(57)【要約】【課題】分子スケールの発光デバイスを提供する。【解決手段】本発明の発光デバイスは、ゲート電極（１０１）と、電気刺激によって発光する分子を含み、その分子がゲート電極（１０１）の有効範囲内に配置されているチャネル（１０３）と、チャネルの第１の端部に結合され、チャネルに電子を注入するソース（１０４）と、チャネルの第２の端部に結合され、チャネルにホールを注入するドレイン（１０５）とを備える。
2006501654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極と、
電気刺激によって発光する分子を含み、前記分子が前記ゲート電極の有効範囲内に配置されているチャネルと、
前記チャネルの第１の端部に結合され、前記チャネルに電子を注入するソースと、
前記チャネルの第２の端部に結合され、前記チャネルにホールを注入するドレインとを備える、発光デバイス。
【請求項２】
前記分子が、カーボン・ナノチューブと窒化ホウ素ナノチューブのうちの一つである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ゲート電極が基板内に形成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ゲート電極が基板である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記分子が、実質的に同時二極性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記分子が、整流作用のあるカーボン・ナノチューブである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記分子が、単層ナノチューブと多層ナノチューブのうちの一方である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
電荷密度が、約１０８Ａｍｐｓ／ｃｍ２〜１０９Ａｍｐｓ／ｃｍ２の間にある、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
ドレイン電圧がゲート電圧の約２倍であり、前記ソースがグランド電位に近い、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記分子が、実質的にドーピングされていない、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記分子の前記第１の端部が、ｎ型にドーピングされている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記チャネルが、基板上に配置された、電気刺激によって発光する１分子を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記チャネルが、基板上に配置された、電気刺激によって発光する少なくとも２個の分子を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
ソースと、ドレインと、ゲート電極と、電気刺激によって発光する分子を含むチャネルとを備える電界効果トランジスタを用意するステップであって、前記分子が、所望の波長の光を生成するように適合された直径を有するステップと、
前記ゲート電極をゲート電圧でバイアスするステップと、
前記ソースと前記ドレインの間に電圧を印加することによって前記チャネルを順方向にバイアスするステップと、
電子とホールを再結合させるステップであって、前記再結合によって所望の前記波長の光が生成されるステップとを含む、光を生成する方法。
【請求項１５】
前記チャネルが、カーボン・ナノチューブと窒化ホウ素ナノチューブのうちの一つである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ゲート電圧および前記ドレインに印加される前記電圧が、前記チャネルから発光を生じさせるのに適した電荷密度を前記チャネル全体に発生させる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
所望の前記波長の前記光が、赤外および可視光を含むスペクトルの一部分である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記チャネルの第１の部分をｎ型ドーパントでドーピングするステップであって、前記チャネルの前記第１の部分が前記ソースに隣接するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記チャネルが、基板上に配置された、電気刺激によって発光する１分子を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記チャネルが、基板上に配置された、電気刺激によって発光する少なくとも２個の分子を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
電気刺激によって発光する分子を含み、前記分子がｎ型部分とｐ型部分とを含み前記両部分が前記分子内でｐｎ接合を形成する、チャネルと、
前記分子の前記ｐ型部分に結合され、前記分子内に電子を注入するソースと、
前記分子の前記ｎ型部分に結合され、前記分子内にホールを注入するドレインとを備える、発光デバイス。
【請求項２２】
前記分子が、カーボン・ナノチューブと窒化ホウ素ナノチューブのうちの一つである、請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記分子が、順方向にバイアスされる、請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記分子が、本来はｐ型であり、前記分子の一端部が化学的にｎ型にドープされて前記ｎ型部分を形成する、請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２５】
ソースと、ドレインと、電気刺激によって発光する分子を含むチャネルとを備える２端子デバイスを用意するステップであって、前記分子がｎ型部分とｐ型部分とを含み前記両部分が分子内でｐｎ接合を形成し、前記分子が所望の波長の光を生成するのに適した直径を有するステップと、
前記ｐ型部分に結合された前記ソースと前記ｎ型部分に結合された前記ドレインとの間に電圧を印加することによって前記分子を順方向にバイアスするステップと、
電子とホールを再結合させるステップであって、前記再結合によって所望の前記波長の光が生成されるステップとを含む、光を生成する方法。
【請求項２６】
前記分子が、カーボン・ナノチューブと窒化ホウ素ナノチューブの一つである、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光デバイス（ＬＥＤ）に関し、より詳細にはカーボン・ナノチューブＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００２】
かねてから、経済的な理由により、ウエハ上でのフォトニック（photonic）構造の集積化が推進されてきた。しかし、フォトニック・バンドギャップ構造の構築における最近の進歩によってもたらされたまたとない好機を最大限に利用するためには、電流および光励起によって駆動された場合に発光可能なナノスケールのデバイスが必要である。シリコンをベースとする従来の半導体フォトニック構造は、光子源を提供するために、直接遷移型のバンドギャップを有する材料または微孔性のシリコンを集積する必要があるが、どちらにも大きな技術的課題があり、いまだ実用化されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、シリコン技術に適合できる、発光を電気的に誘発できる分子スケールのデバイスが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態によれば、発光デバイスは、ゲート電極と、電気的刺激によって発光する分子を含み、その分子がゲート電極の有効範囲内に配置されているチャネルと、チャネルの第１の端部に結合され、チャネルに電子を注入するソースと、チャネルの第２の端部に結合され、チャネルにホールを注入するドレインとを備える。
【０００５】
その分子は、カーボン・ナノチューブと窒化ホウ素ナノチューブのうちの一つである。
【０００６】
ゲート電極は基板内に形成され、あるいはゲート電極は基板である。
【０００７】
その分子は、実質的に同時二極性（ambipolar）である。その分子は、整流作用のあるカーボン・ナノチューブである。その分子は、単層ナノチューブと多層ナノチューブのうちの一方である。
【０００８】
電荷密度は、約１０８Ａｍｐｓ／ｃｍ２〜１０９Ａｍｐｓ／ｃｍ２（１０１２Ｃ／ｍ２〜１０１３Ｃ／ｍ２）である。ドレイン電圧はゲート電圧の約２倍であり、ソースはグランド電位に近い。
【０００９】
その分子は、実質的にドーピングされていない。その分子の第１の端部は、ｎ型にドーピングされる。
【００１０】
チャネルは、基板上に配置した、電気的刺激によって発光する１分子を含む。チャネルは、基板上に配置した、電気的刺激によって発光する少なくとも２つの分子を含む。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、光を生成する方法は、ソースと、ドレインと、ゲート電極と、電気的刺激によって発光する分子を含むチャネルとを備える電界効果トランジスタを用意するステップを含み、その分子は、所望の波長の光を生成するように適合された直径を有する。さらにこの方法は、ゲート電極をゲート電圧でバイアスするステップと、ソースとドレインとの間に電圧を印加することによってチャネルを順方向にバイアスするステップと、電子とホールとを再結合させるステップとを含み、その再結合によって所望の波長の光が生成される。
【００１２】
チャネルは、カーボン・ナノチューブと窒化ホウ素ナノチューブの一つである。
【００１３】
ゲート電圧およびドレインに印加される電圧は、チャネルから発光を生じさせるのに適した電荷密度をチャネル全体に生じさせる。
【００１４】
所望の波長の光は、赤外および可視光を含むスペクトルの一部分である。
【００１５】
この方法は、チャネルの第１の部分をｎ型ドーパントでドーピングするステップを含み、チャネルの第１の部分はソースに隣接している。
【００１６】
チャネルは、基板上に配置された、電気的刺激によって発光する１分子を含む。チャネルは、基板上に配置された、電気的刺激によって発光する少なくとも２つの分子を含む。
【００１７】
発光デバイスは、電気的刺激によって発光する分子を含み、その分子がｎ型部分とｐ型部分とを含み、分子内でｐｎ接合を形成する、チャネルと、
その分子のｐ型部分に結合され、分子に電子を注入するソースと、分子のｎ型部分に結合され、分子にホールを注入するドレインとを備える。
【００１８】
その分子は、カーボン・ナノチューブと窒化ホウ素ナノチューブのうちの一つである。
【００１９】
その分子は、順方向にバイアスされる。本来、その分子はｐ型であり、分子の一端部が化学的にｎ型にドープされてｎ型部分を形成する。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、光を生成する方法は、ソースと、ドレインと、電気的刺激によって発光する分子を含むチャネルとを備える２端子デバイスを用意するステップとを含む。その分子は、ｎ型部分とｐ型部分とを含み、分子内でｐｎ接合を形成する。その分子は、所望の波長の光を生成するのに適した直径を有する。さらにこの方法は、ｐ型部分に結合されたソースとｎ型部分に結合されたドレインの間に電圧を印加することによって分子を順方向にバイアスするステップと、電子とホールを再結合させるステップとを含み、その再結合によって所望の波長の光が生成される。
【００２１】
その分子は、カーボン・ナノチューブと窒化ホウ素ナノチューブのうちの一つである。
【００２２】
添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を、以下でより具体的に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、誘導順方向バイアスされるｐｎ接合を有する、電界効果を用いる単一分子デバイスは、発光を電気的に誘発することができる。この発光は、１次元の単一の分子、例えばカーボン・ナノチューブまたは窒化ホウ素ナノチューブから発生させることができるので、電気的に励起される発光デバイスの大きさが大幅に縮小される。
【００２４】
図１を参照すると、デバイスは、ゲート電極１０１、例えばシリコン基板を備える。ゲート電極は、基板内に形成すること、または図２に示すように基板にすることができる。さらにデバイスは、ゲート酸化膜１０２、例えば酸化シリコン層または酸化アルミニウム層を含み、その上にはカーボン・ナノチューブ１０３を付着させることができる。カーボン・ナノチューブ１０３は、ゲート電極１０１の有効範囲内にあり、そのためゲート電極は、カーボン・ナノチューブ１０３を電気的に刺激して、例えば１００ｎｍの波長の発光を生じさせることができる。カーボン・ナノチューブ１０３は、例えば、半導体の特性を付与するキラリティを有する単層カーボン・ナノチューブにすることができる。カーボン・ナノチューブ以外のナノチューブで実現することもできる。ソース１０４およびドレイン１０５を、カーボン・ナノチューブ１０３の両端部に形成する。酸化シリコンなどのキャップ１０６を、デバイス上に付着させることができる。
【００２５】
カーボン・ナノチューブ分子は、単層または多層にすることができる。多層ナノチューブは、一連の同心ナノチューブ・シリンダを有する。単層ナノチューブおよび多層ナノチューブはどちらも、キラリティ（すなわち立体配座のジオメトリ）に応じて金属性または半導体性にすることができる。金属性ナノチューブは、抵抗が一定であり、高密度の電流を伝導することができる。半導体性ナノチューブは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として、電気的にオンオフすることができる。２つのタイプは、共有結合（電子の共有）させることができる。
【００２６】
カーボン・ナノチューブをベースとする分子システムによりホールおよび電子が空間電荷領域全体へ注入され、順方向バイアスされたｐｎ接合を介して、発光を実現することができる。直接遷移型のバンドギャップを有する従来の半導体発光ダイオードの場合と同様に、空間電荷領域内の過剰な電子と過剰なホールを再結合させると、光子を放出させることができる。しかし、本発明の一実施形態によれば、高分子膜または有機膜と、結晶とを使用する従来のものとは違って、ｐ型領域およびｎ型領域は、単一の分子の両端部にある。
【００２７】
図３を参照すると、選択的ドーピングによって、ｐ型領域およびｎ型領域を単一の分子内に作り出すことができる。例えば、本質的にｐ型のカーボン・ナノチューブ分子１０３を、ソース電極１０４とドレイン電極１０５の間に配置することができる。例えば電子線リソグラフィを含むリソグラフィ技法を使用して、分子の一端部を２０１でマスクする。次いで、露出した端部をドーピングすることができる。本質的にｐ型の分子の露出した端部に、例えばカリウム・ドーピングによってドーピングを行い、露出した領域内にｎ型領域を作り出す。したがって、ｐｎ接合が分子内に作り出され、次いでそれに順方向のバイアスをかけると、再結合による発光が生じる。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、ナノチューブをベースをする発光デバイスは、２端子ｐｎ接合デバイスまたは３端子デバイスにすることができる。図３を参照すると、ソース１０４およびドレイン１０５を備え、ナノチューブ１０３が化学的にドーピングされた２端子ｐｎ接合デバイスを形成することができる。この２端子デバイスは、ゲートを備えていない。したがって、ｐｎ接合を生成するように、化学的にドーピングされたナノチューブが使用される。発光させるために、バイアス電圧を分子１０３の両端に印加することができ、この場合、負端子は分子のｎ型端部に結合され、正端子は分子のｐ型端部に結合される。３端子デバイスは、ソース１０４、ドレイン１０５、ゲート１０１を備えており、ナノチューブ１０３は、化学的にドーピングしないでおくこともでき、化学的にドーピングして電界ドーピングを増大させることもできる。
【００２９】
図４を参照すると、同時二極性の挙動を示す単一の分子３００は、電界効果が生じる構造上にあるドレイン電極３０１とソース電極３０２との間に配置される。次いで、ドレイン３０１の電圧とソース３０２の電圧の間の値のゲート電圧で、この構造をバイアスする。このゲート電界により、ナノチューブの一端部にホールを注入できるようになり、したがってこれはｐ型にドーピングされているような挙動を示し、一方、ナノチューブの別の一端部には電子を注入できるようになり、したがってこれはｎ型にドーピングされているような挙動を示す。分子の両端部でゲート電界が異符号であるので、分子の片側はｐ型にドーピングされ（ｈ＋）、分子の反対側はｎ型にドーピングされる（ｅ−）。ｐ型にドーピングされた領域がより高い電圧を有する側にあるので、分子内に形成されたｐｎ接合は順方向にバイアスされる。このようにして、順方向にバイアスされたｐｎ接合が単一の分子内で形成され、それにより、再結合による発光（ｈν）を電流によって発生させることができる。図４に示すように、再結合による発光は、ｐ型領域およびｎ型領域から成る領域内でナノチューブ本体に沿って生じる。
【００３０】
カーボン・ナノチューブを使用して試作品の発光デバイスを構築した。この例では、上記の第１の実施形態を使用する。試作品のデバイスは、電界効果が生じる構造内に単一のカーボン・ナノチューブを備える（例えば図１〜図２参照）。このデバイスは、同時二極性の電気伝導性を示した。
【００３１】
デバイスの端子での電圧は、酸化物の厚さによって調整することができる。ソース電圧が０ボルト付近（例えば＋／−１／２ボルト）の場合、ドレイン電圧は、ゲート電圧の２倍である。例えば、１００ｎｍのゲート厚で、ソースを接地し、ゲート電圧を＋５ボルトに固定し、ドレインに＋１０ボルトのバイアスを加えると、デバイスからの発光が観察された。電荷密度は１０８Ａｍｐｓ／ｃｍ２〜１０９Ａｍｐｓ／ｃｍ２（１０１２Ｃ／ｍ２〜１０１３Ｃ／ｍ２）の間にすることができるが、これはデバイスのパラメータおよびジオメトリによって変わり得る。この開示から、デバイスの動作電圧は、デバイスのパラメータおよびジオメトリに依存し得ることが当業者には理解されよう。例えば、ゲート酸化膜が薄くなると、動作させるゲート電圧も低くなるということである。ソース付近では、ナノチューブは、電界効果ドーピングのためにｎ型にドーピングされる。ドレイン付近のナノチューブは電界が逆になるので、この領域のナノチューブは、ｐ型にドーピングされる。図５では、ドレイン電流が、ゲート電圧が＋５ボルトで、ソースを接地した状態で、０ボルト〜＋１０ボルトまで掃引したときのドレイン電圧の関数としてプロットされている。
【００３２】
デバイスからの発光は、順方向バイアス接合モードでの動作時に観察される。カーボン・ナノチューブのバンドギャップが小さいことから予想されるように、この発光は赤外領域においてである。半導体ナノチューブのバンドギャップは１／ｄ（ｄはナノチューブの直径）であるので、デバイスの発光は赤外から可視光の範囲内で調整することができる。
【００３３】
図６を参照すると、光を生成する方法は、ソースと、ドレインと、ゲートと、所望の波長の光を生成するのに適した直径を有するカーボン・ナノチューブのチャネルとを備えた電界効果トランジスタを用意することを含む（５０１）。ゲートは、約プラス５ボルトの電圧でバイアスすることができ（５０２）、約プラス１０ボルトの電圧をドレインに印加することによって、カーボン・ナノチューブのチャネルを順方向にバイアスすることができる（５０３）。電子とホールの再結合により、所望の波長の光が生成される（５０４）。ナノチューブを使用して、ナノチューブの直径に応じた、赤外および可視光を含むスペクトルの一部分の光を生成することができる。
【００３４】
このデバイスの一利点は、電気的に誘発された発光を、単一の分子から観察することができることである。さらに、ナノチューブ内の１次元的な静電効果のために、例えば、フェルミ準位がミッドギャップにある接点でも、接点でのトンネリング確率が高く、ショットキー障壁が薄いので、この分子デバイス内へのキャリヤ注入は非常に効率的である。この１次元システムにおけるナノチューブのショットキー障壁の特性のために、電流はそれほど制限されず、高い注入率が得られ、それによって発光の効率性がより高まる。したがって、この接点方式では、通常の光子源の場合のように非対称な注入を行う特別設計の接点が必要でない。
【００３５】
以上、発光を電気的に誘発できる分子スケールのデバイスの好ましい実施形態について説明してきたが、当業者であれば、上記の教示に照らして修正および変更を行えることに留意されたい。したがって、ここで開示した本発明の具体的な実施形態において、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲および趣旨内で変更を行うことができることを理解されたい。したがって、特許法で求められるように詳細かつ具体的に本発明を説明してきたが、特許請求し、特許証による保護を要望する内容は、添付の特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態による分子発光デバイスを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による分子発光デバイスを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による分子発光デバイスを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるナノチューブを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態によるドレイン電流対ドレイン電圧を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による方法を示すフロー・チャートである。
【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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【国際調査報告】
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