成果報告書詳細
管理番号20110000001757
タイトル平成22年度成果報告書 ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造ナノ電子デバイス技術開発 ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造ナノ電子デバイス技術開発 カーボンナノチューブトランジスタ技術の研究開発(6)
公開日2012/3/13
報告書年度2009 - 2010
委託先名国立大学法人名古屋大学
プロジェクト番号P09002
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約 CNTデバイス作製技術の研究開発においては,Al2O3ではp型,HfO2ではn型と,用いるゲート絶縁膜を選択することによりFETの伝導型を制御できることを示すとともに,その原因がゲート絶縁膜と下層膜との界面に生成された正の電荷密度の違いにあることを示した。この絶縁膜の違いによるFETの伝導型制御をCMOSデバイスに適用し,大きなノイズマージン(0.7V)を有し,入出力整合をとったンバータ動作を実証した。また電子ビーム露光技術を用いたゲート長50~100nmのマッシュルームゲートFET作製技術を開発した。F4TCNQドーピングによる寄生抵抗低減を可能とし,電流利得遮断周波数の4.6GHzから9.6GHzへの向上を実現した。また寄生素子効果を計算により取り除くことにより,真性の性能として100GHzの高周波動作が可能であることを実証した。さらなる高周波動作を可能とすべくCNTの高密度水平配向成長を検討し,23本/μmの高密度配向成長を実現した。
 熱CVD法による半導体CNT優先成長では,CVD条件の影響を吟味し,同時に配向成長を応用した半導体CNT偏向成長技術の開発を行った。CVD条件による半導体CNTの優先成長は確認できなかったが,エタノールガスを中心として様々な炭素源ガスとの比較を行い,最適CVD条件やCNT直径への影響などを明らかにした。また,石英基板と電場の2つの配向成長技術を組み合わせた半導体CNT偏向成長では,CNT配向性および密度の向上に成功し石英基板上にて電極間での電場による配向成長も確認した。未だCNTの密度が低くラマン散乱分光法などによる詳細な分析は行うことは難しいが,電場による配向性は金属CNTと半導体CNTで異なることを応用することで,これら2つの配向成長技術による半導体CNT偏向成長の可能性を示唆することが出来たといえる。   高密度配向成長技術においては,サファイア基板上での単層CNTの高密度成長に関して,単一成分の金属触媒の検討に加え種々の二成分金属の検討を,コンビナトリアルの手法を用いて多くの組成比について系統的に研究を行った。Fe-CoとCo-Cuの組み合わせで,10本/~mの高いCNT密度を得ることが出来るようになった。触媒ナノ粒子のサイズや分布とCNT密度との関連を検討し,さらに,メタン原料をより活性の高いエチレンに変え,濃度の最適化を行うことで,Feの単一成分の金属においても12本/~mの密度まで向上できた。   シリコンデバイスとの融合が期待できる,シリコン基板上でのCNTの配向成長については,電子ビーム描画とエッチングの組み合わせにより,深さ数10 nm,幅数100から数10 nm程度の細長いトレンチ構造を作製することで,トレンチ方向に沿った単層CNTの合成に成功した。中間評価結果を踏まえた計画見直しに伴い本技術の開発は平成21年度をもって終了した。   CNTデバイスの局所評価技術の研究開発においては,ケルビンプローブフォース顕微鏡(KFM)による電位分布測定において,間欠バイアス印加法およびサンプリング検出法を導入することによって,いくつかのCNTにおいて異なる電位分布の不均一性を観測することができた。このような不均一性は,CNT内の欠陥に起因している可能性がある。一方,磁気力顕微鏡(MFM)による電流誘起磁場計測においては,その手法に適した形状を持つカンチレバーを設計・作製することで,単一のFET中の異なるCNTチャネルが,それぞれ別の閾値電圧や伝達コンダクタンス特性を有していることを見出した。さらに,MFMによる電流誘起磁場計測とKFMによる電位分布測定の結果を対比することにより,マルチチャネル型CNT-FETの中で有効な電流路として働いていると思われるCNT群を特定することに成功した。
英文要約 In the case of research and development of CNT fabrication process, it has been shown that the conduction type of the CNT-FET was dependent on the material used for the gate insulator, n type for the HfO2 and p type for the Al2O3 gate insulators. The difference was ascribed to the difference in the density of the positive charge introduced at the gate insulator/SiO2 interface. We have succeeded in implementing C-MOS inverter using this technique. The mushroom-type tope-gate CNT-FET with a gate length of 50 ~ 100 nm was successfully fabricated using electron beam lithography. Current gain cutoff frequency (fT) of the device was increased from 4.6 GHz to 9.6 GHz 4 GHz by using F4TCNQ doping due to the decrease of the parasitic resistance. Intrinsic fT was shown to be 100 GHz by embedding the parasitic components. In order to improve the device performance, we studied the technique to grow the high-density horizontally aligned CNTs on the quartz substrate and succeeded in obtaining 23 CNTs/um by introducing small amount of ethanol during the reduction process. In order to synthesize only semi-conducting CNTs, we investigated the effects of the CVD conditions and developed new growth technique combining two alignment growth techniques. Although the growth of only semi-conducting CNTs is still extremely difficult, we compared CNTs synthesized from various carbon sources (ethanol, acetylene, dimethyl ether and acetonitrile) and elucidated their optimum conditions, the effects on the tube diameter, and so on. The horizontal-alignment and density of CNTs on quartz substrates were enhanced and the alignment growth under electric field was also confirmed. It is still difficult to analyze the electric conductivity of CNTs by using Raman scattering spectroscopy, owing to low density of alignment CNTs, however, our experimental results suggest that it is possible to obtain only semi-conducting CNTs with the combined alignment techniques of both quartz substrates and electric filed. For the growth of high density, horizontally-aligned, single-walled CNT arrays, we studied the growth on sapphire substrates, because sapphire’s anisotropic surface enables the horizontal alignment along the crystallographic orientation. We extended the study of the CNT growth from single metal catalyst to binary catalysts with different thickness and ratio based on a combinatorial metal deposition method. For specific combinations, such as Fe-Co and Co-Cu, 10 tubes/~m was obtained. Further, we found that switching the carbon source from methane to more reactive ethylene gives higher density even for the single metal catalyst with a density of 12 tubes/~m. We also succeeded in the aligning single-walled CNTs on silicon wafer by making artificial trenches by top-down lithography methods, which can be useful for integration of CNTs with modern Si devices. In the case of characterization of CNT devices with high spatial resolution, we have observed different inhomogeneity in potential distribution among some CNTs, which may be related with the existence of the defects in CNTs. This became possible by applying both the intermittent bias application and sampling detection methods on Kelvin probe force microscopy (KFM) for surface potential measurements, On the other hand, the current-induced magnetic fields around CNT channels in FET were observed by magnetic force microscopy (MFM) with a special cantilever having a modified shape, and we found the difference of the threshold gate bias and the transconductance among different CNT channels in the single FET device. From the potential distribution observed by KFM and the current-induced magnetic field observed by MFM, moreover, we have succeeded in identifying the CNT channels which act as real current routes in multiple channel CNT-FETs.
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