独立行政机构产业技术综合研究所[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米管应用研究中心[研究中心主任饭岛澄夫]首席研究员畠健二、超级生长碳纳米管团队首席研究员樱井俊辅等人正在参与高级研究与开发支持计划（FIRST）项目“绿色纳米电子核心技术的开发”（首席研究员：横山直树），该项目是半导体单壁碳纳米管 (CNT)的技术，并且还证明可以通过提高半导体单壁碳纳米管的选择性来改善薄膜晶体管的特性。
虽然半导体型碳纳米管因其高性能而作为下一代晶体管材料而受到关注，但在合成过程中混合金属型碳纳米管的问题阻碍了晶体管的实现。这次，化学气相沉积（CVD）法合成单壁碳纳米管薄膜时，我们开发了一种技术，通过在合成前用水蒸气调节金属催化剂的状态，以高达98%的高选择性合成半导体型单壁碳纳米管。合成CNT薄膜频道随着半导体单层CNT的选择性增加，用作层的场效应晶体管具有改进的特性并且比以前更短通道长度开关比和当前、移动性新开发的合成技术通过与传统的合成后分离技术相结合，有可能进一步提高半导体单壁碳纳米管的选择性，并有望为单壁碳纳米管在晶体管中的应用做出贡献。
该技术的详细信息将于2014年3月3日至5日在东京大学（东京都文京区）举行的第46届富勒烯、纳米管和石墨烯综合研讨会上公布。
 |
| 开发出半导体单壁碳纳米管的选择性合成工艺 |
半导体型单壁碳纳米管具有高迁移率等大规模集成电路（LSI）的功耗的新型超低功耗晶体管的材料，它正在引起人们的关注。由于其高柔韧性，它作为半导体器件的材料也引起了人们的关注，它可以通过弯曲、拉伸和印刷来制造，这是传统半导体材料无法实现的。然而，一些单壁碳纳米管表现出半导体特性，而另一些则表现出金属特性，具体取决于碳原子的排列。如果在半导体型单壁碳纳米管中混入大量金属性单壁碳纳米管，则碳纳米管场效应晶体管将无法发挥其原有的特性，其特性将逊色于一般的半导体晶体管，其应用也会受到限制。金属性单壁碳纳米管和半导体性单壁碳纳米管之间的结构差异很小，利用传统的单壁碳纳米管合成技术很难区分半导体性和金属性碳纳米管。此外，还开发了一种技术，可在合成后将单壁碳纳米管混合物分离成金属型和半导体型（2013 年 12 月 19 日 AIST 新闻稿)存在诸如约1%的金属CNT剩余以及与分离过程相关的成本等问题。
2004年AIST将能够在短时间内合成大量单壁碳纳米管超级成长法之外，我们还致力于开发结构可控的CNT合成技术，以批量生产表现出更高性能的CNT。
自2010年度以来，在内阁府和日本学术振兴会运营的前沿研究开发支援计划（FIRST）的“绿色纳米电子核心技术开发”项目（首席研究员：横山直树）的支持下，我们一直在研究和开发半导体型碳纳米管的选择性生长技术，并考虑其设备应用。
CVD法是目前应用最广泛的单壁碳纳米管合成方法。在还原气氛下的加热炉中，调整担载在基材上的金属催化剂微粒，并向该粒子供给烃，使CNT生长。这次，我们着眼于与生长CNT的结构密切相关的金属催化剂微粒的结构，并设计了在生长CNT之前在炉内气体气氛中对其进行调整的方法。即，将水和氢的混合气体供给至细铁催化剂颗粒以调整催化剂，并且在停止供给混合气体后立即开始供给作为原料的烃气体以合成单壁CNT薄膜。图1所示为新开发的半导体单壁碳纳米管选择性合成工艺。通过优化水和氢的用量，我们能够合成选择性高达 98% 的半导体单壁碳纳米管。这种选择性是半导体CNT选择性合成技术中最高的（之前为97%）。
 |
| 图1所开发的半导体CNT选择性合成工艺示意图 |
在使用本次开发的方法合成的单壁碳纳米管薄膜中，形成了单壁碳纳米管的网络结构。我们使用这种薄膜作为沟道层制作了场效应晶体管原型。使用传统CNT合成技术生产的CNT薄膜含有许多金属CNT，使用它们的晶体管需要大约100μm的沟道长度以防止电路短路。然而，使用选择性生长半导体单层CNT制成的CNT薄膜的晶体管即使沟道长度短至5μm，其开关比也超过10,000，迁移率也达到17cm。2/Vs，通态电流为13S/m，表现出远远超过传统CNT场效应晶体管的特性（图2）。
该结果表明，通过结合半导体型单壁CNT分离技术进一步提高半导体单壁CNT的纯度，可以进一步提高场效应晶体管特性。因此，单壁碳纳米管有望具有优于氧化物半导体等传统材料的性能，并具有前所未有的灵活性和集成度。柔性电子设备的应用以及从LSI到下一代材料的实现。
 |
| 图2 制作的单层CNT场效应晶体管的导通特性 |
| 左：漏极电流与栅极电压，右：导通电流与开/关比图，用于与过去的 CNT 场效应晶体管进行特性比较。图2右侧显示，越靠近右上方，晶体管越好。 |
未来，我们将继续开发合成半导体单壁碳纳米管的技术，以提高产量和密度，同时保持生长选择性。未来，我们的目标是将该技术与涂层技术相结合，实现高度集成的柔性电路，并将其应用于下一代LSI材料。