(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の結晶物質の基板上に前記第１の結晶物質とは異なる第２の結晶物質のエピタキシャル層を形成する方法であって、
前記第１の結晶物質の前記基板の上面にＶ字型溝を形成することと、
前記基板上で複数のシード粒子物質領域を前記Ｖ字型溝内に形成することと、
シード粒子領域の下に前記第２の結晶物質の結晶相からなる初期のナノウィスカ成長領域を触媒作用により成長させることと、
前記第２の結晶物質の成長を継続し、前記ナノウィスカ成長領域を融合させ、それによって前記第１の結晶物質の前記基板上に広がる前記第２の結晶物質のエピタキシャル層を形成することと、を含む方法。
【請求項２】
さらに、シード粒子物質領域の周りにマスク物質の層を形成すること、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
さらに、前記複数のシード粒子物質領域を形成する前に、マスクにナノメートル寸法の開口を形成することとから成り、前記シード粒子物質領域はナノメートル寸法の開口に形成される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の結晶物質は前記初期成長領域を成長サイトとして用いて成長を継続する請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
マスク物質は炭素ベースの物質である請求項２に記載の方法。
【請求項６】
第１の結晶物質の基板の上面は＜１００＞面であり、前記Ｖ字型の溝内で該Ｖ字型溝の＜１１１＞面が露出している請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第２の結晶物質はIII−Ｖ族半導体物質である請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
基板上にナノウィスカを形成する方法であって、
第１の結晶物質の前記基板の上面にＶ字型溝を形成することと、
前記基板の前記溝から＜１１１＞成長方向に延びる第２の結晶物質のナノウィスカを成長させることと、を含み、
前記第２の結晶物質はIII−Ｖ族半導体物質である方法。
【請求項９】
さらに、前記基板の表面上に複数のシード粒子を形成することと、
前記基板から＜１１１＞成長方向に延びるナノウィスカを製造する第１の成長条件の下で前記シード粒子からナノウィスカを初期成長させることと、
その後に前記ナノウィスカの前記＜１１１＞成長方向を＜１００＞成長方向に変更することと、を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
さらに、前記複数のシード粒子の形成前に、マスクにナノメートル寸法の開口を形成することを含み、前記シード粒子は前記ナノメートル寸法の開口に形成される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ナノウィスカの前記＜１１１＞成長方向から＜１００＞方向への変更はナノウィスカ内に障壁物質の短いセグメントを形成することにより行われ、前記障壁物質を前記＜１ １ １＞ 成長方向を前記＜ １０ ０ ＞成長方向に方向転換するように選択する請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ナノウィスカの前記＜１１１＞成長方向から＜１００＞方向への変更は、第１の成長条件を、＜１００＞成長方向への前記ナノウィスカの成長をもたらす第２の成長条件への変更によって行う請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ナノウィスカはIII−Ｖ族半導体物質からなる請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の方法によって形成されたエピタキシャル層を用いる半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
第１の結晶物質の基板の表面上で成長した前記第１の結晶物質とは異なる第２の結晶物質のエピタキシャル構造を有する層構造であって、
前記基板は、結晶シリコン（１００）基板を有し、
前記基板の表面は、前記基板のＶ字型溝内に露出された（１１１）シリコン面を有し、
前記第２の結晶物質の複数のナノウィスカが前記第２の結晶物質の前記エピタキシャル層において前記基板の前記表面から延びており、
前記複数のナノウィスカは、前記第２の結晶物質のための核生成サイトを構成している層構造。
【請求項１６】
エピタキシャル構造は、第１の結晶物質の基板の表面上に成長した前記第１の結晶物質と異なる第２の結晶物質のエピタキシャル層から成る請求項１５に記載の層構造。
【請求項１７】
さらに、前記基板の表面を覆うマスク物質層であって、前記表面でのエピタキシャル成長を阻害することができ、その中にナノメートル寸法の開口のアレイを有し前記開口内に前記基板の前記表面のエピタキシャル成長サイトが露出しているマスク物質層とから成り、前記第２の結晶物質のエピタキシャル層は前記エピタキシャル成長サイトから成長する請求項１５又は１６に記載の層構造。
【請求項１８】
複数のナノウィスカが開口のアレイを通って延在しており、該ナノウィスカはIII−Ｖ族半導体ナノウィスカを含む請求項１７に記載の層構造。
【請求項１９】
前記エピタキシャル層は、前記ナノウィスカを核とする請求項１８に記載の層構造。
【請求項２０】
前記エピタキシャル層は転移のない請求項１８に記載の層構造。
【請求項２１】
前記エピタキシャル層は融合している請求項１８に記載の層構造。
【請求項２２】
前記エピタキシャル層はバルク層である請求項１８に記載の層構造。
【請求項２３】
前記基板は結晶体から成るIII−Ｖ族半導体層から構成される請求項１８に記載の層構造。
【請求項２４】
前記複数のナノウィスカはIII−Ｖ族半導体ナノウィスカを含む請求項１７に記載の層構造。
【請求項２５】
前記複数のナノウィスカは＜１１１＞方向に延在する請求項１７乃至２４のいずれか一項に記載の層構造。
【請求項２６】
前記複数のナノウィスカは前記第２の結晶物質のエピタキシャル層のための核生成サイトを構成する請求項１７乃至２３のいずれか一項に記載の層構造。
【請求項２７】
前記第２の結晶物質の前記エピタキシャル層は実質的に粒子境界も反対位相ドメインもない請求項１６乃至２６のいずれか一項に記載の層構造。
【請求項２８】
前記複数のナノウィスカは第２の結晶物質のエピタキシャル層の一部である請求項２５に記載の層構造。
【請求項２９】
前記第２の物質の前記エピタキシャル層はミスフィット転移がない請求項１６乃至２６のいずれか一項に記載の層構造。    
【請求項３０】
前記複数のナノウィスカ及び前記第２の結晶物質のエピタキシャル層は同一の前記III−Ｖ族半導体物質からなり、第１の結晶物質の基板の表面はシリコンからなる請求項１８又は２５のいずれか一項に記載の層構造。
【請求項３１】
前記複数のナノウィスカ及び第２の結晶物質の前記エピタキシャル層は同一のIII−Ｖ族半導体物質からなり、第１の結晶物質の基板は結晶から成るシリコン基板から成る請求項１８、２５及び２６のいずれか一項に記載の層構造。
【請求項３２】
前記複数のナノウィスカはＶ字型溝内の前記（１１１）シリコン表面から＜１１１＞方向へ延在する請求項３１に記載の層構造。
【請求項３３】
前記複数のナノウィスカは実質的に欠陥も反位相ドメインも有さない請求項１７乃至３２のいずれか一項に記載の層構造。
【請求項３４】
前記複数のナノウィスカは実質的にミスフィット転移も粒子境界もない請求項３３に記載の層構造。
【請求項３５】
前記複数のナノウィスカのそれぞれがシリコン基板の表面上に位置するマスク物質の層に複数ある開口の一つを通過して延在する請求項３３に記載の層構造。
【請求項３６】
マスク物質の層が酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層からなる請求項３４に記載の層構造。
【請求項３７】
前記エピタキシャル層は窒化物からなる請求項１６乃至３６のいずれか一項に記載の層構造。
【請求項３８】
請求項１５乃至３７のいずれか一項に記載の層構造からなる半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願のクロスリファレンス
本願は２００２年７月８日に出願された米国仮出願６０／３９３．８３５号に基づく優先権を主張するものであり、本引用により当該出願の全内容を本願に繰り入れる。また、２００３年４月４日に出願された米国仮出願６０／４５９，９８２の全内容も本引用により本願に繰り入れるものとする。
【０００２】
本発明はエピタキシャル層の形成方法及び層構造に関する。本明細書に記載される構造体は基本的に１次元的形態であって、その幅あるいは径の大きさがナノメートルサイズである構造体、即ち一般的にナノウィスカ、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノチューブ等として知られる。本明細書において、これらの構造体は１次元ナノ要素と名付ける。より詳しくは、本発明はナノウィスカを有する光電子デバイスに関わる。
【背景技術】
【０００３】
いわゆるＶＬＳ（vapor-liquid-solid:気相−液相−固相）法によって基板上にウィスカを生成する基本プロセスは公知である。基板等の上の触媒物質（多くの場合金である）の粒子を所定の気体存在下で加熱しメルト（melt）を形成する。メルトの下にピラー（pillar）が生成しメルトはピラーの頂部で上昇する。その結果、固体化した粒子メルトがその頂部に乗った所望物質のウィスカが得られる（“Growth of Whiskers by the Vapour-Liquid-Solid Mechanism”- Givargizov - Current Topics in Materials Science Vol. 1 p.79-145 - North Holland Publishing Company 1978を参照）。このようなウィスカの大きさはマイクロメートルの範囲にある。
【０００４】
国際出願ＷＯ０１／８４２３８の図１５および図１６にはナノウィスカを形成する方法が開示されており、該方法では、エアロゾル（噴霧）によるナノメートルサイズの粒子を基板上に付着（deposit）させ、これら粒子をシード（種）として用いてフィラメント即ちナノウィスカを生成する。本明細書において、ナノウィスカという用語はナノメートルサイズの径を有する１次元ナノ要素であって、ＶＬＳ法によって形成されたものを意味することとする。
【０００５】
一般的にはナノ構造体とは、少なくとも２つの次元方向においておよそ１μｍより小さい寸法（即ちナノメートル寸法）を持つデバイスである。通常は、厚さが１μｍより小さい１以上の層からなる層状構造または層状素材はナノ構造体とはされない。但し以下に説明するように、ナノ構造体を用いてそのような層を形成する場合はある。以上のように、ナノ構造体という語は、独立したあるいは孤立した構造体であって、２つの次元方向においておよそ１μｍ以下の寸法であり、より大きな構造体とは異なる機能および用途を有し、ある程度大きな構造体、例えばマイクロオーダーの大きさの構造体を製造する従来の工程とは異なる方法で作製される構造体をその意味内容とする。従って、ナノ構造体という分類を厳密に規定する大きさについての数値上の境界は特にないが、このナノ構造体という語は当業者には明らかなものとして理解されるある一つの分類となっている。多くの場合ナノ構造体を特徴づける寸法の上限は、およそ５００ｎｍである。
【０００６】
ナノ構造体の径がある値、たとえば５０ｎｍよりも小さい場合には、電子がナノ要素の長さ方向にしか移動できないという量子閉じこめが生ずる。これは径方向に沿った面(diametral plane)において、電子が量子力学的固有状態を占拠するからである。
【０００７】
半導体ナノウィスカの電気的および光学的特性は、基本的にその結晶構造、形態、大きさによって決まる。特にウィスカ幅の小さな変化は、量子閉じこめ効果によって、エネルギー状態の分離の少なからぬ変化を引き起こす場合がある。従って、ウィスカの幅を自由に任意に選択できることが重要であり、また、ウィスカの長さを延長した場合にも幅を一定に保てるようにすることが同じく重要である。ウィスカ技術と現在の半導体素子技術との融合を可能にするためには、このことがウィスカを基板上の選択された位置に配置することの可能性と共に必要となってくる。ＧａＡｓウィスカの成長に関していくつかの実験的研究がなされている。最も重要な報告はHirumaらによるものである。彼らは有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）式成長システムにおいて、III−Ｖ族基板上にIII−Ｖ族ナノウィスカを成長させた（K. Hiruma, M. Yazawa, K. Haraguchi, K ogawa, T. Katsuyama, M. Koguchi, and H. Kakibayashi, J. Appl. Phys. 74, 3162 1993; K. Hiruma, M. Yazawa, T. Katsuyama, K ogawa, K. Haraguchi, M. Koguchi, and H. Kakibayashi, J. Appl. Phys. 77, 447 1995; E.I. Givargizov, J. Cryst. Growth 31, 20 1975; X. F. Duran, J. F. Wang, and C. M. Lieber, Appl. Phys. Lett. 76, 1116 2000; K. Hiruma, H murakoshi, M. Yazawa, K. Ogawa, S Fukuhara, M. Shirai and T. Katsuyama, IEICE Trans. Electron E77C 1420 1994; K. Hiruma, et al, “Self-organised growth on GaAs/InAs heterostructure nanocylinders by organometalic vapor phase epitaxy”, J. Crystal growth 163, (1996) 226-231）。彼らは薄いＡｕ（金）フィルムをアニールしてシード粒子を形成する手法を用いている。このようにして、彼らは均一なウィスカ幅分布を実現し、かつその平均サイズをＡｕの層厚およびこの層がナノ粒子に変成する仕方によって制御することができた。この技術では、大きさと表面被覆率とを別個に制御することは困難であり、また被覆率を低くすることは実質的に不可能である。層厚とウィスカの厚さの関係は単純ではない。なぜなら、ウィスカ厚さは成長温度にも依存し、かつＡｕ粒子には温度に依存する平衡サイズが存在する兆候さえあったからである。著者等はまた、走査型トンネル顕微鏡の探針(tip)からデポジットしたＡｕ飛沫の大きさとそれから得られるウィスカの幅との間に強い相関があることを見出した。Lieberら（Y. Cui, L J. Lauhon, M.S. Guduksen, J. F. Wang, and C. M. Lieber, Appl. Phys. Lett. 78, 2214, 2001）によれば、成長させた自由飛翔(free-flying)Ｓｉウィスカにおいて、粒子、ウィスカ間に明白なサイズ相関が示された。
【０００８】
ウィスカを電子部品に使用するならば、ウィスカの長さに沿って位置する明確な電気的接合(junctions)が存在することが必要であり、その実現に多くの努力がなされてきた（例えばHiruma et al, “Growth and Characterisation of Nanometer-Scale GaAs, AlGaAs and GaAs/InAs Wires” IEICE Trans. Electron., Vol. E77-C, No. 9 September 1994, pp 1420-1424を参照）。しかし、多くの改良が必要である。
【０００９】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に関しても多くの研究がなされている。進展はあるものの、ＣＮＴの伝導性タイプの制御ができないこと、および制御された１Ｄ（１次元）ヘテロ構造の生成ができないことにより、研究は頓挫している。半導体性ＣＮＴのドープ（ＰＮ）接合（Derycke et al, Nano Ltters, 2001, 1,453）およびＣＮＴと半導体(ＳｉおよびＳｉＣ)ナノウィスカとの間の移行（Hu et al, Nature 1999, 399, 48）と同様にＣＮＴの金属性の部分と半導体性の部分の間のキンク（kink）としてランダムに形成されるインターフェイスがつきとめられ、研究されている。
【００１０】
別の開発動向においては、テキサスインスツルメンツ（Texas Instruments）のRandall、Reedおよび協力者たちによって開拓されたものであるトップダウン法により１Ｄデバイスを製造する試みが１９８０年代終わりからなされてきている（M.A. Reed et al., Phys. Rev. Lett. 60, 535(1988)）。この種の量子デバイスにおいては今なお最先端技術である彼らのトップダウン方式は、２つの障壁(barrier)とその中心の量子井戸を規定する複数層のエピタキシャル成長に基づくものである。その後、電子線リソグラフィーを用いて横閉じこめパターン（lateral confinement pattern）を形成し、加えて金属層のデポジットにより上部接点を形成する。そしてリフトオフプロセスを用いて電子ビーム感受性のレジストを表面から除去し、かつまた、反応性イオンエッチングにより目的とする細いコラム（柱状体）の周りのすべての物質を除去する。最後に基板を介して、および上部からポリイミド層を用いてデバイスに接触する。このボトムアップ法により作製されたデバイスの研究において、直径１００乃至２００ｎｍのコラムが認められているが、電気的特性はどちらかといえば期待はずれのものであり、山−谷電流比（peak-to-valley currents）は高々１．１：１程度である。微小共鳴トンネル素子を実現するまた別のアプローチが更に最近になって報告されており、これは自己組織化量子ドットの歪み誘起生成（strain-induced formation）を用いたものである(I.E. Itskevich et al,. Phys. Rev. B 54, 16401 (1996); M. Narihiro, G Yusa, Y. Nakamura, T. Noda, H. Sakaki, Appl. Phys. Lett. 70, 105 (1996); M. Borgstrom et al,. Appl. Phys. Lett. 78, 3232 (2001))。
【００１１】
（発明の概要）
本発明の参考例はナノウィスカや一次元半導体ナノ結晶であって、例えばヒ化インジウムのウィスカがリン化インジウムのセグメントを含む場合のようにウィスカの諸セグメントが異なる組成を有するナノウィスカや一次元半導体ナノ結晶の生成方法を包含し、該方法において、はっきり明確な(abrupt)境界および単層数個分から数百ナノメートルまでの厚さのヘテロ構造障壁の形成を許容し、それにより電子がそれに沿って移動可能な１次元ランドスケイプを生成するような成長条件とする。好適な化学ビームエピタキシー法（ＣＢＥ）において、急速に交互交代する組成を、前駆物質原子を基板およびシード粒子共融メルト内に、超高真空チャンバ内に供給される分子ビームとして与えることにより制御する。異なる組成の急速な切り替えを、成長を停止するかあるいは少なくとも微々たる量まで低下させ、また成長のための過飽和状態を再確立するというシーケンスによってなすものであり、少なくとも組成の変更と過飽和はいかなる感知可能な成長よりも速く変化する。ウィスカ物質のはっきり明確な移行により、格子不整合に起因する応力や歪みはウィスカの径方向外向きの膨張または少なくとも接合部付近の格子面内の原子の横方向移動によって調整される。
【００１２】
更に、本発明の参考例は結晶基板上で成長する大きさを選定したエピタキシャルナノウィスカの合成技術を包含する。触媒として大きさを選定した金エアロゾル粒子を用い、これにより表面被覆率をウィスカ径とは完全に独立して変化させることを可能とする。ウィスカはロッド形状であり、１０乃至５０ｎｍの均一な径を有する。該径は触媒シードの大きさに相関する。エアロゾル粒子のナノ操作を用いることにより、個々のナノウィスカを制御された方法で基板の特定の位置にナノメートルレベルの精度で凝集させることができる。本発明の参考例の方法では、ナノ粒子を選択することにより幅の制御性を向上させる。ナノ粒子は基板上のエアロゾルまたは液体合金としてよい。該粒子は基板上に四角形に形成された金から出発して溶融によって正確な径のボールとなすことによって形成してもよい。シード粒子としては金に代わって他の物質、例えばゲルマニウムを用いてもよい。
【００１３】
参考例の多くの応用例において実質的に一定の径を有するナノウィスカとすることが望ましいが、ウィスカの形その他の属性をウィスカ生成中にIII族物質例えばＧａの拡散定数（拡散係数）を選択的に変更することによって変えてもよい。これは以下によって可能である。
・プロセスの温度を低下させる−この場合自由端に向かってテーパのついたウィスカが生成される。
・Ｖ族物質の圧力を増加させる。
・III族およびＶ族物質両方の圧力を増加させる。
【００１４】
より詳しくは、本発明の参考例としてのナノウィスカを生成する方法において、基板上にシード粒子を付着(deposit)させ、シード粒子のメルトを生成するように温度および圧力条件を制御しながら該シード粒子を物質にさらし、それによりシード粒子メルトがコラム（柱状体）の頂上で上昇してナノウィスカを生成し、該ナノウィスカコラムはナノメートル寸法の径を有し、コラムの成長中に、前記物質の組成を変更し、それによってエピタキシャル成長を維持しながらコラム物質の組成を急激に変化させ、その長さに沿って少なくとも第１および第２の半導体セグメント長を有するコラムを形成し、該第１の半導体セグメントは第２の半導体セグメントと異なるバンドギャップを有する物質からなるような方法が提供される。
【００１５】
III／Ｖ族ナノウィスカにおける異なる半導体物質の設計セグメントのボトムアップ型組織化によって、機能的１Ｄ（１次元）共鳴トンネルダイオードやその他の部品および構造が作られている。また、ナノウィスカからなる電子部品および光学部品であって、ナノウィスカの長さ方向セグメントが異なる物質からなりウィスカ内の異なるバンドギャップの物質の間に明確な接合を形成するヘテロ構造として単一の結晶生成により作製された、所望の機能を有する部品が製造されている。
【００１６】
即ち本発明及び参考例は、概括的に言って、ナノメートル寸法の径を有するコラムを有し、該コラムはその長さ方向に配置された異なる物質組成の複数の長さセグメントを有し、該セグメントはナノウィスカコラムの所定長さに渡って延在する隣接するセグメント間の所定の径方向に沿った境界を有し、部品が所望の機能を実現できるようにすべく、該境界における所望のバンドギャップ変化を付与するような、ヘテロ構造電子部品または光学部品を提供する。
【００１７】
本発明及び参考例は、一つの概括的態様において、ナノメートル寸法の径を有するコラムを有するナノウィスカからなる電子部品または光学部品であって、該コラムはその長さ方向に沿って異なる物質の少なくとも第１および第２の長さセグメントからなり、該第１および第２のセグメントはその間にエピタキシャル組成のはっきりした境界を有し、該境界における格子不整合が該境界におけるナノウィスカの径方向外向きの膨張によって調整されるような部品を提供する。
【００１８】
本発明及び参考例は、他の概括的態様において、ナノメートル寸法の径を有するコラムを有するナノウィスカからなる電子部品または光学部品であって、該コラムはその長さ方向に沿って異なる物質の少なくとも第１および第２の長さセグメントからなり、該第１および第２のセグメントはその間にエピタキシャル組成のはっきりした径方向に沿った境界を有し、第１および第２のセグメントの異なる物質組成間の移行が径方向に沿った格子面の８個分以下の軸方向距離において生ずるような部品を提供する。好適には第１および第２のセグメントの組成の移行は格子面６個分以下の軸方向距離で生じ、さらに好適には格子面５個分以下、さらに好適には格子面４個分以下、さらに好適には格子面３個分以下、さらに好適には格子面２個分以下、そして最適には格子面１個分以下で生ずる。
【００１９】
本発明の参考例は、また別の態様において、ナノメートル寸法の径を有するコラムを有するナノウィスカからなる電子部品または光学部品であって、該コラムはその長さ方向に沿って異なる物質の少なくとも第１および第２の長さセグメントからなり、該第１のセグメントはＡ１−ｘＢｘという形式の化学量論的組成を有し、該第２のセグメントはＡ１−ｙＢｙという化学量論的組成を有し、ここでＡ、Ｂは選択された元素であり、ｘ、ｙは変数であり、第１および第２のセグメントの境界に位置するエピタキシャル組成境界は径方向に沿った格子面の所定数分に渡って変数ｘから変数ｙへの所定の漸進的変化を示すような部品を提供する。類似の実施形態において、本参考例のナノウィスカの第１および第２の組成はそれぞれＡ１−ｘＢｘＣ、Ａ１−ｙＢｙＣで表され、ここでＡおよびＢは周期律表内の一つの族、例えばIII族の元素を表し、Ｃは周期律表の他の族の元素、例えばＶ族の元素を表す。変数ｘ、ｙは０と１の間の値とすることができ、その範囲内で異なる数字である。このようなウィスカはその長さ方向に沿って組成の変化しうる化合物半導体から形成され、ヘテロ接合を含んでいる。このような化合物半導体の一例としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓがある。本参考例のナノウィスカは例えば２つの長さ方向セグメントを有し、第１のセグメントの組成をＡｌｘＧａ１−ｘＡｓとし、変数ｘを０と１の間の所与の値とし、第２のセグメントの組成をＡｌｙＧａ１−ｙＡｓとして変数ｙはｘとは異なる第２の値とすることしてもよい。２つのセグメント間には組成が第１のセグメントの組成から第２のセグメントの組成へと連続的に変化する、言い換えると変数ｘが連続的にそして通常単調に変数ｙの値へと変化するような界面が存在する。即ち、この界面はヘテロ接合を構成する。後に詳しく説明するが、ウィスカの成長条件を制御することにより、この移行を径方向に沿った格子面の所定数分に渡って生じさせるようにすることができる。更に、成長条件を周期的に調節してナノウィスカの長さに沿ってこのようなヘテロ接合を複数作り出すことができる。
【００２０】
本発明の参考例によりナノウィスカの径をナノウィスカの長さに沿って実質的に一定とするように、あるいはテーパ形状を制御するなどの決められた変化を持たせるよう制御される。これにより、ナノウィスカの電気的パラメータの精度が保証される。テーパを制御することはナノウィスカの長さに沿って電圧勾配を生じさせることと等価である。径はナノウィスカが量子閉じこめ効果を生ずるほど小さくしてもよい。径を正確に制御しても、製造方法に依存する径の微小な変化は生ずる。特にエピタキシャル構造における格子不整合を調整するために、組成境界においてナノウィスカの径方向外向きの膨張が生ずる。また、格子寸法の違いにより、あるセグメントの径は組成の異なる他のセグメントの径とわずかに異なる場合がある。
【００２１】
本発明の参考例によれば、ナノウィスカの径は好適にはおよそ５００ｎｍ以下、より好適にはおよそ１００ｎｍ以下、更に好適にはおよそ５０ｎｍ以下である。更に、本参考例のナノウィスカの径はおよそ２０ｎｍ以下、またはおよそ１０ｎｍ以下、またはおよそ５ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。
【００２２】
ナノウィスカ生成の精度により、量子閉じこめ効果を利用するデバイス、特に共鳴トンネルダイオードの製造が可能となる。これにより、エミッタ、コレクタ、中央量子ドットがＩｎＡｓで、障壁物質がＩｎＰのＲＴＤが開発されている。山−谷比が５０：１の理想的共鳴トンネル反応が低温で確認された。
【００２３】
本発明の参考例はある態様において、共鳴トンネルダイオードであって、ナノメートル寸法の径のコラムを有する量子閉じこめ効果を示すナノウィスカを有し、該コラムはその長さに沿ってエミッタおよびコレクタをそれぞれ構成する第１および第２の半導体長さセグメントと、該第１および第２の半導体セグメントの間に配設され第１および第２の半導体セグメントとは異なるバンドギャップを有する物質の第３および第４の長さセグメントと、第３および第４半導体セグメントの間に配設され第３および第４のセグメントとは異なるバンドギャップを有する半導体物質からなり量子井戸を形成する第５の中央長さセグメントとを有する共鳴トンネルダイオードを提供する。
【００２４】
ナノウィスカから作られる電気的または光学的部品の問題点のひとつは、ナノウィスカへの効率的な電気的接点を設けることにある。
【００２５】
一つの方法では、機械的なプロセスでナノウィスカを基板からそぎ取り、そのナノウィスカを別の基板上に横たえて置く。そして金属化されたボンディングパッドをナノウィスカの両端部に形成するか、あるいはまたナノウィスカを操作して予め作製した接点パッド上に設置することもできる。
【００２６】
量産により適した別の方法では、ナノウィスカの基部側端部を電気的接点上に形成し、ナノウィスカを基板上に置いたままとする。生成後に、ナノウィスカを樹脂またはガラス材に封入してもよく、その後に封入物の表面にナノウィスカの自由端部に接触するように接点パッドを形成してもよい。この過程を補助するために、ナノウィスカ形成の終了近くに付加的な導電性物質を触媒粒子メルトに注入し、ボンディングパッドとの電気的接触を改善してもよい。
【００２７】
その他の特定の要素は添付の特許請求の範囲又は以下の説明において述べる。これらは特にヘテロバイポーラトランジスタ、発光ダイオード、フォトディテクタを包含している。
【００２８】
発光ダイオードは本発明の参考例に適している。なぜなら発光ダイオードをＵＶ、可視、赤外領域に渡る連続的な波長範囲から任意に選択された発光波長を有するように構成することができるからである。
【００２９】
本発明の参考例は量子閉じこめ効果を示すようなナノメートル寸法の径のコラムを有するナノウィスカからなる発光ダイオードであって、該コラムはその長さにそって順に、それぞれエミッタ、量子井戸活性セグメントおよびコレクタである第１、第２および第３の半導体長さ方向セグメントを有し、前記第２の半導体長さ方向セグメントは第１および第２半導体長さ方向セグメントのバンドギャップとは異なるバンドギャップを有しかつ発光ダイオードの活性領域を形成する発光ダイオードを提供する。
【００３０】
発光ダイオードの特別な用途の一つは、単一光子の発生である。これは様々な応用において有用であり、特に量子暗号において有用である。量子暗号では光子ストリームの権限のない傍受は、量子理論に従って光子の破壊または変化を引き起こし、伝達される信号の劣化を生じさせる（P. Michler, A. Imamoglu, M. D. Mason, P.J. Carson, G. F. Strouse, S. K. Buratto, Nature 406, 968 (2000); C. Santori, M. Pelton, G. Solomon, Y. Dale, Y. Yamamoto, Phys. Rev. Lett. 86, 1502 (2001)を参照）。
【００３１】
本発明の参考例は１次元ナノ要素からなる単一光子光源であって、その長さに沿って量子井戸を形成するほど十分小さい光学的活性物質部分を有し、量子井戸のいずれかの側にトンネル障壁があり、使用時には量子井戸が一度に一つの光子を発することが可能である単一光子光源を提供する。
【００３２】
本発明の参考例による光源の他の形態は遠赤外線を越えるテラヘルツ放射用に設計されている。ルーセントテクノロジーズ(Lucent Technologies)のカパソ(Cappaso)らが開発した超格子について多くの研究がなされている。彼らの「量子カスケード」レーザーはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰヘテロ構造におけるサブバンド間の光子放出を利用しており、波長１７ミクロンまでの室温での（パルスモード）動作を達成している。例えばIEEE Spectrum July 2002, pp. 23,24,"Using Unusable Frequencies" and F. Capasso, C. Gmachl, D. L. Sivco, and a.  Y. Cho, "Quantum cascade lasers" Physics Today, May 2000, pp. 34-39を参照されたい。
【００３３】
本発明の参考例は、ナノメートル寸法の径を有するコラムを有するナノウィスカからなり、該コラムは交互に重ねられた第１のバンドギャップの半導体の複数の層と第２のバンドギャップの物質の複数の層とを含んで超格子を形成し、その寸法はテラヘルツ放射を放出するような波数ベクトルで電子が移動するようなものであるテラヘルツ放射源を提供する。
【００３４】
本発明の参考例による要素、構造、プロセスにおいて、基板から互いに並行に延在する多数のナノウィスカのアレイを形成してもよい。そのようなアレイを形成する様々な方法がある。例えば基板上にエアロゾル粒子のアレイを配置して触媒シード粒子を供給する方法、コロイド溶液から基板上に粒子をデポジットする方法、基板上にナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）（または電子ビーム、ＵＶ、Ｘ線などの他のリソグラフィプロセス）により所定の形状（四角その他）および厚さの領域のアレイを形成し、それを加熱するとナノウィスカ成長プロセスを進行させるような所望の体積のボールが形成されるようにする方法などがある。
【００３５】
このようなアレイは以下にすべて説明するように、フォトニック結晶、多数のフォトディテクタからなる太陽電池、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）、赤外像を可視光像に変換するコンバータとして用いることができる。
【００３６】
本発明の参考例のプロセスにおいて、多くのナノウィスカのアレイを用いて、シリコンなどの安価な物質のウエハ基板上にエピタキシャル物質の層を形成してもよい。この分野において、チップを形成できる高価なIII−Ｖ族物質の単結晶ウエハの製造は長い間課題であった。シリコンウエハ基板上に単結晶層を形成する研究が数多くなされてきた（例えばＷＯ０１／０１６４８参照）。しかし更なる改良が求められている。
【００３７】
本発明の参考例はその上にエピタキシャル成長を阻害するマスク物質、例えばＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４などを成長させたシリコン（珪素）または他の物質の基板を提供する。ＮＩＬプロセスなどによりマスク物質上にナノメートル寸法の開口アレイを形成し、該開口内に触媒シード形成物質をデポジットする。別の方法としては、基板にシード形成物質のアレイをデポジットし、その後マスク物質の層を基板およびシード粒子領域にデポジットする。加熱することによってシード粒子領域を溶融してシード粒子を生成し、その後所望のIII−Ｖ族物質またはその他の物質のナノウィスカの成長を開始する。ナノウィスカの成長後、物質の連続単一層が形成されるまでウィスカを核生成中心として所望の物質の成長を継続する。物質は単一結晶エピタキシャルである。好適にはナノウィスカの端部のシード粒子メルトを適宜の機会に除去して、エピタキシャル層の汚染を防止する。
【００３８】
上記参考例の一変形例においては、ナノウィスカの成長に先立って、シード粒子メルトを核生成点として用いてエピタキシャル層のマス成長(mass growth)を行う。該成長の間、シード粒子の下はまだ液相状態である。
【００３９】
また本発明の実施形態では、シリコン基板の上面に微小なＶ溝を形成する、これは例えば＜１００＞基板における＜１１１＞エッチングである。シード粒子形成領域をＶ溝の表面に形成し、これによりナノウィスカは基板に対してある角度で成長し、溝において互いに交差する。これによりナノウィスカ核生成中心からのエピタキシャル層の成長がより効率的になる。また、異なる成長層のドメイン領域間の結晶粒界が防止できる。これは従来プロセスにおいて問題となっていたものである。
【００４０】
かくして本発明の実施形態はその更なる態様において、所望の物質のエピタキシャル層を異なる物質の基板上に形成する方法であって、基板上にある配置のシード粒子物質領域を形成し、シード粒子領域のまわりにマスク物質の層を形成し、前記所望物質のシード粒子領域からナノウィスカを成長させ、ナノウィスカを成長サイトとして用いて前記所望物質の成長を継続し、それによって前記基板上に広がる前記所望物質のエピタキシャル層の形成を継続する方法を提供する。
【００４１】
本発明の実施形態の別の態様では、通常のナノウィスカの＜１１１＞方向とは異なる＜１００＞方向に延びるIII−Ｖ族ナノウィスカを形成するプロセスを開発した。これには重要な応用用途があり、特に窒化物物質に適している。窒化物物質は＜１１１＞方向に成長する傾向があるが、閃亜鉛鉱型とウルツ鉱型とが交互となるため多くの積層欠陥を有する。
【００４２】
本発明の実施形態はナノウィスカを形成する方法であって、基板を準備し、その上面上にある配置のシード粒子を形成し、基板から当初＜１１１＞方向に延びるナノウィスカを前記シード粒子から成長させ、ナノウィスカの成長方向を＜１００＞方向に変更するように前記ナノウィスカ内に障壁物質の短いセグメントを形成する方法を提供する。
【００４３】
本発明の実施形態はまた別の態様において、ナノウィスカを形成する方法であって、基板を準備し、その上面上にある配置のシード粒子を形成し、基板から当初＜１１１＞方向に延びるナノウィスカを前記シード粒子から成長させ、ナノウィスカの成長方向を＜１００＞方向に変更するように前記ナノウィスカの成長条件を変更する方法を提供する。
【００４４】
本発明の参考例はまたＭＥＭＳデバイス、即ちマイクロメカニカルデバイスに用いられる１次元ナノ要素に関するものでもある。
【００４５】
参考例の一つの態様において、例えばシリコンの基板は一面上に形成された電気的接点領域のマトリックスを有する。それぞれの接点領域に、例えば金の触媒粒子から一つまたは複数のナノウィスカを、基板表面から直立するように生成する。従って、各ナノウィスカあるいは一群のナノウィスカは電気信号によって個々にアドレス可能である。このような構造は神経の末端、場合によっては眼の網膜内の神経の末端に接触させることができ、電極を励起して神経を機能させる修復または人工機能を提供する。このように、例えば眼の網膜に適用した場合、この構造によりある種の盲目を克服することができる。
【００４６】
参考例の別の態様は神経電極その他の用途で機能することのできるナノウィスカを提供する。このナノウィスカはシリコンまたは金属から形成され、それらは酸化されていてもよく、ウィスカを酸化してその長さに沿って酸化物の層を形成する。しかし、ウィスカ端部の粒子メルトは金その他の酸化不能な物質を含み酸素を含まない状態を維持し、従って電気的接点の形成に用いることができる。この構成はその長さに沿って露出した導電物質を有するナノウィスカよりも精度の高い電気的特性をもたらし、このようなナノウィスカは神経電極やナノウィスカのキャパシタンスが重要となるデバイスに用いることができる。別の例では他の物質を外側の層として、例えばバンドギャップのより高いシェルとして用いてもよい。例えばウィスカがヒ化ガリウムであるなら、外側層はリン化ガリウムとしてよい。
【００４７】
ナノ構造の重要な用途の一つはマイクロメカニカル・カンチレバービーム（片持ち梁）である。これは一端で固定されたビームが空間に突出し、外力、即ち例えば電気的な力、または重量による力、または外物による力、または化学的な力によってカンチレバービームに曲げを生じさせる力を受けるものである。この曲げを例えば該構造の電気的キャパシタンスの変化によって検知する。
【００４８】
本発明の参考例のまた別の態様では、一つまたは複数のナノウィスカがカンチレバーまたは平行なカンチレバーの列として形成されたカンチレバーアレイをなすものを提供し、該ナノウィスカは本発明の参考例の上記の態様に従ってその長さに沿って酸化されていても、また酸化されていなくてもよい。このような構成は大きさの序列、またはエッチング加工でビームを作製する従来の構成よりも高い感度を実現する。
【００４９】
このようなカンチレバーの一つの用途として、ウィスカがある有機分子または生体物質に感応性を持つコーティングを有する物質から形成され分子がカンチレバービームに接触するとある化学的反応を生ずるような場合に適用される。これによりカンチレバービームにある応力が生じ、ビームに曲げを引き起こす。これを光学的または電気的モニタにより検知することができる。
【００５０】
また参考例の別の具体的態様では、ナノウィスカが基板上に形成され、実質的に絶縁性の物質層の開口内に突出する。絶縁層の上面上には導電性物質が形成されている、この導電性物質の基板からの高さはナノウィスカの先端と大体同じである。ナノウィスカ上には導電性のシード粒子メルトが置かれている。導電性物質を適宜に励起することにより、ナノウィスカを例えばギガヘルツ域のある固有振動数で開口内において機械的に振動させることができる。一つの振動周期の間に一つの電子が一方の側の導電物質から他方の側へとシード粒子メルトを介して搬送される。これは電流基準発生器を構成し、導電物質を流れる電流Ｉは振動周波数と電子の電荷ｅとの積に等しい。即ちＩ＝ｆ・ｅとなる。
【００５１】
ウィスカにある種の分子を引きつける感応性を与えれば、ウィスカ上への分子の付着によりウィスカの慣性特性が変化し、それによって固有振動数が変化する。導電物質を電気的に励起することによりこれを検出ことができる。この方法を用いて分子の重量を極めて正確に計算することができる。
【００５２】
ここで、添付の図面を用いて、単なる例としての本発明の好適な実施の形態及び参考例を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
ここで本発明に使用されるナノウィスカの参考例としての製造方法を説明する。以下で明らかにされるように、この方法は以下に説明する共鳴トンネルダイオードその他の電子部品および／または光学部品の製造に適している。
【００５４】
ウィスカは異方性の強い構造であり、結晶表面上の溶融金属小滴（これは意図されたものではない汚染物質として入り込むことが多い）によって空間的な触媒作用を受ける。触媒、即ちシード粒子としては、一般的には金が用いられる。これは金が半導体物質即ちＳｉ、ＧａやＩｎといった構成物質と共融合金を形成するからである。これらの共融合金の融点はＳｉおよびIII−Ｖ族物質の通常の成長温度よりも低い。溶融金属小滴は極小液相エピタキシー系（miniature, liquid phase, epitaxy system）として作用し、この系では先駆物質が蒸気として、すなわち本件の場合真空中の分子ビームとして供給される。この成長は通常気相−液相−固相成長と呼ばれる。半導体ナノウィスカの電気的および光学的特性は基本的にその結晶構造、形態および大きさによって決まる。特にウィスカの幅における小さな変化は、量子閉じこめ効果によって、エネルギー状態の分離の少なからぬ変化を引き起こす場合がある。従って、ウィスカの幅を自由に任意に選択できることが重要であり、また、ウィスカの長さを延長した場合にも幅を一定に保つことができることが同じく重要である。ウィスカ技術と現在の半導体素子技術との融合を可能にするためには、このことがウィスカを基板上の選択された位置に配置することの可能性と共に必要となってくる。
【００５５】
本発明の参考例により、結晶基板上に成長する大きさの選択されたエピタキシャルナノウィスカの合成手法が開発された。図３はこの技術で使用される以下に説明する化学ビームエピタキシー装置を図式的に示している。
【００５６】
化学ビームエピタキシー（ＣＢＥ）は分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）のようなビームエピタキシー手法と有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）のような化学ソースの使用とを結びつけたものである。ＭＯＣＶＤや関連するレーザーアブレイション手法においては、リアクター内の圧力は通常１０ミリバール以上であり、かつ気体反応物は粘性を有している、即ち比較的高い流れ抵抗を有する。化学物質は基板表面に拡散によって到達する。ＣＢＥにより圧力は１０−４ミリバール以下に低減され、拡散物の平均自由行程はソース導入口から基板までの距離よりも長くなる。輸送中の衝突はなくなり、輸送は分子ビームとして行われる。このＣＢＥシステムにおけるガス拡散の排除は、基板表面における流れの応答が早いことを意味し、これにより原子的に境界のはっきりした境界面(atomically abrupt interfaces)が自動的に成長する。
【００５７】
図３に示すＣＢＥ装置はＵＨＶ（超高真空）成長チャンバ１００１を示し、サンプル１０２１がヒーター１０６１に接続された金属サンプルホルダー１０４１上に設置されている。チャンバの周りにはクライオシュラウド（cryoshroud：低温覆い）と呼ばれる液体窒素で満たされたリング１０８１が設けられている。クライオシュラウドは衝突しないまたは脱着されない種(species)を基板表面からポンプ排出する。クライオシュラウドは成長表面層の汚染を防止し、メモリー効果を低減する。また、真空ポンプ１１０１が設けられる。        
【００５８】
ＣＢＥのソース１１２１は液相であり、これらソースはチャンバより圧力の高いボトルに収容されている。通常ソースはＴＭＧａ、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＢＡｓ、ＴＢＰである。ボトルは低温浴中に保存され、液体ソースの温度を制御することによって液体上の蒸気の分圧を制御する。この蒸気は複合パイプ１１４１を介して成長チャンバ内に供給され、成長チャンバの直前のパイプ終端部においてソース注入器１１６１に供給される。ソース注入器は気体ソースを成長チャンバ１００１内に注入するものであり、かつ安定した均一な強度の分子ビームを生成するものである。有機金属化合物ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）またはＴＭＧａ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）に由来するIII族物質は、低温注入器によって注入して成長種（growth species）の凝縮を防止する。それらの物質は基板表面で分解する。Ｖ族物質は有機金属化合物ＴＢＡｓ（第３ブチルアルシン）またはＴＢＰ（第３ブチルホスフィン）によって供給される。III族物質の分解とは異なり、Ｖ族物質は成長チャンバに注入される前に、高い温度で注入器１１６１内において分解される。これらの注入器１１６１はクラッキングセル（cracking cell）と呼ばれ、温度は９００℃程度に保たれる。ソースビームは加熱された基板表面に直接入射する。分子は基板表面から十分な熱エネルギーを得て、III族原子を表面上に残してすべてその３つのアルキルラジカルに分離するか、または分子は未分離または部分的に分離した形態で脱着される。これらプロセスのうちのどちらが優勢となるかは、基板の温度と基板表面への分子の到達速度（arrival rate）に依存する。比較的高い温度では成長速度は供給によって律速され、また比較的低い温度ではサイトをブロックするアルキル脱着によって律速される。
【００５９】
この化学ビームエピタキシー法により本発明の光電子デバイスに使用されるナノウィスカ内にヘテロ接合を形成することができ、このヘテロ接合は、少数の原子層の間で一つの物質から他の物質に急激に移行するという意味において境界がはっきりしている。
【００６０】
本明細書においては「原子的に境界のはっきりしたヘテロ接合(atomically abrupt heterojunction)」とは、２層以下の原子単層の間に生ずる一つの物質から他の物質に移行であって、該一つの物質はその２つの単層の一方の側において少なくとも９０％以上の純度を有し、該他の物質は該２つの単層の他方の側において少なくとも９０％以上の純度を有することを意味するものとする。このような「原子的に境界のはっきりしたヘテロ接合」は、一連のヘテロ接合およびそれに関連する量子井戸を有する電子部品において量子井戸を境界づけるヘテロ接合の作製を可能とするに十分な明確な境界を持つ。
【００６１】
本明細書において、「シャープなヘテロ接合(sharp heterojunction)」とは、５層以下の原子単層の間に生ずる一つの物質から他の物質に移行であって、該一つの物質はその５つの単層の一方の側において９０％以上の純度を有し、該他の物質は該５つの単層の他方の側において９０％以上の純度を有することを意味するものとする。このような「シャープなヘテロ接合」は、ナノ要素内に一つまたは一連のヘテロ接合を有し、該ヘテロ接合を正確に境界づける必要のある電子部品の作製を可能とするに十分なシャープさを持つ。このような「シャープなヘテロ接合」はまた量子効果を利用した多くの部品用としても十分にシャープである。
【００６２】
本発明の一つの参考例として、ナノウィスカにおいて用いられる化合物ＡＢにおいて、Ａは第１群から選択した一つ以上の元素を、Ｂは第２群から選択した一つ以上の元素を表し、選択された第１群の元素と選択された第２群の元素との総比率は、所望の性質を持つように設計された半導体化合物を構成するようにあらかじめ決められる。各群において選択した元素の総比率がその所定比率の９０％以上であるとき、該化合物ＡＢは９０％の純度を持つと考えられる。
【００６３】
例１
図１および３はいくつかのIII−Ｖ族物質から成長させた所定サイズのウィスカを示しており、詳しくは幅が１０ｎｍから５０ｎｍの間のＧａＡｓウィスカである。前に報告されているエピタキシャル成長によるナノウィスカは下部から頂上に向かって狭まるテーパ形状となる傾向があるが、それとは異なり、ここに示したウィスカは、均一な径でロッド状に成長させることができる。触媒としてはサイズを選定した金エアロゾル粒子を用い、それによって表面被覆率をウィスカ径とは独立して変化させることができる。
【００６４】
ウィスカ幅は概してシード粒子の径よりもわずかに大きい。これは主に２つの要因による。即ち第１に、金粒子には基板からＧａおよび場合によってはＡｓが取り込まれ、これによって粒子が成長する。第２に、粒子が溶融すると液体キャップの径は合金と基板表面との間のぬれ角によって決まる。単純な仮定で、温度・粒径によっては拡大は５０％までになり、粒径とウィスカ幅の間に再現可能な相関関係が導かれる。
【００６５】
ＧａＡｓ＜１１１＞Ｂ基板１０を用い、これをエアロゾルデポジットに先立ってＨＣＬ：Ｈ２Ｏ，１：１０内でエッチングして自然酸化物および表面汚染物を除去した。選択されたサイズのＡｕ粒子１２を超高純度Ｎ２雰囲気のグローブボックス１４内に局在的に設置されたエアロゾル設備により生成する。粒子は温度１７５０℃において蒸発凝縮法(evaporation/condensation method)によりチューブ炉１６内に生成され、１８においてＵＶ光によって帯電される。粒子は微分型電気移動度分級装置ＤＭＡ２０によりサイズ選択される。ＤＭＡは帯電したエアロゾル粒子の空気抵抗を電場内におけるその粒子移動度に対して釣り合わせることにより、粒子サイズを分級する。サイズ分級後、緻密化および球形化するために、粒子を６００℃に加熱した。このような設定により、平均粒径からの標準偏差が５％より小さい狭い大きさ分布を有するエアロゾル流れが得られる。粒子はまだ帯電しているので、電場Ｅにより基板１０上にデポジットされた。粒径が１０乃至５０ｎｍの範囲のサイズ選択されたエアロゾル粒子をウィスカ成長に用いた。
【００６６】
エアロゾルデポジット後、いくつかのサンプルをグローブボックス内に設置されエアロゾル形成装置と連結されたＴｏｐｏｍｅｔｒｉｘ社製のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）であるＥｘｐｌｏｒｅｒ２４に搬入した。これにより、これらサンプルはデポジットおよび操作段階の間、サブｐｐｍ程度のＨ２ＯおよびＯ２にさらされるのみとなった。ＡＦＭ探針(tip)を用いて粒子１２を選択して所定の配置に設定し、個々のシード粒子の位置決めを完全に制御した。
【００６７】
配列されたまたはデポジットされたままのＡｕエアロゾル粒子１２を有するＧａＡｓ基板１０を化学ビームエピタキシーＣＢＥチャンバに搬入した。あるＣＢＥ配置において、ＧａＡｓ成長は真空／分子ビーム条件下で有機金属ソース、即ちこの場合トリエチルガリウムＴＥＧおよび第３ブチルアルシンＴＢＡによって生ずる。ＴＢＡは熱的に予め主にＡｓ２分子に分解される(pre-cracked)のに対し、ＴＥＧは通常基板表面に衝突後に分解する。一般的に成長はＡｓ２がやや圧力超過した状態で行われ、これは成長速度がＧａ流量によって決定されることを意味する。成長の直前に基板をＡｓ２ビームにさらしながらヒーターにより６００℃まで５分間加熱した。この工程で、Ａｕ小滴はＧａＡｓの構成元素と合金を形成することができ、そのためＡｕ粒子はいくつかのＧａを基板から吸着する。このＡｕ／Ｇａ合金は３３９℃において生成する。この工程は脱酸素工程としても作用し、グローブボックスシステムへの出し入れの際に作られた新たな自然酸化物層を除去する。酸化物は５９０℃において揮発すると考えられるが、常にそうであるわけではない。酸化物の揮発を高速反射電子回折装置ＲＨＥＥＤによって行うこともできる。搬送が成功すると、結晶性の再構築された面を示唆するすじ状の回折パターンを５００℃以下の温度ですでに観察することができる。しかし、酸化物は５９０℃まで安定したままであることも多く、６３０℃までという場合もある。ウィスカ成長は基板温度５００℃〜５６０℃の間で、ＴＥＧ圧力０．５ミリバール、ＴＢＡ圧力２．０ミリバールで行った。成長後にサンプルを走査型および透過型電子顕微鏡ＳＥＭ、ＴＥＭにより調べた。
【００６８】
得られたウィスカはロッド状で、長さに多少のばらつきはあるが、極めて均一な大きさであった。大きさの均一性は明らかに表面酸化物の揮発に依存する。ＲＨＥＥＤの場合に見られるように酸化物が甚だしいサンプルの場合は大きさの均一性が劣化した。したがって、再現可能な結果を得るためには酸素の存在しない環境が望ましい。蒸気の成長温度においては、粒子サイズにかかわらずウィスカのテーパ（先細り）は見られなかった。しかし５００℃以下で成長したウィスカについてはテーパの兆候が見られた。温度に依存するロッド状またはテーパ状のウィスカの成長は、ウィスカの長手軸に平行な面上の触媒作用を受けない成長の存否によって説明される。この向きの最も単純な面は＜１１０＞面(facets)である。本実験に近い通常のＣＢＥ成長条件では＜１１０＞面は移動面(migration surfaces)である。しかし、より低い温度ではＧａの拡散定数は低下し、これによって＜１１０＞面での成長が始まる。ＭＯＣＶＤ成長ではＧａの移動長(migration length)は更に小さくなり、これが従来一般的なテーパ状ウィスカとなる理由である。
【００６９】
図２（ａ）は１０ｎｍの粒子から成長させた幅１０±２nmのウィスカのトラス(truss)についてのＴＥＭ画像を示す。ウィスカの相対的低密度性は図２（ｂ）のＳＥＭ画像によって解明される。図２（ｂ）のＳＥＭ画像は４０ｎｍのＡｕエアロゾル粒子から成長させたＧａＡｓウィスカを有するＧａＡｓ＜１１１＞Ｂ基板についてのものである。図２（ｃ）は高解像度ＴＥＭマイクログラフによる幅４０nmの単一ウィスカを示す。成長方向は、他のグループでも見られるように、最密結晶面（close-packed planes）、即ち立方晶閃亜鉛鉱型構造における１１１面に垂直な方向である。双晶化欠陥および積層欠陥も観察され、そこではウィスカが立方晶と六方晶とを交互に繰り返している。ほとんどのウィスカが不規則なウルツ鉱型構造Ｗであるが、Ａｕ触媒に最も近接した部分は例外的に閃亜鉛鉱型Ｚである。なお、ＳＦは積層欠陥、Ｔは双晶面である。中核部における画像コントラストの変化は六角形断面によるものである。
【００７０】
このような成長方法は以下に図４乃至６を参照して説明する異なる組成を有するウィスカのセグメントを有するウィスカを生成する方法に用いられる。この方法はＩｎＰセグメント含有するＩｎＡｓウィスカによって例示される。
【００７１】
例２
ナノウィスカの成長諸条件は単層数個分の厚さから数百ナノメートルまでの厚さのヘテロ構造障壁および境界のはっきりした界面の生成を可能なものとし、これにより電子がそれに沿って移動可能な１次元ランドスケイプを生成する。結晶完全性、界面品質および格子定数の変動は高解像度透過型電子顕微鏡によって検証され、０．６ｅＶの伝導帯オフセットがＩｎＰ障壁上における電子の熱励起による電流から生ずる。
【００７２】
本方法において、III−Ｖ族ウィスカは気相−液相−固相成長モードにより、金ナノ粒子触媒誘起成長で上述したように成長させる。成長は化学ビームエピタキシー（ＣＢＥ）用に設計された図３の超高真空チャンバ１００内で生ずる。組成の急速な交代は先駆物質原子の共融メルト内への供給によって制御し、これは分子ビームとして超高真空チャンバ内に供給する。異なる組成（例えばＩｎＡｓとＩｎＰ）の急速な切り替えは、インジウムソース(ＴＭＩｎ)を止めて成長を中断し、その後III族ソースを変更するというシーケンスによって得られる。最後に、インジウムソースを再び成長チャンバ内に注入することにより、成長再開の必要条件である過飽和条件を再確立する。
【００７３】
界面がはっきりしているという点について、図４はいくつかのＩｎＰヘテロ構造障壁を含むＩｎＡｓウィスカのＴＥＭ分析を示す。図４（ａ）は４００ｋＶＨＲＴＥＭ（点解像０．１６ｎｍ）によって記録された最も上の障壁の高解像度画像を示す。図４（ｂ）はＨＲＥＭの非２次パワースペクトル(nonquadratic power spectrum)であり、成長方向が立方格子の［００１］に沿っていることを示している。反射(reflections)はＩｎＡｓとＩｎＰの格子定数の差に起因する微小な裂け目を示している。図４（ｃ）は逆フーリエ変換を示し、これはＩｎＰ格子から生ずる２００反射の部分上にソフトエッジマスクを使用している。対応するマスクを反射のＩｎＡｓ部分上に置いた。２つの像は図４（ｄ）のように重ねられた。
【００７４】
図５（ａ）はＩｎＡｓ／ＩｎＰウィスカのＴＥＭ画像を示している。図５（ｂ）における５ｎｍ障壁の拡大図はヘテロ構造界面の原子的完全性およびはっきりした境界を示している。厚さ１００ｎｍのＩｎＰ障壁と並べて、ウィスカに沿って移動する電子が経ると考えられるヘテロ構造１Ｄエネルギーランドスケイプの１Ｄポワソンシミュレーション（横方向の量子化は、その寄与分が１０ｍｅＶ程度にすぎないので無視する）の結果を示している（図５（ｃ））。これは予想される０．６ｅＶの伝導帯（電子がｎ型物質内を移動する）のバンドオフセット（ｑ1/4Ｂ）を与える。この障害物競走のようなポテンシャル構造は均一なＩｎＡｓウィスカ内で電子が遭遇する状況とは極めて異なっている、後者においてはオームの法則的な性質（即ち電流（Ｉ）と電圧（Ｖ）との直線的な（リニアな）依存性）が予想され、かつ実際に観察される（図５（ｄ）内の線に示される）。このような直線的な性質は厚さ８０ｎｍのＩｎＰ障壁を含むＩｎＡｓウィスカについて測定された図示のＩ−Ｖ曲線とは非常に対照的である。ウィスカ内に電流を誘起するのに必要とされる１Ｖ以上の電圧バイアスにより、きわめて非直線的な性質が観測される。この電場により誘起された(field-induced)トンネル電流は、電子が通り抜けなければならない実効障壁が狭くなるとき、バイアス電圧の増加につれて急峻に増加する。１Ｄウィスカ内における理想的ヘテロ構造バンド図式が有効なものであるかどうかをテストするため、熱電子励起によるＩｎＰ障壁に打ち勝つ電子電流の熱依存性を測定した。その結果を図５（ｅ）に示す。ここでは電流（Ｔ２で除する）の対数をアレニウスプロット方式で温度の逆数の関数としてプロットしており、バンドベンディング効果や蒸気のトンネルプロセスを最小化するために低バイアス電圧（Ｖ）（１０ｍＶ）で測定している。実験データポイントに沿って描かれた傾斜線から、０．５７ｅＶの実効障壁高さ、ｑ1/4Ｂ、が導かれ、これはシミュレーションとよく一致する。
【００７５】
このアプローチのもう一つの利点は、１Ｄウィスカ内にヘテロ構造を実現することが、極めて不整合な(highly mismatched)物質の結合に好都合な条件となることであり、これは近傍側からウィスカ形状の開放側表面への有効な応力緩和によってもたらされる。これに対し、孤立化（islanding）またはミスフィット転移(misfit dislocation)が生ずる以前にはＩｎＡｓとＩｎＰのような異なる格子定数の物質間には原子２、３層程しかエピタキシャル成長せず、理想的なヘテロ界面は形成されない。
【００７６】
共鳴トンネルダイオードとヘテロバイポーラトランジスタ
本発明の光電子デバイスはまた、少なくともその好適な実施形態及び参考例において、III／Ｖ族ナノウィスカにおける異なる半導体物質の設計セグメントのボトムアップ組織化によって得られる機能的１Ｄ（１次元）共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を含む。このようなＲＴＤは順に、エミッタセグメント、第１障壁セグメント、量子井戸セグメント、第２障壁セグメント、コレクタセグメント、を含む。当業者には公知のように、ＲＴＤにおける各障壁セグメントは、トンネリング（通り抜け）に適した条件の時に電荷キャリアの有意な量子トンネリングが可能となる程度に十分薄くなされる。ナノウィスカ内に作製されるＲＴＤでは、ナノウィスカは中央の量子井戸が実質的に量子ドットとなるように十分薄くしてよい。具体的な例では、エミッタ、コレクタ、量子ドットはＩｎＡｓから、障壁物質はＩｎＰから形成してよい。一つの例において、山−谷比が５０：１まで達する良好な共鳴トンネル現象が見られた。
【００７７】
本発明の参考例では、半導体ナノウィスカを用いて１Ｄヘテロ構造デバイスを作製する。ウィスカは気相−液相−固相成長モードによって成長させ、上記の例１および例２においてより詳しく述べたようにＡｕエアロゾル粒子をシードとしかつ該粒子によって大きさを制御する。成長は超高真空条件下で化学ビームエピタキシーチャンバ内において行い、その際Ａｕ粒子と反応物との間の共融メルトの過飽和がウィスカ成長の推進力として作用する。
【００７８】
ウィスカへのヘテロ構造セグメントの導入は以下の切り替えシーケンス（前により詳細に説明した）によって実現される。III族のソースビームをオフにして成長を停止させ、そのすぐ後にＶ族ソースを変える。ひとたびIII族ソースをチャンバ内に再導入すれば、過飽和が再確立され、成長が続く。以下に述べる例で用いる物質系は、エミッタ、コレクタ、ドットについてはＩｎＡｓ、障壁物質としてはＩｎＰであった。エアロゾル粒子は最終的なウィスカ系が４０〜５０ｎｍとなるように選定した。活性要素として単独のナノウィスカを有する接点を設けた電子デバイスを作製するために、ウィスカを成長基板からＳｉＯ２キャップを有するシリコンウエハ上に移送した。該シリコンの上には大きなボンディングパッドが透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）グリッドマスクを介してＡｕ金属蒸着により前もって形成された。図６（ｂ）はナノワイヤデバイスの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、ナノワイヤ上に金属電極を位置決めすることにおいて１００ｎｍ以上の精度を実現しうる、電子線リソグラフィのアライメント能力を示している。図６（ｄ）は一組の単一障壁デバイスにおいてＩｎＰ障壁の厚さを８０ｎｍからゼロまで変化させたときの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。より厚いＩｎＰセグメントは電子輸送に対して理想的なトンネル障壁として作用し、障壁を有効に薄くすることによって、サンプルに大きなバイアスが加えられた場合に、この障壁を越える熱励起（測定値およそ０．６ｅＶ（２３））またはトンネリングのみが可能となる。図６Ｄより厚いＩｎＰ障壁を通り抜けて流れる電流はほとんどないことがわかる。より薄い単一障壁を含むサンプル（図２（ｃ）では量子トンネリングが可能であり、電子は厚さおよそ１０ｎｍ以下の障壁を通過することができる。極限として障壁厚さがゼロの場合には、Ｉ−Ｖ特性は少なくとも４．２Ｋまで完全に直線的となる。結晶品質を立証しかつヘテロ界面の明確さ(abruptness)を評価するために高解像度ＴＥＭ検査を実施した。図７（ａ）は、＜１１１＞ＩｎＡｓナノウィスカにおける厚さ５．５ｎｍのＩｎＰ障壁の拡大したものであり、（１１１）面がはっきりと見える。図７（ａ）の領域の積分プロファイル(integrated profile)から、界面の明確さは１〜３格子間隔分であることがわかった。より軽いバンド(lighter band)における格子フリンジ間の平均間隔は０．３４４ｎｍであり、ＩｎＰのｄ１１１＝０．３３８とよく一致する。図７（ｂ）は図７（ａ）の四角で囲んだ領域の１次元的積分プロファイル(one-dimensionally integrated profile)である。画像コントラストの格差から判断して、障壁の幅は５．５ｎｍ（１６格子間隔）であり、界面の明確さは１〜３格子間隔程度である。界面周囲の屈曲および応力コントラスト(bend and strain contrast)によりバックグラウンドはリニアではない。ＩｎＰとＩｎＡｓとの間の格子間隔の差は３．４％であり、これは格子格差の理論値（３．３％）とよく一致する。
【００７９】
ヘテロ界面は高品質の量子デバイスを作製するのに十分なほどはっきりしていることがわかったので、二重障壁共鳴トンネルデバイスの実現を期待することができる。障壁厚を５ｎｍに選定した。図８（ａ）に幅４０ｎｍのナノウィスカ内に形成されたこのような二重障壁構造のＴＥＭ画像を示す。障壁厚は厚さ１５ｎｍのＩｎＡｓ量子ドットのどちらの側でもおよそ５ｎｍである。ＴＥＭ画像の下（図８（ｂ））にこのデバイスの予想されるエネルギーバンドダイアグラムを示す。長手方向の閉じこめ（Ｚ−方向）はドットの長さによって決まり、横方向の閉じこめ（垂直方向）はウィスカの直径に依存する。このデバイスでは最下位の横方向量子化レベル(transverse quantized level)のみが占有され（５ｍｅＶのオーダーのスプリット）、示されたフェルミエネルギーが電子で満たされる最上位の占有される長手方向状態を決定する。２つのＩｎＰ障壁の間に中央量子ドットの完全に量子化されたレベルが示されており、エミッタ領域において同じシーケンスが横方向の量子化レベルについて図式的に示されているが、量子ドットの長手方向の量子化状態とＥｌｚ＝４０ｍｅＶの基底状態の近似的量子化エネルギーとの間のスプリットはより大きい（１００ｍｅＶのオーダー）。バイアスがゼロのときは電流はゼロとなるはずである。これはドットとエミッタの間のエネルギー量子化の差異により、どのエミッタの電子状態も中央ドットの状態と一致することはないからである。バイアスが増加するにつれ、ドットの状態は低エネルギー側へと移動し、最下位ドット状態がフェルミレベルと並んだときに電流が増加しはじめる（ここではフェルミレベルがエミッタ内の２つの最下位状態の間にあると仮定している）。ドット状態が第１のエミッタ状態以下に低下すると、電流は再びゼロに落ち、特徴的な負の差抵抗(negative differential resistance)となる。
【００８０】
この１Ｄ・ＤＢＲＴデバイスの電気的特性を図８（ｃ）に示す。この図はこうしたデバイスにおいて予期されるように、ほとんど理想的なＩ−Ｖ特性を示している。このＩ−Ｖ曲線はバイアスが７０ｍＶ程度より下の場合、電流がゼロであることを示しており、これは電子がエミッタからコレクタへ移動するためには２つの障壁と中央のＩｎＡｓセグメントを通り抜けなければならないというバイアス条件に対応している。バイアスが約８０ｍＶのあたりにＩ−Ｖ特性の鋭いピークが認められ、バイアスの半値幅はおよそ５ｍＶである（共鳴のエネルギーの鋭敏さ(sharpness)に換算すると約１−２ｍｅＶ）。この８０ｍＶピークの山−谷比は非常に大きく、およそ５０：１であり、検査した他のサンプルにおいても見られた。深い谷の後で電流はおよそ１００ｍＶのバイアスの間再び増加し、いくつかの未解決のショルダー形状(unresolved shoulder features)が上昇スロープに見られる。増加するバイアス電圧におけるＩ−Ｖ曲線は減少するバイアス電圧におけるものと一致していることに注目してほしい。これはデバイス特性が再現性の高いものであり、かつヒステリシス効果は無視できるものであることを示している。また、８０ｍＶは逆のバイアス極性に対しても同様に出現する。この場合ピークはほんの少し（５ｍＶ）ずれるだけであり、デバイス構造の対称性が高いことを示唆している。従って、これらの結果は、半導体ナノワイヤ内部の単一ヘテロ構造障壁の障壁特性および物質についての情報を示しており、これは障壁を越える熱励起のみが可能であるような厚い障壁と障壁を通るトンネリングが支配的な単一のバリア厚さとのギャップを橋渡しするものである。
【００８１】
このアプローチにより、高いデバイス品質を有し、エネルギーの鋭敏さ(sharpness)が１ｍｅＶ程度であり、山−谷電流比が５０：１である１次元二重障壁共鳴トンネルデバイスを作製した。
【００８２】
ここで図９を参照すると、共鳴トンネルダイオードの参考例が図示されており、このダイオードは２ミクロン離間したコレクタとエミッタの接点４２、４４の間に延在するナノウィスカ４０を有している。ウィスカの第１および第２のＩｎＡｓ部４６、４８はそれぞれ接点４２，４４と電気的に接触している。ＩｎＰの障壁部５０、５２はＩｎＡｓの中央量子ドットすなわち中央量子井戸部５４をエミッタ部およびコレクタ部から隔てている。部分５４の長さはおよそ３０ｎｍである。正確な寸法は適切な量子閉じこめを実現するように、バンドギャップ障壁高さ等に基づいて選定する。
【００８３】
このダイオードは従来のＲＴＤと同様に動作する。動作理論の説明は例えばFerryとGoldnickによるTransport in Nanostructures, CUP1999, pp94以下を参照されたい。
【００８４】
図９のＲＴＤにおいて、セグメント５０、５２は図１０に示すように広いバンドギャップの絶縁物質で置き換えてもよい。図１０は絶縁セグメントを有する参考例を示している。ゲルマニウムウィスカ１００は上述したプロセスによって成長させたものであり、シリコンの短いセグメント１０２を有している。格子不整合はウィスカの径方向外向きの膨張によって調節される。このシリコンドットを熱によって酸化しゲルマニウムウィスカ内に大きな二酸化シリコンスペーサ１０４を与える。これは極めて安定な大きなバンドギャップオフセットを有する。シリコンの代わりにアルミニウムを用いてもよい。この参考例は例えば図９の参考例におけるトンネル効果に用いることができる。
【００８５】
図９の参考例のコレクタおよびエミッタ部分との電気的接点の形成については、別の方法で行うこともできる。図９に示すように、ウィスカを大きな金属化ボンディングパッドを横切って位置決めしてもよい。あるいはまた、ナノウィスカをその位置を適切な走査方法で確かめながら基板上に配置し、その後金属化プロセスによりウィスカの端部上にボンディングパッドを形成してもよい。又別の方法としてはナノウィスカを基板から延在するままにし、そこでナノウィスカがその基部（ベース）において電気接点と接触し、その後ウィスカを樹脂またはガラス材で封入して、更に該封入の上から電極を形成してウィスカ先端との電気的接点を形成する。この後者の方法は他の電機部品や回路との一体化（集積化）に適している。
【００８６】
図１１乃至１４は本発明の参考例を開示している。この参考例はヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ヘテロバイポーラトランジスタＨＢＴ）からなる。これは異なるバンドギャップ物質が用いられている従来のバイポーラトランジスタとは異なるものである。一例としては、ウィスカ１１０はＧａＰのエミッタセグメント１１２を有してもよく、これはＰドープＳｉのベースセグメント１１４と結合され、該ベースセグメント１１４はＮドープＳｉのコレクタセグメント１１６と連結されたものであってよい。金属化電極１１８は各セグメント１１２，１１４，１１６と接触する。図１２はＨＢＴのバンドギャップダイアグラムである。エミッタのバンドギャップが相対的に広いので、ベースからエミッタへの小電流(minority current flow)は禁じられる。ベースとコレクタの間の空乏領域はドープがＰ型からＮ型に徐々に変化していることを特徴とする。また別の例ではベースおよびコレクタを化学量論的組成の３要素または４要素物質から形成してもよく、該組成は多数の格子面、たとえば１００乃至１０００の格子面を介して徐々に変化し必要とされる空乏領域場をもたらす。組成に伴うエネルギーバンドギャップの変化を、３要素の混合であるＡｌＸＧａ１−ＸＡｓについて図１３に示す。
【００８７】
図１４は様々なIII−Ｖ族物質についてバンドギャップエネルギーおよび格子パラメータの変化を示す。本発明の参考例のナノウィスカ形成方法により、広く異なった格子パラメータの分子（例えばＧａＮ／ＡｌＰ）のヘテロエピタキシャル接合が可能であり、格子不整合はウィスカの径方向膨張によって調整されることがわかる。
【００８８】
光学部品
図１５は１個の光子を射出可能な極小のＬＥＤを図式的に示している。１個の光子の射出は例えば量子写真や分子種内の個々の分子の検出用として重要である。ウィスカ１５０はヒ化インジウムから作られた内側領域１５６の両側にリン化インジウムのアノードおよびカソード外側領域１５２を有し、量子井戸を形成している。領域１５２はそれぞれ金属化領域１５８に形成されたアノードおよびカソード電気接点に接続されている。格子整合の必要性および不整合歪み解放の必要性から可能な波長が限られている平面デバイスとは異なり、本参考例の重要な点はＬＥＤの波長が全般的に可変であるところである。これは所望の射出波長を実現すべく、ダイオードを構成する物質を所望の任意の物質としてよいからである（上に説明した図１４を参照）。なぜなら格子不整合はウィスカの径方向外向きの膨張によって調整されるからである。物質は化学量論的組成としてよいので、波長を１．５ｅＶから０．３５ｅＶの範囲で連続的に変えられる。１次元構造は従来の層構造に比してかなり少ないプロセスしか必要とせず、また自己組織化プロセスにより生成され、すべての構造が電気接点の間に備わる。レーザー構造が求められる場合は、ファブリ・ペロー裂開面１５９が適度な離間距離で形成される。別の例では領域１５９が超格子からなるミラーとして形成される。当業者には公知のように、この超格子はＩｎＰ／ＩｎＡｓの交互に交代するシーケンスとして形成されてもよく、該シーケンスは格子面数個分のみで交代する。
【００８９】
ＬＥＤやレーザーその他のマイクロキャビティ構造は窒化ガリウム（ＧａＮ）で形成されることが多い。窒化物は多くの利点を有するとはいえ、特に光学的に以下のような問題がある。まず第１に窒化物は転移(dislocations)に満ちていること、第２に適切な基板がないこと（普通に用いられる基板の一つとしてサファイアがある）である。ウィスカは欠陥のない窒化物として作製することができ、基板に対する格子不整合の問題はない。図１５に示す構造を有する大きさが３００ｎｍ以下、好適には１００ｎｍオーダーの規則的なＦＰレーザーを作製することが可能である。これはボトムアップ構造であり、ＤＶＤの読みとりおよび書き込みに適している。窒化物系はウィスカ成長には極めて適している。
【００９０】
光源射出領域１５６はおよそ２０ｎｍ３ほどに小さくすることが可能である。これは点光源の極限的な例を表しており、図１６に図式的に示すように個々の生物細胞１６０を局所的に励起するために用いることができる。光源１５６は細胞１６０を励起する近接場１６２（指数的に減衰する）をもたらす。これは光源と対象との距離が波長の数分の一であるからである。これはＤＮＡ配列決定において有用であり、図に示されているように、光源１５６はガラスキャピラリーチューブ１６６の溝１６４に設置することができる。細胞はチューブに沿って流体混合物の一部として光源１５６を通過して流れる。
【００９１】
図１７はナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）に適用した本発明の参考例を示す。この例において、点光源を提供するウィスカ１５６のアレイ１７０は電源１７２から個々にアドレス可能である。該アレイはレジスト物質１７６の表面上を移動可能なキャリッジ１７４上に設置されている。キャリッジは２０ｎｍステップで移動可能で、各ステップで物質１７６を近接場光により照明すべく、各ウィスカ１５６に選択的に通電しレジスト１７６内に所望の現像可能なパターンを形成する。
【００９２】
図１８（ａ）は本発明による光電子デバイスを含むフォトディテクタを示す。例えば、ナノウィスカ１８０は金属化された接点パッド１８２の間に延在するものとしてよい。パッド１８２とウィスカ１８０の間の接触領域が小さいため、典型的には１０ＫΩ〜１００ＫΩという高い接触抵抗がある。ウィスカはＮドープリン化インジウム部分１８４とＰドープリン化インジウム部分１８６とを有し、その間にＰ−Ｎ接合部１８８がある。この接合部は境界のはっきりしたものでもよく、あるいは多くの格子面に渡るものでもよい。この構成は波長１．３ミクロン乃至１．５５ミクロンの光の検出に適している。図１４に示すように所望のどのような組成的「整合」(compositional “match”)を用いてもよく、従って物質を変えて、１．５５ミクロン以下のいかなる波長を検出するようにもすることができる。別の例として、ＰＩＮまたはショットキーダイオード構造を用いてもよい。図１８（ｂ）に示すように、ＰＩＮ構造は２つの半導体部分１８４および１８６の間に真性半導体物質セグメント１８８を有している。ウィスカは図１０に関連して説明したもののように構成される。ショットキーダイオード構造は、図１８（ｃ）に示すように、金属化接点として形成されたベース部分１８９を有し、そこからウィスカが延在する。接点とウィスカとの間の界面がショットキーダイオードを構成する。放射検出の周波数の下限は、電磁スペクトルのテラヘルツ領域にある。
【００９３】
図１９（ａ）は図１８の本発明の光電子デバイスを含むフォトディテクタ構造の太陽電池への応用を示す。それぞれＰドープ部とＮドープ部１９１、１９２を有する数百万のウィスカ１９０がドープ（Ｐ＋）された基板１９３上に形成される。ウィスカは基板１９３上に例えばエアロゾルによって付着された金またはその他のナノ粒子を用いた成長過程により形成される。ウィスカはプラスチック１９４に封入してもよく、またその上面にウィスカの自由端と接触しウィスカの長さに沿って電流が流れることを許容する透明な酸化スズ電極１９６を有してもよい。各ウィスカの信頼度は１００％なので、この構造は光の捕獲に非常に適している。全体的な効率は３５％〜５０％の間であり、マルチバンドギャップ太陽電池における使用に適している。これに対し、３００℃で成長させたアモルファスシリコンの効率は約１０％である。結晶シリコンの効率は約１５％であり、また４００℃で成長させた宇宙空間で用いる特別用途のIII−V属太陽電池の効率は２５％までである。宇宙空間で用いるためのグレッツェル太陽電池はソーラーパネルに適当な染料と共に塗布された二酸化チタンナノ粒子を有しており、このような電池の効率は約８％までである。
【００９４】
図１９（ｂ）に示す変形例においては、太陽電池アレイの各ウィスカを１９７で示すようにその長さに沿って異なる物質１９８の異なるセグメントを有するように変形している。これらの物質はＰ−Ｎ接合が異なる波長の光を吸収するように選定している。ウィスカ長さ方向でウィスカの特定の波長に対する感度が最も高くなる点は、太陽電池の正確な構造および該構造内における反射や屈折などの要因によって決まる。
【００９５】
図１９（ａ）、１９（ｂ）の参考例は成長条件が安価であり、かつまた高価な物質をほとんど必要としないので安価である。別の構成ではウィスカをシリコン（最も安価）またはゲルマニウムにすることもできる。ウィスカの長さは１乃至２ミクロンである。ＰＮ接合はウィスカ長さの一部にドープすることによって、あるいは図１８（ｃ）に示すようにウィスカのベース部にショットキー障壁を形成することによって実現する。
【００９６】
図２０に示す参考例は、超長波長（例えばテラヘルツ周波数）の赤外放射源である。リン化インジウムのナノウィスカ２００はリン化インジウムのスペーサストライプ２０４によって分離された非常に薄い一連のヒ化インジウムのストライプ２０２を有している。このストライプは上に説明したプロセスによって成長させる。各ストライプ２０２、２０４の幅は格子面数個分であり、ストライプによって超格子２０６が形成される。電極接点２０８を通じて電圧を加えることにより、電子は超格子を移動する。超格子は一連の量子井戸バンドギャップ（ポテンシャル井戸）を形成し、これがブロッホの定理により許容される領域の電子波数または運動量ｋの伝導帯を与え、これらの許容される領域がテラヘルツ周波数に対応することによってテラヘルツ放射を生成する。
【００９７】
図２１（ａ）−２１（ｄ）はフォトニック結晶としての本発明の参考例を示す。フォトニック結晶はよく知られており、例えば同時係属中のＷＯ０１／７７７２６を参照されたい。概して従来のフォトニック結晶形成方法は基板内に所定の格子パターンでエアホールをエッチングする工程を含んでいる。本参考例の構想は基板上に結晶格子パターンを規定するためにパターニング技術を用いるというものであるが、ホールをエッチングするのではなく、ナノウィスカを成長させて結晶を規定する。この技術には多くの有利な点がある。なぜならエッチング技術がウィスカを成長させるボトムアップ技術に比べて信頼性が低いからである（エッチングは基板表面を損傷する）。従ってウィスカ技術の方がより高精度、高品質かつ簡単であり、また、必要とする工程数が少ないので経済的である。
【００９８】
図２１（ａ）を参照すると、基板２１０は距離３００ｎｍで離間する約３００ｎｍ２の金の正方形パッチ２１２の三角形格子パターンを有している。該パッチは電子ビームリソグラフィまたはＵＶリソグラフィまたはナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）工程により形成されたものである。基板は金をデポジットする前に、酸化物汚染のない清浄な基板としてはじめに用意しておく。基板を加熱して金の四角片を溶融し、図２１（ｂ）に示すように直径１００ｎｍ程度のボール２１４を形成し、その後アニールする。そして例１で説明したプロセスにより約１００ｎｍの幅でウィスカ２１６を成長させて図２１（ｃ）に示すフォトニック結晶を形成する。
【００９９】
本発明の参考例によれば、ウィスカ形成により３次元フォトニック結晶を規定することが可能である。これは図２１（ｄ）に示すように、異なる物質のセグメント２１７、２１８のシーケンス、例えばＩｎＡｓ／ＧａＡｓなどのIII−Ｖ族物質やＧｅ／ＳｉなどのIV属物質を交互に交代するシーケンスにより例２の方法に従って個々のウィスカを形成し、各ウィスカに沿って間隔をおいた適切な屈折率を有するセグメントを設けてフォトニックバンドギャップを形成することによって実行することができる。
【０１００】
III−Ｖ族物質の単結晶層
図２２（ａ）〜２２（ｇ）は本発明の参考例として、光電子デバイスの基板上に所望の物質のエピタキシャル層を成長させるための構造及び方法を示す。図２２（ａ）および２２（ｂ）に示すように、シリコンまたはゲルマニウムのヒ化物基板２２０を金またはインジウムまたはガリウムの四角片２２２の上面上に形成する。これらの四角片はＮＩＬ工程のスタンプ２２３により、または例１に説明したようにして基板上に配置する。たとえば二酸化シリコンまたは窒化シリコンの数ナノメートル幅の誘電体物質であるエピタキシャルマスクデポジット２２４を基板２２０上の四角片２２２の周りに形成する。熱を加えて図２２（ｃ）に示すように四角片をボール２２６にアニールし、図２２（ｄ）に示すように例えばＩｎＰまたはＧａＡｓのウィスカ２２８を成長させる。別の例では、デポジット２２４として炭素ベースの物質を用いる（炭素ベースの物質は誘電体物質が脱着されボールがアニールによって形成されたときに粒子を安定させる）。ボールはバルク成長即ち所望物質の層のためのシードオープニング(seed openings)として用いられる。誘電体層は基板と結晶層間の格子不整合効果および原子結合を防止する。図２２（ｅ）に示すように、ウィスカはＩｎＰまたはＧａＡｓのバルク層２２９と共に成長する。ウィスカから層へと成長条件が徐々に変化する。このようにして、欠陥を形成しないウィスカ上の核生成(nucleation)がもたらされる。小さな核生成ステップが存在し、歪み効果は転移を起こさないように思われる。物質がIII−Ｖ族物質である場合の重要な利点は、ミスフィット転移を起こすことなく基板上に格子不整合層を形成する点である。
【０１０１】
図２２（ｆ）に示す参考変形例においては、金ボール２２６を例１の方法によってエアロゾルから基板上にデポジットする。エピタキシャルマスクデポジット２２４をボールの上から形成する。その後図２２（ｄ）のようにウィスカを成長させる。
【０１０２】
本発明の参考例による更なる開発により、ウィスカは＜１１１＞Ｂ方向に優先的に成長する傾向があることがわかった。これはヒ素原子がピラミッドの頂点に位置しガリウムイオンがピラミッドの基部に位置するヒ化ガリウム（閃亜鉛鉱型格子）のためである（図２３（ａ）を参照）。本発明の実施形態を図２３（ｂ）に示す。この実施形態ではシリコン基板２３０は＜１１１＞面が露出するようにエッチングされた顕微鏡的寸法のＶ溝２３２を有するセレーション面を有している。金粒子２３４はＶ溝の表面にデポジットされる。図２３（ｃ）において破線で示すＧａＡｓウィスカ２３６は例１に従って成長させたものであり、セレーションの壁面に垂直に延びる。これらウィスカはＧａＡｓ層２３８のバルク成長の核生成点を提供する。ウィスカから層へと成長条件は徐々に変化する。こうして欠陥を形成することなくヒ化ガリウムの核生成が生ずる。転移を生じさせるいかなる小さな核生成ステップや歪み効果も起こらない。基板に対して角度を持った＜１１１＞方向のウィスカ方向は、ある方向へのエピタキシャル成長を強いるものであり、これまで問題であった反対位相ドメイン(antiphase domain)の問題を排除する。従って、これによりIII−Ｖ族化合物をシリコン（または他のIＶ族）基板上に一体化する方法を提供し、これはまた既存の方法よりも安価である（例えばＰＣＴ公開特許出願ＷＯ０２／０１６４８を参照）。            
【０１０３】
図１９に示す太陽電池に対する応用においてＶ溝基板は更なる利点を有する。即ち、セレーションを設けた基板は入射光の複数の反射を生じさせ、それにより格子捕獲の可能性を増加させる。
【０１０４】
図２４はウィスカの配向を制御するための好適な実施形態を示している。すでに述べたように通常はIII−Ｖ族化合物のウィスカは＜１１１＞Ｂ方向に成長する。ここで問題となるのはそのようなウィスカは多かれ少なかれ、六方（ウルツ鉱型）（図２４（ａ））構造と立方（閃亜鉛鉱型）（図２３（ａ））構造の間で変化することである。これにより多くの積層欠陥が生ずる。積層欠陥は特に光学的特性に関して常に問題であり、また電気的特性に関しても問題である。生成中にウィスカに歪みを与えることにより、そして成長条件を変えることにより、ウィスカの成長方向を＜１００＞方向に変えることができ、これによって積層欠陥を持たない立方格子構造（閃亜鉛鉱型）を得ることができる。
【０１０５】
図２４（ｂ）において、＜１００＞面を有するシリコン基板２４０はその上に成長させた、例えばＩｎＰからなるウィスカ２４２を有する。ウィスカは２４４のように＜１１１＞方向に成長しはじめるが、初期成長のすぐ後に成長速度とＣＢＥ装置内の温度および圧力を増加させて条件を変更することにより、２４６のように＜１００＞方向に継続して成長する。方向が変わる点２４８は＜１１０＞面(facet)である。この移行においてウィスカはエピタキシャル結晶性を維持する。セグメント２４６における結晶構造は六方稠密であり、これにより積層欠陥の問題を少なからず低減する。
【０１０６】
他の成長方法では、点２４８において例えばＩｎＡｓなどの広バンドギャップ物質の短い障壁セグメントを成長させる。これはウィスカの後続方向を変更することと同様の効果をもたらす。
【０１０７】
従って、この参考例は六方格子として成長する性向を持ち積層欠陥を生じやすいＧａＮなどの窒化物の成長に特に適している。窒化物結晶を「強制的に」立方形に成長させることにより積層欠陥が低減される。更に、例２に従って作製された、ウィスカに沿った異なる物質のセグメントを有する構造においては、窒化ガリウムレーザー用のマイクロキャビティ構造を作り出すことができる。窒化物系はウィスカ成長に極めて適している。窒化物の問題点は、転移に満ちていること、および適切な基板がないこと、である。ウィスカを欠陥のない窒化物で作ることができ、格子整合の問題は存在しない。１００ｎｍオーダーの規則的なＦＰレーザーを長さ３００ｎｍ以下のナノウィスカ内に作製することが可能である。これはボトムアップ構造であり、ＤＶＤの読みとりおよび書き込みに適している。
【０１０８】
続いて図２５の参考例について説明する。この参考例は電界放出端部(field emission tip)即ちＳｐｉｎｄｔ型カソードに関するものである。これは電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）に使用することができ、このようなディスプレイを製造する多くの方法が提案されている。図２５（ａ）に示す一従来技術の構成は、表面２５２を有するシリコン基板２５０を有し、該基板はレーザーアブレイションなどによってパターニングされ、微細なナノメートルサイズの先端部(tips)２５３を形成している。該先端部に隣接して蛍光スクリーン２５４が配置され、先端部とスクリーンとの間の電圧により先端部に極めて強い電界が生ずる。これによりスクリーンに電流が流れ、スクリーンから可視光が放射される。
【０１０９】
図２５（ｂ）に示す本発明の参考例は、ＦＥＤからなり、ディスプレイの各要素に個々にアドレス可能である。エッチングされた接触金属化領域２５６をシリコン基板上に形成する。金シード粒子２５８を例１の方法に従って各金属化領域に配置する。金粒子はＳｉウィスカ２５９成長時のウィスカ成長のシードとして用いられ、各ウィスカはそれぞれの金属化領域から伸延する。一つのディスプレイ要素を形成する図示のような単独のウィスカまたは一群のナノウィスカが、各金属化領域から伸延してもよい。個々にアドレス可能であることに加えて、本参考例のもう一つの利点は、例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）などの従来技術の方法とは異なり、ＦＥＤの信頼性が１００％であることである。
【０１１０】
図２６は赤外線を可視光にアップコンバートするための参考例を示している。波長１．５５乃至２．５μｍの赤外線放射画像２６０がヒ化ガリウム基板２６２のベース面を照らしている。該基板は比較的大きなバンドギャップを有する物質であり、この放射とは相互作用しない。基板の他方の面は例１で説明したように成長させたヒ化インジウムのウィスカ突起２６４を有しており、そのバンドギャップは比較的小さく、該放射の光子の吸収が生ずる。しかし図２５の例とは異なり、ウィスカ２６４に個々にアドレス可能ではない。ウィスカ端部と近接する蛍光面２６６との間に約２０〜５０ボルトの電圧が印加され、ヒ化インジウムウィスカから電子が発生する。ヒ化インジウムは３ミクロンに相当するバンドギャップを有し、従って３ミクロンより短い放射に応じて電子を生成する。代わりにリン化ガリウムを用いてもよいが、この場合可視光相当のバンドギャップとなる。放出された電子は蛍光を引き起こし、蛍光スクリーンから可視光２６８が放射され、可視光波長にアップコンバートされた形態の画像となる。印加電圧は雪崩効果を誘起する程度まで高めてもよい。
【０１１１】
図２７は本発明の参考例を示す。該参考例では長さ４００ｎｍのＧａＡｓウィスカ２７０（例１に従って作製される）がシリコン基板２７４上の金属化接触領域２７２から延在する。その大きさは１．５５ミクロン放射の１／４であり、従ってウィスカは１．５５ミクロン放射に対するλ／４共振アンテナを提供する。接触領域２７２は基底面(ground plane)を提供する。アンテナは放射２７６を自由空間において受信するように配置してもよいし、あるいは第３の光学窓において放射を検知するためのシリカファイバリンク２７８の端部に隣接して配置してもよい。
【０１１２】
図２８はスピントロニクスの分野で用いる本発明の参考例を示す。スピントロニクスは電子デバイスの特性が該デバイスを介しての電子スピンの搬送に依存する技術分野である（例えば、Scientific American June 2002 pp 52-59, “Spintronics”, David D. Awschalom et al.を参照）。図２８において、例１のプロセスにより形成されたヒ化マンガンガリウム(manganese gallium arsenide)（半磁性(semi-magnetic)）またはヒ化マンガン（強磁性）のような磁性または半磁性物質からなるウィスカ２８０をＳｉ基板上に形成する。印加電圧Ｖの下で、スピン偏極電子２８３がウィスカの先端から放出され、これにより基板２８６上におかれた電気接点２８４との電気的接触をもたらす。スピン偏極電子２８３は基板２８６上に配設された磁気記憶装置２８８の読みとり・書き込みに用いる。
【０１１３】
この参考例を更に発展させることにより、一つの問題が解決される。即ち強磁性において、普通強磁性領域の幅におよそ１０〜１５ｎｍという下限があり、それより下では強磁性は超常磁性に変化する。しかし例１の方法によりナノウィスカ内に取り入れると、領域径を低減することができる。これは１次元系において対称的整列の可能性が低減するためであり、これは物質のイオンが２以上の方向を向くことを更に難しくする。ウィスカ物質は鉄、コバルト、マンガンまたはそれらの合金としてよい。
【０１１４】
図２９はまた別の参考例を示す。この参考例は例えば眼の網膜などの神経機能の修復のために神経内に移植する電極アレイを有する基板を有している。電極は個々にアドレス可能である。エッチングされた接触金属化領域３５０をシリコン基板３５２上に形成する。金シード粒子３５４を上に述べた方法で各金属化領域に配置する。金粒子はＳｉウィスカ３５８成長時のウィスカ成長のシードとして用いられ、各ウィスカはそれぞれの金属化領域から伸延する。一つの電極要素を形成する図示のような単独のウィスカまたは一群のナノウィスカが、各金属化領域から伸延してもよい。個々にアドレス可能であることに加えて、本参考例のもう一つの利点は、電極の信頼性が１００％であることである。
【０１１５】
図３０はまた別の参考例を示す。この参考例は上に述べた方法で生成されたナノウィスカ３６０を有する。ウィスカはシリコンで形成され、一端３６２に金粒子メルトを有する。ウィスカの生成後、ウィスカを適切な温度で大気にさらしシリコンを酸化させる。これにより、ウィスカを包囲しその長さに沿って延在するシリコンダイオードの外殻３６４が形成される。金粒子メルト３６２は未酸化状態を維持する。従って、これは図２９に示す電極アセンブリに極めて適した構造を提供し、電極は非常に正確な電気的特性を有する。シリコン物質は酸化可能な他の物質と置き換えてもよい。
【０１１６】
別の例では、ウィスカ３６０を適切な物質の雰囲気にさらし、酸化層３６４に代わってバンドギャップの広い物質を形成してもよい。
【０１１７】
図３１はシリコンベース部材３７０を有する本発明のまた別の参考例を示す。このベース部材は板状の基板あるいは単なるバーであってもよい。いずれにしても、バーあるいは基板の一つの端面上にナノウィスカ３７２が一列に形成される。ナノウィスカは等間隔で離間し、空間に突出する。ナノウィスカ上に或る分子構造を吸収するコーティングを設けてもよい。いずれにしても、このカンチレバービーム（片持ち梁）構造を分子種の測定などのためのカンチレバー構造など公知の用途に用いることができる。
【０１１８】
図３２は分子検知装置からなる本発明のまた別の参考例を示す。例えば窒化シリコンの基板３８０は、その上に形成された絶縁層３８２を有する。該絶縁層は例えば金の導電表面３８４を有している。開口３８６を層３８２，３８２内に形成し、ナノウィスカ３８８を該開口内に形成する。
【０１１９】
これは本質的に自己組織化プロセスとして行われる。なぜなら、開口が絶縁層３８２に形成されかつ金の層３８４がその後デポジット（堆積）されるからである。従って、金は結果として３８９で示すように開口の底にデポジットし、加熱することにより、ナノウィスカを適切な条件下で生成することを可能とする金粒子メルトを形成する。金粒子メルト３８９は完成したナノウィスカの頂部に位置する。ナノウィスカの高さは、粒子メルト３８９が少なくともほぼ金表面層３８４と同一平面となるような高さである。
【０１２０】
ナノウィスカは本来的に弾性を有するので、その長さ方向を横断する横方向の固有振動数を有する。粒子メルト３８９の振動を、導電層３８４に生ずる電圧または電流信号によって検出することができる。これは即ちナノウィスカ３８８の振動周波数を検出する手段を与える。
【０１２１】
電圧を印加することによって導電物質を適切に励起することにより、ウィスカを例えばギガヘルツ帯の或る固有振動数で開口内で機械的に振動させることができる。これは、寸法および電流が小さいことに鑑みて、一つの振動周期の間に単一の電子が導電物質の一方の側から他方の側へとシード粒子メルトを介して搬送されるからである。これは電流基準生成器(current standard generator)を形成し、導電物質を流れる電流Ｉは振動の周波数ｆと電子の電荷ｅとの積に等しい、すなわちＩ＝ｆ・ｅとなる。これにより、しかるべき状況で利用することのできる既知の基準信号が発生される。
【０１２２】
また、粒子メルト３８９をレセプタ物質でコーティングして、粒子メルト３８９の表面に或る分子種を吸着するようにしてもよい。これにより、ナノウィスカの固有振動数が変化する。この振動数の変化を検知することにより、メルト３８９の表面に吸着された分子種の質量を計算する手段を得ることもできる。
【０１２３】
図３３はシリコンの可撓なビーム（梁）３９４の端部に形成されたＩｎＰナノウィスカ３９２を有する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を示す。ビーム３９４は基板またはバーをエッチングすることにより形成する。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明に使用されるナノウィスカを形成するための参考となる製造手法を図式的に説明する図であって、（ａ）は、選択された大きさのＡｕエアロゾル粒子のＧａＡｓ基板への付着を示す。（ｂ）は、ナノウィスカを位置決めするための粒子のＡＦＭ操作を示す。（ｃ）は、ＡｕおよびＧａの共融メルトを表面から作り出す合金過程を示す。（ｄ）は、ＧａＡｓウィスカの成長を示す。
【図２】（ａ）は、１０ｎｍのＡｕエアロゾル粒子から成長させたＧａＡｓナノウィスカのＴＥＭ顕微鏡写真である。（ｂ）は、４０ｎｍＡｕエアロゾル粒子からＧａＡｓウィスカを成長させたＧａＡｓ＜１１１＞Ｂ基板のＳＥＭ顕微鏡写真である。（ｃ）は、Ａｕクラスターから成長させたＧａＡｓウィスカ高解像度電子顕微鏡画像（４００ｋＶ）である。挿入部はウィスカを一部拡大して示す。
【図３】本発明の参考例の方法を実施する装置を図式的に示す図である。
【図４】本発明の参考例によるいくつかのＩｎＰヘテロ構造を含むＩｎＡｓナノウィスカの、逆格子空間分析を用いた組成プロファイルを示す図であり、（ａ）は、径が４０ｎｍのウィスカの高解像度ＴＥＭ画像である。（ｂ）は、（ａ）の画像のパワースペクトルである。（ｃ）は、ＩｎＰ部分に最も近い分離２００反射(split 200 reflection)の情報を用いた逆フーリエ変換である。（ｄ）は、２００反射のＩｎＰおよびＩｎＡｓ部分上にそれぞれ同一のマスクを用いた重ね合わせ画像である。
【図５】ＩｎＡｓナノウィスカ内のＩｎＰヘテロ構造分析を示す図であり、（ａ）は、径が４０ｎｍのＩｎＡｓナノウィスカ内のＩｎＰ障壁（１００、２５、８、１．５ｎｍ）のＴＥＭ画像である。（ｂ）は、結晶完全性およびナノ層レベルでの境界の明確さを示す８ｎｍ障壁領域の拡大図である。（ｃ）は、ＩｎＡｓへの（左側の）理想的なオーム接点部を含むＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ構造のシミュレーションによるバンド構造図である。（ｄ）は、均一なＩｎＡｓウィスカのオームの法則的なＩ−Ｖ依存性を示しており、８０ｎｍのＩｎＰ障壁を含むＩｎＡｓウィスカにおいて見られる極めて非直線的なＩ−Ｖ特性と対照的である。（ｅ）は、障壁高さ０．５７ｅＶのＩｎＰ障壁（バイアス１０ｍＶ）を通じての熱電子励起電子測定のアレニウスプロットを示す。
【図６】本発明の一参考例で使用される共鳴トンネルダイオードの参考例において用いられる様々な厚さの単一障壁についての搬送メカニズムの評価を示す図であり、（ａ）は、成長基板上のウィスカのＳＥＭ画像である（スケールバーは１μｍを表す）。（ｂ）は、２つの合金オーム接点に接触しているＩｎＡｓ／ＩｎＰナノウィスカを示す（スケールバーは２μｍを表す）。（ｃ）は、ウィスカの長軸に垂直な８ｎｍのＩｎＰセグメントを有するＩｎＡｓウィスカのＴＥＭ画像である。（ｄ）は、３つの異なる障壁状態について電流−電圧特性を示す図である。
【図７】（ａ）は、＜１１１＞方向に成長し、２つのＩｎＰ障壁を有する本発明の参考例を構成するためのＩｎＡｓウィスカの高解像度ＴＥＭ画像である（スケールバーは８μｍを表す）。（ｂ）は、（ａ）において四角で囲った領域の積分プロファイルであり、画像コントラストから判断して障壁の幅は約５．５ｎｍ（１６格子間隔）、界面のシャープさは１乃至３格子間隔程度である。
【図８】（ａ）は、本発明の一参考例で使用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の参考例におけるウィスカの上端部のＴＥＭ画像であり、二重の障壁がはっきりと見て取れ、この場合の障壁厚さは約５ｎｍである（スケールバーは３０μｍを表す）。（ｂ）は、本発明の一参考例で使用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の参考例において研究対象としたデバイスについてエネルギーバンドダイアグラムの原理を示す図であり、エミッタ領域での特性電子状態(characteristic electronic states)が示されている（左側）。（ｃ）は、本発明の一参考例で使用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の参考例において、（ａ）および（ｂ）に示したものと同一の装置の電流−電圧データを示すものであり、基底状態Ｅｌｚへの共鳴トンネリング(resonant tunneling)を反映する電圧幅約５ｍＶの鋭いピーク特性が明らかにされている。この幅は遷移のエネルギー幅約２ｍｅＶに相当し、電子がそこからトンネリングするエミッタの陰影付けされた(shaded)エネルギーバンド幅に対応している。デバイス特性が挿入図に示され、この挿入図は増加する電圧と減少する電圧に対する共鳴ピークを拡大して示している。
【図９】本発明の一参考例で使用される共鳴トンネルダイオードの参考例を図式的に示す図である。
【図１０】バンドギャップの大きい絶縁セグメントを有する本発明の参考例を図式的に示す図である。
【図１１】ヘテロバイポーラトランジスタ（HBT）からなる本発明の別の参考例を示す図である。
【図１２】HBT構造と関連するHBTのバンドギャップを示すグラフである。
【図１３】３元化合物の組成変化に伴うバンドギャップ変化を示すグラフである。
【図１４】（ａ），（ｂ）は、様々な半導体化合物の格子寸法に対するバンドギャップを示すグラフである。
【図１５】発光ダイオードおよびレーザーからなる本発明の参考例を図式的に示す図である。
【図１６】所望の種類の分子の個々の検知にレーザーを用いた本発明の別の参考例を図式的に示す図である。
【図１７】ＮＩＬプロセスにおいてフォトレジストのパターニングにレーザーアレイを用いた本発明の別の参考例を図式的に示す図である。
【図１８】（ａ）は、光電子デバイスを含むフォトディテクタからなる本発明の参考例を図式的に示す図である。（ｂ），（ｃ）は、（ａ）の参考例の変型例を示す図である。
【図１９】（ａ）は、光電子デバイスを含む太陽電池からなる本発明の別の参考例を図式的に示す図である。（ｂ）は、（ａ）の参考例の変型例を示す図である。
【図２０】テラヘルツ放射の放射源からなる本発明の参考例を図式的に示す図である。
【図２１】（ａ）〜（ｃ）は、フォトニック結晶からなる本発明の参考例を図式的に説明する図である。（ｄ）は、３Ｄフォトニック結晶を形成するための上記参考例の変形例をしめす図である。
【図２２】（ａ）〜（ｇ）は、光電子デバイスの基板にエピタキシャル物質層（格子は互いに整合していない）を形成するための本発明の別の参考例を図式的に示す図である。
【図２３】（ａ）は、基板を有するエピタキシャル物質層（格子は互いに整合していない）を形成するための本発明の実施形態を図式的に示す図である。（ｂ），（ｃ）は、同実施形態を図式的に示す図である。
【図２４】（ａ），（ｂ）は、通常の＜１１１＞方向とは異なる＜１００＞方向に延びるウィスカを形成するための本発明の別の実施形態を図式的に示す図である。
【図２５】（ａ），（ｂ）は、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）からなる本発明の別の参考例を図式的に示す図であり、ディスプレイの個々の要素は個別にアドレス可能なナノウィスカである。
【図２６】赤外域の像を可視光域にアップコンバートする構成からなる本発明の参考例を図式的に示す図である。
【図２７】赤外放射用のアンテナからなる本発明の参考例を図式的に示す図である。
【図２８】スピントロニクスに応用した強磁性ウィスカからなる別の構成を図式的に示す図である。
【図２９】神経にインプラントされる選択的にアドレス可能な電極アレイからなる本発明の参考例を図式的に示す図である。
【図３０】その長さに沿って酸化された外表面を有するナノウィスカからなる本発明の別の参考例を図式的に示す図である。
【図３１】基板から直立しカンチレバーを構成するナノウィスカ列からなる本発明の参考例を図式的に示す図である。
【図３２】振動するようになされ重量と周波数の正確な測定を可能とするナノウィスカからなる本発明の参考例を図式的に示す図である。
【図３３】走査型トンネル顕微鏡の探針からなる本発明の参考例を図式的に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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