JP2007007827A - ナノ構造の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 結晶欠陥を抑制しつつ、ナノレベルの結晶成長を行わせるとともに、結晶成長後の平坦性を確保する。
【解決手段】 ＧａＡｓ層１２の表面にＡｕ微粒子１３を形成し、Ａｕ微粒子１３を加熱しながら反応ガスＧ１をＡｕ微粒子１３に供給し、ＧａＡｓ層１２のＧａＡｓをＡｕ微粒子１３に溶け込ませながら、ＧａＡｓ層１２のＧａＡｓを反応ガスＧ１と反応させることにより、Ａｕ微粒子１３に溶け込んだＧａＡｓを連続的にエッチングして、Ａｕ微粒子１３がＧａＡｓ層１２内に沈み込んだ凹部１４をＧａＡｓ層１２に形成した後、ＧａＡｓの原料となる原料ガスＧ２を供給することにより、Ａｕ微粒子１３を触媒としてＧａＡｓ層１２との界面にＧａＡｓを成長させ、凹部１４上にＧａＡｓワイヤ層１５を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明はナノ構造の作製方法に関し、特に、金属針または金属微粒子を用い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。

ナノサイズのヘテロ構造を選択的に作製する方法として、非特許文献１に開示されているように、電子ビームリソグラフィー技術を用いてマスクを基板上に形成し、その基板上に選択的に結晶成長させる方法がある。また、非特許文献２に開示されているように、金属微粒子を用いてＶＬＳ（Ｖａｐｅｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｏｌｉｄ）成長にて基板上にナノワイヤを作製する方法もある。

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。このナノワイヤは、格子定数の異なる基板上へも作製が可能であり、また、ヘテロ接合やｐｎ接合などを作ることができる。

Ｊ．Ｍｏｔｏｈｉｓａ，Ｊ．Ｎｏｂｏｒｉｓａｋａ，Ｊ．Ｔａｋｅｄａ，Ｍ．Ｉｎａｒｉ，Ｔ．Ｆｕｋｕｉ，"Ｃａｔａｌｙｓｔ−ｆｒｅｅ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ−ａｒｅａ ＭＯＶＰＥ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｏｎ （１１１）Ｂ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２７２（２００４）１８０−１８５ Ｋｅｎｊｉ．Ｈｉｒｕｍａ，Ｈｉｓａｙａ Ｍｕｒａｋｏｓｈｉ，Ｍａｓａｍｉｔｓｕ Ｙａｚａｗａ，Ｔｏｓｈｉｏ Ｋａｔｓｕｙａｍａ，"Ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＧａＡｓ／ＩｎＡｓ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｎａｎｏｃｙｌｉｎｄｅｒｓ ｂｙ ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ １６３（１９９６）２２６−２３１

しかしながら、従来のナノ構造の作製方法では、双晶などの結晶欠陥が形成され、そこでの電流特性の劣化や光吸収が懸念されるため、実用上適した方法とは言えなかった。また、従来のＶＬＳ成長では、ナノワイヤが基板上に突出した形状で作製されるため、基板上に段差が形成され、その後のリソグラフィーを用いたナノワイヤの加工や再成長工程において、結晶品質の劣化を招くという問題があった。
そこで、本発明の目的は、結晶欠陥を抑制しつつ、ナノレベルの結晶成長を行わせるとともに、結晶成長後の平坦性を確保することが可能なナノ構造の作製方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１に係るナノ結晶成長方法によれば、先端がナノサイズの金属針またはナノサイズの金属微粒子を素材に接触させながら、前記素材の表面にナノサイズの開口部を形成する工程と、前記金属針または前記金属微粒子を前記素材に接触させながら原料ガスを前記金属針または前記金属微粒子に供給することにより、前記開口部内にナノ構造体を成長させる工程とを備えることを特徴とする。

これにより、ナノ構造体が形成される素材にエッチングダメージを及ぼすことなく、ナノ構造体を開口部内に埋め込むことができる。このため、欠陥を抑制しつつ、ナノ構造体を形成することが可能となるとともに、ナノ構造体の作製後の平坦性を確保することができる。なお、ナノサイズとはナノオーダーのサイズを言い、具体的には、１〜１０００ｎｍの範囲を言う。

また、請求項２に係るナノ結晶成長方法によれば、前記原料ガスの種類を変えながら前記開口部内に結晶成長させることにより、前記開口部内にヘテロ構造を形成することを特徴とする。
これにより、原料ガスの種類を変えることで、ヘテロ構造を開口部内に埋め込むことができ、結晶欠陥を抑制しつつ、ヘテロ構造を形成することが可能となるとともに、ヘテロ構造の作製後の平坦性を確保することができる。

また、請求項３に係るナノ結晶成長方法によれば、前記開口部内に成長させるナノ構造体は、半導体、金属または誘電体であることを特徴とする。
これにより、原料ガスの種類を変えることで、ナノサイズのヘテロ構造を開口部内に埋め込んだり、ナノサイズの磁性体を開口部内に埋め込んだり、ナノサイズの誘電体を開口部内に埋め込んだりすることができる。このため、平坦性を確保しつつ、ナノサイズの高品質な発光デバイスや受光デバイスを作製したり、高品質な磁性体応用素子やフォトニック結晶素子を所定の位置に精度よく形成したりすることができ、様々の分野に高性能なデバイスを提供することが可能となる。

また、請求項４に係るナノ結晶成長方法によれば、前記素材の表面にナノサイズの開口部を形成する工程は、前記金属微粒子を加熱する工程と、前記加熱された金属微粒子に前記素材を溶け込ませながら、前記素材を蒸発または前記素材を反応性ガスと反応させてエッチングする工程とを備えることを特徴とする。
これにより、物理的なエッチングではないためダメージを素材に及ぼすことなく、ナノサイズの開口部を形成することができ、素材に形成されるナノ構造体の欠陥の発生を抑制することが可能となるとともに、ナノ構造体の形成後の平坦性を確保することができる。

また、請求項５に係るナノ結晶成長方法によれば、前記開口部内にナノ構造体を成長させる工程は、前記金属微粒子を加熱する工程と、前記加熱された金属微粒子に前記素材が溶け込んだ合金に原料ガスを供給することにより、前記ナノ構造体の構成材料を前記合金内で過飽和状態に移行させ、前記ナノ構造体を前記開口部内に析出させる工程とを備えることを特徴とする。

これにより、ナノ構造体と格子定数が近い結晶構造に周囲が連続するようにしてナノ構造体を開口部内に析出させることができる。このため、ナノ構造体を開口部内に結晶成長させる場合においても、双晶などの積層欠陥が形成されることを防止することができ、結晶品質を向上させることが可能となるとともに、ナノ構造体を開口部内に埋め込むことができ、結晶成長後の平坦性を確保することができる。

また、請求項６に係るナノ結晶成長方法によれば、前記素材の表面にナノサイズの開口部を形成する工程は、前記金属針を加熱する工程と、前記加熱された金属針に前記素材を接触させながら、前記素材を蒸発または前記素材を反応性ガスと反応させてエッチングする工程とを備えることを特徴とする。
これにより、物路的なエッチングではないためダメージを素材に及ぼすことなく、ナノサイズの開口部を形成することができ、素材に形成されるナノ構造体の欠陥の発生を抑制することが可能となるとともに、ナノ構造体の形成後の平坦性を確保することができる。

また、請求項７に係るナノ結晶成長方法によれば、前記開口部内にナノ構造体を成長させる工程は、前記金属針を加熱する工程と、前記加熱された金属針に原料ガスを供給しながら前記原料ガスを分解させることにより、前記ナノ構造体を前記開口部内に析出させる工程とを備えることを特徴とする。
これにより、欠陥を抑制しつつ、ナノ構造体を形成することが可能となるとともに、ナノ構造体を開口部内に埋め込むことができ、ナノ構造体の作製後の平坦性を確保することができる。

以上説明したように、本発明によれば、先端がナノサイズの金属針またはナノサイズの金属微粒子を接触させながら開口部内に結晶成長を行わせることにより、格子定数が異なる場合においても、表面の平坦性を確保しつつ、ナノサイズの高品質な発光および受光デバイスを位置制御性よく作製したり、高品質な磁性体応用素子やフォトニック結晶素子を所定の位置に精度よく形成したりすることができ、様々の分野に高性能なデバイスを提供することが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係るナノ結晶成長方法および装置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実施形態に係るナノ結晶構造の作製方法を示す斜視図、図２は、図１のナノ結晶構造の作製方法を拡大して示す断面図である。
図１および図２（ａ）において、ＧａＡｓ基板１１上には、エピタキシャル成長にてＧａＡｓ層１２が成膜されている。そして、ＧａＡｓ層１２の表面にはＡｕ微粒子１３が形成されている。なお、Ａｕ微粒子１３の直径はナノサイズに設定することができ、例えば、１０ｎｍとすることができる。また、ナノサイズのＡｕ微粒子１３をＧａＡｓ層１２の表面に形成する方法としては、例えば、ＧａＡｓ層１２上の全面にＡｕを蒸着した後、５００〜６００℃の温度でアニールすることにより、Ａｕ微粒子１３を自己形成させる方法、電子ビームリソグラフィー技術を用いたパターニング、あるいはナノサイズのＡｕ微粒子１３を含む溶液をＧａＡｓ層１２の表面に塗布する方法などを用いることができる。

次に、図２（ｂ）に示すように、Ａｕ微粒子１３を加熱し、例えば、Ａｕ微粒子１３の温度を５００℃に上昇させる。そして、反応ガスＧ１をＡｕ微粒子１３に供給し、ＧａＡｓ層１２のＧａＡｓをＡｕ微粒子１３に溶け込ませながら、ＧａＡｓ層１２のＧａＡｓを反応ガスＧ１と反応させることにより、Ａｕ微粒子１３内のＧａＡｓをエッチングし、その結果Ａｕ微粒子１３が沈み込んだ凹部１４がＧａＡｓ層１２に形成される。なお、ＧａＡｓと反応させるための反応ガスＧ１としては、例えば、ＣＢｒ₄を用いることができる。

ここで、反応ガスＧ１としてＣＢｒ₄を用いた場合、ＣＢｒ₄は低温であるためＧａＡｓ層１２を直接エッチングする速度は小さい。一方、Ａｕ微粒子１３が配置された部分では、Ａｕ微粒子１３とＧａＡｓ層１２との接触部分から徐々に合金が形成される。そして、ＡｕとＧａＡｓとの合金は、それぞれの単体として存在するＡｕおよびＧａＡｓよりも液化する温度が低下する。そして、５００℃の温度では、ＡｕとＧａＡｓとの合金は液化するため、Ａｕ微粒子１３に溶け込んだＧａＡｓとＣＢｒ₄との反応速度は増大する。また、ＣＢｒ₄は、ＡｕよりもＧａおよびＡｓとの反応性が高い。この結果、ＧａＡｓが溶け込んだＡｕ微粒子１３にＣＢｒ₄を供給することにより、ＧａＡｓをＣＢｒ₄と反応させながら、Ａｕ微粒子１３内ＧａＡｓを選択的に除去することができる。

そして、Ａｕ微粒子１３に溶け込んだＧａＡｓの濃度が低下すると、Ａｕ微粒子１３中のＧａＡｓの溶解度を維持するため、Ａｕ微粒子１３とＧａＡｓ層１２との界面ではＧａＡｓ層１２のＧａＡｓが連続的に溶け出す。このため、Ａｕ微粒子１３がＧａＡｓ層１２内に沈み込むようにして凹部１４がＧａＡｓ層１２に形成される。
実際にＡｕ微粒子１３をＧａＡｓ層１２の表面に形成した後、水素雰囲気中で５００℃の温度にてＣＢｒ₄を５×１０^-6ｍｏｌ／ｍｉｎの流量だけ挿入すると、Ａｕ微粒子１３の配置位置で選択的にＧａＡｓ層１２のエッチングが行われていることを確認した。なお、反応ガスＧ１としてはＣＢｒ₄の他、ＧａＡｓをエッチング可能なＨＣｌやＢｒ₂などのハロゲン系ガスや、ＧａＡｓと反応し易いエチレンなどの有機分子などでもよい。

次に、図２（ｃ）に示すように、Ａｕ微粒子１３の温度を５００℃に保ったまま、ＧａＡｓの原料となる原料ガスＧ２を供給することにより、Ａｕ微粒子１３とＧａＡｓ層１２との界面にＧａＡｓを成長させ、凹部１４上にＧａＡｓワイヤ層１５を形成する。なお、ＧａＡｓの原料となる原料ガスＧ２としては、例えば、ＴＭＧａおよびＡｓＨ₃を用いることができる。そして、Ａｕ微粒子１３の温度を５００℃に保ったままで、ＴＭＧａおよびＡｓＨ₃をＡｕ微粒子１３に供給すると、Ａｕ微粒子１３に溶け込んだＧａＡｓの濃度が飽和する。この結果、Ａｕ微粒子１３とＧａＡｓ層１２との界面にＧａＡｓが成長し、凹部１４上にＧａＡｓワイヤ層１５を形成することができる。ここで、ＧａＡｓワイヤ層１５の成長時間を調整し、ＧａＡｓ層１２の表面の位置でＧａＡｓワイヤ層１５の成長を終了させることにより、凹部１４内に埋め込まれたＧａＡｓワイヤ層１５を平坦化することができる。

また、ＧａＡｓと結晶構造が同じで格子定数の近いＡｌＧａＡｓなどを凹部１４内に成長させる場合、Ａｕ微粒子１３の周囲にはＧａＡｓ層１２から続くＧａＡｓの結晶が成長中に常に存在することから、双晶などの積層欠陥が形成されることを防止することができ、結晶品質を向上させることが可能となる。
なお、上述した実施形態では、ＧａＡｓワイヤ層１５をＧａＡｓ層１２に埋め込む方法について説明したが、ＧａＡｓ以外にも、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰなどの半導体に適用してもよい。また、ＧａＡｓとの間で合金を形成させるためにＡｕ微粒子１３を用いる方法を例にとって説明したが、ＧａＡｓとの間で合金が形成可能な金属ならば、Ａｕ以外の金属を用いるようにしてもよい。

図３は、本発明の第２実施形態に係るナノ結晶構造の作製方法を示す断面図である。
図３（ａ）において、ＧａＡｓ基板２１上には、エピタキシャル成長にてＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２が成膜されている。そして、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２の表面にはＡｕ微粒子２３が形成されている。なお、Ａｕ微粒子２３の直径はナノサイズに設定することができ、例えば、１０ｎｍとすることができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、Ａｕ微粒子２３を加熱し、例えば、Ａｕ微粒子２３の温度を５００℃に上昇させる。そして、反応ガスＧ１１をＡｕ微粒子２３に供給し、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２のＡｌＧａＡｓをＡｕ微粒子２３に溶け込ませながら、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２のＡｌＧａＡｓを反応ガスＧ１１と反応させることにより、Ａｕ微粒子２３内のＡｌＧａＡｓをエッチングし、Ａｕ微粒子２３がＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２内に沈み込んだ凹部２４をＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２に形成する。なお、ＡｌＧａＡｓと反応させるための反応ガスＧ１１としては、例えば、ＣＢｒ₄を用いることができる。

ここで、Ａｕ微粒子２３に溶け込んだＡｌＧａＡｓの濃度がエッチングにより低下すると、Ａｕ微粒子２３中のＡｌＧａＡｓの溶解度を維持するため、Ａｕ微粒子２３とＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２との界面ではＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２のＡｌＧａＡｓが連続的に溶け出す。このため、Ａｕ微粒子２３がＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２内に沈み込むようにして凹部２４がＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２に形成される。

次に、図３（ｃ）に示すように、Ａｕ微粒子２３の温度を５００℃に保ったまま、種類の異なる原料ガスＧ１２を順次供給することにより、凹部２４内に埋め込まれたヘテロ構造を成長させる。すなわち、原料ガスＧ１２の種類を変えながらＡｕ微粒子２３の周囲に原料ガスＧ１２を供給することにより、Ａｕ微粒子２３が触媒となって成長が起こり、Ａｕ微粒子２３を押し上げながらＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層２５、ＧａＡｓ層２６、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層２７およびＩｎＰワイヤ層２８が順次形成される。

次に、図３（ｄ）に示すように、塩酸水溶液を用いたウェットエッチングにてＩｎＰワイヤ層２８を選択的に除去することにより、Ａｕ微粒子２３を同時に除去し、凹部２４内に埋め込まれたナノサイズのヘテロ構造を平坦化する。
実際には、Ａｕ微粒子をＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２の表面に形成した後、水素雰囲気中で５００℃の温度にてＣＢｒ₄を５×１０^-6ｍｏｌ／ｍｉｎの流量で２分間だけ導入し、５０ｎｍの深さの凹部をＡｌＧａＡｓ層に形成した。引き続き、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌおよびＡｓＨ₃をそれぞれ０．８×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、０．２×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、６×１０^-4ｍｏｌ／ｍｉｎの流量で２０秒間、ＴＭＧａ、ＡｓＨ₃をそれぞれ１×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、６×１０^-4ｍｏｌ／ｍｉｎの流量で３秒間、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌおよびＡｓＨ₃をそれぞれ０．８×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、０．２×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、６×１０^-4ｍｏｌ／ｍｉｎの流量で２０秒間、ＴＭＩｎおよびＰＨ₃をそれぞれ１×１０^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、６×１０^-4ｍｏｌ／ｍｉｎの流量で１０秒間順次供給した。これにより、ＡｌＧａＡｓ層中に直径が１０ｎｍで高さが１０ｎｍの円柱状のＧａＡｓ量子ナノ構造が形成された。ＩｎＰ除去後、このサンプルを室温でフォトルミネッセンス測定したところ、７５０ｎｍにシャープな発光ピークを確認した。

図４は、本発明の第３実施形態に係るナノ結晶構造の作製方法を示す断面図、図５は、図４のナノ結晶構造の作製方法を拡大して示す断面図である。
図４および図５（ａ）において、ＧａＡｓ基板４１上には、エピタキシャル成長にてＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２が成膜されている。また、この基板上には、先端がナノサイズのＡｕ針４３が配置されるとともに、Ａｕ針４３の近傍には、Ａｕ針４３に原料ガスを導入する原料ガス導入管３３が配置されている。

次に、図５（ｂ）に示すように、Ａｕ針４３を加熱しながら、Ａｕ針４３をＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２の表面に接触させ、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２を蒸発させることにより、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２に凹部４４を形成する。あるいは、加熱されたＡｕ針４３をＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２の表面に接触させながら、反応ガスＧ２１をＡｕ針４３の周囲に供給し、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２のＡｌＧａＡｓをＡｕ針４３に溶け込ませながら、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２のＡｌＧａＡｓを反応ガスＧ２１と反応させることにより、Ａｕ針４３のＡｌＧａＡｓを気化させ、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２に凹部４４を形成してもよい。

次に、図５（ｃ）に示すように、加熱されたＡｕ針４３をＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２の表面に接触させながら、種類の異なる原料ガスＧ２２をＡｕ針４３に順次供給することにより、凹部４４内に埋め込まれたヘテロ構造を成長させる。すなわち、原料ガスＧ２２の種類を変えながらＡｕ針４３に原料ガスＧ２２を供給することにより、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層４５、ＧａＡｓ層４６およびＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層４７を順次形成する。そして、図５（ｄ）に示すように、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層４７上からＡｕ針４３を離す。ここで、凹部４４の深さまたはヘテロ構造の成長時間を調整し、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層４２の表面の位置でヘテロ構造の成長を終了させることにより、凹部４４内に埋め込まれたヘテロ構造を平坦化することができる。

図６（ａ）は、図５のナノ結晶構造の作製方法を面発光レーザに適用した構成を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の活性層５３を拡大して示す断面図である。
図６において、ｐ型ＧａＡｓ基板５１上に分布帰還形ブラッグ反射鏡５２を形成した。なお、分布帰還形ブラッグ反射鏡５２としては、例えば、３０ペアのｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層の積層構造を用いることができ、膜厚を調整してピーク反射率を１３００ｎｍ（λ）とすることができる。また、分布帰還形ブラッグ反射鏡５２の製造方法としては、例えば、ＭＯＶＰＥ（有機金属気層成長）法を用いることができ、成長温度は７００℃に設定することができる。

次に、ＭＯＶＰＥ法にて光学長がλ／２となるようにＧａＡｓ層５３ａを分布帰還形ブラッグ反射鏡５２上に積層し、その後に温度を室温に下げた。
次に、図４に示すような系が装備されたチャンバにこの成長基板を真空搬送し、９００℃に加熱されたＡｕ針をＧａＡｓ層５３ａの表面に接触させながら、ＧａＡｓ層５３ａに開口部を形成した。なお、開口部のサイズは、例えば、幅が２０ｎｍ、深さが５０ｎｍとすることができる。また、図６の構成では、ＧａＡｓ層５３ａに開口部を形成する場合、Ａｕ針の温度を９００℃と高温に設定することで、ＧａＡｓ層５３ａのＧａＡｓを選択的に蒸発させた。その後、Ａｕ針の温度を７００℃に降下させ、開口部内のＧａＡｓ層５３ａにＡｕ針を接触させながら、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎおよびＡｓＨ₃をＡｕ針に供給することにより、Ｇａ_0.4Ｉｎ_0.6Ａｓドット層５３ｂを開口部内に成長させた。

次に、ＭＯＶＰＥ反応炉にこの成長基板を再び真空搬送し、成長温度を７００℃に設定した。続いて光学長がλ／２となるようにＧａＡｓ層を成長した後、分布帰還形ブラッグ反射鏡５４およびｎ型ＧａＡｓ層５５を順次形成した。なお、分布帰還形ブラッグ反射鏡５４としては、例えば、２５ペアのｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層の積層構造を用いることができる。そして、光を出射させる開口部５６ａが設けられたｎ型電極５６をｎ型ＧａＡｓ層５５上に形成するとともに、ｐ型ＧａＡｓ基板５１の裏面にｐ型電極５７を形成した。

そして、透過型電子顕微鏡にて量子井戸活性層５３を観察した結果、Ｇａ_0.4Ｉｎ_0.6Ａｓドット層５３ｂには格子欠陥は見られなかった。また、直径が２０μｍのメサを作製し、電極を形成して電流−電圧特性を観察したところ、典型的なダイオード特性が見られた。発光に関しては、７０Ｋにおいて、１個のＧａ_0.4Ｉｎ_0.6Ａｓドット層５３ｂから単一光子が連続的に得られることを確認した。また、Ｇａ_0.4Ｉｎ_0.6Ａｓドット層５３ｂが１０¹⁰ｃｍ^-2と高密度に配列された構造では、５０μＡの電流で室温レーザ発振を確認することができた。

図７（ａ）は、本発明の第４実施形態に係るナノ結晶構造を示す斜視図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の一部を拡大して示す断面図、図８は、図７のナノ結晶構造の作製方法を拡大して示す断面図である。
図７および図８（ａ）において、先端がナノサイズのＭｏ針７２をＳｉ基板７１上に配置する。

次に、図８（ｂ）に示すように、Ｍｏ針７２を１０００℃に加熱しながら、水素雰囲気中でＭｏ針７２をＳｉ基板７１の表面に接触させ、Ｓｉ基板７１の表面を選択的に蒸発させることにより、Ｓｉ基板７１に開口部７３を形成する。あるいは、加熱されたＭｏ針７２をＳｉ基板７１の表面に接触させながら、反応ガスＧ３１をＭｏ針７２に供給し、Ｓｉ基板７１のＳｉをＭｏ針７２に溶け込ませながら、Ｓｉ基板７１のＳｉを反応ガスＧ３１と反応させることにより、Ｍｏ針７２のＳｉをエッチングし、Ｓｉ基板７１に開口部７３を形成してもよい。

次に、図８（ｃ）に示すように、Ｍｏ針７２を４００℃に加熱しながらＳｉ基板７１の表面に接触させ、磁性体７４の原料となる原料ガスＧ３２をＭｏ針７２に供給することにより、原料ガスＧ３２を分解させ、開口部７３内に埋め込まれた磁性体７４を析出させる。なお、磁性体７４の原料となる原料ガスＧ３２としては、例えば、コバルト（ＩＩ）アセチルアセトネイト（Ｃｏ（ａｃａｃ）２）を用いることができ、これにより、金属Ｃｏを開口部７３内に作製することができる。そして、図８（ｄ）に示すように、磁性体７４上からＭｏ針７２を離す。ここで、開口部７３の深さまたは磁性体７４の成長時間を調整し、Ｓｉ基板７１の表面の位置で磁性体７４の成長を終了させることにより、開口部７３内に埋め込まれた磁性体７４を平坦化することができる。

以上の工程を繰り返すことにより、図７に示すように、複数の磁性体７４のナノ構造をＳｉ基板７１に埋め込んだ。そして、走査型磁気力顕微鏡にて磁性体７４を観察した結果、磁性体７４が磁気的に分離されていることを確認した。これにより、強磁性金属であるＣｏを、非磁性体で半導体であるＳｉにナノサイズのオーダーで埋め込むことができ、磁性記録媒体やスピントロニクス応用のための基本的な構造を作製することができる。なお、Ｓｉ基板７１には、Ｃｏなどの磁性体７４の他、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｄｙなどの金属を埋め込むようにしてもよい。また、磁性体７４を埋め込む媒体としては、Ｓｉ基板７１の他、ＧｅやＧａＡｓなどの半導体を用いるようにしてもよく、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁体を用いるようにしてもよい。

図９は本発明の第５実施形態に係るナノ結晶構造を示す斜視図、図１０は、図９のナノ結晶構造の作製方法を拡大して示す断面図である。
図９および図１０（ａ）において、Ｓｉ基板９１上にはＳｉＯ₂層９２を介してＳｉ層９３が形成され、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造が形成されている。そして、Ｓｉ層９３上に電子ビームリソグラフィー技術を用いてＡｕ膜をパターニングすることにより、Ｓｉ層９３上にＡｕパターン９４を形成した。なお、Ａｕパターン９４の形状は円形とすることができる。また、Ａｕパターン９４の直径はナノサイズに設定することができ、例えば、１００ｎｍとすることができる。また、Ａｕパターン９４の膜厚は、例えば、５０ｎｍとすることができる。また、Ａｕパターン９４は、例えば、５×５のアレイ状に配列することができる。

次に、図１０（ｂ）に示すように、Ａｕパターン９４を加熱し、例えば、Ａｕパターン９４の温度を６００℃に上昇させる。そして、水素雰囲気中でＮＦ₃をＡｕパターン９４に供給し、Ｓｉ層９３のＳｉをＡｕパターン９４に溶け込ませながら、Ｓｉ層９３のＳｉをＡｕパターン９４を介してＮＦ₃と反応させることにより、Ａｕパターン９４のＳｉをエッチングし、Ａｕパターン９４をＳｉ層９３内に沈み込ませるようにして開口部９５をＳｉ層９３に形成する。
ここで、Ａｕパターン９４内のＳｉはエッチングによりＳｉ濃度が減少すると、Ａｕパターン９４中のＳｉの溶解度を維持するため、Ａｕパターン９４とＳｉ層９３との界面でＳｉ層９３のＳｉが連続的に溶け出す。このため、Ａｕパターン９４がＳｉ層９３内に沈み込むようにして開口部９５がＳｉ層９３に形成される。

次に、図１０（ｃ）に示すように、Ａｕパターン９４の温度を６００℃に保ったまま、ＳｉＨ₄とＮＨ₃とをＡｕパターン９４に供給することにより、Ａｕパターン９４に溶け込んだＳｉの濃度を飽和させ、開口部９５内にＳｉＮ_X層９６を析出させる。ここで、開口部９５の深さまたはＳｉＮ_X層９６の成長時間を調整し、Ｓｉ層９３の表面の位置でＳｉＮ_X層９６の成長を終了させることにより、開口部９５内に埋め込まれたＳｉＮ_X層９６を平坦化することができる。そして、図１０（ｄ）に示すように、選択エッチングによりＳｉＮ_X層９６上のＡｕパターン９４を除去する。このＳｉＮ_X層９６が埋め込まれた構造（図９）の反射率を測定したところ、７００ｎｍの付近に９０％の反射率を持つ領域があることが判った。これにより、絶縁体であるＳｉＮ_X層９６を、非磁性体で半導体であるＳｉ層９３にナノサイズのオーダーで埋め込むことができ、フォトニック結晶素子応用のための基本的な構造を作製することができる。
なお、Ｓｉ層９３には、ＳｉＮ_X層９６の他、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などの絶縁体を埋め込むようにしてもよい。また、ＳｉＮ_X層９６などの絶縁体を埋め込む媒体としては、Ｓｉ層９３の他、ＧｅやＧａＡｓなどの半導体を用いるようにしてもよい。

本発明のナノ結晶成長方法は、ナノサイズの高品質な発光および受光デバイスを位置制御性よく作製することができ、Ｓｉ上に作製された集積回路やフォトニック結晶上などに化合物半導体で作製されるナノレベルの発光受光素子を品質よく簡単に作り込むことができる。

本発明の第１実施形態に係るナノ結晶構造の作製方法を示す斜視図である。 図１のナノ結晶構造の作製方法を拡大して示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るナノ結晶構造の作製方法を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るナノ結晶構造の作製方法を示す断面図である。 図４のナノ結晶構造の作製方法を拡大して示す断面図である。 図６（ａ）は、図５のナノ結晶構造の作製方法を面発光レーザに適用した構成を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の活性層５３を拡大して示す断面図である。 図７（ａ）は、本発明の第４実施形態に係るナノ結晶構造を示す斜視図、図７（ｂ）は、図７（ａ）の一部を拡大して示す断面図である。 図７のナノ結晶構造の作製方法を拡大して示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係るナノ結晶構造を示す斜視図である。 図９のナノ結晶構造の作製方法を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１１、２１、４１ ＧａＡｓ基板
１２、２６、４２、４６、５３ａ ＧａＡｓ層
１３、２３ Ａｕ微粒子
１４、２４、４４ 凹部
１５ ＧａＡｓワイヤ層
Ｇ１、Ｇ１１、Ｇ２１、Ｇ３１ 反応ガス
Ｇ２、Ｇ１２、Ｇ２２、Ｇ３２ 原料ガス
２２ Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層
２５、２７、４５、４７ Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層
２８ ＩｎＰワイヤ層
４３ Ａｕ針
３３ 原料ガス導入管
５１ ｐ型ＧａＡｓ基板
５２、５４ 分布帰還形ブラッグ反射鏡
５３ 量子井戸活性層
５３ｂ Ｇａ_0.4Ｉｎ_0.6Ａｓドット層
５５ ｎ型ＧａＡｓ層
５６ ｎ型電極
５６ａ、９５ 開口部
５７ ｐ型電極
７１ Ｓｉ基板
７２ Ｍｏ針
７３ 開口部
７４ 磁性体
９１ Ｓｉ基板
９２ ＳｉＯ₂層
９３ Ｓｉ層
９４ Ａｕパターン
９６ ＳｉＮ_X層

Claims (7)

1. 先端がナノサイズの金属針またはナノサイズの金属微粒子を素材に接触させながら、前記素材の表面にナノサイズの開口部を形成する工程と、
   前記金属針または前記金属微粒子を前記素材に接触させながら原料ガスを前記金属針または前記金属微粒子の周囲に供給することにより、前記開口部内にナノ構造体を成長させ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。
2. 前記原料ガスの種類を変えながら前記開口部内に結晶成長させることにより、前記開口部内にヘテロ構造を形成することを特徴とする請求項１記載のナノ結晶成長方法。
3. 前記開口部内に成長させるナノ構造体は、半導体、金属または誘電体であ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。
4. 前記素材の表面にナノサイズの開口部を形成する工程は、
   前記金属微粒子を加熱する工程と、
   前記加熱された金属微粒子に前記素材を溶け込ませながら、前記素材を蒸発または前記素材を反応性ガスと反応させて気化させる工程とを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。
5. 前記開口部内にナノ構造体を成長させる工程は、
   前記金属微粒子を加熱する工程と、
   前記加熱された金属微粒子に前記素材が溶け込んだ合金に原料ガスを供給することにより、前記ナノ構造体の構成材料を前記合金内で過飽和状態に移行させ、前記ナノ構造体を前記開口部内に析出させる工程とを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。
6. 前記素材の表面にナノサイズの開口部を形成する工程は、
   前記金属針を加熱する工程と、
   前記加熱された金属針に前記素材を接触させながら、前記素材を蒸発または前記素材を反応性ガスと反応させて気化させる工程とを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。
7. 前記開口部内にナノ構造体を成長させる工程は、
   前記金属針を加熱する工程と、
   前記加熱された金属針の周囲に原料ガスを供給しながら前記原料ガスを分解させることにより、前記ナノ構造体を前記開口部内に析出させる工程とを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。
   

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