JP5435600B2 - Iv族半導体ナノ細線の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)SiO2膜は、高温・多湿中でもその構造が安定であるため、Siナノ細線の場合は、熱酸化してSiナノ細線の表面をSiO2膜で被覆することにより、耐環境性の良い素子とすることができるが、Ge細線の場合には、熱酸化して形成されるGeO2膜が著しく高温・多湿の中で不安定であるため、耐環境性の良い素子とすることができない。従って、従来方法だけでは、Geナノ細線を実用に耐え得る耐環境性を有したGeナノ細線とすることができない。
(2)また、ナノ細線の一次元量子効果は、ナノ細線の径によって大きく変化するので、径を精密に制御する必要がある。VLS成長法で形成するSiやGeのナノ細線は、液体触媒微粒子の粒径でその径が決定されるが、液体触媒微粒子の粒径は、液体触媒微粒子を構成する物質の種類と基板を構成する物質の種類でほぼ決定されてしまい、Siナノ細線の場合には、熱酸化条件(温度、時間)を制御してSi細線の表面のSiO2の厚さを制御することでナノ細線の径を制御できるが、Geの場合には、上記に説明したように、GeO2が極めて不安定であるために、Geナノ細線の径を一定不変の径に制御することが困難である。すなわち、従来方法だけでは、Geナノ細線の径をナノメーター・スケールで制御することが困難である。
(3)また、絶縁物ナノ細線中にナノドットやナノディスクを周期的に配列した、半導体電子・光素子が提案されているが、ナノディスクやナノドットをどのような方法で形成するのか、提案されていない。すなわち、従来方法だけでは、絶縁物ナノ細線中に、ナノドットやナノディスクを周期的に配列することが困難である。
(4)また、上記のナノドットやナノディスクのサイズをどのように制御するのかも提案されていない。すなわち、従来方法だけでは、絶縁物ナノ細線中の、ナノディスクやナノドットのサイズをナノメーター・スケールで制御することが困難である。
(5)また、サイズが制御されたナノドットやナノディスクを3次元的に周期的に高密度に配置すれば、極めて発光効率の高く且つ波長選択性のある光素子が実現できる。しかしながら、上記に説明したように、ナノドットやナノディスクを周期的に配列することやナノドットやナノディスクのサイズをナノメーター・スケールで制御することが困難であるので、従来方法だけでは、サイズが制御されたナノドットやナノディスクを3次元的に周期的に高密度に配置することが困難であると言う課題がある。
本発明の他の側面によれば、基板上に、SiとGeを溶融する触媒金属元素から成るナノサイズの触媒金属微粒子を複数担持し、これらの触媒金属微粒子が液体微粒子となる温度において、これらの複数の触媒金属微粒子の周囲の空間からSiの原料ガスとSi原料ガス及びGe原料ガスの混合原料ガスとを交互に供給し、上記基板上に、Si結晶と、SiとGeの混晶とが交互に成長した超格子ナノ細線を複数成長し、これらの超格子ナノ細線を熱酸化することにより、SiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットを3次元的に周期的に配置することを特徴とする、IV族半導体ナノ細線の製造方法が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、前記SiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットが3次元的に周期的に配置された材料を発光材料としたことを特徴とする、発光材料が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、前記ナノ細線又はナノ細線の集合体を用いたことを特徴とする、半導体電子・光素子が与えられる。
また、例えば、Siの原料ガスの混合比を大きくし、Geの原料ガスの混合比を小さくすれば、SiとGeの混晶はSiが多く、Geは少ない。熱酸化すると、Siが多いので厚いSiO 2 膜が形成されると共に、Geは少ないので径の小さいGeナノ細線が形成される。反対に、Siの原料ガスの混合比を小さくし、Geの原料ガスの混合比を大きくすれば、薄いSiO 2 膜が形成されると共に、径の大きなGeナノ細線が形成される。このようにして、Siの原料ガスとGeの原料ガスとの混合比を制御することにより、SiO 2 膜で被覆されたGeナノ細線の径を制御することができる。
ここで、超格子のSi結晶部分がSiO 2 に変換され、且つ、SiとGeの混晶部分の表面がSiO 2 とGeO 2 とからなる絶縁物に変換されると共に、SiO 2 や絶縁物以外の部分に、Geが濃縮されたSiとGeの混晶からなるナノディスク又はナノドットが形成され、SiO 2 とGeO 2 とからなる絶縁物ナノ細線中に、SiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットが周期的に配列したナノ細線が得られる。
また、例えば、Siの原料ガスの混合比を大きくし、Geの原料ガスの混合比を小さくすれば、SiとGeの混晶はSiが多く、Geは少ない。熱酸化すると、Siが多いので厚いSiO 2 とGeO 2 が混在した絶縁膜が形成されると共に、径の小さいSiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットが形成される。反対に、Siの原料ガスの混合比を小さくし、Geの原料ガスの混合比を大きくすれば、薄い絶縁膜が形成されると共に、径の大きな、SiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットが形成される。このようにして、Siの原料ガスとGeの原料ガスとの混合比を制御することにより、SiとGeの混晶eナノディスク又はナノドットのサイズを制御することができる。
また、例えば、Si原料ガスとGe原料ガスの混合原料ガスを供給する時間を長くして、SiとGeからなる混晶の厚さを厚くすれば、熱酸化後に形成されるSiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズは大きくなり、反対に、混合原料ガスを供給する時間を短くして、SiとGeからなる混晶の厚さを薄くすれば、熱酸化後に形成されるSiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズは小さくなる。このようにして、SiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズを制御することができる。
また、SiO 2 とGeO 2 とからなる絶縁物ナノ細線中に、サイズが制御された、SiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットが周期的に配列したナノ細線が基板上に垂直に複数配列するので、サイズが制御された、SiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットを3次元的に周期的に高密度に配置することができる。
また、Geから成るナノディスク又はナノドットが周期的に配列しているので、例えば、電子を注入することで、極めて低損失に発光させることができ、また、Geから成るナノディスク又はナノドットのサイズを制御できるので、発光波長を選択することができる。また、これらのナノディスク又はナノドットが3次元的に高密度に配列しているので、極めて高輝度の発光材料となる。
2 触媒金属微粒子
3 SiとGeの混晶から成るナノ細線
4 SiO2膜
5 Geナノ細線
6 SiO2膜で被覆されたGeナノ細線
11 Si結晶
12 SiとGeからなる混晶
13 超格子ナノ細線
14 SiO2とGeO2とから成る絶縁物
15 SiとGeの混晶から成るナノディスク
16 SiとGeの混晶ナノディスクが周期的に配列したナノ細線
17 SiとGeの混晶ナノドット
18 SiとGeの混晶ナノドットが周期的に配列したナノ細線
Claims (4)
- 基板上にSiとGeを溶融する触媒金属元素から成るナノサイズの触媒金属微粒子を担持し、この触媒金属微粒子が液体微粒子となる温度において、この液体微粒子の周囲の空間からSiの原料ガスとSi原料ガス及びGe原料ガスの混合原料ガスとを交互に供給し、上記基板上に、Si結晶と、SiとGeの混晶とが交互に成長した超格子ナノ細線を成長し、この超格子ナノ細線を熱酸化することにより、SiO 2 とGeO 2 とから成る絶縁物ナノ細線中に、SiとGeの混晶から成るナノディスク又はナノドットを周期的に配列したナノ細線を作製することを特徴とする、IV族半導体ナノ細線の製造方法。
- 基板上に、SiとGeを溶融する触媒金属元素から成るナノサイズの触媒金属微粒子を複数担持し、これらの触媒金属微粒子が液体微粒子となる温度において、これらの複数の触媒金属微粒子の周囲の空間からSiの原料ガスとSi原料ガス及びGe原料ガスの混合原料ガスとを交互に供給し、上記基板上に、Si結晶と、SiとGeの混晶とが交互に成長した超格子ナノ細線を複数成長し、これらの超格子ナノ細線を熱酸化することにより、SiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットを3次元的に周期的に配置することを特徴とする、IV族半導体ナノ細線の製造方法。
- 請求項2の方法で作製した、SiとGeの混晶ナノディスク又はナノドットが3次元的に周期的に配置された材料を発光材料としたことを特徴とする、発光材料。
- 請求項1または2の方法で作製した、ナノ細線又はナノ細線の集合体を用いたことを特徴とする、半導体電子・光素子。
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