(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのエピタキシャル成長面を有する基板を提供する第一ステップと、
前記基板のエピタキシャル成長面の上にバッファ層を成長させる第二ステップと、
前記バッファ層の前記基板と離れる表面に、複数のカーボンナノチューブが互いに接続されて一体構造になった、複数の空隙を有する自立構造の薄膜からなるカーボンナノチューブ層を形成する第三ステップと、
前記カーボンナノチューブ層を形成した前記バッファ層の表面に第一エピタキシャル層を成長させる第四ステップと、
前記基板及びバッファ層を除去し、カーボンナノチューブ層を露出させ、エピタキシャル基板を形成し、該エピタキシャル基板は第一エピタキシャル層及びカーボンナノチューブ層を含む第五ステップと、
エピタキシャル基板のカーボンナノチューブ層を露出させる表面に、第二エピタキシャル層を成長させ、エピタキシャル構造体を得る第六ステップと、
を含むことを特徴とするエピタキシャル構造体の製造方法。
【請求項２】
少なくとも一つのエピタキシャル成長面を有する基板を提供する第一ステップと、
前記基板のエピタキシャル成長面の上に、複数のカーボンナノチューブが互いに接続されて一体構造になった、複数の空隙を有する自立構造の薄膜からなるカーボンナノチューブ層を形成する第二ステップと、
前記カーボンナノチューブ層を形成したエピタキシャル成長面に第一エピタキシャル層を成長させる第三ステップと、
前記基板及びカーボンナノチューブ層を除去し、エピタキシャル基板を形成し、該エピタキシャル基板はパターン化表面を有している第四ステップと、
エピタキシャル基板のパターン化表面に第二エピタキシャル層を成長させ、エピタキシャル構造体を得る第五ステップと、
を含むことを特徴とするエピタキシャル構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば、ＬＥＤに用いられている窒化ガリウムなどのエピタキシャル構造体、ヘテロエピタキシャル構造体は、半導体デバイスの主要な材料として注目されている。
【０００３】
現在、窒化ガリウム（ＧａＮ）をサファイア基板上に結晶成長させる方法が広く採用されているが、窒化ガリウムとサファイア基板との格子定数及び熱膨張係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）は異なるため、エピタキシャル成長した窒化ガリウム層に多くの欠陥が発生する問題が起こっている。また、サファイア基板とエピタキシャル成長した窒化ガリウム層との間には、大きな応力が存在するので、窒化ガリウム層が破壊され易い。これを解決するために、従来の技術では、窒化ガリウム（ＧａＮ）を非平坦な成長表面を有するサファイア基板上に結晶成長させる（特許文献１を参照）。このサファイア基板の非平坦な成長表面は、サファイア基板の結晶成長用の成長表面に対して、フォトエッチング（ｐｈｏｔｏｅｔｃｈｉｎｇ）微細加工方法によって、複数の溝を設けることにより形成されるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１４１１２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｋａｉｌｉ  Ｊｉａｎｇ、Ｑｕｎｑｉｎｇ  Ｌｉ、Ｓｈｏｕｓｈａｎ  Ｆａｎ、“Ｓｐｉｎｎｉｎｇ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｙａｒｎｓ”、Ｎａｔｕｒｅ、２００２年、第４１９巻、ｐ．８０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、フォトエッチング微細加工方法は、工程が複雑で、コストが高く、且つサファイア基板の結晶成長用の成長表面の汚染によって、エピタキシャル構造体の品質に影響を与える。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、上述した課題を解決するために、本発明は製造方法が容易で、コストが低く、且つ高品質のエピタキシャル構造体を製造する方法を提供する。
【０００８】
本発明のエピタキシャル構造体の製造方法は、少なくとも一つのエピタキシャル成長面を有する基板を提供する第一ステップと、基板のエピタキシャル成長面の上にバッファ層を成長させる第二ステップと、バッファ層の基板と離れる表面にカーボンナノチューブ層を形成する第三ステップと、カーボンナノチューブ層を形成したバッファ層の表面に第一エピタキシャル層を成長させる第四ステップと、基板及びバッファ層を除去し、カーボンナノチューブ層を露出させ、エピタキシャル基板を形成し、該エピタキシャル基板は第一エピタキシャル層及びカーボンナノチューブ層を含む第五ステップと、エピタキシャル基板のカーボンナノチューブ層を露出させる表面に、第二エピタキシャル層を成長させ、エピタキシャル構造体を得る第六ステップと、を含む。
【０００９】
本発明のエピタキシャル構造体の製造方法は、少なくとも一つのエピタキシャル成長面を有する基板を提供する第一ステップと、基板のエピタキシャル成長面の上にカーボンナノチューブ層を形成する第二ステップと、カーボンナノチューブ層を形成したエピタキシャル成長面に第一エピタキシャル層を成長させる第三ステップと、基板及びカーボンナノチューブ層を除去し、エピタキシャル基板を形成し、該エピタキシャル基板はパターン化表面を有している第四ステップと、エピタキシャル基板のパターン化表面に第二エピタキシャル層を成長させ、エピタキシャル構造体を得る第五ステップと、を含む。
【００１０】
エピタキシャル構造体において、カーボンナノチューブ層は、複数のカーボンナノチューブが互いに接続されて一体構造になった自立構造の薄膜の形状を有する。
【発明の効果】
【００１１】
従来の技術と比べて、本発明のエピタキシャル構造体の製造方法は、一体構造の複数の空隙を有するカーボンナノチューブ層をマスク膜として、パターン化された表面を有するエピタキシャル基板を形成し、そのエピタキシャル基板からエピタキシャル構造体を成長させるので、製造方法が簡単であり、コストが低い。また、パターン化されたエピタキシャル基板によって、エピタキシャル層の品質を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１のエピタキシャル構造体の製造工程を示す図である。
【図２】ドローン構造カーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】図２中のカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。
【図４】図２中の各カーボンナノチューブフィルムが９０度で積層されて形成されたカーボンナノチューブ層の走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】ねじれ状カーボンナノチューブワイヤの走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】カーボンナノチューブが配向して配置されたプレシッド構造カーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。
【図８】綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの走査型電子顕微鏡写真である。
【図９】実施例１の第二エピタキシャル層の製造工程を示す図である。
【図１０】実施例３のエピタキシャル構造体の製造工程を示す図である。
【図１１】実施例４のエピタキシャル構造体の製造工程を示す図である。
【図１２】実施例４の第一エピタキシャル層の製造工程を示す図である。
【図１３】第一エピタキシャル層及び基板の界面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図１４】第一エピタキシャル層及び基板の界面の透過型電子顕微鏡写真である。
【図１５】実施例４の第二エピタキシャル層の製造工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のエピタキシャル構造体及びその製造方法の実施形態について説明する。以下の各実施形態において、同じ部材は同じ記号で標示する。
【００１４】
（実施例１）
図１を参照すると、エピタキシャル構造体１０の製造方法は、結晶成長用の第一成長表面１０１を有する基板１００を提供するステップ（Ｓ１１）と、基板１００の第一成長表面１０１にバッファ層１０４１を形成するステップ（Ｓ１２）と、バッファ層１０４１の基板１００と離れる表面にカーボンナノチューブ層１０２を形成するステップ（Ｓ１３）と、カーボンナノチューブ層１０２が形成されたバッファ層１０４１の表面に、第一エピタキシャル層１０４を成長させるステップ（Ｓ１４）と、基板１００及びバッファ層１０４１を除去して、カーボンナノチューブ層１０２を露出させ、エピタキシャル基板１００１を形成し、該エピタキシャル基板１００１が、第一エピタキシャル層１０４及びカーボンナノチューブ層１０２を含むステップ（Ｓ１５）と、カーボンナノチューブ層１０２が露出したエピタキシャル基板１００１の表面を第二成長表面２０１とし、この第二成長表面２０１に、第二エピタキシャル層１０６を成長させるステップ（Ｓ１６）と、を含む。
【００１５】
ステップ（Ｓ１１）において、基板１００は、第一エピタキシャル層１０４に結晶成長用の第一成長表面１０１を提供し、この第一成長表面１０１は、第一エピタキシャル層１０４の結晶成長を支持するため用いられている。また、第一成長表面１０１は、平滑な表面であり、酸素又は炭素などの不純物は含まれていない。基板１００は、単層構造又は多層構造を有する。基板１００が単層構造を有する場合、基板１００は、単結晶構造体である。この場合、基板１００は、少なくとも一つの結晶面を含み、該結晶面は、第一エピタキシャル層１０４の第一成長表面１０１として用いられる。基板１００が多層構造を有する場合、基板１００は、少なくとも一層の単結晶構造体を含み、この単結晶構造体は少なくとも一つの結晶面を含み、該結晶面は、第一エピタキシャル層１０４の第一成長表面１０１として用いられる。基板１００の単結晶構造体は、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２及びＡｌ２Ｏ３の一種又は数種からなる。基板１００の材料は、形成しようとする第一エピタキシャル層１０４の材料に応じて選択可能であるが、第一エピタキシャル層１０４の材料と類似する格子定数及び熱膨張係数を有することが好ましい。本実施形態において、基板１００は、サファイア基板である。
【００１６】
ステップ（Ｓ１２）において、バッファ層１０４１を、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、化学ビームエピタキシー法（ＣＢＥ）、減圧エピタキシー法、低温エピタキシー法、液相エピタキシー法（ＬＰＥ）、選択エピタキシー法、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ）、超高真空化学的気相堆積法（ＵＨＶＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）及び有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）の一種又は数種の方法によって結晶成長させる。
【００１７】
バッファ層１０４１の材料は、基板１００の材料と同じでも異なっても良い。バッファ層１０４１が、基板１００の材料と同じ材料からなる場合、前記成長方法は、ホモエピタキシャル成長である。バッファ層１０４１が、基板１００の材料と異なる材料からなる場合、前記成長方法は、ヘテロエピタキシャル成長である。バッファ層１０４１の材料は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＭｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ：Ｚｎ又はＧａＰ：Ｎなどである。
【００１８】
本実施例において、有機金属気相成長法によって、バッファ層１０４１を成長させる。ここで、高純度アンモニア（ＮＨ３）を窒素源ガスとして、水素をキャリヤガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）又はトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウムの原料ガスとして、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）をインジウムの原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）をアルミニウムの原料ガスとして用いる。
【００１９】
バッファ層１０４１の成長方法は、サファイア基板を真空反応室に設置し、該反応室を１１００℃〜１２００℃まで加熱した後、キャリヤガス及び窒素源ガスを反応室に導入して、サファイア基板を２００秒間〜１０００秒間で焼成するステップ（Ｓ１２１）と、キャリヤガスの雰囲気で、反応室の温度を５００℃〜６５０℃まで下げ、同時にガリウムの原料ガス及び窒素源ガスを反応室に導入して、低温ＧａＮバッファ層１０４１を成長させるステップ（Ｓ１２２）と、を含む。
【００２０】
バッファ層１０４１の厚さは、１０ｎｍ〜５０ｎｍである。基板１００の格子定数と第一エピタキシャル層１０４の格子定数とは異なるので、バッファ層１０４１を設けることにより、第一エピタキシャル層１０４を成長させる工程において、格子不整合現象を減少させ、且つエピタキシャル成長の品質を改善することができる。
【００２１】
ステップ（Ｓ１３）において、カーボンナノチューブ層１０２は、バッファ層１０４１の基板１００と離れる表面に配置され、且つバッファ層１０４１と接触する。カーボンナノチューブ層１０２は、複数のカーボンナノチューブからなり、該複数のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブ層１０２の表面と平行する方向に沿って延伸する。カーボンナノチューブ層１０２は、バッファ層１０４１の表面に配置された際、前記複数のカーボンナノチューブの延伸方向は、バッファ層１０４１の表面と平行する。カーボンナノチューブ層１０２は、複数の空隙１０５を有し、該複数の空隙１０５によって、バッファ層１０４１の一部は露出される。
【００２２】
さらに、カーボンナノチューブ層１０２には、複数のカーボンナノチューブが均一に分散され、且つ該複数のカーボンナノチューブは分子間力で接続されている。該複数のカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブである。カーボンナノチューブ層１０２の厚さは、１ｎｍ〜１００μｍ、１ｎｍ〜１０μｍ或いは１ｎｍ〜２００ｎｍであり、好ましくは、１ｎｍ〜１００ｎｍである。カーボンナノチューブ層１０２は、パターン化された薄膜構造体である。パターン化されたカーボンナノチューブ層１０２には、複数の空隙１０５が形成されている。複数の空隙１０５は、カーボンナノチューブ層１０２に均一に分布し、且つカーボンナノチューブ層１０２の厚さ方向に沿ってカーボンナノチューブ層１０２を貫通する。空隙１０５は、隣接する複数のカーボンナノチューブによって囲まれて形成された微孔状か、又はカーボンナノチューブの軸方向に沿って延伸して、且つ隣接するカーボンナノチューブ間に形成されたストリップ状である。空隙１０５が微孔状である場合、空隙１０５の平均孔径は１０ｎｍ〜５００μｍである。空隙１０５がストリップ状である場合、空隙１０５の平均幅は１０ｎｍ〜５００μｍである。以下、“空隙１０５のサイズ”とは、孔径の直径又は空隙の幅を指す。空隙１０５のサイズは、１０ｎｍ〜３００μｍ、１０ｎｍ〜１２０μｍ、１０ｎｍ〜８０μｍ或いは１０ｎｍ〜１０μｍである。空隙１０５のサイズが小さいほど、第一エピタキシャル層１０４が成長する過程において、格子欠陥が発生する可能性は減少し、高品質の第一エピタキシャル層１０４を得ることができる。本実施形態において、第一空隙１０５のサイズは１０ｎｍ〜１０μｍである。カーボンナノチューブ層１０２のデューティファクタ（ｄｕｔｙｆａｃｔｏｒ）は、１：１００〜１００：１、１：１０〜１０：１、１：４〜４：１或いは１：２〜２：１である。好ましくは、カーボンナノチューブ層１０２のデューティファクタは、１：４〜４：１である。“デューティファクタ”とは、カーボンナノチューブ層１０２が、基板１００の第一成長表面１０１を被覆した後における基板１００の第一成長表面１０１の、カーボンナノチューブ層１０２で遮られた領域と、カーボンナノチューブ層１０２の空隙１０５により露出された領域との面積比を示す。
【００２３】
更に、パターン化されたカーボンナノチューブ層１０２におけるカーボンナノチューブの配列方式には規則がある。例えば、カーボンナノチューブ層１０２におけるカーボンナノチューブは、基本的に同じ方向に延伸し、且つバッファ層１０４１と基本的に平行する。或いは、カーボンナノチューブ層１０２におけるカーボンナノチューブは規則性に従って、二方向以上に沿って延伸する。前記同じ方向に延伸する隣接するカーボンナノチューブは分子間力で端と端が接続されている。
【００２４】
カーボンナノチューブ層１０２は、自立構造の薄膜の形状に形成されることができる。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、カーボンナノチューブ層１０２を独立して利用することができるという形態のことである。すなわち、カーボンナノチューブ層１０２を対向する両側から支持して、カーボンナノチューブ層１０２の構造を変化させずに、カーボンナノチューブ層１０２を懸架させることができる。従って、カーボンナノチューブ層１０２は、容易にバッファ層１０４１に直接的に配置することができるため、複雑な工程を省略でき、量産化に寄与する。
【００２５】
カーボンナノチューブ層１０２は、複数のカーボンナノチューブからなる純カーボンナノチューブ構造体である。純カーボンナノチューブ構造体とは、カーボンナノチューブ層１０２を形成する工程において、カーボンナノチューブは表面修飾されていない又は酸化処理されていないものである。また、カーボンナノチューブ層１０２のカーボンナノチューブの表面は、化学的官能基を含まない。カーボンナノチューブ層１０２は、複数のカーボンナノチューブ及び添加材料からなるカーボンナノチューブ複合構造体であっても良い。前記添加材料は、グラファイト、グラフェン、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、ダイヤモンド及びアモルファスカーボンなどの一種又は数種からなることができるが、金属炭化物、金属酸化物及び金属窒化物などの一種又は数種からなることもできる。添加材料は、カーボンナノチューブ層１０２のカーボンナノチューブの少なくとも一部の表面に被覆されるか又は空隙１０５内に充填されるが、添加材料は、カーボンナノチューブ層１０２のカーボンナノチューブを被覆することが好ましい。これにより、カーボンナノチューブの直径を大きくして、空隙１０５の直径を縮小させることができる。この際、添加材料は、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）又はマグネトロンスパッタリング法などによって、カーボンナノチューブ層１０２のカーボンナノチューブの表面に被覆される。
【００２６】
カーボンナノチューブ層１０２を、バッファ層１０４１の表面に被覆させた後、さらに有機溶剤によって処理する。これにより、カーボンナノチューブ層１０２を、バッファ層１０４１の表面に更に緊密に接続させて、カーボンナノチューブ層１０２の機械的強靭性及び付着力を増加させることができる。前記有機溶剤によって処理する方法は、以下の二種の何れか一つの方法であってもよい。第一種では、有機溶剤をビュレットによってカーボンナノチューブ層１０２の表面に滴下し、該有機溶剤をカーボンナノチューブ層１０２に染み込ませる。第二種では、カーボンナノチューブ層１０２を、有機溶剤が入った容器に入れて浸漬させる。第一種と第二種で使用する有機溶剤は、エタノール、メタノール、アセトン、ジクロロエタン及びクロロホルムなどの揮発性有機溶剤の一種又は数種からなる。本実施形態において、有機溶剤はエタノールである。
【００２７】
カーボンナノチューブ層１０２は、少なくとも一枚の、厚さが０．５ｎｍ〜１０μｍであるカーボンナノチューブフィルム、又は少なくとも一本の、直径が０．５ｎｍ〜１０μｍであるカーボンナノチューブワイヤであるか、又はカーボンナノチューブフィルム及びカーボンナノチューブワイヤを組み合わせて形成される。カーボンナノチューブ層１０２が、複数のカーボンナノチューブフィルムからなる場合、複数のカーボンナノチューブフィルムは並列されて一層に配列されるか、又は複数のカーボンナノチューブフィルムは積層されて多層に配列される。この場合、隣接するカーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。カーボンナノチューブ層１０２が、積層された複数のカーボンナノチューブフィルムからなる場合、カーボンナノチューブフィルムの積層された数を制御することにより、カーボンナノチューブ層１０２の厚さを制御することができる。カーボンナノチューブ層１０２において、積層されたカーボンナノチューブフィルムの層数は２層〜１００層であるが、好ましくは、１０層、３０層又は５０層である。カーボンナノチューブ層１０２が、複数のカーボンナノチューブワイヤからなる場合、複数のカーボンナノチューブワイヤは、間隔をおいて平行するように配置されるか、又は互いに交叉するように配置されるか、又は互いに編むことにより網状構造体とすることができる。この場合、カーボンナノチューブ層１０２において、間隔をおいて配置された隣接するカーボンナノチューブワイヤ間の距離は、０．１μｍ〜２００μｍであるが、１０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。この時、カーボンナノチューブ層１０２におけるカーボンナノチューブワイヤ間に形成された間隙は、つまり空隙１０５である。従って、カーボンナノチューブ層１０２における空隙１０５の幅は、間隔をおいて平行に配置されたカーボンナノチューブワイヤ間の距離を制御することによって調節することができる。また、空隙１０５の長さは、間隔をおいて平行して配置されたカーボンナノチューブワイヤの長さと等しくすることができる。
【００２８】
本発明のカーボンナノチューブ層１０２は、以下の（一）〜（四）のものが挙げられる。
【００２９】
（一）ドローン構造カーボンナノチューブフィルム
カーボンナノチューブ層１０２は、超配列カーボンナノチューブアレイ（非特許文献１を参照）から引き出して得られたドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｆｉｌｍ）である。単一のカーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端とが接続されている。即ち、単一のカーボンナノチューブフィルムは、分子間力で長さ方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。また、複数のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブフィルムの表面に平行して配列されている。図２及び図３を参照すると、単一のカーボンナノチューブフィルムは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３を含む。この複数のカーボンナノチューブセグメント１４３は、長さ方向に沿って分子間力で端と端とが接続されている。各カーボンナノチューブセグメント１４３は、相互に平行に分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一のカーボンナノチューブセグメント１４３において、複数のカーボンナノチューブ１４５の長さは同じである。
【００３０】
ドローン構造カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、カーボンナノチューブアレイを提供する第一ステップと、カーボンナノチューブアレイから、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを引き伸ばす第二ステップと、を含む。
【００３１】
カーボンナノチューブ層１０２が、積層された複数のドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含む場合、隣接するドローン構造カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接するドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。好ましくは、図４に示すように、隣接するドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、９０°の角度で交差している。
【００３２】
カーボンナノチューブフィルムは、加熱処理によってその厚さを薄くすることができる。しかし、加熱処理する工程において、カーボンナノチューブフィルムが破壊されることを防止するために、一部を加熱する方法を採用する。具体的には、各カーボンナノチューブフィルムの一部を、レーザ又はマイクロ波によって加熱処理する。これにより、加熱されたカーボンナノチューブの一部は酸化するため、カーボンナノチューブフィルムの厚さを薄くすることができる。本実施形態において、カーボンナノチューブフィルムは、酸素を含む雰囲気でレーザ装置を移動させて一部を照射していく。これにより、一部から全体にわたって加熱処理することができる。具体的には、レーザをカーボンナノチューブフィルムに対して均一な速度で移動させて、カーボンナノチューブフィルムを加熱する。この時、レーザのパワー密度は、０．１×１０４Ｗ／ｍ２より大きく、レーザスポットの直径は、１ｍｍ〜５ｍｍである。また、レーザは、炭酸ガスレーザ装置により提供されることが好ましい。この時、炭酸ガスレーザ装置の電力は、３０Ｗであり、レーザの波長は１０．６μｍであり、レーザスポットの直径は３ｍｍである。
【００３３】
（二）カーボンナノチューブワイヤ
図５を参照すると、カーボンナノチューブワイヤは、分子間力で接続された複数のカーボンナノチューブからなる。この場合、一本のカーボンナノチューブワイヤ（非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ）は、端と端とが接続された複数のカーボンナノチューブセグメント（図示せず）を含む。カーボンナノチューブセグメントは、同じ長さ及び幅を有する。さらに、各カーボンナノチューブセグメントには、同じ長さの複数のカーボンナノチューブが平行に配列されている。複数のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブワイヤの中心軸に平行に配列されている。この場合、一本のカーボンナノチューブワイヤの直径は、１μｍ〜１ｃｍである。図６を参照すると、カーボンナノチューブワイヤをねじることで、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤを形成することができる。複数のカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブワイヤの中心軸を軸に、螺旋状に配列している。この場合、一本のカーボンナノチューブワイヤの直径は、１μｍ〜１ｃｍである。カーボンナノチューブ構造体は、非ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ、ねじれ状カーボンナノチューブワイヤ、又はそれらの組み合わせのいずれか一種からなる。
【００３４】
カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、カーボンナノチューブアレイから引き出してなるカーボンナノチューブフィルムを利用する。カーボンナノチューブワイヤを形成する方法は、次の三種がある。第一種では、カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの長手方向に沿って、カーボンナノチューブフィルムを所定の幅で切断して、カーボンナノチューブワイヤを形成する。第二種では、カーボンナノチューブフィルムを有機溶剤に浸漬させて、カーボンナノチューブフィルムを収縮させてカーボンナノチューブワイヤを形成する。第三種では、カーボンナノチューブフィルムを機械加工（例えば、紡糸工程）して、ねじれたカーボンナノチューブワイヤを形成する。更に詳細に説明すると、まず、カーボンナノチューブフィルムを紡糸装置に固定させる。次に、紡糸装置を作動させて、カーボンナノチューブフィルムを回転させ、ねじれたカーボンナノチューブワイヤを形成する。
【００３５】
（三）プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム
カーボンナノチューブ層１０２は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは、プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム（ｐｒｅｓｓｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｆｉｌｍ）である。単一のカーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、又は、異なる複数の方向に沿って配列されている。カーボンナノチューブフィルムは、押し器具によって所定の圧力をかけて、カーボンナノチューブアレイを押圧して倒すことにより形成された、シート状の自立構造を有するものである。従って、カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列方向は、押し器具の形状及びカーボンナノチューブアレイを押す方向により決められる。
【００３６】
図７を参照すると、単一のカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向して配列される場合には、該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。ローラー形状を有する押し器具を利用して、同じ方向に沿ってカーボンナノチューブアレイを同時に押圧した場合、基本的に同じ方向に配列されたカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。また、ローラー形状を有する押し器具を利用して、異なる方向に沿って、カーボンナノチューブアレイを同時に押圧した場合、異なる方向に沿って、選択的な方向に配列されたカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。
【００３７】
カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの傾斜の程度は、カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブとカーボンナノチューブフィルムの表面とは、角度αを成し、該角度αは０°以上１５°以下である。好ましくは、カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブフィルムの表面に平行する（即ち、角度αは０°である）。圧力が大きくなるほど、傾斜の程度は大きくなる。カーボンナノチューブフィルムの厚さは、カーボンナノチューブアレイの高さ及びカーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、カーボンナノチューブアレイの高さが高くなるほど、また、カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が小さくなるほど、カーボンナノチューブフィルムの厚さは厚くなる。これとは逆に、カーボンナノチューブアレイの高さが低くなるほど、また、カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が大きくなるほど、カーボンナノチューブフィルムの厚さは薄くなる。
【００３８】
（四）綿毛構造カーボンナノチューブフィルム
カーボンナノチューブ構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは、綿毛構造カーボンナノチューブフィルム（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｆｉｌｍ）である。図８を参照すると、単一のカーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブは絡み合い、等方的に配列されている。カーボンナノチューブ構造体において、複数のカーボンナノチューブは均一に分布し、且つ配向せずに配置されている。単一のカーボンナノチューブの長さは、１００ｎｍ以上であるが、１００ｎｍ〜１０ｃｍであることが好ましい。カーボンナノチューブ構造体は、自立構造の薄膜の形状に形成されている。ここで自立構造とは、支持体材を利用せず、カーボンナノチューブ構造体を独立して利用することができるという形態のことである。複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して相互に絡み合い、カーボンナノチューブネット状に形成されている。複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されて、且つ多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の微小な穴の直径は１０μｍ以下である。カーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、相互に絡み合って配置されるので、該カーボンナノチューブ構造体は柔軟性に優れ、任意の形状に湾曲して形成させることができる。また、用途に応じて、カーボンナノチューブ構造体の長さ及び幅を調整することができる。カーボンナノチューブ構造体の厚さは、０．５ｎｍ〜１ｍｍである。
【００３９】
綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの製造方法は、下記のステップを含む。
【００４０】
第一ステップでは、まず、カーボンナノチューブ原料（綿毛構造カーボンナノチューブフィルムの元になるカーボンナノチューブ）を提供する。次いで、ナイフのような工具によって、カーボンナノチューブを基材から剥離して、カーボンナノチューブ原料を形成する。この時、カーボンナノチューブは、ある程度互いに絡み合っている。カーボンナノチューブの原料における、カーボンナノチューブの長さは、１０マイクロメートル以上であるが、好ましくは１００マイクロメートル以上である。
【００４１】
第二ステップでは、前記カーボンナノチューブ原料を溶剤に浸漬し、該カーボンナノチューブ原料を処理して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を形成する。
【００４２】
カーボンナノチューブ原料を溶剤に浸漬した後、超音波式分散、又は高強度撹拌又は振動などの方法により、カーボンナノチューブを綿毛構造に形成させる。前記溶剤は、水又は揮発性有機溶剤である。超音波式分散方法の場合、カーボンナノチューブを含む溶剤を１０〜３０分間処理する。これにより、カーボンナノチューブは大きな比表面積を有し、カーボンナノチューブ間に大きな分子間力が生じるので、カーボンナノチューブは互いにもつれて、綿毛構造を形成する。
【００４３】
第三ステップでは、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶液を濾過して、最終的な綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を取り出す。
【００４４】
具体的には、まず、濾紙が置かれたファネルを提供する。綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤をこの濾紙が置かれたファネルに注いだ後、暫く放置して乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体は分離する。図８を参照すると、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体におけるカーボンナノチューブは、互いに絡み合って、不規則な綿毛構造を形成している。次いで、分離した綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を容器に放置して、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を所定の形状に展開させて、この展開した綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に所定の圧力を加えた後、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体に残留した溶剤を加熱する、或いは該溶剤を自然に蒸発させれば、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。
【００４５】
綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さと面密度は、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体が展開する面積によって、制御することができる。即ち、一定の体積を有する綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体は、展開される面積が大きくなるほど、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムの厚さ及び面密度は小さくなる。
【００４６】
また、微多孔膜とエアーポンプファネル（Ａｉｒ−ｐｕｍｐｉｎｇ  Ｆｕｎｎｅｌ）を利用して、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムを形成することができる。具体的には、まず、微多孔膜とエアーポンプファネルを提供し、綿毛構造のカーボンナノチューブ構造体を含む溶剤を、微多孔膜を介してエアーポンプファネルに注ぎ、該エアーポンプファネルを抽気して乾燥させると、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムが形成される。微多孔膜は、平滑な表面を有する。該微多孔膜において、単一の微小孔の直径は、０．２２マイクロメートルである。微多孔膜は平滑な表面を有するので、カーボンナノチューブフィルムは、容易に微多孔膜から剥落することができる。さらに、エアーポンプを利用することにより、綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムに空気圧をかけるので、均一な綿毛構造のカーボンナノチューブフィルムを形成させることができる。
【００４７】
ステップ（Ｓ１４）において、第一エピタキシャル層１０４は、分子線エピタキシー法、化学ビームエピタキシー法、減圧エピタキシー法、低温エピタキシー法、液相エピタキシー法、選択エピタキシー法、有機金属気相エピタキシー法、超高真空化学的気相堆積法、ハイドライド気相エピタキシー法及び有機金属気相成長法などの一種又は数種の方法によって結晶成長させることができる。
【００４８】
第一エピタキシャル層１０４の厚さは、必要に応じて選択できる。具体的には、第一エピタキシャル層１０４の厚さは０．５ｎｍ〜１ｍｍである。例えば、１００ｎｍ〜５００μｍ、２００ｎｍ〜２００μｍ或いは５００ｎｍ〜１００μｍである。第一エピタキシャル層１０４の材料は、バッファ層１０４１の材料と同じか又は異なることができる。第一エピタキシャル層１０４は、半導体、金属又は合金のエピタキシャル層であることができる。前記半導体は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＡｌＮ、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＭｎＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ：Ｚｎ又はＧａＰ：Ｎなどである。
【００４９】
第一エピタキシャル層１０４の製造方法は、ガリウムの原料ガスの導入を停止し、キャリヤガス及び窒素源ガスの導入を維持し、反応室の温度を１１１０℃〜１２００℃まで昇温した後、３０秒間〜３００秒間にわたってアニーリング処理するステップ（Ｓ１４１’）と、カーボンナノチューブ層１０２及びバッファ層１０４１が設置された基板１００を有する反応室の温度を１０００℃〜１１００℃に維持し、同時にガリウムの原料ガスを再び導入して、高温で高品質の第一エピタキシャル層１０４を成長させるステップ（Ｓ１４２’）と、を含む。
【００５０】
第一エピタキシャル層１０４の成長方法は、バッファ層１０４１の露出領域において、形成しようとする第一エピタキシャル層１０４の核を形成し、この核のサイズは主にバッファ層１０４１と垂直する方向に沿って増大して、複数のエピタキシャル結晶粒（図示せず）を形成するステップ（Ｓ１４１）と、前記複数のエピタキシャル結晶粒を、バッファ層１０４１の表面に平行して横方向結晶成長させて、隣接する結晶粒同士の合体によって全体のエピタキシャル膜（図示せず）を形成するステップ（Ｓ１４２）と、このエピタキシャル膜が、バッファ層１０４１に垂直する方向に増大して、第一エピタキシャル層１０４を形成するステップ（Ｓ１４３）と、を含む。
【００５１】
ステップ（Ｓ１４１）において、前記エピタキシャル結晶粒は、カーボンナノチューブ層１０２によって露出されたバッファ層１０４１の表面からカーボンナノチューブ層１０２の空隙１０５を貫通して成長する。ここで、形成しようとする第一エピタキシャル層１０４の核が、主にバッファ層１０４１の表面と垂直する方向に沿って成長することを縦方向結晶成長として定義する。
【００５２】
ステップ（Ｓ１４２）において、隣接する結晶粒同士の合体によって、複数のエピタキシャル結晶粒は互いに接続されて、一体構造を有するエピタキシャル膜を形成する。複数のエピタキシャル結晶粒及びエピタキシャル膜は共に、カーボンナノチューブ層１０２を包む。これによりカーボンナノチューブ層１０２のカーボンナノチューブも包まれて、複数のキャビティ１０３を形成する。このキャビティ１０３の内壁は、キャビティ１０３におけるカーボンナノチューブと接触する又は間隔を有する。これは、カーボンナノチューブと形成しようとする第一エピタキシャル層１０４との間の濡れ性によって決定される。複数のエピタキシャル結晶粒及びエピタキシャル膜からなる一体構造体の、基板１００の第一成長表面１０１に面する表面は、凹凸構造を有するパターン化表面である。該凹凸構造は、パターン化されたカーボンナノチューブ層１０２に関係する。カーボンナノチューブ層１０２が、互いに間隔をあけて平行するように配置された複数のカーボンナノチューブワイヤからなる場合、複数のエピタキシャル結晶粒及びエピタキシャル膜からなる一体構造体の、基板１００の成長表面１０１に面する表面には、平行且つ間隔を有する複数の溝が形成される。カーボンナノチューブ層１０２が、互いに交叉するように配置される、又は互いに編まれることにより網状構造体になる場合、複数のエピタキシャル結晶粒及びエピタキシャル膜からなる一体構造体の、基板１００の成長表面１０１に面する表面には、交叉された複数の溝を含む網状溝が形成される。第一カーボンナノチューブ層１０２は、エピタキシャル結晶粒と基板１００との間に格子欠陥が発生することを防止するために用いられる。ここで、基板１００の第一成長表面１０１に平行な方向に沿って結晶成長することを横方向結晶成長と定義する。
【００５３】
ステップ（Ｓ１４３）において、前記エピタキシャル膜は、バッファ層１０４１に垂直な方向に増大する。バッファ層１０４１には、カーボンナノチューブ層１０２が配置されているので、ステップ（Ｓ１４２）において、エピタキシャル膜における欠陥は減少する。従って、エピタキシャル膜がバッファ層１０４１に垂直な方向に増大して形成された第一エピタキシャル層１０４も欠陥が減少する。
【００５４】
ステップ（Ｓ１５）において、基板１００及びバッファ層１０４１を除去するために、レーザ照射法、エッチング法又は熱膨張収縮法を利用する。前記基板１００及びバッファ層１０４１を除去する方法は、基板１００及びバッファ層１０４１の材料によって選択することができる。本実施例において、基板１００及びバッファ層１０４１を除去する方法は、レーザ照射法である。
【００５５】
基板１００及びバッファ層１０４１を除去する方法は、基板１００の前記バッファ層１０４１が形成されない表面を研磨してから洗浄するステップ（Ｓ１５１）と、レーザビームを提供して、基板１００、バッファ層１０４１及び第一エピタキシャル層１０４を照射するステップ（Ｓ１５２）と、レーザビームによって照射された基板１００、バッファ層１０４１及び第一エピタキシャル層１０４を溶液に浸漬した後、基板１００及びバッファ層１０４１を除去することによりエピタキシャル基板１００１を形成するステップ（Ｓ１５３）と、を含む。
【００５６】
ステップ（１５１）において、レーザによって基板１００を照射する場合、散乱現象が発生する可能性を減少させるために、基板１００の表面を機械研磨法又は化学研磨法によって研磨して、滑らかな表面に加工する。さらにその後、基板１００の表面にある金属不純物、油汚れ等を除去するために、基板１００の表面を塩酸又は硫酸を用いて洗浄する。
【００５７】
ステップ（Ｓ１５２）において、カーボンナノチューブ層１０２が酸化することを防止するために、真空又は保護ガスの雰囲気で、基板１００、バッファ層１０４１及び第一エピタキシャル層１０４をレーザビームで照射する。前記保護ガスは、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の一種又は数種である。
【００５８】
基板１００の研磨された表面に対して垂直にレーザビームを照射する。つまり、レーザビームを、基板１００と第一エピタキシャル層１０４の界面に照射する。レーザの波長は、バッファ層１０４１及び基板１００の材料によって選択することができるが、レーザビームのエネルギーは、基板１００のエネルギーバンドギャップより小さく、バッファ層１０４１のエネルギーバンドギャップより大きいことが好ましい。これにより、レーザビームは、基板１００を透過してバッファ層１０４１に到達することができる。この時、バッファ層１０４１は、レーザを吸収して、急速に加熱されて分解される。本実施形態において、バッファ層１０４１は、エネルギーバンドギャップが３．３ｅＶであり、基板１００は、エネルギーバンドギャップが９．９ｅＶのサファイアであるので、レーザビームの波長は２４８ｎｍであり、エネルギーは５ｅＶであり、パルス幅は２０ｎｓ〜４０ｎｓであり、エネルギー密度は４００ｍＪ／ｃｍ２〜６００ｍＪ／ｃｍ２であり、光スポットは０．５ｍｍの辺長を有する正方形である。レーザを照射する位置は、基板１００の辺縁から開始され、その速度は、０．５ｍｍ／ｓの速度である。この時、バッファ層１０４１は、レーザを吸収して、ガリウムと窒素に分解される。これに対して、波長のレーザが第一エピタキシャル層１０４に吸収される量は少ないか、又は吸収されないので、第一エピタキシャル層１０４は、レーザによって基板１００を照射する過程においては破壊されない。
【００５９】
ステップ（Ｓ１５３）において、前記ステップ（Ｓ１５２）において分解されたガリウムを酸溶液に浸漬させて除去する。これにより、基板１００を第一エピタキシャル層１０４から分離させることができる。前記酸溶液は、塩酸、硫酸又は硝酸のような、ガリウムを溶解できる溶液である。カーボンナノチューブ層１０２は、第一エピタキシャル層１０４の第一キャビティ１０３内に設置されている。この原因は、前記ステップ（Ｓ１５２）において、バッファ層１０４１がレーザによって照射されて、ガリウムと窒素に分解される際、バッファ層１０４１の表面に配置されたカーボンナノチューブ層１０２は、窒素の作用によって、バッファ層１０４１の表面に吸着するための力が弱められる。従って、ステップ（Ｓ１５３）において、ガリウムが酸溶液で溶解された際、カーボンナノチューブ層１０２は、第一エピタキシャル層１０４の第一キャビティ１０３に残ることになる。更に、第一エピタキシャル層１０４とバッファ層１０４１との間には、カーボンナノチューブ層１０２が配置されているので、バッファ層１０４１と第一エピタキシャル層１０４との接触面は小さくなり、且つバッファ層１０４１と第一エピタキシャル層１０４間の応力も減少する。これにより、基板１００を第一エピタキシャル層１０４から分離する工程は更に容易になり、且つ第一エピタキシャル層１０４に対する損傷を減少させることができる。
【００６０】
エピタキシャル基板１００１は、第一エピタキシャル層１０４及びカーボンナノチューブ層１０２を含む。第一エピタキシャル層１０４は、少なくとも一つのパターン化表面を有する。該第一エピタキシャル層１０４のパターン化表面は、第二エピタキシャル層１０６が成長する第二成長表面２０１である。カーボンナノチューブ層１０２は、第一エピタキシャル層１０４のパターン化表面に埋め込まれている。カーボンナノチューブ層１０２は、複数の空隙１０５を含み、第一エピタキシャル層１０４の一部は複数の空隙１０５の中を突出している。この第一エピタキシャル層１０４の隣接する突出部がそれぞれカーボンナノチューブ層１０２のカーボンナノチューブを囲んで、複数のキャビティ１０３を形成する。キャビティ１０３は、溝又は止まり穴である。カーボンナノチューブ層１０２における一部のカーボンナノチューブは、キャビティ１０３によって露出される。
【００６１】
図９を参照すると、ステップ（Ｓ１６）において、第二エピタキシャル層１０６の成長方法は、ステップ（Ｓ１４）の第一エピタキシャル層１０４の成長方法と基本的に同じであるが、第二エピタキシャル層１０６を成長させる前に、バッファ層（図示せず）を設置するステップを設けることができる。前記バッファ層の材料は、第二エピタキシャル層１０６によって選択できる。本実施例において、第二エピタキシャル層１０６の材料は、第一エピタキシャル層１０４の材料と同じであり、第二エピタキシャル層１０６は、第一エピタキシャル層１０４の第二成長表面２０１から直接に成長する。
【００６２】
第二エピタキシャル層１０６の成長方法は、カーボンナノチューブ層１０２の空隙１０５によって露出された第二成長表面２０１に、複数のエピタキシャル結晶粒１０６２を形成するステップ（Ｓ１６１）と、複数のエピタキシャル結晶粒１０６２を第一エピタキシャル層１０４の表面に平行して成長させて（つまり、横方向結晶成長）、隣接する結晶粒同士の合体によって、一体のエピタキシャル膜１０６４を形成するステップ（Ｓ１６２）と、エピタキシャル１０６４膜が、第一エピタキシャル層１０４の表面に対して垂直する方向に増大して、第二エピタキシャル層１０６を形成し、エピタキシャル構造体１０を形成するステップ（Ｓ１６３）と、を含む。
【００６３】
ステップ（Ｓ１６１）において、カーボンナノチューブは、エピタキシャル成長を支持しないので、複数のエピタキシャル結晶粒１０６２は、空隙１０５によって露出された第二成長表面２０１表面に成長する。
【００６４】
ステップ（Ｓ１６２）において、複数のエピタキシャル結晶粒１０６２を横方向結晶成長させて、隣接する結晶粒同士の合体によって、複数のエピタキシャル結晶粒１０６２は互いに接続して、エピタキシャル膜１０６４を形成する。エピタキシャル膜１０６４及び第一エピタキシャル層１０４は共にカーボンナノチューブを包む。
【００６５】
ステップ（Ｓ１６３）において、エピタキシャル膜１０６４を引き続き成長させて、第二エピタキシャル層１０６を形成する。第二エピタキシャル層１０６の厚さは、必要に応じて選択できる。具体的には、第二エピタキシャル層１０６の厚さは０．５ｎｍ〜１ｍｍである。例えば、１００ｎｍ〜５００μｍ、２００ｎｍ〜２００μｍ或いは５００ｎｍ〜１００μｍである。第二エピタキシャル層１０６の材料は、第一エピタキシャル層１０４の材料と同じか又は異なることができる。第二エピタキシャル層１０６の材料が第一エピタキシャル層１０４の材料と同じである場合、第二エピタキシャル層１０６はホモエピタキシャル層である。第二エピタキシャル層１０６の材料が第一エピタキシャル層１０４の材料と異なる場合、第二エピタキシャル層１０６はヘテロエピタキシャル層である。第二エピタキシャル層１０６及び第一エピタキシャル層１０４の材料及び厚さは、製造しようとする電子製品によって選択できる。
【００６６】
更に、第二エピタキシャル層１０６を成長させる前に、エピタキシャル基板１００１の第二成長表面２０１にカーボンナノチューブ層（図示せず）を形成することができる。このカーボンナノチューブ層の構造は、カーボンナノチューブ層１０２の構造と同じであり、且つエピタキシャル層が成長する過程において、格子欠陥が発生することを制限し、エピタキシャル層の成長品質を高める。
【００６７】
（実施例２）
本発明の実施例２において、エピタキシャル構造体２０の製造方法を提供する。実施例２のエピタキシャル構造体２０の製造方法は、結晶成長用の第一成長表面１０１を有する基板１００を提供するステップ（Ｓ２１）と、基板１００の第一成長表面１０１にカーボンナノチューブ層１０２を配置するステップ（Ｓ２２）と、カーボンナノチューブ層１０２の基板１００と離れる表面にバッファ層１０４１を配置するステップ（Ｓ２３）と、バッファ層１０４１の表面に第一エピタキシャル層１０４を成長させるステップ（Ｓ２４）と、基板１００を除去し、カーボンナノチューブ層１０２を露出させ、エピタキシャル基板１００１を形成し、該エピタキシャル基板１００１は、第一エピタキシャル層１０４、バッファ層１０４１及びカーボンナノチューブ層１０２を含むステップ（Ｓ２５）と、エピタキシャル基板１００１におけるカーボンナノチューブ層１０２を露出させる第二成長表面２０１に、第二エピタキシャル層１０６を成長させるステップ（Ｓ２６）と、を含む。
【００６８】
本実施例２のエピタキシャル構造体２０の製造方法と、実施例１のエピタキシャル構造体１０の製造方法とは同じであるが、異なる点は、基板１００の第一成長表面１０１にカーボンナノチューブ層１０２を配置した後、バッファ層１０４１と第一エピタキシャル層１０４をそれぞれ形成することである。バッファ層１０４１と第一エピタキシャル層１０４とは一体構造であるので、基板１００を除去した後、エピタキシャル基板１００１はバッファ層１０４１を有する。即ち、エピタキシャル構造体２０は、バッファ層１０４１を有する。バッファ層１０４１の第一エピタキシャル層１０４と離れる表面には、複数のキャビティ１０３が形成され、カーボンナノチューブ層１０２の一部のカーボンナノチューブは、このキャビティ１０３によって露出される。
【００６９】
（実施例３）
図１０を参照すると、本発明の実施例３は、エピタキシャル構造体３０の製造方法を提供する。エピタキシャル構造体３０の製造方法は、結晶成長用の第一成長表面１０１を有する基板１００を提供するステップ（Ｓ３１）と、基板１００の第一成長表面１０１にバッファ層１０４１を配置するステップ（Ｓ３２）と、バッファ層１０４１の基板１００と離れる表面にカーボンナノチューブ層１０２を配置するステップ（Ｓ３３）と、カーボンナノチューブ層１０２が配置されたバッファ層１０４１の表面に、第一エピタキシャル層１０４を成長させるステップ（Ｓ３４）と、基板１００及びバッファ層１０４１を除去して、カーボンナノチューブ層１０２を露出させるステップ（Ｓ３５）と、カーボンナノチューブ層１０２を除去し、エピタキシャル基板１００２を形成し、該エピタキシャル基板１００２は、パターン化された第二成長表面２０２を有するステップ（Ｓ３６）と、第二成長表面２０２に、第二エピタキシャル層１０６を成長させるステップ（Ｓ３７）と、を含む。
【００７０】
本実施例のエピタキシャル構造体３０の製造方法と、実施例１のエピタキシャル構造体１０の製造方法とは同じであるが、異なる点は、カーボンナノチューブ層１０２を除去することである。カーボンナノチューブ層１０２を除去した後、パターン化された第二成長表面２０２を有するエピタキシャル基板１００２を形成し、第二エピタキシャル層１０６は、第二成長表面２０２に形成される。
【００７１】
カーボンナノチューブ層１０２を除去する方法は、プラズマエッチング法、レーザ加熱法又は炉内加熱法などである。本実施例においては、レーザ加熱法によって、カーボンナノチューブ層１０２を除去する。この場合、カーボンナノチューブ層１０２及び第一エピタキシャル層１０４を含む構造体を酸素雰囲気に置くステップ（Ｓ３６１）と、カーボンナノチューブ層１０２にレーザビームを照射するステップ（Ｓ３６２）と、を含む。
【００７２】
ステップ（Ｓ３６１）において、レーザビームは、固体レーザ装置、液体レーザ装置、気体レーザ装置又は半導体レーザ装置などのレーザ装置により提供される。レーザ装置のパワー密度は、０．０５３×１０１２Ｗ／ｍ２である。レーザ装置のレーザスポットの直径は、１ｍｍ〜５ｍｍである。カーボンナノチューブ層１０２にレーザビームを照射する時間は、１．８秒より小さい。本実施形態において、レーザビームは、炭酸ガスレーザ装置により提供する。炭酸ガスレーザ装置の電力は、３０Ｗであり、レーザの波長は１０．６μｍであり、レーザスポットの直径は３ｍｍである。レーザ装置のパラメータは、第一エピタキシャル層１０４の材料に応じて選択することができるが、レーザ装置からのレーザビームが、第一エピタキシャル層１０４を分解しない程度に設定されることが好ましい。
【００７３】
ステップ（Ｓ３６２）において、前記レーザビームは、直接カーボンナノチューブ１０２を照射する。カーボンナノチューブ層１０２は、吸収力に優れており、容易にレーザを吸収して酸化した後、除去される。カーボンナノチューブ層１０２にレーザビームを照射する場合、レーザビームをカーボンナノチューブ層１０２に対して相対移動しながら照射する。レーザビームは、カーボンナノチューブ層１０２におけるカーボンナノチューブの配向方向に対して平行方向又は垂直方向に沿って移動させることができる。レーザビームは、低スピードでカーボンナノチューブ層１０２に対して照射する場合、カーボンナノチューブ層１０２は、多量のエネルギーを吸収して短い時間で酸化することができる。本実施形態において、レーザビームがエピタキシャル構造体１０に対して相対移動する速度は１０ｍｍ／ｓより小さい。
【００７４】
（実施例４）
図１１を参照すると、本発明の実施例４は、エピタキシャル構造体３０の製造方法を提供する。エピタキシャル構造体３０の製造方法は、結晶成長用の第一成長表面１０１を有する基板１００を提供するステップ（Ｓ４１）と、基板１００の第一成長表面１０１にカーボンナノチューブ層１０２を配置するステップ（Ｓ４２）と、カーボンナノチューブ層１０２を配置する第一成長表面１０１に、第一エピタキシャル層１０４を成長させるステップ（Ｓ４３）と、基板１００及びカーボンナノチューブ層１０２を除去し、エピタキシャル基板１００２を形成し、該エピタキシャル基板１００２がパターン化された第二成長表面２０２を有するステップ（Ｓ４４）と、第二成長表面２０２に、第二エピタキシャル層１０６を成長させるステップ（Ｓ４５）と、を含む。
【００７５】
本実施例４のエピタキシャル構造体３０と、実施例３のエピタキシャル構造体３０とは同じであるが、製造方法において異なる点は、基板１００の第一成長表面１０１にバッファ層１０４１を配置するステップがないことである。
【００７６】
ステップ（Ｓ４３）において、第一エピタキシャル層１０４の製造方法は、カーボンナノチューブ膜が配置されたサファイア基板を真空反応室に配置し、該反応室を１１００℃〜１２００℃まで加熱し、キャリヤガスを反応室に導入して、サファイア基板を２００秒間〜１０００秒間にわたって焼成するステップ（ａ）と、キャリヤガスの雰囲気で反応室の温度を５００℃〜６５０℃まで下げ、同時にガリウムの原料ガス及び窒素源ガスを反応室に導入して、１０ｎｍ〜５０ｎｍの低温ＧａＮバッファ層１０４１を成長させるステップ（ｂ）と、ガリウムの原料ガスの導入を停止し、キャリヤガス及び窒素源ガスの導入を維持し、反応室の温度を１１１０℃〜１２００℃まで昇温して、３０秒間〜３００秒間にわたってアニーリング処理するステップ（ｃ）と、反応室の温度を１０００℃〜１１００℃に維持し、ガリウムの原料ガスを再び導入することにより、低温ＧａＮバッファ層１０４１の上にエピタキシャル層を成長させ、エピタキシャル構造体を形成するステップ（ｄ）と、温度を１０７０℃まで下げ、ガリウムの原料ガスの流量を増加して、高品質なエピタキシャル層を成長させるステップ（ｅ）と、を含む。
【００７７】
バッファ層１０４１の厚さは、カーボンナノチューブ層１０２の厚さより薄い。エピタキシャル層１０４を成長した後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及び透過型電子顕微鏡(ＴＥＭ)によってサンプルを観察すると、図１３及び図１４に示されるように、色の暗い領域は、エピタキシャル層であり、色の明るい領域は基板である。また、エピタキシャル層の基板と接続する領域には、複数の溝が形成されており、エピタキシャル層に形成されたこの複数の溝は、基板によって閉塞されて複数のトンネルとなる。カーボンナノチューブ層１０２のカーボンナノチューブは、トンネルの中に位置する。
【００７８】
ステップ（Ｓ４３）において、図１２を参照すると、第一エピタキシャル層１０４の成長方法は、まず、バッファ層１０４１に形成しようとする第一エピタキシャル層１０４の核を形成して、核のサイズが主にバッファ層１０４１と垂直する方向に沿って増大して、複数のエピタキシャル結晶粒を形成するステップ（Ｓ４３１）と、複数のエピタキシャル結晶粒が横方向結晶成長して、隣接する結晶粒同士の合体によって一体のエピタキシャル膜を形成するステップ（Ｓ４３２）と、エピタキシャル膜がバッファ層１０４１に垂直する方向に増大して、第一エピタキシャル層１０４を形成するステップ（Ｓ４３３）と、を含む。
【００７９】
ステップ（Ｓ４４）は、実施例１のステップ（Ｓ１５）と基本的に同じであるが、異なる点は、基板１００及びバッファ層１０４１を除去すると同時に、基板１００に付着したカーボンナノチューブ層１０２を除去し、エピタキシャル基板１００２を形成することである。
【００８０】
図１５を参照すると、ステップ（Ｓ４５）において、第二エピタキシャル層１０６の成長方法は、ステップ（Ｓ４３）の第一エピタキシャル層１０４の成長方法と基本的に同じであるが、第二エピタキシャル層１０６を成長させる前に、バッファ層（図示せず）を設置することができる。バッファ層の材料は、第二エピタキシャル層１０６によって選択できる。本実施例において、第二エピタキシャル層１０６の材料は、第一エピタキシャル層１０４の材料と同じであり、第二エピタキシャル層１０６は、第一エピタキシャル層１０４の第二成長表面２０２に直接に成長する。
【００８１】
第二エピタキシャル層１０６の成長方法は、第一エピタキシャル層１０４のパータン化された第二成長表面２０２に、複数のエピタキシャル結晶粒１０６２を形成するステップ（Ｓ４５１）と、複数のエピタキシャル結晶粒１０６２が横方向結晶成長して、隣接する結晶粒同士の合体によって一体のエピタキシャル膜１０６４を形成するステップ（Ｓ４５２）と、エピタキシャル１０６４膜が、第一エピタキシャル層１０４表面に垂直する方向に増大して、第二エピタキシャル層１０６を形成し、エピタキシャル構造体３０を形成するステップ（Ｓ４５３）と、を含む。
【００８２】
ステップ（Ｓ４５１）において、キャビティ１０３の底面及びキャビティ１０３の間の第一エピタキシャル層１０４の表面に、複数のエピタキシャル結晶粒１０６２を成長させる。複数のエピタキシャル結晶粒１０６２の垂直方向で成長する速度は速いため、成長過程において、キャビティ１０３の内部に成長する複数のエピタキシャル結晶粒１０６２は、キャビティ１０３の間の第一エピタキシャル層１０４表面に成長する複数のエピタキシャル結晶粒１０６２と同じ高さまで成長して、一つの平面を形成する。
【００８３】
ステップ（Ｓ４５２）において、複数のエピタキシャル結晶粒１０６２は、キャビティ１０３の内部を充填した後、横方向結晶成長して、隣接する結晶粒同士の合体によって複数のエピタキシャル結晶粒１０６２が互いに接続されて、エピタキシャル膜１０６４を形成する。
【００８４】
ステップ（Ｓ４５３）において、エピタキシャル膜１０６４を引き続き成長させて、第二エピタキシャル層１０６を形成する。第二エピタキシャル層１０６の厚さは、必要に応じて選択できる。具体的には、第二エピタキシャル層１０６の厚さは０．５ｎｍ〜１ｍｍである。例えば、１００ｎｍ〜５００μｍ、２００ｎｍ〜２００μｍ或いは５００ｎｍ〜１００μｍである。第二エピタキシャル層１０６の材料は、第一エピタキシャル層１０４の材料と同じか又は異なることができる。第二エピタキシャル層１０６及び第一エピタキシャル層１０４の材料と厚さは、製造しようと電子製品によって選択できる。
【００８５】
また、第二エピタキシャル層１０６を成長させる前に、エピタキシャル基板１００２の第二成長表面２０２にカーボンナノチューブ層（図示せず）を設置することができる。このカーボンナノチューブ層の構造は、カーボンナノチューブ層１０２の構造と同じである。カーボンナノチューブ層は、エピタキシャル層が成長する過程において、格子欠陥が発生することを制限し、エピタキシャル層の成長品質を高める。
【００８６】
本発明のエピタキシャル構造体の製造方法は以下の優れた点がある。第一に、自立構造の複数の空隙を有するカーボンナノチューブ層を、直接的に基板の結晶面に配置して、エピタキシャル層を成長させるので、製造方法が簡単であり、且つコストが低い。第二に、基板の結晶面の一部がカーボンナノチューブ層の複数の空隙によって露出され、基板の該露出された結晶面からカーボンナノチューブ層の複数の空隙を通じて核が成長された後、横方向結晶成長させて、一体の第一エピタキシャル層を成長形成させる。この時、第一エピタキシャル層と基板との接触面積は小さい。これにより、第一エピタキシャル層と基板との間の結合力を減少させることができる。また、カーボンナノチューブ層は、第一エピタキシャル層が成長する過程において、格子欠陥が発生することを制限することができる。第三に、カーボンナノチューブ層を有する場合、エピタキシャル基板のパターン化された表面に、第二エピタキシャル層を成長する際、第一エピタキシャル層と第二エピタキシャル層との接触面を減少させるので、第一エピタキシャル層と第二エピタキシャル層との間の応力も減少し、より厚い第二エピタキシャル層を成長させることができる。第四に、第一エピタキシャル層は品質が高い、また、パターン化された表面は、格子欠陥が発生することを制限することができるので、第一エピタキシャル層に第二エピタキシャル層を成長させる際（特に、第一エピタキシャル層にホモエピタキシャル成長する場合）、第二エピタキシャル層の品質を高めることができる。従って、エピタキシャル構造体の品質を高めることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０、２０、３０  エピタキシャル構造体
１００  基板
１００１、１００２  エピタキシャル基板
１０１  第一成長表面
１０２  カーボンナノチューブ層
１０３  キャビティ
１０４  第一エピタキシャル層
１０４１  バッファ層
１０６２  エピタキシャル結晶粒
１０６４  エピタキシャル膜
１０５  空隙
１０６  第二エピタキシャル層
１４３  カーボンナノチューブセグメント
１４５  カーボンナノチューブ
２０１、２０２  第二成長表面
【図１】
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【図３】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１５】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１３】
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【図１４】
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