JP4308103B2 - Nanocrystal growth method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明はナノ結晶成長方法および装置に関し、特に、金属針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。   The present invention relates to a nanocrystal growth method and apparatus, and is particularly suitable when applied to a method for producing a nano-order crystal structure using a metal needle.

一般に、電子デバイスや光デバイスの構造を結晶成長にて形成する方法として、MBE(分子線エピタキシー)あるいはMOVPE(有機金属気相成長)などが知られている。これらは、主に格子定数の近い材料を用いて大面積の基板上にヘテロエピ成長を行う方法として開発されたものである。近年のSi基板上の加工技術の発展は著しく、品質の良好な集積回路やフォトニック結晶などが大量生産されている。フォトニック結晶導波路では、Q値が10000以上の共振器構造を持つ導波路がSOI基板上で得られている(非特許文献1)。   In general, MBE (molecular beam epitaxy) or MOVPE (organic metal vapor phase epitaxy) is known as a method for forming a structure of an electronic device or an optical device by crystal growth. These were developed as a method of performing hetero-epi growth on a large-area substrate mainly using a material having a close lattice constant. In recent years, processing technology on Si substrates has been remarkably developed, and high-quality integrated circuits and photonic crystals have been mass-produced. In a photonic crystal waveguide, a waveguide having a resonator structure with a Q value of 10,000 or more is obtained on an SOI substrate (Non-patent Document 1).

一方、GaAs系やInP系などの化合物半導体では、発光や受光などのSiでは不可能な機能を有するデバイスを除くと、欠陥やダメージの影響でSiレベルの生産性を得るには至らないのが現状である。Si上に作製されたデバイスに化合物半導体の特徴である発光受光素子を品質よく簡単に作り込む方法は今のところ見当たらない。Si(111)基板面上にGaNの量子ドットを成長させると、その量子ドットのサイズによって基板からの歪の影響により青から赤色の発光が得られることが知られている。サイズの異なる量子ドットを重ね合わせることで白色光が得られるが、量子ドットを重ね合わせることで欠陥が増殖するため、未だ電流注入素子を作製できるレベルまでには至っていない(非特許文献2)。   On the other hand, with compound semiconductors such as GaAs and InP, it is not possible to obtain Si level productivity due to the effects of defects and damage, except for devices having functions impossible with Si, such as light emission and light reception. Currently. At present, there is no method for easily and easily producing a light emitting / receiving element, which is a feature of a compound semiconductor, in a device fabricated on Si. It is known that when GaN quantum dots are grown on the Si (111) substrate surface, blue to red light emission is obtained due to the influence of strain from the substrate depending on the size of the quantum dots. White light can be obtained by superimposing quantum dots of different sizes. However, since defects grow by superimposing quantum dots, the current injection device has not yet been manufactured (Non-patent Document 2).

SiまたはGaAsなどの化合物半導体では、Auなどの金属との共晶による融点の低下により、微小金属粒子の下に選択的に結晶成長が起こるVLS(Vaper Liquid Solid)成長が知られている(非特許文献3)。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。
S.Mitsugi,A.Shinya,E.Kuramochi,M.Notomi,T.Tsuchizawa,T.Watanabe,“Resonant tunneling wavelength filters with high Q and high transmittance based on photonic crystal slabs”,LEOS 2003,2003/10/26−30,Tucson,USA,214,2003. B.Damilano,N.Grandjean,F.Semond,J.Massies,and M.Leroux,Appl.Phys.Lett.75,962(1999) S.Bhunia,T.Kawamura,Y.Watanabe,S.Fujikawa,and K.Tokushima,Appl.Phys.Lett.83,3371(2003)
In compound semiconductors such as Si or GaAs, VLS (Vapor Liquid Solid) growth in which crystal growth selectively occurs under the fine metal particles due to a decrease in melting point due to eutectic with a metal such as Au is known (non-non-crystalline). Patent Document 3). In this VLS growth, a columnar structure grows in the [111] B direction, and depending on the growth conditions, nanowires with a constant column diameter in the length direction can be formed. This nanowire can be manufactured on a substrate having a different lattice constant, and a heterojunction or a pn junction can be formed.
S. Mitsugi, A .; Shinya, E .; Kuramochi, M .; Notomi, T .; Tsuchizawa, T .; Watanabe, “Resonant tunneling wavelength filters with high Q and high transmissivity based on photonic crystal slabs, LEOS 2003, 2003/10 Ac 26 / 30-30. B. Damilano, N .; Grandjean, F.M. Semond, J .; Massies, and M.M. Leroux, Appl. Phys. Lett. 75,962 (1999) S. Bhunia, T .; Kawamura, Y .; Watanabe, S.M. Fujikawa, and K.K. Tokushima, Appl. Phys. Lett. 83, 3371 (2003)

しかしながら、VLS成長では、触媒となるAuの微粒子が浮遊状態にあるため、成長点が動きやすく、高品質な単結晶を得ることが困難である。また、VLS成長では、双晶が形成され、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い。
そこで、本発明の目的は、成長点の位置制御を安定して行いつつ、格子定数の異なる基材上にナノレベルの結晶成長を行わせることが可能なナノ結晶成長方法および装置を提供することである。
However, in the VLS growth, since Au fine particles serving as a catalyst are in a floating state, the growth point is easy to move, and it is difficult to obtain a high-quality single crystal. Further, in VLS growth, twins are formed, and there is a concern about deterioration of current characteristics and light absorption there, so that it is not a practically suitable method.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a nanocrystal growth method and apparatus capable of performing nanolevel crystal growth on substrates having different lattice constants while stably controlling the position of the growth point. It is.

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、所定の真空度において、先端がナノサイズの金属の針またはナノサイズの金属粒子が先端に付いた針を基材に接触させる工程と、前記針を加熱しながら結晶成長の原料となるガスを前記針の周囲に供給することにより、前記基材上に結晶成長させる工程と、前記結晶成長させながら、前記針と前記基材との位置関係を変化させる工程とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the nanocrystal growth method according to claim 1 is based on a needle with a nano-sized metal tip or a nano-sized metal particle attached to the tip at a predetermined degree of vacuum. A step of contacting the material, a step of crystal growth on the substrate by supplying a gas as a raw material for crystal growth to the periphery of the needle while heating the needle, and the needle while growing the crystal. And a step of changing a positional relationship between the substrate and the substrate.

これにより、針の先端のナノ領域の部分が結晶成長の反応点となるが、針を動かすピエゾ素子がナノオーダーの精度で動作し、制御することが可能であるため、位置制御性良く結晶成長させることができる。また、本発明はVLS成長のようにAuの微粒子が浮いた状態ではなく針に固定されており、成長点が動きにくいため、単結晶で成長し易くより高品質な結晶を成長させることができる。本発明で形成できるようなナノ構造は、リソグラフィ技術を用いてエッチングなどで作製するものよりもプロセスが簡易であり、また、リソグラフィでは困難なより複雑な構造も容易に形成可能である。MBE法やMOVPE法に比べると、ナノ領域分の原料供給でよいため、オーダーレベルで少ない原料消費となる。   As a result, the nano-region part at the tip of the needle becomes the reaction point for crystal growth, but the piezo element that moves the needle can operate and control with nano-order accuracy, so crystal growth with good position controllability is possible. Can be made. In the present invention, Au fine particles are not in a floating state as in VLS growth, but are fixed to the needle, and the growth point is difficult to move. Therefore, it is easy to grow a single crystal and it is possible to grow a higher quality crystal. . A nanostructure that can be formed by the present invention has a simpler process than that formed by etching or the like using a lithography technique, and more complicated structures difficult to be formed by lithography can be easily formed. Compared to the MBE method and the MOVPE method, the raw material supply for the nano region is sufficient, so that the raw material consumption is small at the order level.

また、請求項2に係るナノ結晶成長方法によれば、前記針の加熱方法は、抵抗加熱または光照射であることを特徴とする。
これにより、針が基材に触れた部分のみを加熱することができ、基材の他の領域を低温に保つことができる。このため、針が基材に触れた部分のみに選択的に結晶成長させることが可能となり、ナノオーダーの結晶構造を位置制御性良く作製することができる。
The nanocrystal growth method according to claim 2 is characterized in that the heating method of the needle is resistance heating or light irradiation.
Thereby, only the part which the needle | hook touched the base material can be heated, and the other area | region of a base material can be maintained at low temperature. For this reason, it becomes possible to selectively grow a crystal only in a portion where the needle touches the substrate, and a nano-order crystal structure can be produced with good position controllability.

また、請求項3に係るナノ結晶成長方法によれば、前記針と前記基材との位置関係を変化させる方法は、前記針または前記基材を所定方向にナノオーダーで移動させる方法であることを特徴とする。
これにより、ナノワイヤの他、球形、三角錐、コイル形状などの立体構造をナノスケールで作製することが可能となり、Si上に作製された電子デバイスに化合物半導体からなる発光受光素子を品質よく簡単に作り込むことができる。
Moreover, according to the nanocrystal growth method according to claim 3, the method of changing the positional relationship between the needle and the base material is a method of moving the needle or the base material in a predetermined direction in the nano order. It is characterized by.
This makes it possible to produce nanostructures such as spheres, triangular pyramids, and coil shapes in addition to nanowires on a nanoscale, making it easy to produce light-emitting / receiving elements made of compound semiconductors on electronic devices fabricated on Si. Can be built.

また、請求項4に係るナノ結晶成長方法によれば、前記結晶成長の原料となるガスは、有機金属化合物であることを特徴とする。
これにより、有機金属化合物の消費量を抑制しつつ、Si上に作製された電子デバイスに化合物半導体からなる発光受光素子をナノスケールで作製することが可能となり、高品質の光集積回路を簡易かつ安価に作成することができる。
Further, according to the nanocrystal growth method according to claim 4, the gas used as the raw material for crystal growth is an organometallic compound.
This makes it possible to fabricate a light emitting / receiving element made of a compound semiconductor on an electronic device fabricated on Si at a nanoscale while suppressing the consumption of an organometallic compound. Can be created inexpensively.

また、請求項に係るナノ結晶成長装置によれば、試料を設置可能な反応管と、前記反応管内を真空引きする真空ポンプと、結晶成長の原料となるガスを前記反応管内に供給するガス供給源と、前記反応管内に設置され、先端がナノサイズの金属の針またはナノサイズの金属粒子が先端に付いた針と、前記針の先端と前記試料との位置関係を制御する位置制御手段と、前記針を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする。
これにより、成長点の位置を固定しながら、金属触媒を用いたナノレベルの結晶成長を行わせることが可能となる。このため、成長点の位置制御を安定して行いつつ、格子定数の異なる基材上にナノレベルの結晶成長を行わせることが可能となり、様々の材料から構成されるデバイスを集積化することができる。
Further, according to the nanocrystal growth apparatus according to claim 5 , a reaction tube in which a sample can be installed, a vacuum pump for evacuating the reaction tube, and a gas for supplying a gas as a raw material for crystal growth into the reaction tube Position control means for controlling the positional relationship between a supply source, a needle having a nano-sized metal tip or a nano-sized metal particle attached to the tip, and a tip of the needle and the sample. And a heating means for heating the needle.
This makes it possible to perform nano-level crystal growth using a metal catalyst while fixing the position of the growth point. For this reason, it is possible to perform nano-level crystal growth on substrates having different lattice constants while stably controlling the position of the growth point, and it is possible to integrate devices composed of various materials. it can.

また、請求項に係るナノ結晶成長装置によれば、前記針を支持する支持体と、前記反応管内に供給されたガスを前記支持体内に引き込むガス導入部と、前記針の近傍に配置され、前記支持体内に引き込まれたガスを噴出させる噴出孔とをさらに備えることを特徴とする。
これにより、熱伝導の低い材料で針を支持することが可能となるとともに、針の近傍にのみ原料ガスを噴出させることが可能となる。このため、針が基材に触れた部分のみを効率よく加熱することができ、基材の他の領域を低温に保つことが可能となるとともに、成長点の近傍にのみ原料ガスを噴出させることができる。この結果、針が基材に触れた部分のみに選択的に結晶成長させることが可能となり、ナノオーダーの結晶構造を位置制御性良く作製することが可能となるとともに、原料の消費量を抑制することができる。
Further, according to the nanocrystal growth apparatus according to claim 6 , the support that supports the needle, the gas introduction part that draws the gas supplied into the reaction tube into the support, and the vicinity of the needle are disposed. And an ejection hole for ejecting the gas drawn into the support body.
As a result, it is possible to support the needle with a material having low thermal conductivity, and it is possible to eject the source gas only in the vicinity of the needle. For this reason, only the part where the needle touches the base material can be efficiently heated, and other regions of the base material can be kept at a low temperature, and the source gas is jetted only in the vicinity of the growth point. Can do. As a result, the crystal can be selectively grown only on the portion where the needle touches the base material, a nano-order crystal structure can be produced with good position controllability, and the consumption of raw materials is suppressed. be able to.

以上説明したように、本発明によれば、金属触媒が形成された針の位置を制御しながら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、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で作製される電子回路に光回路を付加することができる。   As described above, according to the present invention, even when the lattice constant is different by controlling the position of the needle on which the metal catalyst is formed, even when the lattice constant is different, high-quality light emission and light reception of nano-size. A device can be manufactured with high position controllability, and an optical circuit can be added to an electronic circuit manufactured using Si.

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成長装置の概略構成を示すブロック図である。
図1において、反応管1には、排気管11を介して反応管1内の真空引きを行うターボ分子ポンプ3が接続され、ターボ分子ポンプ3には、粗引きを行うロータリーポンプ2が接続されている。また、反応管1とターボ分子ポンプ3との間には、不純物を濾過するフィルタ4が設けられている。
Hereinafter, a nanocrystal growth method and apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the nanocrystal growth apparatus according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a turbo molecular pump 3 that evacuates the reaction tube 1 is connected to the reaction tube 1 via an exhaust pipe 11, and a rotary pump 2 that performs roughing is connected to the turbo molecular pump 3. ing. A filter 4 for filtering impurities is provided between the reaction tube 1 and the turbo molecular pump 3.

また、反応管1には、ガス供給管12を介して結晶成長の原料となる原料ガスGSを反応管1内に供給するガス供給源7a、7bが接続されている。なお、原料ガスGSとしては、例えば、TMGa(trimethygallium)、TBAs(tertiarybutylarsine)などの有機金属化合物を用いることができる。
ここで、ガス供給源7a、7bから供給されるガスの流路には、ガスの流路の開閉を行うバルブ8a、8b、ガスの圧力を計測する圧力計9a、9bおよびガスの流量を調整する流量調整器10a、10bがそれぞれ設けられている。また、ガス供給管12には、リークバルブ6が設けられるとともに、リークバルブ6の上流側には、圧力調整管13の一端が接続されている。また、圧力調整管13の他端は、ターボ分子ポンプ3とロータリーポンプ2との間に接続され、圧力調整管13には、圧力調整管13を流れるガスの流量を調整する流量調整器5が設けられている。
Further, gas supply sources 7 a and 7 b for supplying a raw material gas GS, which is a raw material for crystal growth, into the reaction tube 1 are connected to the reaction tube 1 through a gas supply tube 12. In addition, as source gas GS, organometallic compounds, such as TMGa (trimethylgallium) and TBAs (tertiarybutyralsine), can be used, for example.
Here, in the flow path of the gas supplied from the gas supply sources 7a and 7b, the valves 8a and 8b for opening and closing the gas flow path, the pressure gauges 9a and 9b for measuring the gas pressure, and the gas flow rate are adjusted. The flow regulators 10a and 10b are provided respectively. The gas supply pipe 12 is provided with a leak valve 6, and one end of a pressure adjusting pipe 13 is connected to the upstream side of the leak valve 6. The other end of the pressure adjustment pipe 13 is connected between the turbo molecular pump 3 and the rotary pump 2, and the pressure adjustment pipe 13 has a flow rate regulator 5 that adjusts the flow rate of the gas flowing through the pressure adjustment pipe 13. Is provided.

図2は、図1の反応管1内の構成例を示す断面図、図3は、図1のガラスフォルダ22の構成例を示す平面図である。
図2において、反応管1内には、サンプルSを載置するサンプルステージ21が設けられるとともに、サンプルステージ21上には、金属プレート23を保持するガラスフォルダ22が設けられている。なお、金属プレート23を保持するための保持体は、ガラス以外にもセラミックなどの材料を用いるようにしてもよい。ここで、金属プレート23を保持するための保持体は、金属プレート23を構成する金属よりも熱伝導率の低い材料を用いることが好ましい。
2 is a cross-sectional view showing a configuration example in the reaction tube 1 of FIG. 1, and FIG. 3 is a plan view showing a configuration example of the glass folder 22 of FIG.
In FIG. 2, a sample stage 21 on which a sample S is placed is provided in the reaction tube 1, and a glass folder 22 that holds a metal plate 23 is provided on the sample stage 21. Note that the holding body for holding the metal plate 23 may be made of a material such as ceramic in addition to glass. Here, it is preferable that the holding body for holding the metal plate 23 is made of a material having a lower thermal conductivity than the metal constituting the metal plate 23.

また、金属プレート23には、先端がナノサイズの径を有する金属針23aが設けられている。なお、金属プレート23および金属針23aを構成する金属としては、例えば、金、銀、銅または白金などの他、これらの合金を用いるようにしてもよい。金属プレート23と金属針23aの材質は同一でもよく異なっていてもよい。また、金属針23aの代わりに、ナノサイズの金属粒子が先端に付いた針を用いるようにしてもよく、例えば、金属粒子を付けたカーボンナノチューブなどの導電体、あるいは先鋭化された先端に金属が付着された光ファイバを用いるようにしてもよい。   Further, the metal plate 23 is provided with a metal needle 23a having a tip having a nano-sized diameter. In addition, as a metal which comprises the metal plate 23 and the metal needle 23a, you may make it use these alloys other than gold | metal | money, silver, copper, or platinum, for example. The material of the metal plate 23 and the metal needle 23a may be the same or different. Further, instead of the metal needle 23a, a needle having nano-sized metal particles attached to the tip may be used. For example, a conductor such as a carbon nanotube attached with metal particles, or a metal with a sharpened tip. An optical fiber to which is attached may be used.

そして、ガラスフォルダ22には、金属プレート23に設けられた金属針23aを突出させる開口部22aが設けられるとともに、反応管1内に導入された原料ガスGSをガラスフォルダ22内に引き込むガス導入部22cが設けられている。そして、図3に示すように、ガラスフォルダ22に設けられた開口部22aの周囲には、ガラスフォルダ22内に引き込まれた原料ガスGSを噴出させるガス噴出孔22bが配置されている。そして、図1のガス供給管12は、Oリング27を介して、ガラスフォルダ22に設けられたガス導入部22cに接続されている。   The glass folder 22 is provided with an opening 22 a for projecting a metal needle 23 a provided on the metal plate 23, and a gas introduction unit for drawing the source gas GS introduced into the reaction tube 1 into the glass folder 22. 22c is provided. As shown in FIG. 3, a gas ejection hole 22 b for ejecting the source gas GS drawn into the glass folder 22 is disposed around the opening 22 a provided in the glass folder 22. The gas supply pipe 12 of FIG. 1 is connected to a gas introduction part 22 c provided in the glass folder 22 via an O-ring 27.

なお、反応管1内に供給された原料ガスGSがガラスフォルダ22の横からガラスフォルダ22内に取り込まれるように、ガス導入部22cを配置することができる。
また、ガラスフォルダ22上には、金属プレート23に光を照射するためのガラスロッド29が配置されている。そして、ガラスロッド29を介して金属プレート23に光を照射することにより、金属針23aを昇温させることができる。ここで、ガラスフォルダ22上にガラスロッド29を配置することにより、金属プレート23に光を効率よく照射することができ、金属針23aの先端を効率よく昇温させることができる。また、金属プレート23として熱伝導率の高い材料を用いることにより、金属プレート23を介して金属針23aを効率よく加熱することができる。なお、金属針23aを加熱する方法としては、光照射を用いる方法の他、抵抗加熱を用いるようにしてもよい。
The gas introduction part 22 c can be arranged so that the source gas GS supplied into the reaction tube 1 is taken into the glass folder 22 from the side of the glass folder 22.
A glass rod 29 for irradiating the metal plate 23 with light is disposed on the glass folder 22. Then, by irradiating the metal plate 23 with light through the glass rod 29, the temperature of the metal needle 23a can be raised. Here, by arranging the glass rod 29 on the glass folder 22, the metal plate 23 can be efficiently irradiated with light, and the tip of the metal needle 23a can be efficiently heated. Further, by using a material having high thermal conductivity as the metal plate 23, the metal needle 23a can be efficiently heated through the metal plate 23. As a method for heating the metal needle 23a, resistance heating may be used in addition to the method using light irradiation.

そして、サンプルステージ21と金属プレート23との間には、電源24が接続されるとともに、金属針23aの先端を流れるトンネル電流を計測する電流計25が接続されている。また、金属プレート23には、金属針23aの温度を計測する熱電対28が配置されている。
また、反応管1内には、ガラスフォルダ22またはサンプルステージ21をXYZ方向にナノスケールの単位で移動させる駆動部が設けられている。なお、駆動部としては、例えば、ピエゾ素子またはステッピングモータなどを用いることができる。
A power source 24 is connected between the sample stage 21 and the metal plate 23, and an ammeter 25 for measuring a tunnel current flowing through the tip of the metal needle 23a is connected. The metal plate 23 is provided with a thermocouple 28 for measuring the temperature of the metal needle 23a.
Further, in the reaction tube 1, a drive unit that moves the glass folder 22 or the sample stage 21 in the XYZ directions in nanoscale units is provided. As the drive unit, for example, a piezo element or a stepping motor can be used.

そして、サンプルS上で結晶成長を行わせる場合、サンプルステージ21上にサンプルSを載置する。そして、ロータリーポンプ2およびターボ分子ポンプ3にて反応管1内の真空引きを行う。また、電流計25による計測値を参照しながら、ガラスフォルダ22またはサンプルステージ21を移動させることにより、金属針23aの先端とサンプルSとの位置関係を調整する。そして、熱電対28による計測値を参照しながら、ガラスロッド29を介して金属プレート23に光を照射することにより、金属針23aの先端を所定の温度に加熱する。   When crystal growth is performed on the sample S, the sample S is placed on the sample stage 21. Then, the reaction tube 1 is evacuated by the rotary pump 2 and the turbo molecular pump 3. Further, the positional relationship between the tip of the metal needle 23 a and the sample S is adjusted by moving the glass folder 22 or the sample stage 21 while referring to the measurement value obtained by the ammeter 25. Then, the tip of the metal needle 23 a is heated to a predetermined temperature by irradiating the metal plate 23 with light through the glass rod 29 while referring to the measurement value by the thermocouple 28.

そして、反応管1内が所定の真空度に達すると、真空バルブ8a、8bを開き、原料ガスGSの蒸気圧を用いることにより、流量調整器10a、10bおよびリークバルブ6を介して原料ガスGSを反応管1内に供給する。
そして、反応管1内に供給された原料ガスGSは、ガス導入部22cを介してガラスフォルダ22内に導かれ、ガス噴出孔22bを介してサンプルS上に噴出される。ここで、ガス噴出孔22bを金属針23aの周囲に配置することにより、原料ガスGSを金属針23aに効率よく接触させることができ、MBE法やMOVPE法に比べると、ナノ領域分の原料供給でよいため、オーダーレベルで少ない原料消費とすることができる。
When the inside of the reaction tube 1 reaches a predetermined degree of vacuum, the vacuum valves 8a and 8b are opened, and the vapor pressure of the raw material gas GS is used, whereby the raw material gas GS is passed through the flow rate regulators 10a and 10b and the leak valve 6. Is fed into the reaction tube 1.
The raw material gas GS supplied into the reaction tube 1 is guided into the glass folder 22 through the gas introduction part 22c, and is ejected onto the sample S through the gas ejection hole 22b. Here, by arranging the gas ejection holes 22b around the metal needle 23a, the raw material gas GS can be efficiently brought into contact with the metal needle 23a. Compared with the MBE method or the MOVPE method, the raw material supply for the nano region is provided. Therefore, it is possible to reduce raw material consumption at the order level.

ここで、サンプルS上に金属針23aの先端を配置した後、金属針23aの先端を昇温させると、サンプルSと金属との合金融液が生成される。そして、合金融液が生成された状態で、気相状の有機金属化合物が合金融液に接触すると、触媒反応により合金融液中に元素の形で取り込まれ、合金融液中で有機金属化合物の構成元素の過飽和現象が生じ、合金融液とサンプルSとの界面に過剰の元素が析出し、ワイヤ状の単結晶を成長させることができる。   Here, after arranging the tip of the metal needle 23a on the sample S, when the temperature of the tip of the metal needle 23a is raised, a combined liquid of the sample S and the metal is generated. When the gas-phase organometallic compound is brought into contact with the combined financial liquid in a state where the combined financial liquid is generated, the elemental form is taken into the combined financial liquid by a catalytic reaction, and the organometallic compound is contained in the combined financial liquid. As a result, a supersaturation phenomenon of the constituent elements occurs, and excess elements are deposited at the interface between the combined financial liquid and the sample S, and a wire-like single crystal can be grown.

ここで、金属触媒として金属針23aを用いることにより、成長点の位置を固定しながら、金属触媒を用いたナノレベルの結晶成長を行わせることが可能となる。このため、成長点の位置制御を安定して行いつつ、格子定数の異なるサンプルS上にナノレベルの結晶成長を行わせることが可能となり、様々の材料から構成されるデバイスを集積化することができる。   Here, by using the metal needle 23a as the metal catalyst, it is possible to perform nano-level crystal growth using the metal catalyst while fixing the position of the growth point. Therefore, it is possible to perform nano-level crystal growth on the sample S having different lattice constants while stably controlling the position of the growth point, and it is possible to integrate devices composed of various materials. it can.

また、金属針23aを用いることにより、成長点を局所的に効率よく加熱することができる。このため、成長温度を高くすることが可能となり、合金融液の中で原料ガスGSを十分に拡散させることができる。この結果、結晶軸方向が動くことを防止しつつ、結晶成長を行なわせることができ、高品質の単結晶を安定して作製することが可能となる。
なお、結晶成長の位置は、電子顕微鏡または金属針23aを流れる電流や金属針23aの振動をフィードバックすることにより観測する走査型プローブ顕微鏡にて見積もりながら制御するようにしてもよい。
In addition, the growth point can be locally and efficiently heated by using the metal needle 23a. For this reason, it becomes possible to raise the growth temperature and the source gas GS can be sufficiently diffused in the combined financial liquid. As a result, crystal growth can be performed while preventing movement of the crystal axis direction, and high-quality single crystals can be stably produced.
Note that the position of crystal growth may be controlled while being estimated with an electron microscope or a scanning probe microscope that observes by feeding back the current flowing through the metal needle 23a or the vibration of the metal needle 23a.

図4は、本発明のナノ結晶成長方法で作製されたGaAsナノワイヤの構成例を示す斜視図である。
図4において、図2のサンプルSとしてGaAs基板31を用いた。また、原料ガスGSとして、TMGaおよびTBAsを用いた。また、金属針23aおよび金属プレート23の材質として金を用いた。そして、GaAs基板31をサンプルステージ21上に載置し、ロータリーポンプ2およびターボ分子ポンプ3にて反応管1内の真空引きを行いながら、反応管1内の圧力が10-3Torrになるようにリークバルブ6を調整した。そして、金属針23aの温度が700℃になるように、金属プレート23を昇温させ、TMGaとTBAsとの流量比が1対60になるように、原料ガスGSを反応管1内に導入した。
FIG. 4 is a perspective view showing a configuration example of a GaAs nanowire produced by the nanocrystal growth method of the present invention.
In FIG. 4, a GaAs substrate 31 is used as the sample S in FIG. Further, TMGa and TBAs were used as the source gas GS. Further, gold was used as the material for the metal needle 23a and the metal plate 23. Then, the GaAs substrate 31 is placed on the sample stage 21, and the pressure in the reaction tube 1 is set to 10 −3 Torr while evacuating the reaction tube 1 with the rotary pump 2 and the turbo molecular pump 3. The leak valve 6 was adjusted. Then, the temperature of the metal plate 23 was raised so that the temperature of the metal needle 23a was 700 ° C., and the source gas GS was introduced into the reaction tube 1 so that the flow rate ratio of TMGa and TBAs became 1:60. .

ここで、GaAs基板31上に金属針23aの先端を配置した後、金属針23aの先端を昇温させると、GaAsと金との合金融液が生成される。そして、合金融液が生成され状態で、気相状のTMGaおよびTBAsが合金融液に接触すると、触媒反応により合金融液中にGaおよびAsが元素の形で取り込まれ、合金融液中でGaおよびAsの過飽和現象が生じ、合金融液とGaAs基板31との界面に過剰のGaAsが析出する。そして、サンプルステージ21の位置を制御して金属針23aを動かすことにより、GaAsナノワイヤ32がGaAs基板31上に形成される。   Here, when the tip of the metal needle 23a is placed on the GaAs substrate 31 and then the tip of the metal needle 23a is heated, a combined liquid of GaAs and gold is generated. Then, in a state where the combined financial liquid is generated, when the gas phase TMGa and TBAs come into contact with the combined financial liquid, the catalytic reaction causes Ga and As to be taken into the combined financial liquid in the elemental form, A supersaturation phenomenon of Ga and As occurs, and excess GaAs is deposited at the interface between the combined financial liquid and the GaAs substrate 31. Then, the GaAs nanowire 32 is formed on the GaAs substrate 31 by controlling the position of the sample stage 21 and moving the metal needle 23a.

そして、GaAsナノワイヤ32がGaAs基板31上に形成されると、透過型電子顕微鏡にてGaAsナノワイヤ32を観察することにより、GaAsナノワイヤ32が単結晶であることを確認した。
なお、図4の実施形態では、GaAs基板31上にGaAsナノワイヤ32を形成したが、球形、三角錐、コイル形状などの立体構造をナノスケールで作製するようにしてもよい。
When the GaAs nanowire 32 was formed on the GaAs substrate 31, the GaAs nanowire 32 was confirmed to be a single crystal by observing the GaAs nanowire 32 with a transmission electron microscope.
In the embodiment of FIG. 4, the GaAs nanowires 32 are formed on the GaAs substrate 31, but a three-dimensional structure such as a sphere, a triangular pyramid, or a coil shape may be fabricated on a nanoscale.

図5(a)は、pin型ナノダイオードが搭載されたSi電子回路の構成例を示す斜視図、図5(b)は、図5(a)のpin型ナノダイオードを拡大して示す平面図である。
図5において、図2のサンプルSとして、電子回路42が形成されたSi基板41を用いた。また、Si基板41には、pin型ナノダイオード48を形成する領域が設けられ、pin型ナノダイオード48を形成する領域には、−電極43および+電極47が形成されている。ここで、−電極43と+電極47との間隔は1μmとし、−電極43および+電極47の材質としては、WまたはMoを用いた。また、原料ガスGSとして、TMIn(trimethylindium)、TBP(tertiarybutylphosphine)およびTBAsを用いた。また、p型ドーパント原料として、DEZn(dimethylzinc)、n型ドーパント原料として、テトラエチルシランを用いた。また、金属針23aの代わりに、20nmの径の金の微粒子が高温で先端に接合されたカーボンナノチューブを用いた。
FIG. 5A is a perspective view showing a configuration example of a Si electronic circuit on which a pin-type nanodiode is mounted, and FIG. 5B is an enlarged plan view showing the pin-type nanodiode in FIG. It is.
In FIG. 5, a Si substrate 41 on which an electronic circuit 42 is formed is used as the sample S in FIG. The Si substrate 41 is provided with a region where the pin-type nanodiode 48 is formed, and in the region where the pin-type nanodiode 48 is formed, a negative electrode 43 and a positive electrode 47 are formed. Here, the distance between the negative electrode 43 and the positive electrode 47 was 1 μm, and the material of the negative electrode 43 and the positive electrode 47 was W or Mo. Further, TMIn (trimethyllinium), TBP (tertiarybutylphosphine), and TBAs were used as the source gas GS. Further, DEZn (dimethylzinc) was used as a p-type dopant material, and tetraethylsilane was used as an n-type dopant material. Further, instead of the metal needle 23a, a carbon nanotube in which gold fine particles having a diameter of 20 nm were bonded to the tip at a high temperature was used.

そして、電子回路42が形成されたSi基板41をサンプルステージ21上に載置し、反応管1内の真空引きを行いながら、金の微粒子が接合されたカーボンナノチューブを昇温させ、V族原料とIII族原料との流量比が1対60になるようにして、原料ガスGSを反応管1内に導入した。また、ドーパント原料の流量は、キャリア濃度が1018cm-3となるように調整した、
そして、サンプルステージ21の位置を制御して金の微粒子が接合されたカーボンナノチューブを動かすことにより、pin型ナノダイオード48をSi基板41上に形成した。ここで、pin型ナノダイオード48には、n−InP層44、InAs層45およびp−InP層46が設けられ、n−InP層44は−電極43に接続し、p−InP層46は+電極47に接続した。また、n−InP層44の長さは490nm、InAs層45の長さは20nm、p−InP層46の長さは490nmとした。
Then, the Si substrate 41 on which the electronic circuit 42 is formed is placed on the sample stage 21, and the temperature of the carbon nanotubes to which the gold fine particles are bonded is raised while evacuating the reaction tube 1. The raw material gas GS was introduced into the reaction tube 1 such that the flow rate ratio between the NO and the group III raw material was 1:60. In addition, the flow rate of the dopant raw material was adjusted so that the carrier concentration was 10 18 cm −3 .
Then, the pin-type nanodiode 48 was formed on the Si substrate 41 by controlling the position of the sample stage 21 and moving the carbon nanotubes to which the gold fine particles were bonded. Here, the pin-type nanodiode 48 is provided with an n-InP layer 44, an InAs layer 45, and a p-InP layer 46. The n-InP layer 44 is connected to the negative electrode 43, and the p-InP layer 46 is + Connected to electrode 47. The length of the n-InP layer 44 was 490 nm, the length of the InAs layer 45 was 20 nm, and the length of the p-InP layer 46 was 490 nm.

そして、−電極43および+電極47を介してpin型ナノダイオード48に電流を流すことにより、1.3μmでの発光を確認した。また、pin型ナノダイオード48をSi基板41上に2つ相対して配置し、一方のpin型ナノダイオード48に順方向に電流を流すことにより発光素子として動作させ、他方のpin型ナノダイオード48に逆方向に電流を流すことにより受光素子として動作させることにより、光接続を行った。そして、電子回路42の素子間で1Gbitの伝送速度を確認した。   Then, current was passed through the pin-type nanodiode 48 through the negative electrode 43 and the positive electrode 47 to confirm light emission at 1.3 μm. In addition, two pin-type nanodiodes 48 are arranged opposite to each other on the Si substrate 41, and a current is passed through one pin-type nanodiode 48 to operate as a light-emitting element, while the other pin-type nanodiode 48 is operated. Optical connection was made by operating as a light receiving element by flowing a current in the opposite direction. Then, a 1 Gbit transmission rate was confirmed between the elements of the electronic circuit 42.

図6(a)は、pin型ナノダイオードが搭載されたフォトニック結晶レーザの構成例を示す斜視図、図6(b)は、図6(a)のpin型ナノダイオードを拡大して示す断面図である。
図6において、図2のサンプルSとして、SOI基板上に形成されたフォトニック結晶導波路を用いた。ここで、p−Si基板51上には、空気層52を介してn−Si層53が形成され、n−Si層53には、導波路となる部分を避けるようにして配置された開口部54が設けられている。また、n−Si層53には、フォトニック結晶導波路上に配置された開口部55が設けられている。なお、空気層52は、SOI基板のSiO2層をフッ酸で除去することにより形成することができる。また、原料ガスGSとして、TMIn(trimethylindium)、TBP(tertiarybutylphosphine)およびTBAsを用いた。また、p型ドーパント原料としてDEZn(dimethylzinc)、n型ドーパント原料としてテトラエチルシランを用いた。また、金属針23aの代わりに、20nmの径の金の微粒子が高温で先端に接合されたカーボンナノチューブを用いた。
FIG. 6A is a perspective view illustrating a configuration example of a photonic crystal laser on which a pin-type nanodiode is mounted, and FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view of the pin-type nanodiode in FIG. FIG.
In FIG. 6, a photonic crystal waveguide formed on an SOI substrate is used as the sample S in FIG. Here, an n-Si layer 53 is formed on the p-Si substrate 51 via an air layer 52, and the n-Si layer 53 has an opening disposed so as to avoid a portion serving as a waveguide. 54 is provided. The n-Si layer 53 is provided with an opening 55 disposed on the photonic crystal waveguide. The air layer 52 can be formed by removing the SiO 2 layer of the SOI substrate with hydrofluoric acid. Further, TMIn (trimethyllinium), TBP (tertiarybutylphosphine), and TBAs were used as the source gas GS. Further, DEZn (dimethylzinc) was used as a p-type dopant material, and tetraethylsilane was used as an n-type dopant material. Further, instead of the metal needle 23a, a carbon nanotube in which gold fine particles having a diameter of 20 nm were bonded to the tip at a high temperature was used.

そして、フォトニック結晶導波路が形成されたp−Si基板51をサンプルステージ21上に載置し、反応管1内の真空引きを行いながら、金の微粒子が接合されたカーボンナノチューブを昇温させ、V族原料とIII族原料との流量比が1対60になるようにして、原料ガスGSを反応管1内に導入した。また、ドーパント原料の流量は、キャリア濃度が1018cm-3となるように調整した。 Then, the p-Si substrate 51 on which the photonic crystal waveguide is formed is placed on the sample stage 21, and the temperature of the carbon nanotube to which the gold fine particles are bonded is raised while evacuating the reaction tube 1. The raw material gas GS was introduced into the reaction tube 1 such that the flow rate ratio of the Group V raw material and the Group III raw material was 1:60. The flow rate of the dopant material was adjusted so that the carrier concentration was 10 18 cm −3 .

そして、サンプルステージ21の位置を制御して金の微粒子が接合されたカーボンナノチューブを動かすことにより、p−InP層56、InAs層57およびn−InP層58をp−Si基板51上に順次積層させ、pin型ナノダイオードを開口部55内に形成した。ここで、p−InP層56の底面はp−Si基板51に接続し、n−InP層58の先端はn−Si層53に接続した。また、InAs層57は、n−Si層53の中央の高さに位置するように配置した。
そして、p−Si基板51およびn−Si層53に電極を形成し、開口部55内に形成されたpin型ナノダイオードに電流を流すことにより、1.3μmでの発光を確認した。また、Q値の高い共振器構造を持つフォトニック結晶導波路を用いることにより、導波路方向にレーザ発振することを確認した。
Then, the p-InP layer 56, the InAs layer 57, and the n-InP layer 58 are sequentially stacked on the p-Si substrate 51 by controlling the position of the sample stage 21 and moving the carbon nanotubes to which the gold fine particles are bonded. As a result, a pin-type nanodiode was formed in the opening 55. Here, the bottom surface of the p-InP layer 56 was connected to the p-Si substrate 51, and the tip of the n-InP layer 58 was connected to the n-Si layer 53. Further, the InAs layer 57 was disposed so as to be positioned at the center height of the n-Si layer 53.
Then, electrodes were formed on the p-Si substrate 51 and the n-Si layer 53, and current was passed through a pin-type nanodiode formed in the opening 55, thereby confirming light emission at 1.3 μm. In addition, it was confirmed that laser oscillation occurred in the waveguide direction by using a photonic crystal waveguide having a resonator structure with a high Q value.

図7は、本発明のナノ結晶成長方法で作製されたGaN白色ナノダイオードの構成例を示す斜視図である。
図7において、図2のサンプルSとして、高抵抗Si基板61を用いた。ここで、高抵抗Si基板61上には、−電極63a〜63cおよび+電極67a〜67cが形成され、−電極63a〜63cおよび+電極67a〜67cの材質としてWを用いた。また、原料ガスGSとして、TMGa、TMAlおよびNH3を用いた。また、n型ドーパント原料としてSiH4、n型ドーパント原料としてDEZnを用いた。また、金属針23aの代わりに、20nmの径の金の微粒子が高温で先端に接合されたカーボンナノチューブを用いた。
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration example of a GaN white nanodiode manufactured by the nanocrystal growth method of the present invention.
In FIG. 7, a high-resistance Si substrate 61 is used as the sample S in FIG. Here, on the high-resistance Si substrate 61, −electrodes 63a to 63c and + electrodes 67a to 67c are formed, and W is used as a material for the −electrodes 63a to 63c and the + electrodes 67a to 67c. Further, TMGa, TMAl and NH 3 were used as the source gas GS. Further, SiH 4 was used as an n-type dopant material, and DEZn was used as an n-type dopant material. Further, instead of the metal needle 23a, a carbon nanotube in which gold fine particles having a diameter of 20 nm were bonded to the tip at a high temperature was used.

そして、−電極63a〜63cおよび+電極67a〜67cが形成された高抵抗Si基板61をサンプルステージ21上に載置し、反応管1内の真空引きを行いながら、金の微粒子が接合されたカーボンナノチューブを昇温させ、V族原料とIII族原料との流量比が1対60になるようにして、原料ガスGSを反応管1内に導入した。また、ドーパント原料の流量は、キャリア濃度が1018cm-3となるように調整した、
そして、サンプルステージ21の位置を制御して金の微粒子が接合されたカーボンナノチューブを動かすことにより、電極63aと+電極67aとの間にGaN赤色ナノダイオード68aを形成した後、電極63bと+電極67bとの間にGaN黄色ナノダイオード68bを形成し、さらに、電極63cと+電極67cとの間にGaN青色ナノダイオード67cを形成した。
Then, the high resistance Si substrate 61 on which the negative electrodes 63a to 63c and the positive electrodes 67a to 67c were formed was placed on the sample stage 21, and gold fine particles were joined while evacuating the reaction tube 1. The temperature of the carbon nanotube was raised, and the raw material gas GS was introduced into the reaction tube 1 such that the flow ratio of the Group V raw material and the Group III raw material was 1:60. In addition, the flow rate of the dopant raw material was adjusted so that the carrier concentration was 10 18 cm −3 .
Then, the GaN red nanodiode 68a is formed between the electrode 63a and the + electrode 67a by controlling the position of the sample stage 21 and moving the carbon nanotubes to which the gold fine particles are bonded, and then the electrode 63b and the + electrode. A GaN yellow nanodiode 68b was formed between 67b and a GaN blue nanodiode 67c between the electrode 63c and the + electrode 67c.

ここで、GaN赤色ナノダイオード68aには、n−AlNワイヤ層64a、GaN量子ドット層65aおよびp−AlNワイヤ層66aが設けられ、n−AlNワイヤ層64aは−電極63aに接続し、p−AlNワイヤ層66aは+電極67aに接続した。また、n−AlNワイヤ層64aの直径は20nm、長さは500nmとし、GaN量子ドット層65aの直径および長さは発光波長が450nmとなるように調整し、p−AlNワイヤ層66aの直径は20nm、長さは500nmとした。   Here, the GaN red nanodiode 68a is provided with an n-AlN wire layer 64a, a GaN quantum dot layer 65a, and a p-AlN wire layer 66a, and the n-AlN wire layer 64a is connected to the negative electrode 63a, and p- The AlN wire layer 66a was connected to the positive electrode 67a. The diameter of the n-AlN wire layer 64a is 20 nm, the length is 500 nm, the diameter and length of the GaN quantum dot layer 65a are adjusted so that the emission wavelength is 450 nm, and the diameter of the p-AlN wire layer 66a is The length was 20 nm and the length was 500 nm.

また、GaN黄色ナノダイオード68bには、n−AlNワイヤ層64b、GaN量子ドット層65bおよびp−AlNワイヤ層66bが設けられ、n−AlNワイヤ層64bは−電極63bに接続し、p−AlNワイヤ層66bは+電極67bに接続した。また、n−AlNワイヤ層64bの直径は20nm、長さは500nmとし、GaN量子ドット層65bの直径および長さは発光波長が520nmとなるように調整し、p−AlNワイヤ層66bの直径は20nm、長さは500nmとした。   In addition, the GaN yellow nanodiode 68b is provided with an n-AlN wire layer 64b, a GaN quantum dot layer 65b, and a p-AlN wire layer 66b, and the n-AlN wire layer 64b is connected to the negative electrode 63b, and p-AlN. The wire layer 66b was connected to the + electrode 67b. The diameter of the n-AlN wire layer 64b is 20 nm, the length is 500 nm, the diameter and length of the GaN quantum dot layer 65b are adjusted so that the emission wavelength is 520 nm, and the diameter of the p-AlN wire layer 66b is The length was 20 nm and the length was 500 nm.

また、GaN青色ナノダイオード68cには、n−AlNワイヤ層64c、GaN量子ドット層65cおよびp−AlNワイヤ層66cが設けられ、n−AlNワイヤ層64cは−電極63cに接続し、p−AlNワイヤ層66cは+電極67cに接続した。また、n−AlNワイヤ層64cの直径は20nm、長さは500nmとし、GaN量子ドット層65cの直径および長さは発光波長が600nmとなるように調整し、p−AlNワイヤ層66cの直径は20nm、長さは500nmとした。   The GaN blue nanodiode 68c is provided with an n-AlN wire layer 64c, a GaN quantum dot layer 65c, and a p-AlN wire layer 66c. The n-AlN wire layer 64c is connected to the negative electrode 63c, and p-AlN. The wire layer 66c was connected to the + electrode 67c. The diameter of the n-AlN wire layer 64c is 20 nm and the length is 500 nm, the diameter and length of the GaN quantum dot layer 65c are adjusted so that the emission wavelength is 600 nm, and the diameter of the p-AlN wire layer 66c is The length was 20 nm and the length was 500 nm.

また、GaN赤色ナノダイオード68a、GaN黄色ナノダイオード68bおよびGaN青色ナノダイオード67cの間隔は、500nmとした。
そして、−電極63a〜63cおよび+電極67a〜67cをそれぞれ介して、GaN赤色ナノダイオード68a、GaN黄色ナノダイオード68bおよびGaN青色ナノダイオード67cに同時に電流を流すことにより、白色の発光を確認した。ここで、GaN赤色ナノダイオード68a、GaN黄色ナノダイオード68bおよびGaN青色ナノダイオード67cを微小間隔で隣り合うように配置することにより、GaN赤色ナノダイオード68a、GaN黄色ナノダイオード68bおよびGaN青色ナノダイオード67cを互いに重ね合わせることなく白色の発光を得ることができ、発光効率を向上させることができる。
The interval between the GaN red nanodiode 68a, the GaN yellow nanodiode 68b, and the GaN blue nanodiode 67c was 500 nm.
Then, white light emission was confirmed by simultaneously passing current through the GaN red nanodiode 68a, the GaN yellow nanodiode 68b, and the GaN blue nanodiode 67c through the -electrodes 63a to 63c and the + electrodes 67a to 67c, respectively. Here, the GaN red nanodiode 68a, the GaN yellow nanodiode 68b, and the GaN blue nanodiode 67c are arranged so as to be adjacent to each other at a minute interval, whereby the GaN red nanodiode 68a, the GaN yellow nanodiode 68b, and the GaN blue nanodiode 67c. White light emission can be obtained without overlapping each other, and the light emission efficiency can be improved.

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。   The nanocrystal growth method of the present invention can produce nano-sized high-quality light-emitting and light-receiving devices with good position controllability, and is made of a compound semiconductor on an integrated circuit or photonic crystal made on Si. Nano-level light emitting and receiving elements can be easily built with high quality.

本発明の一実施形態に係るナノ結晶成長装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the nanocrystal growth apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 図1の反応管1内の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example in the reaction tube 1 of FIG. 図1のガラスフォルダ22の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of the glass folder 22 of FIG. 本発明のナノ結晶成長方法で作製されたGaAsナノワイヤの構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structural example of the GaAs nanowire produced with the nanocrystal growth method of this invention. 図5(a)は、ナノ発光受光素子が搭載されたSi電子回路の構成例を示す斜視図、図5(b)は、図5(a)のナノ発光受光素子を拡大して示す平面図である。FIG. 5A is a perspective view showing a configuration example of a Si electronic circuit on which a nano light emitting / receiving element is mounted, and FIG. 5B is an enlarged plan view showing the nano light emitting / receiving element in FIG. 5A. It is. 図6(a)は、pin型ナノダイオードが搭載されたフォトニック結晶レーザの構成例を示す斜視図、図6(b)は、図6(a)のpin型ナノダイオードを拡大して示す断面図である。FIG. 6A is a perspective view illustrating a configuration example of a photonic crystal laser on which a pin-type nanodiode is mounted, and FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view of the pin-type nanodiode in FIG. FIG. 本発明のナノ結晶成長方法で作製されたGaN白色ナノダイオードの構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structural example of the GaN white nano diode produced with the nanocrystal growth method of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 反応管
2 ロータリーポンプ
3 ターボ分子ポンプ
4 フィルタ
5、10a、10b 流量調整器
6 リークバルブ
7a、7b ガス供給源
8a、8b バルブ
9a、9b 圧力計
11 排気管
12 ガス供給管
13 圧力調整管
S サンプル
21 サンプルステージ
22 ガラスフォルダ
22a 開口部
22b 噴出孔
22c ガス導入部
23 金属プレート
23a 金属針
24 電源
25 電流計
26 ガス管
27 Oリング
28 熱電対
29 ガラスロッド
GS ガス
31 GaAs基板
32 GaAsナノワイヤ
41、61 Si基板
42 電子回路
43、63a〜63c −電極
44、58 n−InP層
45、57 InAs層
46、56 p−InP層
47、67a〜67c +電極
48 pin型ナノダイオード
51 p−Si基板
52 空気層
53 n−Si層
54、55 開口部
64a〜64c n−AlNワイヤ層
65a〜65c GaN量子ドット層
66a〜66c p−AlNワイヤ層
68a GaN赤色ナノダイオード
68b GaN黄色ナノダイオード
68c GaN青色ナノダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction pipe 2 Rotary pump 3 Turbo molecular pump 4 Filter 5, 10a, 10b Flow regulator 6 Leak valve 7a, 7b Gas supply source 8a, 8b Valve 9a, 9b Pressure gauge 11 Exhaust pipe 12 Gas supply pipe 13 Pressure adjustment pipe S Sample 21 Sample stage 22 Glass folder 22a Opening 22b Ejection hole 22c Gas introduction part 23 Metal plate 23a Metal needle 24 Power supply 25 Ammeter 26 Gas pipe 27 O-ring 28 Thermocouple 29 Glass rod GS Gas 31 GaAs substrate 32 GaAs nanowire 41, 61 Si substrate 42 Electronic circuit 43, 63a-63c-Electrode 44, 58 n-InP layer 45, 57 InAs layer 46, 56 p-InP layer 47, 67a-67c + electrode 48 pin-type nanodiode 51 p-Si substrate 52 Air layer 5 n-Si layer 54, 55 opening 64a to 64c n-AlN wire layer 65 a to 65 c GaN quantum dot layer 66 a to 66 c p-AlN wire layer 68a GaN red nano diode 68b GaN yellow nano diode 68c GaN blue nano diode

Claims (6)

所定の真空度において、先端がナノサイズの金属の針またはナノサイズの金属粒子が先端に付いた針を基材に接触させる工程と、
前記針を加熱しながら結晶成長の原料となるガスを前記針の周囲に供給することにより、前記基材上に結晶成長させる工程と、
前記結晶成長させながら、前記針と前記基材との位置関係を変化させる工程とを備えることを特徴とするナノ結晶成長方法。
Contacting the substrate with a nano-sized metal needle or a nano-sized metal particle-attached needle at a predetermined vacuum degree, and a substrate;
Supplying a gas that is a raw material for crystal growth to the periphery of the needle while heating the needle, to grow a crystal on the substrate;
And a step of changing a positional relationship between the needle and the base material while the crystal is grown.
前記針の加熱方法は、抵抗加熱または光照射であることを特徴とする請求項1記載のナノ結晶成長方法。   2. The nanocrystal growth method according to claim 1, wherein the heating method of the needle is resistance heating or light irradiation. 前記針と前記基材との位置関係を変化させる方法は、前記針または前記基材を所定方向にナノオーダーで移動させる方法であることを特徴とする請求項1または2記載のナノ結晶成長方法。   3. The nanocrystal growth method according to claim 1, wherein the method of changing the positional relationship between the needle and the substrate is a method of moving the needle or the substrate in a predetermined direction in a nano order. . 前記結晶成長の原料となるガスは、有機金属化合物であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のナノ結晶成長方法。   The nanocrystal growth method according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas used as a raw material for crystal growth is an organometallic compound. 試料を設置可能な反応管と、A reaction tube in which a sample can be placed;
前記反応管内を真空引きする真空ポンプと、A vacuum pump for evacuating the reaction tube;
結晶成長の原料となるガスを前記反応管内に供給するガス供給源と、A gas supply source for supplying a gas as a raw material for crystal growth into the reaction tube;
前記反応管内に設置され、先端がナノサイズの金属の針またはナノサイズの金属粒子が先端に付いた針と、A needle that is placed in the reaction tube and has a nano-sized metal needle or nano-sized metal particle at the tip; and
前記針の先端と前記試料との位置関係を制御する位置制御手段と、Position control means for controlling the positional relationship between the tip of the needle and the sample;
前記針を加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とするナノ結晶成長装置。And a heating means for heating the needle.
前記針を支持する支持体と、
前記反応管内に供給されたガスを前記支持体内に引き込むガス導入部と、
前記針の近傍に配置され、前記支持体内に引き込まれたガスを噴出させる噴出孔と、をさらに備えることを特徴とする請求項5記載のナノ結晶成長装置。
A support for supporting the needle;
A gas introduction part for drawing the gas supplied into the reaction tube into the support;
The nanocrystal growth apparatus according to claim 5, further comprising: an ejection hole disposed in the vicinity of the needle for ejecting the gas drawn into the support body .
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