ナノ構造およびナノ構造の作製方法
【課題】途中で折れ曲がったナノワイヤやリング構造を制御性よく作製できるようにする。
【解決手段】金属微粒子１２を半導体基板１１上に形成した後、第１の原料ガスと第２の原料ガスとを交互に切り替えながらＶＬＳ成長を行うことにより、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの途中にノード１４ａ、１４ｂが挿入されたナノ構造を形成し、さらにナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの端部に結合されたノード１４ａ、１４ｂを細線化した後、選択エピタキシャル成長を行うことにより、ノード１４ａ、１４ｂの周囲にリング１５ａ、１５ｂをそれぞれ選択的に形成する。
【解決手段】金属微粒子１２を半導体基板１１上に形成した後、第１の原料ガスと第２の原料ガスとを交互に切り替えながらＶＬＳ成長を行うことにより、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの途中にノード１４ａ、１４ｂが挿入されたナノ構造を形成し、さらにナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの端部に結合されたノード１４ａ、１４ｂを細線化した後、選択エピタキシャル成長を行うことにより、ノード１４ａ、１４ｂの周囲にリング１５ａ、１５ｂをそれぞれ選択的に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノ構造およびナノ構造の作製方法に関し、特に、ＶＬＳ（Ｖａｐｅｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｏｌｉｄ）成長にてナノオーダーの結晶構造を作製する方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
受光発光素子で多く用いられる化合物半導体を使用したナノワイヤは、結晶が異なるＳｉ上でも比較的良好に結合でき、光デバイスをＳｉ回路上に容易に集積することが可能となることから、将来の有望な技術として期待されている。
このナノワイヤを作製する方法として、金属微粒子を用いたＶＬＳ（Ｖａｐｅｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｏｌｉｄ）成長を用いる方法がある。
【０００３】
このＶＬＳ成長では、ＳｉまたはＧａＡｓなどの化合物半導体上にＡｕなどの金属微粒子を形成し、Ａｕなどの金属との共晶による融点の低下を利用し、金属微粒子の下に選択的に結晶成長を起こさせることができる。このＶＬＳ成長では、[１１１]Ｂ方向に柱状構造が成長し、成長条件によっては、柱の径が長さ方向で一定なナノワイヤを形成することができる。
【０００４】
また、ナノワイヤにキャッピングを行うことで、発光部表面での非発光結合の割合を小さくすることができ、例えば、特許文献１には、コア−シェル構造にキャッピングを施す方法が開示されている。
また、量子リング構造を受光発光素子に応用することで、磁場による波長制御や偏波制御など様々な光制御が容易になる可能性がある。
【０００５】
この半導体の量子リング構造として、特許文献２には、２次元エピタキシャル成長の途中で自己形成させる方法が開示されている。さらに、特許文献３には、量子リング構造において、エキシトンからの発光が磁場によって振動するＡＢ（Ａｈａｒｏｎｏｖ−Ｂｏｈｍ）振動が開示されている。
【非特許文献１】Ｎ．Ｓｋｏｌｄ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．５（２００５）１９４３．
【非特許文献２】Ｂ．Ｃ．Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １５（２００４）８４８．
【非特許文献３】Ｍ．Ｂａｙｅｒ ｅｔ ａｌ．，ＰＲＬ９０（２００３）１８６８０１．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＶＬＳ成長にてナノワイヤを作製する方法では、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合、[１１１]Ｂ方向のような特定の方向に成長しやすく、ナノワイヤの途中で成長方向を変化させることが難しいという問題があった。
また、従来のナノワイヤにキャッピングを行う方法では、ナノワイヤに部分的にコア−シェル構造を作製し、発光部のみを保護することが難しいという問題があった。
さらに、従来の量子リング構造の作製方法では、サイズを制御しながら自己整合的に半導体のリングを作製することが難しいという問題があった。
そこで、本発明の目的は、途中で折れ曲がったナノワイヤやリング構造を制御性よく作製することが可能なナノ構造およびナノ構造の作製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、請求項１記載のナノ構造の作製方法によれば、金属微粒子を基材上に形成する工程と、第１の原料ガスを供給しながらＶＬＳ成長を行うことにより、前記金属微粒子下にナノワイヤを形成する工程と、前記第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、前記ナノワイヤの端部に結合されたノードを形成する工程と、第３の原料ガスを供給しながらエピタキシャル成長を行うことにより、前記ノードの周囲にリングを選択的に形成する工程とを備えることを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの端部に結合されたノードの部分にのみキャッピングを施したり、リング構造を作製したりすることができ、リング構造のサイズの制御性を向上させることができる。
【０００８】
また、請求項２記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ナノワイヤの途中にノードが挿入されるように、前記ナノワイヤおよびノードの形成を交互に繰り返すことを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの途中にノードを挿入することができ、ノードを介してナノワイヤを折り曲げることが可能となることから、複雑な三次元構造にワイヤを通すことができる。
【０００９】
また、請求項３記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ナノワイヤと前記ノードとの間の格子定数差が前記ノードとリングとの間の格子定数差よりも大きくなるように、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの結晶構造が選択されるか、あるいは前記ノードとリングの結晶構造が同じでかつ前記ナノワイヤの表面の結晶構造と前記ノードの結晶構造とが異なるように、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの結晶構造が選択されることを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの途中に挿入されたノードにのみリングを形成することができ、途中で折れ曲がったナノワイヤやリング構造を制御性よく作製することができる。
【００１０】
また、請求項４記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ノードの周囲にリングを選択的に形成する前に、前記ナノワイヤの端部に結合されたノードを細線化する工程をさらに備えることを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの途中に挿入されたノードの位置で歪を与えながら、ノードの周囲にリングを作製することができ、ノードの位置でナノワイヤを折り曲げることができる。
【００１１】
また、請求項５記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ノードの周囲にリングを選択的に形成してから、前記ノードを選択的にエッチングする工程をさらに備えることを特徴とする。
これにより、リングがはめ込まれているノードを除去することができ、リング構造を単独で取り出すことが可能となることから、磁場による波長制御や偏波制御など様々な光制御を実現することが可能となる。
【００１２】
また、請求項６記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＳｂの中からそれぞれ選択されることを特徴とする。
これにより、途中で折れ曲がったナノワイヤやリング構造を様々の半導体を用いて作製することができ、様々の分野への応用が可能となる。
【００１３】
また、請求項７記載のナノ構造によれば、第１の半導体材料から構成されたナノワイヤと、第２の半導体材料から構成され、前記ナノワイヤの途中に挿入されたノードと、第３の半導体材料から構成され、前記ノードの周囲に形成されたリングとを備えることを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの端部に結合されたノードの部分にのみキャッピングを施したり、リング構造を作製したりすることができ、光分野への応用を拡大することが可能となる。
【００１４】
また、請求項８記載のナノ構造によれば、第１の半導体材料から構成されたナノワイヤと、第２の半導体材料から構成され、前記ナノワイヤの途中に挿入されるとともに、前記ナノワイヤよりも細いノードと、第３の半導体材料から構成され、前記ノードの周囲に形成されたリングとを備え、前記ナノワイヤは前記ノードの部分で折れ曲がっていることを特徴とする。
これにより、ノードの部分で折れ曲がったナノワイヤを得ることができ、複雑な三次元構造にナノワイヤを通すことができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、ナノワイヤの途中にノードを挿入することができ、途中で折れ曲がったナノワイヤやリング構造を制御性よく作製することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係るナノ構造の作製方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るＳｉ（１１１）基板上に配置されたＡｕ微粒子を示す斜視図、図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るナノ構造の作製方法を示す断面図、図２（ｂ）は本発明の第１実施形態に係るナノ構造の構成を示すＳＥＭ像である。
である。
【００１７】
図１において、金属微粒子１２を半導体基板１１上に形成する。なお、半導体基板１１としては、例えば、Ｓｉ（１１１）半導体基板、金属微粒子１２としては、例えば、直径２０ｎｍのＡｕ微粒子を用いることができる。また、金属微粒子１２を半導体基板１１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいは金属微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。
【００１８】
次に、図２に示すように、第１の原料ガスを供給しながらＶＬＳ成長を行うことにより、金属微粒子１２下にナノワイヤ１３ａを形成した後、第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ナノワイヤ１３ａの端部に結合されたノード１４ａを形成する。
さらに、ナノワイヤ１３ａの端部に結合されたノード１４ａを形成した後、第２の原料ガスを第１の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ノード１４ａに結合されたナノワイヤ１３ｂを形成する。そして、ノード１４ａに結合されたナノワイヤ１３ｂを形成した後、第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ナノワイヤ１３ｂの端部に結合されたノード１４ｂを形成する。
【００１９】
さらに、ナノワイヤ１３ｂの端部に結合されたノード１４ｂを形成した後、第２の原料ガスを第１の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ノード１４ｂに結合されたナノワイヤ１３ｃを形成する。
そして、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの途中にノード１４ａ、１４ｂが挿入されたナノ構造が形成されると、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの端部に結合されたノード１４ａ、１４ｂを細線化する。ここで、ノード１４ａ、１４ｂを細線化する方法としては、例えば、アニールによる蒸発や選択エッチングを用いることができる。
【００２０】
そして、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの端部に結合されたノード１４ａ、１４ｂが細線化されると、第３の原料ガスを供給しながら選択エピタキシャル成長を行うことにより、ノード１４ａ、１４ｂの周囲にリング１５ａ、１５ｂをそれぞれ選択的に形成する。
これにより、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの途中に挿入されたノード１４ａ、１４ｂの位置で歪を与えながら、ノード１４ａ、１４ｂの周囲にリング１５ａ、１５ｂをそれぞれ作製することができ、ノード１４ａ、１４ｂの位置でナノワイヤ１３ａ〜１３ｃを折り曲げることが可能となることから、複雑な三次元構造にナノワイヤ１３ａ〜１３ｃを通すことができる。
【００２１】
なお、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃ、ノード１４ａ、１４ｂおよびリング１５ａ、１５ｂの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＳｂの中から選択することができる。
ここで、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃ、ノード１４ａ、１４ｂおよびリング１５ａ、１５ｂの材料を選択する場合、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃとノード１４ａ、１４ｂとの間の格子定数差が、ノード１４ａ、１４ｂとリング１５ａ、１５ｂとの間の格子定数差よりも大きくなるように、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃ、ノード１４ａ、１４ｂおよびリング１５ａ、１５ｂの結晶構造を選択することができる。あるいはノード１４ａ、１４ｂとリング１５ａ、１５ｂの結晶構造が同じでかつナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの表面の結晶構造とノード１４ａ、１４ｂの結晶構造とが異なるように、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃ、ノード１４ａ、１４ｂおよびリング１５ａ、１５ｂの結晶構造を選択するようにしてもよい。
【００２２】
例えば、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＰを選択することができる。そして、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＰを選択した場合、第１の原料ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）、第２の原料ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ３（アルシン）、第３の原料ガスとして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を用いることができる。
【００２３】
そして、例えば、Ａｕ微粒子が形成されたＳｉ（１１１）半導体基板を有機気相成長炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４８０℃で１分、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４６０℃で２０秒の成長を交互に繰り返し、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの途中にノード１４ａ、１４ｂが挿入されたナノ構造として、ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰからなる積層構造を形成した。
【００２４】
そして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら５５０℃で２０秒の選択エピタキシャル成長をＧａＡｓの周囲に行うことにより、ＩｎＰからなるリング１５ａ、１５ｂをＧａＡｓの周囲に選択的に形成した。
ここで、ＶＬＳ成長では、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃおよびノード１４ａ、１４ｂの幅は金属微粒子１２の径で決まり、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃおよびノード１４ａ、１４ｂの長さは成長時間にほぼ比例することから、成長時間を制御することによりナノワイヤ１３ａ〜１３ｃおよびノード１４ａ、１４ｂの長さを制御することができる。
【００２５】
また、図２（ｂ）に示すように、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＰを選択した場合、ノード１４ａ、１４ｂの部分にのみリング１５ａ、１５ｂが形成されることが確認できた。
また、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃおよびノード１４ａ、１４ｂとしてＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰからなる積層構造を形成した後、ＩｎＰからなるリング１５ａ、１５ｂを形成する時に温度を７０℃だけ上昇させたことで、ＧａＡｓからなるノード１４ａ、１４ｂの部分が減量され細線化されたことから、ＩｎＰの成長時に歪によってノード１４ａ、１４ｂの部分で折れ曲がった構造となった。
【００２６】
そして、このサンプルからナノ構造をガラス基板上に掻き落してＳＮＯＭ（走査型近接場顕微鏡）にて発光特性を調べたところ、室温で８８０ｎｍにピークを持つ発光現象がノード１４ａ、１４ｂの部分で確認された。
なお、上述した実施例では、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＰを選択する方法について説明したが、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＡｌＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＡｌＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＡｌＰを選択するようにしてもよい。また、ＡｌＧａＩｎＮやＡｌＧａＩｎＳｂなどの材料を用いるようにしてもよい。
【００２７】
さらに、ｐ型不純物やｎ型不純物をナノ構造にドーピンングし、ｐ−ＧａＰ／ｉ−ＧａＡｓ／ｎ−ＧａＰダイオード構造を形成してから、ｉ−ＧａＡｓの周囲にＩｎＰを選択的にエピタキシャル成長させ、電流注入にてＩｎＰを発光させるようにしてもよい。
また、第１の原料ガスとしてＳｉＨ４を用いることによりＳｉからなるナノワイヤ１３ａ〜１３ｃを形成するとともに、第２の原料ガスとしてＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ３（アルシン）を用いることによりＧａＡｓからなるノード１４ａ、１４ｂを形成した後、このサンプルを大気中に取り出し、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの表面を酸化してから、このサンプルを有機気相成長炉内に再び設置し、第３の原料ガスとして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を用いることによりＩｎＰからなるリング１５ａ、１５ｂをＧａＡｓの周囲に選択的に形成するようにしてもよい。
ここで、Ｓｉからなるナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの表面を酸化することで、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの表面に形成された酸化膜がＩｎＰの成長温度で取れにくいことから、ＩｎＰをＧａＡｓの周囲に選択的に成長させやすくすることができる。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施形態に係るナノ構造の作製方法を示す断面図、図４は、本発明の第２実施形態に係るナノ構造の構成を示す斜視図である。
図３において、金属微粒子３２を半導体基板３１上に形成する。なお、半導体基板３１としては、例えば、Ｓｉ（１１１）半導体基板、金属微粒子３２としては、例えば、直径２０ｎｍのＡｕ微粒子を用いることができる。また、金属微粒子３２を半導体基板３１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいは金属微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。
【００２９】
次に、第１の原料ガスを供給しながらＶＬＳ成長を行うことにより、金属微粒子３２下にナノワイヤ３３ａを形成した後、第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ナノワイヤ３３ａの端部に結合されたノード３４を形成する。
さらに、ナノワイヤ３３ａの端部に結合されたノード３４を形成した後、第２の原料ガスを第１の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ノード３４に結合されたナノワイヤ３３ｂを形成する。
そして、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの途中にノード３４が挿入されたナノ構造が形成されると、第３の原料ガスを供給しながら選択エピタキシャル成長を行うことにより、ノード３４の周囲にリング３５を選択的に形成する。
【００３０】
次に、図４に示すように、ノード３４の周囲にリング３５が形成されると、ノード３４を選択的にエッチング除去する。
これにより、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの途中に挿入されたノード３４の部分にのみリング３５を作製することが可能となるとともに、リング３５がはめ込まれているノード３４を除去することができ、リング３５を単独で取り出すことが可能となることから、磁場による波長制御や偏波制御など様々な光制御を実現することが可能となる。
なお、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂ、ノード３４およびリング３５の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＳｂの中から選択することができる。
【００３１】
ここで、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂ、ノード３４およびリング３５の材料を選択する場合、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂとノード３４との間の格子定数差が、ノード３４とリング３５との間の格子定数差よりも大きくなるように、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂ、ノード３４およびリング３５の結晶構造を選択することができる。あるいはノード３４とリング３５の結晶構造が同じでかつナノワイヤ３３ａ、３３ｂの表面の結晶構造とノード３４の結晶構造とが異なるように、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂ、ノード３４およびリング３５の結晶構造を選択するようにしてもよい。
【００３２】
例えば、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの材料としてＧａＰ、ノード３４の材料としてＧａＡｓ、リング３５の材料としてＩｎＰを選択することができる。そして、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの材料としてＧａＰ、ノード３４の材料としてＧａＡｓ、リング３５の材料としてＩｎＰを選択した場合、第１の原料ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）、第２の原料ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ３（アルシン）、第３の原料ガスとして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を用いることができる。
【００３３】
そして、例えば、Ａｕ微粒子が形成されたＳｉ（１１１）半導体基板を有機気相成長炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４８０℃で１分、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４６０℃で２０秒、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４８０℃で１分の成長を行い、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの途中にノード３４が挿入されたナノ構造として、ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰからなる積層構造を形成した。
【００３４】
そして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら５５０℃で２０秒の選択エピタキシャル成長をＧａＡｓの周囲に行うことにより、ＩｎＰからなるリング３５をＧａＡｓの周囲に選択的に形成した。
ここで、ＶＬＳ成長では、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂおよびノード３４の幅は金属微粒子３２の径で決まることから、ＩｎＰからなるリング３５の内径を金属微粒子３２の径で決めることができる。
【００３５】
また、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂおよびノード３４の長さは成長時間にほぼ比例することから、成長時間を制御することにより、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂおよびノード３４の長さを制御することができ、ノード３４の長さに従ってリング３５の厚さを決めることができる。
この結果、金属微粒子３２の径およびノード３４の成長時間を制御することにより、リング３５のサイズを調整することができ、リング３５のサイズの制御性を向上させることができる。
【００３６】
次に、このサンプルを有機気相成長炉から取り出した後、硫酸／過酸化水素水溶液を用いてＧａＡｓのみを選択的にエッチング除去することにより、図４に示すように、ＩｎＰからなるリング３５を単独で取り出した。ここで、ＳＥＭ観察により、Ｓｉ（１１１）半導体基板上には、ＧａＰからなるナノワイヤ３３ａ、３３ｂとＩｎＰからなるリング３５が付着していることを確認した。
【００３７】
そして、このサンプルをＳＮＯＭ（走査型近接場顕微鏡）にて発光特性を調べたところ、室温で８８０ｎｍにピークを持つリング状の発光現象がＩｎＰからなるリング３５の部分で確認された。
なお、上述した実施例では、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの材料としてＧａＰ、ノード３４の材料としてＧａＡｓ、リング３５の材料としてＩｎＰを選択する方法について説明したが、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの材料としてＡｌＧａＰ、ノード３４の材料としてＡｌＧａＡｓ、リング３５の材料としてＩｎＡｌＰを選択するようにしてもよい。また、ＡｌＧａＩｎＮやＡｌＧａＩｎＳｂなどの材料を用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体基板上に配置された金属微粒子を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るナノ構造の作製方法を示す断面図、図２（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係るナノ構造の構成を示すＳＥＭ像である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るナノ構造の作製方法を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るナノ構造の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１、３１ 半導体基板
１２、３２ 金属微粒子
１３ａ〜１３ｃ、３３ａ、３３ｂ ナノワイヤ
１４ａ、１４ｂ、３４ ノード
１５ａ、１５ｂ、３５ リング
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノ構造およびナノ構造の作製方法に関し、特に、ＶＬＳ（Ｖａｐｅｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｏｌｉｄ）成長にてナノオーダーの結晶構造を作製する方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
受光発光素子で多く用いられる化合物半導体を使用したナノワイヤは、結晶が異なるＳｉ上でも比較的良好に結合でき、光デバイスをＳｉ回路上に容易に集積することが可能となることから、将来の有望な技術として期待されている。
このナノワイヤを作製する方法として、金属微粒子を用いたＶＬＳ（Ｖａｐｅｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｏｌｉｄ）成長を用いる方法がある。
【０００３】
このＶＬＳ成長では、ＳｉまたはＧａＡｓなどの化合物半導体上にＡｕなどの金属微粒子を形成し、Ａｕなどの金属との共晶による融点の低下を利用し、金属微粒子の下に選択的に結晶成長を起こさせることができる。このＶＬＳ成長では、[１１１]Ｂ方向に柱状構造が成長し、成長条件によっては、柱の径が長さ方向で一定なナノワイヤを形成することができる。
【０００４】
また、ナノワイヤにキャッピングを行うことで、発光部表面での非発光結合の割合を小さくすることができ、例えば、特許文献１には、コア−シェル構造にキャッピングを施す方法が開示されている。
また、量子リング構造を受光発光素子に応用することで、磁場による波長制御や偏波制御など様々な光制御が容易になる可能性がある。
【０００５】
この半導体の量子リング構造として、特許文献２には、２次元エピタキシャル成長の途中で自己形成させる方法が開示されている。さらに、特許文献３には、量子リング構造において、エキシトンからの発光が磁場によって振動するＡＢ（Ａｈａｒｏｎｏｖ−Ｂｏｈｍ）振動が開示されている。
【非特許文献１】Ｎ．Ｓｋｏｌｄ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．５（２００５）１９４３．
【非特許文献２】Ｂ．Ｃ．Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １５（２００４）８４８．
【非特許文献３】Ｍ．Ｂａｙｅｒ ｅｔ ａｌ．，ＰＲＬ９０（２００３）１８６８０１．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＶＬＳ成長にてナノワイヤを作製する方法では、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合、[１１１]Ｂ方向のような特定の方向に成長しやすく、ナノワイヤの途中で成長方向を変化させることが難しいという問題があった。
また、従来のナノワイヤにキャッピングを行う方法では、ナノワイヤに部分的にコア−シェル構造を作製し、発光部のみを保護することが難しいという問題があった。
さらに、従来の量子リング構造の作製方法では、サイズを制御しながら自己整合的に半導体のリングを作製することが難しいという問題があった。
そこで、本発明の目的は、途中で折れ曲がったナノワイヤやリング構造を制御性よく作製することが可能なナノ構造およびナノ構造の作製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、請求項１記載のナノ構造の作製方法によれば、金属微粒子を基材上に形成する工程と、第１の原料ガスを供給しながらＶＬＳ成長を行うことにより、前記金属微粒子下にナノワイヤを形成する工程と、前記第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、前記ナノワイヤの端部に結合されたノードを形成する工程と、第３の原料ガスを供給しながらエピタキシャル成長を行うことにより、前記ノードの周囲にリングを選択的に形成する工程とを備えることを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの端部に結合されたノードの部分にのみキャッピングを施したり、リング構造を作製したりすることができ、リング構造のサイズの制御性を向上させることができる。
【０００８】
また、請求項２記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ナノワイヤの途中にノードが挿入されるように、前記ナノワイヤおよびノードの形成を交互に繰り返すことを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの途中にノードを挿入することができ、ノードを介してナノワイヤを折り曲げることが可能となることから、複雑な三次元構造にワイヤを通すことができる。
【０００９】
また、請求項３記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ナノワイヤと前記ノードとの間の格子定数差が前記ノードとリングとの間の格子定数差よりも大きくなるように、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの結晶構造が選択されるか、あるいは前記ノードとリングの結晶構造が同じでかつ前記ナノワイヤの表面の結晶構造と前記ノードの結晶構造とが異なるように、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの結晶構造が選択されることを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの途中に挿入されたノードにのみリングを形成することができ、途中で折れ曲がったナノワイヤやリング構造を制御性よく作製することができる。
【００１０】
また、請求項４記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ノードの周囲にリングを選択的に形成する前に、前記ナノワイヤの端部に結合されたノードを細線化する工程をさらに備えることを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの途中に挿入されたノードの位置で歪を与えながら、ノードの周囲にリングを作製することができ、ノードの位置でナノワイヤを折り曲げることができる。
【００１１】
また、請求項５記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ノードの周囲にリングを選択的に形成してから、前記ノードを選択的にエッチングする工程をさらに備えることを特徴とする。
これにより、リングがはめ込まれているノードを除去することができ、リング構造を単独で取り出すことが可能となることから、磁場による波長制御や偏波制御など様々な光制御を実現することが可能となる。
【００１２】
また、請求項６記載のナノ構造の作製方法によれば、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＳｂの中からそれぞれ選択されることを特徴とする。
これにより、途中で折れ曲がったナノワイヤやリング構造を様々の半導体を用いて作製することができ、様々の分野への応用が可能となる。
【００１３】
また、請求項７記載のナノ構造によれば、第１の半導体材料から構成されたナノワイヤと、第２の半導体材料から構成され、前記ナノワイヤの途中に挿入されたノードと、第３の半導体材料から構成され、前記ノードの周囲に形成されたリングとを備えることを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの端部に結合されたノードの部分にのみキャッピングを施したり、リング構造を作製したりすることができ、光分野への応用を拡大することが可能となる。
【００１４】
また、請求項８記載のナノ構造によれば、第１の半導体材料から構成されたナノワイヤと、第２の半導体材料から構成され、前記ナノワイヤの途中に挿入されるとともに、前記ナノワイヤよりも細いノードと、第３の半導体材料から構成され、前記ノードの周囲に形成されたリングとを備え、前記ナノワイヤは前記ノードの部分で折れ曲がっていることを特徴とする。
これにより、ノードの部分で折れ曲がったナノワイヤを得ることができ、複雑な三次元構造にナノワイヤを通すことができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、ナノワイヤの途中にノードを挿入することができ、途中で折れ曲がったナノワイヤやリング構造を制御性よく作製することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係るナノ構造の作製方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るＳｉ（１１１）基板上に配置されたＡｕ微粒子を示す斜視図、図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るナノ構造の作製方法を示す断面図、図２（ｂ）は本発明の第１実施形態に係るナノ構造の構成を示すＳＥＭ像である。
である。
【００１７】
図１において、金属微粒子１２を半導体基板１１上に形成する。なお、半導体基板１１としては、例えば、Ｓｉ（１１１）半導体基板、金属微粒子１２としては、例えば、直径２０ｎｍのＡｕ微粒子を用いることができる。また、金属微粒子１２を半導体基板１１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいは金属微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。
【００１８】
次に、図２に示すように、第１の原料ガスを供給しながらＶＬＳ成長を行うことにより、金属微粒子１２下にナノワイヤ１３ａを形成した後、第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ナノワイヤ１３ａの端部に結合されたノード１４ａを形成する。
さらに、ナノワイヤ１３ａの端部に結合されたノード１４ａを形成した後、第２の原料ガスを第１の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ノード１４ａに結合されたナノワイヤ１３ｂを形成する。そして、ノード１４ａに結合されたナノワイヤ１３ｂを形成した後、第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ナノワイヤ１３ｂの端部に結合されたノード１４ｂを形成する。
【００１９】
さらに、ナノワイヤ１３ｂの端部に結合されたノード１４ｂを形成した後、第２の原料ガスを第１の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ノード１４ｂに結合されたナノワイヤ１３ｃを形成する。
そして、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの途中にノード１４ａ、１４ｂが挿入されたナノ構造が形成されると、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの端部に結合されたノード１４ａ、１４ｂを細線化する。ここで、ノード１４ａ、１４ｂを細線化する方法としては、例えば、アニールによる蒸発や選択エッチングを用いることができる。
【００２０】
そして、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの端部に結合されたノード１４ａ、１４ｂが細線化されると、第３の原料ガスを供給しながら選択エピタキシャル成長を行うことにより、ノード１４ａ、１４ｂの周囲にリング１５ａ、１５ｂをそれぞれ選択的に形成する。
これにより、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの途中に挿入されたノード１４ａ、１４ｂの位置で歪を与えながら、ノード１４ａ、１４ｂの周囲にリング１５ａ、１５ｂをそれぞれ作製することができ、ノード１４ａ、１４ｂの位置でナノワイヤ１３ａ〜１３ｃを折り曲げることが可能となることから、複雑な三次元構造にナノワイヤ１３ａ〜１３ｃを通すことができる。
【００２１】
なお、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃ、ノード１４ａ、１４ｂおよびリング１５ａ、１５ｂの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＳｂの中から選択することができる。
ここで、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃ、ノード１４ａ、１４ｂおよびリング１５ａ、１５ｂの材料を選択する場合、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃとノード１４ａ、１４ｂとの間の格子定数差が、ノード１４ａ、１４ｂとリング１５ａ、１５ｂとの間の格子定数差よりも大きくなるように、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃ、ノード１４ａ、１４ｂおよびリング１５ａ、１５ｂの結晶構造を選択することができる。あるいはノード１４ａ、１４ｂとリング１５ａ、１５ｂの結晶構造が同じでかつナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの表面の結晶構造とノード１４ａ、１４ｂの結晶構造とが異なるように、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃ、ノード１４ａ、１４ｂおよびリング１５ａ、１５ｂの結晶構造を選択するようにしてもよい。
【００２２】
例えば、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＰを選択することができる。そして、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＰを選択した場合、第１の原料ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）、第２の原料ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ３（アルシン）、第３の原料ガスとして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を用いることができる。
【００２３】
そして、例えば、Ａｕ微粒子が形成されたＳｉ（１１１）半導体基板を有機気相成長炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４８０℃で１分、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４６０℃で２０秒の成長を交互に繰り返し、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの途中にノード１４ａ、１４ｂが挿入されたナノ構造として、ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰからなる積層構造を形成した。
【００２４】
そして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら５５０℃で２０秒の選択エピタキシャル成長をＧａＡｓの周囲に行うことにより、ＩｎＰからなるリング１５ａ、１５ｂをＧａＡｓの周囲に選択的に形成した。
ここで、ＶＬＳ成長では、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃおよびノード１４ａ、１４ｂの幅は金属微粒子１２の径で決まり、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃおよびノード１４ａ、１４ｂの長さは成長時間にほぼ比例することから、成長時間を制御することによりナノワイヤ１３ａ〜１３ｃおよびノード１４ａ、１４ｂの長さを制御することができる。
【００２５】
また、図２（ｂ）に示すように、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＰを選択した場合、ノード１４ａ、１４ｂの部分にのみリング１５ａ、１５ｂが形成されることが確認できた。
また、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃおよびノード１４ａ、１４ｂとしてＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰからなる積層構造を形成した後、ＩｎＰからなるリング１５ａ、１５ｂを形成する時に温度を７０℃だけ上昇させたことで、ＧａＡｓからなるノード１４ａ、１４ｂの部分が減量され細線化されたことから、ＩｎＰの成長時に歪によってノード１４ａ、１４ｂの部分で折れ曲がった構造となった。
【００２６】
そして、このサンプルからナノ構造をガラス基板上に掻き落してＳＮＯＭ（走査型近接場顕微鏡）にて発光特性を調べたところ、室温で８８０ｎｍにピークを持つ発光現象がノード１４ａ、１４ｂの部分で確認された。
なお、上述した実施例では、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＰを選択する方法について説明したが、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの材料としてＡｌＧａＰ、ノード１４ａ、１４ｂの材料としてＡｌＧａＡｓ、リング１５ａ、１５ｂの材料としてＩｎＡｌＰを選択するようにしてもよい。また、ＡｌＧａＩｎＮやＡｌＧａＩｎＳｂなどの材料を用いるようにしてもよい。
【００２７】
さらに、ｐ型不純物やｎ型不純物をナノ構造にドーピンングし、ｐ−ＧａＰ／ｉ−ＧａＡｓ／ｎ−ＧａＰダイオード構造を形成してから、ｉ−ＧａＡｓの周囲にＩｎＰを選択的にエピタキシャル成長させ、電流注入にてＩｎＰを発光させるようにしてもよい。
また、第１の原料ガスとしてＳｉＨ４を用いることによりＳｉからなるナノワイヤ１３ａ〜１３ｃを形成するとともに、第２の原料ガスとしてＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ３（アルシン）を用いることによりＧａＡｓからなるノード１４ａ、１４ｂを形成した後、このサンプルを大気中に取り出し、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの表面を酸化してから、このサンプルを有機気相成長炉内に再び設置し、第３の原料ガスとして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を用いることによりＩｎＰからなるリング１５ａ、１５ｂをＧａＡｓの周囲に選択的に形成するようにしてもよい。
ここで、Ｓｉからなるナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの表面を酸化することで、ナノワイヤ１３ａ〜１３ｃの表面に形成された酸化膜がＩｎＰの成長温度で取れにくいことから、ＩｎＰをＧａＡｓの周囲に選択的に成長させやすくすることができる。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施形態に係るナノ構造の作製方法を示す断面図、図４は、本発明の第２実施形態に係るナノ構造の構成を示す斜視図である。
図３において、金属微粒子３２を半導体基板３１上に形成する。なお、半導体基板３１としては、例えば、Ｓｉ（１１１）半導体基板、金属微粒子３２としては、例えば、直径２０ｎｍのＡｕ微粒子を用いることができる。また、金属微粒子３２を半導体基板３１上に形成する方法としては、例えば、金属の蒸着とアニールによる自己形成、ＥＢリソグラフィによるパターニング、あるいは金属微粒子１２を含む溶液の塗布などの方法を用いることができる。
【００２９】
次に、第１の原料ガスを供給しながらＶＬＳ成長を行うことにより、金属微粒子３２下にナノワイヤ３３ａを形成した後、第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ナノワイヤ３３ａの端部に結合されたノード３４を形成する。
さらに、ナノワイヤ３３ａの端部に結合されたノード３４を形成した後、第２の原料ガスを第１の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、ノード３４に結合されたナノワイヤ３３ｂを形成する。
そして、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの途中にノード３４が挿入されたナノ構造が形成されると、第３の原料ガスを供給しながら選択エピタキシャル成長を行うことにより、ノード３４の周囲にリング３５を選択的に形成する。
【００３０】
次に、図４に示すように、ノード３４の周囲にリング３５が形成されると、ノード３４を選択的にエッチング除去する。
これにより、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの途中に挿入されたノード３４の部分にのみリング３５を作製することが可能となるとともに、リング３５がはめ込まれているノード３４を除去することができ、リング３５を単独で取り出すことが可能となることから、磁場による波長制御や偏波制御など様々な光制御を実現することが可能となる。
なお、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂ、ノード３４およびリング３５の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＳｂの中から選択することができる。
【００３１】
ここで、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂ、ノード３４およびリング３５の材料を選択する場合、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂとノード３４との間の格子定数差が、ノード３４とリング３５との間の格子定数差よりも大きくなるように、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂ、ノード３４およびリング３５の結晶構造を選択することができる。あるいはノード３４とリング３５の結晶構造が同じでかつナノワイヤ３３ａ、３３ｂの表面の結晶構造とノード３４の結晶構造とが異なるように、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂ、ノード３４およびリング３５の結晶構造を選択するようにしてもよい。
【００３２】
例えば、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの材料としてＧａＰ、ノード３４の材料としてＧａＡｓ、リング３５の材料としてＩｎＰを選択することができる。そして、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの材料としてＧａＰ、ノード３４の材料としてＧａＡｓ、リング３５の材料としてＩｎＰを選択した場合、第１の原料ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）、第２の原料ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＡｓＨ３（アルシン）、第３の原料ガスとして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）とＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を用いることができる。
【００３３】
そして、例えば、Ａｕ微粒子が形成されたＳｉ（１１１）半導体基板を有機気相成長炉内に設置し、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４８０℃で１分、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＡｓＨ３（アルシン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４６０℃で２０秒、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら４８０℃で１分の成長を行い、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの途中にノード３４が挿入されたナノ構造として、ＧａＰ／ＧａＡｓ／ＧａＰからなる積層構造を形成した。
【００３４】
そして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を１×１０−５ｍｏｌ／ｍｉｍ、ＴＢＰ（ターシャリブチルフォスフィン）を６×１０−４ｍｏｌ／ｍｉｍだけ流しながら５５０℃で２０秒の選択エピタキシャル成長をＧａＡｓの周囲に行うことにより、ＩｎＰからなるリング３５をＧａＡｓの周囲に選択的に形成した。
ここで、ＶＬＳ成長では、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂおよびノード３４の幅は金属微粒子３２の径で決まることから、ＩｎＰからなるリング３５の内径を金属微粒子３２の径で決めることができる。
【００３５】
また、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂおよびノード３４の長さは成長時間にほぼ比例することから、成長時間を制御することにより、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂおよびノード３４の長さを制御することができ、ノード３４の長さに従ってリング３５の厚さを決めることができる。
この結果、金属微粒子３２の径およびノード３４の成長時間を制御することにより、リング３５のサイズを調整することができ、リング３５のサイズの制御性を向上させることができる。
【００３６】
次に、このサンプルを有機気相成長炉から取り出した後、硫酸／過酸化水素水溶液を用いてＧａＡｓのみを選択的にエッチング除去することにより、図４に示すように、ＩｎＰからなるリング３５を単独で取り出した。ここで、ＳＥＭ観察により、Ｓｉ（１１１）半導体基板上には、ＧａＰからなるナノワイヤ３３ａ、３３ｂとＩｎＰからなるリング３５が付着していることを確認した。
【００３７】
そして、このサンプルをＳＮＯＭ（走査型近接場顕微鏡）にて発光特性を調べたところ、室温で８８０ｎｍにピークを持つリング状の発光現象がＩｎＰからなるリング３５の部分で確認された。
なお、上述した実施例では、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの材料としてＧａＰ、ノード３４の材料としてＧａＡｓ、リング３５の材料としてＩｎＰを選択する方法について説明したが、ナノワイヤ３３ａ、３３ｂの材料としてＡｌＧａＰ、ノード３４の材料としてＡｌＧａＡｓ、リング３５の材料としてＩｎＡｌＰを選択するようにしてもよい。また、ＡｌＧａＩｎＮやＡｌＧａＩｎＳｂなどの材料を用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体基板上に配置された金属微粒子を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るナノ構造の作製方法を示す断面図、図２（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係るナノ構造の構成を示すＳＥＭ像である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るナノ構造の作製方法を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るナノ構造の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１、３１ 半導体基板
１２、３２ 金属微粒子
１３ａ〜１３ｃ、３３ａ、３３ｂ ナノワイヤ
１４ａ、１４ｂ、３４ ノード
１５ａ、１５ｂ、３５ リング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属微粒子を基材上に形成する工程と、
第１の原料ガスを供給しながらＶＬＳ成長を行うことにより、前記金属微粒子下にナノワイヤを形成する工程と、
前記第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、前記ナノワイヤの端部に結合されたノードを形成する工程と、
第３の原料ガスを供給しながらエピタキシャル成長を行うことにより、前記ノードの周囲にリングを選択的に形成する工程とを備えることを特徴とするナノ構造の作製方法。
【請求項２】
前記ナノワイヤの途中にノードが挿入されるように、前記ナノワイヤおよびノードの形成を交互に繰り返すことを特徴とする請求項１記載のナノ構造の作製方法。
【請求項３】
前記ナノワイヤと前記ノードとの間の格子定数差が前記ノードとリングとの間の格子定数差よりも大きくなるように、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの結晶構造が選択されるか、あるいは前記ノードとリングの結晶構造が同じでかつ前記ナノワイヤの表面の結晶構造と前記ノードの結晶構造とが異なるように、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの結晶構造が選択されることを特徴とする請求項１または２記載のナノ構造の作製方法。
【請求項４】
前記ノードの周囲にリングを選択的に形成する前に、前記ナノワイヤの端部に結合されたノードを細線化する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のナノ構造の作製方法。
【請求項５】
前記ノードの周囲にリングを選択的に形成してから、前記ノードを選択的にエッチングする工程をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のナノ構造の作製方法。
【請求項６】
前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＳｂの中からそれぞれ選択されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のナノ構造の作製方法。
【請求項７】
第１の半導体材料から構成されたナノワイヤと、
第２の半導体材料から構成され、前記ナノワイヤの途中に挿入されたノードと、
第３の半導体材料から構成され、前記ノードの周囲に形成されたリングとを備えることを特徴とするナノ構造。
【請求項８】
第１の半導体材料から構成されたナノワイヤと、
第２の半導体材料から構成され、前記ナノワイヤの途中に挿入されるとともに、前記ナノワイヤよりも細いノードと、
第３の半導体材料から構成され、前記ノードの周囲に形成されたリングとを備え、
前記ナノワイヤは前記ノードの部分で折れ曲がっていることを特徴とするナノ構造
【請求項１】
金属微粒子を基材上に形成する工程と、
第１の原料ガスを供給しながらＶＬＳ成長を行うことにより、前記金属微粒子下にナノワイヤを形成する工程と、
前記第１の原料ガスを第２の原料ガスに切り替えてＶＬＳ成長を行うことにより、前記ナノワイヤの端部に結合されたノードを形成する工程と、
第３の原料ガスを供給しながらエピタキシャル成長を行うことにより、前記ノードの周囲にリングを選択的に形成する工程とを備えることを特徴とするナノ構造の作製方法。
【請求項２】
前記ナノワイヤの途中にノードが挿入されるように、前記ナノワイヤおよびノードの形成を交互に繰り返すことを特徴とする請求項１記載のナノ構造の作製方法。
【請求項３】
前記ナノワイヤと前記ノードとの間の格子定数差が前記ノードとリングとの間の格子定数差よりも大きくなるように、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの結晶構造が選択されるか、あるいは前記ノードとリングの結晶構造が同じでかつ前記ナノワイヤの表面の結晶構造と前記ノードの結晶構造とが異なるように、前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの結晶構造が選択されることを特徴とする請求項１または２記載のナノ構造の作製方法。
【請求項４】
前記ノードの周囲にリングを選択的に形成する前に、前記ナノワイヤの端部に結合されたノードを細線化する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のナノ構造の作製方法。
【請求項５】
前記ノードの周囲にリングを選択的に形成してから、前記ノードを選択的にエッチングする工程をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のナノ構造の作製方法。
【請求項６】
前記ナノワイヤ、ノードおよびリングの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮおよびＡｌＧａＩｎＳｂの中からそれぞれ選択されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のナノ構造の作製方法。
【請求項７】
第１の半導体材料から構成されたナノワイヤと、
第２の半導体材料から構成され、前記ナノワイヤの途中に挿入されたノードと、
第３の半導体材料から構成され、前記ノードの周囲に形成されたリングとを備えることを特徴とするナノ構造。
【請求項８】
第１の半導体材料から構成されたナノワイヤと、
第２の半導体材料から構成され、前記ナノワイヤの途中に挿入されるとともに、前記ナノワイヤよりも細いノードと、
第３の半導体材料から構成され、前記ノードの周囲に形成されたリングとを備え、
前記ナノワイヤは前記ノードの部分で折れ曲がっていることを特徴とするナノ構造
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１００３３５（Ｐ２００８−１００３３５Ａ）
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８６６１１（Ｐ２００６−２８６６１１）
【出願日】平成１８年１０月２０日（２００６．１０．２０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２０日（２００６．１０．２０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]