲート電極と平面的にオーバーラップする前記チャネルのうち、一部の前記チャネルを覆うように形成されている、付記６に記載の半導体素子。
（付記８）前記色素と樹脂の混合物層は、前記チャネルと、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方とを覆うように形成されている、付記６に記載の半導体素子。
（付記９）前記薄膜トランジスタは支持基板上に形成されており、
前記色素と樹脂の混合物層は前記支持基板上に形成されており、
前記チャネルは前記混合物層上に形成されており、
前記ゲート電極は、前記ゲート絶縁膜を介して前記チャネルと対向するように配置されている、付記２又は付記３に記載の半導体素子。
（付記１０）前記色素として、前記チャネルを構成する複数のカーボンナノチューブのπ電子と、π電子が相互作用するような色素が選ばれている、付記１乃至付記９のいずれか一つに記載の半導体素子。
（付記１１）前記混合物層は、前記色素がフタロシアニン及びその錯体のいずれかから選ばれている、付記１乃至付記９のいずれか一つに記載の半導体素子。
（付記１２）付記１乃至付記１０のいずれか一つに記載の半導体素子を複数個有する半導体装置。
（付記１３）前記複数の半導体素子の前記色素と樹脂の混合物層を覆うように形成された感圧導電ゴムシートを有する、付記１２に記載の半導体装置。
（付記１４）前記感圧導電ゴムシートを覆うように形成された金属ホイルを有する、付記１３に記載の半導体装置。
（付記１５）前記複数の半導体素子はマトリックス状に配列されている、付記１２乃至付記１４のいずれか一つに記載の半導体装置。
【符号の説明】
【００７５】
１１、３１、４１、５１、６１、７１、８１    フィルム基板
１２、３２、４２、５２、６２、７２、８２    ゲート電極
１３、３３、４３、５３、６３、７３、８３    ゲート絶縁膜
１４、３４、４４、５４、６４、７４、８４    ソース電極
１５、３５、４５、５５、６５、７５、８５    ドレイン電極
１６、３６、４６、５６、６６、７６、８６    SWNTチャネル
１７、３７、４７、６７、７７、８７    色素含有樹脂層
５３    色素含有ゲート絶縁膜
８８    感圧導電ゴムシート
８９    金属ホイル
９１    ワード線
９２    ビット線
９３    素子パッド
９４    周辺パッド
９５    グラウンド
９６    可変抵抗
【図１】
0006459385.tif 000002
【図２】
0006459385.tif 000003
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
0006459385.tif 000005
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
0006459385.tif 000007
【図４】
0006459385.tif 000008
【図５】
0006459385.tif 000009
【図６】
0006459385.tif 000010
【図７】
0006459385.tif 000011
【図８】
0006459385.tif 000012
【図９】
0006459385.tif 000013
【図１０】
0006459385.tif 000014
【図１１Ａ】
0006459385.tif 000015
【図１１Ｂ】
0006459385.tif 000016
【図１１Ｃ】
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