JP4461673B2 - 能動的電子素子および電子装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速動作を行うことができる、新規な能動的電子部品、および、これを用いた電子装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】
Ｓ．Ｊ．Ｔａｎｓ，ｅｔ ａｌ．Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３３，１９９８年，ｐ．４９〜５１．，“Ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ”
【非特許文献２】
Ａ．Ｊａｖｅｙ ｅｔ ａｌ．Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２，２００２年，ｐ．９２９−９３２．“Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ Ｔｒｓｎｓｉｓｔｏｒ Ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｌｏｇｉｃ ａｎｄ Ｒｉｎｇ Ｏｓｃｉｌａｔｏｒｓ”
【非特許文献３】
Ｐ．Ｇ．Ｃｏｌｌｉｎｓ， ｅｔ ａｌ．Ｓｃｉｅｎｃｅ， ｖｏｌ．２９２，７０６〜７０９．，“Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ”
【０００３】
現在、通信回路や論理回路等で用いられているＳｉ製の電界効果トランジスタ（Ｓｉトランジスタ）は、理論的に予測される限界まで小型化し縮小することは簡単なことではない。性能を高め集積率を向上させる目的でＳｉトランジスタのサイズを縮小するためには、多くの課題がある。
【０００４】
例えば、Ｓｉトランジスタのサイズが１００ｎｍ以下になると、作製プロセスでは、露光技術やエッチング技術が困難になり、さらにＳｉトランジスタの動作も、短チャネル効果や素子温度の上昇に関する問題が現れてくる。論理素子の場合、しきい値以下での伝導効果、出力コンダクタンスおよび素子の電力利得の低下が生じる。ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリなどの揮発性メモリや、電気的消去可能なプログラマブル・ランダム・アクセス・メモリ素子などの不揮発性メモリ素子の場合には、しきい値以下での伝導により、蓄積電荷の漏れやしきい値性能の低下をもたらす。
【０００５】
一方、ＧａＡｓ等の新しい材料を基本としたトランジスタも考案されているが、加工等が困難で、一部の論理回路や通信素子を除けば、大規模な集積回路への展開は難しい。
【０００６】
ところで、最近、カーボンナノチューブが新しい半導体材料として注目されている。これは、カーボンナノチューブの直径が１０ｎｍ程度で、しかも、バリスティック伝導に近い伝導機構を有するために、高速動作が可能で、素子の発熱も少ないことが期待されているからである。
【０００７】
半導体特性を示す単層のカーボンナノチューブを用いて、これまで整流器やトランジスタが試作されてきた。カーボンナノチューブを電子素子として用いることの利点は、カーボンナノチューブの伝導機構がバリスティック伝導という、電子が固体内でほとんど散乱されない状態となっていることにある。すなわち、カーボンナノチューブでトランジスタを構成した場合、高速に動作させることが可能で、さらに熱の発生が少ない、という利点を有する。
【０００８】
また、カーボンナノチューブは、一般的にその直径が１ｎｍから２０ｎｍ程度なので、微細な回路の素子や電極として利用するのも好適である。カーボンナノチューブを用いたデバイスの作製技術も進展しており、単層のカーボンナノチューブから意図的に半導体特性を示すものだけを分別する技術や、不純物のドーピング技術等が開発されている。
【０００９】
カーボンナノチューブを用いたデバイスに関しては、これまでにいくつかの技術が開示されている。例えば、半導体特性を示す単層のカーボンナノチューブを白金電極に接続し、室温で動作する電界効果トランジスタを構成する技術（非特許文献１参照）や、カーボンナノチューブでｐ型とｎ型のトランジスタを作製し、コンプリメンタリー型のインバータを構成する技術（非特許文献２参照）などが挙げられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カーボンナノチューブを用いてトランジスタを作製し、その動作をリングオシレータで評価した場合、これまで報告されている動作例では、発振周波数が約２００Ｈｚ程度と極めて遅い。この理由として、配線のストレージキャパシターが高いためと推測されるが、一方でカーボンナノチューブ自体のバリスティック伝導との兼ね合いから、カーボンナノチューブでは正常なトランジスタ動作が起きていないとする考えもある。
【００１１】
また、カーボンナノチューブで半導体特性を示すものは、単層のカーボンナノチューブだけであり、その単層のカーボンナノチューブにおいても金属性を示すものと半導体特性を示すものとがある。さらに多層のカーボンナノチューブに至っては、金属性を示すもののみである。半導体特性を示すものでないと、通常の電界効果を利用した能動的電子素子を作製することはできない。個々のカーボンナノチューブに多量の電流を流し、金属性を示すものを消失させることによって、半導体特性のもののみを残すという手法も提案されてはいるが（非特許文献３参照）、操作が煩雑であり大量生産には向かない。
【００１２】
このような観点から、工業的には、金属性を示すカーボンナノチューブでも能動的に動作し、しかも、高速動作を実現するデバイス技術が望まれている。
したがって、本発明の目的は、カーボンナノチューブを用いた素子であって、高周波動作に優れた能動的電子素子、および、これを用いた電子装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、以下の本発明により達成される。すなわち本発明の能動的電子素子は、カーボンナノチューブと、その両端にそれぞれ接続する第１の電極および第２の電極と、前記カーボンナノチューブに対向して配置され、前記カーボンナノチューブに電磁波を照射する第３の電極と、を含み、
カーボンナノチューブが、金属性を示し、及び／または、多層カーボンナノチューブであり、
前記カーボンナノチューブに対し前記第３の電極から照射される少なくとも高周波の電磁波により、前記カーボンナノチューブに流れる電流量を変化させることを特徴とする。
【００１４】
本発明者らは、カーボンナノチューブに上記の如く電極を構成し、前記第３の電極により高周波を照射することで、カーボンナノチューブの導電率を変化させることができることを見出し、本発明に想到した。カーボンナノチューブの導電率が変化することにより、そこに流れる電流量が変化し、さらに第１の電極および第２の電極間の抵抗が変化する。
【００１５】
本発明の能動的電子素子の基本構成は、カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタに近似しているが、トランジスタにおいてゲート電極に相当する前記第３の電極により高周波を照射することで、例えば多層カーボンナノチューブの如く金属性を示すカーボンナノチューブを用いても導電率を制御することができ、半導体特性を示す単層カーボンナノチューブでなくても能動的電子素子を実現することができた点で、画期的である。
【００１６】
したがって、今までデバイス作製の議論は、半導体特性を示す単層カーボンナノチューブが必然であったが、本発明により、その範囲が多層カーボンナノチューブや、金属性を示す単層カーボンナノチューブにまで広がり、デバイス作製の容易化、低コスト化への寄与が極めて大きい。
【００１７】
本発明の能動的電子素子は、３つの電極とカーボンナノチューブとが既述の如く関連付けられることが基本構成となるが、実際の素子構成としては、例えば、第１の電極および第２の電極が基板表面に形成され、第３の電極が、基板表面または裏面に形成されてなる。
【００１８】
本発明の能動的電子素子は、例えば、前記第３の電極から照射される高周波の電磁波により、前記カーボンナノチューブに流れる電流量を、電磁波を全く照射しなかったときに前記カーボンナノチューブに流れる電流量よりも大きくさせることで、前記カーボンナノチューブに流れる電流量を変化させる能動的電子素子とすることができる。
【００１９】
前記カーボンナノチューブとしては、特に制限は無いが、既述の如く多層カーボンナノチューブを用いることができ、その長さとしては、一概には言えないが、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下の範囲内から選択することができる。
第１の電極、第２の電極および第３の電極としては、特に制限は無いが、それぞれ独立に、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｓｉよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなるものとすることができる。
【００２０】
本発明の能動的電子素子を基板表面ないし裏面に構成する場合には、当該基板の比誘電率としては、１以上１００以下であることが一般的であり、その材質としては、特に制限は無いが、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化シリコンよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなる絶縁体とすることができる。
【００２１】
一方、本発明の電子装置は、カーボンナノチューブと、その両端にそれぞれ接続する第１の電極および第２の電極と、前記カーボンナノチューブに近接して配置され、これに電磁波を照射する第３の電極とを含む能動的電子素子（すなわち、本発明の能動的電子素子）、並びに、前記第３の電極から少なくとも高周波の電磁波を出力させる駆動回路を備えたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態を挙げて具体的に説明する。
図１は、本発明の能動的電子素子の一実施形態を示す模式平面図である。本実施形態の能動的電子素子は、基板２の表面に形成されたソース電極（第１の電極）Ｓおよびドレイン電極（第２の電極）Ｄ間を橋渡しするようにカーボンナノチューブ１が配置され、さらに基板２の表面におけるカーボンナノチューブ１に近接した位置にゲート電極（第３の電極）Ｇが形成されて構成される。
【００２３】
なお、本発明の能動的電子素子は、トランジスタとして機能するものではないが、その構成が電界効果型トランジスタに近似しており、外的作用により２電極間の電流特性に変化が生じる点で機能も近似しているため、各電極名についてもトランジスタの用語であるソース、ドレインおよびゲートの各用語を用いて説明する。勿論、第１の電極と第２の電極とで位置付けに差はないため、どちらをソース、ドレインと捉えることもできるが、本説明では、第１の電極をソース電極、第２の電極をドレイン電極として説明する。
【００２４】
このような基本構成の本実施形態の動的電子素子は、ゲート電極Ｇから所定の周波数帯域、かつ所定の強度範囲の高周波を照射すると、カーボンナノチューブ１の導電率が変化して、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間の抵抗値も変化する。したがって、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間に電圧を印加した場合の電圧−電流の特性にも変化が生じる。すなわち、本実施形態の能動的電子素子は、ゲート電極Ｇにより照射する電磁波の周波数によって、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間の電流特性を能動的に制御することができる。
【００２５】
本発明の能動的電子素子の原理そのものは、不明であるが、カーボンナノチューブの高周波伝送特性と相関があるものと推測される。以下に、多層カーボンナノチューブを例に挙げて、高周波伝送特性について説明する。
【００２６】
多層カーボンナノチューブの両端にＡｕ電極を接続し、ベクトルネットワークアナライザー（アジレントテクノロジー製８７５３ＥＳ）と同軸エアラインから構成される測定系を使って反射係数および透過係数を測定した。自由空間の透磁率、誘電率が１となるように校正した後、同軸エアラインに試料を挿入し、前記ベクトルネットワークアナライザーの２つのポートを使用して、反射係数（Ｓ１１）、透過係数（Ｓ２１）の２つのパラメータを測定した。
【００２７】
すると、反射係数（Ｓ１１）は１ＧＨｚ近傍に強い損失が存在し、透過係数（Ｓ２１）では、逆に１ＧＨｚ近傍で透過率が上昇した。このうち特に有意に観測された反射係数（Ｓ１１）の測定データについて、電磁波の周波数を横軸にしてプロットしたグラフを図２に示す。この結果は、測定した多層カーボンナノチューブが、１ＧＨｚ近傍の電磁波のみを伝達しやすいことを示す。これは、前記多層カーボンナノチューブ内の振動モードと電磁波とが共鳴し、伝送特性を向上させているものと推測できる。
【００２８】
一方、カーボンナノチューブは、グラフェンシートから構成されているので、電子構造として様々な波長の電磁波を吸収する理想黒体に近い物質である。したがって、１ＧＨｚ近傍の高周波を外部から照射すれば、前記多層カーボンナノチューブは電磁波を吸収し、その電磁波を前記多層カーボンナノチューブ内のキャリアに変換し、１ＧＨｚで振動するキャリアを伝達することになる。このため、電磁波の照射で前記多層カーボンナノチューブ内の自由なキャリア密度が増し、導電率が向上することになると推測できる。
【００２９】
以上の原理は、あくまでもカーボンナノチューブの高周波伝送特性に基づく推測であり、本発明の効果が、上記原理に基づく作用により制限されるものではない。
【００３０】
次に、本発明の能動的電子素子の具体的構成について、本実施形態の構成を例に挙げて説明する。
基板２としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものから適宜選択して使用することができる。基板２の比誘電率としては、１以上１００以下であることが一般的である。また、その材質についても、特に制限は無いが、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化シリコンよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなる絶縁体とすることができる。
【００３１】
ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄおよびゲート電極Ｇとしては、特に制限は無いが、それぞれ独立に、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｓｉよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなるものとすることができる。これらの電極形成には、通常の半導体プロセスを用いて行えばよい。具体的には、スパッタや真空蒸着等が挙げられる。
これら電極の厚みとしては、通常の半導体素子の配線や電極と同様の厚さで問題ないが、一般的には５０ｎｍ〜２μｍ程度の範囲から選択される。
【００３２】
これら電極の位置関係としては、まず、相互に電気的に独立して（離間して）配置されることが前提である。そして、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間隙には、カーボンナノチューブ１が橋渡しされるため、本実施形態においてソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間隙は、基本的にはカーボンナノチューブ１の長さよりも短いことが必須となる。具体的には、１０ｎｍ〜１０μｍ程度、より好ましくは１〜５μｍ程度の範囲から選択される。ただし、本発明においては、カーボンナノチューブを複数本配置して、カーボンナノチューブ相互間で接触させることで全体として両電極間を橋渡しすれば、両電極間の間隙は大きくとることができる。
【００３３】
ゲート電極Ｇは、カーボンナノチューブ１にある程度近いことが好ましいが、他の電極にあまりに近づけて電極を形成することは、製造上困難な場合もある。したがって、ゲート電極Ｇの先端には、カーボンナノチューブ１に向けて、ゲート電極Ｇから照射される高周波の道筋を補助するための、誘電体層を設けておくことも可能である。この誘電体層は、カーボンナノチューブ１が配置される位置に近接ないし接触させて、あるいはカーボンナノチューブ１が配置される位置の下面にまで及ぶように設けることができ、当該誘電体層とカーボンナノチューブ１とが接触状態となっていても構わない。この誘電体層は、例えばＴｉＯ2等により形成される。
【００３４】
また、ゲート電極Ｇの位置としては、他の電極との関係で決まるのではなく、カーボンナノチューブ１に対して有効に電磁波を照射できる程度に近接状態で対向配置することが条件となる。カーボンナノチューブ１との距離は、照射する電磁波の強度にもよるため一概には言えないが、照射される電磁波に対する応答性を考慮すると、ある程度近接させることが好ましい。具体的には、カーボンナノチューブ１とゲート電極Ｇとの距離は、例えば、１０ｎｍ以上５μｍ以下程度の範囲から選択すればよい。
【００３５】
ゲート電極Ｇは、本実施形態では他の電極と同一面である基板２の表面に形成されているが、以上のようにカーボンナノチューブ１との関係で位置を決めればよいため、基板２の裏面側に形成しても何ら差し支えない。また、例えば針状のゲート電極の先端をカーボンナノチューブ１に接近させる等、基板２とは独立した状態でゲート電極を配置しても構わない。
【００３６】
カーボンナノチューブ１としては、特に制限されるものではなく、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブのいずれも使用することができる。特に、本発明の能動的電子素子においては、半導体特性を示さないカーボンナノチューブについても良好に用いることができる点が特徴的であり、その意味で、金属性を示す単層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブを能動的な素子の材料に用いることができるメリットが大きい。
【００３７】
カーボンナノチューブ１としては、例えば、アーク放電法や化学気相成長法で作製した一般的なものを問題なく使用することができる。また、カーボンナノチューブ１の直径や長さとしては、特に制限は無く、例えば直径が１ｎｍ以上０．１μｍ以下のもの、長さが１ｎｍ以上１ｍｍ以下のものを問題なく使用することができる。
【００３８】
カーボンナノチューブ１は、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間に橋渡しされる。カーボンナノチューブが１本の場合には、本実施形態のように、その両端がソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとにそれぞれ接触するように載置した上で、必要に応じて固定する。カーボンナノチューブが複数本の場合には、カーボンナノチューブ相互間が接触して、全体としてソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとを橋渡しするように載置すればよい。なお、この場合も本発明に言う「カーボンナノチューブの両端にそれぞれ接続」の概念に含めるものとする。
【００３９】
また、カーボンナノチューブが複数本の場合、ソース電極Ｓおよび／またはドレイン電極Ｄと接触するカーボンナノチューブは、１本でも２本以上でも構わない。全体として、少なくとも１本以上のカーボンナノチューブによる橋渡しが完成していれば構わない。
【００４０】
カーボンナノチューブ１をソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間に橋渡しさせるには、例えば、１本もしくは複数本のカーボンナノチューブをマイクロマニュピレーターで操作することにより行うことができるが、上記のようにカーボンナノチューブによる橋渡しが最終的に完成していれば、如何なる方法によっても構わない。
【００４１】
カーボンナノチューブ１とソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄとの間の接続は、電気的に導通されればよく、例えば、カーボンナノチューブ１の端部とソース電極Ｓもしくはドレイン電極Ｄとの接合部に電子ビームを照射することで、電気的かつ力学的な接合をさらに強固にすることができる。両者の接続は、この方法に限定されず、従来公知の各種方法によることができる。また、特に強固な固着を望まない場合には、単にソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄの上にカーボンナノチューブ１を載置するのみでも構わない。
【００４２】
以上のようにして製造された本発明の能動的電子素子（後述の実施例で製造したもの）の走査電子顕微鏡写真（２００００倍）を図３に示す。なお、写真の倍率は、写真の引き伸ばしの程度により、多少の誤差が生じている。図３に示す本発明の能動的電子素子は、写真上の左右に形成されたソース電極およびドレイン電極の間にカーボンナノチューブが橋渡しされ、その上方にゲート電極が配されている。
【００４３】
ゲート電極Ｇからカーボンナノチューブ１に向けてある高周波を照射すると、当該高周波の影響でカーボンナノチューブの導電率が向上する。この導電率変化により、ソース電極−ドレイン電極間の電気抵抗が向上する。したがって、本発明の能動的電子素子は、高周波回路上、能動的デバイスとして作用することになる。
【００４４】
以上のように構成される本発明の能動的電子素子は、その構成に応じて、特有の高周波に対して導電率が変化する特性を使用して、各種電子素子として利用することができる。具体的には例えば、特定周波数の高周波検出素子として機能する電子素子や、特定周波数の高周波によりＯＮ−ＯＦＦ制御が可能なスイッチング素子として機能する電子素子として、利用することができる。
【００４５】
一方、本発明の電子装置は、カーボンナノチューブと、その両端にそれぞれ接続する第１の電極および第２の電極と、前記カーボンナノチューブに近接して配置され、これに電磁波を照射する第３の電極とを含む能動的電子素子、すなわち、上記本発明の能動的電子素子、並びに、前記第３の電極から少なくとも高周波の電磁波を出力させる駆動回路を備えたことを特徴とするものである。前記駆動回路は、高周波の電磁波を出力させ得るものであれば特に制限は無く、従来公知の各種装置を駆動回路に組み込むことができる。その具体例は、後述の実施例における測定システムに用いられたアナログＲＦ信号発生器などを例示することができる。
【００４６】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により制限されるものではない。
（実施例１）
６ｍｍ×６ｍｍで厚さ０．４ｍｍのＮ型Ｓｉ（１００）ウエハーの表面に熱酸化法でＳｉの酸化膜を１μｍの厚さで成長させ、これを基板とした。
【００４７】
次に、この基板表面にリフトオフ法で、ソース、ドレインおよびゲートとなる各電極パターンを形成した。具体的には、光露光法でまずフォトレジストを加工し、その上からＴｉとＡｕを電子ビーム蒸着法で蒸着した。このとき、Ｔｉ層とＡｕ層の厚みはそれぞれ５００ｎｍと８００ｎｍであった。なお、対向するソース電極とドレイン電極との間隙は１μｍ、これら両電極の中心軸と垂直方向に１．５μｍ離れた位置にゲート電極を形成した。レジストを剥離後、精密洗浄し、形成した電極チップを切り出した。
【００４８】
次いで、アーク放電法で作製した直径３０ｎｍで長さ２μｍの多層カーボンナノチューブの両端を、前記ソース電極およびドレイン電極に橋渡しするように載置し、接続した。具体的には、マイクロマニュピレーターで１本のカーボンナノチューブを所望の位置に移動させて、電子ビームで両電極（Ａｕ／Ｔｉ電極）と固定し、本実施例の能動的電子素子を製造した。得られた能動的電子素子の走査電子顕微鏡写真を図３に示す。
【００４９】
得られた能動的電子素子の電気特性を測定するために、図４に示すように測定システムを組んだ。ここで図４は、本実施例の能動的電子素子に、その電気特性を測定するため測定システムを組み込むべく配線を施した状態を表す回路図である。図４の回路図は、本実施例の能動的電子素子の走査電子顕微鏡写真である図３に直接、回路図を書き込んだものである。この回路図の装置は、それ自体、本発明の電子装置として動作するものである。図４の回路図中の半導体パラメータ・アナライザには、アジレントテクノロジー製ＨＰ４１５６Ｂを用い、アナログＲＦ信号発生器には、アジレントテクノロジー製Ｅ４４２２Ｂを用いて、測定系を構成した。
【００５０】
この測定システムにおいて、ゲート電極に高周波（ＲＦ）信号（周波数１ＭＨｚ〜４ＧＨｚ、強度２０ｄＢｍ）を入力しながら、ソース電極とドレイン電極との間に印加する電圧を掃引（ｓｃａｎ）して、ソース電極−ドレイン電極間に流れる電流を測定した。また、ゲート電極にＲＦ信号を入力しない場合と、周波数１ＧＨｚで強度０ｄＢｍのＲＦ信号を入力した場合についても、併せて測定した。
【００５１】
図５に、測定結果をグラフにて示す。１ＧＨｚで２０ｄＢｍのＲＦ信号を入力した場合のみ、特徴的に電流が他の場合に比べて約２倍程度流れ、他の場合には、ゲート電極にＲＦ信号を入力しない場合と電流値の値に変化が生じなかったことがわかる。
【００５２】
（実施例２）
実施例１と同様にして能動的電子素子を製造し、かつ、同様に測定システム（電子装置）を組んだ。この測定システムにおいて、半導体パラメータ・アナライザおよびアナログＲＦ信号発生器により、導電率の周波数依存性を測定した。その結果を図６に示す。図６において、横軸はゲート電極から照射する電磁波（ＲＦ信号）の周波数であり、縦軸は、各周波数で２０ｄＢｍのＲＦ信号をゲート電極に入力したときのソース電極−ドレイン電極間の導電率である。この結果から、本実施例の能動的電子素子が、１ＧＨｚ近傍の高周波を検知できる能力を有しており、特定周波数の高周波検出素子として機能することがわかる。
【００５３】
図６のグラフにおける導電率のプロファイルは、既述の図２に示す反射係数（Ｓ１１）のプロファイルと相関が見られる。このことから、カーボンナノチューブの反射係数（さらには透過係数）が特有の周波数で変化し、その変化に伴い、カーボンナノチューブを接続した３端子素子である本実施例の能動的電子素子が、特定周波数の高周波に応答するとの推測が成り立つ。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、カーボンナノチューブを用いた素子であって、高周波動作に優れた能動的電子素子を提供することができる。本発明の能動的電子素子は、前記第３の電極により高周波を照射することで、例えば多層カーボンナノチューブの如く金属性を示すカーボンナノチューブを用いても導電率を制御することができ、半導体特性を示す単層カーボンナノチューブでなくても能動的電子素子を実現することができた点で、画期的である。
また、本発明によれば、このように高周波動作に優れた画期的な能動的電子素子を用いた電子装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の能動的電子素子の一実施形態を示す模式平面図である。
【図２】 多層カーボンナノチューブの反射係数の測定データについて、電磁波の周波数を横軸にしてプロットしたグラフである。
【図３】 本発明の能動的電子素子の一例の走査電子顕微鏡写真（２００００倍）である。
【図４】 能動的電子素子の電気特性を測定するため測定システムを組み込むべく配線を施して作製した本発明の電子装置の例を、図３の走査電子顕微鏡写真に直接書き込んで表した回路図である。
【図５】 本発明の能動的電子素子の一例について、ゲート電極に高周波信号を入力しながら、ソース電極とドレイン電極との間に印加する電圧を掃引した際の、ソース電極−ドレイン電極間に流れる電流の変化を表すグラフである。
【図６】 本発明の能動的電子素子の一例について、導電率の周波数依存性を測定したグラフであり、横軸はゲート電極から照射する電磁波（ＲＦ信号）の周波数、縦軸はソース電極−ドレイン電極間の導電率である。
【符号の説明】
１：カーボンナノチューブ、 ２：基板、 Ｄ：ドレイン電極、 Ｇ：ゲート電極、 Ｓ：ソース電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速動作を行うことができる、新規な能動的電子部品、および、これを用いた電子装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】
Ｓ．Ｊ．Ｔａｎｓ，ｅｔ ａｌ．Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３３，１９９８年，ｐ．４９〜５１．，“Ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ”
【非特許文献２】
Ａ．Ｊａｖｅｙ ｅｔ ａｌ．Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２，２００２年，ｐ．９２９−９３２．“Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ Ｔｒｓｎｓｉｓｔｏｒ Ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｌｏｇｉｃ ａｎｄ Ｒｉｎｇ Ｏｓｃｉｌａｔｏｒｓ”
【非特許文献３】
Ｐ．Ｇ．Ｃｏｌｌｉｎｓ， ｅｔ ａｌ．Ｓｃｉｅｎｃｅ， ｖｏｌ．２９２，７０６〜７０９．，“Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ”
【０００３】
現在、通信回路や論理回路等で用いられているＳｉ製の電界効果トランジスタ（Ｓｉトランジスタ）は、理論的に予測される限界まで小型化し縮小することは簡単なことではない。性能を高め集積率を向上させる目的でＳｉトランジスタのサイズを縮小するためには、多くの課題がある。
【０００４】
例えば、Ｓｉトランジスタのサイズが１００ｎｍ以下になると、作製プロセスでは、露光技術やエッチング技術が困難になり、さらにＳｉトランジスタの動作も、短チャネル効果や素子温度の上昇に関する問題が現れてくる。論理素子の場合、しきい値以下での伝導効果、出力コンダクタンスおよび素子の電力利得の低下が生じる。ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリなどの揮発性メモリや、電気的消去可能なプログラマブル・ランダム・アクセス・メモリ素子などの不揮発性メモリ素子の場合には、しきい値以下での伝導により、蓄積電荷の漏れやしきい値性能の低下をもたらす。
【０００５】
一方、ＧａＡｓ等の新しい材料を基本としたトランジスタも考案されているが、加工等が困難で、一部の論理回路や通信素子を除けば、大規模な集積回路への展開は難しい。
【０００６】
ところで、最近、カーボンナノチューブが新しい半導体材料として注目されている。これは、カーボンナノチューブの直径が１０ｎｍ程度で、しかも、バリスティック伝導に近い伝導機構を有するために、高速動作が可能で、素子の発熱も少ないことが期待されているからである。
【０００７】
半導体特性を示す単層のカーボンナノチューブを用いて、これまで整流器やトランジスタが試作されてきた。カーボンナノチューブを電子素子として用いることの利点は、カーボンナノチューブの伝導機構がバリスティック伝導という、電子が固体内でほとんど散乱されない状態となっていることにある。すなわち、カーボンナノチューブでトランジスタを構成した場合、高速に動作させることが可能で、さらに熱の発生が少ない、という利点を有する。
【０００８】
また、カーボンナノチューブは、一般的にその直径が１ｎｍから２０ｎｍ程度なので、微細な回路の素子や電極として利用するのも好適である。カーボンナノチューブを用いたデバイスの作製技術も進展しており、単層のカーボンナノチューブから意図的に半導体特性を示すものだけを分別する技術や、不純物のドーピング技術等が開発されている。
【０００９】
カーボンナノチューブを用いたデバイスに関しては、これまでにいくつかの技術が開示されている。例えば、半導体特性を示す単層のカーボンナノチューブを白金電極に接続し、室温で動作する電界効果トランジスタを構成する技術（非特許文献１参照）や、カーボンナノチューブでｐ型とｎ型のトランジスタを作製し、コンプリメンタリー型のインバータを構成する技術（非特許文献２参照）などが挙げられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カーボンナノチューブを用いてトランジスタを作製し、その動作をリングオシレータで評価した場合、これまで報告されている動作例では、発振周波数が約２００Ｈｚ程度と極めて遅い。この理由として、配線のストレージキャパシターが高いためと推測されるが、一方でカーボンナノチューブ自体のバリスティック伝導との兼ね合いから、カーボンナノチューブでは正常なトランジスタ動作が起きていないとする考えもある。
【００１１】
また、カーボンナノチューブで半導体特性を示すものは、単層のカーボンナノチューブだけであり、その単層のカーボンナノチューブにおいても金属性を示すものと半導体特性を示すものとがある。さらに多層のカーボンナノチューブに至っては、金属性を示すもののみである。半導体特性を示すものでないと、通常の電界効果を利用した能動的電子素子を作製することはできない。個々のカーボンナノチューブに多量の電流を流し、金属性を示すものを消失させることによって、半導体特性のもののみを残すという手法も提案されてはいるが（非特許文献３参照）、操作が煩雑であり大量生産には向かない。
【００１２】
このような観点から、工業的には、金属性を示すカーボンナノチューブでも能動的に動作し、しかも、高速動作を実現するデバイス技術が望まれている。
したがって、本発明の目的は、カーボンナノチューブを用いた素子であって、高周波動作に優れた能動的電子素子、および、これを用いた電子装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、以下の本発明により達成される。すなわち本発明の能動的電子素子は、カーボンナノチューブと、その両端にそれぞれ接続する第１の電極および第２の電極と、前記カーボンナノチューブに対向して配置され、前記カーボンナノチューブに電磁波を照射する第３の電極と、を含み、
カーボンナノチューブが、金属性を示し、及び／または、多層カーボンナノチューブであり、
前記カーボンナノチューブに対し前記第３の電極から照射される少なくとも高周波の電磁波により、前記カーボンナノチューブに流れる電流量を変化させることを特徴とする。
【００１４】
本発明者らは、カーボンナノチューブに上記の如く電極を構成し、前記第３の電極により高周波を照射することで、カーボンナノチューブの導電率を変化させることができることを見出し、本発明に想到した。カーボンナノチューブの導電率が変化することにより、そこに流れる電流量が変化し、さらに第１の電極および第２の電極間の抵抗が変化する。
【００１５】
本発明の能動的電子素子の基本構成は、カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタに近似しているが、トランジスタにおいてゲート電極に相当する前記第３の電極により高周波を照射することで、例えば多層カーボンナノチューブの如く金属性を示すカーボンナノチューブを用いても導電率を制御することができ、半導体特性を示す単層カーボンナノチューブでなくても能動的電子素子を実現することができた点で、画期的である。
【００１６】
したがって、今までデバイス作製の議論は、半導体特性を示す単層カーボンナノチューブが必然であったが、本発明により、その範囲が多層カーボンナノチューブや、金属性を示す単層カーボンナノチューブにまで広がり、デバイス作製の容易化、低コスト化への寄与が極めて大きい。
【００１７】
本発明の能動的電子素子は、３つの電極とカーボンナノチューブとが既述の如く関連付けられることが基本構成となるが、実際の素子構成としては、例えば、第１の電極および第２の電極が基板表面に形成され、第３の電極が、基板表面または裏面に形成されてなる。
【００１８】
本発明の能動的電子素子は、例えば、前記第３の電極から照射される高周波の電磁波により、前記カーボンナノチューブに流れる電流量を、電磁波を全く照射しなかったときに前記カーボンナノチューブに流れる電流量よりも大きくさせることで、前記カーボンナノチューブに流れる電流量を変化させる能動的電子素子とすることができる。
【００１９】
前記カーボンナノチューブとしては、特に制限は無いが、既述の如く多層カーボンナノチューブを用いることができ、その長さとしては、一概には言えないが、例えば１ｎｍ以上１００μｍ以下の範囲内から選択することができる。
第１の電極、第２の電極および第３の電極としては、特に制限は無いが、それぞれ独立に、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｓｉよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなるものとすることができる。
【００２０】
本発明の能動的電子素子を基板表面ないし裏面に構成する場合には、当該基板の比誘電率としては、１以上１００以下であることが一般的であり、その材質としては、特に制限は無いが、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化シリコンよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなる絶縁体とすることができる。
【００２１】
一方、本発明の電子装置は、カーボンナノチューブと、その両端にそれぞれ接続する第１の電極および第２の電極と、前記カーボンナノチューブに近接して配置され、これに電磁波を照射する第３の電極とを含む能動的電子素子（すなわち、本発明の能動的電子素子）、並びに、前記第３の電極から少なくとも高周波の電磁波を出力させる駆動回路を備えたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態を挙げて具体的に説明する。
図１は、本発明の能動的電子素子の一実施形態を示す模式平面図である。本実施形態の能動的電子素子は、基板２の表面に形成されたソース電極（第１の電極）Ｓおよびドレイン電極（第２の電極）Ｄ間を橋渡しするようにカーボンナノチューブ１が配置され、さらに基板２の表面におけるカーボンナノチューブ１に近接した位置にゲート電極（第３の電極）Ｇが形成されて構成される。
【００２３】
なお、本発明の能動的電子素子は、トランジスタとして機能するものではないが、その構成が電界効果型トランジスタに近似しており、外的作用により２電極間の電流特性に変化が生じる点で機能も近似しているため、各電極名についてもトランジスタの用語であるソース、ドレインおよびゲートの各用語を用いて説明する。勿論、第１の電極と第２の電極とで位置付けに差はないため、どちらをソース、ドレインと捉えることもできるが、本説明では、第１の電極をソース電極、第２の電極をドレイン電極として説明する。
【００２４】
このような基本構成の本実施形態の動的電子素子は、ゲート電極Ｇから所定の周波数帯域、かつ所定の強度範囲の高周波を照射すると、カーボンナノチューブ１の導電率が変化して、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間の抵抗値も変化する。したがって、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間に電圧を印加した場合の電圧−電流の特性にも変化が生じる。すなわち、本実施形態の能動的電子素子は、ゲート電極Ｇにより照射する電磁波の周波数によって、ソース電極Ｓ−ドレイン電極Ｄ間の電流特性を能動的に制御することができる。
【００２５】
本発明の能動的電子素子の原理そのものは、不明であるが、カーボンナノチューブの高周波伝送特性と相関があるものと推測される。以下に、多層カーボンナノチューブを例に挙げて、高周波伝送特性について説明する。
【００２６】
多層カーボンナノチューブの両端にＡｕ電極を接続し、ベクトルネットワークアナライザー（アジレントテクノロジー製８７５３ＥＳ）と同軸エアラインから構成される測定系を使って反射係数および透過係数を測定した。自由空間の透磁率、誘電率が１となるように校正した後、同軸エアラインに試料を挿入し、前記ベクトルネットワークアナライザーの２つのポートを使用して、反射係数（Ｓ１１）、透過係数（Ｓ２１）の２つのパラメータを測定した。
【００２７】
すると、反射係数（Ｓ１１）は１ＧＨｚ近傍に強い損失が存在し、透過係数（Ｓ２１）では、逆に１ＧＨｚ近傍で透過率が上昇した。このうち特に有意に観測された反射係数（Ｓ１１）の測定データについて、電磁波の周波数を横軸にしてプロットしたグラフを図２に示す。この結果は、測定した多層カーボンナノチューブが、１ＧＨｚ近傍の電磁波のみを伝達しやすいことを示す。これは、前記多層カーボンナノチューブ内の振動モードと電磁波とが共鳴し、伝送特性を向上させているものと推測できる。
【００２８】
一方、カーボンナノチューブは、グラフェンシートから構成されているので、電子構造として様々な波長の電磁波を吸収する理想黒体に近い物質である。したがって、１ＧＨｚ近傍の高周波を外部から照射すれば、前記多層カーボンナノチューブは電磁波を吸収し、その電磁波を前記多層カーボンナノチューブ内のキャリアに変換し、１ＧＨｚで振動するキャリアを伝達することになる。このため、電磁波の照射で前記多層カーボンナノチューブ内の自由なキャリア密度が増し、導電率が向上することになると推測できる。
【００２９】
以上の原理は、あくまでもカーボンナノチューブの高周波伝送特性に基づく推測であり、本発明の効果が、上記原理に基づく作用により制限されるものではない。
【００３０】
次に、本発明の能動的電子素子の具体的構成について、本実施形態の構成を例に挙げて説明する。
基板２としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものから適宜選択して使用することができる。基板２の比誘電率としては、１以上１００以下であることが一般的である。また、その材質についても、特に制限は無いが、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化シリコンよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなる絶縁体とすることができる。
【００３１】
ソース電極Ｓ、ドレイン電極Ｄおよびゲート電極Ｇとしては、特に制限は無いが、それぞれ独立に、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｓｉよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなるものとすることができる。これらの電極形成には、通常の半導体プロセスを用いて行えばよい。具体的には、スパッタや真空蒸着等が挙げられる。
これら電極の厚みとしては、通常の半導体素子の配線や電極と同様の厚さで問題ないが、一般的には５０ｎｍ〜２μｍ程度の範囲から選択される。
【００３２】
これら電極の位置関係としては、まず、相互に電気的に独立して（離間して）配置されることが前提である。そして、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間隙には、カーボンナノチューブ１が橋渡しされるため、本実施形態においてソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間隙は、基本的にはカーボンナノチューブ１の長さよりも短いことが必須となる。具体的には、１０ｎｍ〜１０μｍ程度、より好ましくは１〜５μｍ程度の範囲から選択される。ただし、本発明においては、カーボンナノチューブを複数本配置して、カーボンナノチューブ相互間で接触させることで全体として両電極間を橋渡しすれば、両電極間の間隙は大きくとることができる。
【００３３】
ゲート電極Ｇは、カーボンナノチューブ１にある程度近いことが好ましいが、他の電極にあまりに近づけて電極を形成することは、製造上困難な場合もある。したがって、ゲート電極Ｇの先端には、カーボンナノチューブ１に向けて、ゲート電極Ｇから照射される高周波の道筋を補助するための、誘電体層を設けておくことも可能である。この誘電体層は、カーボンナノチューブ１が配置される位置に近接ないし接触させて、あるいはカーボンナノチューブ１が配置される位置の下面にまで及ぶように設けることができ、当該誘電体層とカーボンナノチューブ１とが接触状態となっていても構わない。この誘電体層は、例えばＴｉＯ2等により形成される。
【００３４】
また、ゲート電極Ｇの位置としては、他の電極との関係で決まるのではなく、カーボンナノチューブ１に対して有効に電磁波を照射できる程度に近接状態で対向配置することが条件となる。カーボンナノチューブ１との距離は、照射する電磁波の強度にもよるため一概には言えないが、照射される電磁波に対する応答性を考慮すると、ある程度近接させることが好ましい。具体的には、カーボンナノチューブ１とゲート電極Ｇとの距離は、例えば、１０ｎｍ以上５μｍ以下程度の範囲から選択すればよい。
【００３５】
ゲート電極Ｇは、本実施形態では他の電極と同一面である基板２の表面に形成されているが、以上のようにカーボンナノチューブ１との関係で位置を決めればよいため、基板２の裏面側に形成しても何ら差し支えない。また、例えば針状のゲート電極の先端をカーボンナノチューブ１に接近させる等、基板２とは独立した状態でゲート電極を配置しても構わない。
【００３６】
カーボンナノチューブ１としては、特に制限されるものではなく、多層カーボンナノチューブ、単層カーボンナノチューブのいずれも使用することができる。特に、本発明の能動的電子素子においては、半導体特性を示さないカーボンナノチューブについても良好に用いることができる点が特徴的であり、その意味で、金属性を示す単層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブを能動的な素子の材料に用いることができるメリットが大きい。
【００３７】
カーボンナノチューブ１としては、例えば、アーク放電法や化学気相成長法で作製した一般的なものを問題なく使用することができる。また、カーボンナノチューブ１の直径や長さとしては、特に制限は無く、例えば直径が１ｎｍ以上０．１μｍ以下のもの、長さが１ｎｍ以上１ｍｍ以下のものを問題なく使用することができる。
【００３８】
カーボンナノチューブ１は、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間に橋渡しされる。カーボンナノチューブが１本の場合には、本実施形態のように、その両端がソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとにそれぞれ接触するように載置した上で、必要に応じて固定する。カーボンナノチューブが複数本の場合には、カーボンナノチューブ相互間が接触して、全体としてソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとを橋渡しするように載置すればよい。なお、この場合も本発明に言う「カーボンナノチューブの両端にそれぞれ接続」の概念に含めるものとする。
【００３９】
また、カーボンナノチューブが複数本の場合、ソース電極Ｓおよび／またはドレイン電極Ｄと接触するカーボンナノチューブは、１本でも２本以上でも構わない。全体として、少なくとも１本以上のカーボンナノチューブによる橋渡しが完成していれば構わない。
【００４０】
カーボンナノチューブ１をソース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間に橋渡しさせるには、例えば、１本もしくは複数本のカーボンナノチューブをマイクロマニュピレーターで操作することにより行うことができるが、上記のようにカーボンナノチューブによる橋渡しが最終的に完成していれば、如何なる方法によっても構わない。
【００４１】
カーボンナノチューブ１とソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄとの間の接続は、電気的に導通されればよく、例えば、カーボンナノチューブ１の端部とソース電極Ｓもしくはドレイン電極Ｄとの接合部に電子ビームを照射することで、電気的かつ力学的な接合をさらに強固にすることができる。両者の接続は、この方法に限定されず、従来公知の各種方法によることができる。また、特に強固な固着を望まない場合には、単にソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄの上にカーボンナノチューブ１を載置するのみでも構わない。
【００４２】
以上のようにして製造された本発明の能動的電子素子（後述の実施例で製造したもの）の走査電子顕微鏡写真（２００００倍）を図３に示す。なお、写真の倍率は、写真の引き伸ばしの程度により、多少の誤差が生じている。図３に示す本発明の能動的電子素子は、写真上の左右に形成されたソース電極およびドレイン電極の間にカーボンナノチューブが橋渡しされ、その上方にゲート電極が配されている。
【００４３】
ゲート電極Ｇからカーボンナノチューブ１に向けてある高周波を照射すると、当該高周波の影響でカーボンナノチューブの導電率が向上する。この導電率変化により、ソース電極−ドレイン電極間の電気抵抗が向上する。したがって、本発明の能動的電子素子は、高周波回路上、能動的デバイスとして作用することになる。
【００４４】
以上のように構成される本発明の能動的電子素子は、その構成に応じて、特有の高周波に対して導電率が変化する特性を使用して、各種電子素子として利用することができる。具体的には例えば、特定周波数の高周波検出素子として機能する電子素子や、特定周波数の高周波によりＯＮ−ＯＦＦ制御が可能なスイッチング素子として機能する電子素子として、利用することができる。
【００４５】
一方、本発明の電子装置は、カーボンナノチューブと、その両端にそれぞれ接続する第１の電極および第２の電極と、前記カーボンナノチューブに近接して配置され、これに電磁波を照射する第３の電極とを含む能動的電子素子、すなわち、上記本発明の能動的電子素子、並びに、前記第３の電極から少なくとも高周波の電磁波を出力させる駆動回路を備えたことを特徴とするものである。前記駆動回路は、高周波の電磁波を出力させ得るものであれば特に制限は無く、従来公知の各種装置を駆動回路に組み込むことができる。その具体例は、後述の実施例における測定システムに用いられたアナログＲＦ信号発生器などを例示することができる。
【００４６】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により制限されるものではない。
（実施例１）
６ｍｍ×６ｍｍで厚さ０．４ｍｍのＮ型Ｓｉ（１００）ウエハーの表面に熱酸化法でＳｉの酸化膜を１μｍの厚さで成長させ、これを基板とした。
【００４７】
次に、この基板表面にリフトオフ法で、ソース、ドレインおよびゲートとなる各電極パターンを形成した。具体的には、光露光法でまずフォトレジストを加工し、その上からＴｉとＡｕを電子ビーム蒸着法で蒸着した。このとき、Ｔｉ層とＡｕ層の厚みはそれぞれ５００ｎｍと８００ｎｍであった。なお、対向するソース電極とドレイン電極との間隙は１μｍ、これら両電極の中心軸と垂直方向に１．５μｍ離れた位置にゲート電極を形成した。レジストを剥離後、精密洗浄し、形成した電極チップを切り出した。
【００４８】
次いで、アーク放電法で作製した直径３０ｎｍで長さ２μｍの多層カーボンナノチューブの両端を、前記ソース電極およびドレイン電極に橋渡しするように載置し、接続した。具体的には、マイクロマニュピレーターで１本のカーボンナノチューブを所望の位置に移動させて、電子ビームで両電極（Ａｕ／Ｔｉ電極）と固定し、本実施例の能動的電子素子を製造した。得られた能動的電子素子の走査電子顕微鏡写真を図３に示す。
【００４９】
得られた能動的電子素子の電気特性を測定するために、図４に示すように測定システムを組んだ。ここで図４は、本実施例の能動的電子素子に、その電気特性を測定するため測定システムを組み込むべく配線を施した状態を表す回路図である。図４の回路図は、本実施例の能動的電子素子の走査電子顕微鏡写真である図３に直接、回路図を書き込んだものである。この回路図の装置は、それ自体、本発明の電子装置として動作するものである。図４の回路図中の半導体パラメータ・アナライザには、アジレントテクノロジー製ＨＰ４１５６Ｂを用い、アナログＲＦ信号発生器には、アジレントテクノロジー製Ｅ４４２２Ｂを用いて、測定系を構成した。
【００５０】
この測定システムにおいて、ゲート電極に高周波（ＲＦ）信号（周波数１ＭＨｚ〜４ＧＨｚ、強度２０ｄＢｍ）を入力しながら、ソース電極とドレイン電極との間に印加する電圧を掃引（ｓｃａｎ）して、ソース電極−ドレイン電極間に流れる電流を測定した。また、ゲート電極にＲＦ信号を入力しない場合と、周波数１ＧＨｚで強度０ｄＢｍのＲＦ信号を入力した場合についても、併せて測定した。
【００５１】
図５に、測定結果をグラフにて示す。１ＧＨｚで２０ｄＢｍのＲＦ信号を入力した場合のみ、特徴的に電流が他の場合に比べて約２倍程度流れ、他の場合には、ゲート電極にＲＦ信号を入力しない場合と電流値の値に変化が生じなかったことがわかる。
【００５２】
（実施例２）
実施例１と同様にして能動的電子素子を製造し、かつ、同様に測定システム（電子装置）を組んだ。この測定システムにおいて、半導体パラメータ・アナライザおよびアナログＲＦ信号発生器により、導電率の周波数依存性を測定した。その結果を図６に示す。図６において、横軸はゲート電極から照射する電磁波（ＲＦ信号）の周波数であり、縦軸は、各周波数で２０ｄＢｍのＲＦ信号をゲート電極に入力したときのソース電極−ドレイン電極間の導電率である。この結果から、本実施例の能動的電子素子が、１ＧＨｚ近傍の高周波を検知できる能力を有しており、特定周波数の高周波検出素子として機能することがわかる。
【００５３】
図６のグラフにおける導電率のプロファイルは、既述の図２に示す反射係数（Ｓ１１）のプロファイルと相関が見られる。このことから、カーボンナノチューブの反射係数（さらには透過係数）が特有の周波数で変化し、その変化に伴い、カーボンナノチューブを接続した３端子素子である本実施例の能動的電子素子が、特定周波数の高周波に応答するとの推測が成り立つ。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、カーボンナノチューブを用いた素子であって、高周波動作に優れた能動的電子素子を提供することができる。本発明の能動的電子素子は、前記第３の電極により高周波を照射することで、例えば多層カーボンナノチューブの如く金属性を示すカーボンナノチューブを用いても導電率を制御することができ、半導体特性を示す単層カーボンナノチューブでなくても能動的電子素子を実現することができた点で、画期的である。
また、本発明によれば、このように高周波動作に優れた画期的な能動的電子素子を用いた電子装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の能動的電子素子の一実施形態を示す模式平面図である。
【図２】 多層カーボンナノチューブの反射係数の測定データについて、電磁波の周波数を横軸にしてプロットしたグラフである。
【図３】 本発明の能動的電子素子の一例の走査電子顕微鏡写真（２００００倍）である。
【図４】 能動的電子素子の電気特性を測定するため測定システムを組み込むべく配線を施して作製した本発明の電子装置の例を、図３の走査電子顕微鏡写真に直接書き込んで表した回路図である。
【図５】 本発明の能動的電子素子の一例について、ゲート電極に高周波信号を入力しながら、ソース電極とドレイン電極との間に印加する電圧を掃引した際の、ソース電極−ドレイン電極間に流れる電流の変化を表すグラフである。
【図６】 本発明の能動的電子素子の一例について、導電率の周波数依存性を測定したグラフであり、横軸はゲート電極から照射する電磁波（ＲＦ信号）の周波数、縦軸はソース電極−ドレイン電極間の導電率である。
【符号の説明】
１：カーボンナノチューブ、 ２：基板、 Ｄ：ドレイン電極、 Ｇ：ゲート電極、 Ｓ：ソース電極
Claims (8)
- カーボンナノチューブと、その両端にそれぞれ接続する第１の電極および第２の電極と、前記カーボンナノチューブに対向して配置され、前記カーボンナノチューブに電磁波を照射する第３の電極と、を含み、
カーボンナノチューブが、金属性を示し、及び／または、多層カーボンナノチューブであり、
前記カーボンナノチューブに対し前記第３の電極から照射される少なくとも高周波の電磁波により、前記カーボンナノチューブに流れる電流量を変化させることを特徴とする能動的電子素子。 - 第１の電極および第２の電極が基板表面に形成され、第３の電極が、基板表面または裏面に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の能動的電子素子。
- 前記第３の電極から照射される高周波の電磁波により、前記カーボンナノチューブに流れる電流量を、電磁波を全く照射しなかったときに前記カーボンナノチューブに流れる電流量よりも大きくさせることで、前記カーボンナノチューブに流れる電流量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の能動的電子素子。
- 前記カーボンナノチューブの長さが、１ｎｍ以上１００μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の能動的電子素子。
- 第１の電極、第２の電極および第３の電極が、それぞれ独立に、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｓｉよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１に記載の能動的電子素子。
- 前記基板の比誘電率が、１以上１００以下であることを特徴とする請求項１に記載の能動的電子素子。
- 前記基板の材質が、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム、窒化シリコンよりなる群から選ばれるいずれかの材料からなる絶縁体であることを特徴とする請求項１に記載の能動的電子素子。
- 金属性を示す、及び／または、多層カーボンナノチューブであるカーボンナノチューブと、その両端にそれぞれ接続する第１の電極および第２の電極と、前記カーボンナノチューブに近接して配置され、これに電磁波を照射する第３の電極とを含む能動的電子素子、並びに、前記第３の電極から少なくとも高周波の電磁波を出力させる駆動回路を備えたことを特徴とする電子装置。
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