以下、本発明によるヘテロ構造を有する� ��導体ナノワイヤ(以下、ヘテロナノワイヤと 呼ぶ。)の製造方法の実施形態を説明する。� �実施形態の半導体ナノワイヤは、第一の材� �のナノワイヤと第二の材料のナノワイヤと� �、ナノワイヤの成長方向(長手方向)に配置さ れた構造を有する。また、「第一の材料」と 「第二の材料」は、必ず、互いに異なる組成 を有する(互いにバンドギャップの異なる)半� ��体材料から形成されている必要はない。「� ��一の材料」と「第二の材料」は、同一組成� ��半導体材料に異なる濃度の不純物がドープ� ��れたものであってもよいし、同一組成の半� ��体材料に導電型が異なる不純物がドープさ� ��たものであってもよい。すなわち、本実施� ��態の「ヘテロナノワイヤ」は、互いに組成� ��異なるナノワイヤから構成されていてもよ� ��し、同一組成の半導体材料に異なる濃度ま� ��は異なる導電型の不純物がドープされたナ� ��ワイヤから構成されていてもよい。

 図1(a)から(d)は、本実施形態のヘテロナノ ワイヤの製造方法を示す図である。ナノワイ ヤは公知の方法であるVLS成長機構によって成 長することができる。

 まず、図1(a)に示すように、触媒粒子101を 任意の基板102上に配置させる。配置させる方 法としては、例えば、金属コロイド溶液をス ピンコート法によって塗布する方法や金属薄 膜をスパッタ法や蒸着法で堆積させ粒子化す る方法を用いればよい。また、触媒粒子101は 、例えば、金、銀、銅、ニッケル、コバルト 、鉄、チタンなどの金属原子、後述するナノ ワイヤを構成する材料との合金、および上述 した金属種や半導体層を構成する材料との複 合材料により構成されている。また、触媒粒 子101の粒径は、1nmから500nm程度である。本願� ��図面には円形の金属粒子を示しているが、� ��属粒子の形状は円形に限定されず、四角形� ��六角形などの多角形を含有する様々な断面� ��状であってもよい。

 次に、この触媒粒子101を配置した基板102� ��CVD装置などのチャンバに導入する。図1(b)に 示すように、ナノワイヤを構成する元素を含 む原料ガス103をチャンバ内に導入し、所定の 圧力に保つ。この基板102は、ランプやヒータ ーなどで加熱されることにより任意の温度に 保たれる。このような状況において、第一の 材料の原料ガス103は、触媒粒子101の近傍にお いてのみ選択的に分解する。触媒粒子101が、 この分解した原料ガスと反応することにより 、触媒金属とナノワイヤを構成する元素との 合金が形成される。

 ナノワイヤを構成する元素は、合金に溶� ��していくことで、過飽和状態となる。これ� ��より、ナノワイヤを構成する元素が合金か� ��析出し、析出した元素が凝集することで第� ��の材料のナノワイヤ104が成長する。

 次に図1(c)に示すように、第一の材料のナ ノワイヤ104の側壁に保護膜105を形成する。保 護膜105を形成する方法としては、例えば、チ ャンバ中にガスを導入し堆積する方法、スパ ッタ法や蒸着法を用いることができる。また 、保護膜105は、第一の材料のナノワイヤ104お よび第二の材料のナノワイヤ106(図1(d)に示す� ��)に対して、任意のエッチャントで少なくと も3倍以上エッチングレートが速い材料によ� �て構成されている。具体的には、第一の材� �のナノワイヤ104を構成する元素がSiの場合、 保護膜105としてシリコン酸化膜やシリコン窒 化膜を用いるとよい。

 次に図1(d)に示すように、ナノワイヤを構 成する元素を含む第二の材料の原料ガス107を チャンバ内に導入し、所定の圧力、温度に保 つことにより、第二の材料のナノワイヤ106が 成長する。その後、保護膜105を除去する。

 なお、第一の材料のナノワイヤ104および� ��二の材料のナノワイヤ106は、例えば、Si、Ge 、SiGeなどのIV族半導体、GaAs、InP、InAsなどのI II―V族半導体、またはZnS、ZnSe、CdSなどのII― VI族半導体から形成すればよい。

 また、第一の材料のナノワイヤ104および� ��二の材料のナノワイヤ106の長さは、例えば1 μm~100μm程度であり、これらのナノワイヤの� �径は、例えば2nm~1μm程度である。

 本発明のナノワイヤの製造方法では、第� ��の材料のナノワイヤの成長中に第一の材料� ��ナノワイヤの側壁が保護膜によって覆われ� ��いるため、第一の材料ナノワイヤの側壁に� ��、堆積物が直接成長しない。また、上述し� ��保護膜は、第二の材料のナノワイヤ成長中� ��、保護膜上に堆積物が成長しないような材� ��や第二の材料のナノワイヤを構成する元素� ��成長中に保護膜を拡散して第一の材料のナ� ��ワイヤ表面に到達しないような膜厚に設定� ��ればよい。詳細な成長条件については、後� ��する。

 以下、本発明による具体的な実施形態を� ��明する。

  (第1の実施形態)
 以下、図2(a)から図3(c)を参照しながら、本� �明による半導体ナノワイヤの製造方法の第1� ��実施形態を説明する。本実施形態では、p-i- p構造にドーピングされたSiナノワイヤを形成 する。

 まず、図2(a)に示すように、成長用基板と して機能するシリコン基板202上に、触媒粒子 として金(Au)粒子201を形成する。シリコン基� �202は、ナノワイヤ成長時の熱処理温度に対� �る耐熱性を有していればよく、シリコン基� �202上に、例えば、シリコン酸化膜やシリコ� �窒化膜などが堆積されていてもよい。また� �シリコン基板202の面方位や抵抗率は任意に� �定してよい。

 触媒粒子であるAu粒子201は、原料ガスの� �解促進に優れ、ナノワイヤを構成する元素� �共晶状態を形成し、ナノワイヤの成長を促� �させるために用いられる。Au粒子201の直径は 、ナノワイヤの直径とほぼ等しい大きさにな るため、所望の直径のナノワイヤが得られる ように設定する必要がある。通常、Au粒子201� ��直径は1nmから1000nmであり、より好ましくは� ��5nmから100nmの範囲内である。

 シリコン基板202上へAu粒子201を形成する� �法としては、公知の方法を用いることがで� �る。例えば、シリコン基板202の表面に、ス� �ッタ法や蒸着法などの公知の薄膜形成装置� �用いてAu薄膜を形成する。その後、このAu薄� ��を熱処理することによりAuを自己凝集させ� �図2(a)に示すようなAu粒子201を形成すること� �できる。

 本実施形態のAu粒子201を形成する方法と� �ては、例えば、EB蒸着法を用いて、0.5nmから1 0nm程度のAu薄膜を堆積し、500℃で30分から3時� ��程度の熱処理を行なうとよい。Au粒子201の� �径は、Au薄膜の厚さと熱処理条件に依存する ため、所望の直径になるようにAu薄膜の厚さ� ��調整する。例えば、Au薄膜を約2nm堆積し、� �空中、500℃で30分間の熱処理を行なうとよい 。

 次に、Au粒子201が形成されたシリコン基� �202をCVD装置などのチャンバ内に導入する。� �して、図2(b)に示すように、Si元素およびB元� ��を含む原料ガス203をチャンバに導入し、所� ��の圧力、温度に保つ。これにより、シリコ� ��基板202上において、Au粒子201表面で分解さ� �た原料ガス203中のSi元素とAu粒子201が反応し� ��Au-Siの合金が形成される。Si元素は、合金に 溶解していくことで、過飽和状態となる。こ れにより、Siが合金から析出して凝集し、Si� �ノワイヤ204が形成される。

 図4に、Bをin-situドープさせながら成長させ� ��Siナノワイヤ204を拡大して示す。Au粒子201内 でSiが過飽和状態になると、Siナノワイヤ204� �成長する(VLS機構)。一方、Siナノワイヤ204の� ��長温度(例えば300℃以上600℃以下程度)にお� �て、BのAuに対する固溶度は非常に低く、BはA uに溶解しにくい。したがって、VLS機構によ� �て、1×10 ¹⁹ atoms/cm ³ (Siナノワイヤ204が電極と良好なオーミックコ ンタクトを形成できる不純物濃度の最小値)� �上のBをSiナノワイヤ204の内部に取り込むの� �困難である。

 一方、多量のBが存在すると、Siの多結晶� ��や結晶膜を成長させるための活性化エネル� ��ーが低下する。したがって、BやSiがSiナノ� �イヤ204の側壁に供給されると、Bを含むSiの� �結晶膜の成長が起こり、サイドウォール211� �形成される。サイドウォール211の厚さは成� �時間に比例して大きくなるため、Au粒子201か ら遠い位置ほどサイドウォール211の厚さは大 きくなる。その結果、サイドウォール211の断 面がテーパー状になる。

 図5(a)に、Siナノワイヤの像の顕微鏡写真を� ��す。また、図5(b)に、Siナノワイヤの下部(Au� ��子から遠いほうの部分)のラマンスペクトル を、図5(c)に、Siナノワイヤの上部(Au粒子に接 しているほうの部分)のラマンスペクトルを� �す。図5(b)および図5(c)の520cm ^-1 付近に観測されるピークは、隣接したSi-Siペ� ��の振動によって引き起こされる光学フォノ� ��に対応したピークである。図5(b)と図5(c)のSi -Siモードのピークを比較すると、図5(c)のピ� �クは、対称な形状(ローレンツ関数)であるが 、図5(b)のピークは、高波数側にテールを引� �た非対称な形状であることが分かる。この� �うな形状変化は、フォノンラマン散乱と電� �ラマン散乱が共鳴することで生じたと考え� �れる。この現象は、ファノ共鳴を呼ばれて� �る。B-SiNWにおいて、ファノ共鳴の観測は、� �気的に活性なB原子(Siの格子位置にある)が存 在することを示している。従って、これらの 結果から、VLS成長による高濃度のB-SiNW成長で は、Siナノワイヤ下部にはBがドーピングされ ているが、上部には、ラマンスペクトルで観 測できるレベルのBがドーピングされていな� �ことが分かる。

 図6(a)は、Siナノワイヤの上部の暗視野TEM( transmission electron microscope)写真であり、図6(b) は、Siナノワイヤ上部の高分解能TEM写真であ� ��。一方、図6(c)は、Siナノワイヤの下部の暗� ��野TEM写真であり、図6(d)は、Siナノワイヤの� ��部の高分解能TEM写真である。図6(a)、(c)から 、Siナノワイヤの上部の表面にはコントラス� ��の差がないのに対して、Siナノワイヤの下� �の表面にはコントラストの差があることが� �かる。暗視野TEM観察では、ある結晶方位に� �ントラストを合わせているため、コントラ� �トの差は、結晶方位の差に相当している。� �た、図6(b)、(d)から、Siナノワイヤの上部は� �結晶であるのに対し、Siナノワイヤの下部は 多結晶であることがわかる。この結果から、 Siナノワイヤの下部のほうが、多結晶膜であ� ��サイドウォールが厚く形成されていること� ��わかる。

 Siナノワイヤ204を形成するための原料ガス� �しては、SiH ₄ 、Si ₂ H ₆ 、Si ₃ H ₈ 、SiH ₂ Cl ₂ 、SiCl ₄ などを用いることができる。本実施形態での 成長条件の一例としては、超高真空CVD装置を 用い、350℃から500℃の間で温度範囲を設定し 、Si ₂ H ₆ ガスをシリコンの原料ガスとして用い、B ₂ H ₆ をボロンの原料ガスとして用い、チャンバ内 圧力を10 ^-2 Torrから10Torrに調整する。

 Siナノワイヤ204へのドーピング濃度は、B ₂ H ₆ のガス流量を調整することで制御できる。図 7は、Siナノワイヤ中のB濃度のB ₂ H ₆ ガス流量依存性を示している。図7に示す横� �は、B ₂ H ₆ ガスとH ₂ ガスとの混合ガスの流量を示しており、この 混合ガスには、B ₂ H ₆ が5%の割合で含まれる。縦軸のB濃度は、ある 量のSiナノワイヤの平均的なB濃度をSIMSによ� �て分析した結果を示している。B濃度は、従� ��のエピ成長の場合と同様に、B ₂ H ₆ のガス流量を調節することで、広範囲に制御 できる。

 次に、図2(c)に示すように、ナノワイヤの 原料ガス205を切り替えることで、アンドープ のSiナノワイヤ206を成長させる。Siナノワイ� �206を成長する条件としては、上述した条件� �用いるとよい。これにより、Bがドープされ� ��Siナノワイヤ204とアンドープのSiナノワイヤ 206とを含むp-i構造を有するSiナノワイヤ207が� ��成される。

 次に、図3(a)に示すように、Siナノワイヤ2 07の側壁にシリコン酸化膜からなる保護膜208� ��形成する。保護膜208の形成条件の一例とし� ��は、基板の温度を300℃以上1000℃以下の間に 設定し、酸素ガスまたは酸素および水素ガス を所定の時間導入すればよい。この際、アン モニアや一酸化窒素ガスのような窒素元素含 有ガスを導入し、シリコン窒化膜やシリコン 酸窒化膜を形成してもよい。また、CVD法によ りシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの保 護膜208を形成してもよい。

 次に、図3(b)に示すように、上述した方法 によって、BドープSiナノワイヤ209を成長する 。この際、p-i構造を有するSiナノワイヤ207の� ��壁は保護膜208によって保護されているため� ��、Siナノワイヤ207の側壁には、B含有Si膜が� �積されない。これにより、p-i構造を有するSi ナノワイヤ207へのBのオートドープを避ける� �とができる。保護膜208の材料としてシリコ� �酸化膜を用いた場合、シリコン酸化膜上にB� ��ドープされたSi膜が堆積される(不図示)。成 長温度領域では、Siおよびシリコン酸化膜中� ��のBの拡散長は非常に短いため、p-i構造のSi� ��ノワイヤ207の側壁へBが到達しにくい。また 、Si中のBはシリコン酸化膜中に析出しやすい 性質があるため、Siナノワイヤ207の側壁へのB の拡散は起こりにくい。

 これにより、BドープSiナノワイヤ204、209に� ��、1×10 ¹⁹ atms/cm ³ 以上の高濃度の不純物を導入できるのに対し 、ノンドープSiナノワイヤ207の不純物濃度を� ��1×10 ¹⁸ atms/cm ³ 以下に抑えることが可能となる。

 なお、図示は省略するが、図3(c)に示すSi� ��ノワイヤ210のうちBドープSiナノワイヤ204、2 09の側面には、Au粒子201から遠くなるにつれ� �厚くなるサイドウォールがそれぞれ形成さ� �ている。一方、Siナノワイヤ210のうちノンド ープSiナノワイヤ207の側面にはサイドウォー� ��は形成されていない。

 次に、図3(c)に示すように、保護膜208や保 護膜208上の堆積物(不図示)を除去することで� ��p-i-p構造を有するSiナノワイヤ210を形成する ことができる。保護膜208は、フッ酸溶液に浸 漬させることにより除去すればよい。

 その後、Siナノワイヤ210に対して、1100℃� ��上の温度の熱処理を行う。熱処理は、瞬間� ��な加熱を複数回繰り返すことにより行って� ��よいし、10秒から5分程度の間温度を保つこ� ��により行ってもよい。熱処理は、窒素など� ��不活性ガス雰囲気または酸素雰囲気下で行� ��てもよいし、空気中で行ってもよく、熱処� ��を行うときの雰囲気は特に限定されない。� ��た、レーザアニールを行ってもよいし、ラ� ��プアニールを行ってもよい。なお、熱処理� ��温度は、ナノワイヤの融点の観点から1200℃ 以下で行うことが好ましい。

 以下、この熱処理を行うことによる効果� ��ついて説明する。

 図8(a)にSiナノワイヤを拡大して示す。図8 (a)に示すSiナノワイヤは、p-i-p構造を有するSi ナノワイヤ210のうちのp領域、すなわちSiナノ ワイヤ204またはSiナノワイヤ209である。一方� ��図8(b)に、熱処理を行う前のSiナノワイヤに� ��けるB濃度の分布を示す。図8(b)に示すよう� �、Au粒子201からの距離が遠くなるほどB濃度� �高くなっている。

 図8(c)に、Siナノワイヤに対する熱処理温� ��と、Siナノワイヤの不純物濃度との関係を� �す。グラフの縦軸は結合強度(1/q)であり、こ の値が大きいほどSiナノワイヤに含まれる不� ��物の濃度が高いことを表している。グラフ� ��おいて、黒い四角のプロットはSiナノワイ� �の下端の測定値を示し、白い四角のプロッ� �はSiナノワイヤの上端の測定値を示す。図8(c )に示すように、900℃で熱処理を行った場合� �は、Siナノワイヤの上端と下端とでは不純物 濃度が異なっている。熱処理温度が上昇する につれて不純物濃度の差が小さくなり、1100� �で熱処理を行った場合には、上端と下端と� �不純物濃度の差が、誤差と考えられる程度� �で小さくなっている。この結果から、1100℃� ��上の温度で熱処理を行った場合には、Siナ� �ワイヤ中における不純物の分布を均一にで� �ることがわかる。

 次に、保護膜208によって保護せずに形成� ��たSiナノワイヤのラマンスペクトルを測定� �た結果について説明する。図9(a)は、p-i構造� ��有するSiナノワイヤ170を示す図である。Siナ ノワイヤ170は、Au粒子171と、Au粒子171の下に� �置するノンドープSiナノワイヤ174と、ノンド ープSiナノワイヤ174の下に配置するBドープSi� ��ノワイヤ172と、BドープSiナノワイヤ172の側� ��に設けられたサイドウォール173とを備える� ��BドープSiナノワイヤ172を形成した後にノン� ��ープSiナノワイヤ174を形成しているため、� �イドウォール173は、BドープSiナノワイヤ172� �側面のみに形成されている。図9(b)は、Bドー プSiナノワイヤ172の上部のラマンスペクトル� ��示し、図9(c)は、BドープSiナノワイヤ172の下 部のラマンスペクトルを示すグラフである。 図9(b)の光学フォノンピークは対称であるが� �図9(c)の光学フォノンピークは非対称である� ��これは、SiNWの上部よりも下部のほうが、よ り高濃度にBドープされていることを示して� �る。つまり、図9で示したSiNWは、p-i構造を形 成していることを示している。

 図10(a)は、i-p構造を有するSiナノワイヤ180 を示す図である。Siナノワイヤ180は、Au粒子18 1と、Au粒子181の下に配置するBドープSiナノワ イヤ184と、BドープSiナノワイヤ184の下に配置 するノンドープSiナノワイヤ182と、ノンドー� ��Siナノワイヤ182およびBドープSiナノワイヤ18 4の側面に設けられたサイドウォール183とを� �える。ノンドープSiナノワイヤ182を形成した 後にBドープSiナノワイヤ184を形成しているた め、ノンドープSiナノワイヤ182の側面には、� ��ぼ均一な厚さのサイドウォール183が形成さ� ��、BドープSiナノワイヤ184の側面には、上に� ��くほど厚さが小さいサイドウォール183が形� ��されている。図10(b)は、ノンドープSiナノワ イヤ182の上部のラマンスペクトルを示し、図 10(c)は、ノンドープSiナノワイヤ182の下部の� �マンスペクトルを示すグラフである。図10(b) 、(c)のピークは、共に非対称な形状であるこ とから、成長中にドーパントガスを供給して いないにも関わらず、ノンドープSiNW中にBが� ��ープされていることが分かる。これらの結� ��から、Bの原料ガスが存在する雰囲気に晒さ れた時間に比例して、サイドウォールの厚さ が大きくなることがわかる。

 なお、触媒粒子の材料としては、成長温� ��領域でのドーパント原子の固溶度が、ドー� ��ングしようとしている濃度より1桁以上小さ な材料を選択するとよい。例えば、ドーパン トがBやPの場合、成長温度が1000℃以下であれ ば、いずれの金属に対しても固溶しにくいた め、いずれの金属を触媒として用いても本願 発明の効果を得ることが出来る。また、ドー パントが砒素の場合、銀、アルミニウム、金 、鉄、ガリウム、インジウム、ニッケル以外 の金属であれば、本願発明の効果を得ること が出来る。

 なお、図3(b)に示す工程でBドープSiナノワ イヤ209を成長させる間に、ドーパントが保護 膜208内を通過してSiナノワイヤ207に到達しな� ��ことが好ましい。この観点から、保護膜208� ��膜厚は、ドーパントが保護膜208内を拡散す� ��距離よりも大きく設計すればよい。例えば� ��保護膜208の厚みは、5nm以上であることが好� ��しい。また、保護膜208の材料としては、ド� ��パントの拡散係数が小さな材料を選択する� ��とが好ましい。例えば、保護膜208の材料と� ��てはシリコン酸化膜が好ましい。また、保� ��膜208の材料としては、Siナノワイヤ207の材� �に対して、任意のエッチャントで少なくと� �3倍以上エッチングレートの速い材料を選択� ��ることが好ましい。この観点から、保護膜2 08の材料としては、Ge、ハフニウム酸化膜、Ga Asなどを用いればよい。

 このように、本実施形態の製造方法によ� ��ば、実行が容易な工程を追加することによ� ��、不純物濃度の高い領域と不純物濃度の低� ��領域とを作り分けることができる。従って� ��機能化したナノワイヤを提供することが可� ��となるため、従来のプロセスを用いたトラ� ��ジスタ、メモリやLEDのような電子デバイス� ��の応用が期待される。

  (第2の実施形態)
 以下、図11(a)から(d)を参照しながら、本発� �による半導体ナノワイヤの製造方法の第2の� ��施形態を説明する。本実施形態では、GaAsと GaAsPのヘテロ構造を有するナノワイヤ(以下、 GaAs/GaAsPナノワイヤと呼ぶ。)を形成する。ナ� ��ワイヤは公知の方法であるVLS成長機構によ� ��て成長させることができる。

 まず、図11(a)に示すように、任意の基板30 2上にAu粒子301を配置させる。配置させる方法 としては、上述したような方法を用いるとよ い。

 次に、このAu粒子301を配置した基板302をCVD� �置などのチャンバに導入する。そして、図11 (b)に示すように、GaAsナノワイヤを構成する� �素を含む原料ガス303をチャンバ内に導入し� �所定の圧力に保つ。さらに、基板302をラン� �やヒーターなどで加熱して任意の温度に基� �を保つことにより、GaAsナノワイヤ304を成長� ��せる。GaAs原料ガス303は、例えば、Gaの原料� ��スとしてトリエチルガリウム(TEG)を、Asの原 料ガスとしてアルシン(AsH ₃ )を含む。

 次に、図11(c)に示すように、GaAsナノワイ� ��304の側壁に保護膜305を形成する。保護膜305� ��形成する方法としては、例えば、チャンバ� ��にガスを導入して堆積する方法、スパッタ� ��や蒸着法を用いることができる。また、保� ��膜304としては、GaAsナノワイヤ304およびGaAsP� ��ノワイヤ306(図11(d)に示す)に対して、任意の エッチャントで少なくとも3倍以上エッチン� �レートが速い材料を選択することが好まし� �。具体的には、保護膜305として、シリコン� �化膜やシリコン窒化膜などが用いられる。

 次に図11(d)に示すように、GaAsPを構成する元 素を含むGaAsPの原料ガス307をチャンバ内に導� ��し、所定の圧力、温度に保つことにより、G aAsPナノワイヤ306を成長させる。GaAsP原料ガス 306は、例えば、Gaの原料ガスとしてTEGを、As� �原料ガスとしてAsH ₃ を、Pの原料ガスとしてフォスフィン(PH ₃ )を含む。

 また、GaAsナノワイヤ304およびGaAsPナノワ� ��ヤ306の長さは、例えば、1μmから100μm程度で あり、このナノワイヤの直径は、例えば、2nm から1μm程度である。

 なお、上述した保護膜305は、第1の実施形 態における保護膜208と同様に、GaAsPナノワイ� ��306の成長中に、保護膜305上に堆積物が成長� ��ないような材料やGaAsPナノワイヤ306を構成� �る元素が成長中に拡散してGaAsナノワイヤ304� ��面に到達しないような膜厚に設定すればよ� ��。

 本発明のナノワイヤの製造方法では、GaAs Pナノワイヤ306の成長中にはGaAsナノワイヤの� ��壁が保護膜によって覆われているため、Pを 含む雰囲気にGaAsナノワイヤ304の側壁がさら� �れることがない。そのため、成長後もGaAsナ� ��ワイヤ304の組成や表面状態が保つことがで� ��、設計通りのナノワイヤ構造を得ることが� ��きる。

  (第3の実施形態)
 以下、本発明による半導体装置の実施形態� ��説明する。本実施形態の半導体装置は、第1 の実施形態のSiナノワイヤ(以下、プロファイ ルSiナノワイヤと呼ぶ。)を有するトランジス タである。

 図12は、本実施形態のプロファイルSiナノ ワイヤを有するトランジスタ(以下、ナノワ� �ヤトランジスタと呼ぶ。)を示す斜視図であ� ��。一方、図113(a)は、図12に示すナノワイヤ� �ランジスタの上面図、図13(b)は、図13(a)のC-C� ��に沿った断面図である。

 本実施形態のプロファイルSiナノワイヤ406� �うちp型不純物がドープされた領域407には、B のようなIII族元素が1×10 ¹⁸ atoms/cm ³ ~1×10 ²⁰ atoms/cm ³ 程度ドープされている。また、プロファイル Siナノワイヤ406のうちドープされていない領� ��408に含まれるBのようなIII族元素は、1×10 ¹⁸ atoms/cm ³ 以下となっている。また、p型不純物がドー� �された領域407には、Siと任意の金属との合金 が形成されていてもよい。例えばニッケルシ リサイド、チタンシリサイドのような合金が 形成されていてもよい。

 ナノワイヤトランジスタ400は、上述のプ� ��ファイルSiナノワイヤ406にそれぞれ接触す� �ソース電極404・ドレイン電極405とこれらを� �持する基板401を備えている。プロファイルSi ナノワイヤ406のうちp型にドープされた領域40 7がソース電極404およびドレイン領域405と接� �することにより、プロファイルSiナノワイヤ 406とソース電極404およびドレイン電極405との 間に、良好な電気的コンタクトが形成されて いる。

 さらに、基板401の主面上には、ゲート電� ��402と、このゲート電極402とプロファイルSi� �ノワイヤ406との間を電気的に絶縁するゲー� �絶縁膜403とが形成されており、このゲート� �縁膜403上にプロファイルSiナノワイヤ406が配 置されたボトムゲート型のトランジスタ構造 を有している。

 このゲート電極402にバイアスを印加する� ��、ゲート絶縁膜403を介して、プロファイルS iナノワイヤ406のチャネル領域の導電性が制� �される。

 ここで、基板401としては、ポリイミドや� ��香族エステルのようなプラスティック基板� ��ガラス基板、サファイア基板などを用いる� ��よい。また、ゲート電極402、ソース電極404� ��よびドレイン電極405の材料としては、チタ� ��、金、アルミニウム、ニッケルのような金� ��、導電性ポリマー、ポリシリコン、チタン� ��リサイドのような半導体材料と金属との合� ��を用いてもよい。

 なお、本実施形態はボトムゲート型のト� ��ンジスタであるが、トップゲート型のトラ� ��ジスタであってもよく、その場合にも同様� ��効果を得ることができる。

 なお、本実施形態におけるプロファイルS iナノワイヤ406はp-i-p構造のナノワイヤである が、n型トランジスタを形成する場合には、n- i-n構造のナノワイヤを用いればよい。

 本実施形態のナノワイヤトランジスタで� ��、ナノワイヤ406とソース・ドレイン電極404� ��405とのコンタクト部に不純物ドープされた� ��が形成されているために、耐熱性の低い基� ��上でコンタクト抵抗を低減することができ� ��。従って、プロファイル構造の形成された� ��ノワイヤを用いることで、デバイスに悪影� ��を与えることなく、電極と半導体層間での� ��ンタクト特性の改善された高電流駆動力を� ��すトランジスタを実現することができる。

 次に、本実施形態のナノワイヤトランジ� ��タの製造方法を説明する。

 図14(a)から図14(c)は、第3の実施形態のナ� �ワイヤトランジスタの製造工程の一例を示� �図である。

 本実施形態の製造工程におけるナノワイヤ� ��製造工程は、基本的な部分は第1の実施形態 と同様である。p型にドープされた領域407お� �びドープされていない領域408の長さは、成� �時間を任意の時間に設定することで、任意� �長さで製造することができる。ナノワイヤ� �長さの設定としては、ドープされていない� �域408の長さはゲート電極402のチャネル方向� �長さと同程度の長さに設定すればよく、p型� ��ドープされた領域407の長さは、ソース電極4 04およびドレイン電極405との接触抵抗が小さ� ��なるように設定すればよい。例えば、トラ� ��ジスタ400のチャネル長が5μm、p型にドープ� �れた領域のB濃度が1×10 ²⁰ atoms/cm ³ 程度である場合、p型にドープされた領域407� �よびドープされていない領域408の長さは、� �れぞれ5μmに設定するとよい。

 また、第1の実施形態の方法でナノワイヤ を形成した後、不活性なドーパントの活性化 や結晶の乱れを回復するために、熱処理を施 すことは有効である。この熱処理の条件とし ては、不活性な雰囲気中(例えば、窒素雰囲� �)で900℃~1100℃程度の温度で10秒から5分程度� �処理を行うとよい。

 また、第1の実施形態の製造方法でナノワイ ヤを形成した後、チャネル界面(SiとSiO ₂ 界面)の準位を低減するために、水素雰囲気� �で熱処理を施すことは有効である。この熱� �理の条件としては、400℃~500℃程度の温度で1 0分から30分程度の処理を行うとよい。

 また、第1の実施形態の方法でナノワイヤ を形成した後、少なくともゲート絶縁膜403の 一部として機能する絶縁膜をナノワイヤの側 壁に堆積させてもよい。この堆積条件として は、例えば、酸素雰囲気中で熱酸化処理を行 うとよい。

 本実施形態のナノワイヤトランジスタの� ��法としては、公知の方法を用いることがで� ��る。以下に、ナノワイヤトランジスタの製� ��の一例を説明する。

 まず、図14(a)に示すように、基板401の主� �上にゲート電極402およびゲート絶縁膜403を� �成する。ゲート電極402は、例えば、スパッ� �法や蒸着法など公知の成膜形成装置を用い� �ゲート金属を堆積させ、フォトリソグラフ� �を用いてパターニングし、ゲート金属をエ� �チングすることにより形成することができ� �。次に、ゲート絶縁膜403は、例えば、ゲー� �絶縁膜材料前駆体をスピンコートし、溶媒� �除去および熱処理を行うような方法や、CVD� �、スパッタ法、蒸着法を用いることにより� �成することができる。

 次に、図14(b)に示すように、プロファイ� �Siナノワイヤ406を上述した基板上に配置する 。配置する方法の一例を以下に説明する。ま ず、上述したプロファイルSiナノワイヤ406を� ��長させた基板からプロファイルSiナノワイ� �406を剥離し、溶液に分散させることでプロ� �ァイルSiナノワイヤ406の分散した溶液を形成 する。ナノワイヤを剥離させる方法としては 、例えば、基板に超音波処理を施し機械的に 剥離する方法や、ナノワイヤが成長した基板 表面をライトエッチし剥離する方法を用いる とよい。ここで分散液に用いる溶媒としては 、水溶液、有機溶媒、または、水と有機溶媒 を混合したものがある。有機溶媒としては、 例えば、エタノール、プロパノール、ペンタ ノール、ヘキサノール、エチレングリコール などのアルコール、エチレングリコールモノ メチルエーテルなどのエステル、メチルエチ ルケトンなどのケトン類、ヘキサン、オクタ ンなどのアルカン、テトラヒドロフラン、ク ロロホルムのような溶媒を用いるとよい。水 と有機溶媒の混合液体としては、水とアルコ ールの混合液、水とテトラヒドロフランの混 合液などが使用可能である。次にプロファイ ルSiナノワイヤ406を配置する方法としては、� ��置する領域上に所望の形状の溝を有するモ� ��ルドを密着させ、この溝に上述した分散液� ��フローさせる方法(フロー法)や転写法を用� �るとよい。このフロー法を用いるとナノワ� �ヤの位置や形状は、モールドの形状によっ� �制御することが可能であり、ナノワイヤ方� �は液体の流れによってモールドの方向に配� �させることが可能となる。

 次に、図14(c)に示すように、ソース電極40 4・ドレイン電極405を形成する。形成方法と� �ては、例えば、フォトリソグラフィにより� �ジストパターンを形成した後、ソース・ド� �イン電極材料をスパッタ法により堆積させ� �レジストパターン上に堆積した電極材料を� �フトオフする。

 このように、p-i-p構造のナノワイヤをト� �ンジスタに用いることで、デバイス形成用� �板上で、ドーパントの注入や熱処理などが� �要となる。このため、従来のプロセスで、� �性能且つ低バラツキを実現することができ� �。また、ドーパントの注入や熱処理が不要� �ため、基板の面積や耐熱性の制約から解消� �れる。

 本実施形態のトランジスタを用いた電子� ��置の一例として、有機エレクトロルミネッ� ��ンス素子(有機EL素子)を用いたディスプレイ を説明する。

 図15に、ディスプレイの構成を模式的に� �す。図15に示すディスプレイでは、基板410上 に、複数の画素415がマトリクス状に配置され ている。各画素415には有機EL素子が配置され� ��おり、有機EL素子の近傍には、TFTを含む回� �が配置されている。有機EL素子は、TFTを含む 回路によって制御される。基板410上には、TFT を制御するための、X走査電極413、Y走査電極4 14、Xドライバ411およびYドライバ412が形成さ� �ている。

 図16に、画素近傍の回路図を示す。画素41 5は、スイッチ用トランジスタ416とドライバ� �トランジスタ417とによって制御される。Yド� ��イバ412(図15に示す)からY走査電極414を介し� �スイッチ用トランジスタ416のソース電極に� �圧が印加される。スイッチ用トランジスタ41 6のドレイン電極とドライバ用トランジスタ41 7のゲート電極とは電気的に接続されている� �ドライバ用トランジスタ417のドレイン電極� �、画素の下部に配置された画素電極(図示せ� ��)に電気的に接続されている。また、ドライ バ用トランジスタ417のソース電極には、画素 を発光させるための電圧が印加される。

 一方、スイッチ用トランジスタ416のゲー� ��電極には、Xドライバ411からX走査電極413を� �して画像信号電圧が印加される。画像信号� �電圧が印加されたスイッチ用トランジスタ� �ら、ドライバ用トランジスタ417のゲート電� �に電圧が加えられる。これによって、ドラ� �バ用トランジスタから画素電極に電圧が加� �られる。図示していないが、画素上には透� �電極が配置されている。画素電極と透明電� �との間に電圧が加わることによって、画素� �分が発光する。

  (第4の実施形態)
 以下、本発明による半導体ナノワイヤを有� ��るナノワイヤ発光素子(LED)の実施形態を説� �する。本実施形態の発光素子は、組成の異� �る2つの領域を有するヘテロ構造ナノワイヤ� ��構成される発光領域を備えている。本実施� ��態のヘテロナノワイヤは、例えば、第2の実 施形態で示したGaAs/GaAsPからなるヘテロナノ� �イヤである。

 図17(a)は、本実施形態におけるGaAs/GaAsPヘ� ��ロナノワイヤ500の構造を示す断面図であり� ��図17(b)は、GaAs/GaAsPヘテロナノワイヤ500を用� ��たナノワイヤ発光素子503を示す斜視図であ� ��。以下、このナノワイヤ発光素子503の構造� ��説明する。

 図17(a)に示すGaAs/GaAsPヘテロナノワイヤ500� ��、GaAs層501とGaAsP層502とが接続されたヘテロ� ��造を有するナノワイヤである。

 図17(b)に示すナノワイヤ発光素子503は、Ga As/GaAsPヘテロナノワイヤ500にそれぞれ接触す� ��第1の電極505、第2の電極506と、これらを支� �する基板504とを備えている。GaAs/GaAsPヘテロ� ��ノワイヤ500は、第1の電極505および第2の電� �506と接触し、電気的なコンタクトを形成し� �いる。

 第1の電極505および第2の電極506は陽極ま� �は陰極として機能する。それぞれの電極に� �圧を印加すると、陽極からは正孔、陰極か� �は電子がそれぞれGaAs/GaAsPヘテロナノワイヤ5 00に注入される。これらの注入されたキャリ� ��は、GaAs層501とGaAsP層のヘテロ界面で再結合� ��起こし、発光が生じる。

 図17(b)に示す基板504としては、ポリイミ� �や芳香族エステルのようなプラスティック� �板、ガラス基板、サファイア基板など様々� �基板を用いることができる。また、第1の電� ��505および第2の電極506の材料としては、チタ ン、金、アルミニウム、ニッケルのような金 属、導電性ポリマー、ポリシリコン、チタン シリサイドのような半導体材料と金属との合 金を用いることができる。

 本実施形態のナノワイヤ発光素子では、� ��欠陥密度のナノワイヤを形成することがで� ��るため、高発光効率且つ高寿命の発光素子� ��実現することができる。