(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成されたカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ層と、
前記カーボンナノチューブ層の上に形成された電極と、
前記カーボンナノチューブ層と前記電極との間に形成され、半導体から構成されて電子がトンネルすることを可能とされた中間層と
を少なくとも備えることを特徴とするカーボンナノチューブ素子。
【請求項２】
請求項１記載のカーボンナノチューブ素子において、
前記カーボンナノチューブ層は、金属的特性を有するカーボンナノチューブを含む
ことを特徴とするカーボンナノチューブ素子。
【請求項３】
請求項１または２記載のカーボンナノチューブ素子において、
前記中間層は、前記電極と前記中間層との界面において、前記中間層の伝導帯下端のエネルギーとフェルミレベルとの差の大きさが、前記中間層の価電子帯上端のエネルギーとフェルミレベルとの差の大きさより小さいものである
ことを特徴とするカーボンナノチューブ素子。
【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を用いたカーボンナノチューブ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、ナノメートルオーダの微細な直径を有し、炭素原子から構成される円筒形状の構造体である。カーボンナノチューブは、よく知られているように、電気的および機械的に優れた特性を有している。このため、微細な電界効果トランジスタや単電子トランジスタ、また、量子ビットのチャネルとしての応用が期待され、カーボンナノチューブを用いた電子素子の開発が盛んに行われている。
【０００３】
このようなカーボンナノチューブを用いた電子素子（カーボンナノチューブ素子）の製造方法について、簡単に説明する。まず、不純物が高濃度にドープされたシリコン基板を用意し、この表面に酸化膜が形成された状態とする。次に、表面の酸化膜上に、公知のリソグラフィー技術により触媒となる触媒金属パターンを形成し、よく知られた触媒熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、触媒金属パターンよりカーボンナノチューブを成長させる。例えば、基板（酸化膜）の表面に沿って、複数のカーボンナノチューブが成長する。
【０００４】
以上のようにして、シリコン基板の上の酸化膜表面にカーボンナノチューブが形成された状態とした後、公知のリソグラフィー技術などを用いることで、カーボンナノチューブの上にソース電極およびドレイン電極が形成された状態とする。このようにして形成したカーボンナノチューブ素子では、カーボンナノチューブに対して酸化膜を介して配置されているシリコン基板が、ゲート電極となる。
【０００５】
ところで、カーボンナノチューブの物理的性質は、カイラリティ（炭素六員環シートの巻かれ方）や、直径により大きく異なり、カイラリティによって、金属的性質と半導体的性質とが存在する。カーボンナノチューブ素子として電界効果トランジスタを行為制する場合には、一般には、半導体的性質のカーボンナノチューブ（半導体的カーボンナノチューブ）を用いることになる。これに対し、単電子トランジスタや量子ビットでは、印加される電圧（電界）によらずに電気が流れる金属的性質のカーボンナノチューブ（金属的カーボンナノチューブ）が好都合である。
【０００６】
しかしながら、カーボンナノチューブのカイラリティを含めた物理的な性質を制御する技術は未だ存在していない。このため、一般には、前述したように成長したカーボンナノチューブには、金属的カーボンナノチューブと半導体的カーボンナノチューブとが混在している。作製したカーボンナノチューブ素子において、例えば、ソース電極とドレイン電極との間に金属的カーボンナノチューブと半導体的カーボンナノチューブとが混在していると、双方の特性が、電子素子の電気特性に反映されてしまう。
【０００７】
ここで、半導体的カーボンナノチューブの電界効果トランジスタとしての動作について図５および図６を用いて説明する。図５，図６は、半導体的カーボンナノチューブと金属電極とから構成された電界効果トランジスタにおけるバンド構造を示す説明図である。一般に、半導体的カーボンナノチューブと金属電極との界面には、障壁（ショットキー障壁）が形成される。この障壁により、金属電極から半導体的カーボンナノチューブへ、あるいは、半導体的カーボンナノチューブから金属電極への、電子およびホールの注入が支配される。
【０００８】
上記障壁は、金属電極の材料となる金属と半導体的カーボンナノチューブとの仕事関数の差や、金属電極と半導体的カーボンナノチューブとの界面のガス吸着の状態などに影響を受ける。例えば、カーボンナノチューブ素子の電極材料として広く用いられているチタンやパラジウムを金属電極とした場合、障壁高さは電子に対しては大きくなりホールに対しては小さくなる。
【０００９】
この障壁の状態を反映し、本電界効果トランジスタのゲート電極に負の電圧を印加すると、バンド構造は図６に示すように変化する。加えて、図中白丸およびこれに付帯する矢視線で示すように、ホールは、障壁を熱的に乗り越え、あるいは薄くなった障壁をトンネルし、金属電極から半導体的カーボンナノチューブに、あるいは、半導体的カーボンナノチューブから金属電極に注入されるようになる。これに対し、図中黒丸およびこれに付帯する矢視線で示すように、電子の注入は、障壁により阻害される。このように、半導体的カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタは、ｐ型として動作する。
【００１０】
上述したような、半導体的カーボンナノチューブによる電界効果トランジスタを実現するためには、成長した複数のカーボンナノチューブより金属的カーボンナノチューブを除去することになる。この除去を実現するために、例えば、半導体的カーボンナノチューブには電流が流れないようなゲート電圧を印加した状態で、ソース・ドレイン電極間に大きな電流を流し、電流が流れる金属的カーボンナノチューブを切断する技術がある（非特許文献１参照）。
【００１１】
【非特許文献１】Philip G.Collins, et al.,"Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown", SCIENCE, Vol.292, pp.706-709,2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上述では、カーボンナノチューブにより電界効果トランジスタを構成する場合について説明したが、カーボンナノチューブを用いた素子としては、これに限るものではな。例えば、カーボンナノチューブを用いて抵抗素子を構成することも可能である。このような素子では、金属的カーボンナノチューブを用いることになる。この場合、例えば、触媒ＣＶＤ法などの成長により形成される複数のカーボンナノチューブの中より、金属的カーボンナノチューブを選択的に利用することになる。このためには、同時に形成される複数のカーボンナノチューブより、半導体的カーボンナノチューブを切断するなどにより除去すればよい。しかしながら、これまでに、半導体的カーボンナノチューブを選択的に除去する技術については、何ら報告されていない。
【００１３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、カーボンナノチューブ素子を構成する複数のカーボンナノチューブより、電気的カーボンナノチューブを選択的に用いることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るカーボンナノチューブ素子は、基板の上に形成されたカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ層と、カーボンナノチューブ層の上に形成された電極と、カーボンナノチューブ層と電極との間に形成され、半導体から構成されて電子がトンネルすることを可能とされた中間層とを少なくとも備えるものである。
【００１５】
上記カーボンナノチューブ素子において、カーボンナノチューブ層は、金属的特性を有するカーボンナノチューブを含む。なお、中間層は、電極と中間層との界面において、中間層の伝導帯下端のエネルギーとフェルミレベルとの差の大きさが、中間層の価電子帯上端のエネルギーとフェルミレベルとの差の大きさより小さいものである。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、カーボンナノチューブ層と電極との間に、半導体もしくは絶縁体から構成されて電子がトンネルすることを可能とされた中間層を備えるようにしたので、カーボンナノチューブ素子を構成する複数のカーボンナノチューブより、電気的カーボンナノチューブを選択的に用いた状態とすることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子の構成例を模式的に示す断面図である。本実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子は、例えば、高濃度に不純物が導入されて導電性を備える単結晶シリコンから構成された基板１０１と、基板１０１の主表面に形成された絶縁膜１０２と、絶縁膜１０２の上の所定箇所に形成された触媒金属パターン１０３と、触媒金属パターン１０３より絶縁膜１０２の表面に沿って成長した複数のカーボンナノチューブより構成されたカーボンナノチューブ層１０４とを備えている。
【００１８】
触媒金属パターン１０３は、例えば、コバルトから構成されていればよい。なお、コバルトに限らず、鉄などの他の触媒金属であってもよい。また、カーボンナノチューブ層１０４は、例えば、単層の円筒形状のＳＷＮＴ（single-walled nanotube）から構成されたものである。なお、複数の層の同軸多層構造となっているＭＷＮＴ（multi-walled nanotube）であってもよい。
【００１９】
また、このカーボンナノチューブ素子は、カーボンナノチューブ層１０４の上に、例えば酸化チタンより構成された膜厚２ｎｍ程度の絶縁膜からなる中間層１０５を備える。後述するように、中間層１０５は、電子がトンネルすることを可能とされている。従って、中間層１０５は、膜厚２ｎｍに限るものではなく、ピンホールなどがなく膜が存在している範囲で、電子がトンネル可能な範囲の膜厚とされていればよい。
【００２０】
また、中間層１０５の上には、チタンよりなる金属パターン１０６および金よりなる金属パターン１０７が積層されている。このように構成された本実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子は、金属パターン１０６および金属パターン１０７より構成された電極１１１および電極１１２が、中間層１０５を介してカーボンナノチューブ層１０４に接続されているところに特徴がある。
【００２１】
次に、本実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子の製造方法例について、図２を用いて簡単に説明する。まず、図１（ａ）に示すように、基板１０１の上に絶縁膜１０２が形成された状態とする。例えば、単結晶シリコンからなる基板１０１の表面をよく知られた熱酸化法により酸化して形成した酸化シリコン膜により、絶縁膜１０２を構成すればよい。また、基板１０１の上に、よく知られたＣＶＤ法などの堆積法で酸化シリコンなどの絶縁材料を堆積することで、絶縁膜１０２が形成された状態としてもよい。
【００２２】
次いで、絶縁膜１０２の上に、例えば、よく知られたスパッタ法によりコバルトを堆積して膜厚０．１ｎｍ程度のコバルト膜を形成し、これをパターニングすることで、絶縁膜１０２の所定箇所に、コバルトからなる平面視１μｍ角程度の触媒金属パターン１０３が形成された状態とする。
【００２３】
次に、よく知られたカーボンナノチューブの成長方法により、触媒金属パターン１０３よりカーボンナノチューブを成長させることで、図２（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブ層１０４が形成された状態とする。例えば、所定の処理装置の処理室内で、基板温度を８５０℃とし、ここに、アルゴンをキャリアガスとしてエタノールをバブリングして得られたソースガスを３００ｍｌ／ｍｉｎで供給し、処理室内の圧力を５３ｋＰａ程度とする成長条件で、１０分間成長させる。これにより、例えば、触媒金属パターン１０３より複数本（３〜４本）のカーボンナノチューブが、例えば、平均２μｍ程度の長さで、絶縁膜１０２の表面に沿うように成長する。
【００２４】
次に、図２（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブ層１０４が形成された絶縁膜１０２の上に、酸化チタン層２０５，チタン層２０６，金層２０７が形成された状態とする。例えば、スパッタ法などよく知られた堆積法により各層を形成することができる。次に、形成した各層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすことで、図２（ｄ）に示すように、中間層１０５，金属パターン１０６，および金属パターン１０７が形成された状態が得られる。なお、いわゆるリフトオフ法により、中間層１０５，金属パターン１０６，および金属パターン１０７を形成するようにしてもよい。
【００２５】
次に、上述した本実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子の特性について、図３および図４に示すバンド構造を用いて説明する。図３，図４において、黒丸で電子を示し、白丸で正孔を示し、各々に付帯する矢視線で電子および正孔の挙動を示している。
【００２６】
本実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子では、電極１１１および電極１１２の間に電圧を印加すると、例えば、電極１１１からカーボンナノチューブ層１０４の金属的カーボンナノチューブには、図３に示すように、中間層１０５をトンネルして電子が注入されるようになる。言い換えると、中間層１０５が電子がトンネル可能な厚さとされていれば、金属的カーボンナノチューブに対して電子が注入されるようになる。
【００２７】
これに対し、図４に示すように、半導体的カーボンナノチューブと中間層１０５との間には障壁（ショットキー障壁）が形成されるため、電子が中間層１０５をトンネル可能な状態でも、半導体的カーボンナノチューブには電子が注入されることがない。このように、本実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子によれば、カーボンナノチューブ素子を構成する複数のカーボンナノチューブより、電気的カーボンナノチューブを選択的に用いることが可能となる。
【００２８】
また、いずれの場合においても、中間層１０５がホールに対して障壁となるため、電極１１１からカーボンナノチューブ層１０４に対しては、ホールが注入されることがない。また、上述した電子およびホールの挙動については、カーボンナノチューブ層１０４の側から電極１１１の側への場合も同様である。例えば、電子は、金属的カーボンナノチューブから、中間層１０５をトンネルして電極１１１に注入することが可能である。また、上述した電子およびホールの挙動については、電極１１２とカーボンナノチューブ層１０４との間においても同様である。
【００２９】
以上に説明したように、本実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子によれば、カーボンナノチューブ層１０４に半導体的カーボンナノチューブが含まれていたとしても、半導体カーボンナノチューブと電極１１１，電極１１２との間では電子の移動がおきないので、カーボンナノチューブ素子の電気的な特性は、金属的カーボンナノチューブの性質が反映されるようになる。
【００３０】
例えば、触媒金属パターン１０３より成長させた中より３本程度のカーボンナノチューブが２つの電極間に存在している状態となるようにすることで、本実施の形態によるカーボンナノチューブ素子を２８個作製すると、このうち２５個が金属的電気伝導特性を示す。半導体的電気特性を示した残りの３個の素子については、例えば、例えば、中間層１０５にピンホールが形成されているなどの不良が発生しためと考えられる。
【００３１】
一方、同様の条件で、中間層１０５を形成することなくカーボンナノチューブ素子を１６個形成する調査では、金属的伝導特性を示す素子が７個となる。前述したように、半導体的カーボンナノチューブと金属的カーボンナノチューブとを選択的に作製することができず、カーボンナノチューブを作製（成長）すると、半導体的カーボンナノチューブと金属的カーボンナノチューブとが混在する場合、半導体的カーボンナノチューブのみが形成される場合、および金属的カーボンナノチューブのみが形成される場合が発生する。従って、１μｍ角程度の触媒金属パターンより、数本のカーボンナノチューブを成長させると、全てが金属的カーボンナノチューブの場合もある。このような場合、中間層１０５が形成されていなくても、作製された素子は、金属的伝導特性を示すものとなる。上述した結果は、これが反映されたものと考えられる。
【００３２】
なお、上述では、カーボンナノチューブ層の側に配置する電極の材料として、チタンを用いるようにしたが、これに限るものではない。また、電極とカーボンナノチューブ層との間に酸化チタンからなる中間層を挿入したが、これに限るものではない。電極と中間層との界面における電子およびホールに対する障壁高さは、それぞれ、φ（フェルミレベル）−Ｅｃ（伝導帯下端のエネルギー）およびφ−Ｅｖ（価電子帯上端のエネルギー）で与えられる。φ−Ｅｃに小さい値を与え、また、φ−Ｅｖに大きい値を与えるような絶縁材料，半導体材料から、中間層が構成されていればよい。例えば、電極がタンタルから構成され、中間層が酸化タンタルから構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子の構成例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子の製造方法例を簡単に説明する工程図である。
【図３】本実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子におけるバンド構造を説明するための説明図である。
【図４】本実施の形態におけるカーボンナノチューブ素子におけるバンド構造を説明するための説明図である。
【図５】カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタにおけるバンド構造を説明するための説明図である。
【図６】カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタにおけるバンド構造を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０１…基板、１０２…絶縁膜、１０３…触媒金属パターン、１０４…カーボンナノチューブ層、１０５…中間層、１０６，１０７…金属パターン、１１１，１１２…電極。
【図１】
0005189380.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005189380.tif 000004
【図４】
0005189380.tif 000005
【図５】
0005189380.tif 000006
【図６】
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