2015 Fiscal Year Annual Research Report
高品質半導体カーボンナノチューブアレイ作製技術の開発と高集積回路への応用
| Project/Area Number |
15J07857
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
大塚 慶吾 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
|
| Keywords | 単層カーボンナノチューブ / 電界効果トランジスタ / 精製処理 / 全長燃焼 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
単層カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタは，現在主流であるシリコン半導体と比較し，高速動作・低消費電力の可能性を有するだけでなく，これまで半導体の性能向上の原動力であった素子の微細化に最適な構造を持つ．カーボンナノチューブのポテンシャルを生かすに半導体型のカーボンナノチューブのみが高密度に配向したアレイ構造を用意する必要がある．そのような構造を得るために，当該年度は当初の予定通り精製技術に焦点を当てた研究を行った．具体的には，半導体応用において不純物となる金属型のカーボンナノチューブを選択除去する手法の開発である．すでに基盤技術として，電気伝導性の差異を利用し金属型のカーボンナノチューブを選択加熱する手法，カーボンナノチューブの燃焼を補助する有機薄膜コーティングを利用した手法の開発が済んでいた．さらに実用に耐えうる半導体純度（99.99%）に向けて，当該年度は，以前開発した手法において重要性の高い現象の理解，また手法の再現性や得られる半導体型カーボンナノチューブの純度を向上させる方法を見出し，国内外の学会で発表するとともに，現在論文を執筆し国際誌に投稿する予定である．カーボンナノチューブの半導体応用において特に重要となる（１）高密度，（２）高純度，（３）高配向性という3つの要素を同時に満たす精製手法はこれまで報告されていない．本手法は，これらの要求をクリアする可能性を有しており，これが完成したときにカーボンナノチューブを用いた半導体応用が一挙に切り拓かれるものと考えられる．また，精製処理で起こる物理現象が従来の材料や直感的な予想に反するものであり，ナノスケール特有の現象として科学的な見地からも興味深いものである．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
単層カーボンナノチューブ（SWNT）をシリコンに代わってCPUなどの高性能論理回路に応用するにあたり，基板上に直接合成した水平配向SWNTアレイから不純物となる金属SWNTを選択的に除去する研究を行った．修士課程までに，基板上のSWNTを有機薄膜で覆い自己ジュール熱により酸化させることで，発熱の大きい金属SWNTを長尺にわたって燃焼させることができることを報告した．さらに実用に耐えうる半導体純度（99.99%）を得るために，当該年度は，第一に除去プロセスを支配するカーボンナノチューブの燃焼現象を理解し，それを基にして確実に金属型カーボンナノチューブを全長にわたり燃焼させる技術へと発展させた．具体的には，カーボンナノチューブ燃焼の物理モデルを構築し，数値シミュレーションにより燃焼の解析を行うことで，カーボンナノチューブの燃焼における有機薄膜の役割を詳細に分析するとともに，効果的な制御パラメータを明らかにした．実験的には，雰囲気中の水蒸気が重要な役割を果たしていること，さらに1次元のカーボンナノチューブの燃焼が一種の整流性を持つことを見出した．これらは計画段階で想定していた現象とは全く異なるものであるが，かえってそういった現象を積極的に利用することで金属型のカーボンナノチューブをより長尺にわたって燃焼させることが可能となった．結果として，1年目，さらに2年目の一部の目標を達成することができた．得られた半導体型カーボンナノチューブをラマン分光法や電気特性測定によって評価し，高品質であることを確かめた．
|
| Strategy for Future Research Activity |
合成の観点からは，当初の計画通り本手法を適用しやすい長尺のカーボンナノチューブの合成法を模索する．すでに長尺合成の足掛かりとなる実験結果が得られているため，これを詳細に分析しさらなる合成技術の向上を試みる．精製処理について，金属型のカーボンナノチューブを選択的かつ長尺に燃焼させる目標は実現しつつあるため，その燃焼メカニズムをさらに掘り下げて研究することを計画している．そしてデバイス応用の観点からは，高面積のカーボンナノチューブアレイに本手法を適用し，得られた高純度な半導体型のアレイを用いた論理回路の試作を行う．
|
