カーボンナノチューブを用いた強誘電体/半導体直接接触トランジスタの作製

• Project/Area Number: 17656114
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 石原 宏 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 教授 (60016657)
• Project Period (FY): 2005 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥3,500,000 (Direct Cost: ¥3,500,000); Fiscal Year 2006: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2005: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
• Keywords: 強誘電体 / カーボンナノチューブ / トランジスタ / 界面準位

Research Abstract

本年度は、SiO_2をゲート絶縁膜とするバックゲート型カーボンナノチューブ(CNT)トランジスタの作製から開始した。ゲート電極となるSi基板上にSiO_2膜を形成し、その上にCNT分散液をスピンコート法で塗布した。分散液の溶媒は、Nジメチルホルムアミドであり、界面活性剤としてドデシル硫酸ナトリウムを加えた後に、超音波分散を12時間行った。その後、リフトオフ法によりPdならびにAu電極を形成して、ソース、ドレインとした。電極間隔は、1,2,μmである。得られた試料について電気的特性を評価した結果、約2%のデバイスについてトランジスタ特性が得られた。ドレイン電圧を0.1Vで固定し、ゲート電圧を±5Vの範囲で掃引した測定では、最大で5桁程度の電流オン・オフ比が得られた。しかし、得られたI_D-V_G特性には3V程度の電荷注入型のヒステリシスが観測された。この現象は、ナノチューブヘの酸素の吸着などが原因と考えられる。
次に、強誘電体をゲート絶縁膜とするCNTトランジスタを作製した。SiO_2/Si基板上にゲート電極となるPt膜を堆積し、その上にゾルゲル・スピンコート法によりSBT(SrBi_2Ta_2O_9)膜を堆積した。強誘電体としてSBTを用いた理由は、構成原子の拡散が少ないと考えたためである。この後は、SiO_2をゲート絶縁膜とするトランジスタと全く同様な方法で作製した。得られたトランジスタは、オン電流が1x10^<-6>A/cm^2程度で、SiO_2ゲートのトランジスタよりも約1桁大きかった。その理由は、SBTの比誘電率が大きいために、ナノチューブに強い電界が印加されたためと考えられる。しかし、オフ電流は3x10^<-8>A/cm^程度となり、大きなオン・オフ比が取れないことが明らかとなった。この問題については、電極パッドにおけるSBT膜のリーク電流が主原因と判明し、パッド部分にPt下部電極を形成しない構造にすることにより解決できた。しかし、I_D-V_G特性におけるヒステリシスは、SiO_2ゲートトランジスタと同じ向きの電荷注入型を示していた。これより、良好な特性を示す強誘電体ゲートトランジスタを作製するためには、ナノチューブヘの酸素吸着の問題を解決する必要があると結論した。