JP2508637B2 - 半導体素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、スーパーアトムと名づけられる概念的に
新規な構造体を用いた半導体素子およびこれを基本単位
とした立体的集積回路に関するものである。

（従来の技術） 従来の半導体素子あるいは集積回路はPN接合、MOS接
合あるいはヘテロ接合などを各種組み合わせることによ
りダイオード、トランジスタ発光素子、受光素子などが
実現されてきた。抵抗、コンデンサー、電極、配線材料
を精密に加工することにより集積回路や光電子集積回路
などが実用化されている。

（発明が解決しようとする問題点） この様な半導体素子はその性能を向上するためにその
内部構造の微細化、薄膜化、多元化あるいは集積化など
が進められてきた。

しかしながら、現在の超高集積回路の延長で考える限
り、個々の能動素子、トランジスタ、ダイオードの寸法
はせいぜい0.1ミクロン程度の最小寸法にしか出来ない
と考えられている。その理由は、個々の能動素子の基本
原理から来るものであり、たとえばトランジスタでみる
と、いかなるトランジスタ構造であるにせよキャリアの
走行領域が必要で、この領域を通過する電子または正孔
の数あるいは速度を制御することが不可欠であり、走行
領域を例えば0.01ミクロンとしようとしてもこの領域の
キャリアを制御する電極が形成できない、あるいはでき
たとしてもその薄さが故に電極抵抗が極めて高いものに
なり結局制御能力が低下する。

一方発光・受光を基本とする半導体素子においても発
光領域受光領域を例え極微細化できたとしても電極部分
に関しては電極作用上の限界がある。

この様に、従来の半導体素子では例え、活性領域を極
微細化しても制御電極あるいは配線材料に微細化の限界
が生じ集積回路全体の体積のうち電極および配線部分の
占有する体積が極めて多くなり、それに伴う浮遊容量、
寄生抵抗の増大により結局高性能化に限界を生じさせる
要因となっている。

（問題点を解決するための手段） この発明の要旨とするところは、上述した超高密度集
積回路における配線問題あるいは、制御電極寸法限界を
根本的に克服しようというものである。

その原理は、以下に述べるスーパーアトムなる新規な
概念の構造体を半導体素子の基本単位とする。

スーパーアトムとは、電子の波動関数と同程度の大き
さ（例えば100オングストローム）の球状の第１の半導
体をこれを囲む第２の半導体中に位置し、該球状半導体
領域に必要な個数の不純物をドープした時に形成され
る。ただし不純物をドナーとする場合には、第１の球状
半導体の電子親和力は第２の半導体のそれより小さくな
ければならない。

この様な構造でドナーをドープすると、いわゆる変調
ドープ構造となり、ドナー原子とこれから供給された電
子とが空間的に分離される。平面的ヘテロ界面にこの原
理を適用したものはアール・ディングル（R.Dingle）ら
が特表昭55-500196号公報で提案した変調ドープ構造で
あり、その目的はドナー原子と走行電子の空間的分離に
よる電子移動度の向上である。

スーパーアトムにおいては、イオン化不純物とキャリ
アの空間的分離という点に関しては同一原理に基づくも
のの、その目的はキャリア移動度の向上ではない。第１
の球状半導体にはＮ個のドナーが正にイオン化された状
態で存在し、第２の半導体領域にはＮ個の電子が存在す
る。ただしＮ個の電子は、第１の球状半導体の外側に球
状皮膜内で密着する様な形で局在化する。この時の状態
を第１図（ａ）に示す。この状態を電荷のバランス状態
でみると原子と類似していることが判る。即ち通常の原
子においては、例えば原子番号がＮの原子についてみる
と原子核にはＮ個の陽子があり、原子核のまわりにはＮ
個の電子が各種の電荷分布形状をもって局在化してい
る。この正と負の電荷の数が常に等しくバランスしてい
る点は第１図（ａ）の場合も全く同様である。ただし第
１図（ａ）の構造では、原子の原子核に相当する部分、
すなわち第１の球状半導体領域の大きさが電子の波動関
数の広がり程度、すなわち、100オングストローム前後
である点が大きく異なる。電荷バランスは似ているがそ
の直径が通常の原子の10〜100倍と大きいため、スーパ
ーアトムと名づけた。ただし、第１の球状半導体とこれ
を囲む第２の半導体との界面に電子をトラップする凖位
が存在する場合あるいは第２の半導体中にアクセプタあ
るいはトラップが存在する場合は、球状皮膜内に局在す
る電子の数とドナーの数とは一致せず電荷バランスがく
ずれる、このような場合も便宜上スーパーアトムと呼ぶ
ことにする。

スーパーアトムに局在化する電子はスーパーアトムの
直径が小さくなると零次元的に閉じ込められた状態に近
くなるため、そのエネルギーは離散的なものとなる。そ
れと同時に一個の電子は球状皮膜全体に拡っているとす
れば、原子軌道に対応した量子化凖位にあることにな
る。

この量子凖位は構成する半導体材料の特性に大きく依
存する。エネルギー凖位に影響を与えるパラメータは、
第１および第２の半導体材料のバンドギャップ、電子親
和力、誘電率、有効質量などである。第１の半導体球の
直径によっても大きくエネルギー凖位は変化する。

第１の半導体にドナーをドープしたものをスーパーア
トムと呼ぶとすれば、これにアクセプターをドープした
ものはスーパーアンチアトムと呼ぶのがふさわしい。何
故なら正負電荷の存在領域が原子と全く逆であり、反原
子（アンチアトム）に類似しているからである。これを
第１図（ｂ）に示す。さらに、第１図（ｃ）に示す様
に、第１図（ａ）おける電子親和力の関係が逆であって
も球状半導体内にあってヘテロ界面内側に球状皮膜領域
に局在させる場合も考えられる。この場合の局在電子の
数は球状半導体の外側にドープしたドナーの数とその界
面からドナーまでの距離によって決定される。第１図
（ｃ）の様な電荷分布はスーパーアトムとは反転してい
るのでインバーススーパーアトムあるいはネガティブス
ーパーアトムと呼ぶことができる。

全く同様に第１図（ｄ）にある様にスーパーアンチア
トムに対するインバーススーパーアンチアトムも作るこ
とが出来る。通常の原子では原子番号が102のノーベリ
ウムが知られている最大元素であるが、原理的には、ス
ーパーアトムへのドープ不純物の数を任意にとる事が出
来るから、原子番号が102以上のスーパースーパーアト
ムも実現可能である。但し、スーパーアトムの個々の特
性の差は、通常の原子程のドラスティックな相異はな
い。何故なら、スーパーアトムの直径が大きい分だけ量
子凖位間のエネルギー差は小さいため、全体特性の差も
小さいからである。

スーパーアトムの球状にはいくつかのタイプが考えら
れる。完全な球状とした場合が最も理想的であるが、楕
円形、卵形、円筒形、サイコロ形などの変形も考えられ
る。ただし基本的に重要な事は、ある一つの電子の存在
確率が、スーパーアトム全体のどの部分においても有意
な大きさを有していることである。すなわち、サイコロ
形の場合、サイコロ６面それぞれに存在する確率が等し
い程サイコロの大きさは小さいものでなければならな
い。サイコロのある面に存在する確率のみが１に近く他
の面における存在確率が小さいと、確率の小さい面へ何
らかの刺激を与えても電子の量子状態の変化は殆んど起
こらないので後述する様な立体的回路を組む場合に不利
である。

スーパーアトムを一列に並べ各スーパーアトムに局在
化する電子の波動関数が互いにオーバーラップする程近
づけると適当な条件下では複数のスーパーアトムに１個
の電子が存在する確率が発生する。これはあたかも２原
子分子における分子軌道の存在に対応する。スーパーア
トムを一次元的に並べたものを一次元スーパースーパー
ラティスと呼ぶことにする。即ちスーパーアトムから成
るスーパーラティスである。スーパーアトムを２次元
的、３次元的に配置すればそれぞれ２次元スーパースー
パーラティスおよび３次元スーパースーパーラティスと
なる。

一方、スーパーアトム同志の間隔がある程度大きく、
波動関数の拡がりがオーバーラップしない場合でも外部
電場、応力、光などの外場によってスーパーアトム間の
電気的相互作用あるいは伝導などを引き起こすことが出
来る。

今仮に、ドナーを14個ドープしたスーパーアトムを考
えるとこれは原子番号14のシリコン原子に対応するから
このスーパーアトムは、スーパーシリコンと言える。４
つのスーパーシリコンをテトラヘドラル（tetrahedra
l）に配置するとダイアモンド型スーパーシリコン結晶
となる。ただしこのような結晶の性質は従来のシリコン
結晶とは異なる。

ドナーを31個ドープしたスーパーガリウムとドナーを
33個ドープしたスーパー砒素を同様にテトラヘドラル
（tetrahedral）な配置に置くとスーパーガリウム砒素
が形成される。

スーパーアトムの相対的配置を任意の結晶構造にとる
ことができるから、任意のスーパーアトムで任意のスー
パー結晶が実現できる。

これらのスーパースーパーラティスはスーパーアト
ム、インバーススーパーアトム、スーパーアンチアトム
あるいはインバーススーパーアンチアトムで構成でき
る。スーパーアトムだけあるいはスーパーアンチアトム
だけで構成された場合をユニポーラスーパースーパーラ
ティスと呼び、スーパーアトムとスーパーアンチアトム
と混在させたものをバイポーラスーパースーパーラティ
スと呼ぶ。すなわち、局在するものが電子だけあるいは
正孔だけの場合をたとえスーパーアトムとインバースス
ーパーアトムとの混在あるいはスーパーアンチアトムと
インバースーパーアンチアトムとの混在でもユニポーラ
型と呼び、電子と正孔が共存する系をバイポーラ型と言
う。

（作用） さて、これらのスーパーアトム、スーパーアンチアト
ムあるいはスーパースーパーラティスにおける電子また
は正孔の量子凖位は、外的電場、磁場によって容易に変
化する。何故なら電場の存在は局在状態に偏りを引き起
こし、磁場の印加は波動関数の変形をもたらすからであ
る。

従って、個々のスーパーアトムに何らかの手段で刺激
を与える事によりスーパーアトムの特性が変化する。

一次元スーパースーパラティスの最も端にあるスーパ
ーアトムの電位を変化させると各スーパーアトムの電子
の電荷分布が変化を起こし反対の端のスーパーアトムの
量子状態も変化を受ける。

二次元スーパースーパーラティスではある１つのスー
パーアトムに電気的に刺激を加えれば二次元ラティス全
体に変化を引き起こす。三次元スーパースーパーラティ
スでも全く同様である。

スーパースーパーラティスを構成する個々のスーパー
アトムのドープ不純物の数が互いに異なっている場合で
も、一つのスーパーアトムへの刺激は全体に影響を与え
る。ただし、ドープ量の多いスーパーアトムの変化（電
荷の偏り）はドープ量の少ないものに比べて小さい。

バイポーラスーパースーパーラティスの場合には、発
光ダイオードにおける順方向バイアスによる注入発光と
同様、隣接するスーパーアトムとスーパーアンチアトム
へのバイアスを適当にとればスーパーアトムからの発光
が可能である。この逆に適当なエネルギーのフォトンが
入射すればバイポーラスーパースーパラティスの２個所
の地点に電圧が発生する。この様な基本原理を組み合わ
せる事によって高度に集積化された立体回路あるいは３
次元電子光集積回路などが構成できる。

以下、集積回路の基本となる要素回路をスーパーアト
ムによって構成する例を述べる。

第２図（ａ）は、７個のスーパーアトムA,B,C,…,Fか
ら成るインバータ回路であり、その等価回路を同図
（ｂ）で示した。Ｆのみがスーパーアンチアトムで、Ａ
〜Ｅはスーパーアトムである。端子Ｖに正の電圧を印加
すればスーパーアトムＡ〜Ｅを通して電流が流れる。こ
の時、スーパーアンチアトムＦを負にバイアスとすると
スーパーアトムＣに局在化していた電子はＣに局在する
ことが許されなくなりＢおよびＤの方向に押されＡから
Ｄへの電流通路の抵抗は高くなり、電流は遮断状態とな
る。この変化を出力端子用スーパーアトムＥの電位でみ
ると、始めは接地電位に近かったものが、入力端子用ス
ーパーアンチアトムＦへのバイアスにより電流が遮断さ
れ電位は電源電圧Ｖに上昇する。このようにしてインバ
ータ回路が形成される。回路全体の効率を良くするため
には、スーパーアトムB,D,E,Fはドープ量を大きくと
り、抵抗となるスーパーアトムＡは相対的にドープ量が
小さい方が良い。またFET領域を形成するスーパーアト
ムＣとスーパーアンチアトムＦへのドープ量は相互に関
連しており、もっとも相互コンダクタンスが大きくでき
る様に調節すべきである。

第２図（ａ）においては、スーパーアトムを平面的に
配置した状況を示したが、入出力端子あるいは電源端子
を立体的な配置にしても全く同様な原理でインバータが
構成できる。即ち入力ゲート用スーパーアトムＧを紙面
の垂直方向に配置しても動作に全く変わりはない。

第２図（ａ）において同様の回路を直列にもう一つ配
置すれば２入力NAND回路となる。入力はもっと増やして
多入力回路としてもよい。また出力端子スーパーアトム
の位置を複数個適当にとれば多出力回路となる。

この様な原理によれば、立体的にAND回路、OR回路、N
AND回路、NOR回路などが任意に構成できる。Flip-flop
回路も形成可能である。

以上の様にスーパーアトムを用いる立体回路は極めて
大きい特長を有している。

第１に、必要な抵抗トランジスタが100オングストロ
ーム以下の寸法である超高密度集積回路の構成が可能で
ある。

第２に、金属材料などによる配線部分がなく、個々の
抵抗やトランジスタの役割を果すスーパーアトムへの電
位伝達は３次元的にx,y,zそれぞれ正負の６方向のみな
らず任意の方向からアクセスできるため任意の３次元的
配線が可能となる。

以上の特長を模式的に示すと例えば第３図の様なもの
となる。この様な構成で必要な論理回路、メモリ回路が
超高密度に形成できる。

次に発光あるいは受光機能を有するスーパーアトム素
子および回路について説明する。

第４図は３個のスーパーアトムA,B,Cおよび３個のス
ーパーアンチアトムD,E,Fを直線状に配置したものであ
る。端子を負にを正にバイアスすることによりPN接
合の存在するC,D界面で注入発光が起こる。逆にこの接
合部分に適当なエネルギーのフォトンが入射すれば端子
間に電圧が発生する。ここでPN接合を形成するスー
パーアトムＣとスーパーアンチアトムＤの半導体材料物
性値を適当に選ぶことにより、発光あるいは受光の波長
を任意に設定することができる。このようなPN接合を有
するアレイを一次元ないし３次元的に配列すればバイポ
ーラスーパースーパーラティスとなる。

スーパーアトムとスーパーアンチアトムとで形成され
るPN接合による発光あるいは受光の波長はスーパーアト
ムとスーパーアンチアトムとの境界にある半導体材料の
もつバンドギャップにほぼ等しい。従って、この境界近
傍のバンドギャップが適当となる様に第５図のドット領
域部分の半導体材料を選択すれば所望の波長（特に低エ
ネルギー側の波長）の発光・受光が可能となる。スーパ
ーアトムあるいはスーパーアンチアトムを囲む半導体材
料のバンドギャップに比べ低エネルギーの波長に設定す
ることは素子化する上で特に重要である。何故なら、発
光あるいは受光する部分をその低エネルギー波長の光で
見れば全体が透明にみえるからである。すなわち、外部
からあるいは外部への光によるアクセスが可能になる。

第４図に示すPN接合素子をＭ個用意し、それぞれの発
光あるいは受光波長λ₁，λ₂，…、λ_Mとすべて異なる
ものとすれば、波長を選択すれば特定のPN接合素子への
アクセスが可能である。発光素子の場合はその波長を調
べればどのPN接合素子が動作したかが直ちに判る。特定
のPN接合素子に外部から波長λ_iの光を照射するとλ_iよ
り長波長の波長に感度のある素子すべてから光起電力が
発生する。このことは特定の一個の素子へのアクセスが
出来ないことを意味する。しかしながら、入射光の波長
を２種類にしそれを連続的に送れば２種類の波長の両方
に応答する素子群、両方いずれにも応答しない素子群お
よび短波長光にのみ応答する素子群に分類できるから、
２種類の入射光の波長およびその波長間隔とを適当に設
定すれば、ある特定の１個のPN接合素子のみを差別化し
て指定することができる。

第４図に示す様なPN接合素子は第３図の例の様な立体
回路の一部に組み込む事が出来る。すなわち、論理回路
あるいはメモリ回路の一部が動作するに従いその部分か
ら発光する様にすることができる。その時発光波長を調
べればどの部分のPN接合が動作したかが判る。

一方、外部から特定の波長を入射すればその波長に感
度のある受光用PN接合すべてが動作し電圧を誘起する。
この誘起電圧を入力信号と考えれば立体回路への同時多
入力が可能である。ある特定の１つの入力用PN接合のみ
に入力するには、その部分の応答波長を最も低いエネル
ギーに設定すれば良い。あるいは前述した様に２つの波
長を用いて２回入力し１回だけ応答した時にのみ入力信
号を受け取ったと判断する論理回路を付加しておけば良
い。

この様に光を用いて入出力を行なえば立体回路への入
出力用配線は不要になるため高密度化に対し極めて大き
な利点となる。さらに、ここで延べた光による入出力方
式では、光そのものを極微細ビームにする必要は全くな
く立体回路全体に光を照射しても応答する個所は特定の
極微細PN接合のみである。この逆に、出力をとる場合も
出力個所も位置的に検出する特別な装置は不要であり、
発光波長さえ知ればそれがどこからの出力かが判るの
で、出力用配線も不要となる。

以上、光を入出力信号とする超高密度立体光電子集積
回路の基本原理を説明した。

次に、この様な半導体素子を実現するための物質例に
ついてスーパーアトムを例にとり説明する。

スーパーアトムは前述したように２つの半導体から成
る。第１の球状半導体とこれを囲む第２の半導体であ
る。スーパーアトムを実現するための条件は第１の球状
半導体の電子親和力が第２の半導体のそれより小さいこ
とである。従って、例えば第１の半導体としてAlAsをと
り第２の半導体材料としてGaAsをとり、AlAs球にシリコ
ンや硫黄などのドナーをドープすればスーパーアトムが
形成される。いずれの半導体も互いにこのAlAs/GaAs系
の様に格子定数が同じであれば、界面に特別な応力も発
生せず、知られている電子親和力の大小に伴って２つの
半導体材料を設定すれば良い。その例としては、InP/In
_0.53Ga_0.47As,In_0.48Ga_0.52P/GaAsなど３元以上の多元
混晶半導体の組成を適当に選べば非常に多くの組み合わ
せが考えられる。

一方、格子定数を一致させない場合においてもスーパ
ーアトムを実現できる。この場合格子不整合に基づく応
力により界面にミスフィット転位が発生する可能性が生
じるが、良く知られている様に、その厚さが薄い（スー
パーアトムの場合は球の直径が小さい）場合には、ミス
フィット転位は発生しない。その分界面あるいは第１の
球状半導体内部全体に応力が内在する。この応力のため
見掛けの電子親和力が変化するためヘテロ界面の伝導帯
に段差が生じる。例えば、第１の球状半導体としてSiGe
混晶をとり第２の半導体としてSiを用いると、SiGeへの
応力のためSiGe混晶の伝導帯底の方がエネルギー的に高
くなる。従ってSiGe混晶の方にドナーをドープすればス
ーパーアトムが出来る。

スーパーアトムを実現するには第１の半導体および第
２の半導体が結晶である事は絶対的要請ではない。例え
ば第１の半導体がアモルファス状態であってもドープし
たドナーがドナーとして作用すれば良い。例えば第１の
半導体としてアモルファスSiCをとり第２の半導体とし
てSiを用いる事も可能である。ただしこの時、SiCとSi
との界面に界面凖位が多くないことが必要である。もし
この数が多いとSiC中のドナーから供給された電子はす
べて界面凖位にトラップされ球状皮膜の電子ガスが形成
できずスーパーアトムとはならないからである。界面凖
位が全く無ければドナーの数と電子ガス中の電子の数が
等しくまさにスーパーアトムとなるが、多少界面凖位が
あっても、ドナーの数より少なければ疑似スーパーアト
ムとなる。すなわち、球状半導体中の正電荷と球状皮膜
中の電子の数が一致しないものとなる。またドナーとし
ては不純物でなくとも空孔あるいは格子間原子から成る
点欠陥、線状欠陥、面欠陥でも良い。

スーパーアトムを形成する本質的要件さえ満たせば第
１の球状半導体はバンドギャップの極めて大きい半導
体、時には絶縁体と呼ばれる材料であっても良い。例え
ばGaN,AlNあるいはSiO₂なども考えられている。SiO₂/Si
界面は適当な熱処理により極めて界面凖位密度の少ない
界面となる事が知られている。従って、SiO₂中にドナー
をドープすればSiO₂を第１の球状半導体とするスーパー
アトムが形成できる。SiO₂中のドナーは必ずしもSiO₂中
で浅い凖位を形成する必要はなくSiO₂中を囲むSiの方に
電子が供給できるのに充分なエネルギー凖位であれば良
い。

以上の物質例を表にまとめると第１表の様になる。こ
の他にもスーパーアトムあるいはスーパーアンチアトム
の構成要件を満たす様々な物質の組み合わせが考えられ
る。

次にスーパーアトム、スーパースーパーラティスある
いはスーパーアトムを用いる立体回路の作り方について
説明する。

まず一個のスーパーアトムは次の様にして形成され
る。松井および森がジャーナル オブ バキューム サ
イエンス アンド テクノロジ（Journal of Vacuum Sc
ience ＆Technology）B4巻No.1（1986年）p299〜304に
記述された選択エッチングおよびデポジションについて
述べる。この方法は基板表面に原料ガスを吸着させ、吸
着層の一部分に細くしぼった電子ビームを照射する。そ
の結果、照射部分だけエッチングあるいはデポジション
が生じる。電子ビームを充分に細くしぼる事によって極
めて狭い領域だけをエッチングしたりデポジションを起
こしたりすることができる。現在最も細くしぼった場合
直径３〜４オングストロームまで可能であり、このビー
ムを用いると吸着層の中のある特定の１つの吸着分子の
みを局所的に励起できる。局所的に電子ビームを照射す
るためにはフイラメントからの熱電子を集束させる上記
の方法の他に、冷陰極から電界放出させた電子を集中さ
せる方法もある。さらに、先端の鋭い金属針を吸着層に
接近させ針先端から電界放出される電子を用いることも
可能である。その結果、吸着種や基板温度と電子ビーム
特性の最適化を行なう事により基板表面の１〜２個の原
子をエッチングする、あるいは吸着種の化学変化を通し
て１個の原子をデポジションすることができる。エッチ
ングあるいはデポジションを起こす場所は電子ビームを
走査する事により所望の位置に設定することができる。
吸着ガスを吸着させる前にこの電子ビームを用いて２次
電子像をとれば、どの位置に電子ビームを当てるべきか
が走査電子顕微鏡と同じ原理で肉眼で観察することがで
きる。

吸着ガスの供給圧力と基板温度を適当に選ぶことによ
って基板全面にわたって吸着被覆率を１にとることがで
きるから、基板の任意の原子的位置で１原子エッチング
あるいは１原子デポジションができる。

１個のスーパーアトムを形成するには、結果として異
種半導体が球状に埋め込まれる様に電子ビームの走査領
域をコントロールすることで達成できる。その途中でド
ーピングガスを全面吸着し、必要な数の原子だけ電子線
で励起してデポジションすることにより。スーパーアト
ムの球状部分に必要な数だけドナーをドーピングするこ
とができる。

ユニポーラスーパースーパラティス、バイポーラスー
パースーパラティスあるいは第３図に示した様なスーパ
ーアトムによる立体回路の形成は、原理的には上述した
スーパーアトムの製法と全く同一である。先ず組み上げ
るべき所望の立体回路を基板表面と平行な面で切りその
面内での原子配列をコンピュータに記憶する。立体回路
の最下層原子面の原子配列から最上層原子面における原
子配列のすべての原子面での配列をコンピュータで計算
した後メモリーに貯える。

基板表面に１分子層づつ吸着させ、コンピュータメモ
リーの情報に従って必要な個所を電子ビームで励起しデ
ポジション反応を起こさせる。残りの残留吸着分子は熱
的あるいは光学全面励起などの手段で除去する。

この手順を必要なすべての原子面においてコンピュー
タ制御でパターニングしながら膜形成を最終原子面まで
進めれば、所望の立体回路が構成される。

サイコロ型あるいは円筒状のスーパーアトムを形成す
るのはもう少し簡単である。これらは、先ず通常の薄膜
形成装置でダブルヘテロ構造を形成する。次に電子線リ
ソグラフィーあるいはイオンビーム加工により矩形また
は円形状パターンを描きこの部分を残しその周辺部分を
ドライエッチング技術などでエッチングする。次に、こ
のエッチングされた領域を選択CVD技術などを使って埋
め戻す。埋め戻す材料は、ダブルヘテロ構造における中
間の層をサンドイッチ状にはさんでいる両側の材料と同
一にするか、結果として側面にも電子ガスを形成できる
様な電子親和力を有する材料を用いる。

スーパーアトムとスーパーアンチアトムとを混在させ
る立体回路を形成するには、ダブルヘテロ構造形成、バ
ターン形成、エッチングドーピング、埋め戻しの手順を
繰り返していく事により実現される。すなわちまず、第
１の半導体に比べ電子親和力が大きくかつバンドギャッ
プが小さい第２の半導体を成膜し引き続き第１の半導体
をデポジションする。それぞれの厚さは立体回路を形成
するのに最適な厚さ（恐らく100オングストローム前後
の厚さとなろう）にする。次にリソグラフィーにより寸
法が100オングストローム前後の矩形または円形のパタ
ーンを形成したのちエッチングにより第１の半導体層を
矩形または円形に残す。次にドーピング材を第１の半導
体層表面に全面吸着しその上から収束電子ビームあるい
は収束イオンビームにより必要な矩形または円形パター
ン上を衝撃しドナ−またはアクセプターを必要な数だけ
デポジションする。その数の制御は、予め作成された電
子ビームあるいイオンビームのドーズ量と加速エネルギ
ーに対する不純物デポジション量との検量線に従って行
なわれる。次に保護膜をデポジションし、熱拡散により
内部に不純物を押し込める。この保護膜をマスクとした
選択デポジションにより先にエッチングされた領域を埋
め戻した後保護膜をエッチングし除去する。この段階で
表面全体は再び平面となる様にする。引き続き、この一
連の手順を繰り返し第２層のスーパーアトムあるいはス
ーパーアンチアトムを必要な位置に形成し、この手順を
必要な数だけ繰り返し、矩形または円筒形のスーパーア
トムあるいはスーパーアンチアトムを回路要素とした立
体集積回路が完成する。

（実施例） ［実施例１］ スーパーアトムおよびスーパーアンチアトムを用いた
インバータ回路の実施例について述べる。第２図におい
て、第１の球状半導体A,B,C,D,EおよびＦは同一平面上
にあり直径70オングストロームのAlAsである。これらを
囲む第２の半導体はGaAsである。A,B,C,DおよびＥはス
ーパーアトムとなるようにドナー不純物となるSiがドー
ピングされている。ドナーの数は、Ａが７個（スーパー
窒素）B,DおよびＥが30個（スーパー亜鉛）、Ｃが15個
（スーパー燐）である。Ｆはスーパーアンチアトムでア
クセプターがドープされておりその数は20個（スーパー
アンチカルシウム）である。A,B,C,D,E,Fの中心間隔は
すべて等しく110オングストロームである。この構造に
おいてA,D,EおよびＦを電極としAD間に電源電圧を加え
た状態でＦの電位を負に下げるとＥの電位は正に上昇し
インバータ動作が生じる。電源電圧あるいはＦへの入力
電圧はスーパーアトムあるいはスーパーアンチアトムの
直径、間隔、ドープ不純物個数などによって適当な値に
選ばれる。

強電界に基づくスーパーアトムからの電子の離脱、他
のスーパーアトム列への不必要な電位変動などのトラブ
ルをさけるために一個のスーパーアトムにかかる電界は
せいぜい10⁵v/cm以下にする事が望ましい。従ってAD間
の長さを400〜500オングストロームとすればAD間電圧と
して0.5ボルトを越えないように設定すべきである。電
圧が高い程雑音に強くなるが、回路全体の発熱も大きく
なるので超高密度立体回路を実現しにくくなる。従って
信号電圧振幅としては出来るだけ低くとるべきであり、
出来れば１ミリボルト以下に設定すべきである。

この様な制限を受けるためスーパーアンチアトムＦへ
のアクセプタドーピング数とスーパーアトムＣへのドナ
ードーピング数の相対的大小関係は重要であり、相互コ
ンダクタンスが出来るだけ大きくなる様に設定される。

［実施例２］ スーパーアトム３個とスーパーアンチアトム３個が直
列に接続された第４図の様なPN接合素子について述べ
る。第４図においてA,B,C,D,E,Fの球状半導体はすべてI
nPとし、これを囲む部分はIn_0.53Ga_0.47Asである。球状
部分の直径は100オングストロームとし中心間隔は150オ
ングストロームである。スーパーアトムA,B,Cはすべて
ドナーがドープされその数はそれぞれ50個である。D,E,
Fにはアクセプターがドープされてその数はそれぞれ60
個である。A,B,C中のドナー数およびD,E,F中のアクセプ
ター数は必らずしもすべて同一である必要はない。端子
およびへ印加する電圧は、この素子を発光素子とす
る場合にはスーパーアトムを囲む半導体材料、この場合
In_0.53Ga_0.47Asのバンドギャップと同程度である必要が
ある。従って0.7ボルト程度の順方向バイアスが必要で
ある。

この素子に約0.8ボルトの順方向バイアス、すなわち
端子を負にを正に、約１ミリ秒間だけパルス的に印
加することにより波長が約1.7ミクロンのフォトンが放
射される。

［実施例３］ 第５図に示す様に実施例２と全く同様な実験を繰り返
す。ただし、スーパーアトムＣとスーパーアンチアトム
Ｄの中間にあるドット領域のIn_0.53Ga_0.47As結晶の替わ
りにバンドギャップのより小さいIn_0.60Ga_0.40Asで構成
する。この様にすると、発光領域が閉じ込められ発光効
率が上がるばかりでなくここから発光した光を外部にと
りだし易くなる。実施例２と同様なパルス電圧を加える
と、外部への出力光はより長波長（約1.9ミクロン）と
なり10倍以上強くなる。

［実施例４］ 第６図（ａ）の様なFET回路と受光素子を加えた立体
回路を形成する。同図において斜線領域は実施例３と同
様に同図によりバンドギャップの小さい材料で形成され
ている。但し応答波長はλ₁とλ₂の様に異っている。
（λ₁＜λ₂）。その等価回路は第６図（ｂ）で示され
る。この様な構成において、入射光が全くないときは出
力outの電位はほぼ電源電位＋Ｖの2/3の電位にあるが、
波長λ₂の入射パルス光が立体回路に照射されるとこの
電位は約＋1/3Vとなり、波長λ₁の入射パルス光が照射
されるとほぼアース電位になる様にスーパーアトムの特
性を設定することができる。

［実施例５］ 実施例１におけるAlAsをアモルファスSiO₂に、GaAsを
Siに置きかえ、SiO₂中にタングステンなどの重金属元素
をドープすることによって実施例１と同等なインバータ
が構成できる。SiO₂中のタングステンは浅い凖位とはな
らないがSiO₂とSiの界面近傍（数オングストローム程
度）にあればタングステンからの電子がSi側に供給され
る。

［実施例６］ 第６図において入力用PN接合部分InおよびInの部
分をインバーススーパアトムとインバーススーパーアン
チアトムから成るPN接合とし、残りはスーパーアトムと
スーパーアンチアトムから成る立体回路とすることが出
来る。この場合の材料の例としては、例えば、スーパー
アトムとスーパーアンチアトムの球状半導体部分はInP
とし、これを囲む第２の半導体はInGaAsP混晶とし、イ
ンバーススーパーアトムおよびインバーススーパーアン
チアトムにおける球状半導体部分をInGaAs混晶とすると
よい。この場合、第５図の様なPN接合部分に特別な材料
置き換えをせず第５図と同様な効果が期待できる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の半導体素子を従来に比べ
て寸法をはるかに微細化することが可能となり、超高密
度の集積回路が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いる概念的に新規な構造体のバン
ド構造を示す図で、（ａ）はスーパーアトム、（ｂ）は
スーパーアンチアトム、（ｃ）はインバーススーパーア
トム、（ｄ）はインバーススーパーアンチアトム、のも
のである。 第２図はスーパーアトムとスーパーアンチアトムを配列
させる事によって構成されたインバータ回路の一例を示
す図で、（ａ）は空間配置（ｂ）はその等価回路を示
す。 第３図はスーパーアトムおよびスーパーアンチアトムを
立体的に所望の位置に配置する事によって構成された立
体集積回路の一例を示す斜視図である。 第４図はスーパーアトムとスーパーアンチアトムを直線
的に連結したユニットを示す図である。 第５図は第４図のユニットの中央をバンドギャップのよ
り小さい材料（ドット領域）に置き換えた状態を示す
図。 第６図は、スーパーアトムとスーパーアンチアトムを立
体的に配置して構成された光電子集積回路の一例を示す
図であり、（ａ）は空間的配置、（ｂ）はその等価回路
である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子親和力又は電子親和力とバンドギャッ
   プの和が異なる２種類の物質の一方を他方の中に塊状物
   質として設け、しかもこの塊状物質は電子または正孔の
   波動関数の拡がりと同程度の直径あるいは一辺の長さを
   有し、塊状物質の中または、塊状物質を囲む外側物質の
   塊状物質との界面近傍に不純物がドープされ、それによ
   って生じた電子または正孔が、塊状物質と外側物質の界
   面に皮膜状に局在する構造体を基本単位とし、該構造体
   を複数個電子または正孔の軌道が重なり合うように隣接
   させることによって構成し、ある塊状物質に皮膜状に局
   在する電子または正孔の電子状態を電気的、光学的、あ
   るいは磁気的外部刺激により変調を与え、この変調を他
   の塊状物質に局在する皮膜状電子あるいは正孔に伝播さ
   せることを特徴とする半導体素子。