JP3415068B2 - Method for forming nitride semiconductor quantum dots by position controlled droplet epitaxy, quantum bit device structure and quantum correlation gate device structure in quantum computer - Google Patents

Method for forming nitride semiconductor quantum dots by position controlled droplet epitaxy, quantum bit device structure and quantum correlation gate device structure in quantum computer

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JP3415068B2
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、位置制御された液
滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成
方法、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造お
よび量子相関ゲート素子構造に関し、さらに詳細には、
例えば、量子力学の原理に基づいた量子計算を行うチュ
ーリング型の量子コンピュータを構成する際などにおい
て必要とされるGaN(窒化ガリウム)、InN(窒化
インジウム)あるいはAlN(窒化アルミニウム)など
の単結晶やこれらの混晶(InGaN、AlGaNな
ど)などによるIII−V族窒化物半導体の量子ドット
を形成する際に用いて好適な位置制御された液滴エピタ
キシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法、そ
の方法により形成された量子ドットを用いた量子コンピ
ュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲー
ト素子構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy, a qubit device structure and a quantum correlation gate device structure in a quantum computer, and more specifically,
For example, a single crystal such as GaN (gallium nitride), InN (indium nitride), or AlN (aluminum nitride), which is required when configuring a Turing-type quantum computer that performs quantum computation based on the principle of quantum mechanics, A method for forming a nitride semiconductor quantum dot by position-controlled droplet epitaxy, which is suitable for use in forming a III-V group nitride semiconductor quantum dot of these mixed crystals (InGaN, AlGaN, etc.), The present invention relates to a quantum bit device structure and a quantum correlation gate device structure in a quantum computer using quantum dots formed by the method.

【0002】[0002]

【発明の背景】従来より、半導体技術の分野において
は、GaN、InNあるいはAlNなどのIII−V族
窒化物半導体は、光学デバイス材料や電子デバイス材料
などとして極めて有用であると期待されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION In the field of semiconductor technology, III-V group nitride semiconductors such as GaN, InN and AlN have been expected to be extremely useful as optical device materials and electronic device materials.

【0003】ところで、上記したような窒化物半導体を
集積回路などへ応用する場合には、窒化物半導体の量子
構造として、直径が数十ナノメートル(nm)程度ある
いはそれ以下の球体形状や、一辺が数十ナノメートル
(nm)程度あるいはそれ以下の方体形状を備えた微小
な量子ドットを形成する必要がある。
By the way, when the above-mentioned nitride semiconductor is applied to an integrated circuit or the like, the quantum structure of the nitride semiconductor has a spherical shape with a diameter of about several tens of nanometers (nm) or less, or one side. However, it is necessary to form minute quantum dots having a rectangular shape of about several tens of nanometers (nm) or less.

【0004】しかしながら、従来においては液滴エピタ
キシーによりガリウム砒素(GaAs)の量子ドットを
形成する手法は提案されているが、現在までのところG
aN、InNあるいはAlNやInGaN、AlGaN
などの窒化物半導体の量子ドットを形成する手法は提案
されておらず、窒化物半導体の量子ドットを形成する手
法の案出が強く望まれているものであった。
However, although a method of forming gallium arsenide (GaAs) quantum dots by droplet epitaxy has been proposed in the past, up to now G
aN, InN, AlN, InGaN, AlGaN
No method for forming quantum dots of a nitride semiconductor has been proposed, and the devising of a method for forming quantum dots of a nitride semiconductor has been strongly desired.

【0005】ところで、近年、古典力学に基づいた既存
のデジタル・コンピュータに対して、量子力学の原理に
基づいた量子計算を行う量子コンピュータの概念が提唱
されてきている。
By the way, in recent years, a concept of a quantum computer for performing quantum calculation based on the principle of quantum mechanics has been proposed for an existing digital computer based on classical mechanics.

【0006】こうした量子コンピュータを実現するため
には、現在のデジタル・コンピュータのビットの概念に
相当する量子ビットを実現するための量子ビット素子
と、2個の量子ビットの演算を行う量子相関ゲート素子
とが必要であることが現在までに判明している。
In order to realize such a quantum computer, a quantum bit device for realizing a quantum bit corresponding to the bit concept of the current digital computer and a quantum correlation gate device for performing an operation of two quantum bits. To date, it has been found necessary.

【0007】ここで、以降の説明の理解を容易にするた
めに、量子ビットならびに量子相関ゲートについて説明
しておくこととする。
Here, in order to facilitate understanding of the following description, the quantum bit and the quantum correlation gate will be described.

【0008】古典力学の原理に基づく既存のデジタル・
コンピュータにおいては、“0”と“1”による「ビッ
ト」に対して、アンド(AND)やオア(OR)などの
論理ゲートを作用させることによって、加算やフーリエ
変換などの演算を行うことのできる回路を構築するよう
になされている。こうした「ビット」に対応する概念と
して、量子コンピュータにおいては「量子ビット」とい
う概念が導入されている。
Existing digital based on the principle of classical mechanics
In a computer, an arithmetic operation such as addition or Fourier transform can be performed by causing a logical gate such as AND (AND) or OR (OR) to act on a “bit” composed of “0” and “1”. It is designed to build a circuit. As a concept corresponding to such “bit”, the concept of “qubit” is introduced in the quantum computer.

【0009】物質のミクロな性質を支配する量子力学に
よれば、電子などの粒子(この明細書においては、電子
について説明する。)の状態は、いろいろな状態の重ね
合わせで表される。即ち、量子力学においては、とりう
ることのできる状態が2つしかない場合には、そのエネ
ルギーが大きい方の状態を「|1>」と表すとともに、
そのエネルギーが低い方の状態を「|0>」と表すこと
にすると、電子の状態は|1>と|0>との重ね合わせ
状態にあるものと言うことができる。こうした概念を、
従来のビットに利用するのが、量子ビットの考え方であ
る。
According to the quantum mechanics that governs the microscopic properties of matter, the state of particles such as electrons (in this specification, electrons are explained) is represented by superposition of various states. That is, in quantum mechanics, when there are only two possible states, the state with the larger energy is represented as “| 1>”, and
When the lower energy state is represented as “| 0>”, it can be said that the electron state is in the superposition state of | 1> and | 0>. This concept
The concept of quantum bits is used for conventional bits.

【0010】即ち、“0”か“1”かが確定的な従来の
ビットに対して、量子ビットでは、量子ビットの状態は
“0”か“1”かのどちらとは言えず、ある確率で
“0”の状態があり、また、ある確率で“1”の状態が
あると言えるだけである。即ち、このような状態が、重
ね合わせ状態と称されているものである。
In other words, in the quantum bit, the state of the quantum bit cannot be said to be "0" or "1" as compared with the conventional bit in which "0" or "1" is definite, and there is a certain probability. It can only be said that there is a state of "0" at and a state of "1" with a certain probability. That is, such a state is called a superposed state.

【0011】従って、量子ビットの物理的実態は、|1
>と|0>との2つの量子準位を備えた2準位系である
と言える。
Therefore, the physical reality of the quantum bit is | 1
It can be said that it is a two-level system having two quantum levels of> and | 0>.

【0012】また、量子相関ゲートとは、上記したよう
な2個の量子ビットの演算を行って量子ビットを操作す
るゲートであるが、その演算とは図1に示すようなもの
である。
The quantum correlation gate is a gate that operates a quantum bit by performing an operation on two quantum bits as described above, and the operation is as shown in FIG.

【0013】即ち、量子相関ゲートは可換であり、ある
状態の2個の量子ビットに作用して、他の状態の2個の
量子ビットを得ることができるようにしたものである。
That is, the quantum correlation gate is commutative so that it can act on two qubits in a certain state to obtain two qubits in another state.

【0014】具体的には、図1(a)に概念的に示すよ
うに、量子相関ゲートは、量子相関ゲートによる作用を
受ける前の2個の量子ビットのうちの一方(2個の量子
ビットのうちの基準となる量子ビットであり、以下、
「コントロールビット」と称する。)の状態を「A」と
するとともに、量子相関ゲートによる作用を受ける前の
2個の量子ビットのうちの他方(2個の量子ビットのう
ちの「コントロールビット」による影響を受ける量子ビ
ットであり、以下、「ターゲットビット」と称する。)
の状態を「B」とすると、量子相関ゲートの作用を受け
た後の2個の量子ビットとして、図1(b)の真理値表
に概念的に示すように、量子相関ゲートによる作用を受
ける前のコントロールビットの状態と同じ状態たる
「A」と、量子相関ゲートによる作用を受ける前のコン
トロールビットの状態たる「A」とターゲットビットの
状態たる「B」との排他的論理和「X」を得ることがで
きるものである。
Specifically, as conceptually shown in FIG. 1A, one of two quantum bits (two quantum bits) before being affected by the quantum correlation gate is used for the quantum correlation gate. Is the standard qubit of
It is called a "control bit". ) Is “A” and the other of the two qubits before being affected by the quantum correlation gate (the qubit that is affected by the “control bit” of the two qubits. , Hereinafter referred to as "target bit".)
Is "B", the two quantum bits after being affected by the quantum correlation gate are affected by the quantum correlation gate as conceptually shown in the truth table of FIG. 1 (b). An exclusive OR "X" of "A", which is the same state as the previous control bit, and "A", which is the state of the control bit before being acted on by the quantum correlation gate, and "B", which is the state of the target bit Is what you can get.

【0015】そして、本願出願人は、上記したような量
子ビットならびに量子相関ゲートを実現することのでき
る実際的な構成として、特願平10−232590号
「量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および
量子相関ゲート素子構造」(出願日:平成10年8月1
9日)を提案している。
The applicant of the present application has disclosed, as a practical structure capable of realizing the above-described quantum bit and quantum correlation gate, Japanese Patent Application No. 10-232590 "Quantum Bit Element Structure and Quantum Correlation in Quantum Computer". Gate device structure "(Filing date: August 1, 1998)
9th) is proposed.

【0016】この特願平10−232590号「量子コ
ンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関
ゲート素子構造」に係る発明の原理は、直径が数十ナノ
メートル(nm)程度あるいはそれ以下の球体形状や、
一辺が数十ナノメートル(nm)程度あるいはそれ以下
の方体形状を備えた微小な2つの量子ドットを近接させ
て配置して、トンネル効果によって当該2つの量子ドッ
トの間で電子を移動可能に、1個の電子を当該2つの量
子ドットの間で行き来させて|1>と|0>との2つの
状態にするものである。
The principle of the invention relating to Japanese Patent Application No. 10-232590 "Quantum bit device structure and quantum correlation gate device structure in a quantum computer" is that the diameter of a sphere is several tens of nanometers (nm) or less, or a spherical shape. ,
Two quantum dots, each of which has a rectangular shape with one side of several tens of nanometers (nm) or less, are arranged close to each other, and electrons can be moved between the two quantum dots by the tunnel effect. One electron is moved back and forth between the two quantum dots to have two states of | 1> and | 0>.

【0017】ここで、上記した2つの量子ドットの距離
は近ければ近いほど好ましいものであるが、こうした2
つの量子ドットを形成する位置をリソグラフィの技術を
用いて制御しようとする場合には、2つの量子ドットの
距離を近接するにあたって技術的な限界があるため、2
つの量子ドットを極めて近接した位置に制御して配置す
ることを可能にした量子ドットの形成の手法の案出が強
く望まれているものであった。
Here, the closer the distance between the two quantum dots is, the more preferable it is.
When it is attempted to control the position where two quantum dots are formed by using a lithography technique, there is a technical limit in bringing the distance between the two quantum dots close to each other.
It has been strongly desired to devise a method for forming quantum dots, which makes it possible to control and arrange two quantum dots at extremely close positions.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来の技術に対する強い要望に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、GaN、InNある
いはAlNやInGaN、AlGaNなどの窒化物半導
体の量子ドットを位置制御して形成することができるよ
うにして、それにより2つの窒化物半導体の量子ドット
を極めて近接した位置に制御して配置することを可能に
し、例えば、量子ビットならびに量子相関ゲートを実現
することのできるようにした位置制御された液滴エピタ
キシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法を提
供しようとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned strong demands for the prior art, and its object is to obtain GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, or the like. A quantum dot of a nitride semiconductor can be formed in a position-controlled manner, whereby two quantum dots of a nitride semiconductor can be controlled and arranged in an extremely close position. Another object of the present invention is to provide a method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy, which can realize a quantum correlation gate.

【0019】また、本発明は、上記した位置制御された
液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形
成方法により形成された量子ドットを用いた量子コンピ
ュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲー
ト素子構造を提供しようとするものである。
The present invention also relates to a quantum bit device structure and a quantum correlation gate device structure in a quantum computer using a quantum dot formed by the above-described method of forming a quantum dot of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy. Is to provide.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、位置制御された液滴エピタキシーによる
窒化物半導体の量子ドットの形成方法であって、 金属
原料の表面エネルギーよりも低い表面エネルギーを持つ
該基板の表面に、外部場を加えることによって該基板の
該表面状態を変調して該表面を改質する第一の処理と、
上記第一の処理により上記表面を改質された上記基板に
上記金属原料を供給し、上記表面の改質された場所に結
晶成長により金属液滴を形成する第二の処理と、上記第
二の処理により上記金属液滴を形成された上記基板上に
窒素ソースを供給し、上記金属液滴を窒化して窒化物半
導体の量子ドットを形成する第三の処理とを有するよう
にしたものである。
In order to achieve the above object, the present invention is a method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy, which is lower than the surface energy of a metal raw material. A first treatment that modifies the surface state of the substrate by applying an external field to the surface of the substrate having surface energy to modify the surface;
A second treatment in which the metal raw material is supplied to the substrate whose surface has been modified by the first treatment, and metal droplets are formed by crystal growth at the modified portion of the surface; By supplying a nitrogen source onto the substrate on which the metal droplets have been formed by the above process, and nitriding the metal droplets to form a quantum dot of a nitride semiconductor. is there.

【0021】また、本発明は、上記した発明において、
さらに、上記第三の処理により形成された窒化物半導体
の量子ドットを、所定の温度で所定の時間だけ熱処理す
る第四の処理とを有するようにしたものである。
The present invention is also the above-mentioned invention,
Further, the nitride semiconductor quantum dots formed by the third treatment are provided with a fourth treatment for heat treatment at a predetermined temperature for a predetermined time.

【0022】ここで、上記第三の処理においては、低温
で上記金属液滴を形成された上記基板に窒素ソースを供
給し始めて上記金属液滴の表面のみを窒化させ、その後
に窒化中に温度を上げて結晶化を促進することができ
る。
Here, in the third treatment, the nitrogen source is started to be supplied to the substrate on which the metal droplets are formed at a low temperature to nitride only the surface of the metal droplets, and then the temperature is increased during the nitriding. Can be raised to promote crystallization.

【0023】また、上記第三の処理においては、低温で
上記金属液滴を形成された上記基板に窒素ソースを供給
し始めて上記金属液滴の表面のみを窒化させ、その後に
窒化中に温度を上げて結晶化を促進する際に、外部場を
加えて結晶化を促進することができる。
Further, in the third treatment, a nitrogen source is started to be supplied to the substrate on which the metal droplets are formed at a low temperature to nitrid only the surface of the metal droplets, and then the temperature is changed during nitriding. When raising to promote crystallization, an external field may be added to promote crystallization.

【0024】また、上記第三の処理においては、低温で
上記金属液滴を形成された上記基板に窒素ソースを供給
し始めて上記金属液滴の表面のみを窒化させ、その後に
窒化中に低温のままで外部場を加えて結晶化を促進する
ことができる。
Further, in the third treatment, a nitrogen source is started to be supplied to the substrate on which the metal droplets are formed at a low temperature to nitride only the surface of the metal droplets, and thereafter, during the nitriding, a low temperature is applied. An external field can be added to accelerate crystallization.

【0025】また、上記第四の処理においては、熱処理
する外部場を加えるようにしてもよい。
In the fourth treatment, an external field for heat treatment may be added.

【0026】また、上記外部場は、光、電子、イオンま
たはラジカル、あるいはそれらの組み合わせとすること
ができる。
The external field can be light, electrons, ions or radicals, or a combination thereof.

【0027】また、上記金属原料は、III族の金属と
することができる。
The metal raw material may be a group III metal.

【0028】また、上記基板は、サファイア基板、炭化
シリコン基板、石英基板、窒化ガリウム基板またはフッ
化カルシウム基板とすることができる。
The substrate may be a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, a quartz substrate, a gallium nitride substrate or a calcium fluoride substrate.

【0029】また、上記窒素ソースは、窒素、窒素ラジ
カル、アンモニアまたはアンモニアラジカルとすること
ができる。
The nitrogen source may be nitrogen, nitrogen radicals, ammonia or ammonia radicals.

【0030】また、本発明は、第1の量子準位をもつ第
1の量子ドットと、上記第1の量子準位とは異なる第2
の量子準位をもつ第2の量子ドットとを有し、トンネル
効果により上記第1の量子ドットと上記第2の量子ドッ
トとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第1の
量子ドットと上記第2の量子ドットとを近接して配置
し、さらに、電子が1個だけ存在するようにしたもので
ある量子コンピュータにおける量子ビット素子構造にお
いて、上記第1の量子ドットおよび上記第2の量子ドッ
トを、請求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求
項5、請求項6、請求項7、請求項8、請求項9または
請求項10のいずれか1項に記載の位置制御された液滴
エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方
法により形成するようにしたものである。
Further, according to the present invention, a first quantum dot having a first quantum level and a second quantum dot different from the first quantum level are provided.
And a second quantum dot having a quantum level of, and the first quantum dot so that electrons can freely move between the first quantum dot and the second quantum dot by a tunnel effect. In a quantum bit device structure in a quantum computer in which a quantum dot and the second quantum dot are arranged close to each other, and only one electron is present, the first quantum dot and the first quantum dot 2 quantum dots, claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7, claim 8, claim 9 or claim 10. It is formed by the method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by the position-controlled droplet epitaxy described in 1.

【0031】また、本発明は、第1の量子準位をもつ第
1の量子ドットと、上記第1の量子準位より下の第2の
量子準位をもつ第2の量子ドットとを有し、トンネル効
果により上記第1の量子ドットと上記第2の量子ドット
との間を電子が自由に移動可能なように、上記第1の量
子ドットと上記第2の量子ドットとを近接して配置し、
さらに、電子が1個だけ存在するようにした第1の量子
ビット素子構造と、第3の量子準位をもつ第3の量子ド
ットと、上記第3の量子準位より下の第4の量子準位を
もつ第4の量子ドットとを有し、トンネル効果により上
記第3の量子ドットと上記第4の量子ドットとの間を電
子が自由に移動可能なように、上記第3の量子ドットと
上記第4の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電
子が1個だけ存在するようにした第2の量子ビット素子
構造とを有し、上記第1のビット素子構造と上記第2の
ビット素子構造とを、上記第1の量子ドットと上記第3
の量子ドットとが対向するとともに、上記第2の量子ド
ットと上記第4の量子ドットとが対向するように配置
し、上記第1の量子ドットと上記第3の量子ドットとが
電気的に接続され、上記第2の量子ドットと上記第4の
量子ドットとが電気的に接続され、さらに、上記第1の
量子準位と上記第2の量子準位との準位差と、上記第3
の量子準位と上記第4の量子準位との準位差とが異なる
ように設定されたものである量子コンピュータにおける
量子相関ゲート素子構造において、上記第1の量子ドッ
ト、上記第2の量子ドット、上記第3の量子ドットおよ
び上記第4の量子ドットを、請求項1、請求項2、請求
項3、請求項4、請求項5、請求項6、請求項7、請求
項8、請求項9または請求項10のいずれか1項に記載
の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体
の量子ドットの形成方法により形成するようにしたもの
である。
Further, the present invention has a first quantum dot having a first quantum level and a second quantum dot having a second quantum level below the first quantum level. The first quantum dot and the second quantum dot are placed close to each other so that electrons can freely move between the first quantum dot and the second quantum dot by the tunnel effect. Place and
Further, the first qubit device structure in which only one electron exists, the third quantum dot having the third quantum level, and the fourth quantum below the third quantum level. A fourth quantum dot having a level, and the third quantum dot so that electrons can freely move between the third quantum dot and the fourth quantum dot by a tunnel effect. And the fourth quantum dot are arranged in close proximity to each other, and further, a second qubit device structure in which only one electron exists is provided, and the first bit device structure and the second qubit device structure are provided. And a bit element structure of the first quantum dot and the third quantum dot.
And the second quantum dot and the fourth quantum dot are arranged so as to face each other, and the first quantum dot and the third quantum dot are electrically connected to each other. The second quantum dot and the fourth quantum dot are electrically connected, and the level difference between the first quantum level and the second quantum level, and the third level
In the quantum correlation gate device structure in a quantum computer in which the level difference between the first quantum dot and the fourth quantum level is set to be different from each other, the first quantum dot, the second quantum The dot, the third quantum dot, and the fourth quantum dot are defined by claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7, claim 8, and claim 5. It is formed by the method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to claim 9 or 10.

【0032】ここで、上記第1の量子ドットと上記第3
の量子ドットとは、第1の可変コンデンサを介して容量
的に接続され、上記第2の量子ドットと上記第4の量子
ドットとは、第2の可変コンデンサを介して容量的に接
続されるようにしてもよい。
Here, the first quantum dot and the third quantum dot
Is connected capacitively via a first variable capacitor, and the second quantum dot and the fourth quantum dot are capacitively connected via a second variable capacitor. You may do it.

【0033】また、本発明は、第1の量子準位をもつ第
1の量子ドットと、上記第1の量子準位より下の第2の
量子準位をもつ第2の量子ドットとを有し、トンネル効
果により上記第1の量子ドットと上記第2の量子ドット
との間を電子が自由に移動可能なように、上記第1の量
子ドットと上記第2の量子ドットとを近接して配置し、
さらに、電子が1個だけ存在するようにした第1の量子
ビット素子構造と、第3の量子準位をもつ第3の量子ド
ットと、上記第3の量子準位より下の第4の量子準位を
もつ第4の量子ドットとを有し、トンネル効果により上
記第3の量子ドットと上記第4の量子ドットとの間を電
子が自由に移動可能なように、上記第3の量子ドットと
上記第4の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電
子が1個だけ存在するようにした第2の量子ビット素子
構造とを有し、上記第1のビット素子構造と上記第2の
ビット素子構造とを、上記第1の量子ドットと上記第4
の量子ドットとが対向するとともに、上記第2の量子ド
ットと上記第3の量子ドットとが対向するように配置
し、上記第1の量子ドットと上記第4の量子ドットとが
電気的に接続され、上記第2の量子ドットと上記第3の
量子ドットとが電気的に接続され、さらに、上記第1の
量子準位と上記第2の量子準位との準位差と、上記第3
の量子準位と上記第4の量子準位との準位差とが異なる
ように設定されたものである量子コンピュータにおける
量子相関ゲート素子構造において、上記第1の量子ドッ
ト、上記第2の量子ドット、上記第3の量子ドットおよ
び上記第4の量子ドットを、請求項1、請求項2、請求
項3、請求項4、請求項5、請求項6、請求項7、請求
項8、請求項9または請求項10のいずれか1項に記載
の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体
の量子ドットの形成方法により形成するようにしたもの
である。
Further, the present invention has a first quantum dot having a first quantum level and a second quantum dot having a second quantum level below the first quantum level. The first quantum dot and the second quantum dot are placed close to each other so that electrons can freely move between the first quantum dot and the second quantum dot by the tunnel effect. Place and
Further, the first qubit device structure in which only one electron exists, the third quantum dot having the third quantum level, and the fourth quantum below the third quantum level. A fourth quantum dot having a level, and the third quantum dot so that electrons can freely move between the third quantum dot and the fourth quantum dot by a tunnel effect. And the fourth quantum dot are arranged in close proximity to each other, and further, a second qubit device structure in which only one electron exists is provided, and the first bit device structure and the second qubit device structure are provided. And a bit element structure of the first quantum dot and the fourth quantum dot.
And the second quantum dot and the third quantum dot are arranged to face each other, and the first quantum dot and the fourth quantum dot are electrically connected to each other. The second quantum dot and the third quantum dot are electrically connected, and the level difference between the first quantum level and the second quantum level and the third level
In the quantum correlation gate device structure in a quantum computer in which the level difference between the first quantum dot and the fourth quantum level is set to be different from each other, the first quantum dot, the second quantum The dot, the third quantum dot, and the fourth quantum dot are defined by claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7, claim 8, and claim 5. It is formed by the method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to claim 9 or 10.

【0034】ここで、上記第1の量子ドットと上記第4
の量子ドットとは、第1の可変コンデンサを介して容量
的に接続され、上記第2の量子ドットと上記第3の量子
ドットとは、第2の可変コンデンサを介して容量的に接
続されるようにしてもよい。
Here, the first quantum dot and the fourth quantum dot
Is connected capacitively via the first variable capacitor, and the second quantum dot and the third quantum dot are capacitively connected via the second variable capacitor. You may do it.

【0035】また、上記第1の量子ビット素子構造は、
第3の可変コンデンサを介して第1の単電子トランジス
タに接続され、上記第4の量子ビット素子構造は、第4
の可変コンデンサを介して第2の単電子トランジスタに
接続されるようにしてもよい。
Further, the first qubit device structure is
The fourth qubit device structure, which is connected to the first single-electron transistor through the third variable capacitor, has a fourth
It may be connected to the second single-electron transistor via the variable capacitor.

【0036】[0036]

【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づいて、本
発明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半
導体の量子ドットの形成方法、量子コンピュータにおけ
る量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造の
実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A method for forming a quantum dot of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy of the present invention, a quantum bit device structure in a quantum computer, and a quantum correlation gate device structure will be described below with reference to the accompanying drawings. An example of the embodiment will be described in detail.

【0037】ここで、図2(a)(b)(c)(d)に
は、本発明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒
化物半導体の量子ドットの形成方法の実施の形態の一例
の概念説明図が示されている。
Here, FIGS. 2A, 2B, 2C and 2D show an example of an embodiment of a method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to the present invention. A conceptual illustration is shown.

【0038】以下、この図2(a)(b)(c)(d)
を参照しながら、本発明の位置制御された液滴エピタキ
シーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法の実施
の形態の一例を詳細に説明する。
Hereinafter, FIG. 2 (a) (b) (c) (d)
An example of an embodiment of a method for forming a quantum dot of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

【0039】(1)基板:図2(a)参照 本発明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物
半導体の量子ドットの形成方法においては、基板1上に
窒化物半導体の量子ドット4(図2(c)(d)参照)
を形成するものである。
(1) Substrate: See FIG. 2 (a) In the method of forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to the present invention, the quantum dots 4 of a nitride semiconductor are formed on the substrate 1 (see FIG. 2 (c) (d))
Is formed.

【0040】ここで、基板1は、窒化物半導体の量子ド
ット14の原料となる、例えば、Ga(ガリウム)、A
l(アルミニウム)、インジウム(In)などのIII
族の金属(なお、本明細書においては、窒化物半導体の
量子ドット4の原料となる金属を「金属原料」と適宜に
称することとする。)を基板1上に三次元成長すること
ができるように、これらの金属原料の表面エネルギーよ
りも低い表面エネルギーを持つものとする。つまり、金
属原料の方が、基板1よりも表面エネルギーが高くなる
ようにするものである。
Here, the substrate 1 serves as a raw material for the quantum dots 14 of a nitride semiconductor, such as Ga (gallium) or A.
III such as l (aluminum) and indium (In)
A group 3 metal (herein, a metal as a raw material of the quantum dots 4 of the nitride semiconductor will be appropriately referred to as a “metal raw material”) can be three-dimensionally grown on the substrate 1. As described above, the surface energy is lower than the surface energy of these metal raw materials. That is, the surface energy of the metal raw material is higher than that of the substrate 1.

【0041】こうした金属原料の表面エネルギーよりも
低い表面エネルギーを持つ基板1としては、例えば、基
板1の原料(なお、本明細書においては、基板1の原料
を「基板原料」と適宜に称することとする。)としてA
(サファイア)、SiO(石英)、SiC
(炭化シリコン)、GaN(窒化ガリウム)、CaF
(フッ化カルシウム)などのフッ化物などを用いたもの
があげられる。
As the substrate 1 having a surface energy lower than that of the metal raw material, for example, the raw material of the substrate 1 (in this specification, the raw material of the substrate 1 is appropriately referred to as “substrate raw material”). A) as
l 2 O 3 (sapphire), SiO 2 (quartz), SiC
(Silicon carbide), GaN (gallium nitride), CaF 2
An example is one using a fluoride such as (calcium fluoride).

【0042】即ち、基板の表面エネルギーよりも当該基
板上に堆積させようとする金属の表面エネルギーの方が
高ければ、系のエネルギーを最小にしようとする作用が
起こるために、当該基板上に堆積させようとする金属は
表面積を最小にするように球状に変化しながら成長す
る。なお、こうした成長様式をフォルマ−ウェーバ(V
olmer−Weber)様式(V−W様式)と称して
いる。
That is, if the surface energy of the metal to be deposited on the substrate is higher than the surface energy of the substrate, the action of minimizing the energy of the system occurs, so that the metal is deposited on the substrate. The metal to be grown grows in a spherical shape to minimize the surface area. It should be noted that this growth pattern is
It is referred to as an olmer-Weber style (VW style).

【0043】一般に、金属は半導体や絶縁体に比べて表
面エネルギーが高いので、微細な三次元構造を形成する
上で有利であり、上記した金属原料たるGa、Al、I
nなどの金属も、上記した基板原料たるAl、S
iC、SiO、GaN、CaFなどの半導体、絶縁
体に比較して表面エネルギーが高い。
In general, metal has a higher surface energy than semiconductors and insulators, and is therefore advantageous in forming a fine three-dimensional structure, and Ga, Al, and I, which are the metal raw materials described above, are advantageous.
Metals such as n are also Al 2 O 3 and S which are the above-mentioned substrate materials.
Surface energy is higher than that of semiconductors and insulators such as iC, SiO 2 , GaN, and CaF 2 .

【0044】なお、金属原料と基板原料との組み合わせ
としては、形成させる半導体と基板との格子定数整合性
と電子の閉じ込めという理由から、例えば、金属原料が
Gaである場合には基板原料をAlNとし、金属原料が
Alである場合には基板原料をCaFとし、金属原料
がInである場合には基板原料をGaNとすることが好
ましい。
As a combination of the metal raw material and the substrate raw material, for example, when the metal raw material is Ga, the substrate raw material is AlN because of the lattice constant matching between the semiconductor to be formed and the substrate and the electron confinement. It is preferable that the substrate material is CaF 2 when the metal material is Al, and GaN is the substrate material when the metal material is In.

【0045】また、金属原料を三次元成長させる基板と
しては、上記したAl基板、SiO基板、Ga
N基板、CaF基板などのヘテロ基板を用いることも
できる。
As the substrate for three-dimensionally growing the metal raw material, the above-mentioned Al 2 O 3 substrate, SiO 2 substrate, Ga are used.
A hetero substrate such as an N substrate or a CaF 2 substrate can also be used.

【0046】なお、上記したヘテロ基板を用いた場合に
は、既存のSi集積回路やGaAs集積回路との集積化
可能という点で、サファイア基板、石英基板、窒化ガリ
ウム基板、フッ化カルシウム基板などを用いる場合より
も有効である。
When the above-mentioned hetero substrate is used, a sapphire substrate, a quartz substrate, a gallium nitride substrate, a calcium fluoride substrate, etc. can be used because they can be integrated with existing Si integrated circuits and GaAs integrated circuits. It is more effective than when used.

【0047】例えば、基板10としては、Si(シリコ
ン)基板上にCaFをエピタキシャル成長させたもの
を用いることができる。
For example, as the substrate 10, a substrate obtained by epitaxially growing CaF 2 on a Si (silicon) substrate can be used.

【0048】CaFは、Si(111)基板上におい
て良好にエピタキシャル成長できる結晶性の絶縁物であ
り、特に、その(111)最表面ではフッ素イオンで終
端されているために、表面エネルギーが極めて低いとい
う特徴を有している。
CaF 2 is a crystalline insulator which can be epitaxially grown well on a Si (111) substrate. Especially, since the (111) outermost surface is terminated with fluorine ions, its surface energy is extremely low. It has the characteristics of

【0049】なお、Si(111)基板上にCaF
エピタキシャル成長させた基板1としては、例えば、分
子線エピタキシー(MBE)法によりSi(111)基
板上に成長温度800℃でCaFを20nm成長させ
たものを用いることができる。
As the substrate 1 in which CaF 2 is epitaxially grown on a Si (111) substrate, for example, 20 nm of CaF 2 is grown on a Si (111) substrate at a growth temperature of 800 ° C. by a molecular beam epitaxy (MBE) method. What was made to use can be used.

【0050】(2)金属液滴の形成:図2(b)参照 (2−1)上記「(1)基板:図2(a)参照」におい
て説明された基板1上に、金属原料として、例えば、G
a、Al、InなどのIII族の金属をMBE法あるい
は有機金属気相成長(MOCVD)法などにより供給す
ることにより、基板1上に結晶成長により金属液滴2を
形成する。
(2) Formation of metal droplets: See FIG. 2 (b) (2-1) On the substrate 1 described in “(1) Substrate: see FIG. 2 (a)”, as a metal raw material, For example, G
A metal droplet 2 is formed on the substrate 1 by crystal growth by supplying a group III metal such as a, Al, or In by the MBE method or the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.

【0051】ここで、基板1の表面に光、電子、イオン
またはラジカル、あるいはそれらの組み合わせなどの外
部場を加えることによって当該基板1の表面状態を任意
に変調することにより、当該基板1の表面が改質され
て、その結果形成される吸着に対するポテンシャルの最
も低いところに、優先的に金属原料の供給に伴う結晶成
長における核成長が行われることになり、金属液滴2を
形成する位置を制御することができるようになる。
Here, by applying an external field such as light, electrons, ions or radicals, or a combination thereof to the surface of the substrate 1, the surface state of the substrate 1 is arbitrarily modulated, whereby the surface of the substrate 1 is changed. Is reformed, and as a result, the nucleus growth in the crystal growth accompanying the supply of the metal raw material is preferentially performed at the place where the potential for adsorption formed is the lowest, and the position where the metal droplet 2 is formed is changed. Be able to control.

【0052】例えば、上記「(1)基板:図2(a)参
照」において説明したSi(111)基板上にCaF
をエピタキシャル成長させた基板1について説明する
と、電子ビームを用いてCaFの表面状態を任意に変
調することにより、当該基板1の表面が改質されて、そ
の結果形成される吸着に対するポテンシャルの最も低い
ところに優先的に核成長が行われるものである。
For example, CaF 2 is formed on the Si (111) substrate described in the above "(1) Substrate: see FIG. 2 (a)".
The substrate 1 epitaxially grown will be described. By arbitrarily modulating the surface state of CaF 2 using an electron beam, the surface of the substrate 1 is modified, and as a result, the lowest potential for adsorption is formed. However, nuclear growth is prioritized.

【0053】この点につき、図3(a)(b)(c)に
示す電子ビーム照射による基板表面の改質の原理の説明
図を参照しながら説明すると、図3(a)にはCaF
の表面構造が示されているが、CaF結晶の表面はF
イオンで終端されており、表面エネルギーは金属、半導
体に比べて低く、未結合手が表面に出ていないため、堆
積物質が核形成し難い(図3(a)においては、簡便の
ためにCaイオンは図示を省略している。)。
[0053] In this respect, FIG. 3 (a) (b) will be described with reference to the illustration of the principles of the modification of the substrate surface by electron beam irradiation shown in (c), CaF 2 in FIGS. 3 (a)
The surface structure of CaF 2 crystal is
It is terminated with ions, its surface energy is lower than that of metals and semiconductors, and dangling bonds do not appear on the surface, so it is difficult for the deposited material to nucleate (in Fig. 3 (a), Ca is used for simplicity). Ions are not shown in the figure.).

【0054】こうしたCaF結晶などのフッ化物に電
子などの荷電粒子を照射すると、表面からFイオンが脱
離する。例えば、図3(b)に示すように、CaF
晶に対してAs(砒素)雰囲気中で電子ビームを照射す
ると、電子によるオージェ過程を伴うFイオンの脱離現
象のため表面からFイオンが脱離する。
When such a fluoride such as a CaF 2 crystal is irradiated with charged particles such as electrons, F ions are desorbed from the surface. For example, as shown in FIG. 3B, when a CaF 2 crystal is irradiated with an electron beam in an As (arsenic) atmosphere, the F ion is desorbed from the surface due to the desorption phenomenon of the F ion accompanied by the Auger process by the electron. Desorb.

【0055】このFイオンが脱離した場所は活性なた
め、As原子を取り込む結果として表面がAsで置換さ
れて改質される。即ち、As雰囲気中で電子ビームをC
aF上に照射することで、最表面のFイオンを脱離さ
せ1原子層のAsに置換することができ、これにより表
面の改質が行われる。
Since the place where this F ion is desorbed is active, as a result of incorporating As atoms, the surface is replaced with As and modified. That is, the electron beam is C in an As atmosphere.
By irradiating the aF 2 , the F ions on the outermost surface can be desorbed and replaced with As in one atomic layer, whereby the surface is modified.

【0056】なお、CaF結晶に電子ビームを照射す
る際には、必ずしもAs雰囲気中で行う必要はなく、P
(リン)雰囲気中だと表面がPで置換されて改質され、
また、電子ビーム露光装置内であるならば、表面が残留
炭素によって置換されて改質される。
It is not always necessary to irradiate the CaF 2 crystal with the electron beam in an As atmosphere.
In a (phosphorus) atmosphere, the surface is replaced with P and modified,
Further, in the electron beam exposure apparatus, the surface is replaced by the residual carbon and modified.

【0057】そして、図3(c)に示すように、上記の
ようにして表面を改質したCaF結晶の表面に対して
金属原料としてGaを供給すると、CaF結晶の表面
が改質された領域は表面エネルギーが増加する結果、G
aが選択的に集まるようになる。Gaは表面エネルギー
が高いため、球状に凝集して核成長が行われてGaの金
属液滴2が形成される。
Then, as shown in FIG. 3C, when Ga is supplied as a metal raw material to the surface of the CaF 2 crystal whose surface has been modified as described above, the surface of the CaF 2 crystal is modified. The surface area increases as a result of increasing G
a will be selectively gathered. Since Ga has a high surface energy, it aggregates into a spherical shape to grow nuclei and form a metallic droplet 2 of Ga.

【0058】ここで、図4(a)(b)(c)に示した
As膜を堆積したCaF上への電子ビームの照射と自
然形成法によるGaの金属液滴2の位置制御の処理の概
念図を参照しながら、本願出願人による金属液滴2の形
成プロセスの実験の一例を説明する。
Here, the electron beam irradiation onto the CaF 2 on which the As film shown in FIGS. 4A, 4B and 4C is deposited and the position control of the Ga metal droplet 2 by the natural formation method are performed. An example of an experiment of the forming process of the metal droplet 2 by the applicant of the present application will be described with reference to the conceptual diagram of FIG.

【0059】まず、Si(111)基板をMBE装置内
に配置して、Si(111)基板上にMBE法でCaF
を20nm成長させ、続いてAs分子線を用いて表
面に30nmのAsを堆積した。
First, the Si (111) substrate is placed in the MBE apparatus, and CaF is deposited on the Si (111) substrate by the MBE method.
2 was grown to 20 nm, and then 30 nm of As was deposited on the surface using As 2 molecular beam.

【0060】次に、上記のようにして処理したSi(1
11)基板をMBE装置から取り出して、取り出したS
i(111)基板を電子ビーム露光システム内に配置し
て、電子ビーム露光システムを用いてスポット露光を周
期的なアレイパターンで行い、表面改質領域を形成した
(図4(a)参照)。
Then, Si (1
11) Remove the substrate from the MBE device, and remove the S
The i (111) substrate was placed in an electron beam exposure system, and spot exposure was performed in a periodic array pattern using the electron beam exposure system to form a surface modified region (see FIG. 4A).

【0061】それから、表面改質領域を形成したSi
(111)基板を電子ビーム露光システムから取り出し
て、取り出したSi(111)基板を表面クリーニング
を行った後、再びMBE装置内に配置して、基板温度5
50℃で過剰なAsを蒸発除去し、最後に基板温度50
0℃で金属原料たるGaを供給して表面改質領域に吸着
させ(図4(b))、これを膜厚換算で1nm乃至2n
m堆積してGaの金属液滴2たるGa液滴を形成した
(図4(c))。
Then, the Si on which the surface modified region was formed was formed.
The (111) substrate was taken out of the electron beam exposure system, the Si (111) substrate taken out was subjected to surface cleaning, and then placed again in the MBE apparatus to obtain a substrate temperature of 5
Excess As is evaporated and removed at 50 ° C, and finally the substrate temperature is 50
Ga, which is a metal raw material, was supplied at 0 ° C. to be adsorbed on the surface modification region (FIG. 4B), and this was converted to a film thickness of 1 nm to 2 n.
m was deposited to form Ga droplets, which are metallic droplets 2 of Ga (FIG. 4C).

【0062】図5は、上記において図4(a)(b)
(c)を参照しながら説明した実験の結果を示す走査型
顕微鏡(SEM)写真であり、Ga液滴の間隔を150
nmとし、電子ビームの照射量を0.4pC/dotと
した場合を示している。
FIG. 5 shows the above-mentioned FIG. 4 (a) (b).
It is a scanning microscope (SEM) photograph showing the result of the experiment described with reference to (c), and the Ga droplet spacing is 150
and the irradiation amount of the electron beam is 0.4 pC / dot.

【0063】この図5のSEM写真に示されているよう
に、電子ビームの露光位置に1個ずつGa液滴が形成さ
れている。
As shown in the SEM photograph of FIG. 5, one Ga droplet is formed at each electron beam exposure position.

【0064】なお、図4(a)(b)(c)を参照しな
がら説明した手法のように、As膜を堆積したCaF
上へ電子ビームの照射を行うと、金属膜中の電子の前方
散乱のため、どんなに細く絞った電子ビームを用いても
CaF表面へ届くまでにぼけてしまい、原理的には微
細な構造を得ることは困難である。
Incidentally, as in the method described with reference to FIGS. 4A, 4B and 4C, CaF 2 on which an As film is deposited is deposited.
When the electron beam is radiated upward, the electrons in the metal film are scattered forward, so no matter how finely focused the electron beam is, it will be blurred by the time it reaches the CaF 2 surface, and in principle a fine structure will be formed. Hard to get.

【0065】そこで、As膜を用いないで表面改質を行
うことを可能とし、微細な構造を得ることができるよう
にした手法として、図6(a)(b)(c)を参照しな
がら説明する手法がある。
Therefore, as a method of enabling surface modification without using an As film and obtaining a fine structure, referring to FIGS. 6 (a) (b) (c), There is a method to explain.

【0066】即ち、図6(a)(b)(c)に示した真
空中でのCaF上への電子ビームの照射と自然形成法
によるGaの金属液滴2の位置制御の処理の概念図を参
照しながら、本願出願人による金属液滴2の形成プロセ
スの実験の一例を説明する。
That is, the concept of the processing of irradiating the electron beam onto CaF 2 in a vacuum and the position control of the Ga metal droplet 2 by the natural formation method shown in FIGS. 6A, 6B and 6C. An example of an experiment of the forming process of the metal droplet 2 by the applicant of the present application will be described with reference to the drawings.

【0067】まず、Si(111)基板をMBE装置内
に配置して、Si(111)基板上にMBE法でCaF
を20nm成長させた。
First, the Si (111) substrate is placed in the MBE apparatus, and CaF is deposited on the Si (111) substrate by the MBE method.
2 was grown to 20 nm.

【0068】次に、上記のようにして処理したSi(1
11)基板をMBE装置から取り出して、取り出したS
i(111)基板を電子ビーム露光システム内に配置し
て、電子ビーム露光システムを用いてスポット露光を周
期的なアレイパターンで行い、表面改質領域を形成した
(図6(a)参照)。CaF表面は、電子ビーム露光
装置内の残留炭素により表面改質されるものと考えられ
る。
Next, the Si (1
11) Remove the substrate from the MBE device, and remove the S
The i (111) substrate was placed in an electron beam exposure system, and spot exposure was performed in a periodic array pattern using the electron beam exposure system to form a surface modified region (see FIG. 6A). It is considered that the CaF 2 surface is surface-modified by residual carbon in the electron beam exposure apparatus.

【0069】それから、表面改質領域を形成したSi
(111)基板を電子ビーム露光システムから取り出し
て、取り出したSi(111)基板を再びMBE装置内
に配置して、基板温度500℃で金属原料たるGaを供
給して表面改質領域に吸着させ(図6(b))、これを
膜厚換算で1nm乃至2nm堆積してGaの金属液滴2
たるGa液滴を形成した(図6(c))。
Then, the Si on which the surface modified region was formed was formed.
The (111) substrate was taken out from the electron beam exposure system, the taken-out Si (111) substrate was placed again in the MBE apparatus, and Ga as a metal raw material was supplied at a substrate temperature of 500 ° C. to be adsorbed to the surface modification region. (FIG. 6 (b)), which is deposited to a thickness of 1 nm to 2 nm to form a Ga metal droplet 2
A barrel Ga droplet was formed (FIG. 6C).

【0070】図7(a)(b)(c)は、上記において
図6(a)(b)(c)を参照しながら説明した実験の
結果を示す走査型顕微鏡(SEM)写真であり、Ga液
滴の間隔をそれぞれ20nm(図7(a))、17nm
(図7(b))、14nm(図7(c))とし、電子ビ
ームの照射量を5pC/dotとした場合を示してい
る。
FIGS. 7 (a), (b) and (c) are scanning microscope (SEM) photographs showing the results of the experiment described above with reference to FIGS. 6 (a), (b) and (c), Ga droplet intervals are 20 nm (FIG. 7 (a)) and 17 nm, respectively.
(FIG. 7B), 14 nm (FIG. 7C), and the irradiation amount of the electron beam is 5 pC / dot.

【0071】この図7(a)(b)(c)のSEM写真
に示されているように、電子ビームの露光位置に1個ず
つGa液滴が形成されている。
As shown in the SEM photographs of FIGS. 7A, 7B and 7C, one Ga droplet is formed at each electron beam exposure position.

【0072】次に、図8を参照しながら、Alの核形成
を用いるAl/Gaの二段階堆積法について説明する。
Next, the Al / Ga two-step deposition method using Al nucleation will be described with reference to FIG.

【0073】即ち、金属液滴12の形成は、「核形
成」、「成長」および「合体」の3つの過程に分類でき
るものであり、金属液滴12はその後、「成長」と「合
体」とを繰り返し、その寸法が大きくなる一方で密度は
低くなり、また、各金属液滴12の間の間隔も広くな
る。
That is, the formation of the metal droplet 12 can be classified into three processes of "nucleation", "growth" and "coalescence", and the metal droplet 12 is then "grown" and "coalescent". By repeating the above, the size becomes large, the density becomes low, and the interval between the metal droplets 12 becomes wide.

【0074】ところで、量子コンピュータを実現するた
めには、上記したように2つの量子ドットを極めて近接
した位置に制御して配置することが望まれている。即
ち、トンネル効果によって2つの量子ドットの間で電子
を移動可能にするには、当該2つの量子ドットの間を極
めて狭く、例えば、1nm乃至3nmとすることが好ま
しい。
By the way, in order to realize a quantum computer, it is desired to control and arrange two quantum dots at extremely close positions as described above. That is, in order to allow electrons to move between the two quantum dots by the tunnel effect, it is preferable that the distance between the two quantum dots is extremely narrow, for example, 1 nm to 3 nm.

【0075】この図8を参照しながら説明する二段階堆
積法によれば、量子ドットの間を極めて狭く、例えば、
1nm乃至3nmとすることが可能になる。
According to the two-step deposition method described with reference to FIG. 8, the space between the quantum dots is extremely narrow, for example,
It becomes possible to set it to 1 nm to 3 nm.

【0076】即ち、図8を参照しながら説明する二段階
堆積法は、金属によって融点がそれぞれ異なることを利
用するものであり、まず、Alを350℃で微量堆積さ
せておき、高密度(なお、密度は、堆積量に逆比例す
る。)の成長核を形成させる。
That is, the two-step deposition method described with reference to FIG. 8 makes use of the fact that the melting points of different metals are different. First, a small amount of Al is deposited at 350 ° C. , Density is inversely proportional to the amount deposited.) To form growth nuclei.

【0077】その後に、基板温度を30℃に下げること
でAlを固定し、それからGaを供給する。このとき、
AlはGaの成長核として働く。
After that, the substrate temperature is lowered to 30 ° C. to fix Al, and then Ga is supplied. At this time,
Al acts as a growth nucleus of Ga.

【0078】制御不十分で金属液滴同士がくっついても
核は動きにくいので、金属液滴間の間隔を極めて狭く維
持できる。
Even if the metal droplets adhere to each other due to insufficient control, the nuclei do not move easily, so that the interval between the metal droplets can be kept extremely narrow.

【0079】従って、この二段階堆積法は、微細なドッ
トアレイを形成する上で、重要な手法である。
Therefore, this two-step deposition method is an important method for forming a fine dot array.

【0080】以上において説明したように、基板1の表
面に光、電子、イオンまたはラジカル、あるいはそれら
の組み合わせなどの外部場を加えることによって、例え
ば、基板1の表面を集束電子ビームで照射することによ
って、表面ポテンシャルの変調を用いて表面状態の局所
的な改質を行い、その改質をした場所に金属液滴を配置
することが可能となる。
As described above, by applying an external field such as light, electrons, ions or radicals, or a combination thereof to the surface of the substrate 1, for example, irradiating the surface of the substrate 1 with a focused electron beam. By this, it becomes possible to locally modify the surface state by using the modulation of the surface potential and to dispose the metal droplet at the modified place.

【0081】ここで、金属原料の温度を所定の温度、例
えば、「600℃乃至1500℃」に制御し、基板1の
温度を所定の温度、例えば、「−10℃乃至1500
℃」に制御し、金属原料の堆積量を所定の堆積量、例え
ば、「1×1017cm−2以下」に制御することによ
り、後述する基板1上における金属原料の原子の結晶成
長の原理に基づいて、金属液滴2の寸法および密度を制
御することができる。
Here, the temperature of the metal raw material is controlled to a predetermined temperature, for example, "600 ° C. to 1500 ° C.", and the temperature of the substrate 1 is set to a predetermined temperature, for example, "-10 ° C. to 1500 ° C."
C. "and the deposition amount of the metal raw material is controlled to a predetermined deposition amount, for example," 1 * 10 < 17 > cm <-2> or less ", whereby the principle of crystal growth of atoms of the metal raw material on the substrate 1 described later. The size and density of the metal droplet 2 can be controlled based on

【0082】本願出願人の実験によれば、具体的には、
例えば、金属原料がGaであり、基板1がCaFであ
る場合には、金属原料の温度を800℃とし、基板1の
温度を30℃とし、金属原料の堆積量を3×1015
−2とすることにより、金属液滴の寸法を7nmに制
御するとともに密度を1×10cm−1に制御するこ
とができることが判明した。
According to the experiment by the applicant, specifically,
For example, when the metal raw material is Ga and the substrate 1 is CaF 2 , the temperature of the metal raw material is 800 ° C., the temperature of the substrate 1 is 30 ° C., and the deposition amount of the metal raw material is 3 × 10 15 c
It was found that by setting m −2 , the size of the metal droplet can be controlled to 7 nm and the density can be controlled to 1 × 10 6 cm −1 .

【0083】また、本願出願人の実験によれば、例え
ば、金属原料がAlであり、基板1がCaFである場
合には、金属原料の温度を1060℃とし、基板1の温
度を350℃とし、金属原料の堆積量を7.3×10
15cm−2とすることにより、金属液滴の寸法を7n
mに制御するとともに密度を9×10cm−1に制御
することができることが判明した。
Further, according to the experiment by the applicant of the present application, for example, when the metal raw material is Al and the substrate 1 is CaF 2 , the temperature of the metal raw material is 1060 ° C. and the temperature of the substrate 1 is 350 ° C. And the deposition amount of the metal raw material is 7.3 × 10.
By setting it to 15 cm −2 , the size of the metal droplet is 7 n.
It has been found that the density can be controlled to 9 × 10 5 cm −1 while controlling to m.

【0084】ここで、結晶成長初期の核生成は、均一核
生成と不均一核生成とに大別することができる。以下、
均一核生成と不均一核生成とについて説明する。
Here, nucleation at the initial stage of crystal growth can be roughly classified into homogeneous nucleation and heterogeneous nucleation. Less than,
Homogeneous nucleation and heterogeneous nucleation will be described.

【0085】(2−2)まず、金属液滴2を形成する際
に均一核生成を用いる場合には、供給する金属原料の温
度はより低い方が、原子のマイグレーション(拡散)の
エネルギーが低いので原子同士が基板1上で合体する確
率が減り、原子が基板1に到達した場所で核生成するた
め、基板1上に高密度で金属液滴2を形成させることが
できる。
(2-2) First, when uniform nucleation is used to form the metal droplets 2, the lower the temperature of the metal raw material supplied, the lower the energy of atom migration (diffusion). Therefore, the probability that atoms will coalesce on the substrate 1 is reduced, and nuclei are generated where the atoms reach the substrate 1, so that the metal droplets 2 can be formed on the substrate 1 at a high density.

【0086】また、原子がマイグレーションするための
エネルギーは基板1からもやりとりが可能であるので、
基板1の温度を下げた方が基板1上に高密度で金属液滴
2を形成させることができる。
Further, since energy for atom migration can be exchanged from the substrate 1,
When the temperature of the substrate 1 is lowered, the metal droplets 2 can be formed on the substrate 1 with high density.

【0087】そして、金属液滴2の構造の寸法は、金属
原料の堆積量に依存している。即ち、基板1上のある一
点で核生成がおこり、その核が結晶成長して金属液滴2
が形成される場合には、金属液滴2の構造の寸法は金属
原料の堆積量で定まるものである。
The size of the structure of the metal droplet 2 depends on the amount of metal raw material deposited. That is, nucleation occurs at a certain point on the substrate 1, and the nuclei grow into crystals to cause metal droplets 2
In the case of the formation, the size of the structure of the metal droplet 2 is determined by the deposition amount of the metal raw material.

【0088】ただし、実際には、基板1上において核同
士が結晶成長中に合体したり、消滅したりするため、個
々の金属原料に対して金属液滴2の構造の寸法を厳密に
予想することはできない。
However, in practice, the nuclei on the substrate 1 coalesce or disappear during crystal growth, so the size of the structure of the metal droplet 2 is strictly predicted for each metal raw material. It is not possible.

【0089】しかしながら、全体の平均的な傾向として
は、金属原料の堆積量を増加すると、金属液滴2の密度
は下がるがその寸法は大きくなる方向にあるため、量子
効果が顕著に現れるような微細な構造を高密度で形成さ
せる場合には、金属原料の堆積量を少なくして(例え
ば、金属原料の堆積量を1×1015cm−2程度にす
る。)、金属原料および基板1の温度を現実的な範囲で
下げるのが望ましい。
However, as an average tendency of the whole, when the deposition amount of the metal raw material is increased, the density of the metal droplets 2 is decreased but the size thereof is increased, so that the quantum effect appears remarkably. When forming a fine structure with high density, the deposition amount of the metal raw material is reduced (for example, the deposition amount of the metal raw material is set to about 1 × 10 15 cm −2 ) and the metal raw material and the substrate 1 are separated. It is desirable to reduce the temperature within a realistic range.

【0090】なお、金属原料および基板1の温度を下げ
る領域に関しては、金属原料の種類に応じて大きく異な
るが、例えば、CaF基板上に金属原料としてGaを
供給する場合には、CaF基板の温度を「−10℃程
度」とし、Gaの温度を「800℃程度」とする。ま
た、CaF基板上に金属原料としてAlを供給する場
合には、CaF基板の温度を「350℃程度」とし、
Alの温度を「1100℃程度」とする。
[0090] Regarding the area to lower the temperature of the metal source and substrate 1 largely depends on according to the type of metal material, for example, when supplying Ga as a metal raw material CaF 2 on a substrate, CaF 2 substrate The temperature of Ga is about "-10 ° C" and the temperature of Ga is "about 800 ° C". Further, when supplying Al as a metal raw material CaF 2 substrate, the temperature of the CaF 2 substrate and "about 350 ° C."
The temperature of Al is “about 1100 ° C.”.

【0091】(2−3)次に、不均一核生成の場合につ
いて説明すると、この不均一核生成においては上記した
均一核生成とは異なる核生成が行われる。
(2-3) Next, the case of heterogeneous nucleation will be described. In this heterogeneous nucleation, nucleation different from the above homogeneous nucleation is performed.

【0092】即ち、不均一核生成は、基板表面の欠陥や
不純物を成長核として結晶成長が起こるものである。
That is, the heterogeneous nucleation is that crystal growth occurs by using defects or impurities on the substrate surface as growth nuclei.

【0093】従って、基板1の表面に欠陥や不純物を配
置してやれば、これら欠陥や不純物を中心として、後述
するような条件の下で核生成が実現可能となる。
Therefore, if defects and impurities are arranged on the surface of the substrate 1, nucleation can be realized with these defects and impurities as the center under the conditions described later.

【0094】ここで、基本的には、均一核生成と不均一
核生成とでは、核生成の速度は不均一核生成の方が極め
て速いことが知られている。
Here, it is known that, basically, in the homogeneous nucleation and the heterogeneous nucleation, the heterogeneous nucleation is extremely fast in the nucleation rate.

【0095】ところで、不均一核生成の場合には、基板
1上に配置させた核の間に、均一核生成で新たな成長核
が生成されないようにするために、原子のマイグレーシ
ョン・エネルギーをある程度高める必要がある。従っ
て、金属原料の温度および基板1の温度を高くする必要
がある。
By the way, in the case of heterogeneous nucleation, in order to prevent new growth nuclei from being generated by homogeneous nucleation between nuclei arranged on the substrate 1, the atomic migration energy is set to some extent. Need to raise. Therefore, it is necessary to increase the temperature of the metal raw material and the temperature of the substrate 1.

【0096】ただし、金属原料の温度および基板1の温
度を高くしすぎると、金属原料の再蒸発のため、核生成
がおこらなくなる。
However, if the temperature of the metal raw material and the temperature of the substrate 1 are too high, nucleation does not occur due to re-evaporation of the metal raw material.

【0097】上記した不均一核生成の場合には、核密度
および形成場所は基板1上の欠陥や不純物の個数および
その場所で決定され、金属液滴2の構造の寸法は、金属
原料の堆積量が多くなればなるほど大きくなる。
In the case of the above-mentioned non-uniform nucleation, the nucleus density and formation location are determined by the number of defects and impurities on the substrate 1 and the location thereof, and the size of the structure of the metal droplet 2 is determined by the deposition of the metal raw material. The larger the amount, the larger.

【0098】例えば、金属原料の基板1に対する付着係
数を「1」とすれば、単位面積あたりの金属原料の堆積
量を単位面積あたりの不純物核の個数で除算したもの
が、1個の金属液滴2がしめる原子数になる。
For example, if the adhesion coefficient of the metal raw material to the substrate 1 is "1", the amount of the metal raw material deposited per unit area divided by the number of impurity nuclei per unit area is one metal liquid. It becomes the number of atoms that drop 2 fills.

【0099】本願出願人の実験によれば、例えば、基板
1としてCaF基板を用いるとともに、金属原料とし
てGaを用いた場合には、基板温度が30℃の場合に核
生成が行われるが、基板温度を200℃に上昇するとG
aの再蒸発が顕著になって核生成が行われなくなる。
According to the experiment by the applicant of the present application, for example, when a CaF 2 substrate is used as the substrate 1 and Ga is used as the metal raw material, nucleation is performed when the substrate temperature is 30 ° C. G when the substrate temperature is raised to 200 ℃
The re-evaporation of a becomes remarkable and nucleation is not performed.

【0100】また、本願出願人の実験によれば、基板1
としてCaF基板を用いるとともに、金属原料として
Alを用いた場合には、基板温度が350℃の場合に核
形成が行われるが、基板温度を500℃に上昇するとA
lの再蒸発が顕著になって核生成が行われなくなる。
Further, according to the experiment by the applicant of the present application, the substrate 1
When a CaF 2 substrate is used as a substrate and Al is used as a metal raw material, nucleation is performed when the substrate temperature is 350 ° C., but when the substrate temperature is raised to 500 ° C.
The re-evaporation of 1 becomes remarkable and nucleation is stopped.

【0101】また、本願出願人の実験によれば、成長核
として電子ビームにより表面改質した領域を用い、基板
1としてCaF基板を用いるとともに、金属原料とし
てGaを用いた場合には、基板温度が500℃の場合に
核生成が行われるが、それ以上でもそれ以下でも核形成
を行うことが困難であることが明らかになった。
Further, according to the experiments by the applicant of the present application, when a region surface-modified by an electron beam is used as a growth nucleus, a CaF 2 substrate is used as the substrate 1, and Ga is used as a metal raw material, the substrate is Although nucleation occurs at a temperature of 500 ° C., it has been revealed that it is difficult to perform nucleation above or below the temperature.

【0102】なお、上記した本願出願人の各実験におい
ては、Gaの温度は800℃とし、Alの温度は106
0℃とした。
In each of the experiments by the applicant, the Ga temperature was 800 ° C. and the Al temperature was 106 ° C.
It was set to 0 ° C.

【0103】上記したように、金属原料の供給前に、予
め異種原子を不純物として基板1に照射することによっ
て、金属液滴2の形成核位置および核密度を制御するこ
とができるものである。
As described above, the formation nucleus position and nucleus density of the metal droplet 2 can be controlled by previously irradiating the substrate 1 with foreign atoms as impurities before supplying the metal raw material.

【0104】(3)窒化(半導体化):図2(c)参照 上記した「(2)金属液滴の形成:図2(b)参照」の
処理を終了すると、基板温度を金属液滴を形成させた温
度に維持したまま、窒素ソースとして窒素(N )、窒
素ラジカル(N)、アンモニア(NH)あるいはア
ンモニアラジカル(NH )などを照射し始め、基板
1上に形成された金属液滴2の窒化を行う。
(3) Nitriding (semiconductor): See FIG. 2 (c) In the above-mentioned “(2) Formation of metal droplets: see FIG. 2 (b)”
When the process is completed, the substrate temperature is set to the temperature at which the metal droplets are formed.
Nitrogen (N Two),
Elementary radical (N*), Ammonia (NHThree) Or
Nmonia radical (NHThree *) Etc. start irradiating the substrate
Nitriding of the metal droplet 2 formed on 1 is performed.

【0105】このようにして金属液滴2が窒化されるこ
とにより、窒化物半導体の量子ドット4が得られる。
By nitriding the metal droplets 2 in this manner, the quantum dots 4 of the nitride semiconductor are obtained.

【0106】このときに、金属液滴2の結晶化を促進す
るためには、基板温度を金属液滴を形成させた温度から
300℃乃至1000℃程度まで徐々に上昇させたり、
光、電子、イオンまたはラジカル、あるいはそれらの組
み合わせなどの外部場を加えればよい。
At this time, in order to promote crystallization of the metal droplets 2, the substrate temperature is gradually raised from the temperature at which the metal droplets are formed to about 300 ° C. to 1000 ° C.,
An external field such as light, electrons, ions or radicals, or a combination thereof may be added.

【0107】温度の設定範囲は、基板と金属の組み合わ
せによって適宜定める必要がある。例えば、サファイヤ
基板上のGaNでは、基板温度を300℃乃至600℃
程度に上昇させる。
The temperature setting range must be appropriately determined depending on the combination of the substrate and the metal. For example, for GaN on a sapphire substrate, the substrate temperature is 300 ° C to 600 ° C.
Raise to a degree.

【0108】ここで、上記した「(2)金属液滴の形
成:図2(b)参照」の処理により基板1上に形成させ
たGaなどの金属液滴2は、超高真空中で温度を上げる
と表面拡散が顕著になって、それぞれの金属液滴2が合
体して大きくなってしまい、金属液滴2の基板1上にお
ける密度を下げたり、あるいは、せっかく形成させた金
属液滴2が膜になってしまったりする。
Here, the metal droplets 2 of Ga or the like formed on the substrate 1 by the above-mentioned process “(2) Formation of metal droplets: see FIG. 2B” are heated in an ultrahigh vacuum. When the temperature is raised, the surface diffusion becomes remarkable, and the respective metal droplets 2 coalesce and become large, so that the density of the metal droplets 2 on the substrate 1 is lowered, or the metal droplets 2 formed with care. Becomes a film.

【0109】こうした現象を抑制するためには、上記し
た窒素(N)、窒素ラジカル(N )、アンモニア
(NH)あるいはアンモニアラジカル(NH )な
どによる窒化プロセスを可能な限り低温で行う必要があ
る。
In order to suppress such a phenomenon,
Nitrogen (NTwo), Nitrogen radicals (N *),ammonia
(NHThree) Or ammonia radical (NHThree *)
The nitriding process should be carried out at the lowest possible temperature.
It

【0110】ただし、上記した窒化プロセスを低温で行
うだけでは、金属原料と窒素との結晶化のための化学エ
ネルギーや窒素の金属原料中への拡散のエネルギーが不
十分であるため、結晶性が不十分となって、発光デバイ
ス材料や電子デバイス材料として実際に用いるには十分
ではないと考えられる。
However, if the above nitriding process is carried out only at a low temperature, the chemical energy for crystallization of the metal raw material and nitrogen and the energy of the diffusion of nitrogen into the metal raw material are insufficient, so that the crystallinity is deteriorated. It is considered to be insufficient and not sufficient for practical use as a light emitting device material or an electronic device material.

【0111】従って、低温(温度は、金属原料と基板原
料との組み合わせにより大きく異なるが、例えば、金属
原料がGaであり、基板原料がCaFである場合には
温度は30℃であり、金属原料がAlであり、基板原料
がCaFである場合には温度は350℃である。)で
金属液滴2を形成された基板1に窒素を供給し始めて、
まず、金属液滴2の表面のみを窒化させておいて、その
後に窒化中に温度を上げて結晶化を促進したり、温度は
低いまま、または温度を上げながら光、電子、イオンま
たはラジカル、あるいはそれらの組み合わせなどの外部
場を加えて結晶化を促進したりすることが効果的である
と考えられる。
Therefore, the low temperature (the temperature varies greatly depending on the combination of the metal raw material and the substrate raw material, but for example, when the metal raw material is Ga and the substrate raw material is CaF 2 , the temperature is 30 ° C. When the raw material is Al and the substrate raw material is CaF 2 , the temperature is 350 ° C.) and nitrogen is started to be supplied to the substrate 1 on which the metal droplets 2 are formed,
First, only the surface of the metal droplet 2 is nitrided, and then the temperature is raised during the nitriding to promote crystallization, or the temperature is kept low, or the temperature is raised, light, electrons, ions or radicals, Alternatively, it is considered effective to add an external field such as a combination thereof to promote crystallization.

【0112】光、電子、イオンまたはラジカル、あるい
はそれらの組み合わせが持つエネルギーを金属液滴2に
照射しながら該金属液滴2を窒化させることで、基板1
の温度を上昇させることなく結晶化に必要なエネルギー
を与えることが可能となる。
By irradiating the metal droplets 2 with energy possessed by light, electrons, ions or radicals, or a combination thereof, the metal droplets 2 are nitrided so that the substrate 1
It is possible to apply the energy required for crystallization without raising the temperature of the.

【0113】また、光、電子、イオンまたはラジカル、
あるいはそれらの組み合わせなどの外部場を加えること
により期待される他の効果としては、光の場合には、光
学的に透明な基板1を用いれば金属のみに選択的にエネ
ルギーを加えることが可能であるため、低い基板温度の
場合は極めて表面拡散を抑制してサイズをほとんど変化
させずに結晶化が可能である。
Also, light, electrons, ions or radicals,
Alternatively, as another effect expected by adding an external field such as a combination thereof, in the case of light, it is possible to selectively apply energy only to metal by using the optically transparent substrate 1. Therefore, when the substrate temperature is low, crystallization can be performed with extremely small surface diffusion and almost no change in size.

【0114】また、電子の場合には、電子の非弾性散乱
断面積の小さな基板1を用いれば、上記した光の場合と
同様に、ほぼ金属のみに選択的にエネルギーを加えるこ
とが可能であるため、低い基板温度の場合は極めて表面
拡散を抑制してサイズをほとんど変化させずに結晶化が
可能である。
Further, in the case of electrons, if the substrate 1 having a small electron inelastic scattering cross section is used, it is possible to selectively apply energy to almost only metal as in the case of light described above. Therefore, when the substrate temperature is low, surface diffusion is extremely suppressed, and crystallization is possible with almost no change in size.

【0115】なお、窒化を行うための窒素ソースとして
は、窒素ガスやアンモニアガスではなく、金属と反応性
の高い窒素ラジカルやアンモニアラジカルを用いること
により、化学反応の速度を上げることが可能であるた
め、窒素ガスやアンモニアガスを用いる場合と比較する
と、短時間かつ低温で結晶化が可能である。
As the nitrogen source for nitriding, it is possible to increase the rate of chemical reaction by using nitrogen radicals or ammonia radicals having a high reactivity with the metal, instead of nitrogen gas or ammonia gas. Therefore, as compared with the case of using nitrogen gas or ammonia gas, crystallization can be performed in a short time and at low temperature.

【0116】(4)熱処理(高品質化):図2(d)参
照 上記した「(3)窒化(半導体化):図2(c)参照」
における窒化プロセスにより得られた窒化物半導体の量
子ドット4の高品質化のため、窒素(N)、窒素ラジ
カル(N)、アンモニア(NH)あるいはアンモニ
アラジカル(NH )の減圧あるいは大気雰囲気中に
おいて、所定の温度、例えば、500℃乃至1500℃
程度の高温で所定の時間、例えば、10分間だけ熱処理
を行う。
(4) Heat treatment (improvement of quality): See FIG. 2 (d). Above-mentioned "(3) Nitriding (semiconductor): See FIG. 2 (c)".
In order to improve the quality of the quantum dots 4 of the nitride semiconductor obtained by the nitriding process in 1., decompression of nitrogen (N 2 ), nitrogen radical (N * ), ammonia (NH 3 ) or ammonia radical (NH 3 * ) or In the air atmosphere, a predetermined temperature, for example, 500 ° C to 1500 ° C
Heat treatment is performed at a high temperature of about 10 minutes for a predetermined time, for example, 10 minutes.

【0117】温度設定範囲は、基板と金属の組み合わせ
によって、適宜定める必要があるが、サファイヤ基板上
のGaNでは、1000℃程度の高温で熱処理を行う。
The temperature setting range needs to be appropriately determined depending on the combination of the substrate and the metal, but GaN on the sapphire substrate is heat-treated at a high temperature of about 1000 ° C.

【0118】また、上記した熱処理を行う際に、光、電
子、イオンまたはラジカル、あるいはそれらの組み合わ
せなどの外部場を加えながら行うようにしてもよく、そ
の場合には、プロセス温度の低温化や窒化物半導体の量
子ドット4へ選択的にエネルギーを加えられるという効
果がある。
When the above heat treatment is performed, an external field such as light, electrons, ions or radicals, or a combination thereof may be added. In that case, the process temperature may be lowered or the heat treatment may be performed. There is an effect that energy can be selectively applied to the quantum dots 4 of the nitride semiconductor.

【0119】このように、窒化物半導体の量子ドット4
を500℃乃至1500℃程度の高温で熱処理すると、
窒化物半導体の量子ドット4の結晶の品質を向上するこ
とができる。
Thus, the nitride semiconductor quantum dots 4
When heat-treated at a high temperature of 500 ° C to 1500 ° C,
The crystal quality of the quantum dots 4 of the nitride semiconductor can be improved.

【0120】なお、上記「(3)窒化(半導体化):図
2(c)参照」において説明したように、超高真空中で
加熱した場合には表面拡散が顕著になり、窒化物半導体
の量子ドット4の微細構造が実現不可能になるため、大
気中や減圧(超高真空中ではない)または加圧しながら
熱処理を行う必要がある。
As described in "(3) Nitriding (semiconductorization): FIG. 2 (c)", surface diffusion becomes remarkable when heated in an ultrahigh vacuum, and the nitride semiconductor Since the fine structure of the quantum dots 4 cannot be realized, it is necessary to perform the heat treatment in the atmosphere, under reduced pressure (not in ultra-high vacuum) or under pressure.

【0121】このように圧力を上げて熱処理する結果と
して、Gaなどの金属原子と窒素ガスやアンモニアガス
などの分子および原子との衝突が顕著になり、表面拡散
を抑制しながら温度を上げることができるようになるた
め、良質の量子ドット構造を得ることができるようにな
る。
As a result of increasing the pressure and performing the heat treatment in this way, collision of metal atoms such as Ga with molecules and atoms such as nitrogen gas and ammonia gas becomes remarkable, and the temperature can be increased while suppressing surface diffusion. As a result, a good quality quantum dot structure can be obtained.

【0122】なお、光、電子、イオンまたはラジカル、
あるいはそれらの組み合わせさらには窒素ラジカルやア
ンモニアラジカルを用いる理由に関しては、上記
「(3)窒化(半導体化):図2(c)参照」の窒化プ
ロセスにおいて説明したと同様の理由によるものである
ので、その詳細な説明は省略する。
Incidentally, light, electrons, ions or radicals,
Alternatively, the reason for using the combination thereof or the nitrogen radical or the ammonia radical is the same as that explained in the nitriding process of “(3) Nitriding (semiconductorization): See FIG. 2C” above. , Its detailed description is omitted.

【0123】この熱処理を経て、最終的に良質な窒化物
半導体の量子ドット14を形成することができるもので
ある。
After this heat treatment, the quantum dots 14 of a good quality nitride semiconductor can be finally formed.

【0124】次に、本願出願人によって行われた実験、
即ち、液滴エピタキシーにより窒化物半導体の量子ドッ
ト4としてGaN量子ドットを形成する実験ならびにそ
の実験結果について詳細に説明するものとする。
Next, an experiment conducted by the applicant of the present invention,
That is, the experiment of forming GaN quantum dots as the quantum dots 4 of the nitride semiconductor by the droplet epitaxy and the experimental result will be described in detail.

【0125】なお、本実験の概要を説明すると、基板1
としてAl基板(サファイア基板)を用いるとと
もに金属原料としてGaを用い、サファイア基板上にG
aの金属液滴2を形成した後に、アンモニア(NH
ガスを照射してGaの金属液滴2を窒化して、窒化物半
導体の量子ドット4としてGaN量子ドットを形成し、
さらにこのGaN量子ドットを熱処理して、サファイア
基板上に良好なGaN量子ドットを作製するものであ
る。
The outline of this experiment will be described below.
Is used as an Al 2 O 3 substrate (sapphire substrate), and Ga is used as a metal raw material.
After forming the metal droplet 2 of a, ammonia (NH 3 )
Gas is irradiated to nitride the Ga metal droplets 2 to form GaN quantum dots as nitride semiconductor quantum dots 4.
Furthermore, this GaN quantum dot is heat-treated to produce a good GaN quantum dot on a sapphire substrate.

【0126】(1)GaN量子ドット構造の形成 即ち、本願出願人による実験においては、ガスソース分
子線エピタキシー(GSMBE)法を用いて、サファイ
ア(0001)基板上にGaN量子ドットを形成させ
た。つまり、III族原料として固体ガリウム(Ga)
を用い、V族原料としてアンモニア(NH)ガスを用
いた。
(1) Formation of GaN Quantum Dot Structure That is, in the experiment by the applicant of the present application, GaN quantum dots were formed on a sapphire (0001) substrate by using a gas source molecular beam epitaxy (GSMBE) method. That is, solid gallium (Ga) is used as a group III raw material.
Was used, and ammonia (NH 3 ) gas was used as a group V raw material.

【0127】基板1としては、有機洗浄の後に10%の
フッ化水素水中で20分間の超音波洗浄を施し、窒素
(N)ガスで乾燥させたものを用いた。
As the substrate 1, used was one that was subjected to ultrasonic cleaning in 10% hydrogen fluoride water for 20 minutes after organic cleaning and dried with nitrogen (N 2 ) gas.

【0128】まず、基板1をGSMBE装置に搬送した
後に、基板1の表面を真空中において超高速電子回折
(RHEED)法を用いて平坦な表面を示すパターンが
観測されるまで、800℃で加熱クリーニングした。
First, after the substrate 1 was transferred to the GSMBE apparatus, the surface of the substrate 1 was heated at 800 ° C. in vacuum until a pattern showing a flat surface was observed by ultra-high speed electron diffraction (RHEED) method. I cleaned it.

【0129】この後に、基板温度を300℃に下げて、
金属Ga分子線を1.5×1015cm−2だけ超高真
空中で基板1に供給して、基板1上にGaの金属液滴2
を形成した。
After that, the substrate temperature is lowered to 300 ° C.,
A metallic Ga molecular beam of 1.5 × 10 15 cm −2 is supplied to the substrate 1 in an ultrahigh vacuum, and a metallic droplet 2 of Ga is deposited on the substrate 1.
Was formed.

【0130】それから、基板温度300℃でアンモニア
(NH)ガスを供給しはじめて、金属液滴2の表面の
みを窒化させておいて、徐々に基板の温度を上げて行
き、最終的には600℃まであげ、基板1上に形成され
たGaの金属液滴2の窒化を行うとともに結晶化を促進
し、窒化物半導体の量子ドット4としてGaN量子ドッ
トを得た。
Then, ammonia (NH 3 ) gas is started to be supplied at a substrate temperature of 300 ° C., only the surface of the metal droplet 2 is nitrided, and the temperature of the substrate is gradually raised until finally 600 The temperature was raised to 0 ° C. to nitrid the Ga metal droplets 2 formed on the substrate 1 and promote crystallization to obtain GaN quantum dots as the nitride semiconductor quantum dots 4.

【0131】なお、基板1は、RHEED観察によりG
aNの結晶化を示すリングパターンが表れるまで加熱し
た。
The substrate 1 is G-colored by RHEED observation.
Heated until a ring pattern was observed showing aN crystallization.

【0132】(2)GaN量子ドットの熱処理 上記した「(1)GaN量子ドット構造の形成」の処理
の後に、基板1をGSMBE装置から取り出し、有機金
属気相堆積(MOCVD)装置内において、760To
rrの窒素(N)とアンモニア(NH)との混合ガ
ス雰囲気中で1000℃で10分間熱処理を行い、結晶
の高品質化を図った。
(2) Heat Treatment of GaN Quantum Dots After the above-mentioned “(1) Formation of GaN quantum dot structure”, the substrate 1 is taken out from the GSMBE apparatus and placed in a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus at 760To.
Heat treatment was performed at 1000 ° C. for 10 minutes in a mixed gas atmosphere of rr nitrogen (N 2 ) and ammonia (NH 3 ) to improve crystal quality.

【0133】こうして液滴エピタキシーにより、サファ
イア(0001)基板上に良質なGaN量子ドットが形
成された。
Thus, good quality GaN quantum dots were formed on the sapphire (0001) substrate by the droplet epitaxy.

【0134】(3)実験結果 (3−1)金属液滴2が窒化物半導体の量子ドットにな
ったことの確認 RHEEDパターンは、GaNと同様の格子定数のリン
グパターンを示した。また、原子力間顕微鏡(AFM)
で金属液滴とは異なり、むしろGaNの安定化構造の六
角柱構造に近い構造を示した。従って、Gaが窒化され
てGaNになったものと認められる。
(3) Experimental Results (3-1) Confirmation that Metal Droplets 2 Become Quantum Dots of Nitride Semiconductor The RHEED pattern showed a ring pattern with a lattice constant similar to that of GaN. Atomic force microscope (AFM)
However, unlike the metal droplet, the structure was more similar to the hexagonal columnar structure of the stabilized structure of GaN. Therefore, it is recognized that Ga was nitrided to become GaN.

【0135】さらに、GaN量子ドットからは、フォト
ルミネセンス(PL)が室温で赤く発光した(半導体は
発光するが、金属は発光しない)。
Further, photoluminescence (PL) emitted red light from the GaN quantum dots at room temperature (the semiconductor emits light, but the metal does not).

【0136】また、六角柱構造のGaN量子ドットの最
も小さいものの寸法は、直径が5nmであり、高さは2
nmであった。
The size of the smallest hexagonal GaN quantum dot is 5 nm in diameter and 2 in height.
was nm.

【0137】こうした実験結果をさらに詳細に説明する
と、図9(a)には、基板1の温度を最終的には600
℃まで昇温した際に得られたGaN量子ドットの表面の
AFMの写真が示されている。また、図9(b)には、
図9(a)に示されたGaN量子ドットの断面図が示さ
れている。
The results of such an experiment will be described in more detail. In FIG. 9A, the temperature of the substrate 1 is finally set to 600.
An AFM photograph of the surface of the GaN quantum dot obtained when the temperature was raised to 0 ° C is shown. In addition, in FIG.
A cross-sectional view of the GaN quantum dots shown in FIG. 9A is shown.

【0138】図9(a)(b)に示されているように、
基板1の表面におけるGaN量子ドットの直径は約5n
m乃至20nmの範囲にあり、GaN量子ドットの高さ
は約2nm乃至10nmである。
As shown in FIGS. 9A and 9B,
The diameter of the GaN quantum dots on the surface of the substrate 1 is about 5n.
It is in the range of m to 20 nm, and the height of the GaN quantum dots is about 2 nm to 10 nm.

【0139】また、図9(a)に示す写真において同様
のグレイスケールで示されている各GaN量子ドットの
6角形の頂上の領域は、GaN量子ドットの形状が半球
状というよりも6角柱であることを示している。
The hexagonal apex region of each GaN quantum dot shown in the same gray scale in the photograph shown in FIG. 9A is a hexagonal prism rather than a hemispherical shape. It indicates that there is.

【0140】そして、600℃まで昇温した後にRHE
EDの観察において見られたGaNの格子定数のリング
パターンは、AFMにおけるドットがGaN量子ドット
であることを示している。
Then, after raising the temperature to 600 ° C., RHE
The ring pattern of GaN lattice constants observed in the ED shows that the dots in the AFM are GaN quantum dots.

【0141】図10は、室温における図9(a)に示す
GaN量子ドットのPLスペクトルを示している。この
スペクトルは、「浜松ホトニクスシステム6551」に
よって測定されたものであり、検出器は赤色領域を高感
度に感知するものである。PLのピークエネルギーは
2.5eVであり、このGaN量子ドットは明るい赤色
発光を示している。
FIG. 10 shows the PL spectrum of the GaN quantum dots shown in FIG. 9A at room temperature. This spectrum is measured by "Hamamatsu Photonics System 6551", and the detector is sensitive to the red region. The peak energy of PL is 2.5 eV, and this GaN quantum dot shows bright red emission.

【0142】このことは、図9(a)に示すGaN量子
ドットの結晶化が十分でないことに起因するものと考え
られる。即ち、600℃までの昇温では、液滴エピタキ
シーにおけるGaNの結晶化には十分ではないものと考
えられる。
This is considered to be due to insufficient crystallization of the GaN quantum dots shown in FIG. 9 (a). That is, it is considered that the heating up to 600 ° C. is not sufficient for crystallization of GaN in the droplet epitaxy.

【0143】(3−2)1000℃、10分間の熱処理
で良好なGaN量子ドットが形成できたことの確認 液体窒素温度(77K)でGaN薄膜よりも、高エネル
ギー側にPLのピークがシフトした。即ち、電子の量子
閉じこめ効果が確認できた。
(3-2) Confirmation that good GaN quantum dots could be formed by heat treatment at 1000 ° C. for 10 minutes The PL peak shifted to the higher energy side than the GaN thin film at the liquid nitrogen temperature (77 K). . That is, the quantum confinement effect of electrons was confirmed.

【0144】即ち、図11(a)には、図9(a)に示
すGaN量子ドットを1000℃で熱処理する前(be
fore)と熱処理した後(after)とのPLスペ
クトルが示されている。これらのスペクトルは、77K
において紫外感知光電子増倍管を使用して測定された。
That is, in FIG. 11A, before the GaN quantum dots shown in FIG. 9A are heat-treated at 1000 ° C. (be).
PL spectra are shown for before and after heat treatment. These spectra are 77K
In a UV sensitive photomultiplier.

【0145】この図11(a)に示す両方のスペクトル
を比較すると、1000℃で熱処理の前においては3e
Vの光エネルギーの周辺で広くかつ低いピークがあり、
その一方で、1000℃で熱処理の後においては3.5
8eVにおいて強いピークが表れている。
Comparing both spectra shown in FIG. 11 (a), 3e before the heat treatment at 1000.degree.
There is a wide and low peak around the V light energy,
On the other hand, after heat treatment at 1000 ° C., 3.5
A strong peak appears at 8 eV.

【0146】これは、図11(a)に示すGaN量子ド
ットの結晶の品質が、1000℃で熱処理によって改善
された結果である。
This is a result of the crystal quality of the GaN quantum dots shown in FIG. 11A being improved by heat treatment at 1000 ° C.

【0147】図11(b)は、300nmの厚さのGa
N膜と、図11(a)に示すGaN量子ドットを100
0℃で熱処理した後のGaN量子ドットとに関して、7
7KにおけるPLスペクトルの比較を示している。
FIG. 11B shows Ga having a thickness of 300 nm.
The N film and the GaN quantum dots shown in FIG.
For GaN quantum dots after heat treatment at 0 ° C., 7
4 shows a comparison of PL spectra at 7K.

【0148】この図11(b)に示されているように、
GaN膜は3.45eVにバンド間発光のピークがある
が、一方、GaN量子ドットは3.58eVにピークが
あり、GaN量子ドットでは液体窒素温度(77K)で
GaN薄膜よりも高エネルギー側にPLのピークがシフ
トしている。
As shown in FIG. 11 (b),
The GaN film has a peak of band-to-band emission at 3.45 eV, while the GaN quantum dot has a peak at 3.58 eV, and the GaN quantum dot has a PL on the higher energy side than the GaN thin film at the liquid nitrogen temperature (77 K). The peak of is shifted.

【0149】なお、GaN量子ドットにおける130m
eVのブルーシフトは、量子ドットの形成による量子化
されたシフトエネルギーであると考えられる。
The GaN quantum dot has a length of 130 m.
The blue shift of eV is considered to be the quantized shift energy due to the formation of quantum dots.

【0150】なお、上記した実験は、金属原料としてG
aを用いて窒化物半導体の量子ドット14としてGaN
量子ドットを得るようにしたものであるが、金属原料と
してAlを用いた場合には窒化物半導体の量子ドット4
としてAlN量子ドットが得られ、金属原料としてIn
を用いた場合には窒化物半導体の量子ドット4としてI
nN量子ドットが得られる。また、金属原料としてG
a、Al、Inを適宜に混合して用いた場合には、これ
らの混晶が得られる。
In the above experiment, G was used as the metal raw material.
a using GaN as the quantum dots 14 of the nitride semiconductor
Although quantum dots are obtained, when Al is used as a metal raw material, quantum dots 4 of a nitride semiconductor are used.
AlN quantum dots are obtained as
Is used as the quantum dot 4 of the nitride semiconductor,
nN quantum dots are obtained. In addition, G as a metal raw material
When a, Al and In are appropriately mixed and used, a mixed crystal of them is obtained.

【0151】また、上記したように、基板原料として
は、SiOやGaNなどのほかにも、原理的に多くの
材料が考えられる。
As described above, in principle, many materials can be considered as the substrate raw material in addition to SiO 2 and GaN.

【0152】また、上記したように、窒化プロセスに関
しては、窒素ラジカルやアンモニアラジカルを用いた
り、圧力を変化させてもよく、また、高温での熱処理に
関しては、単に温度を上げるだけでなく、光、電子、イ
オン、ラジカル、あるいはそれらの組み合わせなどの外
部場を加えるようにしてもよい。
As described above, in the nitriding process, nitrogen radicals or ammonia radicals may be used, or the pressure may be changed. Further, in the heat treatment at a high temperature, not only the temperature is increased but also the light is changed. An external field such as an electron, an ion, a radical, or a combination thereof may be added.

【0153】以上において詳細に説明したように、本発
明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導
体の量子ドットの形成方法を用いると、間隙を極めて近
接させて配置した複数の窒化物半導体の量子ドット、例
えば、GaNの量子ドットを形成することができるもの
である。
As described in detail above, by using the method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to the present invention, a plurality of nitride semiconductors arranged with extremely close gaps can be used. A quantum dot, for example, a GaN quantum dot can be formed.

【0154】従って、本発明の位置制御された液滴エピ
タキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法を
用いて窒化物半導体の量子ドットを形成するようにした
場合には、量子コンピュータにおける量子ビット素子構
造および量子相関ゲート素子構造を実現することができ
る。
Therefore, when the nitride semiconductor quantum dots are formed by using the method of forming the nitride semiconductor quantum dots by the position-controlled droplet epitaxy of the present invention, the quantum bit device in the quantum computer is used. Structures and quantum correlation gate device structures can be realized.

【0155】以下、本発明の位置制御された液滴エピタ
キシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法によ
り形成された窒化物半導体の量子ドットを用いた量子コ
ンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関
ゲート素子構造について説明する。
Hereinafter, a quantum bit device structure and a quantum correlation gate device in a quantum computer using a nitride semiconductor quantum dot formed by the method for forming a nitride semiconductor quantum dot by position-controlled droplet epitaxy according to the present invention. The structure will be described.

【0156】なお、以下の説明においては、「量子ドッ
ト」とは、上記した本発明の位置制御された液滴エピタ
キシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法によ
り形成された窒化物半導体の量子ドット、例えば、Ga
Nの量子ドットである。
In the following description, “quantum dot” means a quantum dot of a nitride semiconductor formed by the above-described method of forming a quantum dot of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy of the present invention. , For example, Ga
N quantum dots.

【0157】図12には、本発明による量子コンピュー
タにおける量子ビット素子構造の実施の形態の一例を示
す概念構成説明図が示されている。
FIG. 12 is a conceptual configuration explanatory view showing an example of an embodiment of the qubit device structure in the quantum computer according to the present invention.

【0158】即ち、本発明による量子コンピュータにお
ける量子ビット素子構造10は、例えば、上記した本発
明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導
体の量子ドットの形成方法により形成された2個の窒化
物半導体の量子ドット、例えば、2個のGaNの量子ド
ット12、14より構成されている。つまり、量子ビッ
トの物理的実態は2準位系であるが、本発明による量子
コンピュータにおける量子ビット素子構造10において
は、2個の量子ドット12、14より2つの量子準位1
6、18を形成するようになされている。
That is, the qubit device structure 10 in the quantum computer according to the present invention is, for example, two nitrides formed by the method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by the position controlled droplet epitaxy of the present invention. It is composed of a quantum dot of a semiconductor, for example, two GaN quantum dots 12 and 14. In other words, the physical reality of the quantum bit is a two-level system, but in the quantum bit device structure 10 in the quantum computer according to the present invention, two quantum levels 1 from two quantum dots 12 and 14.
6 and 18 are formed.

【0159】より詳しく説明すると、例えば、GaNな
どの半導体材料により、直径が数十ナノメートル(n
m)程度あるいはそれ以下の球体形状や、一辺が数十ナ
ノメートル(nm)程度あるいはそれ以下の方体形状を
備えた微小な量子ドットを構成すると、こうした量子ド
ットには離散化した量子準位が形成されることになる。
More specifically, for example, a semiconductor material such as GaN has a diameter of several tens of nanometers (n
When a minute quantum dot with a spherical shape of about m) or less or a rectangular shape with one side of several tens of nanometers (nm) or less is constructed, such quantum dots have discrete quantum levels. Will be formed.

【0160】従って、量子ビットの2準位系として、注
目する量子準位をその中に1つだけ有する微小な量子ド
ットを2つ用意し、これら2つの量子ドットを、量子ビ
ット素子構造10を構成するための量子ドット12、1
4として用いるものである。
Therefore, as a two-level system of quantum bits, two minute quantum dots having only one quantum level of interest are prepared, and these two quantum dots are connected to the quantum bit device structure 10. Quantum dots 12, 1 for constructing
4 is used.

【0161】なお、これら量子ドット12の量子準位1
6と量子ドット14の量子準位18とは、互いに異なる
ように設定されるものであり、この実施の形態において
は、図12上右側に位置する量子ドット12の量子準位
16の方が、図12上左側に位置する量子ドット14の
量子準位18より低いように設定されている。
Quantum level 1 of these quantum dots 12
6 and the quantum level 18 of the quantum dot 14 are set to be different from each other, and in this embodiment, the quantum level 16 of the quantum dot 12 located on the right side of FIG. It is set to be lower than the quantum level 18 of the quantum dot 14 located on the left side in FIG.

【0162】具体的には、量子ドット12の量子準位1
6と量子ドット14の量子準位18との準位間のエネル
ギー差Eは、外部の電圧により自由に変えることができ
るものであり、この実施の形態においては、図12上右
側に位置する量子ドット12の量子準位16の方が、図
12上左側に位置する量子ドット14の量子準位18よ
りも低くなるように、外部の電圧により設定されている
ものである。
Specifically, the quantum level 1 of the quantum dot 12
The energy difference E between the levels of the quantum dots 6 and the quantum levels 18 of the quantum dots 14 can be freely changed by an external voltage. In this embodiment, the quantum located on the right side of FIG. The quantum level 16 of the dot 12 is set by an external voltage so as to be lower than the quantum level 18 of the quantum dot 14 located on the left side in FIG.

【0163】また、量子ドット12と量子ドット14と
は、その間隔Gが、例えば、10オングストローム程度
に近接して配置されるものであり、電子がトンネル効果
により量子ドット12と量子ドット14との間を自由に
移動することができるようになされている。
The quantum dots 12 and the quantum dots 14 are arranged close to each other with a gap G of, for example, about 10 angstroms, and electrons are tunneled by the quantum dots 12 and the quantum dots 14. It is designed so that you can move freely between them.

【0164】以上の構成において、量子ビット素子構造
10内には、例えば、クーロンブロッケード効果を利用
して、電子が1個存在するようになされており、その1
個の電子は、ある確率で量子ドット12の量子準位16
に存在(|0>の状態)したり、ある確率で量子ドット
14の量子準位18に存在(|1>の状態)したりする
ものである。
In the above structure, one electron exists in the qubit device structure 10 by utilizing, for example, the Coulomb blockade effect.
Each electron has a certain probability that the quantum level of the quantum dot 12 is 16
Or in the quantum level 18 of the quantum dot 14 (state of | 1>) with a certain probability.

【0165】なお、クーロンブロッケード効果とは、電
子間のクーロン反発力を利用して、電子を1個だけ量子
ドットに蓄えるためのメカニズムである。
The Coulomb blockade effect is a mechanism for storing only one electron in a quantum dot by utilizing Coulomb repulsive force between electrons.

【0166】ここで、ラビ振動の原理を利用することに
より、量子ビット素子構造10の量子ビットの操作を行
うことができるものである。
Here, the qubit of the qubit device structure 10 can be operated by utilizing the principle of Rabi oscillation.

【0167】ここで、ラビ振動とは、2準位系において
準位間のエネルギー差に共鳴した電磁波を照射すると、
電子の2準位の上か下かに存在する確率が周期的に振動
する現象である。
Here, the Rabi oscillation means that when an electromagnetic wave resonating with an energy difference between levels in a two-level system is irradiated,
This is a phenomenon in which the probability that an electron exists above or below two levels oscillates periodically.

【0168】従って、量子ビット素子構造10におい
て、例えば、初期状態として、上の量子準位18に電子
が存在する確率(P1)が0(P1=0)であり、下の
量子準位16に電子が存在する確率(P0)が1(P0
=1)であるとすると、量子準位18と量子準位16と
のエネルギー差Eに共鳴した電磁波をラビ振動の半周期
だけ照射した後には、上の量子準位18に電子が存在す
る確率(P1)が1(P1=1)となり、下の量子準位
16に電子が存在する確率(P0)が1(P0=0)と
なるものである。
Therefore, in the qubit device structure 10, for example, as an initial state, the probability (P1) that an electron exists in the upper quantum level 18 is 0 (P1 = 0), and in the lower quantum level 16, The probability that an electron exists (P0) is 1 (P0
= 1), the probability that an electron exists in the upper quantum level 18 after irradiating an electromagnetic wave that resonates with the energy difference E between the quantum level 18 and the quantum level 16 for a half period of the Rabi oscillation. (P1) becomes 1 (P1 = 1), and the probability (P0) that electrons exist in the lower quantum level 16 becomes 1 (P0 = 0).

【0169】即ち、ラビ振動を利用することにより、量
子ビットの状態を反転することができることになる。そ
して、上記した電磁波の照射時間を適当に選択すること
により、量子ビットの状態を任意の制御することができ
るものである。
That is, the qubit state can be inverted by utilizing the Rabi oscillation. Then, by appropriately selecting the irradiation time of the electromagnetic wave described above, the state of the qubit can be arbitrarily controlled.

【0170】次に、図13ならびに図14を参照しなが
ら、本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲ
ート素子構造の実施の形態の一例について説明する。
Next, an example of an embodiment of the quantum correlation gate device structure in the quantum computer according to the present invention will be described with reference to FIGS. 13 and 14.

【0171】即ち、図13には、本発明による量子コン
ピュータにおける量子相関ゲート素子構造の実施の形態
の一例の概念構成説明図が示されている。
That is, FIG. 13 is a conceptual structural explanatory view of an example of the embodiment of the quantum correlation gate device structure in the quantum computer according to the present invention.

【0172】この量子相関ゲート100は、上記した本
発明の実施の形態による量子ビット素子構造を2個用い
て構成されるものである。
The quantum correlation gate 100 is constructed by using two qubit element structures according to the above-described embodiments of the present invention.

【0173】具体的には、量子相関ゲート100は、2
準位間のエネルギー差が異なる2個の量子ビット素子構
造として、2準位間のエネルギー差が大きい第1量子ビ
ット素子構造102と、2準位間のエネルギー差が小さ
い第2量子ビット素子構造104とを備えて構成されて
いる。ここで、2準位間のエネルギー差が大きい方の第
1量子ビット素子構造102の量子ビットをコントロー
ルビットとし、2準位間のエネルギー差が小さい方の第
2量子ビット素子構造104の量子ビットをターゲット
ビットとする。
Specifically, the quantum correlation gate 100 has 2
As two qubit device structures having different energy levels between the two levels, a first qubit device structure 102 having a large energy difference between the two levels and a second qubit device structure having a small energy difference between the two levels. And 104. Here, the qubit of the first qubit element structure 102 having a larger energy difference between the two levels is used as a control bit, and the qubit of the second qubit element structure 104 having a smaller energy difference between the two levels is set as a control bit. Is the target bit.

【0174】なお、第1量子ビット素子構造102は、
上の量子準位106をもつ量子ドット108と、下の量
子準位110をもつ量子ドット112とより構成されて
いる。
The first qubit device structure 102 is
It is composed of a quantum dot 108 having an upper quantum level 106 and a quantum dot 112 having a lower quantum level 110.

【0175】また、第2量子ビット素子構造104は、
上の量子準位114をもつ量子ドット116と、下の量
子準位118をもつ量子ドット120とより構成されて
いる。
The second qubit device structure 104 is
It is composed of a quantum dot 116 having an upper quantum level 114 and a quantum dot 120 having a lower quantum level 118.

【0176】また、第1量子ビット素子構造102と第
2量子ビット素子構造104とは、例えば、図13に示
すように、量子ドット108と量子ドット116とが対
向し、かつ、量子ドット112と量子ドット120とが
対向するように上下2段に配置されているものである。
なお、図13においては、第1量子ビット素子構造10
2が上段に配置され、第2量子ビット素子構造104が
下段に配置されている。
In the first qubit element structure 102 and the second qubit element structure 104, for example, as shown in FIG. 13, the quantum dot 108 and the quantum dot 116 face each other, and the quantum dot 112 and the quantum dot 112. The quantum dots 120 are arranged in upper and lower two stages so as to face each other.
In FIG. 13, the first qubit device structure 10
2 is arranged in the upper stage, and the second qubit device structure 104 is arranged in the lower stage.

【0177】そして、量子ドット108と量子ドット1
16とは、可変コンデンサ122を介して接続されてお
り、量子ドット112と量子ドット120とは、可変コ
ンデンサ124を介して接続されている。
Quantum dot 108 and quantum dot 1
16 is connected via a variable capacitor 122, and the quantum dots 112 and the quantum dots 120 are connected via a variable capacitor 124.

【0178】さらに、こうした量子相関ゲート素子構造
100においては、第1量子ビット素子構造102の量
子ドット112には、可変コンデンサ126を介して、
第1量子ビット素子構造102による第1ビットの状態
を検出するための単電子トランジスタが接続されてお
り、また、第2量子ビット素子構造104の量子ドット
120には、可変コンデンサ128を介して、第2量子
ビット素子構造104による第2ビットの状態を検出す
るための単電子トランジスタが接続されている。
Further, in such a quantum correlation gate device structure 100, the quantum dot 112 of the first qubit device structure 102 is connected to the quantum dot 112 via the variable capacitor 126.
A single-electron transistor for detecting the state of the first bit by the first qubit device structure 102 is connected, and the quantum dot 120 of the second qubit device structure 104 is connected via a variable capacitor 128. A single-electron transistor for detecting the state of the second bit by the second qubit device structure 104 is connected.

【0179】なお、図13に示す実施の形態において
は、単電子トランジスタは、第1量子ビット素子構造1
02の量子ドット112に可変コンデンサ126を介し
て接続されるとともに、第2量子ビット素子構造104
の量子ドット120に可変コンデンサ128を介して接
続されているが、これに限られることなしに、第1量子
ビット素子構造102の量子ドット108に可変コンデ
ンサ126を介して接続するようにしてもよいし、第2
量子ビット素子構造104の量子ドット116に可変コ
ンデンサ128を介して接続するようにしてもよい。
In the embodiment shown in FIG. 13, the single-electron transistor is the first qubit device structure 1.
02 quantum dot 112 via a variable capacitor 126 and the second qubit device structure 104
Is connected to the quantum dot 120 of the first quantum bit device structure 102 via the variable capacitor 126, but is not limited to this. Then second
The quantum dots 116 of the qubit device structure 104 may be connected via the variable capacitor 128.

【0180】以上の構成において、可変コンデンサ12
2の容量C1を0(C1=0)に設定するとともに、可
変コンデンサ124の容量C2を0(C2=0)に設定
すると、第1量子ビット素子構造102と第2量子ビッ
ト素子構造104とは互いに電気的に独立した状態とな
る。
With the above structure, the variable capacitor 12
When the capacitance C1 of 2 is set to 0 (C1 = 0) and the capacitance C2 of the variable capacitor 124 is set to 0 (C2 = 0), the first qubit element structure 102 and the second qubit element structure 104 are different from each other. They are electrically independent of each other.

【0181】従って、上記したラビ振動を利用すれば、
第1量子ビット素子構造102のコントロールビットの
状態と、第2量子ビット素子構造104のターゲットビ
ットの状態とを、図1(b)の真理値表に示す量子相関
ゲートの作用前の状態に設定することができる。
Therefore, using the above-mentioned rabbi vibration,
The state of the control bit of the first qubit element structure 102 and the state of the target bit of the second qubit element structure 104 are set to the state before the action of the quantum correlation gate shown in the truth table of FIG. 1B. can do.

【0182】図14には、こうした量子相関ゲートの作
用前の状態における、第1量子ビット素子構造102の
電子のエネルギーと第2量子ビット素子構造104の電
子のエネルギーとの合計値を示すエネルギーレベル状態
図が示されている。なお、量子準位110と量子準位1
18とにおける電子のエネルギーのレベルを、基準のレ
ベルAとする。
FIG. 14 is an energy level showing the total value of the energy of electrons of the first qubit element structure 102 and the energy of electrons of the second qubit element structure 104 in the state before the action of the quantum correlation gate. A state diagram is shown. Quantum level 110 and quantum level 1
The energy level of electrons at 18 and 18 is defined as a reference level A.

【0183】従って、コントロールビットおよびターゲ
ットビットの状態が|0>であるならば、エネルギーレ
ベルは基準のレベルAとなる。
Therefore, if the states of the control bit and the target bit are | 0>, the energy level becomes the reference level A.

【0184】また、コントロールビットの状態が|0>
であり、ターゲットビットの状態が|1>であるなら
ば、エネルギーレベルはレベルBとなる。
Further, the state of the control bit is | 0>
And the state of the target bit is | 1>, the energy level is level B.

【0185】さらに、コントロールビットの状態が|1
>であり、ターゲットビットの状態が|0>であるなら
ば、エネルギーレベルはレベルCとなる。
Furthermore, the state of the control bit is | 1.
> And the state of the target bit is | 0>, the energy level is level C.

【0186】さらにまた、コントロールビットの状態が
|1>であり、ターゲットビットの状態が|1>である
ならば、エネルギーレベルはレベルDとなる。
Furthermore, if the control bit state is | 1> and the target bit state is | 1>, the energy level is level D.

【0187】ところが、可変コンデンサ122の容量C
1を「C1≠0」に設定するとともに、可変コンデンサ
124の容量C2を「C2≠0」に設定すると、第1量
子ビット素子構造102と第2量子ビット素子構造10
4とは互いに容量的に結合した状態となる。
However, the capacitance C of the variable capacitor 122
1 is set to “C1 ≠ 0” and the capacitance C2 of the variable capacitor 124 is set to “C2 ≠ 0”, the first qubit device structure 102 and the second qubit device structure 10 are set.
4 is capacitively coupled to each other.

【0188】従って、「C1≠0」および「C2≠0」
の場合には、図13に示す状態における第1量子ビット
素子構造102の量子準位106、110および第2量
子ビット素子構造104の量子準位114、118に関
して、互いの電子が対角線上に存在するとき(コントロ
ールビットの状態が|1>であり、かつ、ターゲットビ
ットの状態が|0>である場合およびコントロールビッ
トの状態が|0>であり、かつ、ターゲットビットの状
態が|1>である場合)には「C1=0」および「C2
=0」の場合と比べてエネルギーはほとんど変化しない
が、互いの電子が対角線上に存在しないとき(コントロ
ールビットの状態が|1>であり、かつ、ターゲットビ
ットの状態が|1>である場合およびコントロールビッ
トの状態が|0>であり、かつ、ターゲットビットの状
態が|0>である場合)には「C1=0」および「C2
=0」の場合よりもエネルギーが上がることになる。そ
の差分を△Eとすると、「C1≠0」および「C2≠
0」の場合には、レベルAはレベルA’に上がり、レベ
ルBはほとんどそのままレベルB’になり、レベルCは
ほとんどそのままレベルC’になり、レベルDはレベル
D’に上がることになる。
Therefore, "C1 ≠ 0" and "C2 ≠ 0"
In the case of, with respect to the quantum levels 106 and 110 of the first qubit element structure 102 and the quantum levels 114 and 118 of the second qubit element structure 104 in the state shown in FIG. 13, mutual electrons exist on a diagonal line. When the state of the control bit is | 1> and the state of the target bit is | 0> and the state of the control bit is | 0> and the state of the target bit is | 1> (If present) then "C1 = 0" and "C2
The energy does not change much as compared with the case of "= 0", but when the electrons of each other do not exist on the diagonal line (when the state of the control bit is | 1> and the state of the target bit is | 1>). And the control bit state is | 0> and the target bit state is | 0>), "C1 = 0" and "C2"
The energy will be higher than in the case of "= 0". If the difference is ΔE, “C1 ≠ 0” and “C2 ≠
In the case of "0", level A goes up to level A ', level B goes up almost to level B', level C goes up to level C ', level D goes up to level D'.

【0189】従って、量子相関ゲート素子構造100に
対して、「E2+△E」のエネルギーをもつ電磁波をラ
ビ振動の半周期間照射することによって、コントロール
ビットが|1>のときだけ、ターゲットビットを反転す
ることができ、図1(b)に示す真理値表の動作を実現
することができる。
Therefore, the target bit is inverted only when the control bit is | 1> by irradiating the quantum correlation gate device structure 100 with the electromagnetic wave having the energy of “E2 + ΔE” for the half cycle of the Rabi oscillation. The operation of the truth table shown in FIG. 1B can be realized.

【0190】なお、コントロールビットとターゲットビ
ットとを単独で操作する必要がある場合には、上記した
ように「C1=0」および「C2=0」に設定して、コ
ントロールビットとターゲットビットとの間の相互作用
を小さくすればよい。
When it is necessary to operate the control bit and the target bit independently, set "C1 = 0" and "C2 = 0" as described above, and set the control bit and the target bit to the same value. The interaction between them should be small.

【0191】そして、量子相関ゲート素子構造100に
よる演算後の量子ビットの状態を観測するには、可変コ
ンデンサ126の容量C3を「C3≠0」に設定すると
ともに、可変コンデンサ128の容量C4を「C4≠
0」に設定して、単電子トランジスタを用いることにな
る。なお、演算中は単電子トランジスタを用いず、「C
3=0」ならびに「C4=0」に設定されているものと
する。
Then, in order to observe the state of the qubit after the calculation by the quantum correlation gate device structure 100, the capacitance C3 of the variable capacitor 126 is set to "C3 ≠ 0" and the capacitance C4 of the variable capacitor 128 is "4." C4 ≠
Set to "0" to use a single electron transistor. In addition, the single electron transistor is not used during calculation, and “C
It is assumed that “3 = 0” and “C4 = 0” are set.

【0192】上記したように、第1量子ビット素子構造
102ならびに第2量子ビット素子構造104には、そ
れぞれ1個の電子しか存在しないので、1個の電子の電
荷を測定することが必要であり、これは既存のエレクト
ロメータでは不可能であるので、この実施の形態におい
ては、単電子トランジスタを用いるようにしている。
As described above, since only one electron exists in each of the first qubit device structure 102 and the second qubit device structure 104, it is necessary to measure the charge of one electron. Since this is not possible with the existing electrometer, a single electron transistor is used in this embodiment.

【0193】なお、本発明における量子相関ゲート素子
を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの準
位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係
は、上記した実施の形態に限定されるものではないこと
は勿論である。
The vertical relation of the levels of the quantum dots in each quantum bit device constituting the quantum correlation gate device in the present invention, in other words, the arrangement relation of each quantum dot is limited to the above-mentioned embodiment. Of course, it is not something.

【0194】即ち、図13に示すような配置関係に代え
て、図15に示すように、第1量子ビット素子構造10
2と第2量子ビット素子構造104とを、量子ドット1
08と量子ドット120とが対向し、かつ、量子ドット
112と量子ドット116とが対向するように上下2段
に配置するようにしてもよい。なお、図15において
は、第1量子ビット素子構造102が上段に配置され、
第2量子ビット素子構造104が下段に配置されてい
る。
That is, instead of the arrangement relationship shown in FIG. 13, as shown in FIG. 15, the first qubit device structure 10 is formed.
2 and the second qubit device structure 104, the quantum dot 1
08 and the quantum dots 120 may face each other, and the quantum dots 112 and the quantum dots 116 may face each other in two rows. In FIG. 15, the first qubit device structure 102 is arranged in the upper stage,
The second qubit device structure 104 is arranged in the lower stage.

【0195】そして、量子ドット108と量子ドット1
20とを、可変コンデンサ124を介して接続し、量子
ドット112と量子ドット116とを、可変コンデンサ
122を介して接続する。
Quantum dot 108 and quantum dot 1
20 is connected via the variable capacitor 124, and the quantum dots 112 and the quantum dots 116 are connected via the variable capacitor 122.

【0196】なお、図15示す量子相関ゲート素子構造
100においては、第1量子ビット素子構造102の量
子ドット108に、可変コンデンサ126を介して、第
1量子ビット素子構造102による第1ビットの状態を
検出するための単電子トランジスタが接続され、また、
第2量子ビット素子構造104の量子ドット120に、
可変コンデンサ128を介して、第2量子ビット素子構
造104による第2ビットの状態を検出するための単電
子トランジスタが接続されている。
In the quantum correlation gate device structure 100 shown in FIG. 15, the state of the first bit by the first qubit device structure 102 is connected to the quantum dot 108 of the first qubit device structure 102 via the variable capacitor 126. Is connected to a single-electron transistor for detecting
In the quantum dot 120 of the second qubit device structure 104,
A single-electron transistor for detecting the state of the second bit by the second qubit device structure 104 is connected via the variable capacitor 128.

【0197】従って、この図15に示す実施の形態おい
ては、エネルギーレベル状態図は図16に示すようにな
る。
Therefore, in the embodiment shown in FIG. 15, the energy level state diagram is as shown in FIG.

【0198】即ち、「C1≠0」および「C2≠0」の
場合には、図15に示す状態における第1量子ビット素
子構造102の量子準位106、110および第2量子
ビット素子構造104の量子準位114、118に関し
て、互いの電子が対角線上に存在しないとき(コントロ
ールビットの状態が|0>であり、かつ、ターゲットビ
ットの状態が|0>である場合およびコントロールビッ
トの状態が|1>であり、かつ、ターゲットビットの状
態が|1>である場合)には「C1=0」および「C2
=0」の場合と比べてエネルギーはほとんど変化しない
が、互いの電子が対角線上に存在するとき(コントロー
ルビットの状態が|0>であり、かつ、ターゲットビッ
トの状態が|1>である場合およびコントロールビット
の状態が|1>であり、かつ、ターゲットビットの状態
が|0>である場合)には「C1=0」および「C2=
0」の場合よりもエネルギーが上がることになる。その
差分を△Eとすると、「C1≠0」および「C2≠0」
の場合には、レベルAはほとんどそのままレベルA’に
なり、レベルBはレベルB’に上がり、レベルCはレベ
ルC’に上がり、レベルDはほとんどそのままレベル
D’になる。
That is, when “C1 ≠ 0” and “C2 ≠ 0”, the quantum levels 106 and 110 of the first qubit element structure 102 and the second qubit element structure 104 in the state shown in FIG. Regarding the quantum levels 114 and 118, when electrons of each other do not exist on the diagonal line (when the control bit state is | 0> and the target bit state is | 0> and the control bit state is | 1> and the state of the target bit is | 1>), “C1 = 0” and “C2
The energy does not change much as compared with the case of "= 0", but when the electrons of each other are present on the diagonal line (when the control bit state is | 0> and the target bit state is | 1>). And the control bit state is | 1> and the target bit state is | 0>), "C1 = 0" and "C2 =
The energy will be higher than in the case of "0". If the difference is ΔE, “C1 ≠ 0” and “C2 ≠ 0”
In the case of, the level A is almost unchanged to the level A ′, the level B is increased to the level B ′, the level C is increased to the level C ′, and the level D is almost unchanged to the level D ′.

【0199】従って、量子相関ゲート素子構造100に
対して、「E2−△E」のエネルギーをもつ電磁波をラ
ビ振動の半周期間照射することによって、コントロール
ビットが|1>のときだけ、ターゲットビットを反転す
ることができ、図1(b)に示す真理値表の動作を実現
することができる。
Therefore, by irradiating the quantum correlation gate device structure 100 with an electromagnetic wave having an energy of "E2-.DELTA.E" for a half cycle of the Rabi oscillation, the target bit is set only when the control bit is | 1>. It can be inverted, and the operation of the truth table shown in FIG. 1B can be realized.

【0200】つまり、本発明における量子相関ゲート素
子を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの
準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係
は、どのようでもかまわないが、ラビ振動の半周期間照
射する電磁波のエネルギーは、本発明における量子相関
ゲート素子を構成する各量子ビット素子における各量子
ドットの準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの
配置関係に応じて変化させる必要がある。
That is, the vertical relation of the level of each quantum dot in each quantum bit element constituting the quantum correlation gate element in the present invention, in other words, the arrangement relation of each quantum dot does not matter. The energy of the electromagnetic wave irradiated during the half cycle of the vibration changes depending on the upper and lower relations of the levels of each quantum dot in each quantum bit element constituting the quantum correlation gate element in the present invention, in other words, the arrangement relationship of each quantum dot. Need to let.

【0201】[0201]

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、GaN、InNあるいはAlNやInGa
N、AlGaNなどの窒化物半導体の量子ドットを位置
制御して形成することができるようになり、それにより
2つの窒化物半導体の量子ドットを極めて近接した位置
に制御して配置することが可能になり、例えば、量子ビ
ットならびに量子相関ゲートを実現することのできると
いう優れた効果を奏する。
Since the present invention is configured as described above, GaN, InN, AlN, or InGa.
Quantum dots of nitride semiconductors such as N and AlGaN can be formed by controlling the position, thereby enabling the quantum dots of two nitride semiconductors to be controlled and arranged in extremely close positions. Therefore, for example, it has an excellent effect that a qubit and a quantum correlation gate can be realized.

【0202】また、本発明は、以上説明したように構成
されているので、チューリング型の量子コンピュータに
おける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構
造を固体デバイスで提供することができるようになると
いう優れた効果を奏する。
Since the present invention is configured as described above, it is possible to provide a qubit device structure and a quantum correlation gate device structure in a Turing type quantum computer as a solid-state device. Produce the effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(a)は量子相関ゲートを概念的に示す説明図
であり、(b)は量子相関ゲートの概念的な真理値表で
ある。
FIG. 1A is an explanatory diagram conceptually showing a quantum correlation gate, and FIG. 1B is a conceptual truth table of the quantum correlation gate.

【図2】位置制御された液滴エピタキシーにより窒化物
半導体の量子ドットを形成するためのプロセスを示す説
明図であり、(a)は「基板」を示し、(b)は「金属
液滴の形成」を示し、(c)は「窒化(半導体化)」を
示し、(d)は「熱処理(高品質化)」を示す。
FIG. 2 is an explanatory view showing a process for forming a quantum dot of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy, in which (a) shows a “substrate” and (b) shows “metal droplets”. "Formation", (c) indicates "nitriding (semiconductorization)", and (d) indicates "heat treatment (high quality)".

【図3】電子ビーム照射による基板表面の改質の原理の
説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a principle of modifying a substrate surface by electron beam irradiation.

【図4】As膜を堆積したCaF上への電子ビームの
照射と自然形成法によるGaの金属液滴の位置制御の処
理の概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram of a process of irradiating an electron beam onto CaF 2 on which an As film has been deposited and a position control of a Ga metal droplet by a natural formation method.

【図5】図4(a)(b)(c)に示す実験の結果の走
査型顕微鏡写真であり、Ga液滴の間隔を150nmと
し、電子ビームの照射量を0.4pC/dotとして、
二次元的にスポット露光した結果を示している。
5A and 5B are scanning micrographs of the results of the experiments shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, in which the Ga droplet interval is 150 nm, the electron beam irradiation amount is 0.4 pC / dot, and FIG.
The result of two-dimensional spot exposure is shown.

【図6】真空中でのCaF上への電子ビームの照射と
自然形成法によるGaの金属液滴2の位置制御の処理の
概念図である。
FIG. 6 is a conceptual diagram of a process of irradiating an electron beam on CaF 2 in a vacuum and a position control of a Ga metal droplet 2 by a natural forming method.

【図7】図6(a)(b)(c)に示す実験の結果の走
査型顕微鏡写真であり、(a)はGa液滴の間隔を20
nmとし、電子ビームの照射量を5pC/dotとして
一次元的にスポット露光した結果を示し、(b)はGa
液滴の間隔を17nmとし、電子ビームの照射量を5p
C/dotとして一次元的にスポット露光した結果を示
し、(c)はGa液滴の間隔を14nmとし、電子ビー
ムの照射量を5pC/dotとし一次元的にスポット露
光した結果を示している。
7A and 7B are scanning micrographs of the results of the experiment shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, in which FIG.
and the electron beam irradiation amount is 5 pC / dot and the result of one-dimensional spot exposure is shown.
Droplet spacing is 17 nm and electron beam irradiation dose is 5 p
The result of one-dimensional spot exposure is shown as C / dot, and (c) shows the result of one-dimensional spot exposure with a Ga droplet interval of 14 nm and an electron beam irradiation amount of 5 pC / dot. .

【図8】Alの核形成を用いるAl/Gaの二段階堆積
法の説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a two-step deposition method of Al / Ga using nucleation of Al.

【図9】本願出願人の実験によって得られたGaN量子
ドットを示し、(a)は基板の温度を最終的には600
℃まで昇温した際に得られたGaN量子ドットの表面の
AFMの写真であり、(b)は(a)に示されたGaN
量子ドットの断面図である。
FIG. 9 shows a GaN quantum dot obtained by the applicant's experiment, (a) shows the temperature of the substrate at 600 finally.
It is a photograph of the AFM of the surface of the GaN quantum dot obtained when it heated up to 0 degreeC, (b) is the GaN shown by (a).
It is sectional drawing of a quantum dot.

【図10】室温における図9(a)に示すGaN量子ド
ットのPLスペクトルを示すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing a PL spectrum of the GaN quantum dots shown in FIG. 9 (a) at room temperature.

【図11】(a)は図9(a)に示すGaN量子ドット
を1000℃で熱処理する前(before)と熱処理
した後(after)とのPLスペクトルを示すグラフ
であり、(b)は300nmの厚さのGaN膜と図9
(a)に示すGaN量子ドットを1000℃で熱処理し
た後のGaN量子ドットとの77KにおけるPLスペク
トルを示すグラフである。
11A is a graph showing PL spectra of the GaN quantum dots shown in FIG. 9A before (before) and after (1000) heat treatment at 1000 ° C., and (b) of 300 nm. Thickness of GaN film and FIG.
It is a graph which shows the PL spectrum in 77K with GaN quantum dots after heat-processing the GaN quantum dot shown to (a) at 1000 degreeC.

【図12】本発明による量子コンピュータにおける量子
ビット素子構造の実施の形態の一例を示す概念構成説明
図である。
FIG. 12 is a conceptual configuration explanatory diagram showing an example of an embodiment of a qubit device structure in a quantum computer according to the present invention.

【図13】本発明による量子コンピュータにおける量子
相関ゲート素子構造の実施の形態の一例の概念構成説明
図である。
FIG. 13 is a conceptual configuration explanatory diagram of an example of an embodiment of a quantum correlation gate device structure in a quantum computer according to the present invention.

【図14】図13に示す量子相関ゲート素子構造に関し
て、量子相関ゲートの作用前の状態における、第1量子
ビット素子構造の電子のエネルギーと第2量子ビット素
子構造の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギー
レベル状態図である。
14 is a total value of energy of electrons of the first qubit device structure and energy of electrons of the second qubit device structure in a state before the action of the quantum correlation gate in the quantum correlation gate device structure shown in FIG. 13; It is an energy level state diagram showing.

【図15】本発明による量子コンピュータにおける量子
相関ゲート素子構造の他の実施の形態の一例の概念構成
説明図である。
FIG. 15 is a conceptual configuration explanatory diagram of an example of another embodiment of the quantum correlation gate device structure in the quantum computer according to the present invention.

【図16】図15に示す量子相関ゲート素子構造に関し
て、量子相関ゲートの作用前の状態における、第1量子
ビット素子構造の電子のエネルギーと第2量子ビット素
子構造の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギー
レベル状態図である。
16 is a total value of electron energy of the first qubit element structure and electron energy of the second qubit element structure in the state before the action of the quantum correlation gate in the quantum correlation gate element structure shown in FIG. It is an energy level state diagram showing.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 金属液滴 4 窒化物半導体の量子ドット 10 量子ビット素子構造 12、14、108、112、116、120 量子
ドット 16、18、106、110、114、118 量子
準位 100 量子相関ゲート素子構造 102 第1量子ビット素子構造 104 第2量子ビット素子構造 122、124、126、128 可変コンデンサ
1 substrate 2 metal droplet 4 nitride semiconductor quantum dot 10 quantum bit device structure 12, 14, 108, 112, 116, 120 quantum dot 16, 18, 106, 110, 114, 118 quantum level 100 quantum correlation gate device Structure 102 First qubit device structure 104 Second qubit device structure 122, 124, 126, 128 Variable capacitor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−63305(JP,A) 特開 平4−179220(JP,A) 特開 平4−245620(JP,A) 特開 平11−330551(JP,A) 国際公開97/11518(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 29/06 H01S 5/00 - 5/50 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) References JP-A-5-63305 (JP, A) JP-A-4-179220 (JP, A) JP-A-4-245620 (JP, A) JP-A 11- 330551 (JP, A) International Publication 97/11518 (WO, A1) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 29/06 H01S 5/00-5 / 50

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 位置制御された液滴エピタキシーによる
窒化物半導体の量子ドットの形成方法であって、 金属原料の表面エネルギーよりも低い表面エネルギーを
持つ該基板の表面に、外部場を加えることによって該基
板の該表面状態を変調して該表面を改質する第一の処理
と、 前記第一の処理により前記表面を改質された前記基板に
前記金属原料を供給し、前記表面の改質された場所に結
晶成長により金属液滴を形成する第二の処理と、 前記第二の処理により前記金属液滴を形成された前記基
板上に窒素ソースを供給し、前記金属液滴を窒化して窒
化物半導体の量子ドットを形成する第三の処理とを有す
る位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体
の量子ドットの形成方法。
1. A method for forming a quantum dot of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy, which comprises applying an external field to the surface of the substrate having a surface energy lower than that of a metal raw material. A first treatment for modifying the surface state of the substrate to modify the surface; and the metal raw material supplied to the substrate whose surface has been modified by the first treatment to modify the surface. A second treatment for forming metal droplets by crystal growth at a designated location, and a nitrogen source is supplied onto the substrate on which the metal droplets have been formed by the second treatment to nitride the metal droplets. Forming a nitride semiconductor quantum dot by means of a third process, and a method of forming a nitride semiconductor quantum dot by position controlled droplet epitaxy.
【請求項2】 請求項1に記載の位置制御された液滴エ
ピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法
において、さらに、 前記第三の処理により形成された窒化物半導体の量子ド
ットを、所定の温度で所定の時間だけ熱処理する第四の
処理とを有する位置制御された液滴エピタキシーによる
窒化物半導体の量子ドットの形成方法。
2. The method for forming a nitride semiconductor quantum dot by position-controlled droplet epitaxy according to claim 1, further comprising a nitride semiconductor quantum dot formed by the third process, Forming a nitride semiconductor quantum dot by position-controlled droplet epitaxy, including a fourth treatment in which the heat treatment is performed at a temperature of a predetermined time.
【請求項3】 請求項1または請求項2のいずれか1項
に記載の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物
半導体の量子ドットの形成方法において、 前記第三の処理は、低温で前記金属液滴を形成された前
記基板に窒素ソースを供給し始めて前記金属液滴の表面
のみを窒化させ、その後に窒化中に温度を上げて結晶化
を促進するものである位置制御された液滴エピタキシー
による窒化物半導体の量子ドットの形成方法。
3. The method for forming a quantum dot of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to claim 1 or 2, wherein the third treatment is performed at a low temperature with the metal. Position controlled droplet epitaxy, which starts supplying a nitrogen source to the substrate on which droplets are formed to nitrid only the surface of the metal droplets, and then raises the temperature during nitriding to promote crystallization. Of forming nitride semiconductor quantum dots according to.
【請求項4】 請求項3に記載の位置制御された位置制
御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ド
ットの形成方法において、 前記第三の処理は、低温で前記金属液滴を形成された前
記基板に窒素ソースを供給し始めて前記金属液滴の表面
のみを窒化させ、その後に窒化中に温度を上げて結晶化
を促進する際に、外部場を加えて結晶化を促進するもの
である位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半
導体の量子ドットの形成方法。
4. The method for forming a quantum dot of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to claim 3, wherein the third treatment forms the metal droplet at a low temperature. In addition, when a nitrogen source is started to be supplied to the substrate and only the surface of the metal droplets is nitrided, and then the temperature is raised during nitriding to promote crystallization, an external field is added to promote crystallization. Method for forming quantum dots in nitride semiconductors by position-controlled droplet epitaxy.
【請求項5】 請求項1または請求項2のいずれか1項
に記載の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物
半導体の量子ドットの形成方法において、 前記第三の処理は、低温で前記金属液滴を形成された前
記基板に窒素ソースを供給し始めて前記金属液滴の表面
のみを窒化させ、その後に窒化中に低温のままで外部場
を加えて結晶化を促進するものである位置制御された液
滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成
方法。
5. The method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to claim 1, wherein the third treatment is performed at a low temperature with the metal. Position control for promoting crystallization by starting to supply a nitrogen source to the substrate on which droplets have been formed, nitriding only the surface of the metal droplets, and then adding an external field at low temperature during nitriding. For forming nitride semiconductor quantum dots by controlled droplet epitaxy.
【請求項6】 請求項2、請求項3、請求項4または請
求項5のいずれか1項に記載の位置制御された液滴エピ
タキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法に
おいて、 前記第四の処理は、熱処理する外部場を加えるものであ
る位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体
の量子ドットの形成方法。
6. The method for forming a quantum dot of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to claim 2, claim 3, claim 4, or claim 5, Is a method of forming nitride semiconductor quantum dots by position-controlled droplet epitaxy, in which an external field for heat treatment is applied.
【請求項7】 請求項1、請求項2、請求項3、請求項
4、請求項5または請求項6のいずれか1項に記載の位
置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量
子ドットの形成方法において、 前記外部場は、光、電子、イオンまたはラジカル、ある
いはそれらの組み合わせであるものである位置制御され
た液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの
形成方法。
7. Nitride semiconductor quantum dots by position-controlled droplet epitaxy according to claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5 or claim 6. The method of forming a nitride semiconductor quantum dot by position-controlled droplet epitaxy, wherein the external field is light, electrons, ions or radicals, or a combination thereof.
【請求項8】 請求項1、請求項2、請求項3、請求項
4、請求項5、請求項6または請求項7のいずれか1項
に記載の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物
半導体の量子ドットの形成方法において、 前記金属原料は、III族の金属であるものである位置
制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子
ドットの形成方法。
8. A nitride by position-controlled droplet epitaxy according to claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6 or claim 7. In the method for forming a semiconductor quantum dot, the metal raw material is a group III metal, and a method for forming a quantum semiconductor nitride dot by position-controlled droplet epitaxy.
【請求項9】 請求項1、請求項2、請求項3、請求項
4、請求項5、請求項6、請求項7または請求項8のい
ずれか1項に記載の位置制御された液滴エピタキシーに
よる窒化物半導体の量子ドットの形成方法において、 前記基板は、サファイア基板、炭化シリコン基板、石英
基板、窒化ガリウム基板またはフッ化カルシウム基板で
あるものである位置制御された液滴エピタキシーによる
窒化物半導体の量子ドットの形成方法。
9. The position-controlled droplet according to claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7, or claim 8. In the method for forming a quantum dot of a nitride semiconductor by epitaxy, the substrate is a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, a quartz substrate, a gallium nitride substrate or a calcium fluoride substrate, and the nitride by position controlled droplet epitaxy Method for forming semiconductor quantum dots.
【請求項10】 請求項1、請求項2、請求項3、請求
項4、請求項5、請求項6、請求項7、請求項8または
請求項9のいずれか1項に記載の位置制御された液滴エ
ピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法
において、 前記窒素ソースは、窒素、窒素ラジカル、アンモニアま
たはアンモニアラジカルであるものである位置制御され
た液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの
形成方法。
10. The position control according to claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7, claim 8 or claim 9. In the method for forming a nitride semiconductor quantum dot by droplet epitaxy, the nitrogen source is nitrogen, a nitrogen radical, ammonia, or an ammonia radical. Forming method.
【請求項11】 第1の量子準位をもつ第1の量子ドッ
トと、 前記第1の量子準位とは異なる第2の量子準位をもつ第
2の量子ドットとを有し、 トンネル効果により前記第1の量子ドットと前記第2の
量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、前
記第1の量子ドットと前記第2の量子ドットとを近接し
て配置し、 さらに、電子が1個だけ存在するようにしたものである
量子コンピュータにおける量子ビット素子構造におい
て、 前記第1の量子ドットおよび前記第2の量子ドットは、
請求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5、
請求項6、請求項7、請求項8、請求項9または請求項
10のいずれか1項に記載の位置制御された液滴エピタ
キシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法にお
いて形成されたものである量子コンピュータにおける量
子ビット素子構造。
11. A tunnel effect, comprising: a first quantum dot having a first quantum level; and a second quantum dot having a second quantum level different from the first quantum level. The first quantum dot and the second quantum dot are arranged in close proximity to each other so that electrons can freely move between the first quantum dot and the second quantum dot. In a quantum bit device structure in a quantum computer in which only one electron exists, the first quantum dot and the second quantum dot are:
Claim 1, Claim 2, Claim 3, Claim 4, Claim 5,
It is formed in the method for forming quantum dots of a nitride semiconductor by position-controlled droplet epitaxy according to claim 6, claim 7, claim 8, claim 9, or claim 10. Qubit device structure in a quantum computer.
【請求項12】 第1の量子準位をもつ第1の量子ドッ
トと、前記第1の量子準位より下の第2の量子準位をも
つ第2の量子ドットとを有し、トンネル効果により前記
第1の量子ドットと前記第2の量子ドットとの間を電子
が自由に移動可能なように、前記第1の量子ドットと前
記第2の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子
が1個だけ存在するようにした第1の量子ビット素子構
造と、 第3の量子準位をもつ第3の量子ドットと、前記第3の
量子準位より下の第4の量子準位をもつ第4の量子ドッ
トとを有し、トンネル効果により前記第3の量子ドット
と前記第4の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能
なように、前記第3の量子ドットと前記第4の量子ドッ
トとを近接して配置し、さらに、電子が1個だけ存在す
るようにした第2の量子ビット素子構造とを有し、 前記第1のビット素子構造と前記第2のビット素子構造
とを、前記第1の量子ドットと前記第3の量子ドットと
が対向するとともに、前記第2の量子ドットと前記第4
の量子ドットとが対向するように配置し、 前記第1の量子ドットと前記第3の量子ドットとが電気
的に接続され、 前記第2の量子ドットと前記第4の量子ドットとが電気
的に接続され、 さらに、前記第1の量子準位と前記第2の量子準位との
準位差と、前記第3の量子準位と前記第4の量子準位と
の準位差とが異なるように設定されたものである量子コ
ンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、 前記第1の量子ドット、前記第2の量子ドット、前記第
3の量子ドットおよび前記第4の量子ドットは、請求項
1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5、請求項
6、請求項7、請求項8、請求項9または請求項10の
いずれか1項に記載の位置制御された液滴エピタキシー
による窒化物半導体の量子ドットの形成方法において形
成されたものである量子コンピュータにおける量子相関
ゲート素子構造。
12. A tunnel effect having a first quantum dot having a first quantum level and a second quantum dot having a second quantum level below the first quantum level. The first quantum dot and the second quantum dot are arranged in close proximity to each other so that electrons can freely move between the first quantum dot and the second quantum dot. , A first qubit device structure in which only one electron is present, a third quantum dot having a third quantum level, and a fourth quantum level below the third quantum level. A fourth quantum dot having a position, and the third quantum dot so that electrons can freely move between the third quantum dot and the fourth quantum dot by a tunnel effect. The fourth quantum dot and the fourth quantum dot are arranged in close proximity to each other so that only one electron exists. A second qubit element structure, the first bit element structure and the second bit element structure, the first quantum dot and the third quantum dot are opposed to each other, and The second quantum dot and the fourth
The first quantum dot and the third quantum dot are electrically connected to each other, and the second quantum dot and the fourth quantum dot are electrically connected to each other. And a level difference between the first quantum level and the second quantum level and a level difference between the third quantum level and the fourth quantum level. A quantum correlation gate device structure in a quantum computer that is set differently, wherein the first quantum dot, the second quantum dot, the third quantum dot, and the fourth quantum dot are: The position-controlled liquid according to claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7, claim 8, claim 9, or claim 10. In the formation method of nitride semiconductor quantum dots by droplet epitaxy Quantum correlation gate device structure in the formed quantum computer.
【請求項13】 請求項12に記載の量子コンピュータ
における量子相関ゲート素子構造において、 前記第1の量子ドットと前記第3の量子ドットとは、第
1の可変コンデンサを介して容量的に接続され、 前記第2の量子ドットと前記第4の量子ドットとは、第
2の可変コンデンサを介して容量的に接続されたもので
ある量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構
造。
13. The quantum correlation gate device structure in the quantum computer according to claim 12, wherein the first quantum dot and the third quantum dot are capacitively connected via a first variable capacitor. A quantum correlation gate device structure in a quantum computer in which the second quantum dot and the fourth quantum dot are capacitively connected via a second variable capacitor.
【請求項14】 第1の量子準位をもつ第1の量子ドッ
トと、前記第1の量子準位より下の第2の量子準位をも
つ第2の量子ドットとを有し、トンネル効果により前記
第1の量子ドットと前記第2の量子ドットとの間を電子
が自由に移動可能なように、前記第1の量子ドットと前
記第2の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子
が1個だけ存在するようにした第1の量子ビット素子構
造と、 第3の量子準位をもつ第3の量子ドットと、前記第3の
量子準位より下の第4の量子準位をもつ第4の量子ドッ
トとを有し、トンネル効果により前記第3の量子ドット
と前記第4の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能
なように、前記第3の量子ドットと前記第4の量子ドッ
トとを近接して配置し、さらに、電子が1個だけ存在す
るようにした第2の量子ビット素子構造とを有し、 前記第1のビット素子構造と前記第2のビット素子構造
とを、前記第1の量子ドットと前記第4の量子ドットと
が対向するとともに、前記第2の量子ドットと前記第3
の量子ドットとが対向するように配置し、 前記第1の量子ドットと前記第4の量子ドットとが電気
的に接続され、 前記第2の量子ドットと前記第3の量子ドットとが電気
的に接続され、 さらに、前記第1の量子準位と前記第2の量子準位との
準位差と、前記第3の量子準位と前記第4の量子準位と
の準位差とが異なるように設定されたものである量子コ
ンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、 前記第1の量子ドット、前記第2の量子ドット、前記第
3の量子ドットおよび前記第4の量子ドットは、請求項
1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5、請求項
6、請求項7、請求項8、請求項9または請求項10の
いずれか1項に記載の位置制御された液滴エピタキシー
による窒化物半導体の量子ドットの形成方法において形
成されたものである量子コンピュータにおける量子相関
ゲート素子構造。
14. A tunnel effect having a first quantum dot having a first quantum level and a second quantum dot having a second quantum level below the first quantum level. The first quantum dot and the second quantum dot are arranged in close proximity to each other so that electrons can freely move between the first quantum dot and the second quantum dot. , A first qubit device structure in which only one electron is present, a third quantum dot having a third quantum level, and a fourth quantum level below the third quantum level. A fourth quantum dot having a position, and the third quantum dot so that electrons can freely move between the third quantum dot and the fourth quantum dot by a tunnel effect. The fourth quantum dot and the fourth quantum dot are arranged in close proximity to each other so that only one electron exists. A second qubit element structure, wherein the first bit element structure and the second bit element structure face the first quantum dot and the fourth quantum dot, and The second quantum dot and the third
The first quantum dot and the fourth quantum dot are electrically connected to each other, and the second quantum dot and the third quantum dot are electrically connected to each other. And a level difference between the first quantum level and the second quantum level and a level difference between the third quantum level and the fourth quantum level. A quantum correlation gate device structure in a quantum computer that is set differently, wherein the first quantum dot, the second quantum dot, the third quantum dot, and the fourth quantum dot are: The position-controlled liquid according to claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7, claim 8, claim 9, or claim 10. In the formation method of nitride semiconductor quantum dots by droplet epitaxy Quantum correlation gate device structure in the formed quantum computer.
【請求項15】 請求項14に記載の量子コンピュータ
における量子相関ゲート素子構造において、 前記第1の量子ドットと前記第4の量子ドットとは、第
1の可変コンデンサを介して容量的に接続され、 前記第2の量子ドットと前記第3の量子ドットとは、第
2の可変コンデンサを介して容量的に接続されたもので
ある量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構
造。
15. The quantum correlation gate device structure in the quantum computer according to claim 14, wherein the first quantum dot and the fourth quantum dot are capacitively connected via a first variable capacitor. A quantum correlation gate device structure in a quantum computer in which the second quantum dot and the third quantum dot are capacitively connected via a second variable capacitor.
【請求項16】 請求項12、請求項13、請求項14
または請求項15のいずれか1項に記載の量子コンピュ
ータにおける量子相関ゲート素子構造において、 前記第1の量子ビット素子構造は、第3の可変コンデン
サを介して第1の単電子トランジスタに接続され、 前記第4の量子ビット素子構造は、第4の可変コンデン
サを介して第2の単電子トランジスタに接続されたもの
である量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構
造。
16. Claims 12, 13, and 14
Alternatively, in the quantum correlation gate device structure in the quantum computer according to claim 15, the first qubit device structure is connected to the first single-electron transistor via a third variable capacitor, The quantum correlation gate device structure in a quantum computer, wherein the fourth qubit device structure is connected to a second single-electron transistor via a fourth variable capacitor.
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