JP2813302B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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- JP2813302B2 JP2813302B2 JP6154441A JP15444194A JP2813302B2 JP 2813302 B2 JP2813302 B2 JP 2813302B2 JP 6154441 A JP6154441 A JP 6154441A JP 15444194 A JP15444194 A JP 15444194A JP 2813302 B2 JP2813302 B2 JP 2813302B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気または光信号のス
イッチングや変調操作を行う、超高速で消費電力が少な
い半導体装置およびその製造方法に関するものである。
イッチングや変調操作を行う、超高速で消費電力が少な
い半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】２つの平行な伝送線路であるチャネルを
伝わる電子の波は、上記伝送線路の間隔が１ミクロン程
度以下になると、一方の線路から他方の線路へと電子が
乗り移る現象（トンネル効果）が顕著になる。この性質
を利用して電気的な信号の切り替え（スイッチング）を
行わせる素子（電子波の方向性結合器）が、文献１の
“アプライド・フィジクス・レターズ（Ａppl. Ｐhys.
Ｌett.）第５６巻、第７８頁から第８０頁、１９９０
年”に報告されている。また、上記文献１に示された素
子と動作原理は同じであるが、素子の構造が異なるもの
も、文献２の“生産研究、第４５巻、第２号、ｐｐ．８
２−８７、１９９３年”に報告されている。上記文献１
に記載された素子（方向性結合器）の斜視図を図１０に
示し、上記文献２に記載された素子の断面構造を図１１
にそれぞれ模式的に示す。図１０に示す文献１に記載さ
れた素子では、電子が伝わる路となる半導体電子導波路
２１がＧａＡｓとＡｌＧａＡｓのヘテロ接合を利用し２
次元電子ガスからなるチャネル層を含むエピタキシャル
膜を、エッチングにより形成したものである。導波路が
互いに交わる電子導波路２３の中央に金属ゲート２２を
設けることで、金属ゲート直下の半導体導波路内に電位
障壁を発生し、導波路を中央で２分している。金属ゲー
トに印加する電圧を変えることで、金属ゲートで２分さ
れた導波路間の結合を弱めたり強めたりしている。導波
路間の結合が弱い時は、一方の導波路から他方の導波路
への電子の乗り移り（トンネル）が起りにくい。しか
し、導波路間の結合が強い時は電子の乗り移りが起りや
すい。このようにして、一方の導波路から他方の導波路
へ電子の流れを切り替える。また、図１１に示す文献２
に記載された素子では、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓヘテロ
接合からなる多層膜を上下に積み重ねた構造をとり、上
下２つのＧａＡｓ量子井戸３３と３５とで２つの導波路
を構成し、ＡｌＧａＡｓトンネル障壁３４で導波路３３
と３５とを分離しているので、上記文献１に記載されて
いる、金属ゲートで形成される半導体導波路内の電位障
壁の高さが不十分で、電位障壁が厚いという問題点は解
決している。
伝わる電子の波は、上記伝送線路の間隔が１ミクロン程
度以下になると、一方の線路から他方の線路へと電子が
乗り移る現象（トンネル効果）が顕著になる。この性質
を利用して電気的な信号の切り替え（スイッチング）を
行わせる素子（電子波の方向性結合器）が、文献１の
“アプライド・フィジクス・レターズ（Ａppl. Ｐhys.
Ｌett.）第５６巻、第７８頁から第８０頁、１９９０
年”に報告されている。また、上記文献１に示された素
子と動作原理は同じであるが、素子の構造が異なるもの
も、文献２の“生産研究、第４５巻、第２号、ｐｐ．８
２−８７、１９９３年”に報告されている。上記文献１
に記載された素子（方向性結合器）の斜視図を図１０に
示し、上記文献２に記載された素子の断面構造を図１１
にそれぞれ模式的に示す。図１０に示す文献１に記載さ
れた素子では、電子が伝わる路となる半導体電子導波路
２１がＧａＡｓとＡｌＧａＡｓのヘテロ接合を利用し２
次元電子ガスからなるチャネル層を含むエピタキシャル
膜を、エッチングにより形成したものである。導波路が
互いに交わる電子導波路２３の中央に金属ゲート２２を
設けることで、金属ゲート直下の半導体導波路内に電位
障壁を発生し、導波路を中央で２分している。金属ゲー
トに印加する電圧を変えることで、金属ゲートで２分さ
れた導波路間の結合を弱めたり強めたりしている。導波
路間の結合が弱い時は、一方の導波路から他方の導波路
への電子の乗り移り（トンネル）が起りにくい。しか
し、導波路間の結合が強い時は電子の乗り移りが起りや
すい。このようにして、一方の導波路から他方の導波路
へ電子の流れを切り替える。また、図１１に示す文献２
に記載された素子では、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓヘテロ
接合からなる多層膜を上下に積み重ねた構造をとり、上
下２つのＧａＡｓ量子井戸３３と３５とで２つの導波路
を構成し、ＡｌＧａＡｓトンネル障壁３４で導波路３３
と３５とを分離しているので、上記文献１に記載されて
いる、金属ゲートで形成される半導体導波路内の電位障
壁の高さが不十分で、電位障壁が厚いという問題点は解
決している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記文
献２に記載された素子では、導波路が上下２層の構造に
なっているために、個々の導波路への入出力端子の形成
が困難である。さらにまた、導波路を伝わる電子が一方
の導波路から他方の導波路へ効率良く乗り移るために、
導波路の断面寸法と導波路の間隔は、それぞれ１００ｎ
ｍ以下とする必要がある。この寸法に関する要請を考慮
すると、上記文献１と文献２に記載された素子構造に共
通の課題として、導波路を形成するリソグラフィ工程が
非常に困難である。
献２に記載された素子では、導波路が上下２層の構造に
なっているために、個々の導波路への入出力端子の形成
が困難である。さらにまた、導波路を伝わる電子が一方
の導波路から他方の導波路へ効率良く乗り移るために、
導波路の断面寸法と導波路の間隔は、それぞれ１００ｎ
ｍ以下とする必要がある。この寸法に関する要請を考慮
すると、上記文献１と文献２に記載された素子構造に共
通の課題として、導波路を形成するリソグラフィ工程が
非常に困難である。
【０００４】本発明は、変調またはスイッチング時間が
短い、高速の電気または光信号の変調、スイッチング素
子を得ることを目的とする。
短い、高速の電気または光信号の変調、スイッチング素
子を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的は、針状結晶か
らなる複数の半導体細線の少なくとも２本を、互いに近
接するように基板上に配置し、上記半導体細線内を伝搬
する電子または光が、一つの半導体細線から別の半導体
細線に乗り移る現象を利用して、電気信号または光信号
のスイッチングあるいは変調操作を行うことにより達成
される。また、上記半導体細線に電界を印加するための
制御電極を付加することにより、または、上記針状結晶
が、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、
ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、
ＳｉＧｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、Ｃ
ｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳ、ＨｇＣｄＴｅ、ＳｉＣ、Ｇ
ａＮのうちのいずれかの半導体からなることにより達成
される。
らなる複数の半導体細線の少なくとも２本を、互いに近
接するように基板上に配置し、上記半導体細線内を伝搬
する電子または光が、一つの半導体細線から別の半導体
細線に乗り移る現象を利用して、電気信号または光信号
のスイッチングあるいは変調操作を行うことにより達成
される。また、上記半導体細線に電界を印加するための
制御電極を付加することにより、または、上記針状結晶
が、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、
ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、
ＳｉＧｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、Ｃ
ｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳ、ＨｇＣｄＴｅ、ＳｉＣ、Ｇ
ａＮのうちのいずれかの半導体からなることにより達成
される。
【０００６】あるいは、上記針状結晶は、基板に形成し
たリッジの側面にＡｕ微小粒を付着したのち、半導体を
構成する元素の分子線を真空中で用いる半導体結晶の成
長法、あるいは有機金属の熱分解を利用した半導体結晶
の成長法により形成することで達成できる。
たリッジの側面にＡｕ微小粒を付着したのち、半導体を
構成する元素の分子線を真空中で用いる半導体結晶の成
長法、あるいは有機金属の熱分解を利用した半導体結晶
の成長法により形成することで達成できる。
【０００７】
【作用】本発明の半導体装置は、ホイスカーと呼ばれる
半導体の針状結晶よりなる導波路を、基板上に複数本を
平面状に平行または交差して配置し、それぞれの上記導
波路上に金属のゲート電極を形成している。なお、上記
導波路となる針状結晶は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等に
代表される化合物半導体によって成長形成される。
半導体の針状結晶よりなる導波路を、基板上に複数本を
平面状に平行または交差して配置し、それぞれの上記導
波路上に金属のゲート電極を形成している。なお、上記
導波路となる針状結晶は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等に
代表される化合物半導体によって成長形成される。
【０００８】本発明に先立ち、発明者らは針状結晶の成
長に関する詳細な検討を行い、つぎのような現象を見出
した。すなわち、針状結晶はＡｕを成長の種として
〔１、１、１〕結晶軸の方向に伸びる特性があり、基
板上における針状結晶の形成場所や成長方法や成長本数
は、Ａｕの付着場所と基板の結晶面方位を選択すること
により制御できる。特に基板の結晶面方位を（１、１、
０）や（２、１、１）Ｂにすると、基板表面と平行に針
状結晶を形成できることを見出した。
長に関する詳細な検討を行い、つぎのような現象を見出
した。すなわち、針状結晶はＡｕを成長の種として
〔１、１、１〕結晶軸の方向に伸びる特性があり、基
板上における針状結晶の形成場所や成長方法や成長本数
は、Ａｕの付着場所と基板の結晶面方位を選択すること
により制御できる。特に基板の結晶面方位を（１、１、
０）や（２、１、１）Ｂにすると、基板表面と平行に針
状結晶を形成できることを見出した。
【０００９】針状結晶の幅は１００ナノメートル（ｎ
ｍ）以下であるが、例えば幅２０ｎｍ程度のものを２０
ｎｍ程度の間隔まで接近させ、それぞれを電子の導波路
とすると、一方の導波路を伝わる電子は他方の導波路に
乗り移ることが可能である。そして、個々の導波路上に
設けた金属のゲート電極に印加する電圧を変化させるこ
とにより、電子が一方の導波路から他方の導波路に乗り
移る割合を制御することができる。なお、上記記載にお
いては、導波路中を電子が伝わる場合について記した
が、導波路を伝わるものが電子でなく光であっても、同
様に取扱うことができる。
ｍ）以下であるが、例えば幅２０ｎｍ程度のものを２０
ｎｍ程度の間隔まで接近させ、それぞれを電子の導波路
とすると、一方の導波路を伝わる電子は他方の導波路に
乗り移ることが可能である。そして、個々の導波路上に
設けた金属のゲート電極に印加する電圧を変化させるこ
とにより、電子が一方の導波路から他方の導波路に乗り
移る割合を制御することができる。なお、上記記載にお
いては、導波路中を電子が伝わる場合について記した
が、導波路を伝わるものが電子でなく光であっても、同
様に取扱うことができる。
【００１０】
【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明による半導体装置の第１実施例を示す
模式図、図２は上記実施例の製造工程を示す図、図３は
上記実施例の出力電流対制御電極電圧の特性を示す図、
図４は本発明の第２実施例を示す模式図、図５は上記実
施例の光出力強度対制御電極電圧依存性を示す図、図６
は本発明の第３実施例として光伝送システムの構成を示
す概念図、図７は本発明の第４実施例として８×８マト
リックス交換器を示す模式図、図８は本発明の第５実施
例を示す模式図、図９は上記実施例の製造工程を示す図
である。
る。図１は本発明による半導体装置の第１実施例を示す
模式図、図２は上記実施例の製造工程を示す図、図３は
上記実施例の出力電流対制御電極電圧の特性を示す図、
図４は本発明の第２実施例を示す模式図、図５は上記実
施例の光出力強度対制御電極電圧依存性を示す図、図６
は本発明の第３実施例として光伝送システムの構成を示
す概念図、図７は本発明の第４実施例として８×８マト
リックス交換器を示す模式図、図８は本発明の第５実施
例を示す模式図、図９は上記実施例の製造工程を示す図
である。
【００１１】第１実施例 図１には２本の互いに交差する導波路１１８と導波路１
１９からなる電子（電子波）の流れを切り替える素子の
斜視図を示す。導波路１１８、１１９は２本の針状結晶
を基板上で立体交差するように形成することにより構成
される。導波路としてＧａＡｓを用いた場合は、埋め込
み層１１２にＡｌＧａＡｓを用いる。つぎに、電子の入
出力電極１１３、１１４、１１５、１１６および電子の
流れを切り替えるための制御電極１１７を形成する。入
力電極１１３から導波路１１８に入った電子は、導波路
１１８を伝わる途中の導波路の交差部でその一部が他方
の導波路１１９に乗り移る。出力電極１１５、１１６で
はある比率で電子の出力が観測される。出力電極１１
５、１１６での電子の比率は、制御電極１１７に印加す
る電圧で変化させることができる。
１９からなる電子（電子波）の流れを切り替える素子の
斜視図を示す。導波路１１８、１１９は２本の針状結晶
を基板上で立体交差するように形成することにより構成
される。導波路としてＧａＡｓを用いた場合は、埋め込
み層１１２にＡｌＧａＡｓを用いる。つぎに、電子の入
出力電極１１３、１１４、１１５、１１６および電子の
流れを切り替えるための制御電極１１７を形成する。入
力電極１１３から導波路１１８に入った電子は、導波路
１１８を伝わる途中の導波路の交差部でその一部が他方
の導波路１１９に乗り移る。出力電極１１５、１１６で
はある比率で電子の出力が観測される。出力電極１１
５、１１６での電子の比率は、制御電極１１７に印加す
る電圧で変化させることができる。
【００１２】図２は上記素子の製造工程の主要部を示す
概略図である。（ａ）はまず、ＧａＡｓ（１、１、１）
Ｂ面基板１上に、リッジ１１８の段差部を形成する。つ
ぎに、リッジ１１８の側面で（０、０、１）方向に面し
ている側面にＡｕの微小な粒を付着する。Ａｕの微小な
粒は３０ｎｍの直径で間隔を５０ｎｍとし、かつ図１に
示すごとく、２本の針状結晶に交差構造を形成させるよ
うにＡｕの微小粒子をリッジ部に付着する。例えば基板
面に対しＡｕの微小粒径に応じた所定の高低差を持って
付着されている。その後、有機金属の熱分解を利用した
気相化学成長法（ＭＯＣＶＤ）により、ＧａとＡｓの原
料ガスを基板に供給すると、Ａｕの粒が付着した位置に
ＧａＡｓ針状結晶１１０、１１１が結晶方位にしたがい
リッジ側面に対し斜めに成長するため、２本互いに交差
するように形成される。ここで、針状結晶１１０、１１
１は幅が３０ｎｍで長さ５μｍであり、その成長方向が
（１、１、１）Ｂとなる。針状結晶１１０、１１１の交
差角度は（ｂ）に示すように約１０９．４度となる。つ
ぎに、長さが４μｍの導波路１１８および１１９になる
ように、針状結晶１１０、１１１を埋め込んだ基板１を
へき開した状態を（ｃ）に示す。上記導波路１１８およ
び１１９の末端部付近に、電子の入出力電極になるオー
ミック電極１１３、１１４、１１５、１１６を、（ｄ）
に示すようにそれぞれ形成し、ショットキー型の制御電
極１１７を形成する。導波路部の制御電極１１７は、幅
０．５μｍで長さ０．７μｍである。
概略図である。（ａ）はまず、ＧａＡｓ（１、１、１）
Ｂ面基板１上に、リッジ１１８の段差部を形成する。つ
ぎに、リッジ１１８の側面で（０、０、１）方向に面し
ている側面にＡｕの微小な粒を付着する。Ａｕの微小な
粒は３０ｎｍの直径で間隔を５０ｎｍとし、かつ図１に
示すごとく、２本の針状結晶に交差構造を形成させるよ
うにＡｕの微小粒子をリッジ部に付着する。例えば基板
面に対しＡｕの微小粒径に応じた所定の高低差を持って
付着されている。その後、有機金属の熱分解を利用した
気相化学成長法（ＭＯＣＶＤ）により、ＧａとＡｓの原
料ガスを基板に供給すると、Ａｕの粒が付着した位置に
ＧａＡｓ針状結晶１１０、１１１が結晶方位にしたがい
リッジ側面に対し斜めに成長するため、２本互いに交差
するように形成される。ここで、針状結晶１１０、１１
１は幅が３０ｎｍで長さ５μｍであり、その成長方向が
（１、１、１）Ｂとなる。針状結晶１１０、１１１の交
差角度は（ｂ）に示すように約１０９．４度となる。つ
ぎに、長さが４μｍの導波路１１８および１１９になる
ように、針状結晶１１０、１１１を埋め込んだ基板１を
へき開した状態を（ｃ）に示す。上記導波路１１８およ
び１１９の末端部付近に、電子の入出力電極になるオー
ミック電極１１３、１１４、１１５、１１６を、（ｄ）
に示すようにそれぞれ形成し、ショットキー型の制御電
極１１７を形成する。導波路部の制御電極１１７は、幅
０．５μｍで長さ０．７μｍである。
【００１３】上記のように形成した素子特性を調べた。
制御電極１１７に電圧を印加しない状態で、導波路１１
８の入出力電極１１３、１１５に１ボルトの電圧を印加
して１ｍＡの電流を流す。この状態では電子が導波路１
１８の入力電極１１３から注入される。導波路１１９の
出力電極１１６では１マイクロアンペア（μＡ）の電流
が観測された。つぎに、制御電極１１７に０．８ボルト
の正電圧を印加すると、導波路１１８の出力電極１１５
では１０μＡの電流が流れ、導波路１１９の出力電極１
１６では０．９ｍＡの電流が観測された。図３は出力電
極１１５、１１６での電流値を制御電極１１７に印加し
た電圧に対して記録した。図から判るとおり、入力電極
１１３から注入された電子は、導波路１１８を伝搬する
過程で制御電極１１７に１ボルト印加すると、隣接する
導波路にほぼ１００％スイッチングされることが判る。
このとき、スイッチング時間は導波路に重なっている制
御電極の面積で決り、本実施例の場合は１ピコ秒（ｐ
ｓｅｃ）である。すなわち、１テラヘルツのスイッチン
グ素子としての機能があることがわかった。
制御電極１１７に電圧を印加しない状態で、導波路１１
８の入出力電極１１３、１１５に１ボルトの電圧を印加
して１ｍＡの電流を流す。この状態では電子が導波路１
１８の入力電極１１３から注入される。導波路１１９の
出力電極１１６では１マイクロアンペア（μＡ）の電流
が観測された。つぎに、制御電極１１７に０．８ボルト
の正電圧を印加すると、導波路１１８の出力電極１１５
では１０μＡの電流が流れ、導波路１１９の出力電極１
１６では０．９ｍＡの電流が観測された。図３は出力電
極１１５、１１６での電流値を制御電極１１７に印加し
た電圧に対して記録した。図から判るとおり、入力電極
１１３から注入された電子は、導波路１１８を伝搬する
過程で制御電極１１７に１ボルト印加すると、隣接する
導波路にほぼ１００％スイッチングされることが判る。
このとき、スイッチング時間は導波路に重なっている制
御電極の面積で決り、本実施例の場合は１ピコ秒（ｐ
ｓｅｃ）である。すなわち、１テラヘルツのスイッチン
グ素子としての機能があることがわかった。
【００１４】第２実施例 本発明の第２実施例は、導波路に光を入射し、その入射
光により励起された電子・正孔対と、この電子・正孔対
が再結合する時に発する光とが、生成消滅を繰返しなが
ら導波路を伝搬していく現象を利用した素子に関するも
ので、図４に素子の模式図を示す。基板１上に光導波路
５１、５２となるＧａＡｓ針状結晶をＭＯＣＶＤ法によ
り成長させ、ＡｌＧａＡｓにより埋め込み層５を形成す
るまでは第１実施例と同様である。その後、制御電極５
３を形成する。いま導波路５１の断面の一方から波長８
２０ｎｍの半導体レーザ光を入射させた。導波路５１の
もう一方の端面および隣接する導波路５２の端面から出
射される光出力を、制御電極５３に印加する電圧に対し
て測定したところ、図５に示すような結果が得られた。
図より制御電圧が０ボルトでは、導波路５１に入射した
光は導波路５１、５２の出力端からほぼ１対１の割合で
得られる。しかし制御電圧を増加すると、導波路５１の
出力端からの光出力５６は次第に減少し、０．５ボルト
で最小の０となり、さらに制御電圧を増加させると再び
光出力５６は増加する。一方、導波路５２から得られる
光出力は、導波路５１から得られる光出力とは位相がほ
ぼ１８０度ずれた状態である。すなわち、本実施例の素
子は光のスイッチングができる。そこで、光のスイッチ
ング速度を調べたところ、駆動電圧１ボルトで０．３ピ
コ秒の超高速スイッチングができることが明らかになっ
た。
光により励起された電子・正孔対と、この電子・正孔対
が再結合する時に発する光とが、生成消滅を繰返しなが
ら導波路を伝搬していく現象を利用した素子に関するも
ので、図４に素子の模式図を示す。基板１上に光導波路
５１、５２となるＧａＡｓ針状結晶をＭＯＣＶＤ法によ
り成長させ、ＡｌＧａＡｓにより埋め込み層５を形成す
るまでは第１実施例と同様である。その後、制御電極５
３を形成する。いま導波路５１の断面の一方から波長８
２０ｎｍの半導体レーザ光を入射させた。導波路５１の
もう一方の端面および隣接する導波路５２の端面から出
射される光出力を、制御電極５３に印加する電圧に対し
て測定したところ、図５に示すような結果が得られた。
図より制御電圧が０ボルトでは、導波路５１に入射した
光は導波路５１、５２の出力端からほぼ１対１の割合で
得られる。しかし制御電圧を増加すると、導波路５１の
出力端からの光出力５６は次第に減少し、０．５ボルト
で最小の０となり、さらに制御電圧を増加させると再び
光出力５６は増加する。一方、導波路５２から得られる
光出力は、導波路５１から得られる光出力とは位相がほ
ぼ１８０度ずれた状態である。すなわち、本実施例の素
子は光のスイッチングができる。そこで、光のスイッチ
ング速度を調べたところ、駆動電圧１ボルトで０．３ピ
コ秒の超高速スイッチングができることが明らかになっ
た。
【００１５】第３実施例 上記第２実施例に示した素子を実際の光伝送系に取り入
れた光伝送システムの構成を第３実施例として図６に示
す。図示の伝送系では電気信号を光の強弱信号に変換
し、この光信号を光ファイバーで伝送する。光ファイバ
ーで伝送された光信号は、再び電気信号に変換されて情
報の伝送が行われる。光ファイバー８１の入力端では、
複数の入力電気信号を束ねて多重化するマルチプレクサ
（ＭＵＸ）８２、光源となる半導体レーザダイオード８
５、半導体レーザダイオード８５からの光に電気信号を
載せる（変換する）ための光変調器８４、光変調器８４
を駆動するための光変調器駆動素子８３、光変調器８４
から出た信号光を増幅する光増幅器８６が光伝送系の構
成要素である。光ファイバー８１の出力端では、光増幅
器８７、光を電気に変換する光検知器８８、光検知器８
８からの電気信号を処理する回路系からなっている。
れた光伝送システムの構成を第３実施例として図６に示
す。図示の伝送系では電気信号を光の強弱信号に変換
し、この光信号を光ファイバーで伝送する。光ファイバ
ーで伝送された光信号は、再び電気信号に変換されて情
報の伝送が行われる。光ファイバー８１の入力端では、
複数の入力電気信号を束ねて多重化するマルチプレクサ
（ＭＵＸ）８２、光源となる半導体レーザダイオード８
５、半導体レーザダイオード８５からの光に電気信号を
載せる（変換する）ための光変調器８４、光変調器８４
を駆動するための光変調器駆動素子８３、光変調器８４
から出た信号光を増幅する光増幅器８６が光伝送系の構
成要素である。光ファイバー８１の出力端では、光増幅
器８７、光を電気に変換する光検知器８８、光検知器８
８からの電気信号を処理する回路系からなっている。
【００１６】ここでは、光変調器８４に本発明の素子を
取り入れた。従来の光変調器では駆動電圧が４ボルト必
要であり、そのために光変調器駆動素子８３の負荷が大
き過ぎて、異常発熱や耐圧不良など故障の原因になって
いた。本発明の素子では駆動電圧が１ボルトであるの
で、光変調器駆動素子８３の故障がなく、かつ、低消費
電力化とともに光伝送系全体の信頼性向上を達成するこ
とができる。
取り入れた。従来の光変調器では駆動電圧が４ボルト必
要であり、そのために光変調器駆動素子８３の負荷が大
き過ぎて、異常発熱や耐圧不良など故障の原因になって
いた。本発明の素子では駆動電圧が１ボルトであるの
で、光変調器駆動素子８３の故障がなく、かつ、低消費
電力化とともに光伝送系全体の信頼性向上を達成するこ
とができる。
【００１７】第４実施例 針状結晶からなる導波路を平行に８本並べて８×８のマ
トリックススイッチを形成した第４実施例の素子模式図
を図７に示す。本実施例の素子では、導波路の幅と間隔
はともに１００ｎｍの程度である。導波路は４本ずつ互
いに平行するものが上下２段に交差する構造であり、上
下の導波路が交差した場所に制御電極が設けてある。導
波路上に制御電極が設置してある部分では、制御電極へ
の電圧印加により隣り合う２本の導波路間で一方の導波
路から他方の導波路へ、光または電子の乗り移りがおこ
る。１本の導波路の長さは約２００μｍであり、導波路
と制御電極を含めた素子の寸法は２００μｍ×２００μ
ｍである。上記マトリックススイッチは、従来の電話交
換機に使われているようなクロスバー式交換機に比べ
て、５桁から６桁のスイッチング速度の高速化をはかる
ことができる。なお、導波路を伝搬するものが光である
場合には、個々の導波路に入力する光の波長をそれぞれ
異なるものとすることによって、超並列の情報処理が可
能になる。
トリックススイッチを形成した第４実施例の素子模式図
を図７に示す。本実施例の素子では、導波路の幅と間隔
はともに１００ｎｍの程度である。導波路は４本ずつ互
いに平行するものが上下２段に交差する構造であり、上
下の導波路が交差した場所に制御電極が設けてある。導
波路上に制御電極が設置してある部分では、制御電極へ
の電圧印加により隣り合う２本の導波路間で一方の導波
路から他方の導波路へ、光または電子の乗り移りがおこ
る。１本の導波路の長さは約２００μｍであり、導波路
と制御電極を含めた素子の寸法は２００μｍ×２００μ
ｍである。上記マトリックススイッチは、従来の電話交
換機に使われているようなクロスバー式交換機に比べ
て、５桁から６桁のスイッチング速度の高速化をはかる
ことができる。なお、導波路を伝搬するものが光である
場合には、個々の導波路に入力する光の波長をそれぞれ
異なるものとすることによって、超並列の情報処理が可
能になる。
【００１８】第５実施例 上記第１実施例では、針状結晶を用いた導波路が基板上
で交差するように配置した素子を示したが、針状結晶が
互いに平行になるような配置で導波路を形成した素子の
第５実施例を図８に示す。また、本実施例の素子の製造
工程を図９にそれぞれ示す。本実施例の素子は、２本の
導波路の途中に制御電極６を設けている。つぎに、互い
に平行な２本の導波路を利用した本素子の形成工程を図
９により説明する。
で交差するように配置した素子を示したが、針状結晶が
互いに平行になるような配置で導波路を形成した素子の
第５実施例を図８に示す。また、本実施例の素子の製造
工程を図９にそれぞれ示す。本実施例の素子は、２本の
導波路の途中に制御電極６を設けている。つぎに、互い
に平行な２本の導波路を利用した本素子の形成工程を図
９により説明する。
【００１９】図９において、ＧａＡｓ（２、１、１）Ｂ
基板１上に、（ａ）に示すようにリッジ１２を（１、−
１、０）方向に平行に形成する。この時、リッジ１２の
側面には（１、１、１）Ｂ面または（１、１、１）Ｂ面
に近い面が出るようにする。（１、１、１）Ｂ面または
（１、１、１）Ｂ面に近い面の一部に、走査型トンネル
顕微鏡（ＳＴＭ）を用いてＡｕの微小な粒を２個所に付
着する。その後ＭＯＣＶＤによりＡｕを付着した位置に
ＧａＡｓ針状結晶３、１４を成長させる。この時、成長
した針状結晶３、１４はリッジ１２に対して垂直で、基
板１の面に平行に成長する。成長した針状結晶は（ｂ）
のように埋め込み層４で埋め込み、導波路２、１５にな
るが、（ｃ）に示すように基板１をへき開してリッジ部
を除去する。つぎに、入力電極９、１０および出力電極
７、８、制御電極６を設け、基板１の裏面に基板電極１
１を形成して素子が完成する。
基板１上に、（ａ）に示すようにリッジ１２を（１、−
１、０）方向に平行に形成する。この時、リッジ１２の
側面には（１、１、１）Ｂ面または（１、１、１）Ｂ面
に近い面が出るようにする。（１、１、１）Ｂ面または
（１、１、１）Ｂ面に近い面の一部に、走査型トンネル
顕微鏡（ＳＴＭ）を用いてＡｕの微小な粒を２個所に付
着する。その後ＭＯＣＶＤによりＡｕを付着した位置に
ＧａＡｓ針状結晶３、１４を成長させる。この時、成長
した針状結晶３、１４はリッジ１２に対して垂直で、基
板１の面に平行に成長する。成長した針状結晶は（ｂ）
のように埋め込み層４で埋め込み、導波路２、１５にな
るが、（ｃ）に示すように基板１をへき開してリッジ部
を除去する。つぎに、入力電極９、１０および出力電極
７、８、制御電極６を設け、基板１の裏面に基板電極１
１を形成して素子が完成する。
【００２０】針状結晶についてはＧａＡｓの場合につい
て記したが、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡ
ｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｉＧｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ
Ｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＨｇＣｄＴｅ、ＳｉＣ、Ｇａ
Ｎ等の半導体からなる結晶であってもよいことは言うま
でもない。なお、針状結晶の成長方法はＭＯＣＶＤの場
合について記したが、真空中で半導体の構成元素の分子
線を使った結晶成長法によって成長してもよい。
て記したが、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡ
ｓＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｉＧｅ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、Ｚｎ
Ｓ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＨｇＣｄＴｅ、ＳｉＣ、Ｇａ
Ｎ等の半導体からなる結晶であってもよいことは言うま
でもない。なお、針状結晶の成長方法はＭＯＣＶＤの場
合について記したが、真空中で半導体の構成元素の分子
線を使った結晶成長法によって成長してもよい。
【００２１】
【発明の効果】上記のように本発明による半導体装置お
よびその製造方法は、針状結晶からなる複数の半導体細
線の少なくとも２本を、互いに近接するように基板上に
配置し、上記半導体細線内を伝搬する電子または光が、
一つの半導体細線から別の半導体細線に乗り移る現象を
利用して、電気信号または光信号のスイッチングあるい
は変調操作を行うことにより、電気信号や光信号の高速
切り替えが可能な半導体装置を製作できるので、伝送シ
ステムの高速化を行い信頼性を向上させることができ
る。
よびその製造方法は、針状結晶からなる複数の半導体細
線の少なくとも２本を、互いに近接するように基板上に
配置し、上記半導体細線内を伝搬する電子または光が、
一つの半導体細線から別の半導体細線に乗り移る現象を
利用して、電気信号または光信号のスイッチングあるい
は変調操作を行うことにより、電気信号や光信号の高速
切り替えが可能な半導体装置を製作できるので、伝送シ
ステムの高速化を行い信頼性を向上させることができ
る。
【図１】本発明による半導体装置の第１実施例を示す模
式図である。
式図である。
【図２】上記実施例に示した半導体装置で、（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ製造工程を示す図で
ある。
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ製造工程を示す図で
ある。
【図３】上記実施例の出力電流対制御電極電圧の依存性
を示す図である。
を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す模式図である。
【図５】上記実施例の光出力強度対制御電極電圧依存性
を示す図である。
を示す図である。
【図６】本発明の第３実施例として光伝送システムの構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図７】本発明の第４実施例として８×８マトリックス
交換器を示す模式図である。
交換器を示す模式図である。
【図８】本発明の第５実施例を示す模式図である。
【図９】上記実施例に示した半導体装置で、（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ製造工程を示す図で
ある。
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ製造工程を示す図で
ある。
【図１０】従来の方向性結合器を示す模式図である。
【図１１】従来の電子波方向性結合型スイッチを示す図
である。
である。
１ 基板 ６、１１７ 制御電極 １１０、１１１ 針状結晶（細線） １１８、１１９ 導波路
フロントページの続き (72)発明者 佐藤 俊彦 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 白井 正敬 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 原口 恵一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平６−97425（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 29/00 - 29/96
Claims (4)
- 【請求項１】針状結晶からなる複数の半導体細線の少な
くとも２本を、互いに近接するように基板上に配置し、
上記半導体細線内を伝搬する電子または光が、一つの半
導体細線から近接する別の半導体細線に乗り移る現象を
利用して電気信号または光信号のスイッチングまたは変
調を行なう半導体装置において、リッジ部を有する半導
体基板の該リッジ部側面から上記半導体細線が上記半導
体基板の面と平行に配置された半導体細線と、複数の上
記半導体細線が近接している部分に、該複数の半導体細
線間の電位障壁の高さを制御するように形成されている
制御電極とを有し、該制御電極により上記電気信号また
は光信号のスイッチングあるいは変調操作を行うことを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】上記基板面に平行に形成された少なくとも
２本以上の針状結晶は、互いに平行または交差の何れか
の構成となっていることを特徴とする請求項１に記載の
半導体装置。 - 【請求項３】上記針状結晶は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、Ｉ
ｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ、ＧａＳｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＡｌＧａＡｓ、
ＩｎＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、Ｚｎ
Ｓ、ＨｇＣｄＴｅ、ＳｉＣ、ＧａＮのいずれかの半導体
からなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。 - 【請求項４】針状結晶からなる複数の半導体細線の少な
くとも２本を、互いに近接するように基板上に配置して
形成する半導体装置の製造方法において、上記針状結晶
は、リッジ部を有する半導体基板の該リッジの側面にＡ
ｕの微小粒を付着したのち、上記針状結晶を構成する元
素の分子線を真空中で用いる半導体結晶の成長法、また
は有機金属の熱分解を利用した上記針状結晶を構成する
元素を供給する半導体結晶の気相化学成長法により、上
記Ａｕの微小粒を成長の核として形成されることを特徴
とする半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6154441A JP2813302B2 (ja) | 1994-07-06 | 1994-07-06 | 半導体装置およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6154441A JP2813302B2 (ja) | 1994-07-06 | 1994-07-06 | 半導体装置およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0823086A JPH0823086A (ja) | 1996-01-23 |
| JP2813302B2 true JP2813302B2 (ja) | 1998-10-22 |
Family
ID=15584274
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6154441A Expired - Fee Related JP2813302B2 (ja) | 1994-07-06 | 1994-07-06 | 半導体装置およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2813302B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007296626A (ja) * | 2007-04-09 | 2007-11-15 | Japan Science & Technology Agency | 機能素子および機能材料 |
| JP7487926B2 (ja) * | 2020-05-13 | 2024-05-21 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | シリコンスピン量子ビットデバイス及びその製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0697425A (ja) * | 1992-09-14 | 1994-04-08 | Hitachi Ltd | 量子細線超格子構造体及びその製造方法 |
-
1994
- 1994-07-06 JP JP6154441A patent/JP2813302B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0823086A (ja) | 1996-01-23 |
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