(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを半導体材料として用い、前記カーボンナノチューブリングを絶縁性基板表面にリング面が当接するように載置し、前記カーボンナノチューブリングに２つの電極を接続し、前記絶縁性基板表面に載置された前記カーボンナノチューブリングのさらに上部であって、かつ、前記カーボンナノチューブリングの近傍かつ離間された位置に制御電極を設けてなるトランジスタ。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブリングに接続される２つの電極の電極材料として、導電性を有するカーボンナノチューブを用いること特徴とする請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項３】
前記導電性を有するカーボンナノチューブの直径が、１ｎｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載のトランジスタ。
【請求項４】
導電性または半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを電極材として用いるトランジスタであって、前記カーボンナノチューブリングが、半導体基板表面に、リング面が当接するように載置され、制御電極を構成し、前記半導体基板表面の、前記カーボンナノチューブリングの開口部から表出する部位に、１の電極を設け、さらに、前記半導体基板表面の、前記カーボンナノチューブリングの近傍かつ離間された位置に他の電極を設けてなる、ことを特徴とするトランジスタ。
【請求項５】
制御電極としてのカーボンナノチューブリングに、接続配線を介して端子を設けてなる請求項４に記載のトランジスタであって、前記接続配線として、導電性のカーボンナノチューブを用いること特徴とするトランジスタ。
【請求項６】
前記導電性を有するカーボンナノチューブの直径が、１ｎｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のトランジスタ。
【請求項７】
前記半導体基板表面に設けられる、前記１の電極および／または他の電極と、前記半導体基板表面と、の接合抵抗が、１ｍΩ以上１００ｋΩ以下であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１に記載のトランジスタ。
【請求項８】
請求項４〜７のいずれか１に記載のトランジスタであって、半導体基板がシリコン基板であり、該シリコン基板の表面のダングリングボンドが水素末端処理されていることを特徴とするトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子素子に適用できるトランジスタに関し、詳しくは、室温で動作するナノメーターサイズのトランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フラーレンやカーボンナノチューブが発見されるに至って、それまで知られていたグラファイト、アモルファスカーボン、ダイヤモンドとは異なる新しい炭素物質として、注目されるようになった。その理由は、フラーレンやカーボンナノチューブが、それまでの炭素物質とは異なる特異な電子物性を示すためである。
【０００３】
例えば、Ｃ60やＣ70に代表されるフラーレンは、多数の炭素原子が球状の籠型に配置して一つの分子を構成し、ベンゼン等の有機溶媒にも溶ける。フラーレンは、Ｃ60やＣ70以外にも多数の種類を有し、超伝導体や半導体としての性質を示す。また、フラーレンは、光官能効果が高く、電子写真感光材料としての応用も考えられている。さらに、フラーレンには、内部に異種の元素を閉じ込めたり、外部に多種の化学官能基を付与させることで、機能性材料として有効な物性を発現させることもできる。
【０００４】
カーボンナノチューブは、フラーレンと同様、炭素のみを構成元素とした新しい材料であるが、電子放出源、半導体材料、水素貯蔵材料等の機能が発見されている。特に、わずかに原子配列の仕方（カイラリティ）が変化することで、半導体にも、導体にもなりうることから、ナノメーターサイズのスイッチング素子として電子工業の各分野における活用が期待されている。
【０００５】
一方、電子素子の主力であるシリコンデバイスは、高度な微細加工技術の進展で、電界効果トランジスター（ＦＥＴ）のゲート電極幅も約０．１μｍにまで小型化され、集積度の向上から、動作速度が１Ｇｂｉｔ程度のメモリーも試作されている。シリコンデバイスの最も有利な点は、酸化シリコンを絶縁体として用いた場合、シリコンと酸化シリコンとの間の界面準位が著しく低く、酸化ＭＯＳ（金属酸化物半導体）トランジスターを容易に構成できる点にある。占有面積が小さく、消費電力の低い当該ＭＯＳトランジスターを論理回路に用いることで、素子の高集積化が可能になった。また、材料であるシリコンは、ハロゲンプロセスにより、極めて高純度なものが得られ、結晶成長法もチョコラルスキー法により、口径３０ｃｍ以上の半導体ウエハーが生産できるため、素子の生産性も極めて高い。
【０００６】
ただし、シリコンはキャリア移動度が低く、スイッチング速度に限界がある。その点を解決したのが、ＧａＡｓ電界効果トランジスタ（ＧａＡｓ−ＦＥＴ）やＧｅＳｉバイポーラトランジスタである。ＧａＡｓのキャリア移動度はシリコンより高く、ＧａＡｓ−ＦＥＴはＳｉトランジスタよりはるかに高い動作速度を有している。また、ＧｅＳｉバイポーラトランジスタは、動作速度がＧａＡｓ−ＦＥＴと同等ながら、デバイス単価が安いので、携帯端末等に多用化されつつある。
【０００７】
さらに、数１０ＧＨｚのスイッチング速度を実現するために考案されたのが、電子やホールを二次元に閉じ込めた二次元電子ガスによるＨＥＭＴ（高移動度トランジスタ）である。現在、これらのデバイスは、移動体通信を含め、数ＧＨｚ以上の高周波通信には、欠くことのできない電子デバイスとなっている。
【０００８】
現在、さらなる動作速度を期待されているのが、量子細線や量子ドットのような低次元構造構造をもつ電子デバイスである。電子やホールを１次元（線）もしくは０次元（ドット）に閉じ込めることで、超高速動作が可能になると考えられている。こうした半導体素子の低次元構造は、デバイスサイズの限界を打破するだけではなく、スイッチングデバイスの超高速動作を実現する上で重要な技術と期待されている。
【０００９】
特に、カーボンナノチューブは、直径が数ｎｍなので、その電気伝導機構は一次元に等しく、低次元電導物質として注目されている。そして、単一壁カーボンナノチューブは、半導体特性を示すものもあるので、カーボンナノチューブによるナノメーターサイズのトランジスタを構成できる潜在能力を持っている。現在、常温でカーボンナノチューブの整流特性が確認されており、さらに、室温での一次元量子状態（ラッティンジャー液体状態）も実験的に示唆されている。したがって、常温におけるバリスティック伝導機構を応用することで、数ＴＨｚの動作速度をもつカーボンナノチューブのスイッチングデバイスが実現可能であると考えられている。
【００１０】
また、シリコンデバイスの加工プロセスは、これ以上の微細化を行うにあたって多く問題を抱えており、技術的限界に近づいている。特に、露光技術において、光学限界である線幅０．１μｍ以下の技術は、Ｆ2レーザー露光法や電子線ビーム露光法等が提案されているものの、酸化膜形成等の課題が多い。現在、０．１μｍ以下のサイズで動作するデバイスを実現する技術は様々なものが考案され、開発されているものの、製造技術として課題が多い。
【００１１】
したがって、カーボンナノチューブによる電子デバイスの製造技術が提供されれば、高速動作のみならず、現在、限界に近づいているシリコンデバイスの加工プロセスに代替可能なデバイスを提案できると期待されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アーク放電法、レーザーアブレーション法等で得られたカーボンナノチューブは、太さはほぼ一定でも、その長さが様々で、数１０ｎｍから数ｍｍの広範囲に渡り、しかも、その長さの制御が困難で、素子を構成する際に必要なサイズのカーボンナノチューブを得る技術は、現在までのところない。従来の技術では、偶発的に得られたサイズのカーボンナノチューブを用いているに過ぎず、カーボンナノチューブを実験室的に利用することができても、工業的に電子デバイス材料として利用することは困難であった。
【００１３】
また、カーボンナノチューブと金属製の電極を接続する場合、接触抵抗が高く、高速の動作には不利であった。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、半導体素子にカーボンナノチューブを用いることで、高速動作が可能で、室温で動作するナノメーターサイズのトランジスタを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
単一壁カーボンナノチューブを超音波で処理すると、微小なリング、すなわち本発明に言うカーボンナノチューブリングを形成することが知られている。本発明では、このカーボンナノチューブリングを用いて電子デバイスとしてのトランジスタを構成することを特徴とするものである。
【００１６】
上記目的は、以下の本発明により達成される。すなわち本発明は、
＜１＞  半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを半導体材料として用い、前記カーボンナノチューブリングを絶縁性基板表面にリング面が当接するように載置し、前記カーボンナノチューブリングに２つの電極を接続し、前記絶縁性基板表面に載置された前記カーボンナノチューブリングのさらに上部であって、かつ、前記カーボンナノチューブリングの近傍かつ離間された位置に制御電極を設けてなるトランジスタ。
＜２＞  前記カーボンナノチューブリングに接続される２つの電極の電極材料として、導電性を有するカーボンナノチューブを用いること特徴とする＜１＞に記載のトランジスタである。
【００１７】
＜３＞  前記導電性を有するカーボンナノチューブの直径が、１ｎｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする＜２＞に記載のトランジスタである。
＜４＞  導電性または半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを電極材として用いるトランジスタであって、前記カーボンナノチューブリングが、半導体基板表面に、リング面が当接するように載置され、制御電極を構成し、前記半導体基板表面の、前記カーボンナノチューブリングの開口部から表出する部位に、１の電極を設け、さらに、前記半導体基板表面の、前記カーボンナノチューブリングの近傍かつ離間された位置に他の電極を設けてなる、ことを特徴とするトランジスタである。
【００１８】
＜５＞  制御電極としてのカーボンナノチューブリングに、接続配線を介して端子を設けてなる＜４＞に記載のトランジスタであって、前記接続配線として、導電性のカーボンナノチューブを用いること特徴とするトランジスタである。
【００１９】
＜６＞  前記導電性を有するカーボンナノチューブの直径が、１ｎｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする＜５＞に記載のトランジスタである。
【００２０】
＜７＞  前記半導体基板表面に設けられる、前記１の電極および／または他の電極と、前記半導体基板表面と、の接合抵抗が、１ｍΩ以上１００ｋΩ以下であることを特徴とする＜４＞〜＜６＞のいずれか１に記載のトランジスタである。
【００２１】
＜８＞  ＜４＞〜＜７＞のいずれか１に記載のトランジスタであって、半導体基板がシリコン基板であり、該シリコン基板の表面のダングリングボンドが水素末端処理されていることを特徴とするトランジスタである。
【００２５】
本発明では、カーボンナノチューブがリング状に形成されたカーボンナノチューブリングを用いることで、安定した品質のトランジスタを形成することに成功している。これは、カーボンナノチューブからカーボンナノチューブリングを作製した際、得られるカーボンナノチューブリングの大きさ（リング外径）のばらつきが少なく、さらに得られたカーボンナノチューブリングを大きさごとに分別することが可能であり、安定した大きさのカーボンナノチューブリングを半導体材料あるいは電極材として用いることができるためである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明のトランジスタとしては、半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを半導体材料として用いること特徴とするものと、導電性または半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを電極材として用いること特徴とするものとの２つの形態がある。
【００２７】
前者は、例えば制御電極（ゲート電極）としてのｎ型半導体基板等の基板と、ｐ型の半導体特性を有するカーボンナノチューブリングと、がリング面が当接するように電気的に絶縁された状態で配置され、前記カーボンナノチューブリングに２つの電極を接続し、当該電極をソース電極およびドレイン電極とすることで、ソース電極とドレイン電極に流れる電流、もしくはソース電極とドレイン電極に印加される電圧をゲート電極電位で変化させて制御し、能動的電子素子として機能する。制御電極（ゲート電極）は、前記カーボンナノチューブリングのさらに上部であって、かつ、前記カーボンナノチューブリングの近傍かつ離間された位置に配される。また、基板としてｎ型半導体基板を用いる場合、具体的な材料としては、単結晶シリコン、ガリウム砒素、インジウム燐、窒化ガリウム、ダイヤモンド等が挙げられる。
【００２８】
後者は、例えばｎ型半導体基板と、導電性またはｐ型半導体特性を有するカーボンナノチューブリングと、がリング面が当接するようにショットキー接続された状態で配置され制御電極（ゲート電極）として機能し、前記半導体基板表面の、前記カーボンナノチューブリングの開口部から表出する部位に、１の電極（ドレイン電極またはソース電極）がオーム性接続され、さらに、前記半導体基板表面の、前記カーボンナノチューブリングの近傍かつ離間された位置に他の電極（ドレイン電極またはソース電極であって、前記１の電極と異なるもの）がオーム性接続されたものである。ゲート電極としてのカーボンナノチューブリングは、該カーボンナノチューブリングの開口部内に配された１の電極と電気的に独立であり、当該１の電極と、前記カーボンナノチューブリングの近傍かつ離間された位置に配された他の電極との間に流れる電流、もしくは両電極間に印加される電圧を、ゲート電極電位で変化させることで制御し、能動的電子素子として機能する。
【００２９】
一般的にカーボンナノチューブの基本構造は、炭素の６員環より構成され、通常のグラファイトが閉じて中空の管になった構造をしている。カーボンナノチューブは、単一壁と多重壁の二種類に大別され、単一壁カーボンナノチューブは、一般にその太さ（直径）が１ｎｍから１０ｎｍである。一方、多重壁カーボンナノチューブはその太さ（直径）も様々で、数１００ｎｍに達するものもある。前述のように、単一壁カーボンナノチューブは半導体特性と示すものと導電性を示すものの二種類が存在し、半導体特性と有するものは、ｐ型であると推定されている。後述の実施例１においては、半導体特性を有する単一壁カーボンナノチューブがｐ型であることが証明されている。
【００３０】
前記カーボンナノチューブは、原料である単一壁カーボンナノチューブから以下のようにして製造することができる。
まず、原料である単一壁カーボンナノチューブをアーク放電法もしくは化学気相法で作製する。その後、得られた単一壁カーボンナノチューブをメタノール中で超音波処理する。このとき、メタノール中に適当な界面活性剤を数％の濃度で混ぜることで、分散特性が向上する。次に、超音波中でカーボンナノチューブは断裂するとともに、環状に変形し、カーボンナノチューブリングが形成される。遠心分離法により、このカーボンナノチューブリングを単離する。得られたカーボンナノチューブリングは、それ自体単独で存在するか、２ないし１０本程度のバンドル（束）より構成されている（後者をカーボンナノチューブリングの「集合体」と称する）。また、個々の単一壁カーボンナノチューブは通常、半導体特性を示すならｐ型と推定されており、半導体特性と導電性とを決定する要因は、カーボンナノチューブのカイラル構造（ねじれ構造）の変化によるという解釈と、カーボンナノチューブの欠陥に起因しているという解釈があるが、詳細は現時点でも不明である。
【００３１】
なお、カーボンナノチューブの製造方法については、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｂ（ｖｏｌｕｍｅ１０３，Ｎｕｍｂｅｒ３６，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ９，１９９９，ｐ．７５５１−７５５６，Ｒ．Ｍａｒｔｅｌ，Ｈ．Ｒ．Ｈｅｒａ  ａｎｄ  Ｐ．Ａｖｏｕｒｉｓの文献において、ｐ．７５５２、左１３行から右７行まで）等に詳細に記載されており、本発明において、かかる方法をそのまま適用することができる。本発明ではさらに、カーボンナノチューブリングの大きさを分別するために、Ｒ．Ｍａｒｔｅｌとは異なり、分散液として硫酸・過酸化水素水溶液を用いず、界面活性剤メタノール溶液を用い、超音波処理の時間と遠心分離条件とを最適化させることが望ましい。処理条件によって、２０ｎｍから５０ｎｍの範囲で、大きさが均等なカーボンナノチューブリングを得ることができる。
【００３２】
以下、本発明を、参考形態及び好ましい実施形態を挙げて詳細に説明する。
＜第１の参考形態＞
図１は、本発明のトランジスタの第１の参考形態を示す模式斜視図である。本参考形態は、半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを半導体材料として用いた例である。図１に示すように本参考形態のトランジスタは、ゲート電極（制御電極）としてのｎ型シリコン基板１１の一方の表面に、数十ｎｍの厚さの酸化シリコン膜（絶縁性薄膜）１２が、他の表面に、Ａｕ等の金属電極によるゲート電極端子１５が、それぞれ形成されており、酸化シリコン膜１２の表面には、カーボンナノチューブリング１７が、リング面が当接するように（すなわち、図１に示すように、リングが寝た状態で；以下同様）載置されている。カーボンナノチューブリング１７には、その両端に多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’が接続され、ソース電極およびドレイン電極として機能する。このとき、多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’を形成する操作は、走査型プローブ顕微鏡をマニュピレーターとして用いることが望ましい。多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’の、カーボンナノチューブリング１７に接続された側と反対側のそれぞれの端部は、ソース電極端子１３およびドレイン電極端子１４と接続されている。
【００３３】
本参考形態のトランジスタでは、ソース電極端子１３とドレイン電極端子１４との間に流れる電流もしくは電圧を、ゲート電極端子１５の電位を変化させて制御することが可能になる。すなわち、高速動作が可能で、室温で動作するナノメーターサイズのトランジスタとなる。
【００３４】
カーボンナノチューブリング１７に接続される２つの電極の電極材料としては、通常の金属を用いてもよいが、導電性を有するカーボンナノチューブ、特に本参考形態のように多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’を用いることで、カーボンナノチューブリング１７とのトンネル接合により、低接触抵抗の電極配線を実現することができる。
【００３５】
このときのカーボンナノチューブリング１７と多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’との接触抵抗としては、０ｍΩ以上１ＭΩ以下であることが好ましく、高速動作に望ましい１Ω以上１００ｋΩ以下であることがより好ましい。多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’の直径としては、１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００３６】
カーボンナノチューブリング１７としては、単一壁のカーボンナノチューブリング、もしくはその集合体であることが望ましく、そのリング外径としては、１０ｎｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以上１μｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３７】
また、カーボンナノチューブリング１７としては、そのチューブ部位の太さ（カーボンナノチューブ自体の直径）が、１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００３８】
本参考形態において、ゲート電極（制御電極）は、ｎ型シリコン基板１１を用いているが、導電性あるいはｎ型の半導体特性を有する材料であれば、如何なる材料をも用いることができる。すなわち、カーボンナノチューブリング１７の近傍かつ離間された位置にゲート電極（制御電極）１５が配されるようにすれば、問題ない。また、ｎ型の半導体特性を有する材料を用いる場合、ｎ型シリコン基板１１の代わりに、ガリウム砒素、インジウム燐、窒化ガリウム、ダイヤモンド等の基板を用いることも可能である。
【００３９】
カーボンナノチューブリング１７とゲート電極（制御電極）との間に配される絶縁性薄膜としては、本参考形態では酸化シリコン膜１２を用いているが、勿論本発明においてはこれに限定されず、絶縁性を有する膜であれば、如何なる材料をも採用することができる。本参考形態のように、ｎ型シリコン基板１１を下地基板として用いた場合には、その形成が容易である点で、酸化シリコン膜とすることが望ましい。
絶縁性薄膜の厚みとしては、所望とするトランジスタの特性にもよるが、一般的には数十ｎｍであり、具体的には５〜２０ｎｍとすることが望ましい。
【００４０】
＜第１の実施形態＞
図２は、本発明のトランジスタの第１の実施形態を示す模式斜視図である。本実施形態は、導電性または半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを電極材として用いた例である。
【００４１】
図２に示すように本実施形態のトランジスタは、下地としてのｎ型半導体基板２１の一方の表面に、ｎ+領域を示すｎ型不純物層２８が形成され、さらにその上にｐ型半導体特性を有するカーボンナノチューブリング２７が、リング面が当接するように載置され、ゲート電極（制御電極）を構成する。カーボンナノチューブリング２７には、導電性を有する多重壁カーボンナノチューブ２６の一端が接続され、他端は、Ａｕ等の金属材料からなるゲート電極端子２５と接続されている。また、ｎ型半導体基板２１表面の、カーボンナノチューブリング２７の開口部から表出する部位に、多重壁カーボンナノチューブ２９の一端がオーム性接続され、ソース電極（１の電極）２２を構成し、他端は、カーボンナノチューブリング２７をまたいで、ソース電極端子２３と接続されている（ソース電極端子２３とｎ型半導体基板２１とは絶縁されている）。さらに、ｎ型半導体基板２１の、カーボンナノチューブリング２７の近傍かつ離間された位置にドレイン電極（他の電極）２４が、オーム性接続されている。
【００４２】
基板としては、カーボンナノチューブリング２７としてｐ型半導体特性を有するものを用いているため、本実施形態ではｎ型半導体基板を用いるのが望ましい。基板として最も適しているのはシリコン基板であるが、その他のガリウム砒素、インジウム燐、窒化ガリウム、ダイヤモンド等を使用することも可能である。シリコン基板を用いた場合、大気中で取り扱うには、シリコン基板表面を安定化させる必要がある。フッ化水素水溶液でシリコン基板を処理すると、シリコン基板表面のダングリングボンド（相手をもたない結合）がＨ（水素）と結合する。シリコン基板の自然酸化膜厚は約１ｎｍ弱なので、例えばリング外径５０ｎｍ程度のカーボンナノチューブリングを用いるに際しては、こうした下地基板の表面を安定化させることは効果的である。シリコン基板表面をＨで安定化させることで、酸化物の影響を低減させ、カーボンナノチューブリングと下地基板の安定なショットキー接続を実現することが可能になる。
【００４３】
ｎ型半導体基板２１表面にＡｕ等の金属材料からなるドレイン電極２４を形成するが、当該ドレイン電極２４は、ｎ型半導体基板２１とオーム性接続させる必要がある。オーム性接続を可能にするには、ｎ型半導体基板表面にｎ+領域を形成することが望ましい。ｎ+領域を形成しｎ型不純物層２８を形成するには、通常、イオン注入法で行うが、このときｎ型半導体基板２１表面近傍に高濃度の不純物濃度を維持するために、注入イオン種としてはＡｓが望ましい。また、このイオン注入量としては、カーボンナノチューブリング２７をゲート電極として用いる本実施形態の場合においては、平均濃度として、１０18ｃｍ-3以上のｎ型不純物濃度が望まれる。
【００４４】
不純物濃度を向上させるためには、メカノケミカルポリッシング法（研磨剤グランゾックス）等の公知の方法で、ｎ型不純物層２８が形成されたｎ型半導体基板２１表面を研磨することが望ましい。このとき研磨量としては、表面を１００ｎｍ〜２μｍ程度研磨することが望ましく、２００〜５００ｎｍ程度研磨することがより望ましい。
【００４５】
ドレイン電極２４とｎ型半導体基板２１との接合抵抗としては、１ｍΩ以上１００ｋΩ以下であることが望ましく、１Ω以上５０ｋΩ以下であることがより望ましく、１００Ω以上１０Ω以下であることがさらに望ましい。
【００４６】
ドレイン電極２４の近傍かつ離間された位置に、電気的に独立したカーボンナノチューブリング２７が固定され（載置され）、ゲート電極を構成するが、カーボンナノチューブリング２７としては、本実施形態のようにｐ型半導体特性を有するものとすることが望ましいが、導電性を有するものであってもよい。
【００４７】
カーボンナノチューブリング２７とドレイン電極２４とは、近傍であって、かつ離間されることが必須であるが、具体的な両者の間隙としては、１ｎｍ〜５０μｍ程度であることが望ましく、５〜２００ｎｍ程度であることがより望ましい。
【００４８】
ゲート電極である当該カーボンナノチューブリング２７には、既述の如く多重壁カーボンナノチューブ２６の一端が接続され、他端はゲート電極端子２５と接続されている。なお、本実施形態において、カーボンナノチューブリング２７とゲート電極端子２５との間の配線に導電性を有する多重壁カーボンナノチューブを用いているが、金等の金属配線を用いてもよい。ただし、本実施形態のように多重壁カーボンナノチューブを用いることで、カーボンナノチューブリング２７とのトンネル接合により、低接触抵抗の電極配線を実現することができる。
【００４９】
既述の如く、多重壁カーボンナノチューブ２９の一端が、ｎ型半導体基板２１表面の、カーボンナノチューブリング２７の開口部から表出する部位にオーム性接続され、ソース電極２２を構成し、他端は、ソース電極端子２３と接続されている。なお、本実施形態において、ソース電極２２とソース電極端子２３との配線（接続配線）に導電性を有する多重壁カーボンナノチューブを用いているが、金等の金属配線を用いてもよい。
【００５０】
また、ソース電極２２とｎ型半導体基板２１との接合抵抗としては、１ｍΩ以上１００ｋΩ以下であることが望ましく、１Ω以上５０ｋΩ以下であることがより望ましく、１００Ω以上１０Ω以下であることがさらに望ましい。
【００５１】
本実施形態のトランジスタでは、ソース電極端子２３とドレイン電極２４との間に流れる電流もしくは電圧を、ゲート電極であるカーボンナノチューブリング２７にかける電位を変化させることで、制御することが可能になる。すなわち、高速動作が可能で、室温で動作するナノメーターサイズのトランジスタとなる。
【００５２】
本実施形態において用いるカーボンナノチューブリング２７および多重壁カーボンナノチューブ２６，２９の好ましい態様（大きさ、両者が接続される場合の接触抵抗等）は、第１の実施形態で説明したカーボンナノチューブリング１７および多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【００５３】
なお、本実施形態のトランジスタの態様で、下地基板として、シリコンと酸化シリコンより構成されるＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることは、さらに望ましい。このとき、ケミカルメカノポリッシング法とエッチングを併用させることで、表面の半導体層の厚さを約５０ｎｍにまで加工することが好ましい。さらに、酸化シリコン基板表面に化学気層法等で多結晶シリコン層を形成させ、ｎ型不純物を導入した基板を用いることも可能である。このとき、アニール法等により多結晶シリコン層の結晶粒径をカーボンナノチューブリングのリング外径より大きな１μｍ以上に再成長させることで、移動度の低下を防ぐことが可能になる。
【００５４】
＜第２の参考形態＞
図３は、本発明のトランジスタの第２の参考形態を示す模式斜視図である。本実施形態は、半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを半導体材料として用いた例である。
【００５５】
図３に示すように本参考形態のトランジスタは、ゲート電極（制御電極）１８が、酸化シリコン膜（絶縁性薄膜）１２表面のカーボンナノチューブリング１７の近傍かつ離間された位置に設けられている態様である。その他、ｎ型シリコン基板１１、酸化シリコン膜１２、ソース電極端子１３、ドレイン電極端子１４、多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’、カーボンナノチューブリング１７は、第１の参考形態と同様の構成であり、同様に配置される。
【００５６】
すなわち、本参考形態のトランジスタは、ゲート電極がｎ型シリコン基板１１の背面ではなく、酸化シリコン膜（絶縁性薄膜）１２表面のカーボンナノチューブリング１７の近傍かつ離間された位置に設けられていることを除き、その好ましい態様を含め第１の参考形態と同様であり、図３において、第１の参考形態と同一の機能を有する部材には図１と同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５７】
カーボンナノチューブリング１７とゲート電極１８とは、近傍であって、かつ離間されることが必須であるが、具体的な両者の間隙としては、１ｎｍ〜５０μｍ程度であることが望ましく、５〜２００ｎｍ程度であることがより望ましく、１０ｎｍ前後であることが特に望ましい。
【００５８】
ゲート電極１８は、金属配線でも導電性を有するカーボンナノチューブ（例えば多重壁カーボンナノチューブ）でも構わない。ゲート電極１８には、接続配線１９の一端が接続され、接続配線１９の他端は、金等の金属材料からなるゲート電極端子３０に接続される。接続配線１９も、金属配線および導電性を有するカーボンナノチューブのいずれでも構わないが、ゲート電極１８と同一の材料を用いることが望ましい。
【００５９】
本参考形態のトランジスタでは、ソース電極端子１３とドレイン電極端子１４との間に流れる電流もしくは電圧を、ゲート電極１８の電位を変化させて制御することが可能になる。すなわち、高速動作が可能で、室温で動作するナノメーターサイズのトランジスタとなる。
【００６０】
なお、本参考形態では、基板として第１の実施形態と同様、ｎ型シリコン基板１１に絶縁性の酸化シリコン膜１２を形成したものを用いたが、カーボンナノチューブリング１７が載置される面が絶縁性を有するものであれば、如何なる材料を用いることもできる（後述の第２の実施形態においても同様）。すなわち、基板そのものが絶縁性を有するものであってもよいし、本参考形態のように絶縁性、導電性を問わず任意の基体に、絶縁性薄膜を設けたものであってもよく、本発明において、これらの基板全てが「絶縁性基板」の概念に含まれる。
【００６１】
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明のトランジスタの第２の実施形態を示す模式斜視図である。本実施形態は、半導体特性を有するカーボンナノチューブリングを半導体材料として用いた例である。
【００６２】
図４に示すように本実施形態のトランジスタは、ゲート電極（制御電極）３１が、酸化シリコン膜（絶縁性薄膜）１２表面に載置されたカーボンナノチューブリング１７のさらに上部に設けられている態様である。なお、ここでいう「上部」とは、地表面を基準とした上下関係を表すものではなく、酸化シリコン膜（絶縁性薄膜）１２を基準にした場合におけるカーボンナノチューブリング１７のさらに上部を意味するものとし、地表面を基準とした上下関係が逆転等していても全く問題ない。
【００６３】
その他、ｎ型シリコン基板１１、酸化シリコン膜１２、ソース電極端子１３、ドレイン電極端子１４、多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’、カーボンナノチューブリング１７は、第１の参考形態と同様の構成であり、同様に配置される。
【００６４】
カーボンナノチューブリング１７のさらに上部に設けられるゲート電極３１としては、数ｎｍ幅の貴金属極細線（ＡｕやＰｔ等）を適用することも可能であるが、導電性を有するカーボンナノチューブを用いるのが好ましい。導電性を有するカーボンナノチューブとしては、単一壁カーボンナノチューブおよび多重壁カーボンナノチューブの両者が適用可能である。
【００６５】
ゲート電極３１には、接続配線３２の一端が接続され、接続配線３２の他端は、金等の金属材料からなるゲート電極端子３３に接続される。接続配線３２も、金属配線および導電性を有するカーボンナノチューブのいずれでも構わないが、ゲート電極３１と同一の材料を用いることが望ましい。
【００６６】
本実施形態のトランジスタでは、ソース電極端子１３とドレイン電極端子１４との間に流れる電流もしくは電圧を、ゲート電極３１の電位を変化させて制御することが可能になる。すなわち、高速動作が可能で、室温で動作するナノメーターサイズのトランジスタとなる。
【００６７】
ゲート電極３１として導電性を有するカーボンナノチューブを用いた場合、ゲート電極３１と、半導体特性を有するカーボンナノチューブリング１７との接続は、ショットキー接続になり、この場合、ショットキー型電界効果トランジスターを形成することができる。
【００６８】
以上、本発明のトランジスタを２つの参考形態と２つの実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、既述の本発明の原理が応用され得る構成であれば、如何なる構成をも採用することができる。
【００６９】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらの例に制限されるものではない。
（参考例１）
アーク放電法で作製した単一壁カーボンナノチューブを超音波処理することで、カーボンナノチューブリングを作製した。具体的には、界面活性剤（和光純薬製、塩化ベンザルコニウム）のメタノール溶液（界面活性剤濃度５％）１００ｍｌに単一壁カーボンナノチューブを５０ｍｇ分散させ、超音波処理（周波数２０ｋＨｚ、出力５０ｗ）を約１時間行った。その後、遠心分離法で約３０分間、遠心分離処理した。液中に分散されているカーボンナノチューブリングをフィルターで回収後、フィルター上でメタノールとアセトンにより洗浄した。得られたカーボンナノチューブリングのリング外径は約２０ｎｍから５０ｎｍ、チューブ部位の太さは２ｎｍから３０ｎｍであった。なお、本実施例では、リング外径約５０ｎｍ、チューブ部位の太さ５ｎｍのｐ型半導体特性を有するものを用いた。
【００７０】
得られたカーボンナノチューブリングを用いて、以下のようにして図１に示すトランジスタを作製した。
下地基板としては、（１１１）面のｎ型シリコン基板１１を用いた。まず、表面を洗剤洗浄後、純水でリンスし、イソプロピルアルコール蒸気で処理し、乾燥させた。その後、ｎ型シリコン基板１１の片面（裏面）にＡｕを蒸着し、ゲート電極端子１５を配置した。さらに、プラズマＣＶＤ法で５０ｎｍの酸化シリコン膜１２を成長させ、その上に、減圧ＣＶＤ法で多結晶シリコン層を形成させた。次に、ｎ型シリコン基板１１の表面にイオン注入法でＡｓをドープ（イオン注入加速エネルギー４０ｋｅＶ、イオン注入量約２×１０15ｃｍ-2）し、ラピッドアニーリング法（ピーク温度約１２００℃）で結晶回復させた。次に、表面の酸化膜除去と表面を安定させるために、ＨＦで処理し、ｎ型シリコン基板１１表面のダングリングボンドをＨで末端処理した。一般に、Ｓｉ（１１１）面をＨ末端処理すると、安定なＳｉ―Ｈ2が形成されるので、大気中でも、シリコン基板表面が酸化されにくくなる。
【００７１】
この状態で、ｎ型シリコン基板１１表面の酸化シリコン膜１２の上に、メタノールに分散された前記カーボンナノチューブリングをスピンコート法で展開し、カーボンナノチューブリング１７を載置した。次いで、カーボンナノチューブリング１７の両端に、多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’（直径約１５ｎｍ）を接続し、かつ多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’の他端がソース電極端子１３およびドレイン電極端子１４と接続するように配線した。多重壁カーボンナノチューブ１６，１６’の配線には、２つのピエゾアクチュエータをもつ走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用い、プローブとして多重壁カーボンナノチューブを用いた。
【００７２】
このようにして得られた参考例１のトランジスタについて、ｎ型シリコン基板１１より構成されるゲート電極の電位を変化させることで、カーボンナノチューブリング１７のソース電極およびドレイン電極間の電流電圧特性に変化が現れることを確認した。すなわち、ゲート電極端子１５の電位（Ｖｇ）を０Ｖ〜５Ｖの間１Ｖ刻みで変化させて、ソース電極端子１３とドレイン電極端子１４との間の電流電圧特性を、ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製エレクトロメーター６５１４を用いることにより測定した。なお、測定は室温（２３℃）中で行った。その結果を図５に示す。
【００７３】
（実施例１）
参考例１において得られたカーボンナノチューブリングを用いて、以下のようにして図２に示すトランジスタを作製した。
参考例１と同様の（１１１）面のｎ型半導体基板２１を用意し、表面にイオン注入法でＡｓを注入し、ｎ+領域のｎ型不純物層２８を形成した。Ａｓ濃度を表面で最も高くするために、メカノケミカルポリッシング法（研磨剤グランゾックス）で、表面を３００ｎｍ程度研磨した。
【００７４】
次に、表面にスパッタリング法でＡｕを部分的に蒸着し、オーム性接続されたドレイン電極２４電極を形成した。さらに、実施例１と同様に、ｎ型半導体基板２１表面をＨ末端処理することで安定化させた。
【００７５】
この状態で、ｎ型シリコン基板１１表面のｎ型不純物層２８の上に、メタノールに分散された前記カーボンナノチューブリングをスピンコート法で展開し、カーボンナノチューブリング２７を載置した。このときのカーボンナノチューブリング２７は、リング外径約５０ｎｍ、チューブ部位の太さ８ｎｍの導電性を有するものを用いた。
【００７６】
参考例１と同様に、２つのピエゾアクチュエータをもつ走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を用い、プローブとして多重壁カーボンナノチューブ（直径約１５ｎｍ）を使用し、配線した。まず、カーボンナノチューブリング２７およびゲート電極端子２５に、ＳＰＭの第一プローブで多重壁カーボンナノチューブ２６を接続し、次に、第二プローブで多重壁カーボンナノチューブ２９をカーボンナノチューブリング２７の開口部から表出する部位のｎ型半導体基板２１の表面、および、ソース電極端子２３に接続した。このようにして、実施例２のトランジスタを作製した。
【００７７】
このようにして得られた実施例１のトランジスタについて、カーボンナノチューブリング２７より構成されるゲート電極の電位を変化させることで、ソース電極２２およびドレイン電極２４間の電流電圧特性に変化が現れることを確認した。すなわち、ゲート電極端子２５の電位（Ｖｇ）を０Ｖ〜５Ｖの間１Ｖ刻みで変化させて、ソース電極端子２３とドレイン電極２４との間の電流電圧特性を、ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製エレクトロメーター６５１４を用いることにより測定した。その結果を図６に示す。
【００７８】
【発明の効果】
本発明のトランジスタによれば、カーボンカーボンナノチューブを利用したナノメーターサイズの微小で高速動作可能な室温で動作するスイッチング素子を実現でき、工業的有用性は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の参考形態を示す模式斜視図である。
【図２】  本発明のトランジスタの第１の実施形態を示す模式斜視図である。
【図３】  第２の参考形態を示す模式斜視図である。
【図４】  本発明のトランジスタの第２の実施形態を示す模式斜視図である。
【図５】  参考例１のトランジスタにおけるソース電極およびドレイン電極間の電流電圧特性である。
【図６】  実施例１のトランジスタにおけるソース電極およびドレイン電極間の電流電圧特性である。
【符号の説明】
１１  ｎ型シリコン基板
１２  酸化シリコン膜
１３、２３  ソース電極端子
１４  ドレイン電極端子
１５、２５、３０、３３  ゲート電極端子
１６，１６’、２６、２９  多重壁カーボンナノチューブ
１７、２７  カーボンナノチューブリング
１８、３１  ゲート電極
１９  接続配線
２１  ｎ型半導体基板
２２  ソース電極
２４  ドレイン電極
２８  ｎ型不純物層
３２  接続配線
【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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