(57)【要約】【課題】  結晶構造を利用したナノワイヤーの製造方法を提供する。【解決手段】  複数の結晶面を有する粒子をシードとして利用し、所定範囲内の格子定数差を有する結晶成長物質を蒸着して、前記結晶面のうち少なくとも一つにナノワイヤーを成長させる。これにより、結晶成長の原理を利用して単純な工程で位置の選択性を確保でき、結晶性に優れるナノワイヤーなどのナノ構造物を形成できる。また、初期シードとして使われる結晶の特性を調節することによって多様な形態の異種接合構造物を形成できる。【選択図】図１Ｄ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の結晶面を有する結晶粒子をシードとして利用し、所定範囲内の格子定数差を有する結晶成長物質を蒸着して、前記結晶面のうち少なくとも一つにナノワイヤーを成長させることを特徴とするナノワイヤーの製造方法。
【請求項２】
前記結晶粒子及び結晶成長物質は、同種または異種の物質を使用することを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
【請求項３】
前記結晶成長物質は、ＩＩ−ＶＩまたはＩＩＩ−ＩＶ族化合物元素であることを特徴とする請求項２に記載のナノワイヤーの製造方法。
【請求項４】
化学気相蒸着法または真空蒸着を利用することによって、前記結晶粒子に前記結晶成長物質を蒸着することを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
【請求項５】
前記シードは、基板上に設けられ、前記シードは、前記基板から直接成長した結晶構造を有することを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
【請求項６】
前記シードは、基板に分散するように破砕された結晶粒子であることを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
【請求項７】
前記シードと結晶成長物質との格子定数差は、５％以下であることを特徴とする請求項１に記載のナノワイヤーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はナノワイヤーの製造方法に係り、詳細には電子素子に使われるナノワイヤーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体ナノ構造について多くの研究が進められており、形態及び大きさに関する独特な特性を利用して、電気素子、光電素子、ガスセンサーのような多様な分野に適用しようとする研究が進んでいる。
【０００３】
既存の代表的な合成方法において、金属触媒、レーザーアブレーション、または熱蒸着などが利用されることによって物質が合成される（非特許文献１、２参照）。
【０００４】
非特許文献１に示される方法は、金属触媒の表面における分解能を利用して基板または粉末状を呈するシードとして使用する金属が内部不純物として作用でき、２次元形態の単純構造を有する。また、触媒金属を用いた物質の合成は、触媒金属により合成され得る物質を限定するものである。
【特許文献１】アルフレッド  エム.  モラレスら（Ａｌｆｒｅｄｏ Ｍ．Ｍｏｒａｌｅｓ ｅｔ ａｌ．），  「結晶半導体のナノワイヤーを合成するためのレーザーアブレーション方法（Ａ ＬａｓｅｒＡ ｂｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）」，  サイエンス（ＳＣＩＥＮＣＥ），  １９９８年，  第２７９巻，  ｐ．２０８
【特許文献２】ゼン  ベイ  パンら（Ｚｈｅｎｇ Ｗｅｉ Ｐａｎ ｅｔ ａｌ．），  「半導体酸化物のナノベルト（Ｎａｎｏｂｅｌｔｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｏｘｉｄｅｓ）」，  サイエンス（ＳＣＩＥＮＣＥ），  ２００１年，  第２９１巻，  ｐ．１９４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、結晶性に優れ、純度が高く、かつ応用分野の広いナノワイヤーの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるナノワイヤー製造方法は、複数の結晶面を有する粒子をシードとして利用し、所定範囲内の格子定数差を有する結晶成長物質を蒸着して、前記結晶面のうち少なくとも一つにナノワイヤーを成長させる。
【０００７】
前記結晶粒子及び結晶成長物質は同種または異種の物質を使用でき、前記蒸着は化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；以下、ＣＶＤ）法または真空蒸着を利用する。
【０００８】
蒸着中において結晶成長物質の酸化物が必要とされる場合、蒸着空間内に酸素またはこれを含む所定量の空気を供給することによって、粒子の表面に酸化物を成長させる。
【０００９】
本発明の実施例によれば、前記粒子は、破砕された結晶粒子または基板に成長した結晶粒子である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、結晶成長の原理を利用することによって単純な工程にもかかわらず位置の選択性を確保でき、結晶性に優れるナノワイヤーなどのナノ構造物を形成できる。また、初期シードとして使われる結晶の特性を調節することによって多様な形態の異種接合構造物を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付された図面を参照して本発明によるナノワイヤーの製造方法の実施例を説明する。
【００１２】
本発明において立体的な構造を有するシードが利用される。立体的なシードは所定の結晶構造を有し、シードの結晶面からワイヤーが成長する。ワイヤーは、条件によってシードが有する様々な結晶面から一つ以上成長し得る。
【００１３】
まず、基板にシードとしての結晶粒子を形成する。結晶粒子は、複数の結晶面を有し、基板から直接成長するように形成されるか、あるいは基板に付着される破砕された結晶粒子である。
【００１４】
基板から結晶粒子を直接成長させる方法としては、ＣＶＤ法によって、基板、例えばシリコン基板上から結晶粒子をアイランド状に成長させる方法がある。アイランド状にシリコン基盤上から結晶粒子を成長させるためには公知の方法が適用され、主にＣＶＤ法が適用されうる。
【００１５】
破砕された粒子によって形成される結晶粒子は、例えばアセトンである有機溶媒と共に分散された状態で基板上に極少量スプレーされ、スプレー以後に、有機溶媒は自然乾燥または強制乾燥により除去される。破砕された結晶粒子は非常に小さな粒径を有し、有機溶媒が除去された後にも分子力により基板に吸着される。
【００１６】
前記のような結晶粒子に対する同種または異種物質の成長、すなわち、結晶粒子の結晶面に対するナノワイヤーの成長は、ＣＶＤ法または真空熱蒸着法によりなされる。
【００１７】
図１Ａ及び図１Ｂに、基板１１上にアイランド状に成長したシードとしての結晶粒子１２の構造を概略的に示す。結晶粒子１２は、複数の結晶面１２１を有し、この結晶面１２１からナノワイヤーが成長する。図１Ａは、結晶粒子の立体的な構造を示す斜視図であり、図１Ｂは、結晶粒子の平面図である。
【００１８】
図１Ｃは、結晶粒子１２の一つの結晶面１２１からナノワイヤーが成長した状態を示し、図１Ｄは、二つの結晶面１２１からナノワイヤーが成長した状態を示す斜視図である。
【００１９】
図１Ｃには、同種の多結晶または異種物質の格子定数がほぼ類似する部分において、１次元の形状を呈するナノワイヤーが形成された状態が示されている。図１Ｄには、同種物質が成長した場合であって、基板上にエッジ形態を有するアイランド型結晶粒子からナノワイヤーが成長した状態が示されている。
【００２０】
図２Ａは、本発明によってＳｉ基板に成長させた結晶粒子としてＺｎＯのドットを示すＳＥＭイメージであり、図２Ｂは、基板に成長したＺｎＯの結晶粒子からナノワイヤーが成長したサンプルのＳＥＭイメージである。
【００２１】
図２Ａに図示されたＺｎＯ結晶粒子は、約３０ｎｍの大きさを有し、４５０〜５５０℃の温度下で成長させたものである。図２Ｂに図示された単一結晶のＺｎＯは一次元的に約２０分間成長させたものである。シードとして用いられるＺｎＯアイランドの合成についてＣＶＤ方法を利用し、Ｚｎ及び空気（ｏｘｙｇｅｎ）を供給して短時間にＳｉ基板にＺｎＯアイランドを形成し、実験を行なった。
【００２２】
下記の表は、ＺｎＯ結晶、すなわちＺｎＯシードおよびその結晶面からＺｎＯナノワイヤーを成長させるための１つの条件を示す表である。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
図３Ａは、本発明によって、ナノワイヤーを成長させるために、結晶粒子として基板上にＧａＮパウダーが分散された状態を示すＳＥＭイメージであり、図３Ｂは、ＧａＮ結晶粒子からナノワイヤーが成長したサンプルのＳＥＭイメージである。図３Ａに図示されるように、ＧａＮ粉末をシードとして利用するために、Ｓｉ基板に例えばアセトンである有機溶媒と共にＧａＮ粉末を分散させた後に乾燥させる。図３Ａは、ＧａＮの結晶表面にＺｎＯを約２０分間成長させた結果を示す。図３Ｂは、ＧａＮの結晶表面において３次元方向に成長したＺｎＯナノワイヤーを示す。ＧａＮにＺｎＯの結晶を成長させる条件は、前述したＺｎＯアイランドにＺｎＯナノワイヤーを成長させる条件と同一である。
【００２５】
図４及び図５は、本発明によって合成されたＺｎＯナノワイヤーの結晶を示すＴＥＭイメージである。図４は、厚さが５ｎｍである非常に薄いＺｎＯナノワイヤーの結晶の形態を示し、図５は、成長した異種物質の界面で良好な結晶性を有するＺｎＯナノワイヤーの層間構造を示している。
【００２６】
図６及び図７は、前述した本発明の方法により合成されたＺｎＯの光（ＰＬ）特性及び電界放出特性を示す。
【００２７】
図６に図示されるように、本発明により製造されたＺｎＯナノワイヤーは、波長３．２８ｅＶ近辺で高い光電効果を示す。したがって、発光素子として使われうるナノワイヤーが製造されたことが確認できる。
【００２８】
図７は、３個のサンプルについて示す電界−電流密度グラフである。電子放出素子として使用可能なナノワイヤーが製造されたことが確認できる。
【００２９】
以上に示すように、本発明によれば、電子素子、光素子、センサーなどの多様な用途に使用可能なナノワイヤーを形成することが可能となり、そのために、結晶形態が類似する同種または異種の結晶が利用されることによってナノワイヤーが合成される。
【００３０】
すなわち、本発明の特徴は、ナノワイヤーの物質と類似した格子定数を有する結晶をシードとして利用することである。
【００３１】
上記の特徴を有する本発明によれば、結晶性粒子を使用して１次元的構造及び３次元的構造のナノワイヤーを成長させることによって、従来の金属粒子触媒で合成する方法における構造的調節の制限を克服でき、初期シード結晶の特性によって異種接合構造の特性を具現できる。
【００３２】
異種の物質をシードとして利用することによって、異種接合の特性を有するナノワイヤーまたはナノ構造物を形成できる。例えばシードの物質として、ｐ型（Ｍｇ ｄｏｐｅｄ ＧａＮ）の半導体物質を使用し、ｎ型（ＺｎＯ）のナノ構造物を使用することによって、ｐ−ｎ接合の素子を具現することができる。
【００３３】
このような本願発明の理解の一助として、いくつかの模範的な実施例が説明され、かつ添付された図面に図示されたが、このような実施例は、発明を単に例示するだけでそれを制限するものではなく、また、本発明は、図示されて説明された構造及び配列に限定されないという点が理解されねばならず、これは、多様な他の修正が当業者によってなされうるからである。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、電気素子、光電素子、ガスセンサーのような多様な分野に適用でき、具体的には、ＦＥＴ、ＬＥＤ、センサー、電子放出素子に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１Ａ】本発明によって基板上にアイランド状に成長したシードとしての結晶粒子の構造を概略的に示す斜視図である。
【図１Ｂ】本発明によって基板上にアイランド状に成長したシードとしての結晶粒子の構造を概略的に示す平面図である。
【図１Ｃ】図１Ａ及び図１Ｂに図示された結晶粒子において、結晶粒子の一つの結晶面からナノワイヤーが成長した状態を示す斜視図である。
【図１Ｄ】図１Ａ及び図１Ｂに図示された結晶粒子において、結晶粒子の二つの結晶面からナノワイヤーが成長した状態を示す斜視図である。
【図２Ａ】本発明によって基板に成長させた結晶粒子としてＺｎＯのドットを示すＳＥＭイメージである。
【図２Ｂ】本発明によって図２Ａに図示されたＺｎＯの結晶粒子にナノワイヤーが成長したサンプルを示すＳＥＭイメージである。
【図３Ａ】本発明によってナノワイヤーを成長させるための結晶粒子として基板上にＧａＮパウダーが分散された状態を示すＳＥＭイメージである。
【図３Ｂ】本発明によって図３Ａに図示されたＧａＮの結晶粒子からナノワイヤーが成長したサンプルを示すＳＥＭイメージである。
【図４】本発明によって合成されたＺｎＯナノワイヤーの結晶を示すＴＥＭイメージである。
【図５】本発明によって合成されたＺｎＯナノワイヤーの結晶を示すＴＥＭイメージである。
【図６】本発明の方法によって合成されたＺｎＯの光（ＰＬ）特性及び電界放出特性を示す図面である。
【図７】本発明の方法によって合成されたＺｎＯの光（ＰＬ）特性及び電界放出特性を示す図面である。
【符号の説明】
【００３６】
１１    基板、
１２    結晶面。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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