KR101062240B1 - 전자소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

종래의 탄소 분자로 이루어진 전자소자의 결점을 극복하고, 그것을 상회하는 성능을 가질 수 있는 초소형의 전자소자, 및 그것의 제조 방법이다. 내측의 금속성 카본 나노 튜브층(2)이 외측의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)으로 부분적으로 덮인 다층 카본 나노 튜브(10)를 사용하여, 금속으로 이루어진 소스 전극(3) 및 드레인 전극(5)을 반도체성 카본 나노 튜브(1)의 양단에 접촉시키고, 금속으로 이루어진 게이트 전극(4)을 금속성 카본 나노 튜브(2)에 접촉시키고, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)과 금속성 카본 나노 튜브층(2) 사이의 공간을 게이트 절연층으로 하여, 절연 게이트형 전계 효과 트랜지스터를 구성한다. 다층 카본 나노 튜브(10)는, 다층 카본 나노 튜브의 각 카본 나노 튜브층으로부터, 외측에 반도체성 카본 나노 튜브층(1)이 있고, 내측에 금속성 카본 나노 튜브층(2)이 있는 2층을 선택하고, 목적에 알맞은 형태로 성형하여, 이용한다.
그라파이트, 카본 나노 튜브, 절연 게이트, 전계 효과 트랜지스터

Description

전자소자 및 그 제조 방법{ELECTRONIC DEVICE AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은, 탄소 분자로 이루어진 전자소자 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.
벤젠 고리를 형성하는 탄소 원자의 6원 고리만을 평면 모양으로 연결한 6각형의 그물눈 구조(벌집 구조)는, 그라펜 시이트로 불린다. 이 시이트를 수개층 적층한 구조가 그라파이트의 결정이다. 그라파이트는, 6각형의 그물 구조의 탄소 사슬을 따라 형성된 공역계를 거쳐, 비국재화된 π 전자가 이동할 수 있기 때문에, 금속과 같은 높은 전기전도도를 나타낸다(이하, 본 명세서에서는, 금속이 아닌 물질이, 비국재화된 π 전자 등의 이동 등에 의해, 금속과 같은 정도의 높은 전기전도도를 표시하는 경우, 「그 물질은 금속성이다 」라고 말하기로 한다).
한편, 1매의 직사각형의 그라펜 시이트를 원통형으로 둥글게 하고, 직사각형의 변을 이음매가 없도록 연결시키면, 단층의 카본 나노 튜브가 만들어진다. 이때, 시이트의 둥글게 하는 방법에 의해 분자 구조가 미묘하게 다른 카본 나노 튜브 가 생기며, 이것들의 전기적 성질은, 반도체성인 것부터 금속성인 것까지 변화한다. 이하, 이 점에 관하여 설명한다.
도 8은, 카본 나노 튜브의 분자구조를 정의하기 위한 전개도(그라펜 시이트의 일부분)를 보이고 있다. 이 시이트를 6원 고리 51이 6원 고리 52에 겹치도록 둥글게 하여, 단층의 카본 나노 튜브를 만드는 것으로 한다. 즉, 6원 고리 51 상의 점 A에서 6원 고리 52 상의 점 A에 대응하는 점 A'을 향해서 끌어낸 선분 A-A'이, 원통의 외주가 되도록 그라펜 시이트를 둥글게 하는 것으로 한다.
이 카본 나노 튜브의 분자구조는, 원통의 원주방향으로 늘어서는 6원 고리의 수와 방향에 의해 결정된다. 이것을 구체적으로 나타내기 위해서는,
점 A에서 점 A'을 향해 이끌어낸 위치 벡터
Figure 112005022317611-pct00001
를, 도 8의 우측에 나타낸 단위 벡터
Figure 112005022317611-pct00002
및
Figure 112005022317611-pct00003
를 사용하여,
Figure 112005022317611-pct00004
로 표시하였을 때의 정수의 세트 (n, m)에 의해 표시된다.
예를 들면, 도8의 예에서는,
Figure 112005022317611-pct00005
이므로, 이 카본 나노 튜브의 구조를 특정하는 정수의 세트는,
(8, 2)이다.
전자는 파동으로서의 성질을 가져, 분자 내의 전자의 파동이, 위상의 관계에서 강화되는 경우와 약화되는 경우가 있다. 어떤 전자의 파동이 강화되고, 어떤 전자의 파동이 약화되는지는, 분자구조에 의존한다. 이 결과, 카본 나노 튜브의 구조가 다르면, 허용되는 전자의 상태가 변화하여, 전기적 성질도 변화한다.
양자역학 계산에 의하면, 카본 나노 튜브의 전기적 성질은, 상기한 정수의 세트 (n, m)에 크게 의존하는 것이 나타나고, 이것은 실험적으로도 확인되어 있다(타나카카즈요시편, 「카본 나노 튜브」, 화학동인(2001), p.19-46).
즉, 전자의 최고점유궤도(HOMO)와 최저공궤도(LUMO)의 에너지 차이인 밴드갭은, n이 커질수록 서서히 작아져, 그라파이트의 밴드갭에 가까이 간다. 더구나, 특별한 경우로서, (2n+m)이 3의 배수인 경우에는, 최고점유궤도(HOMO)와 최저공궤도(LUMO)가 축퇴하여 밴드갭은 0이 되고, 카본 나노 튜브는 금속성을 나타낸다.
이상을 정리하면, i를 정수로서
2n+m = 3×i의 경우 ··· 카본 나노 튜브는 금속성
2n+m ≠ 3×i의 경우 ··· 카본 나노 튜브는 반도체성이며, 반도체성 카본 나노 튜브의 밴드갭은, n이 클수록 작아진다.
이와 같이, 카본 나노 튜브는, 전자특성이 시이트의 크기나 둥글게 하는 방법에 의해 반도체성으로부터 금속성까지 변화하고, 더구나, 반도체 디바이스의 성능을 좌우하는 밴드갭을 제어할 수 있는 가능성이 있는, 매우 매력적인 전자재료이다.
카본 나노 튜브의 구조를 제어해서 전기 특성을 자유롭게 조종할 수 있게 되면, 많은 일렉트로닉스 부품에 사용되고 있는 반도체와 금속을 카본 나노 튜브로 치환할 수 있는 가능성도 있다.
상기한 특이한 전자특성 이외에도, 카본 나노 튜브에는 뛰어난 성질이 많다. 예를 들면, 카본 나노 튜브와 같이 매우 미세한 선 구조에서는, 전자나 정공이 산란하지 않고 전도하는 배리스틱 전도라고 불리는 현상이 일어나, 고속으로 이동할 가능성이 있다. 이것을 이용하면, 일렉트로닉스 부품을 비약적으로 고속으로 동작시킬 수 있다.
또한, 카본 나노 튜브의 열전도율은, 모든 물질 중에서 최대이다. 고집적화 또는 고속화할수록, LSI(대규모 집적회로)의 발열량이 증가하여, 오동작하기 쉬워진다고 하는 문제를 해결할 수 있을지도 모른다.
또한, 카본 나노 튜브는, 인장이나 굽힘에 대한 강도가 기존의 재료보다 눈에 띄게 우수하다. 이것은 보텀업적인 미세가공을 행한다는 점에서 바람직한 성질이다.
이상과 같은 저에서, 카본 나노 튜브는, LSI 등의 미세화 및 고속화의 한계가 보이고 있는, 종래의 실리콘 등의 무기재료를 중심으로 하는 반도체 기술을 대신하여, 그 벽을 타파하는 재료로서 기대받고 있다.
이러한 카본 나노 튜브를 이용하여, 트랜지스터 등의 전자장치를 제작하는 연구가 이미 시작되고 있다. 그중에서, 최근, 다층 카본 나노 튜브의 특징을 살린 전계효과 트랜지스터가 제안되었다(문헌 1(화학공업일보(The Chemical Daily), 화학공업일보사, 2002년 2월 28일, p.1)).
카본 나노 튜브에는, 1매의 그라펜 시이트가 둥글게 된 단층 카본 나노 튜브와, 직경이 다른 원통형의 카본 나노 튜브가 몇개층 선물 상자 모양으로 적층된, 다층 카본 나노 튜브가 있다.
다층 카본 나노 튜브에 있어서, 내측의 층과 외측의 층이 밀착해서 형성된 경우, 2층 사이의 거리는 0.3∼0.4nm이다. 이 2층 사이의 공간은, 각각의 층의 6원 고리를 형성하는 탄소 원자의 π 전자 구름을 채워져, 내측의 층과 외측의 층은 동심원 모양으로 일정한 거리를 유지하고 있다.
이 2층 사이의 저항의 크기는, 각층에 있어서의 그라펜 시이트의 면 방향의 저항의 크기의 100배 내지 10000배가 되므로, 이 2층 사이의 공간 혹은 복수층 사이를 게이트 절연층으로서 이용함으로써, 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터를 제작할 수 있다.
도9는, 상기문헌 1에 보고된, 2층 카본 나노 튜브를 이용하여 제작된 전계효과 트랜지스터(이하, 비교예라 한다)의 구조를 나타낸 개략적인 설명도이다.
이 전계효과 트랜지스터에서는, 내측의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)이 외측의 금속성 카본 나노 튜브층(2)으로 부분적으로 덮인 2층 카본 나노 튜브(61)를 사용한다. 그리고, 금속으로 이루어진 소스 전극(3) 및 드레인 전극(5)을 반도체성 카본 나노 튜브층(1)에 접촉시키고, 금속으로 이루어진 게이트 전극(4)을 금속성 카본 나노 튜브층(2)에 접촉시킨다.
트랜지스터로서 동작시키는 경우에는, 소스 전극(3)과 드레인 전극(5) 사이의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)에 드레인·소스간 전압 VDS를 가하면서, 게이트 전극(4)을 통해서 금속성 카본 나노 튜브층(2)에 제어용의 게이트 전압 VG를 인가한 다.
게이트 전압의 인가에 의해, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)에의 유기 전하 주입을 행하고, 소스 전극(3)과 드레인 전극(5)사이의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 도전성을 제어하여, 트랜지스터 동작을 행하게 한다. 이때, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)과 금속성 카본 나노 튜브층(2) 사이의 공간이, 일반적인 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터에 있어서의 절연층으로서 기능한다.
도2에, 비교예의 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류 ID-드레인·소스간 전압 VDS 특성을 나타낸다. 게이트 전압 VG을 일정하게 유지하고 드레인·소스간 전압 VDS을 증가시켜 가면, 드레인 전류 ID은, VDS가 작은 영역에서는 VDS의 증가에 따라서 증가하지만, 이윽고 포화하기 시작하고, VDS가 어떤 값을 넘으면 VDS에 의하지 않고 본질적으로 일정하게 된다.
이 포화 영역에서 흐르는 드레인 전류 ID은, 게이트 전압 VG의 증가에 의해 증가하기 때문에, 게이트 전압 VG(게이트 전극(4)에 인가하는 제어 전압)에 의해 드레인 전류 ID가 변조되는 트랜지스터로서의 동작이 발휘된다.
그러나, 비교예의 전계효과 트랜지스터에서는, 포화시에 흐르는 드레인 전류 ID가 작고, 그 결과로서, 게이트 전압 VG의 변화에 의한 증가율도 작다. 이 때문에, 게이트 전압 인가에 의한 드레인 전류의 증폭 효과가 낮아져, 결과적으로 소비전력이 커진다.
이것의 원인은, 도9에 나타낸 것과 같이 비교예의 트랜지스터에서는, 소스 전극(3)과 드레인 전극(5)과의 사이의 반도체성 카본 나노 튜브층(1) 내부에, 금속성 카본 나노 튜브층(2)에 내포되지 않고, 게이트 전압 VG가 작용하지 않는 영역 62가 존재하여, 소스 전극(3)과 드레인 전극(5) 사이에 균일하게 연속된 채널을 형성할 수 없기 때문으로 생각된다.
다음에, 게이트 전압 VG가 작용하지 않는 영역 62에는, 터널효과를 이용해서 전류를 흘림으로써 비교예의 트랜지스터를 트랜지스터 동작시킬 가능성에 대해서 검토해 본다. 구체적으로는, 게이트 전압 VG가 작용하지 않는 영역 62의 길이(소스 전극(3) 또는 드레인 전극(5)과 금속성 카본 나노 튜브층(2)과의 거리)를 Lm으로 두고, 전자가 터널효과에 의해 길이 Lm의 영역 62을 투과할 확률을, 바이어스 전압E를 바꾸면서 계산한다.
단층 카본 나노 튜브의 일함수는 5.15eV(M. Shiraishi and M. Ata, Carbon, 39, 1913-1917(2001)), 밴드갭은 0.1∼1.4eV이다(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)). 이번의 계산에서는, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 밴드갭은, 0.4eV라고 가정했다.
전극재료로서 금을 사용하는 것으로 하면, 금의 일함수는 5.05eV이다. 따라서, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)이 진성 반도체라고 가정하면, 금 전극과 반도체성 카본 나노 튜브층(1) 사이에, 0.1eV의 에너지 장벽 V0가 존재한다.
여기에서, 도 10a에 나타낸 것과 같이, 전자는, 금 전극에 일정한 바이어스 전압 E를 가한 조건하에서, 두께 Lm, 높이 V0eV의 에너지 장벽을 터널효과에 의해 투과하는 것을 하면, 투과의 확률 T는,
Figure 112005022317611-pct00006
…식 (1)
로 주어진다. 단,
Figure 112005022317611-pct00007
이고, m은 전자의 질량 9.1×10-31kg이다.
E<V0인의 경우, κi는 허수가 되어, 식 (1)의 T는, L이 커짐에 따라서 지수함수적으로 감소한다. 즉, 거리 L이 큰 경우에는, 전자는, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 영역에 약간은 침입할 수 있기는 하지만, 최종적으로는 전반사되어 버린다. 이번의 계산에서는, 전자가 터널효과로 에너지 장벽 0.01eV를 투과하려면, 즉 식 (1)이 수속하기 위한 두께(coherence length)는, 약 2nm이었다.
그래서, L을 1.5nm, 1nm 및 0.5nm로 했을 경우에 대해서, 전자에 대한 장벽의 높이(V0-E)의 변화에 대한 투과율 T의 변화를 계산했다. 그 결과를, 도 10b 및 표 1에 나타낸다. 도 10b 및 표 1로부터, 터널효과에 의한 투과율 T는, 에너지 장 벽의 높이(V0-E) 및 장벽의 길이 L이 커짐에 따라서 감소하는 것을 알 수 있다. 그리고, 50% 정도의 투과율 T를 실현하기 위해서는, L은 1nm 정도로 억제할 필요가 있다는 것을 알 수 있다.
표 1
Figure 112005022317611-pct00008
이상과 같이, 게이트 전압 VG가 작용하지 않는 영역 62가 존재하는 문제점을, 터널효과를 이용해서 개선하기 위해서는, 영역 62의 길이 L을 적어도 약 2nm 이하, 바람직하게는 1nm 정도 이하로 억제할 필요가 있으며, 이것의 실현은 가공 정밀도상 곤란하다고 생각된다.
이때, 상기 문헌 1의 기사에 의하면, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)으로서, 금속 원자 함유 풀러렌을 내포시킨 반도체성 카본 나노 튜브가 사용되어, 도전성의 개선이 행해지고 있다. 그러나, 게이트 전압의 인가에 의한 효과는, 반도체성 카 본 나노 튜브층(1)의 표면 부근의 극히 얇은 층에 대하여 작용하는 것을 생각하면, 풀러렌의 내포에 의한 개선의 효과는 작을 것으로 생각된다.
본 발명은, 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그것의 목적은, 종래의 탄소 분자로 이루어진 전자소자의 결점을 극복하고, 그것을 상회하는 성능을 가지는 초소형의 전자소자, 및 그것의 제조 방법을 제공함에 있다.
즉, 본 발명은,
제 1 통 형상의 탄소 분자와,
상기 제 1 통 형상의 탄소 분자와 거의 평행하게 배치되고, 상기 제 1 통 형상의 탄소 분자의 일부를 피복하며, 반도체성을 가지는 제 2 통 형상의 탄소 분자와,
상기 제 1 통 형상의 탄소 분자에 전압을 인가하는 전압인가 수단과,
상기 제 2 통 형상의 탄소 분자에 전류를 입력하는 전류입력 수단과,
상기 제 2 통 형상의 탄소 분자로부터 전류를 출력하는 전류출력 수단을 가지는 전자소자(제 1 전자소자)에 관한 것이고, 또한,
적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브로 이루어진 전자소자에 있어서,
반도체성을 가지는 외측의 카본 나노 튜브와,
상기 외측의 카본 나노 튜브에 일부가 내포되는 내측의 카본 나노 튜브와,
상기 외측의 카본 나노 튜브에 전류를 입력하는 전류입력 단자와,
상기 외측의 카본 나노 튜브로부터 전류를 출력하는 전류출력 단자와,
상기 내측의 카본 나노 튜브에 전압을 인가하는 전극을 가지는 전자소자(제 2 전자소자)에 관한 것이며, 또한,
내측이 공동으로 되어 있는 반도체성의 탄소 분자와,
상기 탄소 분자에 내포되어 있는 도전체와,
상기 도전체에 전압을 인가함으로써 상기 탄소 분자의 전기적 상태를 제어하는 전압인가 수단을 가지는 전자소자(제 3 전자소자)에 관한 것이다.
또한, 본 발명은,
적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브로 이루어진 전자소자의 제조 방법에 있어서,
외측의 카본 나노 튜브의 일부에 전류를 흘려, 부분적으로 층을 제거하는 공정과,
상기 외측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전류입력 수단을 설치하는 공정과,
상기 외측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전류출력 수단을 설치하는 공정과,
내측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전압인가 입력 수단을 설치하는 공정을 가지는 전자소자의 제조 방법(제 1 전자소자의 제조 방법)에 관한 것이고, 또한,
적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브로 이루어진 전자소자의 제조 방법에 있어서,
내측의 카본 나노 튜브의 일부를 축방향으로 인출하는 공정과,
외측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전류입력 수단을 설치하는 공정과,
상기 외측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전류출력 수단을 설치하는 공정과,
상기 내측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전압인가 입력 수단을 설치하는 공정을 가지는 전자소자의 제조 방법(제 2 전자소자의 제조 방법)에 관한 것이며, 또한,
내측이 공동으로 되어있는 반도체성의 탄소 분자 내에, 도전체가 내포된 구조체를 형성하는 공정과,
상기 도전체에 전압을 인가하는 인가 수단을 설치하는 공정을 가지는 전자소자의 제조 방법(제 3 전자소자의 제조 방법)에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 외측에 위치하는 제 1 통 형상의 탄소 분자 또는 카본 나노 튜브 또는 반도체성의 탄소 분자(이하, 반도체성의 제 1 구조체로 칭한다)의 전기적 상태가, 이 제 1 구조체에 의해 일부가 피복, 내포된 제 2 통 형상의 탄소 분자 또는 카본 나노 튜브 또는 도전체(이하, 제 2 구조체로 칭한다)에 인가되는 상기 전압에 의해 효과적으로 제어된다.
여기에서, 제 1 전자소자에서는, 상기 제 1 및 상기 제 2 구조체는 상기 통형상 탄소 분자로 이루어지고, 제 2 전자소자에서는, 상기 제 1 및 상기 제 2 구조체는 상기 다층 카본 나노 튜브를 구성하는 각 카본 나노 튜브로 이루어진다. 제 3 전자소자에서는, 상기 제 1 구조체는 상기 내측이 공동으로 되어 있는 반도체성의 탄소 분자로 이루어지고, 상기 제 2 구조체는 상기 도전체로 이루어진다.
이 때문에, 상기 전압을 인가하는 전압인가 수단을 상기 제 2 구조체에 설치하고, 전류를 입력하는 전류입력 수단과 전류를 출력하는 전류출력 수단을 상기 제 1 구조체에 설치한 경우, 상기 제 1 구조체의 입출력 전류는, 상기 전압에 의해 효과적으로 제어된다.
본 발명의 제 1 및 제 2 전자소자의 제조 방법은, 상기 적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브를 구성하는 각 카본 나노 튜브를 재료로서 사용한다. 제 1 전자소자의 제조 방법에서는, 상기 외측의 카본 나노 튜브의 일부에 전류를 흘려, 부분적으로 층을 제거하는 공정을 행하고, 내측의 카본 나노 튜브를 노출시킨다. 제 2 전자소자의 제조 방법에서는, 내측의 카본 나노 튜브의 일부를 축방향으로 인출하는 공정을 행하고, 내측의 카본 나노 튜브를 노출시킨다.
모두, 상기 적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브를 구성하는 카본 나노 튜브로부터, 상기 제 1 및 상기 제 2 구조체에 적합한 카본 나노 튜브를 선별해서 사용하므로, 용이하고 우수한 능률로 전자소자를 제작할 수 있는 제조 방법이다.
본 발명의 제 3 전자소자의 제조 방법은, 원통형의 카본 나노 튜브 뿐만 아니라, 컵 스택형의 카본 나노 튜브나 카본 나노 혼 등, 내측에 공동을 가지는 다양한 상기 탄소 분자에 적용가능하다.
도1은, 본 발명의 실시예 1에 근거하는 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 구조를 나타낸 개략적인 설명도이다.
도2는, 본 발명의 실시예 1 및 비교예의 전계 효과형 트랜지스터의 드레인 전류 ID-드레인·소스간 전압 VDS 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는, 본 발명의 실시예 2에 근거하는 절연 게이트형 전계효 과 트랜지스터의 제작 공정을 나타낸 개략 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는, 동일한, 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제작 공정을 나타낸 개략 사시도이다.
도 5a 내지 도 5c는, 본 발명의 실시예 3에 근거하는 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제작 공정의 일부를 나타낸 개략 사시도 및 평면도이다.
도 6a는, 본 발명의 실시예 4에 근거하는 전류변조 소자의 구조를 나타낸 개략 사시도이며, 도6b는, 평면도이다.
도7은, 본 발명의 실시예 5에 근거하는 콘덴서의 구조를 나타낸 개략적인 설명도이다.
도8은, 카본 나노 튜브의 분자 구조를 정의하기 위한 전개도(그라펜 시이트의 일부분)이다.
도9는, 비교예의 전계효과 트랜지스터의 구조를 나타낸 개략적인 설명도이다.
도 10a는, 비교예의 전계효과 트랜지스터의, 게이트 전압이 작용하지 않는 영역 62에 있어서의 터널효과를 나타낸 설명도이며, 도 10b는, 투과율과 에너지 장벽의 크기의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 통 형상의 탄소 분자는 카본 나노 튜브인 것이 좋다. 또한, 상기 제 1 통 형상의 탄소 분자는 도전성을 갖는 것이 좋 다.
또한, 상기 전자소자는, 제 2 통 형상의 탄소 분자 중에서, 상기 제 1 통 형상의 탄소 분자를 피복하는 부분에, 상기 전류입력 수단 및 상기 전류출력 수단을 구비하는 것이 좋다.
본 발명에 있어서, 상기 전자소자는, 상기 탄소 분자에 전류를 입력하는 입력 수단과, 상기 탄소 분자로부터 전류를 출력하는 출력 수단을 갖는 것이 좋다.
이때, 상기 탄소 분자의 상기 입력 수단 접속 위치와 상기 출력 수단 접속 위치 사이의 모든 영역의 상기 전기적 성질을 제어하고 싶은 경우에는, 상기 도전체를 내포하고 있는 영역에 있어서, 상기 탄소 분자에 상기 입력 수단 및 상기 출력 수단을 설치한다.
한편, 상기 탄소 분자의 상기 입력 수단 접속 위치와 상기 출력 수단 접속 위치 사이의 일부의 영역의 상기 전기적 성질을 제어하고 싶은 경우에는, 상기 도전체를 내포하고 있는 영역에 있어서, 상기 탄소 분자에 상기 입력 수단 및 상기 출력 수단의 한쪽을 설치한다.
더욱 구체적으로는, 상기 전자소자는, 상기 도전체에 인가되는 전압에 의해, 상기 탄소 분자를 흐르는 전류가 제어되는 전자소자, 예를 들면, 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터로서 구성된 전자소자인 것이 좋다.
즉, 상기 탄소 분자에 소스 전극 및 드레인 전극을 설치하고, 상기 도전체에 게이트 전극을 설치하고, 상기 탄소 분자와 상기 도전체 사이의 공간을 게이트 절연층으로 하여 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터를 형성한 경우, 상기 탄소 분자 의 소스 전극 접합부로부터 드레인 전극 접합부까지의 전체 채널 영역이 게이트 전압의 작용 아래에 있어, 전도 채널이 제어성이 우수하게 형성되기 때문에, 트랜지스터로서의 양호한 전류·전압특성을 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전자소자는, 상기 탄소 분자의 상기 공동 내에 중심축을 일치시켜서 상기 도전체가 내포되어 있는 것이 좋다. 상기 탄소 분자와 상기 도전체의 양자가 축대칭의 대칭성을 가지고, 중심축을 일치시켜서 배치되어 있는 구조이면, 중심축의 주위의 상기 전자소자의 상기 전기적 성질에 편차가 없다. 또한, 기계적으로 안정한 배치가 되기 때문에, 배치의 변동에 의해, 상기 탄소 분자에 대한 상기 도전체의 작용이 변동하는 일이 없다.
본 발명에 있어서, 상기 탄소 분자로서는, 반도체성이면 원리적으로는 무엇이든지 좋다. 예를 들면, 원통형의 카본 나노 튜브 뿐만 아니라, 컵 스택형의 카본 나노 튜브나 카본 나노혼 등의 나노 카본으로 불리는 물질군이어도 좋다.
또한, 상기 도전체로서는, 도전성이면 원리적으로는 무엇이든지 좋다. 예를 들면, 금속성의 카본 나노 튜브나, 경우에 따라서는, 상기 탄소 분자의 공동 내에 설치된 금속 등의 도전성 재료의 나노 와이어이어도 좋다.
단, 현재에 있어서의 재료의 양산성이나 가공의 쉬움을 생각하면, 상기 탄소 분자로서는, 반도체성의 카본 나노 튜브를 사용하고, 상기 도전체로서는, 금속성의 카본 나노 튜브를 사용하고, 다층 카본 나노 튜브를 구성하는 각 카본 나노 튜브층으로부터 이것들을 선별해서 사용하는 것이 좋다.
더욱 구체적으로 설명하면, 다층 카본 나노 튜브의 각 층 중에서, 반도체성 카본 나노 튜브층을 1개 상기 탄소 분자로서 선택하고, 그 내측에 있고, 1층 또는 복수의 반도체성 카본 나노 튜브층으로 이격된 금속성 카본 나노 튜브층을 상기 도전체로서 선택하면 좋다.
이 경우, 선택된 2층 이외의 층은, 남겨진 상태로도 좋아, 제거할 필요는 없다. 따라서, 원료인 카본 나노 튜브는, 2층 카본 나노 튜브에 한정되는 것이 아니고, 3층 이상으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브이어도 좋다.
상기 선택된 2층 사이에 반도체성 카본 나노 튜브층이 포함되는 다층 카본 나노 튜브를 이용하여 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터를 제작하는 경우에는, 이 반도체성 카본 나노 튜브층도 포함시켜, 상기 선택된 2층의 사이를 게이트 절연층으로서 이용한다.
반도체성의 카본 나노 튜브층과 금속성의 카본 나노 튜브층의 식별·선별은, 주사형 터널 분광 프로브법(STS 프로브법) 및 현미경 라만 분광법에 의해 행하는 것이 좋다.
전극 등의 부착 등에 적합한 형상으로 가공하기 위해서는, 상기 탄소 분자 및 상기 도전체의 한쪽을 선별한 후에, 상기 카본 나노 튜브층을 부분적으로 제거하는 공정을 적어도 1회 행하는 것이 좋으며, 구체적으로는, 상기 카본 나노 튜브층을 통전에 의한 가열하에서 산화 제거하는 것이 좋다.
혹은, 다층 카본 나노 튜브를 구성하는 내측의 카본 나노 튜브층의 적어도 1층을, 주사형 프로브 현미경의 프로브를 이용하여, 부분적으로 축방향으로 인출해서 노출시키는 공정을 행한 후, 노출되어 있는 각 카본 나노 튜브층으로부터, 상기 탄소 분자 및 상기 도전체를 선별하는 것이 좋다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면의 참조하에 구체적으로 설명한다.
실시예 1: 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예 1에 근거한 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 구조를 나타낸 개략적인 설명도이다.
이 전계효과 트랜지스터에서는, 내측의 금속성 카본 나노 튜브층(2)이 외측의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)으로 부분적으로 덮인 다층 카본 나노 튜브(10)를 사용한다. 그리고, 금속으로 이루어진 소스 전극(3) 및 드레인 전극(5)을 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 양단에 접촉시키고, 금속으로 이루어진 게이트 전극(4)을 금속성 카본 나노 튜브층(2)에 접촉시킨다.
트랜지스터로서 동작시키는 경우에는, 소스 전극을 접지하고, 소스 전극(3)과 드레인 전극(5)과의 사이의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)(채널 영역)에 드레인·소스간 전압 VDS를 가하면서, 게이트 전극(4)을 통해서 금속성 카본 나노 튜브층(2)에 제어용의 게이트 전압 VG을 인가한다. 이때, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 도전형이 p형인 경우에는, 양의 게이트 전압을 인가한다.
게이트 전압이 인가되면, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 표면에 가동 전자를 포함하는 음의 전하를 가진 얇은 층이 유기되어, 소스·드레인 사이에 전도 채널이 형성된다. 이때, 금속성 카본 나노 튜브층(2)과 반도체성 카본 나노 튜브층 (1) 사이의 공간이, 일반적인 절연 게이트형 트랜지스터에 있어서의 절연층으로서 기능한다.
도2는, 실시예 1의 전계효과 트랜지스터의 드레인 전류 ID-드레인·소스간 전압 VDS 특성을 나타낸 그래프이다. 게이트 전압 VG을 일정하게 유지해서 드레인·소스간 전압 VDS을 증가시켜 가면, 드레인 전류 ID는, VDS이 작은 영역에서는 VDS의 증가에 따라서 증가하지만, 이윽고 포화하기 시작하여, VDS이 어떤 값을 넘으면 VDS에 의하지 않고 본질적으로 일정하게 된다.
이 포화 영역에서 흐르는 드레인 전류 ID은, 게이트 전압 VG의 증가에 의해 증가하기 때문에, 게이트 전압 VG(게이트 전극(4)에 인가되는 제어 전압)에 의해 드레인 전류 ID이 변조되는 트랜지스터로서의 동작이 발휘된다.
실시예 1의 전계효과 트랜지스터의 전류·전압 특성을, 동일한 도2에 나타낸 비교예의 전계효과 트랜지스터의 전류·전압 특성과 비교하면, 포화시에 흐르는 드레인 전류 ID이 증가하여, 그 결과로서, 게이트 전압 VG의 변화에 의한 증가율(증폭률)도 커지고 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 본 실시예의 트랜지스터에서는, 드레인·소스간의 채널 영역의 모두가 게이트 전압의 작용 아래에 있어, 전도 채널이 제어성이 좋게 형성되기 때문이라고 생각된다.
변형예로서, 반도체성과 금속성의 성질이 믹스된 카본 나노 튜브층을 금속성 카본 나노 튜브층(2) 대신에 사용한 경우에도, 트랜지스터 동작은 가능해진다. 그 러나, 이 경우에는, 게이트층의 전도율이 감소하기 때문에, 게이트 전압인가에 의한 전하 주입 효율은 감소한다.
실시예 2: 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제작
여기에서는, 실시예 1에 나타낸 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제작 공정을 설명한다.
<다층 카본 나노 튜브 원료의 제작>
원료가 되는 다층 카본 나노 튜브는, 공지의 방법에 의해 제작한다. 예를 들면, 열 CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학적기상성장)법을 사용하는 경우에는, 촉매를 제올라이트 등에 담지하여 반응관 내에 배치하고, 반응온도 600∼1300℃에서 탄화수소계의 원료 가스를 흘려, 촉매를 기점으로 하여 다층 카본 나노 튜브를 성장시킨다.
이때, 촉매로서, 철이나 니켈, 코발트 등의 천이금속계의 미립자 분말을 사용한다. 이들 미립자는, 예를 들면, 초산철 및 초산 코발트의 혼합 용액 중에 제올라이트를 분산시키고, 제올라이트의 표면에 초산철 및 초산 코발트를 흡착시킨 후, 건조시킴으로써 제올라이트 표면에 담지한다.
반응 가스는 아세틸렌 C2H2 등의 탄화수소 가스가 바람직하고, 그위에 아르곤 가스로 희석되는 것이 좋다.
다른 합성법으로서, 탄소 전극을 사용한 진공중에서의 아크방전을 이용하는 아크방전법이나, 그라파이트를 레이저로 조사해서 승화시키는 레이저 아브레이션법 등으로 다층 카본 나노 튜브를 제조할 수 있다.
<카본 나노 튜브의 가공과 전극의 부착>
상기한 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터를 제작하기 위해서는, 내측의 금속성 카본 나노 튜브층(2)이 외측의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)으로 부분적으로 덮인 다층 카본 나노 튜브(10)가 필요하다. 여기에서는, 원료에 포함되는 여러가지의 다층 카본 나노 튜브 중에서, 상기 트랜지스터의 제작에 적합한 다층 카본 나노 튜브를 골라 내고, 가공하는 방법에 대해서, 도 3a 내지 도 3c와 제 4a 내지 도 4c를 사용하여 설명한다.
이때, 카본 나노 튜브는, 진공중에서 수시, 전자선 관찰 현미경을 이용하여 관찰하면서 가공한다. 또한, 원료 중에는 많은 다른 정수의 세트 (n, m)을 가지는 카본 나노 튜브층이 포함되기 때문에, 반도체성 나노 튜브층(1)과 금속성 카본 나노 튜브층(2)과의 식별 및 선택은, 주사형 터널 분광 프로브법(STS 프로브법) 및 현미경 라만 분광법에 의해 행한다.
공정 1: 다층 카본 나노 튜브(10)의 선별
우선, 다수의 다층 카본 나노 튜브를 기판 위에 분산시켜, 도 3a에 나타낸 것과 같이 외측의 층에 제 1 프로브(11)를 대는 것 등으로 하여, 주사형 터널 분광 프로브법(STS 프로브법) 및 현미경 라만 분광법에 의해, 바깥층이 반도체성 카본 나노 튜브층(1)인 다층 카본 나노 튜브(10)를 선별한다.
공정 2: 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 일부의 제거
다음에, 도 3b에 나타낸 것과 같이, 반도체성 카본 나노 튜브층(1) 중에서, 채널 영역(6)으로서 남길 부분을 제외하고, 제거하고 싶은 부분(7)의 양단에 제 1 프로브(11) 및 제 2 프로브(12)를 접촉시킨다. 이 상태에서, 양쪽 프로브 사이에 전압을 인가해서 제거하고 싶은 부분(7)에 전류를 흘려 주울열에 의해 가열하여, 제거하고 싶은 부분(7)을 선택적으로 산화 제거하고, 외측으로부터 세어 2층째의 카본 나노 튜브층(8)을 노출시킨다(도 3c).
공정 3: 카본 나노 튜브층(8)의 선별
도 4a에 나타낸 것과 같이, 공정 2에 의해 새롭게 노출된 2층째의 카본 나노 튜브층(8)에 대하여, 공정 1과 같은 방법으로, 주사형 터널 분광 프로브법(STS 프로브법) 및 현미경 라만 분광법에 의해, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)인지, 금속성 카본 나노 튜브층(2)인지를 식별한다. 카본 나노 튜브층(8)이 금속성 카본 나노 튜브층(2)인 경우에는, 여기에서 다층 카본 나노 튜브(10)의 가공을 종료한다.
공정 4: 공정 2와 공정 3의 반복
카본 나노 튜브층(8)이 반도체성 카본 나노 튜브층(1)인 경우에는, 공정 2와 공정 3을 반복한다. 즉, 카본 나노 튜브층(8)에 대하여 공정 2와 같은 부분적인 산화 제거를 행하여, 외측으로부터 세어 3층째의 카본 나노 튜브층(9)을 노출시킨다(도4b). 계속해서, 카본 나노 튜브층(9)에 대하여, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)인지, 금속성 카본 나노 튜브층(2)인지를 식별하는 공정을 행한다.
공정 2와 공정 3은, 금속성 카본 나노 튜브층(2)이 나타날 때까지 반복하여, 외측으로부터 1층씩 반도체성 카본 나노 튜브층을 산화 제거해 간다. 이때, 다층 카본 나노 튜브(10)의 도전율을 모니터하면서 산화 제거를 행하는 것이 좋다. 도전율은, 시간에 대하여 계단(스텝) 모양으로 감소해 가지만, 이 각 스텝의 종료가 관찰되는 시점이, 카본 나노 튜브의 1층 또는 수개 층이 제거된 시점에 대응한다.
공정 5: 전극의 부착
마지막으로, 도 4c에 나타낸 것과 같이, 가공된 카본 나노 튜브(10)에 전극을 부착하여, 전계 효과형 트랜지스터를 완성한다. 여기에서는, 주사형 터널 분광법으로 표면 상태를 관찰하면서 프로브를 접촉시키고, 그후 STS 프로브를 측정 장치로부터 분리하여, 전극으로서 사용한다. 즉, 외측의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)에 대하여는 양단부에 소스 전극(3) 및 드레인 전극(5)을 접촉시키고, 내측의 금속성 카본 나노 튜브층(2)에는 게이트 전극(4)을 접촉시킨다.
도4c는, 외측으로부터 세어 3층째의 카본 나노 튜브층(9)이 금속성 카본 나노 튜브층(2)인 예를 나타내고 있다. 이 경우, 외측으로부터 세어 2층째의 반도체성 카본 나노 튜브층(8)도 포함시켜, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 채널 영역(6)과 금속성 카본 나노 튜브층(2) 사이를 게이트 절연층으로서 이용한다.
여기에서는, 미리 외측의 층이 반도체성 카본 나노 튜브층(1)인 다층 카본 나노 튜브(10)를 선별해서 사용하였지만, 외측의 층이 금속성 카본 나노 튜브층인 다층 카본 나노 튜브에 대하여는, 공정 2와 같은 방법으로, 반도체성 카본 나노 튜브층이 노출될 때까지, 외측의 금속성 카본 나노 튜브층의 일부 또는 전부를 산화 제거하는 공정을 행하고, 그 후에 이 다층 카본 나노 튜브를 다층 카본 나노 튜브(10)와 동일하게 사용해도 좋다.
실시예 2에 근거한 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제조방법은, 다층 카본 나노 튜브를 이용하고 있기 때문에, 용이하게, 수율이 좋게 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터를 제작할 수 있다.
또한, 필요한 2개의 층 이외의 층에 대한 가공을 최소한으로 억제할 수 있기 때문에, 공정수가 적고, 수율이 좋으며, 생산성이 높은 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제조방법이다.
또한, 실시예 2에 근거한 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제조 방법은, 원통형의 카본 나노 튜브 뿐만 아니라, 컵 스택형의 카본 나노 튜브나 카본 나노혼 등, 내측에 공동을 가지는 여러가지 다층 나노 카본에 적용가능한 제조 방법이다.
실시예 3: 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제작
여기에서는, 내측의 금속성 카본 나노 튜브층(2)이 외측의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)으로 부분적으로 덮인 다층 카본 나노 튜브를 작성하는 다른 방법을, 도 5a 내지 도 5c를 사용하여 설명한다.
우선, 임의의 다층 카본 나노 튜브(20)를 선택한다.
다음에, 다층 카본 나노 튜브(20)의 최외층을 고정한다. 진공 챔버 내에서, 다층 카본 나노 튜브(20)의 최외층에, 제 1 프로브(11)를 다층 카본 나노 튜브(20)의 축방향과 평행하게 접촉시켜 방치한다. 진공 챔버 내부의, 카본을 포함하는 불순물이 접촉 부분에 부착되어 퇴적하는 것에 의해, 다층 카본 나노 튜브(20)의 최 외층은 제 1 프로브(11)에 고정된다.
다음에, 상기한 것과 같은 방법으로 다층 카본 나노 튜브(20)의 내측의 층에 제 2 프로브(12)를 고정시킨 후, 제 1 프로브(11)와 제 2 프로브(12)를 떼어 놓아 가면, 도 5b와 같은 내측층이 인출된 다층 카본 나노 튜브(21)를 만들 수 있다.
도 5b인 상태에서도 전계효과 트랜지스터를 제작할 수 있지만, 필요한 경우에는, 전자선 또는 이온빔의 조사, 또는 절단 부분의 양측에 프로브를 접촉시켜 전류를 흘리는 것에 의한 가열 등에 의해, 도 5b에 나타낸 단면 B-B'에서 절단하여, 도5c의 구조를 제작할 수 있다.
이상의 공정으로 성형된 다층 카본 나노 튜브(22)의 구조 중에서, 실시예 1의 공정 1과 같은 방법으로, 주사형 터널 분광 프로브법(STS 프로브법) 및 현미경 라만 분광법에 의해, 외측에 반도체성 카본 나노 튜브층(1)이 있고, 내측에 금속성 카본 나노 튜브층(2)이 있는 2층을 선택한다.
선택된 2층에 대하여, 실시예 1의 제작 공정의 공정 5과 같은 방법으로 전극을 부착함으로써, 실시예 1로 같은 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터를 제작할 수 있다.
여기에서도, 실시예 1의 공정 1과 마찬가지로, 우선, 다수의 다층 카본 나노 튜브를 기판 위로 분산시키고, 그 중에서 외측의 층이 반도체성 카본 나노 튜브층(1)인 다층 카본 나노 튜브를 선별하고, 그 선별된 다층 카본 나노 튜브에 대하여 본 실시예의 방법을 적용해도 좋다.
실시예 3에 근거한 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제조 방법은, 다층 카본 나노 튜브를 이용하고 있기 때문에, 용이하고, 수율이 좋게 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터를 제작할 수 있다.
또한, 공정수가 적고, 생산성의 높은 절연 게이트형 전계효과 트랜지스터의 제조 방법이다.
실시예 4
도 6a 내지 도 6b는, 본 발명의 바람직한 실시예 4에 근거한 전류변조 소자(37)이다. 실시예 1의 전계효과 트랜지스터의 제작에 사용한 다층 카본 나노 튜브(10)와 다르게, 여기에서 사용하는 다층 카본 나노 튜브(30)에서는, 금속성 카본 나노 튜브층(2)은, 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 일부까지 밖에 닿고 있지 않고 있는 것이 주의하기 바란다. 이러한 다층 카본 나노 튜브(30)는, 실시예 2에 나타낸 방법으로 제작할 수 있다.
또한, 전극 31 및 전극 32를 반도체성 카본 나노 튜브층(1)에 접촉시키고, 전극 33을 금속성 카본 나노 튜브층(2)에 접촉시킨다. 여기에서, 전극 32는, 금속성 카본 나노 튜브층(2)을 내포하는 영역에 설치되지만, 전극 31은, 금속성 카본 나노 튜브층(2)을 내포하지 않는 영역에 설치되어 있다.
이 전류변조 소자(37)에서는, 전극 31과 전극 32 사이에 전압을 가하면서, 전극 33에 제어 전압을 인가한다. 반도체성 카본 나노 튜브층(1)이 p형인 경우에는, 전극 33에는, 양의 전압을 인가한다.
전극 33을 통해서 금속성 카본 나노 튜브층(2)에 양의 전압이 인가되면, 반 도체성 카본 나노 튜브층(1)의 대향하는 부분에 음전하(34)가 유기되어, p형의 반도체성 카본 나노 튜브층(35)에 접해서 n형화된 영역(36)이 형성된다.
n형화된 영역(36)의 도전성은, 제어 전압에 의존하므로, 전극 31과 전극 32 사이를 흐르는 전류는 제어 전압에 의해 변조된다.
실시예 5
도7은, 본 발명의 바람직한 실시예 5에 근거한 나노 사이즈의 콘덴서(44)이다. 기본 구조로서, 실시예 1의 전계효과 트랜지스터의 제작에 사용한 다층 카본 나노 튜브(10)를 사용하고 있다. 다층 카본 나노 튜브(10)의 반도체성 카본 나노 튜브층(1)의 표면을 도전성 재료(41)로 코팅하고, 전극(42)을 그 도전성 재료(41)에 접속하고, 금속성 카본 나노 튜브층(2)에 전극(43)을 접속하고 있다.
콘덴서(44)는, 극미소 사이즈의 콘덴서로서 기능한다.
이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했지만, 본 발명은 이들 예에 조금도 한정되는 것은 아니며, 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능한 것은 말할 필요도 없다.
본 발명에 의하면, 외측에 위치하는 반도체성의 제 1 구조체의 전기적 상태가, 이 제 1 구조체에 의해 일부가 피복, 내포된 제 2 구조체에 인가되는 전압에 의해 제어되므로, 제 1 구조체의 상기 전기적 상태가, 제 2 구조체에 인가되는 전압에 의해 효과적으로 제어된다.
이 때문에, 전압을 인가하는 전압인가 수단을 제 2 구조체에 설치하고, 전류 를 입력하는 전류입력 수단과 전류를 출력하는 전류출력 수단을 제 1 구조체에 설치한 경우, 제 1 구조체의 입출력 전류는, 상기 전압에 의해 효과적으로 제어된다.
본 발명의 제 1 및 제 2 전자소자의 제조 방법은, 적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브를 구성하는 각 카본 나노 튜브를 재료로서 사용한다. 제 1 전자소자의 제조 방법에서는, 외측의 카본 나노 튜브의 일부에 전류를 흘리고, 부분적으로 층을 제거하는 공정을 행하여, 내측의 카본 나노 튜브를 노출시킨다. 제 2 전자소자의 제조 방법에서는, 내측의 카본 나노 튜브의 일부를 축방향으로 인출하는 공정을 행하고, 내측의 카본 나노 튜브를 노출시킨다.
어느 것이나, 적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브를 구성하는 카본 나노 튜브로부터, 제 1 및 제 2 구조체에 적합한 카본 나노 튜브를 선별해서 사용하므로, 용이하고 능률이 좋게 전자소자를 제작할 수 있는 제조 방법이다.
본 발명의 제 3 전자소자의 제조 방법은, 원통형의 카본 나노 튜브 뿐만 아니라, 컵 스택형의 카본 나노 튜브나 카본 나노혼 등, 내측에 공동을 가지는 여러가지 탄소 분자에 적용가능하다.

Claims (32)

  1. 도전성을 가지는 제 1 통 형상의 탄소 분자와,
    상기 제 1 통 형상의 탄소 분자의 일부를 피복하며, 반도체성을 가지는 제 2 통 형상의 탄소 분자와,
    상기 제 1 통 형상의 탄소 분자에 전압을 인가하는 전압인가 수단과,
    상기 제 2 통 형상의 탄소 분자에 전류를 입력하는 전류입력 수단과,
    상기 제 2 통 형상의 탄소 분자로부터 전류를 출력하는 전류출력 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 전자소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 통 형상의 탄소 분자는 카본 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 전자소자.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 통 형상의 탄소 분자 중에서, 상기 제 1 통 형상의 탄소 분자를 피복하는 부분에, 상기 전류입력 수단 및 상기 전류출력 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전자소자.
  5. 적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브로 이루어진 전자소자에 있어서,
    반도체성을 가지는 외측의 카본 나노 튜브와,
    상기 외측의 카본 나노 튜브에 일부가 내포되며, 도전성을 가지는 내측의 카본 나노 튜브와,
    상기 외측의 카본 나노 튜브에 전류를 입력하는 전류입력 단자와,
    상기 외측의 카본 나노 튜브로부터 전류를 출력하는 전류출력 단자와,
    상기 내측의 카본 나노 튜브에 전압을 인가하는 전극을 가지는 것을 특징으로 하는 전자소자.
  6. 적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브로 이루어진 전자소자의 제조 방법에 있어서,
    반도체성을 가지는 외측의 카본 나노 튜브의 일부에 전류를 흘려, 부분적으로 층을 제거하는 공정과,
    상기 외측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전류입력 수단을 설치하는 공정과,
    상기 외측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전류출력 수단을 설치하는 공정과,
    도전성을 가지는 내측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전압인가 입력 수단을 설치하는 공정을 가진 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제거하는 공정은, 상기 외측의 카본 나노 튜브층을 통전에 의한 가열하에서 산화 제거에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  8. 적어도 2층으로 이루어진 다층 카본 나노 튜브로 이루어진 전자소자의 제조 방법에 있어서,
    도전성을 가지는 상기 다층 카본 나노 튜브의 내측 일부를 축방향으로 인출하는 공정과,
    반도체성을 가지는 외측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전류입력 수단을 설치하는 공정과,
    상기 외측의 카본 나노 튜브에 적어도 1개의 전류출력 수단을 설치하는 공정과,
    상기 다층 카본 나노 튜브의 내측 일부에 적어도 1개의 전압인가 입력 수단을 설치하는 공정을 가진 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  9. 내측이 공동으로 되어있는 반도체성의 탄소 분자와, 상기 탄소 분자에 내포되어 있는 도전체와, 상기 도전체에 전압을 인가함으로써 상기 탄소 분자의 전기적 상태를 제어하는 전압인가 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 전자소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 탄소 분자에 전류를 입력하는 입력 수단과, 상기 탄소 분자로부터 전류를 출력하는 출력 수단을 가진 것을 특징으로 하는 전자소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 도전체를 내포하고 있는 영역에 있어서, 상기 탄소 분자에 상기 입력 수단 및 상기 출력 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 전자소자.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 도전체를 내포하고 있는 영역에 있어서, 상기 탄소 분자에 상기 입력 수단 및 상기 출력 수단의 한쪽을 구비한 것을 특징으로 하는 전자소자.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 도전체에 인가되는 전압에 의해, 상기 탄소 분자를 흐르는 전류가 제어되는 것을 특징으로 하는 전자소자.
  14. 제 10항에 있어서,
    절연 게이트형 전계효과 트랜지스터로서 구성된 것을 특징으로 하는 전자소자.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 탄소 분자의 상기 공동 내에 중심축을 일치시켜 상기 도전체가 내포되어 있는 것을 특징으로 하는 전자소자.
  16. 제 9항에 있어서,
    상기 탄소 분자가 반도체성의 카본 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 전자소자.
  17. 제 9항에 있어서,
    상기 도전체가 금속성의 카본 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 전자소자.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서,
    상기 탄소 분자 및 상기 도전체가, 다층 카본 나노 튜브를 구성하는 각 카본 나노 튜브층으로부터 선별된 층인 것을 특징으로 하는 전자소자.
  19. 내측이 공동으로 되어있는 반도체성의 탄소 분자 내에, 도전체가 내포된 구조체를 형성하는 공정과, 상기 도전체에 전압을 인가하는 인가 수단을 설치하는 공정을 가진 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 탄소 분자 및 상기 도전체는, 다층 카본 나노 튜브를 구성하는 각 카본 나노 튜브층으로부터 선별된 층인 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    주사형 터널 분광 프로브법(STS 프로브법) 또는 현미경 라만 분광법에 의해 상기 선별을 행하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 탄소 분자 및 상기 도전체의 한쪽을 선별한 후에, 상기 카본 나노 튜브층을 부분적으로 제거하는 공정을 적어도 1회 행하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 카본 나노 튜브층을 통전에 의한 가열하에서 산화 제거하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  24. 제 19항에 있어서,
    다층 카본 나노 튜브를 구성하는 내측의 카본 나노 튜브층의 적어도 1층을, 부분적으로 축방향으로 인출해서 노출시키는 공정을 행한 후, 노출되어 있는 각 카본 나노 튜브층으로부터, 상기 탄소 분자 및 상기 도전체를 선별하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 내측의 카본 나노 튜브층의 인출 공정을 주사형 프로브 현미경의 프로브를 이용하여 행하고, 상기 선별을 주사형 터널 분광 프로브법(STS 프로브법) 및 현미경 라만 분광법 중 적어도 하나의 방법에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  26. 제 19항에 있어서,
    상기 탄소 분자에 전류를 입력하는 입력 수단을 설치하는 공정과, 상기 탄소 분자로부터 전류를 출력하는 출력 수단을 설치하는 공정을 가진 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  27. 제 19항에 있어서,
    상기 도전체를 내포하고 있는 영역에 있어서, 상기 탄소 분자에, 입력 수단 및 출력 수단을 설치하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  28. 제 19항에 있어서,
    상기 도전체를 내포하고 있는 영역에 있어서, 상기 탄소 분자에, 입력 수단 및 출력 수단의 한쪽을 설치하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  29. 제 19항에 있어서,
    절연 게이트형 전계효과 트랜지스터를 제조하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  30. 제 19항에 있어서,
    상기 탄소 분자의 상기 공동 내에 중심축을 일치시켜 상기 도전체를 내포시키는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  31. 제 19항에 있어서,
    상기 탄소 분자로서 반도체성의 카본 나노 튜브를 사용하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
  32. 제 19항에 있어서,
    상기 도전체로서 금속성의 카본 나노 튜브를 사용하는 것을 특징으로 하는 전자소자의 제조 방법.
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