JP2018006756A

JP2018006756A - ナノヘテロ接合構造

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Publication number: JP2018006756A
Application number: JP2017128716A
Authority: JP
Inventors: 金張; Jin Zhang; 洋魏; Yo Gi; 開利姜; Kaili Jiang; ▲ハン▼　守善; 守善 ▲ハン▼; Shoushan Fan
Original assignee: Tsinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: TW201803143A; CN107564917B; US20180005825A1; CN107564917A; JP6377814B2; TWI622181B; US10020190B2

Abstract

【課題】ナノヘテロ接合構造を提供する。【解決手段】ナノヘテロ接合構造１００は、第一金属性カーボンナノチューブ１０２、半導体性カーボンナノチューブ１０４、半導体層１０６及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８を含む。半導体層は、第一表面及び該第一表面と相対する第二表面を含み、第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブが平行して間隔を置いて、第一表面に設置され、第二金属性カーボンナノチューブが第二表面に設置され、第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブが第一方向に沿って延伸し、第二金属性カーボンナノチューブが第二方向に沿って延伸し、第二方向と第一方向とは、角度を成し、該角度が０°より大きく、且つ９０°以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、ナノヘテロ接合構造に関する。

ヘテロ接合は、二つの異なる半導体の材料が接触して、形成される界面区域である。二つの半導体の材料の導電タイプによって、ヘテロ接合は、同一ヘテロ接合（Ｐ−ｐ接合又はＮ−ｎ接合）及び異型ヘテロ接合（Ｐ−ｎ接合又はｐ−Ｎ接合）に分けられ、複数の層のヘテロ接合をヘテロ接合構造と称する。一般的には、ヘテロ接合を形成する条件は、二つの半導体が類似する結晶構造、接近する原子距離及び熱膨張係数を持つことである。界面合金、エピタキシャル成長、真空蒸着等の技術を利用して、ヘテロ接合を製造できる。ヘテロ接合は、二つの半導体のそれぞれのＰＮ接合が持たない優れた光電特性を有して、超高速なスイッチ、太陽電池及び半導体レーザーなどを製造することに適用される。

最近、二次元の半導体材料が優れた電子性能及び光学性能を有するので、ヘテロ接合構造の領域の研究がポットスポットになっている。

しかしながら、技術レベルの制限を受けるので、この材料のヘテロ接合構造はマイクロスケールの構造体であり、ある程度その応用範囲が制限される。

これによって、ナノヘテロ接合構造を提供する必要がある。

ナノヘテロ接合構造は、第一金属性カーボンナノチューブ、半導体性カーボンナノチューブ、半導体層及び第二金属性カーボンナノチューブを含む。半導体層は、第一表面及び該第一表面と相対する第二表面を含み、第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブが平行して間隔を置いて、第一表面に設置され、第二金属性カーボンナノチューブが第二表面に設置され、第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブが第一方向に沿って延伸し、第二金属性カーボンナノチューブが第二方向に沿って延伸し、第二方向と第一方向とは、角度を成し、該角度が０°より大きく、且つ９０°以下である。

第一金属性カーボンナノチューブ又は第二金属性カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブであり、第一金属性カーボンナノチューブ又は第二金属性カーボンナノチューブの直径が０．５ナノメートル〜１０ナノメートルである。

半導体性カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブであり、半導体性カーボンナノチューブの直径が０．５ナノメートル〜１０ナノメートルである。

第一金属性カーボンナノチューブ、半導体層及び第二金属性カーボンナノチューブが互いに交叉し、交叉点が形成され、該交叉点に一つの第一三層の立体構造が形成され、該第一三層の立体構造の断面の面積が０．２５ｎｍ^２〜１０００ｎｍ^２である。

半導体性カーボンナノチューブ、半導体層及び第二金属性カーボンナノチューブが互いに交叉し、交叉点が形成され、該交叉点に一つの第二三層の立体構造が形成され、該第二三層の立体構造の断面の面積が０．２５ｎｍ^２〜１０００ｎｍ^２である。

従来技術と比べて、本発明のナノヘテロ接合構造において、第一金属性カーボンナノチューブ、ｎ型の半導体層及び第二金属性カーボンナノチューブの交叉点にｎ型のナノヘテロ接合が形成され、半導体性カーボンナノチューブ、半導体層及び第二金属性カーボンナノチューブの交叉点に異型のナノヘテロ接合のＰ−ｎ接合が形成される。第一金属性カーボンナノチューブ及び第二金属性カーボンナノチューブの直径がナノスケールであり、ｎ型のナノヘテロ接合及びＰ−ｎ接合の接合区域がナノスケールである。従って、ナノヘテロ接合構造が低いエネルギー消費、高い集積度を持つ。

本発明の第一実施例のナノヘテロ接合構造の構造を示す図である。本発明の第二実施例のナノヘテロ接合構造の製造方法のフローチャートである。本発明の第三実施例の半導体素子の構造を示す図である。本発明の第三実施例の半導体素子の電気回路を示す図である。本発明の第四実施例の半導体素子の製造方法のフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１を参照すると、本発明の第一実施例は、ナノヘテロ接合構造１００を提供する。ナノヘテロ接合構造１００は、第一金属性カーボンナノチューブ１０２、半導体性カーボンナノチューブ１０４、半導体層１０６及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８を含む。半導体層１０６は、第一表面及び該第一表面と相対する第二表面を含み、第一金属性カーボンナノチューブ１０２及び半導体性カーボンナノチューブ１０４が平行して間隔を置いて、第一表面に設置され、第二金属性カーボンナノチューブ１０８が第二表面に設置される。第一金属性カーボンナノチューブ１０２及び半導体性カーボンナノチューブ１０４が第一方向に沿って延伸する。第二金属性カーボンナノチューブ１０８が第二方向に沿って延伸し、第二方向と第一方向とは、角度を成し、該角度が０°より大きく、且つ９０°以下である。

前記第一金属性カーボンナノチューブ１０２は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。第一金属性カーボンナノチューブ１０２は、直径が制限されなく、０．５ナノメートル〜１００ナノメートルであり、ある実施例において、第一金属性カーボンナノチューブ１０２の直径が０．５ナノメートル〜１０ナノメートルである。好ましくは、第一金属性カーボンナノチューブ１０２が単層カーボンナノチューブであり、その直径が０．５ナノメートル〜２ナノメートルである。本実施例において、第一金属性カーボンナノチューブ１０２が単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートルである。

半導体性カーボンナノチューブ１０４は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。半導体性カーボンナノチューブ１０４は、直径が制限されなく、０．５ナノメートル〜１０ナノメートルであり、ある実施例において、半導体性カーボンナノチューブ１０４は、直径が制限されなく、０．５ナノメートル〜５ナノメートルである。好ましくは、半導体性カーボンナノチューブ１０４が単層カーボンナノチューブであり、その直径が０．５ナノメートル〜２ナノメートルである。本実施例において、半導体性カーボンナノチューブ１０４が単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートルである。

半導体層１０６は、二次元構造の半導体層である。即ち、半導体層１０６の厚さが小さくて、半導体層の厚さが１ナノメートル〜２００ナノメートルである。好ましくは、半導体層１０６の厚さが５ナノメートル〜３０ナノメートルである。本実施例において、半導体層の厚さが８ナノメートルである。半導体層１０６の材料が制限されなく、無機化合物半導体、元素半導体又は有機半導体であり、例えば、ガリウムヒ素、炭化ケイ素、多結晶シリコン、単結晶シリコン、ナフタレン又は硫化モリブデンなどである。ある実施例において、半導体層１０６の材料は、遷移金属硫化物である。本実施例において、半導体層１０６の材料が硫化モリブデン（Ｍ_ＯＳ_２）であり、その厚さが８ナノメートルである。

第二金属性カーボンナノチューブ１０８は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。第二金属性カーボンナノチューブ１０８の直径が制限されなく、０．５ナノメートル〜１００ナノメートルであり、ある実施例では、第二金属性カーボンナノチューブ１０８の直径が０．５ナノメートル〜１０ナノメートルである。好ましくは、第二金属性カーボンナノチューブ１０８が単層カーボンナノチューブであり、その直径が０．５ナノメートル〜２ナノメートルである。本実施例において、第二金属性カーボンナノチューブ１０８が単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートルである。第二金属性カーボンナノチューブ１０８及び第一金属性カーボンナノチューブ１０２は、材料及びサイズが同じでもよく、異なってもよい。

第一金属性カーボンナノチューブ１０２と半導体性カーボンナノチューブ１０４とが平行して、間隔を置いて設置され、第一金属性カーボンナノチューブ１０２と半導体性カーボンナノチューブ１０４との距離が１０ナノメートル〜１０マイクロメートルであることが好ましい。

第一金属性カーボンナノチューブ１０２の延伸方向及び半導体性カーボンナノチューブ１０４の延伸方向と第二金属性カーボンナノチューブ１０８の延伸方向とが夾角を成し、該夾角が0度より大きく、９０度以下である。すなわち、第一方向と第二方向との夾角が0度より大きく、９０度以下である。ある実施例では、第一方向と第二方向との夾角が６０度より大きく、９０度以下である。好ましくは、第一方向と第二方向との夾角が９０度である。本実施例において、第一金属性カーボンナノチューブ１０２の延伸方向及び半導体性カーボンナノチューブ１０４の延伸方向と第二金属性カーボンナノチューブ１０８の延伸方向が互いに垂直であり、すなわち、夾角が９０度である。

第一金属性カーボンナノチューブ１０２と第二金属性カーボンナノチューブ１０８が互いに交叉し、交叉点が形成される。交叉点に第一金属性カーボンナノチューブ１０２、半導体層１０６及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８からなる第一三層の立体構造１１０が形成される。第一三層の立体構造１１０の断面の面積が第一金属性カーボンナノチューブ１０２と第二金属性カーボンナノチューブ１０８の直径によって決まる。第一金属性カーボンナノチューブ１０２及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８がナノ材料であるので、第一三層の立体構造１１０の断面の面積もナノスケールである。好ましくは、第一三層の立体構造１１０の断面の面積は、０．２５ｎｍ^２〜１０００ｎｍ^２である。更に好ましくは、第一三層の立体構造１１０の断面の面積は、０．２５ｎｍ^２〜１００ｎｍ^２である。

同様に半導体性カーボンナノチューブ１０４と第二金属性カーボンナノチューブ１０８が互いに交叉し、交叉点が形成される。交叉点に半導体性カーボンナノチューブ１０４、半導体層１０６及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８からなる第二三層の立体構造１２０が形成される。第二三層の立体構造１２０の断面の面積が半導体性カーボンナノチューブ１０４と第二金属性カーボンナノチューブ１０８の直径によって決まる。半導体性カーボンナノチューブ１０４及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８がナノ材料であるので、第二三層の立体構造１２０の断面の面積もナノスケールである。好ましくは、第二三層の立体構造１２０の断面の面積は、０．２５ｎｍ^２〜１０００ｎｍ^２である。更に好ましくは、第二三層の立体構造１２０の断面の面積は、０．２５ｎｍ^２〜１００ｎｍ^２である。

第一金属性カーボンナノチューブ１０２、半導体性カーボンナノチューブ１０４及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８は、直径がナノスケールであり、ナノのフォトリソグラフィの必要がない時に、第一金属性カーボンナノチューブ１０２、半導体層１０６及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８の交叉点にｎ型のナノヘテロ接合が形成される。半導体性カーボンナノチューブ１０４、半導体層１０６及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８の交叉点に異型のナノヘテロ接合のＰ−ｎ接合が形成される。応用する場合には、電流がｎ型のナノヘテロ接合を流れる時に、半導体性カーボンナノチューブ及びナノヘテロ接合のＰ−ｎ接合がオフ状態になり、電流が半導体性カーボンナノチューブ及びナノヘテロ接合のＰ−ｎ接合を流れる時に、ｎ型のナノヘテロ接合がオフ状態になる。第一金属性カーボンナノチューブ１０２及び第二金属性カーボンナノチューブ１０８がナノ材料であるので、ナノヘテロ接合構造が低いエネルギー消費、高い集積度を持つ。

図２を参照すると、本発明の第二実施例は、上記のナノヘテロ接合構造１００の製造方法を提供する。ナノヘテロ接合構造１００の製造方法は、下記のステップを含む。

Ｓ１：支持構造を提供して、支持構造に第一カーボンナノチューブ層を形成し、第一カーボンナノチューブ層が複数の第一カーボンナノチューブを含む。

Ｓ２：第一カーボンナノチューブ層に半導体層を形成する。

Ｓ３：半導体層に第二カーボンナノチューブ層を覆い、第二カーボンナノチューブ層が複数の第二カーボンナノチューブを含む。

Ｓ４：第一カーボンナノチューブ層に平行して間隔を置いて設置された一つの第一金属性カーボンナノチューブ及び一つの半導体性カーボンナノチューブを捜して、該第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブをマークして、第二カーボンナノチューブ層に一つの第二金属性カーボンナノチューブを捜して、該第二金属性カーボンナノチューブの延伸方向と第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブの延伸方向とが互いに交叉する、該第二金属性カーボンナノチューブをマークして、残りの第一カーボンナノチューブと第二カーボンナノチューブを除去する。

Ｓ５：上記の構造に焼鈍処理を行う。

ステップＳ１において、支持構造が第一カーボンナノチューブ層を支え、その材料が制限されない。支持構造の材料は絶縁材料であることが好ましい。本実施例において、支持構造が二層の構造であり、下層がシリコンであり、上層が酸化ケイ素であり、酸化ケイ素の厚さが３００ナノメートルである。複数の第一カーボンナノチューブの配列方向が制限されなく、交叉して配列され、又は平行して配列される。本実施例において、第一カーボンナノチューブ層における複数の第一カーボンナノチューブが互いに平行する。

第一金属性カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。第一金属性カーボンナノチューブの直径が制限されなく、０．５ナノメートル〜１５０ナノメートルである。ある実施例では、第一金属性カーボンナノチューブの直径が０．５ナノメートル〜１０ナノメートルである。好ましくは、第一金属性カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブであり、その直径が０．５ナノメートル〜２ナノメートルである。

半導体性カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。半導体性カーボンナノチューブの直径が制限されなく、０．５ナノメートル〜１０ナノメートルである。ある実施例では、半導体性カーボンナノチューブの直径が０．５ナノメートル〜５ナノメートルである。好ましくは、半導体性カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブであり、その直径が０．５ナノメートル〜２ナノメートルである。本実施例において、半導体性カーボンナノチューブが単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートルである。

支持構造に第一カーボンナノチューブ層を形成する方法は、移行方法である。この移行方法は下記のステップを含む。

Ｓ１１：基底に第一カーボンナノチューブ層を成長して、第一カーボンナノチューブ層が複数の第一カーボンナノチューブを含む。その中で、基底がシリコンの基底である。

Ｓ１２：第一カーボンナノチューブ層の表面に過渡層を塗布する。本実施例において、過渡層の材料がＰＭＭＡである。過渡層の厚さが制限されなく、０.１マイクロメートル〜１マイクロメートルであることが好ましい。

Ｓ１３：過渡層が塗布された第一カーボンナノチューブ層及び基底をアルカリ溶液の中に置き、７０℃〜１００℃に加熱して、過渡層及び第一カーボンナノチューブ層を基底と分離させる。Ｓ１３において、第一カーボンナノチューブ層が過渡層に転移される。第一カーボンナノチューブ層と過渡層との結合が更に緊密になり、過渡層と基底とが分離する時、大部分の第一カーボンナノチューブ層が過渡層に形成される。アルカリ溶液は、水酸化ナトリウム溶液又は水酸化カリウム溶液である。本実施例において、過渡層が塗布された第一カーボンナノチューブ層及び基底を、水酸化ナトリウム溶液の中に置き、９０℃で２０分間加熱する。

Ｓ１４：第一カーボンナノチューブ層が接着された過渡層を支持構造に敷設する。過渡層を除去して、第一カーボンナノチューブ層を支持構造の表面に形成させる。本実施例において、ＰＭＭＡの過渡層がアセトンで洗浄する方法によって除去される。

Ｓ２において、半導体層の結晶体を提供して、テープで半導体層の結晶体を何度も引き裂いて、この半導体層の厚さをますます薄くならせて、テープに二次元の半導体層を形成するまで引き裂く。その後、二次元の半導体層を第一カーボンナノチューブ層の表面に設置して、テープを除去する。本実施例において、テープで硫化モリブデンの単結晶体を何度も引き裂いて、得られたシート状の硫化モリブデンの厚さをますます薄くならせて、ナノスケールの厚さの硫化モリブデン層を形成するまで引き裂く。半導体層が形成されたテープを第一カーボンナノチューブ層に覆い、半導体層を第一カーボンナノチューブ層と接触させ、テープを剥がして、少なくともの一部の半導体層は、第一カーボンナノチューブ層の表面に残る。

Ｓ３において、第二カーボンナノチューブ層における複数の第二カーボンナノチューブが平行して配列される。本実施例において、第二カーボンナノチューブ層における複数の第二カーボンナノチューブが互いに平行して、第一カーボンナノチューブの配列方向と第二カーボンナノチューブの配列方向が互いに垂直する。第二カーボンナノチューブ層が移行方法によって、半導体層の表面に移行する。第二カーボンナノチューブ層の移行方法が第一カーボンナノチューブ層の移行方法と同じである。

ステップＳ４は、具体的に以下のサブステップを含む。

Ｓ４１：走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の協力のもとで、第一カーボンナノチューブ層における、平行して間隔を置いて設置された一つの第一金属性カーボンナノチューブ及び一つの半導体性カーボンナノチューブを選択して、第一金属性カーボンナノチューブと半導体性カーボンナノチューブの座標位置を標識する。第二カーボンナノチューブ層に一つの第二金属性カーボンナノチューブを捜して、第二金属性カーボンナノチューブの伸び方向が第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブの伸び方向と互いに交叉する、第二金属性カーボンナノチューブの座標位置をマークする。

Ｓ４２：電子ビーム露光の方法で、マークされた第一金属性カーボンナノチューブと半導体性カーボンナノチューブ、及び第二金属性カーボンナノチューブを保護して、第一カーボンナノチューブ層及び第二カーボンナノチューブ層におけるその他のカーボンナノチューブを露出して、プラズマエッチングの方法で、第一カーボンナノチューブ層及び第二カーボンナノチューブ層におけるその他の第一カーボンナノチューブと第二カーボンナノチューブをエッチングする。

ステップＳ４１では、まず、支持構造の長さ及び幅に座標目盛りを標識して、ＸＹ座標である。その後、走査型電子顕微鏡の下で、第一金属性カーボンナノチューブと一つの半導体性カーボンナノチューブ及び第二金属性カーボンナノチューブを選択して、且つ該組の交叉している第一カーボンナノチューブと第二カーボンナノチューブの座標値を読み出す。

ステップＳ５では、焼鈍処理が真空環境で行われ、アニーリング温度が３００〜４００℃である。アニーリング処理をした後、ナノヘテロ接合構造の表面の不純物を除去でき、更に、第一カーボンナノチューブ層と半導体層と第二カーボンナノチューブ層との間の結合力を強くならせる。

図３を参照すると、本発明の第三実施例は、上記ナノヘテロ接合構造１００を使用した半導体素子２００を提供する。半導体素子２００は、上記ナノヘテロ接合構造１００、第一電極２０１、第二電極２０２、第三電極２０３及び第四電極２０４を含む。第一電極２０１は、絶縁層２０５によって、第二電極２０２、第三電極２０３、第四電極２０４及びナノヘテロ接合構造１００と電気的に絶縁する。第二電極２０２、第三電極２０３、及び第四電極２０４は、ナノヘテロ接合構造１００と電気的に接続される。ナノヘテロ接合構造１００の具体的な構造が第一実施例のナノヘテロ接合構造１００の構造と同じであり、ここに詳しく説明をしない。

第二電極２０２、第三電極２０３及び第四電極２０４は、導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。第二電極２０２、第三電極２０３及び第四電極２０４が導電フィルムであってもよく、導電フィルムの厚さが０．０１マイクロメートル〜１０マイクロメートルである。本実施例において、第二電極２０２、第三電極２０３及び第四電極２０４が銅及びチタンからなる金属複合構造であり、具体的には、金属複合構造は、銅がチタンの表面に複合して形成され、チタンの厚さが５ナノメートルであり、銅の厚さが５０ナノメートルである。本実施例において、第二電極２０２が第一金属性カーボンナノチューブ１０２に電気的に接続され、第一金属性カーボンナノチューブ１０２の一端に設置され、第三電極２０３が第二金属性カーボンナノチューブ１０８に電気的に接続され、第二金属性カーボンナノチューブ１０８の一端に設置され、第四電極２０４が半導体性カーボンナノチューブ１０４に電気的に接続され、半導体性カーボンナノチューブ１０４の一端に設置される。

第一電極２０１が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。本実施例において、第一電極２０１が層状構造であり、絶縁層が第一電極２０１の表面に設置され、第二電極２０２、第三電極２０３、第四電極２０４及びナノヘテロ接合構造１００が絶縁層２０５に設置され、且つ第一電極２０１及び絶縁層２０５に支持される。

絶縁層２０５の材料が窒化シリコン及び酸化シリコン等の硬質材料又は、ベンゾシクロブテン、ポリエステル及びアクリル樹脂等の軟質材料である。絶縁層の厚さが２ナノメートル〜１００マイクロメートルである。本実施例において、絶縁層２０５の材料が酸化シリコンである。

第一金属性カーボンナノチューブ１０２、半導体層１０６、第二金属性カーボンナノチューブ１０８、第二電極２０２、第四電極２０４及び第一電極２０１及び絶縁層２０５は、ＮＭＯＳトランジスタが形成される。半導体性カーボンナノチューブ１０４、半導体層１０６、第二金属性カーボンナノチューブ１０８、第三電極２０３、第四電極２０４、第一電極２０１及び絶縁層２０５は、ＰＭＯＳトランジスタが形成される。図４を参照すると、半導体素子の電気回路図であり、ローレベルを入力する時、ＰＭＯＳトランジスタがオン状態になり、ＮＭＯＳトランジスタがオフ状態になり、ハイレベルを出力する。ハイレベルを入力する時、ＰＭＯＳトランジスタがオフ状態になり、ＮＭＯＳトランジスタがオン状態になり、ローレベルを出力する。即ち、回路におけるＮＭＯＳトランジスタ及びＰＭＯＳトランジスタが交互に作動して、インバータが形成され、電源の作動電圧Ｖ_ＤＤと公共のグランドの電圧Ｖ_ＳＳとの間に低インピーダンスの直流通路はないので、静的消費電力が極めて小さい。

本実施例における半導体素子が二つのナノの鉛直ヘテロ接合構造からなり、三次元の構造の素子であり、且つ平面内のサイズがナノスケールであり、素子を小型化させること及び素子の集積度を高めることに非常に意味がある。

図５を参照すると、本発明の第四実施例は、半導体素子の製造方法を提供する。半導体素子の製造方法は、以下のステップを含む。

Ｍ１：支持構造を提供して、支持構造の表面に第一カーボンナノチューブ層を形成して、第一カーボンナノチューブ層が複数の第一カーボンナノチューブを含む。

Ｍ２：第一カーボンナノチューブ層に半導体層を形成する。

Ｍ３：半導体層に第二カーボンナノチューブ層を覆って、第二カーボンナノチューブ層が複数の第二カーボンナノチューブを含む。

Ｍ４：第一カーボンナノチューブ層に平行して間隔を置いて設置された一つの第一金属性カーボンナノチューブ及び一つの半導体性カーボンナノチューブを捜して、該第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブをマークして、第二カーボンナノチューブ層に一つの第二金属性カーボンナノチューブを捜して、該第二金属性カーボンナノチューブの延伸方向と第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブの延伸方向とが互いに交叉する、該第二金属性カーボンナノチューブをマークして、残りの第一カーボンナノチューブと第二カーボンナノチューブを除去する。

Ｍ５：マークされた第一金属性カーボンナノチューブの一端に第三電極を形成して、マークされた半導体性カーボンナノチューブの一端に第四電極を形成して、マークされた第二金属性カーボンナノチューブの一端に第二電極を形成する。

Ｍ６：上記の構造に焼鈍処理を行う。

本実施例において、ステップＭ１では、支持構造が二層構造であり、下層が導電層であり、上層が絶縁層である。第一カーボンナノチューブ層が絶縁層に形成される。支持構造における導電層が半導体素子の第一電極である。

ステップＭ１〜Ｍ４及びＭ６は、それぞれ第二実施例のナノヘテロ接合構造を製造するステップＳ１〜Ｓ５と同じであり、ここに詳しく説明しない。

ステップＭ５において、第二電極、第三電極及び第四電極が導電材料からなる。導電材料は、金属、合金、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー及び導電カーボンナノチューブ等のいずれかの一種である。金属材料は、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。第二電極、第三電極及び第四電極も、一層の導電フィルムであってもよく、導電フィルムの厚さが０．０１マイクロメートル〜１０マイクロメートルである。

第二電極、第三電極及び第四電極が形成された材料の種類によって、同じでない方法を採用して、第二電極、第三電極及び第四電極を形成する。具体的には、第二電極、第三電極及び第四電極の材料が金属、合金、ＩＴＯ又はＡＴＯである時に、蒸着、スパッタリング、沈積、マスキング、エッチングなどの方法で、第二電極、第三電極及び第四電極を形成できる。第二電極、第三電極及び第四電極の材料が導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブである時に、印刷塗布又は直接に粘着する方法で、第二電極、第三電極及び第四電極を形成できる。

本実施例において、第二電極、第三電極及び第四電極は、それぞれ、金属の銅とチタンからなる金属複合構造である。前記ステップＭ５は、具体的に以下のサブステップを含む。

Ｍ５１：支持構造の表面にフォトレジストを塗布する。

Ｍ５２：電子ビーム露光、現像する方法及び電子ビーム蒸着方法で、第一金属性カーボンナノチューブ、半導体性カーボンナノチューブ及び第二金属性カーボンナノチューブの表面に、それぞれ金属層を沈積する。

Ｍ５３：アセトンなどの有機溶剤で剥離する。

１００ナノヘテロ接合構造
１０２第一金属性カーボンナノチューブ
１０４半導体性カーボンナノチューブ
１０６半導体層
１０８第二金属性カーボンナノチューブ
１１０第一三層の立体構造
１２０第二三層の立体構造
２００半導体素子
２０１第一電極
２０２第二電極
２０３第三電極
２０４第四電極
２０５絶縁層

Claims

第一金属性カーボンナノチューブ、半導体性カーボンナノチューブ、半導体層及び第二金属性カーボンナノチューブを含むナノヘテロ接合構造において、前記半導体層は、第一表面及び該第一表面と相対する第二表面を含み、前記第一金属性カーボンナノチューブ及び半導体性カーボンナノチューブが平行して間隔を置いて、前記第一表面に設置され、前記第二金属性カーボンナノチューブが第二表面に設置され、前記第一金属性カーボンナノチューブ及び前記半導体性カーボンナノチューブが第一方向に沿って延伸し、前記第二金属性カーボンナノチューブが第二方向に沿って延伸し、前記第二方向と前記第一方向とは、角度を成し、該角度が０°より大きく、且つ９０°以下であることを特徴とするナノヘテロ接合構造。
前記第一金属性カーボンナノチューブ又は前記第二金属性カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブであり、該第一金属性カーボンナノチューブ又は該第二金属性カーボンナノチューブの直径が０．５ナノメートル〜１０ナノメートルであることを特徴とする、請求項１に記載のナノヘテロ接合構造。
前記半導体性カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブであり、該半導体性カーボンナノチューブの直径が０．５ナノメートル〜１０ナノメートルであることを特徴とする、請求項１に記載のナノヘテロ接合構造。
前記第一金属性カーボンナノチューブ、半導体層及び前記第二金属性カーボンナノチューブが互いに交叉し、交叉点が形成され、該交叉点に一つの第一三層の立体構造が形成され、該第一三層の立体構造の断面の面積が０．２５ｎｍ^２〜１０００ｎｍ^２であることを特徴とする、請求項１に記載のナノヘテロ接合構造。
半導体性カーボンナノチューブ、半導体層及び前記第二金属性カーボンナノチューブが互いに交叉し、交叉点が形成され、該交叉点に一つの第二三層の立体構造が形成され、該第二三層の立体構造の断面の面積が０．２５ｎｍ^２〜１０００ｎｍ^２であることを特徴とする、請求項１に記載のナノヘテロ接合構造。