JP4251268B2 - 電子素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素分子からなる電子素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ベンゼン環を形成する炭素原子の６員環だけを平面状に連結した６角形の網目構造（蜂の巣構造）は、グラフェンシートと呼ばれる。このシートを何層にも積み重ねた構造がグラファイトの結晶である。グラファイトは、６角形の網構造の炭素鎖に沿って形成された共役系を介して、非局在化したπ電子が移動できるため、金属と同様の高い電気伝導度を示す（以下、本明細書では、金属ではない物質が、非局在化したπ電子等の移動等によって、金属と同程度の高い電気伝導度を示す場合、「その物質は金属性である」ということにする。）。
【０００３】
一方、１枚の長方形のグラフェンシートを円筒状に丸め、長方形の辺を継ぎ目がないようにつなげると、単層のカーボンナノチューブが作られる。このとき、シートの丸め方によって分子構造が微妙に異なるカーボンナノチューブができ、これらの電気的性質は、半導体性であるものから金属性であるものまで変化する。以下、この点について説明する。
【０００４】
図８は、カーボンナノチューブの分子構造を定義するための展開図（グラフェンシートの一部分）を示している。このシートを６員環５１が６員環５２に重なるように丸めて、単層のカーボンナノチューブを作るものとする。つまり、６員環５１上の点Ａから６員環５２上の点Ａに対応する点Ａ′に向かって引いた線分Ａ−Ａ′が、円筒の外周になるようにグラフェンシートを丸めるものとする。
【０００５】
このカーボンナノチューブの分子構造は、円筒の円周方向に並ぶ６員環の数と向きによって決まる。これを具体的に示すには、
【数１】
と表したときの整数の組（ｎ、ｍ）によって示す。
【０００６】
例えば、図８の例では、
【数２】
であるから、このカーボンナノチューブの構造を特定する整数の組は、（８、２）である。
【０００７】
電子は波としての性質をもち、分子内の電子の波が、位相の関係で強め合う場合と弱め合う場合とがある。どのような電子の波が強め合い、どのような電子の波が弱め合うかは、分子構造に依存する。この結果、カーボンナノチューブの構造が異なると、許される電子の状態が変化し、電気的性質も変化する。
【０００８】
量子力学計算によると、カーボンナノチューブの電気的性質は、上記の整数の組（ｎ、ｍ）に大きく依存することが示され、これは実験的にも確認されている（田中一義編，「カーボンナノチューブ」，化学同人(2001)、ｐ．19-46）。
【０００９】
即ち、電子の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）と最低空軌道（ＬＵＭＯ）とのエネルギー差であるバンドギャップは、ｎが大きくなると徐々に小さくなり、グラファイトのバンドギャップに近づく。しかも特別な場合として、（２ｎ＋ｍ）が３の倍数である場合には、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）と最低空軌道（ＬＵＭＯ）が縮退してバンドギャップは０となり、カーボンナノチューブは金属性を示す。
【００１０】
以上をまとめると、ｉを整数として
２ｎ＋ｍ ＝ ３×ｉ の場合・・・カーボンナノチューブは金属性
２ｎ＋ｍ ≠ ３×ｉ の場合・・・カーボンナノチューブは半導体性
であり、半導体性カーボンナノチューブのバンドギャップは、ｎが大きいほど小くなる。
【００１１】
このように、カーボンナノチューブは、電子特性がシートの大きさや丸め方によって半導体性から金属性まで変化し、しかも、半導体デバイスの性能を左右するバンドギャップを制御できる可能性のある、極めて魅力的な電子材料である。
【００１２】
カーボンナノチューブの構造を制御して電気特性を自在に操れるようになれば、多くのエレクトロニクス部品に使われている半導体と金属をカーボンナノチューブで置き換え得る可能性もある。
【００１３】
上述した特異な電子特性の他にも、カーボンナノチューブには優れた性質が多い。例えば、カーボンナノチューブのように非常に微細な線構造では、電子や正孔が散乱されずに伝導するバリスティック伝導と呼ばれる現象が起き、高速に移動する可能性がある。これを利用すると、エレクトロニクス部品を飛躍的に高速に動作させることができる。
【００１４】
また、カーボンナノチューブの熱伝導率は、すべての物質の中で最大である。高集積化或いは高速化するほど、ＬＳＩ（大規模集積回路）の発熱量が増え、誤動作しやすくなるという問題を解決できるかもしれない。
【００１５】
更に、カーボンナノチューブは、引っ張りや曲げに対する強度が既存の材料より飛び抜けて優れている。これはボトムアップ的な微細加工を行う上で好都合な性質である。
【００１６】
以上のようなことから、カーボンナノチューブは、ＬＳＩ等の微細化及び高速化の限界が見えつつある、従来のシリコン等の無機材料を中心とする半導体技術にかわって、その壁を打ち破る材料として期待されている。
【００１７】
このようなカーボンナノチューブを用いて、トランジスタ等の電子装置を作製する研究が既に始まっている。その中で、最近、多層カーボンナノチューブの特徴を生かした電界効果トランジスタが提案された（非特許文献１（化学工業日報２００２年２月２８日付））。
【００１８】
カーボンナノチューブには、１枚のグラフェンシートが丸まった単層カーボンナノチューブと、直径の異なる円筒状のカーボンナノチューブが何層にも入れ子状に積層した、多層カーボンナノチューブがある。
【００１９】
多層カーボンナノチューブにおいて、内側の層と外側の層が密着して形成された場合、２層間の距離は０．３〜０．４ｎｍである。この２層の間の空間は、それぞれの層の６員環を形成する炭素原子のπ電子雲で満たされており、内側の層と外側の層は同心円状に一定の距離を保っている。
【００２０】
この２層間の抵抗の大きさは、各層におけるグラフェンシートの面方向の抵抗の大きさの１００倍から１００００倍になるので、この２層の間の空間もしくは複数層の間をゲート絶縁層として利用することにより、絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製することができる。
【００２１】
図９は、非特許文献１に報告された、２層カーボンナノチューブを用いて作製された電界効果トランジスタ（以下、比較例という。）の構造を示す概略説明図である。
【００２２】
この電界効果トランジスタでは、内側の半導体性カーボンナノチューブ１が外側の金属性カーボンナノチューブ２で部分的に覆われた２層カーボンナノチューブ６１を用いる。そして、金属からなるソース電極３及びドレイン電極５を半導体性カーボンナノチューブ層１に接触させ、金属からなるゲート電極４を金属性カーボンナノチューブ層２に接触させる。
【００２３】
トランジスタとして動作させる場合には、ソース電極３とドレイン電極５との間の半導体性カーボンナノチューブ１にドレイン・ソース間電圧ＶDS を加えながら、ゲート電極４を通じて金属性カーボンナノチューブ２に制御用のゲート電圧ＶG を印加する。
【００２４】
ゲート電圧の印加によって、半導体性カーボンナノチューブ層１への誘起電荷注入を行い、ソース電極３とドレイン電極５との間の半導体性カーボンナノチューブ層１の導電性を制御して、トランジスタ動作を行わせる。この時、半導体性カーボンナノチューブ層１と金属性カーボンナノチューブ層２との間の空間が、通常の絶縁ゲート型電界効果トランジスタにおける絶縁層として機能する。
【００２５】
【非特許文献１】
化学工業日報（The Chemical Daily）、化学工業日報社、２００２年２月２８日、ｐ．１
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
図２に、比較例の電界効果トランジスタのドレイン電流ＩD−ドレイン・ソース間電圧ＶDS 特性を示す。ゲート電圧ＶG を一定に保ってドレイン・ソース間電圧ＶDS を増加させていくと、ドレイン電流ＩD は、ＶDS が小さい領域ではＶDS の増加につれて増加するが、やがて飽和し始め、ＶDS がある値をこえるとＶDS によらず本質的に一定となる。
【００２７】
この飽和領域で流れるドレイン電流ＩD は、ゲート電圧ＶG の増加によって増加するから、ゲート電圧ＶG（ゲート電極４に印加する制御電圧）によってドレイン電流ＩD が変調されるトランジスタとしての動作が発揮される。
【００２８】
しかしながら、比較例の電界効果トランジスタでは、飽和時に流れるドレイン電流ＩD が小さく、その結果として、ゲート電圧ＶG の変化による増加率も小さい。このため、ゲート電圧印加によるドレイン電流の増幅効果が低くなり、結果として消費電力が大きくなる。
【００２９】
この原因は、図９に示すように、比較例のトランジスタでは、ソース電極３とドレイン電極５との間の半導体性カーボンナノチューブ層１の中に、金属性カーボンナノチューブ層２に内包されず、ゲート電圧ＶG が作用しない領域６２が存在し、ソース電極３とドレイン電極５との間に均一に連続したチャネルが形成できないためと考えられる。
【００３０】
次に、ゲート電圧ＶG が作用しない領域６２には、トンネル効果を利用して電流を流すことで、比較例のトランジスタをトランジスタ動作させる可能性について検討してみる。具体的には、ゲート電圧ＶG が作用しない領域６２の長さ（ソース電極３又はドレイン電極５と金属性カーボンナノチューブ層２との距離）をＬｍとおいて、電子がトンネル効果によって長さＬｍの領域６２を透過する確率を、バイアス電圧Ｅを変えながら計算する。
【００３１】
単層カーボンナノチューブの仕事関数は５．１５ｅＶ（M.Shiraishi and M. Ata, Carbon, 39, 1913-1917 (2001)）、バンドギャップは０．１〜１．４ｅＶである（C.H.Olk and J.P.Heremans, J. Material Res., 9, 259 (1994)、C.T.White, D.H.Roberston and J.W.Mintmire, Phys. Rev. B, 47, 5485 (1993)）。今回の計算では、半導体性カーボンナノチューブ１のバンドギャップは、０．４ｅＶであると仮定した。
【００３２】
電極材料として金を用いるとすると、金の仕事関数は５．０５ｅＶである。従って、半導体性カーボンナノチューブ１が真性半導体であると仮定すると、金電極と半導体性カーボンナノチューブ１との間に、０．１ｅＶのエネルギー障壁Ｖ0 が存在する。
【００３３】
ここで、図１０（ａ）に示すように、電子は、金電極に一定のバイアス電圧Ｅを加えた条件下で、厚さＬｍ、高さＶ0ｅＶのエネルギー障壁をトンネル効果によって透過するものとすると、透過の確率Ｔは、
【数３】
で与えられる。但し、
【数４】
であり、ｍは電子の質量９．１×１０− 31ｋｇである。
【００３４】
Ｅ＜Ｖ０の場合、κｉは虚数になり、式（１）のＴは、Ｌが大きくなるにつれて指数関数的に減少する。つまり、距離Ｌが大きい場合には、電子は、半導体性カーボンナノチューブ１の領域に少しは侵入できるものの、最終的には全反射されてしまう。今回の計算では、電子がトンネル効果でエネルギー障壁０．０１ｅＶを透過するためには、即ち、式（１）が収束するための厚さ（coherence length）は、約２ｎｍであった。
【００３５】
そこで、Ｌを１．５ｎｍ、１ｎｍ及び０．５ｎｍとした場合について、電子に対する障壁の高さ（Ｖ０−Ｅ）の変化に対する透過率Ｔの変化を計算した。その結果を、図１０（ｂ）及び表１に示す。図１０（ｂ）及び表１から、トンネル効果による透過率Ｔは、エネルギー障壁の高さ（Ｖ０−Ｅ）及び障壁の長さＬが大きくなるにつれて減少することがわかる。そして、５０％程度の透過率Ｔを実現するには、Ｌは１ｎｍ程度に抑える必要があることがわかる。
【００３６】
【表１】
【００３７】
以上のように、ゲート電圧ＶG が作用しない領域６２が存在する問題点を、トンネル効果を利用して改善するためには、領域６２の長さＬを少なくとも約２ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ程度以下に抑える必要があり、この実現は加工精度上困難であると思われる。
【００３８】
なお、非特許文献１の記事によると、半導体性カーボンナノチューブ層１として、金属原子含有フラーレンを内包させた半導体性カーボンナノチューブが用いられ、導電性の改善が行われている。しかし、ゲート電圧の印加による効果は、半導体性カーボンナノチューブ層１の表面付近のごく薄い層に対して作用するものであることを考えると、フラーレンの内包による改善の効果は小さいものと考えられる。
【００３９】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、従来の炭素分子からなる電子素子の欠点を克服して、それを上回る性能を有する超小型の電子素子、及びその製造方法を提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
導電性を有する内側の第１の筒状炭素分子と、
前記第１の筒状炭素分子とほぼ平行に配置され、前記第１の筒状炭素分子の一部を被 覆し、半導体性を有する外側の第２の筒状炭素分子と、
前記第１の筒状炭素分子と前記第２の筒状炭素分子との間に存在する少なくとも空間 からなる絶縁層と、
前記第２の筒状炭素分子で被覆されていない前記第１の筒状炭素分子の非被覆部位に おいて前記第１の筒状炭素分子に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記第２の筒状炭素分子に電流を入力する電流入力手段と、
前記第２の筒状炭素分子から電流を出力する電流出力手段と
を有し、前記電圧印加手段によって前記第１の筒状炭素分子に電圧を印加することによって、この印加電圧とは逆極性の電荷を前記絶縁層に面する前記第２の筒状炭素分子に誘起し、前記第２の筒状炭素分子に流れる電流を制御するように構成された電子素子（第１の電子素子）に係わり、また、
内側が空洞になっている半導体性の炭素分子と、
前記炭素分子に一部分が内包されている導電体と、
前記導電体と前記炭素分子との間に存在する少なくとも空間からなる絶縁層と、前記 炭素分子で被覆されていない前記導電体の非被覆部位において前記導電体に電圧を印加 する電圧印加手段と
を有し、前記電圧印加手段によって前記導電体に電圧を印加することによって、前記炭素分子の電気的状態を制御するように構成された電子素子（第２の電子素子）に係わる。
【００４１】
また、本発明は、導電性を有する内側の第１の筒状炭素分子と、前記第１の筒状炭素分子とほぼ平行に配置された半導体性を有する外側の第２の筒状炭素分子とが積層された筒状炭素分子積層体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記第２の筒状炭素分子の一部に電流を流して、前記第２の筒状炭素分子の一部分を 除去する工程と、
この除去によって露出した前記第１の筒状炭素分子の露出部位に電圧印加手段を設け る工程と、
前記第２の筒状炭素分子に電流入力手段及び電流出力手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法（第１の電子素子の製造方法）に係わり、また、導電性を有する内側の第１の筒状炭素分子と、前記第１の筒状炭素分子とほぼ平行に配置された半導体性を有する外側の第２の筒状炭素分子とが積層された筒状炭素分子積層体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記第１の筒状炭素分子の一部を前記第２の筒状炭素分子に対して軸方向に引き出す 工程と、
この引き出しによって露出した前記第１の筒状炭素分子の露出部位に電圧印加手段を 設ける工程と、
前記第２の筒状炭素分子に電流入力手段及び電流出力手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法（第１の電子素子の別の製造方法）に係わり、また、内側が空洞になっている半導体性の炭素分子内に、導電体が内包された構造体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記炭素分子の一部に電流を流して、前記炭素分子の一部分を除去する工程と、
この除去によって露出した前記導電体の露出部位に電圧印加手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法（第２の電子素子の製造方法）に係わり、更に、内側が空洞になっている半導体性の炭素分子内に、導電体が内包された構造体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記導電体の一部を前記炭素分子に対して軸方向に引き出す工程と、
この引き出しによって露出した前記導電体の露出部位に電圧印加手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法（第２の電子素子の別の製造方法）に係わる。
【００４２】
本発明によれば、外側に位置する第１の筒状炭素分子又はカーボンナノチューブ又は半導体性の炭素分子（以下、半導体性の第１の構造体と称する。）の電気的状態が、この第１の構造体によって一部が被覆、内包された第２の筒状炭素分子又はカーボンナノチューブ又は導電体（以下、第２の構造体と称する。）に印加される前記電圧によって効果的に制御される。
【００４３】
ここで、第１の電子素子では、前記第１及び前記第２の構造体は前記筒状炭素分子、特に各カーボンナノチューブからなり、第２の電子素子では、前記第１の構造体は前記内側が空洞になっている半導体性の炭素分子からなり、前記第２の構造体は前記導電体からなる。
【００４４】
このため、前記電圧を印加する電圧印加手段を前記第２の構造体に設け、電流を入力する電流入力手段と電流を出力する電流出力手段とを前記第１の構造体に設けた場合、前記第１の構造体の入出力電流は、前記電圧によって効果的に制御される。
【００４５】
本発明の第１の電子素子の製造方法は、少なくとも２層からなる多層カーボンナノチューブを構成する各カーボンナノチューブを材料として用いるのがよい。第１の電子素子の製造方法では、前記外側のカーボンナノチューブの一部に電流を流して、部分的に層を除去する工程を行い、内側のカーボンナノチューブを露出させ、或いは、内側のカーボンナノチューブの一部を軸方向に引き出す工程を行い、内側のカーボンナノチューブを露出させてよい。
【００４６】
いずれも、前記少なくとも２層からなる多層カーボンナノチューブを構成するカーボンナノチューブから、前記第１及び前記第２の構造体に適したカーボンナノチューブを選別して用いると、容易に能率良く電子素子を作製できる製造方法である。
【００４７】
本発明の第２の電子素子の製造方法は、円筒形のカーボンナノチューブばかりでなく、カップスタック型のカーボンナノチューブやカーボンナノホーンなど、内側に空洞を有する様々な前記炭素分子に適用可能である。
【００４８】
【発明の実施の形態】
本発明において、前記第１及び第２の筒状炭素分子はカーボンナノチューブであるのがよい。
【００４９】
また、前記電子素子は、第２の筒状炭素分子のうち、前記第１の筒状炭素分子を被覆する部分に、前記電流入力手段及び前記電流出力手段の少なくとも一方を備えるのがよい。
【００５０】
本発明において、前記電子素子は、前記炭素分子に電流を入力する入力手段と、前記炭素分子から電流を出力する出力手段とを有するのがよい。
【００５１】
このとき、前記炭素分子の前記入力手段接続位置と前記出力手段接続位置との間の全ての領域の前記電気的性質を制御したい場合には、前記導電体を内包している領域において、前記炭素分子に前記入力手段及び前記出力手段を設ける。
【００５２】
一方、前記炭素分子の前記入力手段接続位置と前記出力手段接続位置との間の一部の領域の前記電気的性質を制御したい場合には、前記導電体を内包している領域において、前記炭素分子に前記入力手段及び前記出力手段の一方を設ける。
【００５３】
より具体的には、前記電子素子は、前記導電体に印加される電圧によって、前記炭素分子を流れる電流が制御される電子素子、例えば、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成された電子素子であるのがよい。
【００５４】
即ち、前記炭素分子にソース電極及びドレイン電極を設け、前記導電体にゲート電極を設け、前記炭素分子と前記導電体との間の空間をゲート絶縁層として絶縁ゲート型電界効果トランジスタを形成した場合、前記炭素分子のソース電極接合部からドレイン電極接合部までの全チャネル領域がゲート電圧の作用下にあり、伝導チャネルが制御性良く形成されるため、トランジスタとしての良好な電流・電圧特性が得られる。
【００５５】
本発明において、前記電子素子は、前記炭素分子の前記空洞内に中心軸を一致させて前記導電体が内包されているのがよい。前記炭素分子と前記導電体の両者が軸対称の対称性をもち、中心軸を一致させて配置されている構造であれば、中心軸のまわりの前記電子素子の前記電気的性質に偏りがない。また、機械的に安定な配置になるため、配置の変動によって、前記炭素分子に対する前記導電体の作用が変動することがない。
【００５６】
本発明において、前記炭素分子としては、半導体性であれば原理的には何でもよい。例えば、円筒形のカーボンナノチューブばかりでなく、カップスタック型のカーボンナノチューブやカーボンナノホーンなどのナノカーボンと呼ばれる物質群であってよい。
【００５７】
また、前記導電体としては、導電性であれば原理的には何でもよい。例えば、金属性のカーボンナノチューブや、場合によっては、前記炭素分子の空洞内に設けられた金属等の導電性材料のナノワイヤであってもよい。
【００５８】
ただ、現在における材料の量産性や加工のしやすさを考えると、前記炭素分子としては、半導体性のカーボンナノチューブを用い、前記導電体としては、金属性のカーボンナノチューブを用い、多層カーボンナノチューブを構成する各カーボンナノチューブ層からこれらを選別して用いるのがよい。
【００５９】
より具体的に説明すると、多層カーボンナノチューブの各層の中から、半導体性カーボンナノチューブ層を１つ前記炭素分子として選択し、その内側にあり、１層若しくは複数の半導体性カーボンナノチューブ層で隔てられた金属性カーボンナノチューブ層を前記導電体として選択すればよい。
【００６０】
この場合、選択した２層以外の層は、残したままでよく、取り除く必要はない。従って、原料のカーボンナノチューブは、２層カーボンナノチューブに限られるのではなく、３層以上からなる多層カーボンナノチューブであってよい。
【００６１】
前記選択した２層の間に半導体性カーボンナノチューブ層が含まれる多層カーボンナノチューブを用いて絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製する場合には、この半導体性カーボンナノチューブ層も含めて、前記選択した２層の間をゲート絶縁層として利用する。
【００６２】
半導体性のカーボンナノチューブ層と金属性のカーボンナノチューブ層との識別・選別は、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法によって行うのがよい。
【００６３】
電極等の取り付け等に好都合な形状に加工するには、前記炭素分子及び前記導電体の一方を選別した後に、前記カーボンナノチューブ層を部分的に除去する工程を少なくとも１回行うのがよく、具体的には、前記カーボンナノチューブ層を通電による加熱下で酸化除去するのがよい。
【００６４】
あるいは、多層カーボンナノチューブを構成する内側のカーボンナノチューブ層の少なくとも１層を、走査型プローブ顕微鏡のプローブを用いて、部分的に軸方向に引き出して露出させる工程を行った後、露出している各カーボンナノチューブ層から、前記炭素分子及び前記導電体を選別するのがよい。
【００６５】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。
【００６６】
実施の形態１：絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
図１は、本発明の好ましい実施の形態１に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す概略説明図である。
【００６７】
この電界効果トランジスタでは、内側の金属性カーボンナノチューブ層２が外側の半導体性カーボンナノチューブ層１で部分的に覆われた多層カーボンナノチューブ１０を用いる。そして、金属からなるソース電極３及びドレイン電極５を半導体性カーボンナノチューブ１の両端に接触させ、金属からなるゲート電極４を金属性カーボンナノチューブ２に接触させる。
【００６８】
トランジスタとして動作させる場合には、ソース電極を接地して、ソース電極３とドレイン電極５との間の半導体性カーボンナノチューブ層１（チャネル領域）にドレイン・ソース間電圧ＶDS を加えながら、ゲート電極４を通じて金属性カーボンナノチューブ層２に制御用のゲート電圧ＶG を印加する。なお、半導体性カーボンナノチューブ１の導電型がｐ型の場合には、正のゲート電圧を印加する。
【００６９】
ゲート電圧が印加されると、半導体性カーボンナノチューブ層１の表面に可動電子を含む負の電荷を持った薄い層が誘起され、ソース・ドレイン間に伝導チャネルが形成される。この時、金属性カーボンナノチューブ層２と半導体性カーボンナノチューブ層１との間の空間が、通常の絶縁ゲート型トランジスタにおける絶縁層として機能する。
【００７０】
図２は、実施の形態１の電界効果トランジスタのドレイン電流ＩD−ドレイン・ソース間電圧ＶDS 特性を示すグラフである。ゲート電圧ＶG を一定に保ってドレイン・ソース間電圧ＶDS を増加させていくと、ドレイン電流ＩD は、ＶDS が小さい領域ではＶDS の増加につれて増加するが、やがて飽和し始め、ＶDS がある値をこえるとＶDS によらず本質的に一定となる。
【００７１】
この飽和領域で流れるドレイン電流ＩD は、ゲート電圧ＶG の増加によって増加するから、ゲート電圧ＶG（ゲート電極４に印加する制御電圧）によってドレイン電流ＩD が変調されるトランジスタとしての動作が発揮される。
【００７２】
実施の形態１の電界効果トランジスタの電流・電圧特性を、同じ図２に示した比較例の電界効果トランジスタの電流・電圧特性と比べると、飽和時に流れるドレイン電流ＩD が増加し、その結果として、ゲート電圧ＶG の変化による増加率（増幅率）も大きくなっていることがわかる。これは、本実施の形態のトランジスタでは、ドレイン・ソース間のチャネル領域の全てがゲート電圧の作用下にあり、伝導チャネルが制御性良く形成されるためと考えられる。
【００７３】
変形例として、半導体性と金属性の性質がミックスしたカーボンナノチューブ層を金属性カーボンナノチューブ層２のかわりに用いた場合でも、トランジスタ動作は可能となる。しかし、この場合には、ゲート層の伝導率が減少するため、ゲート電圧印加による電荷注入効率は減少する。
【００７４】
実施の形態２：絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製
ここでは、実施の形態１に示した絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程を説明する。
【００７５】
＜多層カーボンナノチューブ原料の作製＞
原料となる多層カーボンナノチューブは、公知の方法によって作製する。例えば、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学的気相成長）法を用いる場合には、触媒をゼオライト等に担持して反応管内に配置し、反応温度６００〜１３００℃で炭化水素系の原料ガスを流し、触媒を起点として多層カーボンナノチューブを成長させる。
【００７６】
この時、触媒として、鉄やニッケル、コバルトなどの遷移金属系の微粒子粉末を用いる。これらの微粒子は、例えば、酢酸鉄及び酢酸コバルトの混合溶液中にゼオライトを分散させ、ゼオライトの表面に酢酸鉄及び酢酸コバルトを吸着させた後、乾燥させることによってゼオライト表面に担持する。
【００７７】
反応ガスはアセチレンC2H2 等の炭化水素ガスが望ましく、さらにはアルゴンガスで希釈されるのがよい。
【００７８】
他の合成法として、炭素電極を用いた真空中でのアーク放電を利用するアーク放電法や、グラファイトをレーザーで照射して昇華させるレーザーアブレーション法等で多層カーボンナノチューブを製造することができる。
【００７９】
＜カーボンナノチューブの加工と電極の取り付け＞
上記の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製するには、内側の金属性カーボンナノチューブ層２が外側の半導体性カーボンナノチューブ層１で部分的に覆われた多層カーボンナノチューブ１０が必要である。ここでは、原料に含まれる種々の多層カーボンナノチューブの中から、上記トランジスタの作製に適した多層カーボンナノチューブを選び出し、加工する方法について、図３と図４とを用いて説明する。
【００８０】
なお、カーボンナノチューブは、真空中で随時、電子線観察顕微鏡を用いて観察しながら加工する。また、原料の中には多くの異なる整数の組（ｎ、ｍ）を持つカーボンナノチューブ層が含まれるため、半導体性ナノチューブ層１と金属性カーボンナノチューブ層２との識別及び選択は、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法によって行う。
【００８１】
工程１：多層カーボンナノチューブ１０の選別
まず、多数の多層カーボンナノチューブを基板上に分散させ、図３（ａ）に示すように、外側の層に第１プローブ１１をあてがうなどして、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法により、外層が半導体性カーボンナノチューブ層１である多層カーボンナノチューブ１０を選別する。
【００８２】
工程２：半導体性カーボンナノチューブ層１の一部の除去
次に、図３（ｂ）に示すように、半導体性カーボンナノチューブ層１のうち、チャネル領域６として残す部分を除いて、除去したい部分７の両端に第１プローブ１１及び第２プローブ１２を接触させる。この状態で、両プローブ間に電圧を印加して除去部分７に電流を流してジュール熱によって加熱し、除去部分７を選択的に酸化除去して、外側から数えて２層目のカーボンナノチューブ層８を露出させる（図３（ｃ））。
【００８３】
工程３：カーボンナノチューブ層８の選別
図４（ｄ）に示すように、工程２によって新たに露出した２層目のカーボンナノチューブ層８に対し、工程１と同様にして、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法により、半導体性カーボンナノチューブ層１であるか、金属性カーボンナノチューブ層２であるか、識別する。カーボンナノチューブ層８が金属性カーボンナノチューブ層２である場合には、ここで多層カーボンナノチューブ１０の加工を終了する。
【００８４】
工程４：工程２と工程３との繰り返し
内側層８が半導体性カーボンナノチューブ層１である場合には、工程２と工程３を繰り返す。即ち、カーボンナノチューブ層８に対して工程２と同様の部分的な酸化除去を行い、外側から数えて３層目のカーボンナノチューブ層９を露出させる（図４（ｅ））。続いて、カーボンナノチューブ層９に対して、半導体性カーボンナノチューブ層１であるか、金属性カーボンナノチューブ層２であるか、識別する工程を行う。
【００８５】
工程２と工程３は、金属性カーボンナノチューブ層２が現れるまで繰り返し、外側から１層ずつ半導体性カーボンナノチューブ層を酸化除去してゆく。この時、多層カーボンナノチューブ１０の導電率をモニターしながら酸化除去を行うのがよい。導電率は、時間に対して階段（ステップ）状に減少してゆくが、この各ステップの終了が観察される時点が、カーボンナノチューブの１層もしくは数層が除去された時点に対応する。
【００８６】
工程５：電極の取り付け
最後に、図４（ｆ）に示すように、加工されたカーボンナノチューブ１０に電極を取り付けて、電界効果型トランジスタを完成する。ここでは、走査型トンネル分光法で表面状態を観察しながらプローブを接触させ、その後ＳＴＳプローブを測定装置から切り離して、電極として用いる。即ち、外側の半導体性カーボンナノチューブ層１に対しては両端部にソース用プローブ３及びドレイン用プローブ５を接触させ、内側の金属性カーボンナノチューブ層２にはゲート用プローブ４を接触させる。
【００８７】
図４（ｆ）は、外側から数えて３層目のカーボンナノチューブ層９が金属性カーボンナノチューブ層２である例を示している。この場合、外側から数えて２層目の半導体性カーボンナノチューブ８も含めて、半導体性カーボンナノチューブ層１のチャネル領域６と金属性カーボンナノチューブ層２との間をゲート絶縁層として利用する。
【００８８】
ここでは、予め外側の層が半導体性カーボンナノチューブ層１である多層カーボンナノチューブ１０を選別して用いたが、外側の層が金属性カーボンナノチューブ層である多層カーボンナノチューブに対しては、工程２と同様にして、半導体性カーボンナノチューブ層が露出するまで、外側の金属性カーボンナノチューブ層の一部又は全部を酸化除去する工程を行い、その後、この多層カーボンナノチューブを多層カーボンナノチューブ１０と同様に用いてもよい。
【００８９】
実施の形態２に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法は、多層カーボンナノチューブを利用しているため、容易に、歩留まり良く絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製することができる。
【００９０】
また、必要な２つの層以外の層に対する加工を最小限に抑えることができるため、工程数が少なく、歩留まりの良い、生産性の高い絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法である。
【００９１】
また、実施の形態２に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法は、円筒形のカーボンナノチューブばかりでなく、カップスタック型のカーボンナノチューブやカーボンナノホーンなど、内側に空洞を有する様々な多層ナノカーボンに適用可能な製造方法である。
【００９２】
実施の形態３：絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製
ここでは、内側の金属性カーボンナノチューブ層２が外側の半導体性カーボンナノチューブ層１で部分的に覆われた多層カーボンナノチューブを作成する別の方法を、図５を用いて説明する。
【００９３】
まず、任意の多層カーボンナノチューブ２０を選択する。
【００９４】
次に、多層カーボンナノチューブ２０の最外層を固定する。真空チャンバ内で、多層カーボンナノチューブ２０の最外層に、第１プローブ１１をナノチューブ２０の軸方向と平行に接触させ、放置する。真空チャンバ内部の、カーボンを含む不純物が接触部分に付着し堆積することにより、多層カーボンナノチューブ２０の最外層は第１プローブ１１に固着する。
【００９５】
次に、上記と同様の方法で多層カーボンナノチューブ２０の内側の層に第２プローブ１２を固着させた後、第１プローブ１１と第２プローブ１２とを引き離していくと、図５（ｂ）のような内側層を引き出された多層カーボンナノチューブ２１を作ることができる。
【００９６】
図５（ｂ）のままでも電界効果トランジスタを作製できるが、必要な場合には、電子線又はイオンビームの照射、又は切断部分の両側にプローブを接触させ電流を流すことによる加熱等により、図５（ｂ）に示す断面Ｂ−Ｂ′で切断して、図５（ｃ）の構造を作製することができる。
【００９７】
以上の工程で成形された多層カーボンナノチューブ２２の構造の中で、実施の形態１の工程１と同様にして、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法により、外側に半導体性カーボンナノチューブ層１があり、内側に金属性カーボンナノチューブ層２がある２層を選択する。
【００９８】
選択された２層に対し、実施の形態１の作製工程の工程５と同様にして電極を取り付けることにより、実施の形態１と同様の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製することができる。
【００９９】
ここでも、実施の形態１の工程１と同様に、まず、多数の多層カーボンナノチューブを基板上に分散させ、その中から外側の層が半導体性カーボンナノチューブ層１である多層カーボンナノチューブを選別し、その選別した多層カーボンナノチューブに対して本実施の形態の方法を適用してもよい。
【０１００】
実施の形態３に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法は、多層カーボンナノチューブを利用しているため、容易に、歩留まり良く絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製することができる。
【０１０１】
また、工程数の少ない、生産性の高い絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法である。
【０１０２】
実施の形態４
図６は、本発明の好ましい実施の形態４に基づく電流変調素子３７である。実施の形態１の電界効果トランジスタの作製に用いた多層カーボンナノチューブ１０と異なり、ここで用いる多層カーボンナノチューブ３０では、金属性カーボンナノチューブ層２は、半導体性カーボンナノチューブ層１の一部までしか届いていないことに注意してほしい。このような多層カーボンナノチューブ３０は、実施の形態３に示した方法で作製することができる。
【０１０３】
また、電極３１及び電極３２を半導体性カーボンナノチューブ層１に接触させ、電極３３を金属性カーボンナノチューブ層２に接触させる。ここで、電極３２は、金属性カーボンナノチューブ層２を内包する領域に設けられているが、電極３１は、金属性カーボンナノチューブ層２を内包していない領域に設けられている。
【０１０４】
この電流変調素子３７では、電極３１と電極３２との間に電圧を加えながら、電極３３に制御電圧を印加する。半導体性カーボンナノチューブ層１がｐ型である場合には、電極３３には、正の電圧を印加する。
【０１０５】
電極３３を通じて金属性カーボンナノチューブ層２に正の電圧が印加されると、半導体性カーボンナノチューブ層１の対向する部分に負電荷３４が誘起され、ｐ型の半導体性カーボンナノチューブ層３５に接してｎ型化した領域３６が形成される。
【０１０６】
ｎ型化した領域３６の導電性は、制御電圧に依存するので、電極３１と電極３２の間を流れる電流は制御電圧によって変調される。
【０１０７】
実施の形態５
図７は、本発明の好ましい実施の形態５に基づくナノサイズのコンデンサ４４である。基本構造として、実施の形態１の電界効果トランジスタの作製に用いた多層カーボンナノチューブ１０を用いている。多層カーボンナノチューブ１０の半導体性カーボンナノチューブ層１の表面を導電性材料４１でコーティングし、電極４２をその導電性材料４１に電極４２を接続し、金属性カーボンナノチューブ層２に電極４３を接続している。
【０１０８】
コンデンサ４４は、極微小サイズのコンデンサとして機能する。
【０１０９】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【０１１０】
【発明の作用効果】
本発明によれば、外側に位置する半導体性の第１の構造体の電気的状態が、この第１の構造体によって一部が被覆、内包された第２の構造体に印加される電圧によって制御されるので、第１の構造体の前記電気的状態が、第２の構造体に印加される電圧によって効果的に制御される。
【０１１１】
このため、電圧を印加する電圧印加手段を第２の構造体に設け、電流を入力する電流入力手段と電流を出力する電流出力手段とを第１の構造体に設けた場合、第１の構造体の入出力電流は、前記電圧によって効果的に制御される。
【０１１２】
本発明の第１の電子素子の製造方法は、特に、少なくとも２層からなる多層カーボンナノチューブを構成する各カーボンナノチューブを材料として用い、外側のカーボンナノチューブの一部に電流を流して、部分的に層を除去する工程を行い、内側のカーボンナノチューブを露出させる。或いは、内側のカーボンナノチューブの一部を軸方向に引き出す工程を行い、内側のカーボンナノチューブを露出させる。
【０１１３】
いずれも、少なくとも２層からなる多層カーボンナノチューブを構成するカーボンナノチューブから、第１及び第２の構造体に適したカーボンナノチューブを選別して用いるので、容易に能率良く電子素子を作製できる製造方法である。
【０１１４】
本発明の第２の電子素子の製造方法は、円筒形のカーボンナノチューブばかりでなく、カップスタック型のカーボンナノチューブやカーボンナノホーンなど、内側に空洞を有する様々な炭素分子に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す概略説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１及び比較例の電界効果型トランジスタのドレイン電流ＩD−ドレイン・ソース間電圧ＶDS特性を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態２に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程を示す概略斜視図である。
【図４】同、絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程を示す概略斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態３に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程の一部を示す概略斜視図及び平面図である。
【図６】本発明の実施の形態４に基づく電流変調素子の構造を示す概略斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図７】本発明の実施の形態５に基づくコンデンサの構造を示す概略説明図である。
【図８】カーボンナノチューブの分子構造を定義するための展開図（グラフェンシートの一部分）である。
【図９】比較例の電界効果トランジスタの構造を示す概略説明図である。
【図１０】比較例の電界効果トランジスタの、ゲート電圧が作用しない領域６２におけるトンネル効果を表す説明図（ａ）と、透過率とエネルギー障壁の大きさの関係を示すグラフ（ｂ）である。
【符号の説明】
１…半導体性カーボンナノチューブ層、２…金属性カーボンナノチューブ層、
３…ソース電極、４…ゲート電極、５…ドレイン電極、
６…半導体性カーボンナノチューブ層１のチャネル領域、
７…半導体性カーボンナノチューブ層１の除去する部分、
８…外側から数えて２層目のカーボンナノチューブ層、
９…外側から数えて３層目のカーボンナノチューブ層、
１０…外側が半導体性カーボンナノチューブ層１である、多層カーボンナノチューブ、１１…第１プローブ、１２…第２プローブ、
２０…多層カーボンナノチューブ、
２１…内側層を引き出された多層カーボンナノチューブ、
２２…成形された多層カーボンナノチューブ、
３０…多層カーボンナノチューブ、３１、３２、３３…電極、
３４…誘起された負電荷、３５…ｐ型領域、３６…誘起されたｎ型領域、
３７…電流変調素子、４１…導電性材料、４２、４３…電極、
４４…コンデンサ、５１、５２…６員環、６１…２層カーボンナノチューブ、
６２…ゲート電圧ＶG が作用しない領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素分子からなる電子素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ベンゼン環を形成する炭素原子の６員環だけを平面状に連結した６角形の網目構造（蜂の巣構造）は、グラフェンシートと呼ばれる。このシートを何層にも積み重ねた構造がグラファイトの結晶である。グラファイトは、６角形の網構造の炭素鎖に沿って形成された共役系を介して、非局在化したπ電子が移動できるため、金属と同様の高い電気伝導度を示す（以下、本明細書では、金属ではない物質が、非局在化したπ電子等の移動等によって、金属と同程度の高い電気伝導度を示す場合、「その物質は金属性である」ということにする。）。
【０００３】
一方、１枚の長方形のグラフェンシートを円筒状に丸め、長方形の辺を継ぎ目がないようにつなげると、単層のカーボンナノチューブが作られる。このとき、シートの丸め方によって分子構造が微妙に異なるカーボンナノチューブができ、これらの電気的性質は、半導体性であるものから金属性であるものまで変化する。以下、この点について説明する。
【０００４】
図８は、カーボンナノチューブの分子構造を定義するための展開図（グラフェンシートの一部分）を示している。このシートを６員環５１が６員環５２に重なるように丸めて、単層のカーボンナノチューブを作るものとする。つまり、６員環５１上の点Ａから６員環５２上の点Ａに対応する点Ａ′に向かって引いた線分Ａ−Ａ′が、円筒の外周になるようにグラフェンシートを丸めるものとする。
【０００５】
このカーボンナノチューブの分子構造は、円筒の円周方向に並ぶ６員環の数と向きによって決まる。これを具体的に示すには、
【数１】
【０００６】
例えば、図８の例では、
【数２】
【０００７】
電子は波としての性質をもち、分子内の電子の波が、位相の関係で強め合う場合と弱め合う場合とがある。どのような電子の波が強め合い、どのような電子の波が弱め合うかは、分子構造に依存する。この結果、カーボンナノチューブの構造が異なると、許される電子の状態が変化し、電気的性質も変化する。
【０００８】
量子力学計算によると、カーボンナノチューブの電気的性質は、上記の整数の組（ｎ、ｍ）に大きく依存することが示され、これは実験的にも確認されている（田中一義編，「カーボンナノチューブ」，化学同人(2001)、ｐ．19-46）。
【０００９】
即ち、電子の最高被占軌道（ＨＯＭＯ）と最低空軌道（ＬＵＭＯ）とのエネルギー差であるバンドギャップは、ｎが大きくなると徐々に小さくなり、グラファイトのバンドギャップに近づく。しかも特別な場合として、（２ｎ＋ｍ）が３の倍数である場合には、最高被占軌道（ＨＯＭＯ）と最低空軌道（ＬＵＭＯ）が縮退してバンドギャップは０となり、カーボンナノチューブは金属性を示す。
【００１０】
以上をまとめると、ｉを整数として
２ｎ＋ｍ ＝ ３×ｉ の場合・・・カーボンナノチューブは金属性
２ｎ＋ｍ ≠ ３×ｉ の場合・・・カーボンナノチューブは半導体性
であり、半導体性カーボンナノチューブのバンドギャップは、ｎが大きいほど小くなる。
【００１１】
このように、カーボンナノチューブは、電子特性がシートの大きさや丸め方によって半導体性から金属性まで変化し、しかも、半導体デバイスの性能を左右するバンドギャップを制御できる可能性のある、極めて魅力的な電子材料である。
【００１２】
カーボンナノチューブの構造を制御して電気特性を自在に操れるようになれば、多くのエレクトロニクス部品に使われている半導体と金属をカーボンナノチューブで置き換え得る可能性もある。
【００１３】
上述した特異な電子特性の他にも、カーボンナノチューブには優れた性質が多い。例えば、カーボンナノチューブのように非常に微細な線構造では、電子や正孔が散乱されずに伝導するバリスティック伝導と呼ばれる現象が起き、高速に移動する可能性がある。これを利用すると、エレクトロニクス部品を飛躍的に高速に動作させることができる。
【００１４】
また、カーボンナノチューブの熱伝導率は、すべての物質の中で最大である。高集積化或いは高速化するほど、ＬＳＩ（大規模集積回路）の発熱量が増え、誤動作しやすくなるという問題を解決できるかもしれない。
【００１５】
更に、カーボンナノチューブは、引っ張りや曲げに対する強度が既存の材料より飛び抜けて優れている。これはボトムアップ的な微細加工を行う上で好都合な性質である。
【００１６】
以上のようなことから、カーボンナノチューブは、ＬＳＩ等の微細化及び高速化の限界が見えつつある、従来のシリコン等の無機材料を中心とする半導体技術にかわって、その壁を打ち破る材料として期待されている。
【００１７】
このようなカーボンナノチューブを用いて、トランジスタ等の電子装置を作製する研究が既に始まっている。その中で、最近、多層カーボンナノチューブの特徴を生かした電界効果トランジスタが提案された（非特許文献１（化学工業日報２００２年２月２８日付））。
【００１８】
カーボンナノチューブには、１枚のグラフェンシートが丸まった単層カーボンナノチューブと、直径の異なる円筒状のカーボンナノチューブが何層にも入れ子状に積層した、多層カーボンナノチューブがある。
【００１９】
多層カーボンナノチューブにおいて、内側の層と外側の層が密着して形成された場合、２層間の距離は０．３〜０．４ｎｍである。この２層の間の空間は、それぞれの層の６員環を形成する炭素原子のπ電子雲で満たされており、内側の層と外側の層は同心円状に一定の距離を保っている。
【００２０】
この２層間の抵抗の大きさは、各層におけるグラフェンシートの面方向の抵抗の大きさの１００倍から１００００倍になるので、この２層の間の空間もしくは複数層の間をゲート絶縁層として利用することにより、絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製することができる。
【００２１】
図９は、非特許文献１に報告された、２層カーボンナノチューブを用いて作製された電界効果トランジスタ（以下、比較例という。）の構造を示す概略説明図である。
【００２２】
この電界効果トランジスタでは、内側の半導体性カーボンナノチューブ１が外側の金属性カーボンナノチューブ２で部分的に覆われた２層カーボンナノチューブ６１を用いる。そして、金属からなるソース電極３及びドレイン電極５を半導体性カーボンナノチューブ層１に接触させ、金属からなるゲート電極４を金属性カーボンナノチューブ層２に接触させる。
【００２３】
トランジスタとして動作させる場合には、ソース電極３とドレイン電極５との間の半導体性カーボンナノチューブ１にドレイン・ソース間電圧ＶDS を加えながら、ゲート電極４を通じて金属性カーボンナノチューブ２に制御用のゲート電圧ＶG を印加する。
【００２４】
ゲート電圧の印加によって、半導体性カーボンナノチューブ層１への誘起電荷注入を行い、ソース電極３とドレイン電極５との間の半導体性カーボンナノチューブ層１の導電性を制御して、トランジスタ動作を行わせる。この時、半導体性カーボンナノチューブ層１と金属性カーボンナノチューブ層２との間の空間が、通常の絶縁ゲート型電界効果トランジスタにおける絶縁層として機能する。
【００２５】
【非特許文献１】
化学工業日報（The Chemical Daily）、化学工業日報社、２００２年２月２８日、ｐ．１
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
図２に、比較例の電界効果トランジスタのドレイン電流ＩD−ドレイン・ソース間電圧ＶDS 特性を示す。ゲート電圧ＶG を一定に保ってドレイン・ソース間電圧ＶDS を増加させていくと、ドレイン電流ＩD は、ＶDS が小さい領域ではＶDS の増加につれて増加するが、やがて飽和し始め、ＶDS がある値をこえるとＶDS によらず本質的に一定となる。
【００２７】
この飽和領域で流れるドレイン電流ＩD は、ゲート電圧ＶG の増加によって増加するから、ゲート電圧ＶG（ゲート電極４に印加する制御電圧）によってドレイン電流ＩD が変調されるトランジスタとしての動作が発揮される。
【００２８】
しかしながら、比較例の電界効果トランジスタでは、飽和時に流れるドレイン電流ＩD が小さく、その結果として、ゲート電圧ＶG の変化による増加率も小さい。このため、ゲート電圧印加によるドレイン電流の増幅効果が低くなり、結果として消費電力が大きくなる。
【００２９】
この原因は、図９に示すように、比較例のトランジスタでは、ソース電極３とドレイン電極５との間の半導体性カーボンナノチューブ層１の中に、金属性カーボンナノチューブ層２に内包されず、ゲート電圧ＶG が作用しない領域６２が存在し、ソース電極３とドレイン電極５との間に均一に連続したチャネルが形成できないためと考えられる。
【００３０】
次に、ゲート電圧ＶG が作用しない領域６２には、トンネル効果を利用して電流を流すことで、比較例のトランジスタをトランジスタ動作させる可能性について検討してみる。具体的には、ゲート電圧ＶG が作用しない領域６２の長さ（ソース電極３又はドレイン電極５と金属性カーボンナノチューブ層２との距離）をＬｍとおいて、電子がトンネル効果によって長さＬｍの領域６２を透過する確率を、バイアス電圧Ｅを変えながら計算する。
【００３１】
単層カーボンナノチューブの仕事関数は５．１５ｅＶ（M.Shiraishi and M. Ata, Carbon, 39, 1913-1917 (2001)）、バンドギャップは０．１〜１．４ｅＶである（C.H.Olk and J.P.Heremans, J. Material Res., 9, 259 (1994)、C.T.White, D.H.Roberston and J.W.Mintmire, Phys. Rev. B, 47, 5485 (1993)）。今回の計算では、半導体性カーボンナノチューブ１のバンドギャップは、０．４ｅＶであると仮定した。
【００３２】
電極材料として金を用いるとすると、金の仕事関数は５．０５ｅＶである。従って、半導体性カーボンナノチューブ１が真性半導体であると仮定すると、金電極と半導体性カーボンナノチューブ１との間に、０．１ｅＶのエネルギー障壁Ｖ0 が存在する。
【００３３】
ここで、図１０（ａ）に示すように、電子は、金電極に一定のバイアス電圧Ｅを加えた条件下で、厚さＬｍ、高さＶ0ｅＶのエネルギー障壁をトンネル効果によって透過するものとすると、透過の確率Ｔは、
【数３】
【数４】
【００３４】
Ｅ＜Ｖ０の場合、κｉは虚数になり、式（１）のＴは、Ｌが大きくなるにつれて指数関数的に減少する。つまり、距離Ｌが大きい場合には、電子は、半導体性カーボンナノチューブ１の領域に少しは侵入できるものの、最終的には全反射されてしまう。今回の計算では、電子がトンネル効果でエネルギー障壁０．０１ｅＶを透過するためには、即ち、式（１）が収束するための厚さ（coherence length）は、約２ｎｍであった。
【００３５】
そこで、Ｌを１．５ｎｍ、１ｎｍ及び０．５ｎｍとした場合について、電子に対する障壁の高さ（Ｖ０−Ｅ）の変化に対する透過率Ｔの変化を計算した。その結果を、図１０（ｂ）及び表１に示す。図１０（ｂ）及び表１から、トンネル効果による透過率Ｔは、エネルギー障壁の高さ（Ｖ０−Ｅ）及び障壁の長さＬが大きくなるにつれて減少することがわかる。そして、５０％程度の透過率Ｔを実現するには、Ｌは１ｎｍ程度に抑える必要があることがわかる。
【００３６】
【表１】
以上のように、ゲート電圧ＶG が作用しない領域６２が存在する問題点を、トンネル効果を利用して改善するためには、領域６２の長さＬを少なくとも約２ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ程度以下に抑える必要があり、この実現は加工精度上困難であると思われる。
【００３８】
なお、非特許文献１の記事によると、半導体性カーボンナノチューブ層１として、金属原子含有フラーレンを内包させた半導体性カーボンナノチューブが用いられ、導電性の改善が行われている。しかし、ゲート電圧の印加による効果は、半導体性カーボンナノチューブ層１の表面付近のごく薄い層に対して作用するものであることを考えると、フラーレンの内包による改善の効果は小さいものと考えられる。
【００３９】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、従来の炭素分子からなる電子素子の欠点を克服して、それを上回る性能を有する超小型の電子素子、及びその製造方法を提供することにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
導電性を有する内側の第１の筒状炭素分子と、
前記第１の筒状炭素分子とほぼ平行に配置され、前記第１の筒状炭素分子の一部を被 覆し、半導体性を有する外側の第２の筒状炭素分子と、
前記第１の筒状炭素分子と前記第２の筒状炭素分子との間に存在する少なくとも空間 からなる絶縁層と、
前記第２の筒状炭素分子で被覆されていない前記第１の筒状炭素分子の非被覆部位に おいて前記第１の筒状炭素分子に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記第２の筒状炭素分子に電流を入力する電流入力手段と、
前記第２の筒状炭素分子から電流を出力する電流出力手段と
を有し、前記電圧印加手段によって前記第１の筒状炭素分子に電圧を印加することによって、この印加電圧とは逆極性の電荷を前記絶縁層に面する前記第２の筒状炭素分子に誘起し、前記第２の筒状炭素分子に流れる電流を制御するように構成された電子素子（第１の電子素子）に係わり、また、
内側が空洞になっている半導体性の炭素分子と、
前記炭素分子に一部分が内包されている導電体と、
前記導電体と前記炭素分子との間に存在する少なくとも空間からなる絶縁層と、前記 炭素分子で被覆されていない前記導電体の非被覆部位において前記導電体に電圧を印加 する電圧印加手段と
を有し、前記電圧印加手段によって前記導電体に電圧を印加することによって、前記炭素分子の電気的状態を制御するように構成された電子素子（第２の電子素子）に係わる。
【００４１】
また、本発明は、導電性を有する内側の第１の筒状炭素分子と、前記第１の筒状炭素分子とほぼ平行に配置された半導体性を有する外側の第２の筒状炭素分子とが積層された筒状炭素分子積層体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記第２の筒状炭素分子の一部に電流を流して、前記第２の筒状炭素分子の一部分を 除去する工程と、
この除去によって露出した前記第１の筒状炭素分子の露出部位に電圧印加手段を設け る工程と、
前記第２の筒状炭素分子に電流入力手段及び電流出力手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法（第１の電子素子の製造方法）に係わり、また、導電性を有する内側の第１の筒状炭素分子と、前記第１の筒状炭素分子とほぼ平行に配置された半導体性を有する外側の第２の筒状炭素分子とが積層された筒状炭素分子積層体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記第１の筒状炭素分子の一部を前記第２の筒状炭素分子に対して軸方向に引き出す 工程と、
この引き出しによって露出した前記第１の筒状炭素分子の露出部位に電圧印加手段を 設ける工程と、
前記第２の筒状炭素分子に電流入力手段及び電流出力手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法（第１の電子素子の別の製造方法）に係わり、また、内側が空洞になっている半導体性の炭素分子内に、導電体が内包された構造体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記炭素分子の一部に電流を流して、前記炭素分子の一部分を除去する工程と、
この除去によって露出した前記導電体の露出部位に電圧印加手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法（第２の電子素子の製造方法）に係わり、更に、内側が空洞になっている半導体性の炭素分子内に、導電体が内包された構造体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記導電体の一部を前記炭素分子に対して軸方向に引き出す工程と、
この引き出しによって露出した前記導電体の露出部位に電圧印加手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法（第２の電子素子の別の製造方法）に係わる。
【００４２】
本発明によれば、外側に位置する第１の筒状炭素分子又はカーボンナノチューブ又は半導体性の炭素分子（以下、半導体性の第１の構造体と称する。）の電気的状態が、この第１の構造体によって一部が被覆、内包された第２の筒状炭素分子又はカーボンナノチューブ又は導電体（以下、第２の構造体と称する。）に印加される前記電圧によって効果的に制御される。
【００４３】
ここで、第１の電子素子では、前記第１及び前記第２の構造体は前記筒状炭素分子、特に各カーボンナノチューブからなり、第２の電子素子では、前記第１の構造体は前記内側が空洞になっている半導体性の炭素分子からなり、前記第２の構造体は前記導電体からなる。
【００４４】
このため、前記電圧を印加する電圧印加手段を前記第２の構造体に設け、電流を入力する電流入力手段と電流を出力する電流出力手段とを前記第１の構造体に設けた場合、前記第１の構造体の入出力電流は、前記電圧によって効果的に制御される。
【００４５】
本発明の第１の電子素子の製造方法は、少なくとも２層からなる多層カーボンナノチューブを構成する各カーボンナノチューブを材料として用いるのがよい。第１の電子素子の製造方法では、前記外側のカーボンナノチューブの一部に電流を流して、部分的に層を除去する工程を行い、内側のカーボンナノチューブを露出させ、或いは、内側のカーボンナノチューブの一部を軸方向に引き出す工程を行い、内側のカーボンナノチューブを露出させてよい。
【００４６】
いずれも、前記少なくとも２層からなる多層カーボンナノチューブを構成するカーボンナノチューブから、前記第１及び前記第２の構造体に適したカーボンナノチューブを選別して用いると、容易に能率良く電子素子を作製できる製造方法である。
【００４７】
本発明の第２の電子素子の製造方法は、円筒形のカーボンナノチューブばかりでなく、カップスタック型のカーボンナノチューブやカーボンナノホーンなど、内側に空洞を有する様々な前記炭素分子に適用可能である。
【００４８】
【発明の実施の形態】
本発明において、前記第１及び第２の筒状炭素分子はカーボンナノチューブであるのがよい。
【００４９】
また、前記電子素子は、第２の筒状炭素分子のうち、前記第１の筒状炭素分子を被覆する部分に、前記電流入力手段及び前記電流出力手段の少なくとも一方を備えるのがよい。
【００５０】
本発明において、前記電子素子は、前記炭素分子に電流を入力する入力手段と、前記炭素分子から電流を出力する出力手段とを有するのがよい。
【００５１】
このとき、前記炭素分子の前記入力手段接続位置と前記出力手段接続位置との間の全ての領域の前記電気的性質を制御したい場合には、前記導電体を内包している領域において、前記炭素分子に前記入力手段及び前記出力手段を設ける。
【００５２】
一方、前記炭素分子の前記入力手段接続位置と前記出力手段接続位置との間の一部の領域の前記電気的性質を制御したい場合には、前記導電体を内包している領域において、前記炭素分子に前記入力手段及び前記出力手段の一方を設ける。
【００５３】
より具体的には、前記電子素子は、前記導電体に印加される電圧によって、前記炭素分子を流れる電流が制御される電子素子、例えば、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成された電子素子であるのがよい。
【００５４】
即ち、前記炭素分子にソース電極及びドレイン電極を設け、前記導電体にゲート電極を設け、前記炭素分子と前記導電体との間の空間をゲート絶縁層として絶縁ゲート型電界効果トランジスタを形成した場合、前記炭素分子のソース電極接合部からドレイン電極接合部までの全チャネル領域がゲート電圧の作用下にあり、伝導チャネルが制御性良く形成されるため、トランジスタとしての良好な電流・電圧特性が得られる。
【００５５】
本発明において、前記電子素子は、前記炭素分子の前記空洞内に中心軸を一致させて前記導電体が内包されているのがよい。前記炭素分子と前記導電体の両者が軸対称の対称性をもち、中心軸を一致させて配置されている構造であれば、中心軸のまわりの前記電子素子の前記電気的性質に偏りがない。また、機械的に安定な配置になるため、配置の変動によって、前記炭素分子に対する前記導電体の作用が変動することがない。
【００５６】
本発明において、前記炭素分子としては、半導体性であれば原理的には何でもよい。例えば、円筒形のカーボンナノチューブばかりでなく、カップスタック型のカーボンナノチューブやカーボンナノホーンなどのナノカーボンと呼ばれる物質群であってよい。
【００５７】
また、前記導電体としては、導電性であれば原理的には何でもよい。例えば、金属性のカーボンナノチューブや、場合によっては、前記炭素分子の空洞内に設けられた金属等の導電性材料のナノワイヤであってもよい。
【００５８】
ただ、現在における材料の量産性や加工のしやすさを考えると、前記炭素分子としては、半導体性のカーボンナノチューブを用い、前記導電体としては、金属性のカーボンナノチューブを用い、多層カーボンナノチューブを構成する各カーボンナノチューブ層からこれらを選別して用いるのがよい。
【００５９】
より具体的に説明すると、多層カーボンナノチューブの各層の中から、半導体性カーボンナノチューブ層を１つ前記炭素分子として選択し、その内側にあり、１層若しくは複数の半導体性カーボンナノチューブ層で隔てられた金属性カーボンナノチューブ層を前記導電体として選択すればよい。
【００６０】
この場合、選択した２層以外の層は、残したままでよく、取り除く必要はない。従って、原料のカーボンナノチューブは、２層カーボンナノチューブに限られるのではなく、３層以上からなる多層カーボンナノチューブであってよい。
【００６１】
前記選択した２層の間に半導体性カーボンナノチューブ層が含まれる多層カーボンナノチューブを用いて絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製する場合には、この半導体性カーボンナノチューブ層も含めて、前記選択した２層の間をゲート絶縁層として利用する。
【００６２】
半導体性のカーボンナノチューブ層と金属性のカーボンナノチューブ層との識別・選別は、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法によって行うのがよい。
【００６３】
電極等の取り付け等に好都合な形状に加工するには、前記炭素分子及び前記導電体の一方を選別した後に、前記カーボンナノチューブ層を部分的に除去する工程を少なくとも１回行うのがよく、具体的には、前記カーボンナノチューブ層を通電による加熱下で酸化除去するのがよい。
【００６４】
あるいは、多層カーボンナノチューブを構成する内側のカーボンナノチューブ層の少なくとも１層を、走査型プローブ顕微鏡のプローブを用いて、部分的に軸方向に引き出して露出させる工程を行った後、露出している各カーボンナノチューブ層から、前記炭素分子及び前記導電体を選別するのがよい。
【００６５】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。
【００６６】
実施の形態１：絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
図１は、本発明の好ましい実施の形態１に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す概略説明図である。
【００６７】
この電界効果トランジスタでは、内側の金属性カーボンナノチューブ層２が外側の半導体性カーボンナノチューブ層１で部分的に覆われた多層カーボンナノチューブ１０を用いる。そして、金属からなるソース電極３及びドレイン電極５を半導体性カーボンナノチューブ１の両端に接触させ、金属からなるゲート電極４を金属性カーボンナノチューブ２に接触させる。
【００６８】
トランジスタとして動作させる場合には、ソース電極を接地して、ソース電極３とドレイン電極５との間の半導体性カーボンナノチューブ層１（チャネル領域）にドレイン・ソース間電圧ＶDS を加えながら、ゲート電極４を通じて金属性カーボンナノチューブ層２に制御用のゲート電圧ＶG を印加する。なお、半導体性カーボンナノチューブ１の導電型がｐ型の場合には、正のゲート電圧を印加する。
【００６９】
ゲート電圧が印加されると、半導体性カーボンナノチューブ層１の表面に可動電子を含む負の電荷を持った薄い層が誘起され、ソース・ドレイン間に伝導チャネルが形成される。この時、金属性カーボンナノチューブ層２と半導体性カーボンナノチューブ層１との間の空間が、通常の絶縁ゲート型トランジスタにおける絶縁層として機能する。
【００７０】
図２は、実施の形態１の電界効果トランジスタのドレイン電流ＩD−ドレイン・ソース間電圧ＶDS 特性を示すグラフである。ゲート電圧ＶG を一定に保ってドレイン・ソース間電圧ＶDS を増加させていくと、ドレイン電流ＩD は、ＶDS が小さい領域ではＶDS の増加につれて増加するが、やがて飽和し始め、ＶDS がある値をこえるとＶDS によらず本質的に一定となる。
【００７１】
この飽和領域で流れるドレイン電流ＩD は、ゲート電圧ＶG の増加によって増加するから、ゲート電圧ＶG（ゲート電極４に印加する制御電圧）によってドレイン電流ＩD が変調されるトランジスタとしての動作が発揮される。
【００７２】
実施の形態１の電界効果トランジスタの電流・電圧特性を、同じ図２に示した比較例の電界効果トランジスタの電流・電圧特性と比べると、飽和時に流れるドレイン電流ＩD が増加し、その結果として、ゲート電圧ＶG の変化による増加率（増幅率）も大きくなっていることがわかる。これは、本実施の形態のトランジスタでは、ドレイン・ソース間のチャネル領域の全てがゲート電圧の作用下にあり、伝導チャネルが制御性良く形成されるためと考えられる。
【００７３】
変形例として、半導体性と金属性の性質がミックスしたカーボンナノチューブ層を金属性カーボンナノチューブ層２のかわりに用いた場合でも、トランジスタ動作は可能となる。しかし、この場合には、ゲート層の伝導率が減少するため、ゲート電圧印加による電荷注入効率は減少する。
【００７４】
実施の形態２：絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製
ここでは、実施の形態１に示した絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程を説明する。
【００７５】
＜多層カーボンナノチューブ原料の作製＞
原料となる多層カーボンナノチューブは、公知の方法によって作製する。例えば、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学的気相成長）法を用いる場合には、触媒をゼオライト等に担持して反応管内に配置し、反応温度６００〜１３００℃で炭化水素系の原料ガスを流し、触媒を起点として多層カーボンナノチューブを成長させる。
【００７６】
この時、触媒として、鉄やニッケル、コバルトなどの遷移金属系の微粒子粉末を用いる。これらの微粒子は、例えば、酢酸鉄及び酢酸コバルトの混合溶液中にゼオライトを分散させ、ゼオライトの表面に酢酸鉄及び酢酸コバルトを吸着させた後、乾燥させることによってゼオライト表面に担持する。
【００７７】
反応ガスはアセチレンC2H2 等の炭化水素ガスが望ましく、さらにはアルゴンガスで希釈されるのがよい。
【００７８】
他の合成法として、炭素電極を用いた真空中でのアーク放電を利用するアーク放電法や、グラファイトをレーザーで照射して昇華させるレーザーアブレーション法等で多層カーボンナノチューブを製造することができる。
【００７９】
＜カーボンナノチューブの加工と電極の取り付け＞
上記の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製するには、内側の金属性カーボンナノチューブ層２が外側の半導体性カーボンナノチューブ層１で部分的に覆われた多層カーボンナノチューブ１０が必要である。ここでは、原料に含まれる種々の多層カーボンナノチューブの中から、上記トランジスタの作製に適した多層カーボンナノチューブを選び出し、加工する方法について、図３と図４とを用いて説明する。
【００８０】
なお、カーボンナノチューブは、真空中で随時、電子線観察顕微鏡を用いて観察しながら加工する。また、原料の中には多くの異なる整数の組（ｎ、ｍ）を持つカーボンナノチューブ層が含まれるため、半導体性ナノチューブ層１と金属性カーボンナノチューブ層２との識別及び選択は、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法によって行う。
【００８１】
工程１：多層カーボンナノチューブ１０の選別
まず、多数の多層カーボンナノチューブを基板上に分散させ、図３（ａ）に示すように、外側の層に第１プローブ１１をあてがうなどして、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法により、外層が半導体性カーボンナノチューブ層１である多層カーボンナノチューブ１０を選別する。
【００８２】
工程２：半導体性カーボンナノチューブ層１の一部の除去
次に、図３（ｂ）に示すように、半導体性カーボンナノチューブ層１のうち、チャネル領域６として残す部分を除いて、除去したい部分７の両端に第１プローブ１１及び第２プローブ１２を接触させる。この状態で、両プローブ間に電圧を印加して除去部分７に電流を流してジュール熱によって加熱し、除去部分７を選択的に酸化除去して、外側から数えて２層目のカーボンナノチューブ層８を露出させる（図３（ｃ））。
【００８３】
工程３：カーボンナノチューブ層８の選別
図４（ｄ）に示すように、工程２によって新たに露出した２層目のカーボンナノチューブ層８に対し、工程１と同様にして、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法により、半導体性カーボンナノチューブ層１であるか、金属性カーボンナノチューブ層２であるか、識別する。カーボンナノチューブ層８が金属性カーボンナノチューブ層２である場合には、ここで多層カーボンナノチューブ１０の加工を終了する。
【００８４】
工程４：工程２と工程３との繰り返し
内側層８が半導体性カーボンナノチューブ層１である場合には、工程２と工程３を繰り返す。即ち、カーボンナノチューブ層８に対して工程２と同様の部分的な酸化除去を行い、外側から数えて３層目のカーボンナノチューブ層９を露出させる（図４（ｅ））。続いて、カーボンナノチューブ層９に対して、半導体性カーボンナノチューブ層１であるか、金属性カーボンナノチューブ層２であるか、識別する工程を行う。
【００８５】
工程２と工程３は、金属性カーボンナノチューブ層２が現れるまで繰り返し、外側から１層ずつ半導体性カーボンナノチューブ層を酸化除去してゆく。この時、多層カーボンナノチューブ１０の導電率をモニターしながら酸化除去を行うのがよい。導電率は、時間に対して階段（ステップ）状に減少してゆくが、この各ステップの終了が観察される時点が、カーボンナノチューブの１層もしくは数層が除去された時点に対応する。
【００８６】
工程５：電極の取り付け
最後に、図４（ｆ）に示すように、加工されたカーボンナノチューブ１０に電極を取り付けて、電界効果型トランジスタを完成する。ここでは、走査型トンネル分光法で表面状態を観察しながらプローブを接触させ、その後ＳＴＳプローブを測定装置から切り離して、電極として用いる。即ち、外側の半導体性カーボンナノチューブ層１に対しては両端部にソース用プローブ３及びドレイン用プローブ５を接触させ、内側の金属性カーボンナノチューブ層２にはゲート用プローブ４を接触させる。
【００８７】
図４（ｆ）は、外側から数えて３層目のカーボンナノチューブ層９が金属性カーボンナノチューブ層２である例を示している。この場合、外側から数えて２層目の半導体性カーボンナノチューブ８も含めて、半導体性カーボンナノチューブ層１のチャネル領域６と金属性カーボンナノチューブ層２との間をゲート絶縁層として利用する。
【００８８】
ここでは、予め外側の層が半導体性カーボンナノチューブ層１である多層カーボンナノチューブ１０を選別して用いたが、外側の層が金属性カーボンナノチューブ層である多層カーボンナノチューブに対しては、工程２と同様にして、半導体性カーボンナノチューブ層が露出するまで、外側の金属性カーボンナノチューブ層の一部又は全部を酸化除去する工程を行い、その後、この多層カーボンナノチューブを多層カーボンナノチューブ１０と同様に用いてもよい。
【００８９】
実施の形態２に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法は、多層カーボンナノチューブを利用しているため、容易に、歩留まり良く絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製することができる。
【００９０】
また、必要な２つの層以外の層に対する加工を最小限に抑えることができるため、工程数が少なく、歩留まりの良い、生産性の高い絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法である。
【００９１】
また、実施の形態２に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法は、円筒形のカーボンナノチューブばかりでなく、カップスタック型のカーボンナノチューブやカーボンナノホーンなど、内側に空洞を有する様々な多層ナノカーボンに適用可能な製造方法である。
【００９２】
実施の形態３：絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製
ここでは、内側の金属性カーボンナノチューブ層２が外側の半導体性カーボンナノチューブ層１で部分的に覆われた多層カーボンナノチューブを作成する別の方法を、図５を用いて説明する。
【００９３】
まず、任意の多層カーボンナノチューブ２０を選択する。
【００９４】
次に、多層カーボンナノチューブ２０の最外層を固定する。真空チャンバ内で、多層カーボンナノチューブ２０の最外層に、第１プローブ１１をナノチューブ２０の軸方向と平行に接触させ、放置する。真空チャンバ内部の、カーボンを含む不純物が接触部分に付着し堆積することにより、多層カーボンナノチューブ２０の最外層は第１プローブ１１に固着する。
【００９５】
次に、上記と同様の方法で多層カーボンナノチューブ２０の内側の層に第２プローブ１２を固着させた後、第１プローブ１１と第２プローブ１２とを引き離していくと、図５（ｂ）のような内側層を引き出された多層カーボンナノチューブ２１を作ることができる。
【００９６】
図５（ｂ）のままでも電界効果トランジスタを作製できるが、必要な場合には、電子線又はイオンビームの照射、又は切断部分の両側にプローブを接触させ電流を流すことによる加熱等により、図５（ｂ）に示す断面Ｂ−Ｂ′で切断して、図５（ｃ）の構造を作製することができる。
【００９７】
以上の工程で成形された多層カーボンナノチューブ２２の構造の中で、実施の形態１の工程１と同様にして、走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び顕微ラマン分光法により、外側に半導体性カーボンナノチューブ層１があり、内側に金属性カーボンナノチューブ層２がある２層を選択する。
【００９８】
選択された２層に対し、実施の形態１の作製工程の工程５と同様にして電極を取り付けることにより、実施の形態１と同様の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製することができる。
【００９９】
ここでも、実施の形態１の工程１と同様に、まず、多数の多層カーボンナノチューブを基板上に分散させ、その中から外側の層が半導体性カーボンナノチューブ層１である多層カーボンナノチューブを選別し、その選別した多層カーボンナノチューブに対して本実施の形態の方法を適用してもよい。
【０１００】
実施の形態３に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法は、多層カーボンナノチューブを利用しているため、容易に、歩留まり良く絶縁ゲート型電界効果トランジスタを作製することができる。
【０１０１】
また、工程数の少ない、生産性の高い絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法である。
【０１０２】
実施の形態４
図６は、本発明の好ましい実施の形態４に基づく電流変調素子３７である。実施の形態１の電界効果トランジスタの作製に用いた多層カーボンナノチューブ１０と異なり、ここで用いる多層カーボンナノチューブ３０では、金属性カーボンナノチューブ層２は、半導体性カーボンナノチューブ層１の一部までしか届いていないことに注意してほしい。このような多層カーボンナノチューブ３０は、実施の形態３に示した方法で作製することができる。
【０１０３】
また、電極３１及び電極３２を半導体性カーボンナノチューブ層１に接触させ、電極３３を金属性カーボンナノチューブ層２に接触させる。ここで、電極３２は、金属性カーボンナノチューブ層２を内包する領域に設けられているが、電極３１は、金属性カーボンナノチューブ層２を内包していない領域に設けられている。
【０１０４】
この電流変調素子３７では、電極３１と電極３２との間に電圧を加えながら、電極３３に制御電圧を印加する。半導体性カーボンナノチューブ層１がｐ型である場合には、電極３３には、正の電圧を印加する。
【０１０５】
電極３３を通じて金属性カーボンナノチューブ層２に正の電圧が印加されると、半導体性カーボンナノチューブ層１の対向する部分に負電荷３４が誘起され、ｐ型の半導体性カーボンナノチューブ層３５に接してｎ型化した領域３６が形成される。
【０１０６】
ｎ型化した領域３６の導電性は、制御電圧に依存するので、電極３１と電極３２の間を流れる電流は制御電圧によって変調される。
【０１０７】
実施の形態５
図７は、本発明の好ましい実施の形態５に基づくナノサイズのコンデンサ４４である。基本構造として、実施の形態１の電界効果トランジスタの作製に用いた多層カーボンナノチューブ１０を用いている。多層カーボンナノチューブ１０の半導体性カーボンナノチューブ層１の表面を導電性材料４１でコーティングし、電極４２をその導電性材料４１に電極４２を接続し、金属性カーボンナノチューブ層２に電極４３を接続している。
【０１０８】
コンデンサ４４は、極微小サイズのコンデンサとして機能する。
【０１０９】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【０１１０】
【発明の作用効果】
本発明によれば、外側に位置する半導体性の第１の構造体の電気的状態が、この第１の構造体によって一部が被覆、内包された第２の構造体に印加される電圧によって制御されるので、第１の構造体の前記電気的状態が、第２の構造体に印加される電圧によって効果的に制御される。
【０１１１】
このため、電圧を印加する電圧印加手段を第２の構造体に設け、電流を入力する電流入力手段と電流を出力する電流出力手段とを第１の構造体に設けた場合、第１の構造体の入出力電流は、前記電圧によって効果的に制御される。
【０１１２】
本発明の第１の電子素子の製造方法は、特に、少なくとも２層からなる多層カーボンナノチューブを構成する各カーボンナノチューブを材料として用い、外側のカーボンナノチューブの一部に電流を流して、部分的に層を除去する工程を行い、内側のカーボンナノチューブを露出させる。或いは、内側のカーボンナノチューブの一部を軸方向に引き出す工程を行い、内側のカーボンナノチューブを露出させる。
【０１１３】
いずれも、少なくとも２層からなる多層カーボンナノチューブを構成するカーボンナノチューブから、第１及び第２の構造体に適したカーボンナノチューブを選別して用いるので、容易に能率良く電子素子を作製できる製造方法である。
【０１１４】
本発明の第２の電子素子の製造方法は、円筒形のカーボンナノチューブばかりでなく、カップスタック型のカーボンナノチューブやカーボンナノホーンなど、内側に空洞を有する様々な炭素分子に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの構造を示す概略説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１及び比較例の電界効果型トランジスタのドレイン電流ＩD−ドレイン・ソース間電圧ＶDS特性を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態２に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程を示す概略斜視図である。
【図４】同、絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程を示す概略斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態３に基づく絶縁ゲート型電界効果トランジスタの作製工程の一部を示す概略斜視図及び平面図である。
【図６】本発明の実施の形態４に基づく電流変調素子の構造を示す概略斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図７】本発明の実施の形態５に基づくコンデンサの構造を示す概略説明図である。
【図８】カーボンナノチューブの分子構造を定義するための展開図（グラフェンシートの一部分）である。
【図９】比較例の電界効果トランジスタの構造を示す概略説明図である。
【図１０】比較例の電界効果トランジスタの、ゲート電圧が作用しない領域６２におけるトンネル効果を表す説明図（ａ）と、透過率とエネルギー障壁の大きさの関係を示すグラフ（ｂ）である。
【符号の説明】
１…半導体性カーボンナノチューブ層、２…金属性カーボンナノチューブ層、
３…ソース電極、４…ゲート電極、５…ドレイン電極、
６…半導体性カーボンナノチューブ層１のチャネル領域、
７…半導体性カーボンナノチューブ層１の除去する部分、
８…外側から数えて２層目のカーボンナノチューブ層、
９…外側から数えて３層目のカーボンナノチューブ層、
１０…外側が半導体性カーボンナノチューブ層１である、多層カーボンナノチューブ、１１…第１プローブ、１２…第２プローブ、
２０…多層カーボンナノチューブ、
２１…内側層を引き出された多層カーボンナノチューブ、
２２…成形された多層カーボンナノチューブ、
３０…多層カーボンナノチューブ、３１、３２、３３…電極、
３４…誘起された負電荷、３５…ｐ型領域、３６…誘起されたｎ型領域、
３７…電流変調素子、４１…導電性材料、４２、４３…電極、
４４…コンデンサ、５１、５２…６員環、６１…２層カーボンナノチューブ、
６２…ゲート電圧ＶG が作用しない領域
Claims (29)
- 導電性を有する内側の第１の筒状炭素分子と、
前記第１の筒状炭素分子とほぼ平行に配置され、前記第１の筒状炭素分子の一部を被 覆し、半導体性を有する外側の第２の筒状炭素分子と、
前記第１の筒状炭素分子と前記第２の筒状炭素分子との間に存在する少なくとも空間 からなる絶縁層と、
前記第２の筒状炭素分子で被覆されていない前記第１の筒状炭素分子の非被覆部位に おいて前記第１の筒状炭素分子に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記第２の筒状炭素分子に電流を入力する電流入力手段と、
前記第２の筒状炭素分子から電流を出力する電流出力手段と
を有し、前記電圧印加手段によって前記第１の筒状炭素分子に電圧を印加することによって、この印加電圧とは逆極性の電荷を前記絶縁層に面する前記第２の筒状炭素分子に誘起し、前記第２の筒状炭素分子に流れる電流を制御するように構成された電子素子。 - 前記第１及び第２の筒状炭素分子はカーボンナノチューブである、請求項１に記載した電子素子。
- 前記第２の筒状炭素分子のうち、前記第１の筒状炭素分子を被覆する部分に、前記電流入力手段及び前記電流出力手段の少なくとも一方を備える、請求項１に記載した電子素子。
- 導電性を有する内側の第１の筒状炭素分子と、前記第１の筒状炭素分子とほぼ平行に配置された半導体性を有する外側の第２の筒状炭素分子とが積層された筒状炭素分子積層体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記第２の筒状炭素分子の一部に電流を流して、前記第２の筒状炭素分子の一部分を 除去する工程と、
この除去によって露出した前記第１の筒状炭素分子の露出部位に電圧印加手段を設け る工程と、
前記第２の筒状炭素分子に電流入力手段及び電流出力手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法。 - 前記除去する工程は、前記第２の筒状炭素分子の一部分を通電による加熱下で酸化除去することにより行う、請求項４に記載した電子素子の製造方法。
- 導電性を有する内側の第１の筒状炭素分子と、前記第１の筒状炭素分子とほぼ平行に配置された半導体性を有する外側の第２の筒状炭素分子とが積層された筒状炭素分子積層体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記第１の筒状炭素分子の一部を前記第２の筒状炭素分子に対して軸方向に引き出す 工程と、
この引き出しによって露出した前記第１の筒状炭素分子の露出部位に電圧印加手段を 設ける工程と、
前記第２の筒状炭素分子に電流入力手段及び電流出力手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法。 - 前記筒状炭素分子積層体として多層カーボンナノチューブを用いる、請求項４又は６に記載した電子素子の製造方法。
- 前記第２の筒状炭素分子のうち、前記第１の筒状炭素分子を被覆する部分に、前記電流入力手段及び前記電流出力手段の少なくとも一方を設ける、請求項４又は６に記載した電子素子の製造方法。
- 内側が空洞になっている半導体性の炭素分子と、
前記炭素分子に一部分が内包されている導電体と、
前記導電体と前記炭素分子との間に存在する少なくとも空間からなる絶縁層と、
前記炭素分子で被覆されていない前記導電体の被覆部位において前記導電体に電圧を 印加する電圧印加手段と
を有し、前記電圧印加手段によって前記導電体に電圧を印加することによって、前記炭素分子の電気的状態を制御するように構成された電子素子。 - 前記炭素分子に電流を入力する電流入力手段と、前記炭素分子から電流を出力する電流出力手段とを有する、請求項９に記載した電子素子。
- 前記導電体を内包している領域において、前記炭素分子に前記電流入力手段及び前記電流出力手段の少なくとも一方を備える、請求項１０に記載した電子素子。
- 前記電圧印加手段によって前記導電体に電圧を印加することによって、この印加電圧とは逆極性の電荷を前記絶縁層に面する前記炭素分子に誘起し、前記炭素分子に流れる電流を制御するように構成された、請求項９に記載した電子素子。
- 前記導電体をゲート電極、前記絶縁層をゲート絶縁層、前記炭素分子をチャネルとする絶縁ゲート型電界効果トランジスタとして構成された、請求項１２に記載した電子素子。
- 前記炭素分子の前記空洞内に中心軸を一致させて前記導電体が内包されている、請求項９に記載した電子素子。
- 前記炭素分子が半導体性のカーボンナノチューブであり、前記導電体が金属性のカーボンナノチューブである、請求項９に記載した電子素子。
- 前記炭素分子及び前記導電体が、多層カーボンナノチューブを構成する各カーボンナノチューブ層から選別された層である、請求項１５に記載した電子素子。
- 内側が空洞になっている半導体性の炭素分子内に、導電体が内包された構造体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記炭素分子の一部に電流を流して、前記炭素分子の一部分を除去する工程と、
この除去によって露出した前記導電体の露出部位に電圧印加手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法。 - 前記除去する工程は、前記炭素分子の一部分を通電による加熱下で酸化除去することにより行う、請求項１７に記載した電子素子の製造方法。
- 内側が空洞になっている半導体性の炭素分子内に、導電体が内包された構造体を用いて電子素子を製造する方法であって、
前記導電体の一部を前記炭素分子に対して軸方向に引き出す工程と、
この引き出しによって露出した前記導電体の露出部位に電圧印加手段を設ける工程と
を有する、電子素子の製造方法。 - 前記構造体としての多層カーボンナノチューブを構成する各カーボンナノチューブ層から、前記炭素分子及び前記導電体にそれぞれ相当するカーボンナノチューブ層を選別する、請求項１７に記載した電子素子の製造方法。
- 走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び／又は顕微ラマン分光法によって前記選別を行う、請求項２０に記載した電子素子の製造方法。
- 前記炭素分子及び前記導電体の一方を選別した後に、前記カーボンナノチューブ層を部分的に除去する工程を少なくとも１回行う、請求項２０に記載した電子素子の製造方法。
- 前記構造体としての多層カーボンナノチューブを構成する内側のカーボンナノチューブ層を、外側のカーボンナノチューブ層から部分的に軸方向に引き出して露出させた後、これらの各カーボンナノチューブ層から、前記炭素分子及び前記導電体に相当するカーボンナノチューブ層を選別する、請求項１９に記載した電子素子の製造方法。
- 前記内側のカーボンナノチューブ層の引き出し工程を走査型プローブ顕微鏡のプローブを用いて行い、前記選別を走査型トンネル分光プローブ法（ＳＴＳプローブ法）及び／又は顕微ラマン分光法によって行う、請求項２３に記載した電子素子の製造方法。
- 前記炭素分子に電流を入力する電流入力手段を設ける工程と、前記炭素分子から電流を出力する電流出力手段を設ける工程とを有する、請求項１７又は１９に記載した電子素子の製造方法。
- 前記導電体を内包している領域において、前記炭素分子に、前記電流入力手段及び前記電流出力手段の少なくとも一方を設ける、請求項１７又は１９に記載した電子素子の製造方法。
- 前記導電体をゲート電極、前記導電体と前記炭素分子との間に存在する少なくとも空間をゲート絶縁層、前記炭素分子をチャネルとする絶縁ゲート型電界効果トランジスタを製造する、請求項１７又は１９に記載した電子素子の製造方法。
- 前記炭素分子の前記空洞内に中心軸を一致させて前記導電体を内包させる、請求項１７又は１９に記載した電子素子の製造方法。
- 前記炭素分子として半導体性のカーボンナノチューブを用い、前記導電体として金属性のカーボンナノチューブを用いる、請求項１７又は１９に記載した電子素子の製造方法。
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