JP6772192B2 - ナノ構造体を製造する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも１つのタイプ、特に「ナノワイヤ」タイプのナノ構造体を製造する方法とともに、複数のこうしたナノ構造体を備えかつ特にこうした方法によって得られる構造体に関する。本発明は、特に、ナノエレクトロニクス、センサ、オプトエレクトロニクスおよびフォトニクスの分野に関する。
約１０年間、１次元である半導体ナノ構造体（ナノワイヤ）またはゼロ次元である半導体ナノ構造体（量子ドット）は、相当な研究開発努力の主題であった。これは、主に、メゾスコピック物理学において、特に、フォトニクス、レーザまたは生体センサおよび化学センサの分野における機能化構成要素に対して、応用の可能性があるためである。「ナノ構造体」は、少なくとも１つの「サブマイクロメートル」寸法、すなわち、１ｎｍ〜１０００ｎｍ、より限定的には１ｎｍ〜１００ｎｍの寸法を有する任意の構造体を意味する。「ナノワイヤ」は、１ｎｍ〜１０００（または１００）ｎｍの２つの寸法（横断寸法または横寸法と呼ばれ、これらの寸法が概して等しい場合、「直径」という用語も使用することができる）と、最大横断寸法の少なくとも１０倍である１つの寸法（長さ）とを有する、ナノ構造体を意味する。「量子ドット」は、ナノワイヤ以外の、１ｎｍ〜１０００（または１００）ｎｍの３つの寸法を有するナノ構造体を意味する。ナノ構造体は、マトリックスに、または異なる材料から作製された、より寸法の大きいナノ構造体に、組み込むことができる。たとえば、電荷担体の閉じ込めを可能にするナノワイヤの「スライス」は、量子ドットを構成することができる。
こうしたナノ構造体を作製する多くの技法がある。
基板に対して垂直に配向された直線ナノワイヤを製造する第１手法は、ボトムアップと呼ばれる。この手法によれば、ナノ構造体は、基板の上でエピタキシャル成長によって製造される。この成長は、気相−液相−固相（ｖａｐｏｒ−ｌｉｑｕｉｄ−ｓｏｌｉｄ）（ＶＬＳ）法によって金属触媒を用いて自己組織化することができる［非特許文献１］。この方法の欠点は、触媒による（概して半導体の）ナノ構造体の金属汚染のリスクである。自己組織化成長は、触媒なしでも可能であるが、この場合、構造的欠陥、特にナノ構造体の配向の問題が観察される［非特許文献２、３］。さらに、ナノ構造体のサイズおよび位置の制御は、この方法では依然として非常に困難である。この困難を解決するために、追加のステップ、すなわち、誘電体マスクの堆積を導入することができる［非特許文献４］。このステップは、ナノ構造体の成長の前に実施され、概して、エピタキシャル成長に使用されるものとは異なる堆積装置を使用する必要があり、これにより、試料が空気に暴露したときに汚染のリスクがもたらされる。ナノ構造体の横寸法は、典型的には最低値として約２０ナノメートルである、マスクを作製するために使用されるリソグラフィ技法の分解能によって制限されることが留意されるべきである。さらに、ボトムアップ手法に基づく技法により、ナノワイヤの長さの正確な制御は可能ではない［非特許文献５］。
基板に対して垂直に配向された直線ナノワイヤを製造する第２手法は、トップダウンと呼ばれる。それは、事前に基板の上に堆積させた１つまたは複数のエピタキシャル層から開始してナノ構造体を製作することからなる。そして、マスクが使用され、エッチング、もっとも多くはドライエッチングにより、ナノ構造体が得られる。マスクに関する分解能の問題（前述を参照）以外に、エッチング中の問題もある。特に、大きい厚さに対して垂直なフランクを維持することが困難であり［非特許文献６］、したがって、アスペクト比が高い、すなわち、約１０ナノメートルの直径および数百ナノメートルの長さを有するナノ構造体を製造することは困難である。さらに、ボトムアップ手法と同様に、エクスサイチュで（ｅｘ−ｓｉｔｕ）マスクを作製しなければならず、構造体の汚染のリスクが持ち込まれる。
基板の上に量子ドットを製造するために、応力緩和技法を使用することができる。これは、基板の表面に、異なる格子定数を有する別の材料のエピタキシャル層を堆積させることからなる。このように格子定数が異なるために発生する応力により、エピタキシャル層は微小島（ｉｓｌｅｔ）に「細分化」し、量子ドットを形成する［非特許文献７］。この技法の欠点は、このようにして得られるナノ構造体のアスペクト比（高さ／直径比）は、必然的に１未満であるが、十分に制御されず、直径はまた非常に変動しやすい、ということである。さらに、量子ドットは、真に隔離されず、それは、応力緩和後に依然として存在する、「ウェッティング」層と呼ばれる非常に薄いエピタキシャル層によって互いに接合されているためである。
Ｖ．Ｇ．Ｄｕｂｒｏｖｓｋｉｉ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏ．Ｌｅｔｔ．１１，１２４７（２０１１）．
Ｌ．Ｌａｒｇｅａｕ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １９，１５５７０４（２００８）．
Ｒ．Ｓｏｎｇｍｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９１，２５１９０２（２００７）．
Ｓ．Ｄ．Ｈｅｒｓｅｅ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｎｏ．Ｌｅｔｔ．６，１８０８（２００６）．
Ｋ．Ｋ．Ｓａｂｅｌｆｅｌｄ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０３，１３３１０５（２０１３）．
Ｄ．Ｐａｒａｍａｎｉｋ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ ３０，０５２２０２（２０１２）．
Ｘ．Ｌ．Ｌｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｇ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．６４，１２１（２０１４）．
本発明は、従来技術の上述した欠点のうちの少なくともいくつかを克服しようとするものである。より詳細には、本発明は、従来技術から既知である方法により、寸法、密度とともにこれらのパラメータの制御を、達成することができないか、または達成することが非常に困難である、ナノ構造体の製造に関する。本発明は、特に、配向および有利には高さもまた十分に制御される、小径（１０ｎｍ未満、またはさらには５ｎｍ以下）のナノワイヤ、ウェッティング層がなくかつ１に非常に近いアスペクト比に達することができる量子ドット、エピタキシャルマトリックスに埋め込まれたナノワイヤおよび量子ドットのアセンブリの製造に関する。有利な実施形態によれば、本発明はまた、事実上不純物のないナノ構造体を得ることにも関する。本発明によって得られるナノ構造体は、概して、半導体材料から作製されるが、より全体的には、典型的には無機、金属または非金属の任意の結晶材料からなり得る。
本発明によれば、これらの目的は、トップダウン型の手法を用いることによって達成され、そこでは、エッチングの代わりに、マスクによって覆われていない層または多層構造体の領域の選択的蒸発（これは、「サーマルエッチング」と呼ぶことができる）が用いられる。有利には、マスクは自己組織化することができ、これにより、一方では、リソグラフィに固有の分解能限界を克服することができ、他方では、まったく同一のエピタキシ反応器においてプロセスのすべてのステップを実施することができ、汚染のリスクを最小限にし、ナノ構造体の純度および品質を最適化することができる。
したがって、本発明は、少なくとも１つのタイプのナノ構造体を製造する方法であって、
− 単結晶層または多層構造体の表面を不連続のマスクで部分的に覆って、少なくとも１つのサブマイクロメートルの横寸法を有し、かつ前記層または多層構造体の蒸発温度より高い蒸発温度を有する材料から作製された、分離した微小島を形成するステップと、
− 真空下で前記層または多層構造体を、前記層または多層構造体の蒸発温度より高いが前記マスクの蒸発温度より低い、いわゆるエッチング温度まで加熱して、前記マスクによって覆われている領域の外側の前記層または多層構造体の蒸発をもたらすステップと、
を含む方法に関する。実際には、マスクは、存在する場所では、単結晶層または多層構造体の表面を安定化し、その蒸発を妨げる。
− 単結晶層または多層構造体の表面を不連続のマスクで部分的に覆って、少なくとも１つのサブマイクロメートルの横寸法を有し、かつ前記層または多層構造体の蒸発温度より高い蒸発温度を有する材料から作製された、分離した微小島を形成するステップと、
− 真空下で前記層または多層構造体を、前記層または多層構造体の蒸発温度より高いが前記マスクの蒸発温度より低い、いわゆるエッチング温度まで加熱して、前記マスクによって覆われている領域の外側の前記層または多層構造体の蒸発をもたらすステップと、
を含む方法に関する。実際には、マスクは、存在する場所では、単結晶層または多層構造体の表面を安定化し、その蒸発を妨げる。
こうした方法の異なる実施形態によれば、
− 前記単結晶層または多層構造体は、結晶構造を有することができ、その蒸発の速度は、前記表面に対して平行な結晶面に沿った方が、前記表面に対して傾斜したまたは垂直な結晶面に沿うより高い。
− 単結晶層または多層構造体の表面を不連続のマスクで部分的に覆う前記ステップは、前記表面上の前記マスクの自己組織化成長によって実施され得る。本方法は、また、その後、前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の予備ステップも含むことができる。この場合、さらに、
− 少なくとも、前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の前記ステップ、および前記表面上の自己組織化成長による前記マスクの堆積の前記ステップは、まったく同一のエピタキシ反応器内部で実施することができ、さらに、真空下で前記層または多層構造体を加熱する前記ステップもまた、前記エピタキシ反応器内部で実施することができる。
− 前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の前記ステップ、および前記表面上の自己組織化成長による前記マスクの堆積の前記ステップは、分子線エピタキシおよび気相エピタキシから選択される技法によって実施され得る。
− 前記単結晶層または多層構造体は、前記エッチング温度より高い蒸発温度を有する、バリア層と呼ばれる層の上部に堆積させることができる。この場合、さらに、真空下で前記層または多層構造体を加熱する前記ステップは、前記層または多層構造体の結晶面に対応する面を有し、かつ頂部にマスクの前記微小島を有する、ピラミッドの形態での構造体が形成されると、停止することができる。変形として、真空下で前記層または多層構造体を加熱する前記ステップは、頂部にマスクの前記微小島を有するピラーの形態の構造体が形成されるまで、継続することができる。
− 前記層または多層構造体は、少なくとも１つの量子井戸を備える多層構造体であり得る。
− 本方法はまた、真空下で加熱する前記ステップの後に実施される、新たな単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長のステップをまた含むことができる。この場合、本方法はまた、前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の前記ステップの後に、前記新たな単結晶層または多層構造体の表面を新たな不連続のマスクで部分的に覆って、少なくとも１つのサブマイクロメートルの横寸法を有し、かつ前記新たな層または多層構造体の蒸発温度より高い蒸発温度を有する材料から作製された、分離した微小島を形成するステップと、真空下で前記新たな層または多層構造体を、その蒸発温度より高いが前記マスクの蒸発温度より低いエッチング温度まで加熱して、マスクによって覆われている領域の外側で前記新たな層または多層構造体の蒸発をもたらすステップとを含むことができる。
− 変形として、本方法はまた、前記マスクの上部における新たな単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長のステップと、その後の、前記新たな単結晶層または多層構造体の表面を新たな不連続のマスクによって部分的に覆って、少なくとも１つのサブマイクロメートルの横寸法を有し、かつ単結晶層または多層構造体の温度より高い蒸発温度を有する材料から作製された、分離した微小島を形成するステップとを含むことができ、これらのステップの後に、前記層または多層構造体の蒸発温度より高いが前記マスクの蒸発温度より低いエッチング温度で実施される、真空下で加熱する前記ステップが続く。
− 前記単結晶層または多層構造体は、結晶構造を有することができ、その蒸発の速度は、前記表面に対して平行な結晶面に沿った方が、前記表面に対して傾斜したまたは垂直な結晶面に沿うより高い。
− 単結晶層または多層構造体の表面を不連続のマスクで部分的に覆う前記ステップは、前記表面上の前記マスクの自己組織化成長によって実施され得る。本方法は、また、その後、前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の予備ステップも含むことができる。この場合、さらに、
− 少なくとも、前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の前記ステップ、および前記表面上の自己組織化成長による前記マスクの堆積の前記ステップは、まったく同一のエピタキシ反応器内部で実施することができ、さらに、真空下で前記層または多層構造体を加熱する前記ステップもまた、前記エピタキシ反応器内部で実施することができる。
− 前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の前記ステップ、および前記表面上の自己組織化成長による前記マスクの堆積の前記ステップは、分子線エピタキシおよび気相エピタキシから選択される技法によって実施され得る。
− 前記単結晶層または多層構造体は、前記エッチング温度より高い蒸発温度を有する、バリア層と呼ばれる層の上部に堆積させることができる。この場合、さらに、真空下で前記層または多層構造体を加熱する前記ステップは、前記層または多層構造体の結晶面に対応する面を有し、かつ頂部にマスクの前記微小島を有する、ピラミッドの形態での構造体が形成されると、停止することができる。変形として、真空下で前記層または多層構造体を加熱する前記ステップは、頂部にマスクの前記微小島を有するピラーの形態の構造体が形成されるまで、継続することができる。
− 前記層または多層構造体は、少なくとも１つの量子井戸を備える多層構造体であり得る。
− 本方法はまた、真空下で加熱する前記ステップの後に実施される、新たな単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長のステップをまた含むことができる。この場合、本方法はまた、前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の前記ステップの後に、前記新たな単結晶層または多層構造体の表面を新たな不連続のマスクで部分的に覆って、少なくとも１つのサブマイクロメートルの横寸法を有し、かつ前記新たな層または多層構造体の蒸発温度より高い蒸発温度を有する材料から作製された、分離した微小島を形成するステップと、真空下で前記新たな層または多層構造体を、その蒸発温度より高いが前記マスクの蒸発温度より低いエッチング温度まで加熱して、マスクによって覆われている領域の外側で前記新たな層または多層構造体の蒸発をもたらすステップとを含むことができる。
− 変形として、本方法はまた、前記マスクの上部における新たな単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長のステップと、その後の、前記新たな単結晶層または多層構造体の表面を新たな不連続のマスクによって部分的に覆って、少なくとも１つのサブマイクロメートルの横寸法を有し、かつ単結晶層または多層構造体の温度より高い蒸発温度を有する材料から作製された、分離した微小島を形成するステップとを含むことができ、これらのステップの後に、前記層または多層構造体の蒸発温度より高いが前記マスクの蒸発温度より低いエッチング温度で実施される、真空下で加熱する前記ステップが続く。
本発明はまた、基板の表面から前記基板に対して概して垂直な方向に延在する複数のナノワイヤを備え、複数の前記ナノワイヤが第１長さを有し、別の複数の前記ナノワイヤが、前記第１長さとは異なる第２長さを有する、構造体にも関する。
本発明はまた、平面基板の上に堆積した単結晶マトリックスに少なくとも１つの量子ドット群を備え、前記群または各前記群の量子ドットが、前記基板に対して概して垂直な方向に位置合わせされている、構造体にも関する。
本発明はまた、各前記群の前記量子ドットが、前記基板からの距離に応じて低減する横寸法を有する、構造体にも関する。
本発明はまた、基板の表面から前記表面に対して概して垂直な方向に延在するピラミッドの形態の複数のナノ構造体を備える構造体にも関する。
本発明はまた、エピタキシャルマトリックス内に複数のナノワイヤを備え、前記ナノワイヤが、マトリックスのエピタキシャル成長の方向に対して平行に配向されている、構造体にも関する。
本発明の他の特徴、詳細および利点は、例として与えられる添付図面を参照して、説明を読むことでより明らかとなろう。
本発明の一実施形態による方法の第１ステップは、ナノ構造体を形成するように意図された異なる層のエピタキシャル成長の操作である。成長は、たとえば、アンモニアの存在下での分子線エピタキシ（ＭＢＥ−ＮＨ３）によって、または気相エピタキシにより、２次元で行われる。たとえば、窒化ガリウム（ＧａＮ）の質量のある単結晶基板、または別の基板（シリコン、サファイア、炭化ケイ素、酸化亜鉛）の上に堆積したこうした材料の薄層であり得る「カンチレバー」試料（図１Ａ）で開始して、最初に（図１Ｂ）、数ナノメートルまたはさらには数十ナノメートル、たとえば、２０ｎｍの厚さを有する、たとえばＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎのいわゆるバリア層２を堆積させる。第２に（図１Ｃ）、層または多層構造体３（そこからナノ構造体が製造される）を堆積させ、それは、たとえば、ＧａＮの単層、またはＩＮＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸構造体とすることができ、この層または多層構造体の厚さは、製作されるナノ構造体の高さに概して等しく、したがって、数ナノメートル〜数百ナノメートル、またはさらにはマイクロメートル以上であり得る。次に（図１Ｄ）、たとえば、窒化ケイ素のマスク４を堆積させ、それは、層または多層構造体３の表面を部分的にのみ覆う。これは、好適な瞬間に堆積操作を停止することによって得ることができる。実際には、基板（ここでは、層３）の上のエピタキシャル層（ここでは、マスク４）の堆積は、均一に発生せず、基板の上に堆積した原子または粒子は、まとまって微小島になり（自己組織化成長）、それは、堆積が中断されない場合、融合して均一な層を形成し、その厚さは徐々に増大し始める。
層または多層構造体３は、層２および層４の蒸発温度（それぞれ、ｔ２、ｔ４）より低い蒸発温度ｔ３を有していなければならない。「蒸発」は、固相状態から気相または蒸気状態への任意の遷移を意味し、単に物理的なプロセス（昇華）であるか、または化学反応を伴うプロセス（熱分解）であり得る。さらに、層または多層構造体３は、好ましくは結晶構造を有するべきであり、それにより、その蒸発の速度は、垂直結晶面（成長の方向に対して平行）に沿う方が、水平結晶面（堆積が行われる表面に対して平行）または傾斜した結晶面に沿うより低くなる。この状態は、特に限定的ではなく、層または多層構造体３の所与の組成に対して、単にカンチレバー１の結晶配向の好適な選択によって満足させることができる。
たとえば、カンチレバー１は、ＩＩＩ族元素の窒化物、すなわち窒化ガリウムＧａＮ、窒化アルミニウムＡｌＮまたは窒化インジウムＩｎＮの層であり得る。それはまた、ＩＩＩ族元素の窒化物の合金、すなわち（Ａｌ，Ｇａ）Ｎ、（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ、（Ａｌ，Ｉｎ）Ｎまたは（Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）Ｎでもあり得る。蒸発させるべき層または多層構造体３は、窒化ガリウムＧａＮとすることができ、マスク４は窒化ケイ素ＳｉＮとすることができる。この場合、バリア層２は、窒化アルミニウムおよび窒化ガリウムの合金（Ａｌ，Ｇａ）Ｎであり得る。しかしながら、他の組合せが考えられ、たとえば、層または多層構造体は、窒化インジウムおよび窒化ガリウムの合金（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎとすることができ、マスク４は、窒化ケイ素ＳｉＮ、またはさらには窒化アルミニウムおよび窒化ガリウムの合金（Ａｌ，Ｇａ）Ｎとすることができる。特に、カンチレバー１の蒸発温度が十分に高い（層または多層構造体３の温度を超える）場合、バリア層２を省略することができることが留意されるべきである。いずれの場合も、少なくとも層１、層２（存在する場合）および層３の材料は、単結晶であり、構造体のエピタキシャル成長と適合性のある格子定数を有していなければならない。
方法の次のステップ（図１Ｅ）は、「サーマルエッチング」の操作である。それは、好ましくは、成長ステップで使用したものと同じエピタキシ反応器内で実施することができるが、試料は別の容器、たとえば、雰囲気制御焼鈍炉に移送することも可能である。試料（層１〜層４によって形成された構造体）を、真空下で、層または多層構造体の蒸発温度より高いがバリア層２（または、層２が存在しない場合は、カンチレバー１）またはマスク４の蒸発温度より低い温度ｔ（ｔ３＜ｔ＜ｍｉｎ（ｔ２，ｔ４））まで加熱する。上述したように、マスクは、層または多層構造体３を局所的に安定化し、したがって、マスクによって覆われていない層または多層構造体３の領域のみが蒸発し、頂部にマスク４の微小島を支持するピラーまたは垂直ナノワイヤ３０のみが残る。蒸発面がバリア層２に達すると、エッチングは停止する。
本発明の特定の実施形態では、製作ステップのすべてが、分子線エピタキシ反応器内で実施される。システムには、ガリウムおよびアルミニウムに対する従来の固体ソース蒸発セルが備えられている。システムにはまた、アンモニアラインも設けられており、それにより、試料の成長面と接触しているＮＨ３分子の熱分解により原子状窒素を得ることができる。ＩＩＩ族元素の窒化物のｎ型ドーピングには、シリコンを含む別の固体ソース蒸発セルが使用される。赤外線高温計を用いて試料温度を測定する。成長温度は８００℃である。システムは、さらに、斜入射での高エネルギー電子の回折（ＲＨＥＥＤ）用の電子銃を有する。表面が（０００１）面であるカンチレバー層１は、ＧａＮからなる。厚さが１０ｎｍであるバリア層は、２０％のアルミニウム組成（ｘ＝０．２）のＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる。蒸発させるべき層３は、ＧａＮからなり、６０ｎｍの厚さを有する。アンモニア流およびシリコン流に同時に試料を暴露することによって、マスク４を生成する。アンモニア流は、１００ｓｃｃｍ（標準状態での１分間当たりの立方センチメートル）であり、シリコンドーピングセルは、１２５０℃の温度にされる。暴露時間は、典型的には、５分間程度である。
蒸発またはサーマルエッチングのステップの間、アンモニア流をオフにし、試料を、８５０℃〜９００℃の温度まで加熱する。表面の進展は、図２Ａ〜図２Ｄに示すように、ＲＨＥＥＤを用いてリアルタイムにモニタリングすることができる。これらの図の各々が、表面（左側の部分）および対応するＲＨＥＥＤ画像（右側の部分）の理想化された３次元表現を提示する。
開始時（図２Ａ）、表面は２次元であり、ＲＨＥＥＤ画像に垂直線が観察される。蒸発が開始すると（図２Ｂ）、画像は、３次元表面の回折の特徴である点からなる図に進展する。そして、ＲＨＥＥＤ画像に、小面による回折の山形特徴が現れる（図２Ｃ）。山形の角度を測定することにより、小面の特質、ここでは｛１−１０３｝面を求めることができる。小面は、六角形ベースを備えたピラミッド３５を形成し、それは、蒸発時、垂直｛１−１００｝面を解放する。これらの面は、マスクされたゾーンを包囲し、ナノワイヤ３０を形成する。これは、ＲＨＥＥＤ画像において、水平線の存在によって反映される（図２Ｄ）。最後に、蒸発の終わりに向かって（図２Ｅ）、ピラミッドは完全に消失し、ナノワイヤ３０のみが残る。この時、ＲＨＥＥＤ画像には、垂直線（２次元形態を有する、バリア層から発生する回折）と水平線（ナノワイヤにより回折）との共存が観察される。
サーマルエッチングのステップを異なる段階で停止して、異なる形状およびナノメートルサイズの物体を製造することができる。これを、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって得られる画像である図３Ａ〜図３Ｃによって示す。図３Ａは、図２Ｃに対応する六角形ベースのピラミッドを示す。図３Ｂでは、図２Ｄにおけるように、ピラミッドおよびナノワイヤが同時に存在している。最後に、図３Ｃは、図２Ｅに対応するナノワイヤを示す。
ピラミッドの寸法は、蒸発させるべき層３の厚さｈに直接関連する。ピラミッドの高さはｈに等しい。ピラミッドの面は、成長面と角度θをなす。ピラミッドのベースは、直径が２ｈ／ｔａｎ（θ）に等しい円に内接する。たとえば、蒸発させるべき層３が、厚さｈが６０ｎｍであり、ＧａＮからなる場合、角度θは３５度であり、ピラミッドは、１７０ｎｍのベースを有する。ナノワイヤに関して、それらの直径は、５ｎｍから２０ｎｍまで変化し、これは、不連続マスク４を形成する微小島の直径によって決まる。
数桁にわたってナノワイヤ密度を変更することができる。これは、マスク４の形成中に蒸発させるべき層３の表面に堆積させたＳｉの量によって決まる。図４は、暴露時間が５分間（最上部）から３０分間（最下部）まで変化した、試料に対応するＳＥＭ画像を示す。マスク４の微小島、したがってナノワイヤの密度は、このように、２．５×１０９ｃｍ−２から１．５×１０１１ｃｍ−２まで変化する。したがって、これは、ナノ構造体の密度を制御する単純かつ非常に有効な方法である。
上述した方法は、試料の表面から突出する複数のナノ構造体（ナノワイヤまたはピラミッド）からなる構造体を提供する。すべてのステップがエピタキシ反応器内部で実施され、エッチングが熱的に実施されるため、構造体の表面の汚染はなく、したがって、その上面で新たなエピタキシャル成長を実施し、単結晶マトリックス３００内にナノ構造体を封入することができる。
図５は、サーマルエッチングステップの後に堆積させた（Ａｌ，Ｇａ）Ｎの層３００に封入されたＧａＮナノワイヤ３０の透過電子顕微鏡画像（断面）を示す。この封入層、すなわちマトリックス３００の表面粗さは非常に低く、およそ０．６ｎｍ（原子間力顕微鏡によって測定）である。したがって、２次元（２Ｄ）形態からピラミッドまたはナノワイヤを含む３次元（３Ｄ）形態に遷移し、２Ｄ形態に戻ることができる。実際には、構成要素のエピタキシおよび製作は２Ｄ層を用いる方が容易であり、したがって、この特性は非常に有利である。したがって、本発明により、ナノ構造体をそれらの特定の物理特性に対して成形することができるが、それらをマトリックスに組み込むこともでき、構成要素の製作に必要な技術的プロセスが容易になる。図５はまた、ナノワイヤ３０が優れた結晶品質を有することも示し、ナノワイヤ内部において、ナノワイヤと（Ａｌ，Ｇａ）Ｎバリア層との間の界面に、またはナノワイヤと封止層との間の界面に、欠陥は観察されない。
図６Ａは、厚さが３ｎｍの（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ（量子井戸）とＧａＮとの交互の層からなる、多重量子井戸型の、蒸発させるべき構造体３から開始して得ることができる構造体を示す。サーマルエッチングの後、量子ドットを含むナノワイヤが得られ、その後、ＧａＮの新たなエピタキシャル堆積を実施する。ナノワイヤは、同じ材料からなるため、封入マトリックス３００によって「吸収され」、したがって、ＧａＮ３００のマトリックスに埋め込まれた（Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ３７の円盤状部分が得られ、それは、たとえば、３ｎｍの厚さおよび５ｎｍ〜１０ｎｍの直径を有し、したがって、「完全な」量子ドットに近づき、それらは、ウェッティング層を含まず、横寸法および縦寸法は略同一であり、空間の３つの次元において電荷担体の閉じ込めの量子効果を引き起こす。
サーマルエッチングがピラミッドの段階で停止する場合（図２Ｃおよび図３Ａ）、深さに応じて可変の直径を有するナノディスク３７の積層体を同様に得ることができ、これは図６Ｂに概略的に示す。
本発明により、まったく同一の支持体の上に異なる特質およびサイズのナノ構造体を製造することも可能である。このために、最初に、図２Ａ〜図２Ｅの方法を用いて、第１高さ、たとえば１５ｎｍのたとえばＧａＮのナノワイヤを製造することができる。そして、これらのナノワイヤを、たとえばＧａＮの２００ｎｍの成長によって封入する。このマトリックスは、方法の第２適用において、蒸発させるべき層３を構成する。この時点で、頂部にナノワイヤを含むピラミッドを製造するように、蒸発を停止する。得られる結果は、図７のＳＥＭ画像で見ることができ、それは、高さの小さいナノワイヤと、頂部に位置するより長いナノワイヤを有するピラミッドとの共存を示す。当然ながら、ピラミッド構造体のない高さの異なる２つのナノワイヤ群を得るように、第２サーマルエッチングを完了することも可能であったであろう。これらの操作を数回繰り返すことも可能である。さらに、蒸発させるべき第２層が、第１層と同じ組成を有する場合（ここで考慮されるケース）、第１蒸発操作は任意選択的であり、したがって、第１マスクを堆積させ、その後、蒸発させるべき第２層、第２マスクを堆積させることができ、１回の蒸発を実施することができ、その最後に、２つのナノワイヤ群が得られる。
本発明について、いくつかの実施形態に関して説明したが、いくつかの変形が考えられる。たとえば、以下の通りである。
− 分子線エピタキシの代わりに、気相エピタキシ等、他の技法を用いることができる。
− 考慮した例では、マスク４は絶縁材料から作製された。これは必須ではなく、蒸発させるべき層３と適合性があり、かつより高い蒸発温度を有する任意の材料であり得る。典型的には、それは、単結晶、多結晶または非晶質無機材料となる。
− マスク４は、自己組織化の代わりにリソグラフィによって構造化することができ、これにより、ナノ構造体の横寸法および空間分布のより優れた制御が可能になるが、汚染のリスクが増大し（エピタキシ反応器内部でリソグラフィを行うことは困難であるかまたは不可能である）、小型化に関して性能が低下する。
− 上述したように、特に、カンチレバー１が十分な熱安定性（その温度が上昇したとき（それは、蒸発温度が高いほど高い）、その構造をそのまま維持することができる能力）を有する場合、またはサーマルエッチングが十分早期に停止した場合、バリア層２は存在しなくてもよい。しかしながら、後者の場合、ナノ構造体の高さｈが十分に制御されなくなる。
− 分子線エピタキシの代わりに、気相エピタキシ等、他の技法を用いることができる。
− 考慮した例では、マスク４は絶縁材料から作製された。これは必須ではなく、蒸発させるべき層３と適合性があり、かつより高い蒸発温度を有する任意の材料であり得る。典型的には、それは、単結晶、多結晶または非晶質無機材料となる。
− マスク４は、自己組織化の代わりにリソグラフィによって構造化することができ、これにより、ナノ構造体の横寸法および空間分布のより優れた制御が可能になるが、汚染のリスクが増大し（エピタキシ反応器内部でリソグラフィを行うことは困難であるかまたは不可能である）、小型化に関して性能が低下する。
− 上述したように、特に、カンチレバー１が十分な熱安定性（その温度が上昇したとき（それは、蒸発温度が高いほど高い）、その構造をそのまま維持することができる能力）を有する場合、またはサーマルエッチングが十分早期に停止した場合、バリア層２は存在しなくてもよい。しかしながら、後者の場合、ナノ構造体の高さｈが十分に制御されなくなる。
Claims (14)
- 少なくとも１つのタイプのナノ構造体（３０、３５、３７）を製造する方法であって、
− 単結晶層または多層構造体（３）の表面を不連続のマスク（４）で部分的に覆って、少なくとも１つのサブマイクロメートルの横寸法を有し、かつ前記層または多層構造体の蒸発温度より高い蒸発温度を有する材料から作製された、分離した微小島を形成するステップと、
− 真空下で前記層または多層構造体を、前記層または多層構造体の前記蒸発温度より高いが前記マスクの蒸発温度より低い、いわゆるエッチング温度まで加熱して、前記マスクによって覆われている領域の外側の前記層または多層構造体の蒸発をもたらすステップと、
を含む方法。 - 前記単結晶層または多層構造体が結晶構造を有し、その蒸発の速度が、前記表面に対して平行な結晶面に沿った方が、前記表面に対して傾斜したまたは垂直な結晶面に沿うより高い、請求項１に記載の方法。
- 単結晶層または多層構造体の表面を不連続のマスクで部分的に覆う前記ステップが、前記表面上の前記マスクの自己組織化成長によって実施される、請求項１または２に記載の方法。
- 前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の予備ステップをまた含む、請求項３に記載の方法。
- 少なくとも、前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の前記ステップ、および前記表面上の自己組織化成長による前記マスクの堆積の前記ステップが、まったく同一のエピタキシ反応器内部で実施される、請求項４に記載の方法。
- 真空下で前記層または多層構造体を加熱する前記ステップもまた、前記エピタキシ反応器内部で実施される、請求項５に記載の方法。
- 前記単結晶層または多層構造体のエピタキシャル成長の前記ステップ、および前記表面上の自己組織化成長による前記マスクの堆積の前記ステップが、分子線エピタキシおよび気相エピタキシから選択される技法によって実施される、請求項４〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記単結晶層または多層構造体が、前記エッチング温度より高い蒸発温度を有する、バリア層（２）と呼ばれる層の上部に堆積する、請求項４〜７のいずれか一項に記載の方法。
- 真空下で前記層または多層構造体を加熱する前記ステップが、前記層または多層構造体の結晶面に対応する面を有し、かつ頂部に前記マスクの前記微小島を有する、ピラミッド（３５）の形態での構造体が形成されると、停止する、請求項８に記載の方法。
- 真空下で前記層または多層構造体を加熱する前記ステップが、頂部に前記マスクの前記微小島を有するピラー（３０）の形態の構造体が形成されるまで、継続される、請求項８に記載の方法。
- 前記層または多層構造体が、少なくとも１つの量子井戸を備える多層構造体である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- 真空下で加熱する前記ステップの後に実施される、新たな単結晶層または多層構造体（３００）のエピタキシャル成長のステップをまた含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
- 新たな単結晶層または多層構造体（３００）のエピタキシャル成長の前記ステップの後に、前記新たな単結晶層または多層構造体の表面を新たな不連続のマスクで部分的に覆って、少なくとも１つのサブマイクロメートルの横寸法を有し、かつ前記新たな層または多層構造体の蒸発温度より高い蒸発温度を有する材料から作製された、分離した微小島を形成するステップと、真空下で前記新たな層または多層構造体を、その蒸発温度より高いが前記マスクの蒸発温度より低いエッチング温度まで加熱して、前記マスクによって覆われている領域の外側で前記新たな層または多層構造体の蒸発をもたらすステップとをまた含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記マスクの上部における新たな単結晶層または多層構造体（３００）のエピタキシャル成長のステップと、その後の、前記新たな単結晶層または多層構造体の表面を新たな不連続のマスクによって部分的に覆って、少なくとも１つのサブマイクロメートルの横寸法を有し、かつ前記単結晶層または多層構造体の蒸発温度より高い蒸発温度を有する材料から作製された、分離した微小島を形成するステップとをまた含み、これらのステップの後に、前記層または多層構造体の前記蒸発温度より高いが前記マスクの蒸発温度より低いエッチング温度で実施される、真空下で加熱する前記ステップが続く、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
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