JP4771682B2 - 量子デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
先ず、本発明の基本的原理について説明する。図1は、AFMを用いて酸化膜を形成する方法を工程順に示す模式図である。また、図2は、同じく酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。
次に、本発明の第1の実施形態について説明する。図5(a)乃至(d)は、本発明の第1の実施形態に係る量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。また、図6は、図5(c)に相当する平面図であり、図6中のI−I線に沿った断面が図5(c)に示されている。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、ドーピングが施された量子リングデバイスを製造する。量子リングの物理的特性は不純物のドーピングによっても変化する。ナノテクノロジーのレベルでは、個々の量子リングに対して精密なドーピングを行うことが求められる。図9(a)乃至(c)は、本発明の第2の実施形態に係る量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。また、図10は、図9(c)に相当する平面図であり、図10中のIII−III線に沿った断面が図9(c)に示されている。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、第2の実施形態とは異なる方法で、ドーピングが施された量子リングデバイスを製造する。図11(a)乃至(d)は、本発明の第3の実施形態に係る量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。また、図12は、図11(d)に相当する平面図であり、図12中のIV−IV線に沿った断面が図11(d)に示されている。
次に、上述のようにして製造された量子リングデバイスの動作について説明する。一般に、量子リング中のキャリアの状態は、局所的に磁界及び/又は電界を印加することにより変化させることができる。そして、例えば発光の検出等を行うことにより、量子リングの状態を知ることが得きる。従って、量子リングデバイスは、メモリ等の記憶装置、検出装置、発光素子等として用いることができるのである。ここでは、一例として第1の実施形態に関して説明するが、第2及び第3の実施形態に関しても同様の動作が可能である。図13(a)乃至(d)は、本発明の実施形態により製造された量子リングデバイスの動作を示す模式図である。
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝を形成する工程と、
前記溝内に半導体膜を成長させる工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
前記酸化膜を形成する工程において、前記半導体基板の前記探針が触れる部分を酸化から保護することを特徴とする付記1に記載の量子デバイスの製造方法。
前記半導体膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする付記1又は2に記載の量子デバイスの製造方法。
前記酸化膜を除去する工程は、前記酸化膜に対して化学エッチングを施す工程を有することを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
前記酸化膜を除去する工程は、前記酸化膜に対して水を用いた超音波洗浄を施す工程を有することを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
前記酸化膜を除去する工程は、前記酸化膜に対して、真空中での原子状水素を用いた処理を施す工程を有することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
前記酸化膜を形成する工程の前に、前記半導体基板の表面に単一の不純物原子を付着させる工程を有し、
前記不純物原子が中心に位置するように前記酸化膜を形成することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
前記酸化膜を形成する工程と前記酸化膜を除去する工程との間に、前記酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる工程を有することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
前記不純物原子を付着させる工程の後に、熱処理により前記不純物原子を前記半導体基板中に拡散させる工程を有することを特徴とする付記7又は8に記載の量子デバイスの製造方法。
前記不純物原子として、Si、Be、Fe及びCoからなる群から選択された1種を付着させることを特徴とする付記7乃至9のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
前記酸化膜を形成する工程の前の、前記半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
前記酸化膜を形成する工程と前記酸化膜を除去する工程との間の、前記酸化膜の周囲を酸化する工程と、
を有し、
前記酸化膜を形成する工程において、前記不純物原子の1個が中心に位置するように前記酸化膜を形成し、
前記酸化膜を除去する工程において、前記酸化膜と共にその周囲の酸化された部分を除去することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び複数の点状の酸化膜を形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させる工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
前記環状の酸化膜の直径を50nm以下とすることを特徴とする付記1乃至12のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
前記環状の酸化膜の直径を20nm以下とすることを特徴とする付記13に記載の量子デバイスの製造方法。
前記探針としてカーボンナノチューブ製のものを用い、前記環状の酸化膜の直径を10nm以下とすることを特徴とする付記1乃至12のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
前記半導体基板及び半導体膜として、夫々化合物半導体からなるものを用いることを特徴とする付記1乃至15のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
表面に環状の溝が形成された半導体基板と、
前記溝内に形成された半導体膜と、
を有することを特徴とする量子デバイス。
前記溝の直径は、50nm以下であることを特徴とする付記17に記載の量子デバイス。
前記環状の溝の中心に、単一の不純物原子が導入されていることを特徴とする付記17又は18に記載の量子デバイス。
前記半導体基板及び半導体膜として、夫々化合物半導体からなるものが用いられていることを特徴とする付記17乃至19のいずれか1項に記載の量子デバイス。
前記半導体基板の表面には、前記環状の溝の周囲に複数の窪みが形成され、
前記窪み内に半導体膜が形成されていることを特徴とする付記17乃至20のいずれか1項に記載の量子デバイス。
10:半導体基板
10a:AlGaAs基板(半導体基板)
10b:GaAs基板(半導体基板)
11、12、13、19、20:酸化膜
22:探針
27:溝
36、37、36b、37b、38:半導体膜
50:キャップ膜
55、56:ドーパント
57:エピタキシャル層
Claims (10)
- 水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝を形成する工程と、
前記溝内に半導体膜を成長させる工程と、
を有し、
前記酸化膜は、前記探針と前記半導体基板とが互いに接触している部分に成長することなく、前記探針を取り囲むようにしてドーナツ状に成長することを特徴とする量子デバイスの製造方法。 - 前記半導体膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項1に記載の量子デバイスの製造方法。
- 前記酸化膜を除去する工程は、前記酸化膜に対して、真空中での原子状水素を用いた処理を施す工程を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の量子デバイスの製造方法。
- 前記酸化膜を形成する工程の前に、前記半導体基板の表面に単一の不純物原子を付着させる工程を有し、
前記不純物原子が中心に位置するように前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。 - 前記酸化膜を形成する工程と前記酸化膜を除去する工程との間に、前記酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる工程を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。
- 前記不純物原子を付着させる工程の後に、熱処理により前記不純物原子を前記半導体基板中に拡散させる工程を有することを特徴とする請求項4又は5に記載の量子デバイスの製造方法。
- 前記酸化膜を形成する工程の前の、前記半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
前記酸化膜を形成する工程と前記酸化膜を除去する工程との間の、前記酸化膜の周囲を酸化する工程と、
を有し、
前記酸化膜を形成する工程において、前記不純物原子の1個が中心に位置するように前記酸化膜を形成し、
前記酸化膜を除去する工程において、前記酸化膜と共にその周囲の酸化された部分を除去することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子デバイスの製造方法。 - 半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び複数の点状の酸化膜を形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させる工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。 - 表面に環状の溝が形成された半導体基板と、
前記溝内に形成された半導体膜と、
を有し、
前記溝の中心に単一の不純物原子が存在することを特徴とする量子デバイス。 - 前記半導体基板の表面には、前記環状の溝の周囲に複数の窪みが形成され、
前記窪み内に半導体膜が形成されていることを特徴とする請求項9に記載の量子デバイス。
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