JP4871150B2 - Method for manufacturing vertical resonant tunneling device having annular structure, vertical resonant tunneling device, and magnetic detection device - Google Patents
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本発明は、電子の干渉効果(アフラノフ・ボーム効果:AB効果)を原理として動作する共鳴トンネル素子等に係り、特に、強磁場下でも高感度な磁場検出ができる縦型共鳴トンネル素子の製造方法及び縦型共鳴トンネル素子並びに磁気検出装置に関する。 The present invention relates to a resonant tunneling element that operates on the principle of an electron interference effect (Afranov-Bohm effect: AB effect), and more particularly to a method of manufacturing a vertical resonant tunneling element capable of highly sensitive magnetic field detection even under a strong magnetic field. And a vertical resonant tunneling element and a magnetic detection device.
例えば特許文献1に記載されている様に、磁気センサとして、ジョセフソン効果を用いたSQUID(超伝導磁束量子干渉計)が知られている。SQUIDは、Nb(ニオブ)等の超伝導体で作ったリングの一部にジョセフソン接合(超伝導の弱い部分)を設けることで構成され、超伝導体が超伝導状態を保つことができる環境のもとで動作する。
For example, as described in
しかし、SQUIDは、超伝導状態が保たれる環境でしか使用できず、超伝導状態を保つことができない強磁場下では、使用できないという問題がある。また、検出感度を落とすことなく微小化して製造するのが困難であるという問題もある。 However, SQUID can be used only in an environment where the superconducting state is maintained, and there is a problem that it cannot be used under a strong magnetic field where the superconducting state cannot be maintained. In addition, there is a problem that it is difficult to manufacture a microfabricated product without reducing the detection sensitivity.
そこで、例えば特許文献2に記載されている様な、半導体製の縦型共鳴トンネルトランジスタや縦型共鳴トンネルダイオード等の素子が注目され、開発されてきている。特許文献2に記載されている縦型共鳴トランジスタ素子は、二重障壁構造を持つ半導体の上下にソース電極,ドレイン電極を設け、ソース電極側から二重障壁構造の下までエッチングし、外部に露出した二重障壁構造部分の周りにゲート電極を設けて構成される。
Therefore, for example, devices such as vertical resonant tunneling transistors and vertical resonant tunneling diodes made of semiconductor as described in
この構成によれば、二重障壁間に挟まれる空間が円板状となり、この円板状空間に電子が閉じ込められる。しかし、電子が閉じ込められる空間が円板状なため、AB効果に起因する磁場によるエネルギ振動を観測することができない。そこで、非特許文献1に示されている様に、二重障壁部分を貫通する穴を設け、電子閉じ込め空間をリング状にした構造が提案されている。この構造の概略図を図9に示す。
According to this configuration, the space sandwiched between the double barriers becomes a disk shape, and electrons are confined in this disk space. However, since the space in which electrons are confined is disk-shaped, it is impossible to observe energy oscillation due to the magnetic field due to the AB effect. Therefore, as shown in
図9の共鳴トンネル素子1は、中央に穴2が貫通して設けられた半導体3と、この半導体3の上端部に設けられたソース電極4と、円筒状半導体3の下端部に設けられたドレイン電極5とを備える。円筒状半導体3内部には、円筒の軸に対し垂直面となる2つのリング状の障壁6,7(二重障壁)が近接して設けられており、障壁6,7間に量子井戸8が形成される。そして、二重障壁6,7の周りを取り囲むようにゲート電極9が設けられる。
The
図10(a)は電子閉じ込め空間が「円板状」の場合における電子エネルギの磁場依存性を示すグラフであり、図10(b)は電子閉じ込め空間がリング状の場合における電子エネルギの磁場依存性を示すグラフである。これらのグラフは、非特許文献2にも紹介されている。
FIG. 10A is a graph showing the magnetic field dependence of electron energy when the electron confinement space is “disk-shaped”, and FIG. 10B is the magnetic field dependence of electron energy when the electron confinement space is ring-shaped. It is a graph which shows sex. These graphs are also introduced in Non-Patent
この図10(a)(b)を比較すると、図10(b)では各黒三角印で示す線が、AB効果によるエネルギ振動を示しており、共鳴トンネル素子1に穴2を設け、電子閉じ込め空間をリング状にすれば、エネルギ振動により精度良く磁気検出が可能になることを示している。
When comparing FIGS. 10A and 10B, the lines indicated by the black triangles in FIG. 10B indicate energy oscillation due to the AB effect, and the
縦型共鳴トンネル素子を磁気計測に使用する場合、素子を微小化することが望まれている。しかし、共鳴トンネル素子を微小化して製造し、図9の穴2を縦方向にエッチングで開けようとしても、エッチングガスは平均自由行程程度しか穴内部に入らないため、深い穴つまり二重障壁を貫通する穴を開けることができなくなってしまう。
When a vertical resonant tunneling element is used for magnetic measurement, it is desired to miniaturize the element. However, even if the resonant tunneling element is manufactured in a small size and the
本発明の目的は、微小化が可能でしかも電子をリング状空間に閉じ込めて強磁場下でも高感度に磁気検出ができる磁気センサとして使用可能な縦型共鳴トンネル素子の製造方法及び縦型共鳴トンネル素子並びに磁気検出装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a vertical resonant tunneling element that can be miniaturized and that can be used as a magnetic sensor capable of confining electrons in a ring-shaped space and performing magnetic detection with high sensitivity even in a strong magnetic field, and a vertical resonant tunneling An object is to provide an element and a magnetic detection device.
本発明の縦型共鳴トンネル素子の製造方法は、ソース電極となる金属膜と導電層からなるドレイン電極との間に変調ドープ構造を持つ柱状半導体を有し、該柱状半導体の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に前記金属膜と略平行な前記変調ドープ構造で形成された多重障壁層を備え、該柱状半導体の中心軸部分に前記ソース電極側から有底穴が形成された縦型共鳴トンネル素子の製造方法において、前記有底穴を形成するとき該有底穴の底部が前記多重障壁層を貫通しない深さにすることにより生じる空乏層によって該多重障壁層間の電子閉じ込め領域が 実効的にリング状になる深さにしたことを特徴とする。
The method for manufacturing a vertical resonant tunneling element of the present invention includes a columnar semiconductor having a modulation doping structure between a metal film serving as a source electrode and a drain electrode composed of a conductive layer, and the source electrode of the columnar semiconductor and the source electrode A vertical resonance in which a multi-barrier layer formed of the modulation doping structure substantially parallel to the metal film is provided between the drain electrode and a bottomed hole is formed from the source electrode side in the central axis portion of the columnar semiconductor In the method of manufacturing a tunnel element, when the bottomed hole is formed, an electron confinement region between the multiple barrier layers is effectively formed by a depletion layer formed by making a bottom of the bottomed hole not to penetrate the multiple barrier layer. It is characterized by having a ring-like depth.
本発明の縦型共鳴トンネル素子の製造方法は、前記有底穴の前記底部が前記多重障壁層の中間または該多重障壁層の前記ソース電極側近傍まで形成されていることを特徴とする。 The vertical resonant tunnel device manufacturing method of the present invention is characterized in that the bottom of the bottomed hole is formed in the middle of the multi-barrier layer or near the source electrode side of the multi-barrier layer.
本発明の縦型共鳴トンネル素子は、ソース電極となる金属膜と導電層からなるドレイン電極との間に変調ドープ構造を持つ柱状半導体を有し、該柱状半導体の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に前記金属膜と略平行な前記変調ドープ構造で形成された多重障壁層を備え、該柱状半導体の中心軸部分に前記ソース電極膜側から有底穴が形成された縦型共鳴トンネル素子において、前記有底穴を形成するとき該有底穴の底部が前記多重障壁層を貫通しない深さにすることにより生じる空乏層によって該多重障壁層間の電子閉じ込め領域が実効的にリング状になる深さに形成されたことを特徴とする。
The vertical resonant tunneling element of the present invention includes a columnar semiconductor having a modulation doping structure between a metal film serving as a source electrode and a drain electrode composed of a conductive layer, and the source electrode and the drain electrode of the columnar semiconductor A vertical resonant tunneling element comprising a multi-barrier layer formed with the modulation doping structure substantially parallel to the metal film, and having a bottomed hole formed in the central axis portion of the columnar semiconductor from the source electrode film side In this case, when the bottomed hole is formed, an electron confinement region between the multiple barrier layers is effectively ring-shaped by a depletion layer generated by setting the bottom of the bottomed hole to a depth that does not penetrate the multiple barrier layer. It is formed to a depth.
本発明の縦型共鳴トンネル素子は、前記柱状半導体の外周部に露出する前記多重障壁層の部分を覆うゲート電極を備えることを特徴とする。 The vertical resonant tunneling element of the present invention is characterized by comprising a gate electrode that covers the portion of the multiple barrier layer exposed at the outer peripheral portion of the columnar semiconductor.
本発明の縦型共鳴トンネル素子は、前記多重障壁層が二重障壁層または三重障壁層であることを特徴とする。 The vertical resonant tunnel device of the present invention is characterized in that the multiple barrier layer is a double barrier layer or a triple barrier layer.
本発明の縦型共鳴トンネル素子は、前記リング状の前記電子閉じ込め領域が複数のくびれ部分を有するように該くびれ部分の前記柱状半導体の前記有底穴から外周面までの厚さを薄くしそれ以外の部分の厚さを厚く形成したことを特徴とする。 In the vertical resonant tunneling device of the present invention, the thickness from the bottomed hole of the columnar semiconductor to the outer peripheral surface of the constricted portion is reduced so that the ring-shaped electron confinement region has a plurality of constricted portions. It is characterized in that the thickness of the part other than is formed thick.
本発明の縦型共鳴トンネル素子は、前記複数のくびれ部分が3個の場合には前記有底穴の形状を三角形状にすると共に該三角形状の各頂点対応位置に前記くびれ部分を設けたことを特徴とする。 In the vertical resonant tunnel element of the present invention, when the plurality of constricted portions are three, the shape of the bottomed hole is made triangular, and the constricted portions are provided at positions corresponding to the apexes of the triangular shape. It is characterized by.
本発明の縦型共鳴トンネル素子は、前記複数のくびれ部分が4個の場合には前記有底穴の形状を四角形状にすると共に該四角形状の各頂点対応位置に前記くびれ部分を設けたことを特徴とする。 In the vertical resonant tunneling device of the present invention, when the plurality of constricted portions are four, the shape of the bottomed hole is made into a quadrangular shape, and the constricted portions are provided at positions corresponding to the apexes of the quadrangular shape. It is characterized by.
本発明の縦型共鳴トンネル素子は、前記厚く形成した部分の外周面に露出する前記多重障壁層を覆うゲート電極を該厚く形成した部分毎に分離して設けゲート制御電圧を別々に印加する構成としたことを特徴とする。 The vertical resonant tunneling device of the present invention is configured such that a gate electrode covering the multiple barrier layer exposed on the outer peripheral surface of the thick part is provided separately for each thick part and a gate control voltage is applied separately. It is characterized by that.
本発明の磁気検出装置は、上記のいずれかに記載の縦型共鳴トンネル素子を用いた磁気センサと、該磁気センサの前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電圧を印加するソース・ドレイン間電圧印加手段と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れ前記リング状の電子閉じ込め領域内の電子エネルギの変動に応動するトンネル電流をモニタする磁気計測手段とを備えることを特徴とする。 The magnetic detection device of the present invention includes a magnetic sensor using the vertical resonant tunneling element according to any one of the above, and a source-drain connection that applies a voltage between the source electrode and the drain electrode of the magnetic sensor. It is characterized by comprising voltage applying means and magnetic measuring means for monitoring a tunnel current that flows between the source electrode and the drain electrode and responds to fluctuations in electron energy in the ring-shaped electron confinement region.
本発明の磁気検出装置は、ゲート電極を備える上記記載の縦型共鳴トンネル素子を用いた磁気センサと、該磁気センサの前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電圧を印加するソース・ドレイン間電圧印加手段と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れ前記リング状の電子閉じ込め領域内の電子エネルギの変動に応動するトンネル電流をモニタする磁気計測手段と、前記ゲート電極への印加電圧を調整して検出磁気感度の調整を行うゲート電圧印加手段とを備えることを特徴とする。 The magnetic detection device of the present invention includes a magnetic sensor using the above-described vertical resonant tunneling element including a gate electrode, and a source-drain connection that applies a voltage between the source electrode and the drain electrode of the magnetic sensor. Voltage application means; magnetic measurement means for monitoring a tunnel current that flows between the source electrode and the drain electrode and responds to fluctuations in electron energy in the ring-shaped electron confinement region; and applied voltage to the gate electrode And a gate voltage applying means for adjusting the detected magnetic sensitivity.
本発明によれば、穴が多重障壁部を貫通しなくても、穴の先端部や周辺部に形成される空乏層が多重障壁部を貫通して電子閉じ込め空間をリング状とするため、電子のエネルギ状態が磁場依存性を持ち、精度良く磁気検出を行うことが可能となる。また、ゲート電極を設けることで、電子の閉じ込め領域の大きさを可変制御することができ、検出磁気の感度調整も可能となる。 According to the present invention, even if the hole does not penetrate the multiple barrier portion, the depletion layer formed at the tip or the peripheral portion of the hole penetrates the multiple barrier portion and forms the electron confinement space in a ring shape. This energy state has a magnetic field dependency, and magnetic detection can be performed with high accuracy. Further, by providing the gate electrode, the size of the electron confinement region can be variably controlled, and the sensitivity of the detected magnetism can be adjusted.
本発明の縦型共鳴トンネル素子は計測する磁場と平行にソース電極からドレイン電極に電流が流れる構造のため、強磁場下でも動作し、また、半導体微細加工技術を適用して微小に製造することができる。 The vertical resonant tunneling element of the present invention has a structure in which a current flows from the source electrode to the drain electrode in parallel with the magnetic field to be measured. Can do.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る縦型共鳴トンネルダイオードの構成図である。本実施形態に係る縦型共鳴トンネルダイオード10は、円柱状の半導体11と、円柱状半導体11の上端部に設けられたソース電極12と、半導体11の下端部に設けられたドレイン電極13とを備える。尚、図示する例の半導体11は直状の円柱形としているが、メサ型としても良い。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a vertical resonant tunneling diode according to a first embodiment of the present invention. The vertical
半導体11内部には、円柱の軸に対し垂直面となる2つの変調ドープ障壁層14,15(二重障壁)が近接して設けられており、障壁14,15間に量子井戸(電子閉じ込め空間)16が形成される様になっている。そして、円柱状の半導体11には、ソース電極12側からドレイン電極13側に向かって穴17が形成されているが、この穴17は、図示する例では、上側(ソース電極側)の障壁層14は貫通しているが、下側の障壁層15まで達していない。
Inside the
斯かる縦型共鳴トンネルダイオード10は、変調ドープ障壁層14,15が形成された板状の半導体の上端面にリング状のソース電極12あるいは電子が溜まらない程度に十分に細いラインを有するリング状金属線を蒸着等で積層し、これをマスクとして、半導体をソース電極12側からエッチングすることで製造できる。
Such a vertical
このエッチング時に、円柱状半導体11の外側はエッチングで二重障壁14,15の下側までエッチングされるが、円柱状半導体11の内側は、穴17の径が例えば0.086μm程度と微細なため、浅い位置までしかエッチングされない。つまり、物理的には下側の障壁層15にまで穴17の底部は達しない。
At the time of this etching, the outside of the
しかし、ソース電極となる導電層がエッチングされると、実効的にポテンシャルが上がって電子が供給され難い状態になり、有底の穴17が形成された時点で、穴17の周囲や先端部に形成される空乏層が下側の障壁層15を貫通し或いはその近傍まで延び、物理現象的に電子閉じ込め空間が実効的にリング状になる。この現象を利用することで、微小な縦型共鳴トンネル素子の製造が容易となる。
However, when the conductive layer serving as the source electrode is etched, the potential is effectively increased and it becomes difficult to supply electrons, and when the bottomed
即ち、穴17による空乏層の広がりを考慮して素子の設計を行うことで、二重障壁14,15の深さを、穴17が物理的に貫通する浅い位置よりも深い位置に形成することが可能となる。
That is, by designing the element in consideration of the spread of the depletion layer due to the
尚、上述した実施形態では、穴17をその先端が障壁層14を貫通し障壁層15に達しない深さに形成したが、障壁層14も貫通せずにその直上まで形成した場合でも、空乏層が障壁層14,15を貫通方向に延びて電子閉じ込め空間が実効的にリング状になるのであれば問題はない。
In the above-described embodiment, the
斯かる構成の縦型共鳴トンネルダイオード10では、二重障壁14,15間に形成された量子井戸16がリング状となり、このリング状空間内に閉じ込められた電子のエネルギを計測することで、SQUIDと同程度の感度で磁気検出を行うことが可能となる。
In the vertical
上述した図10(a)(b)を比較すると、図10(b)では各黒三角印で示す線が、AB効果によるエネルギ振動を示している。このエネルギ振動は、図2に示す縦型共鳴トンネルダイオード10のソース・ドレイン間電圧とソース・ドレイン間電流との関係から分かる。
Comparing the above-described FIGS. 10A and 10B, in FIG. 10B, the lines indicated by the black triangles indicate the energy vibration due to the AB effect. This energy oscillation can be understood from the relationship between the source-drain voltage and the source-drain current of the vertical
図2によれば、ソース・ドレイン間電圧を上げて行ったとき、ソース・ドレイン間電流(トンネル電流)が、磁場に応じたピーク位置すなわち電子エネルギ状態のピーク位置を持つ。このため、磁場測定環境化でこの共鳴トンネルダイオード1のソース・ドレイン間電圧を高速スイープ制御することで、高速に磁気測定が可能となる。
According to FIG. 2, when the source-drain voltage is increased, the source-drain current (tunnel current) has a peak position corresponding to the magnetic field, that is, a peak position of the electron energy state. For this reason, high-speed sweep control is performed on the source-drain voltage of the
従って、この縦型共鳴トンネルダイオード10を磁気センサとして磁気検出装置を構成する場合、縦型共鳴トンネルダイオード10のソース・ドレイン間電圧をスイープ制御する電圧印加手段と、この電圧制御時にソース・ドレイン間に流れるトンネル電流をモニタする磁気計測手段とを設ければ良い。
Therefore, in the case of configuring a magnetic detection device using the vertical
半導体製のトンネルダイオードは強磁場下でも電流が流れるため、強磁場下における磁気検出が可能であり、更に、半導体装置の微細化技術を応用できるため、ダイオード10の微小化も容易となる。
Since a semiconductor tunnel diode allows a current to flow even under a strong magnetic field, magnetic detection under a strong magnetic field is possible, and further, miniaturization technology of a semiconductor device can be applied, so that the
(第2実施形態)
図3は、本発明の第2実施形態に係る縦型共鳴トンネルトランジスタの構成図である。本実施形態の縦型共鳴トンネルトランジスタ20は、基本構造は第1実施形態の縦型共鳴トンネルダイオード10と同じであるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a configuration diagram of a vertical resonant tunneling transistor according to the second embodiment of the present invention. Since the basic structure of the vertical
本実施形態の縦型共鳴トンネルトランジスタ20は、図1の縦型共鳴トンネルダイオード10の構成に加え、ゲート電極18を設けた点が異なる。図示する例のゲート電極18は、ドレイン電極13の上に電気的に分離して設けられると共に、このゲート電極18の中央を、半導体11の外周を包むように且つ変調ドープ二重障壁14,15を覆う位置まで円筒状に立ち上げてある。
The vertical
本実施形態の縦型共鳴トンネルトランジスタ20は、障壁14,15間に空乏層によって実効的にリング状に形成される量子井戸16の電子存在領域を、ゲート電極18に所要の電圧を印加することで変えることができ、磁気検出感度を調整することが可能となる。
In the vertical
このゲート電圧印加時にゲート電圧を振ると、ソース・ドレイン間電圧を振る場合と同様に、電子一個加えるのに必要なエネルギを補償したときだけ電流が流れる「クーロン振動」という現象が起き、このクーロン振動の間隔は、古典的なクーロン斥力に加えて、電子エネルギを反映するため、精度の良い磁場測定が可能となる。 When the gate voltage is changed when this gate voltage is applied, a phenomenon called “Coulomb oscillation” occurs in which current flows only when the energy required to add one electron is compensated, as in the case of changing the source-drain voltage. Since the vibration interval reflects the electron energy in addition to the classic Coulomb repulsive force, accurate magnetic field measurement is possible.
従って、縦型共鳴トンネルトランジスタ20を磁気センサとして磁気検出装置を構成する場合、第1実施形態の磁気検出装置の構成に加え、ゲート電極18に印加する電圧を制御する検出感度調整手段を設ける。あるいは、ゲート電極18に印加するゲート電圧を振る電圧印加手段を設ける。
Therefore, when the magnetic detection device is configured using the vertical
(第3実施形態)
図4は、本発明の第3実施形態に係る縦型共鳴トンネルダイオードの構成図である。本実施形態に係る縦型共鳴トンネルダイオード30の基本構造は、図1に示す第1実施形態の縦型共鳴トンネルダイオード10と同じであるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a configuration diagram of a vertical resonant tunneling diode according to the third embodiment of the present invention. The basic structure of the vertical
第1実施形態の縦型共鳴トンネルダイオード10が変調ドープ二重障壁14,15を備えるのに対し、本実施形態の縦型共鳴トンネルダイオード30は、変調ドープ三重障壁14,15,19を備える点が異なる。三重障壁とすることで、障壁14,15間に形成される量子井戸16と、障壁16,19間に形成される量子井戸21の二重量子井戸構造となる。
The vertical
勿論、障壁層15の下に設ける障壁層19は、穴17の先端部に形成される空乏層が延びる位置に設けられ、量子井戸21が実効的にリング状になる位置に設けられる。
Of course, the
図5は、三重障壁構造の縦型共鳴トンネルダイオード30におけるソース・ドレイン間電圧とソース・ドレイン間電流(トンネル電流)の関係を示すグラフである。本実施形態では、図2に比較して、電子エネルギ状態に応じて期待される電流増大特性が大きくなっており、2つの量子井戸の夫々の量子準位が合ったときに生じる電流増大を測定することで、精度良く磁場を感知することができる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the source-drain voltage and the source-drain current (tunnel current) in the vertical
本実施形態では、二重の量子井戸構造を用いることで、温度やノイズ等による電子の揺らぎを除くことができ、且つ電子間のクーロンエネルギを考慮する必要がないため、より精度良く磁場を検出することが可能となる。 In this embodiment, by using a double quantum well structure, fluctuations in electrons due to temperature, noise, etc. can be eliminated, and it is not necessary to consider the Coulomb energy between electrons, so the magnetic field can be detected with higher accuracy. It becomes possible to do.
(第4実施形態)
図6は、本発明の第4実施形態に係る縦型共鳴トンネルトランジスタの構成図である。本実施形態に係る縦型共鳴トンネルトランジスタ40は、図4に示す第3実施形態の縦型共鳴トンネルダイオード30に、図3で説明したゲート電極18を付加した構成になっており、図3,図4と同一構成部材には同一符号を付してその説明は省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is a configuration diagram of a vertical resonant tunneling transistor according to the fourth embodiment of the present invention. The vertical
本実施形態では、三重障壁14,15,19部分の外周部にゲート電極18を配したため、このゲート電極18により、リング状の電子閉じ込め領域の大きさを変えることができ、磁気検出感度を調節することが可能となる。また、同時に、単一電子状態を実現でき、電子間のクーロンエネルギを考える必要のない状態を容易に実現することができる。
In the present embodiment, since the
(第5実施形態)
図7は、本発明の第5実施形態に係る縦型三重量子ドット共鳴トンネル素子の構成図である。本実施形態の縦型三重量子ドット共鳴トンネル素子50は、底部に導電層(ドレイン電極層)51を、中間部に変調ドープ二重障壁層52,53を形成した板状の半導体54をエッチングすることで形成される。
(Fifth embodiment)
FIG. 7 is a configuration diagram of a vertical triple quantum dot resonant tunneling device according to the fifth embodiment of the present invention. In the vertical triple quantum dot
中央部に柱状に形成された本体部55は、その中心部に穴56がエッチングによって開けられている。この場合も上述した実施形態と同様に、穴56は二重障壁層52,53を共に貫通して設けられる必要はなく、穴56の先端部が二重障壁層52,53に近接する位置まで設けられ、二重障壁層52,53間の量子井戸が空乏層により実効的にリング状になれば良い。勿論、穴56が二重障壁層52,53を貫通する様に形成できるのであれば、貫通して設けても良いことは言うまでもない。
The
本体部55の上部には、エッチングするときのマスクを兼用したソース電極膜57が設けられている。このソース電極膜57には、穴56を形成するための正三角形の穴57aが設けられている。そして、正三角形の穴57aの各辺に対向する場所の本体部55の厚さが厚く膨出形成される様に、また、正三角形の各頂点に対向する場所の本体部55の厚さが薄くくびれる様に、マスク57の形状が設計される。
A
更に、正三角形の各頂点位置から夫々放射状に線状部57b,57c,57dが延び、これにより、各線状部57b,57c,57dの下に半導体壁部58a,58b,58cがエッチングにより形成され、本体部55の外周面は、壁部58a,58b,58cによって3分割される。3分割された本体部55の外周面には、二重障壁層52,53を覆う様に、夫々、相互に分離されたゲート電極膜59a(G1),59b(G2),59c(G3:図示せず)が設けられる。
Further,
斯かる構成の素子でも、穴56に平行に入る磁場の測定を第1〜第4実施形態の素子と同様に行うことができる。しかも、本実施形態の場合には、二重障壁層52,53間に形成される量子井戸(電子閉じ込め領域)が上記実施形態と同様にリング形状になる他、このリング形状が、上記正三角形の頂点対向位置でくびれ、正三角形の辺対向位置で膨出する形状となるため、閉じ込められた電子は、リング形状の3つの膨出部に3分割され、各々が量子ドットとして振る舞うことになる。
Even with the element having such a configuration, the measurement of the magnetic field entering parallel to the
このとき、3つのゲートG1,G2,G3に印加する電圧を、独立に制御することで、3つの電子量子ドットの夫々のエネルギを変調することができ、精度の高い磁場測定が可能となる。 At this time, by independently controlling the voltages applied to the three gates G1, G2, and G3, the energy of each of the three electron quantum dots can be modulated, and high-precision magnetic field measurement is possible.
尚、二重量子ドットに関連する従来の文献として、T.Hatano et alの“Single−Electron Delocalization In Hybrid Vertical Lateral Double Quantum Dots”8 July 2005 VOL.309 SCIENCE www.sciencemag.orgがあるが、この従来技術の素子は、上述した実施形態における「穴」に類するものは有していない。 As a conventional document related to the double quantum dot, T.W. Hatano et al., “Single-Electron Delocalization In Hybrid Vertical Double Quantum Dots”, 8 July 2005 VOL. 309 SCIENCE www. sciencemag. However, this prior art element does not have anything similar to the “hole” in the above-described embodiment.
(第6実施形態)
図8は、本発明の第6実施形態に係る縦型四重量子ドット共鳴トンネル素子60の構成図である。本実施形態は、図7に示す縦型三重量子ドット共鳴トンネル素子の考えを四重の構成にした点が異なり、他の点は同じである。つまり、本実施形態では、リング形状の電子閉じ込め領域を4つのくびれ部分でくびれさせると共に、4つの膨出部に電子を閉じ込める構成にしている。
(Sixth embodiment)
FIG. 8 is a configuration diagram of a vertical quadrupole dot
このため、穴62を形成するマスク電極(ソース電極膜)61の中心に正方形の穴61aを設け、また、正方形の各辺対向位置の本体部65の厚さが厚くなるように、正方形の各頂点対向位置の本体部65の厚さが薄くなるようになっている。
For this reason, a
この構成でも、上述した各実施形態と同様に、精度の高い磁場測定が可能となる。尚、第5,第6実施形態では、二重障壁層を設けた例しか説明していないが、三重障壁層を設けることが可能であることはいうまでもない。 Even with this configuration, magnetic field measurement with high accuracy is possible as in the above-described embodiments. In addition, although only the example which provided the double barrier layer was demonstrated in 5th, 6th embodiment, it cannot be overemphasized that a triple barrier layer can be provided.
本発明に係る縦型共鳴トンネル素子の製造方法は、実際に多重障壁層を穴が貫通して電子閉じ込め領域をリング状にするのではなく、有底の穴を形成したことにより生じる空乏層によって実効的に電子閉じ込め領域をリング形状とするため、素子の設計が容易となり、素子の微小化を図ることが可能となる。このため、本発明に係る縦型共鳴トンネル素子は、半導体微細加工技術を用いて製造でき量産可能なため低コストで製造でき、しかも、高空間分解能であるため磁気センサとして有用である。 The method for manufacturing a vertical resonant tunneling device according to the present invention is based on a depletion layer formed by forming a bottomed hole, rather than actually forming a hole in the electron confinement region by penetrating the multiple barrier layer. Since the electron confinement region is effectively ring-shaped, the device design is facilitated and the device can be miniaturized. For this reason, the vertical resonant tunneling element according to the present invention can be manufactured by using a semiconductor microfabrication technique and can be mass-produced, so that it can be manufactured at a low cost. Further, since it has a high spatial resolution, it is useful as a magnetic sensor.
10,30 縦型共鳴トンネルダイオード
12,57,61 ソース電極
13 ドレイン電極
14,15,19,52,53 変調ドープ障壁層
16,21 量子井戸(電子閉じ込め層)
17,56,62 穴
18 ゲート電極
20,40 縦型共鳴トンネルトランジスタ
50,60 縦型多重量子ドット共鳴トンネル素子
10, 30 Vertical
17, 56, 62
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