JPH03214774A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要］ ０次元の量子ドットを形成するための素子を備えた半導
体装置に関し、 ０次元の量子ドットを半導体層に形成することを目的と
し、 厚み方向に双晶面を有し、絶縁層の上に形成される双晶
膜と、前記双晶面に沿って前記双晶膜の上に形成される
複数の電極とを含み構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体装置に関し、より詳しくは、０次元の
電子、正孔系の量子ドッ１・を形成する素子を備えた半
導体装置に関する。

？従来の技術〕 次世代のデバイスとして電子の波動性及び量子効果を利
用した量子デバイスが注目されている。

例えば、２次元電子系を利用した量子デバイスにはＨＥ
ＭＴがあり、既に実用化されている。

また、１次元電子を制御する系における量子効果を利用
する装置として量子細線装置が提案されている。

さらに、０次元の電子、ホール系である量子ドットにつ
いては、第８図に示すように、有効質量の小さいインジ
ウムアンチモン（ＩｎＳｂ）基板７０の上にＳｉ０２膜
７１を形成し、この上に微小電極７２を形成し、微小電
極７２に電圧を印加することによりＩｎＳｂ基板７０と
ＳｉＯ■膜７１との界面に点状の電子状態を形成する素
子がＰｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｉ＋　Ｌｅｔｔｅｒ
誌において提案されている。

（発明が解決しようとする課題〕 しかし、この素子はＴｎＳｂ基板７０を使用しているた
めに、シリコン、ゲルマニウムに形成される半導体素子
とモノリシックに形成することが難しくなり、装置の高
密度化が図れないといった不都合がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって
、０次元の量子ドットを化合物以外の半導体層に形成す
ることができる半導体装置を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

上記した課題は、第１図に例示するように、厚み方向に
双晶面４を有し、絶縁層の上に形成される双晶膜３と、
前記双晶面４に沿って前記双晶膜３の上に形成される複
数の電極５、６とを有することを特徴とする半導体装置
により構成する。

〔作　用〕

本発明によれば、双晶膜３のエネルギーバンドは、第３
図に例示するような特性になり、双晶面４のエネルギー
準位は両側の単結晶膜に比べて低くなり、双晶面４に２
次元電子が蓄積され易い状態になる。

これは、半導体よりなる双晶膜３をＣＺ法により形成す
る場合に、双晶面４は酸素を多量に含んでいる。これを
窒素雰囲気中で熱処理すると浅いドナーレベルを有する
酸素窒素複合体が発生するためである。

この状態で、双晶膜３上の複数の電極５、６に電圧を印
加すると、第４図に示すように、電極５、６下方の双晶
面４に空乏層が生じる。

この場合、電圧を調整して空乏層の幅を制御して複数の
空乏層に挟まれる領域の幅を数百人にすると、この領域
に電子や正孔が捕捉されて量子ドットが形成されること
になる。

〔実施例〕

そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例を示す装置の斜視図であっ
て、図中符号１は、シリコン等の半導体よりなる基板で
、この上には、二酸化シリコンよりなる絶縁膜２と、後
述する双晶膜３がそれぞれ１μｍ程度の厚さに形成され
ている。また、双晶膜３には二酸化シリコン等の絶縁膜
７が積層され、この上には２つの電極５、６が双晶面４
に沿って形成され、これらの電極５、６は１μｍの間隔
をおいて設けられている。

上記した双晶膜３は、Ｐ型シリコンより形成されたもの
で、膜の厚み方向に双晶面（接合面）４を有しており、
第２図に示すように、双晶面４の両側に設けられた単結
晶膜３ａ、３ｂの方位は面対象となっており、それぞれ
の結晶の（１００）面が上面となるとともに、（００１
）面が、双晶面４から例えば１０度の傾きとなるように
形成されている。

この実施例において形成された双晶膜３のエネルギーバ
ンドは、第３図に例示するような特性になり、双晶面４
の伝導帯は両側の単結晶膜３ａ、３ｂフェルミ準位ＥＦ
に比べて低くなり、双晶面４に２次元電子が蓄積され易
い状態になる。

これは、Ｐ型のシリコンよりなる双晶膜３をＣＺ法によ
り形成する場合に、結晶を酸素を含有しており、これを
窒素雰囲気で熱処理を行うと、双晶面４に窒素や酸素が
集まり、その部分に酸素と窒素の複合体からなる浅いド
ナー欠陥が形成されるためである。

この状態で、双晶膜３上の２つの電極５、６にマイナス
電圧を印加すると、第４図に示すように、電極５、６下
方の双晶面４に空乏層８、９が生じる。この場合、電圧
を調整して空乏層８、９の幅を制御して２つの空乏層８
、９に挟まれる双晶面４の幅を１００〜２００人にする
と、この領域Ａに電子が捕捉されて量子ドットが形成さ
れることになる。

ここで、領域Ａの光吸収スペクトルと波長の関？を測定
すると、第６図に示すような特性が得られ、量子ドット
内電子が基底状態から第１励起状態に遷移して、領域Ａ
に量子ドットが形成されていることが確かめられた。

次に、上記した装置を形成する方法の一例を第５図に基
づいて説明する。

まず、双晶面を有するＰ型のシリコン単結晶をＣＺ法に
より形成し、その結晶をスライシングして双晶面４によ
り中央が仕切られた方形状の双晶ウェハ１０を形成する
（第５図（ａ））。

ついで、その双晶ウエハ１０を熱酸化してその周囲に二
酸化シリコン（ＳｉＯ■）膜１１を形成する（第５図（
ｂ））。

そして、別のシリコン基板１２の上に形成したＳｉ０２
膜１３に双晶ウェハ１０を貼付けて、ＳｉＯ。膜１１、
１３同士を接合させる（第５図（Ｃ））。この場合、双
晶うエハ１０の双晶面４をシリコン基板１２の上面に対
して垂直な向きにする。

この後に、双晶ウェハ１０をボリシングにより上面から
薄層化して１μｍ程度又は、それ以下の厚さにし、これ
を第１図に示した双晶膜３として使用する（第５図（ｄ
））。その後、窒素雰囲気中で１２００“Ｃ以上で熱処
理後、５００〜７００”Ｃで１２０分以下の熱処理をし
て、浅いエネルギー準位を有する酸素窒素複合体ドナー
を形成する。

さらに、双晶膜３の」二面に膜厚２００人程度のＳｉｎ
２よりなる絶縁膜７を形成し、この上に図示しないアル
ミニウム膜を積層し、このアルミニうム膜をフォトリソ
グラフィー法によりバターニングし、アルミニウムより
なる２つの電極層５、６を１μｍ程度の間隔をおいて双
晶膜面４に沿わせて形成する（第５図（ｅ），第１図）
。

これにより、第１図に示すような素子が形成されるが、
これに併せてＭＯＳＩ−ランジスタ等の半導体素子を双
晶膜３に形成することも可能である。

上記した実施例では、双晶膜３の上に絶縁膜７を介して
電極５、６を形成したが、第７図に示すように、双晶１
１！Ｊ３の上に直接アルミニウム電極５６を形成してシ
ョットキー接合となるようにし、電極５，６に電圧を印
加することにより、双晶面４に空乏層を発生させること
も可能である。

なお、上記した実施例では、双晶膜３の上面を（１００
）としたが、これに限定されるものではなく、（１１０
）、（１１１）等にすることもできる。

また、電極材料として、アルミニウムの他に、金、銅等
を用いることもできる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、厚み方向に双晶面を
有する双晶膜を絶縁層の上に設け、双晶面に沿って電極
を形成するようにしたので、その領域に量子ドットを形
成することができる。

この結果、化合物以外の半導体層に量子ドットを形成す
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す装置の斜視図、 第２図は、本発明に適用する双晶膜の斜視図、第３図は
、本発明に適用する双晶膜のエネルギー状態を示すエネ
ルギー準位図、 第４図は、本発明の一実施例装置における動作説明図、 第５図は、本発明の一実施例装置を形成する工程を示す
断面図、 第６図は、本発明による量子ドット内電子の遷移状態の
一例を示す波長・光吸収スペクトル特性図、 第７図は、本発明の他の実施例を示す装置の斜視図、 第８図は、従来装置の一例を示す断面図である。 （符号の説明） １・・・基板、 ２・・・絶縁膜、 ３・・・双晶膜、 ４・・・双晶面、 ５、６・・・電極。 出　願　人　　富士通株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 厚み方向に双晶面を有し、絶縁層の上に形成される双晶
   膜と、 前記双晶面に沿って前記双晶膜の上に形成される複数の
   電極とを有することを特徴とする半導体装置。