JP5600246B2 - シリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤーおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤーおよびその製造方法に関し、さらに詳細には、シリコンリッチ酸化物を含むことにより優れた導電性および光特性を有するナノワイヤー、ならびに前記ナノワイヤーを容易に形成できる製造方法に関する。
ナノワイヤーは、直径がナノメートルの範囲であり、長さが数百ナノメートル、数百マイクロメートル、または数百ミリメートルを有する線形材料である。このようなナノワイヤーの物性は、それらが有する直径と長さとに依存する。数ナノメートルの大きさを有するナノワイヤーは、量子閉じ込め（ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）効果により、バルク形態の物質とは異なる電気的・光学的特性を有する。そのため、ナノワイヤーは、各種の電子素子および光学素子へ応用される次世代技術として、多くの注目を浴びている。特に、蓄積されたシリコン半導体技術が利用可能なシリコンナノワイヤーは、現在の数十ナノメートルの大きさのデザインルールの限界を克服できる代替技術として多くの関心と注目とを集めており、活発に研究されている（例えば、特許文献４〜６参照）。
現在は、半導体の集積度向上および速度増加のための垂直型構造のシリコンナノワイヤー電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が実現されている。シリコンナノワイヤーは、ＦＥＴ以外にも各種の電子素子、例えば、センサー、光検出素子（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）、シリコンオプトエレクトロニック集積回路（Ｓｉ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などに応用することができる。
また、最近では、シリコンナノ結晶（ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ）の電荷捕獲特性を用いたメモリ素子が、次世代メモリ分野で良好な評価を受けている。したがって、電気的特性および光特性が改良された新しいナノワイヤーが求められており、より容易にナノワイヤーを製造できる方法もまた求められている。
Ｆｌｏｒｉａｎ Ｍ．Ｋｏｌｂ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｌｅｔｔ． ８９（２００６）， １７３１１１
Ｚｈｅｎｒｕｉ Ｙｕ ｅｔ ａｌ．，Ｔｈｉｎ ｓｏｌｉｄ ｆｉｌｍ ４７３（２００５），１４５−１５０
Ｚｈｉｈｏｎｇ Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １９（２００８）， １６５６０１
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、優れた導電性および光特性を有するナノワイヤーを提供することにある。
本発明の他の目的は、基板の位置に応じて構造の異なるナノワイヤーを容易に製造できるナノワイヤーの製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、優れた導電性および光特性を有する前記ナノワイヤーを含む電子素子を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、シリコンリッチ酸化物（ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｉｃｈ ｏｘｉｄｅ）を含むナノワイヤーを提供する。
また、本発明は、シリコン基板上に金属触媒をコーティングする工程；チャンバーまたはマイクロチャンバーを準備する工程；および前記チャンバーまたは前記マイクロチャンバー内に気体を注入しながら加熱して、前記シリコン基板から拡散または気化したナノワイヤー源を用いてナノワイヤーを形成させる工程、を含むナノワイヤーの製造方法を提供する。
さらに、本発明は、前記ナノワイヤーを含む電子素子を提供する。
本発明のナノワイヤーは、優れた導電性および光特性を有するため、太陽電池、センサー、光検出素子、発光ダイオード、レーザダイオード、ＥＬ素子、ＰＬ素子、ＣＬ素子、ＦＥＴ、ＣＴＦ、表面プラズモン導波路、ＭＯＳキャパシタなどの様々な分野で効果的に使用することができる。
以下、本発明を、添付した図面を参照しながらより詳細に説明する。
本発明の一実施形態によるナノワイヤーは、シリコンリッチ酸化物を含む。シリコンリッチ酸化物は、シリコン（Ｓｉ）が多いＳｉＯｘ（ただし、０＜ｘ＜２）の形態で存在する。ナノワイヤーの内部にシリコン含量の高いシリコンリッチ酸化物を含む場合、一般的なシリカナノワイヤーよりも優れた導電性および光特性を有するため、シリカまたはシリコンナノワイヤーの制限的な応用を克服することができる。
図１は、本発明の一実施形態によるナノワイヤーの概略斜視図である。図１の（ａ）を参照すると、本発明の一実施形態のナノワイヤー１００は、ナノワイヤー自体がシリコンリッチ酸化物を含む。図１の（ｂ）を参照すると、本発明の他の実施形態によるナノワイヤーは、コア部１とシェル部２とからなり、前記コア部１は、結晶性または非晶性のシリコンリッチ酸化物を含み、前記シェル部２は、シリカを含むことができる。この際、前記シェル部２のシリカは、ナノワイヤー形成工程の際にまたは大気中の酸素により、シリコンが酸化して生成されうる。
本発明の他の実施形態によるナノワイヤーは、図１の（ｃ）に示したように、シリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤー１００の内部に、前記ナノワイヤーの縦軸に沿って一列に整列した複数の金属ナノドット３を含む構造である。なお、本明細書において、「ナノワイヤーの縦軸」とは、ナノワイヤーの長軸を意味する。
また、本発明の他の実施形態によるナノワイヤーは、図１の（ｄ）に示すように、コア部１とシェル部２とからなり、前記コア部１に前記ナノワイヤーの縦軸に沿って一列に整列した複数の金属ナノドット３を含むことができる。このように、本発明の他の実施形態によるナノワイヤーは、金属ナノドット３の列が、ナノワイヤーの中央に前記ナノワイヤーの縦軸に沿って一列に整列しているため、電子素子または光特性を利用した素子を具現するのに容易である。この際、ナノワイヤーに含まれるコア部１は、複数の前記金属ナノドット３を連結する機能を有する。
前記金属ナノドット３としては、ナノワイヤーの成長に触媒として使用できる金属を用いることができ、具体的には、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）および鉛（Ｐｄ）からなる群より選択される少なくとも１種から形成されることが好ましい。
この際、前記金属ナノドット３の直径は、特に制限されないが、形成されたナノワイヤーの直径と同じ直径かまたはそれより小さい直径を有することが好ましく、具体的には、５〜１０μｍであることが好ましい。前記金属ナノドット３は、好ましくは１０ｎｍ〜１μｍの間隔で配列される。
本発明の別の実施形態によると、前記ナノワイヤーは、図１の（ｅ）に示すように、ナノワイヤー１００の内部に、シリコン量子ドット４を含む。
また、本発明の別の実施形態によると、前記ナノワイヤーは、図１の（ｆ）に示すように、コア部１とシェル部２とからなり、前記シェル部２の内部にはシリコン量子ドット４が分布している。
さらに、本発明の別の実施形態によると、前記ナノワイヤーは、図１の（ｇ）に示すように、ナノワイヤー１００の縦軸に沿って、一列に整列した複数の金属ナノドット３を含み、前記ナノワイヤー１００の内部にシリコン量子ドット４を含む構造である。
また、本発明の別の実施形態によると、前記ナノワイヤーは、図１の（ｈ）に示すように、コア部１とシェル部２とからなり、前記コア部１の内部には金属ナノドット３の列が形成され、前記シェル部２の内部にはシリコン量子ドット４が分布している。
このようなシリコン量子ドットにより、既存のバルク形態のシリコンでは得られなかったような光特性を示して、発光素子、受光素子、またはメモリ素子に利用することができる。すなわち、シリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤーを１０００℃以上の高温で熱処理するか、またはレーザーを照射することによって、余分のシリコンがシリコン核を形成し、数ナノメートルの大きさのシリコン量子ドット（ｓｉｌｉｃｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）を形成させることができる。図１の（ｆ）および（ｈ）のナノワイヤーの場合には、コア部１のシリコンリッチ酸化物の余分のシリコンにより、シェル部２にシリコン量子ドット４が形成される。このようなシリコン量子ドット４は、バルク形態のシリコンでは得られなかったような光特性を示し、可視光領域の発光または受光が可能という特徴を有する。
図１の（ａ）〜（ｈ）に示す形態の中でも、シリコンリッチ酸化物から形成され複数のシリコン量子ドットが存在している形態である、図１の（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、および（ｈ）に示す形態のナノワイヤーが好ましい。
また、本発明は、上記のような構造を有するナノワイヤーの製造方法に関する。
本発明の一実施形態によるナノワイヤーの製造方法は、シリコン基板上に金属触媒をコーティングする工程；チャンバーまたはマイクロチャンバー（ｍｉｃｒｏｃｈａｍｂｅｒ）を準備する工程；および前記チャンバーまたはマイクロチャンバー内に気体を注入しながら加熱して、前記シリコン基板から拡散または気化したナノワイヤー源を用いてナノワイヤーを形成させる工程を含む。
一般的に、ナノワイヤーを成長させる方法の例としては、ＶＬＳ（ｖａｐｏｒ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）工程またはＳＬＳ（ｓｏｌｉｄ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）工程が挙げられる。
具体的には、前記ＶＬＳ（ｖａｐｏｒ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）工程は、シリコン基板上に金、コバルト、ニッケルなどの触媒金属をコーティングした後、高温の反応炉に入れ、シリコン供給源（例えば、ＳｉＨ４）を外部から気相に注入すると、気相のシリコン含有種が、金、コバルト、ニッケルなどの溶融している金属触媒の表面上で凝縮して結晶化することにより、シリコンナノワイヤーに成長する方法である。
これに対し、ＳＬＳ（ｓｏｌｉｄ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）工程は、別途のシリコン蒸気を供給せずに、固体基板（すなわち、金属触媒がコートされたシリコン基板）から拡散したシリコンが、溶融している金属触媒の表面上で凝縮して結晶化することにより、シリコンナノワイヤーに成長する方法である。
本発明の一実施形態によるナノワイヤーは、特徴的にＶＬＳ（ｖａｐｏｒ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）類似工程、またはＳＬＳ（ｓｏｌｉｄ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）工程により製造されうる。以下、各工程別に詳細に説明する。
（ａ）シリコン基板上に金属触媒をコーティングする工程
本発明の一実施形態によるナノワイヤーの製造方法は、図２ａおよび図２ｂに示すように、まず、シリコン基板１０の上に金属触媒、例えば、Ａｕ金属触媒を基板上にコーティングして金属触媒のコーティング層２０を形成する。この際、不純物を除去するために、通常の方法で基板をあらかじめ洗浄することができる。
本発明の一実施形態によるナノワイヤーの製造方法は、図２ａおよび図２ｂに示すように、まず、シリコン基板１０の上に金属触媒、例えば、Ａｕ金属触媒を基板上にコーティングして金属触媒のコーティング層２０を形成する。この際、不純物を除去するために、通常の方法で基板をあらかじめ洗浄することができる。
前記シリコン基板１０は、ナノワイヤー源としての機能を果たす基板であれば特に制限されず、例えば、シリコン基板以外にも、ガラス上またはプラスチック上にシリコンをコーティングした基板などを使用することができる。
また、前記シリコン基板上にコーティングされる金属触媒は、ナノワイヤーを成長させることができる金属触媒であれば特に制限されず、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）またはパラジウム（Ｐｄ）を使用することができるが、これらに限定されるものではない。
本発明において、前記金属触媒は、ナノ粒子の形態または薄膜の形態で基板にコーティングされうる。基板上にコーティングされる金属触媒のコーティング層２０の厚さは、５０ｎｍ以下であることが好ましく、１〜３０ｎｍであることがより好ましい。
前記金属触媒を基板にコーティングする方法としては、本発明の目的を損なわない限り特に制限されず、当該技術分野で一般的に用いられるコーティング方法、例えば、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、真空蒸着法、スピンコーティング法、またはディッピング法で行われうる。この際、スピンコーティング法およびディッピング法に使用される溶媒としては、エタノールなどのアルコール類、水など通常の溶媒を使用することができる。
本発明のナノワイヤーの直径は、金属触媒の直径に応じて異なるため、金属触媒の直径を調節することにより制御することができる。
（ｂ）チャンバーまたはマイクロチャンバーを準備する工程
次いで、チャンバーまたはマイクロチャンバーを準備する。この際、前記チャンバーとしては、ナノワイヤーが成長できる大きさの通常のチャンバーを使用することができ、前記チャンバー内にシリコン基板を位置させる。この後、Ａｒなどの気体と酸素とを注入してナノワイヤーを成長させることができるが、これに関しては、下記の（ｃ）工程でより詳しく説明する。
次いで、チャンバーまたはマイクロチャンバーを準備する。この際、前記チャンバーとしては、ナノワイヤーが成長できる大きさの通常のチャンバーを使用することができ、前記チャンバー内にシリコン基板を位置させる。この後、Ａｒなどの気体と酸素とを注入してナノワイヤーを成長させることができるが、これに関しては、下記の（ｃ）工程でより詳しく説明する。
一方、マイクロチャンバーを準備する工程は、図２ａに示したように、前記（ａ）工程により金属触媒がコーティングされたシリコン基板１０をサセプタ（ｓｕｓｃｅｐｔｏｒ）の上に載せ、前記シリコン基板１０の上にリッド（ふた）３０をかぶせてマイクロチャンバーを形成することができる。この際、前記リッド（ふた）３０と基板１０との間隙は、１０〜１００μｍであることが好ましいが、これに制限されるものではない。また、リッド（ふた）３０の材料としては、石英、ＳｉＣなどの耐熱性のよい材料を使用することができるが、これらに限定されるものではない。
前記マイクロチャンバーは、ナノワイヤーを成長させるための反応炉として使用される。よって、図２ｂに示すように、前記（ａ）の工程により得られる金属触媒がコーティングされたシリコン基板１０を、サセプタ６０と向かい合うように置けば、シリコン基板１０とサセプタ６０との間に好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍの間隙が生じて、マイクロチャンバーを形成させることもできる。
（ｃ）チャンバーまたはマイクロチャンバー内に気体を注入しながら加熱して、シリコン基板から拡散または気化したナノワイヤーを用いてナノワイヤーを形成させる段階
本工程では、別途の気相のナノワイヤー源を供給せずに、シリコン基板から拡散または気化したナノワイヤー源を使用してナノワイヤーを形成させる。
本工程では、別途の気相のナノワイヤー源を供給せずに、シリコン基板から拡散または気化したナノワイヤー源を使用してナノワイヤーを形成させる。
チャンバー内でナノワイヤーを形成させる場合、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）および水素（Ｈ２）からなる群より選択される少なくとも１種の気体とともに、前記チャンバー内の酸素分圧が好ましくは２．６７×１０−４〜２６．６７Ｐａ（２×１０−６〜２×１０−１Ｔｏｒｒ）になるように、より好ましくは前記チャンバー内の酸素分圧が２．６７×１０−４〜２．６７Ｐａ（２×１０−６〜２×１０−２Ｔｏｒｒ）になるように酸素を注入する。この場合、マイクロチャンバー内の極少量の酸素が、シリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤーの成長に重要な役割を果たす。すなわち、酸素分圧が、好ましくは２．６７×１０−４〜２．６７Ｐａ（２×１０−６〜２×１０−１Ｔｏｒｒ）になるように外部から酸素を注入しながらナノワイヤーを成長させた場合、ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）形態のシリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤーを形成させることができる。この際、前記酸素分圧が２６．６７Ｐａ（２×１０−１Ｔｏｒｒ）より大きい場合、シリカ（ＳｉＯ２）ナノワイヤーが形成される場合がある。一方、前記酸素分圧が２．６７×１０−４Ｐａ（２×１０−６Ｔｏｒｒ）より小さい場合にはシリコン（Ｓｉ）ナノワイヤーが形成される場合がある。
一方、マイクロチャンバー内でナノワイヤーを形成させる場合は、図２ａおよび図２ｂに示すように、シリコン基板１０に金属触媒のコーティング層２０が形成されると、前記コーティング層２０が形成されたシリコン基板１０上にリッド（ふた）３０をかぶせるか（図２ａ参照）、または前記コーティング層２０が形成されたシリコン基板１０をサセプタ６０と向かい合うように置くなどして（図２ｂ参照）、形成されたマイクロチャンバー内に気体を注入しながら加熱して、前記シリコン基板１０から拡散または気化したナノワイヤー源を用いてナノワイヤーを形成させることができる。
具体的には、前記マイクロチャンバー内でナノワイヤーを形成させる場合、使用される気体の例としては、Ａｒ、Ｎ２、Ｈｅ、またはＨ２などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。前記気体は、好ましくは０．００１〜１０ｓｌｍの流量で注入することができるが、工程に応じて変更することができる。マイクロチャンバー内へ注入されるガスの量または工程温度に応じてナノワイヤー内に存在するＡｕの形態が変わり、内部圧力に応じて注入される残留ガスの酸素量が変更されるため、ナノワイヤーのシリコンの量が変更されることになる。すなわち、上記の条件のうち、最も上限を適用すると、シリコンが豊富ではない、すなわち、ほとんど酸化物であるナノワイヤーが成長されます。
前記チャンバーまたは前記マイクロチャンバー内に気体を注入しながら加熱する段階は、好ましくは１．３３×１０４〜１．０１３×１０５Ｐａ（１０〜７６０Ｔｏｒｒ）の圧力で、好ましくは４００〜１３００℃、より好ましくは８００〜１２００℃の温度で、好ましくは１分〜２時間行われる。前記圧力、前記加熱温度および前記加熱時間も、工程に応じて変更することができる。
マイクロチャンバー内へ注入されるガスの量または工程温度に応じてナノワイヤー内に存在するＡｕの形態が変わり、内部圧力に応じて注入される残留ガスの酸素量が変わる。よって、ナノワイヤーのシリコンの量が変わりうる。すなわち、上記の条件のうち、上限値を適用すると、シリコンが豊富ではない、すなわち、ほとんどシリコン酸化物であるナノワイヤーが成長する。
また、前記マイクロチャンバー内に気体を注入しながら加熱すれば、前記シリコン基板上の金属触媒のコーティング層に含まれる金属が、ナノワイヤーの成長の際に内部に含まれるようにすることができる。
この際、ナノワイヤーの成長は、シリコンが金属触媒とともに液状で存在していて、析出されるときに金属がともに巻き込まれる原理で説明できるが、例えば、電場もしくは機械的な力を加えて金属ナノドットの間隔を制御するか、またはシリコンリッチ酸化物の含量を調節することにより、多様な物性を有するナノワイヤーを製造することができる。
上記のように、金属ナノドットがナノワイヤーに含まれる場合には、金属ナノドットがナノワイヤーの成長の際に、金属ドットの形態でナノワイヤーの内部に存在するため、その個数は、初期のシリコン基板上にコーティングされた金属触媒の量に依存する。
上記のような方法により、前記マイクロチャンバー内でナノワイヤーを形成する際、シリコン基板の端部および中心部では、機械的物性が異なるナノワイヤーが形成されうる。すなわち、前記シリコン基板の端部では、第１ナノワイヤーが形成され、前記第１ナノワイヤーにより囲まれた前記シリコン基板の内部では、前記シリコン基板から気化したシリコン蒸気がナノワイヤー源として使用されて第２ナノワイヤーが形成されうる。
ナノワイヤーの形成工程をより具体的に説明すると、図２ａおよび図２ｂに示したようになる。すなわち、シリコン基板１０の端部Ｐ１では、ＳＬＳ（ｓｏｌｉｄ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）工程により、前記シリコン基板１０のシリコン原子を供給源として、前記シリコン基板１０から第１ナノワイヤー４０が形成される。こうして形成された第１ナノワイヤー４０は、コア部とシェル部とからなり、前記コア部は結晶性または非晶性のシリコンリッチ酸化物を含み、前記シェル部は、シリカを含みうる。
一方、前記第１ナノワイヤー４０により囲まれた前記シリコン基板１０の内部Ｐ２では、外部からナノワイヤー源を直接注入する代わりに、前記シリコン基板１０から気化したシリコン蒸気をナノワイヤー源として使用することにより、ＶＬＳ（ｖａｐｏｒ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）類似工程で、前記シリコン基板１０から第２ナノワイヤー５０が形成される。すなわち、ＶＬＳ（ｖａｐｏｒ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）工程によれば、外部から気相のナノワイヤー源を注入しなければならないが、本発明では、基板の内部に第１ナノワイヤーにより囲まれた領域が形成され、加熱により内部の温度が上昇することによってシリコン基板から気化したシリコン蒸気が発生して内部空間を占め、このようなシリコン基板から気化したシリコン蒸気をナノワイヤー源として使用することによりナノワイヤーを成長させる。したがって、本明細書では、これを「ＶＬＳ（ｖａｐｏｒ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）類似工程」と表現している。
この際、前記第２ナノワイヤーは、ナノワイヤーの縦軸に沿って一列に整列した複数の金属ナノドットを含むことができる。
この際、シリコン基板から気化するナノワイヤー源は、基板の表面積に依存し、基板の表面積が広いほど気化するナノワイヤーソースの含量も多くなり、ナノワイヤーの形成速度も速くなる。
また、前記ナノワイヤーの成長の長さは、加熱温度および加熱時間を調節することにより制御することができ、自然冷却させるか、または窒素などの気体を数ｓｃｃｍ〜数リットルずつ流しながら冷却させて７００℃程度に降温させることにより、ナノワイヤーの成長を終了させることができる。
さらに、ナノワイヤーの直径を調節するために酸化工程を行うことができる。すなわち、ナノワイヤーを形成させた後、酸化工程を行うと、ナノワイヤーの側部にシリコン酸化層の形成が促進されてナノワイヤーの幅を調節することが可能となる。
（ｄ）形成されたナノワイヤーにシリコン量子ドットを形成させる工程
本発明の製造方法では、前記（ｃ）の工程以降に、形成されたナノワイヤーに熱を加えるか、またはレーザーを照射してシリコン量子ドットを形成させる工程をさらに含んでもよい。加熱する際の条件は、好ましくは８００〜１３００℃の温度で、好ましくは１０〜１５００分間行われるが、工程条件に応じて変更することができる。
本発明の製造方法では、前記（ｃ）の工程以降に、形成されたナノワイヤーに熱を加えるか、またはレーザーを照射してシリコン量子ドットを形成させる工程をさらに含んでもよい。加熱する際の条件は、好ましくは８００〜１３００℃の温度で、好ましくは１０〜１５００分間行われるが、工程条件に応じて変更することができる。
上記のように、シリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤーを高温で熱処理するかまたはレーザーを照射して、余分のシリコンによりシリコン核を形成し、数ナノメートルの大きさのシリコン量子ドットを形成させる。このようなシリコン量子ドットが、ナノワイヤーの内部に分布することになる。
一方、本発明の他の実施形態は、前記シリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤーを含む電子素子に関し、前記素子は、優れた導電性および光特性を有するため、太陽電池、センサー、光検出素子（ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ：ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子、フォトルミネッセンス（ＰＬ：ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子、カソードルミネッセンス（ＣＬ：Ｃａｔｈｏｄｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）素子、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、チャージ・トラップ・フラッシュ（ＣＴＦ：Ｃｈａｒｇｅ Ｔｒａｐ Ｆｌａｓｈ）、表面プラズモン導波路（Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）、ＭＯＳキャパシタなどに使用されることができるが、これらに限定されるものではない。
以下、実施例を挙げてより詳しく本発明を説明するが、これら実施例は、説明を目的としたものに過ぎず、本発明の技術的範囲を制限するものと解釈してはならない。
（製造例１：ナノワイヤーの製造）
図２ａは、ナノワイヤーの製造方法を示す断面概略図であり、これを参照しながら説明する。
図２ａは、ナノワイヤーの製造方法を示す断面概略図であり、これを参照しながら説明する。
シリコン基板１０から有機物による洗浄およびフッ酸を用いた洗浄により自然酸化膜を除去した後、前記シリコン基板１０の上に、日本ペイント株式会社製の金ナノ粒子を３０ｎｍの厚さにスピンコートした。その後、金ナノ粒子のコーティング層２０が形成されたシリコン基板１０をサセプタ上に載せ、前記シリコン基板上にリッド３０をかぶせてマイクロチャンバーを形成した。次いで、マイクロチャンバーが装着されたチャンバーの内部を真空状態にし、工程圧力が６．６７×１０４Ｐａ（５００Ｔｏｒｒ）になるまで、アルゴンガスを７０ｓｃｃｍの流量で流しながら１０００℃に加熱し、前記シリコン基板１０の端部Ｐ１に第１ナノワイヤー４０を製造した。
工程温度が１０００℃に到達した後、この温度を３０分間維持させた。そして、前記第１ナノワイヤー４０により囲まれた前記シリコン基板１０の内部Ｐ２で、前記シリコン基板１０から気化したシリコン蒸気をナノワイヤー源として用いることにより、ナノワイヤーの内部に金属ナノドットを有する第２ナノワイヤー５０が成長するようにした。次いで、７００℃程度までゆっくり自然冷却させてナノワイヤーの成長を終了させた。
その後、得られた第１ナノワイヤーの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で撮影した写真を図３の（ａ）〜（ｃ）に示した。図３の（ａ）は、図２ａのシリコン基板１０の端部Ｐ１で成長した第１ナノワイヤーの写真である。図３の（ａ）を参照すると、ナノワイヤーがコア／シェル構造であって、生成されたコア部は結晶性であり、シェル部は非晶質相を有することを確認することができる。図３の（ｂ）を参照すると、コア部ははっきりした結晶格子面を有していることがわかる。図３の（ｃ）に示すように、原子相のＴＥＭ写真にも双晶のような欠陥が見られるが、結晶相であることを確認することができる。
また、第１ナノワイヤーに対する電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）およびエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による分析結果を、それぞれ図４ａおよび図４ｂに示した。図４ａを参照すると、第１ナノワイヤーのコア部に該当するＡ１のグラフと第１ナノワイヤーのシェル部に該当するＡ２のグラフとの違いが示されている。このことは、第１ナノワイヤーのコア部とシェル部とが同じ成分からなっているが、異なる組成または異なる相を有することが確認できる。
また、図４ｂを参照すると、ＳｉとＯとの含有比率（単位：％、Ｓｉ：Ｏ）が、グラフＡ１では４７：５３であり、グラフＡ２では３３：６７である。このことは、コア部はシリコンリッチ酸化物からなり、シェル部はシリカからなることを示している。
図５は、図２ａのシリコン基板１０の内部Ｐ２で成長した第２ナノワイヤーのＴＥＭ写真である。図５を参照すると、ナノワイヤーがシリコンリッチ酸化物からなり、その内部に前記ナノワイヤーの縦軸に沿って一列に整列した複数の金（Ａｕ）ナノドットを含む構造であることが確認できる。
図６ａおよび６ｂは、図２ａのシリコン基板１０の内部Ｐ２で成長した第２ナノワイヤーのＴＥＭ写真である。図６ａを参照すると、ナノワイヤーがコア部とシェル部とからなり、前記コア部は前記ナノワイヤーの縦軸に沿って一列に整列した複数の金（Ａｕ）ナノドットを含む構造であることが確認できる。図６ｂは、図６ａのシリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤーのＱで示す領域を拡大した写真である。図６ｂを参照すると、ナノワイヤーが、複数の金（Ａｕ）ナノドットを連結する部分であるコア部Ｑ１と、前記金（Ａｕ）ナノドットを囲む部分であるシェル部Ｑ２とからなることが明確に確認できる。これらのコア部およびシェル部を構成する物質に対するＥＥＬＳによる分析結果を図６ｃに示した。図６ｃを参照すると、図６ｃのＳｉ−Ｌ１およびＳｉ−Ｌ２，３は、シリコンの原子軌道による差により生じるピークの位置を示しており、このことは、シェル部Ｑ２はシリカを含み、複数の金（Ａｕ）ナノドットを連結するコア部Ｑ１は結晶性のシリコンリッチ酸化物を含むことが確認できる。
一方、図２ａのＰ３、すなわちシリコン基板１０の中心部へ向かうほどナノワイヤーは成長せず、たとえ成長しても長さが１μｍ以下の短いナノワイヤーがまれに見られることを確認することができた。すなわち、マイクロチャンバー内の基板の位置に応じて、形状の異なるナノワイヤーが成長する。
（製造例２：ナノワイヤーの製造）
前記製造例１で得られたナノワイヤーを、１１００℃で３６０分間加熱してナノワイヤーを製造した。製造されたナノワイヤーのＴＥＭ写真を図７に示した。図７を参照すると、ナノワイヤーの内部にシリコン量子ドットが形成されていることが確認できる。
前記製造例１で得られたナノワイヤーを、１１００℃で３６０分間加熱してナノワイヤーを製造した。製造されたナノワイヤーのＴＥＭ写真を図７に示した。図７を参照すると、ナノワイヤーの内部にシリコン量子ドットが形成されていることが確認できる。
以上、好適な実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、これらの実施例は例示的なものに過ぎず、当業者であれば、各種の変更例または均等な他の実施例に想到し得ることは明らかである。したがって、本発明の真の保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって定められるべきである。
１、Ｑ１ コア部、
２、Ｑ２ シェル部、
３ 金属ナノドット、
４ シリコン量子ドット、
１０ 基板、
２０ 金属触媒層、
３０ リッド、
４０ 第１ナノワイヤー、
５０ 第２ナノワイヤー、
６０ サセプタ、
１００ シリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤー、
Ｐ１ シリコン基板の端部、
Ｐ２ シリコン基板の内部、
Ｐ３ シリコン基板の中心部。
２、Ｑ２ シェル部、
３ 金属ナノドット、
４ シリコン量子ドット、
１０ 基板、
２０ 金属触媒層、
３０ リッド、
４０ 第１ナノワイヤー、
５０ 第２ナノワイヤー、
６０ サセプタ、
１００ シリコンリッチ酸化物を含むナノワイヤー、
Ｐ１ シリコン基板の端部、
Ｐ２ シリコン基板の内部、
Ｐ３ シリコン基板の中心部。
Claims (8)
- ＳｉＯｘ（ただし、０＜ｘ＜２）を含むナノワイヤーであって、
前記ナノワイヤーは、コア部とシェル部とからなり、前記コア部は、結晶性または非晶性の前記ＳｉＯｘ（ただし、０＜ｘ＜２）を含み、前記シェル部は、シリカを含むことを特徴とする、ナノワイヤー。 - 前記ナノワイヤーの縦軸に沿って一列に整列した複数の金属ナノドットを含むことを特徴とする、請求項１に記載のナノワイヤー。
- 前記コア部は、前記ナノワイヤーの縦軸に沿って一列に整列した複数の金属ナノドットを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のナノワイヤー。
- 内部にシリコン量子ドットを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のナノワイヤー。
- 前記シェル部は、シリコン量子ドットを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のナノワイヤー。
- 前記金属ナノドットは、金、ニッケル、鉄、銀、アルミニウムおよびパラジウムからなる群より選択される少なくとも１種の金属から形成されることを特徴とする、請求項２または３に記載のナノワイヤー。
- 請求項１〜６のいずれか１項に記載のナノワイヤーを含む電子素子。
- 太陽電池、センサー、光検出素子、発光ダイオード、レーザダイオード、エレクトロルミネッセンス素子、フォトルミネッセンス素子、カソードルミネッセンス素子、電界効果トランジスタ、チャージ・トラップ・フラッシュ、表面プラズモン導波路またはＭＯＳキャパシタであることを特徴とする、請求項７に記載の電子素子。
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