JP3893457B2 - 酸化亜鉛ナノベルトの製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、酸化亜鉛ナノベルト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、電気的または光学的装置に対応するのに十分な大きさを有する酸化亜鉛ナノベルトの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、酸化亜鉛(ZnO)単結晶フィルムのエピタキシャル成長の製作技術に関する様々な試みがなされており、ナノチューブ、ナノワイヤー、ナノロッド、ナノベルト等の様々な形態を有するナノ物質の製造技術の提案がこれまでになされてきた。また、線状ナノ分野の新種族である酸化物ナノベルトは、十分理解出来るディメンジョンに閉じこめられた搬送現象の理想の物質としで重要視されているとともに、ナノ装置を構成するために、これらの装置の形状寸法に良好に対応可能な有用な構成単位としでの活用が期待されている。これまでにも、酸化亜鉛(ZnO)、酸化錫(SnO2)、酸化カドミウム(CdO)、酸化インジウム(In23)、酸化ガリウム(Ga23)などの透明な伝導性酸化物ナノベルトの合成が報告されている(文献1〜4)。
【0003】
しかしながら、実際に電気的または光学的装置に適用するためには、一定以上の大きさの酸化亜鉛(ZnO)ナノベルトの製造の実現に期待が寄せられているが、未だに、十分な大きさを有する酸化亜鉛ナノベルトの製造が実現したという報告はなされていない。このため、電気的または光学的装置に適用するのに十分な大きさを有する酸化亜鉛ナノベルトの製造方法等の方策の提案が望まれていた。
【0004】
【文献】
【表1】
Figure 0003893457
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、
電気的または光学的測定に適用するのに十分な大きさを有する酸化亜鉛ナノベルトの製造方法を提供することを課題としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、高真空赤外線照射加熱炉内に銅亜鉛合金とシリコン基板を離して配置し、真空度を30Torr以下に保持して900℃で30分以上加熱した後、室温まで冷却し、前記高真空赤外線照射加熱炉内の真空度を10 −3 Torr以下にしてシリコン表面に生成された酸化亜鉛ナノベルトフィルム内の不純物である亜鉛の共沈積物が完全に除去されるまで加熱することを特徴とする酸化亜鉛ナノベルトの製造方法を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態について説明する。
【0011】
この出願の発明の製造方法で製造された酸化亜鉛ナノベルトは、単結晶であり、断面形状が六角形である。酸化亜鉛ナノベルトの長さは、2〜4μmであり、また、幅が30〜150nmであり、厚さに対する幅の比率は、2〜10である。また、この出願の発明である酸化亜鉛ナノベルトは、光を照射することにより、379nm近傍の波長帯域の光を発光する。
【0012】
また、この出願の発明の製造方法で製造された酸化亜鉛ナノベルトは、シリコン基板上に配向して、フィルム形状をなすように成長している。このとき、形成されたフィルムの厚さは2〜4μmである。また、フィルムの表面の形状はシリコン基板と等しい。さらに、この酸化亜鉛ナノベルトを、シリコン基板上で直接調整することにより酸化亜鉛ナノベルト複合体が形成される。
【0013】
この出願の発明の酸化亜鉛ナノベルトの製造方法は、以下に示す製造方法により製造することができる。すなわち、この出願の発明の酸化亜鉛ナノベルトの製造方法は、主に、1)加熱ターゲット設置工程、2)排気行程、3)銅亜鉛合金ディスク加熱工程、4)冷却工程、5)酸化亜鉛の成長したシリコン基板の加熱工程の5工程からなるものである。
【0014】
まず、加熱ターゲット設置工程においては、高真空赤外線照射加熱炉内に設置されたタンタル製容器内部に、鏡面仕上げされたシリコンウェーファと亜鉛を30〜40重量%含有する銅亜鉛合金ディスクとが離れて設置される。シリコンウェーファは、例えば、直径25mm、厚さ0.5mm程度のものが用いられ、2mm程度の間隔を持って、タンタル製容器内部に配列される。また、銅亜鉛合金ディスクとしては、例えば、直径がシリコンウェーファと同じく25mm程度であり、また、厚さ1mm程度のものが用いられる。
【0015】
続く、排気行程においては、高真空赤外線照射加熱炉内が排気により減圧される。このとき、高真空赤外線照射加熱炉内は例えば30トル以下に減圧・排気される。
【0016】
そして、銅亜鉛合金ディスク加熱工程においては、排気行程終了直後から銅亜鉛合金ディスクの加熱が行われる。具体的には、銅亜鉛合金ディスク表面が、例えば900℃の温度で30分以上継続して加熱されることが好ましい。
【0017】
さらに、冷却工程においては、加熱工程の後に、銅亜鉛合金ディスクの温度が室温まで冷却される。
【0018】
そして、シリコン基板の加熱工程においては、シリコンの表面に生成された酸化亜鉛ナノベルトフィルム内の不純物である亜鉛の共沈積物を完全に除去するために、高真空赤外線照射加熱炉内が減圧され、加熱が行われる。このとき、高真空赤外線照射加熱炉内は例えば10-3トル以下であり、この高真空環境において700℃の温度で、10分間継続してシリコン100%ウェーファが加熱される。
【0019】
以上の工程を経ることで、シリコン基板上には酸化亜鉛ナノベルトが生成される。生成された酸化亜鉛ナノベルトは、単結晶であり、断面形状が六角形である。酸化亜鉛ナノベルトの長さは、2〜4μmの範囲にあり、また、幅が30〜150nmであり、厚さに対する幅の比率は、2〜10の範囲である。また、この酸化亜鉛ナノベルトは、発光波長よりも低波長の光、例えば波長325nmのHe−Cdレーザー光を照射することにより、379nm近傍の波長帯域の光を発光する。そして、この酸化亜鉛ナノベルトは、シリコン基板上に配向してフィルム形状に成長している。フィルムの厚さは2〜4μmである。また、フィルムの表面の形状は、シリコン基板と等しい。
【0020】
以上は、この出願の発明における形態の一例であり、この出願の発明がこれらに限定されることはなく、その細部について様々な形態をとりうることが考慮されるべきであることは言うまでもない。
【0021】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【0022】
【実施例】
この出願の発明の酸化亜鉛ナノベルトの製造方法により、酸化亜鉛ナノベルトを製造した。
【0023】
まず、第1の工程である加熱ターゲット設置工程においては、高真空赤外線照射加熱炉内に設置されたタンタル製容器内部に、鏡面仕上げされたシリコンウェーファと亜鉛を30〜40重量%含有する銅亜鉛合金ディスクとを離して設置した。シリコンウェーファとしては、直径25mm、厚さ0.5mm程度のものを用い、2mm程度の間隔を持って、タンタル製容器内部に配列した。また、銅亜鉛合金ディスクは、直径がシリコンウェーファと同じく25mm程度であり、また、厚さ1mm程度のものを用いた。
【0024】
続く、第2の工程である排気行程においては、高真空赤外線照射加熱炉内を排気により減圧した。このとき、高真空赤外線照射加熱炉内を、30トル以下に減圧・排気した。
【0025】
そして、第3の工程である銅亜鉛合金ディスク加熱工程においては、排気行程終了直後から、銅亜鉛合金ディスクの加熱を行った。銅亜鉛合金ディスク表面を900℃で30分継続して加熱した。
【0026】
第4の工程である冷却工程においては、加熱工程の後に、銅亜鉛合金ディスクの温度を室温まで冷却した。
【0027】
そして、第5の工程である酸化亜鉛の成長したシリコン加熱工程においては、
シリコン表面に生成された酸化亜鉛ナノベルトフィルム内の不純物である亜鉛の共沈積物を完全に除去するために、高真空赤外線照射加熱炉内を減圧しつつ、加熱を行った。このとき、高真空赤外線照射加熱炉内は10-3トル以下であり、この高真空環境において700℃の温度で10分間継続して加熱した。
【0028】
以上の工程を経て製造されたこの出願の発明である酸化亜鉛ナノベルトのSEM像を図1に示した。図1(a)は上方からのSEM像であり、また図1(b)は斜め40度からのSEM像である。
【0029】
図1(a)より、準整列化された酸化亜鉛ナノベルトが、シリコン100%ウェーファ上に生成されていることがわかる。また、図1(b)に示す様に、酸化亜鉛ナノベルトが一方向に配向成長しフィルム形状をなしている。生成された酸化亜鉛ナノベルトは、長さが略2〜4μmの範囲にあり、大きさは通常においては直径が略25mmの円形状をなしている。
【0030】
図2は、シリコン100%ウェーファ上に成長した酸化亜鉛ナノベルトのXRDパターンである。図2より、ナノベルトの格子定数がa=O.3250nmおよびc=0.5201nmで、センアエン鉱型(ウルツァイト、wurtzite)構造を有していることがわかる。
【0031】
図3は、製造された酸化亜鉛ナノベルトのTEM顕微鏡写真である。図3(a)より、酸化亜鉛ナノベルトが長さ方向に沿って成長していることがわかる。図3(b)は、高倍率におけるTEM顕微鏡写真である。また、図3(b)の差込図は、[1010]方向に沿って撮影した電子回折図である。ほとんどの酸化亜鉛ナノベルトが[0001]方向に沿って調製されていることがわかる。また、寸法としては、長さが2〜4μmの範囲にあり、厚い切断面の幅が100〜150nmの範囲で薄い切断面の幅約30〜50nmの範囲にある。そして、厚み寸法に対する幅寸法の比率が5以上であることがわかる。
【0032】
図4は、製造された酸化亜鉛ナノベルトの室温フォトルミネセンス(PL)スペクトラムである。図4に示すとおり、波長が379nmの強い発光を呈し、発光量は全幅の中間点の最大量で106meVであった。
【0033】
【発明の効果】
この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、電気的または光学的測定に適用するのに十分な大きさを有する酸化亜鉛ナノベルトとその製造方法が提供される。
【0034】
この出願の発明である酸化亜鉛ナノベルトおよび酸化亜鉛ナノベルト複合体は、電気的または光学的測定に適用するのに十分な大きさを有するとともに、波長が379nmの近傍の波長帯域であり、最大発光量が106meVの強い発光を呈する。この出願の発明である酸化亜鉛ナノベルトおよび酸化亜鉛ナノベルト複合体は、光学電子装置等への応用が可能であるだけでなく、シリコン電子工学と結合したナノテクノロジーの発展に寄与するものであるから、その実用化が強く期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この出願の発明の実施例において製造された酸化亜鉛ナノベルトのSEM像である。
【図2】 この出願の発明の実施例において、リコン100%ウェーファ上に成長した酸化亜鉛ナノベルトのXRDパターンである。
【図3】この出願の発明の実施例において製造された酸化亜鉛ナノベルトのTEM顕微鏡写真である。
【図4】この出願の発明の実施例において製造された酸化亜鉛ナノベルトの室温フォトルミネセンス(PL)スペクトラムである

Claims (1)

  1. 高真空赤外線照射加熱炉内に銅亜鉛合金とシリコン基板を離して配置し、真空度を30Torr以下に保持して900℃で30分以上加熱した後、室温まで冷却し、前記高真空赤外線照射加熱炉内の真空度を10 −3 Torr以下にしてシリコン表面に生成された酸化亜鉛ナノベルトフィルム内の不純物である亜鉛の共沈積物が完全に除去されるまで加熱することを特徴とする酸化亜鉛ナノベルトの製造方法
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