JPH0786164A

JPH0786164A - 微細構造材料の製造方法並びにその製造装置、および微細構造を有する発光素子

Info

Publication number: JPH0786164A
Application number: JP5230073A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Muto; 勝彦武藤; Hideyuki Tanaka; 英行田中; Hitomaro Togo; 仁麿東郷; Takeshi Idota; 健井戸田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-09-16
Filing date: 1993-09-16
Publication date: 1995-03-31
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: JP3341387B2

Abstract

(57)【要約】【目的】粒径および粒径分布の揃ったクラスター（量
子箱）、それへの異種物質被覆、さらに配向性の高い１
次元高分子、１次元電気伝導体、細線状クラスター等
（量子細線）の微細構造材料の製造方法、製造装置およ
び発光素子を提供することを目的とする。【構成】第１の工程で生成したクラスター１０１の群
と、第２の工程で生成したクラスター１０１よりバンド
ギャップの大きな物質１０２の原料粒子（原子・分子状
態）１０３の群とを、同時あるいは交互に基板１０４に
供給することにより、物質１０２中にクラスター１０１
を、クラスターの密度を制御可能に、そして周辺に間隙
を生じることなく緻密に埋め込む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粒径の揃ったクラスタ
ー（代表的にその寸法が、球径として直径数十ｎｍ程度
以下のものをいう、以降同様）、換言すれば量子箱（電
子、励起子等の荷電体が数十ｎｍ以下の微小領域に３次
元的に閉じ込められた０次元電子系）、配列方向の揃っ
た１次元高分子、１次元電気伝導体あるいは細線状クラ
スター、換言すれば量子細線（電子、励起子等の荷電体
が数十ｎｍ以下の微小領域に２次元に閉じ込められた１
次元電子系）等、微細構造材料の製造方法、製造装置、
そして、これらを利用した発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、量子井戸レーザを始めとして、光
変調器、双安定光素子等、量子井戸構造を用いた光電子
素子の開発が盛んに行われてくるようになってきた。

【０００３】量子井戸構造（２次元電子系）を用いるこ
とにより、例えば、量子井戸レーザについて言えば、通
常のダブルヘテロ接合レーザに比べ、（１）微分利得の
増大、（２）緩和振動周波数の増大、（３）スペクトル
線幅の低減、等の特性改善がなされている。

【０００４】また、２次元電子系をさらに低次元化す
る、すなわち、量子細線（１次元電子系）や量子箱（０
次元電子系）を実現することにより、前記光電子素子の
さらなる特性改善を図る、あるいは新しい物理現象に基
づく素子を構築しようとする試みも、なされるようにな
ってきた。

【０００５】例えば、量子箱レーザが実現されれば、
（１）しきい値電流の減少、（２）しきい値電流の温度
依存性の緩和、（３）前記量子井戸レーザで述べた
（１）〜（３）項目の特性のさらなる改善、等が期待さ
れる。

【０００６】これらの状況は、例えば、「固体物理」
（荒川泰彦、第２２巻、第２号、７１頁（１９８７））
に記載されている。

【０００７】一方、光学非線形性の観点から見ても、量
子細線および量子箱は、注目されている。

【０００８】光学非線形性は、通常、非線形感受率によ
り分類され、２次の非線形感受率（印加電界の２乗に比
例する非線形分極成分の比例定数）の高い材料は、第２
高調波発生（ＳＨＧ）、光混合あるいは光パラメトリッ
ク発振等を、そして、３次の非線形感受率（印加電界の
３乗に比例する非線形分極成分の比例定数）の高い材料
は、第３高調波発生（ＴＨＧ）、非線形屈折率変化ある
いは誘導ラマン効果等を、それぞれ利用した、光電子素
子への応用に大きな効果をもたらす。

【０００９】そして、このような光学非線形性は、バル
ク結晶よりも、量子井戸構造（２次元電子系）、量子細
線（１次元電子系）あるいは量子箱（０次元電子系）と
することにより増大する。

【００１０】例えば、量子箱の３次の非線形感受率は、
構成材料・寸法によっても異なるが、バルク結晶のそれ
よりも、２００〜８０００倍となることが予想されてい
る。

【００１１】仮に物質中に１％程度しか量子箱が含まれ
ていないとしても、３次の非線形感受率は２〜８０倍と
なることになる。

【００１２】さらに、量子箱では、量子閉じ込め（量子
サイズ）効果によるエネルギー状態の変化が顕著であ
り、発光素子を例に取れば、発光スペクトル幅の縮小化
（単色性の増大）および光子エネルギーの増大（発光波
長の短波長化）に大きな効果をもたらす。

【００１３】これらの状況は、例えば、「最新特許にみ
る非線形光エレクトロニクス−材料からデバイスまで
−」（伏見隆夫著、（株）工業調査会刊（１９９
２））、あるいは、「日本物理学会誌」（新井敏弘、第
４４巻、第４号、２５２頁（１９８９））に記載されて
いる。

【００１４】ところで、前記量子細線あるいは量子箱応
用を含む多くの光電子素子は、半導体物質利用の場合、
ＩＩＩ−Ｖ族あるいはＩＩ−ＶＩ族の直接遷移型半導体
で構成されており、硅素結晶を始めとする間接遷移型半
導体は太陽電池を除くとほとんど用いられていない。

【００１５】それは、間接遷移型半導体では、光の吸収
・放出に格子振動（フォノン）の介在を必要とすること
から、効率のよい光電子素子（特に発光素子）を製造す
るのが難しいとされてきたためである。

【００１６】しかしながら、近年、量子閉じ込め効果が
現れる量子細線あるいは量子箱を用いることで、間接遷
移型半導体を用いても効率のよい発光素子が得られる可
能性が示されるようになってきた。

【００１７】これらの状況は、例えば、「アプライド
フィジックスレターズ」（L.T.Canham,Applied Physi
cs Letters Vol.57, No.10, 1046(1990)）に、記載され
ている。

【００１８】間接遷移型半導体利用による光電子素子
（特に発光素子）の実現における利点を以下に述べる。

【００１９】例えば、代表的な間接遷移型半導体を構成
する硅素は、ＩＩＩ−Ｖ族あるいはＩＩ−ＶＩ族半導体
構成物質と異なり、地球上に多量に存在する（つまり安
価である）とともに、安全性が高く（つまり毒性がな
い）、さらには、ＩＣあるいは超ＬＳＩといった電子素
子を構成する中心的な物質であるという特徴を有する。

【００２０】すなわち、硅素を用いて、従来のものに勝
るとも劣らない特性を有する発光素子を実現できれば、
価格、対環境性あるいは電子素子との集積を考えた場合
の整合性といった点で、大きな効果をもたらす。

【００２１】以上述べてきたように、硅素物質利用も含
め、量子細線あるいは量子箱の光電子素子応用の範囲お
よび期待は大きい。

【００２２】特に、形状・寸法の揃った量子細線あるい
は量子箱を高密度に得ることで、単色性が強く発光効率
の高い発光素子、光学非線形性の高い非線形光学素子等
が得られる。

【００２３】これらを実現するために従来から試みられ
てきた技術としては、リソグラフィ手法を用いるもの
（つまり量子細線および量子箱の作製）、混晶物質ある
いは金属（または半導体）粒子分散ガラス等の熱処理に
よりクラスターを析出させるもの（つまり量子箱の作
製）、ドライプロセスによるクラスターの直接生成（つ
まり量子箱作製）、あるいは、１次元高分子によるもの
（つまり量子細線の作製）、さらには、多孔質硅素物質
利用（つまり量子細線および／あるいは量子箱的効果の
利用）等が上げられる。

【００２４】リソグラフィ手法を用いた第１の従来技術
を以下に述べる。通常の量子井戸構造（２次元電子系）
を基板上にエピタキシャル成長させた後、通常のフォト
リソグラフィ技術によりマスクパターンを転写する。こ
のとき得られる水平方向の最小サイズは０．３〜１μｍ
程度である。

【００２５】この後、ウェットエッチングにより量子井
戸層をエッチングし、基板上水平方向の分離（量子細線
化あるいは量子箱化）を行うとともに、サイドエッチン
グ効果を利用して、水平方向の寸法を縮小し、水平方向
の量子細線あるいは量子箱の寸法を制御するものであ
る。

【００２６】同様な第２の従来技術としては、通常の量
子井戸構造（２次元電子系）を基板上にエピタキシャル
成長させた後、（１）Ｘ線リソグラフィ、集束電子（あ
るいはイオン）ビームリソグラフィによるマスクパター
ン転写とドライエッチングとにより、量子細線化あるい
は量子箱化を行う、あるいは、（２）集束イオンビーム
を用いて、リソグラフィとエッチングを同時に行うこと
により、量子細線化あるいは量子箱化を行うものであ
る。

【００２７】混晶物質の熱処理による第３の従来技術と
しては、例えば、「アプライドフィジックスレター
ズ」（Y.Maeda et al., Applied Physics Letters Vol.
59,No.24, 3168(1991)）に記載されている方法がある。

【００２８】最初に、ゲルマニウム（Ｇｅ）チップを配
置した酸化硅素（ＳｉＯ₂）ターゲットを用いた高周波
（ＲＦ）マグネトロンスパッタリング法により、Ｇｅ、
ＳｉおよびＯから成る混晶物質をＳｉ基板上に堆積させ
る。

【００２９】次に、熱処理（８００℃、３０分間）を施
し、ＳｉＯ₂ガラス中に埋め込まれたＧｅクラスター
（微結晶、平均粒径：６ｎｍ）を得る。

【００３０】これにより、ピーク波長が５７０ｎｍで５
００〜７００ｎｍの範囲に広がるスペクトルを有する室
温可視発光を得ている。

【００３１】金属（あるいは半導体）粒子分散ガラスの
熱処理による第４の従来技術では、通常、粒子分散には
拡散、イオン交換あるいはイオン注入等が用いられる。
なお、この技術は、特に非線形光学材料の製造方法とし
て、従来より広く用いられているものでもある。

【００３２】ドライプロセスによるクラスターの直接生
成に関する第５の従来技術としては、例えば、特開平３
−６５９３０号公報に記載されている方法がある。

【００３３】以下、図１８に示した従来の製造装置の概
略図に基づき、本従来例について説明する。

【００３４】気体ガスのマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）
励起を利用したクラスター（超微粒子）源５０１のノズ
ル５０２から、平均粒径が、ほぼ８ｎｍの半導体（Ｓ
ｉ）クラスター（超微粒子）ビーム５０３を発生させ
る。

【００３５】一方、同様なクラスター源５０４のノズル
５０５から、前記Ｓｉクラスターと同程度以上の粒径を
有する絶縁体（ＳｉＯ₂）クラスター（超微粒子）ビー
ム５０６を発生させる。

【００３６】両クラスタービーム５０３、５０６をとも
に基板５０７に照射することにより、図１９に示したよ
うな、半導体クラスター（超微粒子）５０８と絶縁体ク
ラスター（超微粒子）５０９を混合堆積して成るクラス
ター（超微粒子）膜５１０が製造される。

【００３７】クラスター膜５１０では、前記量子閉じ込
め効果を示唆する光吸収スペクトルが得られている。

【００３８】量子細線としての１次元高分子に関する第
６の従来技術としては、例えば、「表面科学」（松本信
雄、第１３巻、第４号、２１９頁（１９９２））に記載
されているものがある。

【００３９】この中で、化学合成して得られる１次元高
分子は、１次元直鎖配列ポリシラン：（Ｒ¹Ｒ²Ｓｉ）_n
であり、ここで、Ｒ¹、Ｒ²は、メチル基、エチル基とい
ったアルキル基等の有機基である。具体的には、２つの
有機基と２つの塩素基を有するジクロロシラン誘導体：
Ｒ¹Ｒ²ＳｉＣｌ₂を原料分子として用いる。

【００４０】最初に、フラスコ内にトルエン等の有機溶
媒を入れ、アルゴン（Ａｒ）雰囲気下で金属ナトリウム
（Ｎａ）を加熱還流により溶融し、撹拌しつつ前記原料
分子を滴下する。この状態で、数時間反応させると、白
色の１次元直鎖配列ポリシランが析出するのである。

【００４１】本ポリシランの化学合成の模式図を図２０
に示す。第７の従来技術の多孔質硅素物質利用は、ここ
数年来、広く研究されているものである。

【００４２】これは、基本的には、単結晶硅素（Ｓｉ）
基板表面を弗化水素ベース溶液中で陽極化成して得られ
るものであり、これまでに、波長：７００（赤）〜４５
０ｎｍ（青）の可視領域における発光が数多く確認され
ている。

【００４３】また、フォトルミネッセンスに加え電流注
入による発光特性確認も行われており、電流注入型発光
素子（例えばＬＥＤ）製造の試みもなされるようになっ
てきた。

【００４４】多孔質Ｓｉ中の発光層の構造・発光機構は
詳細には明らかになっていないが、発光層では、量子細
線あるいは量子箱に相当する微結晶、例えば酸化層（Ｓ
ｉＯ ₂）で覆われたＳｉ（半導体）領域あるいはその界
面、つまり量子閉じ込め領域が高密度に存在し、これら
の中に閉じ込められた荷電体がｋ保存遷移選択則に束縛
されなくなることから、発光が起こるという、発光機構
が一説として考えられている。

【００４５】これらの状況は、例えば、「応用電子物性
分科会研究報告」（（社）応用物理学会刊、第４４６号
（１９９２））、あるいは、「日経マイクロデバイス」
（日経ＢＰ社刊、５月号、１５頁（１９９３））に記載
されている。

【００４６】

【発明が解決しようとする課題】第１および第２の従来
技術の場合、得られる水平方向の最小寸法は高々１０ｎ
ｍ程度である。加えて、第１の従来技術では、通常のプ
ロセス技術を用いている点では簡便であるが、ウェット
エッチング利用のため、設計通りの寸法を安定して得る
のは不可能に近く、また、高々数百ｎｍの範囲に１つの
量子細線あるいは量子箱が得られる程度であり、高密度
化に限界がある。

【００４７】第３および第４の従来技術の場合、熱平衡
プロセスを用いていることから、光電子特性が安定で緻
密なクラスター埋め込み構造の製造が期待されるが、熱
力学的自然法則を越えた制御が原理的に不可能である。
すなわち、クラスターの高密度埋め込み、粒径および粒
径分布制御等に限界を生じる。例えば、埋め込み密度
は、通常、数％程度までとも言われている。また、粒径
分布幅を狭くできないことは、発光素子を例に取ると、
発光スペクトル幅の増大（単色性の低下）につながる。

【００４８】第５の従来技術の１例により製造されたク
ラスター（超微粒子）膜では、半導体超微粒子と絶縁体
超微粒子を混合堆積していることから、図１８に示され
ているような空隙５１１が生じ易く、光電子特性の安定
性あるいは寿命等の点で課題が残る。また、粒径制御等
の配慮はなされていない。

【００４９】第６の従来技術の１例の１次元高分子（量
子細線）の製造方法は簡便であるが、１次元高分子の配
列方向、各高分子の長さ等は全くランダムであり、前記
光電子素子用量子細線として利用するには課題が残る。

【００５０】第７の従来技術の場合、可視発光材料が硅
素結晶を用いて簡便に製造できるという特徴を有する
が、現状では、製造条件等により特性が敏感に変わり、
また、その経時変化（劣化）も著しいといった課題があ
る。

【００５１】また、電流注入型発光素子を製造する場
合、発光効率が高く安定した特性を有する素子を得るた
めには、発光層の両面の一方にＰ型（荷電体が正孔）、
他方にＮ型（荷電体が電子）の半導体電気伝導層を形成
する必要があるが、第７の従来技術の応用では、発光層
が多孔質層になるので、界面特性の良好な前記電気伝導
層の形成が難しい。

【００５２】本発明は、以上述べてきた従来技術の種々
の課題を解決するものであり、粒径および粒径分布の揃
ったクラスター（量子箱）、そして、その緻密かつ高密
度な埋め込み、あるいは、異種物質被覆、さらには、配
向性の高い１次元高分子、１次元電気伝導体あるいは細
線状クラスター等（量子細線）の製造を可能にし、特
に、単色性が強く発光効率の高い発光素子、非線形性の
高い非線形光学素子等の光電子素子、さらには、硅素結
晶等間接遷移型半導体物質利用の発光素子等の製造に大
きな効果をもたらす、微細構造材料の製造方法、製造装
置および発光素子を提供することを目的とする。

【００５３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の本発明は、クラスターを生成させる第１の工
程と、前記クラスターよりバンドギャップの大きな物質
の原料粒子を原子・分子の状態で生成させる第２の工程
を独立に備え、両工程を同時あるいは交互に繰り返し施
す、といった構成を有している。

【００５４】第２の本発明は、真空排気可能な容器内
に、固体ターゲットと、固体ターゲットにレーザ光を照
射する手段と、ガスを導入する手段と、前記ガスを分解
する光を導入する手段と、前記ターゲットからの生成ク
ラスターと光分解による生成物質とをともに堆積させら
れる位置に配置した基板ホルダーを具備する、といった
構成を有している。

【００５５】第３の本発明は、レーザパルスに同期して
生成クラスターをチョッピングし、生成クラスターの粒
径を選別する工程を具備する、といった構成を有してい
る。

【００５６】第４の本発明は、真空排気可能な容器内
に、固体ターゲットと、固体ターゲットにパルスレーザ
光を照射する手段と、レーザパルスに同期して生成クラ
スターをチョッピングする手段を具備する、といった構
成を有している。

【００５７】第５の本発明は、真空排気可能な容器内
に、固体ターゲットと、固体ターゲットにパルスレーザ
光を照射する手段と、クラスターを堆積させる基板をレ
ーザパルスに同期して回転あるいは往復運動させる手段
を具備する、といった構成を有している。

【００５８】第６の本発明は、クラスターを生成させる
工程と、生成クラスター表面をよりバンドギャップの大
きな物質に改質させるあるいは前記物質で被覆させる工
程と、生成クラスターまたは改質・被覆処理後のクラス
ターを質量分離する工程を具備する、といった構成を有
している。

【００５９】第７の本発明は、クラスターを生成させる
手段と、生成クラスター表面をよりバンドギャップの大
きな物質に改質させるあるいは前記物質で被覆させる手
段と、生成クラスターまたは改質・被覆処理後のクラス
ターを質量分離する手段を具備する、といった構成を有
している。

【００６０】第８の本発明は、レーザビーム集光点でガ
ス分子の光分解による高濃度クラスター原料活性粒子生
成を行い、集光点から離れかつレーザビームが直接照射
される位置に配置した基板上にクラスターを堆積させ
る、といった構成を有している。

【００６１】第９の本発明は、形状・寸法の等しい複数
の針を並列に配置した平面電極を基板表面に接近させ平
行に配置し、それぞれの針の先端と基板表面間に電界を
加える第１の工程と、第１の工程後の基板表面上に第１
の物質を堆積させる第２の工程と、第１の物質を除去す
る第３の工程と、第３の工程後の基板表面上に第１の物
質よりバンドギャップの大きな第２の物質を堆積させる
第４の工程を具備する、といった構成を有している。

【００６２】第１０の本発明は、真空排気可能な容器内
に、基板ホルダーと、形状・寸法の等しい複数の針を並
列に配置した平面電極と、基板ホルダーに設置した基板
表面に平面電極を接近させ平行に配置する手段と、複数
の物質を基板表面上に堆積させる１つあるいは複数の手
段と、前記物質の少なくとも一方を除去する手段を具備
する、といった構成を有している。

【００６３】第１１の本発明は、真空排気可能な複数の
容器の全てに基板ホルダーを備え、複数の容器のいずれ
かに、形状・寸法の等しい複数の針を並列に配置した平
面電極と、基板ホルダーに設置した基板表面に平面電極
を接近させ平行に配置する手段と、複数の物質を基板表
面上に堆積させる１つあるいは複数の手段と、前記物質
の少なくとも一方を除去する手段を備え、複数の容器が
ゲートバルブを介して結合され、各容器間で基板を搬送
させる手段を具備する、といった構成を有している。

【００６４】第１２の本発明は、基板表面に平行な一方
向に電界を加え、１次元高分子原料分子あるいは表面が
異種物質で被覆されたクラスターを基板表面上に供給し
て成る、といった構成を有している。

【００６５】第１３の本発明は、基板表面に設けたステ
ップの走る方向に電界を印加し、気相から供給された原
料粒子物質をその組成に含む１次元電気伝導体をステッ
プの走る方向に沿って成長させる、といった構成を有し
ている。

【００６６】第１４の本発明は、安定な結晶面から微傾
斜しテラス＆ステップが高密度で存在する基板表面と、
硅素原子をその組成に含み前記ステップに沿って延びる
１次元電気伝導体を具備する、といった構成を有してい
る。

【００６７】第１５の本発明は、クラスター、細線状ク
ラスターまたは１次元高分子をよりバンドギャップの大
きな物質中に埋め込んだ微細構造材料あるいは間接遷移
型半導体物質を起源とする多孔質材料を発光源に用い、
励起源にコールドカソードを用いる、といった構成を有
している。

【００６８】

【作用】上記構成により、第１の本発明は、第１の工程
と第２の工程を独立に備えており、クラスターおよび埋
め込み物質原料粒子の単位時間当りの生成量の独立制御
が可能であることから、埋め込まれるクラスターの密度
を容易に制御できる。また、第２の工程の原料粒子が原
子・分子状態であり、さらに、第１の工程と第２の工程
を同時あるいは交互に繰り返し施していることから、ク
ラスターを、周辺に間隙を生じることなく、緻密に埋め
込むことができる。

【００６９】第２の本発明は、レーザアブレーションに
よりクラスターを生成する手段と原子・分子状態の埋め
込み物質原料粒子を光分解で生成する手段をともに備え
ていることから、第１の本発明による微細構造材料の製
造を同一装置で、かつ、光励起プロセスのみで実現する
ことができる。また、レーザアブレーションによる手段
では、照射レーザ光密度を制御することで生成クラスタ
ー粒径および粒径分布制御が可能であるので、埋め込ま
れるクラスターの粒径および粒径分布制御も容易に可能
となる。

【００７０】さらに、第１および第２の本発明は、蒸着
法で基板上に堆積させた混晶物質等の熱処理によりクラ
スターを析出させるといった熱平衡プロセスを、基本的
に必要としないことから、これに比べ、より高密度のク
ラスター埋め込みが可能であるとともに、粒径および粒
径分布の制御性も高まる。

【００７１】第３および第４の本発明は、生成クラスタ
ーの粒径をチョッピングにより選別する工程あるいは手
段を備えていることから、レーザアブレーションで生成
したクラスターの粒径をさらに細かく制御することがで
き、よりシャープな粒径分布を得ることができる。さら
に、チョッピング自身も、レーザパルスに同期して行わ
れるため、正確な制御が容易となる。

【００７２】第５の本発明は、レーザパルスに同期して
基板を回転あるいは往復運動させる手段を備えているこ
とから、レーザアブレーションで生成したクラスターの
粒径のさらに細かい制御が正確かつ容易に行え、よりシ
ャープな粒径分布を得ることができる。

【００７３】第６の本発明は、クラスター生成直後に異
種物質改質（または被覆）を行う工程を有することか
ら、間隙あるいは不純物等の存在しない良好な界面特性
を有する、よりバンドギャップの大きな異種物質で被覆
されたクラスター、換言すれば、量子閉じ込め効果の高
い量子箱を実現することができる。また、質量分離工程
により粒径を選別し、よりシャープな粒径分布を有する
複数のクラスター群を提供できる。

【００７４】第７の本発明は、第６の本発明による微細
構造材料の製造を同一装置で実現することができる。

【００７５】第８の本発明では、レーザビーム集光点で
濃度の高い活性粒子が生成し、相互の自己結合によりク
ラスターを形成するとともに粒径を大きくしつつ、集光
点から離れかつレーザビームが直接照射される位置に配
置した基板に到達する。すなわち、第８の本発明は、光
化学的気相反応のみでクラスターの生成が行えるととも
に、集光点あるいは基板の光軸方向での移動により、容
易に活性粒子生成部・基板間距離を変化させることがで
きるので、基板に堆積させるクラスター粒径も所望の値
に制御することができる。さらに、レーザビーム照射方
向が基板の上方水平方向である場合に比べると、前記距
離変化のための集光点の移動が簡単であるとともに、レ
ーザビームあるいは基板走査により、均一粒径および粒
径分布を有するクラスターを、大面積基板面上、均一量
分布させて堆積させることも可能となる。

【００７６】第９の本発明は、まず最初に、平面電極に
並列に配置された形状・寸法の等しい複数の針の先端と
基板表面の間の微小空間に印加した電界を利用する第１
の工程により、基板表面に形状・寸法の揃った複数の微
小孔（孔径：数十ｎｍ程度以下）を形成することができ
る。ここで、微小孔の形状・寸法が針・基板表面間接近
距離および電界強度により制御できるので、微小孔形成
後の基板表面への第１の物質の堆積（第２の工程）、除
去（第３の工程）および第２の物質の堆積（第４の工
程）と併せて、所望の形状・寸法を有する第１の物質か
ら成るクラスターを微小孔中へ埋め込むことができる。
さらに、第１から第４の工程を繰り返し施すことで、３
次元的に分布した前記クラスターを、第２の物質で埋め
込んだごとき微細構造材料を実現できる。前記クラスタ
ーの埋め込み密度については、基板面上水平方向の密度
が平面電極上の針の配置密度で決まり、垂直方向の密度
が第４の工程での第２の物質の堆積膜厚で決まる。すな
わち、埋め込み密度も、クラスター形状・寸法制御と独
立かつフレキシブルに制御できるとともに、埋め込み密
度に異方性を持たせることも可能となる。

【００７７】第１０および第１１の本発明は、第９の本
発明による微細構造材料の製造を同一装置で実現するこ
とができる。第１０の本発明では、複数の微小孔（孔
径：数十ｎｍ程度以下）を基板表面に形成する手段と物
質堆積を行う手段と物質を除去する手段とが、１つの容
器内に具備されているので、装置構造が簡単になる。ま
た、それぞれの手段を用いて施す工程の間に基板搬送を
行わないので、工程の切り替え時間も短くなる。このこ
とは、第９の本発明の第１から第４の工程を繰り返し施
し、３次元的に分布したクラスターを第２の物質で埋め
込んだごとき微細構造材料を製造する場合には大きな利
点となる。一方、第１１の本発明では、前記それぞれの
手段が、独立した容器内に具備されているので、それぞ
れの手段を用いて施す工程が互いに影響を及ぼし合う可
能性が全くなくなる。また、それぞれの手段に対し保守
・メンテナンス等も独立に行え、このことは機能の異な
る手段を具備した真空装置では大きな利便性をもたら
す。

【００７８】第１２の本発明は、１次元高分子原料分子
あるいは表面が異種物質で被覆されたクラスターを基板
表面上に供給している際に、基板表面に平行な一方向に
電界を加えていることから、基板表面上に吸着した全て
の前記原料分子あるいはクラスター内で同じ方向の電気
分極が起こり、＋−の極性が生じた部分で前記原料分子
あるいはクラスター同士が結合するので、１次元高分子
あるいは細線状クラスターを成長させるとともに、成長
途上の１次元高分子あるいは細線状クラスター内にも分
極が起こるので、これら１次元高分子あるいは細線状ク
ラスターの配向する方向も一致させることができる。換
言すれば、配列方向の揃った高密度量子細線を容易に製
造できる。

【００７９】第１３の本発明では、基板表面にテラス＆
ステップを設けているので、気相から基板表面に吸着し
た原子、分子あるいはクラスター等の粒子は、一定時間
テラス上に滞在するが、表面拡散によりステップに到達
し、ステップ上、その走る方向に沿って配列する（直鎖
状配列）ことになる。それは、通常、前記粒子は、テラ
ス上に存在するより、ステップ上に存在する方が安定で
あるからである。一方、ステップの走る方向には電界を
印加しており、これにより粒子内に発生する電気分極の
作用によって、直鎖状配列した前記粒子が結合するの
で、１次元電気伝導体を成長させることができる。すな
わち、第１３の本発明は、原子、分子あるいはクラスタ
ー等の粒子の気相からの供給で、ステップの走る方向に
一致して配列する１次元電気伝導体を成長させることが
できる。

【００８０】第１４の本発明は、硅素原子をその組成に
含む１次元電気伝導体で構成されている、すなわち、量
子細線における量子閉じ込め効果を利用することによ
り、硅素物質から成る発光素子を得ることができる。ま
た、安定な結晶面からの微傾斜により生じるテラス＆ス
テップのステップに沿って１次元電気伝導体が延びてい
ることから、原子レベルの精度で配列方向が制御されて
いるとともに、配列させた１次元電気伝導体の密度も微
傾斜角制御により容易に制御される。これらは、単色性
が強く発光効率の高い発光素子の実現に貢献する。さら
に、第１４の本発明の発光素子は、第１３の本発明の製
造方法により容易に実現できる。

【００８１】第１５の本発明は、クラスター、細線状ク
ラスターまたは１次元高分子をよりバンドギャップの大
きな物質中に埋め込んだ微細構造材料あるいは間接遷移
型半導体物質を起源とする多孔質材料を発光源に用いて
いることから、量子箱あるいは量子細線の量子閉じ込め
効果を利用した発光素子を実現できる。一方、励起源に
コールドカソードを用いていることから、電流注入型発
光素子と異なり、前記発光源に用いた材料に対し、さら
にＰ型およびＮ型電気伝導層を形成する等の必要がな
く、発光源の構造が簡単になる。また、発光源と励起源
を独立に製造することが可能であり、加えて、発光源は
高品質のものが第１から第１３の本発明の製造方法ある
いは製造装置を利用して製造でき、励起源は世の中に一
般的に存在するコールドカソードであることから、高品
質発光素子が容易に製造できる。さらに、電流注入型素
子と同様な小型化・集積化も可能である。

【００８２】

【実施例】図１は、本発明の微細構造材料の製造方法の
１実施例の概略図である。

【００８３】図１は、第１の工程で生成したクラスター
１０１の群と第２の工程で生成したクラスター１０１よ
りバンドギャップの大きな物質１０２の原料粒子（原子
・分子状態）１０３の群を、同時あるいは交互に基板１
０４に供給することにより、物質１０２中にクラスター
１０１を埋め込む状況を示している。

【００８４】クラスター１０１を生成させる第１の工程
には、例えば、レーザアブレーション（laser ablation
: ablative photodecomposition ）を用いる。

【００８５】これは、固体材料表面に、固体材料構成原
子間あるいは分子間結合エネルギーより高い光子エネル
ギーを有する、あるいは、高密度多光子吸収が起こる位
の高エネルギー密度のレーザ光を照射し、これにより直
接結合を切り、爆発的に固体材料構成原子・分子を粒子
としてとばす（除去する）プロセスであり、近年、薄膜
作製、あるいは、エッチングプロセスに用いられるよう
になってきた手法である。

【００８６】ここで、生成された粒子形態は、照射レー
ザ光密度により、クラスターから分子、分子から原子へ
と変化可能なものである（一般に、照射レーザ光密度が
高い程、粒子の構成原子数は少なくなる）。

【００８７】よって、レーザアブレーションを用い、照
射レーザ光密度を制御することにより、生成クラスター
粒径および粒径分布の制御を行うことができる。また、
照射レーザ全光量を制御することにより生成粒子量を制
御できる。

【００８８】この他、第１の工程には、レーザアブレー
ションよりは粒径および粒径分布制御が複雑になるが、
クラスターイオンビームを生成させる別種のプロセスを
用いることもできる。

【００８９】一方、原料粒子１０３を生成させる第２の
工程には、例えば、光化学的気相堆積（photochemical
vapor deposition）を用いる。

【００９０】これは、反応性原料ガスの光分解により生
成した活性粒子により薄膜堆積を行う手法として、近
年、用いられるようになってきたものである。

【００９１】この手法は、均質で連続した性質（例えば
結晶粒塊フリー）の薄膜が容易に得られるという特徴を
有している。

【００９２】この意味では、熱あるいは電子ビーム蒸
着、プラズマあるいは熱化学的気相堆積等を用いてもよ
いが、光化学的気相堆積は、非熱平衡・低温プロセスで
あることから、本手法を用いることにより、上述レーザ
アブレーションあるいはクラスターイオンビーム生成プ
ロセスを用いる第１の工程と合わせて、本発明の製造方
法の１実施例全体が非熱平衡プロセスとなり、埋め込み
密度、粒径および粒径分布の制御性が高まる。

【００９３】さらに、非プラズマプロセスであることか
ら、クラスター・埋め込み物質界面へのプラズマ損傷の
危惧もない。

【００９４】第２の工程には、レーザアブレーションを
用いてもよく、この場合は、照射レーザ光強度等を制御
し、原子あるいは分子の状態で生成粒子を基板１０４上
に供給することになる。

【００９５】また、前記第１および第２の工程に、とも
に紫外レーザ光を用いたレーザアブレーションあるいは
光化学的気相堆積を用いることも可能である。

【００９６】これにより、第１および第２の工程を単一
レーザ光のみで行うことも可能になり、製造方法全体が
簡略化する。

【００９７】図２は、本発明の微細構造材料の製造装置
の１実施例の概略図である。図２において、レーザ光導
入窓１０５、１０６、およびガス導入ノズル１０７、１
０８を備えた真空排気可能な容器１０９の中に、クラス
ター原料となる単結晶硅素（Ｓｉ）固体ターゲット１１
０、および基板ホルダー１１１が設置されている。

【００９８】ここで、窓１０５を通して導入されるレー
ザ光（光子エネルギー：ｈν₁）１１２が、ターゲット
１１０の表面に照射されるように、ターゲット１１０は
配置されている。基板ホルダー１１１は、ターゲット１
１０からアブレートされた粒子がホルダー１１１表面に
照射されるように配置されている。

【００９９】また、窓１０６は、これを通して導入され
るレーザ光（光子エネルギー：ｈν ₂）１１３を、ホル
ダー１１１表面に対して、直接照射できるように配置さ
れている。

【０１００】ただし、窓１０６は、レーザ光１１３が、
ホルダー１１１表面近傍を水平方向に通過するように、
つまりホルダー１１１表面近傍（距離にして高々十数ｃ
ｍ程度）を通過するように、照射できるように配置して
もよい。

【０１０１】さらに、ノズル１０７、１０８は、そこか
ら導入されるガスが、直接あるいはレーザ光１１３によ
り光分解され活性粒子となった状態で、吹き付けあるい
は拡散により基板１１４表面上に達することができる位
置に配置する。

【０１０２】以上の構成の製造装置で、例えば、酸化硅
素（ＳｉＯ₂）中に単結晶Ｓｉクラスターを埋め込んだ
ごとき微細構造材料を製造する場合、以下の通りにな
る。

【０１０３】まず、ホルダー１１１上に基板１１４を設
置する。基板１１４表面上への単結晶Ｓｉクラスターの
供給は、単結晶硅素（Ｓｉ）固体ターゲット１１０のレ
ーザ光１１２によるアブレーションをもって行う。

【０１０４】レーザ光１１２としては、光子エネルギ
ー：ｈν₁が、結合エネルギー：１．８ｅＶを有する単
結晶Ｓｉ原子間結合を直接切ることができる位高いこと
が望ましく、単位堆積当りの吸収係数が高い程アブレー
ション効率はよいので、ｈν₁はさらに高い程よい。

【０１０５】具体的には、レーザ自身の実用性も加味し
て、ＹＡＧレーザの第２高調波（ｈν₁＝２．３ｅ
Ｖ）、ＸｅＣｌ（ｈν₁＝４．０ｅＶ）、ＫｒＦ（ｈν₁
＝５．０ｅＶ）あるいはＡｒＦエキシマレーザ（ｈν₁
＝６．４ｅＶ）等の大出力短波長レーザ光が上げられ
る。

【０１０６】基板１１４表面上に供給すべきクラスター
の粒径および粒径分布はレーザ光１１２の照射密度によ
り、また、単位時間当りのクラスター供給量は照射全光
量により、それぞれ、制御する。

【０１０７】一方、容器１０９内にはノズル１０７、１
０８から、それぞれ、ジシランガス（Ｓｉ₂Ｈ₆）および
笑気ガス（Ｎ₂Ｏ）、またはＳｉ₂Ｈ₆との直接反応が起
こらない位低濃度の酸素ガス（Ｏ₂）を導入し、そこ
に、レーザ光１１３としてＡｒＦエキシマレーザ光（ｈ
ν₂＝６．４ｅＶ）を照射する。

【０１０８】ｈν₂＝６．４ｅＶの光は、Ｓｉ₂Ｈ₆ガス
分子を直接分解するので、生成されたＳｉ活性粒子と酸
素系粒子（あるいは光分解された酸素系活性粒子）との
反応により、基板１１４表面上にＳｉＯ₂薄膜が堆積す
る。

【０１０９】堆積速度は、単位時間当りのガス供給量
（あるいはガス圧力）、またはレーザ光１１３照射量に
より制御する。

【０１１０】以上により、クラスター埋め込み密度、粒
径および粒径分布が制御された前記微細構造材料を製造
することができる。

【０１１１】なお、本実施例においても、前記アブレー
ションにもＡｒＦエキシマレーザを用いることにより、
レーザ光源は一つで済むことになる。

【０１１２】図３および図４は、本発明の微細構造材料
の製造方法の１実施例の工程図である。

【０１１３】図３（ａ）では、粒径分布がＡの分布を有
するクラスター群１１５の列が示されている。

【０１１４】各クラスター群は、パルスレーザを用いた
レーザアブレーションにより生成・飛来させる。なお、
レーザの単パルスでクラスター群の１つを生成させる。

【０１１５】一般に、このようなクラスター群中では、
粒径の小さなクラスター程、群の先頭に位置し飛来す
る。

【０１１６】この性質を利用し、レーザパルスに同期し
て各クラスター群をチョッピングすることで、クラスタ
ー群中の所望の粒径のクラスターのみを選別できる。

【０１１７】具体的には、パルスレーザの繰り返し周波
数にチョッピング周波数を一致させ、あるいは、繰り返
し周波数の整数倍をチョッピング周波数とし、適当な位
相遅れを持たせてチョッピングを行う。位相遅れの値を
変えることにより、選別すべき粒径を制御することがで
きる。

【０１１８】図３（ｂ）では、選別後の、分布Ａよりも
シャープな粒径分布Ｂを有するクラスター群１１６の列
が示されている。

【０１１９】図４は、このような原理を利用した本発明
の微細構造材料の製造装置の１実施例の概略図である。

【０１２０】図４において、真空排気可能な容器１１７
の中に、クラスター原料となる固体ターゲット１１８、
基板ホルダー１１９、および一部分に空隙１２０が切り
抜かれた回転式円盤型チョッパー１２１が設けられ、そ
の外部にパルスレーザ光源１２２が設置されている。

【０１２１】そして、パルスレーザ光源１２２からのパ
ルスレーザ光（光子エネルギー：ｈν₁）１２３が、タ
ーゲット１１８の表面に照射されるように、容器１１７
に配置されたレーザ光導入窓１２４が、設けられてい
る。

【０１２２】レーザ光１２３の単パルスにより、ターゲ
ット１１８からアブレートされたクラスター群１２５
は、レーザ光１２３の繰り返し周波数：ｆ_Lと一致した
あるいはその整数倍の回転周波数：ｎｆ_C1で回転させて
いるチョッパー１２１の面に飛来する。

【０１２３】ここで、クラスター群がチョッパーを通過
すべき時間：ｔ₁と空隙１２０がクラスター群を横切る
時間ｔ₂を、ｔ₁＞ｔ₂の関係にすることにより、粒径の
選別ができる。

【０１２４】なお、時間比：ｔ₁／ｔ₂が大きい程、選別
後の粒径分布はシャープになる。ｔ ₁／ｔ₂の大きさは、
空隙１２０の大きさまたはチョッパー回転周波数を変え
ることにより制御する。また、粒径は、ｆ_Lとｆ_C1との
間にもたせた位相遅れの値を変えることにより制御す
る。

【０１２５】以上により、粒径選別後のクラスター群１
２６が、順次、基板ホルダー１１９上に設置された基板
上に堆積される。

【０１２６】図５は、実施例３と同様の原理に基づく本
発明の微細構造材料の製造装置の１実施例の概略図であ
る。

【０１２７】図５において、真空排気可能な容器１２７
の中に、クラスター原料となる固体ターゲット１２８、
基板ホルダー１２９、および以下に説明するクラスター
群１３０をチョッピングする手段が設置されている。

【０１２８】このチョッピングする手段は、いわゆる質
量分離を用いたものであり、本実施例では、各クラスタ
ーをイオン化するための電子銃１３１、イオン化した各
クラスターの速度を揃え加速するための加速部１３２、
および、各クラスターを質量分離するための電界または
磁界印加部１３３とで構成されている。

【０１２９】さらに、パルスレーザ光源１２２が容器１
２７の外部に設けられ、本光源からのパルスレーザ光
（光子エネルギー：ｈν₁）１２３がターゲット１２８
の表面に照射されるごとく、容器１２７にレーザ光導入
窓１３４が設けられている。

【０１３０】レーザ光１２３の単パルスにより、ターゲ
ット１２８からアブレートされたクラスター群１３０
は、イオン化および加速された後、レーザ光１２３の繰
り返し周波数：ｆ_Lと一致したあるいは整数倍の繰り返
し周波数：ｎｆ_C2で、電界または磁界パルスを印加して
いる印加部１３３に飛来する。

【０１３１】ここで、加速クラスター群１３５が印加部
１３３を通過すべき時間：ｔ₃と印加電界または磁界パ
ルス幅：ｔ₄を、ｔ₃＞ｔ₄の関係にすることにより、粒
径の選別ができる。

【０１３２】すなわち、クラスター群の一部に電界また
は磁界を印加することで、基板ホルダー１２９の方向へ
一部のクラスターの飛来方向を変える。なお、時間比：
ｔ₃／ｔ₄が大きい程、選別後の粒径分布はシャープにな
り、ｔ₃／ｔ₄の大きさは、ｔ₄の大きさを変えることに
より制御する。また、粒径は、ｆ_Lとｆ_C2との間にもた
せた位相遅れの値を変えることにより制御する。

【０１３３】そして、飛来方向の変位量は、選別すべき
クラスターの粒径（正確に言えば質量）、加速部１３２
での加速電圧、および、印加電界または磁界強度により
決定されるので、これらの物理量の制御により、選別す
べきクラスターのみ基板ホルダー方向に飛来させること
ができる。

【０１３４】以上により、粒径選別後のクラスター群１
３６が、順次、基板ホルダー１２９上に設置された基板
上に堆積される。

【０１３５】図６（ａ）は、本発明の微細構造材料の製
造装置の１実施例の概略図を示し、図６（ｂ）は、本実
施例の製造装置で作製された微細構造を有する素子の構
成図である。

【０１３６】図６（ａ）において、真空排気可能な容器
１３７の中に、クラスター原料となる固体ターゲット１
３８、および基板ホルダー１３９が設置されており、ホ
ルダー１３９は任意の回転周波数で回転可能な機構を有
している。

【０１３７】さらに、容器１３７の外部にパルスレーザ
光源１２２を設置し、本光源からのパルスレーザ光（光
子エネルギー：ｈν₁）１２３がターゲット１３８の表
面に照射されるごとくレーザ光導入窓１４０が、容器１
３７に設けられている。

【０１３８】レーザ光１２３の単パルスによりターゲッ
ト１３８からアブレートされたクラスター群１４１は、
レーザ光１２３の繰り返し周波数：ｆ_Lと一致したある
いは整数倍の回転周波数：ｎｆ_C3で回転されているホル
ダー１３９に飛来する。

【０１３９】ここで、図６（ａ）に示したように、ホル
ダー１３９が４面体であり、それぞれの面上に基板を設
置した場合には、クラスター群１４１はより粒径分布の
シャープな４種類のクラスター群に分割され、順次、そ
れぞれの基板：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ上に堆積される。

【０１４０】換言すれば、ホルダー１３９自身でクラス
ター群のチョッピングを行い、粒径を選別すると同時
に、選別されたクラスターの堆積を行っている。

【０１４１】クラスターが堆積した基板Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ
の各々の断面の概略について、図６（ｂ）に示す。

【０１４２】堆積したクラスターの平均粒径は、基板
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順に小さくなっている。

【０１４３】なお、ホルダー１３９は、４面体以外の多
面体でもよく、この場合には、それに応じてクラスター
群が分割・堆積されることになる。

【０１４４】図７（ａ）は、本発明の微細構造材料の製
造装置の１実施例の概略図を示し、図７（ｂ）は、本実
施例の製造装置で作製された微細構造を有する素子の構
成図である。

【０１４５】図７（ａ）において、真空排気可能な容器
１４２の中に、クラスター原料となる固体ターゲット１
４３、および基板ホルダー１４４が設置されており、ホ
ルダー１４４は任意の振動数で往復運動可能な機構を有
している。

【０１４６】さらに、容器１４２の外部にパルスレーザ
光源１２２が設けられ、本光源からのパルスレーザ光
（光子エネルギー：ｈν₁）１２３がターゲット１４３
の表面に照射されるごとく、レーザ光導入窓１４５が容
器１４２に設けられている。

【０１４７】レーザ光１２３の単パルスにより、ターゲ
ット１４３からアブレートされたクラスター群１４６
は、レーザ光１２３の繰り返し周波数：ｆ_Lと一致した
あるいは整数倍の振動数：ｎｆ_C4で往復運動させている
ホルダー１４４に飛来し、ホルダー１４４上に設置した
基板上に堆積する。

【０１４８】結果として、クラスター群１４６の粒径分
布範囲内で粒型の異なるクラスターが、基板上往復運動
方向に分布して、順次、堆積される。

【０１４９】換言すれば、ホルダー１４４自身でクラス
ター群のチョッピングを行い粒径を選別すると同時に、
選別されたクラスターの堆積を行っている。

【０１５０】クラスターが堆積した基板の断面の概略に
ついて、図７（ｂ）に示す。堆積したクラスターの粒径
は、図面上、右から左にかけて小さくなっている。

【０１５１】以上、実施例３から実施例６において、総
括すれば、パルスレーザアブレーションにより生成・飛
来させたクラスター群中では、粒径の小さなクラスター
程、群の先頭に位置して飛来するという性質を利用し、
アブレーションで生成した粒型および粒径分布の揃った
クラスターを、さらに細かく粒径選別し、よりシャープ
な粒径分布を有するクラスターを提供していることにな
る。

【０１５２】本実施例の微細構造材料の製造方法では、
まず、クラスターを生成させる工程に、例えば、照射レ
ーザ光密度を制御することにより生成クラスター粒径お
よび粒径分布の制御を行うことができる、レーザアブレ
ーションを用いる。

【０１５３】次に、生成クラスターが、例えばＳｉ物質
で構成される場合、前記工程の後、酸素活性粒子を照射
することで、容易に、クラスター表面をよりバンドギャ
ップの大きなＳｉＯ₂層に改質することができる。

【０１５４】そして、その後の質量分離する工程には、
例えば、改質後のクラスターをイオン化させ電界または
磁界により分離する方法、機械的チョッパーによる方
法、あるいは、クラスター堆積あるいは補集手段の物理
的運動による方法を用いる。

【０１５５】以上の工程を行なうことにより、レーザア
ブレーションのみを用いた場合に比べさらに粒径および
粒径分布の揃うのみならず、よりバンドギャップの大き
な物質層で被覆されたクラスターを製造することができ
ることになる。

【０１５６】図８は、以上の原理に基づく本発明の微細
構造材料の製造装置の１実施例の概略図である。

【０１５７】真空排気可能な容器１４７に、クラスター
原料となる固体ターゲット１４８、ターゲット１４８表
面にレーザ光（光子エネルギー：ｈν₁）１４９が照射
されるごとき位置に配置されたレーザ光導入窓１５０、
生成クラスター表面改質あるいは被覆材料源としての活
性粒子源１５１、および生成クラスターを質量分離する
手段が設けられている。

【０１５８】この質量分離手段は、本実施例において
は、生成クラスターをイオン化するための電子銃１５
２、イオン化したクラスターの速度を揃え加速するため
の加速部１５３、およびクラスターを質量分離するため
の磁界印加部１５４とで構成されている。

【０１５９】以上の構成の製造装置で、例えば、ＳｉＯ
₂層で被覆した単結晶Ｓｉクラスターを製造する場合、
以下の通りになる。

【０１６０】まず、ターゲット１４８には、単結晶Ｓｉ
を用いる。また、レーザ光１４９としては、第２の本発
明の微細構造材料の製造装置の１実施例の説明の際に述
べた理由から、ＹＡＧレーザの第２高調波（ｈν₁＝
２．３ｅＶ）、ＸｅＣｌ（ｈν₁＝４．０ｅＶ）、Ｋｒ
Ｆ（ｈν₁＝５．０ｅＶ）あるいはＡｒＦエキシマレー
ザ（ｈν₁＝６．４ｅＶ）等の大出力短波長レーザを使
用する。

【０１６１】そして、レーザ光１４９によりターゲット
１４８から生成されたＳｉクラスター１５５は、活性粒
子源１５１からの活性粒子１５６により、その表面がＳ
ｉＯ ₂層１５７で被覆される。

【０１６２】具体的には、マイクロ波あるいは高周波
（ＲＦ）励起プラズマ源等を活性粒子源１５１として用
い、これから発せられる酸素活性粒子照射によってＳｉ
クラスター表面を酸化させることで、容易にＳｉＯ₂層
被覆が行える。

【０１６３】また、シラン系ガス（Ｓｉ_nＨ_2n+2：n=1,
2,3,・・・）を用いて活性粒子源１５１内で生成したＳｉ
活性粒子と基底状態酸素系分子（例えば、Ｏ₂、Ｎ₂Ｏ
等）により、Ｓｉクラスター上に非晶質ＳｉＯ₂膜の堆
積を行ってもよい。

【０１６４】この後、電子銃１５２から発せられた電子
１５８により、ＳｉＯ₂層被覆後のＳｉクラスターをイ
オン化し、加速部１５３（加速電圧：Ｖ_a）で加速し、
静磁界（磁束密度：Ｂ）でその進行方向を曲げる。静磁
界でクラスター進行方向が曲げられるとき、その曲率半
径：ｒは、一般に下記式で表わされる。

【０１６５】

【数１】

【０１６６】ここで、ｅは素電荷、ｍはクラスターの質
量である。よって、クラスターの質量の違い、換言すれ
ば、粒径の違いにより進行方向が異なってくるので、粒
径の選別を行うことができる。

【０１６７】なお、クラスターの粒径分布については、
粒径選別前の粒径分布Ａ、粒径選別後の粒径分布Ｂ₁、
Ｂ₂、Ｂ₃が、図８中に示されている。

【０１６８】本発明の微細構造材料の製造方法の１実施
例について、図９に示した製造装置の概略図に基づき説
明する。

【０１６９】図９において、図面の上下方向において異
なる位置に配置されたガス導入ノズル１５９、１６０、
レーザ光導入窓１６１、および基板１６２設けられた真
空排気可能な容器１６３が設置されている。

【０１７０】このような製造装置において、まず、ノズ
ル１５９からＳｉ₂Ｈ₆ガスを容器１６３内に導入し、そ
こに、ＡｒＦエキシマレーザ（光子エネルギー：ｈν₂
＝６．４ｅＶ）ビームを集光して照射し、集光点近傍
で、他の領域に比べ濃度の高いＳｉ活性粒子をＳｉ₂Ｈ₆
ガスの光分解により生成させる。

【０１７１】このレーザビーム照射方向は、活性粒子生
成部１６４を通過し、直接基板１６２上へ照射される方
向である。

【０１７２】そして、高濃度Ｓｉ活性粒子生成部１６４
と基板１６２との間に所望の距離を取り、Ｓｉ活性粒子
が、拡散により基板１６２に到達する前に、相互の自己
結合により所望の粒径を有するクラスターが生成するよ
うにする。

【０１７３】換言すれば、活性粒子生成部・基板間距離
を変化させる（例えば、集光点の移動による等）ことに
より、基板１６２上に堆積させるクラスターの粒径を制
御する。

【０１７４】この際、品質の高いクラスターを得るため
には、周囲の不純物気体粒子を予め極力除去しておくこ
とが重要であり、例えば、容器１６３をオールメタルシ
ールの容器とし、Ｓｉ₂Ｈ₆ガス導入前に超高真空排気
（例えば、１０^-9Ｔｏｒｒ台以下）を行う等の処置を施
す。

【０１７５】また、レーザビーム照射方向が直接基板１
６２上へ照射される方向であることから、照射方向が基
板１６２の上方水平方向である場合に比べ、前記集光点
の移動が簡単に行えるとともに、レーザビームあるいは
基板走査により、均一粒径および粒径分布を有するクラ
スターを、大面積基板面上、均一量分布させて堆積させ
ることも可能となる、という利点を有する。

【０１７６】さらに、所望の粒径を有するクラスター生
成後、すなわち、より基板１６２に近い領域に、ノズル
１６０から例えば水素ガス１６５を導入して、水素原子
で表面が終たん：ターミネート（terminate）されたク
ラスター１６６が得られる。

【０１７７】もっとも、ノズル１６０から導入するガス
を酸素系ガスとすれば、ＳｉＯ₂層で被覆されたクラス
ターを得ることも可能である。

【０１７８】以上のように、本実施例の微細構造材料の
製造方法によれば、光化学的気相反応のみで、粒径およ
び粒径分布の制御されたクラスターを提供できる。

【０１７９】さらに、前述の実施例１の微細構造材料の
製造方法を併用すれば、周辺に間隙を生じることなく、
上記クラスターを異種物質中に緻密に埋め込めることも
可能となる。

【０１８０】図１０および図１１は、本発明の微細構造
材料の製造方法の１実施例の工程図を示す。

【０１８１】まず、図１０（ａ）に示す第１の工程にお
いて、形状・寸法の等しい複数の金属針１６７を並列に
配置した平面電極１６８を、平面基板１６９に対し、互
いに平行状態を保ったまま接近させ、各針１６７の先端
と基板１６９表面の間に同じ大きさの高電界を印加す
る。

【０１８２】接近距離と電界強度の大きさは、基板１６
９の物質が所望の量だけ電界蒸発により除去される程度
のものとする。

【０１８３】この場合、接近距離を小さくする程、ある
いは電界強度を大きくする程、除去量は多くなるので、
これらの物理量を変えることにより、物質除去後の孔の
形状・寸法を制御できる。

【０１８４】よって、印加された高電界による蒸発によ
り、針１６７の形状・寸法、接近距離および電界強度で
決定される同じ形状・寸法の、複数の孔１７０（孔径：
数十ｎｍ程度以下）を、基板１６９表面に形成できる。
この様子を図１０（ｂ）に示す。

【０１８５】なお、孔１７０の形成には、予め反応性ガ
スを電極１６８と基板１６９の間に導入して、印加電界
の結果生じるトンネル電流により本反応性ガスと基板１
６９表面との化学反応を誘起し、気相エッチングを行う
方法を用いてもよい。

【０１８６】これは、基板１６９が導電性物質の場合に
適しており、例えば、Ｓｉ等の半導体の場合にはＣｌ₂
等の塩素系ガスを用いればよい。

【０１８７】次に、図１０（ｃ）に示されるように、基
板１６９表面上に、この物質と異なる第１の物質１７１
の堆積を行う第２の工程を施す。

【０１８８】すなわち、物質１７１の原料粒子１７２を
基板１６９表面上に供給する。具体的には、化学的気相
堆積（ＣＶＤ）法および分子線エピタキシャル成長（Ｍ
ＢＥ）法等の蒸着法といった手法を用いればよい。

【０１８９】一般に、このような手法を用いた薄膜堆積
では、基板表面の平坦な面よりも微小孔１７０のような
溝内で見かけ上の堆積速度を大きくするのが容易であ
る。すなわち、堆積の進行につれて溝内を埋め、堆積薄
膜表面を平坦化することが可能である。

【０１９０】そこで、図１１（ａ）に示されるように、
少なくとも、堆積薄膜表面が平坦になるまで第１の物質
１７１の堆積を行う。

【０１９１】次に、図１１（ｂ）で示す第３の工程で
は、前記第２の工程で堆積させた第１の物質の除去を行
う。

【０１９２】具体的には、光化学的気相エッチング、プ
ラズマエッチング、および、反応性イオンエッチング等
の気相エッチング手法を用いればよい。

【０１９３】本エッチング手法を用いることで、前記堆
積薄膜表面の平坦性を保ったまま第１の物質１７１の除
去ができる。除去は、基板１６９表面の平坦部が露出す
るまで行う。

【０１９４】そして、図１１（ｃ）に示す第４の工程で
は、第１の物質１７１よりバンドギャップの大きな第２
の物質１７３の堆積を行う。

【０１９５】具体的には、前記第２の工程で用いたもの
と同様な堆積手法を用いればよい。なお、図１１（ｃ）
中、１７４は第２の物質１７３の原料粒子から構成され
る部分を示している。である。

【０１９６】以上から、図１０と図１１に示した工程を
実施することで、２次元平面上に分布した第１の物質１
７１で構成される均一粒径クラスター１７５が、基板１
６９と第２の物質１７３の間に埋め込まれる。

【０１９７】また、基板１６９物質と第２の物質１７３
を同一にすることで、均一粒径クラスター１７５を、よ
りバンドギャップの大きな物質１７３で埋め込んだごと
き微細構造材料が製造される。

【０１９８】また、図１０と図１１に示した工程を繰り
返すことで、３次元的に分布した均一粒径クラスター１
７５を、よりバンドギャップの大きな物質１７３で埋め
込んだごとき微細構造材料が製造される。

【０１９９】なお、クラスター１７５の形状・寸法は、
孔１７０を形成する前記第１の工程で決められる。

【０２００】また、クラスター１７５の埋め込み密度に
ついては、基板１６９面上横方向の密度が平面電極１６
８上の針１６７の配置密度で決まり、垂直方向の密度が
前記第４の工程での第２の物質１７３の堆積膜厚で決ま
る。

【０２０１】このように、本実施例の微細構造材料の製
造方法では、クラスター１７５の埋め込み密度も粒径制
御と独立かつフレキシブルに制御でき、さらに、埋め込
み密度に異方性を持たせることも可能である。埋め込み
密度異方性を有する微細構造材料は、光学異方性を有す
る発光素子および非線形光学素子の提供に資するもので
ある。

【０２０２】図１２は、本発明の微細構造材料の製造装
置の１実施例の概略図である。図１２において、真空排
気可能な容器１７６の中に、基板ホルダー１７７、形状
・寸法の等しい複数の針を並列に配置した平面電極１７
８、平面電極１７８を基板ホルダー方向に平行移動させ
るための粗動機構１７９並びに微動機構１８０、２種類
の物質を基板ホルダー上の基板１８１に堆積させるため
の蒸着源１８２、１８３、前記２種類の物質の一方をエ
ッチング除去する際のエッチング用反応性イオンを供給
するためのイオン源１８４が設けられている。

【０２０３】また、１８５は、平面電極１７８と基板１
８１の間に高電界を印加するための電源である。

【０２０４】なお、粗動機構１７９および微動機構１８
０には、例えば、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で一
般に用いられているごとき機構、すなわち、機械的機構
並びに圧電素子をそれぞれ用いればよい。

【０２０５】本実施例の製造装置で、例えば、均一粒径
ＳｉクラスターをＳｉＯ₂で埋め込んだごとき微細構造
材料を製造する場合には、蒸着源１８２並びに１８３
に、それぞれＳｉ並びにＳｉＯ₂原料を充填し、エッチ
ング除去対称物質がＳｉであるので、イオン源１８４内
に供給するガスは、塩素系イオンを生成させる塩素系ガ
スとする。

【０２０６】具体的に本実施例の製造装置で行なわれる
工程は、前記実施例の微細構造材料の製造方法の各工程
を繰り返し施す工程である。

【０２０７】そして、物質堆積を行う前記実施例の第２
および第３の工程の際には、それぞれ、図１２中に示し
た蒸着源１８２並びに１８３を用いることになる。

【０２０８】図１３は、本発明の微細構造材料の製造装
置の１実施例の概略図である。

【０２０９】図１３において、真空排気可能な容器１８
６、１８７および１８８が、ゲートバルブ１８９および
１９０を介して結合されている。

【０２１０】また、それぞれの容器には基板ホルダー１
９１、１９２および１９３が設けられている。

【０２１１】さらに、容器１８６の中には、形状・寸法
の等しい複数の針を並列に配置した平面電極１９４、平
面電極１９４を基板ホルダー方向に平行移動させるため
の粗動機構１９５および微動機構１９６が設けられてい
る。

【０２１２】なお、粗動機構１９５および微動機構１９
６には、例えば、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で一
般に用いられているごとき機構、すなわち、機械的機構
並びに圧電素子をそれぞれ用いればよい。

【０２１３】また、１９７は、平面電極１９４と基板１
９８の間に高電界を印加するための電源である。

【０２１４】次に、容器１８７の中には、２種類の物質
の蒸着源１９９および２００が具備されている。

【０２１５】さらに、容器１８８の中には、前記２種類
の物質の一方をエッチング除去する際のエッチング用反
応性イオンを供給するためのイオン源２０１が具備され
ている。

【０２１６】また、２０２および２０３は、基板１９８
を各容器間で搬送するとともに、各基板ホルダーに配置
することを可能にする基板搬送機構である。

【０２１７】本実施例の製造装置で、例えば、均一粒径
ＳｉクラスターをＳｉＯ₂で埋め込んだごとき微細構造
材料を製造する場合には、蒸着源１９９並びに２００
に、それぞれＳｉ並びにＳｉＯ₂原料を充填し、エッチ
ング除去対称物質がＳｉであるので、イオン源２０１内
に供給するガスは、塩素系イオンを生成させる塩素系ガ
スとする。

【０２１８】具体的に本実施例の製造装置で行なわれる
工程は、実施例９の微細構造材料の製造方法の各工程を
繰り返し施す工程である。

【０２１９】そして、物質堆積を行う実施例９の第２お
よび第３の工程の際には、それぞれ、図１３中に示した
蒸着源１９９並びに２００を用いることになる。

【０２２０】図１４は、本発明の微細構造材料の製造方
法の１実施例の工程図を示す。まず、図１４（ａ）にお
いて、基板３０１表面に平行な一方向に電界：Ｅ（ベク
トル量：この電界は、基板表面と平行な方向成分が存在
すればよく、基板表面に対して垂直方向成分を多少もっ
ていても構わない）を加えるとともに、１次元高分子原
料分子を供給する。

【０２２１】このとき、供給原料分子としては、例え
ば、ジクロロシラン誘導体：Ｒ¹Ｒ²ＳｉＣｌ₂を用い
る。Ｒ¹、Ｒ²は、メチル基、エチル基といったアルキル
基等の有機基である。

【０２２２】一方、Ｒ¹Ｒ²ＳｉＣｌ₂分子の吸着した基
板３０１表面に対し、少なくとも、Ｓｉ−Ｃｌ結合を切
断するだけのエネルギー：ｈν₃を有する第１の光子群
３０２を照射し、以下の式で示される光化学反応を起こ
す。

【０２２３】

【数２】

【０２２４】すなわち、Ｒ¹およびＲ²を側鎖として有す
る１次元高分子：（Ｒ¹Ｒ²Ｓｉ）_n［ｎは２以上］が成
長して行くことになる。

【０２２５】この図１４（ａ）の工程は、真空排気可能
な容器中で気相プロセスとして行っても、適当な溶媒
（例えばトルエン、メタノール）中で液相プロセスとし
て行ってもよい。

【０２２６】なお、（式２）の反応で発生するＣｌ₂分
子は、前者の場合Ｃｌ₂分子のまま蒸発し、後者の場合
は溶媒中にＣｌイオンとして溶け込むかＣｌ₂分子とし
て溶媒の外に蒸発する。

【０２２７】また、１次元高分子：（Ｒ¹Ｒ²Ｓｉ）_nの
生成を溶媒中で液相プロセスで行う場合は、従来行われ
ているように、Ｎａ原子を利用して以下の式で示される
化学反応を用いてもよい。

【０２２８】

【数３】

【０２２９】さて、基板３０１表面上には電界：Ｅ（ベ
クトル量）が印加されているので、基板３０１表面上で
成長中の１次元高分子：（Ｒ¹Ｒ²Ｓｉ）_nは、図１４
（ａ）に示したように、ｎが２あるいは３といった段階
から内部で分極を起こし＋−の極性が生じるとともに、
電界印加方向に配向する。

【０２３０】前記分極および配向を誘起・促進するに足
る量のキャリア（電子あるいは正孔）が１次元高分子：
（Ｒ¹Ｒ²Ｓｉ）_n中に存在しない場合には、１次元高分
子：（Ｒ¹Ｒ²Ｓｉ）_nのバンドギャップより大きなエネ
ルギー：ｈν₄を有する第２の光子群３０３を基板３０
１表面上に照射する。

【０２３１】これにより、キャリアを発生させ、前記分
極および配向の誘起・促進を図る（図１４（ｂ））。

【０２３２】以上、図１４（ａ）あるいは図１４（ｂ）
に示した工程を実施することで、Ｒ ¹およびＲ²を側鎖と
して有する１次元高分子：（Ｒ¹Ｒ²Ｓｉ）_nの列が、基
板３０１上一方向に配向して形成される（図１３
（ｃ））。

【０２３３】換言すれば、方向の揃った、Ｒ¹およびＲ²
で終たんされたＳｉの量子細線３０４が簡便に製造され
る。

【０２３４】なお、以上の実施例では、光子エネルギ
ー：ｈν₃およびｈν₄以上の光子エネルギーを有する同
一の光子群を用いることも可能である。また、これら光
子エネルギーは、Ｓｉ−Ｒ¹およびＳｉ−Ｒ²のそれぞれ
の結合エネルギーよりも低いことが望ましい。

【０２３５】図１５は、本発明の微細構造材料の製造方
法の１実施例の工程図を示す。まず、図１５（ａ）に示
されるように、基板３０５表面に平行な一方向に電界：
Ｅ（ベクトル量：電界は、基板表面と平行な方向成分が
存在すればよく、基板表面に対して垂直方向成分を多少
もっていても構わない）を加えるとともに、表面が異種
物質：Ｒ^Xで被覆されたクラスター（核としては例えば
Ｓｉ）３０６を供給する。

【０２３６】ここで、Ｒ^Xは、水素、ＳｉＯ₂あるいはク
ラスター３０６の核となる物質よりバンドギャップの大
きな物質層等である。

【０２３７】このようなクラスターは、実施例７の微細
構造材料の製造装置あるいは実施例８の微細構造材料の
製造方法により、製造が可能である。

【０２３８】図１５（ａ）において、基板３０５表面上
に吸着したクラスター３０６は、電界：Ｅ（ベクトル
量）によりその内部に分極が起こり＋−の極性が生じ
る。

【０２３９】よって、この極性が生じた部分で、例えば
図１５（ａ）中「Ａ」で示した部分のようにクラスター
３０６同士が結合し、細線状クラスター３０７が形成さ
れるとともに、電界印加方向に配向する。

【０２４０】電界：Ｅ（ベクトル量）のみで細線状クラ
スターが形成されない場合には、前記クラスター核とＲ
^Xとの結合エネルギーに相当するエネルギー：ｈν₅を有
する第１の光子群３０８を、基板３０５表面上に照射す
ることで、細線状クラスター３０７の形成を誘起・促進
する。

【０２４１】また、前記分極および配向を誘起・促進す
るに足る量のキャリア（電子あるいは正孔）が細線状ク
ラスター３０７中に存在しない場合には、細線状クラス
ター３０７のバンドギャップより大きなエネルギー：ｈ
ν₆を有する第２の光子群３０９を基板３０５表面上に
照射する。

【０２４２】これにより、キャリアを発生させ、前記分
極および配向の誘起・促進を図る（図１５（ｂ））。

【０２４３】図１５（ａ）あるいは図１５（ｂ）に示さ
れた工程は、真空排気可能な容器中で気相プロセスとし
て行っても、適当な溶媒（例えばトルエン、メタノー
ル）中で液相プロセスとして行ってもよい。

【０２４４】以上、図１５（ａ）あるいは図１５（ｂ）
に示した工程を実施することで、図１５（ｃ）に示され
るように、前記Ｒ^X層で被覆された前記クラスター核構
成物質の量子細線３１０の列が、基板３０５上一方向に
配向して形成される。

【０２４５】なお、以上の実施例では、光子エネルギ
ー：ｈν₅およびｈν₆以上の光子エネルギーを有する同
一の光子群を用いることも可能である。

【０２４６】図１６は、本発明の微細構造材料の製造方
法の１実施例の工程図を示す。図１６（ａ）において、
基板３１１は、その表面がある安定な結晶面、例えば、
単結晶硅素の（１００）面から微傾斜している。

【０２４７】そのため、基板表面にはテラス３１２およ
びステップ３１３（幅数十ｎｍ程度以下）が多数存在し
ている（図１６（ａ））。

【０２４８】また、以後、テラス３１２の長手方向を、
ステップ３１３が走る方向と定義する。

【０２４９】さらに、ステップ３１３の走る方向に電
界：Ｅ（ベクトル量：電界は、ステップ３１３の走る方
向と一致した基板表面内成分が存在すればよく、基板表
面に対して垂直方向成分をもっていても構わない）を印
加する。

【０２５０】電界：Ｅ（ベクトル量）の印加された基板
３１１には、シラン系ガス分子（Ｓｉ_nＨ_2n+2：n=1,2,
3,・・・）３１４を供給するとともに、エネルギー：ｈν₇
を有する光子群３１５を照射する。

【０２５１】例えば、ガス分子３１４にはジシランガス
（Ｓｉ₂Ｈ₆）、光子群３１５にはＡｒＦエキシマレーザ
光（ｈν₇＝６．４ｅＶ）を用いる。

【０２５２】当然、ガス分子３１４は基板上のテラス３
１２に吸着し、一定時間滞在するが、表面拡散によりい
ずれステップ３１３に到達する。

【０２５３】そして、ステップ３１３上、その走る方向
に沿ってガス分子３１４が配列する（高配向性直鎖状配
列）ことになる。

【０２５４】この理由は、ガス分子３１４は、テラス上
に存在するより、ステップ上に存在する方が安定である
からである。

【０２５５】電界：Ｅによってガス分子内に発生する電
気分極および光子群３１５の作用によって、高配向性直
鎖状配列したガス分子３１４は結合し、１次元電気伝導
体３１６が成長する（図１６（ｂ））。

【０２５６】通常、このようにして成長する直鎖状の物
質は、特に成長初期の、その分子量がまだ小さいとき
に、熱運動によって、ステップからずれてしまうことが
ある。そして、ステップからずれたものは、ガス分子が
高密度に存在しないテラス領域に存在するため、ガス分
子と反応しづらくなる。

【０２５７】しかし、前記電界：Ｅの作用により、この
ようなことが本実施例では改善され、電界：Ｅによって
分極した直鎖状物質は、電界方向に伸びた形で安定化す
る。

【０２５８】つまり、この電界方向はステップ３１３の
走る方向であり、熱運動によってステップ３１３から外
れようとする直鎖物質をその場にとどめることになる。

【０２５９】以上のように、本実施例によれば、基板に
テラスおよびステップを設け、ステップの走る方向に基
板面内成分を有する電界を設けることにより、高い反応
確率で、１次元電気伝導体を製造することができる（図
１６（ｃ））。

【０２６０】さて、本実施例で製造した硅素物質からな
る１次元電気伝導体３１６は、幅：数ｎｍ以下の量子細
線であり、発光素子材料となる。

【０２６１】すなわち、図１６（ｃ）に示されているよ
うに、ある安定な結晶面、例えば、単結晶硅素の（１０
０）面から微傾斜し、テラスおよびステップが高密度で
存在する基板３１１の表面と、硅素原子をその組成に含
みステップ３１３に沿って延びる１次元電気伝導体で構
成された素子は、本発明の発光素子の１実施例でもあ
る。

【０２６２】図１７は、本発明の発光素子の１実施例を
示す概略図である。図１７（ａ）に示される本実施例の
発光素子は、発光源４０１と励起源４０２で構成されて
いる。

【０２６３】発光源４０１は、基本的には、基板４０３
と、この上に形成された、実施例１から実施例１４の本
発明の製造方法または製造装置のいずれかにより製造さ
れた微細構造材料、または間接遷移型半導体材料を起源
とする多孔質硅素物質材料を用いた発光層４０４で構成
されている。

【０２６４】基板４０３には、発光層４０４が露出する
あるいはそれに近い深さの溝４０５が形成されており、
電子線４０６が直接あるいは効率的に発光層４０４に照
射・吸収されるようになっている。

【０２６５】また、発光層４０４は、電気的には接地さ
れ、照射電子線によるチャージアップを可能な限り防い
でいる。

【０２６６】一方、励起源４０２は、いわゆるコールド
カソードであり、基本的には、基板４０７と、この上に
形成された、エミッタ４０８、絶縁層４０９およびゲー
ト４１０で構成されている。そして、エミッタ４０８と
ゲート４１０の間に電界（電界強度：例えば１００Ｖ／
μｍ程度）を印加し、発光層４０４に向けた電子線４０
６の放出を行う。

【０２６７】また、基板４０３および４０７には、例え
ば、単結晶硅素を用いる。そして、発光源４０１と励起
源４０２は、それぞれ、独立に製造した後、張り合わせ
ればよい。

【０２６８】また、本実施例の発光素子は、厚さ：１ｍ
ｍ以下、基板表面内方向寸法：数μｍ×数μｍ程度とい
ったような小型化も容易に可能である。

【０２６９】よって、発光源４０１および励起源４０２
を、それぞれ、同一基板上に多数モノリシックに配列し
て製造し、その後の基板４１１と４１２を張り合わせる
ことにより、多数の発光部４１３が高密度に集積され
た、あるいは、大面積の薄膜型発光素子（図１７
（ｂ））を製造することも可能である。

【０２７０】このことは、例えば、薄膜ディスプレイあ
るいは並列型光情報処理システム等の応用に大きな効果
をもたらす。

【０２７１】以上により、クラスター、細線状クラスタ
ー、１次元電気伝導体または１次元高分子をよりバンド
ギャップの大きな物質中に埋め込んだ微細構造材料ある
いは間接遷移型半導体物質を起源とする多孔質材料を利
用し、かつ、第７の従来技術に対する課題のところで述
べたような電流注入によらない発光素子を提供すること
ができる。

【０２７２】

【発明の効果】以上のように本発明は、粒径および粒径
分布の揃ったクラスター、そして、その緻密かつ高密度
な埋め込み、あるいは、異種物質被覆、さらには、配向
性の高い１次元高分子、１次元電気伝導体あるいは細線
状クラスター等を製造する工程・手段を設けることによ
り、特に、単色性が強く発光効率の高い発光素子、非線
形性の高い非線形光学素子等の光電子素子の製造に大き
な効果をもたらす、優れた微細構造材料の製造方法およ
び製造装置を実現できるものである。

【０２７３】さらに、本発明は、前記微細構造材料ある
いは間接遷移型半導体物質を起源とする多孔質材料等を
利用するとともに、いわゆる電流注入によらない発光素
子等を提供することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の微細構造材料の製造方法の１実施例の
概略図

【図２】本発明の微細構造材料の製造装置の１実施例の
概略図

【図３】本発明の微細構造材料の製造方法の１実施例の
工程図

【図４】本発明の微細構造材料の製造装置の第１の実施
例の概略図

【図５】本発明の微細構造材料の製造装置の第２の実施
例の概略図

【図６】（ａ）本発明の微細構造材料の製造装置の第
１の実施例の概略図（ｂ）図６（ａ）の実施例によりクラスターが堆積さ
れた後の基板Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの断面概略図

【図７】（ａ）第５の本発明の微細構造材料の製造装
置の第２の実施例の概略図（ｂ）図７（ａ）の実施例によりクラスターが堆積さ
れた後の基板の断面概略図

【図８】本発明の微細構造材料の製造装置の１実施例の
概略図

【図９】本発明の微細構造材料の製造方法の１実施例を
具現化するための１製造装置の概略図

【図１０】本発明の微細構造材料の製造方法の１実施例
の工程図

【図１１】本発明の微細構造材料の製造方法の１実施例
の工程図

【図１２】本発明の微細構造材料の製造装置の１実施例
の概略図

【図１３】本発明の微細構造材料の製造装置の１実施例
の概略図

【図１４】本発明の微細構造材料の製造方法の第１の実
施例の工程図

【図１５】本発明の微細構造材料の製造方法の第２の実
施例の工程図

【図１６】本発明の微細構造材料の製造方法の１実施例
の工程図、および本発明の発光素子を構成する１次元電
気伝導体の１実施例の概略図

【図１７】（ａ）本発明の発光素子（単一発光素子）
の１実施例の概略図（ｂ）本発明の発光素子（多数の発光部が２次元的に
高密度集積された場合）の１実施例の概略図

【図１８】従来のクラスター（超微粒子）膜製造装置の
１例を示す概略図

【図１９】図１８の製造装置で製造されたクラスター
（超微粒子）膜の断面概略図

【図２０】従来の１次元直鎖配列ポリシラン：（Ｒ¹Ｒ²
Ｓｉ）_n［Ｒ¹、Ｒ²は、メチル基、エチル基といったア
ルキル基等の有機基］の化学合成の模式図

【符号の説明】

１０１クラスター１０３物質１０２の原料粒子（原子・分子状態）１０４基板１０５レーザ光導入窓１０６レーザ光導入窓１０７ガス導入ノズル１０８ガス導入ノズル１０９真空排気可能な容器１１０固体ターゲット１１１基板ホルダー１１４基板１１５クラスター群１１６粒径選別後のクラスター群１１７真空排気可能な容器１１８固体ターゲット１１９基板ホルダー１２１回転式円盤型チョッパー１２４レーザ光導入窓１２５クラスター群１２６粒径選別後のクラスター群１２７真空排気可能な容器１２８固体ターゲット１２９基板ホルダー１３０クラスター群１３３クラスターを質量分離するためのパルス電界ま
たは磁界印加部１３４レーザ光導入窓１３６粒径選別後のクラスター群１３７真空排気可能な容器１３８固体ターゲット１３９基板ホルダー１４０レーザ光導入窓１４１クラスター群１４２真空排気可能な容器１４３固体ターゲット１４４基板ホルダー１４５レーザ光導入窓１４６クラスター群１４７真空排気可能な容器１４８固体ターゲット１５０レーザ光導入窓１５４クラスターを質量分離するための磁界印加部１５５Ｓｉクラスター１５６活性粒子源１５１からの活性粒子１５７ＳｉＯ₂層１５９ガス導入ノズル１６０ガス導入ノズル１６１レーザ光導入窓１６２基板１６３真空排気可能な容器１６４高濃度Ｓｉ活性粒子生成部１６５水素ガス１６６水素原子で表面が終たん（terminate）された
クラスター１６７形状・寸法の等しい複数の金属針１６９基板１７０微小孔（孔径：数十ｎｍ程度以下）１７２第１の物質１７１の原料粒子１７４第２の物質１７３の原料粒子１７５均一粒径クラスター１７６真空排気可能な容器１７７基板ホルダー１７８形状・寸法の等しい複数の針を並列に配置した
平面電極１８１基板１８２蒸着源１８３蒸着源１８４イオン源１８６真空排気可能な容器１８７真空排気可能な容器１８８真空排気可能な容器１９１基板ホルダー１９２基板ホルダー１９３基板ホルダー１９４形状・寸法の等しい複数の針を並列に配置した
平面電極１９８基板１９９蒸着源２００蒸着源２０１イオン源２０２基板搬送機構２０３基板搬送機構３０１基板３０４Ｒ¹およびＲ²で終端されたＳｉの量子細線３０５基板３０６表面が異種物質：Ｒ^Xで被覆されたクラスター
（核としては例えばＳｉ）３０７細線状クラスター３１０Ｒ^X層で被覆された、クラスター３０６核構成
物質（例えばＳｉ）の量子細線３１１基板３１２テラス３１３ステップ３１４シラン系ガス分子（Ｓｉ_nＨ_2n+2：n=1,2,3,・・
・）３１６１次元電気伝導体４０１発光源４０２励起源４０３基板４０４発光層４０６電子線４０７基板４１１基板４１２基板４１３発光部５０７基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井戸田健神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属あるいは半導体からなるクラスター
を生成させる第１の工程と、前記第１の工程によるクラ
スターよりもバンドギャップの大きな物質で半導体ある
いは絶縁体の原子または分子状態の原料粒子を生成させ
る第２の工程とを有し、両工程を同時あるいは交互に繰
り返し施し、前記物質中に前記クラスターを埋め込む微
細構造材料の製造方法。
【請求項２】第１の工程にレーザアブレーションを用
い、第２の工程に光化学的気相堆積を用いる請求項１記
載の微細構造の製造方法。
【請求項３】第１および第２の工程において、ともに
紫外レーザ光を用いる請求項１記載の微細構造の製造方
法。
【請求項４】真空排気可能な容器内に、クラスター原
料となる固体ターゲットと、固体ターゲットにレーザ光
を照射する手段と、光分解されるガスを導入する手段
と、前記ガスを分解する光を導入する手段と、前記ター
ゲットからの生成クラスターと光分解による生成物質と
をともに基板上に堆積させられる位置に配置した基板ホ
ルダーとを有する微細構造材料の製造装置。
【請求項５】パルスレーザ光を用いたレーザアブレー
ションを用いてクラスターを生成させる工程と、前記レ
ーザ光のパルスに同期して第１の工程で生成されたクラ
スターをチョッピングし、生成クラスターの粒径を選別
する工程とを有する微細構造材料の製造方法。
【請求項６】真空排気可能な容器内に、クラスター原
料となる固体ターゲットと、固体ターゲットにパルスレ
ーザ光を照射する手段と、前記レーザ光のパルスに同期
して生成されたクラスターをチョッピングする手段とを
有する微細構造材料の製造装置。
【請求項７】チョッピングする手段が、機械的チョッ
パーである請求項６記載の微細構造材料の製造装置。
【請求項８】チョッピングする手段が、生成されたク
ラスターをイオン化させる手段と、イオン化されたクラ
スターに対してレーザパルスに同期した電界あるいは磁
界パルスを加え質量分離する手段である請求項６記載の
微細構造材料の製造装置。
【請求項９】真空排気可能な容器内に、クラスター原
料となる固体ターゲットと、固体ターゲットにパルスレ
ーザ光を照射する手段と、クラスターを堆積させる基板
を前記レーザ光のパルスに同期して回転あるいは往復運
動させる手段とを備えた微細構造材料の製造装置。
【請求項１０】クラスターを生成させる工程と、前記
生成されたクラスターの表面をよりバンドギャップの大
きな物質に改質させるあるいはよりバンドギャップの大
きな物質で被覆させる工程と、前記生成されたクラスタ
ー、または前記改質若しくは被覆後のクラスターを質量
分離する工程とを有する微細構造材料の製造方法。
【請求項１１】クラスターを生成させる手段と、前記
生成されたクラスターの表面をよりバンドギャップの大
きな物質に改質させるあるいはよりバンドギャップの大
きな物質で被覆させる手段と、前記生成されたクラスタ
ー、または前記改質・被覆処理後のクラスターを質量分
離する手段とを有する微細構造材料の製造装置。
【請求項１２】ガス分子に集光レーザビームを照射し
て、その集光点で高濃度のクラスター原料活性粒子の生
成を行う工程と、前記集光点から離れかつレーザビーム
が直接照射される位置に配置した基板上にクラスターを
堆積させる工程とを有する微細構造材料の製造方法。
【請求項１３】形状・寸法の等しい複数の針を並列に
配置した平面電極を基板の表面に接近させ平行に配置
し、前記針の各々の先端と前記基板の表面の間に電界を
加える第１の工程と、前記第１の工程後の基板表面上に
第１の物質を堆積させる第２の工程と、前記第１の物質
を除去する第３の工程と、前記第３の工程後の基板の表
面上に前記第１の物質よりバンドギャップの大きな第２
の物質を堆積させる第４の工程とを有する微細構造材料
の製造方法。
【請求項１４】真空排気可能な容器内に、基板ホルダ
ーと、形状・寸法の等しい複数の針を並列に配置した平
面電極と、前記基板ホルダーに設置した基板の表面に前
記平面電極を接近させ平行に配置する手段と、複数の物
質を基板表面上に堆積させる少なくとも１つの手段と、
前記物質の少なくとも一方を除去する手段とを有する微
細構造材料の製造装置。
【請求項１５】真空排気可能な複数の容器の全てに基
板ホルダーを具備し、前記複数の容器のいずれかに、形
状・寸法の等しい複数の針を並列に配置した平面電極
と、前記基板ホルダーに設置した基板表面に平面電極を
接近させ平行に配置する手段と、複数の物質を基板の表
面上に堆積させる少なくとも１つの手段と、前記物質の
少なくとも一方を除去する手段と、前記複数の容器を結
合する結合手段と、前記容器の間で前記基板を搬送させ
る手段とを有する微細構造材料の製造装置。
【請求項１６】基板の表面に平行な一方向に電界を加
えながら、１次元高分子原料分子あるいは表面が異種物
質で被覆されたクラスターを前記基板の表面上に供給す
る微細構造材料の製造方法。
【請求項１７】１次元高分子原料分子あるいはクラス
ターを供給する際、１次元高分子主鎖を形成する側の原
料分子の結合あるいはクラスターと被覆異種物質との結
合を切断するエネルギーを有する第１の光子群を基板表
面上に照射する請求項１６記載の微細構造材料の製造方
法。
【請求項１８】１次元高分子原料分子あるいはクラス
ターを供給する際、基板の表面上に堆積した１次元高分
子、クラスターあるいはこれが結合した細線状クラスタ
ーのバンドギャップより大きなエネルギーを有する第２
の光子群を基板表面上に照射する請求項１６または１７
記載の微細構造材料の製造方法。
【請求項１９】第１および第２の光子群が同一であ
り、これを基板の表面上に照射する請求項１６から１８
のいずれかに記載の微細構造材料の製造方法。
【請求項２０】基板表面に設けたテラスの長手方向す
なわちステップの走る方向に電界を印加し、気相から供
給された原子、分子あるいはクラスター等の原料粒子物
質をその組成に含む１次元電気伝導体を前記ステップの
走る方向に沿って成長させる微細構造材料の製造方法。
【請求項２１】原料粒子の基板の表面での結合・成長
に寄与するごときエネルギーを有する光子群を基板表面
に照射する請求項２０記載の微細構造材料の製造方法。
【請求項２２】基板の表面を安定な結晶面から微傾斜
させてテラスおよびステップを設ける請求項２０または
２１記載の微細構造材料の製造方法。
【請求項２３】原料粒子物質主成分が硅素である請求
項２０から２２のいずれかに記載の微細構造材料の製造
方法。
【請求項２４】その表面が安定な結晶面から微傾斜し
テラスおよびステップが高密度で存在する基板と、硅素
原子をその組成に含み前記ステップに沿って延びる１次
元電気伝導体とを有する発光素子。
【請求項２５】クラスター、細線状クラスター、１次
元電気伝導体または１次元高分子を、よりバンドギャッ
プの大きな物質中に埋め込んだ微細構造材料、あるいは
間接遷移型半導体物質を起源とする多孔質材料からなる
発光源と、発光源を励起するコールドカソードを有する
発光素子。