JP2024053150A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不純物又は欠陥の影響を抑制可能な半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、第１層と、第２層と、を含む。第１層は、第１半導体部と、第１絶縁体部と、を含む。第１半導体部は、第１導電形の第１材料を含む。第１絶縁体部は、第１半導体部の一部と第１半導体部の別の一部との間に配置される。第１絶縁体部は、トポロジカル絶縁体を含む。第２層は、第２半導体部を含む。第１導電形がｎ形の場合、トポロジカル絶縁体および第１材料の一方の伝導帯の少なくとも一部のエネルギーは、トポロジカル絶縁体および第１材料の他方の伝導帯のエネルギーよりも低い。第１導電形がｐ形の場合、トポロジカル絶縁体および第１材料の一方の価電子帯の少なくとも一部のエネルギーは、トポロジカル絶縁体および第１材料の他方の価電子帯のエネルギーよりも高い。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。

例えば、構成材料に半導体材料を用いた固体電池（以降、半導体固体電池という）など、電荷を蓄積する半導体装置が開発されている。半導体装置を構成する材料、またはそれらの材料間（界面）に不純物又は欠陥が存在すると、蓄電容量が低下する可能性がある。

特開２０２１－９７１５１号公報 特許第６９７７９２９号公報

本発明が解決しようとする課題は、不純物又は欠陥の影響を抑制可能な半導体装置を提供することである。

実施形態に係る半導体装置は、第１層と、第２層と、を含む積層体を含む。前記第１層は、第１半導体部と、第１絶縁体部と、を含む。前記第１半導体部は、第１導電形の第１材料を含む。前記第１絶縁体部は、前記第１半導体部の一部と前記第１半導体部の別の一部との間に配置される。前記第１絶縁体部は、トポロジカル絶縁体を含む。前記第２層は、第２半導体部を含む。前記第２半導体部は、第２導電形の第２材料を含む。前記第１導電形がｎ形の場合、前記トポロジカル絶縁体および前記第１材料の一方の伝導帯の少なくとも一部のエネルギーは、前記トポロジカル絶縁体および前記第１材料の他方の伝導帯のエネルギーよりも低い。前記第１導電形がｐ形の場合、前記トポロジカル絶縁体および前記第１材料の一方の価電子帯の少なくとも一部のエネルギーは、前記トポロジカル絶縁体および前記第１材料の他方の価電子帯のエネルギーよりも高い。

図１は、実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の一部を例示する模式的断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、トポロジカル絶縁体のエネルギーバンド構造を説明する模式図である。 図４（ａ）～図４（ｄ）は、実施形態に係る半導体装置のエネルギーバンド構造を説明する模式図である。 図５は、実施形態に係る半導体装置の動作を説明する模式図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の変形例の一部を例示する模式的断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の別の変形例の一部を例示する模式的断面図である。 図８（ａ）～図８（ｄ）は、実施形態に係る半導体装置の変形例のエネルギーバンド構造を説明する模式図である。

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
以下で説明する各実施形態について、各半導体領域のｐ形（第２導電形の一例）とｎ形（第１導電形の一例）を反転させて各実施形態を実施してもよい。

図１は、実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、実施形態に係る半導体装置１００は、第１層２１と、第２層２２と、絶縁膜３０と、を含む積層体を有する。半導体装置１００は、さらに、第１電極１１と第２電極１２とを有する。半導体装置１００は、例えば電荷蓄積素子である。

第１層２１は、第１電極１１の上に設けられている。第１電極１１は、第１層２１と接し、第１層２１と電気的に接続されている。第１電極１１の材料には、例えばＡｕ（金）、Ａｕ／Ｔｉ（Ａｕとチタンとの積層体）、または、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）が用いられる。第１層２１は、後述するように、第１導電形の半導体（第１材料）を含む。なお、この例において、第１導電形は、ｎ形である。

絶縁膜３０は、第１層２１の上に設けられている。絶縁膜３０は、第１層２１と接している。絶縁膜３０は、例えば、酸化物、窒化物及び酸窒化物のいずれかを含む。より具体的には、絶縁膜３０には、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を用いることができる。

第２層２２は、絶縁膜３０の上に設けられている。言い換えれば、絶縁膜３０は、第１層２１と第２層２２との間に設けられる。絶縁膜３０を設けることにより、例えば、第２層２２（例えばｐ形半導体）に蓄積される正孔と、第１層２１（例えばｎ形半導体）に蓄積される電子とが、再結合することを抑制できる。第２層２２は、絶縁膜３０と接している。第２層２２は、後述するように、第２導電形の半導体（第２材料）を含む。なお、この例において、第２導電形は、ｐ形である。

第２電極１２は、第２層２２の上に設けられている。第２電極１２は、第２層２２と接し、第２層２２と電気的に接続されている。第２電極１２の材料には、例えばＡｕ（金）、Ａｕ／Ｔｉ（Ａｕとチタンとの積層体）、または、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）が用いられる。

なお、実施形態の説明においては、第１層２１から第２層２２へ向かう方向をＺ方向とし、Ｚ方向に対して垂直な１つの方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な方向をＹ方向としている。また、説明のために、第１層２１から第２層２２へ向かう方向を「上」と言い、その反対方向を「下」と言う。これらの方向は、第１層２１と第２層２２との相対的な位置関係に基づき、重力の方向とは無関係である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の一部を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）は、第１層２１の断面を拡大して表す。図２（ｂ）は、第２層２２の断面を拡大して表す。

図２（ａ）に表したように、第１層２１は、第１半導体部４１と、第１絶縁体部５１と、を含む。第１半導体部４１は、第１導電形の第１材料を含む。第１半導体部４１の材料には、例えばアモルファスシリコンなど、導電性の低い（高抵抗な）半導体材料が用いられる。これにより、後述するポテンシャル井戸にキャリアを蓄積できる。第１絶縁体部５１は、トポロジカル絶縁体材料を含む。第１絶縁体部５１の表面は、トポロジカル絶縁体で形成されている。

この例において、第１絶縁体部５１は、複数の粒子５１ａである。第１半導体部４１は、連続した１つの膜状である。複数の粒子５１ａは、膜状の第１半導体部４１内に配置されている。例えば、複数の粒子５１ａが、母材（母相）である第１半導体部４１内に分散されている。１つの粒子５１ａは、周囲を第１半導体部４１に囲まれている。複数の粒子５１ａは、互いに離れており、粒子５１ａ同士の間に第１半導体部４１が配置されている。例えば、複数の粒子５１ａは、母材内に実質的に一様に分散配置された、トポロジカル絶縁体の微粒子でよい。

このように、実施形態においては、第１絶縁体部５１の一部は、第１半導体部４１の一部と、第１半導体部４１の別の一部との間に配置される。また、第１半導体部４１の一部は、第１絶縁体部５１の一部と、第１絶縁体部５１の別の一部との間に配置される。

例えば、１つの粒子５１ａの表面の全体は、第１半導体部４１と接する。ただし、第１絶縁体部５１は、必ずしも第１半導体部４１と接していなくてもよい。例えば、第１絶縁体部５１と第１半導体部４１との間に、第１半導体部４１よりも高抵抗の膜を設けてもよい。

同様に、この例では、図２（ｂ）に表したように、第２層２２は、第２半導体部４２と、第２絶縁体部５２と、を含む。第２半導体部４２は、第２導電形の第２材料を含む。第２絶縁体部５２は、トポロジカル絶縁体材料を含む。第２絶縁体部５２の表面は、トポロジカル絶縁体で形成されている。

この例において、第２絶縁体部５２は、複数の粒子５２ａである。第２半導体部４２は、連続した１つの膜状である。複数の粒子５２ａは、膜状の第２半導体部４２内に配置されている。例えば、複数の粒子５２ａが、母材である第２半導体部４２内に分散されている。１つの粒子５２ａは、周囲を第２半導体部４２に囲まれている。複数の粒子５２ａは、互いに離れており、粒子５２ａ同士の間に第２半導体部４２が配置されている。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、トポロジカル絶縁体のエネルギーバンド構造を説明する模式図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）において、縦軸は電子のエネルギーＥであり、横軸は波数ｋである。図３（ａ）は、トポロジカル絶縁体の内部のバンド構造を表し、図３（ｂ）は、トポロジカル絶縁体の表面のバンド構造を表す概念図である。

図３（ａ）に表したように、トポロジカル絶縁体の内部において、バンド構造は、価電子帯Ｅｖと伝導帯Ｅｃとの間のバンドギャップＥｇを有する。一方、トポロジカル絶縁体の表面においては、図３（ｂ）に表したように、状態ＥＳ（エッジ状態）が形成される。状態ＥＳにおいて、キャリアのエネルギーは、価電子帯と伝導帯との間のエネルギーをとり得る。これにより、トポロジカル絶縁体の表面においては、バンドギャップＥｇが閉じている。言い換えれば、トポロジカル絶縁体の表面においては、バンドギャップＥｇが形成されない。

トポロジカル絶縁体とは、表面にバンドギャップのない金属状態が生じるが、内部が絶縁体（又は高抵抗体）である物質である。表面の金属状態（エッジ状態）は、例えば電子のスピン軌道相互作用によりエネルギーバンドが交差し、表面に電流が流れる状態である。トポロジカル絶縁体の表面における電気抵抗は、トポロジカル絶縁体の内部における電気抵抗よりも低い。例えば、トポロジカル絶縁体は、表面には電流が流れるが、内部には電流が流れない物質である。

図４（ａ）～図４（ｄ）は、実施形態に係る半導体装置のエネルギーバンド構造を説明する模式図である。
図４（ａ）は、第１層２１の一部の構造を例示する。上述したように、第１層２１においては、第１半導体部４１内に、トポロジカル絶縁体の粒子５１ａが配置されている。図４（ｂ）は、図４（ａ）の構造におけるエネルギーバンドを表す概念図である。図４（ｂ）においては縦軸は電子のエネルギーであり、横軸は位置である。後述の図４（ｄ）、図８（ｂ）、図８（ｄ）の縦軸及び横軸についても同様である。

図４（ｂ）に表したように、第１半導体部４１における伝導帯のエネルギーＥｃ１と、第１半導体部４１における価電子帯のエネルギーＥｖ１と、の間には、バンドギャップＧ１が形成されている。なお、エネルギーＥｃ１は、例えば第１半導体部４１に含まれる第１材料の伝導帯の下端のエネルギー（極小値）である。エネルギーＥｖ１は、例えば第１材料の価電子帯の上端のエネルギー（極大値）ある。バンドギャップＧ１の大きさは、エネルギーＥｃ１とエネルギーＥｖ１との差である。第１半導体部４１には、適宜、ドナー（不純物等）を添加し、価電子帯と伝導帯との間にドナー準位を設けてもよい。

第１絶縁体部５１における伝導帯のエネルギーＥｃａと、第１絶縁体部５１における価電子帯のエネルギーＥｖａと、の間には、バンドギャップＧａが形成されている。ただし、上述したように、トポロジカル絶縁体の粒子５１ａの表面（界面）においては、バンドギャップが形成されていない。なお、エネルギーＥｃａは、例えば第１絶縁体部５１に含まれるトポロジカル絶縁体（第１絶縁体材料）の内部の伝導帯の下端のエネルギー（極小値）である。エネルギーＥｖａは、例えば第１絶縁体材料の内部の価電子帯の上端のエネルギー（極大値）である。バンドギャップＧａの大きさは、エネルギーＥｃａとエネルギーＥｖａとの差である。

エネルギーＥｃａは、エネルギーＥｃ１とエネルギーＥｖ１との間である。第１層２１がｎ形の場合、エネルギーＥｃａがエネルギーＥｃ１よりも低くなるように、第１半導体部４１と第１絶縁体部５１との間にバンドオフセットが設けられる。これにより、電子を蓄積する量子井戸が形成される。また、この例では、エネルギーＥｖａは、エネルギーＥｃ１とエネルギーＥｖ１との間である。ただし、第１層２１がｎ形の場合、エネルギーＥｖａは、エネルギーＥｖ１よりも低くてもよい。このように、実施形態においては、第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体の価電子帯及び伝導帯の少なくともいずれかは、第１材料の価電子帯と、第１材料の伝導帯と、の間のエネルギーを有する。これにより、第１絶縁体部５１の位置に応じて、量子井戸ＱＷ１（ポテンシャル井戸）が形成される。

例えば、第１絶縁体部５１に含まれるトポロジカル絶縁体（第１絶縁体材料）は、セレン化ビスマス（Ｂｉ_２Ｓｅ_３）、テルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）及びテルル化アンチモン（Ｓｂ_２Ｔｅ_３）の少なくともいずれかを含む。例えば、Ｂｉ_２Ｓｅ_３のバンドギャップは、０．３ｅＶ程度であり、Ｂｉ_２Ｔｅ_３のバンドギャップは、０．１７ｅＶ程度であり、Ｓｂ_２Ｔｅ_３のバンドギャップは、０．３ｅＶ程度である。

第１半導体部４１におけるバンドギャップＧ１は、第１絶縁体部５１におけるバンドギャップＧａよりも大きい。すなわち、第１半導体部４１に含まれる第１材料は、第１絶縁体部５１に含まれるトポロジカル絶縁体の結晶よりも、大きいバンドギャップを有する結晶である。具体的には、例えば、第１半導体部４１は、アモルファスシリコン、リン化インジウム（ＩｎＰ）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）及び酸化銅（Ｃｕ_２Ｏ）の少なくともいずれかを含む。

なお、本願明細書において、「絶縁体部」、「絶縁体材料」、「絶縁体膜」及び「トポロジカル絶縁体」等における「絶縁体」の用語は、バンドギャップが半導体よりも大きいという性質や、キャリアの伝導に寄与しないという性質を表すものではなくてよい。

量子井戸内において、キャリアのエネルギー準位は、例えば実質的に連続している。ただし、量子井戸内には、サブバンドが形成されてもよい。すなわち、伝導帯の量子井戸及び価電子帯の量子井戸は、複数の離散的なエネルギー準位であってもよい。

図４（ｃ）は、第２層２２の一部の構造を例示する。図４（ｄ）は、図４（ｃ）の構造におけるエネルギーバンドを表す概念図である。第２層２２におけるエネルギーバンド構造についても、第１層２１と同様に量子井戸が形成される。すなわち、図４（ｄ）に表したように、第２半導体部４２における伝導帯のエネルギーＥｃ２と、第２半導体部４２における価電子帯のエネルギーＥｖ２と、の間には、バンドギャップＧ２が形成されている。第２半導体部４２には、適宜、アクセプタ（不純物等）を添加し、価電子帯と伝導帯との間にアクセプタ準位を設けてもよい。第２絶縁体部５２における伝導帯のエネルギーＥｃｂと、第２絶縁体部５２における価電子帯のエネルギーＥｖｂと、の間には、バンドギャップＧｂが形成されている。ただし、トポロジカル絶縁体の粒子５２ａの表面においては、バンドギャップが形成されていない。この例では、エネルギーＥｃｂは、エネルギーＥｃ２とエネルギーＥｖ２との間である。ただし、第２層２２がｐ形の場合、エネルギーＥｃｂは、エネルギーＥｃ２よりも高くてもよい。エネルギーＥｖｂは、エネルギーＥｃ２とエネルギーＥｖ２との間である。第２層２２がｐ形の場合、エネルギーＥｖｂがエネルギーＥｖ２よりも高いことにより、正孔を蓄積する量子井戸が形成される。このように、実施形態においては、第２絶縁体部５２のトポロジカル絶縁体の価電子帯及び伝導帯の少なくともいずれかは、第２材料の価電子帯と、第２材料の伝導帯と、の間のエネルギーを有する。これにより、第２絶縁体部５２の位置に応じて、量子井戸ＱＷ２が形成される。

第２絶縁体部５２に含まれるトポロジカル絶縁体（第２絶縁体材料）は、Ｂｉ_２Ｓｅ_３、Ｂｉ_２Ｔｅ_３及びＳｂ_２Ｔｅ_３の少なくともいずれかを含む。第２半導体部４２は、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＢａＦ_２、ＣｄＯ及びＣｕ_２Ｏの少なくともいずれかを含む。

粒子（第１絶縁体部５１及び第２絶縁体部５２）は、例えば、パルスレーザデポジション法（ＰＬＤ）、スパッタ法、または、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などを用いて形成することができる。粒子の形成には、量子ドットを形成する方法を用いてもよい。
母材（第１半導体部４１及び第２半導体部４２）及び絶縁膜３０は、例えば、スパッタ法、化学気相成長法（ＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、または蒸着法などを用いて形成することができる。

図５は、実施形態に係る半導体装置の動作を説明する模式図である。
半導体装置１００は、例えば半導体固体電池である。図５は、充電時のバンド構造を模式的に表す。

既に述べたように、第１層２１には、第１絶縁体部５１によって、量子井戸ＱＷ１が形成されている。この例では、複数の粒子５１ａによって、複数の量子井戸ＱＷ１が形成されている。第２層２２には、第２絶縁体部５２によって、量子井戸ＱＷ２が形成されている。この例では、複数の粒子５２ａによって、複数の量子井戸ＱＷ２が形成されている。

例えば、絶縁膜３０の伝導帯は、第１層２１の伝導帯よりも高く、絶縁膜３０の価電子帯は、第１層２１の価電子帯よりも低い。すなわち、絶縁膜３０のバンドギャップは、第１層２１のバンドギャップ（第１半導体部４１のバンドギャップ）よりも大きい。同様に、絶縁膜３０のバンドギャップは、第２層２２のバンドギャップ（第２半導体部４２のバンドギャップ）よりも大きい。

例えば、図５に表したように、第２電極１２に対して負の電圧を第１電極１１に印加する。これにより、第１電極１１を介して第１層２１へ流れた（注入された）電子ｅは、第１層２１の伝導帯に形成された量子井戸ＱＷ１に蓄積される。第２電極１２を介して第２層２２へ流れた正孔ｈは、第２層２２の価電子帯に形成された量子井戸ＱＷ２に蓄積される。電荷が量子井戸に蓄積された状態において、例えば第１電極１１と第２電極１２との間に負荷抵抗を接続すると、蓄積された電荷にって形成される電位差によって、第１層２１に蓄積された電子及び第２層２２に蓄積された正孔が放出され、半導体装置１００が放電される。

例えば、電子ｅは、量子井戸ＱＷ１から隣接する量子井戸ＱＷ１へのホッピング伝導により、第１層２１内を移動する。例えば、正孔ｈは、量子井戸ＱＷ２から隣接する量子井戸ＱＷ２へホッピング伝導することにより、第２層２２内を移動する。電子ｅ又は正孔ｈは、量子井戸間の半導体膜に形成された準位を介してホッピングしてもよい。

実施形態の効果について説明する。
上述したように、例えば第１層２１において、第１絶縁体材料（第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体）の価電子帯、及び、第１絶縁体材料の伝導帯の少なくともいずれかは、第１材料（第１半導体部４１）の価電子帯と、第１材料の伝導帯と、の間のエネルギー準位を有する。上述の例のように、第１導電形がｎ形の場合、第１絶縁体材料（第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体）の伝導帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第１材料（第１半導体部４１）の伝導帯の電子のエネルギーよりも低い。第２導電形がｐ形の場合、第２絶縁体材料（第２絶縁体部５２のトポロジカル絶縁体）の価電子帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第２材料（第２半導体部４２）の価電子帯の電子のエネルギーよりも高い。これにより、量子井戸を形成することができ、キャリアを蓄積することができる。なお、上記とは逆に、第１導電形がｐ形の場合には、第１絶縁体材料（第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体）の価電子帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第１材料（第１半導体部４１）の価電子帯の電子のエネルギーよりも高い。第２導電形がｎ形の場合には、第２絶縁体材料（第２絶縁体部５２のトポロジカル絶縁体）の伝導帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第２材料（第２半導体部４２）の伝導帯の電子のエネルギーよりも低い。

ここで、量子井戸を形成する微粒子と、その微粒子に接する他の材料と、の界面に、不純物又は欠陥が存在すると、量子井戸中への蓄電が妨害され、蓄電量が少なくなる恐れがある。例えば、欠陥又は不純物によって界面に準位が形成され、その準位にキャリアがトラップされる場合がある。その結果、ポテンシャルの形状が変化し、蓄電性能が低下する可能性がある。例えば、微粒子がトポロジカル絶縁体ではない半導体材料（又は絶縁体材料）で構成されている場合、微粒子と、その微粒子に接する材料との界面に、不純物や欠陥等に起因する界面準位が発生し、電荷の蓄積又は放出が妨害され、蓄電効果が低下する恐れがある。これに対して、実施形態において、第１絶縁体部５１は、トポロジカル絶縁体を含む。トポロジカル絶縁体の表面は導電性を有するため、第１絶縁体部５１と、第１絶縁体部５１に接する他の材料と、の界面における不純物又は欠陥（例えば他の材料の結晶欠陥）の影響を抑制することができ、ロバストな蓄電素子を提供できる。例えば、第１絶縁体部５１と第１半導体部４１との界面において、不純物又は欠陥が存在しても、トポロジカル絶縁体の表面にはバンドギャップが形成されないため、欠陥又は不純物による準位の影響を抑制することができる。したがって、欠陥又は不純物によって蓄電量が減少することを抑制できる。例えば界面に不純物又は欠陥が存在しても、トポロジカル絶縁体の表面は原理的に導電性を有する（界面欠陥の影響を受けない）ため、蓄電効果を向上することができる。

この例では、第１絶縁体部５１は、第１層２１内に配置された複数の粒子５１ａである。粒子５１ａの粒径や粒子５１ａ間の距離を調整することにより、ポテンシャル分布（例えば複数の粒子５１ａで形成される全体のポテンシャル形状）を変化させ、蓄電容量やキャリアの伝導性を調整することができる。

例えば、第１層２１内の粒子５１ａの数（密度）を増やすことにより、蓄電容量を増やすことができる。これに伴って、例えば界面の面積が増えたとしても、粒子５１ａがトポロジカル絶縁体で形成されることにより、粒子５１ａの界面における欠陥又は不純物の影響を抑制することができる。

複数の粒子５１ａ間の最短距離Ｌ１ｍ（図２（ａ）参照）は、例えば１ナノメートル（ｎｍ）以上２０ｎｍ以下である。最短距離Ｌ１ｍが２０ｎｍ以下であることにより、キャリアが１つの粒子（量子井戸）から隣接する粒子（量子井戸）へホッピングしやすい。最短距離Ｌ１ｍが１ｎｍ以上であることにより、粒子同士の接触が抑制できる。

粒子５１ａの平均粒子径は、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。粒子５１ａの粒径を大きくすることにより、１つの量子井戸に蓄積されるキャリア数を増やすことができる。粒子５１ａの粒径を小さくすることにより、例えば第１層２１中の粒子５１ａの密度を増やすことができる。また、粒子５１ａの粒径を小さくすることにより、量子井戸にサブバンドを形成することができる。

なお、最短距離Ｌ１ｍや平均粒子径を算出する際には、第１層２１のＺ－Ｘ平面の断面を例えば透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）で観察した画像を取得する。観察範囲の大きさは、例えば１μｍ×１μｍとする。Ｚ－Ｘ断面の当該観察範囲内（画像内）における、複数の粒子５１ａ同士の間の距離Ｌ１（図２（ａ）参照）のうちの最小値を、複数の粒子５１ａ間の最短距離Ｌ１ｍと見なす。Ｚ－Ｘ断面の当該観察範囲内における、粒子５１ａの幅Ｒ１（図２（ａ）参照）の平均値を、平均粒子径と見なす。粒子５１ａの幅Ｒ１は、当該Ｚ－Ｘ断面における粒子５１ａの最大長さである。

第２層２２における粒子５２ａ間の最短距離、粒子５２ａの平均粒子径、粒子５２ａの密度は、それぞれ、第１層２１における粒子５１ａ間の最短距離Ｌ１ｍ、粒子５１ａの平均粒子径、粒子５１ａの密度と同様でよい。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の変形例の一部を例示する模式的断面図である。
この例は、第１層２１における第１半導体部４１及び第１絶縁体部５１の配置、ならびに、第２層２２における第２半導体部４２及び第２絶縁体部５２の配置において、前述の例と異なる。これ以外の構成については、図１～図５に関して説明した例と同様でよい。

具体的には、図６（ａ）に表したように、第１層２１の第１半導体部４１は、Ｚ方向において並ぶ複数の半導体膜４１ｂを含む。第１層２１の第１絶縁体部５１は、Ｚ方向において並ぶ複数の絶縁体膜５１ｂを含む。複数の絶縁体膜５１ｂは、複数の半導体膜４１ｂと交互に積層されている。すなわち、Ｚ方向において最近接の２つの半導体膜４１ｂの間に、１つの絶縁体膜５１ｂが配置されている。Ｚ方向において最近接の２つの絶縁体膜５１ｂの間に、１つの半導体膜４１ｂが配置されている。

同様に、図６（ｂ）に表したように、第２層２２の第２半導体部４２は、Ｚ方向において並ぶ複数の半導体膜４２ｂを含む。第２層２２の第２絶縁体部５２は、Ｚ方向において並ぶ複数の絶縁体膜５２ｂを含む。複数の絶縁体膜５２ｂは、複数の半導体膜４２ｂと交互に積層されている。

このように、第１層２１及び第２層２２は、トポロジカル絶縁体で形成された絶縁体膜と半導体膜とが積層された構造でもよい。

例えば、半導体膜４１ｂ、４２ｂの厚さや絶縁体膜５１ｂ、５２ｂの厚さを調整することにより、ポテンシャル井戸の幅や井戸の間隔を比較的容易に調整することができる。半導体膜４１ｂの厚さ（Ｚ方向の長さ）は、例えば１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。例えば、絶縁体膜５１ｂの厚さ（Ｚ方向の長さ）は、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。複数の半導体膜４１ｂの厚さ及び複数の絶縁体膜５１ｂの厚さは、それぞれ一定でも良いし、例えばＺ方向に沿って変化してもよい。半導体膜４２ｂの厚さ、絶縁体膜５２ｂの厚さは、それぞれ、半導体膜４１ｂの厚さ、絶縁体膜５１ｂの厚さと同様でよい。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の別の変形例の一部を例示する模式的断面図である。
この例は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に関して説明した構造と比較して、粒子及び母材の材料が異なる。この例では、母材にトポロジカル絶縁体が用いられ、粒子に半導体が用いられる。これに伴い、後述するように、エネルギーバンドの大小関係が適宜、変更される。これ以外の構成に関する説明は、図１～図５に関する説明と同様でよい。

具体的には、図７（ａ）に表したように、第１半導体部４１は、複数の粒子４１ａである。第１絶縁体部５１は、連続した１つの膜状である。複数の粒子４１ａは、膜状の第１絶縁体部５１内に配置されている。例えば、複数の粒子４１ａが、母材である第１絶縁体部５１内に分散されている。１つの粒子４１ａは、周囲を第１絶縁体部５１に囲まれている。複数の粒子４１ａは、互いに離れており、粒子４１ａ同士の間に第１絶縁体部５１が配置されている。例えば、複数の粒子４１ａは、トポロジカル絶縁体の母材内に実質的に一様に分散配置された、半導体の微粒子でよい。

図７（ｂ）に表したように、第２半導体部４２は、複数の粒子４２ａである。第２絶縁体部５２は、連続した１つの膜状である。複数の粒子４２ａは、膜状の第２絶縁体部５２内に配置されている。例えば、複数の粒子４２ａが、母材である第２絶縁体部５２内に分散されている。１つの粒子４２ａは、周囲を第２絶縁体部５２に囲まれている。複数の粒子４２ａは、互いに離れており、粒子４２ａ同士の間に第２絶縁体部５２が配置されている。

図８（ａ）～図８（ｄ）は、実施形態に係る半導体装置の変形例のエネルギーバンド構造を説明する模式図である。
図８（ａ）は、図７（ａ）の第１層２１の一部の構造を表す。図８（ｂ）は、図８（ａ）の構造におけるエネルギーバンドを表す概念図である。図８（ｂ）に表したように、第１半導体部４１の粒子４１ａにおいてバンドギャップＧ１が形成されている。なお、第１半導体部４１は例えば第１導電形であり、第１半導体部４１の価電子帯と伝導帯との間には例えばドナー準位が形成されてもよい。第１絶縁体部５１においては、バンドギャップＧａが形成されている。ただし、トポロジカル絶縁体である第１絶縁体部５１の表面（界面）においては、バンドギャップが形成されていない。

エネルギーＥｃ１は、エネルギーＥｃａとエネルギーＥｖａとの間である。第１層２１がｎ形の場合、エネルギーＥｃ１がエネルギーＥｃａよりも低くなるように、第１半導体部４１と第１絶縁体部５１との間にバンドオフセットが設けられる。これにより、電子を蓄積する量子井戸が形成される。また、この例では、エネルギーＥｖ１は、エネルギーＥｃａとエネルギーＥｖａとの間である。ただし、第１層２１がｎ形の場合、エネルギーＥｖ１は、エネルギーＥｖａよりも低くてもよい。このように、この例では、第１半導体部４１の価電子帯及び伝導帯の少なくともいずれかは、第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体の価電子帯と、第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体の伝導帯と、の間のエネルギーを有する。これにより、第１半導体部４１の位置に応じて、量子井戸ＱＷ３が形成される。第１半導体部４１におけるバンドギャップＧ１は、第１絶縁体部５１におけるバンドギャップＧａよりも小さい。

図８（ｃ）は、図７（ｂ）の第２層２２の一部の構造を表す。図８（ｄ）は、図７（ｃ）の構造におけるエネルギーバンドを表す概念図である。図８（ｄ）に表したように、第２半導体部４２の粒子４２ａにおいて、バンドギャップＧ２が形成されている。なお、第２半導体部４２は、例えば第２導電形であり、第２半導体部４２の価電子帯と伝導帯との間には例えばアクセプタ準位が形成されてもよい。第２絶縁体部５２においては、バンドギャップＧｂが形成されている。ただし、トポロジカル絶縁体である第２絶縁体部５２の表面においては、バンドギャップが形成されていない。

この例では、エネルギーＥｃ２は、エネルギーＥｃｂとエネルギーＥｖｂとの間である。ただし、第２層２２がｐ形の場合、エネルギーＥｃ２は、エネルギーＥｃｂよりも高くてもよい。エネルギーＥｖ２は、エネルギーＥｃｂとエネルギーＥｖｂとの間である。第２層２２がｐ形の場合、エネルギーＥｖ２が、エネルギーＥｖｂよりも高いことにより、正孔を蓄積する量子井戸が形成される。このように、この例では、第２半導体部４２の価電子帯及び伝導帯の少なくともいずれかは、第２絶縁体部５２のトポロジカル絶縁体の価電子帯と、第２絶縁体部５２のトポロジカル絶縁体の伝導帯と、の間のエネルギーを有する。これにより、第２絶縁体部５２の位置に応じて、量子井戸ＱＷ４が形成される。第１半導体部４１におけるバンドギャップＧ１は、第１絶縁体部５１におけるバンドギャップＧａよりも小さい。

このように、母材と粒子の材料を逆にしてもよい。上述の例のように、第１導電形がｎ形の場合、第１材料（第１半導体部４１）の伝導帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第１絶縁体材料（第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体）の伝導帯の電子のエネルギーよりも低い。第２導電形がｐ形の場合、第２材料（第２半導体部４２）の価電子帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第２絶縁体材料（第２絶縁体部５２のトポロジカル絶縁体）の価電子帯の電子のエネルギーよりも高い。なお、上記とは逆に、第１導電形がｐ形の場合には、第１材料（第１半導体部４１）の価電子帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第１絶縁体材料（第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体）の価電子帯の電子のエネルギーよりも高い。第２導電形がｎ形の場合には、第２材料（第２半導体部４２）の伝導帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第２絶縁体材料（第２絶縁体部５２のトポロジカル絶縁体）の伝導帯の電子のエネルギーよりも低い。この場合でも、トポロジカル絶縁体を用いることにより、母材と粒子との界面における欠陥や不純物の影響を抑制することができる。
すなわち、母材と粒子の材料を逆にしたものもまとめると、実施形態においては、第１導電形がｎ形の場合、第１絶縁体材料（第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体）および第１材料（第１半導体部４１）の一方の伝導帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第１絶縁体材料（第１絶縁体部５１のトポロジカル絶縁体）および第１材料（第１半導体部４１）の他方の伝導帯の電子のエネルギーよりも低い。第２導電形がｐ形の場合、第２絶縁体材料（第２絶縁体部５２のトポロジカル絶縁体）および第２材料（第２半導体部４２）の一方の価電子帯の少なくとも一部の電子のエネルギーは、第２絶縁体材料（第２絶縁体部５２のトポロジカル絶縁体）および第２材料（第２半導体部４２）の他方の価電子帯の電子のエネルギーよりも高い。

実施形態によれば、欠陥又は不純物の影響を抑制可能な半導体装置が提供できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１１ 第１電極
１２ 第２電極
２１ 第１層
２２ 第２層
３０ 絶縁膜
４１ 第１半導体部
４１ａ 粒子
４１ｂ 半導体膜
４２ 第２半導体部
４２ａ 粒子
４２ｂ 半導体膜
５１ 第１絶縁体部
５１ａ 粒子
５１ｂ 絶縁体膜
５２ 第２絶縁体部
５２ａ 粒子
５２ｂ 絶縁体膜
１００ 半導体装置
ＥＳ 状態
Ｅｃ 伝導帯
Ｅｃ１、Ｅｃ２、Ｅｃａ、Ｅｃｂ、Ｅｖ１、Ｅｖ２、Ｅｖａ、Ｅｖｂ エネルギー
Ｅｖ 価電子帯
Ｅｇ、Ｇ１、Ｇ２、Ｇａ、Ｇｂ バンドギャップ
Ｌ１ 距離
Ｌ１ｍ 最短距離
ＱＷ１～ＱＷ４ 量子井戸
Ｒ１ 幅
ｅ 電子
ｈ 正孔

Claims (6)

1. 第１導電形の第１材料を含む第１半導体部と、
   前記第１半導体部の一部と前記第１半導体部の別の一部との間に配置され、トポロジカル絶縁体を含む第１絶縁体部と、
   を含む第１層と、
   第２導電形の第２材料を含む第２半導体部を含む第２層と、
   を含む積層体を備え、
   前記第１導電形がｎ形の場合、前記トポロジカル絶縁体および前記第１材料の一方の伝導帯の少なくとも一部のエネルギーは、前記トポロジカル絶縁体および前記第１材料の他方の伝導帯のエネルギーよりも低く、
   前記第１導電形がｐ形の場合、前記トポロジカル絶縁体および前記第１材料の一方の価電子帯の少なくとも一部のエネルギーは、前記トポロジカル絶縁体および前記第１材料の他方の価電子帯のエネルギーよりも高い、半導体装置。
2. 前記第１層と前記第２層との間に設けられた絶縁膜をさらに備えた、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１絶縁体部は、前記第１層内に配置された複数の粒子である、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記複数の粒子間の最短距離は、１ナノメートル以上２０ナノメートル以下である、請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記第１半導体部は、複数の半導体膜を含み、
   前記第１絶縁体部は、複数の絶縁体膜を含み、
   前記複数の絶縁体膜は、前記複数の半導体膜と交互に積層された、請求項１または２に記載の半導体装置。
6. 前記トポロジカル絶縁体は、Ｂｉ_２Ｓｅ_３、Ｂｉ_２Ｔｅ_３及びＳｂ_２Ｔｅ_３の少なくともいずれかを含む、請求項１または２に記載の半導体装置。

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