JP3707811B2 - Quantum effect device and manufacturing method thereof - Google Patents

Quantum effect device and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP3707811B2
JP3707811B2 JP23083794A JP23083794A JP3707811B2 JP 3707811 B2 JP3707811 B2 JP 3707811B2 JP 23083794 A JP23083794 A JP 23083794A JP 23083794 A JP23083794 A JP 23083794A JP 3707811 B2 JP3707811 B2 JP 3707811B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum
semiconductor
region
type
porous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP23083794A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0897398A (en
Inventor
利 張
忠司 酒井
健聡 鈴木
茂樹 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP23083794A priority Critical patent/JP3707811B2/en
Priority to US08/533,744 priority patent/US5710436A/en
Publication of JPH0897398A publication Critical patent/JPH0897398A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3707811B2 publication Critical patent/JP3707811B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体量子細線及び量子ドットを用いた量子効果装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年100ナノメータ(nm)以下の幅を有する細線やドット状の領域に電子を閉じ込め、この1次元或いは0次元領域の中での電子の動きを制御する装置、いわゆる量子効果装置に対する関心が高まってきている。このような量子効果装置では電子の量子力学的波長と同程度の寸法の極微構造を半導体基板上に形成し、電子の波動性やトンネル効果等を制御して従来のデバイスでは見られない高性能化や多機能化を期待できるものである。
【0003】
従来電子を1次元的に閉じ込める量子細線や0次元的に閉じ込める量子ドットを基板面内に形成するには、EB法、RIE法などの微細加工技術が利用されているが、数十nm程度の間隔をもつ細線またはドットを形成することは容易ではない。これまで主に量子細線及び量子ドット材料として用いられているIII −V族GaAs/AlGaAs系などにおいては電子線露光、X線露光などの微細パターン描画技術とドライエッチングとを組み合せる方法が用いられている。
【0004】
しかし、これらの方法ではパターン転写に露光、現像、エッチング、レジスト剥離などのプロセスを経るため線幅の制御性の低下が懸念される。また、エッチング時のイオン衝撃による基板ダメージなどの問題もあり、エッチング工程のない加工技術が望まれる。
【0005】
そこで有力な候補としてFIB(Focused Ion Beam)法が挙げられる。FIBによる加工技術は、高輝度のイオンビームを極めて細く焦点させることができるので、基板上に照射することによって微細パターンを形成できるという特徴をもっており、微細パターン加工技術として注目されている。特にFIBをイオン注入として使用し、FIBを照射した領域を不純物ドーピング導電層として利用する方法が知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したFIB法を用いて不純物ドーピングにより高抵抗化し量子ポテンシャル障壁層を形成する場合、そのイオンエネルギが高い(通常20KeV〜100KeV)ために、基板に与えるダメージが問題視されている。
【0007】
また不純物ドーピングによって局所的にpn接合などの電気的ポテンシャル層を形成しこのpnジャンクションを量子ポテンシャル障壁として用いる方法が知られているが、pn接合による量子ポテンシャル障壁では障壁の高さが低くなだらかであり、量子効果を呈するには電子の閉じ込め効果が十分でない。
【0008】
更に上記の方法では量子ポテンシャル障壁の高さが低くなだらかであるので、障壁の厚さや高さを調整することが極めて困難であった。
本発明は上記した問題を解決するために成されたものであり、基板にダメージを与えることなく基板上に量子細線や量子ドットを形成し、信頼性の高い量子効果装置を提供することを目的とする。
【0009】
また本発明は、極めて急峻な量子ポテンシャル障壁を有する量子細線や量子ドットを具備する量子効果装置を提供することを目的とする。
更に本発明は、量子細線や量子ドットの厚さの制御性に優れ、自由に量子ポテンシャル障壁の高さや幅を制御できる量子効果装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【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による量子効果装置は、基板と、この基板上に選択的に形成され、電子を閉じ込める複数の半導体領域とこれらの複数の半導体領域を分離する多孔質半導体からなる多孔質半導体領域とを有する複数のセル領域と、これらの複数のセル領域を分離し、前記多孔質半導体よりもバンドギャップが広い障壁層と、を備えたことを特徴とするものである。
【0012】
また本発明による量子効果装置は、第1導電型の半導体層に第2導電型の不純物をドーピングすることにより、量子効果を呈する程に微細に形成された複数のn型半導体領域と、このn型半導体領域を分離するp型半導体領域と、による超格子を形成する工程と、選択的な多孔質化処理により、p型半導体領域を多孔質半導体領域に変換する工程と、選択的な酸化処理により、多孔質半導体領域から多孔質半導体酸化物領域を形成し、n型半導体領域における多孔質半導体酸化物領域との界面領域に半導体酸化膜を形成する工程と、を具備することを特徴とするものである。
【0013】
より具体的には、先ずシリコン等の半導体層にFIB等のイオン注入により不純物ドーピングを施すことによりpn接合の領域を量子効果を呈するサイズにパターニングする。次に陽極酸化等によりp型領域を選択的に多孔質化することにより、極微細ポテンシャル障壁として、バンドギャップの広い多孔質半導体層を形成する。これによりn型領域がバンドギャップの広い多孔質半導体層で囲まれた構造を得ることができる。すなわち電子がn型領域に閉じ込められる量子細線または量子ドット構造を形成することができる。
【0014】
また、量子細線または量子ドットをそれぞれ物理的相互作用が生じる程度に近接させることにより極微なポテンシャル障壁が形成され表面超格子構造を形成することができる。
【0015】
多孔質半導体を用いた障壁の高さは絶縁物によるものに比べて比較的低いため、量子細線またはドット間の相互作用がより顕著となり、表面超格子特性がより容易に観測できる。
【0016】
また選択的にp型領域を多孔質化した後熱酸化等を施すことにより、先ず多孔質化半導体が酸化され、更に酸化をし続けると電子が閉じ込められるn型領域が界面から酸化され始める。従って電子が閉じ込められるn型領域と、このn型領域を囲む半導体酸化膜と、この半導体酸化膜を囲む多孔質半導体酸化膜からなる構造が形成される。半導体酸化膜のバンドギャップは多孔質半導体酸化膜のそれよりも大きなものであり、より急峻な量子ポテンシャル障壁を形成するので、量子閉じ込め特性が向上し、ノイズに強い安定した量子細線または量子ドットを形成することができる。
【0017】
更に、熱酸化においては熱酸化時間等を調節することによって前記半導体酸化膜厚を制御することができるので、量子細線または量子ドットのサイズを所望の値に制御することができる。従って、量子ポテンシャル障壁の高さを自由に設計することが可能となり幅広い応用範囲を有する量子効果装置を提供することができる。
【0018】
このとき半導体基板とは少なくとも表面に半導体層が形成されているものをさし、基板全体が半導体材料からなるものでも良いし、絶縁基体の表面に半導体膜が形成されているものでも良い。
【0019】
本発明の望ましい実施形態として、次のものが挙げられる。
(1)基板としては、p型半導体基板またはAl23 、SiO2 等の絶縁膜基板を用いることができる。p型基板の場合は、P、As等のn型の不純物をイオン注入によりドーピングし、p型領域に囲まれたn型領域を量子効果を呈する程度のサイズで、細線状またはドット状に描画する。また絶縁体基板の場合には、絶縁体基板上にp型(n型)半導体層を直接接着技術またはMOCVD法等の積層技術により10nm程度の薄膜を成膜し、このp型(n型)半導体層中にn型(p型)不純物をイオン注入することにより量子効果を呈する程度のサイズの細線やドットをパターニングする。
(2)量子細線または量子ドットのパターニングの方法としては、不純物ドーピングによるpn接合が形成できる技術であれば用いることができる。具体的には、FIB法等による直接集束イオン注入が好ましいが、パターニングしマスクを用いることによるイオン注入技術等も用いることができる。
【0020】
本発明に用いるイオンドーピングは比較的低エネルギーで良く例えば5KeV〜20KeV程度で良いので、基板に与えるダメージを抑えることができる。
(3)p型半導体層を選択的に多孔質化する方法は、陽極化成の他に、選択的反応が起こる方法であれば制限なく用いることができる。具体的には、電気化学反応の陽極酸化法、ドライエッチング等を用いることができる。
(4)酸化膜からなる障壁層の形成技術においては、熱酸化の他に選択的に多孔質半導体を絶縁化できれば制限なく用いられる。具体的には、熱酸化の代わりにウェット酸化等が挙げられる。また酸化膜の代わりにNH3 雰囲気中で多孔質半導体を窒化し、多孔質の窒化膜を障壁層として用いることもできる。また、 CH4 雰囲気中で多孔質半導体を炭化しSiC膜を障壁層として用いることもできる。
【0021】
【作用】
多孔質半導体を量子ポテンシャル障壁として量子細線または量子ドットアレイを形成することによって、急峻な量子ポテンシャル障壁を有する量子効果装置を提供できる。
【0022】
また、本発明ではp領域を選択的に多孔質化して量子ポテンシャル障壁を得ているので、レジスト、マスクなどのパターニング技術では避けられないパターン転写による線幅の制御性の低下が解決され、レジストレス、マスクレスのパターニングプロセスが実現でき、プロセスの簡略化及び線幅の制御性を大幅に向上することができる。
【0023】
更に、n領域と多孔質半導体との界面に形成する酸化膜等の絶縁膜からなるポテンシャル障壁を形成できるので、より急峻な量子ポテンシャル障壁を実現できる。このとき酸化膜を熱酸化によりその幅を容易に制御できることにより、量子細線または量子ドットの寸法を自由に調整することができる。
【0024】
【実施例】
以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
(実施例1)
図1は本発明の実施例1に係る多孔質シリコンをポテンシャル障壁とした量子細線アレイの工程図及び断面構造図を示す。以下、図1を参照しながら作製工程に従い説明する。
【0025】
先ず、図1(a)に示すように、通常の半導体ウェハーの標準洗浄により表面処理したp型不純物シリコン(p−Si) 基板1(体積抵抗率10cm・Ω)を用意する。
【0026】
次に、図1(b)に示すように低エネルギー(≦20KeV)のFIBイオン注入により高濃度(1020cm-3)のリン(P)不純物をドーピングすることによって、p型領域内にn型領域の細線2を形成する。FIBのビーム径は数nmであり、形成されたn型細線2の幅もおおよそ10nmである。また、細線と細線の間の間隔は目的に応じて自由に変えることができる。
【0027】
次に、図1(c)に示すように試料をフッ酸溶液(HF:C25 OH=2:3)中に浸漬し、Xeランプ照射(強度1mW)により光化成を行う。
このようにしてp型領域は陽極として選択的にエッチングされ、バンドギャップの広い多孔質シリコン層3に変質する。このときn型細線2はエッチングされずに量子細線となり、多孔質シリコン層3は量子閉じ込めバリア(量子ポテンシャル障壁)として働く。また、p型領域が十分薄い場合、すなわちn型細線2の間隔が十分に細かい場合、図2に示したようなバンド図をもつ表面超格子構造が形成される。
【0028】
実施例1により、パターンの転写、露光、現像などのプロセスを用いることのない手法で、線幅の制御性のよい量子細線アレイが実現できる。また極微なポテンシャル障壁層の多孔質シリコンの形成により、量子細線間の相互作用を特徴とする表面超格子構造が実現できる。量子ポテンシャル障壁として多孔質シリコンを用いているので、n型領域との界面で急峻なポテンシャル障壁を形成できる。上記基板を用いて例えば量子細線超格子、量子細線FET、高電子移動度量子細線デバイス、量子細線発光デバイス等の量子効果装置を形成することができる。
【0029】
また、本実施例ではFIBのエネルギーが低いので基板に与えるダメージは少なく良好な量子効果を期待できる
(実施例2)
本実施例では実施例1と同様に量子細線を形成するが、基板として絶縁基体上に半導体膜が形成されたものを用いた。図3により本実施例の工程を説明する。
【0030】
先ず、図3(a)に示すように絶縁性のAl23 基板4の上にCVD法により膜厚10nm程度のn型シリコン単結晶層5を積層する。このときの条件は SiH2 Cl2 ガスを用い、基板温度は300℃とした。
【0031】
次に、図3(b)に示すようにFIBイオン注入によりボロン(B)をドーピングしp型細線5’を形成する。ビームの加速電圧は20KeV、ビーム直径10nmとした。
【0032】
このときp型領域の細線5’の幅及びn型領域の細線6の幅を共に10nmとなるようにイオン注入を行う。
次に、図3(c)に示すように実施例1と同様な条件でp型領域を選択的に多孔質化しバンドギャップの広い多孔質シリコン層6を形成する。これによってn型のシリコン量子細線5’が多孔質シリコンの障壁6で挟まれる量子細線アレイを得ることができる。このようにして形成された量子細線はCVD法により膜厚方向の制御を行うことができるので、本発明の面内方向の制御性と合わせると3次元的に制御可能となりより好ましい。
(実施例3)
本実施例では実施例2とほぼ同様なプロセスを用いて、量子ドットのアレイを形成する。図4により本実施例の工程を説明する。
【0033】
先ず、図4(a)に示すようにCVD法(SiH2 Cl2 ガス、基板温度300℃)によりSiO2 基板7上にn型シリコン薄膜8(膜厚10nm)を積層する。
【0034】
次に、図4(b)に示すように実施例2と同様な条件で、FIBイオン注入によりボロン(B)をパターニングしマトリックス状にp型細線パターン9を形成し、n型ドット9’を形成する。このときn型ドット9’の各辺及び間隔は10nmとする。
【0035】
次に、図4(c)に示すように実施例1と同様な条件で陽極化成により、p型領域を選択的に多孔質化させ、バンドギャップの広い多孔質シリコン層10を形成する。
【0036】
このようにしてn型シリコン領域8’に量子ポテンシャル障壁として多孔質シリコン層10が形成された量子ドットアレイが形成される。
ここではSiO2 基板を用いたが、SOI基板を用いても良い。
(実施例4)
本実施例では実施例2で説明した図3(c)に示す素子構造について更に熱酸化を施すことによって得られる量子細線を形成した。
【0037】
先ず、図3(c)に示す基板をO2 とN2 の混合ガス(O2 :11ml/min,N2 :50ml/min,900℃,10分間)により熱酸化する。これにより、多孔質シリコンが選択的に酸化され多孔質酸化シリコン層11が形成されると同時に、n型シリコン層と多孔質酸化膜との界面に極薄い結晶シリコン酸化膜12が形成される。この結晶シリコンの酸化膜12はn型シリコン層5の一部が酸化されたものであり、緻密かつ安定した構造をもち、それによって形成したポテンシャル障壁層もより理想的となる。このように酸化によってポテンシャル障壁の材質を変え、面内にn型結晶シリコンからなる量子細線5、結晶シリコン酸化膜からなる障壁層12、多孔質シリコン酸化膜からなる障壁層11の2重障壁構造を有す得る量子細線を形成することができる。
【0038】
このようにして得られる量子細線構造は、量子ポテンシャルバリア層が多孔質シリコン酸化膜とSiO2 の2重障壁構造となっており、SiO2 により界面特性が向上され、キャリアのトラップ等を防ぐことが可能となり安定した素子特性を期待できる。またこの方法で形成される量子細線基板は、平坦な構造により絶縁膜の形成、電極の形成等の後工程が容易にできるのでシリコンULSI集積回路などのデバイス的な応用に適している。
【0039】
また結晶シリコン酸化膜12の膜厚は熱酸化時間によって自由に制御可能であり、所望のエネルギーレベルを有する量子効果装置を提供することができる。更に酸化時間によって量子細線を益々細くできるので、マスク工程や通常のイオンドーピング工程では得ることのできない、究極の微細構造を形成することができる。
(実施例5)
本実施例では実施例3で説明した図4(c)に示す素子構造について更に熱酸化を施すことによって得られる量子ドットを形成した。
【0040】
図4(c)に示す基板を実施例4と同様の条件で熱酸化を施すことにより、図6に示す量子ドットアレイを形成する。これにより、多孔質シリコンが選択的に酸化された多孔質酸化シリコン層13が形成されると同時に、n型結晶シリコン層と多孔質酸化シリコン層との界面に極薄い結晶シリコン酸化膜14が形成される。こうして面内にn型シリコンからなる量子ドット5、結晶シリコン酸化膜からなる障壁層14、多孔質シリコン酸化膜からなる障壁層13の2重障壁構造を有す得る量子ドットを形成することができる。
【0041】
このようにして得られる量子細線構造も実施例4と同様に安定した構造を特徴とする。
酸化膜により更に量子ドットのサイズを小さくでき、光学的にはより短波長化を図ることができる。
(実施例6)
本実施例では、異なる大きさのポテンシャル障壁に囲まれた量子ドットについて説明する。
【0042】
先ず、表面が酸化処理され絶縁化したSiO2 基板15上に実施例2と同様な条件でn型シリコン薄膜を成膜する。次に、図7(a)に示すようにマスクを用いて酸化処理しn型シリコン領域17及びシリコン酸化膜16を基板上に形成する。酸化条件としては基板温度1000℃、N2 50ml/min,O2 1l/min雰囲気中5時間とした。また基板としてはSOI基板も用いることができる。
【0043】
次に、図7(b)に示すようにn型シリコン領域17中に実施例2と同様な条件でFIBを用いて、p型不純物(B)をドーピングし、n型量子ドット18及びp型領域19を形成する。
【0044】
次に、図7(c)に示すように実施例1と同様な条件により陽極化成をし、p型領域17を選択的に多孔質化し多孔質シリコン層18を形成する。
このようにしてn型量子ドット領域18は、多孔質シリコンからなる障壁層19と多孔質シリコンよりもバンドギャップが広いシリコン酸化膜からなる障壁層16とで囲まれた量子ドット構造が形成される。
【0045】
図7(c)中、4個の量子ドット18が酸化シリコン層で囲まれた部分20を一つのセルの単位とすると、セル20中の多孔質シリコン層19で隔てられた量子ドット間では、多孔質シリコンからなる比較的低いポテンシャル障壁層19であるのでトンネル効果により電子は移動できるが、異なるセル間においては酸化シリコンからなる比較的高いポテンシャル障壁層16であるので、トンネル効果は生じず電子の移動はない。
【0046】
一方異なるセル間ではトンネル効果による電子の移動はない代わりに、クーロン相互作用により電子は相互作用を受ける。このように異なる大きさのポテンシャル障壁を基板上に形成することで、いわゆるQIC(Quantum Interconnecti-ons with Cellular architecture) と呼ばれる量子効果装置を形成できる。
【0047】
本実施例と同様なプロセスにより、図8、図9、図10に示した素子構造も形成できる。尚同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
このように配置されたセルに電子をドープすると電子は図で示した黒いドットで表す位置に存在する。これらを組み合わせることによって、量子配線や論理回路を形成することが可能となる。
(実施例7)
本実施例は実施例1で説明した量子細線を用いて量子発光素子を形成した。
【0048】
図11は本実施例による発光素子の概念図である。
図1(c)に示す基板の下面に蒸着によってAl電極21を形成し、上面にITO等からなる透明電極22を形成する。こうして得られた量子発光素子は透明電極22とSiとのヘテロ接合により発光する。
【0049】
10nm程度の量子細線が量子効果より発光特性を示すことから、Al電極21にマイナス電圧を印加し、透明電極22にプラス電圧を印加することによりシリコンベースの発光素子を形成できる。
【0050】
このような量子発光素子は実施例1のみならず、実施例2から実施例5においても適用できるものである。
(実施例8)
本実施例は実施例1で説明した量子細線を用いて共鳴トンネリング効果装置を形成した。
【0051】
図12は本実施例による多重量子細線による共鳴トンネリング効果装置の概念図である。
図1(c)に示す基板の量子細線2と平行方向にAl電極23、24を蒸着し、基板と電極の間にはオッミクコンタクトを形成させる。このように、多重量子細線によって形成される多重量子井戸間にミニバンドができ、電極23、24間に電圧を加えることによって、量子細線2間の1次元化された共鳴トンネル効果が実現できる。
【0052】
このような量子発光素子は実施例1のみならず、実施例2から実施例5においても適用できるものである。
(実施例9)
本実施例は実施例2で説明した量子細線を用いて量子結合型電界効果トランジスタを形成した。
【0053】
図13は本実施例による量子結合型電界効果トランジスタの概念図である。
図3(c)に示す基板の量子細線5’の両端にソース電極25、ドレイン電極26をAlを蒸着することによって形成する。
【0054】
次に、量子細線5’上にAlを蒸着することによってゲート電極27を形成する。このようにして形成した量子サイズの量子結合型電界効果トランジスタにゲート電圧を印加することによってソース−ドレン間の電流が制御することができ、I−V特性に量子効果が観測される。
【0055】
このような量子結合型電界効果トランジスタは、実施例2のみならず、実施例1、実施例4においても適用できる。
(実施例10)
本実施例では実施例9で示したトランジスタにおいてゲート電極27と基板との間に絶縁膜を介在させた量子MOSFETを形成した。
【0056】
図14は本実施例による量子MOSFETの概念図である。
図3(c)に示す基板の量子細線5’の両端にソース電極25、ドレイン電極26をAlを蒸着することによって形成する。
【0057】
次に、この基板上にSiO絶縁膜28を抵抗蒸着法により形成する。
次に、このSiO絶縁膜上にゲート電極27としてAl電極を蒸着により形成する。こして形成された量子MOSFETにゲート電圧を印加することによってソース−ドレン間の電流を制御を制御することができ、I−V特性に量子効果が観測される。
【0058】
このような量子MOSFETは、実施例2のみならず、実施例1、実施例4においても適用できる。
(実施例11)
本実施例はシリコン量子ドットを用いたSET(Single Electron Tunneling) 量子効果装置を形成した。
【0059】
図15は本実施例によるSET量子効果装置の製造方法を説明する図である。
先ず、図15(a)に示すように絶縁性のAl23 基板4上に実施例2と同じ条件で膜厚10nm程度のn型シリコン単結晶をCVD法により形成し、FIBイオン注入によりボロン(B)をドーピングすることによってp型領域30を形成すると供にn型量子細線31を形成する。
【0060】
次に、図15(b)に示すように実施例1と同じ条件で、p型領域30を選択的に陽極化成することによって多孔質化し、多孔質シリコン層を形成する。形成された多孔質シリコン層を実施例4と同じ条件で多孔質シリコン層を選択的に熱酸化し、多孔質シリコン酸化膜32を形成する。
【0061】
次に、図15(c)に示すようにフッ酸溶液で多孔質シリコン酸化膜32を選択的に除去し、n型シリコン量子細線32’を形成する。
選択エッチングの条件はフッ酸(HF49%)溶液の1:10の希フッ酸を用い2秒間エッチングする。
【0062】
次に、図15(d)に示すように実施例1と同じ条件でFIBにより、n型シリコン量子細線5’上にp型細線を形成し、陽極化成を施すことによって多孔質シリコンのポテンシャル障壁層33(膜厚3〜5nm)を形成する。同時に化成されないn型シリコン領域は量子ドット34となる。このようにして形成された多孔質シリコンを障壁としたSET1Dアレイを図15(e)に示すように電源を取り付けることによってSET量子効果装置が形成できる。
【0063】
また、上記の素子にさらに熱酸化を施すによって量子ドットの界面にSiO2 を障壁層としたSET1Dアレイを形成することもできる。
(実施例12)
本実施例では実施例5で説明した図6に示す量子ドットを用いて0次元面発光量子ドットアレイを形成した。
【0064】
図16は本実施例による0次元面発光量子ドットアレイの概念図である。
図6に示す量子ドットアレイを、フッ酸溶液により多孔質シリコン酸化層13を除去することによりシリコンの0次元量子ドット35を形成した。
【0065】
量子ドットのサイズは10nm以下であり、N2 レーザ(λ=337nm)を入射したとき、可視光領域のフォトルミネッセンスを得られる。
このような素子は光励起によってすべての表面方向にフォトルミネッセンスを示す。このようにして0次元面発光量子ドットアレイを形成できる。
【0066】
【発明の効果】
本発明は多孔質半導体の選択的陽極化成及びワイドギャップ特性を利用して、非常に微細な量子細線或いは量子ドットアレイを有する量子効果装置及びその製造方法を提供することができる。また、本発明の量子高は装置は多孔質半導体を量子ポテンシャル障壁として用いるので、非常に急峻なポテンシャル障壁を具備する。また、多孔質半導体層を選択的に酸化することにより基板の量子細線或いはドットを酸化膜からなる量子ポテンシャル障壁、多孔質はい導体酸化膜からなる量子ポテンシャル障壁で囲む2重障壁構造を提供することができるので、安定したかつ緻密な量子細線、量子ドットを提供することができる。更に、面内に異なる障壁を同時に作製できるため、異なるバリア高さによりトンネルリング確率の制御ができ、シリコンベースの広範な応用範囲を有する量子効果装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係る量子細線アレイの工程図及び概略図。
【図2】本発明の実施例1に係る表面超格子のバンド図。
【図3】本発明の実施例2に係る量子細線アレイの工程図及び概略図。
【図4】本発明の実施例3に係る量子ドットアレイの工程図及び概略図。
【図5】本発明の実施例4に係る平面方向の量子細線アレイの概略図。
【図6】本発明の実施例5に係る量子ドットアレイの概略図。
【図7】本発明の実施例6に係る異なるポテンシャル障壁を同時に作製する工程図及び素子構造の概略図。
【図8】本発明の実施例6に係る異なるポテンシャル障壁を有する素子構造の概略図。
【図9】本発明の実施例6に係る異なるポテンシャル障壁を有する素子構造の概略図。
【図10】本発明の実施例6に係る異なるポテンシャル障壁を有する素子構造の概略図。
【図11】本発明の実施例7に係る量子発光素子の概略図。
【図12】本発明の実施例8に係る共鳴トンネリング効果装置の概略図。
【図13】本発明の実施例9に係る量子結合型電界効果トランジスタの概略図。
【図14】本発明の実施例10に係る量子MOSFETの概略図。
【図15】本発明の実施例11に係るシリコン量子ドットを用いたSETの工程図及び概略図。
【図16】本発明の実施例12に係る0次元面発光量子ドットアレの概略。
【符号の説明】
1・・・半導体基板
2・・・n型細線領域
3・・・多孔質半導体層
4・・・絶縁体基体
5・・・半導体薄膜
6・・・p型細線領域
8’・・・n型量子ドット
9・・・p型半導体領域
10・・・多孔質半導体領域
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a quantum effect device using semiconductor quantum wires and quantum dots, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been an increasing interest in devices that confine electrons in fine lines or dot-like regions having a width of 100 nanometers (nm) or less and control the movement of electrons in the one-dimensional or zero-dimensional regions, so-called quantum effect devices. ing. In such a quantum effect device, a micro structure having the same size as the quantum mechanical wavelength of an electron is formed on a semiconductor substrate to control the wave nature of the electron, the tunnel effect, etc. Can be expected to become more and more multifunctional.
[0003]
Conventionally, microfabrication techniques such as the EB method and the RIE method are used to form quantum wires that confine electrons one-dimensionally and quantum dots that confine zero-dimensionally within a substrate surface. It is not easy to form fine lines or dots with intervals. In the III-V GaAs / AlGaAs system, which has been mainly used as a quantum wire and quantum dot material, a method of combining fine pattern drawing technology such as electron beam exposure and X-ray exposure with dry etching has been used. ing.
[0004]
However, in these methods, pattern transfer is subjected to processes such as exposure, development, etching, and resist stripping, so there is a concern that the controllability of the line width may be reduced. In addition, there is a problem such as substrate damage due to ion bombardment during etching, and a processing technique without an etching process is desired.
[0005]
Therefore, an FIB (Focused Ion Beam) method is cited as a promising candidate. The processing technique using FIB has a feature that a fine pattern can be formed by irradiating the substrate with a high-luminance ion beam, and has attracted attention as a fine pattern processing technique. In particular, a method is known in which FIB is used as ion implantation and a region irradiated with FIB is used as an impurity-doped conductive layer.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When the quantum potential barrier layer is formed by increasing the resistance by impurity doping using the above-described FIB method, the ion energy is high (usually 20 KeV to 100 KeV), and therefore damage to the substrate is regarded as a problem.
[0007]
In addition, a method is known in which an electric potential layer such as a pn junction is locally formed by impurity doping, and this pn junction is used as a quantum potential barrier. Yes, the electron confinement effect is not sufficient to exhibit the quantum effect.
[0008]
Furthermore, since the height of the quantum potential barrier is gentle in the above method, it is extremely difficult to adjust the thickness and height of the barrier.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a quantum effect device with high reliability by forming quantum wires and quantum dots on a substrate without damaging the substrate. And
[0009]
Another object of the present invention is to provide a quantum effect device including quantum wires and quantum dots having extremely steep quantum potential barriers.
A further object of the present invention is to provide a method of manufacturing a quantum effect device that is excellent in controllability of the thickness of quantum wires and quantum dots and that can freely control the height and width of a quantum potential barrier.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a quantum effect device according to the present invention provides: A plurality of cell regions having a substrate, a plurality of semiconductor regions selectively formed on the substrate and confining electrons, and a porous semiconductor region made of a porous semiconductor that separates the plurality of semiconductor regions; and A barrier layer that separates a plurality of cell regions and has a wider band gap than the porous semiconductor. Is.
[0012]
Also , The quantum effect device according to the present invention comprises: A plurality of n-type semiconductor regions formed so as to exhibit a quantum effect and a p-type semiconductor that separates the n-type semiconductor regions by doping the first conductivity-type semiconductor layer with a second conductivity-type impurity. A step of forming a superlattice according to a region, a step of converting a p-type semiconductor region into a porous semiconductor region by a selective porous treatment, and a porous oxidation region from a porous semiconductor region by a selective oxidation treatment Forming a semiconductor oxide region, and forming a semiconductor oxide film in an interface region between the n-type semiconductor region and the porous semiconductor oxide region. It is characterized by.
[0013]
More specifically, a region of the pn junction is first patterned to a size exhibiting a quantum effect by doping impurities into a semiconductor layer such as silicon by ion implantation such as FIB. Next, a porous semiconductor layer having a wide band gap is formed as a very fine potential barrier by selectively making the p-type region porous by anodic oxidation or the like. Thereby, a structure in which the n-type region is surrounded by the porous semiconductor layer having a wide band gap can be obtained. That is, a quantum wire or quantum dot structure in which electrons are confined in the n-type region can be formed.
[0014]
In addition, by bringing the quantum wires or quantum dots close to each other to such an extent that a physical interaction occurs, a very small potential barrier can be formed and a surface superlattice structure can be formed.
[0015]
Since the height of the barrier using a porous semiconductor is relatively lower than that of an insulator, the interaction between quantum wires or dots becomes more remarkable, and the surface superlattice characteristics can be observed more easily.
[0016]
Further, by selectively making the p-type region porous and then performing thermal oxidation or the like, the porous semiconductor is first oxidized, and if the oxidation continues, the n-type region in which electrons are confined begins to be oxidized from the interface. Therefore, an n-type region in which electrons are confined, a semiconductor oxide film surrounding the n-type region, and a porous semiconductor oxide film surrounding the semiconductor oxide film are formed. The band gap of the semiconductor oxide film is larger than that of the porous semiconductor oxide film, and forms a steeper quantum potential barrier, which improves the quantum confinement characteristics and makes stable quantum wires or quantum dots resistant to noise. Can be formed.
[0017]
Further, in the thermal oxidation, the semiconductor oxide film thickness can be controlled by adjusting the thermal oxidation time or the like, so that the size of the quantum wires or quantum dots can be controlled to a desired value. Accordingly, the height of the quantum potential barrier can be freely designed, and a quantum effect device having a wide application range can be provided.
[0018]
In this case, the semiconductor substrate refers to a substrate having a semiconductor layer formed at least on its surface, and the entire substrate may be made of a semiconductor material, or a semiconductor film may be formed on the surface of an insulating substrate.
[0019]
Preferred embodiments of the present invention include the following.
(1) As a substrate, a p-type semiconductor substrate or Al 2 O Three , SiO 2 An insulating film substrate such as can be used. In the case of a p-type substrate, an n-type impurity such as P or As is doped by ion implantation, and the n-type region surrounded by the p-type region is drawn in a thin line shape or a dot shape with a size that exhibits a quantum effect. To do. In the case of an insulator substrate, a p-type (n-type) semiconductor layer is directly formed on the insulator substrate by a direct bonding technique or a lamination technique such as MOCVD, and this p-type (n-type) is formed. N-type (p-type) impurities are ion-implanted into the semiconductor layer to pattern fine lines and dots having a size that exhibits a quantum effect.
(2) As a method for patterning quantum wires or quantum dots, any technique that can form a pn junction by impurity doping can be used. Specifically, direct focused ion implantation by the FIB method or the like is preferable, but ion implantation technology by patterning and using a mask can also be used.
[0020]
The ion doping used in the present invention may have a relatively low energy and may be, for example, about 5 KeV to 20 KeV, so that damage to the substrate can be suppressed.
(3) The method for selectively making the p-type semiconductor layer porous can be used without limitation as long as it is a method in which a selective reaction occurs in addition to anodization. Specifically, an anodic oxidation method of electrochemical reaction, dry etching, or the like can be used.
(4) In the technique for forming a barrier layer made of an oxide film, it can be used without limitation as long as the porous semiconductor can be selectively insulated in addition to thermal oxidation. Specifically, wet oxidation etc. are mentioned instead of thermal oxidation. NH instead of oxide film Three A porous semiconductor can be nitrided in an atmosphere, and a porous nitride film can be used as a barrier layer. CH Four A porous semiconductor can be carbonized in an atmosphere and a SiC film can be used as a barrier layer.
[0021]
[Action]
A quantum effect device having a steep quantum potential barrier can be provided by forming a quantum wire or a quantum dot array using a porous semiconductor as a quantum potential barrier.
[0022]
Further, in the present invention, since the p region is selectively made porous to obtain a quantum potential barrier, the reduction in line width controllability due to pattern transfer, which is unavoidable with patterning techniques such as resists and masks, is solved. A stress and maskless patterning process can be realized, and the simplification of the process and the controllability of the line width can be greatly improved.
[0023]
Further, since a potential barrier made of an insulating film such as an oxide film formed at the interface between the n region and the porous semiconductor can be formed, a steeper quantum potential barrier can be realized. At this time, since the width of the oxide film can be easily controlled by thermal oxidation, the dimension of the quantum wire or quantum dot can be freely adjusted.
[0024]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(Example 1)
FIG. 1 shows a process diagram and a sectional structure diagram of a quantum wire array using porous silicon as a potential barrier according to Example 1 of the present invention. Hereinafter, the manufacturing process will be described with reference to FIG.
[0025]
First, as shown in FIG. 1A, a p-type impurity silicon (p-Si) substrate 1 (volume resistivity 10 cm · Ω) which is surface-treated by standard cleaning of a normal semiconductor wafer is prepared.
[0026]
Next, as shown in FIG. 1 (b), high concentration (10% by FIB ion implantation of low energy (≦ 20 KeV). 20 cm -3 ) Is doped with phosphorus (P) impurities to form n-type region fine wires 2 in the p-type region. The beam diameter of the FIB is several nm, and the width of the formed n-type thin wire 2 is also approximately 10 nm. Moreover, the space | interval between a thin wire | line can be changed freely according to the objective.
[0027]
Next, as shown in FIG. 1 (c), the sample was treated with a hydrofluoric acid solution (HF: C 2 H Five OH = 2: 3), and photochemical conversion is performed by Xe lamp irradiation (intensity 1 mW).
In this way, the p-type region is selectively etched as an anode and transformed into the porous silicon layer 3 having a wide band gap. At this time, the n-type thin wire 2 is not etched and becomes a quantum wire, and the porous silicon layer 3 functions as a quantum confinement barrier (quantum potential barrier). When the p-type region is sufficiently thin, that is, when the interval between the n-type thin wires 2 is sufficiently small, a surface superlattice structure having a band diagram as shown in FIG. 2 is formed.
[0028]
According to the first embodiment, a quantum wire array with good line width controllability can be realized by a technique that does not use processes such as pattern transfer, exposure, and development. In addition, by forming porous silicon with a very small potential barrier layer, a surface superlattice structure characterized by the interaction between quantum wires can be realized. Since porous silicon is used as the quantum potential barrier, a steep potential barrier can be formed at the interface with the n-type region. For example, quantum effect devices such as quantum wire superlattices, quantum wire FETs, high electron mobility quantum wire devices, and quantum wire light-emitting devices can be formed using the substrate.
[0029]
Further, in this embodiment, since the FIB energy is low, damage to the substrate is small and a good quantum effect can be expected.
(Example 2)
In this example, quantum wires are formed in the same manner as in Example 1, but a substrate in which a semiconductor film is formed on an insulating substrate is used. The steps of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0030]
First, as shown in FIG. 2 O Three An n-type silicon single crystal layer 5 having a thickness of about 10 nm is laminated on the substrate 4 by a CVD method. The condition at this time is SiH 2 Cl 2 Gas was used and the substrate temperature was 300 ° C.
[0031]
Next, as shown in FIG. 3B, boron (B) is doped by FIB ion implantation to form a p-type thin line 5 ′. The beam acceleration voltage was 20 KeV and the beam diameter was 10 nm.
[0032]
At this time, ion implantation is performed so that the width of the thin line 5 ′ in the p-type region and the width of the thin line 6 in the n-type region are both 10 nm.
Next, as shown in FIG. 3C, the p-type region is selectively made porous under the same conditions as in Example 1 to form a porous silicon layer 6 having a wide band gap. Thus, a quantum wire array in which the n-type silicon quantum wires 5 ′ are sandwiched between the porous silicon barriers 6 can be obtained. Since the quantum wire formed in this way can be controlled in the film thickness direction by the CVD method, it is more preferable that it can be controlled three-dimensionally when combined with the controllability in the in-plane direction of the present invention.
(Example 3)
In this embodiment, an array of quantum dots is formed using a process substantially similar to that of the second embodiment. The steps of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0033]
First, as shown in FIG. 4A, the CVD method (SiH 2 Cl 2 Gas, substrate temperature 300 ° C) 2 An n-type silicon thin film 8 (film thickness 10 nm) is laminated on the substrate 7.
[0034]
Next, as shown in FIG. 4B, under the same conditions as in Example 2, boron (B) is patterned by FIB ion implantation to form a p-type fine line pattern 9 in a matrix, and n-type dots 9 ′ are formed. Form. At this time, each side and interval of the n-type dot 9 ′ are 10 nm.
[0035]
Next, as shown in FIG. 4C, the p-type region is selectively made porous by anodization under the same conditions as in Example 1 to form a porous silicon layer 10 having a wide band gap.
[0036]
In this manner, a quantum dot array in which the porous silicon layer 10 is formed as a quantum potential barrier in the n-type silicon region 8 ′ is formed.
Here, SiO 2 Although a substrate is used, an SOI substrate may be used.
(Example 4)
In this example, quantum wires obtained by subjecting the element structure shown in FIG. 3C described in Example 2 to further thermal oxidation were formed.
[0037]
First, the substrate shown in FIG. 2 And N 2 Mixed gas (O 2 : 11 ml / min, N 2 : 50 ml / min, 900 ° C., 10 minutes). Thereby, the porous silicon is selectively oxidized to form the porous silicon oxide layer 11, and at the same time, an extremely thin crystalline silicon oxide film 12 is formed at the interface between the n-type silicon layer and the porous oxide film. This crystalline silicon oxide film 12 is obtained by oxidizing a part of the n-type silicon layer 5, has a dense and stable structure, and the potential barrier layer formed thereby becomes more ideal. In this way, the material of the potential barrier is changed by oxidation, and a double barrier structure of a quantum wire 5 made of n-type crystalline silicon, a barrier layer 12 made of a crystalline silicon oxide film, and a barrier layer 11 made of a porous silicon oxide film in the plane. Quantum wires can be formed.
[0038]
The quantum wire structure thus obtained has a quantum potential barrier layer composed of a porous silicon oxide film and SiO 2 2 The double barrier structure of SiO 2 As a result, interface characteristics are improved, carrier trapping and the like can be prevented, and stable element characteristics can be expected. The quantum wire substrate formed by this method is suitable for device applications such as a silicon ULSI integrated circuit because a flat structure can facilitate post-processes such as formation of an insulating film and formation of electrodes.
[0039]
The film thickness of the crystalline silicon oxide film 12 can be freely controlled by the thermal oxidation time, and a quantum effect device having a desired energy level can be provided. Further, since the quantum wire can be made thinner and thinner by the oxidation time, an ultimate fine structure that cannot be obtained by a mask process or a normal ion doping process can be formed.
(Example 5)
In this example, quantum dots obtained by subjecting the element structure shown in FIG. 4C described in Example 3 to further thermal oxidation were formed.
[0040]
The substrate shown in FIG. 4C is subjected to thermal oxidation under the same conditions as in Example 4 to form the quantum dot array shown in FIG. As a result, a porous silicon oxide layer 13 in which porous silicon is selectively oxidized is formed, and at the same time, an extremely thin crystalline silicon oxide film 14 is formed at the interface between the n-type crystalline silicon layer and the porous silicon oxide layer. Is done. In this way, a quantum dot having a double barrier structure of the quantum dot 5 made of n-type silicon, the barrier layer 14 made of a crystalline silicon oxide film, and the barrier layer 13 made of a porous silicon oxide film can be formed in the plane. .
[0041]
The quantum wire structure thus obtained is also characterized by a stable structure as in the fourth embodiment.
The size of the quantum dots can be further reduced by the oxide film, and the wavelength can be further shortened optically.
(Example 6)
In this example, quantum dots surrounded by potential barriers of different sizes will be described.
[0042]
First, the surface is oxidized and insulated 2 An n-type silicon thin film is formed on the substrate 15 under the same conditions as in the second embodiment. Next, as shown in FIG. 7A, oxidation treatment is performed using a mask to form an n-type silicon region 17 and a silicon oxide film 16 on the substrate. As oxidation conditions, the substrate temperature is 1000 ° C., N 2 50 ml / min, O 2 It was 5 hours in a 1 l / min atmosphere. An SOI substrate can also be used as the substrate.
[0043]
Next, as shown in FIG. 7B, the n-type silicon region 17 is doped with p-type impurities (B) using FIB under the same conditions as in the second embodiment, and the n-type quantum dots 18 and the p-type are doped. Region 19 is formed.
[0044]
Next, as shown in FIG. 7C, anodization is performed under the same conditions as in Example 1, and the p-type region 17 is selectively made porous to form a porous silicon layer 18.
In this way, the n-type quantum dot region 18 has a quantum dot structure surrounded by the barrier layer 19 made of porous silicon and the barrier layer 16 made of a silicon oxide film having a wider band gap than the porous silicon. .
[0045]
In FIG. 7C, when a portion 20 in which four quantum dots 18 are surrounded by a silicon oxide layer is used as a unit of one cell, between quantum dots separated by the porous silicon layer 19 in the cell 20, Electrons can move by the tunnel effect because of the relatively low potential barrier layer 19 made of porous silicon, but the tunnel effect does not occur because the electrons are moved between different cells because of the relatively high potential barrier layer 16 made of silicon oxide. There is no movement.
[0046]
On the other hand, electrons do not move due to the tunnel effect between different cells, but electrons are interacted by Coulomb interaction. By forming potential barriers of different sizes on the substrate in this way, a quantum effect device called a so-called QIC (Quantum Interconnecti-ons with Cellular architecture) can be formed.
[0047]
The element structure shown in FIGS. 8, 9, and 10 can be formed by the same process as in this embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the description is abbreviate | omitted.
When electrons are doped into the cells arranged in this way, the electrons are present at the positions indicated by the black dots shown in the figure. By combining these, it is possible to form quantum wires and logic circuits.
(Example 7)
In this example, a quantum light emitting element was formed using the quantum wire described in Example 1.
[0048]
FIG. 11 is a conceptual diagram of a light emitting device according to this example.
An Al electrode 21 is formed by vapor deposition on the lower surface of the substrate shown in FIG. 1C, and a transparent electrode 22 made of ITO or the like is formed on the upper surface. The quantum light emitting device thus obtained emits light by a heterojunction between the transparent electrode 22 and Si.
[0049]
Since a quantum wire of about 10 nm exhibits light emission characteristics due to the quantum effect, a silicon-based light-emitting element can be formed by applying a negative voltage to the Al electrode 21 and applying a positive voltage to the transparent electrode 22.
[0050]
Such a quantum light emitting device can be applied not only in the first embodiment but also in the second to fifth embodiments.
(Example 8)
In this example, a resonant tunneling effect device was formed using the quantum wire described in Example 1.
[0051]
FIG. 12 is a conceptual diagram of a resonant tunneling effect device using multiple quantum wires according to this embodiment.
Al electrodes 23 and 24 are vapor-deposited in a direction parallel to the quantum wires 2 of the substrate shown in FIG. 1C, and an ohmic contact is formed between the substrate and the electrodes. Thus, a mini-band is formed between multiple quantum wells formed by multiple quantum wires, and a one-dimensional resonance tunnel effect between the quantum wires 2 can be realized by applying a voltage between the electrodes 23 and 24.
[0052]
Such a quantum light emitting device can be applied not only in the first embodiment but also in the second to fifth embodiments.
Example 9
In this example, a quantum coupled field effect transistor was formed using the quantum wire described in Example 2.
[0053]
FIG. 13 is a conceptual diagram of a quantum coupled field effect transistor according to this example.
A source electrode 25 and a drain electrode 26 are formed by vapor-depositing Al on both ends of the quantum wire 5 ′ of the substrate shown in FIG.
[0054]
Next, the gate electrode 27 is formed by vapor-depositing Al on the quantum wire 5 ′. By applying a gate voltage to the quantum-coupled field effect transistor thus formed, the current between the source and drain can be controlled, and the quantum effect is observed in the IV characteristics.
[0055]
Such a quantum coupled field effect transistor can be applied not only in the second embodiment but also in the first and fourth embodiments.
(Example 10)
In this embodiment, a quantum MOSFET is formed in which an insulating film is interposed between the gate electrode 27 and the substrate in the transistor shown in the ninth embodiment.
[0056]
FIG. 14 is a conceptual diagram of a quantum MOSFET according to this embodiment.
A source electrode 25 and a drain electrode 26 are formed by vapor-depositing Al on both ends of the quantum wire 5 ′ of the substrate shown in FIG.
[0057]
Next, an SiO insulating film 28 is formed on this substrate by resistance vapor deposition.
Next, an Al electrode is formed as a gate electrode 27 on the SiO insulating film by vapor deposition. By applying a gate voltage to the quantum MOSFET thus formed, the current between the source and drain can be controlled, and a quantum effect is observed in the IV characteristic.
[0058]
Such a quantum MOSFET can be applied not only in the second embodiment but also in the first and fourth embodiments.
(Example 11)
In this example, a SET (Single Electron Tunneling) quantum effect device using silicon quantum dots was formed.
[0059]
FIG. 15 is a diagram for explaining a method of manufacturing a SET quantum effect device according to this embodiment.
First, as shown in FIG. 2 O Three An n-type silicon single crystal having a thickness of about 10 nm is formed on the substrate 4 by the CVD method under the same conditions as in the second embodiment, and p-type region 30 is formed by doping boron (B) by FIB ion implantation. An n-type quantum wire 31 is formed.
[0060]
Next, as shown in FIG. 15B, the p-type region 30 is selectively anodized under the same conditions as in Example 1 to form a porous silicon layer. The porous silicon layer thus formed is selectively thermally oxidized under the same conditions as in Example 4 to form a porous silicon oxide film 32.
[0061]
Next, as shown in FIG. 15C, the porous silicon oxide film 32 is selectively removed with a hydrofluoric acid solution to form an n-type silicon quantum wire 32 ′.
The selective etching is performed by using a 1:10 diluted hydrofluoric acid solution of hydrofluoric acid (HF 49%) for 2 seconds.
[0062]
Next, as shown in FIG. 15 (d), a potential barrier of porous silicon is formed by forming a p-type fine wire on the n-type silicon quantum wire 5 'by FIB under the same conditions as in Example 1 and performing anodization. Layer 33 (film thickness 3-5 nm) is formed. The n-type silicon region that is not simultaneously formed becomes the quantum dot 34. A SET quantum effect device can be formed by attaching a power source as shown in FIG. 15E to the SET1D array using the porous silicon formed as a barrier.
[0063]
Further, by subjecting the above element to further thermal oxidation, the interface of the quantum dots is made SiO 2 2 It is also possible to form a SET1D array using as a barrier layer.
(Example 12)
In this example, a zero-dimensional surface-emitting quantum dot array was formed using the quantum dots shown in FIG.
[0064]
FIG. 16 is a conceptual diagram of a zero-dimensional surface-emitting quantum dot array according to this example.
From the quantum dot array shown in FIG. 6, the porous silicon oxide layer 13 was removed with a hydrofluoric acid solution to form silicon zero-dimensional quantum dots 35.
[0065]
The size of the quantum dot is 10 nm or less and N 2 When a laser (λ = 337 nm) is incident, photoluminescence in the visible light region can be obtained.
Such an element exhibits photoluminescence in all surface directions by photoexcitation. In this way, a zero-dimensional surface emitting quantum dot array can be formed.
[0066]
【The invention's effect】
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide a quantum effect device having a very fine quantum wire or quantum dot array and a method for manufacturing the same by utilizing selective anodization and wide gap characteristics of a porous semiconductor. In addition, since the quantum height of the present invention uses a porous semiconductor as a quantum potential barrier, the device has a very steep potential barrier. Also, a double barrier structure in which a quantum wire or dot of a substrate is surrounded by a quantum potential barrier made of an oxide film and a quantum potential barrier made of a porous conductive oxide film by selectively oxidizing the porous semiconductor layer is provided. Therefore, stable and dense quantum wires and quantum dots can be provided. Furthermore, since different barriers can be simultaneously produced in the plane, the tunneling probability can be controlled by different barrier heights, and a quantum effect device having a wide range of applications based on silicon can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram and schematic diagram of a quantum wire array according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a band diagram of a surface superlattice according to Example 1 of the present invention.
FIG. 3 is a process diagram and schematic diagram of a quantum wire array according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is a process diagram and schematic diagram of a quantum dot array according to Example 3 of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram of a quantum wire array in a planar direction according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram of a quantum dot array according to Example 5 of the present invention.
FIGS. 7A and 7B are a process diagram and a schematic diagram of an element structure for simultaneously producing different potential barriers according to Example 6 of the invention. FIGS.
FIG. 8 is a schematic view of an element structure having different potential barriers according to Example 6 of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view of an element structure having different potential barriers according to Example 6 of the present invention.
FIG. 10 is a schematic view of an element structure having different potential barriers according to Example 6 of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram of a quantum light-emitting device according to Example 7 of the present invention.
FIG. 12 is a schematic view of a resonant tunneling effect device according to Embodiment 8 of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram of a quantum coupled field effect transistor according to Example 9 of the invention.
14 is a schematic diagram of a quantum MOSFET according to Example 10 of the present invention. FIG.
FIG. 15 is a process diagram and schematic diagram of SET using silicon quantum dots according to Example 11 of the present invention.
FIG. 16 is a schematic view of a zero-dimensional surface-emitting quantum dot array according to Example 12 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Semiconductor substrate
2 ... n-type thin wire region
3 ... Porous semiconductor layer
4 ... Insulator substrate
5 ... Semiconductor thin film
6 ... p-type thin wire region
8 '... n-type quantum dots
9 ... p-type semiconductor region
10: Porous semiconductor region

Claims (6)

基板と、
この基板上に選択的に形成され、電子を閉じ込める複数の半導体領域とこれらの複数の半導体領域を分離する多孔質半導体からなる多孔質半導体領域とを有する複数のセル領域と、
これらの複数のセル領域を分離し、前記多孔質半導体よりもバンドギャップが広い障壁層と
を備えたことを特徴とする量子効果装置。
A substrate,
A plurality of cell regions selectively formed on the substrate and having a plurality of semiconductor regions for confining electrons and a porous semiconductor region made of a porous semiconductor for separating the plurality of semiconductor regions;
Separating the plurality of cell regions, a barrier layer having a wider band gap than the porous semiconductor ,
A quantum effect device comprising:
前記多孔質半導体領域により分離された前記複数の半導体領域間ではトンネル効果により電子が移動可能であり、
前記複数のセル領域間ではトンネル効果による電子の移動がないことを特徴とする請求項1記載の量子効果装置。
Electrons can move between the plurality of semiconductor regions separated by the porous semiconductor region by a tunnel effect,
2. The quantum effect device according to claim 1, wherein there is no movement of electrons due to a tunnel effect between the plurality of cell regions.
前記半導体領域はn型であることを特徴とする請求項1又は2に記載の量子効果装置。The quantum effect device according to claim 1, wherein the semiconductor region is n-type. 前記障壁層は酸化シリコンであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子効果装置。The quantum effect device according to claim 1, wherein the barrier layer is made of silicon oxide. 第1導電型の半導体層に第2導電型の不純物をドーピングすることにより、量子効果を呈する程に微細に形成された複数のn型半導体領域と、このn型半導体領域を分離するp型半導体領域と、による超格子を形成する工程と、
選択的な多孔質化処理により、前記p型半導体領域を多孔質半導体領域に変換する工程と、
選択的な酸化処理により、前記多孔質半導体領域から前記多孔質半導体酸化物領域を形成し、前記n型半導体領域における前記多孔質半導体酸化物領域との界面領域に半導体酸化膜を形成する工程と、
を具備することを特徴とする量子効果装置の製造方法。
A plurality of n-type semiconductor regions formed so as to exhibit a quantum effect and a p-type semiconductor that separates the n-type semiconductor regions by doping the first conductivity-type semiconductor layer with a second conductivity-type impurity. Forming a superlattice from the region;
Converting the p-type semiconductor region into a porous semiconductor region by selective porosification treatment;
Forming the porous semiconductor oxide region from the porous semiconductor region by selective oxidation treatment, and forming a semiconductor oxide film in an interface region of the n-type semiconductor region with the porous semiconductor oxide region; ,
A method of manufacturing a quantum effect device comprising:
絶縁体基板上に前記第1導電型の半導体層を形成する工程を具備することを特徴とする請求項5記載の量子効果装置の製造方法。 6. The method of manufacturing a quantum effect device according to claim 5, further comprising the step of forming the first conductivity type semiconductor layer on an insulator substrate.
JP23083794A 1994-09-27 1994-09-27 Quantum effect device and manufacturing method thereof Expired - Fee Related JP3707811B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23083794A JP3707811B2 (en) 1994-09-27 1994-09-27 Quantum effect device and manufacturing method thereof
US08/533,744 US5710436A (en) 1994-09-27 1995-09-26 Quantum effect device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23083794A JP3707811B2 (en) 1994-09-27 1994-09-27 Quantum effect device and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0897398A JPH0897398A (en) 1996-04-12
JP3707811B2 true JP3707811B2 (en) 2005-10-19

Family

ID=16914065

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23083794A Expired - Fee Related JP3707811B2 (en) 1994-09-27 1994-09-27 Quantum effect device and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3707811B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4532634B2 (en) * 1998-12-25 2010-08-25 キヤノン株式会社 Method for producing pores
JP4536866B2 (en) * 1999-04-27 2010-09-01 キヤノン株式会社 Nanostructure and manufacturing method thereof
JP4815860B2 (en) * 2004-11-11 2011-11-16 ソニー株式会社 Light emitting device and manufacturing method thereof
GB0611560D0 (en) * 2006-06-12 2006-07-19 Univ Belfast Improvements relating to plasmonic coupling devices
US20090227095A1 (en) * 2008-03-05 2009-09-10 Nicholas Bateman Counterdoping for solar cells

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0897398A (en) 1996-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210328057A1 (en) Three dimensional vertically structured electronic devices
US5710436A (en) Quantum effect device
JP2812832B2 (en) Semiconductor polycrystalline diamond electronic device and method of manufacturing the same
JP2019176165A (en) Semiconductor device
JPH04335538A (en) Semiconductor device and manufacture thereof
JPH0818029A (en) Resonance tunneling device and its preparation
JPH07105497B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US9041080B2 (en) Semiconductor optical element
JP2609587B2 (en) Semiconductor device
CN111477682A (en) Gallium nitride transistor and method for manufacturing the same
JP3707811B2 (en) Quantum effect device and manufacturing method thereof
US6139483A (en) Method of forming lateral resonant tunneling devices
CN107069427B (en) Preparation method of wide-spectrum thyristor laser
JP4309869B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
CN113594006B (en) Vacuum channel transistor and manufacturing method thereof
JP2011113877A (en) Photoelectric hybrid substrate, and semiconductor device
CN112466954B (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US9590083B2 (en) ITC-IGBT and manufacturing method therefor
KR101026160B1 (en) Hybrid nano-logic circutis and the method of manufacturing the same
JPH0846237A (en) Silicon light-emitting diode
JP3260502B2 (en) Electron-emitting device
CN112103157B (en) Planar air channel transistor and preparation method thereof
JPH10303506A (en) Semiconductor light-emitting element
JP2013038193A (en) Method for introducing isoelectronic center into silicon thin flim by ion implantation, and silicon light-emitting device
JP3789179B2 (en) Quantization functional element, quantization functional device using the same, and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040820

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20041018

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050201

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050404

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20050414

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20050606

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050729

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20050802

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090812

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090812

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100812

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100812

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110812

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110812

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120812

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120812

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130812

Year of fee payment: 8

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees