説明

イオンビーム照射によって作製されるナノロッドアレイ

【解決手段】ナノロッドアレイを作製する方法であって、基板にパターンを画定し、次に、イオンビーム照射により、基板にイオンを注入することを含んでいる。次に、基板の上に薄膜が形成される。薄膜の成長中、ナノトレンチが生成され、キャピラリー凝縮によるナノロッドの作製が促進される。得られたナノロッドは、支持マトリックスと整列されており、格子及び熱歪効果を受けない。ナノロッドの密度、サイズ及びアスペクト比は、イオンビーム照射及び薄膜成長条件を変えることによって調整可能であり、ナノロッドの放出効率を制御することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、2005年6月29日出願の米国仮特許出願60/696020号について、35USC§119(e)の利益を主張し、その開示全体は、引用を以て本願に組み入れられるものとする。
米国政府は、この発明について支払い済みのライセンスを有しており、限定された状況において、エネルギー省の許可No.DE-FG02-05ER46208及び国家科学ファウンデーション(NSF)の許可No.DMR-0404542に規定された妥当な条件で、特許所有者が他人にライセンスを付与する権利を有している。
本発明は、イオンビーム照射によりナノロッドアレイを作製する一般的分野に関する。
【背景技術】
【0002】
現在行われているナノロッドアレイパターンの作成法は、気体−液体−固体プロセスにおいて、成長を促進する(catalyze)ために金属触媒を使用する。共晶温度以上に加熱された触媒金属の薄い層が、基板の気相源の存在下で、基板上に形成される。金属触媒上で気相が吸収されて、共晶液相を生成し、これが触媒を消費する。基板が液相にさらに吸収されると、過飽和が生じ、ナノロッド成長が起こる。成長するナノロッドの上に形成される液滴が、気体−液体−固体(VLS)のさらなる成長を促進する。このプロセスに関する問題として、1)触媒自らが、ナノロッドの中に好ましくない不純物を生成し、物理的特性を低下させる。2)通常、支持マトリックス材料を有しない構造であるため、機械的不安定を招く。3)ナノロッドの底部は通常、ペデスタル型であるので、歪み効果を受け易く、構造的欠陥を生ずる。4)ナノ構造は不整列で分布がランダムであるので、電界が変動し、電界放出デバイスの放出効率の低下を招く。さらにまた、代表的なナノワイヤは構造が複雑であるため、スケールの好ましくない変化を制御することができず、局所電場を変化させる。曲がると、ナノワイヤ間は、完全に電気的短絡する。
【0003】
ナノロッドを成長させるキャピラリーチューブを作るのに、Eビームリソグラフィー及びドライエッチが用いられている。しかしながら、サイズの条件が厳しい場合、Eビームリソグラフィーではキャピラリーチューブ径が制限され、ドライエッチではアスペクト比(深さ/直径)が制限される。さらにまた、Eビームリソグラフィー法は、スキャニング法を用いるので、プロセスが遅くコストが高くなるので、産業用には適さない。
【発明の開示】
【0004】
本発明は、パターンアレイの形成において、単結晶ナノロッドが真直に揃う(straightly aligned)ように作製する方法を提供するものであって、本発明の第1の態様は、基板を準備し、基板にパターンを画定し、イオンビーム照射によりイオンを基板に注入し、基板に薄膜を形成することを含んでいる。
【0005】
本発明の第2の態様は、パターンアレイの形成において、単結晶ナノロッドが真直に揃うように作製する方法を提供するものであって、当該方法は、Si基板を準備し、リソグラフィーにより基板にパターンを画定し、イオンビーム照射によりイオン(Si、N、SiN、Ga、GaN及びそれらの組合せからなる群から選択される)を基板に注入し、分子ビームエピタキシ成長により、基板にGaN薄膜を形成し、形成されるナノトレンチがGa原子のキャピラリー凝縮によるGaNナノロッドの成長を促進させることを含んでいる。
【0006】
本発明の第3の態様は、パターンアレイの形成において、単結晶GaNナノロッドが真直に揃うように作製する方法であって、当該方法は、Si基板を準備するステップ、フォトリソグラフィーにより、基板にパターンを画定するステップ、アレイパターンにおけるナノロッドの密度とサイズを、イオンビームの照射量、エネルギー及び温度によってコントロールしながら、イオンビーム照射により、Siイオンを基板に注入するステップ、窒素プラズマ分子ビームエピタキシ成長により基板にGaN薄膜を形成するステップであって、形成されるナノトレンチがGa原子のキャピラリー凝縮によるGaNナノロッドの成長を促進させて、GaNナノロッドアレイを基板の表面に関して揃うように形成し、GaNナノロッドのアスペクト比(長さ/直径)は、成長時間、温度及びGa/N比によってコントロールされる。
【0007】
本発明の第4の態様は、真直に揃うように作製された単結晶ナノロッドに、ドーパントを施すことを含むプロセスによって作製されたエミッタデバイスであって、前記ナノロッドの作製は、基板を準備するステップ、基板にパターンを画定するステップ、イオンビーム照射により、基板にイオンを注入するステップ、基板に薄膜を形成するステップにより行われる。
【0008】
本発明の第5の態様は、パターンアレイの形成において、単結晶ナノロッドが真直に揃うように作製するもので、基板を準備し、基板にパターンを画定し、イオンビーム照射によりイオンを基板に注入し、基板に薄膜を形成することによって作製される。
【0009】
本発明は、パターンアレイの形成において、イオンビームアシストによるアレイパターンを用いて、真直に揃うように単結晶ナノロッドを作製する方法を提供するもので、ナノロッドは、キャピラリー凝縮によって成長するようにしたものである。
【0010】
本発明の一実施例では、パターンアレイの形成において、単結晶ナノロッドが真直に配列されるように成長させるもので、基板(2)を準備し、リソグラフィーを用いて基板上にパターンを画定し、イオンビーム(6)を照射してイオン(8)を基板(2)に注入し(implant)、基板(2)に薄膜(10)を形成して、形成されるナノトレンチ(14)が、キャピラリー凝縮によるナノロッド(12)の成長を促進させるようにしたものである。
【0011】
図1を参照すると、基板(2)にパターンを画定する(define)のに、リソグラフィー(4)が用いられる。基板(2)は、例えば、周期律表IV族のあらゆる元素又は化合物からなるあらゆる材料であってよく、この材料として、限定するものではないが、Si、Ge及びSi1-XGeX合金を挙げることができる。また、III〜V族とII〜VI族の化合物及び合金からなるあらゆる材料であってもよく、その材料として、限定するものではないが、ZnO、GaP、InN、AlN、Al1-XInXN、Ga1-XInXN、Ga1-XAlXN及びGaAsを挙げることができる。小文字xは、0〜1の任意の値を表す。また、基板にパターンを画定するのに様々な種類のリソグラフィーを用いることができ、限定するものではないが、フォトリソグラフィー、ステンシルマスキング、プレス成形によるインプリンティング、イービームリソグラフィー及びX線リソグラフィーを挙げることができる。
【0012】
リソグラフィーの後に、イオン(8)は、イオンビーム(6)を用いて、基板に注入される。イオン(8)は、基板に欠陥を引き起こし、これが、薄膜成長中のナノロッド成長を促進するための核生成サイト(nucleation sites)となる。イオン(8)は、基板に欠陥を引き起こすイオンであればどんなイオンでも用いられることができ、限定するものではないが、Si、N、SiN、Ga又はGaNを単独又は複合的に用いることができる。ナノロッドアレイのパターンは、イオン(8)の配置によってさらに画定されることができる。また、イオン注入プロセスでは、アレイパターンのナノロッドの密度及びサイズのコントロールは、例えば、keVエネルギー量、温度、イオン照射量(dosage)及びイオンの種類を変えることにより行なうことができる。
【0013】
本発明の具体的実施例において、イオンの選択は、薄膜(10)の組成及び基板(2)の組成に応じて行われる。薄膜組成物及び基板組成物の各々に用いられるイオン(8)の例を表1に示している。なお、下付文字xは、0から1までの任意の値を表している。文字X、Y及びZは、夫々、基板の第1元素、第2元素及び第3元素を表している。例えば、Al23基板の場合、X=Al、Y=Oであり、Zは存在しない。他の実施例において、SrTiO3基板の場合、X=Sr、Y=Ti、Z=Oである。文字B及びCは、任意の元素を表す。
【0014】
基板及び薄膜複合物の各々について、イオン選択の例を次に示す。
【表1】

【0015】
図2を参照すると、本発明の具体的実施例において、GaNの薄膜(10)が基板に形成される。注入されたイオンは、核生成サイトの増加をもたらし、GaNのアイランド形成を引き起こす。薄膜の成長中、時間、温度及びGa/N比について、分子ビームエピタキシー条件を変えることにより、ナノロッドのアスペクト比(長さ/直径)は、約10〜約300の範囲内にコントロールされることができる。
【0016】
本発明に係る実施例では、薄膜成長法として、分子ビームエピタキシ法、化学蒸着法、物理蒸着法、パルスレーザー堆積法及びスパッタリング法を用いる。どの薄膜成長法を用いる場合でも、時間、温度及びガス混合比の条件を変えることにより、ナノロッドアスペクト比(長さ/直径)を調節することができる。
【0017】
図3を参照すると、本発明の具体的実施例において、アイランド(11)が成長すると、ナノトレンチ(14)が形成される。図4に示されるように、ナノトレンチ(14)の中でGa原子のキャピラリー凝縮が起こり、ナノロッド(12)の成長が促進される。ナノトレンチが一旦形成されると、ナノロッド(12)は、気体−液体−固体成長によって成長を続ける。
【0018】
本発明の他の実施例では、GaNに代えて、ZnO、GaAs、SiGe、InN、GaP、AlN、Al1-XInXN、Ga1-XInXN、Ga1-XAlXN、Ga合金、Zn合金及びIn合金が用いられる。下付文字xは、0から1までの任意の値を表す。用いられる薄膜は、ナノロッドの種類によって決定される。例えば、ZnOナノロッドを作るときは、ZnOの薄膜が用いられ、膜の成長中、Zn/Oの比を調節して、ナノロッドのアスペクト比(長さ/直径)がコントロールされる。図4に示されるように、ZnO薄膜を用いた具体的実施例において、Zn原子のキャピラリー凝縮はナノトレンチ(14)に起こり、ナノロッド(12)の成長が促進される。
【0019】
得られたナノロッドアレイは、Si、Ge及びSi1-XGeX合金などのIV族元素、GaAs等のIII−V族化合物及び合金、ZnO等のII−VI族化合物及び合金を含む全ての半導体材料に用いられることができる。下付文字xは、0から1までの任意の値を表している。ナノロッドのダイレクトバンドギャップの設計は、InとAlを合金化することによって行なうことができる。これにより、軟X線、紫外線(UV)、赤外線(IR)、及び、テレビやコンピュータのモニターに用いられるビデオディスプレイ装置における可視カラー発生要素用として適当な広範囲のバンドギャップが得られる。
【0020】
本発明の具体的実施例において、エミッタデバイスを作成するために、ナノロッドにドーパントが注入される。ナノロッドに、容易にドーパントを施すことができる。ドーパントは、不純物原子とも称され、フィールドエミッタ(コールドカソード)及び長波長のフォトエミッタ(フォトカソード)としての使用に適したn型半導体になる。ナノロッドにドーパントが施されると、フォトエミッタ等のp型半導体になることもできる。
【0021】
外因性(extrinsic)金属触媒の代わりに、キャピラリー凝縮が、ナノロッド成長の触媒として反応促進に供されるため、得られたナノロッドは、支持マトリックスと整列されている。マトリックスは、格子及び熱歪効果を吸収するので、構造欠陥のないナノロッドが生成される。イオンビーム照射ステップでは、ナノロッドの密度及びパターニングを制御することができるので、電界放出デバイスにおける放出効率を促進する電界の予測が可能である。薄膜成長段階では、長さ−直径のアスペクト比を制御することができる。その結果、より大きなアスペクト比を有するナノロッドを成長させることができ、例えば、コールドカソード、フォトカソード及び電界エミッタ等の電子放出デバイスにおける電子放出効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の一実施例であって、リソグラフィーと基板へのイオン注入を示す図である。
【図2】本発明の一実施例であって、イオン注入後、初期薄膜の成長中に形成されるアイランドインピンジメント(island impingements)を示す図である。
【図3】本発明の一実施例であって、薄膜の第2相成長中でのナノロッドファウンデーションを示す図である。
【図4】本発明の一実施例であって、薄膜の第3相成長中でのナノロッドを示す図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
パターンアレイの形成において、単結晶ナノロッドが真直に揃うように作製する方法であって、
a)基板を準備し、
b)基板にパターンを画定し、
c)イオンビーム照射により、基板にイオンを注入し、
d)基板に薄膜を形成する、
ステップを有している方法。
【請求項2】
基板を準備するステップは、半導体材料である基板を準備することを含んでいる請求項1の方法。
【請求項3】
基板を準備するステップは、B、Al、Ga、In、Ti、Uut、N、P、As、Sb、Bi、Uup及びそれらの合金に由来する化合物からなる群から選択される少なくとも1種のIII〜V族化合物である基板を準備することを含んでいる請求項1の方法。
【請求項4】
基板を準備するステップは、Zn、Cd、Hg、Uub、O、S、Se、Te、Pu、Uuh及びそれらの合金に由来する化合物からなる群から選択される少なくとも1種のII〜VI族化合物である基板を準備することを含んでいる請求項1の方法。
【請求項5】
基板は、少なくとも1種のIV族元素を含んでいる請求項1の方法。
【請求項6】
基板はSiである請求項1の方法。
【請求項7】
基板はGeである請求項1の方法。
【請求項8】
基板にパターンを画定するステップは、リソグラフィーを用いることを含んでいる請求項1の方法。
【請求項9】
基板にパターンを画定するステップは、フォトリソグラフィーを用いることを含んでいる請求項1の方法。
【請求項10】
イオンを基板に注入するステップは、Si、N、SiN、Ga、GaN及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでいる請求項1の方法。
【請求項11】
イオンを基板に注入するステップは、Ga、N、GaN、XN、GaY、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素である請求項1の方法。
【請求項12】
イオンを基板に注入するステップは、Zn、O、ZnO、ZnY、XO、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素である請求項1の方法。
【請求項13】
イオンを基板に注入するステップは、Ga、As、GaAs、GaY、XAs、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素である請求項1の方法。
【請求項14】
イオンを基板に注入するステップは、Si、Ge、SiGe、SiY、XGe、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素である請求項1の方法。
【請求項15】
イオンを基板に注入するステップは、In、N、InN、InY、XN、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素である請求項1の方法。
【請求項16】
イオンを基板に注入するステップは、Ga、P、GaP、XP、GaY、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素である請求項1の方法。
【請求項17】
イオンを基板に注入するステップは、Al、N、AlN、XN、AlY、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素である請求項1の方法。
【請求項18】
イオンを基板に注入するステップは、Al、N、In、AlN、InN、XN、AlY、InY、Al1-XInXN、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素であり、xは0〜1の値である請求項1の方法。
【請求項19】
イオンを基板に注入するステップは、Ga、N、In、GaN、InN、XN、GaY、InY、Ga1-XInXN、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素であり、xは0〜1の値である請求項1の方法。
【請求項20】
イオンを基板に注入するステップは、Ga、N、Al、GaN、AlN、XN、GaY、AlY、Al1-XAlXN、XY、XZ、YZ、XYZ及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素であり、xは0〜1の値である請求項1の方法。
【請求項21】
イオンを基板に注入するステップは、X、Y、Z及びそれらの組合せからなるイオンの群から選択される少なくとも1種のイオンを供給することを含んでおり、Xは基板の第1元素、Yは基板の第2元素、Zは基板の第3元素である請求項1の方法。
【請求項22】
パターンアレイの形成において、ナノロッドの密度とサイズは、イオンを基板に注入するステップで用いられるドーパントの種類、照射量、エネルギー及び温度によってコントロールされる請求項1の方法。
【請求項23】
パターンアレイの形成において、ナノロッドの長さ/直径のアスペクト比は、基板に薄膜を形成するステップで用いられる時間、温度及びガス混合比によってコントロールされる請求項1の方法。
【請求項24】
基板に薄膜を形成するステップは、分子ビームエピタキシを用いることを含んでいる請求項1の方法。
【請求項25】
基板に薄膜を形成するステップは、化学蒸着法を用いることを含んでいる請求項1の方法。
【請求項26】
基板に薄膜を形成するステップは、物理蒸着法を用いることを含んでいる請求項1の方法。
【請求項27】
基板に薄膜を形成するステップは、パルスレーザー法を用いることを含んでいる請求項1の方法。
【請求項28】
基板に薄膜を形成するステップは、スパッタリング法を用いることを含んでいる請求項1の方法。
【請求項29】
基板に薄膜を形成するステップは、GaN、ZnO、GaAs、SiGe、InN及びそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の薄膜を形成することを含んでいる請求項1の方法。
【請求項30】
基板に薄膜を形成するステップは、GaN、ZnO、GaAs、SiGe、InN、GaP、AlN、Al1-XInXN、Ga1-XInXN、Ga1-XAlXN及びそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種の薄膜を形成することを含んでおり、xは0〜1の値である請求項1の方法。
【請求項31】
パターンアレイの形成において、真直に揃えられた単結晶ナノロッドは、基板の表面に関して整列されている請求項1の方法。
【請求項32】
パターンアレイの形成において、請求項1の方法により、真直に揃うように作製された単結晶ナノロッド。
【請求項33】
請求項1の方法により真直に揃うように作製された単結晶ナノロッドに、ドーパントを施すことを含むプロセスによって作製されたエミッタデバイス。
【請求項34】
真直に揃うように作製された単結晶ナノロッドにドーパントを施すステップは、イオンビーム照射を用いることを含んでいる請求項33の方法。
【請求項35】
真直に揃うように作製された単結晶ナノロッドにドーパントを施すステップは、拡散を用いることを含んでいる請求項33の方法。
【請求項36】
パターンアレイの形成において、単結晶GaNナノロッドが真直に揃うように作製する方法であって、
a)Si基板を準備し、
b)リソグラフィーにより、基板にパターンを画定し、
c)イオンビーム照射により、Si、N、SiN、Ga、GaN及びそれらの組合せからなる群から選択される少なくとも1種のイオンを基板に注入し、
d)分子ビームエピタキシ成長により基板にGaN薄膜を形成するもので、形成されるナノトレンチがGa原子のキャピラリー凝縮によるGaNナノロッドの成長を促進させる、方法。
【請求項37】
パターンアレイの形成において、単結晶GaNナノロッドが真直に揃うように作製する方法であって、
a)Si基板を準備するステップ、
b)フォトリソグラフィーにより、基板にパターンを画定するステップ、
c)アレイパターンにおけるナノロッドの密度とサイズを、イオンビームの照射量、エネルギー及び温度によってコントロールしながら、イオンビーム照射により、Siイオンを基板に注入するステップ、
d)窒素プラズマ分子ビームエピタキシ成長により、基板にGaN薄膜を形成するステップであって、形成されるナノトレンチがGa原子のキャピラリー凝縮によるGaNナノロッドの成長を促進させ、GaNナノロッドアレイが基板の表面に関して揃うように形成され、ナノロッドのアスペクト比(長さ/直径)は、時間、温度及びGa/N比によってコントロールされる、方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公表番号】特表2009−500275(P2009−500275A)
【公表日】平成21年1月8日(2009.1.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−519620(P2008−519620)
【出願日】平成18年6月29日(2006.6.29)
【国際出願番号】PCT/US2006/025609
【国際公開番号】WO2007/032802
【国際公開日】平成19年3月22日(2007.3.22)
【出願人】(508000087)ユニバーシティ オブ ヒューストン (5)
【氏名又は名称原語表記】UNIVERSITY OF HOUSTON
【Fターム(参考)】