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半導体ナノワイヤを用いた機械素子の作製と共振特性に関する研究

富田 航 東北大学

2021.03.25

概要

現代の科学技術の目覚しい進歩は半導体の研究の発展に支えられていると言っても過言ではない。今や我々にとって欠かせない存在となっているスマートフォンなどの電子機器では、半導体の集積回路がその動作の中心的な役割を担っている。これらの進歩はフォトリソグラフィや電子線リソグラフィといった微細加工技術が近年発展し、トランジスタをはじめとする半導体デバイスの性能や機能が飛躍的に向上してきたことに起因するが、同時にナノスケールでの微細化が可能になったことによって従来にはない様々な新規デバイスが作製されるようになった。例えばエレクトロニクスの分野では電子一つを制御する単電子デバイスが作製されるようになり、低消費エネルギーのデバイスとしての実用化が期待されている。フォトニクスの分野では自然界には存在しないとされている負の屈折率を実現可能とするメタマテリアルなどが注目を集めている。その一方でメカニクスの分野、すなわち構造そのものの機械的な性質に着目したデバイスも、微細化の発展と共に注目を集めるようになった。図 1.1 のような片側のみ支持されている片持ち梁構造（カンチレバー構造）や、両側で支持されている両持ち梁構造（架橋構造）に代表される微小な機械構造を用い、弾性変形可能な部分の力学的自由度を活用することを特徴とした機械素子が数多く提案されている。

次章で示すように、これらの素子は機械構造を微細化するほど外部からの力に対する変位感度が大きくなるため、この性質を利用した高感度なセンサーとしての応用が進められている。その最も有名な代表例が原子間力顕微鏡（AFM）である [1, 2]。カンチレバー構造の先端に位置する探針を試料表面に近づけると、試料表面との間に働く小さな原子間力によってカンチレバーが弾性変形し、それによるカンチレバー先端の変位をレーザー反射光の光軸変化として検出することで、原子レベルでの試料表面の凹凸を調べることが出来る。

微細化された機械素子の力感度の高さを活かした応用例として原子間力顕微鏡の例を挙げたが、このような微小な機械構造は高周波共振器としての応用も広く研究されている。機械共振器は室温で高い Q 値 (後述) を有する理想的な共振器であり、微細化によってギガヘルツ領域への高周波化を実現することができる、このため、モバイル通信の高周波フィルターや水晶振動子に置き換わるタイミングデバイスなどに用いられようとしているが、同時に図 1.2 のように共振特性の変化を検出することによるセンサー応用も進ん
でいる。センシングの対象となる物理量は力のみならず多岐にわたり、電荷 [3, 4] や質量 [5, 6, 7] のような物理量も高感度に検出することができるため、化学や生物など広い分野で注目を集めている。またギガヘルツ領域の高周波機械共振器では希釈冷凍機温度で量子力学的な性質が現れるため、巨視的量子物理の探索や量子情報処理への応用も研究されている [8, 9, 10]。

このようなデバイス応用における微小機械構造の作製は、SOI（Silicon on Insulator）基板などの層状半導体ウェハに対し、リソグラフィとエッチングを用いて機械構造の形状をパターニングし、その後フッ化水素溶液などを用いて埋もれている下部層を選択的にエッチングする「トップダウン法」と呼ばれる手法で作製されてきた [11]。しかしながらこのトップダウン法はいくつかの課題を抱えているのが現状である。まず、作製できるデバイスの構造に制限があるという点である。基板に対して水平な二次元方向は、フォトリソグラフィや電子ビームリソグラフィなどによって任意の構造をパターニングすることができる。一方、基板に対して垂直な方向の構造形成においては、選択エッチングを用いて下部層を削ることにより基板から離間した構造を作る必要がある。これによる構造・材料上の制約に加え、作製した機械構造がその後のプロセスによって容易に破損されてしまうため、選択エッチングを最終工程としなければいけないというプロセス手順上の制約がある。この二つの制約により、作製できる素子構造は大きく制限を受けることになる。例えば、機械振動子の直下にバックゲート電極を取り付けた構造がその一例で、選択エッチングにより除去して基板から離間した共振器の下側に金属を蒸着することは容易ではない。

また、エッチングによって機械素子の表面にダメージが入ってしまうという課題もある。このような機械素子表面のダメージはＱ値低下の一因にもなる。Ｑ値は振動エネルギーの散逸の少なさを示すパラメータであり、図 1.3 のように機械共振器の構造を微細化するほど体積に対する表面積の割合が大きくなり、それに伴ってこの影響が大きくなるという報告がある。センサーなどへの応用を考える際に共振特性におけるＱ値の低下は、ノイズに対する共振シグナルの低下や周波数シフトの読み取りづらさ、すなわちセンシング感度の低下に繋がるため望ましくない。

上に述べた課題により、今後更なる微細化によってセンシング感度を向上させる、あるいは何かしらこれまでにない新規な機能を持たせるための構造の作製を試みる際には、従来のトップダウン法では実現が困難な状況が出てくることが予想される。

そこで近年注目を集めているのが、「ボトムアップ法」と呼ばれる結晶成長によって作製された半導体ナノワイヤやカーボンナノチューブなどの材料を、微小なサイズの機械素子としてデバイスに組み込み利用する方法である。微細加工技術を用いて材料を削っていくことによりナノ構造を作製するトップダウン法とは対称的に、ボトムアップ法では結晶成長や自己組織化などの自然現象を活用し、原子や分子を積み上げていくことによりナノ構造を作製する。半導体ナノワイヤは、このようなボトムアップ法によって作製されるナノ構造の代表例であり、昨今、次世代の光デバイスやトランジスタへの応用が広く研究開発されている。ボトムアップ法で作製されたナノワイヤはエッチングプロセスとは無関係に構造が形成されるため、その表面はダメージのない状態を保つことが可能であり、微細化しても高いＱ値を維持する優れた機械共振器を実現することが期待される。

このナノワイヤのデバイス技術では、成長したナノワイヤを何らかの方法で基板上に配置したのちにリソグラフィを用いてデバイス化する手法が一般に用いられるが、溝や電極を基板上にデザインする工程とナノワイヤを組み込む工程が別れているため、トップダウン法のみを用いた行程では不可能なバックゲートつきのデバイスなど、より自由度の高い立体構造を作製できる可能性を秘めている。またその上、ナノワイヤは結晶成長の際に長さや直径などを精密に制御することが可能なため、エッチングで半導体を削るトップダウン法と同様に所望の形状の微細な機械素子を容易に実現することもできる。さらに、結晶成長技術の進歩により、ナノワイヤにおいては量子ドットやコアシェル構造などの複雑な半導体ヘテロ構造を組み込むことも可能なため [13, 14]、最近では機械振動と量子現象の相互作用に関する研究にナノワイヤを用いることが進められている。トップダウン法により機械共振器を作り同一基板上に超伝導回路や量子ドットを組み込んだ研究も報告されている [15, 16] が、ナノワイヤを機械共振器の材料として用いれば、そのサイズの小ささや軽さ、あるいはナノワイヤ内部に直接量子構造を組み込めるという利点から、より強い結合・相互作用が期待できる。

ところが、半導体ナノワイヤを機械素子として用いるには結晶成長させたナノワイヤをその成長基板から分離して素子に組み込む必要があるが、これは一般には容易ではなく、これまで先行研究では多くの手法が試みられてきた [17]。例えば次章で述べるように素子を作製する基板上でナノワイヤを直接結晶成長させる方法 [33] や、結晶成長させたナノワイヤを無作為に基板上に分散させた後、顕微鏡で位置を確認しながらリソグラフィで電極等をパターニングするという手法 [36] がある。また、特殊なチップやスタンプを作
製しそれによってナノワイヤを直接運搬するという手法 [41, 42, 43] もある。これらの手法は近年大きく発展を遂げているものの、現状ではトップダウン法に比べて素子の作製に時間を要する上に、報告されている性能面でもトップダウン法で作製した素子を期待通りに凌駕しているとは言い難い。例えばナノワイヤを基板上に配置する際にその位置精度の不足からナノワイヤとゲート電極間の距離が開いてしまい、機械素子に対する電界効果がトップダウン法で作製した素子よりも弱くなってしまうなどの問題が生じている。

このように半導体ナノワイヤを用いた機械素子は、応用面ではより高性能なセンサー実現のため、基礎研究面では量子物理の更なる探索のための材料として期待されている一方、その素子作製手法は前述のような課題を抱えており、ナノワイヤをより制御性良くかつ効率的に素子に組み込むための新たな作製手法の確立が必要とされている。

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参考文献

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