JP2008518455A - 調整可能なエネルギバンドギャップを有する半導体装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、エネルギバンドギャップが電気的に変化されることができる半導体装置に関する。本発明の発想は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）のような圧電材料のように、適切にアドレス指定された場合に変形を呈する材料３０７に埋め込まれたナノワイヤ３０６に基づく装置を提供することにある。ナノワイヤ３０６は、圧電材料３０７に電圧を印加することによって圧電材料３０７に局所的な変形を生じさせることにより、可逆的に歪まされることができる。得られるバンドギャップの変化は、例えばＬＥＤ又はレーザから、発せられる光の色を調整するのに利用されることができる。このことは、前記バンドギャップが、前記発せられる光の周波数に比例している事の結果である。他の分野の用途においては、半導体接合における接触抵抗が制御されることができ、このフィーチャは、メモリ及びスイッチにおいて非常に有利である。

Description

本発明は、エネルギバンドギャップが電気的に変化されることができる半導体装置に関する。
半導体材料において、バンドギャップは重要なパラメータであり、当該半導体材料の大いに決定するものである。バンドギャップとは、価電子帯の上部と伝導帯の底部との間のエネルギの差分として規定されるものである。これは、電子を価電子帯から伝導帯まで励起させるのに必要なエネルギである。前記伝導帯における電子は前記材料内を移動することができ、これにより電気の伝導を可能にしている。発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合、前記バンドギャップの調整は、発せられる光の色の変化を生じる。前記伝導帯における電子が、前記価電子帯内に再び落ちる場合、前記電子は、光の光子の形態でエネルギを放出する。前記バンドギャップが大きいほど、前記フォトンのエネルギは大きい。前記バンドギャップを可逆的な態様で変更する仕方は、半導体の格子を歪ませることである。１００ｍｅＶのオーダのバンドギャップの変化が達成されることができることが示されている。この変化は、例えば、ショットキーダイオードの前記特性を激しく変化させるのに十分である。光の放出の点から見ると、このことは、例えば、黄から緑への色の変化を生じる。
米国特許第4,935,935号は、電気的に調整可能な半導体装置を開示している。圧電基板の少なくとも１つの薄膜が、前記半導体装置に対して応力を伝達するように位置づけられ、電気回路からの信号によって、前記のような圧電薄膜が前記のような半導体に対する応力を伝達するようにされ、これにより、前記半導体装置の応答を変化させる。調整電圧が、前記のような圧電薄膜に印加された場合、前記のような薄膜は、前記調整電圧に比例して変形し、前記半導体に応力を印加し、該応力が前記半導体のエネルギギャップを変化させる。
米国特許第4,935,935号に残っている問題は、電気的に調整可能な半導体装置において印加される応力の効果を、どのように増加させるかである。
本発明の目的は、上述の問題を解決し、エネルギバンドギャップが変化されることができる半導体装置を提供することにある。
この目的は、添付請求項１に記載の前記エネルギバンドギャップが電気的に変化されることができる半導体装置によって達成される。
本発明の見地によれば、前記のような装置は、少なくとも１つの半導体ナノワイヤと、圧電材料と、前記圧電材料に配される電極とを有し、前記電極を介して、前記圧電材料を変形させるための電圧が印加され、前記少なくとも１つの半導体ナノワイヤは、前記圧電材料と機械的に接触するように配され、前記のような変形は、前記少なくとも１つの半導体ナノワイヤに応力を印加し、これにより前記半導体ナノワイヤのエネルギバンドギャップを変化させる。
本発明の発想は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）のような圧電材料のように、適切にアドレス指定された場合に変形を呈する材料に埋め込まれたナノワイヤに基づく装置を提供することである。前記装置は、例えば、発光、スイッチ及びメモリの用途において実施化されることができる。前記ナノワイヤは、電圧を前記のような材料に印加することにより前記圧電材料に局所的な変形を設けることによって、可逆的に歪まされることができる。従って、電気的に誘導される機械的な刺激によって、前記ナノワイヤは、可逆的に歪まされる。得られるバンドギャップの変化は、例えばＬＥＤ又はレーザから、発せられる光の色を調整するのに利用されることができる。このことは、前記バンドギャップが前記のような発せられる光の周波数に比例するという事実の結果である。他の分野の用途においては、半導体接合における接触抵抗が、制御されることができ、このフィーチャは、メモリ及びスイッチにおいて非常に有利である。
本発明は、同等の歪み条件、即ち前記圧電材料に印加された同等の電圧に対して、前記のような半導体のワイヤが被る応力（従って、前記のようなワイヤのエネルギバンドギャップの幅）は、ワイヤの直径が小さいほど増加するため、有利である。このことは、ナノワイヤの使用が、このような種類の用途において非常に有利であることを意味している。更に、前記ワイヤの直径が、量子閉じ込め効果が観察されることができるように十分小さい場合（このことは、典型的には、１０−２０ｎｍ未満の直径を意味する）、前記バンドギャップは、量子閉じ込めにより増加する。これら２つのバンドギャップ変化の効果（即ち、印加される応力による又は量子閉じ込めによるバンドギャップの変化）は、互いを増大させる。例えば、圧縮応力が印加された場合、前記バンドギャップは、印加された前記応力によって増大し、更に、前記バンドギャップは、前記ワイヤの直径の減少によって増大された量子閉じ込め効果により、増大する。
本発明による実施例によれば、前記半導体ナノワイヤは、前記圧電材料内に埋め込まれており、このような埋め込みは、更に、電圧が印加された場合に前記圧電材料が生じる応力を増大させる。理想的には、前記のようなナノワイヤは、前記のような材料内に完全に埋め込まれる。
本発明の更なる実施例は、添付の従属請求項の対象によって規定されるものである。本発明の更なるフィーチャ及び本発明による更なる利点は、前記請求項と以下の記載とを熟読することによって、明らかになるであろう。当業者であれば、本発明の様々なフィーチャが、以下の記載にはない実施例を作るために組み合わされることもできることを理解するであろう。
本発明の好適実施例は、添付図面を参照して、以下で詳細に記載される。
半導体ワイヤ及びカーボンナノチューブは、良く知られている気相-液相-固相法（vapor-liquid-solid (VLS) process）を使用することによって成長されることができる。この製法は、典型的には、４００ないし８００℃の温度範囲において実施される。前記のようなＶＬＳ法は、小さい金属粒子を、更なる成長のための核として使用している。十分に小さい金属粒子を使用する場合、ワイヤの直径は、１０ｎｍよりも小さくされることができる。代替的な取り組みとして、半導体ワイヤ及び金属が、室温における電気化学製法を使用することによって適切なテンプレート内に堆積されることができる。いずれかの製法において、又は前記のような２つの製法を組み合わせることによって、例えば、ｎ及びｐ型の半導体材料から成る、又はヘテロ接合を呈する、セグメント化されたワイヤが成長されることができる。高密度の半導体ワイヤが必要である場合、適切なテンプレートが使用されることができる。アルミニウムの電気化学的酸化（electrochemical oxidation）、即ち陽極酸化（anodization）が、適切な条件における場合、高度に規則的な多孔性アルミナを生じることで知られている。典型的には、このような孔は、自身が配されている基板の表面に垂直である。前記孔の直径は、高度に均一なものであり、一般に、約５ｎｍから３００ｎｍまで変化されることができる。例えば、電子線（e-beam）又はインプリンティングを使用することによるような、局所的な表面の前処理によって、前記孔は、横に並べられることができる。トラックエッチングされた膜のような、代替的なテンプレートが、陽極酸化されたアルミナの代わりに使用されることもできる。本発明は、適切な気相からの触媒成長又はテンプレートにおける電気化学成長に基づく作製と、圧電材料内へのナノワイヤを埋め込みとの方法を提供する。前記ナノワイヤについては、如何なる半導体の種類（ＩＶ、ＩＩＩ−Ｖ又はＩＩ−ＶＩ族）の材料も使用されることができる。
図１は、ナノワイヤがどのようにして成長されることができるかの例を示している。陽極酸化された酸化アルミニウムのテンプレート１０１が、基板１０２の伝導層１２０上に配されている。前記テンプレートの孔１０３は、ＶＬＳ半導体ワイヤの成長のための触媒としての、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉ等のような、金属堆積１０４によって部分的に充填されている。標準的なＶＬＳ成長又は電気化学堆積は、ＣｄＳｅ、Ｓｉ又はＩｎＰのような、半導体材料１０５を堆積させるのに使用されることができる。前記のようなワイヤ成長の間の成長条件を変化させることにより、例えば、ｐｎ接合又はヘテロ接合を有するセグメント化されたワイヤ１０６が、成長されることができる。部分的に充填された孔は、適切な接続用金属１５０によって（例えば、電気化学的に）更に充填されることができる。この後、前記酸化アルミニウム（アルミナとしても知られている）は、１ＭのＫＯＨにおいて前記テンプレートをエッチングすることにより、又は、前記テンプレートを、４％のＨ３ＰＯ４若しくは１．５％のＣｒＯ３において部分的にエッチングすることにより取り除かれ、この結果、前記ワイヤの少なくとも上部は、もはや、前記のようなアルミナ内に埋め込まれていない。従って、自立型のナノワイヤが、エッチング処理によって作られる。次いで、前記上部は、例えば、ソルゲル合成によって、ＢａＴｉＯ２又はＰＺＴのような、圧電材料１０７内に埋め込まれる。前記圧電材料によって作られる層は、パターニングされることができ、この結果、個々のワイヤ又はワイヤの局所的な小さいグループは、アドレス指定されることができる。この埋め込み処理の前又は後に、前記層の前記上部は研磨され（これは、破線１０８によって示されている）、電気接触子（図示略）が、該研磨された上部に堆積される。少なくとも前記のような上部の金属は、ワイヤと圧電材料とが別々にアドレス指定されることができるように、パターニングされていなければならない。前記ナノワイヤは、本発明の一実施例において、誘電体の薄い層によって部分的に又は完全に覆われることもできる。前記圧電材料（又は少なくとも前記圧電材料の前記のような接触子）がパターニングされていない場合、全てのワイヤが、同時に影響を受ける。このことは、ＬＥＤ型の発光体の場合において許容可能なことであるが、他の電子的用途においては、前記のような半導体ワイヤの特性を局所的に変化させなければならないと同時に、他のものに影響を与えてはならない。
Ａｕのパターンが、（例えば、リソグラフィ法を使用する薄いＡｕ薄膜のパターニングによって、又はコロイド状のＡｕ粒子を堆積させるためのセルフアセンブリ法を使用することによって）Ｓｉ上に直接的に堆積される場合、前記のようなＶＬＳ法は、前記Ａｕ粒子の位置にワイヤを局所的に成長させるのに使用されることができる。Ｓｉ（１００）及びＳｉ（１１１）上のＧａＰ、ＧａＡｓ及びＩｎＰのエピタキシャル成長が上述されたが、ＧａＮも、様々なサファイア面（例えば、Ａｌ２Ｏ３（００１）、Ａｌ２Ｏ３（２‐１０）、Ａｌ２Ｏ３（１００）、Ａｌ２Ｏ３（１０１））上でエピタキシャル的に成長された。前記のようなワイヤと前記基板との間のエピタキシャル関係は、当該ワイヤの向き及び当該ワイヤの（底部の）接触に好適なものである。この方法によって、前記基板の表面における自立ワイヤが生じ、更なる処理が、他の実施例に記載されるように実施されることができる。
図２は、本発明の一実施例を示しており、圧電材料２０７が、ナノワイヤ２０６の周りの薄い層として堆積されている。前記ナノワイヤは、図１と関連して記載されるように成長されている。この詳細な実施例において、前記ナノワイヤは、金属２０９で上部を覆われて（topped）いる。このワイヤは、例えば、スパッタエッチングと組み合わされたスパッタリング堆積又は化学気相蒸着によって、良好なステップカバレッジを有して圧電材料の層によって覆われている。このワイヤの間の領域は、次いで、誘電材料２１０によって充填される。前記のような層の上部が研磨され（これは、破線２０８によって示されている）、電気接触子（図示略）が、前記研磨された層上に堆積される。
図３は、本発明の他の実施例を示しており、圧電材料３０７が、基板３０２の伝導層３２０上に配されている。この後、ナノワイヤ３０６が、この上に堆積され、金属のソース及びドレイン電極３１１の形態における電気接触子が、ナノワイヤ３０６に設けられる。次いで、圧電材料の他の層３１２が、ナノワイヤ３０６上に堆積されることができ、この結果、前記ナノワイヤは、圧電材料３０７、３１２内に埋め込まれる。次いで、上部電極３１３が、前記圧電材料をアドレス指定するために局所的に設けられる。圧電材料３１２の前記のような上部層が使用されない場合、前記上部電極は、圧電材料３０７に設けられる。第２の層３１２の結果として、前記ナノワイヤは、「全周（all-around）」に駆動されることができ、このことは、印加される応力の効果を増大させる。電圧Ｖが、電極３１３を介して圧電材料３１２に印加される場合、前記圧電材料は、局所的な伸張を被り、ナノワイヤ３０６は、可逆的に応力に晒される。この結果によるナノワイヤ３０６のバンドギャップの変化は、前記ナノワイヤの電気的特性が変化されるようにする。
本発明は、本発明の特定の例示的な実施例を参照して記載されているが、当業者であれば、多くの異なる代替的なもの及び変形等は明らかになるであろう。従って、上述の実施例は、添付請求項によって規定されている本発明の範囲を制限するものではない。
陽極酸化された酸化アルミニウムのテンプレートが基板の伝導層上に配されており、ナノワイヤがどのように成長されることができるかの例を示している。 圧電材料が、前記ナノワイヤの周りの薄い層として堆積されている、本発明による実施例を示している。 ナノワイヤ及び圧電材料が基板の伝導層上に配されている、本発明の他の実施例を示している。

Claims (8)

  1. − 少なくとも１つの半導体ナノワイヤと、
    − 圧電材料と、
    − これを介して前記圧電材料を変形させるための電圧が印加されることができる、前記圧電材料に配された電極と、
    を有する、エネルギバンドギャップが電気的に変化されることができる半導体装置であって、前記少なくとも１つの半導体ナノワイヤが、前記圧電材料と機械的に接触しているように配されており、前記のような変形は、前記少なくとも１つの半導体ナノワイヤに応力を印加し、これにより前記半導体ナノワイヤの前記エネルギバンドギャップを変化させる、半導体装置。
  2. 前記少なくとも１つの半導体ナノワイヤが圧電材料内に埋め込まれている、請求項１に記載の半導体装置。
  3. セグメント化されている複数の半導体ナノワイヤを有している、請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 誘電体の層が、前記少なくとも１つの半導体ナノワイヤに設けられる、請求項１ないし３の何れか一項に記載の半導体装置。
  5. 電気接触子が前記少なくとも１つの半導体ナノワイヤに配されている、請求項１ないし４の何れか一項に記載の半導体装置。
  6. 並列に配された複数の半導体ナノワイヤを有しており、前記半導体ナノワイヤの間の領域は、誘電材料によって充填されている、請求項１ないし５の何れか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記圧電材料が配されている伝導層を持つ基板を更に有する、請求項１ないし６の何れか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記少なくとも１つの半導体ナノワイヤが発光ダイオード内に含まれており、この結果、前記半導体ナノワイヤのエネルギバンドギャップを変化させることにより、前記発光ダイオードから発せられる光の色が変化される、請求項１ないし７の何れか一項に記載の半導体装置。
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