JP2009078942A - ＺｎＯナノロッドの堆積方法 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。
W.I.Park, et al., J.Phys. B 110, 1516 (2006)

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 基板に対する制御温度を時系列的に示した図である。 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。 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。 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

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

Claims (4)

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。
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。
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。
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。