(57)【要約】【課題】オンオフ比および移動度の高いＣＮＴ−ＴＦＴを実現すること。【解決手段】図１のように、ＣＮＴ−ＴＦＴは、絶縁膜２３上に、ソース電極２４とドレイン電極２５とを架橋するように形成されたカーボンナノチューブ薄膜１１を有している。カーボンナノチューブ薄膜１１は、カーボンナノチューブがネットワーク状に連鎖した構造である。チャネル長Ｌｃは４０〜２００μｍ、カーボンナノチューブの長さＬｃｎｔはＬｃの１／２０〜１／５倍、規格化されたカーボンナノチューブの被覆度ρ＊（Ｌｃｎｔ）2 は５〜１５である。ここでρは、カーボンナノチューブ薄膜１１の面密度である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜上に接して位置するネットワーク状に連鎖したカーボンナノチューブ薄膜が、ソースとドレインとの間を架橋した構造を有し、
チャネル長Ｌｃが４０〜２００μｍ、カーボンナノチューブの長さＬｃｎｔがＬｃの１／２０〜１／５倍の範囲、規格化されたカーボンナノチューブの被覆度が５〜１５である、
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
ここで、規格化されたカーボンナノチューブの被覆度は、カーボンナノチューブ薄膜の面密度をρとして、ρ＊（Ｌｃｎｔ）2 である。
【請求項２】
チャネル長Ｌｃが４０〜１００μｍ、カーボンナノチューブの長さＬｃｎｔがＬｃの１／１０〜１／５倍の範囲、規格化されたカーボンナノチューブの被覆度が７〜１０である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソースとドレイン間のチャネルをカーボンナノチューブとした電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は平面ディスプレイなどに必須の電子素子であり、チャネルとしてアモルファスシリコンやポリシリコンが用いられている。また、チャネルとしてカーボンナノチューブを用いた薄膜トランジスタ（ＣＮＴ−ＴＦＴ）の開発も進められている。たとえば特許文献１には、ソースとドレイン間をカーボンナノチューブによって架橋した構造のＣＮＴ−ＴＦＴが示されている。ＣＮＴ−ＴＦＴは、プラスチックなどのフレキシブルな基板上に作製することができ、低コスト化、大面積化が可能なため注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３１６３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在知られているカーボンナノチューブの製造方法によると、カーボンナノチューブは金属型と半導体型が１：２の割合で生成されることが知られている。しかし、金属型のカーボンナノチューブがソースとドレイン間に架橋されてしまうと、電流のリークのためピンチオフするＦＥＴ特性を得ることができない。そこで、カーボンナノチューブの密度を小さくし、電流のリークを減らすことが考えられるが、それでは移動度が低下してしまうという問題がある。つまり、ＦＥＴのオンオフ特性と移動度とがトレードオフになっている。
【０００５】
そこで本発明の目的は、オンオフ特性に優れ、かつ移動度の高いカーボンナノチューブをチャネルとして用いた電界効果トランジスタを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、絶縁膜上に接して位置するネットワーク状に連鎖したカーボンナノチューブ薄膜が、ソースとドレインとの間を架橋した構造を有し、チャネル長Ｌｃが４０〜２００μｍ、カーボンナノチューブの長さＬｃｎｔがＬｃの１／２０〜１／５倍の範囲、規格化されたカーボンナノチューブの被覆度が５〜１５である、ことを特徴とする電界効果トランジスタである。
ここで、規格化されたカーボンナノチューブの被覆度は、カーボンナノチューブ薄膜の面密度をρとして、ρ＊（Ｌｃｎｔ）2 である。面密度ρは、単位面積当たりに含まれるカーボンナノチューブの本数である。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、チャネル長Ｌｃが４０〜１００μｍ、カーボンナノチューブの長さＬｃｎｔがＬｃの１／１０〜１／５倍の範囲、規格化されたカーボンナノチューブの被覆度が７〜１０であることを特徴とする電界効果トランジスタである。
【発明の効果】
【０００８】
チャネル長Ｌｃ、カーボンナノチューブの平均的長さＬｃｎｔ、規格化されたカーボンナノチューブの被覆度をそれぞれ本発明に示した範囲とすることで、オンオフ特性に優れ、かつ移動度の高い、カーボンナノチューブをチャネルとした電界効果トランジスタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１のＣＮＴ−ＴＦＴの構成を示した図。
【図２】実施例１のＣＮＴ−ＴＦＴの製造工程を示した図。
【図３】カーボンナノチューブ薄膜１１の構造を示したＳＥＭ像。
【図４】チャネル長Ｌｃとオン電流、オフ電流との関係を示したグラフ。
【図５】規格化された被覆度とｍとの関係を示したグラフ。
【図６】実施例１のＣＮＴ−ＴＦＴのＩｄ−Ｖｇｓ特性を示したグラフ。
【図７】実施例１のＣＮＴ−ＴＦＴのＩｄ−Ｖｄｓ特性を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１１】
図１は、実施例１のカーボンナノチューブを用いた薄膜トランジスタ（ＣＮＴ−ＴＦＴ）の構成を示した図である。ＣＮＴ−ＴＦＴは、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）からなる厚さ１２５μｍの樹脂フィルム基板２１を有している。樹脂フィルム２１上の一部領域には、Ｔｉ／Ａｕ（Ｔｉ膜の厚さ１０ｎｍ、Ａｕ膜の厚さ１００ｎｍ）からなるゲート電極２２が形成されている。また、ゲート電極２２上および樹脂フィルム２１上に連続して、Ａｌ2 Ｏ3 からなる厚さ４０ｎｍの絶縁膜２３が形成されている。絶縁膜２３上であって、平面視でゲート電極２２を挟む領域に、ソース電極２４とドレイン電極２５とがそれぞれ離間して形成されている。ソース電極２４およびドレイン電極２５は、Ｔｉ／Ａｕ（Ｔｉ膜の厚さ１０ｎｍ、Ａｕ膜の厚さ１５０ｎｍ）からなる。絶縁膜２３上には、ソース電極２４とドレイン電極２５との間を架橋する構造のカーボンナノチューブ薄膜１１が形成されている。
【００１２】
カーボンナノチューブ薄膜１１は、平均的長さＬｃｎｔが１０μｍのカーボンナノチューブがネットワーク状に連鎖した構造を有している。個々のカーボンナノチューブの結合形状は、Ｘ字型の結合よりもＹ字型に結合した形状が支配的となっている。
【００１３】
次に、実施例１のＣＮＴ−ＴＦＴの製造工程について、図２を参照に説明する。
【００１４】
まず、浮遊触媒法を用いてカーボンナノチューブを生成し、これをフィルタ１０を用いして収集することで、フィルタ１０上にネットワーク状に連鎖したカーボンナノチューブ薄膜１１を形成した（図２（ａ））。成長温度は８２５℃とし、カーボンソースとしてＣＯ、触媒としてフェロセンを用いた。また、フィルタ１０には、ニトロセルロースからなる直径２５ｍｍ、孔径４００ｎｍのメンブレンフィルタを用いた。ここで、カーボンナノチューブ薄膜１１の密度は、フィルタ１０によりカーボンナノチューブを収集する時間によって制御することが可能である。また、カーボンナノチューブの平均的長さＬｃｎｔは、成長温度やガス流量などによって制御することが可能である。
【００１５】
また、一方で、ＦＥＴの電極構造が形成された基板２０を作製した。基板２０は、図１に示したＣＮＴ−ＴＦＴにおいて、カーボンナノチューブ薄膜１１を除いた構造である。ゲート電極２２、絶縁膜２３、ソース電極２４、およびドレイン電極２５は、蒸着法や印刷法などによって形成する。
【００１６】
次に、基板２０のソース電極２４およびドレイン電極２５形成側の面と、フィルタ１０のカーボンナノチューブ薄膜１１形成側の面とを貼り合わせた（図２（ｂ））。そして、フィルタ１０にエタノールを滴下した後、アセトン溶液によってフィルタ１０を除去した（図２（ｃ））。これにより、基板２０のソース電極２４およびドレイン電極２５形成側の面に、カーボンナノチューブ薄膜１１が転写される。
【００１７】
なお、上記図２（ｃ）の工程に替えて、単に貼り合わせたフィルタ１０を剥離するだけでもよい。この場合も、分子間力の作用によって、基板２０のソース電極２４およびドレイン電極２５形成側の面にカーボンナノチューブ薄膜１１を転写することができる。
【００１８】
次に、フォトリソグラフィとエッチングによって、チャネル領域以外のカーボンナノチューブ薄膜１１を除去することで、図１に示したＣＮＴ−ＴＦＴが製造される。エッチングは、真空中で行う場合は、たとえば酸素プラズマを用いることができ、大気圧下で行う場合は、たとえばオゾン雰囲気下で紫外線を照射することで行うことができる。
【００１９】
図３は、カーボンナノチューブ薄膜１１のＳＥＭ像である。各ＳＥＭ像はフィルタ１０による収集時間が異なっており、図３（ａ）は１０秒、図３（ｂ）は７秒、図３（ｃ）は５秒、図３（ｄ）は４秒、図３（ｅ）は３秒、図３（ｆ）は２秒である。図３のように、収集時間が短いほど、カーボンナノチューブの密度が小さいことがわかる。また、収集時間が短いほど、カーボンナノチューブ同士の接合形状においてＸ字型が減少し、Ｙ字型が増加していることがわかる。Ｙ字型の結合では、Ｘ字型に比べてカーボンナノチューブ同士の接触面積が広く、コンタクト抵抗が低くなるため、移動度が向上する。
【００２０】
図４は、チャネル長Ｌｃと、オン電流およびオフ電流との関係を示したグラフである。横軸、縦軸はいずれも対数スケールである。図４（ａ）は、フィルタ１０による収集時間を１０秒とした場合、図４（ｂ）は４秒とした場合、図４（ｃ）は２秒とした場合である。
【００２１】
図４（ａ）、（ｂ）では、電流値はパーコレーション理論に基づいて予測される値をとっている。パーコレーション理論によると、カーボンナノチューブ薄膜１１の伝導性はその形状により依存しており、電流値は、おおよそ（Ｌｃｎｔ／Ｌｃ）m ／Ｌｃｎｔ、である。ｍは、カーボンナノチューブの規格化された被覆度によって決定される定数であり、図５に示すグラフのようにして規格化された被覆度とｍとが対応付けられる。規格化された被覆度は、カーボンナノチューブ薄膜１１の面密度（単位面積当たりに含まれるカーボンナノチューブの本数）をρ（単位：μｍ-2）、カーボンナノチューブの長さをＬｃｎｔ（単位：μｍ）として、ρ＊（Ｌｃｎｔ）2 で表わされる。また、ｍは、図４のグラフにおける直線の傾きである。図５のように、規格化された被覆度が１０〜２５ではｍはほぼ一定の小さな値であるが、１０以下になると規格化された被覆度の減少とともに徐々にｍが増加していき、７以下になると規格化された被覆度の減少とともに急激にｍが増加する。
【００２２】
図４（ａ）の場合、オン電流のｍは１．０５、オフ電流のｍは１．３であり、ｍの値に大きな違いはなく、オンオフ比はおよそ１０でチャネル長Ｌｃにあまり依存していない。図４（ｂ）の場合は、オン電流のｍは１．２、オフ電流のｍは２．４であり、チャネル長Ｌｃの増加とともにオンオフ比も増大しているが、オンオフ比はＬｃが１０μｍのときにおよそ１０、１００μｍのときにおよそ１０2 であり、低い値となっている。このように、オフ電流のｍの値が小さいためオンオフ比も低い結果となっているが、これはフィルタ１０による収集時間が長いためにρが高くなり、規格化された被覆度が大きな値を取る結果、図５のようにｍが小さい値をとるためである。
【００２３】
一方、図４（ｃ）のように、フィルタ１０による収集時間が短い場合、チャネル長Ｌｃが５〜２０μｍでは、金属型のカーボンナノチューブがソース−ドレイン間を架橋してしまう確率が高く、その結果オンオフ比が１０〜１０2 程度で悪くなっている。また、チャネル長Ｌｃが１００μｍ以上では、オフ電流がカーボンナノチューブの熱伝導によって生じる限界値をとっており、これ以上オフ電流を小さくすることはできない。また、チャネル長Ｌｃが３０〜５０μｍでは、パーコレーション理論に基づいて予測される値をとっている。このチャネル長Ｌｃが３０〜５０μｍの範囲において、ｍは１４という大きな値をとっているが、これはフィルタ１０による収集時間が短いためにカーボンナノチューブ薄膜１１の面密度が低く、規格化された被覆度が小さいためである。このようにｍが大きな値をとる結果、チャネル長Ｌｃの増加とともにオンオフ比も大きくなり、Ｌｃが４０μｍ以上でオンオフ比は１０5 以上となっている。
【００２４】
なお、図４（ｃ）ではチャネル長Ｌｃの上限が１００μｍであるが、１００μｍ以上であってもオンオフ比が１０5 以上の良好な値であることが推察される。ただし、チャネル長Ｌｃが２００μｍより大きいと、素子サイズが大きくなりすぎるため、２００μｍ以下とするのが望ましい。
【００２５】
図４、図５から、ＣＮＴ−ＴＦＴのオンオフ比を、規格化された被覆度、チャネル長Ｌｃ、カーボンナノチューブの長さＬｃｎｔによって良好にすることが可能であることがわかる。規格化された被覆度の制御は、フィルタ１０による収集時間での密度ρの制御、およびカーボンナノチューブ生成時の成長温度、ガス流量の制御によるＬｃｎｔの制御によって行うことができる。具体的には、規格化された被覆度を５〜１５、チャネル長Ｌｃを４０〜２００μｍ、ＬｃｎｔをＬｃの１／２０〜１／５倍とすることで、オンオフ比が１０5 以上のＣＮＴ−ＴＦＴを実現することができる。ＬｃｎｔをＬｃの１／２０〜１／５倍とするのは、移動度の低下を防止するとともに、金属型カーボンナノチューブがソース−ドレイン間に架橋してしまう確率を低減して電流リークを防止するためである。オンオフ比および移動度をより望ましくするためには、規格化された被覆度を７〜１０、チャネル長Ｌｃを５０〜１００μｍ、ＬｃｎｔをＬｃの１／１０〜１／５倍とすることが望ましく、さらに望ましくは、規格化された被覆度を９〜１０、チャネル長Ｌｃを９０〜１００μｍ、ＬｃｎｔをＬｃの０．１〜０．１５倍とすることである。
【００２６】
図６は、実施例１のＣＮＴ−ＴＦＴのＩｄ−Ｖｇｓ特性（Ｖｄｓ＝−０．５Ｖ）を示したグラフ、図７は、Ｉｄ−Ｖｄｓ特性を示したグラフである。Ｌｃは１００μｍ、チャネル幅は１００μｍ、Ｌｃｎｔは１０μｍ、フィルタ１０による収集時間は２秒とした。図６、図７のように、実施例１のＣＮＴ−ＴＦＴは、ほぼノーマリオフなｐ型ＦＥＴの特性が得られていることがわかる。また、オンオフ比は３．４×１０6 で良好な特性を示している。また、Ｖｄｓ＝−０．５Ｖのときの相互コンダクタンスｇｍは９μＳ／ｍｍ、移動度μは８ｃｍ2 ／Ｖｓであり、移動度μも良好な特性を示している。
【００２７】
なお、ＴＦＴの構造は実施例１に限るものではなく、絶縁膜上に接して位置するネットワーク状に連鎖したカーボンナノチューブ薄膜が、ソースとドレインとの間を架橋した構造を有していれば、任意の構造であってよい。また、実施例１のＣＮＴ−ＴＦＴでは、基板としてＰＥＮを用いてフレキシブルなＴＦＴを実現しているが、Ｓｉ基板などの従来より用いられている基板を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、ディスプレイや電子ペーパーなどで使用されるＴＦＴとして利用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０：フィルタ
１１：カーボンナノチューブ薄膜
２０：基板
２１：樹脂フィルム基板
２２：ゲート電極
２３：絶縁膜
２４：ソース電極
２５：ドレイン電極
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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