超格子/量子井戸ナノワイヤ
【課題】 超格子/量子井戸構造体を含むセグメント化された半導体ナノワイヤ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 セグメント化された半導体ナノワイヤは、テンプレートなしに、2つ又はそれ以上の半導体材料の層状構造体から材料を除去することによって製造する。除去は、層状構造体の表面上のいくつかの場所で起こり、優先的に結晶軸の方向に沿って進行するので、除去が殆どまたは全く生じなかった場所に、セグメント化された構造体を有するナノワイヤが残る。異なるセグメント間の界面は、ナノワイヤの長手方向に対して垂直であるか又はある角度をなしている。
【解決手段】 セグメント化された半導体ナノワイヤは、テンプレートなしに、2つ又はそれ以上の半導体材料の層状構造体から材料を除去することによって製造する。除去は、層状構造体の表面上のいくつかの場所で起こり、優先的に結晶軸の方向に沿って進行するので、除去が殆どまたは全く生じなかった場所に、セグメント化された構造体を有するナノワイヤが残る。異なるセグメント間の界面は、ナノワイヤの長手方向に対して垂直であるか又はある角度をなしている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、異なる半導体材料のセグメントを含むナノワイヤ、及びこれらのナノワイヤの製造方法に関する。より具体的には、本発明は、組み込み(built-in)超格子/量子井戸構造体を含むナノワイヤに関する。
【背景技術】
【0002】
半導体ナノワイヤは、これらのナノワイヤの量子力学的寸法に起因する新たな物理領域を含む新規な電気的及び光学的特性のために、マイクロスケール及びナノスケールのデバイスの構成要素として関心を集めている。SiGe、歪みSi、超格子および量子井戸のような材料は、それらのバルク形態で独特の特性を有し、これにより、これらの材料が多くの光学及び電気デバイスにおいて有用になる。
【0003】
従来より、シリコン・ナノワイヤは、特許文献1に記載された方法のような化学気相成長法を用いて、シリコン基板の上にエピタキシャルに成長させるか、又は、シリコン基板の頂部の2ブロック共重合体によって画定されたパターン化されたテンプレート内でSiナノワイヤを成長させる。特許文献2は、化学気相成長法(CVD)によって、パターン化されたシリコン基板の頂部に、Siナノワイヤ及び量子ドットを成長させる方法について記載している。特許文献3は、化学気相法によって、ヘテロ接合ナノワイヤを形成する方法について記載している。特許文献4は、CVDによって、埋め込み量子ドットを有するp−Si/n−Siナノワイヤ接合部を形成する方法について記載している。
【0004】
均一にドープされたSi基板をエッチングしてSiナノワイヤを形成する化学的方法は、K.Q.Peng他の公表された研究(非特許文献1、非特許文献2及び非特許文献3)おいて論じられている。図1は、Peng他の方法によってシリコン・ナノワイヤを得る方法の概略図を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許出願第2007/0222074A1号
【特許文献2】米国特許出願第2006/0098705A1号
【特許文献3】米国特許出願第2005/0248003A1号
【特許文献4】米国特許出願第2007/0235738A1号
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】K.Q.Peng他著、Adv.Mater.14(2002年)1164
【非特許文献2】K.Q.Peng他著、J.Electroanal.Chem.558(2003年)35
【非特許文献3】K.Q.Peng他著、Adv.Funct.Mates.13(2003年)127
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
超格子/量子井戸構造体を含むセグメント化されたナノワイヤ及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本明細書で開示するのは、セグメント化されたナノワイヤ及びこれらのセグメント化されたナノワイヤの製造方法である。本明細書で開示するナノワイヤは、ナノワイヤ形態の超格子及び量子井戸構造体を組み合わせることによって、さらに新規の物理的特性を示す高い確率を有し、通常の2次元の代わりに3次元の量子井戸構造体を形成する。
【0009】
2つ又はそれ以上の半導体材料層の基板を形成した後、この基板を、テンプレートを用いずに化学エッチングにより部分的に除去する。最初に、基板表面上のいくつかの場所で化学エッチングが始まる。半導体材料は、(111)又は(110)面のような特定の結晶面が表面に向くように配向させることができる。化学エッチングは、主に半導体材料の結晶軸に沿って起り、シリコンに関しては[100]方向であり、その結果、異なる層の材料に対応する異なる材料のセグメントを有するナノワイヤが、化学エッチングが殆ど又は全く起らない場所に残る。異なるセグメント間の界面は、セグメント化されたナノワイヤの長手方向に対して垂直であるか又はある角度をなすものとすることができる。
【0010】
開示する化学エッチング法は、2つ又はそれ以上の異なる半導体層を有する平面基板の外のシリコン・ナノワイヤの中に、SiGe、Ge量子井戸構造体、及び垂直接合を有する半導体ナノワイヤを形成する減法の手法である。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】シリコン・ウェハ上にエッチングされた、セグメント化されないシリコン・ナノワイヤを製造するための従来技術の方法の略図を示す。
【図2】(100)シリコン基板の化学エッチングによって形成されたシリコン・ナノワイヤのSEM断面図を示す。
【図3】組み込まれた量子井戸を有するセグメント化されたナノワイヤの概略的な断面図を示す。
【図4】化学エッチングによって形成されたSi/SiGe/Siナノワイヤの断面のSEM像を示す。
【図5】化学エッチングによって形成されたSi/SiGe/Siナノワイヤの上面のSEM像を示す。
【図6】垂直のp−n接合を有するナノワイヤの調製の概略を示す。
【図7】図6の概略に従って調製された垂直のp−n接合を有するナノワイヤの断面図を示す。
【図8】(110)面からエッチングされた基板から得られ、n型ドープ・セグメント及びp型ドープ・セグメントがシリコンの[100]結晶方向に対応するナノワイヤの長手方向に対して60度の角度を形成する、シリコン・ナノワイヤを示す。
【図9】(111)面からエッチングされた基板から得られたシリコン・ナノワイヤの500倍の倍率の上面図を示す。
【図10】(111)面からエッチングされた基板から得られ、基板と54.7度の角度を形成する、シリコン・ナノワイヤの10,000倍の倍率の側面SEM像を示す。
【図11】(111)面からエッチングされた基板から得られたシリコン・ナノワイヤの1,000倍の倍率の上面SEM像を示す。
【図12】(111)面からエッチングされた基板から得られ、基板と54.7度の角度を形成する、シリコン・ナノワイヤの5,000倍の倍率の側面SEM像を示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
Si/SiGe/Si/SiGe、Si/Ge/Si/Ge、又はn−Si/p−Si/n−Si交互層のような、種々の交互半導体層を含む多層基板に、化学エッチング処理を施す。この基板をエッチングして、半導体ナノワイヤ中の埋め込み量子井戸又は超格子構造体を有する半導体ナノワイヤを形成する。好ましい半導体はシリコンである。n型ドープ・シリコン及びp型ドープ・シリコンが、特に好ましい。具体的には、本明細書で開示するのは量子寸法の交互の材料の多層を含むナノワイヤである。例えば、積層形状のGe又はSiGe層を有するSiナノワイヤである。量子井戸は、Si、SiGe、Si、SiGe等の交互層を組み込むことによって得られる。この構造はSiGeに限定されるものではなく、GeナノワイヤにGaAs層を組み込むことができ、Siナノワイヤに、GaP、GaAsP、或いは他のIII−V族又はII−VI族材料を組み込むことが可能である。こうした多数の量子井戸ナノワイヤは、バンド構造の変更による光吸収の向上といった光学的特性の変更、並びに変更された電気的特性を示すことになる。幾つかの実施形態において、ワイヤの断面は、一方の寸法が他方の寸法よりも小さい、すなわち、断面は、円形ではなく楕円形である。ナノワイヤ中のセグメントの3つの寸法全てを制御できれば、電気的特性及び光学的特性を微調整することが可能になる。具体例を以下に示す。
【0013】
従って、2つ又はそれ以上の層を含む基板内の層が、基板から得られたナノワイヤのセグメントに対応する。従って、本明細書では、層状ナノワイヤという用語は、セグメント化されたナノワイヤという用語と交換可能に用いられる。さらに、幾つかの実施形態は2つのセグメントから成るのに対して、他の実施形態は複数のセグメントから成る。特定の数のセグメントの開示は、セグメント化されたナノワイヤが、付加的なセグメントを含むことができないことを意味するように解釈されるべきではない。
【0014】
基板内の層の厚さは、結果として得られるナノワイヤ内のセグメントの長さを決定する主要因である。層の厚さは、エピタキシャル成長パラメータ又は多結晶成長パラメータに依って調整することができる。10nmと10ミクロンの間の厚さを有するドープ上部シリコン層を形成した。SiGe及びGe層も、同様に10nmと10ミクロンの間にすることができる。
【0015】
図2は、均一な(100)Si基板の同じ化学エッチング法を用いたシリコン・ナノワイヤの形成を示す。右側の保護された縁部は、シリコン・ナノワイヤの形成が基板の上面から開始することを指し示すように示されている。
【0016】
Siナノワイヤが、HF−AgNO3溶液でSiウェハ表面の(100)面をエッチングすることによって得られた。表面上に堆積させたAgの小粒子が、幾つかの場所でエッチングを増大させたが、しかしAg粒子が存在しない場所では、エッチングが大きく減少した。その結果が、図3に示すような、Si基板上の多数の垂直ナノワイヤである。Ag粒子は、後で酸エッチングにより除去される。Ag除去のための好ましい酸は王水である。別の好ましい酸は硝酸である。ワイヤ及び基板表面は、他のナノワイヤ形成方法を阻害する反応副産物がない状態になる。
【0017】
好ましい実施形態において、化学エッチング試薬は、水溶液中の硝酸銀(AgNO3)及びフッ化水素(HF)の混合物である。AgNO3に対するHFの好ましいモル比は、120から480までであり、約240の程度であることが特に好ましい。図3のナノワイヤを得るために用いるエッチング溶液は、3.4g/l(0.02M)AgNO3+1:5(4.8M)HF溶液の1:1混合物を含み、従って、溶液中のHF/AgNO3のモル比は、240であった。また、AgNO3/HFの1:1混合物は、希釈又は5〜10倍まで濃縮してもやはり半導体ナノワイヤを形成することもできるが、エッチング速度が実質的に異なる。この溶液が大過剰のAgNO3を含む場合、例えば、HF/AgNO3のモル比が24の場合、エッチングは、ナノワイヤを形成することなく平面をもたらした。溶液中の大過剰のHF、例えば、HF/AgNO3のモル比が2400の場合は、ナノワイヤを形成することなく、シリコンはほとんどエッチングされなかった。
【0018】
0℃と90℃の間の範囲の溶液温度が好ましく、室温付近の温度が特に好ましい。ナノワイヤ形成に対する溶液温度の主な効果は、温度の上昇と共にエッチング速度が増すことである。1.0ミクロンと1.5ミクロンの間の長さを有するナノワイヤが、3.4g/l(0.02M)AgNO3+1:5(4.8M)HFの標準溶液中で、20℃の温度で10分間エッチングすることによって得られた。
【0019】
ワイヤの断面寸法は、10nmから500nmまでの範囲であり、ファセット形成されて丸みがなかった。通常、一方の寸法は他方のものより短く、幾つかの条件下で、ナノワイヤはナノリボンの形状になった。エッチング速度は、溶液濃度、溶液温度、及び攪拌に依存する。温度20℃の標準溶液(3.4g/l(0.02M)AgNO3+1:5(4.8M)HF)中に30分間浸漬した(100)シリコン基板は、約3ミクロンの長さのナノワイヤをもたらした。温度35℃の標準溶液中に30分間浸漬した同じ基板は、約6ミクロンの長さのナノワイヤを与え、温度50℃の同じ溶液中に30分間浸漬した同じ基板は、約16ミクロンの長さのナノワイヤを与えた。同じ実験を強力な攪拌を与える超音波処理タンク中で行なったとき、エッチング速度は、静止エッチング溶液に比べて2倍になった。
【0020】
エッチング速度は、非ドープ・シリコン(真性シリコン)を除き、半導体基板中のドーパント型又はドーパント密度に対して特に敏感ではない。P、B又はAsでドープすることにより、p型ドーパント及びn型ドーパントの両方について、0.01オーム・cm及び100オーム・cmの抵抗率がもたらされ、類似の長さ及び幾何学的形状の半導体ナノワイヤが生成された。しかしながら、真性シリコンは、全く異なる挙動をした。真性シリコン(9999オーム・cmの抵抗率)のエッチング速度は、ドープされたシリコンのサンプルより20倍遅かった。
【0021】
SiGe量子井戸を有するSiナノワイヤは、Si基板上でSi及びSiGeの交互層をエピタキシャルに成長させることによって生成することができる。これらの層は、エピ・プロセスによって薄層化することができるので、SiGeの厚さは臨界厚以下として緩和/欠陥が生じないようにする。Ag強化エッチングを行うと、図3に示すように、SiGe/Si量子井戸を含有するナノワイヤが形成される。Si上のSiGe層も、同じ方法でエッチングできることが分かった。図4及び図5は、それぞれ、多層基板を用いた埋め込みSiGe量子ドットを有するエッチングされたSiナノワイヤを有するそのようなサンプルの断面SEM像及び上面SEM像を示す。
【0022】
組み込み垂直p−n接合部を有するSiナノワイヤは、p型及びn型ドーパントでシリコン基板をドープし、次いでAgNO3−HF溶液中で化学エッチングを行なうことによって形成することができる。図6は、p−n接合部を有するシリコン・ナノワイヤを形成する順序を示し、図7は、そのようなエッチング後のサンプルの断面SEM像を示す。
【0023】
材料の選択は、エピタキシャル層を成長させる能力にのみ依存し、多結晶成長層もこの効果をもたらす可能性がある。こうした量子ナノワイヤを形成できる材料の対の例には、Si/SiGe、Si/GaP、Si/GaAs、Si/GaAsP、Si/ZnS、Ge/GaAs、Ge/Si、Ge/GaInAs、Ge/ZnSe等がある。また、エピタキシャル成長中に異なる層を導電性にドープし、ナノワイヤ内及び量子井戸内に電場を作り出すことができることも明白である。
【0024】
さらに、2つより多い異なる材料を、基板層のための材料として使用し、さらに多くの新しい物理/材料効果を開発することさえもできる。一実施形態において、ナノワイヤ中に含有されるSi/SiGe/GaAsの3セグメントの量子層を形成することができる。別の実施形態においては、p型ドープ層とn型ドープ層との間に絶縁層を設ける。この構造体の性質を制限する唯一の要因は、多層を形成するのに用いる開始成長プロセスである。また、ナノワイヤ及び量子井戸ナノワイヤをもたらす強化エッチングをAgNO3化学エッチングによって示したが、他の化学物質も類似の効果を示すと予想され、異なる材料の組み合わせに対して異なる化学物質が最適であり得る。
【0025】
図8は、(110)面が表面に向くように配向させたSi基板を示す。この基板を、化学エッチング法によって処理した。SEM像は、エッチングが、[100]軸に沿って、すなわち表面に向かって60°の角度で優先的に起ったことを明らかにした。この方法によって得られたナノワイヤは、ナノワイヤの長手方向に向かって60°の角度で配向した異なるセグメント間の界面を有する。
【0026】
図9は、(111)面が表面に向くように配向させた2層のSi基板を示す。この基板を、化学エッチング法によって処理した。
【0027】
図10は、エッチングが、[100]軸に沿って優先的に起ったこと、すなわちナノワイヤが表面に向かって54.7°の角度で配向したことを明らかにしたSEM像を示す。この方法によって得られたナノワイヤは、ナノワイヤの長手方向に向かって54.7°の角度で配向した異なるセグメント間の界面を有する。
【0028】
図11は、(111)面からエッチングされた基板から得られたシリコン・ナノワイヤの1,000倍の倍率の上面図を示す。エッチングは、最初の溶液を用いて、50℃で20分間行った。
【0029】
図12は、(111)面からエッチングされた基板から得られた5,000倍の倍率の側面SEM像を示し、ナノワイヤは、基板と54.7°の角度を形成する。
【0030】
本明細書で用いられる「含む(comprising)」という用語(及びその文法的変化)は、「有する(having)」又は「包含する(including)」という包括的な意味で用いられ、「のみから成る(consisting only of)」という排他的な意味で用いられてはいない。本明細書に用いられる「不定冠詞(aという用語)」及び「定冠詞(theという用語)」は、単数形と同様に複数形をも包含するものとして理解される。
【0031】
本明細書において引用されたすべての刊行物、特許及び特許出願は、いずれかの、及びすべての目的に対して、あたかも個別の各刊行物、特許及び特許出願が具体的に個別に引用により組み入れられていることが示されているかのように、引用により本明細書に組み入れられる。矛盾がある場合は、本開示が優先する。
【0032】
本開示の上述の記載は、本開示を例証し、説明する。さらに、本開示は好ましい実施形態のみを示し、説明しているが、上述のように、本開示は様々な他の組み合わせ、変更、及び環境において用いることが可能であり、上記の教示及び/又は関連技術に関する技能若しくは知識に応じて、本明細書で表現された概念の範囲内の変更又は改変が可能であることを理解すべきである。
【0033】
上記の実施形態はさらに、本発明の実施の既知の最良の形態を説明することを意図したものであり、かつ、当業者が本開示を、このような実施形態又は他の実施形態で、特定の用途又は使用で必要とされる様々な改変と共に利用できるようにするためのものであることを意図している。従って、本記載は、本発明を本明細書に開示された形態に限定することを意図していない。また、添付の特許請求の範囲は、代替的な実施形態を包含するものとして解釈されることが意図される。
【技術分野】
【0001】
本発明は、異なる半導体材料のセグメントを含むナノワイヤ、及びこれらのナノワイヤの製造方法に関する。より具体的には、本発明は、組み込み(built-in)超格子/量子井戸構造体を含むナノワイヤに関する。
【背景技術】
【0002】
半導体ナノワイヤは、これらのナノワイヤの量子力学的寸法に起因する新たな物理領域を含む新規な電気的及び光学的特性のために、マイクロスケール及びナノスケールのデバイスの構成要素として関心を集めている。SiGe、歪みSi、超格子および量子井戸のような材料は、それらのバルク形態で独特の特性を有し、これにより、これらの材料が多くの光学及び電気デバイスにおいて有用になる。
【0003】
従来より、シリコン・ナノワイヤは、特許文献1に記載された方法のような化学気相成長法を用いて、シリコン基板の上にエピタキシャルに成長させるか、又は、シリコン基板の頂部の2ブロック共重合体によって画定されたパターン化されたテンプレート内でSiナノワイヤを成長させる。特許文献2は、化学気相成長法(CVD)によって、パターン化されたシリコン基板の頂部に、Siナノワイヤ及び量子ドットを成長させる方法について記載している。特許文献3は、化学気相法によって、ヘテロ接合ナノワイヤを形成する方法について記載している。特許文献4は、CVDによって、埋め込み量子ドットを有するp−Si/n−Siナノワイヤ接合部を形成する方法について記載している。
【0004】
均一にドープされたSi基板をエッチングしてSiナノワイヤを形成する化学的方法は、K.Q.Peng他の公表された研究(非特許文献1、非特許文献2及び非特許文献3)おいて論じられている。図1は、Peng他の方法によってシリコン・ナノワイヤを得る方法の概略図を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許出願第2007/0222074A1号
【特許文献2】米国特許出願第2006/0098705A1号
【特許文献3】米国特許出願第2005/0248003A1号
【特許文献4】米国特許出願第2007/0235738A1号
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】K.Q.Peng他著、Adv.Mater.14(2002年)1164
【非特許文献2】K.Q.Peng他著、J.Electroanal.Chem.558(2003年)35
【非特許文献3】K.Q.Peng他著、Adv.Funct.Mates.13(2003年)127
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
超格子/量子井戸構造体を含むセグメント化されたナノワイヤ及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本明細書で開示するのは、セグメント化されたナノワイヤ及びこれらのセグメント化されたナノワイヤの製造方法である。本明細書で開示するナノワイヤは、ナノワイヤ形態の超格子及び量子井戸構造体を組み合わせることによって、さらに新規の物理的特性を示す高い確率を有し、通常の2次元の代わりに3次元の量子井戸構造体を形成する。
【0009】
2つ又はそれ以上の半導体材料層の基板を形成した後、この基板を、テンプレートを用いずに化学エッチングにより部分的に除去する。最初に、基板表面上のいくつかの場所で化学エッチングが始まる。半導体材料は、(111)又は(110)面のような特定の結晶面が表面に向くように配向させることができる。化学エッチングは、主に半導体材料の結晶軸に沿って起り、シリコンに関しては[100]方向であり、その結果、異なる層の材料に対応する異なる材料のセグメントを有するナノワイヤが、化学エッチングが殆ど又は全く起らない場所に残る。異なるセグメント間の界面は、セグメント化されたナノワイヤの長手方向に対して垂直であるか又はある角度をなすものとすることができる。
【0010】
開示する化学エッチング法は、2つ又はそれ以上の異なる半導体層を有する平面基板の外のシリコン・ナノワイヤの中に、SiGe、Ge量子井戸構造体、及び垂直接合を有する半導体ナノワイヤを形成する減法の手法である。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】シリコン・ウェハ上にエッチングされた、セグメント化されないシリコン・ナノワイヤを製造するための従来技術の方法の略図を示す。
【図2】(100)シリコン基板の化学エッチングによって形成されたシリコン・ナノワイヤのSEM断面図を示す。
【図3】組み込まれた量子井戸を有するセグメント化されたナノワイヤの概略的な断面図を示す。
【図4】化学エッチングによって形成されたSi/SiGe/Siナノワイヤの断面のSEM像を示す。
【図5】化学エッチングによって形成されたSi/SiGe/Siナノワイヤの上面のSEM像を示す。
【図6】垂直のp−n接合を有するナノワイヤの調製の概略を示す。
【図7】図6の概略に従って調製された垂直のp−n接合を有するナノワイヤの断面図を示す。
【図8】(110)面からエッチングされた基板から得られ、n型ドープ・セグメント及びp型ドープ・セグメントがシリコンの[100]結晶方向に対応するナノワイヤの長手方向に対して60度の角度を形成する、シリコン・ナノワイヤを示す。
【図9】(111)面からエッチングされた基板から得られたシリコン・ナノワイヤの500倍の倍率の上面図を示す。
【図10】(111)面からエッチングされた基板から得られ、基板と54.7度の角度を形成する、シリコン・ナノワイヤの10,000倍の倍率の側面SEM像を示す。
【図11】(111)面からエッチングされた基板から得られたシリコン・ナノワイヤの1,000倍の倍率の上面SEM像を示す。
【図12】(111)面からエッチングされた基板から得られ、基板と54.7度の角度を形成する、シリコン・ナノワイヤの5,000倍の倍率の側面SEM像を示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
Si/SiGe/Si/SiGe、Si/Ge/Si/Ge、又はn−Si/p−Si/n−Si交互層のような、種々の交互半導体層を含む多層基板に、化学エッチング処理を施す。この基板をエッチングして、半導体ナノワイヤ中の埋め込み量子井戸又は超格子構造体を有する半導体ナノワイヤを形成する。好ましい半導体はシリコンである。n型ドープ・シリコン及びp型ドープ・シリコンが、特に好ましい。具体的には、本明細書で開示するのは量子寸法の交互の材料の多層を含むナノワイヤである。例えば、積層形状のGe又はSiGe層を有するSiナノワイヤである。量子井戸は、Si、SiGe、Si、SiGe等の交互層を組み込むことによって得られる。この構造はSiGeに限定されるものではなく、GeナノワイヤにGaAs層を組み込むことができ、Siナノワイヤに、GaP、GaAsP、或いは他のIII−V族又はII−VI族材料を組み込むことが可能である。こうした多数の量子井戸ナノワイヤは、バンド構造の変更による光吸収の向上といった光学的特性の変更、並びに変更された電気的特性を示すことになる。幾つかの実施形態において、ワイヤの断面は、一方の寸法が他方の寸法よりも小さい、すなわち、断面は、円形ではなく楕円形である。ナノワイヤ中のセグメントの3つの寸法全てを制御できれば、電気的特性及び光学的特性を微調整することが可能になる。具体例を以下に示す。
【0013】
従って、2つ又はそれ以上の層を含む基板内の層が、基板から得られたナノワイヤのセグメントに対応する。従って、本明細書では、層状ナノワイヤという用語は、セグメント化されたナノワイヤという用語と交換可能に用いられる。さらに、幾つかの実施形態は2つのセグメントから成るのに対して、他の実施形態は複数のセグメントから成る。特定の数のセグメントの開示は、セグメント化されたナノワイヤが、付加的なセグメントを含むことができないことを意味するように解釈されるべきではない。
【0014】
基板内の層の厚さは、結果として得られるナノワイヤ内のセグメントの長さを決定する主要因である。層の厚さは、エピタキシャル成長パラメータ又は多結晶成長パラメータに依って調整することができる。10nmと10ミクロンの間の厚さを有するドープ上部シリコン層を形成した。SiGe及びGe層も、同様に10nmと10ミクロンの間にすることができる。
【0015】
図2は、均一な(100)Si基板の同じ化学エッチング法を用いたシリコン・ナノワイヤの形成を示す。右側の保護された縁部は、シリコン・ナノワイヤの形成が基板の上面から開始することを指し示すように示されている。
【0016】
Siナノワイヤが、HF−AgNO3溶液でSiウェハ表面の(100)面をエッチングすることによって得られた。表面上に堆積させたAgの小粒子が、幾つかの場所でエッチングを増大させたが、しかしAg粒子が存在しない場所では、エッチングが大きく減少した。その結果が、図3に示すような、Si基板上の多数の垂直ナノワイヤである。Ag粒子は、後で酸エッチングにより除去される。Ag除去のための好ましい酸は王水である。別の好ましい酸は硝酸である。ワイヤ及び基板表面は、他のナノワイヤ形成方法を阻害する反応副産物がない状態になる。
【0017】
好ましい実施形態において、化学エッチング試薬は、水溶液中の硝酸銀(AgNO3)及びフッ化水素(HF)の混合物である。AgNO3に対するHFの好ましいモル比は、120から480までであり、約240の程度であることが特に好ましい。図3のナノワイヤを得るために用いるエッチング溶液は、3.4g/l(0.02M)AgNO3+1:5(4.8M)HF溶液の1:1混合物を含み、従って、溶液中のHF/AgNO3のモル比は、240であった。また、AgNO3/HFの1:1混合物は、希釈又は5〜10倍まで濃縮してもやはり半導体ナノワイヤを形成することもできるが、エッチング速度が実質的に異なる。この溶液が大過剰のAgNO3を含む場合、例えば、HF/AgNO3のモル比が24の場合、エッチングは、ナノワイヤを形成することなく平面をもたらした。溶液中の大過剰のHF、例えば、HF/AgNO3のモル比が2400の場合は、ナノワイヤを形成することなく、シリコンはほとんどエッチングされなかった。
【0018】
0℃と90℃の間の範囲の溶液温度が好ましく、室温付近の温度が特に好ましい。ナノワイヤ形成に対する溶液温度の主な効果は、温度の上昇と共にエッチング速度が増すことである。1.0ミクロンと1.5ミクロンの間の長さを有するナノワイヤが、3.4g/l(0.02M)AgNO3+1:5(4.8M)HFの標準溶液中で、20℃の温度で10分間エッチングすることによって得られた。
【0019】
ワイヤの断面寸法は、10nmから500nmまでの範囲であり、ファセット形成されて丸みがなかった。通常、一方の寸法は他方のものより短く、幾つかの条件下で、ナノワイヤはナノリボンの形状になった。エッチング速度は、溶液濃度、溶液温度、及び攪拌に依存する。温度20℃の標準溶液(3.4g/l(0.02M)AgNO3+1:5(4.8M)HF)中に30分間浸漬した(100)シリコン基板は、約3ミクロンの長さのナノワイヤをもたらした。温度35℃の標準溶液中に30分間浸漬した同じ基板は、約6ミクロンの長さのナノワイヤを与え、温度50℃の同じ溶液中に30分間浸漬した同じ基板は、約16ミクロンの長さのナノワイヤを与えた。同じ実験を強力な攪拌を与える超音波処理タンク中で行なったとき、エッチング速度は、静止エッチング溶液に比べて2倍になった。
【0020】
エッチング速度は、非ドープ・シリコン(真性シリコン)を除き、半導体基板中のドーパント型又はドーパント密度に対して特に敏感ではない。P、B又はAsでドープすることにより、p型ドーパント及びn型ドーパントの両方について、0.01オーム・cm及び100オーム・cmの抵抗率がもたらされ、類似の長さ及び幾何学的形状の半導体ナノワイヤが生成された。しかしながら、真性シリコンは、全く異なる挙動をした。真性シリコン(9999オーム・cmの抵抗率)のエッチング速度は、ドープされたシリコンのサンプルより20倍遅かった。
【0021】
SiGe量子井戸を有するSiナノワイヤは、Si基板上でSi及びSiGeの交互層をエピタキシャルに成長させることによって生成することができる。これらの層は、エピ・プロセスによって薄層化することができるので、SiGeの厚さは臨界厚以下として緩和/欠陥が生じないようにする。Ag強化エッチングを行うと、図3に示すように、SiGe/Si量子井戸を含有するナノワイヤが形成される。Si上のSiGe層も、同じ方法でエッチングできることが分かった。図4及び図5は、それぞれ、多層基板を用いた埋め込みSiGe量子ドットを有するエッチングされたSiナノワイヤを有するそのようなサンプルの断面SEM像及び上面SEM像を示す。
【0022】
組み込み垂直p−n接合部を有するSiナノワイヤは、p型及びn型ドーパントでシリコン基板をドープし、次いでAgNO3−HF溶液中で化学エッチングを行なうことによって形成することができる。図6は、p−n接合部を有するシリコン・ナノワイヤを形成する順序を示し、図7は、そのようなエッチング後のサンプルの断面SEM像を示す。
【0023】
材料の選択は、エピタキシャル層を成長させる能力にのみ依存し、多結晶成長層もこの効果をもたらす可能性がある。こうした量子ナノワイヤを形成できる材料の対の例には、Si/SiGe、Si/GaP、Si/GaAs、Si/GaAsP、Si/ZnS、Ge/GaAs、Ge/Si、Ge/GaInAs、Ge/ZnSe等がある。また、エピタキシャル成長中に異なる層を導電性にドープし、ナノワイヤ内及び量子井戸内に電場を作り出すことができることも明白である。
【0024】
さらに、2つより多い異なる材料を、基板層のための材料として使用し、さらに多くの新しい物理/材料効果を開発することさえもできる。一実施形態において、ナノワイヤ中に含有されるSi/SiGe/GaAsの3セグメントの量子層を形成することができる。別の実施形態においては、p型ドープ層とn型ドープ層との間に絶縁層を設ける。この構造体の性質を制限する唯一の要因は、多層を形成するのに用いる開始成長プロセスである。また、ナノワイヤ及び量子井戸ナノワイヤをもたらす強化エッチングをAgNO3化学エッチングによって示したが、他の化学物質も類似の効果を示すと予想され、異なる材料の組み合わせに対して異なる化学物質が最適であり得る。
【0025】
図8は、(110)面が表面に向くように配向させたSi基板を示す。この基板を、化学エッチング法によって処理した。SEM像は、エッチングが、[100]軸に沿って、すなわち表面に向かって60°の角度で優先的に起ったことを明らかにした。この方法によって得られたナノワイヤは、ナノワイヤの長手方向に向かって60°の角度で配向した異なるセグメント間の界面を有する。
【0026】
図9は、(111)面が表面に向くように配向させた2層のSi基板を示す。この基板を、化学エッチング法によって処理した。
【0027】
図10は、エッチングが、[100]軸に沿って優先的に起ったこと、すなわちナノワイヤが表面に向かって54.7°の角度で配向したことを明らかにしたSEM像を示す。この方法によって得られたナノワイヤは、ナノワイヤの長手方向に向かって54.7°の角度で配向した異なるセグメント間の界面を有する。
【0028】
図11は、(111)面からエッチングされた基板から得られたシリコン・ナノワイヤの1,000倍の倍率の上面図を示す。エッチングは、最初の溶液を用いて、50℃で20分間行った。
【0029】
図12は、(111)面からエッチングされた基板から得られた5,000倍の倍率の側面SEM像を示し、ナノワイヤは、基板と54.7°の角度を形成する。
【0030】
本明細書で用いられる「含む(comprising)」という用語(及びその文法的変化)は、「有する(having)」又は「包含する(including)」という包括的な意味で用いられ、「のみから成る(consisting only of)」という排他的な意味で用いられてはいない。本明細書に用いられる「不定冠詞(aという用語)」及び「定冠詞(theという用語)」は、単数形と同様に複数形をも包含するものとして理解される。
【0031】
本明細書において引用されたすべての刊行物、特許及び特許出願は、いずれかの、及びすべての目的に対して、あたかも個別の各刊行物、特許及び特許出願が具体的に個別に引用により組み入れられていることが示されているかのように、引用により本明細書に組み入れられる。矛盾がある場合は、本開示が優先する。
【0032】
本開示の上述の記載は、本開示を例証し、説明する。さらに、本開示は好ましい実施形態のみを示し、説明しているが、上述のように、本開示は様々な他の組み合わせ、変更、及び環境において用いることが可能であり、上記の教示及び/又は関連技術に関する技能若しくは知識に応じて、本明細書で表現された概念の範囲内の変更又は改変が可能であることを理解すべきである。
【0033】
上記の実施形態はさらに、本発明の実施の既知の最良の形態を説明することを意図したものであり、かつ、当業者が本開示を、このような実施形態又は他の実施形態で、特定の用途又は使用で必要とされる様々な改変と共に利用できるようにするためのものであることを意図している。従って、本記載は、本発明を本明細書に開示された形態に限定することを意図していない。また、添付の特許請求の範囲は、代替的な実施形態を包含するものとして解釈されることが意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
セグメント化されたナノワイヤを得る方法であって、
第1の材料及び前記第1の材料と異なる第2の材料を、前記第1の材料及び前記第2の材料を含む層状構造体から部分的に除去し、それによって、前記第1の材料のセグメント及び前記第2の材料のセグメントを有するセグメント化されたナノワイヤを得るステップを含む方法。
【請求項2】
前記部分的に除去するステップは化学エッチングを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記化学エッチングは、フッ化水素/硝酸銀溶液を適用するステップを含む、請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記化学エッチングは、主に前記第1の材料又は前記第2の材料の結晶軸の方向に沿って起る、請求項2に記載の方法。
【請求項5】
前記化学エッチングは、主に[100]結晶軸の方向に沿って起る、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記第1の材料はn型ドープSiであり、前記第2の材料はp型ドープSiであり、又は、前記第1の材料はp型ドープSiであり、前記第2の材料はn型ドープSiである、請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記層状構造体は、少なくとも2つの異なる材料の複数の層を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
前記セグメント化されたナノワイヤは、セグメント化されたナノリボンである、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
前記セグメント化されたナノワイヤは、ファセット形成された表面を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項10】
前記第1の材料及び前記第2の材料は、Si、SiGe、GaP、GaAsP、ZnS、Ge、GeAs、GaInAs及びZnSeから成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
【請求項11】
請求項1に記載の方法によるセグメント化されたナノワイヤを得るステップを含む、電気的、光学的及び熱電気的デバイスを製造する方法。
【請求項12】
セグメント化されたナノワイヤを得る方法であって、
第1の材料の第1の層を形成するステップと、
前記第1の材料に隣接する、前記第1の材料とは異なる第2の材料の第2の層を形成するステップと、
前記第1の材料及び前記第2の材料を部分的に除去し、それによって前記第1の材料のセグメント及び前記第2の材料のセグメントを有するセグメント化されたナノワイヤを得るステップと、
を含む方法。
【請求項13】
前記第1の層を前記形成するステップ又は前記第2の層を前記形成するステップは、エピタキシャル成長を含む、請求項12に記載の方法。
【請求項14】
前記第1の層を前記形成するステップ又は前記第2の層を前記形成するステップは、多結晶材料を堆積させるステップを含む、請求項12に記載の方法。
【請求項15】
前記部分的に除去するステップの前に、少なくとも2つの異なる材料の複数の層を形成するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項16】
前記第1の材料及び前記第2の材料は、Si、SiGe、GaP、GaAsP、ZnS、Ge、GeAs、GaInAs及びZnSeから成る群から選択される、請求項12に記載の方法。
【請求項17】
請求項12に記載の方法によるセグメント化されたナノワイヤを得るステップを含む、電気的、光学的及び熱電気的デバイスを製造する方法。
【請求項18】
第1の材料の第1のセグメント及び第2の材料の第2のセグメントを含むセグメント化されたナノワイヤであって、前記第1のセグメントと前記第2のセグメントとの間の界面は、前記セグメント化されたナノワイヤの長手方向に向かってある角度で配向する、前記セグメント化されたナノワイヤ。
【請求項19】
請求項18による前記セグメント化されたナノワイヤを含む太陽電池。
【請求項20】
請求項18による前記セグメント化されたナノワイヤを含む、垂直キャビティ面発光レーザー、発光ダイオード、又は光電子デバイス。
【請求項1】
セグメント化されたナノワイヤを得る方法であって、
第1の材料及び前記第1の材料と異なる第2の材料を、前記第1の材料及び前記第2の材料を含む層状構造体から部分的に除去し、それによって、前記第1の材料のセグメント及び前記第2の材料のセグメントを有するセグメント化されたナノワイヤを得るステップを含む方法。
【請求項2】
前記部分的に除去するステップは化学エッチングを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記化学エッチングは、フッ化水素/硝酸銀溶液を適用するステップを含む、請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記化学エッチングは、主に前記第1の材料又は前記第2の材料の結晶軸の方向に沿って起る、請求項2に記載の方法。
【請求項5】
前記化学エッチングは、主に[100]結晶軸の方向に沿って起る、請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記第1の材料はn型ドープSiであり、前記第2の材料はp型ドープSiであり、又は、前記第1の材料はp型ドープSiであり、前記第2の材料はn型ドープSiである、請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記層状構造体は、少なくとも2つの異なる材料の複数の層を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
前記セグメント化されたナノワイヤは、セグメント化されたナノリボンである、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
前記セグメント化されたナノワイヤは、ファセット形成された表面を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項10】
前記第1の材料及び前記第2の材料は、Si、SiGe、GaP、GaAsP、ZnS、Ge、GeAs、GaInAs及びZnSeから成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
【請求項11】
請求項1に記載の方法によるセグメント化されたナノワイヤを得るステップを含む、電気的、光学的及び熱電気的デバイスを製造する方法。
【請求項12】
セグメント化されたナノワイヤを得る方法であって、
第1の材料の第1の層を形成するステップと、
前記第1の材料に隣接する、前記第1の材料とは異なる第2の材料の第2の層を形成するステップと、
前記第1の材料及び前記第2の材料を部分的に除去し、それによって前記第1の材料のセグメント及び前記第2の材料のセグメントを有するセグメント化されたナノワイヤを得るステップと、
を含む方法。
【請求項13】
前記第1の層を前記形成するステップ又は前記第2の層を前記形成するステップは、エピタキシャル成長を含む、請求項12に記載の方法。
【請求項14】
前記第1の層を前記形成するステップ又は前記第2の層を前記形成するステップは、多結晶材料を堆積させるステップを含む、請求項12に記載の方法。
【請求項15】
前記部分的に除去するステップの前に、少なくとも2つの異なる材料の複数の層を形成するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項16】
前記第1の材料及び前記第2の材料は、Si、SiGe、GaP、GaAsP、ZnS、Ge、GeAs、GaInAs及びZnSeから成る群から選択される、請求項12に記載の方法。
【請求項17】
請求項12に記載の方法によるセグメント化されたナノワイヤを得るステップを含む、電気的、光学的及び熱電気的デバイスを製造する方法。
【請求項18】
第1の材料の第1のセグメント及び第2の材料の第2のセグメントを含むセグメント化されたナノワイヤであって、前記第1のセグメントと前記第2のセグメントとの間の界面は、前記セグメント化されたナノワイヤの長手方向に向かってある角度で配向する、前記セグメント化されたナノワイヤ。
【請求項19】
請求項18による前記セグメント化されたナノワイヤを含む太陽電池。
【請求項20】
請求項18による前記セグメント化されたナノワイヤを含む、垂直キャビティ面発光レーザー、発光ダイオード、又は光電子デバイス。
【図1】
【図3】
【図6】
【図8】
【図2】
【図4】
【図5】
【図7】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図3】
【図6】
【図8】
【図2】
【図4】
【図5】
【図7】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公表番号】特表2011−519730(P2011−519730A)
【公表日】平成23年7月14日(2011.7.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−501851(P2011−501851)
【出願日】平成21年1月29日(2009.1.29)
【国際出願番号】PCT/US2009/032339
【国際公開番号】WO2009/120404
【国際公開日】平成21年10月1日(2009.10.1)
【出願人】(390009531)インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】INTERNATIONAL BUSINESS MASCHINES CORPORATION
【Fターム(参考)】
【公表日】平成23年7月14日(2011.7.14)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年1月29日(2009.1.29)
【国際出願番号】PCT/US2009/032339
【国際公開番号】WO2009/120404
【国際公開日】平成21年10月1日(2009.10.1)
【出願人】(390009531)インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (4,084)
【氏名又は名称原語表記】INTERNATIONAL BUSINESS MASCHINES CORPORATION
【Fターム(参考)】
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