(57)【要約】ケイ素前駆体の組み合わせを用いたエピタキシャルに配向したナノワイヤを成長させる方法、および配向したナノワイヤを成長させるためのパターン形成された基板の使用を含む、ナノワイヤを成長させ、ドープし、収集するシステムおよび方法が提供される。犠牲成長層を使用することによってナノワイヤの質が向上する。ナノワイヤを１つの基板から別の基板に移動する方法も提供される。本発明のプロセスで使用される基板材料は、結晶またはアモルファスであってよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノワイヤを製造する方法であって、該方法は、
（ａ）基板材料を少なくとも部分的に覆うように触媒反発性材料を該基板材料に適用する工程と、
（ｂ）該基板材料に１つ以上の核形成粒子を適用する工程と、
（ｃ）該核形成粒子を約４００℃よりも高い温度まで加熱する工程と、
（ｄ）約０．５ｔｏｒｒより大きな圧力下で該核形成粒子を前駆体ガス混合物と接触させてアロイ滴を作製する工程と
を含み、これによりナノワイヤを該アロイ滴の部位に成長させる方法。
【請求項２】
工程（ａ）の前記適用する工程が、結晶基板材料上に触媒反発性材料の層を形成させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
工程（ａ）の前記適用する工程が、ケイ素上に触媒反発性材料の層を形成させる工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
工程（ａ）の前記適用する工程が、触媒反発性材料の層を形成させる工程を含み、該触媒反発性材料が、前記基板材料を覆っていない少なくとも１つの空隙を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、前記触媒反発性材料上に核形成粒子を堆積させる工程を含み、該核形成粒子は、該少なくとも１つの空隙の部位で前記基板材料に堆積する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、約２０℃〜約２８℃の温度で起こる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、約６００℃よりも高温で起こる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、約１０−７ｔｏｒｒ未満の圧力下で起こる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
工程（ａ）の前記適用する工程が、触媒反発性材料の層を形成させる工程を含み、該触媒反発性材料はＳｉＯ２または陽極アルミナを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記成長する工程がエピタキシャルに起こる、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記成長する工程が前記基板材料の平面の外側に成長する工程である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記加熱する工程が約４５０℃〜約７００℃の温度まで加熱する工程である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、核形成粒子を堆積させる工程を含み、該核形成粒子は、前記前駆体ガス混合物と反応して共晶を形成する金属を含み、該共晶からＳｉが析出する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、核形成粒子を堆積させる工程を含み、該核形成粒子は、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｉ、ＳｎまたはＩｎを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
工程（ｂ）の前記適用する工程が金属コロイドを堆積させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、ＡｕコロイドまたはＡｌコロイドを堆積させる工程を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、金属膜を堆積させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、Ａｕ膜またはＡｌ膜を堆積させる工程を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記前駆体ガス混合物と接触させる工程が、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含むガス混合物と接触させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記接触させる工程が、プラズマ強化型スパッタ堆積を行なう工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記接触させる工程が約５〜約２００ｔｏｒｒの圧力下で起こる、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記接触させる工程が約４５ｔｏｒｒ下で起こる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
工程（ｂ）の前記適用する工程および（ｄ）の前記接触させる工程が別々の反応チャンバで起こる、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
請求項１に記載のプロセスによって製造されるナノワイヤ。
【請求項２５】
請求項１に記載のプロセスによって製造されるナノワイヤを備える電子回路。
【請求項２６】
ナノワイヤを製造する方法であって、該方法は、
（ａ）ケイ素基板を少なくとも部分的に覆うように該ケイ素基板上に触媒反発性材料を適用する工程であって、該触媒反発性材料が、該ケイ素基板を覆っていない少なくとも１つの空隙を含む工程と、
（ｂ）該触媒反発性材料上に１つ以上の金属核形成粒子を適用する工程であって、該核形成粒子が該少なくとも１つの空隙の部位で該ケイ素基板に堆積する工程と、
（ｂ）該金属核形成粒子を約４００℃よりも高い温度まで加熱する工程と、
（ｄ）約０．５ｔｏｒｒより大きな圧力下で該金属核形成粒子を前駆体ガス混合物と接触させてアロイ滴を作製する工程と
を含み、これによりナノワイヤを該アロイ滴の部位に成長させる方法。
【請求項２７】
工程（ａ）の前記適用する工程が、触媒反発性材料の層を形成させる工程を含み、該触媒反発性材料はＳｉＯ２または陽極アルミナを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記成長する工程がエピタキシャルに起こる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記成長する工程が前記ケイ素基板の平面の外側に成長する工程である、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、約２０℃〜約２８℃の温度で起こる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、約６００℃よりも高温で起こる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、約１０−７ｔｏｒｒ未満の圧力下で起こる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記加熱する工程が約４５０℃〜約７００℃の温度まで加熱する工程である、請求項２６に記載の方法。
【請求項３４】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、金属核形成粒子を堆積させる工程を含み、該金属核形成粒子は、前記前駆体ガス混合物と反応して共晶を形成し、該共晶からＳｉが析出する、請求項２６に記載の方法。
【請求項３５】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｉ、ＳｎまたはＩｎを堆積させる工程を含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
工程（ｂ）の前記適用する工程が金属コロイドを堆積させる工程を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３７】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、ＡｕコロイドまたはＡｌコロイドを堆積させる工程を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
工程（ｂ）の前記適用する工程が金属膜を堆積させる工程を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３９】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、Ａｕ膜またはＡｌ膜を堆積させる工程を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
工程（ｂ）の前記適用する工程が、前記金属膜が溶融する温度まで加熱することにより前記触媒反発性材料上に１つ以上の金属核形成粒子を生成する工程をさらに含み、該核形成粒子が、前記少なくとも１つの空隙の部位でケイ素基板に堆積する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記前駆体ガス混合物と接触させる工程が、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２と接触させる工程を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項４２】
前記接触させる工程が、プラズマ強化型スパッタ堆積を行なう工程を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項４３】
前記接触させる工程が約５〜約２００ｔｏｒｒの圧力下で起こる、請求項２６に記載の方法。
【請求項４４】
前記接触させる工程が約４５ｔｏｒｒ下で起こる、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
工程（ｂ）の前記適用する工程および（ｄ）の前記接触させる工程が別々の反応チャンバで起こる、請求項２６に記載の方法。
【請求項４６】
請求項２６に記載のプロセスによって製造されるナノワイヤ。
【請求項４７】
請求項２６に記載のプロセスによって製造されるナノワイヤを備える電子回路。
【請求項４８】
ナノワイヤを製造する方法であって、該方法は、
（ａ）基板材料上に１つ以上の核形成粒子を適用する工程と、
（ｂ）該核形成粒子を約５５０℃よりも高い温度まで加熱する工程と、
（ｃ）約０．５ｔｏｒｒより大きな圧力下で該核形成粒子を前駆体ガス混合物と接触させて液体アロイ滴を作製する工程と
を含み、これによりナノワイヤを該アロイ滴の部位に成長させる方法。
【請求項４９】
前記適用する工程が、約２０℃〜約２８℃の温度で起こる、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記適用する工程が、約６００℃よりも高温で起こる、請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
前記適用する工程が、約１０−７ｔｏｒｒ未満の圧力下で起こる、請求項４８に記載の方法。
【請求項５２】
前記基板材料が結晶である、請求項４８に記載の方法。
【請求項５３】
前記基板材料がケイ素を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５４】
前記成長する工程がエピタキシャルに起こる、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記成長する工程が前記基板材料の平面の外側に成長する工程である、請求項４８に記載の方法。
【請求項５６】
前記加熱する工程が約６００℃〜約７００℃の温度まで加熱する工程である、請求項４８に記載の方法。
【請求項５７】
前記加熱する工程が約６００℃の温度まで加熱する工程である、請求項４８に記載の方法。
【請求項５８】
前記核形成粒子が、前記前駆体ガス混合物と反応して共晶を形成する金属を含み、該共晶からＳｉが析出する、請求項４８に記載の方法。
【請求項５９】
前記適用する工程が、該核形成粒子を堆積させる工程を含み、核形成粒子が、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｉ、ＳｎまたはＩｎを含む、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記適用する工程が、金属コロイドを堆積させる工程を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項６１】
前記適用する工程が、ＡｕコロイドまたはＡｌコロイドを堆積させる工程を含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記適用する工程が、金属膜を堆積させる工程を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項６３】
前記適用する工程が、Ａｕ膜またはＡｌ膜を堆積させる工程を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記前駆体ガス混合物が、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項６５】
前記接触させる工程が、プラズマ強化型スパッタ堆積を行なう工程を含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項６６】
前記接触させる工程が約５〜約２００ｔｏｒｒの圧力下で起こる、請求項４８に記載の方法。
【請求項６７】
前記接触させる工程が約４５ｔｏｒｒ下で起こる、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
工程（ａ）の前記適用する工程および（ｃ）の前記接触させる工程が別々の反応チャンバで起こる、請求項４８に記載の方法。
【請求項６９】
請求項４８に記載のプロセスによって製造されるナノワイヤ。
【請求項７０】
請求項４８に記載のプロセスによって製造されるナノワイヤを備える電子回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（合衆国政府の支援を受けた研究に関する言及）
本発明の一部分は、ｔｈｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎからの助成金（助成金番号ＩＩＰ−０６２０５８９）の下で、米国政府支援によって行われたものがある。したがって、米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、ナノワイヤに関し、より特定的には、ナノワイヤの成長および収集に関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
ナノ構造、特にナノワイヤは、新世代のあらゆる電子機器を容易にする能力を有する。ナノ構造に基づく新世代の電子機器の出現に対する主な妨げは、一貫した性能を有するナノワイヤおよび他のナノ構造を効率よく成長させ、収集する能力である。ナノワイヤを成長させ、収集するための既存のアプローチでは大量生産が容易ではなく、一貫した性能を有するナノワイヤが得られない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一貫した性能を有するナノワイヤを成長させ、収集するシステムおよび方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の要旨）
本発明は、ナノワイヤを製造する方法を提供する。一実施形態では、１つ以上の核形成粒子が基板材料に堆積する。次いで、核形成粒子は第１温度まで加熱され、第１前駆体ガス混合物と接触して液体アロイ滴を作製し、ナノワイヤ成長を開始する。次いで、アロイ滴が第２温度まで加熱され、第２前駆体ガス混合物と接触し、これによりナノワイヤがアロイ滴部位で成長する。本発明のプロセスで使用される基板材料は、結晶またはアモルファスであってよい。適切には、基板材料は、多結晶または単結晶の結晶性ケイ素を含む。他の実施形態では、基板は、アモルファスＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４またはアルミナであってよい。
【０００６】
ナノワイヤ（例えばＳｉナノワイヤ）を製造する別の方法も本発明で提供される。例えば、このような方法は、１つ以上の核形成粒子（例えば、金ナノ粒子などの金属触媒）を基板材料に堆積させる工程（または（例えば、基板表面で金膜コーティング層を加熱することによって）基板表面にナノ粒子を核形成させる工程）を含む。次いで、核形成粒子を第１前駆体ガスが分解する第１温度まで加熱し、核形成粒子と共晶相を形成し、次いで核形成粒子が第１前駆体ガス混合物と接触する。ここで、第１前駆体ガス混合物は第１前駆体ガスを含み、第１前駆体ガスは、（例えば、以下に詳細に記載されるエッチングによって）成長するナノワイヤの配向を助ける少なくとも１つの原子種（例えばＣｌ）を含む。次いで、ナノワイヤの成長が開始した後、核形成粒子が第２前駆体ガス混合物と接触する。ここで、第２前駆体ガス混合物は、分解して第１温度より低い第２温度で核形成粒子との共晶相を形成する前駆体ガスを含み、次いで、核形成粒子を第２温度まで加熱する。
【０００７】
上述の方法はナノワイヤ成長プロセスをより低い温度で前駆体ガスを用いて開始し、次いでより高い温度で第２前駆体ガス（例えば、ナノワイヤの配向を助ける反応性エッチャント種を有するガス、例えば塩素）を用いてナノワイヤの成長を続けるように、可逆性であってよい。使用される第１前駆体ガスは、好ましくは、第１温度での解離の際にＳｉおよびＣｌを含有するＳｉＨ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２である。Ｓｉ原子はナノワイヤを成長させ、Ｃｌ原子は、ケイ素基板の自然酸化物層をエッチングする結果、結晶性基板に成長する場合に＜１１１＞方向でのワイヤ成長を可能にする。ナノワイヤの成長が開始すると、ＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６などの前駆体ガスを含む第２前駆体ガス混合物を導入し、第２前駆体ガス混合物は、分解して第１前駆体ガスよりも低い温度で核形成粒子との共晶相を形成する。第２温度でＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６から解離したＳｉ原子によって、Ｓｉナノワイヤの成長が続く。従って、ナノワイヤの成長が開始される温度よりも低い温度で遊離Ｓｉ原子を用いてナノワイヤを成長させ続けることができる（例えば、成長するナノワイヤへの金属触媒の拡散を最小限にしつつ、所望の長さまで配向したワイヤを成長させることができる）。
【０００８】
これらの方法で使用される基板材料は、結晶であってもアモルファスであってもよい。適切には、基板材料は、多結晶または単結晶の結晶性ケイ素を含む。他の実施形態では、基板は、アモルファスＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４またはアルミナであってよい。
【０００９】
結晶基板が使用される実施形態では、基板材料に成長するワイヤは、好ましくは、エピタキシャル方向に成長することができる。本発明のプロセスにしたがって製造されるナノワイヤは、基板材料平面の外側に成長し、電荷を移動させることができる。
【００１０】
本発明の方法の特定の適切な実施形態では、核形成粒子を加熱する第１温度は、アロイ滴を加熱する第２温度よりも高い。適切には、第１温度は、第２温度よりも少なくとも約５０℃高い。本発明を実施する際に使用される核形成粒子は、金属触媒が適しており、第１前駆体ガス混合物および第２前駆体ガス混合物の両方と反応し（すなわち、第１および第２前駆体ガス混合物を分解させ）、共晶を形成する金属を含み、該共晶からＳｉが析出してよい。適切な金属触媒は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｉ、ＳｎまたはＩｎを含み、特定のこのような実施形態では、ＡｕコロイドまたはＡｕ膜であってよい。
【００１１】
本発明のプロセスで使用される第１前駆体ガス混合物および第２前駆体ガス混合物は、適切にはＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含んでおり、さらに、Ｂ２Ｈ６、トリメチルホウ素（ＴＭＢ）、ＰＯＣｌ３またはＰＨ３（例えばドーパント材料として）を含んでよい。本発明のプロセスの別の実施形態は、成長するナノワイヤを１つ以上のさらなる前駆体ガス混合物と接触させる工程をさらに含んでよく、該１つ以上のさらなる前駆体ガス混合物は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含み、ナノワイヤを所望の長さまで成長させるために、Ｂ２Ｈ６、ＴＭＢ、ＰＯＣｌ３またはＰＨ３をさらに含んでもよい。本発明のプロセスで使用される前駆体ガスを、適切にはプラズマ強化型スパッタ堆積（ｐｌａｓｍａ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｓｐｕｔｔｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって導入してもよい。
【００１２】
本発明の別の実施形態では、より低い（例えば、約８００℃よりも低い）温度でプラズマ強化型スパッタ堆積（またはプラズマ強化型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ））を用いてナノワイヤを成長させることによって、異なる温度でナノワイヤを成長させる必要性をなくすことができる。該実施形態では、核形成粒子を前駆体ガス混合物と接触させ、該前駆体ガス混合物は、好ましくは、例えば、成長するナノワイヤの配向を助ける反応種（例えばＣｌ）を含む前駆体ガス、例えばＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含む。代替的には、前駆体ガス混合物は、上述の１つ以上の前駆体ガス（例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２）と組み合わせて供給可能な別々の独立した供給源由来の塩素ガス（またはプラズマ）を含んでよい。前駆体ガス混合物がＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含む場合、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２は、キャリアガス（例えば、Ｈ２、Ｈ２Ａｒ）の存在下でＳｉおよびＣｌに分解し、ＨＣｌを形成する。以下に詳細に考察されるように、ＨＣｌによるエッチングとＳｉ蒸気による成長とが競争する。塩素は、Ｓｉ基板の界面にある酸化物を除去するのに役立ち、これにより配向したナノワイヤの成長をもたらす。独立した塩素ガス供給源を添加すると、プラズマで反応種ＳｉおよびＣｌを独立して制御し、ナノワイヤ成長を促すのに必要なエッチングを促進または抑制できるという利点がある。スパッタ堆積は、当業者に既知の任意の方法、例えば、ダイオード、高周波および直流による堆積によって達成することができる。
【００１３】
本発明は、金属触媒が関与しないナノワイヤを製造する方法も提供する。例えば、該方法は、基板材料にヒドロキシル基を導入する工程と、基板材料を第１前駆体ガス混合物と接触させる工程と、基板材料表面に１つ以上の核（例えばナノ粒子）を形成させる工程と、核を第２前駆体ガス混合物と接触させる工程と、１つ以上の核の部位でナノワイヤを成長させる工程とを含む。
【００１４】
本発明の別の態様では、ナノワイヤ合成のためのさらなる方法が提供される。一実施形態では、ナノワイヤ合成のための方法は、ある温度で容器の一端に顆粒前駆体材料を配置する工程と、別の温度で容器の他端に触媒粒子を配置する工程とを含む。次いで、材料を容器の一端から他端に移動させる。移動剤を顆粒ナノワイヤ前駆体材料と反応させナノワイヤを作製する。代替的な実施形態では、ナノワイヤをドープする類似の方法が提供される。
【００１５】
本発明のさらなる態様では、製造中にナノワイヤの品質を高める方法が提供される。特に、ナノワイヤ構造のダングリングボンドによる表面状態を減らす方法が提供される。一実施形態では、該方法は、ナノワイヤ構造を作製する工程と、ナノワイヤ構造体に犠牲層を堆積させる工程と、ナノワイヤ構造体を犠牲層で不活性化する工程と、犠牲層を化学的に除去してナノワイヤを遊離させる工程とを含む。
【００１６】
別の実施形態では、ナノワイヤデバイスを製造する方法が開示されており、該方法は、垂直方向に表面に接続したナノワイヤを備える基板を提供する工程と、ナノワイヤの表面に誘電層を堆積させる工程と、ナノワイヤに１つ以上のナノワイヤ接点を堆積させる工程と、ナノワイヤを覆って材料を堆積させてナノワイヤコンポジットを形成させる工程と、ナノワイヤコンポジットを基板から分離する工程とを含む。
【００１７】
一連の方法は、ナノワイヤを収集する方法も提供する。一実施形態では、方法は、所望の部分および犠牲部分でナノワイヤを成長させる工程を含む。所望の部分は、犠牲部分とは異なる性質を有している。一例では、犠牲部分はアロイであり、所望の部分はアロイではない。別の例では、犠牲部分は所望の部分とは異なる状態にドープされている。ウェットエッチャントを使用し、ナノワイヤの犠牲部分を別個に除去する。この例のウェットエッチャントは、所望の部分よりもナノワイヤの犠牲部分を非常に速くエッチングする。その結果、ナノワイヤを一貫した長さで製造することができる。
【００１８】
別の実施形態では、ケイ素ナノワイヤは、ケイ素基板に成長する。ここで、ナノワイヤ中のケイ素の配向は、基板のケイ素の配向とは異なっている。例えば、ケイ素ナノワイヤ中の原子はミラー指数１１１を有し、基板中のケイ素原子はミラー指数１００を有することができる。上の場合のように、ウェットエッチャントを使用してケイ素基板の一部分を別個に除去し、ナノワイヤを遊離させることができる。
【００１９】
本発明の別の態様では、ナノワイヤを１つの基板から別の基板に移動させる方法が提供される。該方法は、例えば、ナノワイヤ成長基板からデバイス基板にナノワイヤを移動させるのに使用することができる。一実施形態では、該方法は、非粘着性コーティング（例えばＴＥＦＬＯＮ）で移動面をコーティングする工程を含む。次いで、ナノワイヤ成長基板に取り付けられたナノワイヤに対してテフロン（登録商標）表面を押しつけることができる。ナノワイヤは、非粘着性コーティングを有する移動面に固定する。次いで、移動面をデバイス基板より上に配置し、移動面の裏側に圧力を適用してデバイス基板上にナノワイヤを放出させる。代替的な実施形態では、移動面は、デバイス基板上のナノワイヤが配置されている領域に合うように非粘着性コーティングでパターンを形成することができる。類似する代替的な実施形態では、非粘着性コーティングを移動面全体に分布させておき、パターン形成された様式で移動面の裏側に圧力を適用し、デバイス基板の特定の領域にナノワイヤを放出させることができる。
【００２０】
さらなる実施形態では、ナノワイヤを収集し、移動させる方法が開示され、該方法は、上面に付着した１つ以上のナノワイヤを有する基板材料を提供する工程を含む。次いで、移動基板を提供し、基板の上面の上に配向させる。移動基板に圧力を適用し、移動基板を１つ以上のナノワイヤと接触させる。次いで、１つ以上のナノワイヤを基板から移動基板に移し、移動基板を除去する。この実施形態では、移動基板は可撓性ポリマーであってよく、圧力を適用するのにプローブを使用してよい。これらの実施形態では、プローブを加熱してもよく、または基板を加熱してもよい。
【００２１】
さらなる実施形態では、本発明は、パターン形成された基板にナノワイヤを製造する方法を提供する。適切な実施形態では、該方法は、基板材料を少なくとも部分的に覆うように触媒反発性材料の層を形成させる工程を含む。次いで、１つ以上の核形成粒子を基板材料に堆積させる。次いで、核形成粒子を第１温度まで加熱し、第１前駆体ガス混合物と接触させて液体アロイ滴を作製し、ナノワイヤ成長を開始させる。次いで、アロイ滴を第２温度まで加熱し、アロイ滴を第２前駆体ガス混合物と接触させ、これによりナノワイヤを上記アロイ滴の部位に成長させる。適切には、基板材料は結晶材料（例えばＳｉ）を含み、核形成粒子は金属膜またはコロイド（例えばＡｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｉ、ＳｎまたはＩｎを含む膜またはコロイド）を含む。触媒反発性材料の例としては、限定されないが、ＳｉＯ２または陽極アルミナが挙げられる。上に記載されるように、成長プロセス中に温度および前駆体ガスを変えることができ、適切には最初はより高い温度で開始し、ナノワイヤ成長を継続するためにより低い温度を用いることができる。本発明の方法で使用するための前駆体ガス混合物の例としては、限定されないが、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２が挙げられる。本発明は、本発明の方法によって製造されるナノワイヤ、およびそのようなナノワイヤを含む電子機器も提供する。
【００２２】
パターン形成された基板にナノワイヤを製造するさらなる方法も提供される。適切には、基板材料を少なくとも部分的に覆うように触媒反発性材料を提供する。次いで、１つ以上の核形成粒子を基板材料に適用する。次いで、核形成粒子を加熱し（例えば、約４００℃を超える温度まで）、前駆体ガス混合物と接触させて（例えば、約０．５ｔｏｒｒよりも高い圧力下で）アロイ滴を作製し、これによりナノワイヤをアロイ滴の部位で成長させる。適切には、触媒反発性材料（例えばＳｉＯ２または陽極アルミナ）は、基板材料（例えばケイ素または他の結晶性基板）を覆わない少なくとも１つの空隙を備えている。例示的な実施形態では、核形成粒子を触媒反発性材料に堆積させる（例えば、膜またはコロイドの形態で堆積し、次いで加熱する）。ここで、核形成粒子は少なくとも１つの空隙の部位で基板材料に堆積する。
【００２３】
例示的な実施形態では、本発明の方法は、約５〜約２００ｔｏｒｒ、適切には約４５ｔｏｒｒの圧力下で、約４５０℃〜約７００℃の温度まで加熱する工程を含む。例示的な核形成粒子としては、全体に開示されているものが挙げられ、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｉ、ＳｎまたはＩｎを含む金属が挙げられる。例示的な前駆体ガス混合物としては、全体に開示されているものが挙げられ、例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含むガス混合物が挙げられる。
【００２４】
本発明は、ナノワイヤを製造するさらなる方法も提供する。例えば、１つ以上の核形成粒子（例えば、金属コロイドまたは膜）を基板材料に適用する。次いで、核形成粒子を約４００℃よりも高い温度（適切には約４５０℃〜約７００℃）まで加熱し、約０．５ｔｏｒｒより大きな圧力（適切には約５〜約２００ｔｏｒｒ、より適切には約４５ｔｏｒｒ）下で前駆体ガス混合物と接触させて液体アロイ滴を作製し、これによりナノワイヤをアロイ滴の部位に成長させる。
【００２５】
例示的な核形成粒子としては、全体に開示されているものが挙げられ、例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｉ、ＳｎまたはＩｎを含む金属が挙げられる。例示的な前駆体ガス混合物としては、全体に開示されているものが挙げられ、例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含むガス混合物が挙げられる。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態、特徴および利点、ならびに本発明の種々の実施形態の構造および操作を、添付の図面を参照して以下に詳細に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（発明の詳細な説明）
本明細書に示され、記載される特定の実施内容は本発明の一例であり、本発明の範囲をいかなる様式にも限定するものではないことが理解されるべきである。実際に、わかりやすくするために、常套の電子機器、製造、半導体デバイスおよびナノワイヤ（ＮＷ）、ナノロッド、ナノチューブおよびナノリボンの技術およびシステムの他の機能的態様（システムの部品を個々に操作する部品）は本明細書で詳しくは述べていないことがある。さらに、わかりやすくするために、本発明は、その多くをナノワイヤに注目して記載している。
【００２８】
ナノワイヤが頻繁に参照されているが、本明細書に記載の技術は他のナノ構造（例えば、ナノロッド、ナノチューブ、ナノテトラポッド、ナノリボンおよび／またはこれらの組み合わせ）にも適用可能であることは理解されたい。さらに、本明細書に記載の製造技術を任意の種類の半導体デバイスおよび他の種類の電子部品を作製するのに使用することができることも理解されたい。さらに、これらの技術は、電気システム、光学システム、家庭用電化製品、産業用電子機器、ワイヤレスシステム、宇宙での適用、または任意の他の適用に適している。
【００２９】
本明細書で使用される場合、「アスペクト比」は、ナノ構造の第１軸方向の長さを、ナノ構造の第２および第３軸方向の長さの平均で割ったものであり、第２および第３軸は、軸の長さが互いにほぼ同じになるような２つの軸である。例えば、完全なロッドのアスペクト比は、長軸の長さを長軸に対して垂直な（法線方向にある）断面の直径で割ったものである。
【００３０】
用語「ヘテロ構造」は、ナノ構造を参照して使用される場合、少なくとも２種類の異なる材料および／または区別できる材料によって特徴付けられるナノ構造を指す。典型的には、ナノ構造の一領域が第１の種類の材料を含み、ナノ構造の第２領域が第２の種類の材料を含む。特定の実施形態では、ナノ構造は、第１材料のコアと、第２（または第３などの）材料の少なくとも１つのシェルとを含み、これらの異なる種類の材料は、例えば、ナノワイヤの長軸の周囲、分枝したナノ結晶のアームの長軸の周囲、またはナノ結晶の中央周辺に半径方向に分布している。隣接する材料を完全に覆っていなければ、シェルであるとみなされないわけではなく、ナノ構造がヘテロ構造であるとみなされないわけでもない。例えば、ある材料のコアが第２材料の小さな島で覆われていることによって特徴付けられるナノ結晶はヘテロ構造である。他の実施形態では、異なる種類の材料は、ナノ構造中の異なる位置に分布している。例えば、この種の材料は、ナノワイヤの主要軸（長軸）に沿って分布するか、または分枝したナノ結晶の主要軸（長軸）に沿って分布することができる。ヘテロ構造中の異なる領域は、完全に異なる材料を含むことができ、または、異なる領域はベース材料を含むことができる。
【００３１】
本明細書で使用される場合、「ナノ構造」は、約５００ｎｍ未満、例えば約２００ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、または約２０ｎｍ未満の少なくとも１つの領域または特徴的な寸法を有する構造である。典型的には、該領域または特徴的な寸法は、該構造の最も短い軸に沿ったものである。このような構造の例としては、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ、分枝ナノ結晶、ナノテトラポッド、トライポッド、バイポッド、ナノ結晶、ナノドット、量子ドット、ナノ粒子、分枝テトラポッド（例えば無機デンドリマー）などが挙げられる。ナノ構造は、材料の性能が実質的に均質であってよく、または特定の実施形態では、不均質であってよい（例えばヘテロ構造）。ナノ構造は、例えば、実質的に結晶であってよく、実質的に単結晶、多結晶、アモルファス、またはこれらの組み合わせであってよい。一態様では、ナノ構造の三方向の寸法は、それぞれ約５００ｎｍ未満、例えば約２００ｍｎ未満、約１００ｍｎ未満、約５０ｎｍ未満、または約２０ｍｎ未満である。
【００３２】
本明細書で使用される場合、用語「ナノワイヤ」は、概して、少なくとも１つの断面寸法が５００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満で、アスペクト比（長さ：幅）が１０を超え、好ましくは５０を超え、さらに好ましくは１００を超える任意の細長い導電性材料または半導電性材料（または本明細書に記載される他の材料）を指す。
【００３３】
本発明のナノワイヤは、材料の性質が実質的に均一であってよく、または特定の実施形態では、不均一であってもよい（例えばヘテロ構造）。ナノワイヤは、任意の便利な材料から本質的に加工することができ、例えば、実質的に結晶であってよく、実質的に単結晶、多結晶、アモルファスであってもよい。ナノワイヤは、種々の直径を有することができ、または実質的に均一な直径を有していてもよく、つまり、直径の分散が、最も変動の大きな領域で約２０％未満（例えば、約１０％未満、約５％未満、または約１％未満）であり、線寸法が少なくとも５ｎｍ（例えば、少なくとも１０ｎｍ、少なくとも２０ｎｍ、または少なくとも５０ｎｍ）である。典型的には、ナノワイヤ末端から離れて（例えば、ナノワイヤの中央部２０％、４０％、５０％または８０％）直径を評価する。ナノワイヤは、長軸またはその一部分の全長にわたって直線であってよく、または例えば曲線もしくは曲がっていてもよい。特定の実施形態では、ナノワイヤまたはその一部分は、２方向または３方向の量子閉じ込め状態であってもよい。本発明のナノワイヤは、明らかにカーボンナノチューブを除外することができ、特定の実施形態では、「ウィスカー」または「ナノウィスカー」、特に直径が１００ｎｍより大きいか、または約２００ｎｍより大きなウィスカーを除外することができる。
【００３４】
このようなナノワイヤの例としては、半導体ナノワイヤ（国際特許出願公開第ＷＯ０２／１７３６２号、ＷＯ０２／４８７０１号およびＷＯ０１／０３２０８号に記載される）、カーボンナノチューブおよび同等の寸法を有する他の細長い導電性構造または半導電性構造が挙げられ、上述の刊行物は本明細書に参考により組み込まれる。
【００３５】
本明細書で使用される場合、用語「ナノロッド」は、概して、ナノワイヤと似ているが、アスペクト比（長さ：幅）がナノワイヤよりも小さい任意の細長い導電性材料または半導電性材料（または本明細書に記載される他の材料）を指す。２つ以上のナノロッドが、結合したナノロッドが電極間に広がっていくように長手方向の軸に沿って結合することができることを注記しておく。代替的には、２つ以上のナノロッドを結合しないまま長手方向の軸に沿って実質的に整列させることができるが、その結果、２つ以上のナノロッドの末端と末端との間に小さなギャップが存在する。この場合には、電子が１つのナノロッドから別のナノロッドへと飛び越えて小さなギャップを越えることによって、あるナノロッドから別のナノロッドに電子が流れることができる。２つ以上のナノロッドは実質的に整列されていてよく、その結果、これらが経路を形成し、経路によって電子が電極間を動く。
【００３６】
ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブおよびナノリボンには、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂ、Ｃ（ダイヤモンドを含む）、Ｐ、Ｂ−Ｃ、Ｂ−Ｐ（ＢＰ６）、Ｂ−Ｓｉ、Ｓｉ−Ｃ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−ＳｎおよびＧｅ−Ｓｎ、ＳｉＣ、ＢＮ／ＢＰ／ＢＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＢｅＳ、ＢｅＳｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＧｅＳ、ＧｅＳｅ、ＧｅＴｅ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＯ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＦ、ＣｕＣｌ、ＣｕＢｒ、ＣｕＩ、ＡｇＦ、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＢｅＳｉＮ２、ＣａＣＮ２、ＺｎＧｅＰ２、ＣｄＳｎＡｓ２、ＺｎＳｎＳｂ２、ＣｕＧｅＰ３、ＣｕＳｉ２Ｐ３、（Ｃｕ，Ａｇ）（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｆｅ）（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）２、Ｓｉ３Ｎ４、Ｇｅ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）２（Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ）３、Ａｌ２ＣＯ、および２つ以上のそのような半導体の適切な組み合わせから選択される半導体材料を含め、多種類の材料を使用することができる。
【００３７】
ナノワイヤは、他の材料、例えば、金、ニッケル、パラジウム、イリジウム、コバルト、クロム、アルミニウム、チタン、スズなどの金属、金属アロイ、ポリマー、導電性ポリマー、セラミックおよび／またはこれらの組み合わせから作製することもできる。他の現在既知または今後開発される導電性材料または半導電性材料を使用することもできる。
【００３８】
特定の態様では、半導体は、周期表ＩＩＩ族のｐ型ドーパント、周期表Ｖ族のｎ型ドーパント、Ｂ、ＡｌおよびＩｎからなる群から選択されるｐ型ドーパント、Ｐ、ＡｓおよびＳｂからなる群から選択されるｎ型ドーパント、周期表ＩＩ族のｐ型ドーパント、Ｍｇ、Ｚｎ、ＣｄおよびＨｇからなる群から選択されるｐ型ドーパント、周期表ＩＶ族のｐ型ドーパント、ＣおよびＳｉからなる群から選択されるｐ型ドーパント、またはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅからなる群から選択されるｎ型ドーパントからなる群からのドーパントを含んでよい。他の現在既知または今後開発されるドーパント材料も使用することができる。
【００３９】
さらに、ナノワイヤまたはナノリボンは、カーボンナノチューブ、または導電性もしくは半導電性の有機ポリマー材料（例えば、ペンタセンおよび遷移金属酸化物）から作製されたナノチューブを含むことができる。
【００４０】
従って、用語「ナノワイヤ」は、説明のために本明細書の記載全体で参照されるが、本明細書の記載は、ナノチューブ（例えば、軸方向に形成された中空管を有するナノワイヤ状構造）の使用を含めることが意図される。ナノチューブは、ナノワイヤ単独または組み合わせでナノワイヤについて本明細書で記載されるように、ナノチューブの組み合わせまたは薄膜として作製し、本明細書に記載の性質および利点を付与することができる。
【００４１】
位置関係を示す記載（例えば、「〜の上（ａｂｏｖｅ）」、「〜の下（ｂｅｌｏｗ）」、「上方（ｕｐ）」、「下方（ｄｏｗｎ）」、「上部（ｔｏｐ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」など）は、説明のためのみの記載であり、本発明のデバイスを任意の配向または様式で空間的に配置することができる。加えて、加工を容易にするために、デバイス中に中間層または材料が存在してもよい。
【００４２】
ナノワイヤの種類および合成
図１Ａは、単結晶半導体ナノワイヤコア（以下「ナノワイヤ」）１００を示す。図１Ａは、均一にドープされた単結晶ナノワイヤであるナノワイヤ１００を示す。このような単結晶ナノワイヤは、適正に制御された様式でｐ型またはｎ型の半導体にドープすることができる。ドープされたナノワイヤ（例えばナノワイヤ１００）は、改良された電気特性を示す。例えば、このようなナノワイヤは、バルクな単結晶材料に匹敵するキャリア移動度を有するようにドープすることができる。
【００４３】
図１Ｂは、コアシェル構造に従ってドープされたナノワイヤ１１０を示す。図１Ｂに示されるように、ナノワイヤ１１０は、ドープされた表面層１１２を有し、該層は種々の厚みを有することができ、例えばナノワイヤ１１０の表面にある分子単層も含む。
【００４４】
絶縁シェルの価電子帯は、ｐ型のドープされたワイヤのコアの価電子帯よりも小さくてもよく、またはシェルの伝導帯は、ｎ型のドープされたワイヤのコアの伝導帯よりも大きくてもよい。概して、コア−ナノ構造は、任意の金属材料または半導体材料から製造することができ、シェルは、同じまたは異なる材料から製造することができる。例えば、第１コア材料は、ＩＩ〜ＶＩ族半導体、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体、ＩＶ族半導体およびこれらのアロイからなる群から選択される第１半導体を含むことができる。同様に、シェルの第２材料は、第２半導体を含むことができ、第２半導体は第１半導体と同じであっても異なっていてもよく、例えば、ＩＩ〜ＶＩ族半導体、ＩＩＩ〜Ｖ族半導体、ＩＶ族半導体およびこれらのアロイからなる群から選択される。半導体の例としては、限定されないが、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｌＡｓ、Ａ１Ｓｂ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳおよびＰｂＴｅが挙げられる。上述のように、コア材料として金、クロム、スズ、ニッケル、アルミニウムなどおよびこれらのアロイなどの金属材料を使用することができ、金属コアを二酸化ケイ素または他の絶縁材料などの適切なシェル材料で覆うことができる。
【００４５】
異なる材料に適応可能な多くの簡便な方法のいずれかによってナノ構造を作ることができ、大きさを制御することができる。例えば、種々の組成物のナノ結晶の合成は、例えば、Ｐｅｎｇら（２０００）「Ｓｈａｐｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ＣｄＳｅ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｔｕｒｅ  ４０４、５９−６１；Ｐｕｎｔｅｓら（２００１）「Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ｓｈａｐｅ  ａｎｄ  ｓｉｚｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ：Ｔｈｅ  ｃａｓｅ  ｏｆ  ｃｏｂａｌｔ」Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９１，２１１５−２１１７；米国特許第６，３０６，７３６号（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（２００１年１０月２３日）、名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｓｈａｐｅｄ  ｇｒｏｕｐ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ，ａｎｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｆｏｒｍｅｄ  ｕｓｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ」）；米国特許第６，２２５，１９８号（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（２００１年５月１日）、名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｓｈａｐｅｄ  ｇｒｏｕｐ  ＩＩ−ＶＩ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ，ａｎｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｆｏｒｍｅｄ  ｕｓｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ」）；米国特許第５，５０５，９２８号（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（１９９６年４月９日）、名称「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」）；米国特許第５，７５１，０１８号（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（１９９８年５月１２日）、名称「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ  ｃｏｖａｌｅｎｔｌｙ  ｂｏｕｎｄ  ｔｏ  ｓｏｌｉｄ  ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ」）；米国特許第６，０４８，６１６号（Ｇａｌｌａｇｈｅｒら（２０００年４月１１日）、名称「Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｓｉｚｅｄ  ｄｏｐｅｄ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｓａｍｅ」）；および米国特許第５，９９０，４７９号（Ｗｅｉｓｓら（１９９９年１１月２３日）、名称「Ｏｒｇａｎｏ  ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ｐｒｏｂｅｓ  ｆｏｒ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｍａｋｉｎｇ  ａｎｄ  ｕｓｉｎｇ  ｓｕｃｈ  ｐｒｏｂｅｓ」に記載されている。
【００４６】
種々のアスペクト比を有し、直径が制御されたナノワイヤの成長は、例えば、Ｇｕｄｉｋｓｅｎら（２０００）「Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２，８８０１−８８０２；Ｃｕｉら（２００１）「Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏｗｉｒｅ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８，２２１４−２２１６；Ｇｕｄｉｋｓｅｎら（２００１）「Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒ  ａｎｄ  ｌｅｎｇｔｈ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ  １０５，４０６２−４０６４；Ｍｏｒａｌｅｓら（１９９８）「Ａ  ｌａｓｅｒ  ａｂｌａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２７９，２０８−２１１；Ｄｕａｎら（２０００）「Ｇｅｎｅｒａｌ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１２，２９８−３０２；Ｃｕｉら（２０００）「Ｄｏｐｉｎｇ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ  １０４，５２１３−５２１６；Ｐｅｎｇら（２０００）「Ｓｈａｐｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ＣｄＳｅ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｔｕｒｅ  ４０４，５９−６１；Ｐｕｎｔｅｓら（２００１）「Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ  ｓｈａｐｅ  ａｎｄ  ｓｉｚｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ：Ｔｈｅ  ｃａｓｅ  ｏｆ  ｃｏｂａｌｔ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９１，２１１５−２１１７；米国特許第６，３０６，７３６号（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（２００１年１０月２３日）、名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｓｈａｐｅｄ  ｇｒｏｕｐ  ＩＩＩ−Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ，ａｎｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｆｏｒｍｅｄ  ｕｓｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ」）；米国特許第６，２２５，１９８号（Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（２００１年５月１日）、名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｆｏｒｍｉｎｇ  ｓｈａｐｅｄ  ｇｒｏｕｐ  ＩＩ−ＶＩ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ，ａｎｄ  ｐｒｏｄｕｃｔ  ｆｏｒｍｅｄ  ｕｓｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ」）；米国特許第６，０３６，７７４号（Ｌｉｅｂｅｒら（２０００年３月１４日）、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｎａｎｏｒｏｄｓ」）；米国特許第５，８９７，９４５号（Ｌｉｅｂｅｒら（１９９９年４月２７日）、名称「Ｍｅｔａｌ  ｏｘｉｄｅ  ｎａｎｏｒｏｄｓ」）；米国特許第５，９９７，８３２号（Ｌｉｅｂｅｒら（１９９９年１２月７日）「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｎａｎｏｒｏｄｓ」）；Ｕｒｂａｕら（２００２）「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ  ｎ���ｎｏｗｉｒｅｓ  ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ  ｂａｒｉｕｍ  ｔｉｔａｎａｔｅ  ａｎｄ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｔｉｔａｎａｔｅ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１２４，１１８６；およびＹｕｎら（２００２）「Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ  Ｂａｒｉｕｍ  Ｔｉｔａｎａｔｅ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ  ｂｙ  Ｓｃａｎｎｅｄ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｎａｎｏｌｅｔｔｅｒｓ  ２，４４７に記載されている。
【００４７】
分枝ナノワイヤ（例えば、ナノテトラポッド、トライポッド、バイポッドおよび分枝テトラポッド）の成長は、例えば、Ｊｕｎら（２００１）「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｍｕｌｔｉ−ａｒｍｅｄ  ＣｄＳ  ｎａｎｏｒｏｄ  ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍｏｎｏｓｕｒｆａｃｔａｎｔ  ｓｙｓｔｅｍ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２３，５１５０−５１５１；およびＭａｎｎａら（２０００）「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｓｏｌｕｂｌｅ  ａｎｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓａｂｌｅ  Ｒｏｄ−．Ａｒｒｏｗ−．Ｔｅａｒｄｒｏｎ−．ａｎｄ  Ｔｅｔｒａｏｏｄ−Ｓｈａｐｅｄ  ＣｄＳｅ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２，１２７００−１２７０６に記載されている。
【００４８】
ナノ粒子の合成は、例えば、米国特許第５，６９０，８０７号（Ｃｌａｒｋ  Ｊｒ．ら（１９９７年１１月２５日）、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」）；米国特許第６，１３６，１５６号（Ｅｌ−Ｓｈａｌｌら（２０００年１０月２４日）、名称「Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｘｉｄｅ  ａｌｌｏｙｓ」）；米国特許第６，４１３，４８９号（Ｙｉｎｇら（２００２年７月２日）、名称「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−ｓｉｚｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｂｙ  ｒｅｖｅｒｓｅ  ｍｉｃｅｌｌｅ  ｍｅｄｉａｔｅｄ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」）；およびＬｉｕら（２００１）「Ｓｏｌ−Ｇｅｌ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｆｒｅｅ−Ｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ」、Ｊ．Ａｍ．．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２３，４３４４に記載されている。ナノ粒子の合成は、ナノ結晶、ナノワイヤおよび分枝ナノワイヤの成長について上に記載した引用文献にも記載されており、得られたナノ構造は、約１．５未満のアスペクト比を有している。
【００４９】
コア−シェルナノ構造へテロ構造（すなわちナノ結晶およびナノワイヤ（例えばナノロッド）のコア−シェルヘテロ構造）の合成は、例えば、Ｐｅｎｇら（１９９７）「Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｈｉｇｈｌｙ  ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ＣｄＳｅ／ＣｄＳ  ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ  ｗｉｔｈ  ｐｈｏｔｏｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ａｃｃｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１９，７０１９−７０２９；Ｄａｂｂｏｕｓｉら（１９９７）「（ＣｄＳｅ）ＺｎＳ，ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔｓ：Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｓｉｚｅ  ｓｅｒｉｅｓ  ｏｆ  ｈｉｇｈｌｙ  ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｎａｎｏｃｒｙｓａｌｌｉｔｅｓ」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ  １０１，９４６３−９４７５；Ｍａｎｎａら（２００２）「Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｏｆ  ｇｒａｄｅｄ  ＣｄＳ／ＺｎＳ  ｓｈｅｌｌｓ  ｏｎ  ｃｏｌｌｏｉｄａｌ  ＣｄＳｅ  ｎａｎｏｒｏｄｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２４，７１３６−７１４５；およびＣａｏら（２０００）「Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ  ｗｉｔｈ  ＩｎＡｓ  ｃｏｒｅｓ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２，９６９２−９７０２に記載されている。同様のアプローチを適用して他のコア−シェルナノ構造を成長させることができる。
【００５０】
ナノワイヤの長軸に沿って異なる材料が異なる位置に分布したナノワイヤへテロ構造の成長は、例えば、Ｇｕｄｉｋｓｅｎら（２００２）「Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｎａｎｏｓｃａｌｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、Ｎａｔｕｒｅ  ４１５，６１７−６２０；Ｂｊｏｒｋら（２００２）「Ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｓｔｅｅｐｌｅｃｈａｓｅ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ  ｒｅａｌｉｚｅｄ」、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２，８６−９０；Ｗｕら（２００２）「Ｂｌｏｃｋ−ｂｙ−ｂｌｏｃｋ  ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｉ／ＳｉＧｅ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｎａｎｏｗｉｒｅｓ」、Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２，８３−８６；および米国特許出願第６０／３７０，０９５号（２００２年４月２日）（Ｅｍｐｅｄｏｃｉｅｓら、名称「Ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  ｅｎｃｏｄｉｎｇ  ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ」に記載されている。同様のアプローチを適用して他のヘテロ構造を成長させることができる。
【００５１】
ケイ素前駆体の組み合わせを用いたエピタキシャルに配向したナノワイヤの成長
図２は、本発明の一実施形態に係る、Ｓｉ前駆体の組み合わせを用いてナノワイヤを調製する方法２００のフローチャートである。方法２００はステップ２０２から始まる。ステップ２０２では、１つ以上の核形成粒子（適切には金属触媒）を基板材料に堆積させ、ナノワイヤを成長させるための核形成部位を作製する。ステップ２０４に示されているように、核形成粒子を第１温度まで加熱し、核形成粒子を第１前駆体ガス混合物と接触させ、液体アロイ滴を作製し、ナノワイヤ成長を開始させる（２０６で示される）。ステップ２０８では、アロイ滴を第２温度まで加熱し、該アロイ滴を第２前駆体ガス混合物と接触させると、所望の大きさおよび配向になるまで、ステップ２１４で示すように、ナノワイヤをアロイ滴の部位に成長させる（ラベル２１０で示す）。
【００５２】
適切な実施形態では、ナノワイヤが成長する基板材料は、結晶性基板である。用語「結晶性基板」は、大きな原子間距離にわたって（典型的には１０オングストローム（Å）以上のオーダーで）繰り返し配置または周期的な配置の原子を含む任意の基板材料を含む。このような結晶性基板は、多結晶であってもよいし、単結晶を含んでいてもよい。適切には、本発明のプロセスで利用される結晶性基板はケイ素（Ｓｉ）である。他の適切な結晶性材料としては、限定されないが、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、サファイヤ、水晶およびケイ素ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）が挙げられる。本発明の他の実施形態では、基板材料はアモルファス材料を含んでいてよい。本発明を実施するのに使用可能な適切なアモルファス基板材料としては、限定されないが、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４およびアルミナが挙げられる。さらなる実施形態では、基板材料は、複数の層（例えばシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）表面）で構成される。
【００５３】
図２に概略が示されるように、特定の実施形態では、本発明の方法は、最初に、基板材料に核形成粒子を堆積させることを含む。本発明を実施するのに使用可能な核形成粒子としては、金属触媒が挙げられ、第１前駆体ガス混合物とも第２前駆体ガス混合物とも反応し（すなわち、第１および第２前駆体ガス混合物を分解させ）、共晶相を形成する任意の金属であってもよい。このような混合物は、全成分が溶液になる最小の融点を有する。前駆体ガス分子（例えばケイ素）の添加および分解の際に、共晶の相状態図上の飽和点に到達し、半導体粒子（例えばＳｉ）が金属溶液の外側に析出し始め、ナノワイヤが成長していく。前駆体ガスを連続的に添加すると、ガスが分解するにつれて、共晶を飽和し続け、これによりナノワイヤ成長のための追加の材料を生成する。
【００５４】
適切な実施形態では、核形成粒子は金属触媒であり、周期表の任意の遷移金属を含むことができる。ここで、遷移金属としては、限定されないが、銅、銀、アルミニウム、金、ニッケル、パラジウム、白金、コバルト、ロジウム、イリジウム、鉄、ルテニウム、スズ、オスミウム、マンガン、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウムおよびガリウムが挙げられる（これらの１つ以上の金属の混合物を含む）。本発明の好ましい実施形態では、金属触媒は、金（Ａｕ）コロイド（すなわち、Ａｕナノ粒子）またはＡｕ膜を含むことができる。特定のこのような実施形態では、直径６０ナノメートル（ｎｍ）の金コロイドを使用することができる。１平方マイクロメートル（μｍ）あたり２〜４個の粒子密度があれば、金ナノ粒子をターゲットに均一に堆積させることができる。ポイントは金粒子クラスターの形成を最小限にすることである。クラスターは、望ましくないより直径の大きいナノワイヤを成長させてしまうことがある。堆積に関してスピンコーティングおよび自己集合法が研究されている（例えば、米国特許出願第１０／６７４，０６０（２００３年９月３０日出願、本明細書にその全体が参考により組み込まれる）を参照）。
【００５５】
スピンコーティングは、適正で直接的なプロセスである。前駆体コロイド中の金粒子の濃度を変え、シリコンウェハの表面化学を操作し、スピン速度を変えることによって堆積密度を制御することができる。スピンコーティングの欠点は、金コロイド溶液の利用効率が低い場合があることである。必要であれば製造段階に回収プロセスを組み込むことができる。
【００５６】
自己集合法は、十分に確立された化学をいくらか利用する。４インチの酸化ケイ素コーティングされたウェハの表面を（３−アミノプロピル）−トリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）または（３−メルカプトプロピル）−トリメトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）のいずれかで官能基化し、６０ｎｍ金コロイド溶液と接触させる。金粒子が表面に集合する。２つの異なる化学物質での差を比較し、接触時間および接触溶液中の金粒子濃度を制御することによって金粒子の密度を制御できる可能性を利用することができる。
【００５７】
金膜コーティング層を基板上で加熱することによって、本発明を実施するのに使用される核形成粒子を基板表面に形成させることもできる。
【００５８】
一実施形態では、本発明は、第１前駆体ガス混合物を（１）ガスが遊離成分の原子に解離する温度まで加熱することと、（２）核形成粒子（例えば金属触媒）が融解して液体になる温度まで加熱することとを含む。次いで、遊離したガス分子を金属触媒に拡散させ、液体アロイ滴を作製することができる。該プロセスは、当業者には化学気相堆積法（ＣＶＤ）として一般的に知られている。
【００５９】
本発明の適切な実施形態では、第１前駆体ガスは、ナノワイヤの成長を促進する少なくとも１つの原子種（例えばＳｉ）および成長中にナノワイヤの配向を助ける少なくとも１つの原子種（例えばＣｌ原子）を含むガスを含んでよい。例えば、第１前駆体ガスは、限定されないが、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２ガスから選択されてよく、好ましくはＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２である。
【００６０】
これらのＳｉ前駆体ガスを、ガス分子間の結合エネルギーを破壊するのに十分な熱エネルギーである温度を超えて加熱して、遊離Ｓｉ原子を生成する（例えば、Ｓｉ−Ｈ結合：９３ｋｃａｌ／ｍｏｌｅ、Ｓｉ−Ｃｌ結合：１１０ｋｃａｌ／ｍｏｌｅ、Ｓｉ−Ｓｉ結合；７７ｋｃａｌ／ｍｏｌｅ、Ｍ．Ｔ．ＳｗｉｈａｒｔおよびＲ．Ｗ．Ｃａｒｒ，Ｊ．Ｐｈｙｓ  Ｃｈｅｍ  Ａ  １０２：１５４２−１５４９（１９９８）を参照）。該温度が金属触媒を液化するほど高温であると、遊離Ｓｉ原子は金属中に拡散し、共晶相を生成する。ＳｉＨ４およびＳｉ２Ｈ６、およびＳｉＣｌ４およびＳｉＨ２Ｃｌ２ガスの解離温度は、約３００℃〜５００℃（Ｓｉ２Ｈ６およびＳｉＨ４の場合）であり、それぞれ約８００℃を超える（ＳｉＣｌ４およびＳｉＨ２Ｃｌ２の場合）。ＳｉＣｌ４およびＳｉＨ２Ｃｌ２の場合、Ｃｌ原子も生成する。ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２は、キャリアガス（例えば、Ｈ２、Ｈ２Ａｒ）の存在下でＳｉおよびＣｌに分解し、ＨＣｌを形成する。
【００６１】
以下に詳細に考察されるように、ＨＣｌによるエッチングとＳｉ蒸気による成長とが競争する。塩素は、Ｓｉ基板の界面にある酸化物を除去するのに役立ち、これにより配向されたＮＷの成長をもたらす。しかし、ＳｉＣｌ４およびＳｉＨ２Ｃｌ２は比較的高温（例えば約８００℃を超える温度）でＳｉおよびＣｌに分解するため、約８００℃より高い温度に長時間維持される場合、成長するナノワイヤへの金属触媒の拡散はより起こりやすい。
【００６２】
さらに、これより高い温度では、触媒の溶融が増え、ナノワイヤの成長を促進するのに利用可能な触媒があまり残らない（または全く残らない）ため、金属触媒の損失がより起こりやすく、ナノワイヤが成長可能な長さが制限されてしまう。従って、ナノワイヤの成長が開始し、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を用いて配向した後、金属触媒と接触させるために別の前駆体ガス混合物（例えば、Ｓｉ２Ｈ６またはＳｉＨ４を含む）を導入することが好ましい。ここで、ガス混合物は、第１前駆体ガスよりも低い温度で（しかし、金属触媒と共晶相を形成するのに十分高い温度で）Ｓｉ原子に分解する前駆体ガスを含む。
【００６３】
本発明の全ての実施形態では、ナノワイヤ成長プロセスのいずれかの間に使用される前駆体ガス混合物は、１つ以上のドーピングガスをさらに含んでよい。本発明を実施するのに使用可能な適切なドーピングガスの例としては、限定されないが、Ｂ２Ｈ６、トリメチルホウ素（ＴＭＢ）、ＰＯＣｌ３およびＰＨ３が挙げられる。
【００６４】
本発明の一実施形態では、第１前駆体ガスはＳｉＣｌ４を含むことができ、適切には、キャリアガス（例えば、Ｈｅ、Ａｒまたは他の不活性ガス）を含むことができる。該ガス混合物を十分に高い温度（約８００℃を超える温度）まで加熱して、遊離Ｓｉ原子およびＣｌ原子を生成する。このような適切な実施形態では、第１前駆体ガスは、本明細書全体に記載されるものから選択される１つ以上のドーパントガスを含んでよい。第１前駆体ガス混合物は、核形成粒子を通り、適切には、基板材料に堆積した金属触媒粒子（例えば金ナノ粒子）を合計圧約２０〜約５０Ｔｏｒｒで通りつつ、核形成粒子は約８００℃の温度まで加熱される。本発明の他の実施形態では、ガス圧を上下させてもよく、それにともなって前駆体ガス混合物を解離させるのに必要な温度を変える必要がある。
【００６５】
例えば、ＳｉＣｌ４を適切な温度まで加熱すると、遊離Ｓｉ原子およびＣｌ原子に分解する。前駆体ガス混合物中にＢ２Ｈ６が存在する場合、Ｂ原子も生成する。ＳｉおよびＢが金属触媒内に拡散し、液体アロイ滴が生成する。金属触媒および前駆体ガスの共晶相は、前駆体ガスとして存在し続け、金属触媒中に可溶化する。過飽和に到達すると、Ｓｉ／Ｂ原子は析出し、ナノワイヤが成長し始める。ナノワイヤが成長し続けるために、Ｓｉ前駆体ガスおよびドーピングガスを連続して供給することが必要である。しかし、長時間にわたって約８００℃を超える温度に維持すると、金属触媒が成長するナノワイヤに拡散し、トラップ状態を作り出し、全体のナノワイヤの直径および長さが小さくなる場合がある。
【００６６】
本発明の特定の実施形態では、（例えば、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を用いて）ナノワイヤが成長し始めると、第２前駆体ガスが置換され（例えばＳｉＨ４）、ナノワイヤを成長させ続けることができる。第２前駆体ガスをシステムに導入するポイントは、当業者によって実験的に決定することができる。本発明の他の実施形態では、ＳｉＨ４によってナノワイヤの成長が開始され、次いで第２前駆体ガスとしてＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を用い、Ｃｌによるエッチングを可能にする。このような特定の実施形態では、第１前駆体ガス混合物を添加してナノワイヤの成長を開始させる第１温度と、第２前駆体ガス混合物を用いてナノワイヤを成長させ続ける第２温度とは、これらの温度が、ガスを解離させ、Ｓｉおよびドーパントを液体金属触媒に拡散させるのに十分高い温度であれば、同じ温度であってよい。他の実施形態では、ナノワイヤの成長を開始させるのに使用される第１温度は、ナノワイヤを成長させ続けるのに使用される第２温度よりも高い。これらの温度には、ガスを解離させ、Ｓｉおよびドーパントを液体金属触媒に拡散させるのに十分高い温度であれば、任意の温度差があってもよい（例えば、数℃〜約数十℃〜約数百℃）。
【００６７】
本発明の特定の実施形態では、ナノワイヤの成長が始まると、適切には約８００℃の温度で、第１前駆体ガスとしてＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を用いて、第２前駆体ガスが置換され、ナノワイヤを成長させ続けるために温度を変えることができる。第２前駆体ガスをシステムに導入するポイントは、当業者によって実験的に決定することができる。特定のこのような実施形態では、ナノワイヤの成長を開始させるのに使用される第１温度は第２温度よりも高く、該温度でナノワイヤが成長し続ける。適切な実施形態では、第２前駆体ガスはＳｉＨ４を含み、約３００℃〜約５００℃で成長が続く。特定の実施形態では、第１温度は、第２温度よりも少なくとも約５０℃高い。低い温度でナノワイヤを成長させ続けると、金属触媒が成長するナノワイヤに拡散できる可能性が小さくなる。
【００６８】
本発明は、ナノワイヤを成長させるプロセスで任意の数の前駆体ガスを使用することを包含する。例えば、ＳｉＣｌ４を含む第１前駆体ガスを用いて、適切には約８００℃でナノワイヤの成長を開始させ、次いでＳｉＨ２Ｃｌ２を含む第２前駆体ガスを用いて、適切には約７５０℃で成長させ続けることができる。他の実施形態では、ＳｉＨ２Ｃｌ２を第１前駆体ガスとして使用することができる。次いで、ワイヤを第３前駆体ガス（例えばＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６を含む）と適切には約３００〜５００℃で接触させることができる。図２のステップ２１２に示すように、本発明の他の実施形態では、開始プロセスおよび成長プロセス中に、ナノワイヤが所望の大きさおよび配向になる（ステップ２１４で示す）まで、任意の数の前駆体ガスをナノワイヤに導入することができる。前駆体ガスを金属触媒と接触させる温度がガス混合物の解離温度よりも高く、金属触媒が液化するのに必要な温度よりも高いと、Ｓｉ（または全体で考察している他の適切な半導体材料）およびドーパントが金属触媒アロイ滴の外側に析出し続けるにつれて、ワイヤが成長し続ける。
【００６９】
特定の実施形態では、ＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６を用いてナノワイヤの成長を開始させ、次いでＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を用いて成長させ続け、基板表面の望ましくない位置および配向に成長するＳｉをＣｌによってエッチングすることができる。次いで、所望の場合には前駆体ガス混合物をＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６と交換してもよい。このような特定の実施形態では、３種のガスが保持される温度は、遊離Ｓｉ原子を液化金属触媒と混合することができる限り、同じであるか、または必要な場合には変えることもできる。本発明の他の実施形態では、必要な場合、成長を助け（例えばＳｉ）、エッチングを助け（例えばＣｌ）またはガス解離を助ける（例えばＨ）ために、遊離のＳｉ原子、Ｃｌ原子またはＨ原子を成長するナノワイヤに供給してよい。
【００７０】
全体で考察するように、本発明のプロセスで使用される前駆体ガス混合物は、ドーパントをさらに含んでよい。本発明の適切な実施形態では、それぞれの前駆体ガス混合物について同じドーピングガスを用いてワイヤを成長させることができる。このような実施形態では、得られた全ワイヤは、ドーパントの選択に依存してｐ型またはｎ型のどちらかである。本発明の他の実施形態では、異なるドーピングガスを異なる前駆体ガスの成分としてプロセス中に導入することができる。例えば、ｎ型ドーパント（例えばＰ、ＡｓまたはＳｂ）を含む前駆体ガスを用いてワイヤの成長を開始させ、次いでｐ型ドーパント（例えば、Ｂ、ＡｌまたはＩｎ）を用いた前駆体ガスを用いて成長させ続けることができる。他の実施形態では、ｐ型ドーピングガスを開始中に使用し、成長中にｎ型ドーピングガスを使用する。
【００７１】
他の実施形態では、ドーピングガスの種類は、前駆体ガスの切り替えに伴って成長プロセス全体で複数回切り替えることができる。それ故に、得られたナノワイヤは、その長さ全体にわたっていくつかの異なるドーパント部分を含むことができる。例えば、本発明によって製造されたナノワイヤは、当業者が想定するように、ｎ型の底部、ｐ型の中央部、およびｎ型の上部、または任意の適切な組み合わせを含んでいてよい。本発明のこのような実施形態は、ｐ型基板上にｎ型ワイヤが成長することを可能にし、逆も可能にする。
【００７２】
第２前駆体ガス混合物（および第３、第４、第５など）を連続的に供給すると、局所的な条件変化によって引き起こされる要望（ｄｅｓｉｒｅ）または死（ｄｅａｔｈ）によって終了するまで、ナノワイヤを成長させ続けることができる。ナノワイヤの質は、金ナノ粒子の質、基板への金ナノ粒子分布の制御、および成長条件（温度、ドーパントと前駆体ガスとの比率、前駆体ガスの分圧、および反応器中に前駆体ガスが残存する時間を含む）に依存する。本発明の適切な実施形態では、本発明のプロセスは、コンピューター制御された８インチ半導体炉を用いて達成することができる。
【００７３】
適切な実施形態では、本発明の任意のプロセスに導入される種々の前駆体ガス混合物は、プラズマ強化型スパッタ堆積（またはプラズマ強化型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ））および低温で行なわれるプロセスによって導入されてもよい。（Ｈｏｆｍａｎｎら，「Ｇｏｌｄ  Ｃａｔａｌｙｚｅｄ  Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ  ｂｙ  Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９４：６００５−６０１２（２００３）参照）。キャリアガス（例えば、Ｈ２、Ｈ２Ａｒ）の存在下でＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２をＳｉおよびＣｌに分解してＨＣｌを生成する。これにより、ＨＣｌによるエッチングとＳｉ蒸気による成長とが競争する。塩素は、Ｓｉ基板の界面にある酸化物を除去するのに役立ち、これにより配向されたＮＷの成長をもたらす。金属触媒（例えばＡｕ）がなくなると、生成可能なＡｕＣｌのエッチングまたは熱による蒸発が起こることがある。成長するＮＷに約８００℃よりも低い温度でＰＥＣＶＤを使用し、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２由来の塩素ガスを添加し、および／またはＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２の供給源とは別の供給源由来の塩素ガスを添加すると、プラズマで反応種ＳｉおよびＣｌを独立して制御し、必要なだけエッチングを促進または抑制し、ナノワイヤ成長を促進することができる。スパッタ堆積は、当業者に既知の任意の方法、例えば、ダイオード、高周波および直流による堆積によって達成することができる。
【００７４】
本発明のこれらの特定の実施形態によるケイ素ナノワイヤの直径分布は、核形成粒子、例えば金属（適切には金）ナノ粒子の直径分布によって決定される。市販の６０ｎｍ金コロイドは、±１０％の直径分布を有し得る。ナノワイヤでも同じ分布を得ることができる。金ナノ粒子は、より小さなものに分けることができ、成長条件に依存してより小さい直径のナノワイヤを得ることがある。成長条件を最適化して、この事象を最少にすることができる。一定の成長条件では、ナノワイヤの長さは、成長時間を変えることによって制御することができる。ケイ素ナノワイヤの結晶度およびドーパントの濃度も成長条件に依存する。これらの性質は、他の重要なナノワイヤの特徴とともに最適化することができる。
【００７５】
本発明の任意のプロセスによって製造されるナノワイヤは、基板材料平面の外側に適切に成長する。このような成長は、基板材料平面から任意の角度で外側に突出するナノワイヤを含む。例えば、基板材料平面に対して約１°〜約９０°の角度、およびこの間の任意の角度でナノワイヤを成長させることができる。本明細書に記載されるプロセスによって製造されたナノワイヤが基板平面から外側に突出していることは、本発明の必要事項である。すなわち、本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤは、基板材料平面から外側に単分子の寸法より長い距離延びていなければならない。この場合、本発明によって製造されるナノワイヤは、基板材料表面に広がる薄膜および量子ドットなどの構造とは区別され、基板平面から外側に、例えば１個のＳｉ分子の原子直径を超える距離を突出するように成長する。
【００７６】
適切には、本発明の任意のプロセスによって製造されるナノワイヤは、最終的な長さが約１００ｎｍ〜約１μｍ未満になるように基板材料表面の外側に突出する。このような適切な実施形態では、本発明によって製造されるナノワイヤは、最終長さが数百ｎｍになることがある。本発明のナノワイヤは、適切には、直径が少なくとも約１ｎｍ〜約１μｍ未満である。電子機器で使用するには、本発明のナノワイヤは、収集可能にするために、適切には、導電性媒体として作用するようにプラスチック基板にワイヤを配置することによって電子機器で利用可能にするために、約数ｎｍ〜数１００ｎｍの直径を有する（米国特許出願第６０／４９１，９７９号（２００３年８月４日出願、ナノワイヤの収集に関する記載は、本明細書に参考により組み込まれる）。
【００７７】
本発明の適切な実施形態では、ナノワイヤが結晶性基板（多結晶または単結晶）に成長する場合、好ましくはエピタキシャル配向で成長する。しかし、本発明は、ナノワイヤがエピタキシャル配向で成長しない結晶性基板への成長も包含する。本明細書で使用される場合、エピタキシャルという用語は、ナノワイヤの成長を指す場合、ナノワイヤが、成長する基板材料と同じ結晶性特性を有することを意味する。例えば、基板材料の配向は、当業者に既知の任意の結晶性配向、例えば、限定されないが、＜１１１＞、＜１１０＞、＜１００＞および＜２１１＞を有することができる。適切な実施形態では、本発明のプロセスによって製造されたナノワイヤを任意の結晶性配向で成長させることができ、適切には、全体で考察している配向および当業者に既知の配向を含む、基板材料と同じ配向で成長させることができる。
【００７８】
全体で考察するように、本発明のプロセスで使用可能な適切な前駆体ガスは、ＳｉＣｌ４およびＳｉＨ２Ｃｌ２を含む。これらのガスが解離すると、ガス相で遊離塩素イオン（Ｃｌ）が生成する。これらのＣｌイオンおよび／または別々の塩素ガス供給源から導入されるさらなる塩素イオンは、優先的に＜１１１＞配向である配向で成長するＳｉナノワイヤをエッチングするように作用する。
【００７９】
本発明の他の適切な実施形態では、基板材料の結晶性平面は、０°の水平面とずれた軸を有することができる。このような基板材料表面に成長するナノワイヤは、ワイヤが結晶性平面に対して法線方向になり得る（すなわち結晶性平面に対して９０°に）角度に基板材料の外側に突出することができるか、または０°水平面に対して法線方向になる結晶性平面に対してずれた軸を有することができる。
【００８０】
アモルファス基板を使用する本発明の実施形態では、本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤは、アモルファス材料が結晶性配向を有さないため、エピタキシャルに成長しない。しかし、上述のように、このような基板に成長するナノワイヤは、水平面に対して任意の角度で基板平面から外側に突出していてよい。
【００８１】
本発明のプロセスは、空間上の２点間に電子を伝え、電荷を移動させるように作用するナノワイヤを製造する。この様式で、本発明のナノワイヤは、ナノドットとは区別され、その大きさおよび配向で半導体膜とは区別される。
【００８２】
別の実施形態では、本発明は、図３で概説されているように、出発金属触媒を必要としないナノワイヤを製造するプロセスを提供する。図３は、本発明の一実施形態に係る、出発金属触媒を必要とせず、Ｓｉ前駆体の組み合わせを使用するナノワイヤを調製する方法のフローチャートである。
【００８３】
方法３００はステップ３０２から始まる。ステップ３０２では、基板材料にヒドロキシル基が導入され、核形成部位が作られる。ステップ３０４では、基板材料を第１前駆体ガス混合物と接触させ、基板材料表面に１つ以上の核を作製する（ラベル３０６で示す）。ステップ３０８では、核を第２前駆体ガス混合物と接触させ、所望の大きさおよび配向になるまで（ステップ３１４で示す）、１つ以上の核部位でナノワイヤを成長させる（ラベル３１０で示す）。
【００８４】
本発明の該プロセスは、ナノワイヤの核形成部位を得るのに金属触媒を使用する必要はなく、これにより、成長するナノワイヤに金属が拡散することによって生じる問題および注意点を排除することができる。類似のプロセスは、Ｄｅ  Ｓａｌｖｏらのナノドット形態のナノ結晶の製造（「Ｈｏｗ  ｆａｒ  ｗｉｌｌ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ  ｐｕｓｈ  ｔｈｅ  ｓｃａｌｉｎｇ  ｌｉｍｉｔｓ  ｏｆ  ＮＶＭｓ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ？」、ＩＥＥＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ，Ｓｅｓｓｉｏｎ  ２６，ｐ．１（２００３））に記載されているが、本発明のようなナノワイヤの製造にまで拡張されてはいない。
【００８５】
全体で考察するように、本発明のプロセスに任意の適切な基板材料を使用してよい。適切には、基板材料は結晶性であり、多結晶および単結晶の基板を含む。特定の実施形態では、本発明の該実施形態で利用される基板材料はケイ素を含む。本発明の他の適切な実施形態では、基板材料はアモルファス材料であり、限定されないが、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４およびアルミナが挙げられる。
【００８６】
本発明のこれらの実施形態での基板材料には、当業者に既知の任意の適切なプロセスによってヒドロキシル基を導入することができる。例えば、本発明の基板材料には、基板材料を希ＨＦ溶液で化学処理することによってヒドロキシル基を導入することができる。基板材料表面にヒドロキシル基を生成させることにより、Ｓｉまたは他の半導体材料に対する核形成点を生成させて堆積し、ナノワイヤの成長を開始する。
【００８７】
ヒドロキシル基を導入した後、基板材料を１つ以上の前駆体ガス混合物と接触させ、核形成させ、ナノワイヤの成長を開始させる。当業者に既知の任意の前駆体ガス混合物を本発明のプロセスで使用することができ、適切にはドーパントを含むことができる。本発明を実施するのに有用な前駆体ガスの例は、限定されないが、ＳｉＨ４およびＳｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４およびＳｉＨ２Ｃｌ２、好ましくはＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６を含み、これらは基板表面に粒子を核形成させ、適切な実施形態では、例えば、限定されないが、Ｂ２Ｈ６、ＴＭＢ、ＰＯＣｌ３およびＰＨ３などのドーパントをさらに含んでもよい。解離し、ナノワイヤの核が形成する温度は、全体で考察するように、前駆体ガス混合物の解離温度に依存する。適切な実施形態では、該温度は少なくとも約３００℃であるが、全体で考察しているような前駆体ガス混合物の解離温度に基づいて最適化される。特定のこのような実施形態では、第１前駆体ガス混合物はＳｉＨ４を含む。
【００８８】
核形成させ、成長が始まった後、基板材料を全体で記載しているような１つ以上の第２前駆体ガス混合物と接触させ、適切には、第２前駆体ガス混合物は、ＳｉＨ４およびＳｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２、好ましくはＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含むことができ、さらにＢ２Ｈ６、ＴＭＢ、ＰＯＣｌ３およびＰＨ３を含んでもよい。特定の実施形態では、第２前駆体ガス混合物はＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含む。このような前駆体ガスを使用することにより、結晶性基板に成長する場合、上述のような解離したＣｌによってエッチングされ、その結果＜１１１＞配向で成長させることができる。本発明の他の実施形態では、図３のステップ３１２に示されるように、開始プロセスおよび成長プロセス中に任意の数の前駆体ガスをナノワイヤに導入してもよい。ただし、１つ以上の前駆体ガスが基板表面に粒子を核形成可能であり、１つ以上の前駆体ガスが成長プロセス中に（例えばエッチングによって）ナノワイヤの配向を助ける場合に限る。さらに、ワイヤを金属触媒に接触する温度がガス混合物の解離温度よりも高ければ、ワイヤは成長し続ける。他の実施形態では、遊離Ｈ、ＣｌまたはＳｉ原子を添加して、全体で考察されるようなナノワイヤを成長させることができる。全体で考察されるように、本発明のプロセスを使用して、ナノワイヤの長さ全体に種々のドーパントおよび該ドーパントの異なる領域を含むナノワイヤを製造することができる。
【００８９】
結晶性基板を使用する本発明の実施形態では、製造されるナノワイヤは、好ましくはエピタキシャル配向で成長するが、本発明は、結晶性基板での成長がエピタキシャルでははい実施形態も包含する。本発明のプロセスは、全体で考察するように、基板材料平面から成長し、基板材料平面の外側に突出するナノワイヤを製造する。このように、本発明のナノワイヤは、このような配向で成長せず、基板材料平面にあるナノロッドとは区別される。本発明は、基板材料平面から外側に突出するＳｉ構造を提供することによって、全体で考察するような電荷を移動させるのに使用可能なナノワイヤを製造することができる。
【００９０】
一実施形態では、ナノワイヤを製造する方法は、基板材料にヒドロキシル基を導入する工程と、基板材料を基板材料表面に１つ以上の核形成した粒子を形成可能な第１前駆体ガスを含む第１前駆体ガス混合物と接触させる工程と、１つ以上の核形成した粒子を、成長するナノワイヤの配向を助ける少なくとも１つ以上の原子種を含む第２前駆体ガス混合物と接触させる工程と、１つ以上の核形成した粒子の部位でナノワイヤを成長させる工程とを含む。該実施形態の一態様では、第１前駆体ガス混合物はＳｉＨ４またはＳｉ２Ｈ６を含む。該実施形態の別の態様では、第２前駆体ガス混合物はＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２を含む。該実施形態の別の態様では、第２前駆体ガス混合物は、ＳｉＣｌ４またはＳｉＨ２Ｃｌ２ガスとは別の独立した塩素ガス供給源由来の塩素ガスを含む。該方法によってナノワイヤを製造することができる。該方法によって製造されるナノワイヤを備える電子回路を製造することもできる。
【００９１】
本発明は、本発明の任意のプロセスによって製造されるナノワイヤも提供する。全体で考察するように、本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤは、適切には、長さが少なくとも約１００ｎｍであり、直径が少なくとも約１ｎｍ〜約１μｍ未満であり、長さ全体に種々のドーパント（すなわち、ｐ型領域およびｎ型領域）を含んでよい。
【００９２】
本発明は、本発明の任意のプロセスによって製造されるナノワイヤを備える電子回路も提供する。適切には、本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤの集合体は、高性能電子機器の有用なビルディングブロックである。実質的に同じ方向に配向したナノワイヤの集合体は、高い移動値を有する。さらに、ナノワイヤは、安価な製造を可能にするために、溶液中で柔軟に製造することができる。ナノワイヤの集合体を、溶液から任意の種類の基板上に容易に集合させ、ナノワイヤの薄膜を作製することができる。例えば、半導体デバイスで使用されるナノワイヤの薄膜は、高性能電子機器で使用するために、２個、５個、１０個、１００個およびこれらの数の間の任意の個数またはそれ以上の任意の個数含むように作製することができる。
【００９３】
本発明のナノワイヤを使用し、ポリマー／有機半導体材料などの材料と組み合わせると、高性能コンポジット材料を製造することができ、該材料は、任意の種類の基板に柔軟にスピン注型することができる。ナノワイヤ／ポリマーコンポジットは、純粋なポリマー材料よりも優れた特性を与えることができる。ナノワイヤ／ポリマーコンポジットに関するさらなる詳細を以下に示す。
【００９４】
本発明のナノワイヤの集合体または薄膜は、互いに実質的に平行に整列させることができ、または整列していないかもしくはランダムな状態にしておくことができる。整列していないナノワイヤの集合体または薄膜は、ポリシリコン材料に匹敵するかまたはそれ以上の電気特性を有し、典型的には１〜１０ｃｍ２／Ｖ・ｓの範囲の移動値を有する。
【００９５】
本発明のナノワイヤの整列した薄膜は、種々の様式で得ることができる。例えば、ナノワイヤの整列した薄膜は、以下の技術を用いることによって製造することができる。（ａ）ラングミュアブロジェット（Ｌａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ）膜の整列；（ｂ）流量アプローチ（ｆｌｕｉｄｉｃ  ｆｌｏｗ  ａｐｐｒｏａｃｈ）、例えば、米国特許出願第１０／２３９，０００号（２００２年９月１０日出願（代理人整理番号０１−０００５４０）、その全体が本明細書に参考により組み込まれる）に記載されるもの；および（ｃ）機械的せん断力の適用。例えば、第１表面と第２表面との間にナノワイヤを配置し、次いでナノワイヤを整列させるために第１表面と第２表面とを反対方向に移動させることによって、機械的せん断力を利用することができる。ナノワイヤ／ポリマーコンポジットの整列した薄膜は、これらの技術を用いた後、ナノワイヤで作製した薄層表面に所望のポリマーをスピン注型して得ることができる。例えば、ナノワイヤを液体ポリマー溶液に堆積させ、これらまたは他の整列プロセスの１つによって整列させ、次いで整列したナノワイヤを硬化（例えば、ＵＶ硬化、架橋など）させることができる。ナノワイヤ／ポリマーコンポジットの整列した薄膜は、ランダムに配向しているナノワイヤ／ポリマーコンポジットの薄膜を機械的に伸ばすことによって得ることもできる。
【００９６】
本発明のプロセスによって製造されるｐドープされたナノワイヤおよびｎドープされたナノワイヤを別々に製造し、表面（例えば、マクロエレトロニック基板（ｍａｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ））に均質な混合物で堆積させることができる。肉眼で見えるレベルで、得られた材料は、ｎドーパントおよびｐドーパントを両方とも高濃度で含有しているように見える。このようなｐドープされたナノワイヤおよびｎドープされたナノワイヤの混合物を作製することによって、ｎドープされたものとしてもｐドープされたものとしても応答するマクロエレクトロニクスデバイスを製造することができる。例えば、ｎドープされたナノワイヤとｐドープされたナノワイヤとの両方を含む得られたナノワイヤの薄膜は、ｎドープされたナノワイヤとｐドープされたナノワイヤとの両方の特性を示すことができる。例えば、ダイオード、トランジスタおよび他の既知の電気機器は、ｐドープしたナノワイヤとｎドープしたナノワイヤとの組み合わせを含むように製造することができる。
【００９７】
本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤは、本明細書に記載されるようなナノワイヤへテロ構造を用いて、ｐ−ｎダイオード、トランジスタおよび他の種類の電気機器などの電気機器を製造するのに使用することもできる。ナノワイヤヘテロ構造は、ナノワイヤの長さに沿って複数のｐ−ｎ接合を含み、別個にドープされた長さに沿った部分またはセグメントを交互に含むことができる。
【００９８】
ナノワイヤの合成方法
図４は、本発明の一実施形態に係るナノワイヤ合成方法４００のフローチャートである。方法４００は、図４Ａに示されるように、合成容器４５５を用いてナノワイヤを合成する方法を提供する。一実施形態では、合成容器４５５は密閉した石英管である。合成容器４５５は、限定されないが、管、ピペットなどであってよい。合成容器４５５の寸法は、使用者の特定の製造要望を満たすように変えることができる。実験室規模の操作では、合成容器４５５の寸法は、典型的には、長さが６〜１８インチであり、直径が０．５〜１インチである。方法４００はステップ４１０から始まる。ステップ４１０では、顆粒前駆体材料を合成容器の一端に温度Ｔ１で配置する。例えば、図４Ａを参照すると、前駆体材料４７０を合成容器４５５の末端４６０に配置する。顆粒前駆体材料の例としては、限定されないが、Ｓｉ、ＣｄＳおよびＧａＮを挙げることができる。Ｔ１は、顆粒前駆体材料の種類の関数である。例えば、顆粒前駆体材料がＣｄＳである場合、Ｔ１は約８００〜９５０℃の範囲であり得る。この例では、Ｔ２はＴ１よりも約５０℃低く、本明細書の教示に基づいて関連技術の当業者によって知られるように、この関係は移動機構および移動剤の種類によって若干変動する。
【００９９】
ステップ４２０では、基板に担持された触媒粒子を合成容器の他端に温度Ｔ２で配置する。例えば、図４Ａを参照すると、基板４７０に担持された触媒粒子を合成容器４５５の末端４６５に配置する。例示的な実施形態では、顆粒前駆体材料としてＳｉが使用される場合、触媒粒子はＡｕを含むことができる。顆粒前駆体材料としてＧａＮが使用される場合、触媒粒子はＮｉを含むことができる。
【０１００】
ステップ４３０では、合成容器の一端から他端に材料を移動させる。一実施形態では、熱による蒸発を利用して顆粒前駆体材料（例えば顆粒前駆体材料４７０）を容器の他端に移動させる。別の実施形態では、化学気相移動剤を使用して顆粒前駆体材料を移動させることができる。化学気相移動剤としては、限定されないが、塩素、ヨウ素および臭素を挙げることができる。
【０１０１】
ステップ４４０では、移動剤を顆粒前駆体材料と反応させナノワイヤを作成する。特に、移動剤をＴ１で顆粒前駆体材料と反応させて揮発性化合物を形成し、これがＴ２で触媒粒子表面に拡散し、分解してナノワイヤを成長させる。同時に、移動剤が再生し、さらなるナノワイヤを製造する別のサイクルの準備が完了する。成長サイクルは、プロセスが終了するまで続く。
【０１０２】
ナノワイヤのドープ方法
図５は、本発明の一実施形態に係るナノワイヤをドープする方法５００のフローチャートである。方法５００は方法４００と類似しており、方法４００でなされるナノワイヤの合成の代わりに、方法４００の該合成と類似したアプローチをナノワイヤのドープのために使用する。方法５００はステップ５１０から始まる。ステップ５１０では、ドーパント前駆体材料を合成容器の一端に温度Ｔ１で配置する。ドーパント前駆体材料の例としては、限定されないが、Ｍｇ、ＢおよびＰＯ４を挙げることができる。
【０１０３】
ステップ５２０では、ナノワイヤを合成容器の他端に温度Ｔ２で配置する。ナノワイヤの例としては、限定されないが、ＧａＮナノワイヤおよびＳｉナノワイヤを挙げることができる。ステップ５３０では、材料を合成容器の一端から他端に移動させる。一実施形態では、熱による蒸発を利用してドーパント前駆体材料を容器の他端に移動させる。別の実施形態では、化学気相移動剤を使用してドーパント前駆体材料を移動させることができる。化学気相移動剤としては、限定されないが、塩素および臭素を挙げることができる。前駆体ドーパント材料としてホスフェートを使用する場合、ホスフェートは化学気相移動剤としても役立ち得る。
【０１０４】
ステップ５４０では、移動剤を顆粒前駆体材料と反応させナノワイヤを作成する。特に、移動剤をＴ１で顆粒前駆体材料と反応させて揮発性化合物を形成し、これがＴ２でナノワイヤ表面に拡散し、分解してナノワイヤを成長させる。同時に、移動剤が再生し、さらなるナノワイヤをドープする別のサイクルの準備が完了する。成長サイクルは、プロセスが終了するまで続く。
【０１０５】
上述の方法は、顆粒ドーパント前駆体材料を第１温度で容器の一端に配置する工程と、第２温度で容器の他端にナノワイヤを配置する工程と、顆粒ドーパント前駆体材料を容器の一端から容器の他端に移動させる工程と、顆粒ドーパント前駆体材料をナノワイヤと反応させてドープされたナノワイヤを作製する工程とを含む、ナノワイヤをドープする方法としてまとめることができる。熱による蒸発を利用して顆粒ナノワイヤ前駆体材料を移動させることができる。化学気相移動剤を使用して顆粒ナノワイヤ前駆体材料を移動させることができる。化学気相移動剤は、塩素、ヨウ素および臭素のうちの１つであってよい。顆粒ドーパント前駆体材料はＭｇであることができ、ナノワイヤはＧａＮであることができる。ナノワイヤはＳｉであることができ、顆粒ドーパント前駆体材料はＢであることができる。
【０１０６】
ナノワイヤの質を高める方法
図６は、本発明の一実施形態に係る、ナノワイヤ構造のダングリングボンドによる表面状態を減らす方法６００のフローチャートである。ナノワイヤ（例えばＳｉナノワイヤ）の成長では、ダングリングＳｉボンドは、Ｓｉナノワイヤと、ナノワイヤの性能を阻害する誘電体との界面で生成することが多い。この問題に対処するために、Ｓｉナノワイヤ加工中に水素によって不動態化し、ダングリングボンドによる表面状態を減らすことが多い。しかし、水素プラズマは、加工中に表面に損傷を与えることがある。方法６００は、ダングリングボンドの表面状態を減らすために不動態化を利用しつつ、犠牲層を使用してナノワイヤを保護するアプローチを記載する。
【０１０７】
方法６００はステップ６１０から始まる。ステップ６１０では、ナノワイヤ構造を作製する。ステップ６２０では、ナノワイヤ構造体に犠牲層を堆積させる。例えば、図７は、本発明の一実施形態に係る、犠牲層でコーティングされたナノワイヤ構造の図である。ナノワイヤ構造は、ナノワイヤ７１０と、誘電体７２０と、ゲート７３０と、犠牲層７４０とを備える。誘電体７２０はナノワイヤ７１０を覆っており、ゲート７３０は誘電体７２０を覆っている。犠牲層７４０はゲート７３０を覆っている。ナノワイヤ構造全体が基板７５０に作製されている。代替的な実施形態では、ナノワイヤ構造は、基板７５０に形成されたナノワイヤ（例えばナノワイヤ７１０）のみを備えることもできる。犠牲層７４０は、限定されないが、ＳｉＯ２またはＳｉＮを含むことができる。誘電体７２０は、限定されないが、ＳｉＯ２またはＳｉＮを含むことができる。ゲート７３０は、ドープされたアモルファスＳｉを含むことができるが、ドープされたアモルファスＳｉに限られない。さらに、基板７５０はＳｉを含むことができるが、Ｓｉに限られない。
【０１０８】
ステップ６３０では、犠牲層（例えば犠牲層６４０）を備えるナノワイヤ構造が不動態化される。一実施形態では、水素による不動態化を利用することができる。ステップ６４０では、犠牲層を化学的に除去する。一実施形態では、本明細書の教示に基づいて関連分野の当業者によって知られるように、ウェットエッチャントを用いた選択的なエッチングを利用して犠牲層を化学的に除去することができる。使用される特定のウェットエッチャントは、犠牲層内の特定の材料およびナノワイヤの種類に基づいて選択される。
【０１０９】
デバイス調製のために基板でナノワイヤを直接修飾する方法
別の実施形態では、本発明は、デバイス調製のために基板表面でナノワイヤを直接修飾可能なプロセスを提供する。好ましくは、該プロセスで使用されるナノワイヤは、実質的に垂直なナノワイヤである。垂直なナノワイヤは、ナノワイヤが成長または堆積する基板表面に対して実質的に垂直なナノワイヤを包含する。適切には、垂直なナノワイヤは、基板の水平面に対して約４５°〜約９０°に、より適切には約６０°〜約９０°に、最も適切には約８０°〜約９０°になるように配向する。このようなナノワイヤは、当該技術分野で既知の任意の適切なナノワイヤ成長プロセス（本明細書に開示されるものを含む）を用いて製造することができる。本明細書に開示される任意の基板材料をナノワイヤ成長の土台として使用することができるが、適切には基板材料は単結晶または多結晶であり、その結果、基板からの成長によって、配向した、まっすぐな単結晶の寸法のワイヤ（適切にはエピタキシャルに配向したナノワイヤ）が生成する。他の実施形態では、ナノワイヤは水平であることもでき、例えば、米国仮特許出願第６０／６３２，３３７号（２００４年１２月２日出願、開示内容全体は本明細書に参考により組み込まれる）に開示されている。さらなる実施形態では、成長基板表面でナノワイヤを加工した後、ナノワイヤをポリマーでコーティングしてコンポジットを生成させ、次いでナノワイヤを基板から取り外すことによって、ナノワイヤを基板から取り外すことができる。
【０１１０】
一実施形態では、本発明は、垂直配向で表面に付着したナノワイヤを備える基板を提供する工程と、ナノワイヤ表面に誘電体を堆積させる工程と、１つ以上のナノワイヤ接点をナノワイヤ表面に堆積させる工程と、ナノワイヤを覆うように材料を堆積させてナノワイヤコンポジットを形成する工程と、ナノワイヤコンポジットを基板から分離する工程とを含む、ナノワイヤデバイスを製造するプロセスを提供する。次いで、ナノワイヤコンポジットを第２基板に移し、第２基板でナノワイヤを金属化することができる。
【０１１１】
当業者に既知かまたは必要とされる任意の基板上での加工は、実質的に垂直なナノワイヤで行なうことができる。別個に配向した垂直のナノワイヤを提供することによって、ワイヤのデバイス加工が単純化され、改良される。特定の実施形態では、誘電層をワイヤに直接成長させるかまたは堆積させることができる。ナノワイヤを酸化するか、または誘電層を形成することによって誘電層を形成することができる。本発明で使用するポリマー誘電体としては、例えば、ポリイミド、フッ素化ポリイミド、ポリベンズイミダゾールなどが挙げられる。本発明で使用する誘電体としては、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３および類似の材料が挙げられる。窒化物の誘電体としては、ＡｌＮおよびＳｉＮが挙げられる。ワイヤが実質的に個々に分離している場合、ワイヤの重複部分がコーティングされないという恐れもなく、各ワイヤを誘電材料で完全にコーティングすることができる。加えて、さらなる加工としては、ナノワイヤの酸化または窒化を挙げることができる。ナノワイヤの窒化は、ナノワイヤの酸化で使用されるプロセスと同様のプロセスで達成することができる。化学気相堆積（ＣＶＤ）、液層オーバーコーティングによって、または適切な前駆体を基板上にスピンコーティングすることによって、これらの材料をナノワイヤに適用することができる。例えば、スパッタリングなどの他の既知の技術を使用することができる。
【０１１２】
他の実施形態では、インプラント（例えばゲート電極）をナノワイヤに追加することができる。ナノワイヤ接点（ソース、ドレインおよびゲートを含む）は、例えば標準的なフォトリソグラフィ、インクジェット印刷またはマイクロコンタクト印刷プロセスを用いて、または例えば全体で記載するような他のプロセスによって基板表面にパターン形成することができる。
【０１１３】
図８は、本発明の一実施形態に係るナノワイヤ加工を示す図である。図８に示すように、実質的に垂直なナノワイヤ８０４には、例えば、その上に誘電層８１２および／または金属接点８０８を堆積させてよい。次いで、ナノワイヤをポリマー８０６で包み込み、ポリマーとナノワイヤとを含むコンポジットを製造することができる。ナノワイヤ全体または一部分を覆うことによって、種々の密度のナノワイヤを含むコンポジットを製造することができる。垂直に成長したナノワイヤは、適切には、成長時間および条件を制御するために、最終的な長さが同じである。加えて、垂直なナノワイヤは成長中にすでに実質的に整列しており、配向しているため、特に、多結晶または単結晶の基板８０２から成長させる場合には、ナノワイヤをさらに整列させる必要はない。ポリマーコンポジットを作製すると、いくつかのナノワイヤを一緒に取り外し、次いで第２、第３、第４などの基板材料に移動することができ、その場所で金属接点を追加するか、またはさらなる加工を行なうことができる。
【０１１４】
ナノワイヤコンポジットを作製するのに使用する適切なポリマーとしては、限定されないが、エラストマー、熱可塑性プラスチックおよび熱硬化性樹脂が挙げられる。有用なポリマーとしてはオリゴマーが挙げられ、限定されないが、モノマー、ダイマー、トリマー、テトラマー、ペンタマー、ヘキサマー、ヘプタマー、オクタマー、ノナマー、デカマー、ウンデカマーおよびドデカマー、ならびにポリマーの分枝形態、超分枝形態、デンドリマーおよび他の非線形構造、フェノキシおよびエポキシプレポリマーなどのプレポリマー、相互貫入および半貫入網状ポリマーなどの網状ポリマー、ホモポリマー、コポリマー、ターポリマー、およびランダム、統計学的、交互、ブロックおよびグラフトコポリマーを含む他のコポリマー、および２つ以上の異なるポリマーのブレンドが挙げられる。ナノワイヤコンポジットに使用するポリマーの特定の例としては、限定されないが、ポリアルカン、ポリハロアルカン、ポリアルケン、ポリアルキン、ポリケトン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアリーレン、ポリアリールビニレン、ポリヘテロアリーレン、ポリヘテロアリールビニレン、ポリエステル、ポリエーテル、ポリウレタン、ポリベンズイミダゾール、ポリスルフィド、ポリシロキサン、ポリスルホン、多糖、ポリペプチド、ポリホスファゼン、ポリホスフェート、フェノール樹脂およびフェノール−ホルムアルデヒド樹脂、エポキシおよびフェノキシ樹脂、尿素−およびメラミン−ホルムアルデヒド樹脂が挙げられる。このようなコンポジットおよびその調製方法は、米国特許出願第１０／９１０，８００号（２００４年８月４日出願、本明細書に内容全体が参考により組み込まれる）に開示されている。
【０１１５】
適切な実施形態では、ポリマーコンポジットは、少なくとも２つの異なるポリマーの混合物を含み、特定の実施形態では、少なくとも２つのエポキシポリマーの混合物を含む。
【０１１６】
基板８０２からのポリマー−ナノワイヤコンポジット８１０の除去は、任意の適切な方法、例えば、機械的な分離（例えば、刃で切断またはナノワイヤを基板から引き剥がす）、ウェットまたはドライエッチングを含む化学的分離、または機械化学的研磨によって達成することができる。適切なエッチング剤としては、限定されないが、ＫＯＨ、ＸｅＦ２およびフッ化水素酸が挙げられ、これらをＨＮＯ３またはＨ２ＳＯ４などの酸化剤と組み合わせることができる。本発明の他の実施形態では、除去可能な層によって基板材料からナノワイヤを分離することができる。ポリマー−ナノワイヤコンポジットを作製した後、除去可能な層を取り外すことができる。例えば、除去可能な層を溶媒によって溶かすことができる。該溶媒は、除去可能な層を溶解するが、ポリマー−ナノワイヤコンポジットまたは除去可能な層の下にある基板を溶解しない。他の実施形態では、除去可能な層は光除去可能な層であることができ、紫外線または他の適切な波長の光を使用して除去可能な層を除去し、ポリマー−ナノワイヤコンポジットを基板から分離することができる。光除去可能な層の例は、紫外線存在下で破壊し、分解する基板である。適切には、ナノワイヤを包み込むのに使用されるコンポジット材料を硬化させた後、基板からナノワイヤを除去する。
【０１１７】
ポリマー−ナノワイヤコンポジットを除去した後、コンポジットを第２基板に移動させ、さらに加工することができる。例えば、第２基板は、ナノワイヤのドーピングを行うことができるほどの高温に耐えられるように選択することができる。ナノワイヤをドープする方法は当該技術分野で周知であり、該方法を使用して、本発明のナノワイヤおよびポリマー−ナノワイヤコンポジットをドープすることができる。
【０１１８】
図９は、本発明の一実施形態に係る移動後のナノワイヤの加工を示す図である。図９に示すように、ポリマー−ナノワイヤコンポジット８１０をさらなる基板９０２に移し、ナノワイヤを金属化し（９０４）、デバイス領域（例えば、ゲイン、ソース、ゲート）に導電性を与えることができる。このような実施形態では、ソース電極９０６とドレイン電極９０８との間を、ゲート電極９１０の一部分の上を通ってナノワイヤ８０４で接続することができる。他の実施形態では、ソース電極およびドレイン電極を加えることができ、抵抗接点をワイヤ表面に作製することができる。ワイヤが金属接点によってさらに「固定される」と、当該技術分野で知られるゲートアイソレーションおよび金属加工のステップを利用してナノワイヤの調製を終えることができる。このような加工によって、ウェハは、同じベース基板に複数の半導体デバイスを備えることができる。他の実施形態では、このような加工を成長基板８０２で直接行なうことができ、ナノワイヤコンポジットの除去後、ナノワイヤ加工の全てまたは実質的に全てを初期の成長基板８０２で調製する。
【０１１９】
本発明によって調製された半導体デバイスは、導電性を付与するように形成された任意の数の接点領域を有することができる。例えば、アノードおよびカソード電極は、ダイオードまたは他の二端子デバイスを用いて作製することができる。他の半導体デバイスには、さまざまな数の接点領域を形成することができる。本発明のプロセスおよびナノワイヤを用いて半導体デバイスを調製する適切な方法は、米国特許出願第１０／６７４，０６０号（２００３年９月３０日出願、本明細書で内容全体が参考により組み込まれる）に開示されている。
【０１２０】
本発明に従って種々の接点領域を作製することができる。接点領域は抵抗接点であっても非抵抗接点であってもよい。例えば、非抵抗ショットキーダイオード障壁接点を電極として使用することができる。ショットキーダイオード障壁接点は、高品質のゲート誘電体を製造するのが困難な場合、一般的にＩＩＩ〜Ｖ半導体材料に使用される。当業者にとっては明らかなように、ソース電極、ゲート電極およびドレイン電極を導電性材料（例えば、金属、アロイ、シリサイド、ポリシリコン、これらの組み合わせなど）から作製する。ゲート、ソースおよびドレインがパターン形成される順序を変えることができることを注記しておく。例えば、ゲート、ソースおよびドレインを同時にパターン形成してよく、または異なる時間にパターン形成してもよい。
【０１２１】
信頼性の高い抵抗接点をナノワイヤで製造することは、接点領域が小さく、界面状態が複雑であるため、困難である。金属接点とケイ素との界面の化学および物理学は、抵抗接点に関する重要な技術領域である。成功するポイントは、金属化プロセスと、金属化前の表面洗浄プロセスとを精密に制御することである。適切な金属化スキームは、電子線（ｅ線）によるＴｉ−Ａｕ、ＮｉおよびＡｌの蒸発を含む。種々のさらなるプロセス（イオン銃による洗浄またはＨＦエッチングを含む）を利用して、ソース−ドレイン電極を金属化する前に表面誘電体を除去してもよい。
【０１２２】
本発明の一実施形態では、ナノワイヤデバイスを製造する方法は、基板に対して垂直な方向で表面に付着したナノワイヤを備える基板を提供する工程と、ナノワイヤ表面に誘電層を堆積させる工程と、ナノワイヤ表面に１つ以上のナノワイヤ接点を堆積させる工程と、ナノワイヤを覆うように材料を堆積させてナノワイヤコンポジットを作製する工程と、基板からナノワイヤコンポジットを分離する工程とを含む。該方法は、ナノワイヤコンポジットを第２基板に移す工程をさらに含んでもよい。該方法は、ナノワイヤを金属化する工程をさらに含んでもよい。該方法では、基板は、結晶または多結晶であることができる。該方法では、材料はポリマーであることができ、例えば、エラストマー、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であってもよい。該方法では、該材料は、少なくとも２つ以上の異なるポリマーの混合物を含むことができる。該方法では、該材料は、少なくとも２つのエポキシポリマーの混合物を含むことができる。該方法では、該材料は、ナノワイヤを覆うように材料を堆積させた後に硬化させてナノワイヤコンポジットを作製し、その後にナノワイヤコンポジットを基板から分離することができる。該方法では、ナノワイヤコンポジットを基板から分離する工程は、刃を用いる工程またはナノワイヤコンポジットを基板から化学的にエッチングする工程を含む。
【０１２３】
ナノワイヤを収集する方法
図１０は、本発明の一実施形態に係る、犠牲部分を用いてナノワイヤを収集する方法１０００のフローチャートである。ナノワイヤを、現時点で、ナノワイヤの成長を開始させるために触媒コロイドを用いて基板に成長させる。高品質のナノワイヤを安定して成長させ、収集する能力を制限する問題として、ワイヤを物理的に損傷（例えば破壊）せずに基板からナノワイヤを除去する能力がある。現在の除去方法は、超音波および機械的せん断力を利用する工程を含む。しかし、これらの工程は、ナノワイヤのランダムな破壊を引き起こし、ナノワイヤの長さの不均一な分布を生じてしまうという問題点がある。
【０１２４】
以下に提供する方法１０００、１２００、１３００、１５００および１６００は、この問題に対処する方法について記載している。特に、方法１０００は、ナノワイヤの犠牲部分を利用してナノワイヤを有効に除去する方法である。
【０１２５】
方法１０００はステップ１０１０から始まる。ステップ１０１０では、ナノワイヤの所望の部分を成長させる。一実施形態では、Ａｕコロイドを使用して、ナノワイヤの所望の部分を成長させる。ステップ１０２０では、所望の部分とは異なる性質を有するナノワイヤの犠牲部分を成長させる。図１１は、本発明の一実施形態に係る、ナノワイヤの所望の部分および犠牲部分を有するナノワイヤを示す。特に、図１１は、以下に記載される犠牲部分１１１０と、所望の部分１１２０と、スタブ１１３０という３つの部分を備えるナノワイヤを示しており、該ナノワイヤは基板１１４０に成長している。
【０１２６】
一実施形態では、ナノワイヤの犠牲部分および所望の部分に異なるアロイを使用することで性質の差をつけてもよい。例えば、犠牲部分はＳｉＧｅであり、所望の部分はＳｉであってもよい。
【０１２７】
別の実施形態では、ナノワイヤの犠牲部分と所望の部分とでドーピングが異なっていてよい。例えば、犠牲部分をｎドープし、所望の部分をｐドープしてもよい。代替的には、犠牲部分をｐドープし、所望の部分をｎドープしてもよい。同様に、犠牲部分をドープせず、所望の部分をｐ−ドープまたはｎ−ドープしてもよい。
【０１２８】
ナノワイヤの所望の部分と犠牲部分とに異なるアロイを使用する実施形態では、ナノワイヤの犠牲部分を成長させるためにＡｕアロイを使用することができる。Ｓｉナノワイヤを成長させ、収集する場合、Ａｕアロイは、限定されないが、ＡｕＧｅまたはＡｕＳｉＧｅを含んでいてもよい。一実施形態では、ナノワイヤの犠牲部分はＳｉＧｅを含み、所望の部分はＳｉを含んでもよい。該実施形態では、例えば、Ａｕをステップ１０１０で使用し、ＡｕＧｅをステップ１０２０で使用してナノワイヤの成長を刺激する。
【０１２９】
ナノワイヤの犠牲部分がｐドープされ、ナノワイヤの所望の部分がｎドープされる実施形態では、ナノワイヤの犠牲部分の成長中に、ホウ素ＮＷＳをドーパントとして使用することができる。
【０１３０】
ステップ１０３０では、ナノワイヤの所望の部分が保護される。一例では、フォトレジストをナノワイヤの所望の部分に適用し、ナノワイヤを保護することができる。代替的な実施形態では、ナノワイヤの所望の部分は保護されない。
【０１３１】
ステップ１０４０では、ナノワイヤの犠牲部分を別個に除去する。ナノワイヤの所望の部分内の材料よりも犠牲部分内の材料に対して顕著に速いエッチング速度を有するウェットエッチャントを用いて、ナノワイヤの犠牲部分を別個に除去することができる。例えば、所望の部分がＳｉである場合、フッ化水素−過酸化物−酢酸（１  ＨＦ：２  Ｈ２Ｏ２：３  ＣＨ３ＣＯＯＨ）を用いて、ＳｉＧｅを含有する犠牲部分を除去することができる。該エッチャントを用いると、エッチャントがＳｉＧｅアロイを除去し、所望の部分のＳｉ表面で効率よく停止する。本明細書の教示に基づいて関連分野の当業者にはわかるように、他のエッチャントを使用することができる。
【０１３２】
代替的な実施形態では、ナノワイヤの犠牲部分がドーパントとしてホウ素ＮＷＳを用いてｐドープされ、ナノワイヤの所望の部分がｎドープされる場合のエッチャントの例としては、限定されないが、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）およびエチレンジアミン／ピロカテコール／水（ＥＤＰ）を挙げることができる。これらのエッチャントは、例えばＳｉナノワイヤを使用する場合、所望の部分のエッチング速度と比較すると２７：１から５００：１より大きい範囲の速度で、ナノワイヤの犠牲部分をエッチングする。該範囲は、当業者には知られているように、特定のエッチャントおよび温度に依存する。
【０１３３】
ステップ１０５０では、ナノワイヤの先端のスタブを除去する。典型的には、該スタブは、ナノワイヤ成長を開始させるのに使用する触媒の残渣および望ましくない副生成物である。除去方法は、関連分野の当業者に既知である。ステップ１０６０で方法１０００が終了する。
【０１３４】
図１２は、本発明の一実施形態に係る、ＰＮ接合を監視しつつナノワイヤを収集する方法１２００のフローチャートである。方法１２００は、方法１０００に記載されるのとは異なるドーピングレベルに関する実施形態に類似する。しかし、方法１２００では、ナノワイヤの犠牲部分と所望の部分との間に発生するＰＮ接合を通るリーク電流を監視し、犠牲部分が首尾よくエッチングされるときを判断する。
【０１３５】
方法１２００はステップ１２１０から始まる。ステップ１２１０では、ナノワイヤの所望の部分を成長させる。ステップ１２２０では、ナノワイヤの犠牲部分を成長させる。所望の部分を成長させ、所望の部分を犠牲部分とは別個にドープする。ステップ１２３０では、ナノワイヤの所望の部分を保護する。一実施形態では、フォトレジストをナノワイヤの所望の部分に適用することができる。ステップ１２４０では、ナノワイヤの犠牲部分を方法１０００のステップ１０４０に記載されたのと類似の様式で別個にエッチングする。ステップ１２５０では、ナノワイヤの所望の部分と犠牲部分との間に発生するＰＮ接合のリーク電流を監視する。ステップ１２４０および１２５０は同時進行する。ステップ１２６０では、電流が急に上昇することは、犠牲部分が首尾よくエッチングされたことを示すので、この時点でエッチングを終了する。ステップ１２７０で方法１２００が終了する。
【０１３６】
図１３は、本発明の一実施形態に係る、ナノワイヤ成長基板上の犠牲金属層を用いてナノワイヤを収集する方法１３００のフローチャートである。図１４は、例えば、ナノワイヤ（例えば、犠牲金属層１４３０に成長したナノワイヤ１４１０）の成長を示す。酸化ケイ素層１４２０の上部に犠牲金属層１４３０を積層させる。
【０１３７】
方法１３００はステップ１３１０から始まる。ステップ１３１０では、ナノワイヤ成長基板を選択する。ステップ１３２０では、ナノワイヤ成長基板に酸化物層または窒化物層（例えば酸化ケイ素層１３２０）を配置する。ステップ１３３０では、金属層（例えば金属層１４３０）を窒化物層または酸化物層に配置する。金属層は、限定されないが、Ａｕ、Ａｌ、ＴｉまたはＣｒを含むことができる。
【０１３８】
ステップ１３４０では、本明細書の教示に基づいて関連分野の当業者には知られているように、金属層表面にナノワイヤを成長させる。ステップ１３５０では、金属層を除去する。一実施形態では、金属触媒を除去するが、ナノワイヤに影響を与えない金属エッチャントを使用する。ステップ１３６０では、窒化物層または酸化物層を除去する。金属層を除去する場合と同様に、窒化物層または酸化物層を除去するが、ナノワイヤに影響を与えないエッチャントを使用する。該層を除去することによって、ナノワイヤを放出させ、収集することができる。ステップ１３７０で方法１３００が終了する。
【０１３９】
図１５は、本発明の一実施形態に係る、非Ｓｉ基板を用いてＳｉナノワイヤを成長させる場合にＳｉナノワイヤを収集する方法１５００のフローチャートである。方法１５００はステップ１５０５から始まる。ステップ１５０５では、非Ｓｉ基板を選択する。非Ｓｉ基板として使用可能な材料の例としては、高温金属、Ｇｅおよび石英が挙げられる。ステップ１５１０では、非Ｓｉ基板でＳｉナノワイヤを成長させる。ステップ１５２０では、Ｓｉナノワイヤが保護される。一実施形態では、Ｓｉナノワイヤをフォトレジストでコーティングする。代替的な実施形態では、Ｓｉナノワイヤは保護されない。ステップ１５３０では、非Ｓｉ基板を選択的にウェットエッチングしてＳｉナノワイヤを放出させる。ステップ１５４０で方法１５００が終了する。
【０１４０】
図１６は、本発明の一実施形態に係る、異なる配向を有するナノワイヤ成長基板を用いる場合に、１つの配向を有するナノワイヤを収集する方法１６００のフローチャートである。図１７は、本発明の一実施形態に係る、異なる配向を有するナノワイヤ成長基板１７１０に成長する１つの配向を有するナノワイヤ１７２０の図を提供する。図１７は、エッチングしてナノワイヤ１７２０を遊離させる、ナノワイヤ成長基板１７１０の一部分１７３０を示す。一実施形態では、ナノワイヤ１７２０は、ミラー指数が＜１１１＞であるように原子が配向したＳｉであってよい。ナノワイヤ成長基板は、ミラー指数が＜１００＞であるように原子が配向したＳｉであってもよい。代替的な実施形態では、Ｓｉ原子は、ナノワイヤ１７１０内ではミラー指数が＜１１１＞であり、Ｓｉナノワイヤ成長基板内のＳｉ原子はミラー指数が＜１１０＞であってもよい。
【０１４１】
方法１６００はステップ１６１０から始まる。ステップ１６１０では、ナノワイヤ成長基板は、第１配向を有するように選択される。例えば、＜１００＞または＜１１１＞の配向を有するナノワイヤ成長基板１７１０を使用することができる。ステップ１６２０では、ナノワイヤ成長基板でナノワイヤを成長させる。ステップ１６２０で成長したナノワイヤは、ナノワイヤ成長基板の配向とは異なる配向を有する。例えば、＜１１１＞の配向を有するナノワイヤ１７２０を成長させることができる。ステップ１６３０では、ナノワイヤが保護される。一実施形態では、フォトレジストをナノワイヤ（例えばナノワイヤ１７２０）に適用してよい。ステップ１６４０では、ナノワイヤ成長基板を別個にエッチングしてナノワイヤを遊離させる。例えば、一実施形態では、ウェットエッチャント（限定されないが、ＫＯＨまたはＴＭＡＨを含む）を使用してナノワイヤ成長基板１６１０を別個にエッチングすることができる。ステップ１６５０で方法１６００が終了する。
【０１４２】
本発明の別の実施形態では、ナノワイヤを収集する方法は、ナノワイヤの所望の部分を成長させる工程と、ナノワイヤの所望の部分とは異なる性質を有するナノワイヤの犠牲部分を成長させる工程と、ナノワイヤの犠牲部分を別個に除去する工程と、ナノワイヤの所望の部分から成長スタブを除去する工程とを含む。該方法は、ナノワイヤの所望の部分を保護する工程をさらに含んでよい。該方法では、Ａｕアロイ（例えばＡｕＧｅまたはＡｕＳｉＧｅ）を使用してナノワイヤの犠牲部分を成長させることができる。該方法では、ナノワイヤの犠牲部分はＳｉＧｅを含んでいてよく、所望の部分はＳｉを含んでいてよい。該方法では、ナノワイヤの犠牲部分を別個に除去する工程は、ウェットエッチャントを用いて選択的に化学的にエッチングしてナノワイヤの犠牲部分を除去する工程をさらに含んでよい。一実施形態では、ウェットエッチャントはフッ化水素−過酸化物−酢酸（１  ＨＦ：２  Ｈ２Ｏ２：３  ＣＨ３ＣＯＯＨ）であってよい。
【０１４３】
本発明の別の実施形態では、ナノワイヤを収集する方法は、ｎドープまたはｐドープされたナノワイヤの犠牲部分を成長させる工程と、ドープされていないか、またはナノワイヤの犠牲部分とは反対にドープされたナノワイヤの所望の部分を成長させ、ナノワイヤの犠牲部分とナノワイヤの所望の部分との接点でナノワイヤ内にＰＮ接合を作製する工程と、ナノワイヤの犠牲部分を別個にエッチングする工程と、ナノワイヤの犠牲部分と所望の部分との間のＰＮ接合でのリーク電流を監視する工程と、ＰＮ接合を流れるリーク電流が急に上昇したらエッチングを終了する工程とを含む。
【０１４４】
本発明の一実施形態では、ナノワイヤを収集する方法は、ナノワイヤ成長基板を構築する工程と、ナノワイヤ成長基板に窒化物層または酸化物層を形成する工程と、酸化物層または窒化物層の上部に金属層を形成する工程と、ナノワイヤを成長させる工程と、金属層を除去する工程と、酸化物層または窒化物層を除去してナノワイヤを遊離させる工程とを含む。該方法では、Ａｕ、Ａｌ、ＴｉまたはＣｒを用いて金属層を形成することができる。該方法では、ナノワイヤをエッチングしない金属エッチャントを使用する。該方法では、酸化物層または窒化物層を除去する場合、ナノワイヤをエッチングしないエッチャントを使用する。
【０１４５】
本発明の一実施形態では、第１材料のナノワイヤを収集する方法は、第２材料の基板を構築する工程と、第２材料の基板に第１材料のナノワイヤを形成する工程と、第１材料のナノワイヤを保護する工程と、第２材料の基板を選択的にウェットエッチングして、第１材料のナノワイヤを除去する工程とを含む。該方法では、第１材料はＳｉであり、第２材料は高温金属であってよい。該方法では、第２材料はゲルマニウムであってよい。該方法では、ナノワイヤはＳｉであり、ＳｉＧｅスタブが成長開始時に生成し、エッチング後のナノワイヤの長さを制御する。該方法では、第２材料は石英であってよい。
【０１４６】
本発明の一実施形態では、第１配向を有する第１材料を有するナノワイヤを収集する方法は、第２配向を有する第２材料の基板を構築する工程と、第２配向を有する第２材料の基板で第１配向を有する第１材料のナノワイヤを成長させる工程と、第１配向を有する第１材料のナノワイヤを保護する工程と、第２配向を有する第２材料の基板の配向に基づいて選択的にウェットエッチングし、第１配向を有する第１材料のナノワイヤを遊離させる工程とを含む。該方法では、第１材料はＳｉであり、第２材料もＳｉであってよく、第１結晶配向は＜１１１＞であり、第２配向は＜１００＞である。該方法では、第２配向を有する第２材料の基板を選択的にウェットエッチングする工程は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）を使用する工程を含む。
【０１４７】
テフロン（登録商標）様のコーティング表面を用いて第１基板から第２基板にナノワイヤを移動させる方法
図１８は、本発明の一実施形態に係る、第１基板から第２基板にナノワイヤを移動する方法１８００のフローチャートである。図２０Ａおよび２０Ｂを参照しながら方法１８００を記載する。図２０Ａは、本発明の一実施形態に係る、ナノワイヤ２０２０を備える第１基板２０１０と、非粘着性コーティング２０３０を備える移動基板２０４０との図である。図２０Ｂは、本発明の一実施形態に係る、デバイス基板２０５０と、ナノワイヤ２０２０を移動させるための非粘着性コーティング２０３０を備える移動基板２０４０との図である。デバイス基板２０５０は、ナノワイヤ配置領域（例えばナノワイヤ配置領域２０６０）を備えており、この領域にナノワイヤが配置される。他の実施形態では、ナノワイヤは、デバイス基板２０５０の全体に配置されていてよい。
【０１４８】
図１８を参照すると、方法１８００はステップ１８１０から始まる。ステップ１８１０では、移動面を非粘着性コーティング（例えばＴＥＦＬＯＮ）でコーティングする。例えば、移動基板２０４０を非粘着性コーティング２０３０でコーティングすることができる。他の実施形態では、非粘着性表面を有するＴＥＦＬＯＮ様物質を使用してよい。
【０１４９】
ステップ１８２０では、非粘着性コーティングを有する移動面を、第１基板に固定されたナノワイヤに押しつける。十分な圧力を適用してナノワイヤを非粘着性コーティングに固定し、第１基板から除去する。例えば、非粘着性コーティング２０３０を備える移動基板２０４０をナノワイヤ成長基板２０１０に押しつけ、ナノワイヤ２０２０を除去することができる。
【０１５０】
ステップ１８３０では、移動基板を第２基板の上に配置する。例えば、図２０Ｂを参照すると、ナノワイヤ２０２０を含有する非粘着性コーティング２０３０を備える移動基板２０４０をデバイス基板２０５０の上に配置する。ステップ１８４０では、圧力を移動面の裏側に適用してナノワイヤを放出させる。一実施形態では、移動面（例えば移動基板２０４０）の裏側に均一に圧力を適用する。別の実施形態では、ナノワイヤが第２基板に配置されるべき領域に合わせたパターン形成された様式で圧力を適用してよい。例えば、移動基板２０４０の裏側でナノワイヤ配置領域２０６０上にのみに圧力を適用してナノワイヤを放出させ、この領域内にナノワイヤを配置してよい。ステップ１８５０で方法１８００が終了する。
【０１５１】
図１９は、本発明の一実施形態に係る、パターン形成されたコーティングを有する第１基板から第２基板にナノワイヤを移動させる方法１９００のフローチャートである。方法１９００は方法１８００と類似しているが、非粘着性コーティングが、ナノワイヤが移動する第２基板のナノワイヤ配置領域に対応する移動基板の特定の領域のみに適用される点が異なっている。
【０１５２】
方法１９００はステップ１９１０から始まる。ステップ１９１０では、移動面に非粘着性コーティング（例えばＴＥＦＬＯＮまたはＴＥＦＬＯＮ様材料）を用いてパターンを形成させる。上述のように、パターン形成された領域は、ナノワイヤが堆積すべき第２基板のナノワイヤ配置領域に対応していてよい。
【０１５３】
ステップ１９２０では、ナノワイヤ成長基板に固定されたナノワイヤに移動面を押しつける。ステップ１９３０では、移動面を第２基板の上に配置する。ステップ１９４０では、移動面の裏側に圧力を均一に適用し、ナノワイヤを放出させる。代替的な実施形態では、移動面のパターン形成された領域にのみ圧力を適用してもよい。ステップ１９５０で方法１９００が終了する。
【０１５４】
加熱加圧技術を用いて第１基板から第２基板にナノワイヤを移動させる方法
別の実施形態では、本発明は、成長基板から移動基板にナノワイヤを移動させる方法を提供する。例えば、これらの実施形態は、適切な可撓性ポリマー材料の移動基板にナノワイヤを移動させるのに有用である。全体で述べるように、実質的に配向した別個のナノワイヤを作製し、さらに電子機器用に加工可能なナノワイヤ加工が望まれている。該実施形態では、ナノワイヤは、移動プロセス中に独立して配向していてよく、またはワイヤは移動前に配向していてよく、全体としてデバイス加工が容易になるように移動させることができる。
【０１５５】
図２１は、本発明の一実施形態に係るプローブナノワイヤ移動スキームを描写したものである。一実施形態では、図２１にすように、本発明は、例えば、プローブ２１０８でさけた圧力を用いてナノワイヤを成長基板２１０２から第２基板２１０６に移動させる、移動スキーム２１００に示すようなプロセスを提供する。任意の適切な当該技術分野で既知の方法（本明細書に記載されるものを含む）を用いてナノワイヤを成長させることができる。図２１に示すように、ナノワイヤ２１０４を基板２１０２に成長させる。基板２１０２に加え、ナノワイヤを成長させるために使用する装置は、基板２１０２とナノワイヤ２１０４との間に除去可能な層または別個の分離層をさらに備えていてよい。プローブ２１０８で圧力を適用することによって、ナノワイヤ２１０４を基板２１０２表面から移動基板２１０６上に移動させる。本発明を実施するのに任意の移動基板を使用してもよい。適切には、移動基板２１０６は可撓性ポリマーシートまたはポリマー膜（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の膜）である。移動基板２１０６として使用可能なさらなるポリマーとしては、限定されないが、熱可塑性プラスチック、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリアミド、ポリカーボネート、熱硬化性樹脂、エラストマーなどが挙げられる。移動基板２１０６の可撓性は、堅い状態から変形可能な材料まで、さらにはきわめて展性の高い材料とさまざまであってよい。ナノワイヤを移動基板に移動させるのに必要な熱（以下を参照）および圧力の量は、移動基板の選択に依存する。例えば、展性の高い移動基板を選択した場合、移動基板の表面を粘着性にするためには中程度の熱量しか必要とされない。しかし、堅い移動基板を選択した場合、移動基板を粘着性にするだけではなく、所望の領域で変形して基板とナノワイヤとを接触させるためにはかなり多くの熱量が必要となる場合がある。
【０１５６】
プローブ２１０８は、適切には、プローブ先端２１１０で直径が約数ミリメートル〜約数センチメートルであり、概して円錐形または針状形であるが、任意の適切な形を使用することができる。プローブ２１０８およびプローブ先端２１１０は、適用される圧力（および必要な場合には熱）に耐え得る任意の適した材料から製造することができ、該材料としては、例えば、ポリマー、プラスチックおよび金属が挙げられる。特定の実施形態では、プローブ先端２１１０での圧力の添加は、基板２１０２から移動基板２１０６上でナノワイヤ２１０４を移動させるのに十分な圧力である。他の実施形態では、プローブ２１０８によって圧力を適用した後、ナノワイヤ２１０４が移動基板２１０６に接着し、接着したままになり、移動するように、移動基板２１０６の表面に接着剤を適用することができる。移動基板をコーティングするのに使用可能な適切な接着剤としては、限定されないが、ポリイミド、エポキシドおよび他のポリマー接着剤が挙げられる。
【０１５７】
さらなる実施形態では、移動基板２１０６の表面がわずかに溶融し、粘着性になるかまたはべとつき、例えば接着剤のように作用するように、プローブ２１０８およびプローブ先端２１１０を加熱してよい。このような実施形態では、プローブ２１０８およびプローブ先端２１１０は、適切には、適用される熱に耐え得る金属から製造される。プローブ２１０８を加熱するのに必要な温度は、移動基板２１０６が粘着性になるかまたはべとつく温度に依存するが、該温度は、移動基板２１０６が適用される圧力下で過剰に変形するかまたは流動状態になるほどは高くない。適切には、該温度は、移動基板２１０６として選択される材料に依存して約４０℃〜約１００℃である。適切には、ＰＥＴを移動基板として使用する場合、使用される温度は約６０℃である。プローブ２１０８およびプローブ先端２１１０に適用される圧力の量は、主として移動基板２１０６の可撓性および安定性に依存する。基板がナノワイヤの移動が望ましい領域でのみナノワイヤ２１０４と接触するように加圧すべきである。適切な実施形態では、プローブ２１０８およびプローブ先端２１１０に適用される圧力は、約数十ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）である。
【０１５８】
プローブ先端２１１０の加熱と組み合わせ、ナノワイヤ２１０４に圧力を適用すると、ナノワイヤ２１０４を基板２１０２から移動基板２１０６に移動させ、圧力および／または熱を減らせばナノワイヤ２１０４を移動基板２１０６表面に維持させておくことができる。本発明のプロセスを用いて、１本のワイヤまたは一群のワイヤの上部に熱および／または圧力を選択的に適用することによって、ナノワイヤを移動基板２１０６に個々に整列させることができ、その結果、これらのワイヤは移動基板２１０６に移動するが、別のワイヤ（おそらく別の方向に配向したワイヤ）は接触せず、移動しない。加熱したプローブを使用する実施形態では、移動基板を冷却するにつれて、ナノワイヤは、移動基板に付着し、および／または埋め込まれたままになる。接着剤が移動基板の表面をコーティングする実施形態では、プローブ２１０８に適用された圧力が取り除かれると、ナノワイヤと接着剤との間の接着によってナノワイヤが移動基板に付着したままになる。
【０１５９】
本発明の他の実施形態では、プローブ２１０８およびプローブ先端２１１０を加熱するのではなく、またはこれらの加熱に加えて基板２１０２を加熱することができる。このような実施形態では、基板２１０２は、移動スキーム２１００の熱発生部分として役立ち、プローブ２１０８で適用された圧力によって移動基板２１０６を伝導加熱することができ、その結果、ナノワイヤ２１０４が移動し、移動基板２１０６に付着したままになる。
【０１６０】
本発明のプロセスを使用して、移動基板２１０６の領域を選択するためにナノワイヤを移動させることができる。移動基板２１０６とナノワイヤ２１０４との間で接点がある領域でのみナノワイヤが移動する。本発明のこのような実施形態は、本明細書では、ナノワイヤ移動の「タッピング」法と称される。このような実施形態では、プローブ先端を移動基板周囲に移動させ、ナノワイヤを下方向に「タッピング」し、基板２１０２から移動基板２１０６への移動を促進することができる。他の実施形態では、プローブを固定し、基板および移動基板をその下で移動させ、ナノワイヤの移動が起こる場所と移動基板のナノワイヤの配向を制御することができる。上述のように、このような実施形態では、基板２１０２およびプローブ２１０８／プローブ先端２１１０のいずれかまたは両方を加熱することができる。本発明のこのような実施形態では、本明細書に記載される方法（例えば、ラングミュアブロジェット（Ｌａｎｇｍｕｉｒ  Ｂｌｏｄｇｅｔ）、電界、エピタキシャルな成長、水平成長など）を用いて、基板２１０２表面ですでに配向しているワイヤを選択的に移動させることによって、移動基板２１０６でナノワイヤを直接配向させることができる。または移動基板２１０６表面でワイヤを配向させることによって、個々のワイヤまたは一群のワイヤを移動させ、ワイヤが移動時に移動基板で配向するように移動基板２１０６に配置する（例えば回転させる）ことによって達成することもできる。
【０１６１】
図２２は、本発明の一実施形態に係る全体的なナノワイヤ移動を描写したものである。本発明の他の実施形態では、図２２に示すように、（例えば大きな面積の圧縮デバイス２２０２または減圧機を用いて）基板の大きな面積全体に実質的に均一に圧力を適用することによって、基板２１０２から移動基板２１０６にナノワイヤを移動させることができる。本明細書で使用される場合、実質的に均一な圧力とは、移動基板２１０６の全面積の約５０％よりも大きな面積に適用される圧力が同じであることを示す。適切には、移動基板２１０６の全面積の約９０〜１００％に同じ圧力が適用される。特定のこのような実施形態では、移動基板２１０６の表面は、接着層と接触して、ナノワイヤが付着し、付着したままになるように、接着層を備えていてよい。本発明の他の実施形態では、基板２１０２を加熱し、移動基板２１０６を伝導加熱することができ、これにより粘着性であるかまたはべとつく移動基板２１０６にナノワイヤ２１０４が移動するのを助けることができる。このような実施形態では、基板２１０２から移動基板２１０６へのナノワイヤ２１０４の全体的な移動が起こり、大部分のナノワイヤが移動基板に移動する。
【０１６２】
ワイヤの全体的な移動が望ましい本発明の実施形態では、減圧の適用によって基板２１０２と移動基板２１０６との間に圧力を適用することができる。このような実施形態では、移動基板２１０６と基板２１０２との間に減圧が生じ、移動基板２１０６全体で実質的に均一な圧力であり、移動基板２１０６とナノワイヤ２１０４との実質的に全ての接点でナノワイヤを移動させることができる。適切な減圧は、当業者によって容易に決定することができ、一般的には数十ｐｓｉであり、適切には約４０ｐｓｉ〜約１００ｐｓｉである。
【０１６３】
この全体的な移動技術が使用される本発明の実施形態では、ナノワイヤ２１０４を最初に基板２１０２であらかじめ整列させておき、その後に移動基板２１０６に移動させてよい。任意の適切なナノワイヤ整列プロセスを使用することができる。特定の実施形態では、電界による整列を用いて、ナノワイヤを基板２１０２であらかじめ整列させる。図２３Ａ〜２３Ｃは、電界によって整列したワイヤの移動を示す。図２３Ａは、移動前に電界によって整列させたナノワイヤを示す。図２３Ｂは、全体的な移動後に基板２１０２に残ったナノワイヤ２１０４を示す。図２３Ｃは、移動基板２１０６に移動したナノワイヤを示す。全体的な移動技術および上述のプローブ技術の１つのさらなる利点は、基板２１０２表面で成長したナノワイヤを移動基板に移動させた後、基板２１０２をナノワイヤ成長および移動に繰り返し使えることである。
【０１６４】
本発明の任意の実施形態で使用される移動基板２１０６には、ナノワイヤ移動前または移動後に、その表面に種々のデバイス接点を堆積させることもできる。例えば、本明細書で記載される場合、ソース、ドレインおよびゲート電極を移動基板２１０６に追加し、本明細書に記載のプローブ移動プロセス２１００または全体的な移動プロセス２２００を用いて移動基板２１０６の特定の領域にナノワイヤを移動させることができる。全体的な移動プロセスを使用する実施形態では、デバイスを移動基板に直接集合させることができるように、移動前にワイヤを適切に整列させる。
【０１６５】
例示的なデバイスおよび用途での本発明のナノワイヤの使用
多くの電子機器およびシステムには、本発明の方法によって製造されるナノワイヤの薄膜を備える半導体または他の種類のデバイスを組み込むことができる。本発明のいくつかの用途を以下に記載するか、またはここで説明のために記載するが、これらに限定されない。本明細書に記載の用途は、ナノワイヤの整列した薄膜または整列していない薄膜を含むことができ、ナノワイヤのコンポジットまたはコンポジットではない薄膜を含むことができる。
【０１６６】
半導体デバイス（または他の種類のデバイス）を他の電子回路の信号に接続し、および／または他の電子回路と一体化することができる。半導体デバイスを大きな基板に作製することができ、これをより小さな基板に分割またはダイスカットすることができる。さらに、大きな基板（すなわち、常套の半導体ウェハよりもかなり大きな基板）で、基板で作製される半導体を相互接続することができる。
【０１６７】
本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤを、１個の半導体デバイスを必要とする用途、および複数の半導体デバイスに組み込むこともできる。例えば、本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤは、特に、複数の半導体デバイスが形成される大きな面積のマクロエレクトロニック基板に適用可能である。このような電子機器は、アクティブマトリックス型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＬＥＤディスプレイ、電界放出ディスプレイ用のディスプレイ駆動回路を備えていてよい。他のアクティブディスプレイは、ナノワイヤ−ポリマー、量子ドット−ポリマーコンポジット（該コンポジットは、エミッタおよびアクティブ駆動マトリックスの両方として機能することができる）から作製することができる。本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤは、スマートライブラリ、クレジットカード、大きな面積用のアレイセンサおよび無線ＩＣ（ＲＦＩＤ）タグ（スマートカード、スマートインベントリタグを含む）などに適用することもできる。
【０１６８】
本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤは、デジタル回路用途およびアナログ回路用途にも適用することができる。特に、本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤは、大きな面積の基板で超大スケールの集積化を必要とする用途に有用である。例えば、本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤの薄膜を、論理回路、記憶回路、プロセッサ、増幅器ならびに他のデジタル回路およびアナログ回路に実装することができる。
【０１６９】
本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤを光発電用途に適用することができる。このような用途では、特定の光発電デバイスの光発電特性を高めるために透明な導電性基板を使用する。例えば、このような透明な導電性基板を、可撓性の大きな面積の代替品として酸化スズインジウム（ＩＴＯ）などの代わりに使用することができる。大きな（すなわち、可視光よりも大きい）バンドギャップを有し、非吸収性であるが、その上部に形成される光発電デバイスの活性材料とＨＯＭＯバンドまたはＬＵＭＯバンドのいずれかが一致するように作製されたナノワイヤの薄膜で基板をコーティングすることができる。透明導電体を吸収性光発電材料の両側に配置し、光発電デバイスから発生した電流を外に伝えることができる。光発電材料のＨＯＭＯバンドと一致するＨＯＭＯを有する材料と、光発電材料のＬＵＭＯバンドと一致するＬＵＭＯを有する材料とを有する２つの異なるナノワイヤ材料を選択することができる。２つのナノワイヤ材料のバンドギャップは、光発電材料のバンドギャップよりもかなり大きくなるように選択することができる。該実施形態に係るナノワイヤは、基板に吸収性をほとんど付与しないまま、軽くドープしてナノワイヤの薄膜の抵抗を下げることができる。
【０１７０】
それ故に、広範囲の軍事用品および消費財に、本発明のプロセスによって製造されるナノワイヤを組み込むことができる。例えば、このような用品には、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、サーバ、ネットワークデバイス、携帯用電子機器、例えば、ＰＤＡおよびパームパイロット、電話（例えば、携帯および標準）、ラジオ、テレビ、コンピュータゲームおよびゲームシステム、ホームセキュリティシステム、自動車、飛行機、船舶、他の家庭用機器および商業用機器などを挙げることができる。
【０１７１】
パターン形成された基板でのナノワイヤの配向した成長
別の実施形態では、本発明は、パターン形成された基板にナノワイヤを製造する方法を提供する。図２４は、本発明の一実施形態に係る、パターン形成された基板を用いて配向したナノワイヤの成長を示す図である。図２４は縮尺ではなく、本発明の一実施形態に係る、パターン形成された基板を用いて配向したナノワイヤ成長の特定の態様を単に説明するだけのものであることを注記しておく。図２５は、本発明の一実施形態に係る、パターン形成された基板を使用してナノワイヤを調製する方法を記載するフローチャート２５００を示す。
【０１７２】
図２４に示すように、基板材料２４０２（適切には結晶性基板、例えばケイ素材料または他の半導体材料）が提供されている。フローチャート２５００のステップ２５０２では、触媒反発性材料２４０４が、基板材料２４０２を少なくとも部分的に覆うように、基板材料２４０２表面に適用される。本明細書で使用される場合、用語「適用する」または「適用された」は、基板材料２４０２で触媒反発性材料２４０４を調製する任意の適切な方法を指し、該方法としては、層形成、堆積、噴霧、コーティングなどが挙げられる。本明細書で使用される場合、句「基板材料を少なくとも部分的に覆う」は、触媒反発性材料２４０４が基板材料２４０４の表面積の少なくとも１％を覆うことを意味する。適切には、触媒反発性材料２４０４は、基板材料２４０２の表面積の少なくとも約１０％、少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％または少なくとも約９５％を覆う。
【０１７３】
本明細書で使用される場合、用語「触媒反発性材料」は、触媒材料と実質的に結合せず、固定せず、相互作用せず、または付着しない任意の材料を含む。本発明で使用する触媒反発性材料は、適切には、核形成触媒粒子がその表面に結合または付着せず、反発効果を生じる。これにより、核形成粒子は、触媒反発性材料によって覆われていない基板材料の領域で起こるような結合が起こらないか、または起こり得ない。他の実施形態では、核形成触媒粒子は、例えば、触媒材料の適用（蒸発）中または加熱中に、触媒反発性材料から反発するか、または離れる。触媒反発性材料の例としては、限定されないが、ＳｉＯ２および陽極アルミナが挙げられる。図２４に示すように、適切な実施形態では、触媒反発性材料２４０４は、パターン形成されるか、または該材料が基板材料２４０２を少なくとも部分的に覆うような方法で調製される。
【０１７４】
適切な実施形態では、触媒反発性材料２４０４は、材料中に空隙２４１０を備えており、その下にある基板材料２４０２が露出している。用語「空隙」は、本明細書で使用される場合、穴、開口部、亀裂、または基板材料２４０２の少なくとも一部分を覆いつつ、基板材料２４０２の一部分が露出する他のパターンを含む。適切には、空隙２４１０は、ナノワイヤが空隙部位から成長する場合、互いに十分間隔をあけ、他の成長するナノワイヤと接触したり妨害したりしないように、触媒反発性材料２４０４全体に間隔をあけて存在する。任意の適切な配向の空隙２４１０を使用することができる。加えて、空隙２４１０は任意の望ましい形状であってもよく、例えば、円状、四角形、ランダムな形状などであってよい。適切な実施形態では、空隙２４１０は、触媒反発性材料２４０４にランダムに間隔をあけて配置されており、種々の形状および間隔が形成されている。他の実施形態では、空隙２４１０は、均等な間隔で配置されており、配向したパターンでは、触媒反発性材料２４０４全体に、例えば、市松模様または他の用途に特定的なパターンで配置されている。初期の適用中に単に形成することによって（すなわち、空隙開口部または「型」の周囲に形成することによって）、空隙２４１０を触媒反発性材料２４０４中に作製することができる。または、これらを、例えば、図２５のフローチャート２５００のステップ２５１４に示すように作製することができる。例えば、任意の適切な方法（例えば、エッチング、切断、剥離、穿孔または類似の方法）によって触媒反発性材料２４０４を除去し、基板材料２４０２を露出させることによって、空隙２４１０をステップ２５１４で作製することができる。触媒反発性材料２４０４は、該材料で覆われていることが望ましい領域で核形成粒子が基板表面と接触することを防ぐ任意の適切な厚みを有することができる。適切には、触媒反発性材料２４０４は、数ナノメートル〜数ミクロンの厚みを有するが、これよりも厚い材料を使用してもよい。
【０１７５】
フローチャート２５００のステップ２５０４では、１つ以上の核形成粒子２４０６を基板材料２４０２に適用する。核形成粒子２４０６が触媒反発性材料２４０４と接触すると、粒子は反発し、基板材料２４０２が露出しているむき出しの空隙２４１０に移動するか、または基板から離れる（例えば、蒸発堆積プロセス中）。適用後に最初に基板材料と接触した（すなわち、空隙部位で接触した）核形成粒子は、基板材料にとどまる。本明細書で記載される場合、核形成粒子は、適切には、全体で記載するように、分解した前駆体ガス混合物と反応して共晶を形成する金属触媒であり、該共晶からＳｉが析出する。例えば、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｉ、ＳｎまたはＩｎを堆積させることができる。核形成粒子２４０６をコロイド滴として基板表面２４０４の表面に直接堆積させることができる。さらなる実施形態では、コロイド滴を触媒反発性材料２４０４に堆積させることができ、この時、滴は液体状態であると考えられ、これらが溶液に戻り、続いて触媒反発性材料から空隙２４１０に移動することができ、基板材料２４０２と接触する。
【０１７６】
さらなる実施形態では、核形成粒子は、金属膜、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）または全体で記載するような他の金属膜を含む。触媒反発性材料２４０４に金属膜を堆積させると、金属触媒が材料中のむき出しの空隙２４１０に移動し、空隙に入り込み、次いで基板材料２４０２と接触するか、または基板から離れる（例えば、蒸発堆積プロセス中）。適用後に最初に基板材料と接触した（すなわち、空隙部位で接触した）核形成粒子は、基板材料にとどまる。金属コロイドおよび金属膜の場合には、触媒材料は、パターン形成された触媒反発性材料２４０４中のむき出しの領域に移動するか、または触媒反発性材料から離れる。このとき、該触媒は液体状態であるとする。触媒材料は液体状態で堆積するか、固体状態で堆積することができ、フローチャート２５００のステップ２５１２に示すように、溶融する温度まで加熱され、流動／移動するか、または離れる／蒸発することができる。該加熱温度で、触媒反発性材料２４０４と接触する金属触媒は、むき出しの空隙２４１０に移動し、基板材料２４０２と接触することができる。または、該加熱温度で、触媒反発性材料と接触する金属触媒は、離れ（例えば蒸発し）、その下にある基板（すなわち空隙中の基板）と接触する金属触媒は、基板とアロイを生成可能な金属粒子に合着する。核形成粒子の移動および／または合着は、ナノワイヤ成長プロセスの直前または開始時に起こることがある。
【０１７７】
適切な実施形態では、金属膜（例えば、Ａｌ、Ａｕまたは他の適切な材料）を基板上で蒸発させることによって、核形成粒子２４０６を触媒反発性材料２４０４および基板材料２４０２に適用／堆積させる。適切には、核形成粒子の適用（例えば、金属膜の蒸発による）は、室温（例えば約２０〜２８℃）、減圧下で（すなわち、減圧機で約１０−７ｔｏｒｒ未満、例えば、約５×１０−８〜約１０−７ｔｏｒｒの圧力で）行なわれる。さらなる実施形態では、核形成粒子の適用（例えば、膜蒸発による）は、高温減圧下で行なうことができる。例えば、約６００℃を超える温度、例えば、約６５０℃を超える温度、約７００℃を超える温度、約７５０℃を超える温度、約７６０℃を超える温度、約７７０℃を超える温度、約７７５℃、約７８０℃、約７９０℃、または約８００℃を超える温度で膜を蒸発させることができる。
【０１７８】
触媒反発性材料２４０４および基板２４０２に堆積した金属膜の厚みは、適切には、数ナノメートル〜数十ナノメートル、例えば約３〜５０ｎｍ、適切には約５〜１０ｎｍである。膜の適用（例えば、蒸発させて金属膜を形成）後、膜を加熱し（例えば、フローチャート２５００のステップ２５１２）、蒸発および／または触媒反発性材料２４０４の空隙に流すことによって触媒反発性材料２４０４から除去し、これにより核形成粒子が合着し、基板２４０２とアロイを形成する。適切には、約５００℃〜約９００℃まで膜を加熱し、空隙２４１０に流す。例えば、膜を適切には約６００℃〜約８００℃、約６５０℃〜約８００℃、約７００℃〜約８００℃、約７２５℃、約７５０℃、約７６０℃、約７７０℃、約７７５℃、約７８０℃、約７９０℃または約８００℃まで加熱する。適切な実施形態では、加熱ステップ２５１２を減圧下（例えば、約５×１０−８〜約１０−７ｔｏｒｒ）で行なう。膜を加熱した後、基板を適切に冷却し、ＣＶＤ反応器または他の適切な装置に移動し、ナノワイヤを成長させる。一般的に、核形成粒子の適用（例えば、ナノ粒子の堆積または触媒膜の蒸発、次いで加熱）およびナノワイヤと前駆体ガス混合物との接触（すなわち、成長）は、別個の反応チャンバで行うが、同じチャンバで行なってもよい。適切には、核形成粒子の適用は高減圧チャンバで行なうが、成長は別個のＣＶＤ反応器で行う。
【０１７９】
直接的に、または触媒反発性材料を蒸発させた後に、または触媒反発性材料２４０４から移動させた後に核形成粒子２４０６が基板材料２４０２に堆積すると、核形成粒子２４０６をフローチャート２５００のステップ２５０６で加熱し、ステップ２５０８で前駆体ガス混合物と接触させ（例えば、ＣＶＤ反応器中で）、液体アロイ滴２４１２を作製し、これにより、ステップ２５１０でナノワイヤ２４０８が液体アロイ滴部位で成長する。適切な成長条件（温度および時間を含む）を本明細書に記載する。適切な前駆体ガスとしては、本明細書に記載されるものが挙げられ、限定されないが、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４およびＳｉＨ２Ｃｌ２が挙げられる。触媒反発性材料２４０４の使用は、核形成粒子の堆積を助けることに加え、核形成粒子２４０６がナノワイヤ成長中に移動するのも助ける。核形成粒子２４０６を触媒反発性材料２４０４の不在下で加熱すると、基板材料２４０２に移動し、大きな核形成粒子に合着することが多い。これによりナノワイヤの直径および構造が悪影響を受けることがある。合着の問題に加え、触媒反発性材料２４０４は、核形成粒子２４０６と、成長するナノワイヤ２４０８とを適切に間隔を空けて配向させ続けるのに役立ち、それによりタングリングおよび他の厄介な問題を減らす。
【０１８０】
図２５のフローチャート２５００に示すように、適切には、１種類の前駆体ガスを使用してナノワイヤを成長させる。さらなる実施形態では、全体で記載するように、第２前駆体ガスを使用してよい。例えば、第１前駆体ガスと接触させた後、アロイ滴２４１２を第２温度まで加熱し、第２前駆体ガス混合物と接触させ、アロイ滴の部位でナノワイヤを成長させ続けることができる。第２前駆体ガスとして使用する適切なガスとしては、本明細書に記載されるものが挙げられ、限定されないが、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＣｌ４およびＳｉＨ２Ｃｌ２が挙げられる。さらなる実施形態では、第３、第４、第５などの前駆体ガス混合物を提供してナノワイヤを成長させ続けることができる。このような実施形態では、成長するナノワイヤ２４０８およびアロイ滴２４１２の温度は、前駆体ガスが解離し、ナノワイヤが成長できる適切な温度に維持される。従って、適切な実施形態では、本発明は、連続して変化する成長プロセスを提供し、ナノワイヤの成長温度および使用する前駆体ガスを、最終的なナノワイヤ組成および特徴（すなわち、長さ、直径）が得られるまで、成長プロセス全体で連続して変えることができる。適切には、ナノワイヤ成長方法に使用する第１温度は、第２温度よりも、例えば約５０℃高い。任意の適切な方法を使用して、ナノワイヤ成長プロセスのためのガスを導入することができる。例えば、プラズマ強化型スパッタ堆積を使用して前駆体ガス混合物を導入することができる。当該技術分野で既知の任意の方法によって、チャンバおよび基板チャンバを迅速に制御することができる。例えば、超高減圧（ＵＨＶ）反応器中の冷却壁を使用することができる。
【０１８１】
１種類の前駆体ガス混合物を利用してナノワイヤを成長させる実施形態（および２つ以上の前駆体ガス混合物を使用する場合）では、接触／成長の圧力条件および温度条件は、適切には、約４００℃（例えば、約４５０℃〜約７００℃）で約０．５ｔｏｒｒより大きい（例えば、約５ｔｏｒｒ〜約２００ｔｏｒｒ）。例えば、本発明を実施するのに使用する適切な成長温度は、約４７５℃〜約６７５℃、約５００℃〜約６５０℃、約５５０℃〜約６５０℃、約５７５℃〜約６２５℃、または約５８０℃、約５９０℃、約６００℃、約６１０℃、または約６２０℃である。本発明を実施するのに使用する適切な前駆体ガス混合物の圧力は、約５ｔｏｒｒ〜約１７５ｔｏｒｒ、約１０ｔｏｒｒ〜約１５０ｔｏｒｒ、約２０ｔｏｒｒ〜約１５０ｔｏｒｒ、約４０ｔｏｒｒ〜約１５０ｔｏｒｒ、約４５ｔｏｒｒ、約５０ｔｏｒｒ、約５５ｔｏｒｒ、約６０ｔｏｒｒ、約６５ｔｏｒｒ、約７０ｔｏｒｒ、約７５ｔｏｒｒ、約８０ｔｏｒｒ、約８５ｔｏｒｒ、約９０ｔｏｒｒ、約９５ｔｏｔｔ、約１００ｔｏｒｒ、約１０５ｔｏｒｒ、約１１０ｔｏｒｒ、約１１５ｔｏｒｒまたは約１２０ｔｏｒｒである。
【０１８２】
全体で記載するように、本発明は、本発明のこのようなプロセスによって製造されるナノワイヤ、およびこのようなナノワイヤを備える電子回路も提供する。
【０１８３】
パターン形成された基板を組み合わせ、適切な実施形態では温度／前駆体ガス成長条件を変えることによって、本発明の方法によって製造されるナノワイヤは、実質的に垂直に配向したナノワイヤである。適切には、該方法は、基板材料平面に対して実質的に法線方向に成長する、エピタキシャルに配向したナノワイヤを製造する。核形成粒子の堆積を制御し、基板材料での移動を制御することによって、ナノワイヤの厚みが制御される。１種類の前駆体ガス混合物（例えば、１種類の温度および圧力）の使用および変動する成長条件（異なる温度および圧力で２つ以上の前駆体ガス混合物）の使用は、長さ全体でテーパー状を示さず、全体的に実質的に均一性を示すナノワイヤを製造するのに実質的に役立つ。適切には、本発明の種々の方法を用いて製造されるナノワイヤは、ナノワイヤの長さあたり約０．１ｎｍテーパー／μｍ未満のテーパー度を示す。さらなる実施形態では、ナノワイヤ成長前、成長中、または成長後に反応物にエッチャントガスを導入することによって、ナノワイヤがテーパー状になるのを制御し、排除するかまたは実質的に排除することもできる。例えば、米国仮特許出願第６０／８５７，４５０号（２００６年１１月７日出願（開示内容は本明細書に参考により組み込まれる）に開示されるように、ＨＣｌを導入し、成長中のナノワイヤがテーパー状になるのを制御し、排除するか、または実質的に排除することができる。
【０１８４】
さらなる実施形態では、本発明は、ナノワイヤを製造する方法を提供する。適切には、ケイ素基板を少なくとも部分的に覆うように触媒反発性材料をケイ素基板に適用し、触媒反発性材料は、ケイ素基板を覆わない少なくとも１つの空隙を備えている。次いで１つ以上の金属核形成粒子を触媒反発性材料に適用し、触媒反発性材料からの選択的な蒸発および／または少なくとも１つの空隙への移動を介して、金属核形成粒子を堆積させ、ケイ素基板で合着させる。次いで、金属核形成粒子を第１温度まで加熱し、第１前駆体ガス混合物と接触させて液体アロイ滴を作製し、ナノワイヤの成長を開始させる。次いで、アロイ滴を第２温度まで加熱し、第２前駆体ガス混合物と接触させ、これによりナノワイヤがアロイ滴の部位で成長する。適切には、核形成粒子は金属触媒であり、例えば、金属膜またはコロイド（例えば、ＡｕまたはＡｌの膜またはコロイド）である。結晶性基板（例えば、Ｓｉ＜１１１＞基板（および他の結晶配向および他の基板材料）を使用し、実質的に一定の直径を有し、ほとんどテーパー状ではない、実質的に配向した（適切にはエピタキシャルに配向した）垂直なナノワイヤを得ることができる。本明細書に記載するように、適切には、触媒反発性材料はＳｉＯ２または陽極アルミナを含む。前駆体ガスの例としては、本明細書に記載されるものが挙げられ、例えば、ＳｉＨ４、ＳｉＣｌ４およびＳｉＨ２Ｃｌ２が挙げられる。さらなる実施形態では、さらなる前駆体ガス組成物および条件を使用して、成長プロセスを連続して変えることができる。
【０１８５】
ナノワイヤを製造するさらなる方法も提供される。例えば、さらなる実施形態では、ケイ素基板を少なくとも部分的に覆うように触媒反発性材料をケイ素基板に適用する。ここで、触媒反発性材料は、ケイ素基板を覆わない少なくとも１つの空隙を備えている。１つ以上の金属核形成粒子を触媒反発性材料表面に適用し、触媒反発性材料からの選択的な蒸発および／または少なくとも１つの空隙への移動を介して、金属核形成粒子を堆積させ、ケイ素基板で合着させる。次いで、金属核形成粒子を加熱する（例えば、約４００℃より高い温度まで）。次いで、金属核形成粒子を前駆体ガス混合物と接触させ（例えば、約０．５ｔｏｒｒより大きな圧力下で）、アロイ滴を作製し、これによりナノワイヤがアロイ滴の部位に成長する。
【０１８６】
核形成粒子を適用するための適切な条件（温度および圧力条件を含む）を全体に記載する。例えば、適用プロセスは、金属膜を室温（例えば、約２０℃〜２８℃）、または高温（例えば、約６００℃よりも高い温度）で、減圧下で（例えば、約５×１０−８〜約１０−７ｔｏｒｒの圧力で）蒸発させる工程を含むことができる。適切には、核形成粒子の適用および前駆体ガス混合物との接触は、異なる反応チャンバで行われる。
【０１８７】
例示的な触媒反発性材料、核形成粒子および前駆体ガス混合物を全体に記載する。適切には、加熱温度は約４５０℃〜約７００℃であり、圧力は約５ｔｏｒｒ〜約２００ｔｏｒｒ、適切には約４５ｔｏｒｒである。適切な実施形態では、核形成粒子を適用する工程は、金属膜が溶融する温度（例えば約４５０〜９００℃）まで加熱し、触媒反発性材料に多くの金属核形成粒子を作製する工程をさらに含む。ここで、金属核形成粒子は、触媒反発性材料からの選択的な蒸発および／または少なくとも１つの空隙への移動を介して、堆積し、基板で合着する。
【０１８８】
さらなる実施形態では、本発明は、１種類の前駆体ガス混合物を利用してナノワイヤを製造する方法を提供する。例えば、図２６のフローチャート２６００に示すように、ステップ２６０２では、１つ以上の核形成粒子を基板材料に適用する。次いでステップ２６０４では、核形成粒子を約５５０℃よりも高い温度まで加熱する。ステップ２６０６では、核形成粒子を約０．５ｔｏｒｒより大きな圧力下で前駆体ガス混合物と接触させて液体アロイ滴を作製し、これによりステップ２６０８でナノワイヤがアロイ滴の部位に成長する。
【０１８９】
例示的な基板材料（例えばＳｉ）、核形成粒子（例えばＡｕまたはＡｌ）および前駆体ガス混合物（例えばＳｉＨ４）を全体に記載する。適切には、核形成粒子を約６００℃〜約７００℃（例えば約６００℃）の温度まで加熱し、約５ｔｏｒｒ〜約２００ｔｏｒｒ（適切には約４５ｔｏｒｒ）で前駆体ガス混合物と接触させる。全体で考察しているように、適用プロセスは、金属膜を室温（例えば、約２０℃〜２８℃）、または高温（例えば、約６００℃よりも高い温度）で、減圧下で（例えば、約５×１０−８〜約１０−７ｔｏｒｒの圧力で）蒸発させる工程を含むことができる。適切には、核形成粒子の適用および前駆体ガス混合物との接触は、異なる反応チャンバで行われる。
【０１９０】
結論
本発明の例示的な実施形態が示された。本発明は、これらの実施例に限定されない。これらの実施例は、説明のために本明細書に記載されており、限定するためのものではない。代替例（本明細書に記載されるものの等価物、拡張物、変形例、変更例などを含む）は、本明細書に含まれる教示に基づいて関連分野の当業者には明らかである。このような代替例は、本発明の範囲および精神の範囲内にある。
【０１９１】
本明細書で述べられた全ての刊行物、特許および特許明細書は、本発明に関する当業者の知識レベルをあらわす指標であり、それぞれの刊行物、特許または特許明細書が特定的に、個々に参考として組み込まれているかのような程度まで、本明細書に参考により組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１９２】
本発明を添付の図面を参照して記載する。図面では、同様の参照番号は同じ要素または機能的に類似した要素を示す。ある要素が初めて記載される図面は、対応する参照番号の左側の数字によって示される。
【図１Ａ】図１Ａは、単結晶半導体ナノワイヤの図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、コアシェル構造に従ってドープされたナノワイヤの図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る、Ｓｉ前駆体の組み合わせを用いてナノワイヤを調製する方法のフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る、Ｓｉ前駆体の組み合わせを用いてナノワイヤを調製する方法のフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係るナノワイヤ合成法のフローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態に係るナノワイヤ合成容器の図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係るナノワイヤをドープする方法のフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る、ナノワイヤ構造のダングリングボンドによる表面状態を減らす方法のフローチャートである。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る、犠牲層でコーティングされたナノワイヤの図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係るナノワイヤ加工を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に係る移動後のナノワイヤ加工を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に係る、犠牲部分を用いてナノワイヤを収集する方法のフローチャートである。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に係る、犠牲部分を備えるナノワイヤの図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態に係る、ＰＮ接合を監視することによってナノワイヤを収集する方法のフローチャートである。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係る、ナノワイヤ成長基板上の犠牲金属層を用いてナノワイヤを収集する方法のフローチャートである。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に係る、ナノワイヤ成長基板上の犠牲金属層に成長したナノワイヤの図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に係る、非Ｓｉ基板を用いる場合にＳｉナノワイヤを収集する方法のフローチャートである。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に係る、異なる配向を有するナノワイヤ成長基板を用いる場合に、１つの配向を有するナノワイヤを収集する方法のフローチャートである。
【図１７】図１７は、本発明の一実施形態に係る、異なる配向を有するナノワイヤ成長基板に成長する１つの配向を有するナノワイヤの図である。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態に係る、第１基板から第２基板にナノワイヤを移動する方法のフローチャートである。
【図１９】図１９は、本発明の一実施形態に係る、パターン形成されたコーティングを有する第１基板から第２基板にナノワイヤを移動させる方法のフローチャートである。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の一実施形態に係る、ナノワイヤを備える第１基板および移動基板の図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の一実施形態に係る、デバイス基板およびナノワイヤを移動させる移動基板の図である。
【図２１】図２１は、本発明の一実施形態に係るプローブナノワイヤ移動スキームの描写である。
【図２２】図２２は、本発明の一実施形態に係る全体的なナノワイヤ移動の描写である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、本発明の一実施形態に係る、移動前に電界によって配向させたナノワイヤを含む基板を示す透過型電子顕微鏡写真である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、本発明の一実施形態に係る、移動後に基板に残ったナノワイヤを示す透過型電子顕微鏡写真である。
【図２３Ｃ】図２３Ｃは、本発明の一実施形態に係る、移動後に移動基板上にあるナノワイヤを示す透過型電子顕微鏡写真である。
【図２４】図２４は、本発明の一実施形態に係る、パターン形成された基板を用いて配向したナノワイヤ成長を示す図である。
【図２５】図２５は、本発明の一実施形態に係る、パターン形成された基板にナノワイヤを調製する方法のフローチャートである。
【図２６】図２６は、本発明の一実施形態に係るナノワイヤを調製する方法のフローチャートである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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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２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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