(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に位置し、半導体材料を含む半導体ナノワイヤと、
前記半導体ナノワイヤの直接上に形成された化学コーティング層、および、前記化学コーティング層の直接上に形成された金属元素含有層を含む染料層と、
を含み、前記染料層が電磁放射を吸収し、前記吸収した電磁放射からのエネルギが、前記染料層において電子励起を誘発すると共に前記半導体ナノワイヤにおいて自由電荷キャリア密度を変化させ、
前記化学コーティング層が、前記半導体材料に選択的に付着し、前記金属元素含有層の金属元素との錯体形成によって金属有機染料材料を形成する官能基を含んだ前記化学コーティング層において自己整合した官能化分子を含み、前記官能化分子における前記官能基が前記化学コーティング層の外表面上に露呈されている、半導体デバイス。
【請求項２】
前記半導体ナノワイヤが１．０×１０１５／ｃｍ３未満のドーパント濃度を有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記基板上に位置し、前記半導体ナノワイヤの第１の端部に側方で当接する第１の半導体パッドと、
前記基板上に位置し、前記半導体ナノワイヤの第２の端部に側方で当接する第２の半導体パッドと、
を更に含む、請求項１または２に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記基板に位置し、前記第１の半導体パッドおよび前記第２の半導体パッドに縦方向に当接する絶縁層を更に含む、請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記半導体ナノワイヤが前記基板の上に浮いていて前記基板と直接接触しない、請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記化学コーティング層、前記第１の半導体パッド、および前記第２の半導体パッドが前記半導体ナノワイヤを内部に封入する、請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記化学コーティング層との反応によって形成された前記染料層が前記半導体ナノワイヤの周りを囲む、請求項６に記載の半導体デバイス。
【請求項８】
前記官能化分子が、前記官能化分子における前記官能基よりも前記半導体ナノワイヤに近接して位置する別の官能基を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
前記官能化分子における前記官能基および前記別の官能基に沿った方向は、前記半導体ナノワイヤの同軸中央線からの放射方向である、請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記化学コーティング層が前記官能化分子の単層である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項１１】
前記官能化分子が、ポルフィリン、ジピリジンおよびテルピリジンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項１２】
前記電磁放射が、ガンマ線、Ｘ線、紫外放射、可視スペクトルの放射、または赤外放射である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項１３】
前記染料層の金属有機染料材料は、遷移金属、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、およびＰｏの少なくとも１つを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
【請求項１４】
基板上に位置し、半導体材料を含む半導体ナノワイヤと、
前記半導体ナノワイヤの直接上に形成された化学コーティング層、および、前記化学コーティング層の直接上に形成された金属元素含有層を含む染料層と、
を含み、前記染料層が電磁放射を吸収し、前記半導体ナノワイヤの導電性を測定することによって電磁放射の存在または強度を検出する、電磁放射検出器であり、
前記染料層が電磁放射を吸収すると、前記吸収した電磁放射からのエネルギが、前記染料層において電子励起を誘発すると共に前記半導体ナノワイヤにおいて自由電荷キャリア密度を変化させ、
前記化学コーティング層が、前記半導体材料に選択的に付着し、前記金属元素含有層の金属元素との錯体形成によって金属有機染料材料を形成する官能基を含んだ前記化学コーティング層において自己整合した官能化分子を含み、前記官能化分子における前記官能基が前記化学コーティング層の外表面上に露呈されている、電磁放射検出器。
【請求項１５】
前記化学コーティング層が、ポルフィリン、ジピリジンおよびテルピリジンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の電磁放射検出器。
【請求項１６】
電磁放射検出器を形成する方法であって、
基板上に半導体材料を含む半導体ナノワイヤを形成することと、
前記半導体ナノワイヤの直接上に、電子励起の際に前記半導体ナノワイヤにおいて自由電荷キャリア密度を変化させる官能性材料を含む化学コーティング層を形成することと、
前記化学コーティング層の直接上に金属元素含有層を形成することと、を含み、前記金属元素含有層および前記化学コーティング層が電磁放射を吸収する染料層を共同で構成し、前記吸収した電磁放射からのエネルギが前記染料層において電子励起を誘発するとともにと共に前記半導体ナノワイヤにおいて自由電荷キャリア密度を変化させ、
前記化学コーティング層が、前記半導体材料に選択的に付着し、前記金属元素含有層の金属元素との錯体形成によって金属有機染料材料を形成する官能基を含んだ前記化学コーティング層において自己整合した官能化分子を前記官能性材料として含み、前記官能化分子における前記官能基が前記化学コーティング層の外表面上に露呈されている、方法。
【請求項１７】
前記基板上に第１の半導体パッドおよび第２の半導体パッドを形成することを更に含み、前記第１および第２の半導体パッドが前記半導体ナノワイヤの第１の端部および第２の端部にそれぞれ側方で当接する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記基板が、前記第１の半導体パッドおよび前記第２の半導体パッドに縦方向に当接する絶縁層を含み、前記半導体ナノワイヤが前記基板の上に浮いていて前記基板と直接接触せず、前記半導体ナノワイヤならびに前記第１および第２の半導体パッドが全体にエピタキシャル整合を有する単結晶半導体材料を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
電磁放射検出器を動作させる方法であって、
基板上に位置して半導体材料を含む半導体ナノワイヤと、前記半導体ナノワイヤの直接上に形成された化学コーティング層、および、前記化学コーティング層の直接上に形成された金属元素含有層を含む染料層と、を含む電磁放射検出器を設けることであって、前記染料層を放射に露呈させると前記半導体ナノワイヤの導電性が上がる、ことと、
電磁放射を潜在的に含む雰囲気に前記染料層を露呈させることと、
前記染料層を前記電磁放射に露呈させている間に前記半導体ナノワイヤの導電性を測定することと、
を含み、前記染料層が電磁放射を吸収し、前記吸収した電磁放射からのエネルギが、前記染料層において電子励起を誘発すると共に前記半導体ナノワイヤにおいて自由電荷キャリア密度を変化させ、
前記化学コーティング層が、前記半導体材料に選択的に付着し、前記金属元素含有層の金属元素との錯体形成によって金属有機染料材料を形成する官能基を含んだ前記化学コーティング層において自己整合した官能化分子を含み、前記官能化分子における前記官能基が前記化学コーティング層の外表面上に露呈されている、方法。
【請求項２０】
前記電磁放射検出器が前記基板上に第１の半導体パッドおよび第２の半導体パッドを更に含み、前記第１および第２の半導体パッドが前記半導体ナノワイヤの第１の端部および第２の端部にそれぞれ側方で当接し、前記第１および第２の半導体パッド間に電気バイアスを印加すると共に、前記第１の半導体パッド、前記半導体ナノワイヤ、および前記第２の半導体パッドを通る電流を測定することによって、前記半導体ナノワイヤの抵抗を測定する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスに関し、更に具体的には、半導体ワイヤにおいて誘導される電荷によって電磁放射を検出する半導体ナノワイヤ電磁放射センサ、およびこれを製造する方法、およびこれを動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ナノワイヤとは、１ナノメートル（１０−９メートル）または数十ナノメートルのオーダーの側方（lateral）の横方向および縦方向の寸法を有する半導体ワイヤを指す。典型的には、側方の横方向の寸法および縦方向の寸法は２０ｎｍ未満である。
【０００３】
側方の横方向の寸法（幅）および側方の縦方向の寸法（高さ）には、側方の寸法に対する制限が適用される。半導体ナノワイヤの側方の長手方向の寸法（長さ）は無制限であり、例えば１ｎｍから１ｍとすることも可能である。半導体ナノワイヤの側方の寸法が数十ナノメートル未満である場合、量子力学的効果が重要となる。このため、半導体ナノワイヤは半導体量子ワイヤとも呼ばれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、半導体ナノワイヤの側方の横方向の寸法は、サブリソグラフィである。すなわち、単一の露光によってパターニングされるフォトレジストからの直接画像転写によって印刷することができない。２００８年現在、臨界寸法すなわちリソグラフィ方法によって印刷することができる最小印刷可能寸法は、約３５ｎｍである。臨界寸法未満の寸法はサブリソグラフィ寸法と呼ばれる。いずれの所与の時点でも、臨界寸法およびサブリソグラフィ寸法の範囲は、半導体業界における最良の利用可能なリソグラフィ・ツールによって規定される。一般に、臨界寸法およびサブリソフラフィ寸法の範囲は、連続した各技術ノードにおいて縮小し、半導体業界全体で承認された製造標準によって確定される。
【０００５】
半導体ナノワイヤの電荷輸送特性は、半導体ナノワイヤに存在する電荷キャリアによって制御される。半導体ナノワイヤにおける自由電荷キャリアの密度が高くなると、半導体ナノワイヤの導電性が高くなるが、半導体ナノワイヤにおける自由電荷キャリアの密度が低いと、半導体ナノワイヤの導電性が低くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
半導体ナノワイヤに化学コーティング（官能化（functionalizing））層を被覆し、この層によって半導体ナノワイヤ内の自由電荷キャリアの量を調節する。化学コーティング層は、半導体ナノワイヤ内の自由電荷キャリアの量を調節する官能性材料を含む。金属化合物が、この官能化層と反応して、染料を形成する。染料層は、電磁放射を吸収する材料を含む。吸収されたエネルギの一部は、化学コーティング層において電子励起を誘発し、ここから追加の自由電荷キャリアが半導体ナノワイヤに一時的に提供される。従って、染料層に照射すると、半導体ナノワイヤの導電性が変化する。半導体ナノワイヤおよび結果として得られる染料層は、共同で、電磁放射の検出器として動作する。
【０００７】
本発明の一態様によれば、半導体デバイスが提供される。これは、基板上に位置し、半導体材料を含む半導体ナノワイヤと、化学コーティング層および金属元素含有層を含む染料層と、を含み、染料層が電磁放射を吸収し、吸収した電磁放射からのエネルギが、染料層において電子励起を誘発すると共に半導体ナノワイヤにおいて自由電荷キャリア密度を変化させ、化学コーティング層が、半導体ナノワイヤ上に位置し、半導体材料に選択的に付着する官能性材料を含み、金属元素含有層と反応して染料材料を形成する。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、電磁放射検出器が提供される。これは、基板上に位置し、半導体材料を含む半導体ナノワイヤと、化学コーティング層および金属元素含有層を含む染料層と、を含み、染料層が電磁放射を吸収し、半導体ナノワイヤの導電性を測定することによって電磁放射の存在または強度を検出する。
【０００９】
本発明の更に別の態様によれば、電磁放射検出器を形成する方法が提供される。これは、基板上に半導体材料を含む半導体ナノワイヤを形成することと、半導体ナノワイヤ上に、半導体ナノワイヤに選択的に付着する官能性材料を含む化学コーティング層を形成することと、化学コーティング層上に金属元素含有層を形成することと、を含み、金属元素含有層および化学コーティング層が電磁放射を吸収する染料層を共同で構成し、吸収した電磁放射からのエネルギが官能性材料において電子励起を誘発する。
【００１０】
本発明の更に別の態様によれば、電磁放射検出器を動作させる方法が提供される。これは、基板上に位置して半導体材料を含む半導体ナノワイヤと、化学コーティング層および金属元素含有層を含む染料層と、を含む電磁放射検出器を設けることであって、染料層を放射に露呈させると半導体ナノワイヤの導電性が上がる、ことと、電磁放射を潜在的に含む雰囲気に染料層を露呈させることと、染料層を電磁放射に露呈させている間に半導体ナノワイヤの導電性を測定することと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】半導体ナノワイヤならびに第１および第２の半導体パッドをパターニングした後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、上から見た図である。
【図１Ｂ】半導体ナノワイヤならびに第１および第２の半導体パッドをパターニングした後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、図１Ａの平面Ｂ−Ｂ’に沿った垂直断面図である。
【図１Ｃ】半導体ナノワイヤならびに第１および第２の半導体パッドをパターニングした後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、図１Ａの平面Ｃ−Ｃ’に沿った垂直断面図である。
【図２Ａ】半導体ナノワイヤの下から埋め込み絶縁材料をアンダーカットした後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、上から見た図である。
【図２Ｂ】半導体ナノワイヤの下から埋め込み絶縁材料をアンダーカットした後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、図２Ａの平面Ｂ−Ｂ’に沿った垂直断面図である。
【図２Ｃ】半導体ナノワイヤの下から埋め込み絶縁材料をアンダーカットした後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、図２Ａの平面Ｃ−Ｃ’に沿った垂直断面図である。
【図３Ａ】コンタクト・バイアを形成した後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、上から見た図である。
【図３Ｂ】コンタクト・バイアを形成した後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、図３Ａの平面Ｂ−Ｂ’に沿った垂直断面図である。
【図３Ｃ】コンタクト・バイアを形成した後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、図３Ａの平面Ｃ−Ｃ’に沿った垂直断面図である。
【図４Ａ】化学コーティングおよび染料層を形成した後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、上から見た図である。
【図４Ｂ】化学コーティングおよび染料層を形成した後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、図４Ａの平面Ｂ−Ｂ’に沿った垂直断面図である。
【図４Ｃ】化学コーティングおよび染料層を形成した後の、本発明に従った例示的な半導体デバイスの図であり、図４Ａの平面Ｃ−Ｃ’に沿った垂直断面図である。
【図５】化学コーティング層における官能性材料の半導体結合官能化分子の原子配列を示す概略図である。
【図６】化学コーティング層を形成し露光した後、および染料層を形成し様々な強度で露光した後の、電気バイアス下の半導体ナノワイヤを流れる電流のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上述のように、本発明は、半導体ナノワイヤにおいて誘導される電荷によって化学物質を検出する半導体ナノワイヤ電磁放射センサ、これを製造する方法、およびこれを動作させる方法に関する。これらについて、添付図面を参照して詳述する。同様の要素および対応する要素は同様の参照番号によって参照することに留意すべきである。
【００１３】
図１Ａから図１Ｃを参照すると、本発明による例示的な半導体構造は、ハンドル基板（handle substrate）６および絶縁層１０を含む基板８を含む。基板８の上に、半導体材料を含む半導体ナノワイヤ４０が形成されている。基板８上に、半導体材料を含む第１の半導体パッド２０および第２の半導体パッド３０が形成され、第１および第２の半導体パッド（２０、３０）が半導体ナノワイヤ４０の第１の端部および半導体ナノワイヤ４０の第２の端部に側方でそれぞれ当接するようになっている。
【００１４】
半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）は、当技術分野において既知の方法によって半導体層から形成することができる。例えば、本発明の目的のために、ハンドル基板６、埋め込み絶縁層、および上部半導体層を含む半導体オン・インシュレータ（ＳＯＩ）層を設けることができる。上部半導体層をパターニングして、半導体ナノワイヤならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）を形成すれば良い。上部半導体層のパターニング後に埋め込み絶縁層の上面が露出するので、埋め込み絶縁層が絶縁層１０となる。
【００１５】
上部半導体層は半導体材料を含み、これは、限定ではないが、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム合金、シリコン炭素合金、シリコン−ゲルマニウム−炭素合金、ガリウムヒ素、ヒ化インジウム、リン化インジウム、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体材料、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体材料、有機半導体材料、および他の化合物半導体材料から選択することができる。一実施形態においては、上部半導体層は、単結晶シリコンまたは単結晶シリコン−ゲルマニウム合金等のＳｉ−含有半導体材料を含むことができる。半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）は、上部半導体層と同じ組成を有する。半導体層が単結晶半導体材料を含む場合、半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）の全体は、全体にエピタキシャル整合を有する単結晶半導体材料である。第１および第２の半導体パッド（２０、３０）は、半導体ナノワイヤ４０の縦方向の寸法よりも大きい厚さを有する。
【００１６】
半導体ナノワイヤ４０は、自由電荷キャリア濃度によって決定する自由電荷密度を有する。摂動なしの状態においては、自由電荷キャリア濃度は、半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド２０および３０におけるドーパント濃度によって決定する。
【００１７】
好適な実施形態において、半導体ナノワイヤ４０は実質的に真性の半導体材料を含み、自由電荷キャリア密度は、半導体ナノワイヤ４０の実質的に真性の半導体材料における電子密度およびホール密度の和である。この場合、半導体ナノワイヤ４０におけるドーパント濃度は１．０×１０１５／ｃｍ３未満であり、典型的には１．０×１０１４／ｃｍ３未満である。第１および第２の半導体パッド（２０、３０）は、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントをドーピングして、半導体ナノワイヤ４０の導電性よりも何オーダーか高い導電性を与えることができる。半導体ナノワイヤ４０が実質的に真性であり導電性が低い場合、すなわち抵抗が高い場合、第１および第２の半導体パッド（２０、３０）のためのドーピングの種類は問題でない。なぜなら、半導体ナノワイヤ４０の抵抗が高いために、第１の半導体パッド２０、半導体ナノワイヤ４０、および第２の半導体ナノパッド３０を含む導電経路の電気的特徴は抵抗性であるからである。この場合、典型的に、第１および第２の半導体パッド（２０、３０）のドーパント濃度は１．０×１０１９／ｃｍ３から１．０×１０２１／ｃｍ３であるが、本明細書においては、もっと低いかまたはもっと高いドーパント濃度も想定される。
【００１８】
第１の代替的な実施形態では、半導体ナノワイヤ４０はｐ−ドープ半導体材料を含み、自由電荷キャリア密度は、半導体ナノワイヤ４０のｐ−ドープ半導体材料におけるホール密度と実質的に均しい。これは、この場合、少数電荷キャリア濃度すなわち電子密度がホール密度よりも何オーダーか低いからである。換言すると、ｐ−ドープ半導体材料におけるホール密度は、半導体ナノワイヤ４０のｐ−ドープ半導体材料におけるｐ型ドーパント原子の密度と実質的に同じである。典型的に、半導体ナノワイヤ４０におけるドーパント濃度は、１．０×１０１５／ｃｍ３から１．０×１０１９／ｃｍ３であるが、本明細書においては、もっと低いかまたはもっと高いドーパント濃度も想定される。第１および第２の半導体パッド（２０、３０）は、ｐ型またはｎ型のドーパントをドーピングされる。この場合、典型的に、第１および第２の半導体パッド（２０、３０）のドーパント濃度は１．０×１０１９／ｃｍ１３から１．０×１０２１／ｃｍ３であるが、本明細書においては、もっと低いかまたはもっと高いドーパント濃度も想定される。
【００１９】
第２の代替的な実施形態では、半導体ナノワイヤ４０はｎ−ドープ半導体材料を含み、自由電荷キャリア密度は、半導体ナノワイヤ４０のｎ−ドープ半導体材料における電子密度と実質的に均しい。これは、この場合、少数電荷キャリア濃度すなわちホール密度が電子密度よりも何オーダーか低いからである。換言すると、ｎ−ドープ半導体材料における電子密度は、半導体ナノワイヤ４０のｎ−ドープ半導体材料におけるｎ型ドーパント原子の密度と実質的に同じである。典型的に、半導体ナノワイヤ４０におけるドーパント濃度は、１．０×１０１５／ｃｍ３から１．０×１０１９／ｃｍ３であるが、本明細書においては、もっと低いかまたはもっと高いドーパント濃度も想定される。好ましくは、第１および第２の半導体パッド（２０、３０）は、ｎ型またはｐ型をドーピングされる。この場合、典型的に、第１および第２の半導体パッド（２０、３０）のドーパント濃度は１．０×１０１９／ｃｍ３から１．０×１０２１／ｃｍ３であるが、本明細書においては、もっと低いかまたはもっと高いドーパント濃度も想定される。
【００２０】
絶縁層１０は、誘電材料層すなわち誘電材料を含む層である。絶縁層１０の誘電材料は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、石英、セラミック材料、またはそれらの組み合わせとすれば良い。絶縁層１０の厚さは、５０ｎｍから１，０００ｎｍとすることができるが、本明細書においては、もっと小さいかまたはもっと大きい厚さも想定される。ハンドル基板６は、半導体材料、絶縁材料、または導電材料を含むことができる。場合によっては、ハンドル基板６および絶縁層１０は同一の誘電材料を含むことができ、単一かつ一体的な構成とすることも可能である。
【００２１】
半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）は、例えば、フォトリソグラフィおよび異方性エッチングを用いたリソグラフィ・パターニングによって形成することができる。例えば、半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）に対応する形状を、フォトレジスト（図示せず）にパターニングすれば良い。続いて、フォトレジストのパターンを異方性エッチングによって上部半導体層に転写して、半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）を形成する。任意に、異方性エッチングの間に、半導体ナノワイヤ４０の縁部を丸くすることができる。
【００２２】
半導体ナノワイヤ４０のＣ−Ｃ’平面における断面領域は、矩形、円形、楕円形、または、少なくとも１つの曲線から成る形状または少なくとも１つの多角形の形状あるいはその両方によって形成可能な形状とすることができる。好ましくは、半導体ナノワイヤ４０の断面領域は実質的に円形であり、２０ｎｍ未満の寸法を有する。
【００２３】
図２Ａから図２Ｃを参照すると、半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）の半導体材料に対して選択的に、絶縁層１０の誘電材料に実質的に等方性のエッチングが実行されている。半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）は、実質的に等方性のエッチングのためのエッチ・マスクとして用いられる。実質的に等方性のエッチングはウェット・エッチングまたはドライ・エッチングとすることができる。エッチングが実質的に等方性であるので、エッチングが進行すると、半導体ナノワイヤ４０ならびに第１および第２の半導体パッド（２０、３０）の縁部はアンダーカットされる。少なくとも半導体ナノワイヤ４０の直下に位置する絶縁層１０の部分が除去されるまで、エッチングは進行する。半導体ナノワイヤは基板８の上に浮くことになり、基板８に直接接触しない。換言すると、半導体ナノワイヤ４０は絶縁層１０の残り部分と物理的に直接接触しない。
【００２４】
また、エッチングによって、第１の半導体パッド２０および第２の半導体パッド３０の周辺部の下から絶縁層１０の誘電材料を除去する。第１の半導体パッド２０の中央部の直接下に、絶縁層１０の残り部分を含む第１の絶縁基台１２が形成される。同様に、第２の半導体パッド３０の中央部の直接下に、絶縁層１０の残り部分を含む第３の絶縁基台１３が形成される。第１の絶縁基台１２および第２の絶縁基台１３は、絶縁層１０と一体的な構成であり、絶縁層１０と同じ組成を有する。
【００２５】
半導体ナノワイヤ４０を小径化（thin)して、サブリソグラフィ寸法まで、すなわちリソグラフィ技法によって直接印刷することができない寸法まで、側方の幅を小さくすることができる。この場合、半導体ナノワイヤ４０の幅はサブリソグラフィ寸法であり、これは例えば１ｎｍから２０ｎｍとすることができる。
【００２６】
半導体ナノワイヤ４０の側方の幅をサブリソグラフィ寸法とするために追加の小径化を用いる場合、追加の小径化では、半導体ナノワイヤ４０の表面を、半導体酸化物、半導体窒化物、または半導体酸窒化物等の誘電材料に熱変換することを用い、その後に誘電材料を除去すれば良い。例えば半導体ナノワイヤ４０がシリコンを含む場合、半導体酸化物材料は酸化シリコンとすることができ、これをフッ化水素酸（ＨＦ）によって除去することができる。この代わりに、またはこれと組み合わせて、実質的に等方性のエッチングを用いて半導体ナノワイヤ４０をサブリソグラフィ寸法まで小径化することができる。
【００２７】
図３Ａから図３Ｃを参照すると、当技術分野において既知の方法によって、第１のコンタクト構造２８、第２のコンタクト構造３８、第１のリード・ワイヤ２９、および第２のリード・ワイヤ３９が形成されている。第１のコンタクト構造２８は第１の半導体パッド２０の直接上に形成されている。第２のコンタクト構造３８は第２の半導体パッド３０の直接上に形成されている。第１のリード・ワイヤ２９は第１の半導体パッド２０の直接上に形成されている。第２のリード・ワイヤ３９は第２の半導体パッド３０の直接上に形成されている。第１のコンタクト構造２８、第２のコンタクト構造３８、第１のリード・ワイヤ２９、および第２のリード・ワイヤ３９は、共同で、第１の半導体パッド２０、半導体ナノワイヤ４０、および第２の半導体パッド３０を含む導電性経路の抵抗の測定を可能とする。例えば、第１のコンタクト構造２８および第２のコンタクト構造３８は、はんだボールとすることができ、これらは典型的に４０ミクロンから２００ミクロンの側方寸法を有する。あるいは、第１のコンタクト構造２８および第２のコンタクト構造３８は、１００ミクロンのオーダーの側方寸法を有する金属−半導体合金パッドまたは金属パッドとして、試験プローブとの接触を可能とすることができる。第１のリード・ワイヤ２９および第２のリード・ワイヤ３９は、電気プローブによって置き換えることができる。
【００２８】
図４Ａから図４Ｃを参照すると、半導体ナノワイヤ４０の露出表面上に化学コーティング層５０および金属元素含有層６０が形成されている。
【００２９】
化学コーティング層５０は、半導体ナノワイヤ５０の直接上に形成されている。化学コーティング層５０は、例えば、化学コーティング層５０のための化学物質を含有する溶液に例示的な半導体構造を浸漬することによって形成することができる。あるいは、化学コーティング層５０は、気相堆積によってまたはスプレーによって形成することができる。化学コーティング層５０は、半導体ナノワイヤ４０に選択的に結合する官能性材料を含む。
【００３０】
金属元素含有層６０は、化学コーティング層５０の直接上に形成されている。金属元素含有層６０は、例えば、金属元素含有溶液を含有する溶液に化学コーティングを有する例示的な半導体構造を浸漬することによって形成することができる。金属元素含有溶液の金属元素を含む分子が化学コーティング層の分子と反応して、染料材料を形成する。これは金属有機染料材料とすることができる。化学コーティング層５０および金属元素含有層６０は化合して染料層７０を形成する。染料材料は、化学コーティング層における極性分子の第１の官能基１５０Ａおよび金属元素含有層６０の遷移金属の錯体形成（complexation）によって形成される。あるいは、染料層７０は、金属元素含有層６０のための化学物質を気相堆積することによってまたはスプレーすることによって形成することができる。染料層７０は、半導体ナノワイヤ４０の周りを囲む。
【００３１】
化学コーティング層５０は半導体ナノワイヤ４０全体の上に形成されている。好ましくは、化学コーティング層５０の化学的特性は、化学コーティング層５０が絶縁層２０の露出表面上には形成されないようになっている。化学コーティング層５０、第１の半導体パッド２０、および第２の半導体パッド３０は、半導体ナノワイヤ４０を内部に封入する。
【００３２】
例えば、化学コーティング層５０の官能性材料は、化学コーティング層５０において自己整合する半導体結合官能化分子（semiconductor-bound functionalizing molecule）を含むことができる。本発明において規定する場合、半導体結合官能化分子は、ナノワイヤが形成される半導体材料に対してのみ選択的に結合する分子である（水素終端シリコン等）。これは、非ゼロの電気双極子モーメントを有することができる。換言すると、正電荷の存在の確率によって重み付けされた正電荷分布の中心は、かかる分子における負電荷の存在の確率によって重み付けされた負電荷分布の中心と同じではない。
【００３３】
図５は、化学コーティング層５０内の官能化分子５０Ａの分子整合を示す。この説明的な例では、化学コーティング層５０は官能化分子５０Ａの単層である。官能性材料は分子５０Ａである。
【００３４】
この説明的な例において、各官能化分子５０Ａは、第１の官能基１５０Ａおよび第２の官能基２５０Ａを含む。各官能化分子５０Ａにおける第１の官能基１５０Ａは化学コーティング層５０の外表面上に露出している。この場合、第１の官能基１５０Ａが化学コーティング層５０の外表面上にあるように、各官能化分子５０Ａは半導体ナノワイヤ４０の表面上で自己整合することができる。第１の官能基１５０Ａの例は、限定ではないが、ジピリジル、テルピリジン、ポルフィリンである。第２の官能基２５０Ａは半導体ナノワイヤ４０の表面に結合する。第２の官能基２５０Ａの例は、限定ではないが、ジアゾニウム塩、メルカプト、フェノール、アルコール、アルケン、およびアルキンである。
【００３５】
一般に、第２の官能基２５０Ａは半導体ナノワイヤ４０に付着する。第２の官能基２５０Ａが半導体ナノワイヤ４０の表面に直接結合し、第１の官能基１５０Ａが化学コーティング層５０の外表面上に位置する場合、官能化分子５０Ａにおける第１の官能基１５０Ａおよび第２の官能基２５０Ａに沿った方向は、半導体ナノワイヤ４０の同軸中央線から放射方向とすることができる。同軸中央線は、第１の半導体パッド２０および第２の半導体パッド３０を接続する方向に沿っている。半導体ナノワイヤ４０が円形の断面領域を有する場合、放射方向は半導体ナノワイヤ４０の同軸中央線上に集束する。
【００３６】
化学コーティング層５０は、ポルフィリン、ジピリジン、テルピリジン等の少なくとも１つの官能性材料を含むことができる。化学コーティング層５０のためのかかる官能性材料は半導体ナノワイヤの表面上で自己整合して、官能化分子の双極子モーメントが半導体ナノワイヤ４０の最も近い表面に対して垂直に整合するようになっている。また、これらの分子は半導体表面上で自己組織化単層を形成する。
【００３７】
染料層７０は電磁放射を吸収する。電磁放射は、ガンマ線、Ｘ線、紫外放射、可視スペクトルの放射、または赤外放射とすることができる。好ましくは、電磁放射は紫外放射、可視スペクトルの放射、または赤外放射である。更に好ましくは、電磁放射は紫外放射または可視スペクトルの放射である。染料層７０によって電磁放射が吸収されると、吸収された電磁放射からのエネルギが、染料層７０の官能性材料において電子励起を誘発する。
【００３８】
染料層７０は金属有機染料材料を含むことができる。例えば染料層７０は、遷移金属、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、およびＰｏの少なくとも１つを含む金属有機染料材料を含むことができる。本明細書において規定する場合、遷移金属とは、ランタニドおよびアクチニドを含む元素の周期表の１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６Ｂ、７Ｂ、および８Ｂ群における元素を指す。
【００３９】
一例においては、染料層７０はイリジウムを含有する金属有機染料を含み、約３８０ｎｍのピーク吸収波長を有する。別の例では、染料層７０は亜鉛を含有する金属有機染料を含み、３２０ｎｍと３５０ｎｍとの間のピーク吸収波長を有する。更に別の例では、染料層７０は銅を含有する金属有機染料を含み、約３００ｎｍのピーク吸収波長を有する。
【００４０】
本発明の例示的な半導体デバイスは電磁放射検出器として動作し、半導体ナノワイヤ４０の導電性を測定することによって電磁放射の存在または強度を検出する。染料層７０によって吸収することができる波長の電磁放射に染料層７０を露呈させると、半導体ナノワイヤ４０の導電性が高くなる。
【００４１】
染料層７０の材料の吸収帯の波長範囲内の電磁放射が雰囲気に含まれるか否かを判定するために、かかる電磁放射を潜在的に含む雰囲気に染料層７０を露呈させる。半導体ナノワイヤ４０の導電性を測定しながら、染料層７０を電磁放射に露呈させる。試験雰囲気に露呈させると半導体ナノワイヤ４０の導電性が高くなった場合、試験雰囲気は、染料層７０の材料の吸収帯の波長範囲内の検出可能レベルの電磁放射を有する。試験雰囲気に露呈させても半導体ナノワイヤ４０の導電性が変わらない場合、試験雰囲気は、染料層７０の材料の吸収帯の波長範囲内の検出可能レベルの電磁放射を有しない。
【００４２】
電磁放射検出器が電磁放射の存在を検出した場合には、半導体ナノワイヤ４０の導電性上昇の程度に基づいて、電磁放射の強度を判定することができる。
【００４３】
好ましくは、半導体ナノワイヤのドーパント濃度は１．０×１０１５／ｃｍ３未満であり、電磁放射が存在しない場合の半導体ナノワイヤのバックグラウンド・レベルの導電性を最小限に抑えると共に、電磁放射検出器の信号対雑音比を上昇させることができるようになっている。
【００４４】
半導体ナノワイヤ４０の抵抗を測定することによって半導体ナノワイヤ４０の導電性を測定することができる。例えば、第１および第２の半導体パッド（２０、３０）間に電気バイアスを印加し、第１の半導体パッド２０、半導体ナノワイヤ４０、および第２の半導体パッド３０を通る電流を測定することによって、半導体ナノワイヤ４０の抵抗を測定することができる。第１のコンタクト構造２８、第２のコンタクト構造３８、第１のリード・ワイヤ２９、および第２のリード・ワイヤ３９は、半導体ナノワイヤ４０の抵抗を測定するための電流の経路として用いることができる。
【００４５】
図６は、本発明の半導体ナノワイヤ・デバイスの動作を示すグラフである。第１の電圧−電流曲線６１０は、金属元素含有層６０が存在しない場合、すなわち本発明の半導体ナノワイヤ・デバイスが化学コーティング層５０を含むが金属元素含有層６０を含まない場合の図４Ａから図４Ｃの半導体ナノワイヤ４０を通る電流を表す。この場合、化学コーティング層５０は、図３Ａから図３Ｃの半導体ナノワイヤ・デバイスをテルピリジンの溶液に浸漬することによって形成したテルピリジンの単層を含む。あるいは、テルピリジンの化学コーティング層５０は、テルピリジンの薄いコーティングを塗布する他のいずれかの方法によって形成することも可能である。半導体ナノワイヤ４０は、ドーパント濃度が１．０×１０１５／ｃｍ３未満である実質的に真性の単結晶シリコンを含む。
【００４６】
第２の電圧−電流曲線６２０は、電磁放射が存在しない場合に測定した、図４Ａから図４Ｃの半導体ナノワイヤ４０を通る電流を表す。半導体ナノワイヤ４０は染料層７０によって囲まれており、これは化学コーティング層５０および金属元素含有層６０を含む染料層７０を含む。半導体ナノワイヤ４０は、ドーパント濃度が１．０×１０１５／ｃｍ３未満である実質的に真性の単結晶シリコンを含む。染料層７０はルテニウムを含む金属有機染料を含む。染料層７０の存在によって、染料層７０が存在しない場合の曲線である第１の電圧−電流曲線６１０に比べ、電気バイアス下の電流のベースライン応答曲線が移動している。
【００４７】
第３の電圧−電流曲線６３０は、染料層７０を低レベルの電磁放射に露呈させている場合の、図４Ａから図４Ｃの半導体ナノワイヤ４０を通る電流を表す。半導体ナノワイヤ４０は、ドーパント濃度が１．０×１０１５／ｃｍ３未満である実質的に真性の単結晶シリコンを含む。染料層７０はルテニウムを含む同一の金属有機染料を含む。低レベルの放射によって、第２の電圧−電流曲線６２０に比べ、電気バイアス下の電流の応答曲線が移動している。具体的には、電磁放射が染料層７０によって吸収されるので、染料層７０から追加の自由電荷キャリアが導入されている。従って、半導体ナノワイヤ４０における追加の自由電荷キャリアのために更に多くの電流が半導体ナノワイヤ４０を流れ、第３の電圧−電流曲線６３０は第２の電圧−電流曲線６２０に比べて高いレベルの電流を示す。
【００４８】
第４の電圧−電流曲線６４０は、染料層７０を高レベルの電磁放射に露呈させている場合の、図４Ａから図４Ｃの半導体ナノワイヤ４０を通る電流を表す。半導体ナノワイヤ４０は、ドーパント濃度が１．０×１０１５／ｃｍ３未満である実質的に真性の単結晶シリコンを含む。染料層７０はルテニウムを含む同一の金属有機染料を含む。高レベルの放射によって、第３の電圧−電流曲線６３０に比べ、電気バイアス下の電流の応答曲線が更に移動している。染料層において電磁放射が更に吸収されるので、染料層７０から半導体ナノワイヤ４０内に導入される追加の自由電荷キャリアの数が増える。従って、低レベルの電磁放射の場合に比べて、半導体ナノワイヤ４０における自由電化キャリアが追加されるために、更に多くの電流が半導体ナノワイヤ４０を流れ、第４の電圧−電流曲線６４０は第３の電圧−電流曲線６３０に比べて高いレベルの電流を示す。
【００４９】
このため、本発明の電磁放射検出器は、染料層７０の吸収波長範囲内の電磁放射の有無を検出するだけでなく、試験雰囲気における電磁放射の強度も検出することができる。
【００５０】
第１および第２のコンタクト構造（２８、３８）を形成した後に化学コーティング層５０および金属元素含有層６０を形成した実施形態を用いて本発明について記載したが、第１および第２のコンタクト構造（２８、３８）を形成する前に化学コーティング層５０および金属元素含有層６０を形成した実施形態も、本明細書において明示的に想定される。更に、単一の半導体ナノワイヤ４０を用いる代わりに、本発明は、検出器としての信号強度を上げるために並列に接続した複数の半導体ナノワイヤ４０によって実施することも可能である。かかる変形は、本明細書において明示的に想定される。
【００５１】
本発明について具体的な実施形態に関連付けて説明したが、前述の説明に鑑みて、当業者には、多くの代替、変更、および変形が明らかであることは明白である。従って、本発明は、本発明の範囲および精神ならびに特許請求の範囲内に該当するかかる代替、変更、および変形を全て包含することが意図される。
【図１Ａ】
0005559189.tif 000002
【図１Ｂ】
0005559189.tif 000003
【図１Ｃ】
0005559189.tif 000004
【図２Ａ】
0005559189.tif 000005
【図２Ｂ】
0005559189.tif 000006
【図２Ｃ】
0005559189.tif 000007
【図３Ａ】
0005559189.tif 000008
【図３Ｂ】
0005559189.tif 000009
【図３Ｃ】
0005559189.tif 000010
【図４Ａ】
0005559189.tif 000011
【図４Ｂ】
0005559189.tif 000012
【図４Ｃ】
0005559189.tif 000013
【図５】
0005559189.tif 000014
【図６】
0005559189.tif 000015