DE69319784T2

DE69319784T2 - Verfahren zur Herstellung einer feinen Struktur

Info

Publication number: DE69319784T2
Application number: DE69319784T
Authority: DE
Inventors: Osamu Osaka 593 Kusumoto; Michio Osaka 572 Okajima; Motoshi Osaka 573 Shibata; Takao Nara 630-2 Tohda; Kazuo Osaka 573-01 Yokoyama
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: EP0568316A3; EP0568316A2; EP0568316B1; JP2697474B2; US5381753A; DE69319784D1; JPH05306200A

Description

II. HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren von feinen Strukturen, die in Quanteneffekteinrichtungen oder Ähnlichem verwendet werden sollen.
Wenn die Struktur eines Materials feiner als die kohärente Phasenlänge von Elektronen in dem Material wird, insbesondere als die Größe von ungefähr 100 nm bis zu mehreren um in dem Fall eines Halbleiters, fängt das Verhalten der Elektronen in dem Material an, Elektronenwellen-Interferenzeffekte zu zeigen, die an Elektronen in einem massigen Material nicht beobachtet werden können. Mit anderen Worten zeigen sich bei den Elektronen des Materials, wenn die Struktur des Materials feiner als die de Broglie Wellenlänge (mehrere zehn nm) wird, verschiedene begleitende Effekte, wie der Tunneleffekt, der Effekt aufgrund von Quanten-Niveaubildung, der Effekt aufgrund von Minizonenbildung oder Ähnliches. Diese Effekte werden allgemein als Quanteneffekte bezeichnet.
In den letzten Jahren sind Untersuchungen gemacht worden, um unter Verwendung dieser Effekte Einrichtungen herzustellen. Als ein Ergebnis ist die Verwendung einer Filmbildungstechnik im atomaren Maßstab, wie das epitaktische Molekülstrahlaufwachsverfahren oder Ähnliches bei der Erzeugung guter Halbleiter Supergitterstrukturen und einer Modulationsdotierstruktur umgesetzt werden, was zur Herstellung von HEMT, HBT, MQW Laser oder Ähnlichem führte. Alle diese sind aus feinen Strukturen hergestellt, in denen die Freiheit der Elektronen in der Stapelungsrichtung der Halbleiterschicht beschränkt ist. Andererseits sind verschiedene Untersuchungen ausgeführt worden, um Superhochgeschwindigkeitstransistoren, Superniedrigschwellenlaser oder Ähnliches herzustellen, in denen solche Effekte, wie ein Streuauflösungseffekt von Elektronen, ein Effekt, der die einzelne Dichte der Zustände oder Ähnliches wiedergibt, z. B., die Effekte aufgrund eines sogenannten zweidimensionalen Elektronensystems und eines dreidimensionalen Elektronensystems, durch die Erzeugung eines Quanten drahts oder eines Quantenkastens verwendet werden, die Beschränkungsabmessungen zu verstärken, die der Freiheit von Elektronen bei einem zweidimensionalen oder einem dreidimensionalen Niveau auferlegt sind.
Es ist bisher eine Vielzahl von Verfahren erfunden worden, einen Quantendraht oder einen Quantenkasten herzustellen, die einschließen 1) ein Verfahren, eine Potentialschwelle zu bilden, indem entweder gemischte Kristalle eines Bereiches der Supergitterstruktur mittels eines fokussierten Ionenbündels oder Ähnlichem nach der Bildung einer Supergitterstruktur entfernt oder hergestellt werden, 2) ein Verfahren einer abwechselnden Epitaxie eines halben Atoms, das bei einem nicht ausgerichtetem Substrat angewendet wird, und 3) ein Verfahren, das die Kristallorientierungsabhängigkeit bei der Kristallwachstumsgeschwindigkeit verwendet, wie sie bei dem Facettenwachstum und dem Kristallwachstum innerhalb von Kanälen beobachtet wird, die auf einem Substrat gebildet werden.
Jedoch hatte das Verfahren 1) nach dem Stand der Technik, eine Potentialschwelle durch entweder Entfernen oder Herstellen eines Mischkristalls von einem Bereich der Supergitterstruktur mittels eines fokussierten Ionenbündels oder Ähnlichem nach der Bildung der Supergitterstruktur zu bilden, die Schwierigkeiten, daß die Grenzschichtsteilheit aufgrund der gegenseitigen Diffusion der Bildungsatome nicht ausreichend war und die Mittendichte der Trägerfalle an der Grenzschicht auf Kosten von Gitterfehlern oder Ähnlichem groß wurde, die während der Verarbeitung hervorgerufen wurden. Insbesondere konnte bei einer optischen Einrichtung oder Ähnlichem, bei der die Umkehrschicht der Grenzschicht nicht verwendet werden kann, wie in dem Fall einer Elektroneneinrichtung, die einzelne Träger verwendet, eine gute Quantenstruktur nicht gebildet werden.
Andererseits zeigten das Verfahren 2), das eine abwechselnde Halbatomepitaxie bei dem nicht ausgerichteten Substrat verwendet, und 3) nach dem Stand der Technik, das Verfahren, wie Facettenwachstum und Kristallwachstum innerhalb der Kanäle oder Ähnliches verwendete, eine gute Kristallisierung in der Grenzschicht der Feinstruktur im Vergleich zu 1), wobei aber die Tatsache, daß Strukturen beliebiger Ausgestaltungen wegen der Beschränkungen nicht erhalten werden konnten, die durch die kristalline Richtung des Substrats auferlegt waren, war das Problem.
Es sind mehrere Verfahren bekannt, haarförmige Kristalle auf einer Kristalloberfläche zu bilden, die die Kristallstruktur in Richtung der haarförmigen Kristalle fortsetzen. Diese verwenden alle einen üblichen Dampfphase-Flüssigkeitsphase-Feststoffphase-Wachstumsmechanismus, schließen aber unterschiedliche Techniken zur Erzeugung der Wachstumsstellen ein.
US-4 155 781 offenbart ein Verfahren, das Masken oder eine Dampfabscheidung verwendet, um die Wachstumsstellen zu bilden, wobei dies aber nur eine Auflösung gibt, die ausreicht, Haarkristalle von 10-100 um zu erzeugen.
Journal Of Crystal Growth 43 (1978) S. 235-244 "Some Notes On the Growth kinetics & Morphology of VLS Silicon Crystals Growth with Platinum and Gold as Liquid Forming Agents" offenbart ein Verfahren, bei dem Scheiben aus Platin und Golddraht von 50 um auf dem Substrat abgesetzt worden sind.
Journal of Crystal Growth 49 (1980) S. 1-6 "Pillar Crystal Growth of Boron Phosphide from the Vapour in the Presence of Nickel Impurity" offenbart ein Dampfphase-Flüssigkeitsphase-Feststoffphase-Verfahren, bei dem die Wachstumsstellen durch Zersetzung einer wäßrigen Lösung von Metallionen auf der Oberfläche des Quarzsubstrats gebildet werden.

III. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, ein Herstellungsverfahren von feinen Strukturen zu schaffen, bei denen die Mittendichte der Trägerfalle, der optische Absorptionsgrad oder Ähnliches klein sind.
Diese Zielsetzung wird durch die Verfahren erreicht, wie sie in den Ansprüchen 1-3 geoffenbart sind.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 4-13 angegeben.
Das Verfahren umfaßt die Schritte:
Bereitstellen einer spitzen, elektro-leitenden Spitze, die aus einem Metall besteht, das in einem eutektischen Phasengleichgewicht mit einem Material eines Substrats ist, das in enger Nähe zu der Oberfläche des vorstehenden Substrats gehalten wird;
Bereitstellen eines bestimmten elektrischen Feldes, das über die vorstehende Spitze und die Substratoberfläche in einem Vakuum oder in Luft angelegt wird;
Verdampfen des die vorgenannte Spitze bildenden Elements von der Spitze her und örtliches Absetzen auf der ihr gegenüberstehenden Substratoberfläche;
Bereitstellen eines Legierungsflüssigkeitstropfenbereiches, der an dem Ort gebildet wird, wo sich die vorgenannte Metallabscheidung befindet, indem die Temperatur der genannten Substratoberfläche oberhalb der eutektischen Temperatur des vorstehenden Metalls und des Substratmaterials und auch unterhalb des Schmelzpunkts des vorstehenden Metalls bzw. des Substratmaterials eingestellt wird; und
örtliche Kristallabscheidung auf der vorgenannten Substratoberfläche an einem Ort, wo sich der genannte Metallegierungs-Flüssigkeitstropfenbereich befindet, mittels einer Dampfphase-Flüssigkeitsphase-Feststoffphase-Reaktion.
Gemäß diesem Verfahren wird das Element, das die Spitze bildet, von ihr verdampft und auf dem ihr gegenüberstehenden Substrat abgesetzt.
Wenn das Substrat mit dem genannten örtlich abgesetzten Metall auf der Temperatur gehalten wird, die wie vorstehend eingestellt worden ist, wird ein Zustand, bei dem das genannte Metall und das Substratmaterial legiert und geschmolzen werden, z. B., ein Metallegierungs-Flüssigkeitstropfenbereich örtlich nur an dem Ort erzeugt, wo das Metall als ein Kristall getrennt war. Als nächstes werden die Gasatome in der Umgebung durch den vorgenannten Metallegierungs-Flüssigkeitstropfenbereich dank einer Dampfphase- Flüssigkeitsphase-Feststoffphase-Reaktion eingefangen und in den genannten Metallegierungs-Flüssigkeitstropfen diffundiert und nachfolgend auf dem Substrat getrennt.
Als Ergebnis wird es möglich, eine feine Struktur beliebiger Ausgestaltung mit ausgezeichneter Kristallisierung für Anwendungen in Quanteneffekteinrichtungen oder Ähnlichem zu erhalten.

IV. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(a) ist eine perspektivische Ansicht von Mikrohügeln, die auf einem Substrat gemäß dem Herstellungsverfahren von feinen Strukturen gebildet sind, das im Beispiel 1 der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.
Fig. 1(b) ist eine perspektivische Ansicht von feinen Strukturen von nadelförmigen Kristallen, die nachfolgend auf den Mikrohügeln der Fig. 1(a) gewachsen sind.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer wandähnlichen feinen Struktur, die auf einem Substrat als eine Anwendung des in Fig. 1 beschriebenen Beispiels gebildet ist.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Feinstruktur vom Typ einer pn Sperrschicht, die auf einem Substrat gemäß dem Herstellungsverfahren von feinen Strukturen gebildet ist, das beim Beispiel 2 der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist.
Fig. 4 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer nadelförmigen feinen Struktur, die aus drei Bereichen besteht und auf einem Substrat gemäß dem Herstellungsverfahren von feinen Strukturen gebildet ist, das beim Beispiel 4 der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer feinen Struktur eines Quantendrahts, der auf einem Substrat gemäß dem Herstellungsverfahren von feinen Strukturen gebildet ist, das im Beispiel 5 der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer feinen Struktur, die auf einem Substrat unter einem Winkel von 54,7º zu dem Substrat gemäß dem Herstellungsverfahren von feinen Strukturen gebildet worden ist, das im Beispiel 6 der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.

V. BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG IM EINZELNEN

Ein Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezüglich eines Herstellungsverfahrens von feinen Strukturen wird im Beispiel 1 beschrieben, wie folgt:
Eine Goldspitze mit einem Krümmungsradius, der mehrere hundert nm nicht überschreitet, wurde in einer der Oberfläche eines Substrats gegenüberstehenden Position gehalten. Die Spitze wurde aus Golddraht mit einem Durchmesser von 0,1 bis 1 mm durch elektrolytisches Ätzen in Salzsäure hergestellt. Die Spitze könnte mittels mechanischen Abtragens und Feinschleifen hergestellt werden. Das Substrat wurde aus einem dotierten Silicium-Einkristall hergestellt, der eine flache Oberfläche mit (111) ausgerichteten Flächen und einen spezifischen Widerstand hatte, der ungefähr 1 kΩ · cm nicht überschritt. Der Wert des spezifischen Widerstands sollte derart entschieden werden, daß ein Tunnelstrom zur Beobachtung oder Verarbeitung mittels eines Geräts wie ein Rastertunnelmikroskop hindurchgehen kann, was später beschrieben ist.
Der Einstell und der Antriebsmechanismus der Verarbeitungsvorrichtung, wie er bei den Beispielen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, war der gleiche, wie er bei einem typischen Rastertunnelmikroskop (STM) verwendet wird, worin die Bewegung der Spitze frei und sehr genau mit einer Mikrometerskala in der vertikalen Richtung und in der horizontalen Richtung sowie mittels eines piezoelektrischen Antriebsmechanismus gesteuert werden kann. Diese Vorrichtung ist auch mit der Fähigkeit versehen, durch Rückkopplung den vertikalen piezoelektrischen Antriebsmechanismus durch Erfassen des Tunnelstroms zu steuern, der fließt, wenn die Spitze in große Nähe zu dem Substrat gebracht und eine bestimmte Spannung angelegt wurde. Als erstes wurde der Ort, an dem Merkmale geschrieben werden sollen, mittels dieser Vorrichtung entsprechend der Beobachtungsart des Rastertunnelmikro skops beobachtet. Das Vorpotential Vt der Spitze wurde auf ungefähr 2 V gegenüber dem Substrat eingestellt und der Tunnelstrom It, der zwischen der Spitze und dem Substrat fließt, war auf ungefähr 0,5 nA zur Beobachtung im Modus mit konstantem Strom eingestellt. Dann wurde das Abtasten der Oberfläche der Spitze dort aufgehoben und eine Impulsspannung von typischerweise ungefähr Vt = 3 bis 10 V und einer Tastzeit t = von ungefähr mehreren nsec bis mehreren hundert msec wurde angelegt. Dann wurde die Spitze in Richtung der X-Achse um 50 nm bewegt und die gleiche Impulsspannung wie oben wurde in gleicher Weise wie vorstehend angewendet. Dieser mit der Richtung der X-Achse verbundene Vorgang wurde 10 mal wiederholt. Auch wurde der gleiche Vorgang, der nun in Richtung der X-Achse stattfindet, 10 mal wiederholt.
Als ein Ergebnis wurden einhundert (10 · 10 = 100) Merkmalspunkte in einer Matrixform innerhalb eines Bereiches von 450 nm mal 450 nm erzeugt. Wenn dieser Bereich erneut danach im Beobachtungsmodus abgetastet wurde, wurde bestätigt, daß ein Hügel, der mehrere nm bis mehrere zehn nm im Durchmesser und mehrere Zehntel nm bis mehrere nm in der Höhe maß, an jedem Ort der Merkmalspunkte gebildet worden ist. Solche Hügel, die auf diese Art erzeugt worden sind, sind in Fig. 1(a) dargestellt, worin das Teil 1 ein Silicium-Einkristallsubstrat ist, das Teil 2 die Substratoberfläche ist und das Teil 3 ein Mikrohügel ist.
Bei dem vorliegenden Beispiel wurde die Impulsspannung auf eine solche Weise angelegt, daß die Seite der Spitze eine positive Vorspannung annimmt, wobei aber das gleiche Ergebnis sogar erhalten wurde, wenn die Polarität umgekehrt war. Auch wurde ziemlich das gleiche Ergebnis sogar erhalten, wenn der ganze Vorgang in Luft ausgeführt wurde. Diese Hügel werden angesehen, daß sie auf der gegenüberstehenden Substratoberfläche durch Absetzen von Goldatomen gebildet worden sind, die entweder von der Spitze durch Ionisierung wegen eines elektrischen Feldes verdampft worden sind, das über die Strecke in der nm Größenordnung zwischen der Spitze und dem Substrat erzeugt wird und soviel wie 10&sup6; bis 10&sup7; V/cm erreicht, oder von der Spitze verdampft worden sind, wenn ihre Temperatur örtlich erhöht wurde.
In Verbindung mit der angelegten Impulsspannung zur Erzeugung der Hlügel wurde eine Schwellenspannung Vth beobachtet, die von 3 bis 5 V bei dem vorliegenden Beispiel reichte. Die geeignete Spannung Vt für diesen Vorgang sollte von der Größe sein, bei der Gold von der Spitze verdampft und Silicium kaum von dem Substrat verdampft wird. In diesem Fall wurde Gold auf der Substratoberfläche gleichmäßig gut im Dampf bei einem beliebigen Druck abgesetzt, wie er im Vakuum war.
Als nächstes wurde bewirkt, daß eine Dampfphase-Flüssigkeitsphase-Feststoffphase- Reaktion auf der vorherigen Substratoberfläche stattfand. Das Verfahren umfaßte die besonderen Schritte, wie folgt:
Das Substrat mit den auf ihm gebildeten Hügeln wurde in einer offenen CVD-Rohrvorrichtung (CVD: chemische Abscheidung aus der Dampfphase) angeordnet, und die Substrattemperatur wurde im allgemeinen auf oberhalb der eutektischen Temperatur des vorherigen Systems und gerade unterhalb des Schmelzpunkts von Gold im allgemeinen erhöht. Typischerweise wurde die Substrattemperatur auf zwischen 50ºC und 1000ºC eingestellt. In diesem Zustand zeigte sich jeder der Hügelbereiche des Substrats selbst örtlich in einem einem Flüssigkeitstropfen ähnlichen Zustand, wobei Siliciumsubstrat und das Gold geschmolzen worden sind, eine Legierung herzustellen.
In diesem Zustand wurde eine Dampfmischung, die aus gereinigtem Wasserstoff und SiCl&sub4; bestand, die gemäß einem bestimmten Molverhältnis gemischt worden sind, eingeführt, um Silicium durch eine Reduktionsreaktion (Wasserstoffreduktionsverfahren) zuzuführen, wobei sich ein Wachstum in der vertikalen Richtung eines nadelförmigen Siliciumkristalls 4 nur an der Stelle ergab, wo sich der vorhergehende Flüssigkeitstropfen auf dem Siliciumsubstrat 1 befand, wie es in Fig. 1 (b) dargestellt ist. Übrigens blieb etwas eines Legierungsflüssigkeitstropfens 5 als ein Rest auf der Spitze des nadelförmigen Kristalls. Der Mechanismus des vorstehenden Kristallwachstums wird verstanden wie folgt:
Silicium wurde kaum getrennt und auf dem Siliciumsubstrat 1 aus dem vorstehenden Dampfgemisch abgesetzt, sondern wurde wirksam in die Legierungsflüssigkeitstropfen 5 aufgenommen. Die eingefangenen Siliciumelemente wurden in den Legierungsflüssigkeitstropfen 5 diffundiert und nachfolgend auf dem Grund der Siliciumsubstratoberfläche 1 getrennt. Mit anderen Worten wurden die nadelförmigen Siliciumkristalle 4 epitaktisch nur an begrenzten Orten des Grundsubstrats aufgewachsen. Der Aufwachsmechanismus bei vorstehenden wird angesehen, wie folgt:
Die Siliciumatome in der vorhergehenden Dampfmischung treffen auf die Substratoberfläche und den vorstehenden Legierungsflüssigkeitstropfenbereich mit derselben Rate pro Einheitsfläche und Einheitszeit auf, wobei aber das Verhältnis der Atome, die kondensierten und zu dem Kristallwachstum beitrugen (nachfolgend als Kondensationskoeffizient bezeichnet) zwischen den beiden sehr verschieden war. Auf der festen Substratoberfläche, wo das Ausmaß der Übersättigung der freigesetzten Dampfmischung klein ist, ist die Systemtemperatur niedrig und es gibt wenig Stufen- oder absordierte Substanz, die zu einer Kernbildung auf der Substratoberfläche beitragen, wodurch sich Kristalloberflächen hoher Gleichförmigkeit ergeben, wobei der Kondensationskoeffizient klein ist. Im Gegensatz ist bei der Flüssigkeitsoberfläche, die sehr viele Austiefungen und Auswölbungen, wenn mikroskopisch beobachtet wird, und die Fähigkeit aufweist, viele Atome einzufangen, der Kondensationskoeffizient nahe bei 1. Deshalb werden die Siliciumatome in dem Dampfgemisch hauptsächlich in die Bereiche des Legierungsflüssigkeitstropfens aufgenommen. Die eingefangenen Atome diffundieren in die Flüssigkeitstropfen und trennen sich als ein Kristall an der Grenze zu dem Grundsubstrat. Demgemäß wächst der Kristall epitaktisch an beschränkten Orten des Grundsubstrats.
Übrigens überschreitet der Entmischungskoeffizient von Gold in dem Siliziumkristall nicht 10&supmin;&sup4; und Gold wird kaum in den wachsenden, nadelförmigen Kristall 4 aufgenommen. Deshalb bleibt, selbst während das Wachsen fortschreitet, der Legierungsflüssigkeitstropfen 5 stets in dem Oberen Abschnitt des wachsenden Kristalls, wodurch der vorliegende Wachstumsmechanismus aufrechterhalten wird. Auf diese Weise ist auf dem Siliciumsubstrat 1 eine Mehrzahl nadelförmiger Kristalle 4 gewachsen, von denen jeder aus einem Silicium-Einkristall besteht, der mehrere nm bis mehrere zehn nm im Durchmesser mißt, wobei seine Querschnittsfläche nahezu gleich der Fläche des Legierungsflüssigkeitstropfens 5 ist, der als ein Merkmal auf der Substratoberfläche markiert worden war.
SiCl&sub4; wurde als die Siliciumquelle bei dem vorliegenden Beispiel verwendet, wobei aber zusätzlich das Wasserstoffreduktionsverfahren ebenso gut verwendet werden kann, das SiHCl&sub3; oder SiH&sub3;Cl verwendet. Auch kann das CVD Wärmezersetzungsverfahren von SiH&sub4; verwendet werden.
Des weiteren können bei der Dampfzerlegung Plasma oder ECR ebenfalls verwendet werden.
Statt Gold wurde Silber verwendet, die Spitze in gleicher Weise herzustellen, und es wurden gleich gute Ergebnisse erhalten, wenn mit dem Fall verglichen wurde, bei dem Gold verwendet wurde. Mit einer bestimmten Spannung Vt von mehreren Volt, die während einer bestimmten Dauer t angelegt wurde, konnten Mikrohügel aus Silber auf dem Siliciumsubstrat gebildet werden. Dann wurde das Siliciumsubstrat mit der Gruppe darauf gebildeter Hügel in eine offene CVD Rohrvorrichtung eingesetzt und die Siliciumsubstrat-Temperatur wurde typischerweise auf eine Temperatur irgendwo zwischen 50º C und 900ºC eingestellt, und eine Dampfmischung, die aus gereinigtem Wasserstoff und SiCl&sub4; in einem bestimmten Molverhältnis bestand, wurde in die Vorrichtung eingebracht.
Als ein Ergebnis wuchsen nadelförmige Kristalle in der Richtung senkrecht zu dem Substrat in der gleichen Weise wie es in dem Fall beobachtet wurde, wo Goldflüssigkeitstropfen erwendet wurden. Jeder der nadelförmigen Kristalle zeigte eine Ausgestaltung, die zu der Spitze schräger verlief, wenn mit dem Fall verglichen wird, bei dem Goldflüssigkeitstropfen verwendet wurden.
Neben Gold und Silber wurden andere Metalle, wie Kupfer, Nickel, Eisen oder Ähnliches verwendet, eine Spitze herzustellen und das sie bildende Metall von der Spitze zu verdampfen, um Hügel auf dem Siliciumsubstrat zu bilden. Indem Silicium aus den sich örtlich befindenden Flüssigkeitstropfen herauswuchs, konnten nadelförmige feine Strukturen in der gleichen Weise erhalten werden, wie es bei dem Beispiel der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben worden ist.
Bei den feinen Strukturen konnten, so wie sie sind oder ob sie noch auf ihrem Äußeren mit einem bestimmten Material mittels eines CVD-Verfahrens oder Ähnlichem beschichtet worden sind, wie es bei einem anderen Beispiel einer Ausführungsform später be schrieben wird, Träger innerhalb der feinen Strukturen beschränkt werden, sich in den Richtungen innerhalb der horizontalen Ebene zu bewegen. Bei den nadelförmigen feinen Strukturen, von denen jede einen 20 nm oder so nicht überschreitenden Durchmesser aufweist, war der Elektronenzustand in den Richtungen innerhalb der horizontalen Ebene quantisiert und seine Freiheit war darauf beschränkt, nur in den Richtungen entlang der längeren Achse einer jeden Spitze vorhanden zu sein. Somit wurde das erzeugt, was Quantendrahtstrukturen genannt wird. Diese feinen Strukturen wurden epitaktisch aufgewachsen und sie waren eine gute Einkristallstruktur, in denen sehr wenige Streuzentren oder strahlungsfreie Rekombinationszentren von Trägem, die durch verschiedene Gitterfehler innerhalb des Kristalls hervorgehoben worden sind, vorhanden waren. Deshalb arbeiteten die nadelförmigen feinen Strukturen als ausgezeichnete Quantendrähte.
Bei dem vorliegenden Beispiel wurden nadelförmige epitaktische Siliciumkristalle gebildet. Im Gegensatz hierzu wurde, wenn die Spitze auf der Substratoberfläche bewegt wurde, während sie unter bestimmten Bedingungen betrieben wurde, ein durchgehender Mikrohügel Ähnlich einem Feldgrat aus Metall entlang dem von der Spitze ausgeführten Weg erzeugt, und wenn bewirkt wurde, daß die vorherige VLS-Reaktion darauf stattfand, wurde eine wandförmige feine Struktur einer beliebigen Ausgestaltung, die den vorstehenden Weg wiedergab, erzeugt, wie es beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist.
Als nächstes wird das Beispiel 2 der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Hilfe von Fig. 3 im folgenden beschrieben:
Das Substrat 1 wurde aus einem n-Silicium-Einkristall mit geringem spezifischen Widerstand hergestellt, der eine flache Oberfläche mit (111) ausgerichteten Flächen hatte, und es wurden Hügel, die mehrere nm bis mehrere zehn nm im Durchmesser maßen, mittels einer Goldspitze gemäß dem gleichen Verfahren wie beim Beispiel 1 hergestellt. Dann wurde das Substrat mit einer darauf gebildeten Gruppe von Hügeln in eine offene CVD-Rohrvorrichtung eingesetzt und die Substrat-Temperatur wurde auf irgendwo zwischen der eutektischen Temperatur im breiteren Sinn und dem Schmelzpunkt des Goldes in einem breiteren Sinn für das vorliegende System in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 erhöht. Was hier unter Schmelzpunkt oder eutektischer Temperatur im breiteren Sinn verstanden wird, ist wie folgt:
Wenn das Metall und das Substratmaterial im vorstehenden beide in massiger Form vorliegen, zeigen ihre Schmelzpunkte und eutektischen Temperaturen die Werte, die im allgemeinen in dem Gleichgewichtsphasendiagramm angegeben sind. Jedoch ist der Zustand, der bei der vorliegenden Erfindung vorliegt, der Fall, bei dem das Volumen des vorgenannten getrennten Metalls sehr klein ist und die Metallegierung selbst bei einer niedrigeren Temperatur als der eutektischen Temperatur für diese massige Form zu schmelzen beginnt.
Bei einem einfachen Metall ist sein Schmelzpunkt verringert. Der Schmelzpunkt und die eutektische Temperatur, wie auf sie in der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird, sollten in einem breiteren Sinn verstanden werden und jene in einem solchen Mikrosystem einschließen, wie es oben erwähnt worden ist.
Als nächstes wurde eine Dampfmischung, die aus gereinigtem Wasserstoff, SiCl&sub4; und einer sehr kleinen Menge PCl&sub3; gemäß einem bestimmten Molverhältnis bestand, eingeführt. Wegen einer Reduktionsreaktion wurden Silicium und eine sehr kleine Menge Phosphor zugeführt, und ein n Siliciumkristall 7, der mit einer sehr kleinen Menge Phosphor dotiert war, wuchs an dem Ort, wo sich der Metallegierungsflüssigkeitstropfen 5 befand, in der Richtung senkrecht zu dem Substrat in einer nadelförmigen Ausgestaltung, die ziemlich die gleiche Querschnittsfläche wie der Metallegierungsflüssigkeitstropfen 5 hatte. Die Art der Dampfmischung wurde geändert, wenn das Kristallwachstum eine geeignete Höhe erreichte, indem eine Dampfmischung eingeführt wurde, die aus Wasserstoff, SiCl&sub4; und einer sehr kleinen Menge BBr&sub3; gemäß einem bestimmten Molverhältnis bestand. Wegen einer Reduktionsreaktion wurden Silicium und eine sehr kleine Menge an Bor zugeführt, und nun wuchs ohne große Schwierigkeit ein p Siliciumkristall 8, der mit Bor dotiert war, fortlaufend auf dem nadelförmigen n Kristall 7 mit der sich ergebenden Erzeugung einer nadelförmigen Feinstruktur 9, die typischerweise mehrere nm bis mehrere zehn nm im Durchmesser und mehrere nm bis mehrere zehn um in der Länge maß.
Die erhaltene, nadelförmige feine Struktur 9 wurde geformt, in dem mit Glas zum Schutz isoliert wurde, und Elektroden wurden an der obersten Oberfläche und an der unteren Oberfläche des Substrats gebildet. Wenn eine Spannung über beide Elektroden angelegt wurde, zeigte sich eine ausgezeichnete Dioden-Eigenschaft.
Beispiel 3 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben:
Obgleich Silicium als Grundsubstrat bei dem vorstehenden Beispiel 1 und Beispiel 2 verwendet wurde, können andere Werkstoffe auch verwendet werden, wenn die Bedingungen, wie sie später beschrieben sind, erfüllt werden.
Als erstes wird der Fall, bei dem ein Germanium-Einkristall als das Grundsubstrat verwendet wurde, beschrieben. Das Substrat wurde aus einem dotierten Germanium- Einkristall hergestellt, der eine flache Oberfläche mit (111) ausgerichteten Flächen und einen spezifischen Widerstand hatte, der ungefähr 1 kΩ · cm nicht überschritt.
Eine Goldspitze wurde im Vakuum in Gegenüberstellung zu der Germaniumsubstratoberfläche gehalten, und eine Impulsspannung von Vt = 3 bis 10 V und einer Anwendungsdauer von t = mehrere nsec bis mehrere hundert msec wurde in der gleichen Weise angelegt, wie es beim Beispiel 1 war. Dann wurden Mikrohügel aus Gold gebildet, die ungefähr mehrere nm bis mehrere zehn nm im Durchmesser und mehrere zehntel nm bis mehrere nm in der Höhe maßen. Obgleich eine Impulsspannung, um die Seite der Spitze mit positiver Vorspannung zu machen, bei dem vorliegenden Beispiel angelegt wurde, wurden die gleichen Ergebnisse sogar erreicht, wenn die Polarität umgedreht wurde. Übrigens wurden ziemlich die gleichen Ergebnisse sogar erhalten, wenn die Verarbeitung in Luft ausgeführt wurde. Als nächstes wurde das Substrat mit den darauf gebildeten Hügeln in eine offene CVD-Rohrvorrichtung eingebracht, und die Substrat-Temperatur wurde auf eine Temperatur irgendwo zwischen der eutektischen Temperatur des vorliegenden Systems im breiteren Sinn, wie es vorstehend beschrieben worden ist, und dem Schmelzpunkt des Germaniums im breiteren Sinn, typischerweise zwischen 50ºC und 900ºC erhöht.
Hier wurde eine Dampfmischung, die aus gereinigtem Wasserstoff und GeCl&sub4; bestand, gemäß einem bestimmten Molverhältnis hergestellt und dann wurde in der gleichen Weise, wie es beim Beispiel 1 war, ein nadelförmiger Germaniumkristall in der Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche aufgewachsen, der ungefähr mehrere nm bis mehrere 10 nm im Durchmesser maß und ziemlich die gleiche Querschnittsfläche wie der Metallegierungs-Flüssigkeitstropfenbereich hatte, der auf dem Substrat markiert war.
Nun wird ein Beispiel einer Ausführungsform beschrieben, bei der ein Verbindungshalbleiter als das Grundsubstrat verwendet wurde. Das Substrat wurde aus einem dotierten GaAs Einkristall hergestellt, der eine flache Oberfläche mit (111) B ausgerichteten Seiten und einen spezifischen Widerstand hatte, der ungefähr 1 kΩ · cm nicht überschritt. Eine Goldspitze wurde dann in Gegenüberstellung zu der Germaniumsubstratoberfläche im Vakuum gehalten, und eine bestimmte Impulsspannung wurde ebenso angelegt, wie es beim Beispiel 1 war, und dann wurden Mikrohügel aus Gold, die ungefähr mehrere nm bis mehrere zehn nm im Durchmesser und mehrere zehntel nm bis mehrere nm in der Höhe maßen, auf der GaAs Substratoberfläche gebildet. Obgleich bei dem vorliegenden Beispiel eine Impulsspannung angelegt wurde, um die Seite der Spitze bei positiver Vorspannung zu haben, wurden die gleichen Ergebnisse sogar erhalten, wenn die Polarität geändert wurde. Übrigens wurden nahezu die gleichen Ergebnisse sogar erhalten, wenn die Verarbeitung in Luft ausgeführt wurde.
Als nächstes wurde das Substrat mit den darauf gebildeten Hügeln in eine MOVPE Vorrichtung eingebracht, und die Substrat-Temperatur wurde auf eine Temperatur irgendwo zwischen ungefähr 100ºC und 550ºC mittels eines Hochfrequenz-Heizverfahrens erhöht. Hier wurde eine Dampfmischung aus Trimethylindium und in Wasserstoff gelöstem Arsen, die bei einem gewissen, festgelegten Druck und gemäß einem festgelegten Molveflältnis hergestellt worden ist, eingeführt und dann wuchs in gleicher Weise, wie es beim Beispiel 1 war, ein nadelförmiger InAs Kristall in der Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche auf, der ungefähr mehrere nm bis mehrere zehn nm im Durchmesser maß und nahezu die gleiche Querschnittsfläche wie der Metallegierungs-Flüssigkeitstropfenbereich hatte, der auf dem Substrat markiert ist. Der aufgewachsene Kristall war ein Einkristall guter Qualität. Insbesondere wurde ein gutes Ergebnis in Größen des selektiven Wachstums bei der 500ºC nicht überschreitenden Wachstumstemperatur erhalten. Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel war der nadelförmige InAs Kristall heteroepitaktisch auf dem GaAs Substrat aufgewachsen, aber es war auch möglich, ei nen mikronadelförmigen GaAs Kristall homoepitaktisch auf dem GaAs Substrat nach dem gleichen Verfahren zu bilden.
Auch konnten andere Verbindungshalbleiter des Zweielement- oder Mehrelementsystems der III-V Gruppe oder II-VI Gruppe, wie beispielsweise GaP oder Ähnliches, zu einem mikronadelförmigen Kristall nach dem gleichen Verfahren wachsen. Nicht nur GaAs sondern auch Verbindungshalbleiter eines anderen Zweielement- oder Mehrelementsystems der III-V Gruppe, der II-VI Gruppe, der IV-IV Gruppe oder Ähnliches, konnten ebenfalls als Substratmaterial verwendet werden.
Übrigens konnten die äußerst feinen Strukturen zwischen einzelnen Atomen oder Verbindungshalbleitern unterschiedlicher Gruppen durch heteroepitaktisches Aufwachsen gebildet werden, wie es beispielsweise durch das Wachstum eines mikronadelförmigen GaAs Kristalls auf einer Si Substratoberfläche angegeben ist.
Beispiel 4 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Hilfe der Fig. 4 im folgenden beschrieben:
Als Grundsubstrat wurde ein GaAs Einkristallsubstrat vom p-Typ verwendet, das eine flache Oberfläche mit (111) B ausgerichteten Flächen und einen geringen spezifischen Widerstand hatte. In gleicher Weise wurde, wie beim Beispiel 1 ausgeführt, eine Goldspitze über dem GaAs Substrat in Gegenüberlage zu der Substratoberfläche gehalten, und eine bestimmte Impulsspannung wurde angelegt, um einen Mikrohügel aus Gold zu bilden, der ungefähr mehrere nm bis mehrere zehn nm im Durchmesser und mehrere zehntel nm bis mehrere nm maß. Dann wurde das Substrat in eine MOVPE-Vorrichtung eingerichtet, und die Substrattemperatur wurde auf eine Temperatur ungefähr zwischen 100ºC und 550ºC mittels eines Hochfrequenzheizverfahrens erhöht.
Hier wurde ein Dampfgemisch, das aus Trimethylaluminium, Trimethylgallium und in Wasserstoff gelöstem Arsen, wobei des weiteren eine sehr kleine Menge an Diethylzink hinzugefügt wurde, unter einem bestimmten Druck und gemäß einem bestimmten Molverhältnis hergestellt worden ist, eingeführt, und dann wuchs in gleicher Weise wie beim Beispiel 1, ein nadelförmiger, zinkdotierter AIGaAs Kristall 11 vom p-Typ, der nahezu die gleiche Querschnittsfläche wie der Metallegierungs-Flüssigkeitstropfenbereich hatte, der auf der Substratoberfläche markiert war, und ungefähr mehrere nm bis mehrere zehn nm in Richtung senkrecht zu dem Substrat maß. An der Stufe, bei der der Kristall auf eine geeignete Höhe angewachsen war, wurde die Art des Dampfgemisches in ein Dampfgemisch aus Trimethylgallium und in Wasserstoff gelöstem Arsen geändert, dem des weiteren eine sehr kleine Menge an Diethylzink hinzugefügt worden ist, und unter einem bestimmten Druck und gemäß einem bestimmten Molverhältnis hergestellt. Dann wurde ein GaAs Bereich 12 vom p-Typ fortlaufend auf dem vorstehenden nadelförmigen AIGaAs Kristall 11 vom p-Typ gebildet. Danach ließ man den GaAs Bereich auf eine geeignete Länge wachsen, der Dampf wurde erneut in eine Dampfmischung aus Trimethylaluminium, Trimethylgallium und in Wasserstoff gelöstem Arsen geändert, dem eine sehr kleine Menge an Wasserstoffselenid hinzugefügt wurde, unter einem bestimmten Druck und gemäß einem Molverhältnis hergestellt. Als ein Ergebnis wurde ein AIGaAs Bereich 13 vom n-Typ, der mit Selen dotiert war, fortlaufend in der Mitte auf den vorhergehenden, nadelförmigen Kristall aufgewachsen. Demgemäß wurde eine nadelförmige Feinstruktur 14 erhalten, die Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeitsarten und Bandlücken aufweist, auf einem GaAs Substrat 10 vom p-Typ gebildet, und bestand aus p- AIGaAs/p-GaAs/n-AIGaAs in dieser Reihenfolge und maß ungefähr mehrere nm bis mehrere zehn nm im Durchmesser und mehrere nm bis mehrere zehn um in der Länge.
Die erhaltene, nadelförmige feine Struktur 14 vom Doppelhetero-Typ wurde mit isolierendem Glas 15 zum Schutz überformt und dann wurden eine Au/Ge/Ni Legierungselektrode 16 und eine Au/Zn Legierungselektrode 17 auf der obersten Oberfläche bzw. der unteren Oberfläche des Substrats gebildet. Wenn eine gleichmäßige Vorspannung über die Elektroden angelegt worden ist, wurde Licht wirksam abgestrahlt.
Gemäß einem anderen Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konnte eine nadelförmige, feine Struktur mit dem gleichen Verfahren wie vorstehend hergestellt werden, die drei Bereiche aus AIGaAs/GaAS/AIGaAs umfaßt, die auf einem GaAs Substrat in dieser Reihenfolge beispielsweise gebildet worden sind, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, und ungefähr 10 nm und weniger im Durchmesser maß, wobei der GaAs Bereich ungefähr 20 nm in der Länge nicht überschritt. Dieser GaAs Bereich mißt ungefähr 20 nm und weniger in Richtung innerhalb der horizontalen Ebene und der vertikalen Richtung, und der Elektronenzustand darin ist in drei Dimensionen mit der sich ergebenden Bildung des sogenannten Quantenkastens quantisiert.
Als Beispiel 5 der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine erfolgreiche Bildung eines Quantendrahts, der in der Richtung parallel zu dem Substrat ausgerichtet ist, mit Hilfe der Fig. 5 im folgenden beschrieben:
Das Grundsubstrat wurde aus einem GaAs Einkristallsubstrat 18 hergestellt, das eine flache Oberfläche mit (111) B ausgerichteten Flächen und einen geringen spezifischen Widerstand hatte, und auf dem eine AIGaAS Zwischenschicht 19 mit einer bestimmten Dicke gebildet war. Mit dem gleichen Verfahren, wie es beim Beispiel 1 verwendet wurde, wurde eine Goldspitze über der Substratoberfläche in Gegenüberlage zu ihr gehalten und in der Richtung parallel zu der Substratoberfläche bewegt, während eine Impulsspannung wiederholt mit einem bestimmten Taktverhältnis angelegt wurde. Dann wurde auf der Substratoberfläche ein Mikrograt aus Gold gebildet, der ungefähr mehrere nm bis mehrere zehn nm in der Weite und mehrere zehntel nm bis mehrere nm maß. Des weiteren wurde dann dieses Substrat in eine MOVPE Vorrichtung eingebracht, und die Substrattemperatur wurde von außerhalb auf eine Temperatur von ungefähr zwischen 100ºC und 550ºC mittels eines Hochfrequenzheizverfahrens erhöht. Wenn ein Dampfgemisch aus Trimethylgallium und in Wasserstoff gelöstem Arsen, das unter einem bestimmten Druck und gemäß einem bestimmten Molverhältnis hergestellt worden ist, eingeführt wurde, wuchs eine gürtelförmige Struktur aus GaAs 20 mit der gleichen Weite wie der Grat an dem gleichen Ort, wo sich der Grat befand. Wenn die Höhe des Grats auf ungefähr 20 nm oder weniger gewachsen war, wurde die Art der Dampfmischung in eine Dampfmischung aus Trimethylaluminium, Trimethylgallium und in Wasserstoff gelöstem Arsen geändert, die unter einem bestimmten Druck und gemäß einem bestimmten Molverhältnis hergestellt worden ist. Dann ließ man einen AIGaAs Bereich 21 fortlaufend über die vorgenannte gürtelförmige GaAs Feinstruktur 20 nach der Änderung in der Mitte mit einer sich ergebenden Bildung einer geschichteten Feinstruktur 22 wachsen, die aus diesen bestand. Daraufhin wurde die Kristallbildungsbedingung geändert. Genauer gesagt, wurden die Bedingungen geändert, so daß der Kristall epitaktisch unmittelbar von der Oberfläche der grundlegenden AIGaAs Zwischenschicht 19 wuchs, indem die Substrattemperatur auf ungefähr 550ºC und mehr oder so ähnlich erhöht wurde. Unter dieser Bedingung wurde eine AIGaAs Beschichtungsschicht 23 insgesamt darüber mit einer festgelegten Dicke gebildet. Diese Wachstumsart, bei der der Wachstumsvorgang über die gesamten Bereiche ausgeführt worden ist, könnte mittels eines epitaktischen Molekularstrahl-Aufwachsverfahren oder Ähnlichem ausgeführt werden. Demgemäß wurde eine gürtelförmige feine GaAs Struktur 20 beendet, deren Querschnitt ungefähr 20 nm und weniger sowohl in Längsrichtung als auch quer maß und deren vier Seiten durch einen AIGaAs Kristall umgeben sind, der als eine Potentialstufe dient. Die Grenzschicht, die zwischen der gürtelförmigen feinen GaAs Struktur 20 und dem umgebenden AIGaAs Kristall vorhanden ist, wurde nahezu nicht nur in der horizontalen Grenzschicht sondern auch in der vertikalen Grenzschicht zueinander heteroepitaktisch. Bei dieser Struktur blieb die Bewegungsfreiheit der Elektronen nur in der Richtung der X-Achse, und der Elektronenzustand in Richtung der Y-Achse und der Z-Achse wurde quantisiert, wodurch sich die Bildung einer Quantendrahtstruktur ergibt. Da die vorliegende feinen Struktur aus einem Einkristall guter Qualität hergestellt worden ist, der gemäß dem epitaktischen Mechanismus in der gleichen Weise aufgewachsen war, wie er bei den vorstehenden Beispielen der Ausführungsformen verwendet wurde, hatte der Kristall sehr wenige Streuzentren und strahlungsfreie Rekombinationszentren von Trägem, die durch verschiedene Gitterfehler hervorgerufen worden sind. Auch sind die Grenzschichten mit den umgebenden AIGaAs Kristallen ausgezeichnet, und die Grenzschichtzustandsdichte ist klein. Deshalb dient dies als ein guter Quantendraht.
Beispiel 6 der Ausführungsformen dieser Erfindung wird unter Hilfe der Fig. 6 im folgenden beschrieben:
Bei dem vorstehenden Beispiel war die Kristallausrichtung des Grundsubstrats, bei dem die Wachstumsgeschwindigkeit des örtlich aufgewachsenen Kristalls am größten ist, die gleiche, wie die Flächenausrichtung der Substratoberfläche. In diesem Fall wuchs die nadelförmige oder wandförmige feine Struktur in der Richtung senkrecht zu der Substratoberfläche. Andererseits wird es, indem ein Winkel zwischen beiden hergestellt wird, möglich, daß die feine Struktur unter einem beliebigen Winkel als einem rechten Winkel zu der Substratoberfläche wächst. Fig. 6 zeigt einen solchen Fall, bei dem ein GaAs Substrat 24 mit (011) ausgerichteten Flächen verwendet wurde. In der gleichen Weise, wie es bei den vorstehenden Beispielen war, wurde eine Goldspitze über der Substratoberfläche in Gegenüberlage dazu gehalten und in der Richtung [011] des Substrats bewegt, während eine Impulsspannung mit einem bestimmten Tastverhältnis angelegt wurde. Dann wurde ein Mikrograt aus Gold, der ungefähr mehrere kleine nm bis mehrere zehn nm in der Weite maß, beobachtet, daß er auf der Substratoberfläche erzeugt worden ist. Als nächster Schritt wurde das Substrat in einer MOVPE Vorrichtung eingerichtet, und die Substrattemperatur wurde auf eine Temperatur, die eingestellt worden ist, zwischen 100ºC und 550ºC zu liegen, mittels eines Hochfrequenzheizverfahrens erhöht. Dann wurde eine Dampfmischung, die aus Trimethylgallium und in Wasserstoff gelöstem Arsen unter einem bestimmten Druck und gemäß einem bestimmten Molverhältnis hergestellt worden ist, eingeführt.
Eine äußerst dünne, wandförmige GaAs Struktur 25 ließ man an dem Ort wachsen, wo sich der vorstehende Grat befand, und die Wand machte einen Winkel von 54,7º zu der Substratoberfläche.
Beispiel 7 der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben:
bei allen vorstehenden Beispielen von Ausführungsformen wurden Beschreibungen von einem Verfahren gemacht, das ein Metallelement aufweist, das selbst eine Spitze bildet, wobei von der Spitze aus dem genannten Metall verdampft und auf einem Substrat abgeschieden wird, um einen Mikrohügel des genannten Metalls zu bilden.
Andererseits wurde gemäß dem Beispiel der vorliegenden Ausführungsform eine spitze Spitze in eine Position nahe und in Gegenüberlage zu einem Substrat in einem Dampf gehalten, der ein bestimmtes Metallelement enthält, und ein Tunnelstrom oder ein Feldemissionsstrom ließ man durch die genannte Spitze und das genannte Substrat mit einer sich ergebenden Zersetzung des genannten Dampfes und einer Bildung von Mikrohügeln auf dem Substrat hindurchgehen.
Genauer gesagt, wurde ein Dampf aus C&sub5;H&sub5;Pt(C&sub3;H&sub5;) in eine Kammer eingeführt und sein Druck wurde auf typischerweise 666 uPa (5 · 10&supmin;&sup6; Torr) bei Atmosphärendruck (760 Torr) eingestellt. Ein Substrat wurde aus einem Silicium Einkristall mit einer flachen Oberfläche und (111) ausgerichteten Flächen hergestellt, der einen niedrigen spezifischen Widerstand hatte. In der vorgenannten Kammer wurde eine Wolfram-Spitze in einer Position nahe zu und gegenüber dem Siliciumsubstrat gehalten, und eine Impulsspannung, die typischerweise eine Abtastspannung von ungefähr Vs = 1 bis 10 V und eine angelegte Impulszeit von ungefähr t = mehrere nsec bis mehrere hundert msec aufwies, mit einem gewissen, festgelegten Tastverhältnis angelegt, wobei sich die Bildung eines Mikrohügels ergab, der mehrere nm bis mehrere hundert nm im Durchmesser maß.
Dieser Mikrohügel wurde angesehen, als daß er aus Pt besteht, das nach der Zersetzung des vorgenannten Dampfes aufgrund eines Tunnelstroms oder eines Feldemissionsstroms abgesetzt worden ist. Bei dem gegenwärtigen Beispiel der Ausführungsform wurde die Impulsspannung so angelegt, daß die Abtastseite positiv vorgespannt war, wobei aber, selbst wenn die Polarität geändert wurde, die gleichen Ergebnisse erhalten wurden. Dann wurde entsprechend dem gleichen Verfahren wie das vorstehende eine nadelförmige, feine Silicium-Struktur hergestellt.
Organometallischer Dampf, wie er bei dem vorliegenden Beispiel verwendet wird, können andere Pt enthaltende Dämpfe einer vorbestimmten Spezifizierung wie das vorgenannte C&sub5;H&sub5;Pt(C&sub3;H&sub5;) sein, und können auch unterschiedliche, organometallische Dämpfe sein, die Au, Ag, Cu, Pd, Ni oder Ähnliches enthalten. Auch können Pt, Au oder Ähnliches als die Spitze statt W verwendet werden. Übrigens wurde das vorliegende Ausführungsbeispiel wirksam bei dem Fall angewendet, beidem Halbleiter mit einem anderen einzelnen. Element als Silicium oder Verbindungshalbleiter eingeschlossen waren.
Das Beispiel 8 der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben:
Eine Ptlr Spitze und ein Silicium (111) Substrat wurden in einer verdünnten Lösung aus KAu(CN)&sub2; angeordnet, und die Spitze wurde in einer Position nahe dem Substrat gehalten, während eine negative Abtastspannung Vs, die typischerweise ungefähr Vs = -1 bis - 10 V maß, mit der sich ergebenden Bildung eines Mikrohügels angelegt wurde, der ungefähr mehrere nm bis mehrere hundert nm im Durchmesser maß. Dieser Mikrohügel wird angesehen, als daß er aus Au Ionen gebildet worden ist, die in der vorstehenden Lösung enthalten waren, und durch einen Tunnelstrom oder einen Feldemissionsstrom neutralisiert und abgesetzt wurden. Dann wurde gemäß dem gleichen Verfahren wie bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen eine nadelförmige, feine Silicium-Struktur hergestellt.
Die bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel verwendete Lösung kann eine andere Au enthaltende Lösung einer vorbestimmten Spezifizierung als die vorgenannte KAu(CN)&sub2; sein und kann auch eine unterschiedliche Lösung sein, die Ag, Cu, Pt, Pd, Ni oder Ähnliches enthält. Auch können W, Au oder Ähnliches als Spitze statt Ptlr verwendet werden. Übrigens wurde das vorliegende Ausführungsbeispiel wirksam in dem Fall angewendet, bei dem andere Einzelelement-Halbleiter oder Verbindungshalbleiter als Silicium eingeschlossen waren.
Beim Umgang mit den vorstehenden Ausführungsbeispielen werden als die Bedingungen, die von dem Metall verlangt werden, das einen auf einem Substrat gebildeten Mikrohügel aufbaut und auch das Substratmaterial angesehen, das folgende einzuschließen:
Das obengenannte Metall sollte fähig sein, in einem eutektischem Phasengleichgewicht mit dem Substratmaterial zu sein, und die eutektische Temperatur sollte niedriger als der Schmelzpunkt irgendeines der vorstehenden Metalle und des Substratmaterials sein. Auch sollte der Entmischungskoeffizient des obigen Metalls, in dem Mikrokristallinmaterial, in den das genannte Metall getrennt ist, so klein wie möglich sein, um es dem genannten Metall schwierig zu machen, in das genannte Kristallinmaterial aufgenommen zu werden, wodurch sich ein großer Beitrag bei der Bildung der nadelförmigen oder wandförmigen feinen Strukturen ergibt.
Wegen des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung war es möglich, ohne weiteres Mikrosäulen von weniger als mehreren zehn nm im Durchmesser oder eine Mikrowand mit weniger als mehreren zehn nm Dicke zu erzeugen. Wie es im vorstehenden beschrieben worden ist, ermöglicht das gegenwärtige Herstellungsverfahren, feine Strukturen irgendwelcher Ausgestaltungen wenigstens innerhalb einer zweidimensionalen Ebene zu erzeugen, und infolgedessen ermöglicht es, eine feinstrukturierte Einrichtung herzustellen, die gemäß dem Herstellungsverfahren von feinen Strukturen nach dem Stand der Technik schwierig herzustellen war, wenn ein abwechselndes epitaktisches Aufwachsen einer Halbatomschicht oder ein Facettenaufwachsen auf einem nichtausgerichteten Substrat angewandt wurde. Des weiteren sind diese feinen Strukturen von einzelnen Kristallen ausgezeichneter Qualität hergestellt, die gemäß dem epitaktischen Aufwachsmechanismus hergestellt worden sind. Verglichen mit den feinen Strukturen nach dem Stand der Technik, die mittels fokussierter Ionenstrahlbeaufschlagung oder Ähnlichem hergestellt worden sind, weisen diese feinen Strukturen sehr wenige Trägerfallenzentren, Lichtabsorptions-Niveaus und Ähnliches aufgrund von Gitterfehlern auf. Diese feinen Strukturen können, wie sie sind, oder mit einem bestimmten Material mittels CVD, MBE oder Ähnlichem beispielsweise überdeckt, wirksam darin Träger enthalten.
Demgemäß hat es das vorliegende Herstellungsverfahren möglich gemacht, feine Strukturen zu erzeugen, die wenige Trägerfallenzentren und Lichtabsorptions-Niveaus und auch beliebige Ausgestaltungen wenigstens innerhalb einer zweidimensionalen Ebene aufweisen, was bisher mit dem Herstellungsverfahren für feine Strukturen nach dem Stand der Technik unmöglich war.

Claims

1. Ein Verfahren zur Herstellung feiner Strukturen, indem eine Dampfphasen- Flüssigphasen-Feststoffphasen-Reaktion initiiert wird, um einen getrennten Kristall auf der Seite eines Legierungsflüssigkeitstropfens auf einer Oberfläche eines Substrats zu bilden, das aus einem Substratmaterial gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitstropfen durch die Schritte gebildet wird:

Anordnen einer scharfen, elektro-leitenden Spitze nahe der Oberfläche des Substrats, wobei die Spitze ein Metall enthält, das in einem eutektischen Phasengleichgewicht mit dem Substratmaterial sein Kann und einen Entmischungskoeffizienten in dem Kristall aufweist, der kleiner als 1 ist,

Anwenden eines bestimmten, elektrischen Feldes zwischen der Spitze und dem Substrat, um das Metall von der Spitze zu verdampfen und das Metall als einen Mikrohügel oder einen Mikrograt in einen Bereich auf der Oberfläche des Substrats abzusetzen, und

Erwärmen der Substratoberfläche auf eine Temperatur, die oberhalb der eutektischen Temperatur des Metalls und des Substratmaterials und unterhalb der entsprechenden Schmelzpunkte des Metalls und des Substratmaterials ist, so daß sich das Metall und das Substratmaterial in dem Bereich auf der Oberfläche des Substrats, wo der Mikrohügel oder der Mikrograt aus Metall abgeschieden werden, kombinieren, um den Legierungsflüssigkeitstropfen zu bilden.

2. Ein Verfahren zur Herstellung feiner Strukturen, indem eine Dampfphasen- Flüssigphasen-Feststoffphasen-Reaktion initiiert wird, um einen getrennten Kristall auf der Seite eines Legierungsflüssigkeitstropfens auf einer Oberfläche ei nes Substrats zu bilden, das aus einem Substratmaterial gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitstropfen durch die Schritte gebildet wird:

Anordnen einer scharten, elektro-leitenden Spitze und des Substrats in einem Dampf, wobei der Dampf ein Metall einschließt, das mit dem Substratmaterial im eutektischen Phasengleichgewicht sein kann und einen Entmischnungskoeffizienten in dem Kristall hat, der kleiner als 1 ist,

Anordnen der Spitze nahe der Oberfläche des Substrats,

Anwenden eines bestimmten, elektrischen Feldes zwischen der Spitze und dem Substrat, so daß ein Tunnelstrom oder ein Feldemissionsstrom zwischen dem Substrat und der Spitze hindurchgeht, um das Metall als einen Mikrohügel oder einen Mikrograt in einem Bereich auf der Oberfläche des Substrats abzusetzen, und

3. Ein Verfahren zur Herstellung feiner Strukturen, indem eine Dampfphasen- Flüssigphasen-Feststoffphasen-Reaktion initiiert wird, um einen getrennten Kristall auf der Seite eines Legierungsflüssigkeitstropfens auf einer Oberfläche eines Substrats zu bilden, das aus einem Substratmaterial gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitstropfen durch die Schritte gebildet wird:

Anordnen einer scharfen, elektro-leitenden Spitze und des Substrats in einer Lösung, wobei die Lösung ein Metall einschließt, das mit dem Substratmaterial im eutektischen Phasengleichgewicht sein kann und einen Entmischungskoeffizienten in dem Kristall hat, der kleiner als 1 ist,

Anordnen der Spitze nahe der Oberfläche des Substrats,

Anwenden eines bestimmten, elektrischen Feldes zwischen der Spitze und dem Substrat, so daß ein Tunnelstrom, ein Feldemissionsstrom oder ein Ionenstrom zwischen dem Substrat und der Spitze hindurchgeht, um das Metall als einen Mikrohügel oder einen Mikrograt in einem Bereich auf der Oberfläche des Substrats abzusetzen, und

4. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß Anspruch 1-3, wobei die Dampfphase-Flüssigkeitsphase-Feststoffphase-Reaktion die Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines Dampfes, der aus wenigstens einem Ausgewählten eines Halogenids, einer Organometallverbindung und eines Hydrids besteht, die wenigstens ein Element enthalten, das das Substratmaterial bildet oder ein bestimmtes Element, und der unmittelbar der Substratoberfläche bei einem bestimmten Druck ausgesetzt wird oder zuerst unter Verwendung von Energie von Wärme, elektromagnetischen Wellen oder Ähnlichem zerlegt wird, und dann der Substratoberfläche ausgesetzt wird, und

das verlangte Element in dem Legierungsflüssigkeitstropfenbereich lösen zu lassen.

5. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-4, wobei die Dampfphase-Flüssigkeitsphase-Feststoffphase-Reaktion einen Kristalltrennzustand umfaßt, der verlangt, daß die Kristallwachsgeschwindigkeit des Substrats an dem Ort, wo sich der genannte Legierungsflüssigkeits- Tropfenbereich befindet, doppelt so hoch wie die der übrigen der Substratoberfläche ist.

6. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß irgendeinem der Ansprüche 1-5, wobei der Schritt, das Metall in einem Bereich auf der Substratoberfläche abgeschieden zu haben, die Bildung eines Mikrograts des Metalls auf der Substratoberfläche umfaßt, indem die elektro-leitende Spitze über die genannte Substratoberfläche bewegt wird, während das genannte Metall örtlich auf der Substratoberfläche abgesetzt wird.

7. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Dampfphase-Flüssigkeitsphase-Feststoffphase- Reaktion des weiteren den Schritt umfaßt, die Art oder das Mischverhältnis des Dampfes zu ändern, der als die Zuführquelle des Elements dient, das den Kristall bildet, der mit fortschreitender Zeit getrennt werden soll.

8. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei, nachdem ein Kristall örtlich auf einer Substratoberfläche an einem Ort getrennt worden ist, wo sich ein Legierungsflüssigkeits-Tropfenbereich befand, ein weiterer bestimmter Kristall auf einem verbleibenden Bereich der Substratoberfläche aufgewachsen wird, wo sich der genannte Legierungsflüssigkeits-Tropfenbereich nicht befand.

9. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei das Metall, das den Legierungsflüssigkeits-Tropfenbereich bildet, wenigstens eines ist, das aus Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Ni, Ir, Rh, Co, Os, Ru, Fe, Hg, Cd und Zn ausgewählt wird.

10. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der getrennte Kristall aus entweder einem Einzelelementhalbleiter oder einem Verbindungshalbleiter hergestellt wird.

11. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei das Substrat aus entweder einem Einzelelementhalbleiter oder einem Verbindungshalbleiter hergestellt wird.

12. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei wenigstens die Substratoberfläche, die sich unter einem Legierungsflüssigkeitstropfen befindet, aus einem Einkristall hergestellt ist.

13. Ein Herstellungsverfahren für feine Strukturen, gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei eine kristalline Ausrichtung des Substrats ausgewählt wird, so daß der Winkel zwischen der genannten Substratoberfläche und dem genannten Kristall, der an dem genannten bestimmten Ort gewachsen ist, von 90º verschieden ist.