説明

ZnOナノロッドの堆積方法

【課題】ZnOナノロッドが基板表面に対して垂直性を維持しつつ、直径を20nm以下まで細径化させることが可能なZnOナノロッドの堆積方法を提供する。
【解決手段】所定圧力に調整されたチャンバ内に基板13を設置し、チャンバ11内への酸素原子を含む化合物で構成される気体又は蒸気と、亜鉛を含む有機金属ガスとを供給し、基板13を450℃±10%で加熱することにより、ZnOからなる台柱を基板13上に形成させ、次に基板13を750℃±10%まで昇温させ、当該温度にて所定時間保持することにより、台柱上端からZnOナノロッドを成長させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子デバイス、光デバイス材料として応用されるZnOナノロッドの直径を最適に制御しつつ、しかも基板に対してほぼ垂直に成長させる際に好適なZnOナノロッドの堆積方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ナノ寸法で動作する光デバイスとして、ナノフォトニックデバイスが提案されている。特にこのナノフォトニックデバイスにおいて、ZnOナノロッドの長さ方向に積層された2重量子井戸構造において、章動現象が確認されている。今後デバイスを多段化するためには、ZnOナノロッドの径方向への閉じ込めも必要となり、そのためには、かかるZnOナノロッドの直径を20nm以下まで細径化する必要がある。
【0003】
半導体ナノワイヤ構造の電子デバイス応用としては、電界放出素子が提案されている。薄膜に対して、直径が100nm程度のナノワイヤにおいてもカーボンナノチューブ(CNT)と同等な電界放出特性が報告されている。しかし、より低電圧駆動および電界放出効率を向上させるためには直径を100nm以下まで細径化する必要がある。
【0004】
従来、非特許文献1において、ZnOナノロッドが基板表面に対して垂直方向に成長する点が報告されている。
【非特許文献1】W.I.Park, et al., J.Phys. B 110, 1516 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、かかる非特許文献1の開示技術を以ってしても、ZnOナノロッドが基板表面に対して垂直性を維持しつつ、直径を20nm以下まで細径化させることは困難であった。実際に形成されるZnOナノロッドがランダムに配向してしまい、さらには直径もばらばらであるため、発光および電界放出の指向性や軸方向への量子井戸構造の作製、さらには電界放出強度分布が不均一になるなどのデメリットがあった。このため、ナノロッドの直立性とともに、量子閉じ込め効果を得ることができず、それが実際にナノフォトニックデバイスおよび電子デバイスへ適用する際の障壁となっていた。
【0006】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、ZnOナノロッドが基板表面に対して垂直性を維持しつつ、直径を20nm以下まで細径化させることが可能なZnOナノロッドの堆積方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明を適用したZnOナノロッドの堆積方法は、上述した課題を解決するために、所定圧力に調整されたチャンバ内に基板を設置し、上記チャンバ内への酸素原子を含む化合物で構成される気体又は蒸気と、亜鉛を含む有機金属ガスとを供給し、上記基板を450℃±10%で加熱することにより、ZnOからなる台柱を基板上に形成させ、次に上記基板を750℃±10%まで昇温させ、当該温度にて所定時間保持することにより、上記台柱上端からZnOナノロッドを成長させることを特徴とする。
【0008】
本発明を適用したZnOナノロッドの堆積方法は、所定圧力に調整されたチャンバ内に基板を設置し、上記チャンバ内への酸素原子を含む化合物で構成される気体又は蒸気と、亜鉛を含む有機金属ガスとを供給し、上記基板を450℃±10%で加熱することにより、ZnOからなる台柱を基板上に形成させ、次に上記基板を、上記形成すべきZnOナノロッドの径に応じて、450℃超まで昇温させ、当該温度にて所定時間保持することにより、上記台柱上端からZnOナノロッドを成長させることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明を適用したZnOナノロッドの堆積方法は、台柱の上端から直径20nm以下のZnOナノロッドを所望の長さに亘り形成させることが可能となる。しかもこの形成されたZnOナノロッドの長手方向は、何れも基板に対してほぼ垂直方向に揃えることが可能となり、ランダムに配向することが無くなると同時に直径の均一化も計れることから、発光および電界放出の指向性の向上や軸方向への均一な量子井戸幅をもつ量子構造の作製、さらには電界放出強度分布が均一になるなどの点で有利となる。これに加えて、ZnOナノロッドの直径を20nm以下まで細径化することにより、径方向への量子閉じ込め効果を発揮させることが可能となり、ナノフォトニックデバイスへの応用をより効果的に実現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】
【0010】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、電子デバイス、光デバイス材料として応用されるZnOナノロッドを基板上に堆積させるZnOナノロッドの堆積方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0011】
図1は、本発明を適用したZnOナノロッドの堆積方法を実現するための結晶成長装置1の概略を示している。
【0012】
この結晶成長装置1は、金属触媒を用いないMOVPE(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法に基づくものである。
【0013】
この結晶成長装置1は、チャンバ11内に、基板13と、上記基板13を載置するためのステージ14とを配設して構成され、またこのチャンバ11内の気体は、ポンプ16を介して吸引可能とされ、更に圧力センサ17によりチャンバ11内の圧力を検出し、これに基づいてバタフライバルブ18を自動的に開閉することにより内圧の自動制御を実現可能としている。チャンバ11の外周には、RFヒータ21が特にステージ14の周囲において配設されており、当該RFヒータ21を介して基板13を加熱可能としている。また、このチャンバ11内には図示しない熱電対が配設されて内部の温度が随時識別可能とされており、さらにこのチャンバ11に対して酸素を供給するための供給管23と、Arキャリアとしたジエチル亜鉛ガス(DEZn)を供給するための供給管24とが接続されている。
【0014】
このような構成からなる結晶成長装置1により、実際にZnOナノロッドを堆積させる方法について、説明をする。
【0015】
先ず、ステージ14上に基板13を取り付ける。この基板13は、サファイヤ基板等を想定しているが、これに限定されるものではなく、例えばシリコンを用いるようにしてもよいし、その他ガラス、ガリウム砒素、ガリウムナイトライド、ポリイミド基板などを用いるようにしてもよい。この基板13の板厚は、600μmであるが、これに限定されるものではなく、いかなる板厚で構成されていてもよい。
【0016】
次に、ポンプ16を介してチャンバ11内の気体を吸引するとともに、バタフライバルブ18等を用いてチャンバ11内を所定の圧力に制御する。
【0017】
次に、RFヒータ21により基板13を加熱するとともに、供給管23からチャンバ11内へ酸素を供給し、さらに供給管24からチャンバ11内へジエチル亜鉛ガスを供給する。ちなみに、この供給すべき酸素の代替として、水蒸気を供給するようにしてもよいし、二酸化窒素を供給するようにしてもよいし、その他酸素原子を含む化合物で構成されるいかなる気体又は蒸気を供給するようにしてもよい。また、供給すべきジエチル亜鉛ガスの代替として、亜鉛を含むいかなる有機金属ガスを供給するようにしてもよい。
【0018】
このとき基板13の温度をRFヒータ21により調整する。図2は、この基板13に対する制御温度を時系列的に示したものである。先ず、RFヒータ21により、基板13を450℃±10%まで昇温させる。そして、この450±10%で約35分程度保持する。その結果、図3に示すように、基板13の表面からほぼ垂直方向に向けてZnOからなる台柱31が形成される。ちなみに、この保持時間は35分に限定されるものではなく、形成すべき台柱31の長さに応じて自在にコントロールするようにしてもよい。
【0019】
次に図2に示すように、基板13の温度を750℃±10%まで昇温させる。そして、この基板13を当該温度にて所定時間保持する。その結果、図3に示すように、台柱31上端からZnOナノロッド32が成長することになる。ちなみに、このZnOナノロッド32は、基板13表面に対してほぼ垂直に成長し、直径20nm以下となっている。750℃における保持時間は、10分程度を想定しているが、これに限定されるものではなく、形成すべきZnOナノロッド32の長さに応じて自在にコントロールするようにしてもよい。
【0020】
このように、本発明においては、台柱31の上端から直径20nm以下のZnOナノロッド32を所望の長さに亘り形成させることが可能となる。しかもこの形成されたZnOナノロッド32の長手方向は、何れも基板13に対してほぼ垂直方向に揃えることが可能となり、ランダムに配向することが無くなると同時に直径の均一化も計れることから、発光および電界放出の指向性の向上や軸方向への均一な量子井戸幅をもつ量子構造の作製、さらには電界放出強度分布が均一になるなどの点で有利となる。これに加えて、ZnOナノロッド32の直径を20nm以下まで細径化することにより、径方向への量子閉じ込め効果を発揮させることが可能となり、ナノフォトニックデバイスへの応用をより効果的に実現することが可能となる。
【0021】
図4は、本発明を適用したZnOナノロッドの堆積方法に基づいて作製したZnOナノロッドの電子顕微鏡による像を示している。この図4に示すように太径の台柱の上端から、細径のZnOナノロッドがほぼ同一方向に向けて成長しているのが示されている。また、この細径のZnOナノロッドの直径の実測値は10nm程度であることが示されていた。
【0022】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。
【0023】
例えば、基板13を450℃±10%で加熱することにより、ZnOからなる台柱31を基板13上に形成させ、基板13を、上記形成すべきZnOナノロッドの径に応じて、450℃超まで昇温させ、当該温度にて所定時間保持することにより、台柱31上端からZnOナノロッド32を成長させるようにしてもよい。即ち、台柱31の形成温度は、450℃以下であればいかなる温度であってもよく、また、ZnOナノロッド32の形成温度は、450℃超であればいかなる温度であってもよい。但し750℃±10%の範囲を逸脱してしまうと、ZnOナノロッド32の直径を20nm以下とすることができなくなる点は考慮する必要がある。
【0024】
このような基板13の昇温並びに保持を段階的に繰り返し実行することにより、形成すべきZnOナノロッド32の径を段階的に細径化させることも可能となる。図5は、段階的に細径化させたZnOナノロッド42の例を示している。台柱31から徐々に細径化されたZnOナノロッド42が伸びている。
【0025】
このように本発明では、ZnOナノロッド32の形成温度を調整することにより、形成すべきZnOナノロッド32(42)を所望の直径にコントロールすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明を適用したZnOナノロッドの堆積方法を実現するための結晶成長装置の概略図である。
【図2】基板に対する制御温度を時系列的に示した図である。
【図3】基板の表面からほぼ垂直方向に向けてZnOナノロッドを形成させる点について説明するための図である。
【図4】本発明を適用したZnOナノロッドの堆積方法に基づいて作製したZnOナノロッドの電子顕微鏡による像を示す図である。
【図5】段階的に細径化させたZnOナノロッドの例を示す図である。
【符号の説明】
【0027】
1 結晶成長装置
11 チャンバ
13 基板
14 ステージ
16 ポンプ
17 圧力センサ
18 バタフライバルブ
21 RFヒータ
23、24 供給管
31 台柱
32 ZnOナノロッド

【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定圧力に調整されたチャンバ内に基板を設置し、
上記チャンバ内への酸素原子を含む化合物で構成される気体又は蒸気と、亜鉛を含む有機金属ガスとを供給し、
上記基板を450℃±10%で加熱することにより、ZnOからなる台柱を基板上に形成させ、
次に上記基板を750℃±10%まで昇温させ、当該温度にて所定時間保持することにより、上記台柱上端からZnOナノロッドを成長させること
を特徴とするZnOナノロッドの堆積方法。
【請求項2】
上記台柱を基板表面に対してほぼ垂直に成長させ、さらに直径20nm以下のZnOナノロッドを上記基板表面に対してほぼ垂直方向に成長させること
を特徴とする請求項1記載のZnOナノロッドの堆積方法。
【請求項3】
所定圧力に調整されたチャンバ内に基板を設置し、
上記チャンバ内への酸素原子を含む化合物で構成される気体又は蒸気と、亜鉛を含む有機金属ガスとを供給し、
上記基板を450℃±10%で加熱することにより、ZnOからなる台柱を基板上に形成させ、
次に上記基板を、上記形成すべきZnOナノロッドの径に応じて、450℃超まで昇温させ、当該温度にて所定時間保持することにより、上記台柱上端からZnOナノロッドを成長させること
を特徴とするZnOナノロッドの堆積方法。
【請求項4】
さらに上記基板の昇温並びに保持を段階的に繰り返し実行することにより、形成すべきZnOナノロッドの径を段階的に細径化させること
を特徴とする請求項3記載のZnOナノロッドの堆積方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2009−78942(P2009−78942A)
【公開日】平成21年4月16日(2009.4.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−248749(P2007−248749)
【出願日】平成19年9月26日(2007.9.26)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 平成19年3月27日 社団法人 応用物理学会発行の「平成19年 春季 第54回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集」に発表
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成19年度JST、ナノフォトニックデバイスとシステムの開発 委託研究、産業再生法第30条の適用を受けるもの
【出願人】(504137912)国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Fターム(参考)】