JP6223828B2 - モノリシックに集積した量子ドット装置を有する半導体チップキャリア及びその製造方法 - Google Patents

モノリシックに集積した量子ドット装置を有する半導体チップキャリア及びその製造方法 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年１１月３日に出願された「完全集積型シリコンキャリアにおける量子ドット電界効果トランジスタ及びその製造方法」と題する米国仮特許出願第６１／４０９，８４６号の優先権を主張するものである。
本発明は、一般的に、三次元電子ガスの特性を表す、ナノメートル寸法のスケールで構造的に設計され、且つ、化学的にエンジニアリングされたバルク半導体物質に関し、特には、キャリア表面にモノリシックに集積された他の能動的な電気又は光電子装置を有する、より大きいマイクロ電子システムを備える追加の半導体ダイを電気的に相互接続することに使用される半導体キャリア内にこれらのユニークな半導体物質を組み込むことに関する。
本発明は、特に、ナノスケールの多結晶粒（又はグレイン）の均一な分布を含むバルク半導体物質に関し、半導体物質のナノスケールのテクスチャがバルク半導体に三次元（３Ｄ）電子ガスの電気又は光学特性（ここに「一般の誘電特性（ｇｅｎｅｒａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）」と称される）をバルク半導体に付与する多結晶粒内に量子サイズ効果を誘導するように、多結晶粒の径がナノメートルの物理寸法に制限される。本発明のさらなる特定の実施形態は、導電又は絶縁物質をナノスケールの多結晶粒の粒界（粒子境界）に拡散する方法及び工程に関する。
本発明は、一般的に、能動的な電子、光子又は光電子装置のモノリシックアセンブリ（集積体）に関し、該装置は、より洗練されたマイクロ電子システム内に様々な追加の半導体ダイを電気的に相互接続することに使用される半導体チップキャリアに対して、３Ｄ電子ガスの一般的な誘電特性を示す５０ｎｍよりも大きい厚みを有する半導体物質の層を備える。このような様々な能動的な電子又は光電子装置は、これに限定されないが、高出力（電力）密度／高速出力管理回路、安定クロック発生器、電子信号モジュレータ、光学センサ、光出力発生器、光信号発生器及び／又はモジュレータ又は熱電気システムを含むことができる。
１．先行技術の説明
Ｔ．Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ等（ＵＳ７１７３２９２）、（以後、Ｐｈｉｌｌｉｐｓ‘２９２）は、逃走電流（アバランシェ降伏）を教示する。量子井戸電界効果トランジスタ（ＱＷＦＥＴ）を形成することによって、軽減されるか又は実質的に排除される狭いバンドギャップ半導体物質に適用される変調ドープ電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）又は高電子モビリティ（ＨＥＭＴ）トランジスタ内の衝突イオン化によって当該逃走電流が引き起こされる。量子井戸ＦＥＴは、１又は複数の広いバンドギャップの半導体を備える多層構造からなる（図１及び２参照）。図１は、ＱＷＦＥＴ１の垂直断面を示し、当該ＱＷＦＥＴ１は、２つの広いバンドギャップ半導体層３、４の間に組み込まれた量子井戸領域２を備える。量子井戸領域２は、複数の異なる半導体層５、６、７からなる。中央層６は、半導体物質５、６によって境界される第１伝導チャネルを形成する。該半導体物質５、６は、広いバンドギャップ半導体層３、４のバンドギャップ２４、２５よりも小さいが、第１伝導チャネル６を形成する層内に使用される半導体物質のバンドギャップ２３よりも大きい半導体バンドギャップ２１、２２を有する第２伝導チャネルを形成する。図２は、図１のＸ−Ｘ’で定められる断面視で示された積層半導体構造の代表的なエネルギーバンドギャップダイアグラム２０を示す。
電界効果装置は、２つの導電ドープソース８及びドレイン９領域の間に量子井戸領域２を挿し込むことによって作成される。そして、ゲート電極１０に適用された電気バイアスは、それがドレイン電極１２によって制御されるとき、ソース電極１１に供給された変調電流に使用される。ＱＷＦＥＴ装置において利用可能な高電荷キャリアモビリティ（移動度）は、２５０ＧＨｚから１ＴＨｚの間の範囲で報告された高いスイッチング速度を可能とし、そして、高いスイッチング速度システム又はミリ波通信システムにおいて価値を有する。
ＱＷＦＥＴ装置では、中央層６は、第１伝導チャネル内に含まれる量子井戸内の量子化効果を通して２Ｄ電子ガスを形成するのに十分に薄い（２０−５０ｎｍ）必要がある。量子井戸２８を形成する、中央層６のナノメートルスケールの厚み及び半導体層５、７に接触することによって形成されるバンドエッジ２６、２７の高さによって量子化効果が生成される。これら量子化効果は、高い電子モビリティの２電子ガスの不連続な（ディスクリート）エネルギー準位を形成する。半導体層５、７は、より高いイオン化閾値を提供する。当該イオン化閾値は、中央層６内の第１伝導チャネルにおける電流フローが衝突イオン化プロセスを通してアバランシェ降伏を受けることを防止する。第１チャネルに使用される低バンドギャップ半導体物質の例は、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、インジウムヒ素アンチモン（ＩｎＡｓ（１−ｙ）Ｓｂｙ）、インジウムガリウムアンチモン（Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＳｂ）及び／又はインジウムガリウムヒ素（Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＡｓ）である。
２．用語の定義
本明細書において、「能動コンポーネント（ａｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」という用語は、動作するための電力を必要としかつ電力利得を生み出すことができる電気回路の一素子としてのその従来の定義を指すものと理解される。
本明細書において、「アルカリ金属」という用語は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム及びフランシウムを含む周期表のＩＡ族の金属元素の群を意味する従来の定義を指すものと理解される。
本明細書において、「アルカリ土類金属」という用語は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びラジウムを含む周期表のＩＩＡ族の金属元素の群を意味する従来の定義を指すものと理解される。
本明細書において、「非晶質（アモルファス）物質」という用語は、原子の周期格子を含まない、または中距離（数十ナノメートルを超える距離）から長距離（数百ナノメートルを超える距離）までの結晶秩序を欠く物質を意味するものと理解される。
本明細書において、「化学的複雑性」、「組成の複雑性」、「化学的に複雑な」または「組成的に複雑な」という用語は、金属または超合金、化合物半導体、または周期表からの３つ以上の元素より成るセラミック等の物質を指すものと理解される。
本明細書において、「チップキャリア（ｃｈｉｐ ｃａｒｒｉｅｒ）」という用語は、配線エレメントと、チップキャリア表面に実装される１つまたは複数の集積回路とこれらの集積回路が接続され得るより大きい電気システムとの間で電気信号をルーティングする能動コンポーネントとを含む、半導体基板内に埋め込まれる相互接続構造体を指すものと理解される。
本明細書において、「電子ガス（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇａｓ）」という用語は、トンネルプロセスを介して修飾固体（ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｓｏｌｉｄ）内で自由に移動可能であり、且つ、それらが類似の非修飾固体において通常有するよりも高い移動性を有する電子（又は正孔）の集合（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）であって、そこでは、固体の修飾（典型的にはナノスケールの積層）によって生成された量子化効果が、量子エネルギー井戸を引き起こし、当該量子エネルギー井戸は電子（正孔）の輸送特性を支配及び定義すると共に量子エネルギー井戸内に配置された電子（正孔）間の相互作用を最小化する、一般的に認められている電子（又は正孔）の集合として定義を指すものと理解される。
本明細書において、「ＦＥＴ」という用語は、絶縁ゲート電極に印加される電圧が、ソース電極とドレイン電極との間の電流を変調するために使用される絶縁体を介して電界を誘導する、一般的に認められているその電界効果トランジスタという定義を指すものと理解される。
本明細書において、「ハロゲン」という用語は、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素及びアスタチンを含む周期表のＶＩＩＡ族の非金属元素の群を意味する従来の定義を指すものと理解される。
本明細書において、「ハロゲン化された（ｈａｌｏｇｅｎａｔｅｄ）」という用語は、ハロゲンと共に処理又は結合された分子又は物質を意味する従来の定義を指すものと理解される。
本明細書において、「集積回路（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）」という用語は、多数、極めて多数または超多数のトランジスタ素子が中に埋め込まれている半導体チップを意味するものと理解される。
本明細書において、「ＬＣＤ」という用語は、液体前駆体溶液を用いて任意の組成的または化学的複雑性物質を、原子レベルの化学的均一性およびナノスケールサイズまで制御可能な微細構造を有する非晶質の積層体または独立体として、または結晶性の積層体または独立体として製造するための方法を意味するものと理解される。
本明細書において、「液体前駆体溶液（ｌｉｑｕｉｄ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）」という用語は、炭化水素分子の溶液であって、溶解された後に炭化水素分子の有機酸塩となる場合もならない場合もある可溶性有機金属化合物をも含む炭化水素分子溶液を意味するものと理解される。
本明細書において、「微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」という用語は、材料物質を形成する結晶粒の元素組成および物理的大きさを定義するものと理解される。
本明細書において、「不整合材料（ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ）」という用語は、異なる結晶格子構造または５％以上異なる格子定数および／または１０％以上異なる熱膨張係数を有する２つの物質を定義するものと理解される。
本明細書において、「ナノスケール」という用語は、１ナノメートル（ｎｍ）から数百ナノメートル（ｎｍ）までの範囲の長さで測定される物理的大きさを定義するものと理解される。
本明細書において、「光電子装置（ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）」という用語は、光学、赤外線（近、中又は遠）、ミリ波、サブミリ波又は電子スペクトルの紫外線（近又は遠）領域等で定められるエネルギー特性を有する電気信号を使用する任意の装置を指すものとして理解される。
本明細書において、「受動コンポーネント（ｐａｓｓｉｖｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」という用語は、動作のために電力を必要とせずに電気信号の増幅及び／又は位相を変化させ、あるいは、エネルギー貯蔵装置として使用される電気回路の一素子としてのその従来の定義を指すものと理解される。
本明細書において、「光子装置（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）」という用語は、光学、赤外線（近、中又は遠）、ミリ波、サブミリ波又は電子スペクトルの紫外線（近又は遠）領域等で定められるエネルギー特性を有する１又は複数の追加の信号を変調させるために、光学、赤外線（近、中又は遠）、ミリ波、サブミリ波又は電子スペクトルの紫外線（近又は遠）領域等で定められるエネルギー特性を有する信号を使用する任意の装置を指すものとして理解される。
本明細書において、「パワーＦＥＴ」という用語は、大信号垂直構成型ＭＯＳＦＥＴに対して一般に認められている定義を指すものと理解され、マルチチャネル（ＭＵＣＨＦＥＴ）、Ｖ溝ＭＯＳＦＥＴ、切頂Ｖ溝ＭＯＳＦＥＴ、二重拡散ＤＭＯＳＦＥＴ、超接合、ヘテロ接合ＦＥＴまたはＨＥＴＦＥＴおよび絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）が含まれる。
本明細書において、「量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）」という用語は、電子ガスの電子、光学又は光電子特性を示す量子サイズ効果（ｑｕａｎｔｕｍ−ｓｉｚｅ ｅｆｆｅｃｔ）を引き起こすのに十分に小さい物質ドメインとしての従来の意味を適用するように理解される。
本明細書において、「標準動作温度」という用語は、−４０℃から＋１２５℃までの間の温度範囲を意味するものと理解される。
本明細書において、「厳密公差（ｔｉｇｈｔ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）」または「臨界公差（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）」という用語は、標準動作温度に渡る定格設計値からの変動が±１％未満であるキャパシタンス、インダクタンスまたは抵抗等の性能値を意味するものと理解される。
本明細書において、「ＩＩ−ＶＩ化合物半導体」という用語は、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）又は水銀（Ｈｇ）からなる周期表のＩＩＢ族の少なくとも１つの元素、及び、酸素（Ｏ）、硫黄（Ｓ）、セレニウム（Ｓｅ）又はテルリウム（Ｔｅ）からなる周期表のＶＩ族の少なくとも１つの元素を含む化合物半導体を表す従来の意味を指すものとして理解される。
本明細書において、「ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体」という用語は、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる周期表のＩＩＩ族の少なくとも１つの半金属元素、及び、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）又はビスマス（Ｂｉ）からなる周期表のＶ族の少なくとも１つの気体又は半金属元素を含む化合物半導体を表す従来の意味を指すものとして理解される。
本明細書において、「ＩＶ−ＩＶ化合物半導体」という用語は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）又は鉛（Ｐｂ）からなる周期表のＩＶ族の複数の元素を含む化合物半導体を表す従来の意味を指すものとして理解される。
本明細書において、「ＩＶ−ＶＩ化合物半導体」という用語は、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）又は鉛（Ｐｂ）からなる周期表のＩＶ族の少なくとも１つの元素、及び、硫黄（Ｓ）、セレニウム（Ｓｅ）又はテルリウム（Ｔｅ）からなる周期表のＶＩ族の少なくとも１つの元素を含む化合物半導体を表す従来の意味を指すものとして理解される。
本発明は、一般的に、高いスイッチング速度で機能するシステムを含む完全集積型半導体チップキャリアに関し、特には、量子サイズ効果、又は、バルク物質層を通して量子ドットの特性を示すバルク物質層を含む能動装置のモノリシックな集積を可能とするプロセス及び方法に関する。
本発明の一実施形態は、５０ｎｍ以下の公称最大粒径を有する個々の結晶粒を形成する主要成分と、前記個々の結晶粒間に境界を形成する副成分と、
を含む三次元多結晶半導体物質を提供する。
前記副成分は前記主要成分の前記結晶粒を包囲してもよい。前記多結晶物質内の量子サイズ効果が、量子井戸の自由電子ガス特性を引き起こし（誘導）てもよい。前記多結晶物質が三次元量子井戸構造を形成してもよい。前記副成分のモル濃度が、前記多結晶物質の０．０００１ｍｏｌ％から０．７５ｍｏｌ％の間であってもよい。前記結晶粒を含む前記主要成分は、シリコン、ゲルマニウム、スズ又はそれらの混合であってもよい。前記粒界を形成する前記副成分は、金属ハロゲン化物からなる絶縁、半絶縁又は半導体物質であってもよく、前記金属ハロゲン化物は、周期表の第１（Ｉ）族からのアルカリ元素若しくは第２（ＩＩ）族のアルカリ土類元素、又は、アルカリ若しくはアルカリ土類金属と同様の化学特性を有する遷移金属、及び、周期表の第７（ＶＩＩ）族から選択されたハロゲン元素を含む。前記絶縁又は半絶縁物質は、多結晶粒を含む半導体物質のバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有してもよい。境界を形成する前記副成分は、周期表の第１（Ｉ）族からのアルカリ元素若しくは第２（ＩＩ）族のアルカリ土類元素、又は、アルカリ金属若しくはアルカリ土類金属と同様の化学特性を有する遷移金属からなる導電物質であってもよい。結晶粒を備える前記主要成分は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体物質であり、且つ、境界を形成する前記副成分は、金属ハロゲン化物からなる絶縁、半絶縁又は半導体物質であり、前記金属ハロゲン化物は、第１（Ｉ）族からのアルカリ元素、又は、アルカリ金属と同様の化学特性を有する遷移金属、及び、周期表の第７（ＶＩＩ）族から選択されたハロゲン元素を含んでもよい。結晶粒の前記主要成分は、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体であってもよく、且つ、境界を形成する副成分は、シリコン、炭化ケイ素、ゲルマニウム、スズ又はそれらの混合である。前記多結晶物質は、全ての方向において５０ｎｍよりも大きい三次元サイズを有してもよい。前記多結晶物質は、モノリシックに能動装置に一体化されてもよい。前記能動装置は、電界効果トランジスタ、光電装置又は光子装置であってもよい。結晶粒を備える前記主要成分は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体物質であり、且つ、境界を形成する前記副成分は、周期表の第１（Ｉ）族からのアルカリ元素又はアルカリ金属と同様の化学特性を有する遷移金属からなる導電物質であってもよい。
本発明の別実施形態は、半導体キャリアにモノリシックに集積されると共に、２ｎｍから１０ｎｍ厚である粒界物質によって包囲される２０ｎｍから５０ｎｍの範囲の最大物理寸法を有する半導体結晶粒を含むナノスケールの多結晶アセンブリから構成された半導体層を含む能動装置を備えており、前記多結晶粒内の量子サイズ効果が、量子井戸の自由電子ガス特性を引き起こす半導体キャリアを提供する。
前記能動装置は、電界効果トランジスタ、光電装置又は光子装置であってもよい。前記能動装置は、その表面にモノリシックに集積された出力（電力）管理モジュールを備えてもよい。前記能動装置は半導体ダイを備えてもよい。当該半導体キャリアは、前記キャリア基板内に組み込まれた能動回路を有してもよい。
さらに別の実施形態は、半導体層を製造する方法を提供する。当該方法は、２ｎｍから１０ｎｍ厚である粒界物質によって包囲される２０ｎｍから５０ｎｍの範囲の最大物理寸法を有する半導体結晶粒を含むナノスケールの多結晶アセンブリから構成された半導体層を製造する方法であって、前記多結晶粒内の量子サイズ効果が、量子井戸の自由電子ガス特性を引き起こし、当該製造方法は、元素半導体又は所望の化合物半導体化学量論からなる主要相の多結晶粒を形成するために適切な化学量論比を有する低揮発性液体有機金属前駆体の溶液を形成するステップと、前記主要相の多結晶粒の粒界に、絶縁、半絶縁又は半導体第２層物質を形成するために適切な化学量論比を有する、０．０００１ｍｏｌ％から０．５ｍｏｌ％の範囲の濃度で前記溶液にドーパントを加えるステップと、前記多結晶粒内に必要な濃度の前記主要相の多結晶粒の、前記ドーパントの前駆体を前記溶液に加えるステップと、前記半導体層が形成される基板を２５０℃から５００℃の範囲の温度に加熱するステップと、原子スケールで化学的に均一である化学量論的精度を有するアモルファス堆積物を形成するように、不活性又は還元ガス雰囲気中で前記基板上で不揮発性有機金属前駆体を同時に分解するステップと、前記堆積物から有機残渣物を除去するように前記アモルファス堆積物をベーク（焼成）するステップと、最小で５秒間、イオン化アルゴンプラズマ内で、４０℃と４００℃の間の基板温度、且つ、１５００ｍＴｏｒｒから５０００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で、５０Ｗから３００Ｗの適用電力を使用して前記ベークした堆積物をアニーリングするステップと、前記イオン化アルゴンプラズマに窒素、及び／又は、二酸化炭素及び一酸化炭素の還元分圧比を選択的に加えるステップと、を含む。
結晶粒を含む前記半導体物質は、シリコン、ゲルマニウム、スズ又はこれらの任意の混合であってもよい。前記粒界を形成する前記副成分は、金属ハロゲン化物からなる絶縁、半絶縁又は半導体物質であってもよく、前記金属ハロゲン化物は、周期表の第１（Ｉ）族からのアルカリ元素若しくは第２（ＩＩ）族のアルカリ土類元素、又は、アルカリ若しくはアルカリ土類金属と同様の化学特性を有する遷移金属、及び、周期表の第７（ＶＩＩ）族から選択されたハロゲン元素を含む。前記絶縁又は半絶縁物質は、多結晶粒を含む半導体物質のバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有してもよい。結晶粒を備える前記主要成分は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体物質であり、且つ、境界を形成する前記副成分は、金属ハロゲン化物からなる絶縁、半絶縁又は半導体物質であり、前記金属ハロゲン化物は、第１（Ｉ）族からのアルカリ元素、又は、アルカリ金属と同様の化学特性を有する遷移金属、及び、周期表の第７（ＶＩＩ）族から選択されたハロゲン元素を含んでもよい。結晶粒の前記主要成分は、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体であってもよく、且つ、境界を形成する副成分は、シリコン、炭化ケイ素、ゲルマニウム、スズ又はそれらの混合である。
本発明を、添付の図面を参照して例示的に示し、かつ説明する。
先行技術の量子井戸電界効果トランジスタの物理構造を示す。 図１の量子井戸装置のエネルギーバンドダイアグラムを示す。 完全集積型シリコンチップキャリアを示す。 様々な元素及び化合物半導体の電荷キャリアモビリティを表す表。 粒界内に埋め込まれた金属元素を有するナノスケールの粒を含む多結晶半導体を示す。 粒界内に埋め込まれた絶縁化合物を有するナノスケールの粒を含む多結晶半導体を示す。 粒界内に埋め込まれた金属元素を有するナノスケールの粒を備える多結晶半導体マトリックス内に形成された三次元（３Ｄ）量子ドット半導体層のエネルギーバンド構造の二次元（２Ｄ）画像を示す。 粒界内に埋め込まれた絶縁化合物を有するナノスケールの粒を備える多結晶半導体マトリックス内に形成された三次元（３Ｄ）量子ドット半導体層のエネルギーバンド構造の二次元（２Ｄ）画像を示す。 量子ドット電界効果トランジスタの断面図。 ハロゲン化有機金属前駆体化合物を使用して量子井戸電界効果トランジスタの半導体層を作成する方法を示すことに使用される基板断面視を示す。 ハロゲン化有機金属前駆体化合物を使用して量子井戸電界効果トランジスタの半導体層を作成する方法を示すことに使用される基板断面視を示す。 ハロゲン化有機金属前駆体化合物を使用して量子井戸電界効果トランジスタの半導体層を作成する方法を示すことに使用される基板断面視を示す。 ナノスケールの多結晶３Ｄ電子ガス層を含むＩＧＢＴパワーＦＥＴを示す。 その表面上にモノリシックに集積された量子ドット光電又は光子装置を備える半導体キャリアを示す。 所定の物質の絶縁／半絶縁／半導体粒界のための代表的な粒−粒界の組み合わせを示す表Ｉである。 所定の物質の絶縁／半絶縁／半導体粒界のための代表的な粒−粒界の組み合わせを示す表ＩＩである。
本出願は、２０１１年６月２４日に出願されたｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔの「縦型ＦＥＴ電力モジュールを有する半導体キャリア」と題する米国特許出願第１３／１６８，９２２号（ｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔ‘９２２号）、および２０１１年６月１７日に出願されたｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔの「周波数選択性ダイポールアンテナ」と題する米国特許出願第１３／１６３，６５４号（ｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔ‘６５４号）との同時係属出願であり、これらは参照により本明細書に含まれる。本出願は、半導体キャリア上に一体化された能動コンポーネント内にバルク半導体層を挿し込むための手段を教示し、バルク半導体層は、５０ｎｍよりも大きい厚みを有し、電子ガスの一般的な誘電特性を表す。一つの対応出願（ｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔ‘９２２号）は、高電流レベルを変調（モジュレート、調節、修正）するために、蛇行巻線により有効化される共振三次元ゲート構造体を用いて高効率の電力管理システムを半導体キャリア上にモノリシック構造体として完全集積するための手段を教示している。もう一つの対応出願（ｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔ‘６５４号）は、導電素子を、容量または誘導負荷の局所化領域を引き起こすように折り畳み、折り畳まれた導体の長さに沿った局所化リアクティブ負荷の組み合わせが分散ネットワークフィルタを形成するようにすることで、導電素子を蛇行巻線として形成するための方法を教示している。前記出願は次いで、こうして形成される２つの鏡像蛇行素子が選択周波数に渡って共振性であるダイポールアンテナとしてどのように機能するかを示している。また、対応出願であるｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔ‘６５４号は、局所化リアクティブ負荷の結合強度を高める、またはより精確に調整するために、局所化リアクティブ負荷領域内に厳密公差のエレクトロセラミック材料を挿入することも教示している。現行出願は、２０１１年８月２３日に出願されたｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔの「共振トランジスタゲートを有するパワーＦＥＴ」と題する米国出願第１３／２１６，６９２号（ｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔ‘６９２号）と共に出願され、前記出願は参照により本明細書に含まれる。同時継続出願のｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔ‘６９２号は、所定の周波数において低電流密度で大電流を変調する電力管理モジュール及び半導体キャリア上に電力管理モジュールを形成する方法を教示する。
現行出願は、参照により、２００６年６月３０日に出願されたｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔの「電気素子および製造方法」と題する米国特許出願第１１／４７９，１５９号明細書（‘１５９号出願）、２００７年１月６日に出願されたｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔの「電力管理モジュール」と題する米国特許出願第１１／６２０，０４２号明細書（‘０４２号出願、２０１０年７月２６日に出願されたｄｅ ＲｏｃｈｅｍｏｎｔおよびＫｏｖａｃｓの「液体化学堆積プロセス装置および実施形態」と題する米国特許出願第１２／８４３，１１２号明細書（‘１１２号出願）、２０１１年６月２日に出願されたｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔの「表面ＦＥＴを有するモノリシックＤＣ／ＤＣ電力管理モジュール」と題する米国特許出願第１３／１５２，２２２号明細書（‘２２２号出願）、及び、２０１１年７月１３日に出願されたｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔの「切断ツール及び製造方法」と題する米国特許出願第１３／１８２，４０５号明細書（‘４０５号出願）に含まれる全ての内容を組み入れるものである。‘１５９号出願は、ＬＣＤ法が、厳密公差の受動ネットワークを備えるモノリシック集積回路をどのように製造するかを開示している。‘０４２号出願は、液体化学堆積（「ＬＣＤ」）法が、調整可能なインダクタコイルを備えるモノリシック集積電力管理モジュールをどのように製造するかを開示している。‘１１２号出願は、ＬＣＤ法の適用において使用される好適な装置を開示している。‘２２２号出願は、表面ＦＥＴを含む低損失電力管理回路のモノリシックな集積化を教示している。‘４０５号出願は、ケイ素及び炭素元素を組み込む炭化ケイ素又は複雑な化合物のような、炭化物、窒化物及び最大相（ＭＡＸ−ｐｈａｓｅ）物質を製造するＬＣＤ法を開示する。
図３〜１０を参照して、本発明の特徴を説明する。図３は、半導体チップキャリア１００を図示する。本発明は、高速コンピューティングモジュール、ＲＦ無線モジュール、完全集積型レーダーモジュール、フォトニックモジュール及び光電子モジュールに適用可能である。また、それは、このようなモジュール、又は、高出力密度及び高スイッチング速度回路を要求する上述のモジュールの組み合わせを含む任意の回路にも適用可能である。ここに説明するとおり、半導体チップキャリア１００は、キャリア基板１０３上のディスクリート（独立）又は積層構造のいずれかに搭載された複数の集積回路（半導体チップ）１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ、１０２Ｄを含む。キャリア基板１０３は、大きい半導体チップであり、該半導体チップは、搭載された又はそこに集積された様々なコンポーネント（素子）を相互接続することに使用されるその表面上に導電トレースを有する。追加の低レベル能動回路（明確に示さず）は、キャリア基板１０３内に組み込み可能である。このような低レベル能動回路は、限定されないが、ラッチング、センシング、スイッチング及びバス管理システムに有用な信号ドリフト回路を含んでもよい。ＬＣＤプロセスは、キャリア基板１０３の表面に追加の回路を集積することに使用可能であり、それは、限定されないが、回路クロック速度を安定化又は能動的に調整する厳密公差ＬＣ回路を形成することに使用される臨界公差インダクタコイル１０４Ａ、１０４Ｂ、及び／又は、キャリア基板１０３の表面上にモノリシックに形成される能動ネットワーク１０６を含んでもよい。
集積回路半導体ダイ１０２は、半導体製造公差が２２ｎｍラインのフィーチャーノード（ｆｅａｔｕｒｅ ｎｏｄｅ）を超えるときに、７５０Ｗインチ２を超える電力需要を必要とする。ここに参照により組み込んだ‘０４２、‘１２２、‘１５９、‘２２２、‘６５４、‘６９２、‘９２２号出願に詳述された方法及び実施形態を使用して、高効率、高速完全集積型電力管理モジュール１０８がチップキャリア１００上にモノリシックに形成される。これら方法及び実施形態は、メモリ装置、及び、プロセッサダイ又は半導体キャリア１００上の同一場所に配置された他の半導体ダイの間のデータ転送を最適化することに使用してもよい。
図４〜８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄを参照して、半導体層内に三次元（３Ｄ）電子ガスを生成するために必要なナノスケールマイクロ構造に付与される、２０〜５０ｎｍよりも大きい厚みを有する半導体相を集積することに、ＬＣＤ製造方法のユニークな特性がどのように適用されるかを説明する。上述の参照した出願に開示されているとおり、ＬＣＤ製造方法は、原子スケールの化学均一性及び化学量論の精度で異種の「不整合（ｍｉｓｍａｔｃｈｅｄ）」物質を、堆積物質の引張強度よりも強い表面付着で、半導体基板表面上の選択された領域に集積することを可能とする。従来の物質堆積技術と異なり、ＬＣＤは、高い組成精度で堆積物質内に組み込み可能である元素（化学）コンポーネントの数に制限を課さない。これは、高い化学的複雑性を有する物質をモノリシック構造に集積することを可能とする。ＬＣＤで使用される低いプロセス温度（≦４００℃）は、半導体基板内に埋め込まれた能動コンポーネントのドーパントプロファイル（形態）を変化させない。これら低い堆積温度は、ＬＣＤ堆積物が均一な固溶体を初期形成することを可能とする。すなわち、これは、続く高速熱アニーリングプロセスの適用によってナノスケール寸法に制限されるＬＣＤ堆積物にマイクロ構造を形成する手段を提供する。均一な化学分布及びナノスケールのマイクロ構造（結晶粒サイズ）が、変化する温度で安定したままの機能特性を有する電磁受動コンポーネントを集積するために必要な条件であり、これは、経済的に実行可能なシステムインパッケージ（ＳｉＰ）又はシステムオンチップ（ＳｏＣ）内の受動回路のモノリシックな集積を形成するのに必要とされる臨界性能公差を満足する。また、これらユニークな特性は、３Ｄ電子量子ガスを形成するために必要な粒状の量子井戸の均一なアセンブリを含む多結晶半導体物質のナノスケールの修飾をも可能とする。
図４は、本発明で使用可能な様々な半導体の電荷キャリア（電子−正孔）モビリティのリストを示す。より高いスイッチング速度が、より高い電荷キャリアモビリティを有する半導体システムにおいて可能となる。先行技術（図１及び２）に教示するとおり、超高速電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、高い電荷キャリアモビリティ半導体物質を使用して構築される。これら半導体物質は、典型的に、低い有効電子質量、大きい弾道（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ）平均自由行程、及び高い飽和速度を有する。アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）のような好ましい高キャリアモビリティ半導体物質は、典型的には、低いバンドギャップエネルギーを有し、これは、衝突イオン化によって発生したアバランシェ降伏にそれらを導く。衝突イオン化閾値が本質的に物質バンドギャップに対応するので、比較的低いソース−ドレイン電圧（ＶＤＳ）から生成された電界が、線形応答及び熱暴走の虞があるアバランシェ降伏及び逃走電流を引き起こす。アバランシェ降伏は、高速ＦＥＴがモジュレータ、増幅器又はＦＥＴベース論理装置のような比較的高い動作電圧を要求する用途で使用されることを阻み、高い周波数ゲイン値をも制限する。これら制限が、高速コンピューティング又はモバイル通信プラットフォームのような高出力周波数信号増幅又は管理が必要であるシステムにおける応用を阻害する。量子井戸内に形成された電子ガスは、有効電子質量をさらに削減し、且つ、低バンドギャップ半導体におけるアバランシェ降伏を最小化することができる。
図１及び２の先行技術は、広いバンドギャップ半導体物質の層５、７（層５、７は、さらに広いバンドギャップ半導体の層３、４によって挟み込まれる）間の超薄層６（２０−５０ｎｍ）のように、高キャリアモビリティ／低バンドギャップエネルギー半導体を挟み込むことで平面量子井戸２８を形成することにより、逃走電流を低バンドギャップ半導体内に抑制可能であることを教示する。超薄層６の薄い厚みは、エネルギーバンド２６、２７によって閉じ込められる量子井戸２８内の量子化効果を引き起こす。これら量子化効果は、量子井戸２８で定められる第１伝導チャネル内の高電子モビリティを有する２Ｄ電子ガスを生成する。より広いバンドギャップ半導体を備えるこれら隣接層５、７は、第１伝導チャネル６内に含まれる半導体物質の衝突イオン化閾値に近い伝導バンド２１、２２を有するように選択される。これは第２チャネルを可能とする。第２伝導チャネル２の幅が、量子化効果を引き起こすために必要な寸法よりも大きいので、２Ｄ電子ガスが、第１伝導チャネルの量子井戸２８内に形成されるだけである。これは、スイッチング速度を低下させるトレードオフにつながるが、第１伝導チャネル６内の衝突イオン化閾値に到達するべきキャリアのいくつかを、より高いイオン化閾値を有する第２チャネル２にそらすことを可能にすることにより、なだれ電流を軽減する。先行技術は、キャリアモビリティ、速度及び平均自由行程を最大化する結晶半導体を作製するためにエピタキシャル法を使用して形成された超高速ＦＥＴ内の第１及び第２伝導チャネルにおいて使用された半導体物質を教示する。
先行技術が、超高速ＦＥＴの超薄平面内に２Ｄ電子ガスを引き起こす多層構造の使用を教示するが、第１伝導チャネルを２０〜５０ｎｍの厚みに規制する限界が、高電子モビリティ層を通して導かれ得る全体電流を限定する。超薄層は、低い電力レベルであっても衝突イオン化及びなだれ電流の確率を迅速に増加させる高い電流密度を引き起こす。したがって、高速層における電力密度を減少させるように２０〜５０ｎｍよりも大きい厚みを有する半導体物質内に、高い電子モビリティを引き起こす方法及び実施形態を開発することが望まれている。第１及び第２伝導チャネルを備える複数の多層構造を形成することによって、より高い電流は先行技術の下で達成可能である。すなわち、複数の多層構造を使用するアプローチは、２０〜５０ｎｍよりも厚い単半導体層内に電子ガス特性を可能とする同様の装置と比較したときに実質的にコストが高く、且つ、経済的価値が限定されるので、大幅に大きい厚みを有する量子化伝導チャネルを作製することが望まれている。また、良好に衝突イオン化閾値を管理するように、より広いバンドギャップの半導体物質において電子ガスを可能とする方法及び実施形態を開発することも望ましい。
図５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂを参照して、どのように、ＬＣＤ製造方法によって可能となったナノスケールのマイクロ構造制御が、三次元（３Ｄ）電子ガスを有する半導体層を形成するように使用されるかを説明する。図５Ａ、５Ｂは、径において５０ｎｍよりも小さい最大物理寸法１２３（好ましくは、最大物理寸法が２０〜５０ｎｍの範囲）を有する半導体粒１２２のマトリックスからなる多結晶半導体物質１２０の三次元微細体積の断面を示す。多結晶物質は、シリコン又はゲルマニウム、周期表のＩＶ族の複数の元素を含むＩＶ−ＩＶ半導体のような元素半導体を含んでもよく、あるいは、ＩＩＩ−Ｖ半導体化合物、より好ましくは、組成的に複雑なＩＩＩ−Ｖ半導体化合物からなる。装置の用途に応じて、本発明の特定の実施例は、ＩＩ−ＶＩ又はＩＶ−ＶＩ化合物半導体、好ましくは組成的に複雑なＩＩ−ＶＩ又はＩＶ−ＶＩ化合物半導体の使用を好む。
通常、電荷キャリアが粒界を誘導しようとするときに衝突される格子転位によって引き起こされる平均自由行程の減少によって、多結晶半導体は、大幅に減少した電荷キャリアモビリティを有する。しかしながら、化学的に異なる物質が粒界１２４、１２６で粒１２２を包囲するとき、多結晶半導体物質１２０の各粒１２２がバルク物質内で量子ドットになって、量子化効果を励起する量子井戸を形成することに、範囲２０〜５０ｎｍの最大物理寸法１２３は十分に小さい。これにより、量子ドットは各粒１２２内で三次元（３Ｄ）電子ガスを形成する。量子トンネル機構は、フェムト秒（１０００兆分の１秒）で起こる、エネルギーバリアに亘る最速電荷移動機構を表しており、本発明のさらなる好適な実施例は、選択的に、金属粒界物質１２４（図５Ａ）の薄層（２〜１０ｎｍ厚、好ましくは２〜５ｎｍ厚）で半導体粒１２２を包囲することによって、又は、粒界物質１２６（図５Ｂ）を絶縁することによって、エネルギーバリアを強化する。粒界内に拡散した相分離物質で励起された量子効果が図６Ａ、６Ｂに示されている。
図６Ａは、Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’（図５Ａ）の断面のいずれかに沿って観察される３Ｄ電子ガスのエネルギーバンドダイアグラム１３０を示している。これは、１ｎｍから１０ｎｍの範囲、好ましくは２〜４ｎｍの範囲の厚みを有する金属粒界物質１２４によって２０〜５０ｎｍの多結晶半導体粒１２２が包囲されるときに、形成された接合（ジャンクション）によって構成される。金属半導体界面１３１Ａ、１３１Ｂ、１３１Ｃ、１３１Ｄは、金属粒界１３４Ａ、１３４Ｂ及び半導体粒１３５Ａ、１３５Ｂ、１３５Ｃ内のフェルミ準位１３３の平衡を通して接合バリア１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄを形成する。平衡プロセスは、金属粒界内の電子及び半導体粒内の正孔を界面に収集させる。半導体領域内の強力な空乏場が、伝導バンド１３６Ａ、１３６Ｂ、１３６Ｃを屈曲させて、これにより、３Ｄ電子ガスを形成するように、伝導バンド内の電子エネルギー準位１３８を量子化するエネルギー井戸１３７Ａ、１３７Ｂ、１３７Ｃを形成する。金属半導体接合における量子エネルギー井戸１３７Ａ、１３７Ｂ、１３７Ｃ間の接合バリア（φＢ）１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄの高さ１３９は一般的に以下の式で与えられる。
ｑφＢ＝ｑ（φｍ−χ） 式（１）
ｑは電子電荷であり、φｍは金属仕事関数であり、且つ、χは半導体電子親和力である。量子化エネルギー準位１３８内に注入され、且つ含有された伝導電子は、フェムト秒の通過速度で接合バリア（φＢ）をトンネル（ｔｕｎｎｅｌ）する。これにより、これら物質が電界効果トランジスタ構造内に構成されたとき、非常に速い半導体スイッチング速度を可能とする。薄型金属粒界物質１２４は、ほとんどの応用で望ましくない漏れ電流を引き起こすので、ＦＥＴスイッチ装置には制限的である。したがって、図５Ｂに示すとおり、半導体粒１２２を包囲する電気的に絶縁又は半絶縁／半導体粒界物質１２６を有する多結晶半導体１２１を形成することが好ましい。絶縁粒界物質１２６及び半導体粒１２２の間の階段接合（ａｂｒｕｐｔ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）は、特徴的に異なる量子井戸構造を形成する。図６Ｂは、Ｄ−Ｄ’、Ｅ−Ｅ’、Ｆ−Ｆ’（図５Ｂ）の断面のいずれかに沿って観察される３Ｄ電子ガスのエネルギーバンドダイアグラム１４０を示している。これは、１ｎｍから１０ｎｍの範囲、好ましくは２〜５ｎｍの範囲の厚みを有する絶縁粒界物質１２６によって２０〜５０ｎｍの多結晶半導体粒１２２が包囲されるときに、形成された接合によって構成される。あるいは、代替的に、粒１２２及び粒界物質１２６間のヘテロ接合を形成するように、絶縁体はより広いバンドギャップの半導体であってもよい。絶縁体−半導体界面１４１Ａ、１４１Ｂ、１４１Ｃ、１４１Ｄは、絶縁粒界１４４Ａ、１４４Ｂ及び半導体粒１４５Ａ、１４５Ｂ、１４５Ｃ内のフェルミ準位１４３の平衡を通して接合バリア１４２Ａ、１４２Ｂを形成する。半導体及び絶縁体領域の間の伝導バンド端１４６Ａ及び価電子バンド（価電子帯）端１４６Ｂのオフセットが、３Ｄ電子ガスを形成するように、伝導バンド１４９内の電子エネルギー準位１４８を量子化する半導体粒１４５Ａ、１４５Ｂ、１４５Ｃ内にエネルギー井戸１４７Ａ、１４７Ｂ、１４７Ｃを形成する。同様の量子化が、半導体粒１４７Ａ、１４７Ｂ、１４７Ｃの価電子バンド１５１内の正孔エネルギー準位において起こる。半導体物質が多結晶であるので、電荷キャリアは、非常に短い平均自由行程（２０〜５０ｎｍ）を有し、且つ、弾道導電電流が衝突イオン化を発生させるのに必要な高速度に達しない。さらに、フェムト秒の通過（ｔｒａｎｓｉｔ）時間を有するトンネル電流が、多結晶半導体物質内の量子井戸間の導電メカニズムを支配する。これら運搬工程は、速いスイッチング速度を可能にすると共にアバランシェ降伏のリスクを軽減して、弾道電子が生じることなく、且つ、固定全体に分配された量子エネルギー井戸が結晶格子内の原子を伝導電子から有効に遮断する。粒がほぼ球状であると共に、電子が全方位にトンネル可能な三次元量子エネルギー井戸内に電子をトラップ（捕捉）することにより、３Ｄ電子（正孔）ガスが形成される。
より詳細に説明するとおり、熱力学及び／又は化学的不適合（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）が、結晶粒を処理する間、粒界物質から粒物質を相分離することに必要である。表Ｉ及びＩＩ（図１１及び図１２）に示すとおり、絶縁、半絶縁又は半導体粒界物質１２６は、ナノスケール多結晶粒を含む元素から少なくとも２又は３列離れた周期表の列内に見出された元素を主成分とし、当該熱力学／化学不適合を達成する。表Ｉは、ＩＶ族及びＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（左手側）の代表的な組み合わせを表しており、これらは粒界１２６内に配置された絶縁、半絶縁、又は、広いバンドギャップのＩＩ−ＶＩ及び／又はＩ−ＶＩＩ半導体物質によって包囲された粒１２２に使用可能である。表ＩＩは、低いバンドギャップのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体（左手側）の代表的な組み合わせを表しており、これらは粒界１２６内に配置された絶縁、半絶縁、又は、広いバンドギャップのＶＩ族半導体物質によって包囲された粒１２２に使用可能である。半導体粒１２２を伝導粒界物質１２４で包囲するとき、族順位（ｃｏｌｕｍｎ ｒａｎｋｉｎｇ）に関する同様の関係を適用する。明確に理解されるべきであるが、ＬＣＤ製造方法が高い化学的複雑性を有する物質の化学的融合を可能とするので、ＩＩＩ−Ｖ及びＩＩ−ＶＩ半導体化合物が、二元化合物に制限されることを必要とせず、簡単に３又はそれ以上の元素化合物を含むことができる。
これら多結晶半導体によって提供される主な利点は、図１に示すような第１伝導チャネル６が２０〜５０ｎｍ層厚に制限される先行技術と対照的に、任意の厚みの伝導チャネルを有する装置を簡単に構築可能であることである。図７は、本発明の重要な実施例を示し、有効電場（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ａｃｔｉｖｅ ｆｉｅｌｄ）、先行技術よりも実質の電流を運搬可能な電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）装置１６０を構築する手段を提供する。多結晶半導体が、伝導電子の平均自由行程を減少させ、且つ、高い弾道速度で引き起こされるアバランシェ降伏の関連リスクを軽減させるので、そこに形成された３Ｄ電子（及び正孔）ガスが、１又は複数のより広いバンドギャップの半導体層７、８及び３、４によって囲まれた薄い第１伝導チャネル６に限定される必要がない。本発明の下で、第１伝導チャネル１６１は、２０ｎｍから１０ミクロン（μｍ）の範囲、好ましくは５０ｎｍよりも大きく、且つ、最適には１〜２μｍの多結晶半導体層厚を有してもよい。これにより、より大幅に高い電流が、かなり低い電流密度に変調（調節、モジュレート）されることを許容する。本発明は、半導体間のエネルギーバリアによって励起される量子サイズ効果よりはむしろ、半導体層自体のナノスケール微細構造によって電子ガスを形成するので、アンチモン化インジウム（Ｅｇａｐ＝０．１７ｅＥ）のような低いバンドギャップの対応物よりもイオン化衝突に影響を受けにくい、シリコン（Ｅｇａｐ＝１．１１ｅＶ）又はガリウムヒ素（Ｅｇａｐ＝１．４３ｅＶ）のような伝導チャネル内の広いバンドギャップ物質の使用を可能とする。５０ｎｍよりも厚い伝導チャネル内の低いバンドギャップ物質を挿入することに利点があるような場合、伝導チャネルは、その間に挿入されたより広いバンドギャップ半導体物質を備える追加層１６２、１６３、基板１６４及び／又はゲート電極１６５を選択的に有する。ゲート電極１６５に適用された電圧は、ソース１６７及びドレイン１６８領域の間の第１伝導チャネル１６１内の電流フローを調節（変調）するように、ゲート酸化物１６６を通して電場を変化させることに使用される。電気コンタクトが、抵抗ソース電極１６７及びドレイン電極１７０をそれぞれ使用して、ソース１６７及びドレイン１６８領域に形成される。
先行技術によって教示された変調（調節）された電流多層２Ｄガス構造は、２０〜５０ｎｍ厚である第１伝導チャネル６への高速電流輸送を制限し、４０から数１００のこのような層は、本発明で説明された１つの２ミクロン厚の３Ｄ電子ガス第１伝導チャネル１６１内の等価電流を輸送することに必要である。限定されないが、高速コンピューティングプロセス又は無線用途で使用される電力管理装置又はシリコンキャリアを含むＬＣＤ法、装置及びプロセスを使用して、高速量子ドット電界効果トランジスタは任意の回路に集積されてもよい。
図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄを参照して、どのように液相化学堆積（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＬＣＤ）法が使用されて多結晶３Ｄ電子ガス半導体層１６１を形成することに使用されるかを説明する。参照によってここに組み込まれたｄｅ Ｒｏｃｈｅｍｏｎｔ等の‘１１２号出願は、基板１７２上にアモルファス層１７１を形成するためにＬＣＤプロセスによって使用される装置（？）、プロセスを説明する。基板１７２は、適切にドープされた半導体ウエハ又は半導体層を含んでもよい。所望の半導体化合物、その電子ドーパント（必要であれば）、及び、その粒界物質の化学量論的混合物からなる低揮発性液体有機金属前駆体のエアロゾルスプレーを不活性又は還元ガス環境内で分解することによって、アモルファス層１７１が基板１７２上に形成される。基板１７２は、典型的には２００℃から５００℃、好ましくは３００℃から４００℃の最高分解温度を有する液体前駆体化合物を熱分解する温度まで加熱される必要がある。（基板１７２（図８Ａ）として機能する適切にドープされた半導体層又はウエハに液体有機金属のエアロゾルスプレーを適用することを用いて）不活性又は還元ガス雰囲気は、窒素又は希ガス、水素及び／又は一酸化炭素及び二酸化炭素の還元分圧比を含んでもよい。アモルファス層は、電気的及び他のドーパントを有する元素半導体を含んでもよく、あるいは、電気的及び他のドーパントを有する化合物半導体であってもよい。ＬＣＤプロセスは、アモルファス層が、原子スケールで組成的に均一である化学成分の正確な比率を有することを可能とする。スプレー堆積の後にベークアウト（焼成）ステップが続く。このベークアウトステップは、基板を加熱し、２〜２０分間、４００℃及び６００℃の間の温度に置いて、エアロゾルスプレー堆積ステップの間に熱分解しない全ての残渣有機金属を除去する。堆積物中のいずれかの液体種の存在が、続くアニーリングステップの間に、原子スケールの化学的均一性の低下を加速する。
そして、プラズマアニーリングステップが、アモルファス層１７１を２０〜５０ｎｍの間の範囲の粒サイズ１７４を有する均一な微細構造を有する多結晶層１７３に変えることに使用される。アモルファス堆積物を多結晶状態に変えることに他の熱処理方法を使用可能であるが、高速熱アニーリングプロセス及びプラズマアニーリングプロセスが特に好ましい。基板１７２及び堆積物１７１は、イオン化プラズマアニーリングプロセスステップの間、４０℃から４００℃の範囲の温度に予熱されてもよい。アルゴンガスは、プラズマアニーリングプロセスステップに使用された主要なバラスト（安定化手段）であり、２０％の分圧を超えない窒素及び／又は一酸化炭素及び二酸化炭素からなる追加のガス添加物を含む。５から６０秒の５０Ｗから３００Ｗの範囲の出力（電力）設定で、１５００から５０００ｍＴｏｒｒの範囲の全雰囲気圧が、異なる相粒界物質で包囲されたナノスケールの多結晶半導体粒を発生させることに好ましい。
金属粒界を形成するためのアニーリングステップの間、熱力学プロセスによって粒界に向かって駆動（移動）される金属種を選択することが望ましい。結晶核形成の初期段階では、協働的な力が、大半の化学的濃度で駆動され、不適合（ｉｎｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）な元素を粒界に追い出す一方で、化学的に適合可能（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）な元素を結晶核形成プロセスに引き込む。例えば、シリコンが主要な化学元素であり、９９．９９ｍｏｌ％を超えるレベルで堆積物内に存在する場合、核形成プロセスの間に構築される結晶場が、ゲルマニウムのような同じ電荷及び分子軌道配向を有する元素の組み込みを好む。したがって、不適合な電荷及び軌道特性を有する金属元素から表Ｉ及びＩＩで示されるような粒内に形成された半導体化合物まで、粒界物質を選択することが好ましい。半導体元素が選ばれる列から最も遠い周期表の列に位置する元素がこの要求を満たす。したがって、多結晶堆積物１７３中に金属粒界１７５を形成することが望ましいとき、０．０００１から０．５ｍｏｌ％の濃度のアルカリ金属又はアルカリ土類金属の有機金属前駆体が、アモルファス堆積物を形成することに使用される液体前駆体溶液に添加される。アルカリ金属はアルカリ土類金属よりも好ましい。多結晶堆積物１７３内の表Ｉ及びＩＩ中に記載されたＩ−ＶＩＩ粒界物質のいずれかを含む絶縁粒界１７６を形成することが望ましいとき、アルカリ金属、アルカリ土類金属又は遷移金属のハロゲン化有機金属前駆体が、液体前駆体溶液に加えられる。前駆体分子１７７は、金属元素１７８が最終的に堆積される表面上で分解する有機分子に付着した金属元素１７８を本質的に「運搬（ｃａｒｒｙ）」する。ハロゲン化前駆体は、有機分子中の１又は複数の水素元素１７８をフッ素、塩素、ヨウ素又は臭素の群からのハロゲン元素１８０で置換する。ハロゲン化アルカリ又はアルカリ土類金属前駆体によって、１つのアルカリ又はアルカリ土類ハロゲン又は複数のアルカリ又はアルカリ土類ハロゲンを含む絶縁化合物の元素成分が、続くプラズマアニーリングステップにおいて、堆積表面に輸送され、アモルファス堆積物内に一体化され、且つ、粒界領域１７６に駆動される。’４０５号出願でより詳細に説明されているとおり、液体有機金属前駆体及び炭化ケイ素又は窒化アルミニウムのナノ粒子のコロイド懸濁液を形成することによって、アモルファス堆積物１７１に炭化ケイ素又は窒化アルミニウム物質相を導入可能である。プラズマアニーリングの間、これらナノ粒子炭化物及び窒化物相は、その分子濃度が０．０００１ｍｏｌ％から０．７５ｍｏｌ％の間に維持されるときに粒界に移動する。
本発明の特定の利点は、特定の層又は複数の層内でキャリアモビリティを増加させるように、ナノスケールの多結晶粒半導体によって生成される３Ｄ電子ガスを使用する能力であり、先行技術の下では不可能である。フィリップスの‘２９２号出願に記載されているとおり、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ、Ｅｇａｐ＝０．１７ｅＶ）のような低いバンドギャップ半導体の層をより高いバンドギャップの半導体のエピタキシャル層の間に挟み込むことによって量子井戸を形成することで、２Ｄ電子ガスが生成される（図１及び図２参照）。ＩｎＳｂのような低いバンドギャップ半導体は、図４に示すとおり、非常に高い電荷キャリアモビリティを有するが、それらが結び付けられる原子の、電子ドリフトによって加速される伝導バンド電子が価電子バンド電子を失わせることを引き起こす衝突イオン化プロセスによる、なだれ電流に影響を受け易い。このプロセスは、性能を落とす逃走スイッチング電流を発生させる超過の伝導バンド電子を生成する。２Ｄ量子井戸は、弾道速度で層を通って移動する伝導電子から価電子バンド電子を効果的に遮断する平面低バンドギャップ半導体内に量子化エネルギーバンド構造を形成する。より広いバンドギャップ半導体２４、２５の追加層３、４は、衝突イオン化プロセスをさらに軽減するように付加可能である。２Ｄ量子井戸は、価電子バンド電子を遮断し、且つ、自由電子及び半導体物質を形成する原子に結合される価電子バンド電子の間の電磁的相互作用を最小化する。当該遮断は、伝導電子の有効質量、（「慣性（ｉｎｅｒｔｉａ）」）を減少させ、それは、適用電場の影響下でドリフト輸送機構に対してより応答し易くする。
上述したとおり、トンネルプロセスは、最速電子輸送機構を示す。トンネルプロセスは、井戸の底部を形成する層内のエネルギーバリアが存在しないので、低いバンドギャップ半導体層内でなく、隣接する量子井戸（図示せず）の間で起こり得る。（隣接量子井戸は、図１の垂直方向の複数の多層構造を画像化することにより見ることができる。）平面２Ｄ電子ガスの主な利点は、低バンドギャップ半導体層の非常に薄い（２０〜５０ｎｍ）層内での、低くなった電子（及び正孔）有効質量及び軽減した衝突イオン化への感受性である。
上述したとおり、本発明の３Ｄ量子井戸は、エネルギー粒の境界でエネルギーバリアを差し挟む。したがって、任意の伝導電子の平均自由行程が、ナノスケール寸法の粒（２０ｎｍから５０ｎｍ）に制限される。そして、ドリフトする電子が、それがトンネルする薄い（２ｎｍから１０ｎｍ）エネルギーバリアに衝突する。減少した平均自由行程（減少した衝突イオン化）及び所定方向のトンネル電流又は主要なドリフト電流の組み合わせによって、２０〜５０ｎｍ層に変調電流を限定する規制なしに、全種類の半導体物質が、全方向の速い輸送行程をサポートすることを可能とする。
この利点は、パワーＦＥＴ装置、光電又は光子装置において特に重要であって、層１６１、１６２、１６３、１６４（図７参照）のいずれかが任意の厚みの半導体３Ｄ電子ガスとして形成され得る。さらに、各個別の層１６１、１６２、１６３、１６４は、隣接多結晶半導体層内のバンドギャップとは異なるエネルギーバンドギャップを有する半導体粒から構成可能である。本発明の当該実施例は、ｐ＋−ドーピング層がスイッチング速度を制限する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と同様に、層の電子ドーピングの利点により、バルク半導体層内で、減少したキャリアモビリティによってスイッチング速度が制限される装置構造に特に有益である。図９は、シリコンチップキャリアに集積されたＩＧＢＴ装置２００の断面図であり、これは、グランド及びヒートシンクとして機能する半導体キャリア基板２０２及び電極２０４を選択的に含むことができる。ＬＣＤは、非常に薄いアモルファス層２０６の挿入を可能とし、それにより、半導体３Ｄ電子ガス層を備える単結晶ｐ＋−型半導体ドレイン層２０８をドレイン電極２０４（３Ｄ電子ガス層を含んでもよい）上に堆積することが可能である。ｐ−ｎ接合２１０は、３Ｄ電子ガス多結晶物質から選択的に構成可能なｐ＋−型半導体ドレイン層２０８及びｎ−−型半導体層２１２の間で形成される。ｎ−−型半導体層は、ソース電極２１８と電通したｐ型サブチャネル２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃ及びｎ型ドーパントプロファイル２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃ、２１６Ｄで電気的にパターニングされる。絶縁ゲート電極２２０は、ドレイン２０８からソース電極２１８まで電流が流れることを可能とするチャネル２２２内の反転キャリア集団（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃａｒｒｉｅｒ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）を調節（変調）する。ゲート電極２２０は、好ましくはアモルファスシリカ絶縁物質のような低損失高誘電ブレークダウン絶縁物質（ｌｏｗ ｌｏｓｓ ｈｉｇｈ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）２２４Ａ、２２４Ｂ内に包囲される。任意の又は全ての半導体層は、３Ｄ電子ガスを生成するように変調（修正）されたナノスケールでエンジニアリングされた多結晶半導体から構成されてもよい。ＬＣＤ堆積法が三次元モノリシック物質集積をも可能とするので、垂直伝導チャネルは、３Ｄ電子ガス半導体領域２２６Ａ、２２６Ｂ、２２８Ａ、２２８Ｂからなり、装置構造に選択的に付加され得る。３Ｄ電子ガス半導体領域２２６Ａ、２２６Ｂ、２２８Ａ、２２８Ｂの各々がＩＧＢＴ装置２００内の隣接半導体物質のいずれかの中のエネルギーバンドギャップとは異なるエネルギーバンドギャップを有する多結晶粒を含んでもよい。そして、複数のヘテロ構造を三次元的にパターニングされたモノリシック構造内に形成する
図１０に示された最後の実施形態では、キャリア基板２５４の表面上にモノリシックに集積された出力管理モジュール２５２、そこに搭載された１又は複数の半導体ダイ２５６、及び、内部に組み込まれた３Ｄ電子ガス半導体層２６０を含む光電又は光子装置２５８からなる半導体キャリア２５０が図示されている。
量子井戸技術及びここに説明した製造方法は、量子井戸装置の任意の他の形態に簡単に適用することができることは容易に理解されよう。それらは、限定されないが、マルチプレクサ、信号エンコーダ及びセンサを含む。さらに、上述した装置は、先行技術に対して新規であり自明でない製造方法及び操作方法を具現化することが容易に理解されよう。
以上が、開示した実施形態を参照した本発明の例示的な説明である。開示された実施形態に対しては、当業者により、添付の特許請求の範囲に規定された本発明の範囲を逸脱することなく、様々な修正および変更が行われてもよい。

Claims (20)

  1. その物質本体内の３物理次元全体に沿って１０．６ｎｍよりも大きい距離を超えて機能する量子井戸の自由電子ガス特性を形成し、粒状量子井戸の均一な三次元アセンブリを備える三次元多結晶半導体物質であって、各粒状量子井戸は、
    ５０ｎｍ以下の公称最大粒径を有するとともに前記粒状量子井戸内全体に亘って原子スケールの化学均一性を有する個々の結晶粒を形成する半導体主要成分と、
    前記粒状量子井戸内の前記主要成分を包囲し、隣接する結晶粒内の前記半導体主要成分間にエネルギーの粒界を形成する副成分と、
    を含み、
    前記粒界を形成する副成分は、金属ハロゲン化物からなる絶縁、半絶縁又は半導体物質であり、前記金属ハロゲン化物は、周期表の第１（Ｉ）族からのアルカリ元素若しくは第２（ＩＩ）族のアルカリ土類元素、又は、アルカリ若しくはアルカリ土類金属と同様の化学特性を有する遷移金属、及び、周期表の第７（ＶＩＩ）族から選択されたハロゲン元素を含み、
    前記三次元の粒状量子井戸のアセンブリは、多結晶半導体物質を形成し、均一なナノスケールの微細構造及び粒サイズを有することを特徴とする三次元多結晶半導体物質。
  2. 前記副成分のモル濃度が、前記多結晶物質の０．０００１ｍｏｌ％から０．７５ｍｏｌ％の間であることを特徴とする請求項１に記載の物質。
  3. 前記結晶粒を含む主要成分は、シリコン、ゲルマニウム、スズ又はそれらの混合であることを特徴とする請求項１に記載の物質。
  4. 前記絶縁又は半絶縁物質は、前記多結晶粒を含む半導体物質のバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする請求項１に記載の物質。
  5. 前記結晶粒を備える主要成分は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体物質であり、且つ、前記境界を形成する副成分は、金属ハロゲン化物からなる絶縁、半絶縁又は半導体物質であり、前記金属ハロゲン化物は、第１（Ｉ）族からのアルカリ元素、又は、アルカリ金属と同様の化学特性を有する遷移金属、及び、周期表の第７（ＶＩＩ）族から選択されたハロゲン元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の物質。
  6. 前記結晶粒の主要成分は、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体であり、且つ、前記境界を形成する副成分は、シリコン、炭化ケイ素、ゲルマニウム、スズ又はそれらの混合であることを特徴とする請求項１に記載の物質。
  7. 前記多結晶半導体物質によって形成された自由電子ガスは、全ての方向において５０ｎｍよりも大きい距離に及ぶことを特徴とする請求項１に記載の物質。
  8. 前記多結晶物質は、能動装置にモノリシックに集積されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の物質。
  9. 前記能動装置は、電界効果トランジスタ、光電装置又は光子装置であることを特徴とする請求項８に記載の物質。
  10. 半導体キャリアであって、
    当該半導体キャリアにモノリシックに集積される多結晶半導体層を含む能動装置を備え、
    前記多結晶半導体層は、粒状量子井戸の均一なアセンブリを備え、
    前記粒状量子井戸は、原子スケールの化学的均一性を有し、且つ、エネルギーバリアを形成するとともに２ｎｍから１０ｎｍ厚である副成分の粒界物質によって包囲される２０ｎｍから５０ｎｍの範囲の最大物理寸法を有する半導体主要成分の粒をさらに備え、
    前記粒状量子井戸内の量子サイズ効果が、前記多結晶半導体層の全空間方向に亘って量子井戸の自由電子ガス特性を誘導し、
    前記粒を含む半導体主要成分は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体物質であり、且つ、前記粒界物質を形成する副成分は、金属ハロゲン化物からなる絶縁、半絶縁又は半導体物質であり、前記金属ハロゲン化物は、第１（Ｉ）族からのアルカリ元素、又は、アルカリ金属と同様の化学特性を有する遷移金属、及び、周期表の第７（ＶＩＩ）族から選択されたハロゲン元素を含むことを特徴とする半導体キャリア。
  11. 前記能動装置は、電界効果トランジスタ、光電装置又は光子装置であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体キャリア。
  12. 前記能動装置は、その表面にモノリシックに集積された受動ネットワーク回路を有する出力管理モジュールを備えることを特徴とする請求項１０に記載の半導体キャリア。
  13. 前記能動装置は、前記キャリア表面に搭載された半導体ダイを備えることを特徴とする請求項１０に記載の半導体キャリア。
  14. 当該半導体キャリアは、半導体基板を備え、前記半導体基板は、前記キャリア基板内に集積された能動回路、及び、前記キャリア基板上にモノリシックに集積された受動ネットワーク回路を有することを特徴とする請求項１０に記載の半導体キャリア。
  15. ２ｎｍから１０ｎｍ厚である粒界物質によって包囲される２０ｎｍから５０ｎｍの範囲の最大物理寸法を有する半導体多結晶粒を含むナノスケールの多結晶アセンブリから構成された半導体層を製造する方法であって、前記多結晶粒内の量子サイズ効果が、量子井戸の自由電子ガス特性を誘導し、
    当該製造方法は、
    元素半導体又は所望の化合物半導体化学量論からなる主要相の多結晶粒を形成するために適切な化学量論比を有する低揮発性液体有機金属前駆体の溶液を形成するステップと、
    前記主要相の多結晶粒の粒界に、絶縁、半絶縁又は半導体第２層物質を形成するために適切な化学量論比を有する、０．０００１ｍｏｌ％から０．５ｍｏｌ％の範囲の濃度で前記溶液にドーパントを加えるステップと、
    前記多結晶粒内に必要な濃度の前記主要相の多結晶粒の、前記ドーパントの前駆体を前記溶液に加えるステップと、
    前記半導体層が形成される基板を２５０℃から５００℃の範囲の温度に加熱するステップと、
    原子スケールで化学的に均一である化学量論的精度を有するアモルファス堆積物を形成するように、不活性又は還元ガス雰囲気中で前記基板上で不揮発性有機金属前駆体を同時に分解するステップと、
    前記堆積物から有機残渣物を除去するように前記アモルファス堆積物をベークするステップと、
    最小で５秒間、イオン化アルゴンプラズマ内で、４０℃と４００℃の間の基板温度、且つ、１５００ｍＴｏｒｒから５０００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で、５０Ｗから３００Ｗの適用電力を使用して前記ベークした堆積物をアニーリングするステップと、
    前記イオン化アルゴンプラズマに窒素、及び／又は、二酸化炭素及び一酸化炭素の還元分圧比を選択的に加えるステップと、を含むことを特徴とする製造方法。
  16. 前記多結晶粒を含む半導体物質は、シリコン、ゲルマニウム、スズ又はこれらの任意の混合であることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
  17. 前記粒界物質は、金属ハロゲン化物からなる絶縁体、半絶縁体又は半導体物質であり、前記金属ハロゲン化物は、周期表の第１（Ｉ）族からのアルカリ元素若しくは第２（ＩＩ）族のアルカリ土類元素、又は、アルカリ若しくはアルカリ土類金属と同様の化学特性を有する遷移金属、及び、周期表の第７（ＶＩＩ）族から選択されたハロゲン元素を含むことを特徴とする請求項１６に記載の製造方法。
  18. 前記絶縁又は半絶縁物質は、前記多結晶粒を含む半導体物質のバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする請求項１７に記載の製造方法。
  19. 前記多結晶粒を含む半導体物質は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体物質であり、且つ、前記境界物質は、金属ハロゲン化物からなる絶縁、半絶縁又は半導体物質であり、前記金属ハロゲン化物は、第１（Ｉ）族からのアルカリ元素、又は、アルカリ金属と同様の化学特性を有する遷移金属、及び、周期表の第７（ＶＩＩ）族から選択されたハロゲン元素を含むことを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
  20. 前記多結晶粒を含む半導体物質は、ＩＩ−ＶＩ化合物半導体であり、且つ、前記粒界物質は、シリコン、炭化ケイ素、ゲルマニウム、スズ又はそれらの混合であることを特徴とする請求項１５に記載の製造方法。
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