ナノワイヤ及びナノワイヤを備える装置並びにその製造方法
【課題】新規なナノワイヤ構造を提供し、電子デバイスに応用する。
【解決方法】本発明のナノワイヤ１０１は、第１の材料から形成された結晶性半導体のナノワイヤ本体１０４と、前記半導体を構成する元素を一部に含む第２の材料から形成され、ナノワイヤ本体１０４の表面の少なくとも一部に位置する複数の微粒子１０３とを備え、ナノワイヤ本体１０４の表面が平滑である。
【解決方法】本発明のナノワイヤ１０１は、第１の材料から形成された結晶性半導体のナノワイヤ本体１０４と、前記半導体を構成する元素を一部に含む第２の材料から形成され、ナノワイヤ本体１０４の表面の少なくとも一部に位置する複数の微粒子１０３とを備え、ナノワイヤ本体１０４の表面が平滑である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノワイヤ本体の表面に微粒子が自己組織的に形成されたナノワイヤに関している。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（ＬＳＩ）におけるトランジスタや、フラットパネルディスプレイにおける薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を微細化するための研究開発が活発に進められている。シリコン半導体プロセスでは、フォトリソグラフィ工程における露光用光源の波長を短くすることにより、０．１μｍ以下の微細加工が実現されている。しかしながら、従来のリソグラフィー技術による微細化には限界があり、また微細化の進展に伴い、露光装置やマスク部材のコストが急増している。
【０００３】
近年、カーボンナノチューブ（非特許文献１）や、半導体的性質を示す材料から形成されたナノワイヤ（特許文献１）が注目されている。カーボンナノチューブやナノワイヤは、直径が１ｎｍ〜１μｍ程度の微細構造体であり、自己組織的に形成することが可能である。このため、高度なフォトリソグラフィ技術やエッチング技術を用いなくても、ナノメーターサイズの高性能な電子デバイスを実現する可能性を有している。このような微細構造体は、複雑なプロセス技術を用いることなく、高性能デバイスを低コストで生産することを可能にする技術として期待されている。
【０００４】
以下、図２０を参照にしながら、従来のナノワイヤ構造を説明する。
【０００５】
図２０（ａ）は、ナノワイヤの模式構造図を示している。このナノワイヤの長さは、５００ｎｍ〜１ｍｍ程度であり、応用目的に合わせて適宜設定することができる。
【０００６】
図２０（ｂ）は、コア部２０２（内側）とシェル部２０３（外側）が異なる材料により構成されているナノワイヤ（以下、「コア・シェルナノワイヤ」と称する）２０１を示している（特許文献２）。
【０００７】
図２０（ｃ）は、ナノワイヤの長さ方向に第１の半導体ナノワイヤ２０５と第２の半導体ナノワイヤ２０６とが配列されたナノワイヤ２０４（ヘテロナノワイヤ）を示している（特許文献２）。
【０００８】
通常のエピタキシャル成長技術によるヘテロ成長技術では、欠陥や転移を低減するために、ヘテロ界面において格子定数を整合する必要があり、材料選択に制約があった。しかしながら、擬一次元構造を有するナノワイヤでは、格子定数不整合によるストレスを緩和できる可能性があるため、材料選択の自由度を向上させることができる。
【０００９】
このように自己組織的に微細構造体や材料エンジニアリングを実現できるナノワイヤは、将来を期待されている。
【００１０】
非特許文献２は、ボロンをシリコンナノワイヤにドープすることにより、ナノワイヤの外径が大きくなるとともに、その表面に凹凸と金リッチな微粒子（ナノ粒子）が生成されることを報告している。
【特許文献１】特表２００４−５３５０６６明細書
【特許文献２】特表２００４−５３２１３３明細書
【非特許文献１】Ｒ．Ｍａｒｔｅｌ， ｅｔ ａｌ．, “Ｓｉｎｇｌｅ−ａｎｄ ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ,” Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ７３ ｐｐ．２４４７, １９９８
【非特許文献２】Ｌ．Ｐａｎ， ｅｔ ａｌ．, “Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｂｏｒａｎｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｂｏｒｏｎ−ｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ” Ｊ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ． ２７７ ｐｐ．４２８, ２００５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ナノワイヤは、種々の用途に用いることが期待され、活発に研究されているが、極めて微細な構造物であるため、ナノワイヤの表面に対して更に微細加工などの処理を施して機能性を高めることは、極めて困難である。
【００１２】
非特許文献１は、ナノワイヤの成長時に不純物をドープすると、ナノワイヤの表面に不規則な凹凸が形成されることを開示しているが、その凹凸の形成は制御できず、電子デバイスに応用することは困難である。
【００１３】
ナノワイヤの成長条件によってはナノワイヤの表面に多数の微粒子が形成されることが知られているが、そのような微粒子をナノワイヤの所望の領域に選択的に形成する技術は知られていない。ナノワイヤの表面における微粒子の形成および分布を制御することができれば、微粒子付のナノワイヤを種所の電子デバイスに応用することも可能になるが、残念ながら、そのような制御技術は開発されていないのが現状である。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ナノワイヤ本体の表面に微粒子を自己組織的に形成したナノワイヤ及び当該ナノワイヤを備える装置、並びに、その製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のナノワイヤは、第１の材料から形成された結晶性半導体のナノワイヤ本体と、前記半導体を構成する元素を一部に含む第２の材料から形成され、前記ナノワイヤ本体の表面の少なくとも一部に位置する複数の微粒子とを備え、前記ナノワイヤ本体の表面が平滑である。
【００１６】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤ本体の前記平滑な表面のうち、少なくとも前記複数の微粒子と接触している部分には、酸化膜が実質的に形成されていない。
【００１７】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤの平均直径は１ｎｍ以上１μｍ以下である。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記複数の微粒子は、前記ナノワイヤ本体の表面の全体に分散している。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤ本体の表面は、前記複数の微粒子が分散している第１領域と、前記複数の微粒子が形成されていない第２領域とに分かれている。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記複数の微粒子は、少なくとも一種類の金属元素を含有する。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記複数の微粒子は、金属、または金属と前記第１の材料との合金から形成されている。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記第２の材料は、金、銀、銅、及びイリジウムからなる群から選択された少なくとも１種の金属を含有している。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記複数の微粒子の平均粒径が２０ｎｍ未満である。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤ本体は単結晶である。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記第１の材料は、シリコン、ゲルマニウム、及び炭素からなる群から選択された少なくとも１種の材料から形成されている。
【００２６】
本発明の電界効果型トランジスタは、上記いずれかのナノワイヤを備える電界効果トランジスタであって、前記ナノワイヤに形成されたチャネル領域と、前記ナノワイヤに接続され、ソース領域及びドレイン領域として機能する電極と、前記チャネル領域の少なくとも一部における導電性を制御するゲート電極と、前記ゲート電極を前記チャネル領域から電気的に絶縁するゲート絶縁膜とを備える。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤの表面のうち、前記電極と接触する領域に前記複数の微粒子の少なくとも一部の微粒子が存在している。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤのうち、前記電極と接触する部分に不純物がドープされている。
【００２９】
好ましい実施形態において、前記微粒子に機能性分子が化学修飾されている。
【００３０】
好ましい実施形態において、前記機能性分子は、前記微粒子との結合部位に−ＳＨ基を含んでいる。
【００３１】
好ましい実施形態において、前記機能性分子は、Ｘ−（ＣnＨm）−ＳＨ（ｎ、ｍは自然数）且つＸ：−ＮＨ2、−ＣＯＯＨ、−ＣxＨy、−ＣaＦb（ｘ、ｙ、ａ、ｂは自然数）である。
【００３２】
本発明のセンサーは、センシング部として機能する上記いずれかのナノワイヤと、前記ナノワイヤに接続された第１の電極及び第２の電極とを備える。
【００３３】
本発明の電子装置は、前記微粒子に機能性分子が化学修飾されている上記いずれかのナノワイヤと、前記機能性分子を介して前記ナノワイヤと化学的に結合した部材とを備える。
【００３４】
本発明の電子装置は、上記いずれかのナノワイヤを備えている。
【００３５】
好ましい実施形態において、前記電子装置は、前記ナノワイヤにおける前記複数の微粒子と接触する電極を更に備えている。
【００３６】
本発明によるナノワイヤの製造方法は、表面に触媒金属粒子が配置された基板を用意する工程（Ａ）と、前記基板上に第１の材料から形成されたナノワイヤ本体を成長させる工程（Ｂ）とを含むナノワイヤの製造方法であって、前記工程（Ｂ）において、第２の材料から形成された複数の微粒子を前記ナノワイヤ本体の表面の少なくとも一部に成長させる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明のナノワイヤは、ナノワイヤ本体の表面に位置する複数の微粒子を備えているため、この微粒子を利用した多様なデバイスを実現することが可能になる。本発明では、ナノワイヤ本体の表面に自己組織的に金属粒子を形成することができ、その製造が容易であるため、トランジスタ及びメモリなどの電子デバイス、並びに、これらの電子デバイスを用いた電子機器への応用が期待できる。
【００３８】
このようなナノワイヤを従来技術により製造するためには、ナノワイヤ本体の表面に別途作製した金属粒子を付着させる必要がある。このような方法で形成すると、金属粒子とナノワイヤの結合力を強くすることや金属粒子の密度や粒子径を正確に制御することが困難となる。
【００３９】
また、ナノワイヤの成長中に金の微粒子を形成し得ることが報告されているが、ナノワイヤ本体の表面に不規則な凹凸が形成されている。半導体からなるナノワイヤ本体の表面に不規則な凹凸が生じると、表面における結晶欠陥や準位が増大し、半導体特性を劣化させる。本発明によれば、ナノワイヤ本体の表面が平滑に維持されるため、優れた特性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
まず、図１を参照しながら、本発明によるナノワイヤを説明する。図１（ａ）は、本発明によるナノワイヤの斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００４１】
図示されているナノワイヤは、複数の微粒子がナノワイヤ本体の表面に形成されたナノワイヤ（以下、「微粒子コートナノワイヤ」を称する。）である。図１に示す微粒子コートナノワイヤ１０１は、ナノワイヤ本体の一端に触媒金属１０２を有し、ナノワイヤ本体１０４の表面に複数の微粒子１０３が配置された構造を有している。触媒金属１０２と微粒子１０３には同一金属が含有されている。触媒金属１０２は、ナノワイヤの形成後に除去することが可能であり、最終的な微粒子コートナノワイヤは触媒金属１０２を有している必要は無い。簡単のため、図１以外の図面では、触媒金属１０２の図示を省略している。
【００４２】
ナノワイヤ本体１０４は、表面が平滑な結晶性の半導体（第１の材料）からなり、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、またはＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳなどのＩＩ―ＶＩ族半導体から形成され得る。ここで、「結晶性の半導体」とは、好ましくは単結晶であるが、一部に欠陥などを含んでいても良いし、多結晶であってもよい。
【００４３】
触媒金属１０２及び微粒子１０３は、例えば、金、銀、銅、ニッケル、コバルト、鉄、チタンなどの金属原子、または、これらの金属原子とナノワイヤ本体１０４を構成する材料との合金若しくは複合材料から形成され得る。
【００４４】
微粒子１０３は、ナノワイヤ本体１０４の半導体を構成する元素を一部に含む第２の材料から形成されている。微粒子１０３の平均粒径は、１ｎｍから５０ｎｍ程度であり、典型的には２０ｎｍ以下である。微粒子の断面は、典型的には円または楕円に近い形状を有しているが、多角形を含む様々な形状を有していてもよい。微粒子コートナノワイヤ１０１の長さは、例えば１μｍ〜１００μｍ程度であり、その直径は例えば２ｎｍ〜１μｍ程度である。
【００４５】
なお、好ましい実施形態において、ナノワイヤ本体１０４の平滑な表面のうち、少なくとも複数の微粒子１０３と接触している部分には、酸化膜が実質的に形成されていない。後述するように、複数の微粒子１０３が含有する金属は、触媒金属１０２に由来するものであり、複数の微粒子１０３の分布は、ナノワイヤ本体１０４の平滑な表面を微粒子１０３が移動すること（マイグレーション）によって広がっている。本発明者の実験によると、このマイグレーションは、ナノワイヤ本体１０４の表面が酸化されている場合には生じにくい。このため、ナノワイヤ本体１０４の表面が酸化されにいく状況で複数の微粒子１０３の形成およびマイグレーションを引き起こすことが好ましい。その結果、ナノワイヤ本体１０４の平滑な表面のうち、少なくとも複数の微粒子１０３と接触している部分には、酸化膜が実質的に形成されていない構成が実現する。このようなマイグレーションが完了した後、複数の微粒子１０３と接触していない部分が事後的に酸化されたり、あるいは酸化膜に被覆されていてもよい。
【００４６】
次に、図２（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本発明による微粒子コートナノワイヤの製造方法の一例を説明する。図２（ａ）から（ｃ）は、本発明のナノワイヤの製造方法を示す工程図である。ナノワイヤの成長は公知の方法である気層−液層−固層（ＶＬＳ）成長機構によって成長することができる。
【００４７】
まず、図２（ａ）に示すように、触媒金属１０２を任意の基板１０５上に配置する。配置する方法としては、例えば、金属コロイド溶液をスピンコート法によって塗布する方法や金属薄膜をスパッタ法や蒸着法で堆積させ粒子化する方法で基板１０５上に配置することができる。
【００４８】
次に、この触媒金属１０２を配置した基板１０５をＣＶＤ装置などのチャンバに導入する。図２（ｂ）に示すように、ナノワイヤを構成する元素を含む原料ガス１０６をチャンバ内に導入し、所定の圧力に保つ。この基板１０５は、ランプやヒーターなどで加熱し任意の温度（但し、原料ガス１０６が基板１０５上で分解する温度よりも低い温度である）に基板を保つ。このような状況において、原料ガス１０６は、触媒金属１０２の近傍においてのみ選択的に分解する。触媒金属１０２は、この分解した原料ガスと反応することにより、触媒金属とナノワイヤを構成する元素との合金１０２ａを形成する。
【００４９】
次に、図２（ｃ）に示すように、原料ガス１０６が分解することにより生成したナノワイヤを構成する元素は、触媒金属とナノワイヤを構成する元素との合金１０２ａに溶解し、過飽和状態となる。この過飽和状態となった触媒金属とナノワイヤを構成する元素との合金１０２ａからナノワイヤを構成する元素が析出し、析出した元素が凝集することにより結晶半導体（ナノワイヤ本体）が成長する。
【００５０】
本発明では、ナノワイヤの成長中または成長後の熱処理時に微粒子が自己組織的にナノワイヤ表面上に形成される。このような微粒子を形成するには、ナノワイヤ成長雰囲気を制御すればよく、例えば低圧下（例えば、雰囲気ガス圧力：１０-3Ｔｏｒｒ以下）でナノワイヤを成長させることにより、ボロンなどの不純物を高濃度にドープさせなくとも、微粒子コートナノワイヤを形成することができる。詳細な成長条件については、後述する。
【００５１】
以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００５２】
（実施形態１）
まず、図３から図６を参照しながら、本発明によるナノワイヤの第１の実施形態を説明する。本実施形態のナノワイヤは、金粒子（金ドット）がＳｉナノワイヤ本体上に形成されたナノワイヤであるため、以下、「金ドットコートＳｉナノワイヤ」と称する。
【００５３】
図３は、本実施形態における金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像の一例を示す写真である。図４（ａ）は、図３のＰＯＩＮＴ１領域、図４（ｂ）は図３のＰＯＩＮＴ２領域の元素分析結果を示すグラフである。図５（ａ）は、この金ドットコートＳｉナノワイヤの長さ方向に対して垂直な面の断面ＴＥＭ像、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ部拡大図を示す図である。図６（ａ）は、図５（ｂ）のＰＯＩＮＴ３領域、図６（ｂ）は図５（ｂ）のＰＯＩＮＴ４領域の元素分析結果を示す図である。
【００５４】
図３に示す金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０は、Ｓｉナノワイヤ本体１１１の表面に複数の金属粒子１１２が配置された構造を備えている。図４に示す元素分析の結果から、図３に示される粒子状の黒点部は、金及びシリコン元素から構成され、その他の領域はシリコン元素から構成されていることが分かる。従って、この金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０には、粒径２ｎｍ〜５ｎｍ程度の金およびシリコン元素によって構成された粒子が、自己組織的に複数個形成された構造を有している。
【００５５】
金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０の断面形状は、図５に示すように典型的には六角形であり、Ｓｉナノワイヤ本体１１１の外側に２ｎｍから３ｎｍ程度のシリコン酸化膜１１３に覆われた形状を有している。シリコン酸化膜１１３は、通常のバルクＳｉ基板等においても大気中の酸素と反応して形成される自然酸化膜である。このシリコン酸化膜１１３の形成は、金属粒子１１２がＳｉナノワイヤ本体１１１の表面に形成された後に行われたものであり、少なくとも金属粒子１１２が形成された時点において、金属粒子１１２はＳｉナノワイヤ本体１１１の半導体に接触していたものである。
【００５６】
図６（ａ）及び（ｂ）に示す元素分析結果から、図５（ｂ）のＰＯＩＮＴ３領域は、金またはシリコン元素から構成されているのに対し、ＰＯＩＮＴ４領域は、シリコン元素から構成されていることが分かる。従って、図３に示される金属粒子１１２は、Ｓｉナノワイヤ本体１１１の表面に存在することが分かる。
【００５７】
２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な微粒子が自己組織的にナノワイヤ本体の表面に形成された金ドットコートＳｉナノワイヤは、トランジスタ、メモリ、センサー等の電子デバイスへ広い応用が期待される。
【００５８】
次に、図７（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本実施形態におけるナノワイヤの製造方法の一例を説明する。
【００５９】
まず、図７（ａ）に示すように、成長用基板として機能するシリコン基板１１５を用意し、シリコン基板１１５上に触媒金属粒子１１４を形成する。成長用基板は、ナノワイヤ成長中の熱処理温度に対する耐熱性があればよく、他の半導体材料、絶縁材料、または高融点金属材料などからなる基板上に、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などが堆積されたものであってもよい。成長用基板の面方位や抵抗率は任意に設定してよい。
【００６０】
本実施形態では、触媒金属粒子１１４として金を用いる。触媒金属粒子１１４は、原料ガスの分解促進に優れ、ナノワイヤを構成する元素と共晶状態を形成し、ナノワイヤの成長を促進させるために用いられる。触媒金属粒子１１４の大きさは、ナノワイヤの直径とほぼ等しい大きさになるため、所望の直径のナノワイヤが得られるように設定される。通常、触媒金属粒子１１４の直径は１ｎｍから１００００ｎｍであり、好ましくは５ｎｍから１００ｎｍの範囲内にある。
【００６１】
触媒金属粒子１１４をシリコン基板１１５上に形成する方法としては、公知の方法を用いることができる。例えば、シリコン基板１１５の表面に触媒金属の薄膜をスパッタ法や蒸着法などの公知の薄膜形成装置を用いて形成する。その後、この触媒金属薄膜を熱処理することにより、触媒金属薄膜を自己凝集させてもよい。
【００６２】
金粒子を形成する方法としては、例えば、ＥＢ蒸着法を用いて、０．５ｎｍから１０ｎｍ程度の金薄膜を堆積し、５００℃で３０分から３時間程度熱処理を行なうとよい。金粒子の直径は金薄膜の膜厚と熱処理条件に依存するため、所望の金粒子直径になるように金薄膜の膜厚を調整する。本実施形態では、金薄膜を約２ｎｍ堆積し、真空中、５００℃で１０分熱処理を行なっている。
【００６３】
次に、触媒金属粒子１１４が形成されたシリコン基板１１５をＣＶＤ装置などのチャンバ内に挿入する。そして、図７（ｂ）に示すようにシリコン元素を含む原料ガス１０６をチャンバに導入し、所定の圧力に保ち、シリコン基板１１５は原料ガス１０６が分解する温度よりも低い温度で加熱する。これにより、シリコン基板１１５上において、触媒金属粒子１１４表面で分解された原料ガス１０６中のナノワイヤを構成する元素と触媒金属粒子１１４が反応し、これらの合金を形成する。
【００６４】
シリコンナノワイヤを形成するための原料ガス１０６としては、ＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6、Ｓｉ3Ｈ8、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＣｌ4などを用いることができる。本実施形態での成長条件の一例としては、ＣＶＤ装置として超高真空ＣＶＤ装置を用い、基板温度として３５０℃から５００℃の間で設定し、原料ガスとしてＳｉ2Ｈ6ガスを用い、チャンバ内圧力が１０-5Ｔｏｒｒから１０-2Ｔｏｒｒになるように、Ｓｉ2Ｈ6ガス流量を１０から１５０ｓｃｃｍの範囲で調節している。例えば、上記条件を用いると、５０ｎｍ／ｍｉｎ〜３００ｎｍ／ｍｉｎの速度で成長することができる。
【００６５】
次に、図７（ｃ）に示すように、原料ガス１０６の分解によりナノワイヤを構成する元素であるシリコンが析出し、析出したシリコンが凝集し結晶半導体層が成長していき、Ｓｉナノワイヤ本体１１１が形成される。成長工程中、触媒金属粒子１１４は、Ｓｉを含有する共晶状態にある。金とＳｉの共晶状態は、約３６０℃以上で実現するため、金ドットコートナノワイヤ１１０の成長は、３６０℃よりも高い温度で実行される。
【００６６】
本実施形態の金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０では、例えば上述したナノワイヤ成長中に、自己組織的にＳｉナノワイヤ本体１１１の表面上に金粒子（金属粒子１１２）が形成される。金または金とシリコンの合金からなる金属粒子１１２をＳｉナノワイヤ本体１１１の表面に成長させるには、ナノワイヤ成長雰囲気を制御すればよく、低圧下（例えば、１０-3Ｔｏｒｒ以下、好ましくは10-4Ｔｏｒｒ以下）で成長を行えばよい。
【００６７】
なお、非特許文献２は、シリコンナノワイヤにボロンを高濃度にドープすると、シリコンナノワイヤに金のナノ粒子が形成されることを報告している。しかし、非特許文献２に開示されているナノワイヤ本体の表面には、不規則な凹凸が形成され、平滑性が失われている。また、金のナノ粒子が形成されている部分では、ナノワイヤ本体の直径が他の部分よりも増大している。
【００６８】
本実施形態の製造方法によれば、不純物を高濃度にドープしない場合でも、金属粒子１１２を自己組織的に生成することができ、また、Ｓｉナノワイヤ本体１１１の表面が平滑であるため、結晶欠陥などが形成されにくく、半導体の特性が向上する。なお、本明細書における「平滑」とは、表面に形成される微粒子の平均粒径よりも充分に小さな凹凸しか存在しないことを意味し、ナノワイヤ本体の表面に５ｎｍを超える凹凸段差が形成されていないことが好ましい。
【００６９】
例えばナノワイヤ成長雰囲気を調整することにより、金属粒子１１２の密度を制御することも可能である。例えば、ナノワイヤ成長中のチャンバ内圧力を低下させるほど、金属粒子１１２の密度を増加させることができる。
【００７０】
以下、金属粒子１１２の形成メカニズムをより詳しく説明する。
【００７１】
まず、図２１Ａ〜図２２Ｂを参照する。図２１Ａおよび図２１Ｂは、雰囲気ガス圧力０．２Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示す写真であり、図２２Ａおよび図２２Ｂは、雰囲気ガス圧力０．０１Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示す写真である。多数のナノワイヤが示されている図２１Ａおよび図２２ＡはＳＥＭによる写真であり、１本のナノワイヤを拡大した撮影された図２１Ｂおよび図２２ＢはＴＥＭによる写真である。
【００７２】
図２１Ｂでは、ナノワイヤ本体の表面には微粒子が観察されず、図２２Ｂでは、多数の微粒子がナノワイヤ本体の表面に分布していることがわかる。
【００７３】
図２１Ａおよび図２１Ｂにおけるナノワイヤの成長レートは、約１μｍ／分であったが、図２２Ａおよび図２２Ｂにおけるナノワイヤの成長レートは、約０．２μｍ／分であった。このように、成長工程時における雰囲気ガスの圧力に依存して成長レートは大きく変化し、雰囲気ガス圧力が低いほど、ナノワイヤの成長レートは低下する。
【００７４】
雰囲気ガスは、所定の分圧（例えば１０-3〜１０-6Ｔｏｒｒ）で原料ガスを含有しており、雰囲気ガス圧力の差異は、キャリアガス（典型的にはＨ2）の圧力によって依存している。キャリアガスの圧力が増加することにより雰囲気ガス圧力が増加すると、原料ガス分子の平均自由工程が短くなり、単位時間内に原料ガス分子が共晶状態の触媒金属に衝突する頻度が高くなる。このため、原料ガスの分圧が一定であれば、雰囲気ガス圧力（キャリアガス圧力）が高いほど、ナノワイヤの成長レートが高くなる。
【００７５】
雰囲気ガス圧力が低い場合において、ナノワイヤ本体の表面に微粒子が形成される理由は、ナノワイヤ成長工程中の共晶状態にある触媒金属に供給されるＳｉの量が低下するためと考えられる。このため触媒金属ではＳｉ濃度が低下し、金が過剰になる。過剰な金は触媒金属を離れてナノワイヤ本体の表面をマイグレートしてゆくと考えられる。
【００７６】
このようにナノワイヤ成長工程時における雰囲気ガス圧力を調整することにより、微粒子の形成を制御できる。例えば雰囲気ガス圧力を０．１Ｔｏｒｒ以下にすると、微粒子の生成を促進させることができるが、０．１Ｔｏｒｒを超えて高くしてゆくと、微粒子の形成を抑制し、微粒子を形成しないようにすることもできる。また、ナノワイヤの成長工程の途中で雰囲気ガス圧力を変化させると、１本のナノワイヤの特定部分に選択的に微粒子を形成することも可能になる。すなわち、微粒子が表面に形成された部分と、微粒子が表面に形成されていない部分とが接続されたヘテロ構造のナノワイヤを得ることができる。
【００７７】
図２１Ｂに示すように成長直後において微粒子が形成されなかったナノワイヤに対し、その後に熱処理を行った結果を図２３Ａ〜図２４Ｂに示す。図２３Ａおよび図２３Ｂは、高真空（ＵＨＶ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理（Ａｎｎｅａｌ）を行ったサンプルのＴＥＭ写真（暗視野像）である。一方、図２４Ａおよび図２４Ｂは、低真空（０．３Ｔｏｒｒ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（暗視野像）である。
【００７８】
図２３Ｂおよび図２４Ｂに示されるように、熱処理時の雰囲気ガスの圧力差により、微粒子のマイグレーション距離が異なっている。すなわち、熱処理時の雰囲気ガス圧力が高いほど、微粒子のマイグレーション距離は長くなり、ナノワイヤ本体の表面における広い範囲にわたって微粒子が分布することができる。
【００７９】
なお、上記の熱処理は、成長後のナノワイヤ本体を大気に暴露することなく、成長装置内で成長工程と連続して行っている。成長後のナノワイヤ本体を大気に暴露すると、その表面に自然酸化膜が形成されるため、熱処理によって微粒子をマイグレートさせることは困難になる。図２５Ａおよび図２５Ｂは、大気暴露後に大気圧（窒素雰囲気）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（暗視野像）である。図２５Ａおよび図２５Ｂからわかるように、大気暴露後に熱処理を行っても、微粒子の分布は広がらず、図２５Ａに示す触媒金属の近傍に僅かに存在するだけである。
【００８０】
このため、ナノワイヤ成長時ではなく成長後に微粒子を形成する場合は、ナノワイヤ本体の表面が酸化されないように留意することが好ましい。
【００８１】
ナノワイヤ成長後に事後的に微粒子を形成するための熱処理は、ナノワイヤ本体を構成する半導体と触媒金属とが共晶となる温度以上の温度で実行する必要がある。金ドットコートナノワイヤの場合、３６０〜７５０℃の温度で熱処理を行うことが好ましい。熱処理温度の上限を７５０℃に設定する理由は、理温度が７５０℃を超えて高くなると、金の蒸発が始まるからである。
【００８２】
本実施形態では、金からなる金属粒子１１２がシリコンからなるＳｉナノワイヤ本体１１１の表面に形成されているが、金以外の金属粒子１１２をＳｉナノワイヤ本体１１１の表面に形成してもよい。Ｓｉナノワイヤ本体１１１の表面に形成したい金属粒子１１２の材料と同一の材料からなる触媒金属を用いることにより、所望の金属粒子１１２を形成することが可能になる。
【００８３】
原料ガスを変更することにより、ナノワイヤ本体を構成する材料を変えることができる。例えばゲルマニウムのナノワイヤを成長する場合は、原料ガスとして、ゲルマンガスを用いるとよい。
【００８４】
このように、ナノワイヤ本体の表面に付着した粒子は、特別な製造工程を追加することなく、従来のナノワイヤ形成中に形成することが可能であり、また、ナノワイヤの成長条件を変化させることにより、粒子密度を制御することができる。公知のナノワイヤ成長装置を用いて、微細な金属粒子をナノワイヤ本体の表面に形成でき、しかも、密度制御も可能であるため、トランジスタやメモリのような電子デバイスへの応用が期待される。
【００８５】
（実施形態２）
次に、図８から図１０を参照しながら、本発明によるナノワイヤの第２の実施形態を説明する。本実施形態のナノワイヤは、ヘテロ金属粒子コートナノワイヤである。
【００８６】
図８（ａ）は、ヘテロ金属粒子コートナノワイヤ構造を示す斜視図、図８（ｂ）は、両端部に金属粒子の存在するヘテロ金属粒子コートナノワイヤ構造を示す斜視図、図８（ｃ）は、両端部に金属粒子の存在しないヘテロ金属粒子コートナノワイヤ構造を示す斜視図である。図９（ａ）はヘテロ金粒子コートＳｉナノワイヤＴＥＭ像、図９（ｂ）は図９（ａ）のＸ部拡大ＴＥＭ像、図９（ｃ）は図９（ａ）のＹ部拡大ＴＥＭ像である。図１０（ａ）は図９のＰＯＩＮＴ１領域、図１０（ｂ）は図９のＰＯＩＮＴ２領域、図１０（ｃ）は図９のＰＯＩＮＴ３領域の元素分析結果を示す図である。
【００８７】
本実施形態のヘテロ金属粒子コートナノワイヤは、図８（ａ）に示すように、ナノワイヤ本体１０４の表面に金属粒子１１２が存在する領域１２０と、金属粒子１１２が存在しない領域１２１とに分かれている。金属粒子の存在しない領域１２１は従来のナノワイヤと同様の構造を有している。
【００８８】
図８（ｂ）に示すヘテロ金属粒子コートナノワイヤは、ナノワイヤ本体１０４の両端部に金属粒子１１２の存在する領域１２０を有している点で、図８（ａ）のナノワイヤと異なっているが、他の点では同一である。
【００８９】
図８（ｃ）に示すヘテロ金属粒子コートナノワイヤは、ナノワイヤ本体１０４の両端部に金属粒子１１２の存在しない領域１２１を有している点で、図８（ａ）のナノワイヤと異なっている。
【００９０】
図９(ａ)から(ｃ)は、シリコンのナノワイヤ本体の表面に金粒子が形成されたヘテロ金コートＳｉナノワイヤのＴＥＭ像を示す。図９から、ヘテロ金コートＳｉナノワイヤは、金触媒１２２付近のＹ部に金ドットの存在する領域１２３を有し、Ｘ部が従来のナノワイヤ構造を有していることがわかる。
【００９１】
図１０（ａ）から（ｃ）の元素分析結果から、ＰＯＩＮＴ１領域（金触媒１２２）は金、ＰＯＩＮＴ２領域（金属粒子１１２）は金及びシリコン、ＰＯＩＮＴ３領域（Ｓｉナノワイヤ本体１１１）はシリコン元素から構成されていることがわかる。金粒子の大きさは、２ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
【００９２】
このように、一本のナノワイヤ本体に２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な金属粒子が自己組織的に形成される領域と、金属粒子が形成されない領域とを配列することができる。このようなナノワイヤも、トランジスタ、メモリ、センサー等の電子デバイスへ広い応用が期待される。
【００９３】
次に、本実施形態のナノワイヤの製造方法を説明する。
【００９４】
本実施形態のナノワイヤを製造する方法は、実施形態１について説明した金ドットコートＳｉナノワイヤの製造工程を利用する。以下に、本実施形態の製造方法を説明する。
【００９５】
まず、シリコン基板上に金粒子を形成する。形成方法としては、実施形態１と同様の方法を用いることができる。次に、この成長用基板をＣＶＤ装置のチャンバ内に挿入する。シリコン元素を含む原料ガスとしてＳｉ2Ｈ6ガスをチャンバに導入し、１０-4Ｔｏｒｒ程度の圧力に保ち、基板を４５０℃で加熱することにより、金ドットコートＳｉナノワイヤを成長することができる。成長時間を調整することにより所望の長さまで成長する。例えば、上記の条件を用いると、成長速度は５０ｎｍ／ｍｉｎ〜３００ｎｍ／ｍｉｎの成長速度を実現することが可能となる。
【００９６】
次に、金ドットコートＳｉナノワイヤを所望の長さまで成長した後、連続的に従来のＳｉナノワイヤを成長させる。ヘテロ成長させる方法としては、原料ガスであるＳｉ2Ｈ6の流量を増加させたり、Ｈ2ガスなどをチャンバ内に導入させたりすることによりチャンバ内圧力を１０-2Ｔｏｒｒ程度に保つことにより従来のＳｉナノワイヤを成長することができる。
【００９７】
本実施形態では、成長法基板から金ドットコートＳｉナノワイヤを形成した後、引き続き、従来のＳｉナノワイヤを成長しているが、チャンバ内の圧力を制御することにより、この順序を変更することや、１本のナノワイヤ中に複数の金ドットコート領域を形成することも可能である。
【００９８】
本実施形態では、ナノワイヤ材料としてシリコン、金属粒子材料として金を用いているが、ナノワイヤの原料ガス及び触媒金属を変更することにより、ナノワイヤや金属粒子の材料を変えることができる。
【００９９】
このように、本実施形態によれば、２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な金属粒子が自己組織的にナノワイヤ本体の表面に形成された金属粒子コートナノワイヤと従来のナノワイヤとを一本のナノワイヤ中に、新たにプロセスを追加することなく成長することが可能となる。従って、従来のナノワイヤ成長プロセスを用いて、自己形成によりナノワイヤの任意の位置に微細な金属粒子を形成できることから、電子デバイスへの応用が期待される。
【０１００】
（実施形態３）
次に、図１１から図１３を参照しながら、本発明による電界効果トランジスタの実施形態を説明する。このトランジスタは、電極と接触するコンタクト領域に不純物がドープされ、かつ金属粒子が形成されているナノワイヤ（以下、「コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ」と称する。）を備えている。
【０１０１】
図１１（ａ）は、本実施形態におけるコンタクトドープヘテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を示す斜視図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図１２は、このコンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を用いたトランジスタ（以下、「ナノワイヤトランジスタ」と称する。）の斜視図である。図１３（ａ）は、図１２のナノワイヤトランジスタの上面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【０１０２】
図１１に示すコンタクトドープヘテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０は、図８（ｂ）のヘテロ金属粒子コートナノワイヤと同様に、両端部が金属粒子でコートされている。図８（ｂ）のヘテロ金属粒子コートナノワイヤと異なる点は、両端部（金属粒子コート領域１３１）に不純物がドープされ、コンタクト領域として機能しえる点にある。例えば、ナノワイヤがシリコンにから形成されている場合、金属粒子コート領域１３１は、ボロンなどのＩＩＩ族元素や、リン、砒素などのようなＶ族元素が１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ-3〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ-3程度ドープされている。また、金属粒子コート領域１３１の金属粒子１３４は、ナノワイヤ材料と金属との合金から形成されていることが好ましい。例えばナノワイヤがシリコンから形成されている場合、金属粒子１３４は、ニッケルシリサイドやチタンシリサイドなどの合金から形成されていることが好ましい。
【０１０３】
図１２及び図１３は、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０をチャネルに用いたトランジスタ１４０を示している。以下、このナノワイヤトランジスタ１４０の構造を説明する。
【０１０４】
ナノワイヤトランジスタ１４０は、上述のコンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０にそれぞれ接触するソース電極１４４及びドレイン電極１４５と、これらを支持する基板１４１とを備えている。ソース電極１４４及びドレイン電極１４５とコンタクトドープへテロ金属粒子ナノワイヤ１３０との間において良好な電気的なコンタクトを形成するために、不純物がドープされた金属粒子領域１３１を介して電気的なコンタクトが形成されている。
【０１０５】
基板１４１の主面上には、ゲート電極１４２と、このゲート電極１４２とコンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０との間を電気的に絶縁するゲート絶縁膜１４３とが形成されている。このように、本実施形態のトランジスタは、ゲート絶縁膜１４３上にコンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０が配置されたボトムゲート型のトランジスタ構造を有している。
【０１０６】
ゲート電極１４２に電圧を印加すると、ゲート絶縁膜１４３を介して、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０のチャネル領域の導電性が制御される。
【０１０７】
基板１４１としては、ポリイミドや芳香族エステルのようなプラスティック基板、ガラス基板、サファイア基板などを用いるとよい。また、ゲート電極１４２、ソース電極１４４及びドレイン電極１４５の材料としては、チタン、金、アルミニウム、ニッケルのような金属、導電性ポリマー、ポリシリコン、チタンシリサイドのような半導体材料と金属との合金を用いるとよい。
【０１０８】
なお、本実施形態のトランジスタは、ボトムゲート型であるが、本発明のトランジスタは、トップゲート構造を有していても良い。
【０１０９】
本実施形態では、ソース・ドレイン電極とのコンタクト部に不純物がドープされているが、不純物がドープされていなくても、従来のナノワイヤを用いた場合に比べ、コンタクト抵抗が低減される。
【０１１０】
本実施形態のナノワイヤトランジスタでは、ナノワイヤとソース・ドレイン電極とのコンタクト部に金属又は金属とナノワイヤ材料との合金粒子が複数形成されているために、耐熱性の低い基板上でコンタクト抵抗を低減することができる。従って、一本のナノワイヤ中に２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な金属粒子が自己組織的に形成される領域と形成されない領域を設けることにより、デバイスに悪影響を与えることなく、電極と半導体層間でのコンタクト特性の改善された高電流駆動力を示すトランジスタを実現することができる。
【０１１１】
次に、本実施形態のナノワイヤ及びナノワイヤトランジスタの製造方法を説明する。
【０１１２】
図１４（ａ）から図１４（ｃ）は、本実施形態におけるナノワイヤトランジスタの製造方法の一例を示す図である。
【０１１３】
本実施形態におけるナノワイヤの製造方法は、基本的な部分は、実施形態２における製造方法と同様である。ただし、本実施形態では、ナノワイヤ材料と金属との合金から金属粒子を形成している。合金粒子を形成するには、金属粒子コートナノワイヤを成長時にチャンバ内の圧力と触媒金属種の最適化するか、あるいは、金属粒子コートナノワイヤを成長した後、任意の雰囲気中で熱処理を行えばよい。
【０１１４】
ナノワイヤトランジスタは、金属粒子コートナノワイヤを用いる点を除けば、公知の方法により製造することが可能である。以下、本実施形態におけるナノワイヤトランジスタの製造方法を説明する。
【０１１５】
まず、図１４（ａ）に示すように、基板１４１の主面上にゲート電極１４２及びゲート絶縁膜１４３を形成する。ゲート電極１４２は、例えば、スパッタ法や蒸着法などによる公知の成膜形成装置を用いてゲート金属を堆積させた後、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、ゲート金属をパターニングして形成することができる。ゲート絶縁膜１４３は、例えばゲート絶縁膜材料前駆体を基板１４１の上にスピンコートした後、溶媒の除去及び熱処理をすることにより形成可能である。他に、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法を用いてゲート絶縁膜１４３を堆積してもよい。
【０１１６】
次に、図１４（ｂ）に示すように、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を上述したゲート絶縁膜１４３上に配置する。具体的には、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を、その成長用基板（図１４において不図示）から剥離させ、溶液に分散させる。ナノワイヤを成長用基板から剥離する方法は、例えば、成長用基板に超音波を照射して機械的に剥離する方法や、成長用基板の表面を薄くエッチングする方法を用いるとよい。
【０１１７】
分散液に用いる溶媒には、水溶液、有機溶媒、または、水と有機溶媒を混合したものがある。有機溶媒としては、例えば、エタノール、プロパノール、ペンタノール、ヘキサノール、エチレングリコールなどのアルコール、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエステル、メチルエチルケトンなどのケトン類、ヘキサン、オクタンなどのアルカン、テトラヒドロフラン、クロロホルムのような溶媒を用いるとよい。水と有機溶媒の混合液体としては、水とアルコールの混合液、水とテトラヒドロフランの混合液などが使用可能である。
【０１１８】
次に、表面に所望形状を有する溝を有するモールドをゲート絶縁膜１４３の上面に密着させ、この溝に、上述した分散液をフローさせる（フロー法）。このようなフロー法を用いると、ナノワイヤの位置や形状は、モールドの溝によって制御することが可能であり、ナノワイヤ方向は液体の流れによってモールドの方法に配向することが可能となる。なお、フロー法以外の公知の方法、例えば転写法を用いても、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を基板１４１上の所望の位置に配置することが可能である。
【０１１９】
次に、図１４（ｃ）に示すように、ソース電極１４４・ドレイン電極１４５を形成する。具体的には、金属膜を堆積した後、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、金属膜をパターニングしてもよい、リフトオフ法を用いてもよい。
【０１２０】
このように本実施形態によれば、２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な金属粒子が自己組織的にナノワイヤ表面に形成された金属粒子コートナノワイヤを用いることにより、コンタクト抵抗を低減できる。また、電極材料と半導体層材料とを熱処理し、合金化するプロセスが不要となるため、耐熱性の低い基板上に、高性能化且つバラツキを低減したトランジスタを実現することができる。
【０１２１】
上記のようにナノワイヤ本体の微粒子と接触する電極を備えることにより、コンタクト特性に優れた各種の電子装置を製造することができる。このような電子装置は、トランジスタに限定されず、センサー、発光素子、または受光素子であってもよい。
【０１２２】
（実施形態４）
以下、図１５を参照しながら、本発明によるナノワイヤを用いたセンサー（以下、「ナノワイヤセンサー」と称する。）の実施形態を説明する。
【０１２３】
図１５（ａ）は、金属粒子コートナノワイヤ表面が機能性分子により化学修飾されたナノワイヤ（以下、「化学修飾されたナノワイヤ」と称する。）１５０の表面構造の模式図であり、図１５（ｂ）は、このナノワイヤ１５０を用いたセンサーの構造を示す断面図である。図１５（ａ）の化学修飾されたナノワイヤ１５０は、半導体ナノワイヤ本体１５３と、その表面に形成された複数の金属粒子１５２と、化学修飾に用いられた機能性分子１５１とを備えている。本実施形態における金属粒子１５２は、金から形成されているが、その他の金属（例えば銀、銅、イリジウムなどの貴金属）から形成されていても、同様の効果を期待できる。
【０１２４】
図１５（ａ）に示すナノワイヤ１５０の特徴点は、半導体ナノワイヤ本体１５３の表面に位置する金属粒子１５２が機能性分子１５１によって化学修飾されている点にある。金属粒子１５２に化学修飾する機能性分子１５１としては、例えば、ＮＨ2（ＣＨ2）nＳＨ、ＣＯＯＨ（ＣＨ）nＳＨ、ＣＦ3（ＣＦ2）n（Ｃ2Ｈ4）mＳＨ（但し、ｎ、ｍは自然数）が挙げられる。
【０１２５】
図１５（ｂ）に示すナノワイヤセンサーは、化学修飾されたナノワイヤ１５０をセンシング部として用いるセンサーである。ナノワイヤセンサーの構造としては、実施形態３のナノワイヤトランジスタと同様の構造を備えている。本実施形態のナノワイヤセンサーはゲート電極１４２を具備しているが、ゲート電極１４２は具備しなくてもよい。
【０１２６】
本実施形態のナノワイヤセンサーは、ｐＨセンサーとして機能する。化学修飾されたナノワイヤ１５０は、機能性分子としてＮＨ2（Ｃ6Ｈ6）ＳＨを化学修飾したものである場合、溶液中のｐＨが低くなると、ナノワイヤ１５０の表面の機能性分子１５１内のアミノ基が−ＮＨ3+に変化する。その結果、ソース電極１４４とドレイン電極１４５との間におけるコンダクタンスが変化するため、半導体ナノワイヤ本体１５３を流れるドレイン電流に応じて溶液のｐＨをセンシングすることができる。
【０１２７】
このナノワイヤセンサーは、実施形態３のナノワイヤトランジスタの製造方法と同様の方法で製造され得る。
【０１２８】
なお、本実施形態のセンサーは、ｐＨセンサーとして機能しているが、機能性分子１５１を適宜選択することにより、他のセンサーとしても動作することが可能である。また、化学修飾されたナノワイヤは、センサー以外の電子素子にも利用可能である。例えば、機能性分子１５１を介して電荷を出し入れさせれば、メモリとして動作させることも可能である。
【０１２９】
本実施形態のナノワイヤセンサーでは、自己組織的に形成された金属粒子に機能性分子を化学修飾し、この機能性分子に検体物を吸着又は反応させることによりセンシングすることができる。本発明のナノワイヤを用いると、ナノワイヤの成長条件によって金属粒子の密度を制御できるため、高感度センサーを実現することができる。
【０１３０】
（実施形態５）
以下、図１６を参照しながら、本発明の金属粒子に化学修飾したナノワイヤを用い、任意の基板または電極上の任意の位置にナノワイヤを配置した構造体の実施形態を説明する。
【０１３１】
図１６（ａ）は、化学修飾されたナノワイヤ１６０と基板１６１を示す模式図であり、図１６（ｂ）は、ナノワイヤ１６０を基板１６１に設けられた電極１６４の任意の位置に配置した構造体を示す図である。本実施形態のナノワイヤ１６０の表面には金微粒子１６２が形成されている。
【０１３２】
図１６（ａ）の化学修飾されたナノワイヤ１６０は、実施形態４の化学修飾されたナノワイヤ１５０と同様の構成を有している。本実施形態に特徴的な点は、化学修飾されたナノワイヤ１６０が、基板１６１上の官能基と化学的に結合している点にある。
【０１３３】
ナノワイヤ１６０と化学的に結合する機能性分子内の官能基Ｘは、例えば、以下のような組合せから選択することができる。
【０１３４】
基板１６１の表面が−ＯＨの場合、Ｘは（ＣＨ3Ｏ）3Ｓｉ−、（Ｃ2Ｈ5）3Ｓｉ−、Ｃｌ3Ｓｉ−、ＮＣＯ−などであり、基板１６１の表面が−ＮＨ2、−ＮＨ−の場合、ＸはＨＯＯＣ−、ＮＣＯ−などである。
【０１３５】
実施形態２におけるヘテロ金属粒子コートナノワイヤを用いると、半導体ナノワイヤの特定部分に選択的に金属粒子を形成しているため、ナノワイヤ中の任意の位置に化学結合部位を形成することができる。
【０１３６】
図１６（ｂ）の例では、化学修飾したナノワイヤ１６０が基板１６１の表面との間で化学結合を形成するのではなく、電極１６４との間で化学結合を形成している。この場合のナノワイヤ１６０としては、図８（ｂ）に示すように、両端部に金属粒子がコートされたナノワイヤを用いることが好ましい。
【０１３７】
ナノワイヤ１６０の配置位置を規定するため、電極１６４の任意の位置に、例えばＨＯＯＣ−（ＣＨ2）n−ＳＨのような機能性分子を用いて化学修飾を施しておけばよい。ナノワイヤ１６０がＮＨ2−（ＣＨ2）n−ＳＨのような機能性分子１６３で化学修飾されていれば、機能性分子間でアミド結合を形成するようにナノワイヤ１６０の位置が定まる。従って、電極１６４の任意の位置へナノワイヤ１６０を配置することができる。
【０１３８】
従来の化学修飾を用いてナノワイヤを配置させる方法では、ナノワイヤの成長に必要な触媒金属部を基板と結合させていたため、ナノワイヤの位置や方向を正確に制御することが困難であった。しかしながら、本実施形態では、ナノワイヤの軸方向の広い範囲に化学修飾を施すことができるため、基板や電極などの対象物に対する密着性が向上する。また、対象物の任意の部分を選択的に化学修飾することにより、化学修飾されたナノワイヤ１６０の位置や向きを対象物に対して自己整合的に規定することができる。
【０１３９】
（実施形態６）
以下、図１７を参照しながら、本発明の本発明の金属粒子を絶縁膜中に埋め込んだメモリ（以下、「ナノワイヤメモリ」と称する。）の実施形態を説明する。
【０１４０】
図１７（ａ）は、絶縁膜中に金属粒子を埋め込んだナノワイヤ１７０の断面構造を示し、図１７（ｂ）は、ナノワイヤ１７０を用いて形成したナノワイヤメモリの断面構成例を示している。
【０１４１】
図１７（ａ）に示すナノワイヤ１７０は、絶縁膜１７３に被覆されたナノワイヤ１７１を有しており、絶縁膜１７８中に金属粒子１７２が埋め込まれている。絶縁膜１７３は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ハフニウム酸化物などから好適に形成される。
【０１４２】
ナノワイヤ１７０は、例えば、前述した金属粒子コートナノワイヤの周囲にスパッタ法やレーザーアブレーション法により絶縁膜１７３を形成した後、熱処理を行い、金属粒子１７２を絶縁膜１７３中に拡散させることにより製造することができる。
【０１４３】
金ドットコートＳｉナノワイヤを用いる場合は、酸素雰囲気中でナノワイヤを酸化させることにより、シリコン酸化膜中に金粒子を埋め込んだナノワイヤを形成することができる。
【０１４４】
図１７（ｂ）に示すナノワイヤメモリは、絶縁膜１７３中に金属粒子１７２を埋め込んだナノワイヤ１７０を含んでいるが、基本的には、実施形態３のナノワイヤトランジスタの構造と同様の構造を有している。メモリ動作は、ゲート電極１４２にバイアス電圧を印加することにより、ナノワイヤ１７１から金属粒子１７２に電荷を注入する。一方、ゲート電極１４２に逆バイアス電圧を印加することにより、金属粒子１７２からナノワイヤ１７１に電荷を注入することができる。
【０１４５】
図１７（ｂ）のナノワイヤメモリも、実施形態３のナノワイヤトランジスタの製造方法と同様にして製造することができる。
【０１４６】
本実施形態のナノワイヤメモリでは、本発明の自己組織的に形成された金属粒子１７２を絶縁膜１７３中に埋め込んだナノワイヤをメモリに応用することにより、高精度のメモリを形成することができる。また、本発明のナノワイヤを用いると、金属粒子１７２の密度を成長条件によって制御できるため、粒子密度のバラツキを低減でき、精度を向上したメモリを実現することができる。
【０１４７】
（実施形態７）
次に、図１８及び図１９を参照して、本発明による電子装置の実施形態を説明する。本実施形態の電子装置は、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）を備えるディスプレイである。
【０１４８】
図１８は、ディスプレイの構成を模式的に示す。図１８のディスプレイでは、基板１８０上に、複数の画素１８５がマトリクス状に配置されている。各画素１８５には、有機ＥＬ素子が配置されており、その有機ＥＬ素子は、その近傍に配置されたＴＦＴを含む回路で制御される。基板１８０上には、ＴＦＴを制御するためのＸ走査電極１８３、Ｙ走査電極１８４、Ｘドライバ１８１、及びＹドライバ１８２が形成されている。
【０１４９】
図１９は、画素近傍の回路図を示す。画素１８５はスイッチ用トランジスタ１９０とドライバ用トランジスタ１９１とによって制御される。これらのトランジスタ１９０、１９１は、本発明によるナノワイヤを備えるトランジスタである。
【０１５０】
Ｙドライバ１８２からＹ走査電極１８４を介してスイッチ用トランジスタ１９０のソース電極に電圧が印加される。スイッチ用トランジスタ１９０のドレイン電極とドライバ用トランジスタ１９１のゲート電極とは電気的に接続されている。ドライバ用トランジスタ１９１のドレイン電極は、画素の下部に配置された画素電極（図示せず）に電気的に接続されている。また、ドライバ用トランジスタ１９１のソース電極には、画素を発光させるための電圧が印加される。
【０１５１】
一方、スイッチ用トランジスタ１９０のゲート電極には、Ｘドライバ１８１からＸ走査電極１８３を介して画像信号電圧が印加される。画像信号の電圧が印加されたスイッチ用トランジスタから、ドライバ用トランジスタ１９１のゲート電極に電圧が加えられる。これによって、ドライバ用トランジスタから画素電極に電圧が加えられる。図示はしていないが、画素上には透明電極が配置されている。画素電極と透明電極との間に電圧が加わることによって、画素部分が発光する。
【０１５２】
本発明による電子装置は、上記のディスプレイに限定されず、液晶表示装置や他の電子装置であってもよい。本発明によるナノワイヤは、各種の電子装置に使用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明によるナノワイヤは、簡便な製造プロセスにより製造することができ、トランジスタやメモリなどの電子デバイスやマイクロデバイス等へ応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】（ａ）は、本発明のナノワイヤを示す側面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図である。
【図２】（ａ）から（ｃ）は、本発明のナノワイヤの製造方法を示す工程図である。
【図３】実施形態１のナノワイヤＴＥＭ像を示す写真である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１のナノワイヤ元素分析結果を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、実施形態１のナノワイヤ断面ＴＥＭ像を示す写真であり、（ｂ）は、その一部を拡大した写真である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１のナノワイヤ元素分析結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、実施形態１のナノワイヤの製造方法を示す工程図である。
【図８】（ａ）から（ｃ）は、実施形態２のナノワイヤの構造模式図である。
【図９】（ａ）から（ｃ）は、実施形態２のナノワイヤＴＥＭ像を示す写真である。
【図１０】（ａ）から（ｃ）は、実施形態２のナノワイヤ元素分析結果を示す図である。
【図１１】（ａ）は、実施形態３のナノワイヤ構造模式図であり、（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線断面図である。
【図１２】実施形態３のナノワイヤトランジスタ構造斜視図である。
【図１３】（ａ）は、実施形態３のナノワイヤトランジスタの上面図であり、（ｂ）は、そのＣ−Ｃ線断面図である。
【図１４】（ａ）から（ｃ）は、実施形態３のナノワイヤトランジスタの製造方法を示す図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態４のナノワイヤセンサー構造図である。
【図１６】（ａ）は、化学修飾されたナノワイヤを示す図であり、（ｂ）は、基板の任意の位置に配置された実施形態５のナノワイヤを示す図である。
【図１７】（ａ）は、実施形態６のナノワイヤの断面図であり、（ｂ）は、当該ナノワイヤを備えるメモリ素子の断面図である。
【図１８】実施形態７の有機ＥＬディスプレイ模式図である。
【図１９】実施形態７の画素駆動用トランジスタの回路図である。
【図２０】（ａ）から（ｃ）は、従来のナノワイヤ構造模式図である。
【図２１Ａ】雰囲気ガス圧力０．２Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示すＳＥＭ写真である。
【図２１Ｂ】雰囲気ガス圧力０．２Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示す断面ＴＥＭ写真である。
【図２２Ａ】雰囲気ガス圧力０．０１Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示すＳＥＭ写真である。
【図２２Ｂ】雰囲気ガス圧力０．０１Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示す断面ＴＥＭ写真である。
【図２３Ａ】高真空（ＵＨＶ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理（Ａｎｎｅａｌ）を行ったサンプルのＴＥＭ写真（高倍率）である。
【図２３Ｂ】高真空（ＵＨＶ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理（Ａｎｎｅａｌ）を行ったサンプルのＴＥＭ写真（低倍率）である。
【図２４Ａ】低真空（０．３Ｔｏｒｒ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（高倍率）である。
【図２４Ｂ】低真空（０．３Ｔｏｒｒ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（低倍率）である。
【図２５Ａ】大気暴露後に大気圧（窒素雰囲気）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（高倍率）である。
【図２５Ｂ】大気暴露後に大気圧（窒素雰囲気）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（低倍率）である。
【符号の説明】
【０１５５】
１０１ 微粒子コートナノワイヤ
１０２ 触媒金属
１０３ 微粒子
１０２ａ 触媒金属と半導体材料の合金
１０４ ナノワイヤ本体
１０５ 基板
１０６ 原料ガス
１１０ 金ドットコートＳｉナノワイヤ
１１１ Ｓｉナノワイヤ本体
１１２ 金属粒子
１１３ シリコン酸化膜（自然酸化膜）
１１４ 触媒金属粒子
１１５ シリコン基板
１１６ ジシランガス
１２０ 金属粒子の存在する領域
１２１ 金属粒子の存在しない領域
１２２ 金触媒
１２３ 金ドットの存在する領域
１２４ 金ドットの存在しない領域
１３０ コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ
１３１ 不純物がドープされた金属粒子コート領域
１３２ 半導体ナノワイヤ
１３３ 不純物がドープされた領域
１３４ 半導体と金属の合金粒子
１４０ ナノワイヤトランジスタ
１４１ 基板
１４２ ゲート電極
１４３ ゲート絶縁膜
１４４ ソース電極
１４５ ドレイン電極
１５０ 化学修飾されたナノワイヤ
１５１ 機能性分子
１５２ 金属粒子
１５３ 半導体ナノワイヤ本体
１６０ 化学修飾されたナノワイヤ
１６１ 基板
１６２ 金属粒子
１６３ 機能性分子
１６４ 電極
１６５ 化学結合
１７０ 絶縁膜中に金属粒子の埋め込まれたナノワイヤ
１７１ ナノワイヤ
１７２ 金属粒子
１７３ 絶縁膜
１８０ フレキシブル基板
１８１ Ｘドライバ
１８２ Ｙドライバ
１８３ Ｘ走査電極
１８４ Ｙ走査電極
１８５ 画素
１９０ スイッチ用トランジスタ
１９１ ドライバ用トランジスタ
２００ 半導体ナノワイヤ
２０１ コア・シェルナノワイヤ
２０２ コア部
２０３ シェル部
２０４ ヘテロナノワイヤ
２０５ 第１の半導体ナノワイヤ
２０６ 第２の半導体ナノワイヤ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノワイヤ本体の表面に微粒子が自己組織的に形成されたナノワイヤに関している。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路（ＬＳＩ）におけるトランジスタや、フラットパネルディスプレイにおける薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を微細化するための研究開発が活発に進められている。シリコン半導体プロセスでは、フォトリソグラフィ工程における露光用光源の波長を短くすることにより、０．１μｍ以下の微細加工が実現されている。しかしながら、従来のリソグラフィー技術による微細化には限界があり、また微細化の進展に伴い、露光装置やマスク部材のコストが急増している。
【０００３】
近年、カーボンナノチューブ（非特許文献１）や、半導体的性質を示す材料から形成されたナノワイヤ（特許文献１）が注目されている。カーボンナノチューブやナノワイヤは、直径が１ｎｍ〜１μｍ程度の微細構造体であり、自己組織的に形成することが可能である。このため、高度なフォトリソグラフィ技術やエッチング技術を用いなくても、ナノメーターサイズの高性能な電子デバイスを実現する可能性を有している。このような微細構造体は、複雑なプロセス技術を用いることなく、高性能デバイスを低コストで生産することを可能にする技術として期待されている。
【０００４】
以下、図２０を参照にしながら、従来のナノワイヤ構造を説明する。
【０００５】
図２０（ａ）は、ナノワイヤの模式構造図を示している。このナノワイヤの長さは、５００ｎｍ〜１ｍｍ程度であり、応用目的に合わせて適宜設定することができる。
【０００６】
図２０（ｂ）は、コア部２０２（内側）とシェル部２０３（外側）が異なる材料により構成されているナノワイヤ（以下、「コア・シェルナノワイヤ」と称する）２０１を示している（特許文献２）。
【０００７】
図２０（ｃ）は、ナノワイヤの長さ方向に第１の半導体ナノワイヤ２０５と第２の半導体ナノワイヤ２０６とが配列されたナノワイヤ２０４（ヘテロナノワイヤ）を示している（特許文献２）。
【０００８】
通常のエピタキシャル成長技術によるヘテロ成長技術では、欠陥や転移を低減するために、ヘテロ界面において格子定数を整合する必要があり、材料選択に制約があった。しかしながら、擬一次元構造を有するナノワイヤでは、格子定数不整合によるストレスを緩和できる可能性があるため、材料選択の自由度を向上させることができる。
【０００９】
このように自己組織的に微細構造体や材料エンジニアリングを実現できるナノワイヤは、将来を期待されている。
【００１０】
非特許文献２は、ボロンをシリコンナノワイヤにドープすることにより、ナノワイヤの外径が大きくなるとともに、その表面に凹凸と金リッチな微粒子（ナノ粒子）が生成されることを報告している。
【特許文献１】特表２００４−５３５０６６明細書
【特許文献２】特表２００４−５３２１３３明細書
【非特許文献１】Ｒ．Ｍａｒｔｅｌ， ｅｔ ａｌ．, “Ｓｉｎｇｌｅ−ａｎｄ ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ,” Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ７３ ｐｐ．２４４７, １９９８
【非特許文献２】Ｌ．Ｐａｎ， ｅｔ ａｌ．, “Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｂｏｒａｎｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｂｏｒｏｎ−ｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ” Ｊ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ． ２７７ ｐｐ．４２８, ２００５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ナノワイヤは、種々の用途に用いることが期待され、活発に研究されているが、極めて微細な構造物であるため、ナノワイヤの表面に対して更に微細加工などの処理を施して機能性を高めることは、極めて困難である。
【００１２】
非特許文献１は、ナノワイヤの成長時に不純物をドープすると、ナノワイヤの表面に不規則な凹凸が形成されることを開示しているが、その凹凸の形成は制御できず、電子デバイスに応用することは困難である。
【００１３】
ナノワイヤの成長条件によってはナノワイヤの表面に多数の微粒子が形成されることが知られているが、そのような微粒子をナノワイヤの所望の領域に選択的に形成する技術は知られていない。ナノワイヤの表面における微粒子の形成および分布を制御することができれば、微粒子付のナノワイヤを種所の電子デバイスに応用することも可能になるが、残念ながら、そのような制御技術は開発されていないのが現状である。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ナノワイヤ本体の表面に微粒子を自己組織的に形成したナノワイヤ及び当該ナノワイヤを備える装置、並びに、その製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のナノワイヤは、第１の材料から形成された結晶性半導体のナノワイヤ本体と、前記半導体を構成する元素を一部に含む第２の材料から形成され、前記ナノワイヤ本体の表面の少なくとも一部に位置する複数の微粒子とを備え、前記ナノワイヤ本体の表面が平滑である。
【００１６】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤ本体の前記平滑な表面のうち、少なくとも前記複数の微粒子と接触している部分には、酸化膜が実質的に形成されていない。
【００１７】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤの平均直径は１ｎｍ以上１μｍ以下である。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記複数の微粒子は、前記ナノワイヤ本体の表面の全体に分散している。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤ本体の表面は、前記複数の微粒子が分散している第１領域と、前記複数の微粒子が形成されていない第２領域とに分かれている。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記複数の微粒子は、少なくとも一種類の金属元素を含有する。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記複数の微粒子は、金属、または金属と前記第１の材料との合金から形成されている。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記第２の材料は、金、銀、銅、及びイリジウムからなる群から選択された少なくとも１種の金属を含有している。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記複数の微粒子の平均粒径が２０ｎｍ未満である。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤ本体は単結晶である。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記第１の材料は、シリコン、ゲルマニウム、及び炭素からなる群から選択された少なくとも１種の材料から形成されている。
【００２６】
本発明の電界効果型トランジスタは、上記いずれかのナノワイヤを備える電界効果トランジスタであって、前記ナノワイヤに形成されたチャネル領域と、前記ナノワイヤに接続され、ソース領域及びドレイン領域として機能する電極と、前記チャネル領域の少なくとも一部における導電性を制御するゲート電極と、前記ゲート電極を前記チャネル領域から電気的に絶縁するゲート絶縁膜とを備える。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤの表面のうち、前記電極と接触する領域に前記複数の微粒子の少なくとも一部の微粒子が存在している。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記ナノワイヤのうち、前記電極と接触する部分に不純物がドープされている。
【００２９】
好ましい実施形態において、前記微粒子に機能性分子が化学修飾されている。
【００３０】
好ましい実施形態において、前記機能性分子は、前記微粒子との結合部位に−ＳＨ基を含んでいる。
【００３１】
好ましい実施形態において、前記機能性分子は、Ｘ−（ＣnＨm）−ＳＨ（ｎ、ｍは自然数）且つＸ：−ＮＨ2、−ＣＯＯＨ、−ＣxＨy、−ＣaＦb（ｘ、ｙ、ａ、ｂは自然数）である。
【００３２】
本発明のセンサーは、センシング部として機能する上記いずれかのナノワイヤと、前記ナノワイヤに接続された第１の電極及び第２の電極とを備える。
【００３３】
本発明の電子装置は、前記微粒子に機能性分子が化学修飾されている上記いずれかのナノワイヤと、前記機能性分子を介して前記ナノワイヤと化学的に結合した部材とを備える。
【００３４】
本発明の電子装置は、上記いずれかのナノワイヤを備えている。
【００３５】
好ましい実施形態において、前記電子装置は、前記ナノワイヤにおける前記複数の微粒子と接触する電極を更に備えている。
【００３６】
本発明によるナノワイヤの製造方法は、表面に触媒金属粒子が配置された基板を用意する工程（Ａ）と、前記基板上に第１の材料から形成されたナノワイヤ本体を成長させる工程（Ｂ）とを含むナノワイヤの製造方法であって、前記工程（Ｂ）において、第２の材料から形成された複数の微粒子を前記ナノワイヤ本体の表面の少なくとも一部に成長させる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明のナノワイヤは、ナノワイヤ本体の表面に位置する複数の微粒子を備えているため、この微粒子を利用した多様なデバイスを実現することが可能になる。本発明では、ナノワイヤ本体の表面に自己組織的に金属粒子を形成することができ、その製造が容易であるため、トランジスタ及びメモリなどの電子デバイス、並びに、これらの電子デバイスを用いた電子機器への応用が期待できる。
【００３８】
このようなナノワイヤを従来技術により製造するためには、ナノワイヤ本体の表面に別途作製した金属粒子を付着させる必要がある。このような方法で形成すると、金属粒子とナノワイヤの結合力を強くすることや金属粒子の密度や粒子径を正確に制御することが困難となる。
【００３９】
また、ナノワイヤの成長中に金の微粒子を形成し得ることが報告されているが、ナノワイヤ本体の表面に不規則な凹凸が形成されている。半導体からなるナノワイヤ本体の表面に不規則な凹凸が生じると、表面における結晶欠陥や準位が増大し、半導体特性を劣化させる。本発明によれば、ナノワイヤ本体の表面が平滑に維持されるため、優れた特性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
まず、図１を参照しながら、本発明によるナノワイヤを説明する。図１（ａ）は、本発明によるナノワイヤの斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００４１】
図示されているナノワイヤは、複数の微粒子がナノワイヤ本体の表面に形成されたナノワイヤ（以下、「微粒子コートナノワイヤ」を称する。）である。図１に示す微粒子コートナノワイヤ１０１は、ナノワイヤ本体の一端に触媒金属１０２を有し、ナノワイヤ本体１０４の表面に複数の微粒子１０３が配置された構造を有している。触媒金属１０２と微粒子１０３には同一金属が含有されている。触媒金属１０２は、ナノワイヤの形成後に除去することが可能であり、最終的な微粒子コートナノワイヤは触媒金属１０２を有している必要は無い。簡単のため、図１以外の図面では、触媒金属１０２の図示を省略している。
【００４２】
ナノワイヤ本体１０４は、表面が平滑な結晶性の半導体（第１の材料）からなり、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅなどのＩＶ族半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、またはＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳなどのＩＩ―ＶＩ族半導体から形成され得る。ここで、「結晶性の半導体」とは、好ましくは単結晶であるが、一部に欠陥などを含んでいても良いし、多結晶であってもよい。
【００４３】
触媒金属１０２及び微粒子１０３は、例えば、金、銀、銅、ニッケル、コバルト、鉄、チタンなどの金属原子、または、これらの金属原子とナノワイヤ本体１０４を構成する材料との合金若しくは複合材料から形成され得る。
【００４４】
微粒子１０３は、ナノワイヤ本体１０４の半導体を構成する元素を一部に含む第２の材料から形成されている。微粒子１０３の平均粒径は、１ｎｍから５０ｎｍ程度であり、典型的には２０ｎｍ以下である。微粒子の断面は、典型的には円または楕円に近い形状を有しているが、多角形を含む様々な形状を有していてもよい。微粒子コートナノワイヤ１０１の長さは、例えば１μｍ〜１００μｍ程度であり、その直径は例えば２ｎｍ〜１μｍ程度である。
【００４５】
なお、好ましい実施形態において、ナノワイヤ本体１０４の平滑な表面のうち、少なくとも複数の微粒子１０３と接触している部分には、酸化膜が実質的に形成されていない。後述するように、複数の微粒子１０３が含有する金属は、触媒金属１０２に由来するものであり、複数の微粒子１０３の分布は、ナノワイヤ本体１０４の平滑な表面を微粒子１０３が移動すること（マイグレーション）によって広がっている。本発明者の実験によると、このマイグレーションは、ナノワイヤ本体１０４の表面が酸化されている場合には生じにくい。このため、ナノワイヤ本体１０４の表面が酸化されにいく状況で複数の微粒子１０３の形成およびマイグレーションを引き起こすことが好ましい。その結果、ナノワイヤ本体１０４の平滑な表面のうち、少なくとも複数の微粒子１０３と接触している部分には、酸化膜が実質的に形成されていない構成が実現する。このようなマイグレーションが完了した後、複数の微粒子１０３と接触していない部分が事後的に酸化されたり、あるいは酸化膜に被覆されていてもよい。
【００４６】
次に、図２（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本発明による微粒子コートナノワイヤの製造方法の一例を説明する。図２（ａ）から（ｃ）は、本発明のナノワイヤの製造方法を示す工程図である。ナノワイヤの成長は公知の方法である気層−液層−固層（ＶＬＳ）成長機構によって成長することができる。
【００４７】
まず、図２（ａ）に示すように、触媒金属１０２を任意の基板１０５上に配置する。配置する方法としては、例えば、金属コロイド溶液をスピンコート法によって塗布する方法や金属薄膜をスパッタ法や蒸着法で堆積させ粒子化する方法で基板１０５上に配置することができる。
【００４８】
次に、この触媒金属１０２を配置した基板１０５をＣＶＤ装置などのチャンバに導入する。図２（ｂ）に示すように、ナノワイヤを構成する元素を含む原料ガス１０６をチャンバ内に導入し、所定の圧力に保つ。この基板１０５は、ランプやヒーターなどで加熱し任意の温度（但し、原料ガス１０６が基板１０５上で分解する温度よりも低い温度である）に基板を保つ。このような状況において、原料ガス１０６は、触媒金属１０２の近傍においてのみ選択的に分解する。触媒金属１０２は、この分解した原料ガスと反応することにより、触媒金属とナノワイヤを構成する元素との合金１０２ａを形成する。
【００４９】
次に、図２（ｃ）に示すように、原料ガス１０６が分解することにより生成したナノワイヤを構成する元素は、触媒金属とナノワイヤを構成する元素との合金１０２ａに溶解し、過飽和状態となる。この過飽和状態となった触媒金属とナノワイヤを構成する元素との合金１０２ａからナノワイヤを構成する元素が析出し、析出した元素が凝集することにより結晶半導体（ナノワイヤ本体）が成長する。
【００５０】
本発明では、ナノワイヤの成長中または成長後の熱処理時に微粒子が自己組織的にナノワイヤ表面上に形成される。このような微粒子を形成するには、ナノワイヤ成長雰囲気を制御すればよく、例えば低圧下（例えば、雰囲気ガス圧力：１０-3Ｔｏｒｒ以下）でナノワイヤを成長させることにより、ボロンなどの不純物を高濃度にドープさせなくとも、微粒子コートナノワイヤを形成することができる。詳細な成長条件については、後述する。
【００５１】
以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００５２】
（実施形態１）
まず、図３から図６を参照しながら、本発明によるナノワイヤの第１の実施形態を説明する。本実施形態のナノワイヤは、金粒子（金ドット）がＳｉナノワイヤ本体上に形成されたナノワイヤであるため、以下、「金ドットコートＳｉナノワイヤ」と称する。
【００５３】
図３は、本実施形態における金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像の一例を示す写真である。図４（ａ）は、図３のＰＯＩＮＴ１領域、図４（ｂ）は図３のＰＯＩＮＴ２領域の元素分析結果を示すグラフである。図５（ａ）は、この金ドットコートＳｉナノワイヤの長さ方向に対して垂直な面の断面ＴＥＭ像、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ部拡大図を示す図である。図６（ａ）は、図５（ｂ）のＰＯＩＮＴ３領域、図６（ｂ）は図５（ｂ）のＰＯＩＮＴ４領域の元素分析結果を示す図である。
【００５４】
図３に示す金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０は、Ｓｉナノワイヤ本体１１１の表面に複数の金属粒子１１２が配置された構造を備えている。図４に示す元素分析の結果から、図３に示される粒子状の黒点部は、金及びシリコン元素から構成され、その他の領域はシリコン元素から構成されていることが分かる。従って、この金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０には、粒径２ｎｍ〜５ｎｍ程度の金およびシリコン元素によって構成された粒子が、自己組織的に複数個形成された構造を有している。
【００５５】
金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０の断面形状は、図５に示すように典型的には六角形であり、Ｓｉナノワイヤ本体１１１の外側に２ｎｍから３ｎｍ程度のシリコン酸化膜１１３に覆われた形状を有している。シリコン酸化膜１１３は、通常のバルクＳｉ基板等においても大気中の酸素と反応して形成される自然酸化膜である。このシリコン酸化膜１１３の形成は、金属粒子１１２がＳｉナノワイヤ本体１１１の表面に形成された後に行われたものであり、少なくとも金属粒子１１２が形成された時点において、金属粒子１１２はＳｉナノワイヤ本体１１１の半導体に接触していたものである。
【００５６】
図６（ａ）及び（ｂ）に示す元素分析結果から、図５（ｂ）のＰＯＩＮＴ３領域は、金またはシリコン元素から構成されているのに対し、ＰＯＩＮＴ４領域は、シリコン元素から構成されていることが分かる。従って、図３に示される金属粒子１１２は、Ｓｉナノワイヤ本体１１１の表面に存在することが分かる。
【００５７】
２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な微粒子が自己組織的にナノワイヤ本体の表面に形成された金ドットコートＳｉナノワイヤは、トランジスタ、メモリ、センサー等の電子デバイスへ広い応用が期待される。
【００５８】
次に、図７（ａ）から（ｃ）を参照しながら、本実施形態におけるナノワイヤの製造方法の一例を説明する。
【００５９】
まず、図７（ａ）に示すように、成長用基板として機能するシリコン基板１１５を用意し、シリコン基板１１５上に触媒金属粒子１１４を形成する。成長用基板は、ナノワイヤ成長中の熱処理温度に対する耐熱性があればよく、他の半導体材料、絶縁材料、または高融点金属材料などからなる基板上に、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などが堆積されたものであってもよい。成長用基板の面方位や抵抗率は任意に設定してよい。
【００６０】
本実施形態では、触媒金属粒子１１４として金を用いる。触媒金属粒子１１４は、原料ガスの分解促進に優れ、ナノワイヤを構成する元素と共晶状態を形成し、ナノワイヤの成長を促進させるために用いられる。触媒金属粒子１１４の大きさは、ナノワイヤの直径とほぼ等しい大きさになるため、所望の直径のナノワイヤが得られるように設定される。通常、触媒金属粒子１１４の直径は１ｎｍから１００００ｎｍであり、好ましくは５ｎｍから１００ｎｍの範囲内にある。
【００６１】
触媒金属粒子１１４をシリコン基板１１５上に形成する方法としては、公知の方法を用いることができる。例えば、シリコン基板１１５の表面に触媒金属の薄膜をスパッタ法や蒸着法などの公知の薄膜形成装置を用いて形成する。その後、この触媒金属薄膜を熱処理することにより、触媒金属薄膜を自己凝集させてもよい。
【００６２】
金粒子を形成する方法としては、例えば、ＥＢ蒸着法を用いて、０．５ｎｍから１０ｎｍ程度の金薄膜を堆積し、５００℃で３０分から３時間程度熱処理を行なうとよい。金粒子の直径は金薄膜の膜厚と熱処理条件に依存するため、所望の金粒子直径になるように金薄膜の膜厚を調整する。本実施形態では、金薄膜を約２ｎｍ堆積し、真空中、５００℃で１０分熱処理を行なっている。
【００６３】
次に、触媒金属粒子１１４が形成されたシリコン基板１１５をＣＶＤ装置などのチャンバ内に挿入する。そして、図７（ｂ）に示すようにシリコン元素を含む原料ガス１０６をチャンバに導入し、所定の圧力に保ち、シリコン基板１１５は原料ガス１０６が分解する温度よりも低い温度で加熱する。これにより、シリコン基板１１５上において、触媒金属粒子１１４表面で分解された原料ガス１０６中のナノワイヤを構成する元素と触媒金属粒子１１４が反応し、これらの合金を形成する。
【００６４】
シリコンナノワイヤを形成するための原料ガス１０６としては、ＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6、Ｓｉ3Ｈ8、ＳｉＨ2Ｃｌ2、ＳｉＣｌ4などを用いることができる。本実施形態での成長条件の一例としては、ＣＶＤ装置として超高真空ＣＶＤ装置を用い、基板温度として３５０℃から５００℃の間で設定し、原料ガスとしてＳｉ2Ｈ6ガスを用い、チャンバ内圧力が１０-5Ｔｏｒｒから１０-2Ｔｏｒｒになるように、Ｓｉ2Ｈ6ガス流量を１０から１５０ｓｃｃｍの範囲で調節している。例えば、上記条件を用いると、５０ｎｍ／ｍｉｎ〜３００ｎｍ／ｍｉｎの速度で成長することができる。
【００６５】
次に、図７（ｃ）に示すように、原料ガス１０６の分解によりナノワイヤを構成する元素であるシリコンが析出し、析出したシリコンが凝集し結晶半導体層が成長していき、Ｓｉナノワイヤ本体１１１が形成される。成長工程中、触媒金属粒子１１４は、Ｓｉを含有する共晶状態にある。金とＳｉの共晶状態は、約３６０℃以上で実現するため、金ドットコートナノワイヤ１１０の成長は、３６０℃よりも高い温度で実行される。
【００６６】
本実施形態の金ドットコートＳｉナノワイヤ１１０では、例えば上述したナノワイヤ成長中に、自己組織的にＳｉナノワイヤ本体１１１の表面上に金粒子（金属粒子１１２）が形成される。金または金とシリコンの合金からなる金属粒子１１２をＳｉナノワイヤ本体１１１の表面に成長させるには、ナノワイヤ成長雰囲気を制御すればよく、低圧下（例えば、１０-3Ｔｏｒｒ以下、好ましくは10-4Ｔｏｒｒ以下）で成長を行えばよい。
【００６７】
なお、非特許文献２は、シリコンナノワイヤにボロンを高濃度にドープすると、シリコンナノワイヤに金のナノ粒子が形成されることを報告している。しかし、非特許文献２に開示されているナノワイヤ本体の表面には、不規則な凹凸が形成され、平滑性が失われている。また、金のナノ粒子が形成されている部分では、ナノワイヤ本体の直径が他の部分よりも増大している。
【００６８】
本実施形態の製造方法によれば、不純物を高濃度にドープしない場合でも、金属粒子１１２を自己組織的に生成することができ、また、Ｓｉナノワイヤ本体１１１の表面が平滑であるため、結晶欠陥などが形成されにくく、半導体の特性が向上する。なお、本明細書における「平滑」とは、表面に形成される微粒子の平均粒径よりも充分に小さな凹凸しか存在しないことを意味し、ナノワイヤ本体の表面に５ｎｍを超える凹凸段差が形成されていないことが好ましい。
【００６９】
例えばナノワイヤ成長雰囲気を調整することにより、金属粒子１１２の密度を制御することも可能である。例えば、ナノワイヤ成長中のチャンバ内圧力を低下させるほど、金属粒子１１２の密度を増加させることができる。
【００７０】
以下、金属粒子１１２の形成メカニズムをより詳しく説明する。
【００７１】
まず、図２１Ａ〜図２２Ｂを参照する。図２１Ａおよび図２１Ｂは、雰囲気ガス圧力０．２Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示す写真であり、図２２Ａおよび図２２Ｂは、雰囲気ガス圧力０．０１Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示す写真である。多数のナノワイヤが示されている図２１Ａおよび図２２ＡはＳＥＭによる写真であり、１本のナノワイヤを拡大した撮影された図２１Ｂおよび図２２ＢはＴＥＭによる写真である。
【００７２】
図２１Ｂでは、ナノワイヤ本体の表面には微粒子が観察されず、図２２Ｂでは、多数の微粒子がナノワイヤ本体の表面に分布していることがわかる。
【００７３】
図２１Ａおよび図２１Ｂにおけるナノワイヤの成長レートは、約１μｍ／分であったが、図２２Ａおよび図２２Ｂにおけるナノワイヤの成長レートは、約０．２μｍ／分であった。このように、成長工程時における雰囲気ガスの圧力に依存して成長レートは大きく変化し、雰囲気ガス圧力が低いほど、ナノワイヤの成長レートは低下する。
【００７４】
雰囲気ガスは、所定の分圧（例えば１０-3〜１０-6Ｔｏｒｒ）で原料ガスを含有しており、雰囲気ガス圧力の差異は、キャリアガス（典型的にはＨ2）の圧力によって依存している。キャリアガスの圧力が増加することにより雰囲気ガス圧力が増加すると、原料ガス分子の平均自由工程が短くなり、単位時間内に原料ガス分子が共晶状態の触媒金属に衝突する頻度が高くなる。このため、原料ガスの分圧が一定であれば、雰囲気ガス圧力（キャリアガス圧力）が高いほど、ナノワイヤの成長レートが高くなる。
【００７５】
雰囲気ガス圧力が低い場合において、ナノワイヤ本体の表面に微粒子が形成される理由は、ナノワイヤ成長工程中の共晶状態にある触媒金属に供給されるＳｉの量が低下するためと考えられる。このため触媒金属ではＳｉ濃度が低下し、金が過剰になる。過剰な金は触媒金属を離れてナノワイヤ本体の表面をマイグレートしてゆくと考えられる。
【００７６】
このようにナノワイヤ成長工程時における雰囲気ガス圧力を調整することにより、微粒子の形成を制御できる。例えば雰囲気ガス圧力を０．１Ｔｏｒｒ以下にすると、微粒子の生成を促進させることができるが、０．１Ｔｏｒｒを超えて高くしてゆくと、微粒子の形成を抑制し、微粒子を形成しないようにすることもできる。また、ナノワイヤの成長工程の途中で雰囲気ガス圧力を変化させると、１本のナノワイヤの特定部分に選択的に微粒子を形成することも可能になる。すなわち、微粒子が表面に形成された部分と、微粒子が表面に形成されていない部分とが接続されたヘテロ構造のナノワイヤを得ることができる。
【００７７】
図２１Ｂに示すように成長直後において微粒子が形成されなかったナノワイヤに対し、その後に熱処理を行った結果を図２３Ａ〜図２４Ｂに示す。図２３Ａおよび図２３Ｂは、高真空（ＵＨＶ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理（Ａｎｎｅａｌ）を行ったサンプルのＴＥＭ写真（暗視野像）である。一方、図２４Ａおよび図２４Ｂは、低真空（０．３Ｔｏｒｒ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（暗視野像）である。
【００７８】
図２３Ｂおよび図２４Ｂに示されるように、熱処理時の雰囲気ガスの圧力差により、微粒子のマイグレーション距離が異なっている。すなわち、熱処理時の雰囲気ガス圧力が高いほど、微粒子のマイグレーション距離は長くなり、ナノワイヤ本体の表面における広い範囲にわたって微粒子が分布することができる。
【００７９】
なお、上記の熱処理は、成長後のナノワイヤ本体を大気に暴露することなく、成長装置内で成長工程と連続して行っている。成長後のナノワイヤ本体を大気に暴露すると、その表面に自然酸化膜が形成されるため、熱処理によって微粒子をマイグレートさせることは困難になる。図２５Ａおよび図２５Ｂは、大気暴露後に大気圧（窒素雰囲気）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（暗視野像）である。図２５Ａおよび図２５Ｂからわかるように、大気暴露後に熱処理を行っても、微粒子の分布は広がらず、図２５Ａに示す触媒金属の近傍に僅かに存在するだけである。
【００８０】
このため、ナノワイヤ成長時ではなく成長後に微粒子を形成する場合は、ナノワイヤ本体の表面が酸化されないように留意することが好ましい。
【００８１】
ナノワイヤ成長後に事後的に微粒子を形成するための熱処理は、ナノワイヤ本体を構成する半導体と触媒金属とが共晶となる温度以上の温度で実行する必要がある。金ドットコートナノワイヤの場合、３６０〜７５０℃の温度で熱処理を行うことが好ましい。熱処理温度の上限を７５０℃に設定する理由は、理温度が７５０℃を超えて高くなると、金の蒸発が始まるからである。
【００８２】
本実施形態では、金からなる金属粒子１１２がシリコンからなるＳｉナノワイヤ本体１１１の表面に形成されているが、金以外の金属粒子１１２をＳｉナノワイヤ本体１１１の表面に形成してもよい。Ｓｉナノワイヤ本体１１１の表面に形成したい金属粒子１１２の材料と同一の材料からなる触媒金属を用いることにより、所望の金属粒子１１２を形成することが可能になる。
【００８３】
原料ガスを変更することにより、ナノワイヤ本体を構成する材料を変えることができる。例えばゲルマニウムのナノワイヤを成長する場合は、原料ガスとして、ゲルマンガスを用いるとよい。
【００８４】
このように、ナノワイヤ本体の表面に付着した粒子は、特別な製造工程を追加することなく、従来のナノワイヤ形成中に形成することが可能であり、また、ナノワイヤの成長条件を変化させることにより、粒子密度を制御することができる。公知のナノワイヤ成長装置を用いて、微細な金属粒子をナノワイヤ本体の表面に形成でき、しかも、密度制御も可能であるため、トランジスタやメモリのような電子デバイスへの応用が期待される。
【００８５】
（実施形態２）
次に、図８から図１０を参照しながら、本発明によるナノワイヤの第２の実施形態を説明する。本実施形態のナノワイヤは、ヘテロ金属粒子コートナノワイヤである。
【００８６】
図８（ａ）は、ヘテロ金属粒子コートナノワイヤ構造を示す斜視図、図８（ｂ）は、両端部に金属粒子の存在するヘテロ金属粒子コートナノワイヤ構造を示す斜視図、図８（ｃ）は、両端部に金属粒子の存在しないヘテロ金属粒子コートナノワイヤ構造を示す斜視図である。図９（ａ）はヘテロ金粒子コートＳｉナノワイヤＴＥＭ像、図９（ｂ）は図９（ａ）のＸ部拡大ＴＥＭ像、図９（ｃ）は図９（ａ）のＹ部拡大ＴＥＭ像である。図１０（ａ）は図９のＰＯＩＮＴ１領域、図１０（ｂ）は図９のＰＯＩＮＴ２領域、図１０（ｃ）は図９のＰＯＩＮＴ３領域の元素分析結果を示す図である。
【００８７】
本実施形態のヘテロ金属粒子コートナノワイヤは、図８（ａ）に示すように、ナノワイヤ本体１０４の表面に金属粒子１１２が存在する領域１２０と、金属粒子１１２が存在しない領域１２１とに分かれている。金属粒子の存在しない領域１２１は従来のナノワイヤと同様の構造を有している。
【００８８】
図８（ｂ）に示すヘテロ金属粒子コートナノワイヤは、ナノワイヤ本体１０４の両端部に金属粒子１１２の存在する領域１２０を有している点で、図８（ａ）のナノワイヤと異なっているが、他の点では同一である。
【００８９】
図８（ｃ）に示すヘテロ金属粒子コートナノワイヤは、ナノワイヤ本体１０４の両端部に金属粒子１１２の存在しない領域１２１を有している点で、図８（ａ）のナノワイヤと異なっている。
【００９０】
図９(ａ)から(ｃ)は、シリコンのナノワイヤ本体の表面に金粒子が形成されたヘテロ金コートＳｉナノワイヤのＴＥＭ像を示す。図９から、ヘテロ金コートＳｉナノワイヤは、金触媒１２２付近のＹ部に金ドットの存在する領域１２３を有し、Ｘ部が従来のナノワイヤ構造を有していることがわかる。
【００９１】
図１０（ａ）から（ｃ）の元素分析結果から、ＰＯＩＮＴ１領域（金触媒１２２）は金、ＰＯＩＮＴ２領域（金属粒子１１２）は金及びシリコン、ＰＯＩＮＴ３領域（Ｓｉナノワイヤ本体１１１）はシリコン元素から構成されていることがわかる。金粒子の大きさは、２ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
【００９２】
このように、一本のナノワイヤ本体に２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な金属粒子が自己組織的に形成される領域と、金属粒子が形成されない領域とを配列することができる。このようなナノワイヤも、トランジスタ、メモリ、センサー等の電子デバイスへ広い応用が期待される。
【００９３】
次に、本実施形態のナノワイヤの製造方法を説明する。
【００９４】
本実施形態のナノワイヤを製造する方法は、実施形態１について説明した金ドットコートＳｉナノワイヤの製造工程を利用する。以下に、本実施形態の製造方法を説明する。
【００９５】
まず、シリコン基板上に金粒子を形成する。形成方法としては、実施形態１と同様の方法を用いることができる。次に、この成長用基板をＣＶＤ装置のチャンバ内に挿入する。シリコン元素を含む原料ガスとしてＳｉ2Ｈ6ガスをチャンバに導入し、１０-4Ｔｏｒｒ程度の圧力に保ち、基板を４５０℃で加熱することにより、金ドットコートＳｉナノワイヤを成長することができる。成長時間を調整することにより所望の長さまで成長する。例えば、上記の条件を用いると、成長速度は５０ｎｍ／ｍｉｎ〜３００ｎｍ／ｍｉｎの成長速度を実現することが可能となる。
【００９６】
次に、金ドットコートＳｉナノワイヤを所望の長さまで成長した後、連続的に従来のＳｉナノワイヤを成長させる。ヘテロ成長させる方法としては、原料ガスであるＳｉ2Ｈ6の流量を増加させたり、Ｈ2ガスなどをチャンバ内に導入させたりすることによりチャンバ内圧力を１０-2Ｔｏｒｒ程度に保つことにより従来のＳｉナノワイヤを成長することができる。
【００９７】
本実施形態では、成長法基板から金ドットコートＳｉナノワイヤを形成した後、引き続き、従来のＳｉナノワイヤを成長しているが、チャンバ内の圧力を制御することにより、この順序を変更することや、１本のナノワイヤ中に複数の金ドットコート領域を形成することも可能である。
【００９８】
本実施形態では、ナノワイヤ材料としてシリコン、金属粒子材料として金を用いているが、ナノワイヤの原料ガス及び触媒金属を変更することにより、ナノワイヤや金属粒子の材料を変えることができる。
【００９９】
このように、本実施形態によれば、２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な金属粒子が自己組織的にナノワイヤ本体の表面に形成された金属粒子コートナノワイヤと従来のナノワイヤとを一本のナノワイヤ中に、新たにプロセスを追加することなく成長することが可能となる。従って、従来のナノワイヤ成長プロセスを用いて、自己形成によりナノワイヤの任意の位置に微細な金属粒子を形成できることから、電子デバイスへの応用が期待される。
【０１００】
（実施形態３）
次に、図１１から図１３を参照しながら、本発明による電界効果トランジスタの実施形態を説明する。このトランジスタは、電極と接触するコンタクト領域に不純物がドープされ、かつ金属粒子が形成されているナノワイヤ（以下、「コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ」と称する。）を備えている。
【０１０１】
図１１（ａ）は、本実施形態におけるコンタクトドープヘテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を示す斜視図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図１２は、このコンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を用いたトランジスタ（以下、「ナノワイヤトランジスタ」と称する。）の斜視図である。図１３（ａ）は、図１２のナノワイヤトランジスタの上面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【０１０２】
図１１に示すコンタクトドープヘテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０は、図８（ｂ）のヘテロ金属粒子コートナノワイヤと同様に、両端部が金属粒子でコートされている。図８（ｂ）のヘテロ金属粒子コートナノワイヤと異なる点は、両端部（金属粒子コート領域１３１）に不純物がドープされ、コンタクト領域として機能しえる点にある。例えば、ナノワイヤがシリコンにから形成されている場合、金属粒子コート領域１３１は、ボロンなどのＩＩＩ族元素や、リン、砒素などのようなＶ族元素が１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ-3〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ-3程度ドープされている。また、金属粒子コート領域１３１の金属粒子１３４は、ナノワイヤ材料と金属との合金から形成されていることが好ましい。例えばナノワイヤがシリコンから形成されている場合、金属粒子１３４は、ニッケルシリサイドやチタンシリサイドなどの合金から形成されていることが好ましい。
【０１０３】
図１２及び図１３は、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０をチャネルに用いたトランジスタ１４０を示している。以下、このナノワイヤトランジスタ１４０の構造を説明する。
【０１０４】
ナノワイヤトランジスタ１４０は、上述のコンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０にそれぞれ接触するソース電極１４４及びドレイン電極１４５と、これらを支持する基板１４１とを備えている。ソース電極１４４及びドレイン電極１４５とコンタクトドープへテロ金属粒子ナノワイヤ１３０との間において良好な電気的なコンタクトを形成するために、不純物がドープされた金属粒子領域１３１を介して電気的なコンタクトが形成されている。
【０１０５】
基板１４１の主面上には、ゲート電極１４２と、このゲート電極１４２とコンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０との間を電気的に絶縁するゲート絶縁膜１４３とが形成されている。このように、本実施形態のトランジスタは、ゲート絶縁膜１４３上にコンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０が配置されたボトムゲート型のトランジスタ構造を有している。
【０１０６】
ゲート電極１４２に電圧を印加すると、ゲート絶縁膜１４３を介して、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０のチャネル領域の導電性が制御される。
【０１０７】
基板１４１としては、ポリイミドや芳香族エステルのようなプラスティック基板、ガラス基板、サファイア基板などを用いるとよい。また、ゲート電極１４２、ソース電極１４４及びドレイン電極１４５の材料としては、チタン、金、アルミニウム、ニッケルのような金属、導電性ポリマー、ポリシリコン、チタンシリサイドのような半導体材料と金属との合金を用いるとよい。
【０１０８】
なお、本実施形態のトランジスタは、ボトムゲート型であるが、本発明のトランジスタは、トップゲート構造を有していても良い。
【０１０９】
本実施形態では、ソース・ドレイン電極とのコンタクト部に不純物がドープされているが、不純物がドープされていなくても、従来のナノワイヤを用いた場合に比べ、コンタクト抵抗が低減される。
【０１１０】
本実施形態のナノワイヤトランジスタでは、ナノワイヤとソース・ドレイン電極とのコンタクト部に金属又は金属とナノワイヤ材料との合金粒子が複数形成されているために、耐熱性の低い基板上でコンタクト抵抗を低減することができる。従って、一本のナノワイヤ中に２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な金属粒子が自己組織的に形成される領域と形成されない領域を設けることにより、デバイスに悪影響を与えることなく、電極と半導体層間でのコンタクト特性の改善された高電流駆動力を示すトランジスタを実現することができる。
【０１１１】
次に、本実施形態のナノワイヤ及びナノワイヤトランジスタの製造方法を説明する。
【０１１２】
図１４（ａ）から図１４（ｃ）は、本実施形態におけるナノワイヤトランジスタの製造方法の一例を示す図である。
【０１１３】
本実施形態におけるナノワイヤの製造方法は、基本的な部分は、実施形態２における製造方法と同様である。ただし、本実施形態では、ナノワイヤ材料と金属との合金から金属粒子を形成している。合金粒子を形成するには、金属粒子コートナノワイヤを成長時にチャンバ内の圧力と触媒金属種の最適化するか、あるいは、金属粒子コートナノワイヤを成長した後、任意の雰囲気中で熱処理を行えばよい。
【０１１４】
ナノワイヤトランジスタは、金属粒子コートナノワイヤを用いる点を除けば、公知の方法により製造することが可能である。以下、本実施形態におけるナノワイヤトランジスタの製造方法を説明する。
【０１１５】
まず、図１４（ａ）に示すように、基板１４１の主面上にゲート電極１４２及びゲート絶縁膜１４３を形成する。ゲート電極１４２は、例えば、スパッタ法や蒸着法などによる公知の成膜形成装置を用いてゲート金属を堆積させた後、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、ゲート金属をパターニングして形成することができる。ゲート絶縁膜１４３は、例えばゲート絶縁膜材料前駆体を基板１４１の上にスピンコートした後、溶媒の除去及び熱処理をすることにより形成可能である。他に、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法を用いてゲート絶縁膜１４３を堆積してもよい。
【０１１６】
次に、図１４（ｂ）に示すように、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を上述したゲート絶縁膜１４３上に配置する。具体的には、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を、その成長用基板（図１４において不図示）から剥離させ、溶液に分散させる。ナノワイヤを成長用基板から剥離する方法は、例えば、成長用基板に超音波を照射して機械的に剥離する方法や、成長用基板の表面を薄くエッチングする方法を用いるとよい。
【０１１７】
分散液に用いる溶媒には、水溶液、有機溶媒、または、水と有機溶媒を混合したものがある。有機溶媒としては、例えば、エタノール、プロパノール、ペンタノール、ヘキサノール、エチレングリコールなどのアルコール、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのエステル、メチルエチルケトンなどのケトン類、ヘキサン、オクタンなどのアルカン、テトラヒドロフラン、クロロホルムのような溶媒を用いるとよい。水と有機溶媒の混合液体としては、水とアルコールの混合液、水とテトラヒドロフランの混合液などが使用可能である。
【０１１８】
次に、表面に所望形状を有する溝を有するモールドをゲート絶縁膜１４３の上面に密着させ、この溝に、上述した分散液をフローさせる（フロー法）。このようなフロー法を用いると、ナノワイヤの位置や形状は、モールドの溝によって制御することが可能であり、ナノワイヤ方向は液体の流れによってモールドの方法に配向することが可能となる。なお、フロー法以外の公知の方法、例えば転写法を用いても、コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ１３０を基板１４１上の所望の位置に配置することが可能である。
【０１１９】
次に、図１４（ｃ）に示すように、ソース電極１４４・ドレイン電極１４５を形成する。具体的には、金属膜を堆積した後、フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、金属膜をパターニングしてもよい、リフトオフ法を用いてもよい。
【０１２０】
このように本実施形態によれば、２ｎｍから１０ｎｍ程度の微細な金属粒子が自己組織的にナノワイヤ表面に形成された金属粒子コートナノワイヤを用いることにより、コンタクト抵抗を低減できる。また、電極材料と半導体層材料とを熱処理し、合金化するプロセスが不要となるため、耐熱性の低い基板上に、高性能化且つバラツキを低減したトランジスタを実現することができる。
【０１２１】
上記のようにナノワイヤ本体の微粒子と接触する電極を備えることにより、コンタクト特性に優れた各種の電子装置を製造することができる。このような電子装置は、トランジスタに限定されず、センサー、発光素子、または受光素子であってもよい。
【０１２２】
（実施形態４）
以下、図１５を参照しながら、本発明によるナノワイヤを用いたセンサー（以下、「ナノワイヤセンサー」と称する。）の実施形態を説明する。
【０１２３】
図１５（ａ）は、金属粒子コートナノワイヤ表面が機能性分子により化学修飾されたナノワイヤ（以下、「化学修飾されたナノワイヤ」と称する。）１５０の表面構造の模式図であり、図１５（ｂ）は、このナノワイヤ１５０を用いたセンサーの構造を示す断面図である。図１５（ａ）の化学修飾されたナノワイヤ１５０は、半導体ナノワイヤ本体１５３と、その表面に形成された複数の金属粒子１５２と、化学修飾に用いられた機能性分子１５１とを備えている。本実施形態における金属粒子１５２は、金から形成されているが、その他の金属（例えば銀、銅、イリジウムなどの貴金属）から形成されていても、同様の効果を期待できる。
【０１２４】
図１５（ａ）に示すナノワイヤ１５０の特徴点は、半導体ナノワイヤ本体１５３の表面に位置する金属粒子１５２が機能性分子１５１によって化学修飾されている点にある。金属粒子１５２に化学修飾する機能性分子１５１としては、例えば、ＮＨ2（ＣＨ2）nＳＨ、ＣＯＯＨ（ＣＨ）nＳＨ、ＣＦ3（ＣＦ2）n（Ｃ2Ｈ4）mＳＨ（但し、ｎ、ｍは自然数）が挙げられる。
【０１２５】
図１５（ｂ）に示すナノワイヤセンサーは、化学修飾されたナノワイヤ１５０をセンシング部として用いるセンサーである。ナノワイヤセンサーの構造としては、実施形態３のナノワイヤトランジスタと同様の構造を備えている。本実施形態のナノワイヤセンサーはゲート電極１４２を具備しているが、ゲート電極１４２は具備しなくてもよい。
【０１２６】
本実施形態のナノワイヤセンサーは、ｐＨセンサーとして機能する。化学修飾されたナノワイヤ１５０は、機能性分子としてＮＨ2（Ｃ6Ｈ6）ＳＨを化学修飾したものである場合、溶液中のｐＨが低くなると、ナノワイヤ１５０の表面の機能性分子１５１内のアミノ基が−ＮＨ3+に変化する。その結果、ソース電極１４４とドレイン電極１４５との間におけるコンダクタンスが変化するため、半導体ナノワイヤ本体１５３を流れるドレイン電流に応じて溶液のｐＨをセンシングすることができる。
【０１２７】
このナノワイヤセンサーは、実施形態３のナノワイヤトランジスタの製造方法と同様の方法で製造され得る。
【０１２８】
なお、本実施形態のセンサーは、ｐＨセンサーとして機能しているが、機能性分子１５１を適宜選択することにより、他のセンサーとしても動作することが可能である。また、化学修飾されたナノワイヤは、センサー以外の電子素子にも利用可能である。例えば、機能性分子１５１を介して電荷を出し入れさせれば、メモリとして動作させることも可能である。
【０１２９】
本実施形態のナノワイヤセンサーでは、自己組織的に形成された金属粒子に機能性分子を化学修飾し、この機能性分子に検体物を吸着又は反応させることによりセンシングすることができる。本発明のナノワイヤを用いると、ナノワイヤの成長条件によって金属粒子の密度を制御できるため、高感度センサーを実現することができる。
【０１３０】
（実施形態５）
以下、図１６を参照しながら、本発明の金属粒子に化学修飾したナノワイヤを用い、任意の基板または電極上の任意の位置にナノワイヤを配置した構造体の実施形態を説明する。
【０１３１】
図１６（ａ）は、化学修飾されたナノワイヤ１６０と基板１６１を示す模式図であり、図１６（ｂ）は、ナノワイヤ１６０を基板１６１に設けられた電極１６４の任意の位置に配置した構造体を示す図である。本実施形態のナノワイヤ１６０の表面には金微粒子１６２が形成されている。
【０１３２】
図１６（ａ）の化学修飾されたナノワイヤ１６０は、実施形態４の化学修飾されたナノワイヤ１５０と同様の構成を有している。本実施形態に特徴的な点は、化学修飾されたナノワイヤ１６０が、基板１６１上の官能基と化学的に結合している点にある。
【０１３３】
ナノワイヤ１６０と化学的に結合する機能性分子内の官能基Ｘは、例えば、以下のような組合せから選択することができる。
【０１３４】
基板１６１の表面が−ＯＨの場合、Ｘは（ＣＨ3Ｏ）3Ｓｉ−、（Ｃ2Ｈ5）3Ｓｉ−、Ｃｌ3Ｓｉ−、ＮＣＯ−などであり、基板１６１の表面が−ＮＨ2、−ＮＨ−の場合、ＸはＨＯＯＣ−、ＮＣＯ−などである。
【０１３５】
実施形態２におけるヘテロ金属粒子コートナノワイヤを用いると、半導体ナノワイヤの特定部分に選択的に金属粒子を形成しているため、ナノワイヤ中の任意の位置に化学結合部位を形成することができる。
【０１３６】
図１６（ｂ）の例では、化学修飾したナノワイヤ１６０が基板１６１の表面との間で化学結合を形成するのではなく、電極１６４との間で化学結合を形成している。この場合のナノワイヤ１６０としては、図８（ｂ）に示すように、両端部に金属粒子がコートされたナノワイヤを用いることが好ましい。
【０１３７】
ナノワイヤ１６０の配置位置を規定するため、電極１６４の任意の位置に、例えばＨＯＯＣ−（ＣＨ2）n−ＳＨのような機能性分子を用いて化学修飾を施しておけばよい。ナノワイヤ１６０がＮＨ2−（ＣＨ2）n−ＳＨのような機能性分子１６３で化学修飾されていれば、機能性分子間でアミド結合を形成するようにナノワイヤ１６０の位置が定まる。従って、電極１６４の任意の位置へナノワイヤ１６０を配置することができる。
【０１３８】
従来の化学修飾を用いてナノワイヤを配置させる方法では、ナノワイヤの成長に必要な触媒金属部を基板と結合させていたため、ナノワイヤの位置や方向を正確に制御することが困難であった。しかしながら、本実施形態では、ナノワイヤの軸方向の広い範囲に化学修飾を施すことができるため、基板や電極などの対象物に対する密着性が向上する。また、対象物の任意の部分を選択的に化学修飾することにより、化学修飾されたナノワイヤ１６０の位置や向きを対象物に対して自己整合的に規定することができる。
【０１３９】
（実施形態６）
以下、図１７を参照しながら、本発明の本発明の金属粒子を絶縁膜中に埋め込んだメモリ（以下、「ナノワイヤメモリ」と称する。）の実施形態を説明する。
【０１４０】
図１７（ａ）は、絶縁膜中に金属粒子を埋め込んだナノワイヤ１７０の断面構造を示し、図１７（ｂ）は、ナノワイヤ１７０を用いて形成したナノワイヤメモリの断面構成例を示している。
【０１４１】
図１７（ａ）に示すナノワイヤ１７０は、絶縁膜１７３に被覆されたナノワイヤ１７１を有しており、絶縁膜１７８中に金属粒子１７２が埋め込まれている。絶縁膜１７３は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ハフニウム酸化物などから好適に形成される。
【０１４２】
ナノワイヤ１７０は、例えば、前述した金属粒子コートナノワイヤの周囲にスパッタ法やレーザーアブレーション法により絶縁膜１７３を形成した後、熱処理を行い、金属粒子１７２を絶縁膜１７３中に拡散させることにより製造することができる。
【０１４３】
金ドットコートＳｉナノワイヤを用いる場合は、酸素雰囲気中でナノワイヤを酸化させることにより、シリコン酸化膜中に金粒子を埋め込んだナノワイヤを形成することができる。
【０１４４】
図１７（ｂ）に示すナノワイヤメモリは、絶縁膜１７３中に金属粒子１７２を埋め込んだナノワイヤ１７０を含んでいるが、基本的には、実施形態３のナノワイヤトランジスタの構造と同様の構造を有している。メモリ動作は、ゲート電極１４２にバイアス電圧を印加することにより、ナノワイヤ１７１から金属粒子１７２に電荷を注入する。一方、ゲート電極１４２に逆バイアス電圧を印加することにより、金属粒子１７２からナノワイヤ１７１に電荷を注入することができる。
【０１４５】
図１７（ｂ）のナノワイヤメモリも、実施形態３のナノワイヤトランジスタの製造方法と同様にして製造することができる。
【０１４６】
本実施形態のナノワイヤメモリでは、本発明の自己組織的に形成された金属粒子１７２を絶縁膜１７３中に埋め込んだナノワイヤをメモリに応用することにより、高精度のメモリを形成することができる。また、本発明のナノワイヤを用いると、金属粒子１７２の密度を成長条件によって制御できるため、粒子密度のバラツキを低減でき、精度を向上したメモリを実現することができる。
【０１４７】
（実施形態７）
次に、図１８及び図１９を参照して、本発明による電子装置の実施形態を説明する。本実施形態の電子装置は、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）を備えるディスプレイである。
【０１４８】
図１８は、ディスプレイの構成を模式的に示す。図１８のディスプレイでは、基板１８０上に、複数の画素１８５がマトリクス状に配置されている。各画素１８５には、有機ＥＬ素子が配置されており、その有機ＥＬ素子は、その近傍に配置されたＴＦＴを含む回路で制御される。基板１８０上には、ＴＦＴを制御するためのＸ走査電極１８３、Ｙ走査電極１８４、Ｘドライバ１８１、及びＹドライバ１８２が形成されている。
【０１４９】
図１９は、画素近傍の回路図を示す。画素１８５はスイッチ用トランジスタ１９０とドライバ用トランジスタ１９１とによって制御される。これらのトランジスタ１９０、１９１は、本発明によるナノワイヤを備えるトランジスタである。
【０１５０】
Ｙドライバ１８２からＹ走査電極１８４を介してスイッチ用トランジスタ１９０のソース電極に電圧が印加される。スイッチ用トランジスタ１９０のドレイン電極とドライバ用トランジスタ１９１のゲート電極とは電気的に接続されている。ドライバ用トランジスタ１９１のドレイン電極は、画素の下部に配置された画素電極（図示せず）に電気的に接続されている。また、ドライバ用トランジスタ１９１のソース電極には、画素を発光させるための電圧が印加される。
【０１５１】
一方、スイッチ用トランジスタ１９０のゲート電極には、Ｘドライバ１８１からＸ走査電極１８３を介して画像信号電圧が印加される。画像信号の電圧が印加されたスイッチ用トランジスタから、ドライバ用トランジスタ１９１のゲート電極に電圧が加えられる。これによって、ドライバ用トランジスタから画素電極に電圧が加えられる。図示はしていないが、画素上には透明電極が配置されている。画素電極と透明電極との間に電圧が加わることによって、画素部分が発光する。
【０１５２】
本発明による電子装置は、上記のディスプレイに限定されず、液晶表示装置や他の電子装置であってもよい。本発明によるナノワイヤは、各種の電子装置に使用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明によるナノワイヤは、簡便な製造プロセスにより製造することができ、トランジスタやメモリなどの電子デバイスやマイクロデバイス等へ応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】（ａ）は、本発明のナノワイヤを示す側面図であり、（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面図である。
【図２】（ａ）から（ｃ）は、本発明のナノワイヤの製造方法を示す工程図である。
【図３】実施形態１のナノワイヤＴＥＭ像を示す写真である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１のナノワイヤ元素分析結果を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、実施形態１のナノワイヤ断面ＴＥＭ像を示す写真であり、（ｂ）は、その一部を拡大した写真である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１のナノワイヤ元素分析結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、実施形態１のナノワイヤの製造方法を示す工程図である。
【図８】（ａ）から（ｃ）は、実施形態２のナノワイヤの構造模式図である。
【図９】（ａ）から（ｃ）は、実施形態２のナノワイヤＴＥＭ像を示す写真である。
【図１０】（ａ）から（ｃ）は、実施形態２のナノワイヤ元素分析結果を示す図である。
【図１１】（ａ）は、実施形態３のナノワイヤ構造模式図であり、（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線断面図である。
【図１２】実施形態３のナノワイヤトランジスタ構造斜視図である。
【図１３】（ａ）は、実施形態３のナノワイヤトランジスタの上面図であり、（ｂ）は、そのＣ−Ｃ線断面図である。
【図１４】（ａ）から（ｃ）は、実施形態３のナノワイヤトランジスタの製造方法を示す図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態４のナノワイヤセンサー構造図である。
【図１６】（ａ）は、化学修飾されたナノワイヤを示す図であり、（ｂ）は、基板の任意の位置に配置された実施形態５のナノワイヤを示す図である。
【図１７】（ａ）は、実施形態６のナノワイヤの断面図であり、（ｂ）は、当該ナノワイヤを備えるメモリ素子の断面図である。
【図１８】実施形態７の有機ＥＬディスプレイ模式図である。
【図１９】実施形態７の画素駆動用トランジスタの回路図である。
【図２０】（ａ）から（ｃ）は、従来のナノワイヤ構造模式図である。
【図２１Ａ】雰囲気ガス圧力０．２Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示すＳＥＭ写真である。
【図２１Ｂ】雰囲気ガス圧力０．２Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示す断面ＴＥＭ写真である。
【図２２Ａ】雰囲気ガス圧力０．０１Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示すＳＥＭ写真である。
【図２２Ｂ】雰囲気ガス圧力０．０１Ｔｏｒｒで成長させたシリコンナノワイヤを示す断面ＴＥＭ写真である。
【図２３Ａ】高真空（ＵＨＶ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理（Ａｎｎｅａｌ）を行ったサンプルのＴＥＭ写真（高倍率）である。
【図２３Ｂ】高真空（ＵＨＶ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理（Ａｎｎｅａｌ）を行ったサンプルのＴＥＭ写真（低倍率）である。
【図２４Ａ】低真空（０．３Ｔｏｒｒ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（高倍率）である。
【図２４Ｂ】低真空（０．３Ｔｏｒｒ）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（低倍率）である。
【図２５Ａ】大気暴露後に大気圧（窒素雰囲気）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（高倍率）である。
【図２５Ｂ】大気暴露後に大気圧（窒素雰囲気）のもとで４５０℃、１０分の熱処理を行ったサンプルのＴＥＭ写真（低倍率）である。
【符号の説明】
【０１５５】
１０１ 微粒子コートナノワイヤ
１０２ 触媒金属
１０３ 微粒子
１０２ａ 触媒金属と半導体材料の合金
１０４ ナノワイヤ本体
１０５ 基板
１０６ 原料ガス
１１０ 金ドットコートＳｉナノワイヤ
１１１ Ｓｉナノワイヤ本体
１１２ 金属粒子
１１３ シリコン酸化膜（自然酸化膜）
１１４ 触媒金属粒子
１１５ シリコン基板
１１６ ジシランガス
１２０ 金属粒子の存在する領域
１２１ 金属粒子の存在しない領域
１２２ 金触媒
１２３ 金ドットの存在する領域
１２４ 金ドットの存在しない領域
１３０ コンタクトドープへテロ金属粒子コートナノワイヤ
１３１ 不純物がドープされた金属粒子コート領域
１３２ 半導体ナノワイヤ
１３３ 不純物がドープされた領域
１３４ 半導体と金属の合金粒子
１４０ ナノワイヤトランジスタ
１４１ 基板
１４２ ゲート電極
１４３ ゲート絶縁膜
１４４ ソース電極
１４５ ドレイン電極
１５０ 化学修飾されたナノワイヤ
１５１ 機能性分子
１５２ 金属粒子
１５３ 半導体ナノワイヤ本体
１６０ 化学修飾されたナノワイヤ
１６１ 基板
１６２ 金属粒子
１６３ 機能性分子
１６４ 電極
１６５ 化学結合
１７０ 絶縁膜中に金属粒子の埋め込まれたナノワイヤ
１７１ ナノワイヤ
１７２ 金属粒子
１７３ 絶縁膜
１８０ フレキシブル基板
１８１ Ｘドライバ
１８２ Ｙドライバ
１８３ Ｘ走査電極
１８４ Ｙ走査電極
１８５ 画素
１９０ スイッチ用トランジスタ
１９１ ドライバ用トランジスタ
２００ 半導体ナノワイヤ
２０１ コア・シェルナノワイヤ
２０２ コア部
２０３ シェル部
２０４ ヘテロナノワイヤ
２０５ 第１の半導体ナノワイヤ
２０６ 第２の半導体ナノワイヤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料から形成された結晶性半導体のナノワイヤ本体と、
前記半導体を構成する元素を一部に含む第２の材料から形成され、前記ナノワイヤ本体の表面の少なくとも一部に位置する複数の微粒子と、
を備え、
前記ナノワイヤ本体の表面が平滑である、ナノワイヤ。
【請求項２】
前記ナノワイヤ本体の前記平滑な表面のうち、少なくとも前記複数の微粒子と接触している部分には、酸化膜が実質的に形成されていない請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項３】
前記ナノワイヤの平均直径は１ｎｍ以上１μｍ以下である請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項４】
前記複数の微粒子は、前記ナノワイヤ本体の表面の全体に分散している請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項５】
前記ナノワイヤ本体の表面は、前記複数の微粒子が分散している第１領域と、前記複数の微粒子が形成されていない第２領域とに分かれている請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項６】
前記複数の微粒子は、少なくとも一種類の金属元素を含有する請求項１から５のいずれかに記載のナノワイヤ。
【請求項７】
前記複数の微粒子は、金属、または金属と前記第１の材料との合金から形成されている請求項６に記載のナノワイヤ。
【請求項８】
前記第２の材料は、金、銀、銅、及びイリジウムからなる群から選択された少なくとも１種の金属を含有している請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項９】
前記複数の微粒子の平均粒径が２０ｎｍ未満である請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項１０】
前記ナノワイヤ本体は単結晶である請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項１１】
前記第１の材料は、シリコン、ゲルマニウム、及び炭素からなる群から選択された少なくとも１種の材料から形成されている請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のナノワイヤを備える電界効果トランジスタであって、
前記ナノワイヤに形成されたチャネル領域と、
前記ナノワイヤに接続され、ソース領域及びドレイン領域として機能する電極と、
前記チャネル領域の少なくとも一部における導電性を制御するゲート電極と、
前記ゲート電極を前記チャネル領域から電気的に絶縁するゲート絶縁膜と、
を備える電界効果型トランジスタ。
【請求項１３】
前記ナノワイヤの表面のうち、前記電極と接触する領域に前記複数の微粒子の少なくとも一部の微粒子が存在している請求項１２に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項１４】
前記ナノワイヤのうち、前記電極と接触する部分に不純物がドープされている請求項１３に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項１５】
前記微粒子に機能性分子が化学修飾されている請求項１から１１のいずれかに記載のナノワイヤ。
【請求項１６】
前記機能性分子は、前記微粒子との結合部位に−ＳＨ基を含んでいる請求項１５に記載のナノワイヤ。
【請求項１７】
前記機能性分子は、Ｘ−（ＣnＨm）−ＳＨ（ｎ、ｍは自然数）且つＸ：−ＮＨ2、−ＣＯＯＨ、−ＣxＨy、−ＣaＦb（ｘ、ｙ、ａ、ｂは自然数）である請求項１６に記載のナノワイヤ。
【請求項１８】
センシング部として機能する請求項１から９のいずれかに記載のナノワイヤと、
前記ナノワイヤに接続された第１の電極及び第２の電極と、
を備えるセンサー。
【請求項１９】
請求項１５から１７のいずれかに記載のナノワイヤと、
前記機能性分子を介して前記ナノワイヤと化学的に結合した部材と、
を備える電子装置。
【請求項２０】
請求項１から９のいずれかに記載のナノワイヤを備える電子装置。
【請求項２１】
前記ナノワイヤにおける前記複数の微粒子と接触する電極を備える請求項２０に記載の電子装置。
【請求項２２】
表面に触媒金属粒子が配置された基板を用意する工程（Ａ）と、
前記基板上に第１の材料から形成されたナノワイヤ本体を成長させる工程（Ｂ）と、
を含む、ナノワイヤの製造方法であって、
前記工程（Ｂ）において、第２の材料から形成された複数の微粒子を前記ナノワイヤ本体の表面の少なくとも一部に成長させる、ナノワイヤの製造方法。
【請求項１】
第１の材料から形成された結晶性半導体のナノワイヤ本体と、
前記半導体を構成する元素を一部に含む第２の材料から形成され、前記ナノワイヤ本体の表面の少なくとも一部に位置する複数の微粒子と、
を備え、
前記ナノワイヤ本体の表面が平滑である、ナノワイヤ。
【請求項２】
前記ナノワイヤ本体の前記平滑な表面のうち、少なくとも前記複数の微粒子と接触している部分には、酸化膜が実質的に形成されていない請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項３】
前記ナノワイヤの平均直径は１ｎｍ以上１μｍ以下である請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項４】
前記複数の微粒子は、前記ナノワイヤ本体の表面の全体に分散している請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項５】
前記ナノワイヤ本体の表面は、前記複数の微粒子が分散している第１領域と、前記複数の微粒子が形成されていない第２領域とに分かれている請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項６】
前記複数の微粒子は、少なくとも一種類の金属元素を含有する請求項１から５のいずれかに記載のナノワイヤ。
【請求項７】
前記複数の微粒子は、金属、または金属と前記第１の材料との合金から形成されている請求項６に記載のナノワイヤ。
【請求項８】
前記第２の材料は、金、銀、銅、及びイリジウムからなる群から選択された少なくとも１種の金属を含有している請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項９】
前記複数の微粒子の平均粒径が２０ｎｍ未満である請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項１０】
前記ナノワイヤ本体は単結晶である請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項１１】
前記第１の材料は、シリコン、ゲルマニウム、及び炭素からなる群から選択された少なくとも１種の材料から形成されている請求項１に記載のナノワイヤ。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のナノワイヤを備える電界効果トランジスタであって、
前記ナノワイヤに形成されたチャネル領域と、
前記ナノワイヤに接続され、ソース領域及びドレイン領域として機能する電極と、
前記チャネル領域の少なくとも一部における導電性を制御するゲート電極と、
前記ゲート電極を前記チャネル領域から電気的に絶縁するゲート絶縁膜と、
を備える電界効果型トランジスタ。
【請求項１３】
前記ナノワイヤの表面のうち、前記電極と接触する領域に前記複数の微粒子の少なくとも一部の微粒子が存在している請求項１２に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項１４】
前記ナノワイヤのうち、前記電極と接触する部分に不純物がドープされている請求項１３に記載の電界効果型トランジスタ。
【請求項１５】
前記微粒子に機能性分子が化学修飾されている請求項１から１１のいずれかに記載のナノワイヤ。
【請求項１６】
前記機能性分子は、前記微粒子との結合部位に−ＳＨ基を含んでいる請求項１５に記載のナノワイヤ。
【請求項１７】
前記機能性分子は、Ｘ−（ＣnＨm）−ＳＨ（ｎ、ｍは自然数）且つＸ：−ＮＨ2、−ＣＯＯＨ、−ＣxＨy、−ＣaＦb（ｘ、ｙ、ａ、ｂは自然数）である請求項１６に記載のナノワイヤ。
【請求項１８】
センシング部として機能する請求項１から９のいずれかに記載のナノワイヤと、
前記ナノワイヤに接続された第１の電極及び第２の電極と、
を備えるセンサー。
【請求項１９】
請求項１５から１７のいずれかに記載のナノワイヤと、
前記機能性分子を介して前記ナノワイヤと化学的に結合した部材と、
を備える電子装置。
【請求項２０】
請求項１から９のいずれかに記載のナノワイヤを備える電子装置。
【請求項２１】
前記ナノワイヤにおける前記複数の微粒子と接触する電極を備える請求項２０に記載の電子装置。
【請求項２２】
表面に触媒金属粒子が配置された基板を用意する工程（Ａ）と、
前記基板上に第１の材料から形成されたナノワイヤ本体を成長させる工程（Ｂ）と、
を含む、ナノワイヤの製造方法であって、
前記工程（Ｂ）において、第２の材料から形成された複数の微粒子を前記ナノワイヤ本体の表面の少なくとも一部に成長させる、ナノワイヤの製造方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図３】
【図５】
【図９】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５Ａ】
【図２５Ｂ】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図３】
【図５】
【図９】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５Ａ】
【図２５Ｂ】
【公開番号】特開２００８−２８３７３（Ｐ２００８−２８３７３Ａ）
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５１８８２（Ｐ２００７−１５１８８２）
【出願日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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