(57)【要約】【課題】炭素繊維膜と該導電性材料との接合部での電気抵抗の小さい電子素子を提供する。【解決手段】導電性材料２と、導電性材料２にオーミック接合されている炭素繊維膜４とを備える。炭素繊維膜４は、導電性材料２の表面に接合されたアモルファス珪素層３を介して導電性材料２に接合されている。導電性材料２は、全重量の１００ｐｐｍ以上の範囲の珪素を含む。アモルファス珪素層３は、炭素繊維膜４の生成のための触媒金属粒子５を含む。炭素繊維膜４は、カーボンナノチューブ６からなる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料と、該導電性材料にオーミック接合されている炭素繊維膜とを備えることを特徴とする電子素子。
【請求項２】
前記炭素繊維膜は、前記導電性材料の表面に接合されたアモルファス珪素層を介して該導電性材料に接合されていることを特徴とする請求項１記載の電子素子。
【請求項３】
前記導電性材料は、全重量の１００ｐｐｍ以上の範囲の珪素を含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電子素子。
【請求項４】
前記アモルファス珪素層は、前記炭素繊維膜の生成のための触媒金属粒子を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電子素子。
【請求項５】
前記炭素繊維膜は、カーボンナノチューブからなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電子素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブ等の炭素繊維膜を備える電子素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カーボンナノチューブは、炭素からなるナノメートルのオーダーの直径を有する円筒形チューブであり、炭素繊維膜として、水素吸蔵材料、燃料電池の触媒担体、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）のエミッタ電極材料等の電子素子等の用途が検討されている。前記カーボンナノチューブからなる炭素繊維膜を電極等の電子素子として用いるには、該炭素繊維膜を導電性材料上に積層する必要がある。ところが、一般に炭素材料は前記導電性材料等の他の材料に対する親和性に乏しく、複合化が困難である。そこで、従来、前記導電性材料にカーボンナノチューブからなる炭素繊維膜を積層した積層体として、カーボンナノチューブを分散したスラリーをスクリーン印刷等で該導電性材料の表面に塗布した後、乾燥したものが知られている。前記積層体は、前記乾燥後、さらに熱処理を施すことにより、導電性が確保される。
【０００３】
また、前記導電性材料にカーボンナノチューブからなる炭素繊維膜を積層した積層体として、カーボンナノチューブを導電ペースト等を介して前記導電性材料の表面に固定したものも知られている。
【０００４】
しかし、前記従来の積層体では、カーボンナノチューブ自体の他の材料に対する親和性を改善するための修飾を行うプロセスを必要とする他、カーボンナノチューブを化合物化して固着させるために必要とする温度が高いこと等の問題がある。仮に、高温でカーボンナノチューブを化合物化しても、確実な接合は期待できない上、高温のためにプロセスに適用できる基板等の材料が著しく制限される。また、十分な耐久性を備える適切な導電ペーストの選定も困難である。この結果、前記従来の積層体では、いずれも前記カーボンナノチューブからなる炭素繊維膜と導電性材料との接合界面での電気抵抗が大きくなるとの問題がある。
【０００５】
一方、前記カーボンナノチューブからなる炭素繊維膜を備える積層体として、結晶シリコン基板と、該基板表面に形成された前記炭素繊維膜とからなるものが知られている。前記積層体は、Ｆｅからなる触媒金属層を形成したシリコン基板に対して、該シリコン基板を６７５〜７５０℃に加熱し、アセチレンを原料とする常圧ＣＶＤを行う方法によって製造される。前記方法によれば、前記カーボンナノチューブが前記シリコン基板に対してほぼ垂直に配向した前記炭素繊維膜が形成される（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
前記積層体において、前記結晶シリコン基板に代えて導電性材料を用いることにより、前記導電性材料の表面にカーボンナノチューブからなる炭素繊維膜が形成された積層体とすることが考えられる。
【０００７】
しかしながら、前記導電性材料の表面にカーボンナノチューブからなる炭素繊維膜が単純に形成された積層体においても、該炭素繊維膜と導電性材料との接合界面での電気抵抗が大きくなることを避けることができないとの不都合がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２２０６７４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、導電性材料の表面に設けられた炭素繊維膜と該導電性材料との接合部での電気抵抗の小さい電子素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の電子素子は、導電性材料と、該導電性材料にオーミック接合されている炭素繊維膜とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の電子素子によれば、導電性材料と炭素繊維膜とがオーミック接合（Ｏｈｍｉｃ  Ｃｏｎｔａｃｔ）が取れているため、また接合が導体表面全体で確実に行われるため、両者の間における電子の流れに障壁が無い。従って、前記導電性材料の表面に設けられた前記炭素繊維膜と該導電性材料との接合部での電気抵抗を小さくすることができる。
【００１２】
本発明の電子素子において、前記炭素繊維膜は、前記導電性材料の表面に接合されたアモルファス珪素層を介して該導電性材料に接合されていることにより、前記オーミック接合とすることができる。
【００１３】
前記導電性材料は、全重量の１００ｐｐｍ以上の範囲の珪素を含むことが好ましい。前記導電性材料は、前記範囲の珪素を含むことにより、前記アモルファス珪素層との接合を良好にすることができる。一方、前記導電性材料に含まれる珪素が全重量の１００ｐｐｍ未満であるときには、該導電性材料と前記アモルファス珪素層との間で良好な接合が得られないことがある。
【００１４】
前記アモルファス珪素層は、前記炭素繊維膜の生成のための触媒金属粒子を含むことが好ましい。本発明の電子素子では、前記アモルファス珪素層が該触媒金属粒子を含むことにより、該炭素繊維膜と該アモルファス珪素層との接合を良好にすることができる。
【００１５】
本発明の電子素子において、前記炭素繊維膜は、例えばカーボンナノチューブからなるものを挙げることができる。尚、本明細書では、前記カーボンナノチューブが前記導電性材料に対してほぼ垂直に配向して形成されている状態を「炭素繊維膜」という。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本発明の電子素子の構成を示す説明的断面図、図２は本発明の一実施形態の電子素子の製造工程を示す説明的断面図、図３は本発明の他の実施形態の電子素子の製造工程を示す説明的断面図、図４，５は本発明の電子素子を用いる電界放出ディスプレー用電極の製造工程を示す説明的断面図、図６は図５に示す電極の電流電圧特性を示すグラフである。
【００１７】
図１に示すように、本発明の電子素子１は、導電性材料２と、導電性材料２の表面に設けられたアモルファス珪素層３と、アモルファス珪素層３の表面に設けられた炭素繊維膜４とを備える。炭素繊維膜４は、アモルファス珪素層３を介して導電性材料２に接合されることにより、導電性材料２との間でオーミック接合を形成している。
【００１８】
導電性材料２は、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｏ等の金属、金属間化合物等を用いることができるが、アモルファス珪素層３との接合を良好にするために、全重量の１００ｐｐｍ以上の範囲の珪素を含むことが好ましい。
【００１９】
アモルファス珪素層３は、炭素繊維膜４との接合を良好にするために、炭素繊維膜４を生成する触媒金属粒子５を含むことが好ましい。炭素繊維膜４がカーボンナノチューブ６から形成されている場合、触媒金属粒子５としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の単体の金属または合金を挙げることができる。前記金属または合金はＰｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｃ等の不純物を含んでいてもよい。
【００２０】
触媒金属粒子５は、０．２〜５０ｎｍの範囲の粒子径を備えていることが好ましい。触媒金属粒子５は、前記粒子径を０．２ｎｍ未満にするには多大なコストを要する。一方、前記粒子径が５０ｎｍを超えると触媒能力を失う。
【００２１】
アモルファス珪素層３は、１〜５０ｎｍの範囲の厚さを備えていることが好ましい。アモルファス珪素層３の厚さは、１ｎｍ未満とすることは工業的に制御が難しく、５０ｎｍを超えると十分な導電性を得ることが難しくなる。
【００２２】
次に、図２を参照して、本発明の第１の実施形態の電子素子の製造方法について説明する。
【００２３】
本実施形態では、まず、図２（ａ）に示すシリコン基板１１を洗浄後、フッ酸で処理する。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１１上にＴｉＮ層１２、Ａｕ２Ｓｉからなる導電性材料２、Ｆｅ層１３を積層し、電子素子材料１４を形成する。本実施形態では、ＴｉＮ層１２はスパッタリングによりシリコン基板１１上に４００ｎｍの厚さに形成し、Ａｕ２Ｓｉからなる導電性材料２はスパッタリングによりＴｉＮ層１２上に１μｍの厚さに形成した。また、Ｆｅ層１３は、電子ビーム蒸着により導電性材料２上に３ｎｍの厚さに形成した後、それ自体公知のフォトプロセスにより所定のパターンにパターニングした。
【００２５】
次に、図２（ｃ）に示すように、ヒーター１５を備える管状炉１６内に電子素子材料１４を設置し、ＣＶＤを行う。本実施形態では、前記ＣＶＤは、まず、管状炉１６内にヘリウムを流通して炉内雰囲気を置換した後、昇温し、炉内温度を７５０℃に維持した。次に、炉内温度が安定したならば、管状炉１６内にヘリウムをキャリアガスとしてアセチレンを流通して所定時間ＣＶＤを行った。そして、所定時間後、再び管状炉１６内にヘリウムを流通して炉内雰囲気を置換し、炉冷した。
【００２６】
前記ＣＶＤによれば、処理に伴う熱により、図２（ｄ）に示すように、導電性材料２に含まれるＳｉから、導電性材料２上にアモルファス珪素層３が形成される一方、Ｆｅ層１４は微粒子化して触媒金属粒子５を形成してアモルファス珪素層３内に分散する。そして、シリコン基板１１上にＴｉＮ層１２、Ａｕ２Ｓｉからなる導電性材料２、アモルファス珪素層３が積層され、アモルファス珪素層３上に前記アセチレンからカーボンナノチューブ６が形成される。
【００２７】
この結果、導電性材料２の表面にアモルファス珪素層３を備え、アモルファス珪素層３の表面に、アモルファス珪素層３に対してほぼ垂直に配向したカーボンナノチューブ６からなる炭素繊維膜４が形成された電子素子１７が得られる。尚、電子素子１７では、炭素繊維膜４は、アモルファス珪素層３を介して導電性材料２に接合されることにより、導電性材料２との間でオーミック接合を形成している。また、Ａｕ２Ｓｉからなる導電性材料２は、全重量の６．７％の珪素を含んでいる。
【００２８】
尚、カーボンナノチューブ６の生成反応は気相で行われており、接合の形成を目的とする表面全体で、カーボンナノチューブ６の成長が行われる。このため、導電性材料２とカーボンナノチューブ６との界面は完全な面で構成され、所謂点接触にはならないので、接触抵抗を小さくすることができる。
【００２９】
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態の電子素子の製造方法について説明する。
【００３０】
本実施形態では、まず、図３（ａ）に示すアルミニウムシート２１をアルカリ脱脂処理する。
【００３１】
次に、図３（ｂ）に示すように、アルミニウムシート２１上にＡｌＳｉ２からなる導電性材料２、Ｆｅ層２２を積層し、電子素子材料２３を形成する。本実施形態では、ＡｌＳｉ２からなる導電性材料２はスパッタリングによりアルミニウムシート２１上に４００ｎｍの厚さに形成した。また、Ｆｅ層２２は、電子ビーム蒸着により導電性材料２上に３ｎｍの厚さに形成した後、それ自体公知のフォトプロセスにより所定のパターンにパターニングした。
【００３２】
次に、図２（ｃ）に示す管状炉１６内に電子素子材料２３を設置し、ＣＶＤを行う。本実施形態では、炉内温度を６６５℃に維持した以外は、第１の実施形態と全く同一にしてＣＶＤを行った。
【００３３】
前記ＣＶＤによれば、処理に伴う熱により、図３（ｃ）に示すように、導電性材料２に含まれるＳｉから、導電性材料２上にアモルファス珪素層３が形成される一方、Ｆｅ層２２は微粒子化して触媒金属粒子５を形成してアモルファス珪素層３内に分散する。そして、アルミニウムシート２１上にＡｌＳｉ２からなる導電性材料２、アモルファス珪素層３が積層され、アモルファス珪素層３上に前記アセチレンからカーボンナノチューブ６が形成される。
【００３４】
この結果、導電性材料２の表面にアモルファス珪素層３を備え、アモルファス珪素層３の表面に、アモルファス珪素層３に対してほぼ垂直に配向したカーボンナノチューブ６からなる炭素繊維膜４が形成された電子素子２４が得られる。尚、電子素子２４では、炭素繊維膜４は、アモルファス珪素層３を介して導電性材料２に接合されることにより、導電性材料２との間でオーミック接合を形成している。また、ＡｌＳｉ２からなる導電性材料２は、全重量の６７．５％の珪素を含んでいる。
【００３５】
本発明の電子素子は、例えば、電界放出ディスプレイのエミッタ電極として用いることができる。そこで、次に図４，５を参照して、前記電界放出ディスプレイに用いられるエミッタ電極素子の製造方法について説明する。
【００３６】
前記エミッタ電極素子を製造するときには、まず、図４（ａ）に示すシリコン基板３１を洗浄後、フッ酸で処理する。
【００３７】
次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板３１上にＳｉＯ２からなる第１の絶縁層３２、ＭｏＳｉｘからなる導電性材料２を積層する。絶縁層３２は例えば熱酸化により２００ｎｍの厚さに形成する。また、導電性材料２は例えばスパッタリングにより２μｍの厚さに形成した後、フォトプロセス、反応性イオンエッチング等により所定のパターンにパターニングする。
【００３８】
次に、図４（ｃ）に示すように、絶縁層３２と導電性材料２との上に、Ｆｅ層３３を形成する。Ｆｅ層３３は例えば電子ビーム蒸着により２．５ｎｍの厚さに形成した後、それ自体公知のフォトプロセスにより所定のパターンに形成する。
【００３９】
次に、図４（ｄ）に示すように、絶縁層３２とＦｅ層３３が形成された導電性材料２との上に、ＳｉＯ２からなる第２の絶縁層３４、引き出し電極のためのＮｉ層３５を積層する。絶縁層３４は例えばプラズマＣＶＤ法により１μｍの厚さに形成する。また、Ｎｉ層３５は例えばスパッタリングにより１μｍの厚さに形成する。
【００４０】
次に、図５（ａ）に示すように、それ自体公知のフォトプロセスによりエッチングして、Ｎｉ層３５の導電性材料２の上方に位置する部分を除去し、この部分で絶縁層３４が露出されたパターン３５ａを形成する。
【００４１】
次に、図５（ｂ）に示すように、パターン３５ａにより露出された部分の絶縁層３４を反応性イオンエッチングにより除去して、この部分でＦｅ層３３が形成された導電性材料２が露出された電極窓３６を形成し、電子素子材料３７とする。
【００４２】
次に、図２（ｃ）に示す管状炉１６内に電子素子材料３７を設置し、第１の実施形態と全く同一にしてＣＶＤを行う。前記ＣＶＤによれば、処理に伴う熱により、導電性材料２に含まれるＳｉから、導電性材料２上に図示しないアモルファス珪素層が形成される一方、Ｆｅ層３３は５〜１０ｎｍの範囲の粒子径になるように微粒子化して図示しない触媒金属粒子を形成して前記アモルファス珪素層内に分散する。
【００４３】
そして、図５（ｃ）に示すように、導電性材料２上に前記アモルファス珪素層を介してカーボンナノチューブからなる炭素繊維膜４が形成されたエミッタ電極素子３８が得られる。尚、前記カーボンナノチューブは、前記ＣＶＤの原料のアセチレンから形成されるものである。
【００４４】
図５（ｃ）に示すエミッタ電極素子３８によれば炭素繊維膜４がエミッタ電極として作用するので、前方に蛍光体を配設しておけば、該エミッタ電極から放出される電子が該蛍光体に衝突して発光する電界放出ディスプレイを構成することができる。
【００４５】
次に、図５（ｃ）に示すエミッタ電極素子３８のエミッタ電極（炭素繊維膜４）の電流電圧特性を図６に示す。図６から、前記エミッタ電極では、電流と電圧との関係がオームの法則に従っており、炭素繊維膜４と導電性材料２との間でオーミック接合が形成されていることが明らかである。
【００４６】
また、図６から、前記エミッタ電極における炭素繊維膜４と導電性材料２との間の電気抵抗は、２．３×１０−３Ωｃｍ２となっている。これに対して、カーボンナノチューブを分散したスラリーをスクリーン印刷等で導電性材料の表面に塗布した後、乾燥したり、カーボンナノチューブを導電ペースト等を介して導電性材料の表面に固定した従来の積層体では、カーボンナノチューブと導電性材料との間の電気抵抗は、２〜２０×１０−２Ωｃｍ２程度である。
【００４７】
従って、本発明に従う前記エミッタ電極における炭素繊維膜４と導電性材料２との間の電気抵抗は、前記従来の積層体に比較して格段に小さくなっていることが明らかである。
【００４８】
尚、前記実施形態では電子素子の例としてエミッタ電極を挙げているが、本発明は、導電性材料とカーボンナノチューブとの接触抵抗を低減する必要がある分野であればどのような分野にも適用することができ、前記電子素子として例えば燃料電池、キャパシタ等の電気化学セルの電極等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子素子の構成を示す説明的断面図。
【図２】本発明の一実施形態の電子素子の製造工程を示す説明的断面図。
【図３】本発明の他の実施形態の電子素子の製造工程を示す説明的断面図。
【図４】本発明の電子素子を用いる電界放出ディスプレー用電極の製造工程を示す説明的断面図。
【図５】本発明の電子素子を用いる電界放出ディスプレー用電極の製造工程を示す説明的断面図。
【図６】図５に示す電極の電流電圧特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１…電子素子、  ２…導電性材料、  ３…アモルファス珪素層、  ４…炭素繊維膜、  ５…触媒金属粒子、  ６…カーボンナノチューブ。
【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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