JP2015528780A - 同心流反応装置 - Google Patents

Abstract

反応チャンバと第１入力部と第２入力部とを含む気相ナノワイヤ成長装置。第１入力部は、第２入力部の中に、同心に位置し、第１入力部及び第２入力部は、第２入力部から配送される第２流体が、第１入力部から配送される第１流体と反応チャンバの壁との間に、シースを与えるように構成される。

Description

本発明は、ワイヤの形成及び特に基板の非存在下でのワイヤの気相合成に関する。

通常、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノウイスカーなどと呼ばれ、典型的には半導体材料を含む小さな細長い物体は、これまで以下の方法の何れかを用いて合成されている：
−例えばアリヴィサトらによる米国特許出願公開第２００５／００５４００４号明細書に開示されるコロイド化学の手段を用いた液相合成、
−それぞれ国際公開第２００４／００４９２７号及び国際公開第２００７／１０７８１で、サムエルソンらの研究の提示によって開示される触媒粒子を含む、又は含まない基板からのエピタキシャル成長、又は、
−リーバーらによる国際公開第２００４／０３８７６７ Ａ２によって開示されるレーザ支援触媒成長の手段による気相合成。
これらの方法を用いて得られたワイヤの特性は、以下の表で比較される。

結果として、合成方法の選択は、異なるワイヤの特性と生産のコストとの間の譲歩である。例えば、基板ベースの合成は、有利なワイヤの特性を提供する。しかしながら、ワイヤはバッチで形成されるため、プロセスの拡張性ひいては生産コストとスループットが限られる。

ある実施形態は、反応チャンバと第１入力部と第２入力部とを含む気相ナノワイヤ成長装置に関する。第１入力部は、第２入力部の中に、同心に位置し、第１入力部及び第２入力部は、第２入力部から配送される第２流体が、第１入力部から配送される第１流体と反応チャンバの壁との間に、シースを与えるように構成される。本明細書で使用される「同心」という言葉は、「共通の中心を有する」という一般的な意味を有する。それゆえ、同心のＡｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭ反応装置は、円筒形状（例えば、ガスの流れ方向に垂直な円形断面を有する）から、楕円筒形状（例えば、ガスの流れ方向に垂直な楕円形の底面及び断面を有する円筒）や、例えば、直方体、角柱又は直角平行六面体とも呼ぶことができる箱状である任意の多面体形状までの、任意の形状とすることができる。

別の実施形態は、ナノワイヤを製造する方法に関する。方法は、第１ガス流を反応チャンバに供給する工程であって、第１ガス流は、ナノワイヤの製造のための第１前駆体を含む、工程と、第２ガス流を反応チャンバに供給する工程であって、第２ガス流は、第１反応チャンバの壁から、第１ガス流を分離するためのシースを形成する、工程とを含む。方法は、反応チャンバで、気相で、ナノワイヤを成長する工程もまた有する。

別の実施形態は、上述の装置と、第１入力部に流体接続された第１流体容器と、少なくとも第２入力部に流体接続された第２流体容器と、を含むナノワイヤ成長システムに関する。例えば３つ以上の入力部及び容器などの、２つよりも多い入力部及び容器を用いうる。

図１は、従来技術のａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の概略図。 図２Ａは、実施形態に係るａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の概略図。 図２Ｂは、低いコア流を有する実施形態で動作する図２Ａのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の概略図。 図２Ｃは、高いコア流を有する実施形態で動作する図２Ａのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の概略図。 図２Ｄは、吸気口でコア流とシース流が一致し、排気口でコア流と比較して低いシース流を有する実施形態で動作する図２Ａのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の概略図。 図２Ｅは、排気口でコア流とシース流が一致し、吸気口でコア流と比較して低いシース流を有する実施形態で動作する図２Ａのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の概略図。 図２Ｆは、ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置がスタックされたａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤシステムの概略図。 図２Ｈ及び２Ｇは、図２ＡのＡ−Ａ’線に沿った水平断面図。 図２Ｈ及び２Ｇは、図２ＡのＡ−Ａ’線に沿った水平断面図。 図２Ｉは、別の実施形態に係るａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の水平断面図。 図３Ａは、別の実施形態に係るａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の概略図。 図３Ｂは、別の実施形態に係るａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の概略図。 図４Ａは、別の実施形態に係るａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の概略図であり、 ４Ｂは、４Ａのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の熱転送構成要素の平面図。本実施形態の要素は、図２Ａに示される実施形態と組み合わせられうる。 図５は、図４Ａのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置の抽出部分の概略図。 図６は、ある実施形態に係るａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長システムの概略図。 図７Ａは、別の実施形態に係るａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長システムの概略図であり、 図７Ｂは、図７Ａの実施形態の変化の概略図。 図８Ａは、図１の装置によって作られたナノワイヤの長さの分布を示すヒストグラムであり、 図８Ｂは、図２の装置に関して、シミュレートされた分布データのプロットであり、 図８Ｃは、図２Ａに係る実現された反応装置で成長させたナノワイヤの実際の分布データのプロット。 図９Ａは、トリメチルガリウムの拡散速度を示すシミュレーションであり、 ９Ｂは、１秒間の５０ｎｍの金粒子の拡散速度を示すシミュレーションであり、 ９Ｃは、２００秒間の５０ｎｍの金粒子の拡散速度を示すシミュレーション。 図１０は、ある実施形態に係るｐｎ接合を含むナノワイヤの軸方向の成長の概略図。 図１１は、ある実施形態に係るｐｎ接合を含むナノワイヤの放射状／中心部―外殻部成長の概略図。 図１２は、基板上にエアロタキシャル成長したナノワイヤを堆積する方法の概略図。 図１３は、基板上にナノワイヤを配向する方法の概略図。

制御された寸法を有するナノワイヤを成長させるために、単結晶基板上に核生成し、ナノワイヤを成長させるのが従来である。ナノワイヤは、例えば２〜５００ｎｍ又は１０〜２００ｎｍなど、直径又は幅１μｍ未満のナノスケール構造を有する。しかしながら、長さは、１μｍよりもはるかに大きくてもよい。本発明者らは、単結晶基板を用いる必要のない、気相／エアロゾル相での制御された寸法を有するナノワイヤの成長方法を開発した。気相中でナノワイヤを成長させるための先行する方法は、クナノ・アーベーに譲渡され、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる国際公開第１１／１４２７１７号（７１７公報）に記載されている。ナノワイヤは、７１７公報に記載された方法及び装置によって成長させることができるが、これらの方法によるナノワイヤの成長が経時的に安定ではないため、これらの方法および装置は、所望の大きさよりも広い範囲の大きさを有するナノワイヤを生成する傾向がある。本発明者らは、反応装置壁の状態が、ナノワイヤの成長に著しく影響しうると判断し、これらの状態は経時的に大きく変化し時間とともに不均一なナノワイヤの成長につながりうると判断する。７１７公報に記載された方法及び装置によって成長させたナノワイヤの大きさのばらつきは、１５分のオーダーの時間スケールで現れうる。

ナノワイヤの成長のばらつきの原因となるのに加えて、反応装置の壁は一般的にまた前駆体ガスの利用効率を下げる。これは、反応装置壁と反応し、壁にナノワイヤ材料の堆積物を生成する前駆体ガスの性質が原因である。これらの堆積物は、反応装置の表面化学を徐々に変化し、成長状態に経時的なばらつきをもたらし、その結果として、生産されるナノワイヤにおいて、修理が必要となる前に連続生産のために反応装置を使用しうる間の期間を減少させる。

壁の影響に付け加えて、７１７公報に記載された反応装置及び方法を使う場合、通常これらの方法で使用されるガスの流れの状態に起因して、さまざまなナノワイヤの大きさが生成されうる。一般的に、ガスは非理想的な流れの状態のもと、反応装置に供給される。「非理想的」な流れの状態は、対流、混合及び乱流を含み、予想不可能であり、初期状態又は境界状態の小さな変化によって流れの軌道に大きな変化が起きる任意の流れの状態を意味するものとして本明細書で定義される。さらに、炉内の温度勾配は非理想性を増大させる対流を生成する。反応装置内の個々のナノワイヤは、滞留時間及び温度などの広範囲のプロセス状態を経験し、その結果として非理想的な流れの状態のせいで広範囲のナノワイヤの大きさを生じる。

さらに、前駆体ガスが層流状態下で７１７公報の反応装置に供給される場合でも、成長するナノワイヤが反応装置内の広範囲の温度及び／又は滞留時間をなおも経験することを研究は示している。例えば、壁に隣接するガスの流れを遅くする反応装置壁の粘性効果に起因して、反応装置の中心を流れるナノワイヤは反応装置壁に近いナノワイヤよりも反応装置の中で費やす時間が短い。このため、反応装置の中心を流れるナノワイヤは、反応装置の壁に隣接して流れるナノワイヤよりも小さく／短くなる。

図１は、７１７公報の方法において使用される反応装置１００の例を示す図である。反応装置１００は、例えばシリンダやパイプ、導管などの単一の入力部１０２と、例えばシリンダやパイプ、導管などの単一の出力部１０４とを有する。すべての反応ガス、ドーパントガス及び触媒種粒子（もし使用する場合）は、入力部１０２を通じて反応装置１００に供給され、出力部１０４を通じて反応装置１００から除去される。反応装置１００に入ると、ガスの一部は、反応装置１００内のエッジ効果に起因して角に渦１０６を形成する。これらの渦は、反応装置１００内のガスの流れに非理想性を生成又は加える。一般的に、反応装置１００は、反応装置１００内に反応帯１１０を作り出す１つ以上のヒーター（不図示）を有する。反応帯１１０は、前駆体（群）の分解を引き起こし、気相中でナノワイヤの成長を促進するために十分に高温な反応装置１００の領域である。

上述したように、反応装置１００の壁は、反応装置１００を通り抜けるガスに粘性力を及ぼし、その結果、反応装置１００の壁に隣接して通り抜けるガスは、反応装置１００の中心を通り抜けるガスよりも、遅い速度を有する。反応装置１００内のガスの相対速度は、流れルート１０８で示される。上述したように、反応装置１００の壁に隣接してゆっくり動く前駆体ガスは、反応装置１００の壁と反応し、堆積物１１２を生成しうる。

本発明の好ましい実施形態において、流れのコア部分での流れ状態、温度状態及びガス濃度状態のばらつきを低減するために同心状の流れが使われる。層流である場合でさえも粒子が様々な速度で通り抜ける７１７公報と比較して、触媒ナノ粒子をコア領域（シース流の内部）に閉じ込めることによってすべての粒子が実質的に同様の処理履歴を有する。反応装置２００において、ガス速度が反応装置の断面（すなわち流れ方向に対して垂直な断面）全体で同じになる“栓”流状態を最初に与えるようにコア流とシース流とが合致されうる。流れが反応装置を通って進むにつれて、表面抗力がガスの最も外側の部分を遅くする。反応装置２００の長さによって、流れは、放物線状の速度分布を有する層流に十分に発展するための時間を有するかもしれないし、有さないかもしれない。理想的な栓流状態は、シースガスを均一に引くように反応装置の抽出部分（例えば以下に示す外側出力部分２０４Ａ）を設計することによって部分的に維持できる。完全な層流の場合でさえ、コア領域は小さな速度分布を有し、ひいては触媒粒子の小さな範囲の通過時間を有することになる。

更に、シース流は、反応装置２００の側壁への材料の堆積を低減し、さらに重要なことには壁からコア流への材料の逆拡散を除去し、反応装置容量と反応装置壁との間に最小限のクロストークが存在することを保証する。これによって、時間におけるプロセスの安定性も向上し、より良い生成物と、より長いメンテナンス間隔につながる。

図２Ａに、本発明のある実施形態に係るＡｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長反応装置２００を示す。Ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭは、クナノ・アーベーの商標であり、気相ナノワイヤ成長プロセスを指す。反応装置２００は筐体２０１（例えば、ＣＶＤ反応管）を含み、筐体２０１は好ましくは垂直に配されるが、水平に配されてもよい。反応装置２００はまた、反応帯２１０への外側入力部２０２Ａ及び内側入力部２０２Ｂと、反応帯２１０からの外側出力部２０４Ａ及び内側出力部２０４Ｂとを含む。望ましくは、内側入力部２０２Ｂは、中心から例えば１〜２５％、また例えば１〜１０％離れていてもよいが、内側入力部２０２Ｂは、外側入力部２０２Ａ内に同心円的に位置する。外側入力部２０２Ａ及び内側入力部２０２Ｂは、反応装置２００の反応帯２１０への吸気開口部であってよく、シリンダ、ホース、パイプ又はマニホールドのような任意の適切なガス又はエアロゾル配送導管に接続されうる。例えば、外側入力部２０２Ａが不活性ガス吸気導管２０６Ａに接続され、内側入力部２０２Ｂが前駆体吸気導管２０６Ｂに接続されてもよく、内側出力部２０８Ｂが内側出力導管２０８Ｂに接続され、外側出力部２０８Ａが外側出力導管２０８Ａに接続されてもよい。望ましくは、外側入力部２０２Ａから配送される第２流体が、内側入力部２０２Ｂから配送される第１流体と反応チャンバ２００の壁２０１との間にシースを与えるように、内側入力部２０２Ａ及び外側入力部２０２Ｂが構成される。これは、例えば、望ましくは層流状態で第１流体及び第２流体を供給することによって、及び／又は反応装置２００を通り流れるときに第１ガス流及び第２ガス流（図２に矢印によって示す）の混合がガス流の間の界面で存在するとしても、第１ガス流が反応帯２１０に滞在する間に反応装置２００の壁に実質的に接触しない（例えば、０〜５体積％が壁に接触する）ようなシース（第２）ガス流の厚さとなるように、外側入力部２０２Ａが内側入力部２０２Ｂよりも十分な広さ（例えば５０〜５００％）を有することによって、達成しうる。層流又は栓流のもとで、コア流の線は、反応装置壁にぶつからないだろう。この場合、シースは、壁とコア流との間でのガスの拡散を防ぐ。

内側入力部２０２Ａ、外側入力部２０２Ｂ、及び反応装置２００を構成するときに考慮しうる他の要因は、境界状態として説明されてよい。第１境界状態２２０は、重力に関連した反応装置２００の配置に関する。望ましくは、反応装置２００は、反応装置２００での流れの方向が、実質的に重力と平行（例えば、重力に対して０〜１０％の範囲で平行）であるように配置される。このように、反応装置２００を通るガスの流れを横断する混合流を引き起こすように重力が作用することはない。ガスの流れが重力の方向に、例えばガス流が反応帯２１０を通って、反応帯２１０の底に位置する出力部に「降りて」流れるように、ガス入力部が反応帯２１０の上に位置するように構成されてもよい。あるいは、ガスの流れが重力に逆らってもよく、例えばガス流が反応帯２１０を通って、反応帯２１０の上に位置する出力部に「登って」流れるように、ガス入力部が反応帯２１０の底に位置してもよい。

第２境界状態２２２は、反応装置２００からのシースガスの均一な抽出の設定である。シースガスが反応装置２００の反応帯２１０から均一に抽出されるように外側出力部２０４Ａを構成することによって、反応装置２００の出力端での非理想性が最小化又は除外されうる。対応する第４境界状態２２６は、反応装置２００の反応帯２１０へのシースガスの均一な導入の設定である。外側入力部２０２Ａのガスの均一な導入で、反応帯２１０の入力端での及び反応帯２１０を通じた非理想性が最小化又は除外されうる。結果として生じる反応装置２００を通る均一な流れは、“栓”流として説明しうる。

第３境界状態２２４は、反応帯２１０での均一なガスと壁との温度である。例えば５％よりも小さい、例えば０〜５％の相違のように壁温度及びガス温度を均一にすることによって、反応帯２１０において、対流の発生を低減又は除外することができる。この結果、反応装置２００内に非理想的な流れの状態を生成する可能性が低減する。第５境界状態２２８は、吸気口２０４Ａに接続される外側吸気導管２０６Ａの第１加熱帯２１２で制御された温度勾配を維持する設定である。導管２０６Ａに隣接して位置するヒーター（群）２１４を用いて第１加熱帯２１２で、シースガスの温度が所望の反応温度に上昇されてもよい。以下でより詳細に説明するように、第１前駆体ガス及びオプションの触媒粒子は、第２ヒーター２１６を用いて所望の反応温度に加熱されてもよい。あるいは、反応帯２１０に入る入口のポイントまでに前駆体ガスが能動的に冷却されてもよく、この場合、装置２１６は冷却装置である。したがって、装置２１６を、温度制御装置（すなわち、ヒータ及び／又は冷却器）と呼ぶことが可能である。更に、反応帯２１０は、１つ以上のヒーター２３０を用いて加熱されてもよい。ある実施形態において、複数のヒーター２３０が反応帯２１０に沿って位置する。これらのヒーター２３０は、独立に制御されるように構成されてもよく、それによって、反応装置２００内に２つ以上の反応帯２１０を確立しうる。

外側入力導管２０６Ａを経由して外側入力部２０２Ａに不活性ガスが供給されうる。内側入力導管２０６Ｂを経由して内側入力部２０２Ｂに１つ以上の半導体ナノワイヤ前駆体ガスが供給されうる。反応装置２００は、成長基板又は堆積基板を反応帯に含まず、その代わりに、ナノワイヤは、内側出力部２０４Ｂを経由して内側出力導管２０８Ａから回収され、その後、基板上に堆積される。加えて、本出願の方法によって成長したナノワイヤは、成長のためのレーザの支援を必要としない。

ナノワイヤおよび未反応の前駆体ガスは、内側出力部２０４Ｂを介して回収されうるが、反応装置２００の反応帯２１０を出るシースガスは、外側出力部２０４Ａを介して回収されうる。もし不活性ガスがシースガスとして使用されるならば、いくらかの未反応の前駆体ガスは、反応装置２００内で不活性ガスと混合し、外側出力部２０４Ａを経由して出うる。この未反応の前駆体ガスは、不活性シースガスから分離されてもよく、反応装置２００内での後の使用のためにリサイクルされうる。

上述したように、本実施形態又は以下の実施形態のガス流の１つ以上にオプションの触媒粒子が供給されうる。触媒材料は、金、銀、銅、鉄、ニッケル、ガリウム、インジウム、アルミニウム及びこれらの合金を含むが、これらに限定されるものではない。触媒粒子は、単元素又は２以上の元素の組み合わせ（例えば合金）で構成されてもよい。更に、触媒粒子は、電荷なしで与えられてもよいし、又は触媒粒子は、電荷を与えられてもよい。触媒粒子は、上流のエアロゾル生成器によって生成されたエアロゾルの形態で供給されてもよい。あるいは、触媒粒子は、触媒（例えばガリウム）粒子を形成するように反応又は分解するガス状の前駆体（例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ））を供給することによって、その場で形成されてもよい。不活性ガスが反応装置壁２０１に沿って外側シース又は外側シリンダを形成し、触媒粒子エアロゾルが外側シースの内側の中間シース又は中間シリンダを形成するか又はこれに供給され、ナノワイヤの前駆体（群）が中間シース内の内側ガス流を形成し、内側ガス流がその中でナノワイヤを成長させるように中間シース内の触媒粒子と相互作用する。加えて、外側入力導管２０６Ａに前駆体ガスの１つ以上が供給されてもよく、このようにして触媒粒子の流れに拡散することが可能になる。

本明細書で使用される「同心」という言葉は、「共通の中心を有する」という一般的な意味を有する。それゆえ、同心のＡｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭ反応装置は、円筒形状（例えば、ガスの流れ方向に垂直な円形断面を有する）から、楕円筒形状（例えば、ガスの流れ方向に垂直な楕円形の底面及び断面を有する円筒）や、例えば、直方体、角柱又は直角平行六面体とも呼ぶことができる箱状である任意の多面体形状までの、任意の形状とすることができる。ガスの流れ方向に対して平行または垂直の任意の多角形断面形状の有する箱形状（例えば、五角形、六角形等の形状の、ガスの流れ方向に垂直な断面）以外の多面体形状もまた、本明細書で説明する機能をほとんど変更することなく用いることができる。これらの構成の両極端は、図２Ｇに示すような、基本的に柱状のコア流と１つ以上の円筒形のシース流とを有する円筒形の反応装置と、図２Ｈに示すような、直方体形状の反応装置の厚さが、ガスの流れ方向に垂直な面における直方体の長さよりも、少なくとも２倍小さい、例えば少なくとも２倍、例えば２〜１０００倍、又は例えば５〜５０倍、又は１０〜１００倍小さい平らな箱型形状の構成である。図２Ｈでは、入力部２０２Ｂからのシート状に形成されたコア流の有する厚さは、その長さよりも少なくとも２倍、例えば５〜５０倍、又は１０〜１００倍小さい。コア流は、厚さ方向で入力部２０２Ｂの両側に位置する入力部２０２Ａからのシース流の２つの部分の間に挟まれている。エアロゾルが反応装置のエッジ付近に注入されていない場合、エッジ効果は最小限となり、厚さは長さよりも５〜１０倍小さくてもよい。あるいは、エッジの近くに注入されたエアロゾルがある場合、流れへのチャンバのエッジ効果が無視できるように、厚さは長さよりも５０〜１０００倍、例えば１００〜５００倍小さくてもよい。

図２Ｇの円筒型反応装置は、優れた流れの対称性を促進するが、図２Ｈの箱型の反応装置は、流れの領域間での原材料と触媒粒子との拡散と混合との割合になおも当てはまるように、横断する流れの寸法とその比率（ｐｕｌｐ／ｐｉｐ比率）を維持しながら大きな寸法に拡大可能である。コア流及びシース流への分割は図２Ａ〜２Ｆ、３Ａ〜５の例によって示されており、これらの図は、図２Ｇに示される円筒の断面と、図２Ｈに示される画像面の中／外への任意の拡張を持つ幅を広げた平らな直方体形状の断面とのうちの何れか、又はその間の任意の形状の断面を有するとみなされるべきである。

反応装置が、幅を広げた平らな形状（例えば図２Ｈ及び２Ｉの直方体形状）を有する場合、流れに関して、特に成長前駆体の注入に関して追加の自由度が導入される。例えば図２Ｉに示すように、ＩＩＩ族を含む分子（例えばトリメチルガリウム、ＴＭＧ）は、中央吸気口２０２Ｃからのエアロゾル種の触媒粒子の流れの一方の側に、吸気口２０２Ｂから注入されることができ、図２Ｉに示すように、Ｖ族を含む前駆体の分子（例えばＡｓＨ_３）は、厚さ方向において中央吸気口２０２Ｃからのエアロゾル種の触媒粒子の流れの他方の側に、吸気口２０２Ｄから注入されることができる。シース流は、厚さ方向において吸気口２０２Ａからみて装置内の外側の部分に注入される。触媒種粒子の存在する場所のみで成長の種が出会うことを可能にすることによって、均質の寄生の気相反応を更に低減することができる。なぜなら、これらの反応では、両方の成長の種が存在することが必要とされるからである。同じことが、寄生の壁の反応に成り立つ。

図３Ａは、本発明の別の実施形態によるａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長反応装置３００Ａを示す。本実施形態の反応装置３００Ａは、３つの入力部３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ及び３つの出力部３０４Ａ、３０４Ｂ、３０４Ｃを含む。３つの入力部３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ及び３つの出力部３０４Ａ、３０４Ｂ、３０４Ｃは、例えばシリンダ、ホース、パイプ、又はマニホールドなどの、任意の適切な配送導管又は抽出導管とのそれぞれの吸気開口部及び排気開口部であってもよい。例えば、外側入力部３０２Ａ、中間入力部３０２Ｂ、内側入力部３０２Ｃの３つのそれぞれは、外側導管３０６Ａ、中間導管３０６Ｂ、内側導管３０６Ｃのそれぞれ１つと接続される。シースガスは、最も外側の入力部３０２Ａに供給される。

別の実施形態において、図３Ａの３軸構造は、触媒粒子に前駆体が到着するタイミングの制御のために使われうる。例えば、触媒粒子はＩＩＩ族の前駆体（例えばＴＭＧ）と予備混合され、入力部３０２Ｃを通じて送られ、Ｖ族の前駆体（例えばＡｓＨ_３）は、シースガスと混合され、入力部３０２Ａを通じてチャンバ内に送られ、入力部３０２Ｂには、クリーンな（すなわち純粋な又は混合していない）シースガスが供給される。この方法では、触媒粒子は、拡散によって触媒／ＩＩＩ族のコア流に入るＶ族の前駆体（例えばＡｓＨ_３）に遭遇する前に、ＩＩＩ族の前駆体からのＩＩＩ族の金属と予備合金化される（例えば、ガリウムは金又は銀の触媒粒子と予備合金化される）。タイミングの違いは、入力部３０２Ｂへのクリーンなシース流の大きさによって制御される。ナノワイヤのドーピングにとって、入力部３０２Ｃ又は３０２Ｂへドーパント前駆体を注入することによって、触媒を予備合金化することが好都合でありうる。この概念は、流れと前駆体との他の組み合わせに容易に拡張される。図２Ｈ及び２Ｉに示す箱型又は平面的な構成では、コア流の両側に異なるガスを注入し、別の流れを用いることによって反応物の混合をさらに制御でき、コア流の両側に異なる設定のクリーンな中間シース流を用いることによってタイミングを独立に制御できる。

本実施形態の１つの態様において、中間入力部３０２Ｂに例えば金又は銀の粒子のような触媒粒子が供給されてもよい。触媒粒子は上述したように、個々の金属または合金を含んでもよい。好ましい態様において、触媒粒子は、上流のエアロゾル生成器によって生成されたエアロゾルの形態で供給される。

内側入力部３０２Ｃに１つ以上のナノワイヤ前駆体ガスが供給されてもよい。以下でより詳細に説明するように、成長するナノワイヤにドープするため、内側入力部３０２Ｃに１つ以上のドーピングガスも供給されてもよい。別の態様において、中間入力部３０２Ｂに前駆体とドーピングガスとが供給され、内側入力部３０２Ｃに触媒ナノ粒子が供給されてもよい。別の様態では、中間入力部３０２Ｂと内側入力部３０２Ｃとの一方に１つ以上の前駆体が供給され、中間入力部３０２Ｂと内側入力部３０２Ｃとの他方に第２の異なる前駆体が供給されてもよい。この態様において、触媒粒子は、中間入力部３０２Ｂおよび内側入力部３０２Ｃのいずれか又は両方に供給されてもよい。外側入力部３０２Ａに前駆体ガスの１つ以上も供給されてもよく、このようにして触媒粒子の流れの中に拡散することが可能になる。

前の実施形態と同様に、入力部３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃは、外側入力部３０２Ａから配送されるガスが前駆体ガス／触媒粒子エアロゾルと反応チャンバの壁との間にシースを与えるように構成される。このように、入力部（群）３０２Ａ、３０２Ｂからの中央のガスの蒸気内の成長するナノワイヤは、本質的に同じ時間長の間、本質的に同じプロセス状態を経験し、それによって、制御された寸法の狭い範囲を有するナノワイヤが成長しうる。反応帯３１０を出るシースガスは、外側出力部３０４Ａで回収される。未使用の前駆体ガス（群）及びナノワイヤは、中間出力部３０４Ｂ及び内側出力部３０４Ｃで回収される。例えば、中間出力部３０４Ｂでナノワイヤ及び廃棄ガスが回収され、内側出力部３０４Ｃで排気ガスが回収され、外側出力部３０４Ａで排気ガスが回収されてもよい。前の実施形態と同様に、シースガスに取り込まれた未使用の前駆体ガスを、シースガスから分離して再利用してもよい。

図３Ａの実施形態は、同心のａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長反応装置のいくつかの利点を示している。触媒粒子は比較的高い質量及び低い蒸気圧を有するため、その相互拡散に起因する混合は、きわめて遅く、そのためコアガス流に留まる。一方で、例えばＴＭＧ（及び、その熱分解されたＧａを含む反応物）などのＩＩＩ族の前駆体、及び例えばＡｓＨ_３などのＶ族の前駆体は、比較的高い気相拡散速度を有し、流れに垂直な面内で一定の濃度を確立する傾向がある。以下に説明するように、圧力及び流れの速度を調整することによって又は内側入力器を調整することによって、ＡｓＨ_３を導入する前に、均一に混合したＴＭＧ及び触媒粒子を含むコアの反応の流れを容易に確立できる。ＡｓＨ_３を導入することによって、核形成及びエピタキシャル成長を瞬時に開始することができ、均一な寸法の層及びナノワイヤの製造を容易にする。

平らな基板を用いた従来（非真空）のエピタキシーにおける原材料の使用率は、主に、寄生の壁反応と、寄生の気相反応と、及び大きな基板エリアにわたって均質な層の成長速度につながるフロー及び濃度のプロファイルを確立するための材料の相当の過剰使用とによって制限される。成長面における濃度は、流入ガスの流れと基板表面のエピタキシー成長面との間に形成された、いわゆる停滞層を通る気相拡散によって制限される。したがって、エピタキシー表面すなわち成長面での所望のエピタキシャル成長速度のために十分な原料の濃度に達するために、原料リッチな吸気の流れが必要とされる。流入する流れの濃度は、基板のエリアの範囲にわたって十分に一定であるために、成長面における濃度よりも、かなり高くする必要がある。同心のａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭは、成長面が（触媒粒子の形態で）ガス中に分散されており、それゆえ成長が拡散律速ではない点で基板での成長とは基本的に異なる。これは、平らな基板に関連する停滞層を本質的に取り除き、気相での反応につながることなく、平面エピタキシーに使用されるものよりも高い原料の濃度を可能にする。原料のガスの濃度を、成長面で必要なレベルに設定することができ、これによりガス中の未使用の原材料の割合が減少する。その上、同心のａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭでは、反応物が基板上を通過させられる従来の成長と異なり、エピタキシー成長面が反応物と共に運ばれ、原料の利用効率を向上する能力を更に伸ばす。反応装置の中心部に局所化された反応性の流れと高いガスの濃度の使用とによって、はるかに高い成長速度が達成される。経時的な原料ガスの消耗は、寄生の反応ではなく主に結晶成長に起因し、滞在時間、初期濃度、エピタキシャル反応速度及び反応装置内の位置の関数である。このすべては、成長原料（すなわち前駆体）の少なくとも１つの２０％から３０％の間の、そして望ましくは４０％又は５０％より上の高い原料の利用率と組み合わされて、前例のない高い成長速度を生み出す。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの原料の原料利用率は、６０％又は７０％よりも高く、例えば６０〜７５％である。したがって、例えばＧａＡｓナノワイヤ成長のためのＴＭＧ及びＡｓＨ_３のような少なくとも１つ、及び望ましくはすべての成長前駆体の利用率は、２０％から７５％の間、望ましくは４０〜７５％である。

図３Ｂは、本発明の別の実施形態によるａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長反応装置３００Ｂを示す。本実施形態では、前駆体は別々の吸気口を経由して供給され、望ましくは、シースガス流の流れによって互いに分割されている。本実施形態の反応装置３００Ｂは、４つの入力部３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、３０２Ｄ及び２つの出力部３０４Ａ、３０４Ｂを含む。したがって、反応装置３００Ｂは、図３Ａの反応装置３００Ａと比較して１つの追加の入力部３０２Ｄを有し、反応装置３００Ａと比較して出力部が１つ少ない。入力部及び出力部は、例えばシリンダ、ホース、パイプ又はマニホールドなどの任意の適切な配送導管又は抽出導管とのそれぞれの吸気開口部及び排気開口部であってもよい。例えば、４つの外側入力部３０２Ａ、外側中間入力部３０２Ｂ、内側中間入力部３０２Ｃ、内側入力部３０２Ｄのそれぞれは、外側導管３０６Ａ、外側中間導管３０６Ｂ、内側中間導管３０６Ｃ、内側導管３０６Ｄのそれぞれ１つと接続される。

シースガスは、最も外側の入力部３０２Ａ及び隣接する外側中間入力部３０２Ｄに供給される。内側入力部３０２Ｃに例えば金又は銀の粒子である触媒粒子が供給される。触媒粒子は上述したように、個々の金属または合金を含んでもよい。好ましい態様においては、触媒粒子は、上流のエアロゾル生成器によって生成されたエアロゾルの形態で供給される。

内側中間入力部３０２Ｂへ１つ以上のナノワイヤ前駆体ガスが供給されてもよく、外側入力部３０２Ａへシースガスとともに別の１つ以上のナノワイヤ前駆体ガスが供給されてよい。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体ナノワイヤ、例えばＧａＡｓナノワイヤの成長のために、例えばＴＭＧなどのＩＩＩ族の前駆体ガスが内側中間入力部３０２Ｂへ供給され、例えばＡｓＨ_３などのＶ族の前駆体ガスがシースガスと混合されるように外側入力部３０２Ａへ供給されてもよい。したがって、ＩＩＩ族の前駆体ガスが内側の触媒粒子の流れの周囲を流れる一方で、中央外側入力部３０２Ｄからのシースガス（例えば窒素）が装置内でＩＩＩ族前駆体ガスの流れとＶ族前駆体ガス（これはシースガスと混合される）の流れとの間にシースを与える。したがって、本実施形態において、それらの間に入力部３０２Ｄからの挟まったシースガスの流れに起因して、均一に混合されたＴＭＧと触媒粒子とを含む反応性のコア流を、ＡｓＨ_３がこの流れに混合される前に、容易に確立することができる。ＡｓＨ_３の流れが入力部３０２Ｄからの間にあるシース流を通って入力部の中心部の反応性の流れの下流へ貫通するとき、核形成及びエピタキシャル成長が瞬時に開始されることができ、均一な寸法の層及びナノワイヤの製造を容易する。予備合金化された種粒子から良質なナノワイヤが選択的に成長することが、基板ベースのナノワイヤ成長の技術分野でよく知られている。成長前駆体の時間及び空間の分離は、例えば触媒金属粒子とＩＩＩ族前駆体からのＩＩＩ族金属との予備合金化（例えば、金およびガリウムの予備合金化）につながり、実質的に欠陥のないナノワイヤの成長を与える。１つの実施形態において、本明細書の他の箇所に記載されるように、予備合金化は、予備合金化のための時間の飛行を可能にするように、触媒粒子の入力部と少なくとも１つの原料元素（例えば、ＴＭＧなどのＩＩＩ族の前駆体）の入力部とを互いの近くに配置するか、及び／又は第２の前駆体（例えば、Ｖ族の前駆体）の入力部と比較して上流に配置することによって実行されうる。

以下でより詳細を説明するように、１つ以上のドーピングガスもまた、成長するナノワイヤのドープのために、入力部（群）３０２Ａ及び／又は３０２Ｂに供給されてもよい。未使用の前駆体ガス（群）及びナノワイヤは、外側出力部３０４Ａ及び内側出力部３０４Ｂに回収される。例えば、内側出力部３０４Ｂにナノワイヤ及び廃棄ガスが回収されてもよく、外側出力部３０４Ａに排気ガス及びシースガスが回収されてもよい。前の実施形態のように、シースガスに取り込まれた未使用の前駆体ガスを、シースガスから分離して再利用することができる。

図２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ及び２Ｅは、図２Ａのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００の動作方法の追加の実施形態を示す。具体的には、図２Ｂは、低いコア流で動作するとき（すなわち、コア流の速度は、シース流の速度よりも小さい）の、装置２００内の流体の挙動を示し、図２Ｃは、高いコア流で動作するとき（すなわちコア流の速度は、シース流の速度よりも大きい）の、装置２００内の流体の挙動を示す。装置２００内のナノワイヤの滞在時間は、中心部（吸気口２０２Ｂ）及びシース（吸気口２０２Ａ）領域の流れの量の制御によって影響されてもよい。シースの平均ガス速度がコア流（吸気口２０２Ｂ）よりも高くなるようにシースガス流（吸気口２０２Ａ）が増加した場合、図２Ｂに示すように、コア流のガスは加速し、コア流の流れの直径の収縮１４０２をもたらす。

逆の流れの状況が適用され、それによってコアガスの平均速度がシースガスのそれよりも高い場合、コアガスの流れ（及びそれに含まれる任意の触媒粒子）は拡大し、図２Ｃに示すように、コアガス流の流れの直径の拡大１４０４をもたらす。図２Ｂの状況は、反応装置２００内のナノワイヤの滞在時間の減少をもたらし、一方で図２Ｃに示す状況は、反応装置２００内のナノワイヤの滞在時間の増加をもたらす。第２ステージの反応装置への流れが第１ステージで使用される流れで直接決まるように反応装置が直列に配置された場合、このプロセスは、重要でありうる。この方法は、連続する反応装置における滞留時間が独立して制御されることを可能にする。

図２Ｄ及び図２Ｅは、シース流とコア流との間の非対称の入力及び出力の比の適用によって、中心部の反応性の流れがどのように拡大及び縮小することができるかを描く。図２Ｄは、吸気口でコア流とシース流とが一致し（すなわち同じ又は類似）、及び排気口でコア流と比較してシース流が低い場合の、装置２００内の流体の挙動を示している。排気口でコアガスの平均速度が、シースガスのそれよりも高い場合、そのときコアガスの流れ（及びそれに含まれる任意の触媒粒子）は拡大し、排気口２０４Ｂでコアガス流の直径の拡大１４０４をもたらす。

図２Ｅは、図２Ｄに示したものと逆のモードで動作するときの、装置２００内の流体の挙動を示している。図２Ｅにおいて、装置は、排気口で一致したコア流とシース流と、及び吸気口でコア流と比較して低いシース流である。吸気口でコアガスの平均速度が、シースガスのそれよりも高い場合、そのときコアガスの流れ（及びそれに含まれる任意の触媒粒子）は拡大し、吸気口２０２Ｂでコアガス流の直径の拡大１４０４をもたらす。

図２Ｆは、別の実施形態に係るａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００Ａ、２００Ｂを直列に接続したａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長システム１５００を示す。図示のように、ナノワイヤシステム１５００は２つの成長ステージを含み、すなわちシステムは、前の実施形態で説明した第１ステージの中心部の排気口が第２ステージの中心部の吸気口に接続される２つのナノワイヤ成長装置２００Ａ、２００Ｂを含む。

しかしながら、システム１５００は、例えば３つ以上のステージなど、ナノワイヤ成長装置／ステージを任意の数、有してもよい。更にシステム１５００は、本明細書において説明したナノワイヤ成長装置２００、２００Ａ、２００Ｂ、３００Ａ、３００Ｂ、４００の実施形態の任意のものを含んでもよい。加えて、システムはナノワイヤ成長装置２００、２００Ａ、２００Ｂ、３００Ａ、３００Ｂ、４００の任意の組み合わせを含んでもよく、さらに／又は装置の全てが同じ実施形態のものであるスタックを含んでもよい。したがって、例えば、システム１５００は、シース流よりも高いコア流を有する反応装置（群）２００Ａ、及び／又はシースからよりも低いコア流を有する反応装置（群）２００Ｂの任意の組み合わせで構成されてもよい。更に、異なる相対的な流れの速度を有する反応装置をスタッキングすることによって、システムは、コア流の大きさを更に変化させるためにベンチュリ効果を活用してもよい。

望ましくは、システム１５００は、スタック内の隣接するナノワイヤ成長装置２００、２００Ａ、２００Ｂ、３００Ａ、３００Ｂ、４００の間にギャップを含み、当該ギャップを通って供給導管（例えば５０４Ｂ１、５０４Ｂ２）及びガス排気口（例えば４４０）が備えられうる。例えば、供給導管５０４Ｂ１は、第２反応装置２００Ｂの外側入力導管２０６Ａにシースガスを供給するように構成されてもよいし、供給導管５０４Ｂ２は第２反応装置２００Ｂの内側入力導管２０６Ｂに前駆体（群）及び／又は触媒粒子を供給するように構成されてもよい（例えば反応装置２００Ａ、２００Ｂの間のコア流の領域及び／又は場所まで延びる）。それぞれのステージで、シースガス及びシースガスに取り込まれた前駆体ガス（すなわち廃棄ガス）は、ガス排気口４４０、４４０Ａを用いて除去してもよい。このように、新しい前駆体ガス及びシースガスがそれぞれの新しいステージで供給されてもよく、そして古いシースガス及び廃棄ガスは取り除かれる。加えて、ステージを垂直、水平又はその間の任意の組み合わせでスタックすることができる。ある実施形態では、スタック全体は、外側の筐体（不図示）に覆われている。

図４Ａ、４Ｂ及び５は、反応装置２００と類似するａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長反応装置４００の別の実施形態を示すが、それは追加の要素を含む。反応装置４００は、外側入力部４０２Ａ、内側入力部４０２Ｂ、外側出力部４０４Ａ及び内側出力部４０４Ｂを含む。シースガスは、以下でより詳細に説明する容器から、外側吸気導管４０６Ａに位置するシースガス吸気口４３２を経由して、外側入力部４０２Ａに供給される。触媒は、エアロゾル化され、内側入力導管４０６Ｂに位置する触媒吸気口４３４を経由して、内側入力部４０２Ｂに供給されてもよい。１つ以上の前駆体ガスは、前駆体吸気口４３６から内側入力導管４０６Ｂを経由して、内側入力部４０２Ｂに供給されてもよい。吸気口４３２、４３４、４３６は、例えばシリンダ、ホース、パイプ、又はマニホールドなどの任意の導管を含んでもよい。シースガス吸気口４３２は、外側入力導管４０６Ａ内に位置する。触媒エアロゾルの吸気口４３４及び前駆体の吸気口４３６は、前駆体吸気口４３６が触媒吸気口４３４よりも内側入力導管４０６Ｂの更に上部まで延びるように、内側入力導管４０６Ｂ内に位置する。シースガス、触媒エアロゾル及び前駆体ガスの温度は、１つ以上の熱電対４２０を用いて、外側入力部４０２Ａ及び内側入力部４０２Ｂと、外側入力導管４０６Ａ及び内側入力導管４０６Ｂとで監視されうる。

熱は、１つ以上のヒーター４３０で、外側入力導管４０６Ａ、反応帯４１０及び外側出力導管４０８Ａに供給されてもよい。内側入力導管４０６Ｂを加熱するために、熱は、反応装置４００の下側の部分に位置する熱転送要素４３８を経由して、外側入力導管４０６Ａから内側入力導管４０６Ｂに転送されてもよい。内側出力導管４０８Ｂから熱を抽出するために、熱は、反応装置４００の上側の部分に位置する転送要素４３８を経由して、内側出力導管４０８Ｂから外側出力導管４０８Ａに転送されてもよい。熱転送要素４３８は、図４Ｂに示すように、例えば、アルミニウム又は銅などの、高い熱伝導率の材料でできたディスクであってよい。外側入力導管４０６Ａの遠心端（反応帯４１０から最も遠い）には、熱保護材／熱絶縁体４１８（例えば、低い熱伝導率の材料）が設けられていてもよい。熱保護材／熱絶縁体４１８は、外側入力導管４０６Ａからの熱損失を低減し、それによって、外側入力導管４０６Ａの安定した温度勾配の維持を補助する。

外側入力導管４０６Ａは、円対称の栓流を保証する平衡圧力を与えるために、１つ以上のフリット又はフィルタを備えられうる。ある実施形態では、外側入力導管４０６Ａは、１つ以上の低空孔率の例えばフリット又はフィルタ４２４、及び／又は、１つ以上の高空孔率の例えばフリットまたフィルタ４２２を備えられうる。低空孔率のフリット又はフィルタ４２４は、例えば焼結されたステンレス鋼など、任意の適切な材料で作られうる。高空孔率のフリット又はフィルタ４２２は、金属又はセラミックウール又は例えばＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３又は金属ウールなどの織り繊維などの、任意の適切な材料で作られうる。

外側出力導管４０８Ａは、冷却環４２６を備えうる。冷却環４２６は、流体入力部４２８及び流体出力部４３０を有する。流体は、液体又はガスのどちらであってもよい。冷却環４２６は、外側出力導管４０８Ａから熱を抽出し、それによってシースガスを冷却する。加えて、上述したように熱転送要素４３８が外側出力導管４０８Ａに備えられている場合、熱は、内側出力導管４０８Ｂから抽出されてよく、それによって未反応の前駆体ガス（群）及びナノワイヤを冷却しうる。外側出力導管４０８Ａ及び内側出力導管４０８Ｂの温度は、１つ以上の熱電対４２０で監視されうる。

シースガスは、導管４０８Ａ及びガス排気口４４０を経由して外側出力部４０４Ａから取り除かれてよく、以下により詳細に説明する容器に送られうる。未反応の前駆体ガス及びナノワイヤは、内側排気口導管４０８Ｂから排気口４４２を経由して反応装置４００から取り除かれうる。

図５は、ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置４００の排気口部分のより詳細を示し提供する。望ましくは、排気口部分は、対称のガスの流れを維持するため、吸気口部分と基本的に同一である。高空孔率のフリット／フィルタ４２２及び低空孔率のフリット／フィルタ４２４は、筐体４４４内に組み立てられうる。筐体４４４は、例えばステンレス鋼又はモリブデンなどの任意の適切な材料で作られうる。高空孔率フリット／フィルタ４２２及び低空孔率フリット／フィルタ４２４を通り反応帯４１０から流れるシースガスは、シースガス排気口４４０に向かう途中で、外側出力導管４０８Ａに位置する、熱保護材４１８及び１つ以上の熱転送要素４３８を通過する導管又はパイプ４４８の中に送られる。ある実施形態において、熱保護材４１８及び１つ以上の熱転送要素４３８は、導管又はパイプ４４８に固定されたクランプ４５０によって、筐体４４４の上方の所定の場所に保持されうる。他の適切な締結する装置、例えばスクリュー、ボルト及びそれに似たものが、熱保護材４１８及び熱転送要素（群）４３８を所定の場所に保持するために使用されうる。

反応帯４１０の大きさは、外側入力部４０２Ａ及び内側入力部４０２Ｂ、内側出力部４０４Ａ及び外側出力部４０４Ｂを、上昇する又は下降する（範囲４４６で示される）、またはその両方をすることによって調整されうる。この調整は、例えばねじ又はレバー又は任意の他の適切な機構などのような調整機構４４５によって行われてもよく、調整機構４４５は、反応帯４１０からの出力部４０４Ａ及び４０４Ｂが上昇または下降されるように、内側入力導管４０６Ａ及び外側入力導管４０６Ｂ、及び／又は内側出力導管４０８Ａ、外側出力導管４０８Ｂ、又は外側出力導管４０８Ａの組立部４４０、４４２、４４４、４４８、４３８の上部キャップ４５２を上昇または下降する。あるいは、反応帯４１０の大きさは、反応管（吸気口導管２０６Ａ、２０６Ｂ及び排気口導管２０８Ａ、２０８Ｂ）、望ましくは外側導管２０６Ａ、２０８Ａを、異なる長さの反応管と交換することによって調整されうる。

図６は、ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長システム５００の実施形態を示す。図示のように、システムは、第１実施形態に係る３つのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃを有する。しかしながら、システム５００は、前述の実施形態のいずれかの１つ以上のａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００、３００Ａ、３００Ｂ、４００を有してもよい。図示のように、３つのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃは、直列に構成される。すなわち、第１ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００Ａを出たナノワイヤは、第２ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００Ｂに供給され、第２ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００Ｂを出たナノワイヤは、第３ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００Ｃに供給される。あるいは、以下により詳細に説明するように、ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置は、並列、又は直列及び並列の組み合わせで構成されてもよい。ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長装置２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの間の接続部５０８Ａ、５０８Ｂは、例えばパイプ、マニホールド、ホース又は任意の他の適切な接続部などの任意の適切な導管によって作られうる。最後的にナノワイヤは、導管５０８Ｃを経由して、抽出されうる。

別の実施形態では、触媒粒子の予備合金化のためだけに１つのａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭ反応装置を使用し、ナノワイヤ成長のために後続の反応装置を使用することによって、高度の制御で前駆体の注入の更なる分離を達成することができる。例えば、触媒粒子と、前駆体（例えば、ＴＭＧなどのＩＩＩ族の前駆体）の１つと、必要に応じてシースガスとだけが、予備合金化触媒粒子（例えば、Ｇａ−Ａｕ又はＧａ−Ａｇ予備合金化粒子などのＩＩＩ族−貴金属予備合金化粒子）を形成するために第１反応装置２００Ａの中に導入される。予備合金化粒子及び第１前駆体は、次に第２反応装置２００Ｂの中に、第１反応装置２００Ａから導入される。第２前駆体（例えばＡｓＨ_３などのＶ族の前駆体）及びシースガスもまた、第２反応装置内の予備合金化触媒粒子でナノワイヤの形成のために第２反応装置２００Ｂの中に導入される。

いくつかの実施形態において、例えば軸方向（長手方向）のばらつきを有するナノワイヤの成長について、基板ベースのナノワイヤの成長の技術分野では温度サイクルがキンク形成につながる可能性があることが知られているので、成長ステージの間でガスが冷えないように、連続した成長反応装置をスタックする必要がありうる。実際には、反応装置の配列が単一の炉の中に構築される必要がある。図２Ｅは、そのような反応装置のスタックの小型な実装を示し、この実装では、前駆体の注入ラインが例えば水冷を用いて能動的に冷却される必要があり、内側エアロゾル導管２０６Ｃ及びシースガスの吸気口５０４Ｂ１が例えば電気ヒーターを用いて能動的に加熱される必要があるだろう。

シースガス、前駆体ガス及び触媒エアロゾルの供給は、容器Ｒ１〜Ｒ６に保持されうる。図示のように、システム５００は、６つの容器Ｒ１〜Ｒ６を含む。しかしながら、必要に応じて容器の数は、例えば２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はこれ以上を含みうる。第１容器Ｒ１は、例えば、トリメチルガリウム又はトリエチルガリウムなどの第１前駆体ガスを含みうる。第２容器Ｒ２は、アルシンなどの第２前駆体ガス又は、窒素、アルゴンまたはヘリウムなどの不活性キャリアガスを含む。第３容器Ｒ３は、第２前駆体ガス、不活性ガス（例えばシースガス）、又は第１導電型を有する第１ドーパントガスを含みうる。第４容器Ｒ４は、第１導電型とは異なる第２導電型を有する第２ドーパントガスを含みうる。この構成によれば、異なる導電型の層（例えば中心部−外殻部（群））又は領域を有するナノワイヤが成長されうる。したがって、以下でより詳細に説明するように、長手方向に配向されたナノワイヤと放射状に配向されたナノワイヤとの両方が、このシステムを用いて製造することができる。このように、１つ以上のｐｎ又はｐ−ｉ−ｎ接合を有するナノワイヤが製造できる。容器Ｒ５は、エアロゾル化された触媒粒子を含みうる。ある実施形態では、容器Ｒ５は、粉末の触媒粒子を含み、しかしながら、粉末の触媒粒子は、エアロゾル化器５２０内でキャリアガスと混合及びエアロゾル化されうる。適切なエアロゾルキャリアガスは、窒素、水素及び、ヘリウムやアルゴンなどの希ガスが含まれるが、これに限定されない。

更に、このシステム５００及び以下に説明するシステム７００Ａ、７００Ｂは、１つ以上のｐｎ接合（又はｐｉｎ接合）を有する長手方向に配向されたナノワイヤと放射状に配向されたナノワイヤとを連続的に製造できる。すなわち、システムの停止をする必要なく、原料は、連続的にシステムの第１端部に供給され、完成したナノワイヤは、連続的にシステムの第２端部で回収される。加えて、ガスの種類及び濃度及び動作条件は、システム５００内のすべての反応装置２００で独立して変化させうるため、組成、ドーピング及び／又は導電型に関して、ホモ構造及びヘテロ構造の両方が製造されうる。更に、ガスの種類及び濃度及び動作条件は、反応装置２００内の時間の関数として変化させうる。

触媒粒子が使われる実施形態において、１つ以上の容器Ｒ１〜Ｒ６は、エアロゾル化した触媒粒子を含みうる。あるいは、１つの容器が単に触媒粒子の粉末を含んでもよい。粉末は、エアロゾル化器で前駆体ガス又は不活性ガスと混合されてよく、それによって反応装置２００に供給される前にエアロゾル化される。更に別の実施形態において、触媒粒子エアロゾルは、エアロゾル化器で例えば金の蒸着により触媒粒子を生成し、当該エアロゾル化器で当該触媒粒子をガスと組み合わせることによって、生成される。

ガス及びオプションの触媒エアロゾルは、出力部を隣接する反応装置の入力部に接続する供給導管５０４Ａ、５０４Ｂ、５０４Ｃで、反応装置２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃに供給される。供給導管は、例えばパイプ、導管、ホース、マニホールド又は任意の他の適切な配送チューブでありうる。上述したように、反応装置２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃの温度は、１つ以上の熱電対４２０で監視されうる。加えて、容器Ｒ１〜Ｒ６から反応装置２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃへのガス又はエアロゾルの流れは、マスフロー測定器５１０で監視されうる。熱電対４２０及びマスフロー測定器／制御器５１０からのデータは、例えばパーソナルコンピュータ、サーバー又は特別な目的のコンピューティング装置などの制御器５０２に送られうる。データは、ワイヤ５０６を経由して送られてもよいし、無線トランシーバを用いて無線で送られてもよい。ある実施形態において、制御器５０２は、当該データを分析し、反応装置２００の温度を増加又は減少させる、又は反応装置２００へのエアロゾル又はガスの流れを増加又は減少させるために、ヒーター２１４、２１６及び／又は容器Ｒ１〜Ｒ６のガスフロー制御器５１５（例えばコンピュータ制御可能な流量制御弁）にフィードバック命令を送ることのできるソフトウエアを含む。

図７Ａ及び７Ｂは、ａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭナノワイヤ成長システム７００Ａ、７００Ｂの更なる実施形態を示す。本実施形態において、システム７００Ａは、前駆体ガスを反応装置２００（又は３００、４００）に配送するように構成された第１容器Ｒ１を含む。必要に応じて、前駆体ガスは、エアロゾル容器から配送された触媒粒子を含みうる。システム７００Ａは、シースガスを配送するように構成された第２容器Ｒ２もまた含む。シースガスは、第２前駆体ガス又は、例えば窒素又はヘリウムやアルゴンなどの希ガスの不活性ガスでありうる。システム７００Ａは、所望のナノワイヤの特性を得るために、ナノワイヤ又は部分的に成長したナノワイヤの、その場での分析を提供する粒子アナライザ７０４を更に有する。粒子アナライザ７０４は、例えば、ナノワイヤの光学的特性を決定するために、ナノワイヤに光を当て、ナノワイヤからの発光を検出することによって動作しうる。その場での分析は、基板ベースのナノワイヤの合成では利用できない、制御ループ内のフィードバックを得る能力を提供する。フィードバックは、触媒種粒子のサイズの制御及び成長条件の制御によって、さらには、反応帯の１つ以上で、前駆体の組成、前駆体のモル濃度の流れ、キャリアガスの流れ、温度、前駆体又はドーパントに関連する１つ以上のパラメータを制御することによる成長状態の制御によって、ワイヤの成長の制御に用いられうる。ナノワイヤの成長後、ナノワイヤはナノワイヤ収納場所７０６（例えば、ナノワイヤの貯蔵のための容器又は基板を含むナノワイヤ堆積器具）に供給される。

図７Ｂに示す実施形態において、システム７００Ｂは第１容器Ｒ１及び第２容器Ｒ２を含む。第１容器Ｒ１は、前駆体ガスを供給するように構成されてよく、第２容器Ｒ２は、シースガスを供給するように構成されてよい。本実施形態において、システム７００Ｂは、直列及び並列に構成された複数の反応装置２００を含む。このシステム７００Ｂで、同時に多数のナノワイヤが製造されうる。更に、反応装置２００の各平行ラインは、システム７００Ｂにおいて、他の反応装置２００の導管とは異なる状態のもとで動作しうる。このように、例えば長手方向の配向及び放射状の配向の、異なる構成のナノワイヤが、同時に生産されうる。別の態様では、反応装置２００の異なる導管は、異なる大きさのナノ粒子を供給しうる。このように、異なる直径を有するナノワイヤが、混合することなく同時に製造されうる。必要に応じて、図７Ｂに示すシステム７００Ｂは、反応装置２００の導管の１つ以上で、ナノワイヤの成長を監視するために、１つ以上の粒子アナライザ７０４を含む。

ナノワイヤ成長装置２００、２００Ａ、２００Ｂ、３００Ａ、３００Ｂ、４００は水平方向又は垂直方向に配列されうる（例えば、ナノワイヤ成長装置２００の垂直方向の配置のために、外側入力部２０２Ａ及び内側入力部２０２Ｂが、外側出力部２０４Ａ及び内側出力部２０４Ｂと、それぞれ上下に位置合わせされる）。複数のナノワイヤ成長装置２００、２００Ａ，２００Ｂ、３００Ａ、３００Ｂ、４００によるシステム５００、７００Ａ、７００Ｂにおいて、ナノワイヤ成長装置２００、２００Ａ，２００Ｂ、３００Ａ、３００Ｂ、４００は垂直方向にスタックされうる。

図８Ａ及び図８Ｂは、図２に示す本発明の実施形態の反応装置２００で製造されたナノワイヤと、図１の従来技術の反応装置１００で製造されたナノワイヤとの大きさの分布の比較を提供する。図８Ａの曲線は、反応装置１００での層流を仮定した、大きさの分布を示す。ヒストグラムは、反応装置１００で作られた実際のナノワイヤの測定値の分布を示す。図８Ｂは、ワイヤの長さが、反応帯でそれぞれの粒子／ワイヤの費やす時間に直線的に比例すると仮定した場合、図８のデータを生成するために用いた反応装置１００と同じ条件のもとで、図２の反応装置２００を動作させたときの、シミュレートされた分布データのプロットである。図８Ｃは、５００ｓｃｃｍのエアロゾルのコア流及び１２００ｓｃｃｍのシース流、大気圧でのシステム、及び５００℃の反応温度で、上述の図２Ａに示す反応装置２００で成長させたナノワイヤの実際の分布データのプロットである。反応装置１００によって生産されたナノワイヤは、反応装置２００によって生産されたナノワイヤと比較して、非常に広い大きさの分布を有する。反応装置１００によって形成された長さの分布の標準偏差は、反応装置２００を通じて完全に発達した層流の最悪の場合の仮定において、平均のナノワイヤの長さの値のおおよそ３０％である。反応容器２００によって形成された、長さの分布のシミュレートされた標準偏差（図８Ｂ）は、平均のナノワイヤの長さの値の、例えば、５％以下、３〜５％など、例えばおおよそ３％であり、長さの分布の測定された標準偏差（図８Ｃ）は、平均のナノワイヤの長さの値の５％である。したがって、この例の反応装置２００によって生産されたナノワイヤの長さの標準偏差は、反応装置１００によって生産されたナノメータの長さの標準偏差と比較して、少なくとも１０倍小さい。

シミュレーションは、反応装置２００内の同心のガス流の相互拡散の量を決定するために実施された。これらのシミュレーションの結果は、図９Ａ〜９Ｃに提示されている。図９Ａ反応装置２００の内側入力部２０２Ｂに供給されたトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の拡散について、図９Ｂは反応装置２００の内側入力部２０２Ｂに供給された５０ｎｍの金粒子の１秒間での拡散について、図９Ｃは反応装置２００の内側入力部２０２Ｂに供給された５０ｎｍの金粒子の２００秒間での拡散について、距離（反応装置の半径）対濃度のシミュレーションされたプロットを示す。シミュレーションは、内側入力部２０２Ｂが９ｍｍの半径を有し、外側入力部２０２Ａが２７ｍｍの半径を有する反応装置２００に基づいている。ＴＭＧに用いた拡散係数は、１．９８×１０^−５ｍ^２／ｓ、５０ｎｍの金粒子のための拡散係数は、３．２８×１０^−９ｍ^２／ｓであった。これらのシミュレーションにおいて、拡散は、混合の機構のみで行った。すなわち、乱流、混合及び対流は、シミュレーション中で、０に設定されている。

図９Ａに見られるように、シミュレートされたＴＭＧは、おおよそ０．２秒後にシースガス内に横方向に拡散し始めた。１．０秒では、内側入力部２０２Ｂの中心のＴＭＧの濃度は、１００％から７０％に低下した。例えば１０ｍｍの半径の、内側入力部２０２Ｂに隣接するシースガスの濃度は、０％から３０％に上昇した。対照的に、金粒子は、それらの非常に低い拡散係数のため２０秒後でさえも、殆どシース内に拡散しなかった。このように、金粒子は、反応装置の長さの広い範囲で、良い栓流を示し、シース流に十分に含まれる。

本発明の実施形態はまた、基板ベースの合成を用いて形成されたナノワイヤと同等な構造の複雑さ及び材料品質を組み合わせた大規模生産を可能にさせるナノワイヤを形成するための方法を含む。１つの方法は、例えばチューブ炉などの反応チャンバへの第１入力導管に第１ガスを供給することを含む。この方法において、第１ガスは、望ましくはナノワイヤの製造のための第１前駆体材料を含む。例えば、第１ガスは、昇温によってガリウムとメタンとに分離するトリメチルガリウム（ＴＭＧ）であってよく、それによって、例えば半導体ＧａＡｓナノワイヤなどのガリウムベースのナノワイヤのためのガリウムを供給する。第２ガスは、第１入力部を通り、反応チャンバの反応帯に供給される。第２ガスは、例えばヒ素と水素とに分離するアルシンなどの、第２の異なる前駆体を含みうる。本実施形態において、ガリウムは、アルシンの分離及びＧａＡｓナノワイヤの成長を触媒する小滴を形成する。シースガスは、第２入力部を通り供給され、必要に応じて、触媒粒子は、第１入力部を通り供給される。

図１０は、ある実施形態に係るｐｎ接合を含む軸方向に成長するナノワイヤ１の概略図である。この方法は、ガス中に懸濁した触媒粒子２を供給すること、及び反応帯内に形成されるナノワイヤ１の構成要素を含む、例えばＴＭＧ及びＡｓＨ_３である第１及び第２気体前駆体３、４を供給することを含む。この方法はまた、触媒粒子がガス（群）中に混濁している間、第１及び第２気体前駆体３、４を含む気相合成中の触媒粒子２から、単結晶のナノワイヤ１を成長することを含む。第１及び第２前駆体ガス３、４は、室温で反応装置２００に供給されうる。あるいは、第１及び第２前駆体ガス３、４（もし用いる場合、ドーパントガスも）は、反応装置２００への配送の前に、予備加熱されうる。

ナノワイヤの成長は、上述したように、反応装置２００、３００、４００の何れかで昇温して行われる。成長は、触媒粒子２の表面での気体前駆体３、４の触媒分離、及び触媒粒子２の表面でのナノワイヤの核形成によって、開始される。核形成の後に、ナノワイヤ１は、１方向に成長し、細長い物体、すなわちナノワイヤ１を形成する。成長は、気相―液相―固体（ＶＬＳ）、又は化学気相成長（ＣＶＤ）を経由して起こりうる。望ましくは、ガスが反応装置を通り流れ、それによって、少なくとも触媒粒子２と、ひいては触媒粒子２に形成されたナノワイヤ１とを反応装置を通して運ぶ。

本明細書に記載される方法は、特定のＩＩＩ／Ｖ族材料において、半導体材料の観点から説明されている。しかしながら、その方法は、ＩＩＩ−Ｖ族材料に限定されるものではない。一例として、図１０は、例えば金などの触媒粒子２と、第１及び第２気体前駆体ＴＭＧ３及びＡｓＨ_３４とから、ＧａＡｓワイヤ１を形成する概略図を示す。図示のように、触媒粒子２は、気体前駆体３、４が存在する反応装置内に供給ガスによって前方に運ばれ、反応が起こる。あるいは、前駆体ガス３、４は、反応装置に入る前にガスの流れに加えられうるか、又は反応装置に直接加えられうる。例えば、上述のように、触媒粒子は、前駆体ガス３、４の１つでエアロゾル化されてよく、反応装置２００では内側入力導管２０６Ｂを経由して、また反応装置３００Ａでは内側入力導管３０６Ｃ又は中央入力導管３０６Ｂを経由して、反応装置に加えられてよい。

図１０は、さらに本発明の方法が、ｐ型ドープのＧａＡｓの部分とｎ型ドープのＧａＡｓの部分との間の、軸方向のｐｎ接合を有するＧａＡｓナノワイヤ１を形成するために用いることのできる方法の概略図を示す。第１及び第２の前駆体３、４は、それぞれＩＩＩ族の材料及びＶ族の材料を有し、１つ以上のｐ型ドーパントが、反応装置２００に供給される。核形成後、ｐ型ドープのＧａＡｓナノワイヤ１が、触媒粒子２から軸方向に成長し、これによって、ＧａＡｓナノワイヤの第１軸の部分を形成する。その後、第２軸のワイヤの部分が、長手方向に先に形成された第１の部分に、軸方向に成長するように、成長条件に関連する他のパラメータを実質的に維持しながら、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを交換することによって成長状態が変更される。したがって、軸成長の間に成長の条件を変えることによって、異なる特性を有する軸の部分が得られる。

図１１は、ｐ型ドープのＧａＡｓの中心部とｎ型ドープのＧａＡｓの外殻部との間の放射状のｐｎ接合を有するＧａＡｓの形成の概略図を示す。ＩＩＩ族の材料を含む第１前駆体３及びＶ族の材料を含む第２前駆体４と、ｐ型ドーパントとが反応装置に供給される。核形成後、ｐ型ドープのＧａＡｓナノワイヤが、触媒粒子２から軸方向に成長され、これによって、ＧａＡｓナノワイヤ１の中心部を形成する。その後、成長条件は、放射状の成長を促進するために温度及び／又はＶ族／ＩＩＩ族比を増加させることによって、及びｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを交換することによって、変更される。それによって、外殻部は、その放射方向に、先に形成された中心部から放射状に成長する。これは、軸方向の成長と放射状の成長との間で切り替えるように成長の条件を変化させる可能性を示す。あるいは、ナノワイヤは、ｎ型ドープの中心部及びｐ型ドープの外殻部を有し成長する。

ナノワイヤの製造の上述した方法の何れかにおいて、ナノワイヤは、成長の終了時に回収され、その後、基板上に膜として堆積されてもよく、及び／又は、基板上に望ましい配向に配向されてもよい（例えば、ナノワイヤを支持する基板の表面に対して実質的に垂直なナノワイヤの軸を有する）。図１２は、ナノワイヤを基板上に堆積する方法を示し、図１３は、ナノワイヤを基板に堆積及び配向する方法を示す。

図１２に示された方法において、ナノワイヤは、貯蔵容器１２０１にａｅｒｏｔａｘｙ^ＴＭ成長システム２００、３００又は４００から回収され、その後、容器からスプレーノズル１２０２に供給される。あるいは、ナノワイヤは、容器１２０１に貯蔵されることなく、システム２００、３００、４００から（例えば排気部４４２を経由して）ノズル１２０２に、直接供給されうる。スプレーノズルは、例えば金属のシートなどの、例えばステンレス鋼、プラスチック、シリコン又は任意の他の適切な材料の、基板上にナノワイヤをスプレーし、基板上に、例えばナノワイヤのパーコレーティングネットワークなどのナノワイヤフィルム１２０４を形成する。

図１３において、ナノワイヤ１は、堆積チャンバ１３００内の電界によって、ナノワイヤに生成された電気双極子を用いて、その長軸が基板１３０３に垂直になるように整列される。例えば、電界Ｅは、基板を支持するサセプタ１３０４と、エアロゾル入力部を有する基板の上の天板１３０５との間に、電位差（電圧）が印加されることによって、堆積チャンバ内に生成されうる。ナノワイヤは、容器から、又はエアロゾルとして図２〜４に示される反応装置から直接、堆積チャンバ１３００に供給される。

ナノワイヤ中の電気双極子は、一例として、以下の１つ又は組み合わせによって生成できる。
１．電界は、任意の導体、半導体又は絶縁ナノワイヤに電気分極を誘導し、ナノワイヤは電界に沿って自分自身を配向する。
ａ．単極性のナノワイヤについて、ナノワイヤは、電界に沿って配向するが、種粒子の端部のため、優先方向を有さない。
ｂ．ドーピングの軸方向の勾配を有する単極性ドープのナノワイヤは、より高くｐ（ｎ）型ドープされた端部が、より容易に正（負）に帯電され、電界中でこの端部を上（下）に向けるため、優先配向される。
２．図１３に示すように、間にｐｎ接合の形成された、ｐ型ドープの端部とｎ型ドープの端部とを含むナノワイヤは、単極性ナノワイヤと比較して、より容易に分極する。
ａ．電界に曝されたとき、ｐ型ドープの端部は正に帯電し、ｎ型ドープの端部は負に帯電し、それ故に、ナノワイヤは、電界の方向（例えば、図１３の上）に、ｐ型ドープの端部は指向し、明確な方向に配向される。
ｂ．同じ効果は、ワイヤとその種粒子との間にショットキーダイオードが形成されている単極性ドープのナノワイヤに適用される。
３．図１３に示すように、光、又は紫外線、又は赤外線１３０６によるｐｎ接合を含むナノワイヤの照明もまた、電界によって形成された電気双極子と同じ極性の、ｐｎ接合自体の効果を非常に高める、強い電気双極子を誘導しうる。

別のあらかじめ決定した波長領域を有する光の照明によって、光を吸収しないワイヤは、非常に弱い双極子を有するため、異なるバンドギャップを有するナノワイヤは、選択的に整列させることができる。

別の実施形態において、ナノワイヤを整列させるために電気双極子を用いるのではなく、他の適切な方法がナノワイヤを整列させるために用いられうる。例えば、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２０１２年４月１２日に提出された米国仮出願第６１／６２３，１３７号及び対応するＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＳＥ２０１３／０５０３８９の両方に記載されているように、ナノワイヤは、ナノワイヤが選択的に基板上に自分で整列するように官能基を有する化学的表面改質方法を用いて整列されうる。

ＧａＡｓを用いて例示するが、他のＩＩＩ／Ｖ半導体材料も、ＩＩ族及びＶＩ族材料を含む半導体材料も、同じ方法で処理されうることが、理解されるべきである。例えば、上記の例の気体前駆体は、ＩｎＰワイヤを形成するためのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びホスフィン（ＰＨ_３）に交換することができる。本明細書に開示されるシステム及び方法によって製造することができるナノワイヤの材料は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｇａ、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ、ＧａＳｂ、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、Ａｌ_ｚＧａ_ｘＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎ、ＩｎＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、又はＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ、ここで０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｚ≦１、及びｘ＋ｙ＋ｚ＝１、を含むが、これらに制限されない。反応装置の構成は、異なる気体前駆体から配線を形成するために、変更をする必要がなく、例えばシステム５００、７００Ａ、７００Ｂにおいて、気体前駆体は、単に切り替えられる。更に、例えば図１０及び１１によって例示されるようなプロセスは、ドーパントの添加をして、又はせずに行われうる。絶縁体もまた成長されうる。単一又は複数の反応装置、又は反応装置内の反応帯は、異なる組成、ドーピング又は導電型を有する部分、中心部、外殻部の形成を改善するために用いることができる。更に、軸方向及び放射状の成長は、必ずしも完全に切り離されず、プロセス条件は、ナノワイヤの成長が、放射状及び軸方向の両方に同時に成長するように選択しうる。適切な気体前駆体、流れ、温度、圧力及び粒子の大きさを選ぶことによって、ナノワイヤ材料は、軸方向又は放射状、又は２つの成長モードの組み合わせで、成長させることができる。シースガスは、窒素、水素、及び例えばヘリウムやアルゴンなどの希ガスを含むが、これらに限定されない。前駆体ガスは、ＴＭＧ、ＴＭＩｎ、ＴＥＧ、ＴＥＩｎ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＮＨ_３、ＡｓＨ_３及びＰＨ_３を含むが、これらに限定されない。適切なドーパントは、ドープされるナノワイヤ材料に依存する。例として、（１）ＩｎＧａＡｌ−ＡｓＰＳｂ：ｎ型ドーパント：Ｓ、Ｓｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｓｎ；ｐ型ドーパント：Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃ、Ｂｅ；（２）ＡｌＩｎＧａＮ：ｎ型ドーパント：Ｓｉ；ｐ型ドーパント：Ｍｇ；（３）Ｓｉ：ｎ型ドーパント：Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ；ｐ型ドーパント：Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ；（４）ＣｄＺｎ−ＯＳＳｅＴｅシステム：ｐ型ドーパント：Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ；ｎ型ドーパント：Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｌ、Ｉを含むが、これらに限定されない。

方法の実施形態において、外側入力部２０２Ａ内に同心に位置する、内側入力部２０２Ｂを有する反応装置２００は、上述したナノワイヤの成長に関する以前のガスの方法の壁の影響を克服するために用いられる。この構成において、第１ガス及び第２ガスは、第２ガスが反応チャンバの壁から第１ガスを分離するシースを形成するように、反応チャンバに供給されうる。このように、第１の、内側ガスは、温度勾配及び壁に起因する粘性効果の悪影響から保護される。望ましくは、第１ガス及び第２ガスの両方は、層流で供給される。拡散の手段によって、触媒粒子及び／又はナノワイヤを運ぶガスは、コアガス及びシースガスが異なる実施形態において、シースガスと実質的に交換される。これは、連続する反応装置セクション２００Ａ、２００Ｂなどにおいて、異なる化学反応を最適化することに有利でありうる。

別の実施形態において、触媒種粒子２は、共通の内側ガス流として、第１の内側入力部２０２Ｂで、第１前駆体ガス３、及び必要に応じて第２前駆体ガス４に供給されうる。触媒種粒子は、第１前駆体ガス３でエアロゾル化、又は別々に異なるガスでエアロゾル化されうり、第１の内側入力部に加えられうる。ある実施形態において、第２ガスは、第２前駆体ガス４を含む。別の実施形態において、第２ガスは、例えば窒素、アルゴン又はヘリウムなどの不活性ガスでありうる。ある実施形態において、第２ガスは不活性だが、第１ガスは、例えば、シリコン及び水素に分離するシランなどの、１つの前駆体ガス３のみを含む。この実施形態において、シリコンナノワイヤのような、単一の要素のナノワイヤが、成長されうる。この実施形態の態様において、１つ以上のドーパントガス（例えば、ｎ型ドープのためのＰＨ_３又はＡｓＨ_３、及びｐ型ドープのためのＢ_２Ｈ_２）が、第１ガス中に含まれうる。このように、ドープされた“単一の要素”のナノワイヤが生産されうる。

上記は特定の望ましい実施形態に言及しているが、本発明はそのように限定されないことが理解されるであろう。開示された実施形態に様々の変更がなされてもよく、そのような変更は、本発明の範囲内であることが意図されることは、当業者に想起されるであろう。刊行物、特許出願、及び本明細書中に引用された特許の全ては、その全体が参照によって、本明細書に組み込まれる。

Claims (75)

1. 気相ナノワイヤ成長装置であって、
   反応チャンバと、
   第１入力部と、
   第２入力部と、を含み、
   前記第１入力部は、前記第２入力部の中に、同心に位置し、前記第１入力部及び前記第２入力部は、前記第２入力部から配送される第２流体が、前記第１入力部から配送される第１流体と前記反応チャンバの壁との間に、シースを与えるように構成されることを特徴とする気相ナノワイヤ成長装置。
2. 前記第２入力部が、更に多孔質フリットを含むことを特徴とする請求項１に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
3. 前記気相ナノワイヤ成長装置は、前記第１入力部及び第２入力部から前記反応チャンバの反対側の壁に位置する、第１出力部と、第２出力部と、を更に含み、
   前記第１出力部は、前記第２出力部の中に、同心に位置することを特徴とする請求項１に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
4. 前記第２出力部は、１つの多孔質フリット、又は複数の多孔質フリットを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
5. 前記反応チャンバを加熱するように構成された１つ以上のヒーターと、
   前記第１入力部及び前記第２入力部を加熱するように構成された１つ以上のヒーターと、を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
6. 前記反応チャンバは、シリンダであり、
   前記第１入力部は、前記シリンダの中央に前駆体ガスを供給するように構成され、
   前記第２入力部は、前記シリンダの表面の周囲にシースガスを供給するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
7. 第３入力部を更に備え、
   前記第３入力部は、前記前駆体ガスと前記シースガスとの間に、触媒粒子を含むエアロゾルを供給するように構成されることを特徴とする請求項６に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
8. 前記反応チャンバが直方体であることを特徴とする請求項１に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
9. 前記直方体の厚さは、前記気相ナノワイヤ成長装置内の流体の流れに垂直な面における前記直方体の長さよりも、少なくとも２倍小さく、
   前記第１入力部は、前記直方体の中央に触媒粒子を含むシート形状のエアロゾルを供給するように構成され、
   前記第２入力部は、前記直方体の反対側の壁に隣接する第１シースガス部分及び第２シースガス部分を供給するように構成され、
   第３入力部は、前記エアロゾルの第１側と前記シースガスの前記第１部分との間に、ＩＩＩ族を含む第１前駆体ガスを供給するように構成され、
   第４入力部は、前記エアロゾルの第２側と前記シースガスの第２部分との間に、Ｖ族を含む第２前駆体ガスを供給するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
10. 前記反応チャンバは、シリンダであり、
    前記第１入力部は、前記シリンダの中央に触媒粒子を含むエアロゾルを供給するように構成され、
    前記第２入力部は、前記反応チャンバの表面の周囲に、シースガスとＶ族を含む第２前駆体ガスとの混合物を供給するように構成され、
    第３入力部は、前記エアロゾルの周囲に、ＩＩＩ族を含む第１前駆体ガスを供給するように構成され、
    第４入力部は、前記混合物と前記ＩＩＩ族を含む第１前駆体ガスとの間に、シースガスを供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
11. 前記第１入力部及び第２入力部と、前記第１出力部及び第２出力部と、の少なくとも一方に位置する熱電対と、
    １つ以上の前記熱電対を監視し、１つ以上の前記ヒーターを調整するように構成された制御器と、を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
12. 前記第２出力部に動作可能に接続された冷却要素を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
13. 前記第１入力部及び第２入力部と、前記第１出力部及び第２出力部との間の距離が、増加可能又は減少可能なように、前記第１入力部及び第２入力部、前記第１出力部及び第２出力部、又は前記第１入力部及び第２入力部と前記第１出力部及び第２出力部との両方を移動させるように構成されている、少なくとも１つの昇降機構を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
14. 前記第１入力部及び第２入力部と前記第１出力部及び第２出力部とが、それぞれの入力部および出力部に接続された、それぞれの入力および出力導管を含むことを特徴とする請求項１に記載の気相ナノワイヤ成長装置。
15. ナノワイヤを製造する方法であって、
    第１ガス流を第１反応チャンバに供給する工程であって、前記第１ガス流は、ナノワイヤの製造のための第１前駆体を含む、工程と、
    第２ガス流を前記第１反応チャンバに供給する工程であって、前記第２ガス流は、前記第１反応チャンバの壁から、前記第１ガス流を分離するためのシースを形成する、工程と、
    前記第１反応チャンバで、気相で、前記ナノワイヤを成長する工程と、を有することを特徴とする方法。
16. 前記第１ガス流と、前記第２ガス流と、の少なくとも一方に、エアロゾルからナノワイヤ成長触媒粒子を供給する工程を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１ガス流が、前記第１反応チャンバで割れ、ナノワイヤ成長触媒粒子を形成する前駆体分子を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記触媒粒子を含む前記第１ガス流が、前記ナノワイヤが前記触媒粒子から成長し、前記第１反応チャンバの１つ以上の反応帯を通過した後に成長したナノワイヤが前記第２ガスシースに囲まれた前記第１ガス流によって運ばれるように、前記反応帯を連続的に通り流れることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 前記触媒粒子が、互いに異なる大きさを有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
20. 前記触媒粒子が、帯電されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
21. 前記第１ガス流が、前記ナノワイヤの製造のための第２前駆体を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
22. 前記第２ガス流が、不活性キャリアガスを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
23. 前記第１反応チャンバを加熱する工程を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
24. 前記第１ガス流を予備加熱する工程を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
25. 前記第２ガス流を予備加熱する工程を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
26. 前記第２ガス流は、前記第１反応チャンバの壁に沿った層流であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
27. 前記第１ガス流及び前記第２ガス流は、前記第１反応チャンバで同心に流れ、
    前記第１ガス流は、前記第２ガスに囲まれていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
28. 前記第１ガス流は、前記触媒粒子及び前記第１前駆体を含むエアロゾルと第２前駆体とを含み、
    前記第２ガス流は、不活性ガスを含み、
    前記ナノワイヤを含む前記第１ガス流は、前記第１反応チャンバを出た後、回収されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
29. 前記第１反応チャンバへの第１入力導管の前記第１ガス流の温度を監視する工程と、
    前記監視された温度に応じて前記第１ガス流の前記温度を調節する工程と、を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
30. 前記第１反応チャンバへの第２入力導管の前記第２ガス流の温度を監視する工程と、
    前記監視された温度に応じて前記第２ガス流の前記温度を調節する工程と、を更に含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 前記第１反応チャンバは、前記第１反応チャンバに前記第１ガス流及び前記第２ガス流を入力するための第１入力部及び第２入力部と、前記第１反応チャンバから前記第１ガス流及び前記第２ガス流を取り除く第１出力部及び第２出力部と、を含み、
    前記方法は、前記第１反応チャンバで、前記第１入力部及び前記第２入力部、又は前記第１出力部及び前記第２出力部を上昇又は下降し、それによって前記第１反応チャンバの反応帯の長さを減少又は増加させる工程を更に含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. 第１導電型の半導体ナノワイヤを形成するため、前記第１ガス流に前記第１導電型を有する第１ドーパントガスを加える工程を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
33. 前記ナノワイヤにｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ−ｎ接合を形成するため、前記第１ドーパントガスを加える工程の後、前記第１ガス流に第２導電型を有する第２ドーパントガスを加える工程を更に含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
34. 前記ナノワイヤが、長手方向に分離されたｐ型領域及びｎ型領域を有する長手ナノワイヤを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
35. 長手ナノワイヤを形成するために、温度範囲、圧力範囲、又は前駆体濃度範囲の１つ以上が制御されることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
36. 前記ナノワイヤが、第２導電型の外殻部によって囲まれた、第１導電型の中心部を有する、放射状ナノワイヤを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
37. 前記第１前駆体がＩＩＩＡ族金属有機化合物を含み、
    前記第２前駆体がＶＡ族化合物を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
38. 前記第１前駆体が、トリメチルガリウム又はトリエチルガリウムを含み、
    前記第２前駆体が、アルシンを含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
39. 前記触媒粒子が、金、銀、銅、鉄、ニッケル、ガリウム、インジウム又はアルミニウムの１つ以上を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
40. 前記触媒粒子が、エアロゾルとして前記第１ガス流に供給されることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
41. 前記ナノワイヤが、ＩＶ半導体ナノワイヤ、ＩＩＩ−Ｖ半導体ナノワイヤ又はＩＩ−ＶＩ半導体ナノワイヤを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
42. 前記ナノワイヤが、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ、ＧａＳｂ、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、Ａｌ_ｚＧａ_ｘＩｎ_{１−ｘ−ｚ}Ｎ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｇｅ、又はＳｉ_ｘＧｅ_１−ｘ、ここで０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦ｚ≦１、を含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
43. 前記ナノワイヤが、前記第１ガス流で、前記気相で、前記触媒粒子に化学気相成長によって成長することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
44. 前記ナノワイヤを回収する工程と、基板に前記ナノワイヤを堆積することと、基板に前記ナノワイヤを配向することとの少なくとも一方を行う工程とを更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
45. 前記ナノワイヤが、連続プロセスで製造及び回収されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
46. 前記基板が、前記第１反応チャンバの外に位置し、
    前記ナノワイヤが、前記第１反応チャンバから出た後、前記第１ガス流から回収されることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
47. 前記第１ガス流の時間、温度及びガス組成プロファイルが、制御された大きさの分布を有するナノワイヤの製造のために、前記第２ガス流によって、狭められていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
48. 前記第２ガス流が、前記第１ガス流でのナノワイヤの成長において、前記反応装置の前記壁の影響を低減することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
49. 前記第１ガス流の流速と、前記第２ガス流の流速との少なくとも一方によって、前記ナノワイヤの前記長さの分布を制御する工程を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
50. 前記第１反応チャンバで成長する前記ナノワイヤの長さの制御をするために、前記第１反応チャンバで狭い速度の分布によって、前記触媒粒子の滞在時間を制御する工程を更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
51. 前記ナノワイヤの長さの標準偏差が、前記ナノワイヤの長さの平均の≦５％であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
52. 前記標準偏差が、３〜５％の間であることを特徴とする請求項５１に記載の方法。
53. 前記第１反応チャンバから第２反応チャンバに、前記ナノワイヤを供給する工程と、
    前記第２反応チャンバに第３ガス流を供給する工程であって、前記第３ガス流が、前記ナノワイヤを製造するための第２前駆体を含む、工程と、
    前記第２反応チャンバに第４ガス流を供給する工程であって、前記第４ガス流が、前記第２反応チャンバの壁から前記第３ガス流を分離するためのシースを形成する、工程と、
    前記第２反応チャンバで、気相で、前記ナノワイヤを更に成長する工程と、を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
54. 前記第２前駆体が、前記第１前駆体と異なることを特徴とする請求項５３に記載の方法。
55. 前記第１反応チャンバで前記第１導電型の半導体ナノワイヤの成長のため、前記第１反応チャンバで前記第１ガス流に第１導電型を有する第１ドーパントガスを加える工程を更に含むことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
56. 前記第１導電型の半導体ナノワイヤに前記第２導電型の部分の形成するため、前記第２反応チャンバで前記第３ガス流に第２導電型を有する第２ドーパントガスを加える工程を更に含むことを特徴とする請求項５５に記載の方法。
57. 前記第１ガス流が、前記第２ガス流未満の速度を有し、
    前記第３ガス流が、前記第４ガス流よりも大きい速度を有することを特徴とする請求項５３に記載の方法。
58. 前記第２反応チャンバに到達する前に、前記第２ガス流を前記第１反応チャンバから取り除く工程を更に含むことを特徴とする請求項５３に記載の方法。
59. 前記反応チャンバが、シリンダであり、
    前記第１ガス流が、前記シリンダの中央を流れ、
    前記第２ガス流が、シリンダの表面の周囲を流れ、
    更に、前記第１ガス流と前記第２ガス流との間を流れる触媒粒子を含む第３エアロゾル流を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
60. 前記反応チャンバが、直方体であり、
    触媒粒子を含むシート状のエアロゾルが、前記直方体の中央を流れ、
    前記第２ガス流は、前記直方体の反対側の壁に隣接する第１シースガス部分及び第２シースガス部分を含み、
    前記第１ガス流は、前記エアロゾルの第１側と前記シースガスの前記第１部分との間に流れる、ＩＩＩ族を含む第１前駆体ガスを含み、
    第４ガス流は、前記エアロゾルの第２側と前記シースガスの前記第２部分との間に流れる、Ｖ族を含む第２前駆体ガスを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
61. 前記反応チャンバはシリンダであり、
    触媒粒子を含むエアロゾルは、前記シリンダの中央を流れ、
    前記第２ガス流は、シースガスと、Ｖ族を含む第２の前駆体ガスと、の混合物を含み、前記反応チャンバの表面の周囲を流れ、
    前記第１ガス流は、前記エアロゾルの周辺を流れるＩＩＩ族を含む第１前駆体ガスを含み、
    前記混合物と前記第１ガス流との間に追加のシースガス流が流れることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
62. ナノワイヤ成長システムであって、
    請求項１の気相ナノワイヤ成長装置と、
    前記第１入力部に流体接続された第１流体容器と、
    前記第２入力部に流体接続された第２流体容器と、を含むことを特徴とするナノワイヤ成長システム。
63. 前記第１容器が、第１前駆体ガスを含む容器を含み、
    前記第２容器が、第２前駆体ガス又は不活性ガスを含む容器を含むことを特徴とする請求項６２に記載のナノワイヤ成長システム。
64. 前記第１入力部に流体接続された第３容器を更に含み、
    前記第３容器が、第２前駆体ガスを含むことを特徴とする請求項６２に記載のナノワイヤ成長システム。
65. 前記第１入力部に流体接続された少なくとも１つの第４容器を更に含み、
    前記少なくとも１つの第４容器が、ドーパントガスを含むことを特徴とする請求項６４に記載のナノワイヤ成長システム。
66. 前記第１入力部に流体接続されたエアロゾル原料を更に含み、
    前記エアロゾル原料が、ナノワイヤ成長触媒粒子を含むことを特徴とする請求項６２に記載のナノワイヤ成長システム。
67. 前記ナノワイヤ成長システムが、前記反応チャンバに、堆積基板を有さないことを特徴とする請求項６２に記載のナノワイヤ成長システム。
68. ナノワイヤ成長装置であって、
    第１ガス流を反応チャンバに供給する手段であって、前記第１ガス流は、前記ナノワイヤを製造するための第１前駆体を含む、手段と、
    第２ガス流を前記反応チャンバに供給する手段であって、前記第２ガス流は、前記反応チャンバの壁から、前記第１ガス流を分離するためのシースを形成する、手段と、
    前記反応チャンバで、気相で、前記ナノワイヤを成長する手段と、を有することを特徴とするナノワイヤ成長装置。
69. ナノワイヤ成長触媒粒子を前記反応チャンバに供給する手段を更に含むことを特徴とする請求項６８に記載のナノワイヤ成長装置。
70. 前記触媒粒子をエアロゾル化する手段を更に含むことを特徴とする請求項６９に記載のナノワイヤ成長装置。
71. 前記反応チャンバを加熱する手段を更に含むことを特徴とする請求項６９に記載のナノワイヤ成長装置。
72. ナノワイヤ成長システムであって、
    請求項６８のナノワイヤ成長装置と、
    前記第１前駆体ガスを保管する第１手段と、
    前記第２ガスを保管する第２手段と、を含むことを特徴とするナノワイヤ成長システム。
73. ナノワイヤ成長システムであって、
    請求項１の気相ナノワイヤ成長装置の２つ以上によるスタックを含むことを特徴とするナノワイヤ成長システム。
74. 前記スタックを囲む外側の筐体を更に含むことを特徴とする請求項７３に記載のナノワイヤ成長システム。
75. 前記第１出力部及び前記第２出力部が、前記第１入力部及び前記第２入力部と垂直方向に配列されることを特徴とする請求項３に記載の気相ナノワイヤ成長装置。