(57)【要約】【課題】サイズを厳密に制御できる半導体ナノ構造およびその製造方法を提供する。【解決手段】  半導体ナノ構造であって、基板上での半導体ナノワイヤの成長中に、触媒粒子によって画定される成長場所において、前記半導体ナノワイヤのタ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントをそれぞれ形成する、異なるそれぞれの蒸気−液体−固体反応を支援することと、前記半導体ナノワイヤの前記犠牲セグメントを選択的に除去して、前記半導体ナノワイヤの前記タ−ゲットセグメントに対応する半導体ナノ構造を形成することと、を含む工程によって製造される、半導体ナノ構造。   【選択図】図２
2007050500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ナノ構造であって、
基板上での半導体ナノワイヤの成長中に、触媒粒子によって画定される成長場所において、前記半導体ナノワイヤのタ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントをそれぞれ形成する、異なるそれぞれの蒸気−液体−固体反応を支援することと、
前記半導体ナノワイヤの前記犠牲セグメントを選択的に除去して、前記半導体ナノワイヤの前記タ−ゲットセグメントに対応する半導体ナノ構造を形成することと、
を含む工程によって製造される、半導体ナノ構造。
【請求項２】
前記支援することは、
前記成長場所において液体−固体界面を過飽和状態にし、前記半導体ナノワイヤの前記タ−ゲットセグメントを沈降させる第１の蒸気相半導体成長材料を供給することと、
前記成長場所において液体−固体界面を過飽和状態にし、前記半導体ナノワイヤの前記犠牲セグメントを沈降させる第２の蒸気相半導体成長材料を供給することと、
を含む、請求項１に記載の半導体ナノ構造。
【請求項３】
前記工程は、前記第１の蒸気相半導体成長材料を供給しながら、前記半導体ナノワイヤの成長パラメ−タを変更して、長手方向において組成が変化するタ−ゲットナノワイヤセグメントを形成することをさらに含む、請求項２に記載の半導体ナノ構造。
【請求項４】
前記変更することは、少なくとも３つの構成半導体元素からなる半導体合金を含み、前記タ−ゲットナノワイヤセグメントに沿った、異なる個々の位置において異なる合金組成を有するタ−ゲットナノワイヤセグメントを形成するように選択された前記成長パラメ−タを有する前記第１の蒸気相半導体成長材料を供給することを含む、請求項３に記載の半導体ナノ構造。
【請求項５】
前記工程はさらに、前記半導体ナノワイヤの前記タ−ゲットセグメント及び前記犠牲セグメントのうちの少なくとも一方を酸化することを含む、請求項１に記載の半導体ナノ構造。
【請求項６】
半導体ナノ構造を製造する方法であって、
基板上での半導体ナノワイヤの成長中に、触媒粒子によって画定される成長場所において、前記半導体ナノワイヤのタ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントをそれぞれ形成する異なるそれぞれの蒸気−液体−固体反応を支援することと、
前記半導体ナノワイヤの前記犠牲セグメントを選択的に除去して、前記半導体ナノワイヤの前記タ−ゲットセグメントに対応する半導体ナノ構造を形成する、選択的に除去することと、
を含む、半導体ナノ構造を製造する方法。
【請求項７】
１ｎｍから１００ｎｍの範囲の平均直径と、１ｎｍから１００ｎｍの範囲の平均長とを有し、離散し、結合されていないナノロッドの集団であって、該ナノロッドはそれぞれ、長手方向において半導体組成が変化する、ナノロッドの集団を備える、システム。
【請求項８】
前記各ナノロッドは、２つの異なる構成半導体材料間に形成されるヘテロ接合を備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記各ナノロッドは、ＩｎＰセグメントに隣接するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙセグメント（ただし、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）；ＩｎＰセグメントに隣接するＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓセグメント（ただし、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）；ＧａＡｓセグメントに隣接するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメント（ただし、０≦ｘ≦１）；及びＧａＡｓセグメントに隣接するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓセグメント（ただし、０≦ｘ≦１）の隣接セグメントのタイプのうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記各ナノロッドは、第２の半導体材料内に封入される第１の半導体材料を備える、請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ナノ構造及びそれを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ構造は、約１ナノメ−トル（ｎｍ）〜約１００ｎｍの範囲のサイズを有する構造である。ナノ構造は、ナノ粒子、ナノロッド及びナノワイヤを含む、多種多様な形態で存在する。
【０００３】
ナノメ−トル範囲の寸法を有する半導体ナノ構造は、バルク半導体結晶の特性と半導体分子の特性との間にある中間に位置する物理的及び化学的特性を有する。例えば、このサイズ範囲では、半導体エネルギ−バンドギャップは、ナノ構造のサイズが小さくなるのに応じて大きくなる。半導体ナノ構造の固有の特性によって、半導体ナノ構造は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質等の生体分子の蛍光タギング、及び他のタイプの分子を含む、多種多様な応用形態において用いるために、具体的な仕様に応じて形成することができる。
【０００４】
半導体ナノ粒子は、ある溶液の中で、構成成分の半導体元素（例えば、Ｃｄ、並びにＳ、Ｓｅ及びＴｅのうちの１つ）の液体前駆物質溶液を反応させることによって製造されてきた。半導体ナノ粒子及びナノロッドは、溶液−液体−固体成長機構によっても製造されており、それによれば、液体金属クラスタが反応物の溶解を触媒し、過飽和合金が形成され、その過飽和合金から半導体ナノワイヤが成長する。この過程では、ナノワイヤのサイズは、液体成長溶液の温度を急速に下げるか、又は液体成長溶液の組成を急速に変更するかのいずれによって、成長過程を抑制することにより制御される。
【０００５】
上記の手法によって製造される半導体ナノ構造のサイズは厳密に制御することはできない。結果として、これらの製造方法によって形成される半導体ナノ構造は、広いサイズ分布を示し、多くの応用分野（例えば蛍光タギング）において有効性が低下する。サイズに基づいて半導体ナノ構造を分離するための方法が開発されているが、これらの方法は、実施困難であり、製造コストを増大し、単分散サイズ分布を生み出す能力に限界がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体ナノ構造のサイズを厳密に制御できるようにする、半導体ナノ構造を製造するための手法が必要とされている。また、広い範囲の組成及び構造的な配列を有する半導体ナノ構造を自由に製造することができる半導体ナノ構造製造手法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、基板上での半導体ナノワイヤの成長中に、触媒粒子によって画定される成長場所において、半導体ナノワイヤのタ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントをそれぞれ形成する異なる個々の蒸気−液体−固体反応が支援される。半導体ナノワイヤの犠牲セグメントは選択的に除去されて、半導体ナノワイヤのタ−ゲットセグメントに対応する半導体ナノ構造が形成される。
【０００８】
本発明の他の特徴及び利点は、図面及び特許請求の範囲を含む、以下に記載される説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下の説明では、類似の参照符号が、類似の構成要素を特定するために用いられる。さらに、図面は、例示的な実施形態の主な特徴を概略的に示すことを意図している。図面は、実際の実施形態の全ての特徴を表すことも、図示される構成要素の相対的な寸法を表すことも意図していない。また図面は縮尺どおりに描かれていない。
【００１０】
［Ｉ．序論］
以下に詳細に説明される、本発明による実施形態は、サイズを厳密に制御でき、広い範囲の組成及び構造を有する半導体ナノ構造を製造することができる。これらの実施形態によれば、タ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントを含む半導体ナノワイヤが形成される。その後、半導体ナノワイヤの犠牲セグメントを選択的に除去することにより、タ−ゲットセグメントに対応する半導体ナノ構造が形成される。
【００１１】
本明細書において用いられるときに、用語「ナノ構造」及び「ナノ粒子」は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内のサイズの少なくとも１つの断面寸法を有する物質からなる組成物を指している。用語「ナノワイヤ」又は「ナノロッド」は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の、長手方向の（成長）軸に対して垂直な平均断面直径を有する物質からなる組成物を指している。ナノワイヤの長さは、１ｎｍ〜１マイクロメ−トル（μｍ）又はそれよりも長い範囲を有することができる。ナノワイヤでは、長手方向の軸に対して垂直な断面が、円形、六角形及び矩形を含む、多種多様な形状のうちの任意の形状を有することができる。
【００１２】
ナノワイヤの「セグメント」は、ナノワイヤの長手方向の一連の部分を指している。ナノワイヤの「タ−ゲットセグメント」は、そのナノワイヤから製造されることになるナノ構造に対応する、ナノワイヤのセグメントを指している。ナノワイヤの「犠牲セグメント」は、そのナノワイヤからナノ構造を製造する過程において消耗されるか、又は廃棄される、ナノワイヤのセグメントを指している。
【００１３】
［ＩＩ．半導体ナノワイヤ製造の概要］
本発明による実施形態のうちのいくつかが、ナノワイヤのタ−ゲットセグメントの直径、長さ及び組成を厳密に制御できるようにする蒸気−液体−固体成長機構によって半導体ナノワイヤを製造する。蒸気−液体−固体成長機構は、触媒を用いて、半導体結晶ナノワイヤの一次元の蒸気相成長(vapor-phase growth)を促進する過飽和な液体−固体界面(interface)を生成することを含む。図１Ａ〜図１Ｄは、蒸気−液体−固体成長機構によってナノワイヤを製造する１つの例示的な工程を示す。これらの半導体ナノワイヤは、標準的な金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって製造することができる。
【００１４】
図１Ａは、基板１２上にある触媒粒子１０を示す。一般的に、基板１２には、半導体基板、ガラス基板、サファイア基板、酸化マグネシウム基板及びセラミック基板を含む、任意のタイプの支持構造を用いることができる。基板１２は、１つ又は複数の層（半導体層又は絶縁層）を含むことができ、その上に触媒粒子１０が形成される。触媒粒子は、半導体結晶ナノワイヤの一次元の蒸気相成長を促進する過飽和な液体−固体界面の形成を支援する任意の材料から形成することができる。触媒粒子の組成の選択は、少なくとも或る程度、製造されることになる半導体ナノ構造の組成に依存する。本発明によるいくつかの実施形態では、触媒粒子は、Ａｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ及びそれらの合金から選択される材料から形成される。触媒粒子は典型的には、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の平均サイズを有する。
【００１５】
触媒粒子１０は、多種多様な方法の中から任意の方法で基板１２上に形成することができる。例えば、触媒粒子１０は、個別の島状部(discrete islands)を形成するために、レ−ザアブレ−ションによって、あるいはパタ−ニングされた、又はパタ−ニングされていない金属薄膜を共融温度よりも高い温度まで加熱することによって形成することができる。本発明によるいくつかの実施形態では、触媒粒子１０は核形成し、蒸気相内の表面１２上で成長する。触媒粒子１０は、ランダムに、又は１つのパタ−ンに従って、基板１２の表面にわたって分布することができる。
【００１６】
図１Ｂは、蒸気−液体−固体成長工程の１つの段階を示しており、その段階では、触媒粒子が、共融温度よりも高い温度まで加熱され、半導体成長材料１４が、蒸気相内にある触媒粒子に供給される。本発明によるいくつかの実施形態では、半導体成長材料は、製造されることになるナノワイヤ内の構成成分半導体材料を形成するための１つ又は複数の前駆物質蒸気を含む。物理的な方法（例えば、レ−ザアブレ−ション及び熱蒸着）並びに化学的な方法（例えば、化学気相成長）を用いて、蒸気相半導体成長材料１４を生成することができる。
【００１７】
図１Ｃに示されるように、半導体成長材料１４の成分１６が、触媒粒子１０の表面において分解する。これらの成分１６のうちの少なくともいくつかは、触媒粒子１０の中に拡散し、共融液体合金１８を形成する。
【００１８】
図１Ｄは、蒸気−液体−固体成長工程の１つの段階を示しており、その段階では、液体合金１８が過飽和状態になり（例えば、成長温度を下げることによる）、半導体材料２０が、触媒粒子によって画定される成長場所２２において液体−固体界面から沈降(precipitating)する。沈降する半導体材料２０は、半導体ナノワイヤの形成を開始する。蒸気相半導体成長材料１４は、液体合金１８の過飽和状態を保持し、それにより、半導体ナノワイヤの一次元のエピタキシャル成長を助長する。
【００１９】
［ＩＩＩ．半導体ナノワイヤの製造］
［Ａ．概要］
図２は、本発明による半導体ナノ構造を製造するための一実施形態を示す。
【００２０】
この方法によれば、基板上での半導体ナノワイヤの成長中に、半導体ナノワイヤのタ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントをそれぞれ形成する個々の異なる蒸気−液体−固体反応が、触媒粒子によって画定される成長場所において支援される（ブロック９０）。
【００２１】
各ナノワイヤは、１つ又は複数のタ−ゲットセグメント及び１つ又は複数の犠牲セグメントを含む。本発明によるいくつかの実施形態では、少なくとも１つの犠牲セグメントが、一連のタ−ゲットセグメント間に配置される。各ナノワイヤ内の種々のタ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントの長さは同じ場合も、異なる場合もある。ナノワイヤの直径は、ナノワイヤを成長させるために用いられる触媒粒子のサイズによって決定され、各ナノワイヤセグメントの長さは、ナノワイヤセグメントの形成中の成長パラメ−タ（例えば、ナノ粒子触媒組成、前駆物質蒸気タイプ、前駆物質蒸気流量、前駆物質蒸気比、温度及び成長時間）を制御することにより厳密に制御することができる。
【００２２】
タ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントはそれぞれ、元素半導体、ＩＶ族半導体合金、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体及び半導体酸化物から選択される半導体材料から形成される。タ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントはそれぞれ、均一な長手方向組成又は変化する長手方向組成を有することができる。各ナノワイヤ内のタ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントのうちの１つ又は複数が、個々の異なる半導体組成を有する異なる長手方向領域を有することができる。これらの異なる領域間の接合部における半導体組成は急激に変化することができる（例えば、隣接する個々の領域が階段ヘテロ接合を形成することができる）か、又はそれらの組成は徐々に変化することができる（例えば、隣接する個々の領域が傾斜接合(graded junctions)を形成することができる）。
【００２３】
本発明によるいくつかの実施形態では、各ナノワイヤのタ−ゲット及び犠牲セグメントは、同じ半導体材料ファミリから選択される材料から形成される。本明細書において用いられるとき、用語「半導体材料ファミリ」は、例えば、適合する隣接ナノワイヤセグメント上でエピタキシャル成長したナノワイヤセグメント(epitaxial nanowire segment)を形成することができる個別の１組の元素原子（例えば、１組のＩＩＩ族元素原子及びＶ族元素原子）の２つ以上のメンバから構成される半導体材料のグル−プを指している。本発明によるいくつかの実施形態では、各半導体ナノワイヤは、以下のタイプの隣接するセグメントのうちの少なくとも１つを含む：ＩｎＰセグメントに隣接するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙセグメント（ただし、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）；ＩｎＰセグメントに隣接するＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓセグメント（ただし、０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１）；ＧａＡｓセグメントに隣接するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメント（ただし、０≦ｘ≦１）；及びＧａＡｓセグメントに隣接するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓセグメント（ただし、０≦ｘ≦１）。
【００２４】
半導体ナノワイヤの犠牲セグメントが選択的に除去されて、半導体ナノワイヤのタ−ゲットセグメントに対応する半導体ナノ構造が形成される（ブロック９２）。犠牲セグメントは、種々の異なる方法で選択的に除去することができる。本発明によるいくつかの実施形態では、犠牲セグメントは、タ−ゲットセグメントの対応する特性とは十分に異なる化学的、光学的又は物理的特性を有し、それにより、犠牲セグメントをタ−ゲットセグメントから選択的に分離できるようにする。
【００２５】
本発明によるいくつかの実施形態では、犠牲セグメントは、タ−ゲットセグメントに対して選択的にエッチング可能である。これらの実施形態では、犠牲セグメントを選択的に消滅させるエッチング剤によって、タ−ゲットセグメントを概ね変更されないままにしておきながら、犠牲セグメントを除去することができる。２つの異なる材料に適用されるエッチング工程の選択性は、異なる材料のエッチング速度比によって測定することができる。本発明によるいくつかの実施形態では、タ−ゲットセグメントに対する犠牲セグメントのエッチング速度は少なくとも１０：１である。選択的なエッチング工程において、エッチング剤は液相であっても、蒸気相であってもよい。
【００２６】
犠牲ナノワイヤセグメントを選択的に除去する過程において、又はその後に、残りの半導体ナノワイヤを不動態化することができる。本発明によるいくつかの実施形態では、半導体ナノ構造は、それらの構造をトリ−ｎ−オクチルホスフィン（ＴＯＰ）及びトリ−ｎ−オクチルホスフィン酸化物（ＴＯＰＯ）のような、１つ又は複数の有機化合物でコ−ティングすることにより不動態化される。本発明に従って形成される離散した個別のナノロッドの集団は、懸濁液又は分散媒の形態で保管することができる。個別のナノロッドは典型的には、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の平均直径と、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の平均長とを有する。
【００２７】
不動態化されたナノ構造は、多種多様な装置又はシステムに組み込むことができる。例えば、そのナノ構造は、蛍光タギングデバイス内に組み込まれるプラスチックフィルム内に分散させることができる。
【００２８】
［Ｂ．本発明による例示的な実施形態］
図２に示されるナノ構造製造方法の本発明による例示的な実施形態が以下に詳細に記述される。
【実施例１】
【００２９】
図３は、図２に示される方法の一実施形態による、触媒粒子１０のそれぞれの下の基板１２上に形成されるナノワイヤ９４を示す。ナノワイヤ９４はそれぞれ、第１の半導体材料から形成される第１のセグメント９６と、第１の半導体材料とは異なる第２の材料から形成される第２のセグメント９８とを含む。第１のセグメント９６の長手方向の長さは、第２のセグメント９８の長手方向の長さとは異なる。各ナノワイヤ94の第１のセグメント９６及び第２のセグメント９８のうちの少なくとも一方が、他方のセグメントに対して選択的にエッチング可能である。
【００３０】
図４は、ナノワイヤ９４のタ−ゲットセグメント９８に対応する半導体ナノ構造１０４を形成するために犠牲セグメント９６を選択的に除去するエッチング液１０２を保持する容器１００の概略図を示す。半導体ナノ構造１０４は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の平均直径と、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の平均長とを有する離散したナノロッドの集団を形成し、各ナノロッドの半導体組成は長手方向において均一である。
【００３１】
本発明によるいくつかの実施形態では、第１のセグメント９６はＩｎＰから形成され、第２のセグメント９８はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓから形成される。ただし、０≦ｘ≦１である。本発明による他の実施形態では、第２のセグメント９８がＩｎＰから形成され、第１のセグメント９６がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓから形成される。ただし、０≦ｘ≦１である。本発明によるこれらの実施形態を製造する１つの例示的な方法では、ナノワイヤ９４は、シリコンウェ−ハ１２上に形成される酸化シリコン層上に、金ナノ粒子１０によって画定される成長場所において形成することができ、本発明によるいくつかの実施形態では、シリコンウェ−ハ１２は製造システムのＣＶＤチャンバ内に入れられる。
【００３２】
ＩｎＰセグメントは、ＣＶＤチャンバ内に、インジウムの有機金属化合物を含む前駆物質蒸気と、ホスフィンの前駆物質蒸気とを供給することにより形成される。蒸気相インジウム含有有機金属化合物内のインジウムは分解して、金ナノ粒子内に拡散し、各成長場所において液化した金−インジウム合金を形成する。液化した合金が飽和した後に、液化した合金の底面にある液体−固体界面からインジウムが沈降する。沈降するインジウムはホスフィン蒸気と反応し、液体−固体界面においてＩｎＰが形成される。成長パラメ−タ（例えば、ナノ粒子触媒組成、前駆物質蒸気タイプ、前駆物質蒸気流量、前駆物質蒸気比、温度及び成長時間）を選択して、特定の長手方向の長さを有するＩｎＰナノワイヤセグメントが製造される。
【００３３】
ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメントは、ＣＶＤチャンバ内に、インジウムの有機金属化合物を含む前駆物質蒸気と、ガリウムの有機金属化合物を含む前駆物質蒸気、アルシンの前駆物質蒸気とを供給することによって形成される。蒸気相インジウム含有有機金属化合物内のインジウム及び蒸気相ガリウム含有有機金属化合物内のガリウムは分解して、金ナノ粒子内に拡散し、各成長場所において液化した金−インジウム−ガリウム合金を形成する。液化した合金が飽和した後に、液化した合金の底面にある液体−固体界面からインジウム及びガリウムが沈降する。沈降するインジウム及びガリウムはアルシン蒸気と反応し、液体−固体界面においてＩｎｘＧａ１−ｘＡｓが形成される。成長パラメ−タ（例えば、ナノ粒子触媒組成、前駆物質蒸気タイプ、前駆物質蒸気流量、前駆物質蒸気比、温度及び成長時間）を選択して、特定の長手方向の長さを有するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓナノワイヤセグメントが製造される。
【００３４】
本発明によるいくつかの実施形態では、ＩｎＰセグメントがタ−ゲットセグメントに指定され、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメントが犠牲セグメントに指定される。これらの実施形態では、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ犠牲セグメントは、硫酸及び過酸化水素を含む水溶液（例えば、体積比で硫酸：過酸化水素：ＤＩ水が１：１：５０の溶液）内でエッチングすることにより選択的に除去することができる。このエッチング工程によって、全ての犠牲ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメントが除去され、残りのＩｎＰナノ構造がエッチング溶液内に残されるであろう。
【００３５】
本発明による他の実施形態では、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメントがタ−ゲットセグメントであり、ＩｎＰセグメントが犠牲セグメントである。これらの実施形態では、ＩｎＰ犠牲セグメントは、塩酸を含む水溶液（例えば、体積比で塩酸：ＤＩ水が２：３の水溶液）においてエッチングすることにより選択的に除去することができる。このエッチング工程によって、全ての犠牲ＩｎＰセグメントが除去され、残りのＩｎｘＧａ１−ｘＡｓナノ構造がエッチング溶液内に残されるであろう。
【実施例２】
【００３６】
図５は、図２に示される方法の一実施形態に従って、触媒粒子１０のそれぞれの下の基板１２上に形成されるナノワイヤ１０６を示す。各ナノワイヤ１０６は、第１の半導体材料から形成される１組の第１のセグメント１０８、１１０、１１２、１１４と、第１の半導体材料とは異なる第２の半導体材料から形成される１組の第２のセグメント１１６、１１８、１２０とを含む。第１のセグメント１０８〜１１４はそれぞれ異なる長手方向の長さＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を有し、第２のセグメント１１６〜１２０はそれぞれ異なる長手方向の長さＴ１、Ｔ２、Ｔ３を有する。本発明による他の実施形態では、一対又は複数対の第１及び第２のセグメント１０８〜１２０は、同じ長手方向の長さを有することができる。
【００３７】
本発明によるいくつかの実施形態では、第１のセグメント１０８〜１１４は、第２のセグメント１１６〜１２０に対して選択的にエッチング可能であるか、又は第２のセグメント１１６〜１２０は第１のセグメント１０８〜１１４に対して選択的にエッチング可能であるか、又は第１のセグメント１０８〜１１４及び第２のセグメント１１６〜１２０は互いに対して選択的にエッチング可能である。
【００３８】
本発明によるいくつかの実施形態では、第１のセグメント１０８〜１１４はＩｎＰから形成され、第２のセグメント１１６〜１２０はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓから形成される。ただし、０≦ｘ≦１である。本発明による他の実施形態では、第２のセグメント１１６〜１２０がＩｎＰから形成され、第１のセグメント１０８〜１１４がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓから形成される。ただし、０≦ｘ≦１である。ＩｎＰセグメント及びＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメントは、実施例１に関連して先に説明された工程によって形成することができる。ＩｎＰセグメントを形成するための蒸気相成長材料及びＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメントを形成するための蒸気相成長材料がＣＶＤチャンバに交互に供給され、ナノワイヤ１０６が形成される。
【００３９】
ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメントがタ−ゲットセグメントに指定される場合には、硫酸及び過酸化水素を含む水溶液（例えば、体積比で硫酸：過酸化水素：ＤＩ水が１：１：５０の溶液）内で選択的にエッチングすることにより、ＩｎＰ犠牲セグメントを除去することができる。ＩｎＰセグメントがタ−ゲットセグメントに指定される場合には、塩酸を含む水溶液（例えば、体積比で塩酸：ＤＩ水が２：３の水溶液）において選択的にエッチングすることにより、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ犠牲セグメントを除去することができる。
【実施例３】
【００４０】
図６Ａは、図２に示される方法の一実施形態に従って、触媒粒子１０のそれぞれの下の基板１２上に形成されるナノワイヤ１２２を示す。各ナノワイヤ１２２は、１組の犠牲セグメント１３２、１３４、１３６、１３８、１４０のそれぞれによって分離される１組の一連のタ−ゲットセグメント１２４、１２６、１２８、１３０を含む。図６Ａでは、タ−ゲットセグメント１２４〜１３０はそれぞれ異なる長手方向の長さを有するのに対して、犠牲セグメント１３２〜１４０は、同じ長手方向の長さを有する。本発明による他の実施形態では、一対又は複数対のタ−ゲットセグメント１２４〜１３０は同じ長手方向の長さを有するのに対して、一対又は複数対の犠牲セグメント１３２〜１４０はそれぞれ異なる長手方向の長さを有する。
【００４１】
各タ−ゲットセグメント１２４〜１３０は、長手方向において組成が変化する。詳細には、各タ−ゲットセグメント１２４〜１３０は１組の一連の長手方向の部分領域１４２、１４４、１４６、１４８、１５０を含み、これらの部分領域１４２〜１５０の隣接する部分領域はそれぞれ異なる半導体組成を有する。本発明によるいくつかの実施形態では、各部分領域１４２〜１５０は、同じ半導体ファミリ内の材料から形成され（例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ、ただし０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１；ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ、ただし０≦ｘ≦１及び０≦ｙ≦１；ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ただし０≦ｘ≦１；ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ただし、０≦ｘ≦１）、その場合に、合金組成は、タ−ゲットセグメント１２４〜１３０に沿って長手方向の位置とともに急峻に、又は徐々に変化する。本発明による他の実施形態では、部分領域１４２〜１５０のうちの少なくとも２つが、異なる半導体ファミリからの個々の半導体材料から形成される。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態では、各タ−ゲットセグメント１２４〜１３０の部分領域の組成及び構造的な配列は、単一又は多数の量子井戸へテロ構造を含む、多種多様な半導体ヘテロ構造から選択されるヘテロ構造を生み出すように構成される。例えば、図６Ａに示される一実施形態では、部分領域１４６は第１の半導体材料から形成される量子井戸部分領域であり、２つの部分領域１４４、１４８は、第１の半導体材料よりも広いエネルギ−バンドギャップを有する第２の半導体材料から形成される量子障壁部分領域である。部分領域１４２、１５０は、量子井戸部分領域１４６よりも低い屈折率を有するクラッディング部分領域に対応し得る。
【００４３】
犠牲セグメント１３２〜１４０は、タ−ゲットセグメント１２４〜１３０の構成成分に対して選択的にエッチング可能である。本発明による１つの例示的な実施形態では、各犠牲セグメント１３２〜１４０はＩｎＰから形成され、各タ−ゲットセグメント１２４〜１３０の部分領域１４２及び部分領域１５０は、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓから形成され、各タ−ゲットセグメント１２４〜１３０の部分領域１４４及び部分領域１４８はＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓから形成され、各タ−ゲットセグメント１２４〜１３０の部分領域１４６はＩｎ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓから形成され、ただし０≦ｘ１≠ｘ２≠ｘ３≦１である。ＩｎＰセグメント及びＩｎｘＧａ１−ｘＡｓセグメントは、例１に関連して先に説明された工程に従って形成される。
【００４４】
ＩｎＰ犠牲セグメント１３２〜１４０は、硫酸及び過酸化水素を含む水溶液（例えば、体積比で硫酸：過酸化水素：ＤＩ水が１：１：５０の溶液）内で選択的にエッチングすることにより除去することができる。
【００４５】
図６Ｂは、ＩｎＰ犠牲セグメント１３２〜１４０を選択的に除去して、ナノワイヤ１２２のタ−ゲットセグメント１２４〜１３０に対応する半導体ナノ構造１５１を形成するエッチング液１４９を保持する容器１００の概略図を示す。半導体ナノ構造１５１は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の平均直径と、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の平均長とを有する離散したナノロッドの集団を形成する。ただし、各ナノロッドは、長手方向において半導体組成が変化する。
【実施例４】
【００４６】
図７Ａは、図２に示される方法の一実施形態による、触媒粒子１０のそれぞれの下の基板１２上に形成されるナノワイヤ１５２を示す。各ナノワイヤ１５２は、第１の半導体材料から形成される１組の第１のセグメント１５４、１５６、１５８、１６０と、第１の半導体材料とは異なる第２の半導体材料から形成される１組の第２のセグメント１６２、１６４、１６６とを含む。第１のセグメント１５４〜１６０は、同じ又は異なる個々の長手方向の長さを有することができる。同様に、第２のセグメント１６２〜１６６は、同じ又は異なる個々の長手方向の長さを有することができる。
【００４７】
第１の半導体材料及び第２の半導体材料のうちの少なくとも一方は、原子又は分子反応種と反応し、第１の半導体材料及び第２の半導体材料の構成材料とは異なる複合半導体材料を形成することができる。第１の半導体材料及び第２の半導体材料には、例えば、酸素含有種と反応して半導体酸化物を形成することができ、また窒素含有種と反応して半導体窒化物を形成することができるＩＶ族半導体を用いることができる。
【００４８】
図７Ｂに示されるように、本発明によるいくつかの実施形態では、第１の半導体材料及び第２の半導体材料は１つ又は複数の反応種と反応して、第１のセグメント及び第２のセグメント（例えば、第１のセグメント１５８及び第２のセグメント１６４）の第１の半導体材料及び第２の半導体材料をそれぞれ封入する複合半導体殻１６８、１７０を形成する。本発明によるこれらの実施形態のうちのいくつかでは、複合半導体殻１６８、１７０の一方又は両方が、互いに対して選択的にエッチング可能である。複合半導体殻１６８、１７０の異なるエッチング特性を利用して、図７Cに示されるように、選択性エッチング剤１７４内にナノワイヤ１５２を浸漬することにより、指定された犠牲ナノワイヤセグメントを選択的に除去して、所望の半導体ナノ構造１７２を形成することができる。
【００４９】
本発明による１つの例示的な実施形態では、第１の半導体材料及び第２の半導体材料のうちの一方はシリコンであり、第１の半導体材料及び第２の半導体材料のうちの他方はゲルマニウムである。この実施形態では、シリコンナノワイヤセグメント及びゲルマニウムナノワイヤセグメントを酸化して、それぞれ酸化シリコン（例えばＳｉＯ２）及び酸化ゲルマニウム（例えばＧｅＯ２）が形成される。封入されたシリコンナノワイヤセグメントが、タ−ゲットセグメントに指定される場合には、酸化シリコンよりも著しく速い速度で酸化ゲルマニウムをエッチングする水酸化アンモニウム（すなわちＮＨ４ＯＨ）を含む水溶液において選択的にエッチングすることにより、犠牲ゲルマニウムセグメントを除去することができる。封入されたゲルマニウムナノワイヤセグメントが、タ−ゲットセグメントに指定される場合には、酸化ゲルマニウムよりも著しく速い速度で酸化シリコンをエッチングするフッ化水素酸（すなわちＨＦ）を含む水溶液において選択的にエッチングすることにより、犠牲シリコンセグメントを除去することができる。
【００５０】
［ＩＶ．結論］
これまでに詳細に説明されてきた本発明による例示的な実施形態は、半導体ナノ構造を、サイズを厳密に制御しながら、広範な組成及び構造で製造することができる。本発明による実施形態では、タ−ゲットセグメント及び犠牲セグメントを含む半導体ナノワイヤが形成される。その後、半導体ナノワイヤの犠牲セグメントを選択的に除去することによりタ−ゲットセグメントに対応する半導体ナノ構造が形成される。
【００５１】
本発明による他の実施形態も特許請求の範囲の中にある。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１Ａ】従来技術の蒸気−液体−固体成長機構による、基板上にある触媒粒子の概略図である。
【図１Ｂ】図１に示される触媒粒子のそれぞれの表面において構成成分に分解する蒸気相半導体成長材料の概略図である。
【図１Ｃ】液体触媒粒子を通して拡散する、図１Ｂに示される分解された蒸気相半導体成長材料の成分の概略図である。
【図１Ｄ】過飽和液体触媒粒子で形成される液体−固体界面から沈殿する、図１Ｃに示される拡散している半導体材料成分の概略図である。
【図２】本発明による、半導体ナノ構造を製造する方法の一実施形態の流れ図である。
【図３】本発明の一実施形態による、成長した半導体ナノワイヤの概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による、図３に示される半導体ナノワイヤから形成される半導体ナノ構造の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態による、成長した半導体ナノワイヤの概略図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による、成長した半導体ナノワイヤの概略図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による、図６Ａに示される半導体ナノワイヤから形成される半導体ナノ構造の概略図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による、成長した半導体ナノワイヤの概略図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による、酸化された後の図７Ａに示される半導体ナノワイヤの概略図である。
【図７Ｃ】本発明の一実施形態による、図７Ｂに示される酸化された半導体ナノワイヤから形成される半導体ナノ構造の概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０    触媒粒子
１２    基板
１４    半導体成長材料
１６    成分
１８    共融液体合金
２０    半導体材料
２２    成長場所
９４    ナノワイヤ
９６    第１のセグメント
９８    第２のセグメント
１００  容器
１０２  エッチング液
１０４  半導体ナノ構造
１０６  ナノワイヤ
１０８、１１０、１１２、１１４  第１のセグメント
１１６、１１８、１２０  第２のセグメント
１２２  ナノワイヤ
１２４、１２６、１２８、１３０  ターゲットセグメント
１３２、１３４、１３６、１３８、１４０  犠牲セグメント
１４２、１４４、１４６、１４８、１５０  部分領域
１４９  エッチング液
１５１  半導体ナノ構造
１５２  ナノワイヤ
１５４、１５６、１５８、１６０  第１のセグメント
１６２、１６４、１６６  第２のセグメント
１６８、１７０  複合半導体殻
１７２  半導体ナノ構造
１７４  選択性エッチング剤
【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２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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