(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブからなるチャネル層と、
該カーボンナノチューブからなるチャネル層に対して形成されたゲート電極と、
前記チャネル層と接する領域に形成されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属のうち少なくともいずれか一方を含むソース電極及びドレイン電極と
を有することを特徴とするｎ型ＣＮ−ＦＥＴ構造。
【請求項２】
カーボンナノチューブからなるチャネル層と、
該カーボンナノチューブからなるチャネル層に対して形成されたゲート電極と、
前記チャネル層と接する領域に形成されカーボンナノチューブの仕事関数よりも小さい仕事関数を持つ材料からなるソース電極及びドレイン電極と
を有することを特徴とするｎ型ＣＮ−ＦＥＴ構造。
【請求項３】
前記ソース電極及びドレイン電極を形成する材料の仕事関数が４ｅＶ以下であることを特徴とする請求項２に記載のｎ型ＣＮ−ＦＥＴ構造。
【請求項４】
前記ソース電極及びドレイン電極を形成する材料の仕事関数が３ｅＶ以下であることを特徴とする請求項２に記載のｎ型ＣＮ−ＦＥＴ構造。
【請求項５】
前記ソース電極又はドレイン電極のうち少なくとも一方は、前記カーボンナノチューブに対してその延在方向に略垂直な方向に接している部分を有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のｎ型ＣＮ−ＦＥＴ構造。
【請求項６】
前記チャネル層には不純物がドーピングされていないことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のｎ型ＣＮ−ＦＥＴ構造。
【請求項７】
カーボンナノチューブと、
該カーボンナノチューブに接するアルカリ金属又はアルカリ土類金属を含む電極と
を有する電子注入電極構造。
【請求項８】
カーボンナノチューブと、
該カーボンナノチューブに接する仕事関数が４ｅＶ以下の電極と
を有する電子注入電極構造。
【請求項９】
カーボンナノチューブと、
該カーボンナノチューブに接する仕事関数が３ｅＶ以下の電極と
を有する電子注入電極構造。
【請求項１０】
カーボンナノチューブと、
該カーボンナノチューブに接する請求項７から９までのいずれか１項に記載の電子注入電極構造と、
該電子注入電極構造とは異なる位置において前記カーボンナノチューブに接する仕事関数が５ｅＶ以上の正孔注入電極と
を備えることを特徴とする素子。
【請求項１１】
カーボンナノチューブのチャネルに接するようにアルカリ金属又はアルカリ土類金属のうちの少なくともいずれか一方を含むソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記チャネルに対して電界を印加できる位置にゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とするｎ型ＣＮ−ＦＥＴの製造方法。
【請求項１２】
カーボンナノチューブのチャネルに接するように仕事関数が４ｅＶ以下の材料を含むソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記チャネルに対して電界を印加できる位置にゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とするｎ型ＣＮ−ＦＥＴの製造方法。
【請求項１３】
カーボンナノチューブのチャネルに接するように仕事関数が３ｅＶ以下の材料を含むソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記チャネルに対して電界を印加できる位置にゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とするｎ型ＣＮ−ＦＥＴの製造方法。
【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ＦＥＴに関し、より詳細には、新しい電極材料を用いることによりｎ型のカーボンナノチューブＦＥＴを実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、カイラリティにより半導体的特性をもつこと、高い電流密度を実現可能なこと、ほぼ１次元伝導とみなせるような非常に細い線路を形成できること、などにより、カーボンナノチューブを用いた極微細・高速動作が可能な量子デバイス用途に適している。中でも、量子細線としてのカーボンナノチューブは、次世代電子デバイスの有力な候補であり、現在、カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（以下、「ＣＮ−ＦＥＴ」と称する。）に関する研究が盛んに行われている。
【０００３】
【非特許文献１】Ｒ．Ｍａｒｔｅｌ  ｅｔ  ａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．  ８７，２５６８０５（２００１）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＣＮ−ＦＥＴはｐ型のトランジスタとなりやすく、ｎ型ＣＮ−ＦＥＴの作成例は少ない。カーボンナノチューブの表面にカリウムをドーピングしｎ型ＣＮ−ＦＥＴを作製した例はあるが、カーボンナノチューブチャネルの表面にカリウムを蒸着するには超高真空の装置が必要でありプロセスが煩雑であるばかりでなく、カーボンナノチューブチャネルにカリウムのドーピングを行うとイオン化不純物がキャリア散乱センターとなるため、移動度が小さくなるという問題がある。
【０００５】
本発明は、移動度を下げることなくｎ型ＣＮ−ＦＥＴを作成することを目的とする。さらに、この作成技術を利用してその他の電子デバイスを作成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によれば、カーボンナノチューブからなるチャネル層と、該カーボンナノチューブからなるチャネル層に対して形成されたゲート電極と、前記チャネル層と接する領域に形成されるアルカリ金属又はアルカリ土類金属のうちの少なくともいずれか一方を含むソース電極及びドレイン電極とを有することを特徴とするｎ型ＣＮ−ＦＥＴ構造が提供される。アルカリ金属又はアルカリ土類金属とカーボンナノチューブとを接合すると、それらの金属のフェルミエネルギーとカーボンナノチューブの伝導帯底とのエネルギー不連続が小さく、ソース又はドレイン電極からカーボンナノチューブへ電子が移動しやすく、電子注入可能な電極を形成しやすい。電子注入電極から注入された電子は、カーボンナノチューブのチャネルを移動しもう一方の電極に到達する。
【０００７】
また、カーボンナノチューブからなるチャネル層と、該カーボンナノチューブからなるチャネル層に対して形成されたゲート電極と、前記チャネル層と接する領域に形成されカーボンナノチューブの仕事関数よりも小さい仕事関数を持つ材料からなるソース電極及びドレイン電極とを有することを特徴とするｎ型ＣＮ−ＦＥＴ構造が提供される。前記ソース電極及びドレイン電極を形成する材料の仕事関数が４ｅＶ以下であること、さらに、３ｅＶ以下であることが好ましい。カーボンナノチューブの場合には、結晶構造が閉じた系となっているため、表面準位によるバンドピニングの影響を受けにくく、金属をカーボンナノチューブＣＮＴに接合させると、金属の仕事関数に応じて、仕事関数の小さい金属との間には電子注入電極を形成することができる。
【０００８】
前記チャネル層には不純物がドーピングされていないことを特徴とする。ここでドーピングとは、カーボンナノチューブに電子または正孔を誘起する目的でカーボンナノチューブに不純物を添加する操作であり、カーボンナノチューブを製造する工程での不純物や伝導に寄与しない不純物が混入することは含まれない。従って、「不純物がドーピングされていない」とは、カーボンナノチューブを製造する工程で自然に混入する不純物を除く趣旨であり、また、伝導に寄与しない不純物は除かれる。加えて、上記のような仕事関数などにより規定されている材料を電極とした場合に形成されるショットキー接合の界面付近において、例えばわずかにカーボンナノチューブ内に拡散した原子などは、上記不純物の中には入らない。
【０００９】
このように、チャネル層に相当するカーボンナノチューブに不純物を添加しない場合でも、電極からの電子の注入によりｎ型ＦＥＴを形成することができる。
【００１０】
本発明の他の観点によれば、カーボンナノチューブと、該カーボンナノチューブに接する前記電子注入電極構造と、該電子注入電極構造とは異なる位置において前記カーボンナノチューブに接する仕事関数が５ｅＶ以上の正孔注入電極とを備えることを特徴とする素子が提供される。この素子に電圧を印加すると、電子と正孔とがカーボンナノチューブ内を互いに近づく方向に注入される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、カーボンナノチューブに対してｎ型の接合を形成することができ、これを利用して不純物の添加なしにｎ型のＣＮ−ＦＥＴを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本明細書において、電子注入電極とは、電子を注入する機能を主たる機能とする電極であり、正孔注入電極とは、正孔を注入する機能を主たる機能とする電極である。本明細書では、より小さい印加電圧により注入できる方のキャリアに基づいて電子又は正孔と定義している。
【００１３】
本発明に係るｎ型ＣＮ−ＦＥＴ作成技術として、チャネル層に相当するカーボンナノチューブに不純物をドーピングするのではなく、電子又は正孔などのキャリアの注入源として電極を機能させ、この注入電極を構成する材料の選択によって、ＣＮ−ＦＥＴの伝導型を制御する方法を考えついた。
【００１４】
一般的な半導体（Ｓｉなど）と金属との接合においては、Ｓｉ表面に形成されているダングリングボンド（非結合手）の影響のため、仕事関数と異種接合時のエネルギーバンド障壁との関連性が薄い。すなわち、一般的な半導体（Ｓｉなど）と金属との接合においては、Ｓｉ表面に形成されているダングリングボンドの影響のため表面準位によるバンドピニングが生じ、それぞれの仕事関数を反映したバンド構造となりにくい。
【００１５】
これに対して、カーボンナノチューブの場合には、結晶構造が閉じた系となっているため、表面準位によるバンドピニングの影響を受けにくく、金属をカーボンナノチューブＣＮＴに接合させると、素直に金属とカーボンナノチューブＣＮＴとの仕事関数差を反映したエネルギー障壁が形成されると考えられる。
【００１６】
すなわち、ＣＮ−ＦＥＴの電流が、コンタクト電極と半導体的カーボンナノチューブの界面に形成されるショットキー障壁で制御されることに着目し、仕事関数の小さい材料、例えばＣａをコンタクト電極に用いることにより、ｎ型トランジスタの作製を可能とすることができると考えた。
【００１７】
ここで、仕事関数とは、真空中の表面から１個の電子を無限遠まで取り出すのに必要な最小エネルギーのことであり、材料表面の電子状態に固有の値となる。仕事関数は、通常、ケルビン法（振動容量法）、熱電子放出や光電子放出実験などで測定することができる。
【００１８】
尚、ここで言及している金属Ｍｅｔａｌの仕事関数とは、カーボンナノチューブＣＮＴと接する金属の仕事関数のことであり、例えば電極が多層構造の場合には、カーボンナノチューブＣＮＴと接する金属の仕事関数を指す。すなわち、カーボンナノチューブと電極材料との界面において、カーボンナノチューブの仕事関数より電極材料の仕事関数が小さい組み合わせを選択する。電極材料の仕事関数は、４ｅＶ以下が好ましく、特に３ｅＶ以下が好ましい。
【００１９】
尚、この考えを発展させると、電極材料を選ぶことのみによりカーボンナノチューブへの注入キャリア（電子又は正孔）を選択でき、後述するように整流ダイオードや発光ダイオード等が作製可能である。
【００２０】
図１及び図２を参照しつつ、金属（Ｍｅｔａｌ）とカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）との接合についてより詳細に参照しつつ説明する。図１は、半導体に対する一般的な電極材料であるＡｕやＰｄなどの金属とカーボンナノチューブとの接合の様子を示す図である。図１において、上図は真空の準位ＥＶＡＣを基準にした金属ＭｅｔａｌとカーボンナノチューブＣＮＴとのそれぞれのエネルギーバンド図であり、中図は、ＡｕやＰｄなどの金属ＭｅｔａｌとカーボンナノチューブＣＮＴとを実際に接合した際のエネルギーバンド図であり、下図は、金属Ｍｅｔａｌに正の電圧を印加した際のエネルギーバンド図である。
【００２１】
図１に示すように、一般的な電極用の金属であるＡｕやＰｄなどの金属においては、仕事関数φｍが５ｅＶ程度である。一方、カーボンナノチューブＣＮＴの仕事関数φＣＮＴは４ｅＶ程度である。従って、図１の中図に示すように、金属ＭｅｔａｌとカーボンナノチューブＣＮＴとを接合させると、金属とカーボンナノチューブＣＮＴとのフェルミエネルギーＥＦが一致する状態となり、カーボンナノチューブＣＮＴ側の価電子帯におけるバンド不連続（ΔＥＶ）を極めて小さくすることができる。尚、伝導帯のバンド不連続値ΔＥＣとしては、約１ｅＶ程度の大きな値となる。従って、下図のように金属ＭｅｔａｌにカーボンナノチューブＣＮＴに対して正の電圧を印加すると、金属Ｍｅｔａｌの価電子帯近傍の正孔は容易にカーボンナノチューブＣＮＴに輸送可能であり、正孔電流がきわめて容易に流れる。
【００２２】
これに対して、カーボンナノチューブＣＮＴに対して金属Ｍｅｔａｌに負の電圧を印加すると、金属Ｍｅｔａｌの伝導帯近傍の電子は大きなエネルギー障壁（ΔＥＣ）により、カーボンナノチューブＣＮＴに輸送されにくく、非常に高い電圧を印加しない限り電子電流が流れにくい。従って、カーボンナノチューブに不純物をドーピングしない構造で一般的な金属（Ａｕ）を用いるとｐ型のカーボンナノチューブＦＥＴになりやすく、ｎ型のカーボンナノチューブＦＥＴは実現しにくい傾向にあったものと考えられる。
【００２３】
発明者は、従来のようなカーボンナノチューブ自体にドーピングする方法の代わりに、ソース又はドレインのうち少なくともキャリアを注入する側の電極を構成する材料を工夫することによりＣＮ−ＦＥＴの導電型を設計することを考えた。上述のように、一般的な半導体（Ｓｉなど）と金属との接合と異なり、金属ＭｅｔａｌをカーボンナノチューブＣＮＴに接合させると、図１の中の図に示すように、金属とカーボンナノチューブＣＮＴとのフェルミエネルギーＥＦが一致する状態となるため、仕事関数の大きさ（より具体的には、φＣＮＴ程度）の障壁が生じる。
【００２４】
一方、図２に示すように、電極材料である金属Ｍｅｔａｌの仕事関数φｍの小さい材料を選択すると（具体的には、φｍがφＣＮＴ／２程度）、図２の中図に示すように、金属ＭｅｔａｌとカーボンナノチューブＣＮＴとの接合界面における伝導帯の不連続値であるΔＥＣを極めて小さくすることができ、図２の下図に示すように、金属Ｍｅｔａｌに対してカーボンナノチューブＣＮＴに正の電圧を印加すると、印加電圧が小さい値でも金属Ｍｅｔａｌにおける伝導帯の電子がカーボンナノチューブＣＮＴの伝導帯に注入されやすくなる。従って、ｎ型ＣＮ−ＦＥＴを簡単に形成することが可能である。ｎ型ＣＮ−ＦＥＴに適した金属Ｍｅｔａｌとしては、例えば、アルカリ金属であるＣｓ（仕事関数φｓ＝２．１４ｅＶ程度）、Ｋ（仕事関数φｓ＝２．３ｅＶ程度）、Ｌｉ（仕事関数φｓ＝２．９ｅＶ程度）など、アルカリ土類金属であるＣａ（仕事関数φｓ＝２．８７ｅＶ程度）、Ｍｇ（仕事関数φｓ＝３．６６ｅＶ程度）などが、４ｅＶ又は３ｅＶの範囲内の金属である。尚、上記範囲内ではないが、遷移金属又は金属であるＭｎ、Ａｌ、Ｔｉなども電子注入電極の候補となりうる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態によるｎ型ＣＮ−ＦＥＴについて図面を参照しつつ説明を行う。図３は、本実施の形態によるＣＮ−ＦＥＴの構造を示す断面図である。図３に示すように、本実施の形態によるＣＮ−ＦＥＴ１は、ｐ＋型Ｓｉ基板３と、その表面上に形成された厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２酸化膜５と、その上にある距離だけ離間して形成されたＣｏ／Ｐｔ触媒７ａ、７ｂと、Ｃｏ／Ｐｔ触媒７ａと７ｂとの間に形成されたカーボンナノチューブ１１と、カーボンナノチューブ１１のそれぞれの端部と接するように形成されたＣａ金属１５ａ、１５ｂと、Ｃａ金属１５ａ、１５ｂの上に形成されたＡｌ電極１７ａ、１７ｂと、を有するソース電極（１５ａ／１７ａ）及びドレイン電極（１５ｂ／１７ｂ）と、ｐ＋型Ｓｉ基板３の裏面に形成されたＴｉ／Ａｕからなるバックゲート電極２１と、を有している。仕事関数φｍの小さい（２．８７ｅＶ）Ｃａ金属１５ａ、１５ｂが、カーボンナノチューブＣＮＴ１１の両端にそれぞれ接触し、図２に示すようなエネルギーバンド構造を形成するため、ｎ型ＣＮ−ＦＥＴを作成することができる。尚、カーボンナノチューブＣＮＴ１１上にＣａ金属１５ａ、１５ｂの酸化を防止するためのフォトレジスト２３などの酸化防止膜を形成すると良い。尚、ＣａとＡｌとは連続して堆積するのが好ましい。これは、Ｃａがアルカリ土類金属であり、単独では（表面がさらされると）不安定なためである。すなわち、ＡｌがＣａの保護膜の機能と抵抗を低くする機能とを有している。さらに、フォトレジスト２３も全体を覆ってＣａを酸化から防ぐ機能を有している。尚、本実施の形態では、Ｃａ／Ａｌのそれぞれの厚みは、３ｎｍ／２５０ｎｍとした。
【００２６】
図３を参照して、ＣＮ−ＦＥＴの製造工程について説明する。まず、ｐ＋型Ｓｉ基板３を準備し、表面にＳｉＯ２酸化膜５を形成し、裏面にバックゲート電極２１を形成する。次いで、表面にＣｏ／Ｐｔ触媒層を形成し、パターニングによりＣｏ／Ｐｔ触媒７ａ、７ｂを形成する。さらに、アルコールＣＣＶＤ（ａｌｃｏｈｏｌ  ＣＣＶＤ）法によりＣｏ／Ｐｔ触媒７ａ、７ｂ間に位置制御されたＳＷＮＴ（単層（カーボン）ナノチューブ）１１を成長する。成長条件は、例えば、成長温度が９００℃、ガス流量がＡｒ／Ｃ２Ｈ５ＯＨ（１００／５０ｃｍ３／ｍｉｎ）、ガス圧が２００Ｐａ、成長時間が１時間である。次いで、ＳＷＮＴ１１と接するようにＣａ／Ａｌからなるソース電極１７ａとドレイン電極１７ｂとを例えば公知のリフトオフ法により形成する。最終的には、例えばフォトレジスト２３などの有機膜により全面を覆う。尚、ＳＷＮＴなどのナノチューブを、基板３上で成長せずに、既に成長済みのナノチューブを基板３上に配置する方法を用いても良い。或いは、何らかの支持部材によりカーボンナノチューブを支持する構造を用いても良い。
【００２７】
次に、ｐ型ＣＮ−ＦＥＴとｎ型ＣＮ−ＦＥＴとのそれぞれの動作について図４〜図７を参照しつつ説明を行う。図４（Ａ）、（Ｂ）及び図５（Ａ）、（Ｂ）は、ｐ型ＣＮ−ＦＥＴとｎ型ＣＮ−ＦＥＴとの平衡状態と動作状態とにおけるエネルギーバンド構造を示す図である。図４（Ａ）に示すように、ｐ型ＣＮ−ＦＥＴは平衡状態ではフェルミ準位ＥＦがカーボンナノチューブＣＮＴの価電子帯の頂上のエネルギーＥＶと近い位置にあり、電極からカーボンナノチューブへの電子に関する障壁高さφＢｎは大きく、電極からカーボンナノチューブへ正孔に関する障壁高さφＢｐは小さい。従って、図４（Ｂ）に示すように、ゲートに適度な電圧を印加した状態でソース−ドレイン間に電圧を印加すると、正孔がソースからチャネル領域に注入され、チャネル領域を経てドレインに輸送される。正孔に起因するいわゆるドレイン電流が流れる。図７に電極としてＰｄを用いたｐ型ＣＮ−ＦＥＴのドレイン電流ＩＤのゲート電圧ＶＧＳ依存性を示す。図７に示すように、一般的なｐ型ＦＥＴと同様の伝達特性が得られていることがわかる。
【００２８】
一方、図５（Ａ）に示すように、ｎ型ＣＮ−ＦＥＴは平衡状態ではフェルミ準位ＥＦがカーボンナノチューブＣＮＴの伝導帯の底のエネルギーＥＣと近い位置にあり、電極からカーボンナノチューブへの正孔に関する障壁高さφＢｐは大きく、電極からカーボンナノチューブへ電子に関する障壁高さφＢｎは小さい。従って、図５（Ｂ）に示すように、ゲートに適度な電圧を印加した状態でソース−ドレイン間に電圧を印加すると、電子がソースからチャネル領域に注入され、チャネル領域を経てドレインに輸送される。電子に起因するいわゆるドレイン電流が流れる。図６に電極としてＣａ／Ａｌを用いたｎ型ＣＮ−ＦＥＴのドレイン電流ＩＤのゲート電圧ＶＧＳ依存性を示す。図６に示すように、一般的なｎ型ＦＥＴと同様の伝達特性が得られていることがわかる。ゲート電圧−５Ｖ程度でドレイン電流が流れ始めており、ｎ型ＣＮ−ＦＥＴとして良好な特性が得られることがわかる。
【００２９】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、ｎ型の接合を形成することができ、これを利用して不純物の添加なしにｎ型のＣＮ−ＦＥＴを形成することができる。
【００３０】
尚、同一基板上にｐ型ＣＮ−ＦＥＴとｎ型ＣＮ−ＦＥＴとを形成することができるため、両者のゲート電極とドレイン電極とをそれぞれ共通に配線することもでき、例えば、いわゆる相補型（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ）ＦＥＴを製造することも可能である。その他、ｐ−ｎ接合ダイオードなど一般的な電子デバイスを簡単に製造することができる。
【００３１】
尚、ｎ型電極を形成するためには、例えば、金属の仕事関数を４．０ｅＶ以下、好ましくは３．０ｅＶ以下にするのが好ましい。また、カーボンナノチューブの径によりバンドギャップを調整することが可能であるため、上記金属の仕事関数の調整に代えて、又は仕事関数の調整とともにカーボンナノチューブの径によるＣＮ−ＦＥＴのしきい値の調整を行うこともできる。また、カーボンナノチューブ内にフラーレンなどを内包させたいわゆるピーポッド構造（B.W.Smith et al, Nature 396, 323 (1998)参照）によっても、カーボンナノチューブのエネルギーバンド構造を調整することができる。
【００３２】
上記本発明の第１の実施の形態においては、電子注入電極を用いた素子の一例としてｎ型ＣＮ−ＦＥＴについて説明したが、本発明の実施の形態による電子注入電極を用いたカーボンナノチューブ素子に関しては、いわゆる半導体材料を用いた多くの電子デバイス及び光デバイスなどの多くの素子に適用可能である。以下においては、その例としてバイポーラトランジスタに応用した例（第２の実施の形態）と、ＬＥＤに応用した例（第３の実施の形態）について説明する。もちろん、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施の形態によるカーボンナノチューブデバイスについて図面を参照しつつ説明を行う。図８は、本実施の形態によるカーボンナノチューブデバイスの構成例であり、図８（Ａ）は本実施の形態によるカーボンナノチューブバイポーラトランジスタの構造断面図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）に対応するエネルギーバンド図である。
【００３４】
図８（Ａ）に示すように、本実施の形態によるカーボンナノチューブバイポーラトランジスタ４１は、カーボンナノチューブＣＮＴ４５と、それに接するようにかつカーボンナノチューブＣＮＴの延在する方向に順番に形成された電子注入電極であるＣａエミッタ電極４７と正孔注入電極であるＰｄベース電極５１と電子注入電極であるＣａエミッタ電極５３とを有している。図８（Ｂ）に示すように、カーボンナノチューブＣＮＴ４５のエネルギーバンド図は、一般的なｎｐｎバイポーラトランジスタと同様の構成を有することがわかる。上記構成を有するｎｐｎバイポーラトランジスタ４１においては、Ｃａコレクタ電極４７からカーボンナノチューブＣＮＴ４５内に注入された電子が、ベースＢを越えてコレクタＣに至り、コレクタ電流を生成する。コレクタ電流は、エミッタ−ベース間の電圧により制御できる。もちろん、上記ｎｐｎ構成の代わりにｐｎｐ構成を実現することも可能である。すなわち、カーボンナノチューブに対して、電子注入電極又は正孔注入電極のいずれかを形成することによりエミッタ及びコレクタとし、エミッタ及びコレクタに用いられなかった方の電子注入電極又は正孔注入電極をベースとすることにより、カーボンナノチューブを用いたバイポーラトランジスタを実現できる。
【００３５】
以上、本実施の形態によれば、カーボンナノチューブに接する電極材料をｐｎｐ又はｎｐｎになるように配置することによりバイポーラトランジスタを形成することが可能である。
【００３６】
次に、本発明の第３の実施の形態によるカーボンナノチューブ光デバイスについて図面を参照しつつ説明を行う。図９は、本実施の形態によるカーボンナノチューブ光デバイスの構成例であり、図９に示すデバイス６１においては、カーボンナノチューブ６２の一端（ソース側）に正孔注入電極を、他端（ドレイン側）に電子注入電極を配置した構成を有している。この構造において、ソース６５に対してドレイン６７に負の電圧を印加すると、ソース側から正孔が、ドレイン側から電子がカーボンナノチューブ内に注入され、カーボンナノチューブ内において正孔と電子との再結合に起因する発光が得られ、いわゆるＬＥＤを形成することができる。すなわち、電極によりｐ型とｎ型とを形成することができるため、光デバイスへの応用も可能である。
【００３７】
すなわち、電子注入電極と正孔注入電極とをカーボンナノチューブに対して形成することにより、カーボンナノチューブ内に電子と正孔とを発生させ、電子と正孔とを再結合させることにより発光素子などの光素子を形成することができる。
【００３８】
以上、第２及び第３の実施の形態において説明したように、電子注入電極を簡単に形成することができ、電子、光デバイスにおいてｐ型とｎ型との両方を得ることができるため、一般的な半導体を用いたデバイス群をカーボンナノチューブを用いたデバイス群に置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、一般的な半導体材料を用いた電子デバイス、光デバイスに適用することができる。また、ＣＮ−ＦＥＴ以外にも、カーボンナノチューブを用いた各種デバイスを実現する際に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】電極材料として仕事関数の比較的大きな金属を用い、この金属とカーボンナノチューブＣＮＴとに関するエネルギーバンド構造を示す図であり、上図は真空の準位ＥＶＡＣを基準にした金属とカーボンナノチューブとのそれぞれのエネルギーバンド図であり、中図は、金属とカーボンナノチューブとを実際に接合した際のエネルギーバンド図であり、下図は、金属に正の電圧を印加した際のエネルギーバンド図である。
【図２】電極材料として仕事関数の比較的小さい材料を選択した場合の図であり、図１に対応する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態によるｎ型ＣＮ−ＦＥＴの構造例を示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）、（Ｂ）は、ｐ型ＣＮ−ＦＥＴの平衡状態と動作状態におけるエネルギーバンド構造を示す図である。
【図５】図５（Ａ）、（Ｂ）は、ｎ型ＣＮ−ＦＥＴとの平衡状態と動作状態におけるエネルギーバンド構造を示す図である。
【図６】電極としてＣａ／Ａｌを用いたｎ型ＣＮ−ＦＥＴのドレイン電流ＩＤのゲート電圧ＶＧＳ依存性を示す図である。
【図７】電極としてＰｄを用いたｐ型ＣＮ−ＦＥＴのドレイン電流ＩＤのゲート電圧ＶＧＳ依存性を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態によるカーボンナノチューブデバイスの構成例であり、図８（Ａ）は本実施の形態によるカーボンナノチューブバイポーラトランジスタの構造断面図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）に対応するエネルギーバンド図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態によるカーボンナノチューブ光デバイスの構成例である。
【符号の説明】
【００４１】
１…ＣＮ−ＦＥＴ、３…ｐ＋型Ｓｉ基板、５…ＳｉＯ２酸化膜、７ａ、７ｂ…Ｃｏ／Ｐｔ触媒、１１…カーボンナノチューブ、１５ａ、１５ｂ…Ｃａ金属、１７ａ、１７ｂ…Ａｌ電極、２１…バックゲート電極。
【図１】
0004810650.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004810650.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004810650.tif 000008
【図８】
0004810650.tif 000009
【図９】
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