DE19519860A1

DE19519860A1 - Halbleitervorrichtung, ein Herstellungsverfahren für diese, eine Einzelelektronenvorrichtung und ein Herstellungsverfahren für diese

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Publication number: DE19519860A1
Application number: DE19519860A
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Kizuki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1995-12-07
Also published as: GB2289986B; GB9510898D0; JPH07326730A; US5679962A; GB2289986A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halb leitervorrichtung, die eine Quantendrahtüberstruktur bzw. Quantum-wire-Überstruktur bildet, ein Herstellungsverfah ren für diese, eine Einzelelektronenvorrichtung bzw. Single-Elektronen-Vorrichtung und ein Herstellungsverfah ren für diese und insbesondere auf eine neue Struktur zum Erhalten einer Quantendrahtüberstruktur mit guter Quali tät und einer Quantenbox, ein Herstellungsverfahren da für, eine neue Struktur zum Erhalten einer Einzelelektro nenvorrichtung, die bei Zimmertemperatur betriebsfähig ist, und ein Herstellungsverfahren für diese.

Durch bemerkenswerte Entwicklungen in den Werkstoff wissenschaften und der Technologie des Kristallwachstums wurde die Herstellung einer Halbleiterstruktur, die im atomaren Maßstab gesteuert wird, möglich; es wurde eben falls die Beobachtung und Steuerung der physikalischen Erscheinung, die in dieser Halbleiterstruktur auftritt, durchgeführt. Eine solche Halbleiterstruktur, die im ato maren Maßstab gesteuert wird, wird Halbleiterfeinstruktur genannt; es wurde eine Möglichkeit aufgezeigt, durch die diese Halbleiterfeinstrukturen auf Laserdioden mit hoher Leistung angewendet werden können (Y. Arakawa und H. Sakaki: Appl. Phys. Lett., 40, (1982) 939). Daher wurden zahlreiche Anstrengungen zur Umsetzung sorgsam unternom men.

Der Grund, aus dem in einem Quantendraht die hohe Be weglichkeit des Elektrons erhalten wird, wird in folgen dem gesehen. Wenn der Quantendraht elastischem Streuen ausgesetzt wird, wie z. B. Verunreinigungsstreuen, ist es notwendig, daß das Atom im Quantendraht die Energie vor und nach dem Streuen bewahrt. Im eindimensionalen Quan tendraht ist nur ein Vorwärtsstreuen von Moment gering ist, daß ein Streuen mit großer Momentenänderung als Rückwärtsstreuen auftritt, tritt jedoch ein elastisches Streuen kaum auf, wenn die Verunreinigungsdichte im Kanal gering ist. Als Ergebnis wird die hohe Beweglichkeit des Elektrons verwirklicht, insbesondere bei niedriger Tempe ratur. Es besteht jedoch ein Problem darin, daß das nichtelastische Streuen in einem Quantendraht nicht un terdrückt werden kann. Wenn die Temperatur einer Probe höher als ungefähr 10 K ist, wird das Elektron dem Streuen optischer Phonone ausgesetzt; die Beweglichkeit ist verringert. Wenn Vorrichtungsanwendungen betrachtet werden, ist, um eine hohe Beweglichkeit, die der bei niedriger Temperatur ähnelt, bei Raumtemperatur zu errei chen, die Verhinderung des Streuens des optischen Phonons notwendig. Sakaki zeigt theoretisch, daß nicht nur das elastische Streuen, sondern auch das Streuen des opti schen Phonons verhindert werden kann, indem eine einzige Struktur der Quantendrahtüberstruktur verwendet wird (H. Sakaki: Jpn. J. Appl. Phys., 28, (1989) L314).

Fig. 16(a) ist eine Konzeptionsdarstellung einer Quantendrahtüberstruktur. Die Quantendrahtüberstruktur ist eine Struktur, bei der eine Vielzahl von Quantenboxen eindimensional angeordnet ist und jeweilige Quantenboxen durch Tunneln miteinander verbunden sind. Bei dieser Struktur ist die Zustandsdichte des Elektrons in Fig. 16(b) gezeigt. In dieser Figur stellt die Ordinate die Zustandsdichte und die Abszisse die Energie dar. Außerdem stellt n = 1 die Zustandsdichte des unteren Minibands bzw. n = 2 die Zustandsdichte des ersten angeregten Mini bands dar. Es wird hier angenommen, daß alle Elektronen im unteren Miniband enthalten sind, daß die Bandbreite des unteren Minibands E_b ist und daß die Energiebandlücke zwischen dem unteren Miniband und dem ersten angeregten Miniband E_g ist. Außerdem wird angenommen, daß die Ener gie, die durch das Phononenstreuen abgegeben und aufge nommen wird, hω_opt/2π ist. Wird nun angenommen, daß E_b kleiner als hω_opt/2π ist, wird das Streuen, das durch das Abgeben und Empfangen von Phononen bedingt ist, im unte ren Miniband verhindert. Wenn E_g größer als hω_opt/²π ist, wird ferner der Band-Band-Übergang, der durch das Abgeben und Empfangen des Phonons bedingt ist, verhindert. Dem entsprechend werden nahezu alle Streuprozesse im Kristall verhindert, dadurch daß die zwei Bedingungen von E_b < hω _opt/2π und E_g < hω_opt/2π in der Quantendrahtüberstruktur erfüllt sind, wodurch selbst bei Zimmertemperatur ein Zu stand von ziemlich hoher Beweglichkeit umgesetzt wird. Eine solche Bedingung wird in einem Fall umgesetzt, in dem die jeweiligen Quantenboxen Größen von ungefähr 20 nm für eine Kante haben und jeweilige Quantenboxen schwach miteinander verbunden sind.

Um die Quantendrahtüberstruktur umzusetzen, ist es notwendig, eine ziemlich feine Struktur mit hoher Steuer barkeit herzustellen, wodurch Bearbeitungsschäden verhin dert und leere Bereiche ausgebildet werden. Die Herstel lung einer Quantum-Well-Struktur durch die Verwendung von FIB (fokusiertem Ionenstrahl) oder RIE (reaktivem Io nenätzen) ist generell unmöglich, da es unmöglich ist, Bearbeitungsschäden bei FIB oder RIE zu verhindern. Es ist nicht bekannt, daß durch solche Schwierigkeiten be dingt eine Quantendrahtüberstruktur mit guten Eigenschaf ten hergestellt wurde.

Außerdem wurden Versuche zur Schaffung von Vorrich tungen mit neuen Funktionen, in denen das Tunneln eines Elektrons einzeln in einer Halbleiterfeinstruktur gesteu ert wird, und die Anwendung von diesen auf Vorrichtungen aktiv ausgeführt, wodurch sich ein neues Gebiet der Ein zelelektronenvorrichtung herausgebildet hat. Hier wird eine physikalische Erscheinung, die als "Coulomb-Sperre" bezeichnet wird, beschrieben, die ein grundlegendes Be triebsprinzip einer Einzelelektronenvorrichtung ist.

Wenn in einem Halbleiter ein Energiepotential vorhan den ist und die Potentialbarriere dieses Energiepotenti als ziemlich dünn ist, kann das Elektron auf der Grund lage der Eigenschaft seiner Wellenbewegung die Potential barriere mit konstanter Wahrscheinlichkeit tunneln. Bei einem allgemeinen Tunnelübergang ist es, da eine große Gesamtmenge an Tunnelelektronen vorliegt, und obwohl es möglich ist, den Mittelwert des Tunnelstroms zu steuern, unmöglich zu steuern, daß jedes Elektron tunnelt. Wenn jedoch die Größe des Übergangs so gering ist, daß die elektrostatische Kapazität des Übergangs einen Wert hat, der im Vergleich zur Elementarladung e nicht vernachläs sigt werden kann, tritt die Erscheinung auf, daß das Tun neln eines Elektrons unter einer vorgeschriebenen Bedin gung gesteuert wird.

Im allgemeinen wird die elektrostatische Energie ei nes Tunnelübergangs durch die folgende Formel darge stellt:

E = Q²/2C (J) (1)

Hierbei stellt E die elektrostatische Energie, Q die Elektronenladung und C die elektrostatische Kapazität dar. Unter der Annahme, daß ein Elektron diesen Übergang tunnelt, ist die Änderung der elektrostatischen Energie vor und hinter dem Übergang folgende:

Δ = (Q-2)²/2C - Q²/2C
= e/C(e/2 - Q) (2)

Aus der Formel (2) geht hervor, daß, wenn Q < e/2 ist, so lange wie keine Energie von außen zugeführt wird, das Tunneln des Elektrons verhindert ist. Diese Erschei nung wird "Coulomb-Sperre" genannt. Damit die Coulomb- Sperre tatsächlich beobachtet wird, ist es erforderlich, daß die Coulomb-Energie eines Elektrons in bezug auf das thermische Hintergrundrauschen ausreichend groß ist (k_BT: k_B ist die Boltzman-Konstante). Wenn nun angenommen wird, daß der Übergang eine Größe von ungefähr 100 nm × 100 nm hat, kann die Coulomb-Sperre bei einer niedrigen Tempera tur von ungefähr unterhalb 1 K beobachtet werden. Um die Coulomb-Sperre bei Zimmertemperatur zu beobachten, ist die Größe des Übergangs auf eine Größe von ungefähr 20 nm × 20 nm zu minimieren.

Die Fig. 17(a) und 17(b) sind eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer Einzelelektronenvor richtung nach dem Stand der Technik. Wie es in diesen Figuren gezeigt ist, wird diese Vorrichtung gebildet, indem die herkömmliche zweidimensionale Elektronengasstruktur, die AlGaAs/GaAs verwendet, zu einer Stegstruktur geätzt wird, indem ein fast eindimensionaler Kanal (auf den sich im folgenden als Quasi-1DEG bezogen wird) direkt unter dem Steg erzeugt wird und indem zwei Gates (Gate 1, Gate 2) und ein Seitengate (Seitengate), wie es in den Figuren gezeigt ist, angeordnet werden. Das Seitengate ist vorge sehen, um die effektive Breite des fast eindimensionalen Kanals zu steuern. Durch das Anlegen einer geeigneten Spannung an die zwei oberen Gates werden einige Elektro nen im eindimensionalen Kanal in dem Bereich begrenzt, der sich zwischen den beiden oberen Gates befindet, wo durch ein Quantenpunkt erzeugt wird.

Fig. 18 zeigt eine I-V-Kennlinie zwischen einer Source und einem Drain, die erhalten wird, wenn die Span nung, die an die zwei oberen Gates angelegt wird, auf eine solche Spannung gebracht wird, daß ein Elektron kaum tunneln kann, und ferner eine Spannung mit hoher Frequenz (f = 10 MHz) zusätzlich mit einer Phasenverschiebung von π angelegt wird. Aus der in der Figur gezeigten Kennlinie wird erkannt, daß der Strom I über der Vorspannung als aufgenommene Werte quantisiert wird, von denen jeder durch eine Formel I = n_ef dargestellt wird, und daß das Elektron einzeln zwischen der Source und dem Drain auf einanderfolgend geführt wird. Aus dem vorstehend be schriebenen Experiment wird deutlich, daß die vorliegende Vorrichtung, die die Coulomb-Sperre verwendet, zum Erhal ten eines Standardstroms verwendet werden kann.

Dieser Versuch wurde jedoch bei äußerst niedriger Temperatur von 10 mK ausgeführt; daraus wird deutlich, daß viele Probleme zu lösen sind, wenn dieser Vorgang bei tatsächlichen Vorrichtungen angewendet wird. Es werden Überlegungen derart angestellt, daß durch eine ausrei chend kleine Gestaltung der Größe des Punktes eine Ein zelelektronenvorrichtung umgesetzt wird, die selbst in einem praktischen Temperaturbereich arbeitet; das wich tigste Problem, das dabei auftritt, besteht darin, wie ein Übergang von sehr kleiner Größe bei guter Kristall qualität umgesetzt werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung, mit der eine Quantendrahtüber struktur mit guter Qualität erhalten wird, ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Halbleiter vorrichtung, eine Einzelelektronenvorrichtung, die in der Lage ist, selbst bei Zimmertemperatur zu arbeiten und ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Einzelelektronenvorrichtung vorzusehen.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehend angeführten detaillierten Beschrei bung deutlich; es ist jedoch verständlich, daß die de taillierte Beschreibung und das spezifische Ausführungs beispiel nur illustrativen Charakter haben, da aus dieser detaillierten Beschreibung zahlreiche Änderungen und Ab wandlungen im Geltungsbereich der Erfindung für den Fach mann offensichtlich sind.

Entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung ein halbisolierendes Halbleitersubstrat mit einer oberen und einer unteren Fläche und eine Halbleiterschichtstruktur auf, die zumindest eine undotierte Schicht einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen Fläche und einer un teren Fläche, eine undotierte Abstandsschicht, die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halb leiter ist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche und eine Elektronenzuführschicht vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche aufweist, die aufeinan derfolgend auf die obere Fläche des halbisolierenden Halbleitersubstrats laminiert sind, wobei die ausgebil dete undotierte Schicht eine flache obere Fläche und eine flache untere Fläche hat, wobei die undotierte Abstands schicht der zweiten Art von Halbleiter mit einer Quer schnittsstruktur ausgebildet ist, deren obere Fläche eine periodische Konkav-Konvex-Struktur hat und deren untere Fläche eine flache Fläche ist, die auf der flachen oberen Fläche der undotierten Schicht ausgebildet ist, wobei die Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter in einer Querschnittsstruktur ausgebildet ist, deren obere Fläche eine flache Fläche ist und deren unte re Fläche eine Fläche ist, die Konkavabschnitte vergräbt, die durch die oberen Flächen der Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht ausgebildet sind, und wo bei eine Vielzahl von Schottky-Elektroden auf der flachen oberen Fläche der Elektronenzuführschicht vom n-Typ aus gebildet ist und in einer Richtung angeordnet ist, die zur Ebene des Querschnitts senkrecht verläuft, bei dem der Konkav-Konvex-Charakter der periodischen Konkav-Kon vex-Struktur der oberen Fläche der undotierten Abstands schicht periodisch auftritt. Daher kann die Quantendraht überstruktur umgesetzt werden, indem das Elektron in der periodischen Struktur mit Konkav-Konvex-Charakter beim Anlegen einer Spannung an die Schottky-Elektroden be grenzt wird, sowie indem sich die Kombination zwischen den Elektronen, die in der begrenzten periodischen Struk tur dicht beieinander sind, beim Anlegen einer periodi schen Spannung an die Schottky-Elektroden verstärkt oder abschwächt.

Entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung ist in der Halbleitervorrichtung das Halbleitersubstrat ein GaAs-Substrat, die erste Art von Halbleiter GaAs und die zweite Art von Halbleiter AlGaAs. Daher kann eine Quantendrahtüberstruktur umgesetzt wer den.

Entsprechend einer dritten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung ist in der Halbleitervorrichtung das Halbleitersubstrat ein GaAs-Substrat; die Halbleiter schichtstruktur weist zumindest eine undotierte InGaAs- Schicht der ersten Art von Halbleiter, der In zugefügt ist, eine undotierte AlGaAs-Abstandsschicht der zweiten Art von Halbleiter und eine AlGaAs-Elektronenzuführ schicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter auf, die aufeinanderfolgend laminiert sind. Daher kann die Quan tendrahtüberstruktur umgesetzt werden.

Entsprechend einer vierten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung ist in der Halbleitervorrichtung das Halbleitersubstrat ein GaAs-Substrat; die Halbleiter schichtstruktur weist zumindest eine undotierte GaAs- Schicht, eine undotierte InGaAs-Schicht der ersten Art von Halbleiter, der In zugefügt ist, eine undotierte AlGaAs-Abstandsschicht der zweiten Art von Halbleiter und eine AlGaAS-Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter auf, die aufeinanderfolgend laminiert sind. Daher kann die Quantendrahtüberstruktur umgesetzt werden.

Entsprechend einer fünften Ausführungsform der vor liegenden Erfindung ist in der Halbleitervorrichtung das Halbleitersubstrat ein InP-Substrat, die erste Art von Halbleiter InGaAs und die zweite Art von Halbleiter AlInAs. Daher kann die Halbleiterüberstruktur umgesetzt werden.

Entsprechend einer sechsten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung ist in der Halbleitervorrichtung das Halbleitersubstrat ein InP-Substrat; die Halbleiter schichtstruktur weist zumindest eine undotierte InGaAs- Schicht der ersten Art von Halbleiter, eine undotierte AlInAs-Abstandsschicht einer zweiten Art von Halbleiter und eine AlInAS-Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter auf, die aufeinanderfolgend laminiert sind. Daher kann die Quantendrahtüberstruktur umgesetzt werden.

Entsprechend einer siebten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung ist in der Halbleitervorrichtung das Halbleitersubstrat ein InP-Substrat; die Halbleiter schichtstruktur weist zumindest eine undotierte AlInAs- Schicht, eine undotierte InGaAs-Schicht einer ersten Art von Halbleiter, eine undotierte AlInAS-Abstandsschicht einer zweiten Art von Halbleiter und eine AlInAs-Elektro nenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter auf, die aufeinanderfolgend laminiert sind. Daher kann die Quantendrahtüberstruktur umgesetzt werden.

Entsprechend einer achten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung ist in der Halbleitervorrichtung das Halbleitersubstrat ein InP-Substrat; die Halbleiter schichtstruktur weist zumindest eine undotierte AlInAs- Schicht, eine undotierte InGaAs-Schicht einer ersten Art von Halbleiter, eine undotierte AlInAs-Abstandsschicht der zweiten Art von Halbleiter und eine AlInAs-Elektro nenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter sowie eine undotierte AlInAs-Deckschicht auf, die aufein anderfolgend laminiert sind. Daher kann die Quantendraht überstruktur umgesetzt werden.

Entsprechend einer neunten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung hat in der Halbleitervorrichtung der Querschnitt der periodischen Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht Dreiecksstruktur. Daher kann die Quantendrahtüberstruktur umgesetzt werden.

Entsprechend einer zehnten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung weist in der Halbleitervorrichtung die geneigte Fläche der periodischen Konkav-Konvex-Struk tur der undotierten Abstandsschicht eine (111)B-Fläche auf. Daher kann die Quantendrahtüberstruktur umgesetzt werden.

Entsprechend einer elften Ausführungsform der vorlie genden Erfindung ist in der Halbleitervorrichtung der Querschnitt der periodischen Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht ein Querschnitt, bei dem sich die Tiefe der konkaven Form in Längsrichtung periodisch ändert. Daher kann die Quantendrahtüberstruktur umgesetzt werden.

Bei einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein Verfahren zur Herstellung einer Halb leitervorrichtung betrifft, weist die Vorrichtung auf: ein halbisolierendes Halbleitersubstrat mit einer oberen und einer unteren Fläche und eine Halbleiterschichtstruk tur, die zumindest eine undotierte Schicht einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen Fläche und einer un teren Fläche, eine undotierte Abstandsschicht, die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halb leiter ist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche und eine Elektronenzuführschicht vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen und einer unteren Fläche aufweist, die auf die obere Flä che des halbisolierenden Halbleitersubstrats aufeinander folgend laminiert sind, wobei die ausgebildete undotierte Schicht eine flache obere Fläche und eine flache untere Fläche aufweist, wobei die undotierte Abstandsschicht der zweiten Art von Halbleiter mit einer Querschnittsstruktur ausgebildet ist, deren obere Fläche eine periodische Kon kav-Konvex-Struktur hat und deren untere Fläche eine fla che Fläche ist, die auf der flachen oberen Fläche der un dotierten Schicht ausgebildet ist, wobei die Elektronen zuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter mit einer Querschnittsstruktur ausgebildet ist, deren obere Fläche eine flache Fläche ist und deren untere Flä che eine Fläche ist, die Konkavabschnitte vergräbt, die durch die oberen Flächen der Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht ausgebildet sind, und wobei eine Vielzahl von Schottky-Elektroden auf der flachen oberen Fläche der Elektronenzuführschicht vom n-Typ aus gebildet ist und in einer Richtung angeordnet ist, die zur Ebene des Querschnitts senkrecht verläuft, bei dem der Konkav-Konvex-Charakter der periodischen Konkav-Kon vex-Struktur der oberen Fläche der undotierten Abstands schicht periodisch auftritt, und wobei das Verfahren be inhaltet: das Aufwachsen einer Struktur, die zumindest die undotierte Schicht der ersten Art von Halbleiter und die undotierte Abstandsschicht der zweiten Art von Halb leiter aufweist, die eine Elektronenaffinität hat, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, auf dem halbisolierenden Halbleitersubstrat, das Bearbeiten der undotierten Abstandsschicht, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, so daß diese die periodische Konkav- Konvex-Struktur aufweist, das Ausbilden der Elektronenzu führschicht vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, um die periodische Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht zu vergraben, und das Ausbil den einer Vielzahl von Schottky-Elektroden auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur periodisch in der Richtung, die zur periodischen Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht senkrecht verläuft. Daher kann die Halbleitervorrichtung, die die Quantendrahtüber struktur bildet, erzeugt werden.

Entsprechend einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beim Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung der Prozeß der Bearbeitung der undotierten Abstandsschicht der zweiten Art von Halb leiter, so daß diese die periodische Konkav-Konvex-Struk tur hat, ausgeführt, indem ein Oberflächenreinigen der undotierten Abstandsschicht der zweiten Art von Halblei ter bei einer Temperatur von weniger als 450°C und einer Atmosphäre durchgeführt wird, der Ätzgas, das die zweite Art von Halbleiter ätzt, ein Gas der V Gruppe und Wasser stoffgas gleichzeitig zugeführt werden, und indem dann ein Gas-Ätzen bei einer Temperatur von mehr als 450°C in einer Atmosphäre durchgeführt wird, der ein Ätzgas, das die zweite Art von Halbleiter ätzt, ein Gas der V-Gruppe und Wasserstoffgas gleichzeitig zugeführt werden. Daher kann die periodische Konkav-Konvex-Struktur mit hoher Ge nauigkeit bei Gas-Ätzen der undotierten Abstandsschicht erzeugt werden.

Entsprechend einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung ferner das Ausbilden einer GaAs-Deckschicht auf der undotierten Abstandsschicht, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, im Anschluß an den Prozeß der Ausbildung der AlGaAs-Schicht auf; das Verfahren zur Bearbeitung der undotierten Abstands schicht, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, so daß diese die periodische Konkav-Konvex-Struktur hat, be inhaltet: das Durchführen einer Oberflächenreinigung der GaAs-Deckschicht bei einer Temperatur von weniger als 450°C und einer Atmosphäre, der ein Ätzgas, das AIGaAs ätzt, ein Gas der V-Gruppe und Wasserstoffgas gleichzei tig zugeführt werden, und dann das Durchführen des Gas- Ätzens bei der GaAs-Deckschicht und der undotierten Ab standsschicht der zweiten Art von Halbleiter bei einer Temperatur von mehr als 450°C und einer Atmosphäre, der ein Ätzgas, das GaAs und AlGaAs ätzt, ein Gas der V Grup pe und Wasserstoffgas gleichzeitig zugeführt werden. Da her kann die periodische Konkav-Konvex-Struktur mit hoher Genauigkeit durch Gas-Ätzen der undotierten Abstands schicht hergestellt werden.

Entsprechend einer fünfzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beim Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung das Ätzgas, das AlGaAs oder AlInAs als die zweite Art von Halbleiter ätzt, unter einem Gas, das Chlor aufweist, einem Gas, das Brom auf weist, und einem Gas, das Jod aufweist, ausgewählt. Daher kann die periodische Konkav-Konvex-Struktur mit hoher Ge nauigkeit durch das Gas-Ätzen der undotierten Abstands schicht hergestellt werden.

Entsprechend einer sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beim Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung das Ätzgas, das AlGaAs als die zweite Art von Halbleiter sowie GaAs der GaAs-Deck schicht ätzt, unter einem Gas, das Chlor aufweist, einem Gas, das Brom aufweist, und einem Gas, das Jod aufweist, ausgewählt. Daher kann die periodische Konkav-Konvex- Struktur mit hoher Genauigkeit durch Gas-Ätzen der undo tierten Abstandsschicht hergestellt werden.

Entsprechend einer siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beim Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach dem Ausbilden der peri odischen Konkav-Konvex-Struktur der Abstandsschicht unter Verwendung von Gas-Ätzen in einer Kammer das Aufwachsen der Elektronenzuführschicht in der gleichen Kammer oder in einer Aufwachskammer ausgeführt, die mit der Kammer verbunden ist. Daher können die Abstandsschicht und die Elektronenzuführschicht einfach hergestellt werden.

Entsprechend einer achtzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Einzelelektronenvor richtung auf: eine Struktur, die zumindest eine undotier te Schicht einer ersten Art von Halbleiter, eine undo tierte Abstandsschicht, die eine zweite Art von Halblei ter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, und eine Elek tronenzuführschicht vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, aufweist, die aufeinanderfolgend la miniert sind, wobei Abschnitte der undotierten Abstands schicht, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, ge ätzt werden, so daß diese im Querschnitt an zumindest zwei Punkten Strukturen mit umgekehrten Dreiecken aufwei sen, wobei die ausgebildete Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter Bereiche der undo tierten Abstandsschicht vergräbt, die geätzt sind, so daß diese im Querschnitt die Strukturen umgekehrter Dreiecke aufweisen, eine Vielzahl von Gate-Elektroden, die sich auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur be finden und in einer Richtung dicht beieinander angeordnet sind, die zu dem Querschnitt senkrecht verläuft, der die Strukturen der umgekehrten Dreiecke der undotierten Schicht aufweist, und eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, die sich auf der oberen Fläche der Halb leiterschichtstruktur befinden, die einander gegenüber liegen und zwischen denen die Vielzahl von Gate-Elektro den liegt, und wobei ein einzelnes Elektron oder eine Vielzahl von Elektronen in Elektronenspeicherbereichen in der undotierten Schicht der ersten Art von Halbleiter vorliegen, wobei die Bereiche Kanten der Struktur mit um gekehrter Dreiecksform der undotierten Speicherschicht gegenüberliegen, die durch Ätzen ausgebildet sind, so daß diese im Querschnitt die Struktur umgekehrter Dreiecke aufweisen, und wobei das einzelne Elektron der Vielzahl von Elektronen durch das Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode geschaltet wird, wodurch die Operation der Einzelelektronenvorrichtung gestattet wird. Daher kann eine Einzelelektronenvorrichtung gebildet werden.

Entsprechend einer neunzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden bei der Einzelelektronen vorrichtung solche Gate-Spannungen, die das Elektronen tunnel direkt unter der Gate-Elektroden kaum zulassen, an die Gate-Elektroden angelegt und Spannungen mit hoher Frequenz, die eine Phasenverschiebung von π zwischen sich haben, werden an die zwei Gate-Elektroden angelegt, wo durch ermöglicht wird, daß ein Elektron aufeinanderfol gend einzeln zwischen der Source-Elektrode und der Drain- Elektrode in jeweiligen Kanälen geführt wird, die die Elektronenspeicherbereiche in der undotierten Schicht der ersten Art von Halbleiter aufweisen, wobei die Bereiche Kanten der Struktur mit umgekehrtem Dreieck der undotier ten Abstandsschicht gegenüberliegen, die durch Ätzen aus gebildet sind, so daß diese im Querschnitt Strukturen um gekehrter Dreiecke haben. Daher kann die Einzelelektro nenvorrichtung gebildet werden.

Entsprechend einer zwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind bei der Einzelelektronenvor richtung ein erstes Paar und ein zweites Paar von Gate- Elektroden vorgesehen, so daß jeweilige Paare von Gate- Elektroden die Gesamtheit der Vielzahl von Kanälen be deckt, die die Elektronenspeicherbereiche in der undo tierten Schicht der ersten Art von Halbleiter aufweisen, wobei ein logisches UND-Verknüpfungsglied vorgesehen wird, bei dem, nur wenn Spannungen an das erste und zwei te Paar von Gate-Elektroden gleichzeitig angelegt werden, der Pfad zwischen der Source-Elektrode und der Drain- Elektrode in einen leitenden Zustand tritt. Daher kann durch die Einzelelektronenvorrichtung ein logisches UND- Verknüpfungsglied gebildet werden.

Entsprechend einer einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind bei der Einzelelektronen vorrichtung ein erstes Paar und ein zweites Paar von Gate-Elektroden vorgesehen, so daß das jeweilige Paar von Gate-Elektroden einen jeweiligen der Vielzahl von Kanälen bedeckt, die die Elektronenspeicherbereiche in der undo tierten Schicht der ersten Art von Halbleiter aufweisen, wobei ein logisches ODER-Verknüpfungsglied vorgesehen wird, bei dem, wenn eine Spannung an das erste oder das zweite Paar von Gate-Elektroden oder an beide angelegt wird, der Pfad zwischen der jeweiligen Source-Elektrode und der jeweiligen Drain-Elektrode in einen leitenden Zu stand tritt. Daher kann durch die Einzelelektronenvor richtung das logische ODER-Verknüpfungsglied gebildet werden.

Entsprechend einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich bei der Einzel elektronenvorrichtung ein Paar von Gate-Elektroden je weils am jeweiligen der Vielzahl von Kanälen, die die Elektronenspeicherbereiche in der undotierten Schicht der ersten Art von Halbleiter aufweisen, wodurch eine Einzel elektronenvorrichtung vorgesehen wird, bei der bei vor handener Source-Elektrode und vorhandener Drain-Elektrode die Übertragung eines M-Schritt-Stromwerts als eine In formationseinheit durchgeführt wird. Daher kann ein Ele ment mit M-Wert durch die Einzelelektronenvorrichtung ge bildet werden.

Entsprechend einer dreiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind bei der Einzelelektronen vorrichtung Gate-Elektroden jeweils für jeweilige Kanäle angeordnet, die die Elektronenspeicherbereiche in der un dotierten Schicht der ersten Art von Halbleiter aufwei sen, die Drain-Elektroden sind unabhängig für jeden der jeweiligen Kanäle angeordnet, eine Source-Elektrode ist für die Gate-Elektroden und die Drain-Elektroden gemein sam angeordnet, wodurch eine Einzelelektronenvorrichtung vorgesehen wird, bei der eine Informationsübertragung un ter Verwendung von jedem der jeweiligen Kanäle als ein Bit ermöglicht ist. Daher kann ein Informationsübertra gungselement mit mehreren Bits gebildet werden.

Entsprechend einer vierundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Einzelelektronen vorrichtung auf: ein halbisolierendes Halbleitersubstrat mit einer oberen und einer unteren Fläche, eine Halblei terschichtstruktur, die zumindest eine undotierte Schicht einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, eine undotierte Abstands schicht, die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche und eine Elektronenzuführschicht vom n-Typ aufweist, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Flä che aufweist, die aufeinanderfolgend auf die obere Fläche des halbisolierenden Halbleitersubstrats laminiert sind, wobei Abschnitte der undotierten Abstandsschicht der zweiten Art von Halbleiter geätzt sind, so daß diese im Querschnitt die Strukturen umgekehrter Dreiecke haben, damit sich die Tiefe des Konkavabschnitts in Längsrich tung periodisch ändert, wodurch bei einer Vielzahl von Abschnitten flache Bereiche ausgebildet werden, wobei eine Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter ausgebildet ist, so daß diese eine peri odische Konkav-Konvex-Struktur vergräbt, die durch die undotierte Abstandsschicht ausgebildet ist, eine Vielzahl von Gate-Elektroden, die sich dicht beieinander auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur befinden und entsprechend den flachen Abschnitten bezüglich der Ätz tiefe der Abstandsschicht angeordnet sind, und eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode, die sich in Bereichen, die einander gegenüberliegen und zwischen de nen die Gate-Elektroden liegen, auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur befinden. Daher kann die Ein zelelektronenvorrichtung gebildet werden.

Entsprechend einer fünfundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat bei der Einzelelektronen vorrichtung der Querschnitt der periodischen Konkav-Kon vex-Struktur der undotierten Abstandsschicht Dreiecks struktur. Daher kann eine Einzelelektronenvorrichtung ge bildet werden.

Entsprechend einer sechsundzwanzigsten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung weist bei der Einzelelek tronenvorrichtung die geneigte Fläche der periodischen Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht eine (111)B-Fläche auf. Daher kann die Einzelelektronen vorrichtung umgesetzt werden.

Entsprechend einer siebenundzwanzigsten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung befindet sich bei der Einzelelektronenvorrichtung eine Struktur, die durch das aufeinanderfolgende Laminieren von zumindest einer undo tierten InGaAs-Schicht der ersten Art von Halbleiter, einer undotierten AlGaAs-Abstandsschicht der zweiten Art von Halbleiter und einer AlGaAs-Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter gebildet wird, auf dem halbisolierenden Substrat, das GaAs aufweist. Da her kann die Einzelelektronenvorrichtung umgesetzt wer den.

Entsprechend einer achtundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich bei der Einzel elektronenvorrichtung eine Struktur, die durch das auf einanderfolgende Laminieren von zumindest einer undotier ten GaAs-Schicht, einer undotierten InGaAs-Schicht der ersten Art von Halbleiter, einer undotierten AlGaAs-Ab standsschicht der zweiten Art von Halbleiter und einer AlGaAs-Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter gebildet wird, auf dem halbisolierenden Substrat, das GaAs aufweist. Daher kann die Einzelelek tronenvorrichtung umgesetzt werden.

Entsprechend einer neunundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich bei der Einzel elektronenvorrichtung eine Struktur, die durch das auf einanderfolgende Laminieren von zumindest einer undotier ten AlInAs-Schicht, einer undotierten InGaAs-Schicht der ersten Art von Halbleiter, einer undotierten AlInAs-Ab standsschicht der zweiten Art von Halbleiter und einer AlInAs-Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter gebildet wird, auf dem halbisolierenden Substrat, das InP aufweist. Daher kann die Einzelelektro nenvorrichtung umgesetzt werden.

Bei einer dreißigsten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung, die ein Herstellungsverfahren einer Ein zelelektronenvorrichtung vorsieht, weist die Vorrichtung auf: ein halbisolierendes Halbleitersubstrat mit einer oberen und einer unteren Fläche und eine Halbleiter schichtstruktur, die zumindest eine undotierte Schicht einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, eine undotierte Abstands schicht, die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche und eine Elektronenzuführschicht vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche auf weist, die auf die obere Fläche des halbisolierenden Halbleitersubstrats aufeinanderfolgend laminiert sind, wobei die ausgebildete undotierte Schicht eine flache obere Fläche und eine flache untere Fläche hat, wobei die undotierte Abstandsschicht der zweiten Art von Halbleiter ausgebildet ist, so daß diese eine Querschnittsstruktur hat, deren obere Fläche eine periodische Konkav-Konvex- Struktur hat und deren untere Fläche eine flache Fläche ist, die auf der flachen oberen Fläche der undotierten Schicht ausgebildet ist, wobei die Elektronenzuführ schicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter mit ei ner Querschnittsstruktur ausgebildet ist, deren obere Fläche flach ist und deren untere Fläche eine Fläche ist, die Konkavabschnitte vergräbt, die durch die oberen Flä chen der Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstands schicht ausgebildet sind, und wobei eine Vielzahl von Schottky-Elektroden auf der flachen oberen Fläche der Elektronenzuführschicht vom n-Typ ausgebildet ist und in einer Richtung angeordnet ist, die zur Ebene des Quer schnitts senkrecht verläuft, bei dem der Konkav-Konvex- Charakter der periodischen Konkav-Konvex-Struktur der oberen Fläche der undotierten Abstandsschicht periodisch auftritt, wobei das Verfahren beinhaltet: das Aufwachsen einer Halbleiterschichtstruktur, die zumindest die undo tierte Schicht, die eine erste Art von Halbleiter auf weist, und die undotierte Abstandsschicht, die die zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität auf weist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, aufweist, die auf das halbisolierende Halbleiter substrat aufeinanderfolgend laminiert sind, das Ätzen ei nes Abschnitts der undotierten Abstandsschicht, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, um im Querschnitt an zumindest zwei Punkten die Strukturen umgekehrter Dreiecke aufzuweisen, das Ausbilden der Elektronenzuführschicht von n-Typ der zweiten Art von Halbleiter, die Bereiche der undotierten Abstandsschicht vergräbt, die geätzt sind, so daß diese im Querschnitt an zumindest zwei Punk ten die Strukturen umgekehrter Dreiecke aufweisen, das Ausbilden einer Vielzahl von Gate-Elektroden auf der obe ren Fläche der Halbleiterschichtstruktur in Bereichen, die dicht beieinander liegen, die in einer Richtung ange ordnet sind, die zu dem Querschnitt senkrecht verläuft, der die Strukturen der umgekehrten Dreiecke der undotier ten Abstandsschicht aufweist, und das Ausbilden einer Source-Elektrode und einer Drain-Elektrode auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur in Bereichen, die einander gegenüber liegen und zwischen denen die Vielzahl von Gate-Elektroden liegt. Daher kann die Einzelelektro nenvorrichtung nach Anspruch 16 hergestellt werden.

Bei einer einunddreißigsten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung, die sich auf ein Herstellungsverfah ren einer Einzelelektronenvorrichtung bezieht, weist die Vorrichtung auf: ein halbisolierendes Halbleitersubstrat mit einer oberen und einer unteren Fläche, eine Halblei terschichtstruktur, die zumindest eine undotierte Schicht einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, eine undotierte Abstands schicht, die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche und eine Elektronenzuführschicht vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche auf weist, die auf die obere Fläche des halbisolierenden Halbleitersubstrats aufeinanderfolgend laminiert sind, wobei Abschnitte der undotierten Abstandsschicht der zweiten Art von Halbleiter geätzt sind, so daß diese im Querschnitt Strukturen umgekehrter Dreiecke aufweisen, so daß sich die Tiefe des Konkav-Abschnitts in Längsrichtung periodisch ändert, wodurch flache Bereiche bei einer Vielzahl von Abschnitten ausgebildet sind, wobei eine Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter ausgebildet ist, so daß diese die periodische Konkav-Konvex-Struktur vergräbt, die durch die undotierte Abstandsschicht ausgebildet ist, eine Vielzahl von Gate- Elektroden, die sich dicht beieinander auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur befinden und ent sprechend den flachen Abschnitten bezüglich der Ätztiefe der Abstandsschicht angeordnet sind, und eine Source- Elektrode und eine Drain-Elektrode, die sich in Berei chen, die einander gegenüber liegen und zwischen denen die Gate-Elektroden liegen, auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur befinden. Daher kann die Ein zelelektronenvorrichtung nach Anspruch 24 hergestellt werden.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüberstruktur entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung darstellt.

Die Fig. 2(a), 2(b), und 2(c) sind grafische Dar stellungen, die die Dicke, die Energie bzw. die Elektro nenkonzentration in bezug auf die Position darstellen, um das Prinzip zu erläutern, mit dem eine Quantendrahtüber struktur bei der Quantendrahtüberstruktur des ersten Aus führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung gebildet wird.

Die Fig. 3(a)-3(f) sind geschnittene Strukturan sichten, die ein Verfahren zur Herstellung der Quanten drahtüberstruktur des ersten Ausführungsbeispiels ent sprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung darstellen.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Quantendrahtüberstruktur entsprechend einem fünften Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.

Die Fig. 5(a) und 5(b) sind geschnittene Struktur ansichten des (0/11)-Querschnitts bzw. des (011)-Quer schnitts der Quantendrahtüberstruktur des fünften Ausfüh rungsbeispiels.

Die Fig. 6(a) und 6(b) sind eine geschnittene Strukturansicht des (0/11)-Querschnitts bzw. eine Konzen trationsverteilung in [011]-Richtung eines Elektrons, das an der Grenzfläche zwischen der undotierten GaAs-Schicht 2 und der undotierten AlGaAs-Abstandsschicht 3 gespei chert ist, bei der Quantendrahtüberstruktur des fünften Ausführungsbeispiels.

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur einer Isolierfilmmaske darstellt, die beim Her stellungsverfahren einer Quantendrahtüberstruktur ent sprechend einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Verbindung verwendet wird.

Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, die die Ätz struktur beim Herstellungsprozeß der Quantendrahtüber struktur entsprechend dem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 9 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Einzelelektronenvorrichtung entsprechend einem zehn ten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar stellt.

Die Fig. 10(a) und 10(b) sind eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Strukturansicht eines logischen Einzel elektronenelements entsprechend einem elftem Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 11(a) und 11(b) sind eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Strukturansicht eines logischen Einzel elektronenelements entsprechend einem zwölften Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 12(a) und 12(b) sind eine Wahrheitswerte tabelle zur Erläuterung der Operation eines logischen Einzelelektronenelements entsprechend einem elften Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bzw. eine Wahrheitswertetabelle zur Erläuterung der Operation eines logischen Einzelelektronenelements entsprechend einem zwölften Ausführungsbeispiel.

Die Fig. 13(a) und 13(b) sind eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Strukturansicht einer Einzelelektronen vorrichtung entsprechend einem dreizehnten Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 14(a) und 14(b) sind eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Strukturansicht einer Elektronenvor richtung (eines Informationsübertragungselements) ent sprechend einem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung.

Die Fig. 15(a) und 15 (b) sind eine geschnittene Strukturansicht eines (0/11)-Querschnitts bzw. eine ge schnittene Strukturansicht eines (011)-Querschnitts einer Einzelelektronenvorrichtung entsprechend einem fünfzehn ten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 16(a) und 16(b) sind eine Konzeptionsan sicht, die eine allgemeine Quantendrahtüberstruktur dar stellt, bzw. eine grafische Darstellung, die eine Zu standsdichtefunktion zur Erläuterung ihrer physikalischen Eigenschaft darstellt.

Die Fig. 17(a) und 17(b) sind eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung der Struktur einer herkömmlichen Einzelelektronenvorrichtung.

Fig. 18 ist eine grafische Darstellung zur Erläute rung der I-V-Kennlinie einer herkömmlichen Einzelelektro nenvorrichtung.

Fig. 19 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüberstruktur entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung darstellt.

Fig. 20 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüberstruktur entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung darstellt.

Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüberstruktur entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung darstellt.

Die Fig. 22(a) und 22(b) sind eine geschnittene Strukturansicht eines (0/11)-Querschnitts bzw. eine ge schnittene Strukturansicht eines (011)-Querschnitts zur Erläuterung einer Halbleitervorrichtung mit einer Quan tendrahtüberstruktur entsprechend einem siebenten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 23(a) und 23(b) sind eine geschnittene Strukturansicht eines (0/11)-Querschnitts bzw. eine ge schnittene Strukturansicht eines (011)-Querschnitts einer Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüberstruktur entsprechend einem achten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung.

Die Fig. 24(a) und 24(b) sind eine geschnittene Strukturansicht eines (0/11)-Querschnitts bzw. eine ge schnittene Strukturansicht eines (011)-Querschnitts einer Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüberstruktur entsprechend einem neunten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüberstruktur entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung darstellt. In der Figur beginnt die Vor richtung mit einem halbisolierenden GaAs-Substrat. Auf die halbisolierende GaAs-Schicht ist eine undotierte GaAs-Schicht 2 aufgebracht, die GaAs als erste Art von Halbleiter aufweist. Auf die undotierte GaAs-Schicht 2 ist eine undotierte Al_0,3Ga_0,7As-Abstandsschicht 3 aufge bracht, die AlGaAs als zweite Art von Halbleiter auf weist, die eine geringere Elektronenaffinität als GaAs hat. Die undotierte AlGaAs-Abstandsschicht 3 hat an ihrer Oberfläche eine periodische Konkav-Konvex-Struktur 30 mit einer Periode von 25 nm. Die Dicke der Abstandsschicht 3 ist am Konkavabschnitt 10 nm und am Konvexabschnitt 45 nm. Eine Al_0,3Ga_0,7As-Elektronenzuführschicht 4 vom n- Typ, die AlGaAs als zweite Art von Halbleiter aufweist, ist aufgebracht, so daß diese die periodische Konkav-Kon vex-Struktur 30 der undotierten AlGaAs-Abstandsschicht 3 vergräbt. Die Elektronenzuführschicht 4 ist ausgebildet, so daß die Summe der Dicken der Abstandsschicht 3 und der Elektronenzuführschicht 4 90 nm beträgt. Eine GaAs-Kon taktschicht 5 vom n-Typ ist auf die AlGaAs-Elektronenzu führschicht 4 vom n-Typ aufgebracht. Eine Schottky-Elek trode 6, die Ti/Pt/Au aufweist, ist auf die GaAs-Schicht 5 vom n-Typ aufgebracht und erstreckt sich in einer Rich tung, die zu dem Querschnitt der periodischen Konkav-Kon vex-Struktur 30 senkrecht verläuft, bei dem der Konkav- Konvex-Charakter periodisch auftreten soll. Die Breite und der Intervall der Schottky-Elektroden 6 sind beide 25 nm. Anders ausgedrückt ist diese mit einer Periode von 50 nm ausgebildet. Elektronenspeicherbereiche 7 sind jeweils in der undotierten GaAs-Schicht 2 an Positionen ausgebil det, die den nach unten zeigenden Kanten der periodischen Konkav-Konvex-Struktur 30 der undotierten AlGaAs-Ab standsschicht 4 entsprechen.

Wie es in der japanischen Patentveröffentlichung Hei. 4-199519 offenbart ist, wurde festgestellt, daß die Einführung einer periodischen Konkav-Konvex-Struktur mit dem Querschnitt eines umgekehrten Dreiecks zumindest für den konkaven Abschnitt der Struktur im Feldeffekttransi stor mit einer Struktur eines HEMT (eines Transistors mit großer Elektronenbeweglichkeit) eine Quantendrahtstruktur mit hoher Qualität und mit Elektronenspeicherschichten mit ausreichend schmaler Breite vorsieht.

Die Fig. 2(a), 2(b) bzw. 2(c) zeigen die Struktur, die räumliche Verteilung der Potentialenergie und die räumliche Verteilung der Elektronenkonzentration der Struktur des HEMT, wenn die Abstandsschicht eine periodi sche Konkav-Konvex-Struktur hat, die einen Querschnitt mit den Strukturen umgekehrter Dreiecke und eine (111B- Fläche hat. Dieses Simulationsergebnis wird erhalten, in dem die Schroedingor-Gleichung und die Poisson′sche Glei chung ohne Widerspruch gelöst werden. Es wurde herausge funden, daß nahezu alle Elektronen auf den Bereich mit einer Breite von 20 nm beschränkt sind, wie es in Fig. 2(c) gezeigt ist. Die Quantendrahtüberstruktur des Aus führungsbeispiels wird geschaffen, indem die epitaxialen Halbleiterwachstumsschichten 2, 3, 4 und 5 einer Hetero struktur einschließlich der Abstandsschicht 3 als die pe riodische Konkav-Konvex-Struktur 30 ausgebildet werden und die Schottky-Elektroden 6 auf die epitaxialen Halb leiterwachstumsschichten 2, 3, 4 und 5 in einer Richtung periodisch aufgebracht werden, die zu dem Querschnitt senkrecht verläuft, der den Konkav-Konvex-Charakter der periodischen Struktur 30 hat, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Es wird die Funktion dieses ersten Ausführungsbei spiels beschrieben.

In der Struktur von Fig. 1 wird, wenn eine geeignete Vorspannung an die Schottky-Elektrode 6 angelegt ist, ein Bereich des Elektronenspeicherbereiches 7, der sich je weils unter den Schottky-Elektroden 6 befindet, verarmt. Dementsprechend ist es durch das Anlegen einer Vorspan nung an die Schottky-Elektrode 6 möglich, den Elektronen speicherzustand des Elektronenspeicherbereiches 7 vom Zu stand eines Quantendrahtes zum Zustand einer Quantenbox zu ändern. In einem Bereich, der sich zwischen dem Zu stand eines Quantendrahtes und dem Zustand einer Quanten box befindet, ist es möglich, einen Zustand zu erzeugen, in dem, obwohl ein Elektron in der Quantenbox begrenzt ist, die Permeation eines Elektrons in eine benachbarte Quantenbox in geringfügigem Umfang aufrecht erhalten wird. Genauer gesagt wird ein Zustand, in dem ein Elek tron in einer Quantenbox nicht vollständig begrenzt ist, sondern eine Vielzahl von Quantenboxen schwach miteinan der verbunden sind, umgesetzt. Bei einer solchen angeleg ten Vorspannung dient die Struktur als Quantendrahtüber struktur. Auf diese Weise ist es möglich, den Elektronen zustand von einem Quantendraht zu einer Quantendrahtüber struktur oder weiter zu einer Quantenbox zu modulieren, indem der Vorspannungspegel verändert wird.

Bei der Struktur des ersten Ausführungsbeispiels weist der aktive Bereich 7 als ein Elektronenspeicherbe reich die undotierte GaAs-Schicht 2 auf; daher ist es möglich, das Streuen des Elektrons durch das Verunreini gungsatom auf einen geringen Wert zu unterdrücken sowie das Streuen des Elektrons durch ein optisches Phonon in Abhängigkeit von der Wirkung der vorstehend beschriebenen Quantendrahtüberstruktur zu verhindern. Somit kann eine Halbleitervorrichtung mit hoher Beweglichkeit, d. h. eine Quantendrahtüberstruktur, die bis jetzt noch nicht umge setzt wurde, selbst bei Raumtemperatur verwirklicht wer den.

Bei der Quantendrahtüberstruktur des ersten Ausfüh rungsbeispiels sind die epitaxialen Halbleiterwachstums schichten 2, 3, 4 und 5 vorgesehen, die eine Heterostruk tur bilden, die die periodische Konkav-Konvex-Struktur 30 in der Abstandsschicht 3 aufweist; eine Vielzahl von Schottky-Elektroden 6 sind auf der Halbleiterschicht struktur periodisch aufgebracht und sind in der Richtung angeordnet, die zu dem Querschnitt der periodischen Kon kav-Konvex-Struktur 30 senkrecht verläuft, bei dem der Konkav-Konvex-Charakter auftritt. Durch die Verwendung der Bereiche des Elektronenspeicherbereiches 7, die sich jeweils unter den Schottky-Elektroden 6 befinden und ver armt sind, ist es daher möglich, wenn eine geeignete Vor spannung an die Schottky-Elektroden 6 angelegt ist, den Elektronenspeicherzustand des Bereiches 7 von einem Quan tendraht zu einer Quantendrahtüberstruktur oder weiter zu einer Quantenbox zu modulieren, wobei eine Vorspannung an die Elektrode 6 angelegt ist, wodurch eine Quantendraht überstruktur geschaffen wird.

Es wird die Beschreibung eines zweiten Ausführungs beispiels der vorliegenden Erfindung vorgenommen. Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung setzt die gleiche Struktur wie das erste Ausführungsbei spiel um, wobei nachstehend beschriebene Materialien ver wendet werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 19, die das zweite Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, ist statt der undotierten GaAs-Schicht 2 aus dem ersten Halbleiter im ersten Ausführungsbeispiel eine undotierte In_0,15Ga_0,85As-Schicht 2a vorgesehen, die GaAs als ersten Halbleiter aufweist, dem In zugefügt ist, ist eine undo tierte Al_0,3Ga_0,7As-Abstandsschicht 3, die AlGaAs, d. h. eine zweite Art von Halbleiter, aufweist, die eine Elek tronenaffinität hat, die geringer als die von InGaAs als die vorstehende erste Art von Halbleiter ist, auf die un dotierte InGaAs-Schicht 2a aufgebracht und ist eine undo tierte GaAs-Schicht 20 als eine Pufferschicht zwischen das halbisolierende GaAs-Substrat 1 und die undotierte InGaAs-Schicht 2a zwischengefügt.

Bei der Halbleitervorrichtung des zweiten Ausfüh rungsbeispiels werden ähnliche Wirkungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel erhalten. Außerdem wird, da die Ka nalschicht, die den Elektronenspeicherbereich 7 bildet, die InGaAs-Schicht aufweist, eine Vorrichtung mit in be zug zum ersten Ausführungsbeispiel weiter gesteigerter Beweglichkeit umgesetzt.

Es wird die Beschreibung eines dritten Ausführungs beispiels der vorliegenden Erfindung vorgenommen. Das dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird vorgesehen, indem die Struktur des ersten Ausfüh rungsbeispiels unter Nutzung folgender Materialien umge setzt wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 20, die das dritte Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, ist das halbisolierende GaAs-Substrat 1 im zweiten Ausführungs beispiel durch ein halbisolierendes InP-Substrat 1b er setzt, die undotierte InGaAs-Schicht 2a durch eine undo tierte In_0,53Ga_0,47As-Schicht 2b, die undotierte GaAs- Schicht 20 als eine Pufferschicht durch eine undotierte Al_0,48In_0,52As-Pufferschicht 20b, die undotierte AlGaAs- Abstandsschicht 3 durch die undotierte Al_0,48In_0,52As-Ab standsschicht 3b, die AlGaAs-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ durch eine Al_0,48In_0,52As-Elektronenzuführ schicht 4b vom n-Typ bzw. die GaAs-Kontaktschicht 5 vom n-Typ durch eine InGaAs-Kontaktschicht 5b vom n-Typ er setzt. Die anderen Elemente, d. h. die Schottky-Elektro den 6 und die Elektronenspeicherbereiche 7, sind die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel.

Bei der Halbleitervorrichtung dieses dritten Ausfüh rungsbeispiels werden gleiche Wirkungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel erhalten. Da die Kanalschicht, die den Elektronensteuerbereich 7 bildet, die undotierte In- GaAs-Schicht 2b aufweist, wird außerdem eine Vorrichtung mit in bezug zum ersten Ausführungsbeispiel weiter erhöh ter Beweglichkeit umgesetzt.

Fig. 21 zeigt eine Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüberstruktur entsprechend einem vierten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses vier te Ausführungsbeispiel hat eine undotierte Al_0,48In_0,52As-Deckschicht 8b auf der AlInAs-Elektronen zuführschicht 4b vom n-Typ vom dritten Ausführungsbei spiel.

Bei dieser Halbleitervorrichtung des vierten Ausfüh rungsbeispiels werden gleiche Wirkungen wie im ersten Ausführungsbeispiel erhalten. Da die Kanalschicht die InGaAs-Schicht in ähnlicher Weise wie im zweiten und dritten Ausführungsbeispiel aufweist, wird außerdem eine Vorrichtung mit einer weiter erhöhten Beweglichkeit umge setzt.

Ein Herstellungsverfahren für eine Halbleitervorrich tung entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Quan tendrahtüberstruktur entsprechend dem ersten Ausführungs beispiel.

Das Herstellungsverfahren des fünften Ausführungsbei spiels wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.

Als erstes werden durch ein MOCVD-Verfahren (metallorganische chemische Abscheidung) oder ein MBE- Verfahren (Molekularstrahlepitaxie) eine undotierte GaAs- Pufferschicht 2, eine undotierte AlGaAs-Abstandsschicht 3 und eine GaAs-Deckschicht-Ausbildungsschicht 8 vom n-Typ auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 1 aufeinander folgend ausgebildet. Ferner wird ein SiN-Film 9 z. B. durch Plasma-CVD (chemische Plasma-Abscheidung) ausgebil det und in eine Struktur von Linien und Zwischenräumen mit einer Periode von 25 nm gebracht (Fig. 3a).

Als nächstes wird unter Verwendung des SiN-Films 9, der die Struktur von Linien und Zwischenräumen hat, als Maske HCl-Gas-Ätzen ausgeführt, um die GaAs-Deckschicht- Ausbildungsschicht 8 vom n-Typ und die undotierte AlGaAs- Abstandsschicht 3 zu ätzen, wodurch V-förmige Nuten 30 ausgebildet werden, die die (111)B-Flächen auf ihren Oberflächen aufweisen. Eine der geneigten Flächen, die durch dieses HCl-Gas-Ätzen ausgebildet werden, ist eine Fläche (111)B, die kristallografisch korrekt ist; die Be arbeitungsfläche ist fast eine Spiegelfläche.

Als nächstes wird durch Verwendung eines Verfahrens, wie z. B. des MOCVD-Verfahrens, die AlGaAs-Elektronenzu führschicht 4 vom n-Typ auswählend durch Wachstum ausge bildet und auf dieser eine GaAs-Deckschicht 8b vom n-Typ auswählend durch Wachstum ausgebildet, so daß die V-för mige Nut 30 vergraben wird; der SiN-Film 9 wird entfernt (Fig. 3(c), 3(d)).

Nach dem Aufwachsen einer GaAs-Kontaktschicht 5 vom n-Typ, die die GaAs-Deckschicht 8b vom n-Typ und die AlGaAs-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ bedeckt, wird das Schottky-Elektrodenmetall auf der gesamten Oberfläche durch Abscheidung erzeugt und periodisch strukturiert, wodurch Schottky-Elektroden 6 mit periodischer Streifen form ausgebildet werden (Fig. 3(e), 3(f)).

Die Prozesse, durch die nach dem Ätzen der GaAs-Deck schicht-Ausbildungsschicht 8 vom n-Typ und der undotier ten AlGaAs-Abstandsschicht 3 und nach dem Ausbilden der V-förmigen Nut 30 mit den (111)B-Flächen die AlGaAs-Elek tronenzuführschicht 4 vom n-Typ und die GaAs-Deckschicht 8b vom n-Typ auf der V-förmigen Nut 30 ausgebildet wer den, werden im folgenden genauer beschrieben.

Als erstes wird ein GaAs-Substrat 1 nach dem Ausbil den des SiN-Films 9 auf diesem, was in Fig. 3(a) gezeigt ist, in eine MOCVD-Vorrichtung eingebracht, und die In nentemperatur in der Wasserstoffgas- und Arsengasatmo sphäre (AsH₃) auf 350°C erhöht. Während der Wafer bei einer Temperatur von 350°C gehalten wird, wird HCl-Gas mit Wasserstoffgas und Arsengas in die Vorrichtung eingeführt und durch diese Gase 100 Minuten lang eine Be arbeitung ausgeführt; dadurch wird der natürlich oxy dierte Film (nicht gezeigt), der während des Aufbringens des SiN-Films 9 auf der Oberfläche der GaAs-Deckschicht 8 ausgebildet wird, entfernt. Die Reinigung des Oxydfilms und von ähnlichem der GaAs-Deckschicht 8 wird durchge führt, indem das Gas, das Halogen, wie z. B. HCl, als Be standteil aufweist, beim Oxydfilm Adsorption und Desorp tion aufeinanderfolgend wiederholt. Diese Bearbeitung wird unter den Bedingungen von einer Strömungsgeschwin digkeit von Wasserstoff von 4,1667 _* 10^-5 Kubikmeter je Sekunde (2,5 Liter/min.), einer Strömungsgeschwindigkeit von AsH₃ (20%) von 1,667 _* 10^-7 Kubikmeter je Sekunde (10 cc/min.) und einer Strömungsgeschwindigkeit von HCl (10%) von 6,667 _* 10^-7 Kubikmeter je Sekunde (40 sccm) ausge führt; dadurch wird der Oxydfilm auf der Oberfläche der GaAs-Deckschicht 8 vollständig entfernt. Hierbei wird AsH₃ zugefügt, um beim Ausführen der Bearbeitung mit niedriger Temperatur die Desorption von As aus der oberen Fläche der GaAs-Deckschicht 8 zu regulieren. Es kann ein Gas verwendet werden, das Halogen als Bestandteil auf weist, ein Gas, das Chlor aufweist, wie z. B. Cl₂, ein Gas, das Brom aufweist, wie z. B. HBr oder CH₃Br, und ein Gas, das Jod aufweist, wie z. B. CH₃I. Außerdem kann die Bearbeitungstemperatur unter 450°C liegen.

Als nächstes wird, wie es in Fig. 3(b) gezeigt ist, die Temperatur des GaAs-Substrats 1 auf 750°C erhöht und das Ätzen ausgeführt, wobei ein herkömmliches HCl-Gas-Ät zen verwendet wird, bei dem die Strömungsgeschwindigkei ten von Wasserstoff, AsH₃ und HCl eingestellt werden, so daß sie denen des vorstehend beschriebenen Reinigens bei niedriger Temperatur von 350°C ähneln. Dadurch wird die V-förmige Nut 30 mit den (111)B-Flächen gemäß Vorbe schreibung erzeugt; auf der V-förmigen Nut 30, die durch dieses Ätzen erzeugt wird, werden eine AlGaAs-Elektronen zuführschicht 4 vom n-Typ und eine GaAs-Deckschicht 8b vom n-Typ aufeinanderfolgend auswählend durch Wachstum ausgebildet (Fig. 3(c)), wobei ein Zustand aufrecht er halten wird, bei dem ein Aussetzen von Luft nicht statt findet, d. h. durch das Wachsen, das in der gleichen Kam mer vorgenommen wird, oder die Verwendung eines Systems, das zwei Kammern aufweist, die miteinander durch ein La desperre verbunden sind.

Bei einem solchen, vorstehend beschriebenen Verfahren ist es möglich, nach dem perfekten Reinigen des natürli chen Oxydfilms an der Oberfläche der GaAs-Deckschicht 8 bei der niedrigen Temperatur unter 450°C das herkömmliche HCl-Gas-Ätzen und ein weiteres Kristallwachstum auszufüh ren, wodurch eine gute Kristallqualität der Oberfläche der V-förmigen Nut erhalten wird, ohne daß ein solcher Oxydfilm auf die Aufwachsgrenzfläche aufgebracht wird, sowie das Aufwachsen der AlGaAs-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ und der GaAs-Deckschicht 8b vom n-Typ auszufüh ren, die in der Kristallqualität überlegen sind.

Im fünften Ausführungsbeispiel der beschriebenen, vorliegenden Erfindung kann durch die Herstellung der Quantendrahtüberstruktur in der Halbleitervorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels unter Verwendung des vorste hend beschriebenen Herstellungsprozesses eine im ersten Ausführungsbeispiel gezeigte Struktur mit hoher Steuer barkeit erzeugt werden, ohne daß der aktive Bereich di rekt bearbeitet wird, der als Kanalbereich dient, d. h. die undotierte GaAs-Schicht 2. Dementsprechend wird durch die Verwendung des Verfahrens des fünften Ausführungsbei spiels eine Quantendrahtüberstruktur mit guter Qualität zum ersten Mal umgesetzt.

Das Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung entsprechend dem fünften Ausführungsbeispiel kann eben falls auf die Herstellung der Halbleitervorrichtungen der vorstehend beschriebenen zweiten bis vierten Ausführungs beispiele angewendet werden. Während im fünften Ausfüh rungsbeispiel Arsengas (AsH₃) zugeführt wird, um die Desorption von As von der Bearbeitungsoberfläche zu regu lieren, während das Bearbeiten mit niedriger Temperatur oder ähnliches ausgeführt wird, ist es möglich, wenn es auf die Halbleitervorrichtungen des zweiten bis vierten Ausführungsbeispiele angewendet wird, eine gute Reinigung oder gutes Ätzen auszuführen, indem ein Gas der V Gruppe in Abhängigkeit vom Objekt zugeführt wird, auf das die Bearbeitung mit niedriger Temperatur angewendet wird.

Insbesondere kann im zweiten Ausführungsbeispiel Arsengas zugeführt werden, um die Desorption von As aus der Bear beitungsoberfläche in ähnlicher Weise wie im ersten Aus führungsbeispiel zu regulieren; beim dritten und vierten Ausführungsbeispiel kann Phosphorwasserstoff (PH₃) zuge führt werden, um die Desorption von P aus der Bearbei tungsoberfläche zu regulieren; in beiden Fällen werden die gleichen Wirkungen wie im fünften Ausführungsbeispiel erhalten.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht zur Erläute rung einer Halbleitervorrichtung mit einer Quantendraht überstruktur entsprechend einem sechsten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 5(a) ist eine ge schnittene Strukturansicht am (0/11)-Querschnitt und Fig. 5(b) ist eine geschnittene Strukturansicht am (011)- Querschnitt der Halbleitervorrichtung von Fig. 4.

In Fig. 4 und in Fig. 5(a) und 5(b) bezeichnen die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4 und 5 die gleichen Elemente wie im ersten Ausführungsbeispiel, wobei 1 ein halbiso lierendes GaAs-Substrat bezeichnet, 2 eine undotierte GaAs-Pufferschicht bezeichnet, 3 eine undotierte Al_0,3Ga_0,7As-Abstandsschicht bezeichnet, 4 eine Al_0,3Ga_0,7As-Elektronenzuführschicht vom n-Typ bezeichnet und 5 eine GaAs-Kontaktschicht vom n-Typ bezeichnet. Im sechsten Ausführungsbeispiel hat die V-förmige Nut 30, die auf der Abstandsschicht 3 vorgesehen ist, eine Struk tur, bei der sich die Tiefe der Nut in Längsrichtung pe riodisch ändert, d. h. eine Struktur mit einem Abschnitt 30a von geringer Tiefe (mit einer Tiefe von ungefähr 5 nm) und einem Abschnitt 30b mit großer Tiefe (mit einer Tiefe von ungefähr 30 nm), wie es in Fig. 5(a) gezeigt ist. In dieser Fig. 4 ist aus Gründen der Einfachheit der Veranschaulichung nur eine Gruppe in [0/11]-Richtung für die Nut 30 dargestellt, da die Nut 30 periodisch aus gebildet ist, wie es in Fig. 5(b) dargestellt ist. Auf der oberen Fläche der V-Nut 30, die den tiefen Abschnitt 30a und den flachen Abschnitt 30b aufweist, werden eine AlGaAs-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ und eine GaAs- Schicht 5 vom n-Typ durch das MOCVD-Verfahren oder ähnli ches durch Wachstum ausgebildet, wodurch eine Grundstruk tur einer Quantendrahtüberstruktur erzeugt wird, bei der sich die Dicke der Abstandsschicht 3 periodisch in [011]- Richtung ändert.

Fig. 6 ist eine grafische Darstellung zur Erläute rung des Prinzips, m 36645 00070 552 001000280000000200012000285913653400040 0002019519860 00004 36526it dem eine Quantendrahtüberstruktur in dieser Struktur erzeugt wird, wobei Fig. 6(a) eine geschnittene Strukturansicht am (0/11)-Querschnitt und Fig. 6(b) eine grafische Darstellung ist, die die Kon zentrationsverteilung von Elektronen in [011]-Richtung darstellt, die an der Grenzfläche zwischen der undotier ten GaAs-Schicht 2 und der undotierten AlGaAs-Abstands schicht 3 gespeichert sind. Wie es in den Fig. 6(a) und 6(b) gezeigt ist, werden Elektronen mit hoher Konzen tration im Bereich 3a der dünnen Abstandsschicht 3 ge speichert, während vergleichsweise eine geringe Menge an Elektronen im Bereich 3b der dicken Abstandsschicht 3 ge speichert wird, wodurch sich eine Elektronenkonzentrati onsverteilung ergibt, wie sie in Fig. 6(b) gezeigt ist.

Hierbei kann die Elektronenspeichermenge durch die Dicke der Abstandsschicht, die Dicke der Elektronenzu führschicht und die Vorspannung entsprechend dem physika lischen Prinzip gesteuert werden, das in der japanischen Patentveröffentlichung Nummer (Hei 4-199519) offenbart ist.

Da die Begrenzung der Elektronen in [0/11]-Richtung in ähnlicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit einem Pegel von 20 nm Breite umgesetzt wird, wie es in Fig. 2(c) gezeigt ist, ist es außerdem möglich, eine Quantendrahtüberstruktur mit einer Breite von 20 nm bei hoher Dichte zu erzeugen, indem die Struktur dieses sech sten Ausführungsbeispiels verwendet wird.

Da es beim vorstehend beschriebenen sechsten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich ist, eine Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüber struktur des ersten Ausführungsbeispiels herzustellen, in der der aktive Bereich, d. h. der Elektronenspeicherbe reich 7, in der undotierten GaAs-Schicht 2 ausgebildet ist, kann die Verhinderung der Verunreinigungsstreuung (die durch diese Wirkung bedingt ist) und die Verhinde rung der Streuung der optischen Phononen, was in der Wir kung der Quantendrahtüberstruktur begründet ist, bei die ser Halbleitervorrichtung zur gleichen Zeit ausgeführt werden, wodurch ein Halbleitervorrichtung mit hoher Be weglichkeit, der bisher nicht umgesetzt wurde, selbst bei Raumtemperatur verwirklicht werden kann.

Ein siebentes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird umgesetzt, indem bei der Struktur des sechsten Ausführungsbeispiels statt der undotierten GaAs- Schicht 2 aus dem ersten Halbleiter eine undotierte In_0,15Ga_0,85As-Schicht 2a verwendet wird, die GaAs als ersten Halbleiter, dem In zugefügt wurde, aufweist, indem eine undotierte Al_0,3Ga_0,7As-Abstandsschicht 3, die einen zweiten Halbleiter AlGaAs mit einer Elektronenaffinität hat, die geringer als die des ersten Halbleiters InGaAs ist, auf die undotierte InGaAs-Schicht 2a aufgebracht wird und ferner eine undotierte GaAs-Schicht 20 als eine Pufferschicht zwischen das halbisolierende GaAs-Substrat 1 und die undotierte InGaAs-Schicht 2a eingebracht wird.

Auch bei dieser Halbleitervorrichtung dieses sieben ten Ausführungsbeispiels werden die gleichen Wirkungen wie beim sechsten Ausführungsbeispiel erhalten. Da die Kanalschicht, die den Elektronenspeicherbereich 7 ausbil det, die InGaAs-Schicht aufweist, wird außerdem eine Vor richtung mit einer weiter erhöhten Beweglichkeit in bezug auf das sechste Ausführungsbeispiel umgesetzt.

Ein achtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung wird durch die Verwendung der folgenden Materia lien in der Struktur des sechsten Ausführungsbeispiels umgesetzt. Fig. 23 ist eine grafische Darstellung, die eine Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüber struktur entsprechend einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Das achte Ausführungs beispiel wird umgesetzt, indem das halbisolierende GaAs- Substrat 1 im sechsten Ausführungsbeispiel durch ein halbisolierendes InP-Substrat 1b ersetzt wird, die undo tierte InGaAs-Schicht 2a durch eine undotierte In_0,53Ga_0,47As-Schicht 2b, die undotierte GaAs-Schicht 20 als eine Pufferschicht durch die undotierte Al_0,48In_0,52As-Pufferschicht 20b, die undotierte AlGaAs- Abstandsschicht 3 durch eine undotierte Al_0,48In_0,52As Abstandsschicht 3b vom n-Typ, die AlGaAs-Elektronenzu führschicht 4 vom n-Typ durch eine Al_0,48In_0,52As-Elek tronenzuführschicht 4b vom n-Typ und die GaAs-Kontakt schicht 5 vom n-Typ durch eine InGaAs-Kontaktschicht 5b vom n-Typ ersetzt wird. Die Schottky-Elektrode 6 und der Elektronenspeicherbereich 7 werden auf der gleichen Weise wie im sechsten Ausführungsbeispiel ausgebildet.

Bei der Halbleitervorrichtung des achten Ausführungs beispiels werden die gleichen Effekte wie beim sechsten Ausführungsbeispiel erhalten. Da die Kanalschicht, die den Elektronenspeicherbereich 7 ausbildet, die InGaAs- Schicht aufweist, wird außerdem eine Vorrichtung mit wei ter erhöhter Beweglichkeit in bezug auf das sechste Aus führungsbeispiel umgesetzt.

Ein neuntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung wird durch die Verwendung der folgenden Materia lien bei der Struktur des ersten Ausführungsbeispiels um gesetzt. Fig. 24 ist eine grafische Darstellung, die eine Halbleitervorrichtung mit einer Quantendrahtüber struktur entsprechend dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das neunte Ausführungs beispiel wird umgesetzt, indem auf der AlInAs-Elektronen zuführschicht 4b vom n-Typ eine undotierte Al_0,48In_0,52As-Deckschicht 8c vorgesehen wird.

Bei der Halbleitervorrichtung des neunten Ausfüh rungsbeispiels werden die gleichen Wirkungen wie beim sechsten Ausführungsbeispiel erhalten. Da außerdem ähn lich dem siebten und achten Ausführungsbeispiel die Ka nalschicht als eine InGaAs-Schicht dient, kann eine Vor richtung mit einer weiter erhöhten Beweglichkeit umge setzt werden.

Es wird die Beschreibung eines Verfahrens zur Her stellung einer Halbleitervorrichtung mit einer Quanten drahtüberstruktur des sechsten Ausführungsbeispiels be schrieben.

Das Herstellungsverfahren des zehnten Ausführungsbei spiels wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 7 und 8 beschrieben:

(a) ähnlich wie in Fig. 3 (Fig. 3(a)), werden eine undotierte GaAs-Schicht 2, eine undotierte AlGaAs-Ab standsschicht 3 und eine GaAs-Deckschicht-Ausbildungs schicht 8 vom n-Typ durch das MOCVD-Verfahren, das MBE- Verfahren oder ähnliches auf dem halbisolierenden GaAs- Substrat 1 aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet. Dann wird darauf ein SiN-Film 9 durch Plasma-CVD oder ähnliches ausgebildet; eine Strukturbildung wird auf dem SiN-Film 9 vorgenommen, um eine Struktur auszubilden, die schmale Abschnitte 9a und breite Abschnitte 9b aufweist, die sich wiederholend und kontinuierlich ausgebildet sind, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Die Strukturbildung wird durch Elektronenstrahl-Direktzeichnen oder Röntgen bestrahlung ausgeführt, um Feinstrukturen zu bilden.
(b) durch die Verwendung des HCl-Gas-Ätzens unter Nutzung des SiN-Films 9, der in einer Struktur ausgebil det ist, die in Fig. 7 gezeigt ist, als Maske, wird eine V-förmige Nut 80 mit den (111)B-Flächen auf der GaAs- Deckschicht-Ausbildungsschicht 8 vom n-Typ und der undo tierten AlGaAs-Abstandsschicht 3 ausgebildet. Da bei die sem Verfahren das Ätzen an der (111)B-Fläche gestoppt wird, wird in diesem ein Abschnitt mit einer breiten Öff nung der Struktur, der dem schmalen Abschnitt 9a der Maske 9 entspricht, zu einer V-förmigen Nut 80a mit tie fer Ätzung und der Abschnitt mit schmaler Öffnung der Struktur, der dem breiten Abschnitt 9b der Maske 9 ent spricht, wird zu einer V-förmigen Nut 80b mit flacher Ät zung. Dementsprechend kann durch die Verwendung einer in Fig. 7 gezeigten Struktur eine Ätzstruktur einer V-för migen Nut 80, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, einfach er halten werden. Dann ist die geneigte Fläche, die durch dieses Verfahren ausgebildet wird, eine Kristallfläche von (111)B, die kristallografisch korrekt ist, wodurch eine Bearbeitungsfläche, die einer Spiegelfläche sehr ähnlich ist, erhalten wird.
(c) Als nächstes wird, ähnlich wie es den Fig. 3(b) und 3(c) dargestellt ist, eine AlGaAs-Elektronenzu führschicht 4 vom n-Typ und eine GaAs-Deckschicht 8c vom n-Typ durch die Verwendung eines MOCVD-Verfahrens oder von ähnlichem aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebil det, um die V-förmige Nut 80 zu vergraben.
(d) Als nächstes wird, ähnlich wie es in Fig. 3(d) gezeigt ist, der SiN-Film 9 entfernt.
(e) Als nächstes wird ähnlich Fig. 3(e) eine GaAs- Schicht 5 vom n-Typ durch Wachstum ausgebildet.

Hierbei wird nach dem Ätzen der GaAs-Deckschicht-Aus bildungsschicht 8 vom n-Typ und der undotierten AlGaAs- Abstandschicht 3, wodurch eine V-förmige Nut 30 mit (111)B-Flächen ausgebildet wird, eine AlGaAs-Elektronen zuführschicht 4 vom n-Typ auf dieser V-förmigen Schicht 30 ausgebildet; ferner wird eine GaAs-Deckschicht 8b, ähnlich wie im fünften Ausführungsbeispiel, darauf ausge bildet.

Hierbei ist es wünschenswert, daß die Prozesse (b) und (c), die vorstehend beschrieben sind, kontinuierlich ausgeführt werden, ohne daß Luft in diese Kammer gelangt, oder unter Verwendung eines Systems ausgeführt werden, das zwei Kammern aufweist, die mit einer Ladesperre kom biniert sind.

Beim zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung kann eine im sechsten Ausführungsbeispiel gezeig te Struktur einfach erhalten werden, da die Quantum-Well- Überstruktur durch die vorstehend beschriebenen Prozesse erzeugt wird. Außerdem kann die Struktur, die im sechsten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, mit guter Steuerbarkeit erzeugt werden, ohne daß der aktive Bereich, d. h. der Kanalbereich, direkt bearbeitet wird; die Quantendraht überstruktur mit guter Qualität, die herkömmlicherweise schwierig umzusetzen ist, kann durch das Verfahren dieses Ausführungsbeispiels zum ersten Mal umgesetzt werden.

Beim vorstehend beschriebenen fünften und zehnten Ausführungsbeispiel wird ein HCl-Gas-Ätzen verwendet, um die V-förmige Nut 30 auf der undotierten AlGaAs-Abstands schicht 3 auszubilden; die Erzeugung der V-förmigen Nut kann durch die Verwendung anderer Ätzgase ausgeführt wer den, z. B. eines Gases aus der Chlorreihe, wie z. B. Cl₂, aus der Bromreihe, wie z. B. HBr oder CH₃Br, oder aus der Jodreihe, wie z. B. CH₃I, wobei die gleiche Ätzstruktur erhalten werden kann.

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Einzelelektronenvorrichtung als eine Halbleitervorrich tung entsprechend einem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. In der Figur bezeichnet Bezugszeichen 1 ein halbisolierendes GaAs-Substrat. Eine undotierte GaAs-Schicht 2 ist auf dem halbisolierenden GaAs-Substrat 1 ausgebildet. Eine undotierte Al_0,3Ga_0,7As-Abstandsschicht 3 ist auf der undotierten GaAs-Schicht 2 ausgebildet. Eine periodische Konkav-Kon vex-Struktur 30 ist auf einem teilweise streifenförmigen Bereich der undotierten AlGaAs-Abstandsschicht 3 ausge bildet. Eine Al_0,3Ga_0,7As-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ ist auf der undotierten AlGaAs-Abstandsschicht 3 ausgebildet, um die periodische Konkav-Konvex-Struktur 30 zu vergraben und eine flache obere Fläche auszubilden. Eine GaAs-Kontaktschicht 5 vom n-Typ ist auf der AlGaAs- Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ ausgebildet. Ein Elektronenspeicherbereich 7 ist in der undotierten GaAs- Schicht 2 ausgebildet. Eine Source-Elektrode 10 ist auf der GaAs-Kontaktschicht 5 vom n-Typ ausgebildet. Das Be zugszeichen 11 bezeichnet eine Drain-Elektrode und das Bezugszeichen 12 eine Gate-Elektrode. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Ionen-Implantationsbereich, der an einem Teilbereich unterhalb der Source-Elektrode 10 bzw. der Drain-Elektrode 11 ausgebildet ist.

Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, wird das zwölfte Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Struktur umgesetzt, die eine undotierte GaAs-Schicht 2, eine undotierte Al_0,3Ga_0,7As-Abstandsschicht 3, eine Al_0,3Ga_0,7As-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ und eine GaAs-Schicht 5 vom n-Typ aufweist, die aufeinanderfolgend auf ein halbisolierendes GaAs-Substrat 1 laminiert sind, wobei ein Abschnitt der undotierten AlGaAs-Abstands schicht 3 zu einer Struktur geätzt ist, die vier Struktu ren umgekehrter Dreiecke aufweist, wobei die AlGaAs-Elek tronenzuführschicht 4 vom n-Typ ausgebildet ist, um den geätzten Bereich der Struktur umgekehrter Dreiecke zu vergraben, wobei eine Vielzahl von Gate-Elektroden 12, 12 vorgesehen ist, so daß ihre Finger 12a, 12a auf der obe ren Fläche der Halbleiterstruktur nahe zueinander ange ordnet sind, und die Source-Elektrode 10 und die Drain- Elektrode 11 in den Bereichen angeordnet sind, die einan der gegenüberliegen und zwischen denen die zwei Gate- Elektroden 12, 12 (ihre Finger 12a, 12a) liegen, so daß sich ihre Finger 10a und 11a gegenüberliegen und zwischen diesen die Finger 12a, 12a der Gate-Elektrode liegen. Hierbei weist die Gate-Elektrode Ti/Pt/Au auf, wobei ein Schottky-Übergang zur GaAs-Schicht 5 vom n-Typ besteht; die Source-Elektrode 10 und die Drain-Elektrode 11 weisen AuGe/Ni/Au auf, wobei ein ohmscher Übergang zur GaAs- Schicht 5 vom n-Typ besteht. Die Ionenimplantationsberei che 13 sind Bereiche, die unterhalb der Source-Elektrode 10 bzw. der Drain-Elektrode 11 vorgesehen sind, um mit der GaAs-Schicht 5 vom n-Typ einen ohmschen Übergang zu erhalten.

Es wird das Betriebsprinzip der Einzelelektronenvor richtung beschrieben. Bei dieser Struktur werden durch das Anlegen einer geeigneten Spannung an die Gate-Elek trode 12 Elektronenspeicherbereiche 7, die sich direkt unterhalb der Gate-Elektrode 12 befinden, ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel, verarmt.

Dementsprechend wird der Bereich, der sich zwischen den zwei Gate-Elektroden befindet, der Quantenpunkt, wo durch ein Elektron erzeugt wird, das in diesem Bereich isoliert ist. Wie es im Stand der Technik beschrieben ist, kann durch das Einstellen einer Gate-Spannung auf einen Wert, durch den erreicht wird, daß das Elektron das Gate kaum direkt tunnelt, wobei eine Spannung mit hoher Frequenz an die zwei Gate-Elektroden mit einer Phasenver schiebung von π angelegt wird, das Elektron aufeinander folgend einzeln zwischen der Source und dem Drain geführt werden. Der Strom I wird in diesem Fall durch I = M_* nef. dargestellt. Hierbei stellt M die Anzahl der Leitungska näle dar und ist in diesem Ausführungsbeispiel 4. Bei der Einzelelektronenvorrichtung nach dem Stand der Technik ist es nicht möglich, die Breite des Kanals ausreichend schmal zu gestalten; daher ist ein Betrieb nur bei ziem lich niedriger Temperatur von 10 K möglich. Da die Kanal breite nicht ausreichend schmal gestaltet werden kann, ist es darüber hinaus erforderlich, ein Seitengate vorzu sehen, damit ermöglicht wird, daß die Vorrichtung als eine Einzelelektronenvorrichtung arbeitet; daher war es unmöglich, eine Vielzahl von Kanälen parallel zueinander vorzusehen.

Beim zwölften Ausführungsbeispiel, das eine Struktur gemäß Vorbeschreibung hat, ist es einfach möglich, eine schmale Kanalbreite von ungefähr 20 nm zu erreichen; da außerdem die Seitengates nicht erforderlich sind, ist es möglich, eine Mehrkanalvorrichtung einfach umzusetzen. Hierbei ist das Vorsehen von mehreren Kanälen in der Ein zelelektronenvorrichtung ein sehr wichtiges Elementver fahren, bei dem eine Vielzahl von Funktionen in einer Vorrichtung vorzusehen ist oder eine ausreichende Leitung vorzusehen ist.

Im zwölften Ausführungsbeispiel ist bei einer Struk tur, bei der die undotierte GaAs-Schicht 2 als eine Puf ferschicht und die undotierte AlGaAs-Abstandsschicht 3, die AlGaAs-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ und die GaAs-Schicht 5 vom n-Typ auf das halbisolierende GaAs- Substrat 1 aufeinanderfolgend laminiert sind, ein Ab schnitt der undotierten AlGaAs-Abstandsschicht 3 mit einer Struktur ausgebildet, die die Struktur von vier um gekehrten Dreiecken hat, und die AlGaAs-Elektronenzuführ schicht 4 vom n-Typ ist ausgebildet, so daß diese den Ätzbereich der Struktur umgekehrter Dreiecke vergräbt; zwei Gate-Elektroden 12 befinden sich auf der oberen Flä che der Halbleiterschichtstruktur eng beieinander, die Source-Elektrode 10 und die Drain-Elektrode 11 liegen einander gegenüber, wobei zwischen diesen die zwei Gate- Elektroden 12 liegen; eine geeignete Spannung wird an die Gate-Elektroden 12 angelegt, so daß der Elektronenspei cherbereich 7, der sich direkt unterhalb der Gate-Elek troden 12 befindet, verarmt wird, um einen Quantenpunkt zu erzeugen, der den Bereich aufweist, der zwischen den zwei Gate-Elektroden liegt, wodurch ein Elektron in die sem Bereich isoliert wird; das Elektron wird aufeinander folgend einzeln zwischen der Source und der Drain ge führt, indem eine Spannung mit hoher Frequenz an die zwei Gate-Elektroden mit einer Phasenverschiebung von π ange legt wird. Dementsprechend kann die Einzelelektronenvor richtung nach dem Stand der Technik nicht hergestellt werden, so daß diese eine Kanalbreite aufweist, die aus reichend schmal ist, und kann mit der Ausnahme des Be triebes bei einer ziemlich niedrigen Temperatur von 10 K nicht betrieben werden. Da es ferner nicht möglich ist, die Kanalbreite ausreichend schmal zu gestalten, kann diese nicht als Einzelelektronenvorrichtung betrieben werden, ohne daß ein Seitengate vorgesehen wird, woraus sich die Untauglichkeit in bezug auf das parallele Vorse hen von einer Vielzahl von Kanälen ergibt. In diesem zwölften Ausführungsbeispiel ist es jedoch auf einfache Weise möglich, die Kanalbreite auf ungefähr 20 nm zu bringen; da kein Seitengate erfordert wird, ist es eben falls möglich, eine Mehrkanalvorrichtung vorzusehen. Das Vorsehen einer Mehrkanalvorrichtung der Einzelelektronen vorrichtung ist ein sehr wichtiges Elementverfahren, das erforderlich ist, wo eine Vielzahl von Funktionen vorge sehen sind und eine ausreichende Leitung in der Einzel elektronenvorrichtung erhalten wird. Dieses Vorsehen einer Mehrkanalvorrichtung einer Einzelelektronenvorrich tung kann einfach ausgeführt werden, wodurch ein logi sches Element erhalten werden kann, mit dem es durch seine hohe Beweglichkeit möglich ist, eine Operation mit hoher Geschwindigkeit auszuführen.

Die Fig. 10(a) und 10(b) sind eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Strukturansicht eines logischen Einzel elektronenelements entsprechend einem dreizehnten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Strich- Punktlinie in der Figur stellt Positionen der Elektronen speicherbereiche 7a bzw. 7b des elften Ausführungsbei spiels dar. Die grundlegende Kristallstruktur des elften Ausführungsbeispiels ist mit der Ausnahme der zwei Gate- Elektroden 12a und 12b die gleiche wie die des zehnten Ausführungsbeispiels, wobei die Elektroden über entspre chenden Kanälen zwischen der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11 vorgesehen sind.

Es wird die Beschreibung des Betriebsprinzips dieses dreizehnten Ausführungsbeispiels vorgenommen. Wie es im zwölften Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kann durch das Anlegen einer geeigneten Gate-Spannung an die Gate- Elektroden 12a und 12b und das Anlegen einer Spannung mit hoher Frequenz an die beiden Gate-Elektroden 12a und 12b mit der Phasenverschiebung π der Stromwert zwischen der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11 genau auf dem Pegel eines Elektrons sein. In diesem dreizehnten Ausführungsbeispiel sind die erste Gate-Elektrode 12a und die zweite Gate-Elektrode 12b in Reihe vorgesehen, anders ausgedrückt so, daß sich die beiden Gate-Elektroden auf den zwei Elektronenspeicherbereichen 7a und 7b befinden; nur wenn eine Spannung mit hoher Frequenz an die beiden Gate-Elektroden 12a und 12b gleichzeitig angelegt wird, treten die Source und der Drain in die Ein-Zustände. Wenn die Gate-Elektrode 12a als A bezeichnet wird bzw. die zweite Gate-Elektrode 12b als B, wird die Wahrheitswerte tabelle, die die Beziehung zwischen den beiden Werten und dem Ausgang X zwischen der Source und dem Drain dar stellt, die in Fig. 12(a) gezeigte, wodurch dargestellt ist, daß dieses Element als ein UND-Verknüpfungsglied dient.

Beim dreizehnten Ausführungsbeispiel, bei dem die grundlegende Kristallstruktur die gleiche wie beim zehn ten Ausführungsbeispiel ist, befinden sich die zwei Grup pen von Gate-Elektroden 12a und 12b zwischen der Source- Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11 in Reihe; anders ausgedrückt, die beiden Gate-Elektroden befinden sich auf entsprechenden Kanälen, wodurch durch nur eine Einzel elektronenvorrichtung eine UND-Schaltung gebildet werden kann; ein logisches Element kann erhalten werden, das durch seine hohe Beweglichkeit in der Lage ist, eine Ope ration mit hoher Geschwindigkeit auszuführen.

Die Fig. 11(a) und 11(b) sind eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Strukturansicht eines logischen Einzel elektronenelements entsprechend einem vierzehnten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Strich- Punktlinie in der Figur stellt die Positionen der Elek tronenspeicherbereiche 7a bzw. 7b dar. Das vierzehnte Ausführungsbeispiel hat die gleiche grundlegende Kri stallstruktur wie die des zwölften Ausführungsbeispiels; ein Paar von Gate-Elektroden 12a, 12b befindet sich je weils auf den Elektronenspeicherbereichen 7a und 7b und zwischen der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11, um durch den Quantenpunkt des Kanals das Ein- oder Ausschalten des Stroms zu ermöglichen.

Das Betriebsprinzip des vierzehnten Ausführungsbei spiels wird beschrieben. Im vierzehnten Ausführungsbei spiel sind die erste Gate-Elektrode 12a und die zweite Gate-Elektrode 12b zwischen der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11 parallel vorgesehen; die jeweili gen Gate-Elektroden befinden sich auf einem der Elektro nenspeicherbereiche 7a und 7b. Dementsprechend geht der Pfad zwischen Source und Drain in den Ein-Zustand, wenn an zumindest eine der Gate-Elektroden 12a und 12b eine Spannung mit hoher Frequenz angelegt wird. Das heißt daß, wenn die erste Gate-Elektrode 12a als A bzw. die zweite Gate-Elektrode 12b als B bezeichnet wird, die Wahrheits wertetabelle, die die Beziehung zwischen A und B und dem Ausgang X zwischen Source und Drain darstellt, sich ge staltet, wie es in Fig. 12(b) gezeigt ist. Durch diese Wahrheitswertetabelle wird dargestellt, daß dieses Ele ment als ein ODER-Verknüpfungsglied arbeitet.

In diesem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Verbindung befinden sich bei der grundlegenden Kristallstruktur, die die gleiche wie die des zwölften Ausführungsbeispiels ist, zwei Gate-Elektroden 12a und 12b zwischen der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elek trode 11 parallel zueinander; dadurch wird durch nur eine Einzelelektronenvorrichtung eine ODER-Schaltung gebildet. Dementsprechend kann ein logisches Element erhalten wer den, mit dem es durch seine große Beweglichkeit bedingt möglich ist, eine Operation mit hoher Geschwindigkeit auszuführen.

Die Fig. 13(a) und 13(b) sind eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Strukturansicht einer Einzelelektronen vorrichtung entsprechend einem fünfzehnten Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung. Das fünfzehnte Aus führungsbeispiel wird gebildet, indem Gate-Elektroden 12a, 12b, 12c und 12d zwischen der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11 bei jeweiligen Kanälen ange ordnet werden, die durch die Elektronenspeicherbereiche 7a, 7b, 7c und 7d ausgebildet sind, so daß die jeweiligen Gate-Elektroden 12a, 12b, 12c und 12d jeweilige Kanäle ein- oder ausschalten können.

In diesem fünfzehnten Ausführungsbeispiel wird unter der Annahme, daß der Stromwert im Ein-Zustand von einem der Kanäle 7a, 7b, 7c und 7d I = n_ef (A) ist, wenn die zwei Kanäle eingeschaltet sind, der Wert des fließenden Stromes 21(A); wenn M Kanäle eingeschaltet sind, wird der Wert des fließenden Stromes MI(A); dadurch kann der Stromwert der M Stufen als eine Informationseinheit über tragen werden.

Bei dieser Einzelelektronenvorrichtung des fünfzehn ten Ausführungsbeispiels kann, da sich jeweilige Kanäle, die durch Elektronenspeicherbereiche 7a bis 7d ausgebil det sind, so angeordnet sind, daß diese durch das jewei lige Paar von Elektroden 12a zwischen der Source-Elek trode 10 und der Drain-Elektrode 11 ein- oder ausgeschal tet werden, indem die Anzahl der sich ein- oder ausschal tenden Kanäle gesteuert wird, eine Einzelelektronenvor richtung erhalten werden, die den laufenden Wert der M Stufen als eine Informationseinheit übertragen kann. Fer ner kann ein logisches Element erhalten werden, das auf grund seiner großen Beweglichkeit in der Lage ist, eine Operation mit hoher Geschwindigkeit auszuführen.

Die Fig. 14(a) und 14(b) sind eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Strukturansicht einer Einzelelektronen vorrichtung (eines Informationsübertragungselement) ent sprechend einem sechzehnten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung. Das sechzehnte Ausführungsbeispiel sieht ein Paar von Gate-Elektroden 12a, 12b, 12c bzw. 12d an jeweiligen Kanälen 7a, 7b, 7c und 7d vor und sieht ferner Drain-Elektroden 11a, 11b, 11c bzw. 11d vor, die für jeweilige Kanäle unabhängig sind.

Im sechzehnten Ausführungsbeispiel kann, da sich ein Paar von Gate-Elektroden an den jeweiligen Kanälen befin den und Drain-Elektroden unabhängig für jeweilige Kanäle vorgesehen sind, eine Informationsübertragung ausgeführt werden, die den jeweiligen Kanal als ein Bit verwendet. Ferner kann ein logisches Element erhalten werden, das durch seine große Beweglichkeit bedingt in der Lage ist, eine Operation mit hoher Geschwindigkeit auszuführen.

Fig. 14, die bei der vorstehenden Beschreibung ver wendet wird, stellt eine Vorrichtung mit 4 Bit dar, aber auch ein Informationsübertragungselement mit 8 Bit und 16 Bit kann in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben erzeugt werden.

Die Fig. 15(a) und 15(b) sind eine geschnittene Strukturansicht am (0/11)-Querschnitt bzw. eine geschnit tene Strukturansicht am (011)-Querschnitt einer Einzel elektronenvorrichtung entsprechend einem siebzehnten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Einzelelektronenvorrichtung des siebzehnten Aus führungsbeispiels bildet ein Element, das der Einzelelek tronenvorrichtung des zehnten Ausführungsbeispiels ent spricht, hat jedoch eine Struktur, die eine undotierte GaAs-Schicht 2 und eine Al_0,3Ga_0,3As-Abstandsschicht 3, eine Al_0,3Ga_0,3As-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ und eine GaAs-Schicht 5 vom n-Typ aufweist, die auf ein halb isolierendes GaAs-Substrat 1 aufeinanderfolgend laminiert sind. Ein Abschnitt der undotierten AlGaAs-Abstands schicht 3 ist zu einem Querschnitt mit einer Struktur eines umgedrehten Dreiecks geätzt, wie es in Fig. 15(b) gezeigt ist. Die Tiefe des Konkav-Abschnitts ändert sich in Längsrichtung periodisch, d. h. Tiefenbereiche des tiefen Ätzens sind an den drei Abschnitten (3a, 3c, 3e) vorgesehen und Tiefenbereiche des flachen Ätzens sind an den zwei Abschnitten (3b, 3d) vorgesehen. Die AlGaAs- Elektronenzuführschicht 4 ist ausgebildet, so daß diese die periodische Konkav-Konvex-Struktur vergräbt; eine Source-Elektrode 11 und eine Drain-Elektrode 10 befinden sich in dem Bereich, in dem diese einander gegenüberlie gen und in dem zwischen diesen die Vielzahl von nahen Gate-Elektroden 12 liegt, auf der oberen Fläche der Halb leiterschichtstruktur.

Entsprechend der Struktur des siebzehnten Ausfüh rungsbeispiels wird, wie es ebenfalls im sechsten Ausfüh rungsbeispiel gezeigt ist, während ein Elektron mit einer hohen Konzentration im Bereich (3a, 3c, 3e) der dünnen Abstandsschicht 3 gespeichert wird, ein Elektron in dem Bereich (3b, 3d) der dicken Abstandsschicht kaum gespei chert. Als Ergebnis ergibt sich eine Konzentrationsver teilung, wie diese in Fig. 6(b) gezeigt ist. Dementspre chend kann bei einer geeigneten Vorspannung das Elektron in dem Bereich, der durch die periodische Struktur zwi schengefügt wurde, isoliert werden; durch das Anlegen ei ner Spannung mit hoher Frequenz an die Gate-Elektrode 12 in diesem Zustand kann eine Einzelelektronenvorrichtung in ähnlicher Weise wie im zwölften Ausführungsbeispiel umgesetzt werden.

Das siebzehnte Ausführungsbeispiel wird gebildet, in dem durch Verwendung der grundlegenden Kristallstruktur, die im sechsten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, die gleiche Funktion wie beim zwölften Ausführungsbeispiel umgesetzt wird. Bei diesem siebzehnten Ausführungsbei spiel ist es durch den Aufbau der Vorrichtung gemäß Vor beschreibung einfach möglich, eine schmale Kanalbreite bis zu ungefähr 20 nm zu erhalten; es ist ebenfalls mög lich, eine Mehrkanalvorrichtung einfach vorzusehen, da kein Seitengate erforderlich ist. Ferner kann die Einzel elektronenvorrichtung als logisches Element erhalten wer den, das durch seine hohe Beweglichkeit bedingt in der Lage ist, eine Operation mit hoher Geschwindigkeit auszu führen.

Das siebzehnte Ausführungsbeispiel hat die gleiche Funktion wie das zwölfte Ausführungsbeispiel, in dem eine grundlegende Kristallstruktur, die im sechsten Ausfüh rungsbeispiel gezeigt ist, verwendet wird. In ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben, kann durch die Verwen dung einer im sechsten Ausführungsbeispiel gezeigten kri stallinen Struktur eine in den Ausführungsbeispielen 13 bis 16 gezeigte Vorrichtung gebildet werden.

Die Erfindung, die unter Bezugnahme auf das erste bis achte Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, bildet eine Quantendrahtüberstruktur oder eine Einzelelektronenvor richtung, indem in Längsrichtung des Quantendrahtes ein periodisches Potential eingeleitet wird und indem die Er findung in bezug auf einen Quantendraht, der durch die Erfindungen dieses Ausführungsbeispiels ausgeführt wird, entwickelt wird.

In der vorstehend beschriebenen japanischen Patent veröffentlichung Nr. Hei. 4-199519 ist ein Beispiel mit einer Struktur ausgebildet, die eine undotierte GaAs- Schicht 2, eine undotierte AlGaAs-Abstandsschicht 3, eine AlGaAs-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ und eine GaAs- Schicht 5 vom n-Typ aufweist, die auf ein halbisolieren des GaAs-Substrat 1 aufeinanderfolgend laminiert sind; ein Abschnitt der undotierten AlGaAs-Abstandsschicht 3 ist zu einer Struktur umgekehrter Dreiecke geätzt; die AlGaAs-Elektronenzuführschicht 4 vom n-Typ ist ausgebil det, so daß diese den geätzten Bereich der Struktur umge kehrter Dreiecke vergräbt.

Durch die Untersuchungen jedoch, die im Anschluß an gestellt wurden, wird durch die Verwendung von In_0,15Ga_0,85As statt von GaAs für die Tunnelschicht ver deutlicht, daß eine größere Beweglichkeit und eine höhere Elektronenkonzentration umgesetzt werden. Dementsprechend kann durch die Verwendung einer in den Ansprüchen 19 bis 23 gezeigten Struktur als eine grundlegende Struktur des Quantendrahtes ein Quantendraht mit guter Qualität ausge bildet werden; bessere Kennlinien können einfach umge setzt werden, selbst wenn eine Quantendrahtüberstruktur auf eine Einzelelektronenvorrichtung angewendet wird.

Eine Halbleitervorrichtung weist daher ein halbiso lierendes Halbleitersubstrat und eine Halbleiterschicht struktur auf, die zumindest eine undotierte Schicht einer ersten Art von Halbleiter, eine undotierte Abstands schicht, die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, und eine Elektronenzuführ schicht vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter auf weist, aufweist, die aufeinanderfolgend auf das Substrat laminiert sind; die undotierte Schicht hat eine flache obere Fläche und eine flache untere Fläche; die undotier te Abstandsschicht ist auf der flachen oberen Fläche der undotierten Schicht ausgebildet und hat eine Quer schnittsstruktur, deren obere Fläche eine periodische Konkav-Konvex-Struktur hat und deren untere Fläche flach ist; die Elektronenzuführschicht vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter ist mit einer Querschnittsstruktur versehen, deren obere Fläche flach ist und die eine unte re Fläche hat, die Konkavabschnitte vergräbt, die durch die oberen Flächen der Konkav-Konvex-Struktur der undo tierten Abstandsschicht ausgebildet sind; eine Vielzahl von Schottky-Elektroden ist auf der flachen oberen Fläche der Elektronenzuführschicht vom n-Typ ausgebildet und ist in einer Richtung angeordnet, die zur Ebene des Quer schnitts senkrecht verläuft, bei dem die periodische Kon kav-Konvex-Struktur der oberen Fläche der undotierten Ab standsschicht periodisch auftritt.

Claims

1. Halbleitervorrichtung (Fig. 1), die aufweist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (1) mit einer oberen und einer unteren Fläche,
eine Halbleiterschichtstruktur mit zumindest einer undotierten Schicht (2) einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, einer undotierten Abstandsschicht (3), die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, mit einer oberen und einer unteren Fläche und einer Elektro nenzuführschicht (4) vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, die auf der oberen Fläche des halbisolie renden Halbleitersubstrats (1) aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet sind,
wobei die ausgebildete undotierte Schicht (2) eine flache obere Fläche und eine flache untere Fläche hat,
wobei die undotierte Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter mit einer Querschnittsstruktur verse hen ist, deren obere Fläche eine periodische Konkav-Kon vex-Struktur hat und deren untere Fläche eine flache Flä che ist, die auf der flachen oberen Fläche der undotier ten Schicht (2) ausgebildet ist,
wobei die Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter mit einer Querschnittsstruktur versehen ist, deren obere Fläche flach ist und deren un tere Fläche eine Fläche ist, die Konkavabschnitte ver gräbt, die durch die oberen Flächen der Konkav-Konvex- Struktur der undotierten Abstandsschicht (3) gebildet sind, und
wobei eine Vielzahl von Schottky-Elektroden (6) auf der flachen oberen Fläche der Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ ausgebildet ist und in einer Richtung angeord net ist, die zur Ebene des Querschnitts senkrecht ver läuft, bei dem der Konkav-Konvex-Charakter der periodi schen Konkav-Konvex-Struktur der oberen Fläche der undo tierten Abstandsschicht (3) periodisch auftritt.

2. Halbleitervorrichtung (Fig. 1) nach Anspruch 1, bei der das Halbleitersubstrat (1) ein GaAs-Substrat ist, die erste Art von Halbleiter GaAs ist und die zweite Art von Halbleiter AlGaAs ist.

3. Halbleitervorrichtung (Fig. 19) nach Anspruch 1, bei der das Halbleitersubstrat (1) ein GaAs-Substrat ist und die Halbleiterschichtstruktur zumindest eine undo tierte InGaAs-Schicht (2a) der ersten Art von Halbleiter, der In zugefügt ist, eine undotierte AlGaAs-Abstands schicht (3) der zweiten Art von Halbleiter und eine AlGaAs-Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter aufweist, die aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet sind.

4. Halbleitervorrichtung (Fig. 19) nach Anspruch 1, bei der das Halbleitersubstrat (1) ein GaAs-Substrat ist und die Halbleiterschichtstruktur zumindest eine undo tierte GaAs-Schicht (20), eine undotierte InGaAs-Schicht (2a) der ersten Art von Halbleiter, der Indium zugefügt ist, eine undotierte AlGaAs-Abstandsschicht (3) der zwei ten Art von Halbleiter und eine AlGaAs-Elektronenzuführ schicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter auf weist, die aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet sind.

5. Halbleitervorrichtung (Fig. 20) nach Anspruch 1, bei der das Halbleitersubstrat (1) ein InP-Substrat ist, die erste Art von Halbleiter InGaAs ist und die zweite Art von Halbleiter AlInAs ist.

6. Halbleitervorrichtung (Fig. 20) nach Anspruch 1, bei der das Halbleitersubstrat (1) ein InP-Substrat ist und die Halbleiterschichtstruktur zumindest eine undo tierte InGaAs-Schicht (2b) der ersten Art von Halbleiter, eine undotierte AlInAs-Abstandsschicht (3b) der zweiten Art von Halbleiter und eine AlInAs-Elektronenzuführ schicht (4b) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter aufweist, die aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebil det sind.

7. Halbleitervorrichtung (Fig. 20) nach Anspruch 1, bei der das Halbleitersubstrat (1) ein InP-Substrat ist und die Halbleiterschichtstruktur zumindest eine undo tierte AlInAs-Schicht (20b), eine undotierte InGaAs- Schicht (2b) der ersten Art von Halbleiter, eine undo tierte AllnAs-Abstandsschicht (3b) der zweiten Art von Halbleiter und eine AlInAs-Elektronenzuführschicht (4b) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter aufweist, die aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet sind.

8. Halbleitervorrichtung (Fig. 21) nach Anspruch 1, bei der das Halbleitersubstrat (1b) ein InP-Substrat ist und die Halbleiterschichtstruktur zumindest eine undo tierte AlInAs-Schicht (20b), eine undotierte InGaAs- Schicht (2b) der ersten Art von Halbleiter, eine undo tierte AlInAs-Abstandsschicht (3b) der zweiten Art von Halbleiter und eine AlInAs-Elektronenzuführschicht (4b) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter sowie eine undo tierte AlInAs-Deckschicht (8b) aufweist, die aufeinander folgend durch Wachstum ausgebildet sind.

9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Querschnitt der periodischen Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht (3) Dreiecksstruktur hat.

10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die geneigte Fläche der periodischen Konkav-Konvex-Struk tur der undotierten Abstandsschicht (3) eine (111)B-Flä che aufweist.

11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Querschnitt der periodischen Konkav-Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht (3) ein Querschnitt ist, bei dem sich die Tiefe der konkaven Struktur in Längs richtung periodisch ändert.

12. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervor richtung (Fig. 3), wobei die Vorrichtung aufweist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (1) mit einer oberen und einer unteren Fläche,
eine Halbleiterschichtstruktur mit zumindest einer undotierten Schicht (2) einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen und einer unteren Fläche, einer undo tierten Abstandsschicht (3), die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, mit einer oberen und einer unteren Fläche und einer Elektro nenzuführschicht (4) vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, die auf der oberen Fläche des halbisolie renden Halbleitersubstrats (1) aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet sind,
wobei die ausgebildete undotierte Schicht (2) eine flache obere Fläche und eine flache untere Fläche hat,
wobei die undotierte Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter mit einer Querschnittsstruktur verse hen ist, deren obere Fläche eine periodische Konkav-Kon vex-Struktur hat und deren untere Fläche eine flache Flä che ist, die auf der flachen oberen Fläche der undotier ten Schicht (2) ausgebildet ist,
wobei die Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter mit einer Querschnittsstruktur ausgebildet ist, deren obere Fläche flach ist und deren untere Fläche eine Fläche hat, die Konkavabschnitte ver gräbt, die durch die oberen Flächen der Konkav-Konvex- Struktur der undotierten Abstandsschicht (3) ausgebildet sind, und
wobei eine Vielzahl von Schottky-Elektroden (6) auf der flachen oberen Fläche der Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ ausgebildet ist und in einer Richtung angeord net ist, die zur Ebene des Querschnitts senkrecht ver läuft, bei dem der Konkav-Konvex-Charakter der periodi schen Konkav-Konvex-Struktur der oberen Fläche der undo tierten Abstandsschicht (3) periodisch auftritt,
wobei das Verfahren beinhaltet:
das Aufwachsen einer Struktur, die zumindest die un dotierte Schicht (2) der ersten Art von Halbleiter und die undotierte Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter, die eine geringere Elektronenaffinität als die erste Art von Halbleiter hat, aufweist, auf das halb isolierende Halbleitersubstrat (1),
das Bearbeiten der undotierten Abstandsschicht (3), die die zweite Art von Halbleiter aufweist, so daß diese die periodische Konkav-Konvex-Struktur aufweist,
das Ausbilden der Elektronenzuführschicht (4) vom n- Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, so daß diese die periodische Konkav-Konvex-Struktur der undo tierten Abstandsschicht (3) vergräbt, und
das Ausbilden einer Vielzahl von Schottky-Elektroden (6) auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur periodisch in der Richtung, die zur periodischen Konkav- Konvex-Struktur der undotierten Abstandsschicht (3) senk recht verläuft.

13. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei dem der Prozeß der Bearbeitung der undotierten Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halb leiter, damit diese die periodische Konkav-Konvex-Struk tur aufweist, ausgeführt wird, indem eine Oberflächenrei nigung der undotierten Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter bei einer Temperatur von weniger als 450°C und einer Atmosphäre ausgeführt wird, der ein Ätz gas, das die zweite Art von Halbleiter ätzt, ein Gas der V Gruppe und Wasserstoffgas gleichzeitig zugeführt wird, und indem ein Gas-Ätzen bei einer Temperatur von mehr als 450°C und einer Atmosphäre durchgeführt wird, der ein Ätzgas, das die zweite Art von Halbleiter ätzt, ein Gas der V Gruppe und Wasserstoffgas gleichzeitig zugeführt werden.

14. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, das ferner das Ausbilden einer GaAs- Deckschicht (8b) auf der undotierten Abstandsschicht (3), die die zweite Art von Halbleiter aufweist, im Anschluß an den Prozeß der Ausbildung der AlGaAs-Schicht aufweist und wobei
die Bearbeitung der undotierten Abstandsschicht (3), die die zweite Art von Halbleiter aufweist, um die peri odische Konkav-Konvex-Struktur aufzuweisen, beinhaltet:
das Ausführen der Oberflächenreinigung bei der GaAs- Deckschicht (8b) bei einer Temperatur von weniger als 450°C und einer Atmosphäre, der ein Ätzgas, das AlGaAs ätzt, ein Gas der V Gruppe und Wasserstoffgas gleichzei tig zugeführt werden, und dann
das Ausführen des Gas-Ätzens bei der GaAs-Deckschicht (8b) und der undotierten Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter bei einer Temperatur von mehr als 450°C und einer Atmosphäre, der ein Ätzgas, das GaAs und AlGaAs ätzt, ein Gas der V Gruppe und Wasserstoffgas gleichzeitig zugeführt wird.

15. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, bei dem das Ätzgas, das AlGaAs oder AlInAs als zweite Art von Halbleiter ätzt, aus einem Gas, das Chlor aufweist, einem Gas, das Brom aufweist, und einem Gas, das Jod aufweist, ausgewählt wird.

16. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 14, bei dem das Ätzgas, das AlGaAs als zweite Art von Halbleiter genauso wie GaAs der GaAs- Deckschicht (8b) ätzt, aus einem Gas, das Chlor aufweist, einem Gas, das Brom aufweist, und einem Gas, das Jod auf weist, ausgewählt wird.

17. Herstellungsverfahren einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei dem nach dem Ausbilden der periodi schen Konkav-Konvex-Struktur der Abstandsschicht (3), wo bei das Gas-Ätzen in einer Kammer verwendet wird, das Aufwachsen der Elektronenzuführschicht (4) in der glei chen Kammer oder in einer Wachstumskammer, die mit der Kammer verbunden ist, ausgeführt wird.

18. Einzelelektronenvorrichtung (Fig. 9), die eine Struktur mit zumindest einer undotierten Schicht (2) einer ersten Art von Halbleiter, einer undotierten Ab standsschicht (3), die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, und einer Elektronen zuführschicht (4) vom n-Typ, die die zweite Art von Halb leiter aufweist, aufweist, die aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet sind,
wobei Abschnitte der undotierten Abstandsschicht (3), die die zweite Art von Halbleiter aufweist, geätzt sind, so daß diese im Querschnitt an zumindest zwei Punkten Strukturen umgekehrter Dreiecke aufweisen,
wobei die ausgebildete Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter Bereiche der un dotierten Abstandsschicht (3) vergräbt, die geätzt sind, so daß diese im Querschnitt die Strukturen umgekehrter Dreiecke haben,
eine Vielzahl von Gate-Elektroden (12), die sich auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur befinden und nahe zueinander in einer Richtung angeordnet sind, die zu dem Querschnitt senkrecht verläuft, der die Struk turen umgekehrter Dreiecke der undotierten Abstands schicht (3) aufweist, und eine Source-Elektrode (10) und eine Drain-Elektrode (11), die sich auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur befinden, einander gegen überliegen und zwischen denen die Vielzahl von Gate-Elek troden (12) liegt, und
wobei ein einzelnes Elektron oder eine Vielzahl von Elektronen in Elektronenspeicherbereichen (7) in der un dotierten Schicht (2) der ersten Art von Halbleiter vor liegen, wobei die Bereiche Kanten der Struktur umgekehr ter Dreiecke der undotierten Abstandsschicht (3) gegen überliegen, die durch Ätzen ausgebildet sind, um im Quer schnitt Strukturen umgekehrter Dreiecke aufzuweisen, und wobei das einzelne Elektron oder die Vielzahl von Elek tronen durch das Anlegen einer Spannung an die Gate-Elek trode (12) geschaltet wird, wodurch die Operation der Einzelelektronenvorrichtung ermöglicht wird.

19. Einzelelektronenvorrichtung (Fig. 9) nach An spruch 18, bei der solche Gate-Spannungen, die es ermög lichen, daß ein Elektron kaum direkt unterhalb der Gate- Elektroden (12) tunnelt, an die Gate-Elektroden (12) an gelegt werden und Spannungen mit hoher Frequenz, die eine Phasenverschiebung von µ zueinander haben, an die zwei Gate-Elektroden (12) angelegt werden, wodurch ermöglicht wird, daß ein Elektron zwischen der Source-Elektrode (10) und der Drain-Elektrode (11) in entsprechenden Kanälen einzeln aufeinanderfolgend geführt wird, die die Elektro nenspeicherbereiche (7) in der undotierten Schicht (2) der ersten Art von Halbleiter aufweisen, wobei die Berei che Kanten der Struktur umgekehrter Dreiecke der undo tierten Abstandsschicht (3) gegenüberliegen, die durch Ätzen ausgebildet sind, so daß diese im Querschnitt Strukturen umgekehrter Dreiecke aufweisen.

20. Einzelelektronenvorrichtung (Fig. 10) nach An spruch 19, bei der ein erstes Paar und ein zweites Paar von Gate-Elektroden (12a, 12b) vorgesehen sind, so daß jeweilige Paare von Gate-Elektroden (12a, 12b) die Ge samtheit der Vielzahl von Kanälen abdecken, die die Elek tronenspeicherbereiche (7) in der undotierten Schicht (2) der ersten Art von Halbleiter aufweisen, und ein logi sches UND-Element vorgesehen wird, bei dem, nur wenn Spannungen an das erste und das zweite Paar von Gate- Elektroden (12a, 12b) gleichzeitig angelegt sind, der Pfad zwischen der Source-Elektrode (10) und der Drain- Elektrode (11) in einen leitenden Zustand tritt.

21. Einzelelektronenvorrichtung (Fig. 11) nach An spruch 19, bei der ein erstes Paar und ein zweites Paar von Gate-Elektroden (12a, 12b) vorgesehen sind, so daß ein jeweiliges Paar von Gate-Elektroden (12a, 12b) einen jeweiligen der Vielzahl von Kanälen abdeckt, die die Elektronenspeicherbereiche (7) in der undotierten Schicht (2) der ersten Art von Halbleiter aufweisen, und ein lo gisches ODER-Element vorgesehen wird, bei dem, wenn eine Spannung an das erste oder zweite Paar von Gate-Elektro den (12a, 12b) oder an beide angelegt wird, der Pfad zwi schen der jeweiligen Source-Elektrode (10) und der jewei ligen Drain-Elektrode (11) in einen leitenden Zustand tritt.

22. Einzelelektronenvorrichtung (Fig. 13) nach An spruch 19, bei der ein Paar von Gate-Elektroden (12a, 12b) jeweils am jeweiligen der Vielzahl von Kanälen ange ordnet ist, die die Elektronenspeicherbereiche (7) in der undotierten Schicht (2) der ersten Art von Halbleiter aufweisen, und eine Einzelelektronenvorrichtung vorgese hen wird, bei der bei vorgesehener Source-Elektrode (10) und Drain-Elektrode (11) die Übertragung eines M-Schritt- Stromwertes als eine Informationseinheit erfolgt.

23. Einzelelektronenvorrichtung (Fig. 14) nach An spruch 19, bei der Gate-Elektroden (12a, 12b) jeweils für entsprechende Kanäle angeordnet sind, die die Elektronen speicherbereiche (7) in der undotierten Schicht (2) der ersten Art von Halbleiter aufweisen, die Drain-Elektroden (11) unabhängig für jeden der jeweiligen Kanäle angeord net sind, eine Source-Elektrode (10) gemeinsam für die Gate-Elektroden (12a, 12b) und die Drain-Elektroden (11) angeordnet ist und eine Einzelelektronenvorrichtung vor gesehen wird, bei der eine Informationsübertragung ermög licht wird, bei der ein jeweiliger der Kanäle als ein Bit verwendet wird.

24. Einzelelektronenvorrichtung (Fig. 15), die auf weist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (1) mit einer oberen und einer unteren Fläche,
eine Halbleiterschichtstruktur mit zumindest einer undotierten Schicht (2) einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, einer undotierten Abstandsschicht (3), die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, mit einer oberen und einer unteren Fläche und einer Elektro nenzuführschicht (4) vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, die auf der oberen Fläche des halbisolie renden Halbleitersubstrats (1) aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet sind,
wobei Abschnitte der undotierten Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter geätzt sind, damit diese im Querschnitt die Strukturen umgekehrter Dreiecke haben, so daß sich die Tiefe des Konkavabschnitts in Längsrich tung periodisch ändert, wodurch bei einer Vielzahl von Abschnitten flache Bereiche ausgebildet sind,
wobei eine Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter ausgebildet ist, so daß diese die periodische Konkav-Konvex-Struktur vergräbt, die undotierte Abstandsschicht (3) ausgebildet ist,
eine Vielzahl von Gate-Elektroden (12), die sich nahe zueinander auf der oberen Fläche der Halbleiterschicht struktur befinden und entsprechend den flachen Abschnit ten bezüglich der Ätztiefe der Abstandsschicht (3) ange ordnet sind, und
eine Source-Elektrode (10) und eine Drain-Elektrode (11), die sich in Bereichen, die einander gegenüberliegen und zwischen denen die Gate-Elektroden (12) liegen, auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur befinden.

25. Einzelelektronenvorrichtung nach Anspruch 18, bei der der Querschnitt der periodischen Konkav-Konvex-Struk tur der undotierten Abstandsschicht (3) Dreiecksstruktur hat.

26. Einzelelektronenvorrichtung nach Anspruch 18, bei der die geneigte Fläche der periodischen Konkav-Konvex- Struktur der undotierten Abstandsschicht (3) eine (111)B- Fläche aufweist.

27. Einzelelektronenvorrichtung nach Anspruch 18, bei der sich eine Struktur, die zumindest eine undotierte InGaAs-Schicht (2b) der ersten Art von Halbleiter, eine undotierte AlGaAs-Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter und eine AlGaAs-Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter aufweist, auf dem halbisolierenden Substrat (1), das GaAs aufweist, be findet.

28. Einzelelektronenvorrichtung nach Anspruch 18, bei der sich eine Struktur, die zumindest eine undotierte GaAs-Schicht (2), eine undotierte InGaAs-Schicht (2b) der ersten Art von Halbleiter, eine undotierte AlGaAs-Ab standsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter und eine AlGaAs-Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter aufweist, auf dem halbisolierenden Substrat (1), das GaAs aufweist, befindet.

29. Einzelelektronenvorrichtung nach Anspruch 18, bei der sich eine Struktur, die zumindest eine undotierte AlInAs (20b), eine undotierte InGaAs-Schicht (2b) der ersten Art von Halbleiter, eine undotierte AlInAs-Ab standsschicht (3b) der zweiten Art von Halbleiter und eine AlInAs-Elektronenzuführschicht (4b) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter aufweist, auf einem halbiso lierenden Substrat (1), das InP aufweist, befindet.

30. Herstellungsverfahren einer Einzelelektronenvor richtung (Fig. 9), wobei die Vorrichtung aufweist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (1) mit einer oberen und einer unteren Fläche,
eine Halbleiterschichtstruktur mit zumindest einer undotierten Schicht (2) einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen und einer unteren Fläche, einer undo tierten Abstandsschicht (3), die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche und einer Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, die auf die obere Fläche des halb isolierenden Halbleitersubstrats (1) aufeinanderfolgend laminiert sind,
wobei die ausgebildete undotierte Schicht (2) eine flache obere Fläche und eine flache untere Fläche hat,
wobei die undotierte Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter mit einer Querschnittsstruktur verse hen ist, deren obere Fläche eine periodische Konkav-Kon vex-Struktur hat und deren untere Fläche eine flache Flä che aufweist, die auf der flachen oberen Fläche der undo tierten Schicht (2) ausgebildet ist,
wobei die Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter mit einer Querschnittsstruktur versehen ist, deren obere Fläche flach ist und deren un tere Fläche eine Fläche hat, die Konkavabschnitte ver gräbt, die durch die oberen Flächen der Konkav-Konvex- Struktur der undotierten Abstandsschicht (3) ausgebildet sind, und
wobei eine Vielzahl von Schottky-Elektroden (6) auf der flachen oberen Fläche der Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ ausgebildet ist und in einer Richtung angeord net sind, die zur Ebene des Querschnitts senkrecht ver läuft, mit dem der Konkav-Konvex-Charakter der periodi schen Konkav-Konvex-Struktur der oberen Fläche der undo tierten Abstandsschicht (3) periodisch auftritt,
wobei das Verfahren beinhaltet:
das Aufwachsen einer Halbleiterschichtstruktur, die zumindest die undotierte Schicht (2), die eine erste Art von Halbleiter aufweist, und die undotierte Abstands schicht (3), die die zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die erste Art von Halbleiter ist, aufweist, die auf dem halbisolie renden Halbleitersubstrat (1) aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet werden,
das Ätzen des Abschnitts der undotierten Abstands schicht (3), die die zweite Art von Halbleiter aufweist, um im Querschnitt an zumindest zwei Punkten die Struktu ren umgekehrter Dreiecke aufzuweisen,
das Ausbilden der Elektronenzuführschicht (4) vom n- Typ der zweiten Art von Halbleiter, wobei Bereiche der undotierten Abstandsschicht (3) vergraben werden, die ge ätzt sind, um zumindest an zwei Punkten im Querschnitt die Strukturen umgekehrter Dreiecke aufzuweisen,
das Ausbilden einer Vielzahl von Gate-Elektroden (12) auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur in Bereichen, die dicht beieinander liegen, die in einer Richtung angeordnet sind, die zu dem Querschnitt senk recht verläuft, der die Strukturen der umgekehrten Drei ecke der undotierten Abstandsschicht (3) aufweist, und
das Ausbilden einer Source-Elektrode (10) und einer Drain-Elektrode (11) auf der oberen Fläche der Halblei terschichtstruktur in Bereichen, die einander gegenüber liegen und zwischen denen die Vielzahl von Gate-Elektro den (12) liegt.

31. Herstellungsverfahren einer Einzelelektronenvor richtung (Fig. 15), wobei die Vorrichtung aufweist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (1) mit einer oberen und einer unteren Fläche,
eine Halbleiterschichtstruktur mit zumindest einer undotierten Schicht (2) einer ersten Art von Halbleiter mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, einer undotierten Abstandsschicht (3), die eine zweite Art von Halbleiter mit einer Elektronenaffinität aufweist, die geringer als die der ersten Art von Halbleiter ist, mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche und einer Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ, die die zweite Art von Halbleiter aufweist, mit einer oberen Fläche und ei ner unteren Fläche, die auf der oberen Fläche des halb isolierenden Halbleitersubstrats (1) aufeinanderfolgend durch Wachstum ausgebildet sind,
wobei Abschnitte der undotierten Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter geätzt sind, damit diese im Querschnitt Strukturen umgekehrter Dreiecke aufweisen, so daß sich die Tiefe des Konkav-Abschnitts in Längsrich tung periodisch ändert, wodurch bei einer Vielzahl von Abschnitten flache Bereiche ausgebildet sind,
wobei eine Elektronenzuführschicht (4) vom n-Typ der zweiten Art von Halbleiter ausgebildet ist, so daß diese die periodische Konkav-Konvex-Struktur vergräbt, die durch die undotierte Abstandsschicht (3) ausgebildet ist,
eine Vielzahl von Gate-Elektroden (12), die sich auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur nahe zu einander befinden und entsprechend den flachen Abschnit ten bezüglich der Ätztiefe der Abstandsschicht (3) ange ordnet sind, und
eine Source-Elektrode (10) und eine Drain-Elektrode (11), die sich in Bereichen, die einander gegenüber lie gen und zwischen denen die Gate-Elektroden (12) liegen, auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur be finden,
wobei das Verfahren beinhaltet:
das Aufwachsen einer Halbleiterschichtstruktur mit der undotierten Schicht (2), die die erste Art von Halb leiter aufweist, und der undotierten Abstandsschicht (3) der zweiten Art von Halbleiter, die eine geringere Elek tronenaffinität als die erste Art von Halbleiter hat, auf das halbisolierenden Halbleitersubstrat (1),
das Ätzen von Abschnitten der undotierten Abstands schicht (3) der zweiten Art von Halbleiter, um im Quer schnitt die Struktur umgekehrter Dreiecke auszubilden, so daß sich die Tiefe der Konkavabschnitte in Längsrichtung periodisch ändert und bei einer Vielzahl von Abschnitten flache Bereiche ausgebildet werden,
das Ausbilden der Elektronenzuführschicht (4) vom n- Typ der zweiten Art von Halbleiter, damit diese Konkavbe reiche der undotierten Abstandsschicht (3) vergräbt, die ausgebildet sind, so daß sich die Tiefe der Konkavab schnitte in Längsrichtung periodisch ändert und bei einer Vielzahl von Abschnitten flache Bereiche ausgebildet sind,
das Ausbilden einer Vielzahl von Gate-Elektroden (12) in Bereichen, die nahe beieinander liegen und den flachen Abschnitten der Abstandsschicht (3) entsprechen, auf der oberen Fläche der Halbleiterschichtstruktur und
das Ausbilden einer Source-Elektrode (10) und einer Drain-Elektrode (11) in Bereichen, die einander gegen überliegen und zwischen denen die Vielzahl von Gate-Elek troden (12) liegt.