JP2003142680A

JP2003142680A - 同位体シリコンナノワイヤーとその作製方法

Info

Publication number: JP2003142680A
Application number: JP2001333257A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Noda; 哲二野田; Masatoshi Ko; 全利胡; Kokukei Ri; 国慶李; Yutaka Suzuki; 裕鈴木; Hiroshi Araki; 弘荒木
Original assignee: National Institute for Materials Science; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute for Materials Science
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】不純物金属の含有を不可避的な含有にまで抑
え、高性能量子素子の実現をより現実的なものとする同
位体シリコンナノワイヤーとその作製方法を提供する。【解決手段】 ²⁸Si、²⁹Si、又は³⁰Siのいずれか一つの
同位体が自然同位体組成より濃縮されるとともに、少な
くとも酸素若しくはフッ素のいずれかを含む一方、不純
物金属の含有は不可避的のみとされた同位体シリコンフ
レーク若しくは同位体シリコン粉末のいずれかをロッド
状に成形した後、帯域溶融法により、その成形物から直
径がナノメートルオーダーの同位体シリコンナノワイヤ
ーを作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、同位体シ
リコンナノワイヤーとその製造方法に関するものであ
る。さらに詳しくは、この出願の発明は、量子細線とし
て電子、光学素子への適用が期待される同位体シリコン
ナノワイヤーとこれを作製することのできる作製方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】直径がナノメートルオーダー
にあるシリコンナノワイヤーは、近年、量子細線とし
て、電子、光学素子への適用が期待されている。その作
製方法については、気相蒸発法、レーザ法などの各種の
方式がこれまでに提案されているが、いずれの方式にお
いても、細線を成長させるために鉄や金などの金属核が
必要となっており、シリコン（Si）のみで細線を作製す
ることは実現されていない。

【０００３】一方、同位体がそろった、すなわち特定の
一つの同位体が濃縮した同位体シリコンのナノワイヤー
は、原子レベルでの構造制御が容易であり、たとえば、
高濃度の²⁸Siは、²⁹Siからの核スピン効果を除くことが
できるため、そのナノワイヤーは、量子コンピュータ素
子のより一層の実現に有望視される。また、同位体をそ
ろえることは、熱伝導度の飛躍的向上も望めるため、高
性能の量子素子への応用が期待される。

【０００４】このような高純度の同位体シリコンナノワ
イヤーを作製する上でシリコン以外の金属は、当然、不
純物であり、前述の金属核を使用する方式により作製さ
れる同位体シリコンナノワイヤー中の不純物金属の含有
量は比較的高くなっており、したがって、前述の方式に
替わる新しい同位体シリコンナノワイヤーの作製方法の
開発が急務である。

【０００５】この出願の発明は、このような事情に鑑み
てなされたものであり、不純物金属の含有を不可避的な
含有にまで抑え、高性能量子素子の実現をより現実的な
ものとする同位体シリコンナノワイヤーとその作製方法
を提供することを解決すべき課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この出願の発明の発明者
らは、以上の課題を解決するために鋭意検討した結果、
この出願の発明者らが先に提案している同位体濃縮ガス
から作製した、不純物金属をほとんど含まず、不可避的
な含有にまで抑えた同位体シリコンフレーク（特開2000
-345342号公報）をロッド状に成形し、この成形物に対
し、よく知られているが、これまでに全く適用が考慮さ
れていなかった帯域溶融法を適用したところ、溶融部の
上部に綿状の物質が生成し、この生成物を電子顕微鏡で
観察した結果、生成物が、直径がナノメートルオーダー
にある同位体シリコンナノワイヤーの集合体であること
を見出し、この出願の発明を完成した。

【０００７】すなわち、この出願の発明は、²⁸Si、²⁹S
i、又は³⁰Siのいずれか一つの同位体が自然同位体組成
より濃縮され、不純物金属の含有が不可避的のみに抑え
られた、直径がナノメートルオーダーにあることを特徴
とする同位体シリコンナノワイヤー（請求項１）を提供
する。

【０００８】またこの出願の発明は、²⁸Si、²⁹Si、又は
³⁰Siのいずれか一つの同位体が自然同位体組成より濃縮
されるとともに、少なくとも酸素若しくはフッ素のいず
れかを含む一方、不純物金属の含有は不可避的のみとさ
れた同位体シリコンフレーク若しくは同位体シリコン粉
末のいずれかをロッド状に成形した後、帯域溶融法によ
り、その成形物から直径がナノメートルオーダーの同位
体シリコンナノワイヤーを作製することを特徴とする同
位体シリコンナノワイヤーの作製方法こと（請求項２）
を提供する。

【０００９】そして、この出願の発明の同位体シリコン
ナノワイヤーの作製方法では、帯域溶融法において、希
ガス雰囲気下で、溶融温度を1500〜1700Kとすること
（請求項３）を一態様として提供する。

【００１０】以下、実施例を示しつつ、この出願の発明
の同位体シリコンナノワイヤーとその作製方法について
さらに詳しく説明する。

【００１１】

【発明の実施の形態】前述の通り、この出願の発明の同
位体シリコンナノワイヤーは、²⁸Si、²⁹Si、又は³⁰Siの
いずれか一つの同位体が自然同位体組成より濃縮され、
不純物金属の含有が不可避的のみに抑えられた、直径が
ナノメートルオーダーにある同位体シリコンナノワイヤ
ーである。

【００１２】この出願の発明の同位体シリコンナノワイ
ヤーを作製する際には、²⁸Si、²⁹Si、又は³⁰Siのいずれ
か一つの同位体が自然同位体組成より濃縮されるととも
に、少なくとも酸素若しくはフッ素のいずれかを含む一
方、不純物金属の含有は不可避的のみとされた同位体シ
リコンフレーク若しくは同位体シリコン粉末のいずれか
をロッド状に成形した後、帯域溶融法により、その成形
物から直径がナノメートルオーダーの同位体シリコンナ
ノワイヤーを作製する。

【００１３】帯域溶融法は、金属の精錬などによく用い
られている方法であり、棒状の材料の一部分だけを溶融
して幅狭の溶融帯を形成させた後、この溶融帯をゆっく
り移動させるという方法である。

【００１４】具体的には、この出願の発明の同位体シリ
コンナノワイヤーの作製方法では、図１に示したような
帯域溶融装置において、本体（１）の内部に設けた試料
受け部（２）に種結晶（３）及び前述のロッド状に成形
された試料（４）を取り付けた後、本体（１）の内部を
真空排気し、アルゴン（Ar）などの希ガス（５）を導入
する。希ガス（５）は、本体（１）の下部から上部へ流
通させることにより本体（１）の内部に導入することが
できる。この時の希ガス流量は10SCCM以上、希ガス圧力
は20Torr以上がたとえば例示される。

【００１５】そして、本体（１）の外部に配置すること
のできるキセノン（Xe）ランプ（６）を点灯し、同じく
本体（１）の外部に設けることのできるレンズ（７）に
より種結晶（３）と試料（４）との境界域に光照射し、
加熱して溶融域（８）を形成する。この時の溶融温度は
1500〜1700Kがたとえば好ましく例示される。次いで、
試料（４）を下方へ移動させ、溶融域（８）を上方に移
動させる。この時の帯域移動速度は20mm以上がたとえば
例示される。

【００１６】帯域溶融装置の本体（１）の内部には、ま
た、所定位置に、微細孔を有するナノワイヤー収集板
（９）を配置することができ、溶融域（８）の通過にと
もない、直径がナノメートルオーダーの同位体シリコン
ナノワイヤーが、ナノワイヤー収集板（９）に捕捉され
る。

【００１７】なお、この出願の発明の同位体シリコンナ
ノワイヤーの作製方法において、同位体シリコンフレー
ク若しくは同位体シリコン粉末に含まれる酸素若しくは
フッ素は、たとえば数質量%程度の微量とし、また、不
純物金属の含有量はたとえばppmオーダーの不可避的な
含有に抑え、同位体シリコンを高濃度としておくことが
肝要である。

【００１８】たとえば以上に例示されるこの出願の発明
の同位体シリコンワイヤーとその作製方法により、同位
体がそろい、しかも不純物金属の含有が不可避的のみに
抑えられた高濃度の同位体シリコンのナノワイヤーが、
帯域溶融法により得られる。このため、量子コンピュー
タ素子、高熱伝導性高性能半導体などの実現がより現実
的なものとなる。また、帯域溶融法には特別の処理およ
び特殊な装置が必要ないことから、同位体シリコンナノ
ワイヤーの作製は容易であり、しかも量産化可能とな
る。

【００１９】

【実施例】²⁸Siを95質量%、フッ素及び水素を合計で数
質量%、不可避的不純物金属を2ppm以下含有する同位体
シリコンフレークを6mmφ×50mmのロッド状に固めた。
この成形物を真空中において、約1423K、3時間で加熱
し、形が崩れない程度に軽く焼結した後、図１に示した
帯域溶融装置の試料受け部（２）に試料（４）として取
り付け、本体（１）の内部を真空排気後、アルゴンガス
を、流量10〜30SCCM、圧力20〜400Torrで、本体（１）
の内部に下部から上部へ流通させることにより導入し
た。そして、試料（４）を、キセノンランプ（６）の点
灯により1500〜1700Kで溶融させるとともに、20〜40mm/
hの帯域移動速度で下方に移動させた。

【００２０】すると、試料（４）の溶融部の上部に、図
２に示したような黄色の綿状物質が生成した。この黄色
の綿状物質を電子顕微鏡で観察したところ、図３に示し
たように、ナノワイヤーの集合体であることが確認され
た。ナノワイヤーは、直径が5〜50nm、長さが0.1μm〜3
mmであり、電子線回折により同定した結果、単結晶のSi
であることが確認された。また、Ｘ線分析の結果からも
ナノワイヤーがSiからなるものであることが確認され
た。

【００２１】なお、ナノワイヤーの収率は3mg/hであっ
た。

【００２２】もちろん、この出願の発明は、以上の実施
形態によって限定されるものではない。同位体シリコン
の種類、組成、帯域溶融法における各種条件などの細部
については様々な態様が可能であることはいうまでもな
い。

【００２３】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この出願の発
明によって、量子細線として電子、光学素子への適用が
期待される同位体シリコンナノワイヤーが、不純物金属
の含有が不可避的な含有にまで抑えられて実現され、ま
た、その作製は、容易かつ量産化可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この出願の発明の同位体シリコンナノワイヤー
の作製方法における帯域溶融法の実施に適用可能な帯域
溶融装置を例示した概略断面図である。

【図２】95%²⁸Si濃縮シリコンナノワイヤーの集合体を
示した、図面に代わる電子顕微鏡写真である。

【図３】95%²⁸Si濃縮シリコンナノワイヤーを示した、
図面に代わる電子顕微鏡拡大写真と電子回折像である。

【符号の説明】

１本体２試料受け部３種結晶４試料５希ガス６キセノンランプ７レンズ８溶融域９ナノワイヤー収集板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者胡全利茨城県つくば市千現１丁目２番１号独立行政法人物質・材料研究機構内 (72)発明者李国慶茨城県つくば市千現１丁目２番１号独立行政法人物質・材料研究機構内 (72)発明者鈴木裕茨城県つくば市千現１丁目２番１号独立行政法人物質・材料研究機構内 (72)発明者荒木弘茨城県つくば市千現１丁目２番１号独立行政法人物質・材料研究機構内Ｆターム(参考） 4G072 AA01 BB03 BB05 DD09 GG03 HH01 LL03 NN05 TT30 UU30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 ²⁸Si、²⁹Si、又は³⁰Siのいずれか一つの
同位体が自然同位体組成より濃縮され、不純物金属の含
有が不可避的のみに抑えられた、直径がナノメートルオ
ーダーにあることを特徴とする同位体シリコンナノワイ
ヤー。
【請求項２】 ²⁸Si、²⁹Si、又は³⁰Siのいずれか一つの
同位体が自然同位体組成より濃縮されるとともに、少な
くとも酸素若しくはフッ素のいずれかを含む一方、不純
物金属の含有は不可避的のみとされた同位体シリコンフ
レーク若しくは同位体シリコン粉末のいずれかをロッド
状に成形した後、帯域溶融法により、その成形物から直
径がナノメートルオーダーの同位体シリコンナノワイヤ
ーを作製することを特徴とする同位体シリコンナノワイ
ヤーの作製方法。
【請求項３】帯域溶融法において、希ガス雰囲気下
で、溶融温度を1500〜1700Kとする請求項２記載の同位
体シリコンナノワイヤーの作製方法。