JPH02165679A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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JPH02165679A
JPH02165679A JP32174988A JP32174988A JPH02165679A JP H02165679 A JPH02165679 A JP H02165679A JP 32174988 A JP32174988 A JP 32174988A JP 32174988 A JP32174988 A JP 32174988A JP H02165679 A JPH02165679 A JP H02165679A
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JP
Japan
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semiconductor layer
layer
semiconductor
region
dimensional channel
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Application number
JP32174988A
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Japanese (ja)
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Yoshifumi Mori
森 芳文
Akira Ishibashi
晃 石橋
Kenji Funato
健次 船戸
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/775Field effect transistors with one dimensional charge carrier gas channel, e.g. quantum wire FET

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Abstract

PURPOSE:To obtain a one-dimensional channel having excellent characteristics by alternately piling first semiconductor layers and second semiconductor layers having a smaller electron affinity by a vapor growth method on a region having a specified crystal face orientation in a protruding shape so that the area of the upper layer becomes smaller than the lower layers. CONSTITUTION:First semiconductor layers 3 and a second semiconductor layer 4 having a smaller electron affinity than the first layer are alternately piled on a region 1a having a specified crystal face orientation that is formed on a semiconductor GaAs substrate 1 by a vapor growth method in a protruding shape so that the area of the upper layers becomes small than the lower layers. When a third semiconductor layer 5 incorporating impurities whose electron affinity is smaller than that in the first semiconductor layer 3 is formed on the first and second semiconductor layers 3 and 4, electrons are supplied from the third semiconductor layer 5 into the first semiconductor layer 3. Thus one- dimensional electrons are formed in the first semiconductor layer. A one- dimensional channel is formed by said one-dimentional electrons. In this way, the one-dimensional channel having the excellent characteristics can be formed readily and positively.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野] 本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、
−次元チャネル構造の半導体装置に適用して好適なもの
である。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and in particular,
It is suitable for application to a semiconductor device having a -dimensional channel structure.

[発明の概要] 本発明においては、半導体基体上に所定の結晶面方位の
領域を選択的に形成し、この所定の結晶面方位の領域上
に第1の半導体層とこの第1の半導体層よりも電子親和
力が小さい第2の半導体層とを上層ほど面積が小となる
凸形状に気相成長により交互に積層する。これによって
、量子井戸細線が形成され、この量子井戸細線により一
次元チャネルが形成される。第1及び第2の半導体層の
上に第1の半導体層よりも電子親和力が小さい不純物を
含有する第3の半導体層を形成する場合には、この第3
の半導体層から第1の半導体層中に電子が供給されてこ
の第1の半導体層中に一次元電子が形成され、この−次
元電子により一次元チャネルが形成される。本発明によ
り、−次元チャネル構造のFETや多重チャネル構造の
量子干渉型の半導体装置を実現することができる。
[Summary of the Invention] In the present invention, a region with a predetermined crystal plane orientation is selectively formed on a semiconductor substrate, and a first semiconductor layer and a first semiconductor layer are formed on the region with a predetermined crystal plane orientation. and a second semiconductor layer having a smaller electron affinity than the second semiconductor layer are alternately stacked by vapor phase growth in a convex shape in which the upper layer has a smaller area. As a result, a quantum well wire is formed, and a one-dimensional channel is formed by this quantum well wire. When forming a third semiconductor layer containing an impurity whose electron affinity is smaller than that of the first semiconductor layer on the first and second semiconductor layers, the third semiconductor layer is formed on the first and second semiconductor layers.
Electrons are supplied from the semiconductor layer into the first semiconductor layer to form one-dimensional electrons in the first semiconductor layer, and a one-dimensional channel is formed by the -dimensional electrons. According to the present invention, it is possible to realize a FET with a -dimensional channel structure and a quantum interference type semiconductor device with a multi-channel structure.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、−次元チャネルを有する半導体装置が注目されて
いる。この−次元チャネルを有する半導体装置には、局
在ポテンシャルがある限界値以上であると電子の波動関
数が局在する可能性があるといういわゆるアンダーソン
局在の問題があるが、局在ポテンシャル<kT (ただ
し、kはボルツマン定数、Tは絶対温度)の条件下では
動作が可能である。
In recent years, semiconductor devices having a -dimensional channel have attracted attention. Semiconductor devices with this -dimensional channel have the problem of so-called Anderson localization, in which the electron wave function may become localized if the localized potential exceeds a certain limit value, but the localized potential < kT (However, k is Boltzmann's constant and T is absolute temperature.) Operation is possible under the following conditions.

一次元チャネルでは、散乱後の電子状態が限られるため
、電子の散乱確率が極めて小さく、電子移動度μの著し
い増大が期待される。そこで、この−次元チャネルを形
成する試みが従来よりなされている。その一つに電子ビ
ーム等によるリソグラフィーを利用して一次元チャネル
を形成する方法がある。この方法によれば、200人程
度の幅の一次元チャネルを形成することが可能であるが
、それ以下の幅の一次元チャネルを形成することは現状
では困難である。また、この方法で多数本の一次元チャ
ネルを互いに隣接して形成しようとすると、いわゆる近
接効果により、幅が広くなってしまったり、間隔を狭く
することができないという欠点がある。さらに、この方
法では、反応性イオンエツチング(RIE)等により一
次元チャネルを形成する際に損傷が生じやすいという欠
点もある。
In a one-dimensional channel, the electron states after scattering are limited, so the scattering probability of electrons is extremely small, and a significant increase in electron mobility μ is expected. Therefore, attempts have been made to form this -dimensional channel. One such method is to form a one-dimensional channel using lithography using an electron beam or the like. According to this method, it is possible to form a one-dimensional channel with a width of about 200 people, but it is currently difficult to form a one-dimensional channel with a width smaller than that. Furthermore, if a large number of one-dimensional channels are formed adjacent to each other using this method, there is a drawback that the width becomes wide due to the so-called proximity effect, and it is not possible to narrow the spacing. Furthermore, this method has the disadvantage that damage is likely to occur when forming a one-dimensional channel by reactive ion etching (RIE) or the like.

第10図は従来の一次元チャネル構造を示す。FIG. 10 shows a conventional one-dimensional channel structure.

第10図に示すように、この例では、半絶縁性ヒ化ガリ
ウム(GaAs)基vi、101上にAlXGa、−1
lAs層102、ヒ化アルミニウム(AIAs)層10
3、GaAsJii 104及びAlAs層103が順
次形成されている。これらのAlxGa、−x Asl
 102、AlAs71103及びGaAsJi 10
4には■溝105が形成され、このV溝105にゲート
電ti+106が形成されている。この例では、ゲート
電極106との界面におけるGaAs層104中に一次
元電子が形成され、この−次元電子により一次元チャネ
ルが形成される。
As shown in FIG. 10, in this example, AlXGa, -1
lAs layer 102, aluminum arsenide (AIAs) layer 10
3. GaAsJii 104 and AlAs layer 103 are sequentially formed. These AlxGa, -x Asl
102, AlAs71103 and GaAsJi 10
A groove 105 is formed in the V groove 105, and a gate voltage ti+106 is formed in this V groove 105. In this example, one-dimensional electrons are formed in the GaAs layer 104 at the interface with the gate electrode 106, and a one-dimensional channel is formed by these -dimensional electrons.

一方、第11図に示す従来の一次元チャネル構造は、半
絶縁性GaAs基板101上にGaAsJI 104及
び^lx Gap−x As1i 102を交互に積層
し、これらのGaAs層104及びAIX Ga、−x
As層102をエツチングによりパターンニングした後
、それらの側面にAIX Gap−、As層107を形
成し、このAI。
On the other hand, the conventional one-dimensional channel structure shown in FIG.
After patterning the As layer 102 by etching, an AIX Gap layer 107 is formed on the side surfaces of the As layer 102.

Ga、−xAs層107にゲート電極106を形成した
ものである。この例では、AIX Ga1−xAs層1
07とGaAs層104とのヘテロ界面におけるGaA
s層104中に形成される一次元電子により一次元チャ
ネルが形成される。
A gate electrode 106 is formed on a Ga, -xAs layer 107. In this example, AIX Ga1-xAs layer 1
GaA at the hetero interface between 07 and GaAs layer 104
One-dimensional electrons formed in the s-layer 104 form a one-dimensional channel.

さらに、第12図に示すような一次元チャネル構造も知
られている(^pp1. Phys、 Lett、 4
1(7)。
Furthermore, a one-dimensional channel structure as shown in Fig. 12 is also known (^pp1. Phys, Lett, 4
1(7).

1982、 pp、635−638 )。第12図に示
すように、この例では、半絶縁性GaAs基板101上
にAI。
1982, pp. 635-638). As shown in FIG. 12, in this example, an AI layer is formed on a semi-insulating GaAs substrate 101.

Ga+−x As (X ”” 0 、25 )層10
2及びGaAsJi 104を全面に交互に積層し、こ
れらのGaAs層104及びA11l Ga、−、As
層102をフォトリソグラフィーと化学エツチングとを
用いて加工することにより三角形の断面形状を存するメ
サ構造を形成した後、分子線エピタキシー(MBE)法
により全面に半絶縁性のA1. Ga1−、 As (
x−0,31)層108を形成している。この例では、
障壁層としてのAlXGa+−x As1N 102 
、 108により囲まれたGaAs層104から成る量
子井戸細線内に一次元チャネルが形成される。
Ga+-xAs (X""0, 25) layer 10
2 and GaAsJi 104 are alternately stacked on the entire surface, and these GaAs layers 104 and A11l Ga, -, As
After forming a mesa structure having a triangular cross-sectional shape by processing the layer 102 using photolithography and chemical etching, semi-insulating A1. Ga1-, As (
x-0,31) layer 108 is formed. In this example,
AlXGa+-x As1N 102 as barrier layer
, 108, a one-dimensional channel is formed within the quantum well wire consisting of a GaAs layer 104 surrounded by .

しかし、これらの第1O図、第11図及び第12図に示
す従来の一次元チャネル構造は、−次元電子が形成され
る部分のGaAs層104の表面が製造途中で大気にさ
らされてしまうため、この表面の性質が劣化し、その結
果−次元チャネルの特性が劣化してしまうという欠点が
ある。また、第12図に示す例では、三角形の断面形状
を有するメサ構造を形成することは必ずしも容易でない
という欠点もある。
However, in the conventional one-dimensional channel structures shown in FIGS. 1O, 11, and 12, the surface of the GaAs layer 104 where -dimensional electrons are formed is exposed to the atmosphere during manufacturing. , the disadvantage is that the properties of this surface are degraded, resulting in a deterioration of the properties of the -dimensional channel. Furthermore, the example shown in FIG. 12 has the disadvantage that it is not necessarily easy to form a mesa structure having a triangular cross-sectional shape.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

以上のように、従来の技術では、特性の良好な一次元チ
ャネルを得ることは困難であった。
As described above, with the conventional techniques, it is difficult to obtain a one-dimensional channel with good characteristics.

従って本発明の目的は、特性の良好な一次元チャネルを
得ることができる半導体装置及びその製造方法を提供す
ることにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can obtain a one-dimensional channel with good characteristics.

上記目的及びその他の目的は、以下の説明により明らか
になるであろう。
The above objectives and other objectives will become clear from the following description.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成さ
れている。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

請求項1の発明は、半導体装置の製造方法において、半
導体基体(1)上に所定の結晶面方位の領域(1a)を
選択的に形成する工程と、所定の結晶面方位の領域(1
a)上に第1の半導体層(3)とこの第1の半導体層(
3)よりも電子親和力が小さい第2の半導体層(4)と
を上層ほど面積が小となる凸形状に気相成長により交互
に積層する工程とを特徴する 請求項2の発明は、請求項1の発明において、所定の結
晶面方位の領域(1a)が(001)面方位の領域であ
り、かつ第1及び第2の半導体層(3,4)の気相成長
をトリメチル化合物系の原料を用いて行う。
The invention of claim 1 provides a method for manufacturing a semiconductor device, including the steps of selectively forming a region (1a) with a predetermined crystal plane orientation on a semiconductor substrate (1);
a) a first semiconductor layer (3) on top and a first semiconductor layer (3) on top;
The invention of claim 2 is characterized by a step of alternately stacking second semiconductor layers (4) having a smaller electron affinity than the first semiconductor layer (4) by vapor phase growth in a convex shape in which the upper layer has a smaller area. In the invention of 1, the region (1a) having a predetermined crystal plane orientation is a region having a (001) plane orientation, and the vapor phase growth of the first and second semiconductor layers (3, 4) is performed using a trimethyl compound-based raw material. This is done using

請求項3の発明は、半導体基体(1)上に所定の結晶面
方位の領域(1a)を選択的に形成する工程と、所定の
結晶面方位の領域(1a)上に第1の半導体層(3)と
この第1の半導体層(3)よりも電子親和力が小さい第
2の半導体層(4)とを上層ほど面積が小となる凸形状
に気相成長により交互に積層する工程と、不純物を含有
し、かつ第1の半導体層(3)よりも電子親和力が小さ
い第3の半導体層(5)を凸形状の部分を覆うように気
相成長により形成する工程とを特徴する請求項4の発明
は、請求項3の発明において、第3の半導体層(5)の
気相成長をトリエチル化合物系の原料を用いて行う。
The invention of claim 3 provides a step of selectively forming a region (1a) with a predetermined crystal plane orientation on a semiconductor substrate (1), and a step of forming a first semiconductor layer on the region (1a) with a predetermined crystal plane orientation. (3) and a second semiconductor layer (4) having a smaller electron affinity than the first semiconductor layer (3) are alternately laminated by vapor phase growth in a convex shape in which the area becomes smaller as the upper layer increases; A step of forming a third semiconductor layer (5) containing impurities and having a lower electron affinity than the first semiconductor layer (3) by vapor phase growth so as to cover the convex portion. According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the third semiconductor layer (5) is grown in a vapor phase using a triethyl compound-based raw material.

請求項5の発明は、半導体装置において、上層ほど面積
が小となる凸形状に交互に積層された第1の半導体層(
3)及びこの第1の半導体層(3)よりも電子親和力が
小さい第2の半導体層(4)と、凸形状の部分を覆うよ
うに形成された不純物を含有し、かつ第1の半導体層(
3)よりも電子親和力が小さい第3の半導体層(5)と
、第3の半導体層(5)上に形成されたゲート電極(G
)と、第1の半導体層(3)と第3の半導体層(5)と
のヘテロ界面における第1の半導体層(3)中に形成さ
れるチャネルとを特徴する 請求項6の発明は、請求項5の発明において、チャネル
が多重チャネルを特徴する 請求項1〜6の発明において、所定の結晶面方位の領域
(1a)を選択的に形成する方法としては、所定の結晶
面方位の半導体基体(1)の表面を部分的に絶縁膜(2
)で覆う方法や、所定の結晶面方位の半導体基体(1)
を部分的にエツチングする方法を用いることができる。
The invention of claim 5 provides a semiconductor device in which the first semiconductor layers (
3) and a second semiconductor layer (4) having a lower electron affinity than this first semiconductor layer (3), and a first semiconductor layer containing an impurity formed so as to cover the convex portion; (
3), and a gate electrode (G) formed on the third semiconductor layer (5).
) and a channel formed in the first semiconductor layer (3) at the hetero interface between the first semiconductor layer (3) and the third semiconductor layer (5), In the invention of claim 5, in the invention of claims 1 to 6, wherein the channel is a multi-channel, the method for selectively forming the region (1a) with a predetermined crystal plane orientation includes forming a semiconductor with a predetermined crystal plane orientation. The surface of the base (1) is partially coated with an insulating film (2).
) or a semiconductor substrate with a predetermined crystal plane orientation (1)
A method of partially etching can be used.

〔作用〕[Effect]

請求項1の発明によれば、第1の半導体層(3)から成
る量子井戸細線を高度のエツチング技術等を用いること
なく所定の結晶面方位の領域(1a)上に容易に形成す
ることができる。これによって、この量子井戸細線によ
る一次元チャネルを容易に形成することができる。
According to the invention of claim 1, it is possible to easily form a thin quantum well wire made of the first semiconductor layer (3) on the region (1a) with a predetermined crystal plane orientation without using advanced etching technology or the like. can. Thereby, a one-dimensional channel can be easily formed using this quantum well thin wire.

請求項2の発明によれば、(001)面方位の領域(1
a)上に第1及び第2の半導体層(3゜4)を容易に選
択的に成長させることができる。
According to the invention of claim 2, the region (1
a) The first and second semiconductor layers (3°4) can be easily and selectively grown thereon.

また、トリメチル化合物系の原料を用いて気相成長を行
っているので、第1及び第2の半導体層(3,4)が交
互に積層されて頂点が形成された時点で成長は自動的に
停止する。このため、第1及び第2の半導体層(3,4
)を確実に凸形状に形成することができる。これによっ
て、−次元チャネルを容易にかつ確実に形成することが
できる。
In addition, since vapor phase growth is performed using a trimethyl compound-based raw material, the growth automatically starts when the first and second semiconductor layers (3, 4) are alternately stacked and the apex is formed. Stop. Therefore, the first and second semiconductor layers (3, 4
) can be reliably formed into a convex shape. Thereby, a -dimensional channel can be easily and reliably formed.

請求項3の発明によれば、第3の半導体層(5)から第
1の半導体層(3)中に電子が供給されるため、この第
3の半導体層(5)と第1の半導体層(3)とのヘテロ
界面における第1の半導体層(3)中に一次元電子が形
成され、この−次元電子により一次元チャネルが形成さ
れる。この場合、第3の半導体層(5)の成長は第1及
び第2の半導体層(3,4)の成長に引き続いて同一の
気相成長装置内で連続的に行うことができるので、−次
元電子が形成される部分の第1の半導体層(3)の表面
が製造途中で大気にさらされることはない。
According to the invention of claim 3, since electrons are supplied from the third semiconductor layer (5) into the first semiconductor layer (3), the third semiconductor layer (5) and the first semiconductor layer One-dimensional electrons are formed in the first semiconductor layer (3) at the hetero interface with (3), and a one-dimensional channel is formed by these -dimensional electrons. In this case, since the growth of the third semiconductor layer (5) can be performed continuously in the same vapor phase growth apparatus following the growth of the first and second semiconductor layers (3, 4), - The surface of the first semiconductor layer (3) where dimensional electrons are formed is not exposed to the atmosphere during manufacturing.

これによって、特性の良好な一次元チャネルを容易にか
つ確実に形成することができる。
Thereby, a one-dimensional channel with good characteristics can be easily and reliably formed.

請求項4の発明によれば、第3の半導体層(5)の気相
成長をトリエチル化合物系の原料を用いて行うことによ
り、凸形状に形成された第1及び第2の半導体7!(3
,4)の上に第3の半導体層を確実に成長させることが
できる。これによって、特性の良好な一次元チャネルを
容易にかつ確実に形成することができる。
According to the fourth aspect of the invention, the first and second semiconductors 7! are formed in a convex shape by performing vapor phase growth of the third semiconductor layer (5) using a triethyl compound-based raw material. (3
, 4), it is possible to reliably grow the third semiconductor layer thereon. Thereby, a one-dimensional channel with good characteristics can be easily and reliably formed.

請求項5の発明によれば、第3の半導体層(5)と第1
の半導体層(3)とのヘテロ界面における第1の半導体
層(3)中に形成される一次元電子により一次元チャネ
ルが形成される。また、第1、第2及び第3の半導体層
(3,4,5)の成長は、同一の気相成長装置内で連続
的に行うことができるので、−次元電子が形成される部
分の第1の半導体層(3)の表面が製造途中で大気にさ
らされることはない、これによって、特性の良好な一次
元チャネル構造のFETを実現することができる。
According to the invention of claim 5, the third semiconductor layer (5) and the first
A one-dimensional channel is formed by one-dimensional electrons formed in the first semiconductor layer (3) at the hetero interface with the semiconductor layer (3). Furthermore, since the growth of the first, second and third semiconductor layers (3, 4, 5) can be performed continuously in the same vapor phase growth apparatus, The surface of the first semiconductor layer (3) is not exposed to the atmosphere during manufacturing, thereby making it possible to realize an FET with a one-dimensional channel structure with good characteristics.

請求項6の発明によれば、チャネルが多重チャネルを構
成するので、この多重チャネルを通る電子波の干渉を利
用して動作する量子干渉型の半導体装置を実現すること
ができる。
According to the sixth aspect of the invention, since the channels constitute a multiple channel, it is possible to realize a quantum interference type semiconductor device that operates by utilizing the interference of electronic waves passing through the multiple channels.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。なお、実施例の全図において、同一機能を有する
部分には同一の符号を付ける。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in all the figures of the embodiment, parts having the same function are given the same reference numerals.

裏層■工 第1図A〜第1図Cは本発明の実施例Iを示す。Back layer ■work 1A to 1C show Embodiment I of the present invention.

この実施例■は、GaAsから成る量子井戸細線による
一次元チャネルを有する半導体装置の製造に本発明を適
用した実施例である。
This embodiment (2) is an embodiment in which the present invention is applied to the manufacture of a semiconductor device having a one-dimensional channel using a quantum well thin wire made of GaAs.

この実施例Iにおいては、第1図Aに示すように、まず
例えば半絶縁性GaAs基板1上に例えばCVD法によ
り例えばSiO□膜のような絶縁膜2を形成した後、こ
の絶縁膜2の所定部分をエツチング除去してストライブ
状の開口2aを形成する。
In this embodiment I, as shown in FIG. 1A, an insulating film 2 such as a SiO□ film is first formed on a semi-insulating GaAs substrate 1 by, for example, a CVD method, and then the insulating film 2 is A predetermined portion is etched away to form a striped opening 2a.

この場合、半絶縁性GaAs基板lとしては例えば(0
01)面方位のものを用い、また開口2aの延びる方向
は<110>方向とする。この間口2a内に(001)
面方位の領域1aが選択的に形成される。
In this case, the semi-insulating GaAs substrate l is, for example, (0
01), and the direction in which the opening 2a extends is the <110> direction. Within this frontage 2a (001)
A region 1a having a plane orientation is selectively formed.

次に第1図Bに示すように、減圧または常圧の有機金属
化学気相成長(MOCVD)法により半絶縁性のGaA
s層3及び半絶縁性のAI、 Ga、−、As層4を交
互に成長させる。このMOCVDの原料としてはトリメ
チル化合物系の原料を用い、具体的にはGa、 AI及
びAsの原料としてそれぞれトリメチルガリウム((C
H3):l Ga、TMG)、)リメチルアルミニウム
((CH3)! AI、TMA)及びトリメチルヒ素(
(CHz ) s As、 TMAs)を用いる。この
場合、これらのGaAs層3及びAI、IGa、−、A
s層4は絶縁膜2上には成長せず、この絶縁膜2の開口
2a内の領域la上にのみ選択的に成長する。また、こ
のトリメチル化合物系の原料を用いたMOCVDの際に
は、GaAs層3及びAI。
Next, as shown in Figure 1B, semi-insulating GaA
An s-layer 3 and semi-insulating AI, Ga, -, and As layers 4 are grown alternately. A trimethyl compound-based raw material is used as a raw material for this MOCVD, and specifically trimethyl gallium ((C) is used as a raw material for Ga, AI, and As.
H3):l Ga, TMG),) trimethylaluminum ((CH3)! AI, TMA) and trimethylarsenic (
(CHz)s As, TMAs). In this case, these GaAs layers 3 and AI, IGa, -, A
The s-layer 4 does not grow on the insulating film 2, but selectively grows only on the region la within the opening 2a of the insulating film 2. In addition, during MOCVD using this trimethyl compound-based raw material, the GaAs layer 3 and AI.

Ga1−X As層4は上層ほど面積が小となるように
成長するとともに、最上層の半絶縁性AI、 Ga、−
XAsAsO2長において頂点が形成された時点で成長
が自動的に停止する。このようにして、三角形の断面形
状を有するメサ構造が形成される。
The Ga1-X As layer 4 grows so that the area becomes smaller toward the upper layer, and the semi-insulating AI, Ga,
Growth automatically stops when a vertex is formed in the XAsAsO2 length. In this way, a mesa structure having a triangular cross-sectional shape is formed.

次に第1図Cに示すように、減圧または常圧のMOCV
D法により、例えばシリコン(Si)をドープしたn型
A1. Ga、−xAsABO3長を行う、このMOC
VDの原料としてはトリエチル化合物系の原料を用い、
具体的にはGa、 AI及びAsの原料としてそれぞれ
トリエチルガリウム((C□H6)3Ga、TEG)、
)リエチルアルミニウム((C2Hs ) 3 Al、
 TEA)及びトリエチルヒ素((C2Hs ) 3 
As、 TEAs)を用いる。この場合、このn型^I
X Gap−11As1J 5は絶縁膜2上には成長せ
ず、上述のGaAs層3及びA1. Ga、−xAsA
s上にのみ成長する。このようにして、障壁層としての
At。
Next, as shown in Figure 1C, MOCV under reduced pressure or normal pressure
D method, for example, silicon (Si) doped n-type A1. This MOC performs Ga, -xAsABO3 length
A triethyl compound-based raw material is used as a raw material for VD,
Specifically, triethylgallium ((C□H6)3Ga, TEG) is used as a raw material for Ga, AI, and As, respectively.
) ethylaluminum ((C2Hs) 3 Al,
TEA) and triethyl arsenic ((C2Hs) 3
As, TEAs) are used. In this case, this n-type ^I
X Gap-11As1J 5 does not grow on the insulating film 2, but grows on the above-mentioned GaAs layer 3 and A1. Ga, -xAsA
It grows only on s. In this way, At as a barrier layer.

Ga1−X As層4及びn型A11l Ga1−x 
As層5によって囲まれたGaAs層3から成る量子井
戸細線が形成される。
Ga1-x As layer 4 and n-type A11l Ga1-x
A quantum well wire consisting of a GaAs layer 3 surrounded by an As layer 5 is formed.

この場合、n型AlXGa、−、As層5とGaAs層
3とのヘテロ界面におけるGaAs層3中に一次元電子
が形成され、この−次元電子により一次元チャネル(点
線で示す)が形成される。
In this case, one-dimensional electrons are formed in the GaAs layer 3 at the hetero interface between the n-type AlXGa, -, As layer 5 and the GaAs layer 3, and a one-dimensional channel (indicated by a dotted line) is formed by these -dimensional electrons. .

以上のように、この実施例Iによれば、量子井戸細線に
よる一次元チャネルを容易にかつ確実に形成することが
できる。この場合、GaAs層3、^1゜Ga1−、 
As層4及びn型A11l Ga1−2 As層5の成
長は、同一のMOCVD装置内で連続的に行うことがで
きるので、−次元電子が形成される部分のGaAs層3
の表面が大気にさらされることはなく、従ってこの一次
元チャネルの特性は良好である。
As described above, according to this embodiment I, a one-dimensional channel using a quantum well thin wire can be easily and reliably formed. In this case, the GaAs layer 3, ^1°Ga1-,
Since the growth of the As layer 4 and the n-type Al11 Ga1-2 As layer 5 can be performed continuously in the same MOCVD apparatus, the growth of the GaAs layer 3 in the portion where -dimensional electrons are formed
The surface of the channel is not exposed to the atmosphere, so the properties of this one-dimensional channel are good.

皇族班工 第2図は本発明の実施例■を示す。この実施例■は、−
次元チャネル構造のFETの製造に本発明を適用した実
施例である。
Figure 2 shows the embodiment (2) of the present invention. This example ■ is -
This is an example in which the present invention is applied to manufacturing an FET with a dimensional channel structure.

この実施例■においては、第2図に示すように、絶縁膜
2に所定長さのストライブ状の開口2aを形成した後、
実施例■と同様な方法によりこの間口2a内の領域la
上にGaAs層3、AIX Gap−x As層4及び
n型A11l cal−x AsN 5を選択的に成長
させる。
In this embodiment (2), as shown in FIG. 2, after forming a striped opening 2a of a predetermined length in the insulating film 2,
The area la within this frontage 2a is
A GaAs layer 3, an AIX Gap-x As layer 4 and an n-type A111 cal-x AsN 5 are selectively grown thereon.

次に、例えば蒸着により例えばAuGe/Niのような
オーミック金属膜を全面に形成した後、このオーミック
金属膜をエツチングにより所定形状にパターンニングす
る。次に、熱処理を行うことによりこのオーミック金属
膜とn型AIX Gap−、As層5、A1. Ga、
−、As層4及びGaAs層3とを合金化させる。
Next, an ohmic metal film such as AuGe/Ni is formed over the entire surface by, for example, vapor deposition, and then this ohmic metal film is patterned into a predetermined shape by etching. Next, by performing heat treatment, this ohmic metal film and n-type AIX Gap-, As layers 5, A1. Ga,
-, the As layer 4 and the GaAs layer 3 are alloyed.

これによって、所定形状のオーミック金属とその合金層
とから成るソースS及びドレインDが形成される。
As a result, a source S and a drain D made of an ohmic metal and an alloy layer thereof having a predetermined shape are formed.

次に、例えば蒸着やスパッターにより例えばAlやタン
グステン(W)のようなショットキー金属膜を全面に形
成した後、このショットキー金属膜をエツチングにより
所定形状にパターンニングしてゲート電極Gを形成する
。これによって、−次元チャネル構造のFETが完成さ
れる。
Next, a Schottky metal film such as Al or tungsten (W) is formed on the entire surface by, for example, vapor deposition or sputtering, and then this Schottky metal film is patterned into a predetermined shape by etching to form a gate electrode G. . As a result, an FET with a -dimensional channel structure is completed.

以上のように、この実施例■によれば、特性の良好な一
次元チャネル構造のFETを容易に製造することができ
る。既に述べたように、この−次元チャネルを走行する
電子の移動度μは極めて高いため、この−次元チャネル
構造のFETは超高速動作が可能である。
As described above, according to this embodiment (2), an FET having a one-dimensional channel structure with good characteristics can be easily manufactured. As already mentioned, the mobility .mu. of electrons traveling through this -dimensional channel is extremely high, so that an FET with this -dimensional channel structure can operate at extremely high speed.

1盪IL 第3図A〜第3図りは本発明の実施例■を示す。1.IL FIGS. 3A to 3D illustrate Embodiment 2 of the present invention.

この実施例■は、いわゆるアハラノフ−ボーム(Aha
ronov−Bohm)効果を利用したトランジスタ(
以下、AB効果トランジスタという)の製造に本発明を
適用した実施例である。このAB効果トランジスタにお
いては、多重チャネルを通る電子波の干渉を利用する。
This example (■) is based on the so-called Aharanov-Bohm (Aha
Transistor using the ronov-Bohm effect (
This is an example in which the present invention is applied to the manufacture of an AB effect transistor (hereinafter referred to as an AB effect transistor). This AB effect transistor utilizes the interference of electron waves passing through multiple channels.

この実施例■においては、第3図Aに示すように、まず
絶縁膜2に船形の形状の開口2aを形成する。
In this embodiment (2), as shown in FIG. 3A, first, a boat-shaped opening 2a is formed in the insulating film 2.

次に第3図Bに示すように、この間口2a内の領域la
上に実施例Iと同様な方法によりAtXGa、、 As
層4及びGaAs層3を交互に成長させる。
Next, as shown in FIG. 3B, the area la within this frontage 2a
AtXGa, As
Layer 4 and GaAs layer 3 are grown alternately.

次に第3図Cに示すように、これらのGaAsN3及び
Alz Ga1−x As1i 4を覆うようにn型A
lx Ga1−xAs1i5を成長させる。
Next, as shown in FIG.
Grow lx Ga1-xAs1i5.

次に第3図りに示すように、実施例Iと同様な方法によ
りソースS及びドレインDを形成するとともに、n型A
lx Ga1−x As1i5上にゲート電極Gl、G
tを形成する。なお、これらのソースS及びドレインD
とGaAs層3の両側面に形成される一次元チャネルと
の接続部の寸法は、電子のド・ブロイ波長λ、と同程度
またはそれ以下とするのが好ましい。
Next, as shown in the third diagram, a source S and a drain D are formed by the same method as in Example I, and an n-type A
Gate electrodes Gl, G on lx Ga1-x As1i5
form t. Note that these source S and drain D
It is preferable that the dimensions of the connecting portion between the substrate and the one-dimensional channel formed on both sides of the GaAs layer 3 be equal to or smaller than the de Broglie wavelength λ of electrons.

以上により、目的とするAB効果トランジスタが完成さ
れる。このAB効果トランジスタの平面図を第4図に示
す、なお、第4図においては、n型A11l Ga1−
、 As層5の図示は省略している。また、第4図のv
−V線及びVl−Vl線に沿っての断面図をそれぞれ第
5図及び第6図に示す。
Through the above steps, the desired AB effect transistor is completed. A plan view of this AB effect transistor is shown in FIG. 4. In FIG. 4, n-type A11l Ga1-
, illustration of the As layer 5 is omitted. Also, v in Figure 4
-V line and Vl-Vl line are shown in FIG. 5 and FIG. 6, respectively.

上述のように構成されたAB効果トランジスタにおいて
は、ソースSから出る電子波は、GaAs層3の両側面
に形成される二つの一次元チャネルを通る二つの電子波
に分けられ、その後これらの電子波はドレインDで再び
合流する。この合流の際に電子波の干渉が起きる。この
場合、これらの二つの電子波の間の位相差をゲート電極
G、、G!に印加するゲート電圧で制御することにより
トランジスタ動作を行わせる。
In the AB effect transistor configured as described above, an electron wave emitted from the source S is divided into two electron waves that pass through two one-dimensional channels formed on both sides of the GaAs layer 3, and then these electron waves are The waves rejoin at drain D. During this merging, interference of electronic waves occurs. In this case, the phase difference between these two electron waves is determined by the gate electrodes G,,G! The transistor operation is performed by controlling the gate voltage applied to the transistor.

この実施例■によれば、電子波の干渉性が高い特性の良
好なAB効果トランジスタを実現することができる。
According to this embodiment (2), it is possible to realize an AB effect transistor with good characteristics and high interference with electron waves.

以上、本発明の実施例につき具体的に説明したが、本発
明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.

例えば、上述の実施例■においては、絶縁膜2の開口2
aの形状を船形としているが、この間口2aの形状を第
3図Aの一点鎖線で示すように例えば長方形状とすれば
、第7図及び第8図に示すような構造のAB効果トラン
ジスタを実現することが可能である。この場合には、ソ
ースS及びドレインDとGaAs層3の両側面に形成さ
れる一次元チャネルとの接続部の寸法を電子のド・ブロ
イ波長λ、と同程度またはそれ以下とするために、ソー
スS及びドレインDの角部と一次元チャネルとが接続さ
れるようにこれらのソースS及びドレインDを形成する
のが好ましい。
For example, in the above-mentioned embodiment (2), the opening 2 of the insulating film 2
Although the shape of a is boat-shaped, if the shape of this frontage 2a is, for example, rectangular as shown by the dashed line in FIG. 3A, an AB effect transistor having the structure as shown in FIGS. It is possible to achieve this. In this case, in order to make the dimensions of the connecting portions between the source S and drain D and the one-dimensional channels formed on both sides of the GaAs layer 3 equal to or smaller than the electron de Broglie wavelength λ, It is preferable to form the source S and drain D so that the corners of the source S and drain D are connected to the one-dimensional channel.

また、上述の実施例Iにおいては、絶縁膜2の開口2a
内の領域la上にGaAs層3及びAll GaI−x
As層4を選択的に成長させているが、例えば次のよう
にすることも可能である。すなわち、第9図Aに示すよ
うに、まず半絶縁性GaAs基板10表面をエツチング
により選択的に除去して第1図Aに示すと同様な形状の
領域1aを形成する。このエツチングは、例えばレジス
トパターン(図示せず)を半絶縁性GaAs基Fi1上
に形成した後、このレジストパターンをマスクとしてこ
の半絶縁性GaAs基板1を所定の深さまでウェットエ
ツチングし、その後例えばRIE法により基板表面と垂
直方向にこの半絶縁性GaAs基板1を所定の深さまで
異方性エツチングする。この後、第9図Bに示すように
、上述の領域la上にGaAs層3及びA1. Ga、
x As層4を選択的に成長させ、さらにこれらの上に
n型AIX Gat−X As層5を成長させて一次元
チャネル構造を完成させる。実施例■のFETや実施例
■のAB効果トランジスタもこれと同様な方法により製
造することが可能である。実施例■の場合には、第9図
Aの一点鎖線で示すような船形の形状の開口2aを絶縁
膜2に形成すればよい。
Further, in the above-mentioned Example I, the opening 2a of the insulating film 2
GaAs layer 3 and All GaI-x
Although the As layer 4 is selectively grown, it is also possible to grow it as follows, for example. That is, as shown in FIG. 9A, first, the surface of the semi-insulating GaAs substrate 10 is selectively removed by etching to form a region 1a having the same shape as shown in FIG. 1A. This etching is carried out by, for example, forming a resist pattern (not shown) on the semi-insulating GaAs base Fi1, using this resist pattern as a mask, wet-etching the semi-insulating GaAs substrate 1 to a predetermined depth, and then performing, for example, RIE etching. This semi-insulating GaAs substrate 1 is anisotropically etched to a predetermined depth in a direction perpendicular to the substrate surface by a method. Thereafter, as shown in FIG. 9B, GaAs layer 3 and A1. Ga,
The x As layer 4 is selectively grown, and the n-type AIX Gat-X As layer 5 is further grown thereon to complete the one-dimensional channel structure. The FET of Example (2) and the AB effect transistor of Example (2) can also be manufactured by the same method. In the case of Example (2), a boat-shaped opening 2a as shown by the dashed line in FIG. 9A may be formed in the insulating film 2.

さらに、実施例■のAB効果トランジスタは単一量子井
戸構造を有するが、本発明は、多重量子井戸構造のAB
効果トランジスタその他の量子干渉デバイスに適用する
ことが可能である。
Furthermore, although the AB effect transistor of Example 3 has a single quantum well structure, the present invention provides an AB effect transistor with a multiple quantum well structure.
It can be applied to effect transistors and other quantum interference devices.

また、上述の実施例1.  II、 IIIにおいては
、^1llGa、−x As/GaAsヘテロ構造を用
いているが、本発明は、^IX Ga、−、As/ G
aAsヘテロ構造以外の半導体ヘテロ構造を用いた各種
の半導体装置に適用することが可能である。
Moreover, the above-mentioned Example 1. In II and III, ^1llGa, -x As/GaAs heterostructure is used, but in the present invention, ^IX Ga, -, As/G
It is possible to apply the present invention to various semiconductor devices using semiconductor heterostructures other than aAs heterostructures.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明は、以上述べたように構成されているので、次の
ような効果がある。
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.

請求項1の発明によれば、−次元チャネルを容易に形成
することができる。
According to the invention of claim 1, a -dimensional channel can be easily formed.

請求項2の発明によれば、−次元チャネルを容易にかつ
確実に形成することができる。
According to the invention of claim 2, a -dimensional channel can be easily and reliably formed.

請求項3.4の発明によれば、特性の良好な一次元チャ
ネルを容易にかつ確実に形成することができる。
According to the invention of claim 3.4, a one-dimensional channel with good characteristics can be easily and reliably formed.

請求項5の発明によれば、特性の良好な一次元チャネル
構造のFETを実現することができる。
According to the invention of claim 5, an FET having a one-dimensional channel structure with good characteristics can be realized.

請求項6の発明によれば、特性の良好な量子干渉型の半
導体装置を実現することができる。
According to the invention of claim 6, it is possible to realize a quantum interference type semiconductor device with good characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図A〜第1図Cは本発明の実−層側Iを工程順に説
明するための斜視図、第2図は本発明の実施例■を説明
するための斜視図、第3図A〜第3図りは本発明の実施
例■を工程順に説明するための斜視図、第4図は第3図
りの平面図、第5図は第4図のV−V線に沿っての断面
図、第6図は第4図のVI−VI線に沿っての断面図、
第7図は本発明の実施例■の変形例を説明するための平
面図、第8図は第7図の■−■線に沿っての断面図、第
9図A及び第9図Bは本発明の実施例■の変形例を工程
順に説明するための斜視図、第10図、第11図及び第
12図はそれぞれ従来の技術を説明するための断面図で
ある。 図面における主要な符号の説明 に半絶縁性GaAs基板、  1a:所定の結晶面方位
の領域、 2:絶縁膜、 2a:開口、3:GaAs層
、  4 : A1. Gal−1lAs層、  5:
n型A1. Gap−、As層、  S:ソース、  
Dニドレイン、G、G+ 、Gz  :ゲート電極。 代理人   弁理士 杉 浦 正 知 天應(夕・1■ 第1図A 笑/l!刑! 第1図C 大淀J戸II 第1図B 第2図 実方ヒ4?1■ 第3図A ム 第3図B 寡4図@vr4貼−図 第6図 実兄例■ 第3図C r死A!’Ij1 第3図り づ■−1’lンイタ11 第7図 第8図 突形例 第9図A 第9図B 第10図 第11図 第12図
1A to 1C are perspective views for explaining the actual layer side I of the present invention in the order of steps, FIG. 2 is a perspective view for explaining Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 3A - The third drawing is a perspective view for explaining the embodiment (1) of the present invention in the order of steps, FIG. 4 is a plan view of the third drawing, and FIG. 5 is a sectional view taken along the line V-V in FIG. 4. , FIG. 6 is a sectional view taken along the line VI-VI in FIG. 4,
FIG. 7 is a plan view for explaining a modification of the embodiment (2) of the present invention, FIG. 8 is a sectional view taken along the line (■-■) in FIG. 7, and FIGS. 9A and 9B are FIGS. 10, 11, and 12 are perspective views for explaining a modified example of the embodiment (2) of the present invention in the order of steps, and sectional views for explaining conventional techniques, respectively. The main symbols in the drawings are explained as follows: semi-insulating GaAs substrate, 1a: region with predetermined crystal plane orientation, 2: insulating film, 2a: opening, 3: GaAs layer, 4: A1. Gal-11As layer, 5:
n-type A1. Gap-, As layer, S: source,
D Nidrain, G, G+, Gz: Gate electrode. Agent Patent Attorney Tadashi Sugiura Chiten O (Evening・1■ Figure 1A Lol/l! Punishment! Figure 1C Oyodo Jto II Figure 1B Figure 2 Jitsukatahi 4?1■ Figure 3 A Mu Fig. 3 B Fig. 4 @vr4 pasted - Fig. 6 Actual brother example ■ Fig. 3 C r death A!'Ij1 Fig. 3 ■ - 1'l nita 11 Fig. 7 Fig. 8 Example of protrusion Figure 9A Figure 9B Figure 10 Figure 11 Figure 12

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、半導体基体上に所定の結晶面方位の領域を選択的に
形成する工程と、 上記所定の結晶面方位の領域上に第1の半導体層とこの
第1の半導体層よりも電子親和力が小さい第2の半導体
層とを上層ほど面積が小となる凸形状に気相成長により
交互に積層する工程とを具備することを特徴とする半導
体装置の製造方法。 2、上記所定の結晶面方位の領域が(001)面方位の
領域であり、かつ上記第1及び第2の半導体層の気相成
長をトリメチル化合物系の原料を用いて行うことを特徴
とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 3、半導体基体上に所定の結晶面方位の領域を選択的に
形成する工程と、 上記所定の結晶面方位の領域上に第1の半導体層とこの
第1の半導体層よりも電子親和力が小さい第2の半導体
層とを上層ほど面積が小となる凸形状に気相成長により
交互に積層する工程と、不純物を含有し、かつ上記第1
の半導体層よりも電子親和力が小さい第3の半導体層を
上記凸形状の部分を覆うように気相成長により形成する
工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方
法。 4、上記第3の半導体層の気相成長をトリエチル化合物
系の原料を用いて行うことを特徴とする請求項3記載の
半導体装置の製造方法。 5、上層ほど面積が小となる凸形状に交互に積層された
第1の半導体層及びこの第1の半導体層よりも電子親和
力が小さい第2の半導体層と、上記凸形状の部分を覆う
ように形成された不純物を含有し、かつ上記第1の半導
体層よりも電子親和力が小さい第3の半導体層と、 上記第3の半導体層上に形成されたゲート電極と、 上記第1の半導体層と上記第3の半導体層とのヘテロ界
面における上記第1の半導体層中に形成されるチャネル
とを具備することを特徴とする半導体装置。 6、上記チャネルが多重チャネルを構成することを特徴
とする請求項5記載の半導体装置。
[Claims] 1. A step of selectively forming a region with a predetermined crystal plane orientation on a semiconductor substrate; a first semiconductor layer on the region with the predetermined crystal plane orientation; A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the step of alternately stacking second semiconductor layers having a smaller electron affinity than the second semiconductor layer by vapor phase growth in a convex shape in which the area of the upper layer becomes smaller. 2. The region with the predetermined crystal plane orientation is a region with a (001) plane orientation, and the vapor phase growth of the first and second semiconductor layers is performed using a trimethyl compound-based raw material. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 3. selectively forming a region with a predetermined crystal plane orientation on the semiconductor substrate; and a first semiconductor layer on the region with the predetermined crystal plane orientation and having an electron affinity smaller than that of the first semiconductor layer. a step of alternately stacking a second semiconductor layer by vapor phase growth in a convex shape whose area becomes smaller as the upper layer increases;
forming a third semiconductor layer having a lower electron affinity than the semiconductor layer by vapor phase growth so as to cover the convex portion. 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the vapor phase growth of the third semiconductor layer is performed using a triethyl compound-based raw material. 5. A first semiconductor layer that is alternately stacked in a convex shape whose area becomes smaller as the upper layer increases, and a second semiconductor layer that has a smaller electron affinity than the first semiconductor layer, and a layer that covers the convex portion. a third semiconductor layer containing impurities and having a lower electron affinity than the first semiconductor layer, a gate electrode formed on the third semiconductor layer, and the first semiconductor layer. and a channel formed in the first semiconductor layer at a heterointerface with the third semiconductor layer. 6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the channels constitute a multiple channel.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06267993A (en) * 1993-03-12 1994-09-22 Nec Corp Quantum wire structure
JP2016164926A (en) * 2015-03-06 2016-09-08 日本電信電話株式会社 Nitride semiconductor device and manufacturing method of the same

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