カーボンナノチューブ電界効果トランジスタセンサ及びその製造方法

【課題】カーボンナノチューブの内部を利用したＣＮＴ−ＦＥＴセンサを提供すること。
【解決手段】ＣＮＴ−ＦＥＴセンサ１０は、基板１２上に形成された、両端部が開放されてチューブ状の端面が露出したカーボンナノチューブ１４と、該カーボンナノチューブ１４に接続して形成されたソース電極１６及びドレイン電極１８と、上記カーボンナノチューブ１４の上記開放された両端部が露出し且つ上記カーボンナノチューブ１４の少なくともソース−ドレイン間を覆うように形成された絶縁体２０と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサとして利用可能なカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（以下、ＣＮＴ−ＦＥＴと略記する）センサ、及び、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブは、非特許文献１に示すように１９９１年に発見されたものであり、近年、そのようなカーボンナノチューブに代表されるナノカーボン材料には、様々な応用が期待されている。
【０００３】
例えば、電位窓が広いことを利用して、チャネル部分にナノ炭素材料を用いたＦＥＴは、トランジスタのゲート部分に付着した蛋白質やＤＮＡを検知するバイオセンサとしての応用が期待されている。チャネルに用いる炭素材料は、ナノカーボン、とくにカーボンナノチューブやカーボンナノワイヤが有望である。
【０００４】
そのようなバイオセンサは、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００５】
従来、ＣＮＴ−ＦＥＴでは、カーボンナノチューブが露出しているため、感度は高いものの、安定性が悪く、ノイズも大きく、またヒステリシスがある。そのため、実際のセンサとして使用できる感度は高くない。
【０００６】
これに対して、上記特許文献１では、カーボンナノチューブを絶縁体で覆うことで、感度は低いが、安定性があり、ノイズが小さく、ヒステリシスも小さいＣＮＴ−ＦＥＴセンサを提案している。
【非特許文献１】S.Iijima、 Nature Vol.354 p.56 (1991)
【特許文献１】特開２００４−３４７５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＣＮＴ−ＦＥＴセンサは、カーボンナノチューブの内部を利用するものではなかった。
【０００８】
本発明は、カーボンナノチューブの内部を利用したＣＮＴ−ＦＥＴセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のＣＮＴ−ＦＥＴセンサの一態様は、
基板上に形成された、両端部が開放されてチューブ状の端面が露出したカーボンナノチューブと、
上記カーボンナノチューブに接続して形成されたソース電極及びドレイン電極と、
上記カーボンナノチューブの上記開放された両端部が露出し且つ上記カーボンナノチューブの少なくともソース−ドレイン間を覆うように形成された絶縁体と、
を具備することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のＣＮＴ−ＦＥＴセンサの製造方法の一態様は、
基板上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
上記カーボンナノチューブの両側先端部が露出した状態で上記カーボンナノチューブを覆うように電極材料を形成する工程と、
上記露出したカーボンナノチューブの両先端部を除去することで、上記カーボンナノチューブの両端部を開放してチューブ状の端面を露出する工程と、
上記電極材料を選択的に除去することで、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
上記カーボンナノチューブの上記開放された両端部が露出し且つ上記カーボンナノチューブの少なくともソース−ドレイン間を覆うように、絶縁体を形成する工程と、
を具備することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のＣＮＴ−ＦＥＴセンサの製造方法の別の態様は、
基板上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
上記カーボンナノチューブの両側先端部が露出した状態で上記カーボンナノチューブを覆うようにチタン層と金層の二層構造の電極層を形成する工程と、
上記チタン層上に金層を形成する工程と、
上記露出したカーボンナノチューブの両先端部を除去することで、上記カーボンナノチューブの両端部を開放してチューブ状の端面を露出する工程と、
上記二層構造の電極層を選択的に除去することで、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
上記カーボンナノチューブの上記開放された両端部が露出し且つ上記カーボンナノチューブの少なくともソース−ドレイン間を覆うように、絶縁体を形成する工程と、
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、カーボンナノチューブの内部を利用したＣＮＴ−ＦＥＴセンサ及びその製造方法を提供することができる。さらにカーボンナノチューブの内部を利用することで、感度が高く、安定性があり、ノイズが小さく、ヒステリシスも小さいＣＮＴ−ＦＥＴセンサを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係るＣＮＴ−ＦＥＴセンサ１０の構成を示す図である。
【００１５】
このＣＮＴ−ＦＥＴセンサ１０は、基板１２上に形成された、両端部が開放された（孔が開けられた）カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１４と、該カーボンナノチューブ１４に接続して形成されたソース電極１６及びドレイン電極１８と、上記カーボンナノチューブ１４の開放された両端部が露出して上記カーボンナノチューブ１４を覆うように形成された絶縁体２０と、からなる。
【００１６】
このような構成のＣＮＴ−ＦＥＴセンサ１０では、カーボンナノチューブの両端部が開放されているため、カーボンナノチューブの内部に分子が入ることができる。そして、その内部に入った分子の電荷によってソース−ドレイン間の電流が変化する。その変化を利用して、分子の濃度をセンシングする。例えば、人体に害のあるＮＯ等のガス濃度を検知するガスセンサとして利用可能である。
【００１７】
次に、このようなＣＮＴ−ＦＥＴセンサ１０の製造方法を説明する。図２Ａ乃至図２Ｅは各工程での平面図であり、図３Ａ乃至図３Ｅは各工程での断面図である。
【００１８】
（工程１）即ち、まず、図２Ａ及び図３Ａに示すように、シリコンウェハ１２Ａを熱処理してシリカ層（酸化膜）１２Ｂを形成した基板１２上に、触媒を散布し、定められた位置にカーボンナノチューブ１４を成長させる（合成したカーボンナノチューブ１４を基板１２上に散布しても良い）。ただし、この段階ではカーボンナノチューブ１４の両端部は図１４に示すようにチューブ状の端面を露出していない。
【００１９】
（工程２）次に、図２Ｂ及び図３Ｂに示すように、基板１２下面にゲート電極２２を蒸着すると共に、上記カーボンナノチューブ１４を形成した基板１２上面に、電極材料２４としてチタン層２４Ａ、金層２４Ｂをそれぞれ蒸着し、パターニングして、金層２４Ｂ、チタン層２４Ａをそれぞれエッチングすることで、カーボンナノチューブ１４の両先端部を露出させる。カーボンナノチューブ１４上に直接、金層２４Ｂを形成したのでは密着性が悪いが、このような二層構造の電極層によれば、チタンを介在することで、その密着性の問題を回避できる。
【００２０】
（工程３）その後、図２Ｃ及び図３Ｃに示すように、上記露出したカーボンナノチューブの両先端部を除去することで、上記カーボンナノチューブの両端部を開放する。即ち、チューブ状の端面が露出された状態になる。なお、除去法としては、酸化（加熱、酸処理、アルカリ処理、酸化剤処理）、プラズマ処理、光照射、等の手法が利用可能である。
【００２１】
（工程４）次に、図２Ｄ及び図３Ｄに示すように、パターニングして、上記金層２４Ｂ及びチタン層２４Ａをそれぞれエッチングすることで、ソース電極１６及びドレイン電極１８を形成する。
【００２２】
（工程５）そして、図２Ｅ及び図３Ｅに示すように、上記カーボンナノチューブ１４の上記開放された両端部が露出し且つ上記カーボンナノチューブ１４の少なくともソース−ドレイン間を覆うように、シリカ等の絶縁体２０を形成する。これにより、図１に示すＣＮＴ−ＦＥＴセンサ１０が完成する。
【００２３】
以上のように、本一実施形態によれば、カーボンナノチューブ１４の内部を利用したＣＮＴ−ＦＥＴセンサ１０が得られる。即ち、カーボンナノチューブ１４の開放された両端部から分子がカーボンナノチューブの内部に入ることができ、その分子の電荷によってソース−ドレイン間の電流が変化するので、その変化を利用して、分子の濃度をセンシングすることができる。
【００２４】
特に、絶縁体２０でカーボンナノチューブ１４を覆っているため、安定性があり、ノイズが小さく、ヒステリシスも小さい。
【００２５】
さらに、カーボンナノチューブ１４に直接、分子が接するため、感度が高くなる。
【００２６】
また、クロマト等を組み合わせることで、選択性も付加できる。
【００２７】
さらに、カーボンナノチューブ先端部の孔を化学修飾することで、選択性を付加できる。
【００２８】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【００２９】
（付記）
前記の具体的実施形態から、以下のような構成の発明を抽出することができる。
【００３０】
（１）基板上に形成された、両端部が開放されてチューブ状の端面が露出したカーボンナノチューブと、
上記カーボンナノチューブに接続して形成されたソース電極及びドレイン電極と、
上記カーボンナノチューブの上記開放された両端部が露出し且つ上記カーボンナノチューブの少なくともソース−ドレイン間を覆うように形成された絶縁体と、
を具備することを特徴とするＣＮＴ−ＦＥＴセンサ。
【００３１】
（実施形態との対応）
一実施形態において、基板１２が上記基板に、カーボンナノチューブ１４が上記カーボンナノチューブに、ソース電極１６が上記ソース電極に、ドレイン電極１８が上記ドレイン電極に、絶縁体２０が上記絶縁体に、それぞれ対応する。
【００３２】
（作用効果）
この（１）に記載のＣＮＴ−ＦＥＴバイオセンサ装置によれば、カーボンナノチューブの開放された両端部から分子がカーボンナノチューブの内部に入ることができ、その分子の電荷によってソース−ドレイン間の電流が変化するので、その変化を利用して、分子の濃度をセンシングすることができる。従って、カーボンナノチューブの内部を利用したＣＮＴ−ＦＥＴセンサが得られる。
【００３３】
（２）基板上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
上記カーボンナノチューブの両側先端部が露出した状態で上記カーボンナノチューブを覆うように電極材料を形成する工程と、
上記露出したカーボンナノチューブの両先端部を除去することで、上記カーボンナノチューブの両端部を開放してチューブ状の端面を露出する工程と、
上記電極材料を選択的に除去することで、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
上記カーボンナノチューブの上記開放された両端部が露出し且つ上記カーボンナノチューブの少なくともソース−ドレイン間を覆うように、絶縁体を形成する工程と、
を具備することを特徴とするＣＮＴ−ＦＥＴセンサの製造方法。
【００３４】
（実施形態との対応）
一実施形態において、基板１２が上記基板に、カーボンナノチューブ１４が上記カーボンナノチューブに、工程１が上記カーボンナノチューブを形成する工程に、電極材料２４が上記電極材料に、工程２が上記電極材料を形成する工程に、工程３が上記カーボンナノチューブの両端部を開放する工程に、ソース電極１６が上記ソース電極に、ドレイン電極１８が上記ドレイン電極に、工程４が上記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程に、絶縁体２０が上記絶縁体に、工程５が上記絶縁体を形成する工程に、それぞれ対応する。
【００３５】
（作用効果）
この（２）に記載のＣＮＴ−ＦＥＴセンサの製造方法によれば、両端部に孔が開けられ、絶縁体で覆われたカーボンナノチューブを形成できるので、カーボンナノチューブの開放された両端部から分子がカーボンナノチューブの内部に入ることができ、その分子の電荷によって変化するソース−ドレイン間の電流に基づいて、分子の濃度をセンシングすることができる、カーボンナノチューブの内部を利用したＣＮＴ−ＦＥＴセンサを製造することができる。
【００３６】
（３）基板上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
上記カーボンナノチューブの両側先端部が露出した状態で上記カーボンナノチューブを覆うようにチタン層と金層の二層構造の電極層を形成する工程と、
上記チタン層上に金層を形成する工程と、
上記露出したカーボンナノチューブの両先端部を除去することで、上記カーボンナノチューブの両端部を開放してチューブ状の端面を露出する工程と、
上記二層構造の電極層を選択的に除去することで、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
上記カーボンナノチューブの上記開放された両端部が露出し且つ上記カーボンナノチューブの少なくともソース−ドレイン間を覆うように、絶縁体を形成する工程と、
を具備することを特徴とするＣＮＴ−ＦＥＴセンサの製造方法。
【００３７】
（実施形態との対応）
一実施形態において、基板１２が上記基板に、カーボンナノチューブ１４が上記カーボンナノチューブに、工程１が上記カーボンナノチューブを形成する工程に、チタン層２４Ａが上記チタン層に、金層２４Ｂが上記金層に、電極材料２４が上記二相構造の電極層に、工程２が上記二層構造の電極層を形成する工程に、工程３が上記カーボンナノチューブの両端部を開放する工程に、ソース電極１６が上記ソース電極に、ドレイン電極１８が上記ドレイン電極に、工程４が上記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程に、絶縁体２０が上記絶縁体に、工程５が上記絶縁体を形成する工程に、それぞれ対応する。
【００３８】
（作用効果）
この（３）に記載のＣＮＴ−ＦＥＴセンサの製造方法によれば、両端部に孔が開けられ、絶縁体で覆われたカーボンナノチューブを形成できるので、カーボンナノチューブの開放された両端部から分子がカーボンナノチューブの内部に入ることができ、その分子の電荷によって変化するソース−ドレイン間の電流に基づいて、分子の濃度をセンシングすることができる、カーボンナノチューブの内部を利用したＣＮＴ−ＦＥＴセンサを製造することができる。
また、二層構造の電極層により密着性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るＣＮＴ−ＦＥＴセンサの構成を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、工程１での平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、工程２での平面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、工程３での平面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、工程４での平面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、工程５での平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、工程１での断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、工程２での断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、工程３での断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、工程４での断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、工程５での断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…ＦＥＴセンサ、１２…基板、１２Ａ…シリコンウェハ、１２Ｂ…シリカ層、１４…カーボンナノチューブ、１６…ソース電極、１８…ドレイン電極、２０…絶縁体、２２…ゲート電極、２４…電極材料、２４Ａ…チタン層、２４Ｂ…金層。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された、両端部が開放されてチューブ状の端面が露出したカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブに接続して形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記カーボンナノチューブの前記開放された両端部が露出し且つ前記カーボンナノチューブの少なくともソース−ドレイン間を覆うように形成された絶縁体と、
を具備することを特徴とするカーボンナノチューブ電界効果トランジスタセンサ。
【請求項２】
基板上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブの両側先端部が露出した状態で前記カーボンナノチューブを覆うように電極材料を形成する工程と、
前記露出したカーボンナノチューブの両先端部を除去することで、前記カーボンナノチューブの両端部を開放してチューブ状の端面を露出する工程と、
前記電極材料を選択的に除去することで、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記カーボンナノチューブの前記開放された両端部が露出し且つ前記カーボンナノチューブの少なくともソース−ドレイン間を覆うように、絶縁体を形成する工程と、
を具備することを特徴とするカーボンナノチューブ電界効果トランジスタセンサの製造方法。
【請求項３】
基板上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記カーボンナノチューブの両側先端部が露出した状態で前記カーボンナノチューブを覆うようにチタン層と金層の二層構造の電極層を形成する工程と、
前記チタン層上に金層を形成する工程と、
前記露出したカーボンナノチューブの両先端部を除去することで、前記カーボンナノチューブの両端部を開放してチューブ状の端面を露出する工程と、
前記二層構造の電極層を選択的に除去することで、ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記カーボンナノチューブの前記開放された両端部が露出し且つ前記カーボンナノチューブの少なくともソース−ドレイン間を覆うように、絶縁体を形成する工程と、
を具備することを特徴とするカーボンナノチューブ電界効果トランジスタセンサの製造方法。

【図１】