JP3181070B2 - 量子箱半導体素子 - Google Patents

量子箱半導体素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、トンネル効果や共鳴ト
ンネル効果などを利用した半導体素子ないし量子箱構造
の半導体素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体中における電子の自由度を
制限することにより、電子のエネルギーが量子化され且
つフォノンとの結合が抑制されるために、高い効率の半
導体レーザや電子の波動性を利用した超高速デバイスが
可能となることが知られている。電子の自由度を、二次
元(いわゆる超格子)に、一次元(量子細線)に、更に
零次元(量子箱)にするほどに、エネルギーが離散化さ
れ波動性が強められるが、量子化の効果が現れるために
は、閉じ込め方向のサイズを10nmオーダー以下にす
ることが必要である。
【0003】
【発明が解決しようとしている課題】しかし、超格子構
造の分野では、分子線エピタキシー法など精密な膜厚及
び界面制御によるデバイスの作製が実現されているが、
現状の成膜、フォトリソグラフィ技術では、より低次元
(電子の自由度について)の量子箱構造を作製するのは
困難である。
【0004】もちろん、GaAsの原子ステップに沿っ
てエピタキシャル成長をさせて量子箱を形成する方法が
提案されているが、この場合には、より精密な製造管理
が必要となる。更に、10nmオ−ダ−の量子箱をデバ
イスとして利用し、量子波あるいはトンネル効果を有効
に作用させるためには、デバイス全体がサブミクロンの
サイズであることが必要とされる。
【0005】従って、本発明は、上記の課題に鑑み、個
々の微結晶が広バンドギャップ物質によって隔てられた
半導体微結晶を含む層を段差壁面に堆積して量子効果を
発揮するのに十分小さいサイズの量子箱半導体素子を提
供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の量子箱半導体素子は、段差上面、段差下面及び段差
壁面を含部材に形成された量子箱半導体素子であっ
て、個々の結晶が広バンドギャップ物質によって隔てら
れた半導体微結晶を含む領域を該段差壁面に堆積し、且
つ該段差上下面にある電極層に該領域が接するように構
成されていることを特徴とする。
【0007】
【作用】上記構成の本発明によれば、基板に微小な段差
を形成し、この段差壁面に個々の微結晶が大バンドギャ
ップ物質で隔てられた半導体微結晶を配置した構造を有
しているので、容易に量子箱半導体素子を実現できる。
【0008】
【実施例】以下に、本発明の実施例について図面と共に
説明する。まず、図1は本発明の量子箱半導体素子の断
面概念図である。同図において、基板3には、石英ガラ
ス、絶縁性Siウエハー、熱酸化膜付Siウエハー、そ
の他の平坦な絶縁性材料を用いる。段差部は、基板表面
の一部を例えばレジストで被覆し、露出部をエッチング
することにより形成される。段差の高さhは、数十nm
ないし数百nmの範囲に制御される。電極4は、Au,
Al,Cu等の金属あるいは合金であり、真空蒸着法や
スパッタリング法などの薄膜堆積により形成され、その
厚さδは(h−δ)が10〜200nmになるように制
御される。
【0009】図示するように、段差壁面が基板3に対し
略垂直で、電極膜厚が段差高さの2〜3倍以下であれ
ば、垂直入射の蒸着法やスパッタ法では段をはさんで上
下の電極が導通するほどには、電極材料が壁面を被覆し
ない。
【0010】なお、段差部は、必ずしも基板3に対して
略垂直でなくてもよい。又、壁面に付着した微量な電極
材料は短時間のエッチングで容易に除去される。
【0011】段差部に形成される半導体微結晶1は、S
i,Geや、それらの元素を含む合金や、I族−VII
族、II族−VI族、III族ーV族の化合物半導体で
ある。微結晶1のサイズは、10〜1nmオーダーの大
きさが好ましく、大きくても50nm以下である。この
サイズは、キャリアが微結晶中の格子欠陥やフォノンに
よる散乱を受けずに高速で微結晶間をトンネル伝導をす
ることができるサイズであって、閉じ込め効果によって
できたミニバンド間のエネルギーがフォノンエネルギー
よりも大きくなるサイズである。
【0012】個々の半導体微結晶1は、そのバンドギャ
ップより広いバンドギャップの材料2(代表的には絶縁
体材料、以下ギャップ材という)で隔てられる。微結晶
1間の距離により半導体素子の動作電圧が変化するた
め、微結晶1を適切に制御して均一に分散させることが
重要である。ギャップ材2中に均一に微結晶1を分散さ
せる方法としては、微粒子状半導体をガラス材や高分子
材中に溶融させて塗布する手段とか、半導体材料とギャ
ップ材とを同時スパッタする方法とかがある。しかし、
微結晶1の間隔を均一に保つためには、予め微粒子状結
晶の表面をギャップ材2でコーティングするか、微粒子
1の表面を高バントギャップ材に変質させる方が望まし
い。
【0013】表面処理方法として、通常の酸化処理、還
元処理、窒化処理、炭化処理が適用できる。気相中での
反応で微粒子間の空げきに反応分子等が拡散し、均一に
微粒子の表面処理を行なうことができる。微粒子表面を
後処理で変質させるためには、もともとの微粒子が、内
側に変質しにくいもので外側が変質しやすいという二重
構造であると、容易に所望の構造を形成することができ
る。又、気相法で微粒子を形成し基板上に堆積させると
いう方法には、一般に強い付着力が得られないという欠
点があることを鑑みるならば、付着力を向上させるため
には大きな運動エネルギーを微粒子に与えることが有効
であることが判る。そのためには、微粒子を帯電し電界
で加速するといった手段や、微粒子を気体に分散し気体
をノズルで加速するといった手段等段が用いられる。
【0014】次に、量子箱半導体素子の作製例を示す。
まず、第1の作製例について説明する。
【0015】最初に、熱酸化膜付Siウエハの半面をレ
ジストで被覆し、Si02をHF水溶液でエッチングし
て、1500Åの段差を有する基板を作製した。続い
て、下びき層50ÅのCrとAuを約1000Åの厚
さ、連続蒸着して電極4を形成した。この電極段差部
に、Si結晶の超微粒子を堆積させる。Si超微粒子
は、SiH4をマイクロ波プラズマ中で分解して生成し
たもので、SiH4分圧=15mTorr、H2分圧=
0.4Torrの条件下で、ラバールノズルより原料ガ
スと共に基板3に入射角30°で噴きつけて作製され
た。
【0016】図2に示すように、上記条件で生成した超
微粒子は、平均結晶粒径約42ÅのSi単結晶5と、こ
の結晶を取り囲むおよそ10Åの厚みのSi及びHの化
合物6とから成り立っている。
【0017】以上の工程で作製したSi超微粒子及びA
u電極付きのSi基板3を、75°C、80%RH中で
5時間、180°C、N2中で12時間、処理する。高
湿処理により結晶外側のSi−H化合物が酸化物に変化
し、更に高温処理で吸着した水分を除去した。これで、
図1に示すように、段差部分に薄いSiO2で絶縁され
たSi微結晶を有する量子箱半導体が作製された。
【0018】第2の作製例について説明する。最初に、
石英基板の一部をフッ酸でエッチングを行うことで高さ
200nmの段差を形成し、約50Å厚のCrを下びき
層として、厚み100nmのAuGe電極を蒸着するこ
とにより、基板3を作製した。
【0019】続いて、二つの反応室を直列に有するCV
D装置を用いて、AlxGa1-xAsギャップ材でGaA
s微結晶を被覆したGaAs超微粒子を作製して、上記
基板上に堆積させた。以下、この工程の詳細について説
明する。
【0020】まず、GaAsとAlxGa1-xAsとの二
重構造をなす超微粒子は、直列の二つの反応室をもつC
VD装置により作製された。上流側の反応室には、原料
ガスとしてAsH3(1.4×10-5mol/min)
及びトリメチルガリウム(TMG、2.4×10-5mo
l/min)を、H2ガスと共に供給し、反応室圧力を
5Torr、反応室温度は700°Cとして、平均粒径
140ÅのGaAs微結晶粒子を作製した。
【0021】作製されたGaAs微結晶粒子は、未反応
ガスと共ににオリフィスを通して下流側の反応室に運ば
れる。下流側反応室にトリメチルアルミニウム(TM
A)を1.2×10-5mol/min加え、その反応室
温度を650°CとしてGaAs微結晶上にAlxGa
1-xAsを成長させた。これを基板3上に堆積して、図
1と同様な量子箱半導体素子を作製した。
【0022】図に示すように、作製した微粒子は、透過
型電子顕微鏡観察により、GaAs結晶核の周囲にAl
xGa1-xAsのギャップ層2が成長した二重構造である
ことが確かめられた。又ギャップ層の組成は、SIMS
分析よってAl含有率xは、およそ0.7であることが
確かめられた。
【0023】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、微
小段差部壁面に広バンドギャップで隔てられた半導体微
結晶を堆積して段差上下に在る電極と接することによ
り、量子効果を発揮するのに十分小さいサイズの量子箱
半導体素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の量子箱半導体素子の実施例を表す断面
概念図である。
【図2】実施例の作製例1で作製した超微粒子の断面図
である。
【符号の説明】
1 半導体微結晶 2 広ギャップ材 3 基板 4 電極 5 Si結晶 6 Si−H化合物
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−116822(JP,A) 特開 平1−319985(JP,A) 特開 昭63−29989(JP,A) 特開 平2−244726(JP,A) Minoru Fujii,et.a l.,”Raman scatteri ng from quantum do ts of Ge embedded in SiO2 thin film s”Apple.Phys.Let t.,vol.57,No25,1990,p 2692−2694 R.K.Jain,et.al.," Degeneration four− wave mixing in sem iconductor−doped g lasses”,J.opt.Soc. Am.,vol.73,No.5,1983, p647−653 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/329 H01L 21/33 - 21/331 H01L 29/00 - 29/267 H01L 29/30 - 29/38 H01L 29/68 - 29/737 H01L 29/86 - 29/87 H01L 29/88 - 29/96

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】段差上面、段差下面及び段差壁面を含
    材に形成された量子箱半導体素子であって、個々の結晶
    が広バンドギャップ物質によって隔てられた半導体微結
    晶を含む領域を該段差壁面に堆積し、且つ該段差上下面
    にある電極層に該領域が接するように構成されているこ
    とを特徴とする量子箱半導体素子。
  2. 【請求項2】前記段差上下面間の高さと前記電極層の厚
    さの差が10〜200nmである請求項1記載の量子箱半導体素
    子。
  3. 【請求項3】前記半導体微結晶のサイズが10〜1nmの大
    きさである請求項1記載の量子箱半導体素子。
  4. 【請求項4】前記領域は、前記半導体微結晶の表面を酸
    化処理、還元処理、窒化処理、あるいは炭化処理して形
    成されている請求項1記載の量子箱半導体素子。
  5. 【請求項5】前記半導体微結晶は、Si、Ge、Siあるいは
    Geを含む合金、または化合物半導体からなる請求項1記
    載の量子箱半導体素子。
  6. 【請求項6】前記領域は、気相法で堆積させて成る請求
    項1記載の量子箱半導体素子。
  7. 【請求項7】前記段差上下面に電極層を形成した後、前
    記領域を形成して成る請求項1記載の量子箱半導体素
    子。
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EP0926260A3 (en) * 1997-12-12 2001-04-11 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Using antibody - antigen interaction for formation of a patterened metal film

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Minoru Fujii,et.al.,"Raman scattering from quantum dots of Ge embedded in SiO2 thin films"Apple.Phys.Lett.,vol.57,No25,1990,p2692−2694
R.K.Jain,et.al.,"Degeneration four−wave mixing in semiconductor−doped glasses",J.opt.Soc.Am.,vol.73,No.5,1983,p647−653

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