(57)【要約】【課題】ナノチューブを用いた電子装置を提供する。【解決手段】カソード電極６を有する導電性のナノチューブ２ｂと、アノード電極５を有する導電性のナノチューブ２ａと、ナノチューブ２ｂとの間に電界を発生させるためのナノチューブ３、４と、を備えた電子装置１である。ナノチューブ２ａ及びナノチューブ２ｂの各々の端部が所定の間隔を空けて対向するとともに、ナノチューブ２ａ、ナノチューブ２ｂ、及びナノチューブ３、４がそれぞれ非接触に配置されている。ナノチューブ２ｂは、ナノチューブ３、４との間に発生する電界により、ナノチューブ２ａに対向する端部からナノチューブ２ａの端部へ電荷を放出する。放出された電荷がナノチューブ２ａに移動することで、ナノチューブ２ａ、２ｂが導通状態になる。【選択図】図１
2007257949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端部に入力電極を有する導電性の第１ナノチューブと、
一方の端部に出力電極を有する導電性の第２ナノチューブと、
前記第１ナノチューブとの間に電界を発生させるための制御電極と、を備え、
前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブの各々の他方の端部が所定の間隔を空けて対向するとともに、前記第１ナノチューブ、前記第２ナノチューブ、及び前記制御電極がそれぞれ非接触に配置されており、
前記第１ナノチューブは、前記制御電極との間に発生する前記電界により、前記他方の端部から前記第２ナノチューブの前記他方の端部へ電荷を放出する、
電子装置。
【請求項２】
前記第１ナノチューブと前記第２ナノチューブとの少なくとも一方は、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブの各々の前記他方の端部間に前記電界とは別の電界を発生させるものであり、
前記第１ナノチューブは、放出した前記電荷を、その他方の端部と前記第２ナノチューブの他方の端部との間に発生する前記別の電界により前記第２ナノチューブへ供給して、前記第２ナノチューブとの間で導通状態になるように配置されている、
請求項１記載の電子装置。
【請求項３】
前記制御電極は、前記第２ナノチューブの前記他方の端部に前記電荷と逆の極性の電荷を誘起させるように構成されており、
前記第２ナノチューブは、放出された前記電荷を、その他方の端部に誘起された前記逆の極性の電荷により導いて蓄電するように配置されている、
請求項１記載の電子装置。
【請求項４】
前記制御電極は、前記第１ナノチューブ又は前記第２ナノチューブを挟んで対向する位置に複数設けられており、
複数の前記制御電極は、それぞれ前記第１ナノチューブとの間で前記電界を発生させる、
請求項１記載の電子装置。
【請求項５】
前記制御電極は、前記第１、第２ナノチューブとは別の導電性のナノチューブを含んで成る、
請求項４記載の電子装置。
【請求項６】
前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブは、ナノチューブの最小構成要素体１個の大きさに相当する間隔を空けて各々の前記他方の端部が対向するように配置されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子装置。
【請求項７】
それぞれ一方の端部が所定の間隔で対向して配置される導電性の第１及び第２ナノチューブと、
前記第１ナノチューブの前記一方の端部との間に第１電界を発生させるとともに、前記第２ナノチューブの前記一方の端部に第１電荷を誘起させるための第１制御電極と、
前記第２ナノチューブの前記一方の端部との間に第２電界を発生させるとともに、前記第１ナノチューブの前記一方の端部に前記第１電荷とは逆の極性の第２電荷を誘起させるための第２制御電極と、を備え、
前記第１ナノチューブ、前記第２ナノチューブ、第１制御電極、及び前記制御電極がそれぞれ非接触に配置されており、
前記第１ナノチューブは、前記第１電界により前記第２電荷を放出するとともに、前記第２ナノチューブが前記第２電界により放出する前記第１電荷を蓄電するように構成されており、
前記第２ナノチューブは、前記第２電界により前記第１電荷を放出するとともに、前記第１ナノチューブが前記第１電界により放出する前記第２電荷を蓄電するように構成されている、
電子装置。
【請求項８】
導電性のナノチューブを形成する段階と、
このナノチューブに隣接して、このナノチューブに非接触の制御電極を形成する段階と、
前記ナノチューブの所定の部分を除去することで、前記ナノチューブを２つに切断する段階と、を含む、
前記制御電極と２つに切断されたナノチューブの一方との間に発生する電界により、この一方のナノチューブの切断面から電荷が放出されるとともに、前記一方のナノチューブと２つに切断されたナノチューブの他方との間に発生する前記電界とは別の電界により、放出された前記電荷が他方のナノチューブの切断面に供給される電子装置の製造方法。
【請求項９】
前記ナノチューブを２つに切断する段階は、
前記ナノチューブの両端部を冷却する段階と、
所定の元素雰囲気で前記ナノチューブに所定の電流を流すことで前記ナノチューブ内に温度差を生じさせて、他の部分と最も異なる温度となる部分を前記所定の元素と反応させて除去する段階と、を含む、
請求項８記載の製造方法。
【請求項１０】
前記ナノチューブを２つに切断する段階は、
前記ナノチューブを前記所定の部分を除いてマスクする段階と、
当該所定の部分のみを所定の元素雰囲気で加熱するとともに、このナノチューブに所定の電流を流すことでナノチューブ内に温度差を生じさせて、前記所定の部分で他の部分と最も異なる温度となる部分を前記所定の元素と反応させて除去する段階と、を含む、
請求項８記載の製造方法。
【請求項１１】
前記制御電極を形成する段階は、
前記ナノチューブを挟んで対向する位置に、導電性の前記ナノチューブとは別のナノチューブを複数形成する段階と、
複数の前記別のナノチューブの各々の両端部を冷却する段階と、
所定の元素雰囲気で複数の前記別のナノチューブに所定の電流を流すことで各々の前記別のナノチューブ内に温度差を生じさせて、他の部分と最も異なる温度となる部分を前記所定の元素と反応させて除去する段階と、を含む、
請求項８又は９記載の製造方法。
【請求項１２】
前記制御電極を形成する段階は、
前記ナノチューブを挟んで対向する位置に、導電性の前記ナノチューブとは別のナノチューブを複数形成する段階と、
複数の前記別のナノチューブを所定の部分を除いてマスクする段階と、
当該所定の部分のみを所定の元素雰囲気で加熱するとともに、複数の前記別のナノチューブに所定の電流を流すことで各々の前記別のナノチューブ内に温度差を生じさせて、前記所定の部分で他の部分と最も異なる温度となる部分を前記所定の元素と反応させて除去する段階と、を含む、
請求項８又は１０記載の製造方法。
【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のようなナノチューブを用いた新規の電子装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノチューブを用いたエレクトロニクス技術が注目を集めている。特に、カーボンによるナノチューブであるカーボンナノチューブを用いたエレクトロニクス技術についての研究が進んでいる。
カーボンナノチューブは、炭素原子がハニカム形状に配列されて構成されるグラファイトシートを円筒状に巻いた構造を有している。カーボンナノチューブには、一層のグラファイトシートからなる単層カーボンナノチューブと複数のグラファイトシートからなる多層カーボンナノチューブとがある。単層カーボンナノチューブは、一般に断面の直径が１〜２ｎｍであり、多層ナノチューブは、断面の直径が数ｎｍから数十ｎｍである。いずれのカーボンナノチューブも長さは様々であり、数μｍの長さを有するものもある。
【０００３】
カーボンナノチューブの電気的特性は、直径や螺旋度（chirality：カイラリティ）によって変化する。つまり、直径や、グラファイトシートを巻く際に、円筒の軸に対してハニカム形状をまっすぐ巻くか傾けて巻くかにより、カーボンナノチューブの導電性が大きく変化する。このような直径及びカイラリティの組み合わせにより、カーボンナノチューブは、導体、Ｎ型半導体、或いはＰ型半導体と同じ電気的特性を有することができる。また、カーボンナノチューブは熱伝導性に優れている。そのために、電子装置にカーボンナノチューブを用いた場合、熱特性の優れた動作を示すことを期待されている。
【０００４】
近年、このようなカーボンナノチューブを用いた電子装置、特にトランジスタ（以下、「ＣＮＴトランジスタ」という）が多数提案されている。そのほとんどは、従来から用いられているシリコンのトランジスタと同様の構成である。
【０００５】
例えばＣＮＴトランジスタには、カーボンナノチューブの両端にソース電極及びドレイン電極を設けて、カーボンナノチューブの軸に平行にゲート電極を設けた構成のものがある。カーボンナノチューブには、Ｎ型半導体或いはＰ型半導体の特性を有するものが使われる。ＣＮＴトランジスタのゲート電極に電圧を印加すると、カーボンナノチューブ内にチャネルが形成される。チャネルによりソース電極とドレイン電極とが導通状態になり、ＣＮＴトランジスタがオン状態になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＣＮＴトランジスタ等のカーボンナノチューブを用いた電子装置は、ナノチューブの大きさがナノオーダである。ＣＮＴトランジスタには、上述のようにＮ型半導体の特性を有するナノチューブを用いたものとＰ型半導体の特性を有するナノチューブを用いたものとがあり、従来と同様にＬＳＩ（Large Scale Integration）等の半導体装置を製造する場合には、この２種類のＣＮＴトランジスタを用いることになる。そのために、極微小領域にＰ型半導体の特性を有するナノチューブとＮ型半導体の特性を有するナノチューブとを作り分ける必要がある。
【０００７】
しかし、現状では数十ナノオーダの微細加工は可能であるが、ナノオーダの微細加工技術は実現されておらず、極微小領域にＮ型半導体の特性を有するナノチューブとＰ型半導体の特性を有するナノチューブとを作り分けることは困難である。
また、ＣＮＴトランジスタでは、その小ささ故に漏れ電流が流れる可能性もある。例えば、ソース電極とドレイン電極とに異なる電圧が印加されていると、ゲート電極に電圧が印加されているか否かにかかわらず、カーボンナノチューブに電流が流れる可能性がある。漏れ電流は誤作動の原因にもなり、消費電力の増大を招くので防止する必要がある。
【０００８】
本願発明は、上記のような問題に鑑みて想起されたものであり、Ｎ型半導体、Ｐ型半導体の特性を有するナノチューブを形成することなく、漏れ電流のない電子装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の電子装置は、一方の端部に入力電極を有する導電性の第１ナノチューブと、一方の端部に出力電極を有する導電性の第２ナノチューブと、前記第１ナノチューブとの間に電界を発生させるための制御電極と、を備えて構成される。この電子装置は、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブの各々の他方の端部が所定の間隔を空けて対向するとともに、前記第１ナノチューブ、前記第２ナノチューブ、及び前記制御電極がそれぞれ非接触に配置されている。前記第１ナノチューブは、前記制御電極との間に発生する前記電界により、前記他方の端部から前記第２ナノチューブの前記他方の端部へ電荷を放出するようになっている。
【００１０】
この電子装置は、導電性を有する第１、第２ナノチューブと制御電極とから構成されており、従来のようなＮ型半導体及びＰ型半導体を含んだ構成ではない。そのために、極微小領域に多数のナノチューブを形成することができる。また、ナノチューブは導電性のもの一種類であるので、複雑な製造工程を必要としない。さらに、第１、第２ナノチューブ、及び制御電極はそれぞれ非接触に配置されるために、漏れ電流を防ぐことができる。
【００１１】
本発明の電子装置は、前記第１ナノチューブと前記第２ナノチューブとの少なくとも一方を、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブの各々の前記他方の端部間に前記電界とは別の電界を発生させるように構成してもよい。このような構成では、前記第１ナノチューブが、放出した前記電荷をその他方の端部と前記第２ナノチューブの他方の端部との間に発生する前記別の電界により前記第２ナノチューブへ供給して、前記第２ナノチューブとの間で導通状態になるように配置される。そのためにこの電子装置は、第１ナノチューブと制御電極間の「電界」及び第１、第２ナノチューブ間の「別の電界」を発生させるか否かにより、第１、第２ナノチューブ間の導通状態を制御できる。この電子装置は、導通状態を制御することでトランジスタのようなスイッチ素子として機能する。
【００１２】
また、本発明の電子装置は、前記制御電極を、前記第２ナノチューブの前記他方の端部に前記電荷と逆の極性の電荷を誘起させるように構成してもよい。このような構成では、前記第２ナノチューブが、放出された前記電荷を、その他方の端部に誘起された前記逆の極性の電荷により導いて蓄電するように配置される。
第２ナノチューブに蓄電された電荷は、制御電極に印加される電圧の極性を変えることで放出することができる。第２ナノチューブは、電荷を蓄電、放出できるので、この状態により「１」、「０」を表すことができる。第２ナノチューブは、第１ナノチューブ、制御電極のいずれにも接続されていない。そのために、第２ナノチューブに蓄電された電荷は、いずれの電圧も印加されていない状態でもそのまま蓄電されている。つまり、不揮発性の記憶装置として用いることができる。
【００１３】
前記制御電極は、例えば、前記第１ナノチューブ又は前記第２ナノチューブを挟んで対向する位置に複数設けられる。このような構成では、複数の前記制御電極が、それぞれ前記第１ナノチューブとの間で前記電界を発生させる。
前記制御電極は、金属により構成する他に、例えば前記第１、第２ナノチューブとは別の導電性のナノチューブを含んで構成することができる。制御電極をナノチューブにより実現することで、第１、第２ナノチューブを製造する工程と同じ工程で制御電極を製造することができる。そのために製造工程が簡略化される。
【００１４】
第１、第２ナノチューブ間の電荷の移動は、その距離が小さいほど、それに要する電圧を小さくすることができる。そのために、前記第１ナノチューブ及び前記第２ナノチューブを、ナノチューブの最小構成要素体１個の大きさに相当する間隔を空けて各々の前記他の端部が対向するように配置してもよい。
【００１５】
本発明の別の電子装置は、それぞれ一方の端部が所定の間隔で対向して配置される導電性の第１及び第２ナノチューブと、前記第１ナノチューブの前記一方の端部との間に第１電界を発生させるとともに、前記第２ナノチューブの前記一方の端部に第１電荷を誘起させるための第１制御電極と、前記第２ナノチューブの前記一方の端部との間に第２電界を発生させるとともに、前記第１ナノチューブの前記一方の端部に前記第１電荷とは逆の極性の第２電荷を誘起させるための第２制御電極と、を備え、前記第１ナノチューブ、前記第２ナノチューブ、第１制御電極、及び前記制御電極がそれぞれ非接触に配置されている。前記第１ナノチューブは、前記第１電界により前記第２電荷を放出するとともに、前記第２ナノチューブが前記第２電界により放出する前記第１電荷を蓄電するように構成されており、前記第２ナノチューブは、前記第２電界により前記第１電荷を放出するとともに、前記第１ナノチューブが前記第１電界により放出する前記第２電荷を蓄電するように構成されている。このような構成の電子装置は、第１、第２ナノチューブにそれぞれ蓄電される第１、第２電荷により、記憶装置として用いることができる。
【００１６】
本発明の電子装置の製造方法は、導電性のナノチューブを形成する段階と、このナノチューブに隣接して、このナノチューブに非接触の制御電極を形成する段階と、前記ナノチューブの所定の部分を除去することで、前記ナノチューブを２つに切断する段階と、を含む。この製造方法により、前記制御電極と２つに切断されたナノチューブの一方との間に発生する電界により、この一方のナノチューブの切断面から電荷が放出されるとともに、前記一方のナノチューブと２つに切断されたナノチューブの他方との間に発生する前記電界とは別の電界により、放出された前記電荷が他方のナノチューブの切断面に供給される電子装置が製造される。
【００１７】
前記ナノチューブを２つに切断するための方法としては、例えば以下に示す２通りの方法がある。
第１の方法は、前記ナノチューブの両端部を冷却する段階と、所定の元素雰囲気で前記ナノチューブに所定の電流を流すことで前記ナノチューブ内に温度差を生じさせて、他の部分と最も異なる温度となる部分を前記所定の元素と反応させて除去する段階と、を含む。ナノチューブは、どの部分でも電流により発生するジュール熱が一様である。また、ナノチューブは両端部から冷却されるために中程の温度が最も高くなる。そのためにこの方法では、ナノチューブを中程で容易に切断することができる。
【００１８】
第２の方法は、前記ナノチューブを前記所定の部分を除いてマスクする段階と、当該所定の部分のみを所定の元素雰囲気で加熱するとともに、このナノチューブに所定の電流を流すことでナノチューブ内に温度差を生じさせて、前記所定の部分で他の部分と最も異なる温度となる部分を前記所定の元素と反応させることで除去する段階と、を含む。ナノチューブのマスクされた部分は、マスクされていない部分に比べて高温になりやすい。そのためにこの方法では、マスクする部分により切断部分をある程度特定することができる。
【００１９】
制御電極は、金属等の従来電極として用いられている素材により形成してもよく、導電性を有するナノチューブにより形成してもよい。金属で形成する場合には、従来の半導体装置の製造技術における電極の製造方法と同様の方法で形成できる。
導電性を有するナノチューブで形成する場合、形成方法としては、例えば以下に示す２通りの方法がある。
【００２０】
第１の方法は、前記ナノチューブを挟んで対向する位置に、導電性の前記ナノチューブとは別のナノチューブを複数形成する段階と、複数の前記別のナノチューブの各々の両端部を冷却する段階と、所定の元素雰囲気で複数の前記別のナノチューブに所定の電流を流すことで各々の前記別のナノチューブ内に温度差を生じさせて、他の部分と最も異なる温度となる部分を前記所定の元素と反応させて除去する段階と、を含む。
これらの各段階は、ナノチューブを形成する段階及びナノチューブを２つに切断する段階の第１の方法の各段階における処理と同様の処理である。そのために、ナノチューブと制御電極用のナノチューブとを同時に製造可能である。制御電極を金属で構成する場合よりも電子装置の製造工程を減らすことができるので、製造の容易になり、コストダウンにつながる。
【００２１】
第２の方法は、前記ナノチューブを挟んで対向する位置に、導電性の前記ナノチューブとは別のナノチューブを複数形成する段階と、複数の前記別のナノチューブを所定の部分を除いてマスクする段階と、当該所定の部分のみを所定の元素雰囲気で加熱するとともに、複数の前記別のナノチューブに所定の電流を流すことで各々の前記別のナノチューブ内に温度差を生じさせて、前記所定の部分で他の部分と最も異なる温度となる部分を前記所定の元素と反応させて除去する段階と、を含む。
これらの各段階は、ナノチューブを形成する段階及びナノチューブを２つに切断する段階の他の方法の各段階における処理と同様の処理である。そのために、ナノチューブと制御電極用のナノチューブとを同時に製造可能である。制御電極を金属で構成する場合よりも電子装置の製造工程を減らすことができるので、製造の容易になり、コストダウンにつながる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電子装置（本発明の製造方法により製造されたものも同じ）によれば、Ｎ型半導体、Ｐ型半導体の特性を有するナノチューブを必要としないので、極微小領域に電子装置を形成することができる。また、電子装置の各構成要素が互いに非接触なので、漏れ電流の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２４】
＜電子装置の構成＞
図１は、本実施形態の電子装置１の構造を説明するための図である。この電子装置は、トランジスタと同様の動作を行うものであり、いわゆるナノチューブトランジスタを構成するものである。
【００２５】
この電子装置１は、３本のナノチューブ２ａ、３、４が平行に並んで構成され、ナノチューブ２ａの先端には、この先端面に対向して先端面が配置されるナノチューブ２ｂが、ナノチューブ２ａと一直線状になるように設けられる。２本のナノチューブ３、４は、ナノチューブ２ａを挟む位置に設けられる。これらのナノチューブ２ａ、２ｂ、３、４は、金属のように導電性を有するものであり、例えばカーボンナノチューブにより形成される。ナノチューブ２ａ、２ｂ、３、４は、それぞれ非接触に配置されている。
【００２６】
電子装置１は、ナノチューブ２ａ、２ｂ間で電荷を移動させることにより、様々な機能を実現するようになっている。そのために、ナノチューブ２ａ、２ｂの対向する先端面間の距離は、電荷が移動可能な距離だけ離して設けられる。電荷が移動可能な距離は、電子装置１に印加される電圧により変化するので、ナノチューブ２ａ、２ｂの対向する先端面間の距離の許容範囲は、印加する電圧により決まる。ナノチューブ２ａ、２ｂの対向するの先端面間の距離が近いほど、印加する電圧を小さくすることができる。
【００２７】
ナノチューブ２ａは、ナノチューブ２ｂに対向していない方の基端部分が、ＳｉＯ２等の絶縁体９を貫通してアノード電極５に接続されている。ナノチューブ２ｂは、ナノチューブ２ａに対向していない方の基端部分が、ＳｉＯ２等の絶縁体１０を貫通してカソード電極６に接続されている。ナノチューブ２ａには、アノード電極５を介して電圧が印加できるようになっており、ナノチューブ２ｂには、カソード電極６を介して電圧が印加できるようになっている。
【００２８】
ナノチューブ２ａを挟んで対向するナノチューブ３、４は、それぞれナノチューブ２ａとほぼ同じ長さで形成される。ナノチューブ３は、基端部分がＳｉＯ２等の絶縁体９を貫通して第１ゲート電極７に接続されている。ナノチューブ４は、基端部分がＳｉＯ２等の絶縁体９を貫通して第２ゲート電極８に接続されている。ナノチューブ３、４には、それぞれ第１、第２ゲート電極７、８を介して電圧が印加できるようになっている。電圧が印加されると、ナノチューブ３、４が、ナノチューブ２ａ又はナノチューブ２ｂとの間で、ナノチューブ２ａ又はナノチューブ２ｂに電荷を放出させるための電界を発生させる。
【００２９】
絶縁体９と絶縁体１０の間は、できるだけ真空に近い状態にしておく。これにより、ナノチューブ２ａ、２ｂ、３、４のそれぞれの絶縁性が高くなる。
【００３０】
図２〜図４は、このような電子装置１の動作を説明するための図である。ここでは、ナノチューブ２ｂからナノチューブ２ａに負電荷が移動することで、導通する場合について説明する。
ナノチューブ２ａ、２ｂには、それぞれ電源ＶＥＥから定電圧が印加される。電源ＶＥＥにより印加される電圧は、ナノチューブ２ａ、２ｂのそれぞれから電荷が放出されない程度の電圧である。図２では、アノード電極５を介してナノチューブ２ａに電源ＶＥＥの陽極の電圧である電圧Ｖ１、カソード電極６を介してナノチューブ２ｂに電源ＶＥＥの陰極の電圧である電圧Ｖ２が印加される。これにより、ナノチューブ２ａに正電荷が蓄電され、ナノチューブ２ｂに負電荷が蓄電される。
【００３１】
第１、第２ゲート電極７、８には、交番電源ＶＣから交番電圧が印加される。交番電源ＶＣは、ナノチューブ２ｂに電荷を放出させるための電圧を第１、第２ゲート電極７、８に印加するものである。そのために交番電源ＶＣから出力される電圧の一方の電圧値は、電源ＶＥＥから電圧が印加された状態のナノチューブ２ｂに電荷を放出させるために十分な値である。交番電圧の他方の電圧値は、電源ＶＥＥから電圧が印加された状態のナノチューブ２ｂに電荷を放出させない程度の値である。例えば、交番電源ＶＣからは、交番電圧として、電源ＶＥＥの陽極の電圧Ｖ１以上の電圧、陰極の電圧Ｖ２に等しい電圧が交互に出力される。
【００３２】
第１、第２ゲート電極７、８に電源ＶＥＥの陽極の電圧Ｖ１以上の電圧が印加されると、ナノチューブ３、４に電圧Ｖ１以上の電圧が印加され、これによりナノチューブ３、４のそれぞれとナノチューブ２ｂとの間に電界が発生する。ナノチューブ２ｂは、電源ＶＥＥからの電圧印加により負電荷が放出されないぎりぎりの状態にあるので、ナノチューブ３、４との間で発生する電界により、負電荷を放出することになる。
ナノチューブ２ｂから放出された負電荷は、ナノチューブ２ａに蓄電される正電荷により発生する電界によってナノチューブ２ａに移動する。これによりナノチューブ２ａ、２ｂ間が導通状態になる（図３）。つまり、電子装置１がオン状態になる。
【００３３】
第１、第２ゲート電極７、８に電源ＶＥＥの陰極の電圧Ｖ２に等しい電圧が印加されると、ナノチューブ３、４にも電源ＶＥＥの陰極の電圧Ｖ２が印加される。この条件では、ナノチューブ３、４のそれぞれとナノチューブ２ｂとの間に電界は発生しない。そのためにナノチューブ２ｂは、負電荷を放出しない。ナノチューブ２ｂが負電荷を放出しないので、ナノチューブ２ａ、２ｂ間は導通状態にはならない（図４）。つまり、電子装置１がオフ状態になる。
【００３４】
例えば、直径が２０ｎｍのマルチウォールのカーボンナノチューブをナノチューブ２ａ、２ｂに用いた場合、電界の強さが約１×１０６Ｖ／ｍになるとナノチューブ２ｂから負電荷が放出される。ナノチューブ２ａ、２ｂが０．１４ｎｍの間隔で設けられている場合には、０．１４ｍＶの電圧が印加されると、ナノチューブ２ｂから負電荷が放出される。ナノチューブ３、４とナノチューブ２ｂとがナノチューブ２ａ、２ｂの間隔の１万倍離れても、１．４Ｖの電圧が印加されれば負電荷の放出が行われ、供給電圧を低く抑えることができて、低消費電力化が図れる。
【００３５】
このようにゲート電極７、８に印加される交番電圧により、ナノチューブ２ａ、２ｂ間の導通、非導通が制御され、電子装置１のオン状態、オフ状態を制御できる。これを利用して、電子装置１は、従来のトランジスタと同様のスイッチング素子として用いることが可能となる。
【００３６】
なお、ゲート電極７、８には同じ電圧が印加されるので、図５に示すように、ゲート電極７、８を一体に形成してもよい。図５は、電子装置１の変形例を示す図であり、アノード電極５を囲んでゲート電極１１が設けられている。ゲート電極１１により、ナノチューブ３、４に電圧が印加される。
【００３７】
ナノチューブ３、４は、ナノチューブ２ｂとの間に電界を発生させるためのものであるので、通常の金属のような導体によって形成してもその機能を実現できる。この場合、図６に示すように、例えば導体であるゲート電極７がそのまま絶縁体９を貫通して設けられるようにしてもよい。
図６は、電子装置１’の斜視図であり、ナノチューブ２ａ、２ｂの軸を中心とした円形のアノード電極５の周りに、アノード電極５と同心円状にゲート電極７が設けられている。このような構成では、ナノチューブ２ｂから放出される負電荷がゲート電極７から受ける力が、ゲート電極７の各所から均等にかかるので、負電荷がゲート電極７に引き寄せられることなくナノチューブ２ａにのみ供給されるようになる。
【００３８】
この実施形態では、負電荷がナノチューブ２ｂからナノチューブ２ａに移動することで導通状態が形成される場合を説明したが、移動する電荷の極性、電荷の移動方向は、ナノチューブ２ａ、２ｂ、３、４に印加される電圧を様々に組み合わせることで、変えることができる。例えば、図３の電源ＶＥＥの極性を逆にすると、負電荷がナノチューブ２ａからナノチューブ２ｂに移動することで導通状態になる。
【００３９】
このように、本実施形態の電子装置１は、所定の間隔を空けて設けられた２本のナノチューブが導通状態になるか否かによって、オン状態、オフ状態を実現している。２本のナノチューブは非接触に配置されるので、オフ状態のときの漏れ電流の発生は困難である。２本のナノチューブを高真空中に置くことで、絶縁性が向上し、さらに漏れ電流の発生が抑えられる。また、２本のナノチューブは導電性を有するものであり、従来のようにＰ型半導体の特性を有するナノチューブ及びＮ型半導体の特性を有するナノチューブを、極微小領域に作り込む必要がない。そのために、従来よりも装置全体としての構成を小さくでき、製造工程の簡略化して安価なトランジスタを提供することができる。
【００４０】
＜電子装置の製造方法＞
このような電子装置１は、図７〜図１１に示す特徴的な方法によって製造可能である。
【００４１】
まず、シリコン等の基板上に鉄等の金属触媒を配置しておき、アーク放電、レーザ蒸発、化学的気相成長等の既知の技術により、複数のナノチューブを形成する。複数のナノチューブは、ナノチューブの軸から見て直線上に並ぶように形成する。複数のナノチューブの両端に絶縁体９、１０及び電極１５〜２０を形成して、基板及び金属触媒を除去することで、図７に示すナノチューブ１２〜１４が得られる。ここでは、電子装置１を構成するために必要な最少数である３本のナノチューブ１２〜１４を形成するが、この数はさらに多くても構わない。
【００４２】
ナノチューブ１２〜１４の形成後に、これらのナノチューブ１２〜１４をすべて中程で切断する。図８〜図１１により、ナノチューブ１２〜１４の切断方法を説明する。
まず絶縁体９、１０間に酸素又は水素を充満させて、ナノチューブ１２〜１４を酸素雰囲気又は水素雰囲気に置く。また、絶縁体９、１０の電極１５〜２０が形成される側に低温度のガスを充満させる。低温度のガスにより、ナノチューブ１２〜１４は、絶縁体９、１０に近い両端部分の温度が中程の温度よりも低くなる。
【００４３】
次いで、各電極１５〜２０に電源を接続して各ナノチューブ１２〜１４に電流を流す。電流が流れることで、ナノチューブ１２〜１４にはジュール熱が発生する。ジュール熱及び低温度のガスにより、ナノチューブ１２〜１４は、図９に示すように、中程の温度が両端部分に比べて極端に高くなる。
【００４４】
ナノチューブ１２〜１４は、ジュール熱により所定の温度になると、ナノチューブ１２〜１４を構成する物質が酸素又は水素と結合して局所的に切断される。ナノチューブ１２〜１４には温度差があり、温度が高いほど酸素又は水素と結合しやすくなる。そのためにナノチューブを、温度が最も高くなる、ほぼ中間で切断することができる。このように温度差を利用して、ナノチューブを他の部分と最も異なる温度となった部分で切断する。
ナノチューブ１２〜１４がカーボンを素材として形成される場合には、ナノチューブ１２〜１４が酸素又は水素と結合することで、ＣＯ等或いはＣＨ等が生成される。これによりカーボンが除去される。カーボンの除去により、ナノチューブ１２〜１４が切断される。図１０、図１１は、カーボンの除去を説明するための図である。
【００４５】
図１０は、導電性を有するカーボンナノチューブの模式図である。ナノチューブは、最小構成要素体が正六角形に組み合わされたハニカム状に構成されている。ナノチューブの両端に電圧を印加すると、電流がナノチューブ内をほぼ均一に流れる。そのために、ナノチューブ内に発生するジュール熱による熱量は、ナノチューブ内のどの場所でもほぼ均一になる。しかし上述のように、低温度のガスによりナノチューブ内で温度差を持たせているので、ナノチューブの温度は場所によって異なるものになる。そのために、電流が所定の量を超えると、例えば最も高い温度になった部分の最小構成要素体である炭素原子が酸素又は水素と反応して除去される。
【００４６】
最小構成要素体が除去されると、除去された最小構成要素体を流れていた電流が他の最小構成要素体を流れるようになり、ナノチューブを流れる電流が不均一になる。そのために電流量が増加した部分の温度が上がり、その部分の最小構成要素体が除去される。通常、最小構成要素体が除去されると、電流が流れる方向に対して直角に位置して隣接する部分の電流量が増加する。そのために、除去された最小構成要素体に隣接する最小構成要素体が、次に除去されることになる。これが連続することで図１１の模式図のように、電流の流れる方向に対して直角の方向に、帯状に最小構成要素体が除去されてナノチューブが切断される。
【００４７】
この他に、図１２に示すように、絶縁体９’、１０’を厚く形成して、ナノチューブ１２〜１４を切断したい部分を残してマスクすることで、切断部分を決めるようにしてもよい。マスクされていない部分を酸素ガス又は水素ガスで加熱しつつナノチューブ１２〜１４に電流を流すことで、ナノチューブ１２〜１４を、絶縁体９’、１０’でマスクされていない所定の位置で切断することができる。この方法では、マスクされない部分を決めることで、ナノチューブ１２〜１４の切断部分をある程度特定することができる。
【００４８】
これらの方法では、図１１のように、切断部分により最小構成要素体の大きさに相当する隙間を作る。そのために、切断されたナノチューブは、端部が最小構成要素体の大きさに相当する間隔を空けて対向するように配置された２本のナノチューブになる。
【００４９】
図１３は、以上のようにして製造された電子装置の構成図である。各ナノチューブ１２〜１４は、切断されてそれぞれ、ナノチューブ２１、２２、ナノチューブ２３、２４、ナノチューブ２５、２６になる。ナノチューブ２１、２２は、図１のナノチューブ２ａ、２ｂに相当する。ナノチューブ２３、２５は、図１のナノチューブ３、４に相当する。電極１６はアノード電極５に相当し、電極１９はカソード電極６に相当し、電極１５、１７はゲート電極７、８に相当する。
【００５０】
ナノチューブ２４、２６及び電極１８、２０は、図１のナノチューブには無い構成である。これらのナノチューブ２４、２６及び電極１８、２０には電圧を印加しないので、トランジスタとしての動作には何ら支障がない。ナノチューブ２４、２６は、この後、既知の方法で除去することで、図１のような電子装置１と同じ構成にしてもよい。
【００５１】
ナノチューブ１２〜１４の切断部分は、厳密には制御できないのでナノチューブ２１、２３、２５の長さを完全に揃えることは困難である。しかし、長さが揃わなくても、先に説明したとおり、ナノチューブ２２から電荷が放出可能な程度の電界を発生できればでよいので、ナノチューブ２１、２３、２５の長さの不揃いは問題にならない。
【００５２】
このように、図１の電子装置１は、ナノチューブ１２〜１４を電流により切断することで容易に製造することができる。使用するナノチューブ１２〜１４は導電性を有するものであり、これはある程度製造技術が確立されているので、ナノチューブ１２〜１４自体の製造は容易である。また、導電性を有するナノチューブ１２〜１４しか使用しないために、従来のようなＮ型半導体、Ｐ型半導体のそれぞれの特性を有するナノチューブを作り分ける必要がなくなり、製造工程が簡略化でき、歩留まりの向上が図れ、製造コストを大幅に下げることができる。
【００５３】
なお、図６のような構成の電子装置１’を製造する場合には、１本のナノチューブを挟むようにゲート電極７、８を形成する。その他の工程は、図８或いは図１２に示すようにしてナノチューブを切断することで行えばよい。
【００５４】
＜記憶装置＞
図１４、図１５は、図１の電子装置１を記憶装置として用いた場合の動作を説明するための図である。この記憶装置は、アノード電極５及びナノチューブ２ａに電荷が保持されているか否かで、１ビットの状態を表すようになっている。図１４、図１５の電子装置１''では、図１の電子装置１と同じ構成要素には同じ符号を付してある。図１の電子装置１とは、ゲート電極２７の形状が異なるのみで、他の構成は同じである。電子装置１''のゲート電極２７は、アノード電極５を覆っており、アノード電極５に電荷を誘起できるようになっている。なお、電子装置１のゲート電極７、８と同様の構成でもアノード電極５に電荷を誘起できるが、ゲート電極２７の構成の方が、より多くの電荷をアノード電極５に誘起できる。
【００５５】
図１４では、ゲート電極２７に電源ＶＥＥから電圧Ｖ１が印加され、カソード電極６に電源ＶＥＥから電圧Ｖ２が印加される。アノード電極５には、電圧が印加されない。ゲート電極２７に印加される電圧Ｖ１によりアノード電極５には負電荷が誘起され、これによりナノチューブ２ａには正電荷が誘起される。ナノチューブ３、４には電源ＶＥＥから電圧Ｖ１が印加され、ナノチューブ２ｂには電源ＶＥＥから電圧Ｖ２が印加される。これにより、ナノチューブ３、４の先端部分には正電荷が発生し、ナノチューブ２ｂの先端部分には負電荷が発生する。ナノチューブ２ｂの先端部分の負電荷により、ナノチューブ２ａの先端部分には正電荷が誘起される。
【００５６】
電源ＶＥＥから印加される電圧Ｖ２が所定値以上であれば、ナノチューブ２ｂの先端部分からは、ナノチューブ３、４との間に発生する電界により負電荷が放出される。ナノチューブ２ａ、２ｂ間には、それぞれの対向する先端部分にそれぞれ正電荷、負電荷が発生するので、ナノチューブ２ａからナノチューブ２ｂの向きに電界が発生する。放出された負電荷は、この電界によりナノチューブ２ａに供給される。これにより、ナノチューブ２ａには負電荷が蓄電される。
【００５７】
ナノチューブ２ａに負電荷が蓄電された後にゲート電極２７及びカソード電極６への電圧印加を終了しても、ナノチューブ２ａはどことも接続されていないので、蓄電された負電荷はそのまま保持される。図１５は、この状態を表している。ナノチューブ２ａは真空中に置かれており、絶縁性が高いので、負電荷が漏洩することはない。
【００５８】
ナノチューブ２ａに負電荷が蓄電されている場合には、ゲート電極２７に電圧Ｖ２を印加してナノチューブ３、４とナノチューブ２ａとの間に電界を発生させることで、ナノチューブ２ａに蓄電された負電荷を放出させる。放出された負電荷は、ナノチューブ２ｂに供給され、ナノチューブ２ｂに電流が流れることになる。
ナノチューブ２ａに負電荷が蓄電されていない場合には、ゲート電極２７に電圧Ｖ２を印加してナノチューブ３、４とナノチューブ２ａとの間に電界を発生させても、ナノチューブ２ａからは電荷が放出されない。そのためにナノチューブ２ｂに電流は流れない。
【００５９】
このように、ナノチューブ２ａに電荷が蓄電されているか否かの２つの状態によりナノチューブ２ｂに電流が流れるか否かの２つの状態を作ることができるので、電子装置１は記憶装置として用いることができる。特に、電源から電圧を印加していない状態でも、ナノチューブ２ａにより２つの状態のいずれかを維持することができるので、この電子装置１は、不揮発性メモリとして用いることができる。
【００６０】
図１６〜図１９は、図１３の電子装置を記憶装置として用いた場合の構成及び動作を説明するための図である。この電子装置１'''は、アノード電極１６及びナノチューブ２１、カソード電極１９及びナノチューブ２２にそれぞれ電荷が保持されているか否かで、１ビットの状態を表すようになっている。図１６〜図１９の電子装置１'''は、図１３の電子装置とゲート電極２８、２９の形状が異なるのみで、他の構成は同じである。電子装置１'''のゲート電極２８は、アノード電極１６を覆っており、アノード電極１６に電荷を誘起できるようになっている。また、ゲート電極２９は、カソード電極１９を覆っており、カソード電極１９に電荷を誘起できるようになっている。なお図１３の電子装置のゲート電極１５、１７、１８、２０と同様の構成でもアノード電極１６及びカソード電極１９に電荷を誘起できるが、ゲート電極２８、２９の構成の方が、より多くの電荷を誘起できる。
【００６１】
図１６では、ゲート電極２８に電源ＶＥＥから電圧Ｖ１が印加され、ゲート電極２９に電源ＶＥＥから電圧Ｖ２が印加される。アノード電極１６及びカソード電極１９には、電圧が印加されない。ゲート電極２８に印加される電圧Ｖ１によりアノード電極１６には負電荷が誘起され、これによりナノチューブ２１の先端部分には正電荷が誘起される。ゲート電極２９に印加される電圧Ｖ２によりカソード電極１９には正電荷が誘起され、これによりナノチューブ２２の先端部分には負電荷が誘起される。ナノチューブ２３、２５には電源ＶＥＥから電圧Ｖ１が印加され、ナノチューブ２４、２６には電源ＶＥＥから電圧Ｖ２が印加される。これにより、ナノチューブ２３、２５の先端部分には正電荷が発生し、ナノチューブ２４、２６の先端部分には負電荷が発生する。
【００６２】
ナノチューブ２１の先端部分に誘起された正電荷及びナノチューブ２２の先端部分に誘起された負電荷は、ナノチューブ２３、２４の先端部分に発生した正電荷、ナノチューブ２４、２６の先端部分に発生した負電荷により発生する電界により放出される。ナノチューブ２１から放出された正電荷はナノチューブ２２に供給され、ナノチューブ２２から放出された負電荷はナノチューブ２１に供給される。これにより、ナノチューブ２１に負電荷が蓄電され、ナノチューブ２２に正電荷が蓄電される。
【００６３】
ナノチューブ２１、２２に負電荷、正電荷が蓄電された後にゲート電極２８、２９への電圧印加を終了しても、ナノチューブ２１、２２はどことも接続されていないので、蓄電された負電荷、正電荷はそのまま保持される。図１７は、この状態を表している。ナノチューブ２１、２２は真空中に置かれており、絶縁性が高いので、それぞれに蓄電された電荷が漏洩することはない。
【００６４】
出力端子ＯＵＴ１からはナノチューブ２１に蓄電された負電荷が出力され、出力端子ＯＵＴ２からはナノチューブ２２に蓄電された正電荷が出力される。そのために、出力端子ＯＵＴ１出力端子ＯＵＴ２との間には電位差が生じる。この電位差により、「１」或いは「０」の論理が表される。
【００６５】
図１８では、電源ＶＥＥの極性が図１６とは逆になるように接続されている。そのために、図１９に表すように、ナノチューブ２１には正電荷、ナノチューブ２２には負電荷が蓄電される。出力端子ＯＵＴ１からはナノチューブ２１に蓄電された正電荷が出力され、出力端子ＯＵＴ２からはナノチューブ２２に蓄電された負電荷が出力される。そのために、図１７とは逆の論理が表されることになる。
【００６６】
従来のフラッシュメモリ等の記憶装置は、通常、論理「１」、「０」を、電源電圧と接地電圧で表す。つまり、論理「１」、「０」を表す電圧の電位差は電源電圧に等しい。これに対して、図１６〜図１９で説明する電子装置１'''は、論理「１」、「０」を表す電圧の電位差が電源電圧の２倍になる。そのために、信頼性の高い動作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本実施形態のナノチューブトランジスタの構造を説明するための図。
【図２】電子装置１の動作説明図。
【図３】電子装置１の動作説明図。
【図４】電子装置１の動作説明図。
【図５】図１のナノチューブトランジスタの変形例を説明するための図。
【図６】別の実施形態のナノチューブトランジスタの構造を説明するための図。
【図７】ナノチューブトランジスタの製造方法を説明するための図。
【図８】ナノチューブトランジスタの製造方法を説明するための図。
【図９】ナノチューブトランジスタの製造方法を説明するための図。
【図１０】ナノチューブトランジスタの製造方法を説明するための図。
【図１１】ナノチューブトランジスタの製造方法を説明するための図。
【図１２】ナノチューブトランジスタの製造方法を説明するための図。
【図１３】ナノチューブトランジスタの製造方法を説明するための図。
【図１４】図１の電子装置を記憶装置として用いた場合の動作説明図。
【図１５】図１の電子装置を記憶装置として用いた場合の動作説明図。
【図１６】図１３の電子装置を記憶装置として用いた場合の動作説明図。
【図１７】図１３の電子装置を記憶装置として用いた場合の動作説明図。
【図１８】図１３の電子装置を記憶装置として用いた場合の動作説明図。
【図１９】図１３の電子装置を記憶装置として用いた場合の動作説明図。
【符号の説明】
【００６８】
１、１’、１''、１'''  電子装置
２ａ、２ｂ、３、４、１２、１３、１４、２１〜２６  ナノチューブ
５  アノード電極
６  カソード電極
７、８、１１、２７〜２９  ゲート電極
９、９’、１０、１０’  絶縁体
１５〜２０  電極
ＶＥＥ  電源
ＶＣ  交番電源
【図１】
2007257949.tif 000003
【図２】
2007257949.tif 000004
【図３】
2007257949.tif 000005
【図４】
2007257949.tif 000006
【図５】
2007257949.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2007257949.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2007257949.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2007257949.tif 000016
【図１５】
2007257949.tif 000017
【図１６】
2007257949.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2007257949.tif 000021