(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＳｉとＧｅを溶融する触媒金属元素から成るナノサイズの触媒金属微粒子を担持し、この触媒金属微粒子が液体微粒子となる温度において、この液体微粒子の周囲の空間からＳｉの原料ガスとＳｉ原料ガス及びＧｅ原料ガスの混合原料ガスとを交互に供給し、上記基板上に、Ｓｉ結晶と、ＳｉとＧｅの混晶とが交互に成長した超格子ナノ細線を成長し、この超格子ナノ細線を熱酸化することにより、ＳｉＯ２とＧｅＯ２とから成る絶縁物ナノ細線中に、ＳｉとＧｅの混晶から成るナノディスク又はナノドットを周期的に配列したナノ細線を作製することを特徴とする、ＩＶ族半導体ナノ細線の製造方法。
【請求項２】
基板上に、ＳｉとＧｅを溶融する触媒金属元素から成るナノサイズの触媒金属微粒子を複数担持し、これらの触媒金属微粒子が液体微粒子となる温度において、これらの複数の触媒金属微粒子の周囲の空間からＳｉの原料ガスとＳｉ原料ガス及びＧｅ原料ガスの混合原料ガスとを交互に供給し、上記基板上に、Ｓｉ結晶と、ＳｉとＧｅの混晶とが交互に成長した超格子ナノ細線を複数成長し、これらの超格子ナノ細線を熱酸化することにより、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットを３次元的に周期的に配置することを特徴とする、ＩＶ族半導体ナノ細線の製造方法。
【請求項３】
請求項２の方法で作製した、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットが３次元的に周期的に配置された材料を発光材料としたことを特徴とする、発光材料。
【請求項４】
請求項１または２の方法で作製した、ナノ細線又はナノ細線の集合体を用いたことを特徴とする、半導体電子・光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ナノ細線の生成方法の１つである気相−液相−固相（Vapor-Liquid-Solid: VLS）成長法および酸化濃縮法を利用したナノメートル（ｎｍ）スケールでサイズ制御するＩＶ族半導体ナノ細線の製造方法に関する。本方法は、将来の半導体電子・光素子としての応用が期待されているＩＶ族半導体ナノ細線の構造制御方法として利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
近年、将来の半導体電子・光素子として、径がナノメーター・サイズのナノ細線、異なる物質を周期的に配列した超格子構造のナノ細線、あるいは、絶縁物ナノ細線中にナノ微粒子（ナノドット、ナノディスク）を周期的に配列したナノ細線が注目されている。その主な理由は、例えば、ＩＶ族半導体ナノ細線を囲んでソース、ドレイン及びゲートを設けたサラウンディングゲートトランジスタ（Surrounding Gate Transistor : SGT）は、ナノ細線の一次元量子効果により、超高速の動作速度が実現できるためである。また。Ｓｉ（シリコン）はバルク状態では、間接遷移型半導体であるため発光素子としては使用できないが、数ｎｍ径のナノ細線やナノ微粒子になると、量子サイズ効果により発光するようになるためである。
【０００３】
また、ＳｉやＧｅを周期的に配列した超格子構造のナノ細線は、将来の半導体光素子として注目されている。例えば、これらの周期構造は、電子・正孔対の閉じ込め効果を強くし、発光効率を高めるためである。
【０００４】
さらに、絶縁物ナノ細線中にナノ微粒子を周期的に配列したナノ細線が将来の半導体光素子として注目されている。例えば、これらのナノ微粒子のサイズを制御できれば、高効率、且つ波長選択性の高い発光素子が得られるからである。
【０００５】
半導体ナノ細線をいかに構造制御性良く生成することができるかが近年のこの技術分野の課題であるが、サイズがナノメーター・スケールであるため、従来の半導体加工技術である、単結晶基板を削って形成するトップダウン手法は困難であり、ナノ構造を構成する物質を成長する際にナノメーター・スケールで成長させるボトムアップ成長法が有力である。半導体ナノ細線のボトムアップ成長に関しては、金属ナノドットを成長触媒として利用したＶＬＳ成長法（非特許文献１参照）による生成が主流となっている。次に、ＶＬＳ成長法のメカニズムを説明する。
【０００６】
図４は、ＶＬＳ成長法のメカニズムを説明する図である。図４（ａ）に示すように、基板５１上に、ナノメーター・サイズの触媒金属微粒子５２を堆積し、触媒金属微粒子５２が液体微粒子となる温度において、触媒金属微粒子５２を取り囲む周囲の空間から、成長しようとするナノ細線の原料ガス５３を供給すると、原料ガス５３中の原料原子が触媒金属微粒子５２に過飽和に溶け込み、過飽和に溶け込んだ原料原子が液体微粒子５２中に結晶核を形成し、（ｂ）に示すように、この結晶核上に原料原子からなるナノ細線５４が基板５１に垂直に成長する。
【０００７】
ＶＬＳ成長法を用いて、例えば、Ｓｉ及びＧｅナノ細線が成長できることが報告されており（非特許文献２，３参照）、また、ＳｉとＧｅの超格子構造を有するナノ細線が成長できることが報告されている（非特許文献４参照）。
【０００８】
ところで、従来の半導体ナノ細線の成長方法とは関係がないが、Ｇｅに比べてＳｉが優先的に酸化されることを利用してＧｅ層を形成する酸化濃縮という現象が知られている。この現象はＳｉの移動度が極めて高い、ストレインＳｉ膜（Strained Si）の製造に用いられた（非特許文献５参照）。
【０００９】
次に、酸化濃縮現象を説明する。
【００１０】
図５は、酸化濃縮現象法を説明する図である。図５（ａ）に示すように、Ｓｉ基板６１上にＳｉＯ２（二酸化珪素）膜６２を形成し、ＳｉＯ２膜６２上にＳｉとＧｅの混晶膜６３（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ、ｘ：組成比）を堆積し、（ｂ）に示すように、酸素雰囲気中で所定の温度で熱酸化すると、混晶膜６３中のＳｉとＧｅが酸化されて、ＳｉＯ２とＧｅＯ２とから成る絶縁膜６４が表面から形成されるが、ＳｉがＧｅに較べて優先的に酸化され、また、ＧｅのＳｉＯ２中における固溶度及び拡散定数が極めて小さいために、絶縁膜６４の部分に存在していた混晶膜６３のＧｅの一部は絶縁膜６４の下側の混晶膜６３に濃縮され、Ｇｅの組成比が大きい混晶膜６３’が形成される。さらに酸化を進めると最終的に、図５（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２とＧｅＯ２とから成る絶縁膜６４がＳｉＯ２膜６４’となると共に、混晶膜６３’はＧｅ結晶膜６３”となる。
【００１１】
ところで、上記に説明した、将来の応用が期待されるＩＶ族半導体ナノ細線を用いた半導体電子・光素子の構造を実現するためには、上述したＶＬＳ成長法だけでは不十分で、以下に説明する解決すべき課題がある。
（１）ＳｉＯ２膜は、高温・多湿中でもその構造が安定であるため、Ｓｉナノ細線の場合は、熱酸化してＳｉナノ細線の表面をＳｉＯ２膜で被覆することにより、耐環境性の良い素子とすることができるが、Ｇｅ細線の場合には、熱酸化して形成されるＧｅＯ２膜が著しく高温・多湿の中で不安定であるため、耐環境性の良い素子とすることができない。従って、従来方法だけでは、Ｇｅナノ細線を実用に耐え得る耐環境性を有したＧｅナノ細線とすることができない。
（２）また、ナノ細線の一次元量子効果は、ナノ細線の径によって大きく変化するので、径を精密に制御する必要がある。ＶＬＳ成長法で形成するＳｉやＧｅのナノ細線は、液体触媒微粒子の粒径でその径が決定されるが、液体触媒微粒子の粒径は、液体触媒微粒子を構成する物質の種類と基板を構成する物質の種類でほぼ決定されてしまい、Ｓｉナノ細線の場合には、熱酸化条件（温度、時間）を制御してＳｉ細線の表面のＳｉＯ２の厚さを制御することでナノ細線の径を制御できるが、Ｇｅの場合には、上記に説明したように、ＧｅＯ２が極めて不安定であるために、Ｇｅナノ細線の径を一定不変の径に制御することが困難である。すなわち、従来方法だけでは、Ｇｅナノ細線の径をナノメーター・スケールで制御することが困難である。
（３）また、絶縁物ナノ細線中にナノドットやナノディスクを周期的に配列した、半導体電子・光素子が提案されているが、ナノディスクやナノドットをどのような方法で形成するのか、提案されていない。すなわち、従来方法だけでは、絶縁物ナノ細線中に、ナノドットやナノディスクを周期的に配列することが困難である。
（４）また、上記のナノドットやナノディスクのサイズをどのように制御するのかも提案されていない。すなわち、従来方法だけでは、絶縁物ナノ細線中の、ナノディスクやナノドットのサイズをナノメーター・スケールで制御することが困難である。
（５）また、サイズが制御されたナノドットやナノディスクを３次元的に周期的に高密度に配置すれば、極めて発光効率の高く且つ波長選択性のある光素子が実現できる。しかしながら、上記に説明したように、ナノドットやナノディスクを周期的に配列することやナノドットやナノディスクのサイズをナノメーター・スケールで制御することが困難であるので、従来方法だけでは、サイズが制御されたナノドットやナノディスクを３次元的に周期的に高密度に配置することが困難であると言う課題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、実用に耐え得る耐環境性を有する絶縁物ナノ細線中にナノディスクやナノドットを周期的に配列することにある。本発明の課題はまた、ナノドットやナノディスクを３次元的に周期的に高密度に配置することにもある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一側面によれば、基板上にＳｉとＧｅを溶融する触媒金属元素から成るナノサイズの触媒金属微粒子を担持し、この触媒金属微粒子が液体微粒子となる温度において、この液体微粒子の周囲の空間からＳｉの原料ガスとＳｉ原料ガス及びＧｅ原料ガスの混合原料ガスとを交互に供給し、上記基板上に、Ｓｉ結晶と、ＳｉとＧｅの混晶とが交互に成長した超格子ナノ細線を成長し、この超格子ナノ細線を熱酸化することにより、ＳｉＯ２とＧｅＯ２とから成る絶縁物ナノ細線中に、ＳｉとＧｅの混晶から成るナノディスク又はナノドットを周期的に配列したナノ細線を作製することを特徴とする、ＩＶ族半導体ナノ細線の製造方法が与えられる。
本発明の他の側面によれば、基板上に、ＳｉとＧｅを溶融する触媒金属元素から成るナノサイズの触媒金属微粒子を複数担持し、これらの触媒金属微粒子が液体微粒子となる温度において、これらの複数の触媒金属微粒子の周囲の空間からＳｉの原料ガスとＳｉ原料ガス及びＧｅ原料ガスの混合原料ガスとを交互に供給し、上記基板上に、Ｓｉ結晶と、ＳｉとＧｅの混晶とが交互に成長した超格子ナノ細線を複数成長し、これらの超格子ナノ細線を熱酸化することにより、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットを３次元的に周期的に配置することを特徴とする、ＩＶ族半導体ナノ細線の製造方法が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、前記ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットが３次元的に周期的に配置された材料を発光材料としたことを特徴とする、発光材料が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、前記ナノ細線又はナノ細線の集合体を用いたことを特徴とする、半導体電子・光素子が与えられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のＩＶ族半導体ナノ細線の製造方法により、実用に耐え得る耐環境性を有する絶縁物ナノ細線中にナノディスクやナノドットを周期的に配列した構造が得られる。また、ナノドットやナノディスクを３次元的に周期的に高密度に配置することもできる。また、このような構造を使用して、新たな発光材料、半導体電子・光素子を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実用に耐え得る耐環境性を有したＧｅナノ細線の作製方法、及び、Ｇｅナノ細線の径を、ナノメーター・スケールで制御する方法を説明する模式図であり、（ａ）はＶＬＳ成長工程を示す外観図、（ｂ）は熱酸化工程を示しており、（ｂ−１）、（ｂ−２）は熱酸化後のナノ細線の断面を示す。
【図２】本発明において、絶縁物ナノ細線中に、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスクやナノドットを周期的に配列する方法を説明する模式図で、（ａ）はＶＬＳ成長工程を示す外観模式図、（ｂ）は熱酸化工程を示しており、（ｂ−１）及び（ｂ−２）は熱酸化後のナノ細線の断面を示す模式図、（ｂ−３）及び（ｂ−４）は熱酸化時間を長くした場合のナノ細線の断面を示す模式図である。
【図３】本発明において、サイズが制御されたＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットを３次元的に周期的に高密度に配置する方法を説明する模式図で、（ａ）はＶＬＳ成長工程を示す外観模式図、（ｂ）は熱酸化工程を示し、（ｂ−１）は熱酸化工程を加えた後のナノ細線の断面を示す模式図、（ｂ−２）はさらに熱酸化工程を加えた後のナノ細線の断面を示す模式図である。
【図４】ＶＬＳ成長法のメカニズムを説明する図である。
【図５】酸化濃縮現象を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の最良の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材には同一の符号を用いて説明する。
【００１７】
初めに、実用に耐え得る耐環境性を有したＧｅナノ細線の作製方法、及び、Ｇｅナノ細線の径を、ナノメーター・スケールで制御する方法を説明する。
【００１８】
図１は、実用に耐え得る耐環境性を有したＧｅナノ細線の作製方法、及び、Ｇｅナノ細線の径を、ナノメーター・スケールで制御する方法を説明する模式図である。図１（ａ）はＶＬＳ成長工程を示す外観図であり、図１（ｂ）は熱酸化工程を示しており、（ｂ−１）、（ｂ−２）は熱酸化後のナノ細線の断面を示す模式図である。
【００１９】
本方法は初めに図１（ａ）に示すように、基板１上に、Ｓｉ及びＧｅを溶融できるナノメートル・サイズの触媒金属微粒子２を担持し、触媒金属微粒子２が溶融して液体となる温度において、Ｓｉ原料ガスとＧｅ原料ガスを混合した混合原料ガスを金属微粒子２に供給する。この工程によれば、ＶＬＳ成長法により、Ｓｉ原料ガスとＧｅ原料ガスからＳｉ原子とＧｅ原子が液体状態の触媒金属微粒子２に過飽和に溶け込み、結晶核が形成されて、この結晶核からＳｉとＧｅの混晶、すなわち、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ただし、ｘはＧｅの組成比）から成るナノ細線３が成長する。
【００２０】
次に図１（ｂ）に示すように、ナノ細線３を酸素雰囲気中でＳｉが酸化する温度で加熱し、ナノ細線３中のＳｉを完全に熱酸化する。この工程によれば、（ｂ−１）、（ｂ−２）に示すように、酸化濃縮現象により、ナノ細線３の表面にＳｉＯ２膜４が形成されると共に、Ｇｅがナノ細線３の中心軸方向に濃縮されて、Ｇｅ結晶から成るＧｅナノ細線５が形成され、ＳｉＯ２膜で被覆されたＧｅナノ細線６が形成される。
【００２１】
この方法によれば、ＳｉＯ２膜が高温多湿中でも安定であり、高温多湿の実使用状態においてもＧｅナノ細線５の径や材質が変化することが無く、従って、実用に耐え得る耐環境性の良いＧｅナノ細線が得られる。
【００２２】
また、Ｓｉ原料ガスの混合比を大きくした場合にはＳｉとＧｅからなる混晶のＳｉの割合が大きくなり、Ｇｅの割合は小さくなるので、図１（ｂ）の（ｂ−１）に示すように、ＳｉＯ２膜４の厚さが厚くなり、Ｇｅナノ細線５の径は小さくなり、厚いＳｉＯ２膜で被覆された径の小さなＧｅナノ細線６が形成される。反対に、Ｓｉ原料ガスの混合比を小さくした場合にはＳｉとＧｅからなる混晶のＳｉの割合が小さくなり、Ｇｅの割合が大きくなるので、図１（ｂ）の（ｂ−２）に示すように、ＳｉＯ２膜４の厚さが薄くなり、Ｇｅナノ細線５の径は大きくなり、薄いＳｉＯ２膜で被覆された径の大きなＧｅナノ細線６が形成される。従って、混合原料ガスの混合比を精密に制御することによって、Ｇｅナノ細線の径をナノメーター・スケールで制御することができる。
【００２３】
次に、本発明のＩＶ族半導体ナノ細線の製造方法のうち、絶縁物ナノ細線中に、ＳｉとＧｅの混晶から成るナノディスクやナノドットを周期的に配列する方法を説明する。更に、当該方法の過程で、ＳｉとＧｅの混晶から成るナノディスクやナノドットのサイズをナノメーター・スケールで制御する方法も説明する。
【００２４】
図２は、絶縁物ナノ細線中に、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスクやナノドットを周期的に配列する方法を説明する模式図である。図２（ａ）はＶＬＳ成長工程を示す外観図で、（ｂ）は熱酸化工程を示している。図２の（ｂ−１）及び（ｂ−２）は熱酸化後のナノ細線の断面を示す模式図であり、図２の（ｂ−３）及び（ｂ−４）は熱酸化時間を長くした場合のナノ細線の断面を示す模式図である。
【００２５】
本発明の方法は初めに図２（ａ）に示すように、基板１上に、Ｓｉ及びＧｅを溶融できるナノメートル・サイズの触媒金属微粒子２を担持し、触媒金属微粒子２が溶融して液体となる温度において、Ｓｉ原料ガスと、Ｓｉ原料ガスとＧｅ原料ガスとを混合した混合原料ガスを、時間を制御して交互に触媒金属微粒子２に供給する。この工程によれば、ＶＬＳ成長法により、Ｓｉ原料ガスを供給した場合には、Ｓｉ結晶１１が成長し、Ｓｉ原料ガスとＧｅ原料ガスの混合原料ガスを供給した場合には、ＳｉとＧｅから成る混晶１２が成長する。この工程を交互に繰り返すことによって、Ｓｉ結晶１１と混晶１２が周期的に積層され、基板１の表面に垂直に成長した超格子ナノ細線１３が形成される。
【００２６】
次に、図２（ｂ）に示すように、超格子ナノ細線１３を酸素雰囲気中で熱酸化する。図２（ｂ）の（ｂ−１）、（ｂ−２）に示すように、熱酸化によって、Ｓｉ結晶１１がＳｉＯ２からなる絶縁物１４に変換されると共に、混晶１２の表面がＳｉＯ２とＧｅＯ２とから成る絶縁物１４に変換され、ＳｉＯ２とＧｅＯ２とから成る絶縁物細線中に、Ｇｅが濃縮したＳｉとＧｅの混晶からなるナノディスク１５が周期的に配列したナノ細線１６が形成される。
【００２７】
また、熱酸化時間をさらに長くすれば、ＳｉとＧｅの混晶からなるナノディスク１５は球状となり、（ｂ−３）、（ｂ−４）に示すように、ＳｉＯ２とＧｅＯ２から成る絶縁物細線中に、ＳｉとＧｅの混晶ナノドット１７が周期的に配列したナノ細線１８が形成される。
【００２８】
次に、ＳｉとＧｅの混晶のナノディスクやナノドットのサイズをナノメーター・スケールで制御する方法を説明する。
【００２９】
上記方法において、Ｓｉ原料ガスとＧｅ原料ガスの混合原料ガスの混合比を制御することにより、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズを制御することができる。例えば、Ｓｉの原料ガスの混合比を大きくし、Ｇｅの原料ガスの混合比を小さくすれば、ＳｉとＧｅの混晶１２はＳｉが多く、Ｇｅは少ない。熱酸化すると、図２（ｂ）の（ｂ−１）、（ｂ−３）に示すように、Ｓｉが多いので、ＳｉＯ２とＧｅＯ２からなる絶縁物１４が厚くなると共に、径の小さい、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク１５又はナノドッ１７が形成される。反対に、Ｓｉの原料ガスの混合比を小さくし、Ｇｅの原料ガスの混合比を大きくすれば、（ｂ−２）、（ｂ−４）に示すように、薄い絶縁物１４が形成されると共に、径の大きな、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク１５又はナノドット１７が形成される。従って、Ｓｉの原料ガスとＧｅの原料ガスとの混合比を精密に制御することにより、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズをナノメーター・スケールで制御できる。
【００３０】
また、上記方法において、Ｓｉ原料ガスとＧｅ原料ガスの混合原料ガスを供給する時間を制御して、超格子のＳｉとＧｅからなる混晶１２の厚さを制御することにより、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク１５又はナノドット１７のサイズを制御してもよい。
【００３１】
ＶＬＳ成長工程において、混合原料ガスを供給する時間を短くして、ＳｉとＧｅからなる混晶１２の厚さを薄くすれば、（ｂ−１）、（ｂ−３）に示すように、熱酸化後に形成される、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク１５又はナノドット１７のサイズは小さくなり、反対に、混合原料ガスを供給する時間を長くして、混晶１２の厚さを厚くすれば、（ｂ−２）、（ｂ−４）に示すように、熱酸化後に形成される、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク１５又はナノドット１７のサイズは大きくなる。従って、Ｓｉ原料ガスを供給する時間と、Ｓｉ原料ガスとＧｅ原料ガスの混合原料ガスを供給する時間を精密に制御することによって、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズをナノメーター・スケールで制御することができる。
【００３２】
次に、本発明のＩＶ族半導体ナノ細線の製造方法のうち、サイズが制御されたＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットを３次元的に周期的に高密度に配置する方法を説明する。
【００３３】
図３は、サイズが制御されたＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットを３次元的に周期的に高密度に配置する方法を説明する模式図である。図３（ａ）はＶＬＳ成長工程を示す外観模式図であり、（ｂ）は熱酸化工程を示し、同（ｂ−１）は熱酸化工程を加えた後のナノ細線の断面を示す模式図であり、（ｂ−２）はさらに熱酸化工程を加えた後のナノ細線の断面を示す模式図である。
【００３４】
初めに図３（ａ）に示すように、基板１上に、Ｓｉ及びＧｅを溶融できるナノメートル・サイズの触媒金属微粒子２を複数担持し、上記図２で示した方法により、基板１上に、Ｓｉ結晶１１と、ＳｉとＧｅの混晶１２とが交互に成長した超格子ナノ細線１３を複数成長する。
【００３５】
次に図３（ｂ）に示すように、基板１上に垂直に成長した複数の超格子ナノ細線１３を、上記図２で示した方法により熱酸化し、図３（ｂ）の（ｂ−１）に示すように、サイズが制御された、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスクが周期的に配列した、ＳｉＯ２とＧｅＯ２とから成る絶縁物ナノ細線１６に形成する。
【００３６】
絶縁物ナノ細線１６によって、基板１の垂直方向に、サイズが制御されたＳｉとＧｅの混晶Ｇｅナノディスクが周期的に配列し、且つ基板１上に絶縁物ナノ細線１６が複数配列しているので、サイズが制御されたナノディスクを周期的に３次元的に高密度に配列することができる。
【００３７】
また、熱酸化をさらに加えれば、上記図２の方法で説明したように、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスクがナノドットとなるので、サイズが制御されたＳｉとＧｅの混晶ナノドットを周期的に３次元的に高密度に配列することができる。
【００３８】
次に、本発明の高輝度発光材料を説明する。
【００３９】
本発明の高輝度発光材料は、図３の（ｂ−１）又は（ｂ−２）に示した構成からなり、基板１と、基板１に垂直に且つ複数成長した、サイズが制御されたＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットが周期的に配列した、ＳｉＯ２とＧｅＯ２とから成る絶縁物ナノ細線１６又は１７とから成る。
【００４０】
この構成によれば、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットが周期的に配列しているので、例えば、電子を注入することで、極めて低損失に発光させることができ、また、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズを制御できるので、発光波長を選択できる。また、これらのナノディスク又はナノドットが３次元的に高密度に配列しているので、極めて高輝度の発光材料となる。
【００４１】
以上の説明をまとめるに、上述の方法によれば、ＳｉとＧｅの混晶からなるナノ細線の表面に、均一な膜厚のＳｉＯ２膜が形成されると共に、このＳｉＯ２膜以外のナノ細線部分にＧｅが濃縮されてＧｅ結晶が形成されて、ＳｉＯ２膜で被覆されたＧｅナノ細線が形成できる。ＳｉＯ２膜は耐環境性に優れているので、実用に耐え得る耐環境性を有したＧｅナノ細線を作製できる。
また、例えば、Ｓｉの原料ガスの混合比を大きくし、Ｇｅの原料ガスの混合比を小さくすれば、ＳｉとＧｅの混晶はＳｉが多く、Ｇｅは少ない。熱酸化すると、Ｓｉが多いので厚いＳｉＯ２膜が形成されると共に、Ｇｅは少ないので径の小さいＧｅナノ細線が形成される。反対に、Ｓｉの原料ガスの混合比を小さくし、Ｇｅの原料ガスの混合比を大きくすれば、薄いＳｉＯ２膜が形成されると共に、径の大きなＧｅナノ細線が形成される。このようにして、Ｓｉの原料ガスとＧｅの原料ガスとの混合比を制御することにより、ＳｉＯ２膜で被覆されたＧｅナノ細線の径を制御することができる。
ここで、超格子のＳｉ結晶部分がＳｉＯ２に変換され、且つ、ＳｉとＧｅの混晶部分の表面がＳｉＯ２とＧｅＯ２とからなる絶縁物に変換されると共に、ＳｉＯ２や絶縁物以外の部分に、Ｇｅが濃縮されたＳｉとＧｅの混晶からなるナノディスク又はナノドットが形成され、ＳｉＯ２とＧｅＯ２とからなる絶縁物ナノ細線中に、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットが周期的に配列したナノ細線が得られる。
また、例えば、Ｓｉの原料ガスの混合比を大きくし、Ｇｅの原料ガスの混合比を小さくすれば、ＳｉとＧｅの混晶はＳｉが多く、Ｇｅは少ない。熱酸化すると、Ｓｉが多いので厚いＳｉＯ２とＧｅＯ２が混在した絶縁膜が形成されると共に、径の小さいＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットが形成される。反対に、Ｓｉの原料ガスの混合比を小さくし、Ｇｅの原料ガスの混合比を大きくすれば、薄い絶縁膜が形成されると共に、径の大きな、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットが形成される。このようにして、Ｓｉの原料ガスとＧｅの原料ガスとの混合比を制御することにより、ＳｉとＧｅの混晶ｅナノディスク又はナノドットのサイズを制御することができる。
また、例えば、Ｓｉ原料ガスとＧｅ原料ガスの混合原料ガスを供給する時間を長くして、ＳｉとＧｅからなる混晶の厚さを厚くすれば、熱酸化後に形成されるＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズは大きくなり、反対に、混合原料ガスを供給する時間を短くして、ＳｉとＧｅからなる混晶の厚さを薄くすれば、熱酸化後に形成されるＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズは小さくなる。このようにして、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットのサイズを制御することができる。
また、ＳｉＯ２とＧｅＯ２とからなる絶縁物ナノ細線中に、サイズが制御された、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットが周期的に配列したナノ細線が基板上に垂直に複数配列するので、サイズが制御された、ＳｉとＧｅの混晶ナノディスク又はナノドットを３次元的に周期的に高密度に配置することができる。
また、Ｇｅから成るナノディスク又はナノドットが周期的に配列しているので、例えば、電子を注入することで、極めて低損失に発光させることができ、また、Ｇｅから成るナノディスク又はナノドットのサイズを制御できるので、発光波長を選択することができる。また、これらのナノディスク又はナノドットが３次元的に高密度に配列しているので、極めて高輝度の発光材料となる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
上記説明から理解されるように、本発明のＩＶ族半導体ナノ細線の製造方法によれば、実用に耐え得る耐環境性を有する絶縁物ナノ細線中にナノディスクやナノドットを周期的に配列した構造が得られる。また、その中のナノドットやナノディスクのサイズをナノメーター・スケールで制御し、またサイズが制御されたナノドットやナノディスクを３次元的に周期的に高密度に配置することもできる。従って、本発明を将来の半導体電子・光素子としての応用が期待されているＩＶ族半導体ナノ細線の構造制御方法としても利用できる。また、本発明の方法を用いた、ナノ細線を用いた半導体電子・光素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  基板
２  触媒金属微粒子
３  ＳｉとＧｅの混晶から成るナノ細線
４  ＳｉＯ２膜
５  Ｇｅナノ細線
６  ＳｉＯ２膜で被覆されたＧｅナノ細線
１１  Ｓｉ結晶
１２  ＳｉとＧｅからなる混晶
１３  超格子ナノ細線
１４  ＳｉＯ２とＧｅＯ２とから成る絶縁物
１５  ＳｉとＧｅの混晶から成るナノディスク
１６  ＳｉとＧｅの混晶ナノディスクが周期的に配列したナノ細線
１７  ＳｉとＧｅの混晶ナノドット
１８  ＳｉとＧｅの混晶ナノドットが周期的に配列したナノ細線
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００４４】
【非特許文献１】R. S. Wagner and W. C. Ellis, Appl. Phys. Lett. 4, 89 (1964).
【非特許文献２】A. M. Morales and C. M. Lieber, Science 279, 208 (1998).
【非特許文献３】D. Wang, Q. Wang, A. Javey, R. Tu, H. Daia, H. Kim, P. C. McIntyre, T. Krishnamohanand K. C. Saraswat, Appl. Phys. Lett. 83, 2432 (2003).
【非特許文献４】Y. Wu, R. Fan, and P. Yang, Nano Lett. 2, 83 (2002).
【非特許文献５】T. Tezuka, N. Sugiyama, and S. Takagi, Appl. Phys. Lett. 79, 1798(2001).
【図１】
0005435600.tif 000002
【図２】
0005435600.tif 000003
【図３】
0005435600.tif 000004
【図４】
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【図５】
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