JPH07283388A

JPH07283388A - 量子素子の製造方法

Info

Publication number: JPH07283388A
Application number: JP9062194A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Ugajin; 隆一宇賀神
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-04-05
Filing date: 1994-04-05
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】モット−シュタルク効果トランジスタなどの
量子素子を容易に製造することを可能とする。【構成】基板上に積層したＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超格子
を基板表面に対して垂直方向に切断した後、切断面に露
出したＧａＡｓ層３を選択的にエッチング除去する。次
に、ＡｌＡｓ層２の切断面上にＧａＡｓ層４を三角柱状
にエピタキシャル成長させた後、これらのＧａＡｓ層４
を覆うようにＡｌＡｓ層５をエピタキシャル成長させ
る。次に、このＡｌＡｓ層５上に外部電場印加用の細線
状の電極８を形成した後、この電極８をマスクとしてＡ
ｌＡｓ層５、ＧａＡｓ層４およびＡｌＡｓ層２をエッチ
ングにより順次パターニングし、ＧａＡｓ層４がＡｌＡ
ｓ層２、５で囲まれた構造の量子ドットＱＤが一次元的
に配列された一次元量子ドットアレーを形成し、これを
チャネル領域とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、量子素子の製造方法
に関し、特に、量子箱（量子ドットとも呼ばれる）を用
いた量子素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの将来像として、電子間
の相互作用を積極的に利用することが考えられ始めてい
る。その理由としては、半導体結晶の高品質化により低
電荷密度を均質に実現することができるようになったこ
と、および、化合物半導体ヘテロ接合により電荷を狭い
領域に閉じ込めることが可能になってきたことが挙げら
れる。そして、このような観点から、近年、結合量子ド
ットアレーが注目を集めている。

【０００３】本出願人は先に、特願平５−２１９８２号
において、このような結合量子ドットアレーにおける量
子ドット間の電子の移動を外部電場によって変調する方
法を提案し、さらに特願平５−１７４７７４号におい
て、この方法を応用した量子ドット集合素子を提案し
た。その後、特願平６−１２０９２号において、量子ド
ットアレーを構成する量子ドットにそれらの配列面と直
交する方向に対して非対称性を持たせ、この方向に外部
電場を印加してモット−シュタルク（Mott-Stark）効果
により金属−絶縁体相転移の一種であるモット（Mott）
転移の制御を行う方法を提案し、さらにこのモット−シ
ュタルク効果を動作に利用したトランジスタ（以下「モ
ット−シュタルク効果トランジスタ」という）を提案し
た。そして、このモット−シュタルク効果トランジスタ
によれば、ソース・ドレイン間に流れる電流の変調を外
部電場により効率良く行うことができる。

【０００４】なお、モット−シュタルク効果という命名
は、一般に電場による量子効果は広くシュタルク効果と
呼ばれていること、および、このシュタルク効果によっ
てモット転移の制御を行うことに由来する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
なモット−シュタルク効果トランジスタにおいては、量
子ドットが近接して配列された量子ドットアレーを形成
することが、まず必要である。そして、次に必要なこと
は、ソース・ドレイン間に流れる電流の変調を外部電場
により効率良く行うために、量子ドットに、外部電場の
印加方向に対して形状非対称性を持たせることである。

【０００６】したがって、この発明の目的は、外部電場
の印加方向に対して形状非対称性を有する量子箱が近接
して一次元的に配列された量子箱アレーから成るチャネ
ル領域を少なくとも一つ有するモット−シュタルク効果
トランジスタなどの量子素子を容易に製造することがで
きる量子素子の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、一面内に互いに隣接して一次元的に配
列された複数の量子箱（ＱＤ）から成るチャネル領域を
少なくとも一つ有し、複数の量子箱（ＱＤ）が上記面と
直交する方向に対して形状非対称性を有する量子素子の
製造方法であって、量子箱（ＱＤ）の障壁層となる第１
の化合物半導体層（２）および第１の化合物半導体層
（２）に対して選択的に除去可能な第２の化合物半導体
層（３）を基板（１）上に交互に積層する工程と、第１
の化合物半導体層（２）および第２の化合物半導体層
（３）を基板（１）の表面に対してほぼ垂直な方向に切
断する工程と、切断された第１の化合物半導体層（２）
および第２の化合物半導体層（３）の切断面に露出した
第２の化合物半導体層（３）を所定深さだけ選択的に除
去する工程と、第１の化合物半導体層（２）の切断面上
に量子箱（ＱＤ）の量子井戸層となる第３の化合物半導
体層（４）を切断面と直交する方向に対して非対称な形
状となるように選択的にエピタキシャル成長させる工程
と、量子箱（ＱＤ）の障壁層となる第４の化合物半導体
層（５）を第３の化合物半導体層（４）を覆うようにエ
ピタキシャル成長させる工程と、第４の化合物半導体層
（５）上に細線状のマスク（８）を形成する工程と、マ
スク（８）を用いて少なくとも第４の化合物半導体層
（５）および第３の化合物半導体層（４）をパターニン
グする工程とを有することを特徴とするものである。

【０００８】この発明の好適な一実施形態においては、
例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、
第１の化合物半導体層の切断面上に第３の化合物半導体
層を三角柱状にエピタキシャル成長させる。

【０００９】この発明の一実施形態においては、一つの
量子素子毎に一つのマスクを形成する。この場合は、一
次元量子箱アレーから成る単一のチャネル領域を有する
量子素子を製造する場合に対応する。また、この発明の
他の一実施形態においては、一つの量子素子毎にマスク
を互いに平行に複数形成する。この場合は、一次元量子
箱アレーから成るチャネル領域を複数有するマルチチャ
ネル型量子素子を製造する場合、あるいは、一次元量子
箱アレーが互いに平行にかつ互いに近接して複数配列さ
れる場合には実効的に二次元量子箱アレーから成るチャ
ネル領域を有する量子素子を製造する場合に対応する。

【００１０】この発明の好適な一実施形態においては、
マスクが外部電場印加用の一方の電極を構成する。ま
た、第２の化合物半導体層に不純物がドープされ、この
不純物がドープされた第２の化合物半導体層が外部電場
印加用の他方の電極として用いられる。

【００１１】この発明の一実施形態においては、第４の
化合物半導体層に不純物が変調ドープされ、この不純物
が変調ドープされた第４の化合物半導体層から量子箱の
量子井戸層にキャリアが供給される。

【００１２】この発明の典型的な一実施形態において
は、第１の化合物半導体層および第４の化合物半導体層
がＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層であり、第２の化合
物半導体層および第３の化合物半導体層がＧａＡｓ層で
ある。また、この発明の他の一実施形態においては、第
１の化合物半導体層および第４の化合物半導体層がＡｌ
ＧａＳｂ層であり、第２の化合物半導体層および第３の
化合物半導体層がＩｎＡｓ層である。

【００１３】この発明の典型的な一実施形態において
は、量子素子がモット−シュタルク効果トランジスタで
ある。

【００１４】ここで、金属−絶縁体相転移の一種である
モット（Mott）転移（N. F. Mott,Philos. Mag. 6, 287
(1961) およびMetal-insulator transitions (Taylor &
Francis Ltd, London, 1974)）をハバード（Hubbard)
の描像（J. Hubbard, Proc.Roy. Soc.(London), A276,
238(1963), A277, 237(1963), A281, 401(1964)）で説
明しておく。

【００１５】隣り合うサイト（遷移金属のような結晶に
おいては原子、量子ドットアレーにおいては量子ドッ
ト）間の電子の動き易さを表すトランスファー・エネル
ギーＴ（後に詳細に説明する）は、電子間相互作用を考
えないときにはバンド幅と考えてよい。また、一つのサ
イトに電子が二つ入ったときのクーロン・エネルギーを
オンサイト・クーロン・エネルギーＵと書くことにす
る。

【００１６】このときの一電子当たりに縮約されたエネ
ルギーバンド図は図１１Ａに示すようになる。この図１
１Ａにおける高エネルギー側のサブバンドをアッパー・
ハバード・バンド（ＵＨＢ）、低エネルギー側のサブバ
ンドをローワー・ハバード・バンド（ＬＨＢ）と呼ぶ。
一つのサイト当たり電子が一つ入った状態に対応するハ
ーフ・フィルド（half-filled)の場合、ＬＨＢとＵＨＢ
とが互いに分離しているとき、つまりＵが大きいか、ま
たはＴが小さいときは、ＬＨＢにのみ電子が詰まってい
ることになる（図１１Ｂ）。このときは、電子の低エネ
ルギー励起がギャップ（ハバード・ギャップ）を有し、
系は絶縁体的に振る舞う。一方、Ｕが小さいか、または
Ｔが大きくなると、ＬＨＢとＵＨＢとは互いに重なり、
ＬＨＢの一部に空き状態が生じてその分の電子はＵＨＢ
に入ることになる（図１１Ｃ）。この結果、系は半金属
的に振る舞うことになる。そして、この傾向がより強く
なれば、系は完全に金属的に振る舞うのである。

【００１７】量子ドットが近接して配列された量子ドッ
トアレーでは、量子ドットを小さくすることにより、Ｕ
を大きくすることができる。また、隣接量子ドット間の
間隔を大きくすることにより、Ｔを小さくすることがで
きる。したがって、ＴおよびＵの調節により、モット転
移を起こさせることができる。

【００１８】電子間クーロン相互作用は電子間距離に反
比例し、量子ドットアレーの場合、Ｕはドット径に反比
例する。この電子間クーロン相互作用は指数関数的に変
化する量と違い、変化がべき的であるので、量子ドット
の大きさの揺らぎに対して、あまり敏感ではない。した
がって、この効果を利用するときに厳しい均質性は要求
されないので、このようなデバイスの作製は比較的容易
である。

【００１９】次に、モット−シュタルク効果について改
めて説明する。今、量子ドットアレーに一つの量子ドッ
ト当たり電子が一つ入っている場合（ハーフ・フィルド
の場合）を考える。この場合、量子ドット間のトランス
ファー・エネルギーＴとオンサイト・クーロン・エネル
ギーＵとの比η＝Ｔ／Ｕを外部電場を印加して変化させ
ることにより、この電子系の電気伝導度を劇的に変化さ
せ、モット転移を起こさせることができる。これがモッ
ト−シュタルク効果である。

【００２０】ここで、先に言及した「トランスファー・
エネルギー」の物理的意味について詳細に説明する。

【００２１】中心座標が（ｒ_x、ｒ_y）の量子ドット１
と、中心座標が（−ｒ_x、−ｒ_y）の量子ドット２との
二つの量子ドットから成る量子ドット結合系を考える。
そして、この量子ドット結合系における電子のダイナミ
ックスを、孤立した水素原子の電子状態の厳密解から水
素分子イオン（Ｈ₂ ⁺）の電子状態を考える場合の有効
な近似法として知られているＬＣＡＯ（Linear Combina
tion of Atomic Orbitals)近似に基づいて考察する。

【００２２】このＬＣＡＯ近似で考えると、最初は孤立
していた量子ドット１および量子ドット２が互いに接近
したときには、量子ドット１の電子の基底状態｜１〉お
よび量子ドット２の電子の基底状態｜２〉のエネルギー
準位Ｅ₀に幅２ΔＥの分裂が起こり、結合状態と反結合
状態との二状態が得られる。これらの結合状態および反
結合状態のエネルギーおよび波動関数は次のように表さ
れる。

【００２３】

【数１】

【数２】ここで、ΔＥがトランスファー・エネルギーと呼ばれ、
後述のように量子ドット間の電子のトンネル時間τの目
安となるものである。

【００２４】この量子ドット結合系のハミルトニアンを

【数３】と書くと、

【数４】は、次式で示されるようにこのハミルトニアンの固有状
態となっている。

【数５】

【００２５】さて、今、例えば量子ドット１に電子が局
在しているとすると、この状態は

【数６】と書くことができる。この状態からシュレーディンガー
方程式によって時間発展させると、時刻ｔにおける状態
は

【数７】となる。

【００２６】これより、

【数８】を満たす時刻ｔになると、量子ドット１に局在していた
電子は量子ドット２に到達していることがわかる。従っ
て、このＬＣＡＯ近似の範囲で、量子ドット１から量子
ドット２への電子のトンネル時間τを

【数９】と考えることができる。

【００２７】このトンネル時間τは、より一般的には、

【数１０】と書くことができる。

【００２８】以上より、量子ドット結合系における電子
のダイナミックスを最も単純化すれば、量子ドット間の
トランスファー・エネルギーΔＥの大きさに依存するト
ンネリングにより電子は運動することになる。

【００２９】次に、ＬＣＡＯ近似の範囲内でのトランス
ファー・エネルギーΔＥの表式を求める。

【００３０】今、一辺の長さが２ｄの単独の正方形量子
ドットを考えると、そのポテンシャルエネルギーは

【数１１】である。従って、運動エネルギーをＫと書けば、この系
のハミルトニアンは

【数１２】である。このハミルトニアンの基底状態を

【数１３】とし、そのエネルギーをＥ₀とすれば、

【数１４】が成り立つ。

【００３１】これに対し、二つの正方形量子ドットから
成る量子ドット結合系のハミルトニアンは、次式のよう
に書くことができる。

【００３２】

【数１５】ただし、一方の量子ドットの中心座標および他方の量子
ドットの中心座標をすでに述べたように書くと、

【数１６】である。

【００３３】一方、(10)式で示される単独正方形量子ド
ットのハミルトニアンの基底状態の波動関数は

【数１７】であるが、

【数１８】はそれぞれ、

【数１９】を満たしている。

【００３４】以上の準備ができたところで、(12)式で示
される量子ドット結合系のハミルトニアンのエネルギー
固有値を、(15)式で示される単独正方形量子ドットの固
有状態の張る二次元部分空間上で求める。(15)式で示さ
れる二つの固有状態は直交していないので、まず直交基
底を構成すると、これは例えば以下のようになる。

【００３５】

【数２０】

【００３６】この直交基底でハミルトニアン行列要素を
計算すると、

【数２１】

【数２２】

【数２３】

【数２４】となる。ただし、これらの行列要素の計算においては、
(16)式および次の式を用いた。

【００３７】

【数２５】

【００３８】(20)式および(21)式からわかるようにハミ
ルトニアン行列の非対角要素は０であるので、このハミ
ルトニアン行列は実は対角化されている。従って、エネ
ルギー固有値は

【数２６】であり、その固有ベクトルがそれぞれ、

【数２７】となっている。

【００３９】(18)式および(19)式の中で、波動関数の局
在性より、

【数２８】が言えるので、エネルギーとして

【数２９】のように考えることができる。

【００４０】すでに述べたように、上記のトランスファ
ー・エネルギー（ΔＥまたはＴ）が小さい場合には、電
子は各量子ドットに局在し、量子ドット間のトンネリン
グによる電子の運動は抑制される。

【００４１】

【作用】上述のように構成されたこの発明による量子素
子の製造方法によれば、第１の化合物半導体層および第
２の化合物半導体層を基板上に交互に積層した後に、こ
れらの第１の化合物半導体層および第２の化合物半導体
層をエッチング法などにより基板表面に対して垂直な方
向に切断すると、この切断面には第１の化合物半導体層
および第２の化合物半導体層がそれらの積層方向の厚さ
に対応する幅で交互に現れる。次に、この切断面に露出
した第２の化合物半導体層をエッチング法などにより所
定深さだけ選択的に除去すると、これらの除去部の間の
部分に第１の化合物半導体層が一方向に延びる直方体の
台状に残される。次に、ＭＯＣＶＤ法などにより第１の
化合物半導体層の切断面上に第３の化合物半導体層をこ
の切断面と直交する方向に対して非対称な形状となるよ
うに、典型的には三角柱状にエピタキシャル成長させ
る。次に、全面に第４の化合物半導体層をエピタキシャ
ル成長させ、第３の化合物半導体層を覆う。これによっ
て、量子井戸層としてのこの第３の化合物半導体層が障
壁層としての第４の化合物半導体層および第１の化合物
半導体層によって囲まれた構造の量子細線が互いに平行
にかつ近接して複数形成される。次に、第４の化合物半
導体層上に上記の量子細線と交差する方向に延びる細線
状のマスクを形成し、このマスクを用いて少なくとも第
４の化合物半導体層および第３の化合物半導体層をエッ
チング法などにより順次パターニングする。これによっ
て、第３の化合物半導体層はその長手方向の長さがマス
クと同一幅になるようにパターニングされる。そして、
このようにしてマスクと同一幅にパターニングされた量
子井戸層としての第３の化合物半導体層が障壁層として
の第４の化合物半導体層および第１の化合物半導体層に
より囲まれた構造により量子箱が形成され、この量子箱
がマスクの長手方向に一次元的に配列されて一次元量子
箱アレーが形成される。ここで、マスクとして例えば金
属から成る外部電場印加用の電極を用いると、一次元量
子箱アレー上に外部電場印加用の電極が形成された構造
が得られる。また、第２の化合物半導体層にあらかじめ
不純物をドープして低抵抗化しておくことにより、この
第２の化合物半導体層を外部電場印加用の他方の電極と
して用いることができる。

【００４２】以上により、モット−シュタルク効果トラ
ンジスタなどの量子素子を容易に製造することができ
る。この場合、量子箱間の間隔は、第２の化合物半導体
層の厚さにより決定されるが、現在のエピタキシャル成
長技術によれば、この厚さを例えば５ｎｍ程度以下に設
定することは容易であり、したがって量子箱を近接して
形成することができる。また、現在のエピタキシャル成
長技術によれば、第３の化合物半導体層を直方体の台状
の第１の化合物半導体層の切断面上に三角柱状などの非
対称な形状にエピタキシャル成長させることができるた
め、外部電場の印加方向に対して非対称な形状の量子箱
を形成することができる。

【００４３】

【実施例】以下、この発明の一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
一または対応する部分には同一の符号を付す。図１〜図
１０はこの発明の一実施例によるモット−シュタルク効
果トランジスタの製造方法を示す斜視図である。

【００４４】この一実施例によるモット−シュタルク効
果トランジスタの製造方法においては、まず、図１に示
すように、例えばＧａＡｓ基板１上に例えばＡｌＡｓ層
２およびＧａＡｓ層３を有機金属化学気相成長（ＭＯＣ
ＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により交互
にエピタキシャル成長させ、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超格子
を形成する。この場合、ＡｌＡｓ層２の厚さにより後述
のように結合方向における量子ドットＱＤの大きさが決
定され、ＧａＡｓ層３の厚さにより結合方向における量
子ドットＱＤ間の間隔が決定される。具体的には、Ａｌ
Ａｓ層２の厚さは例えば５〜１０ｎｍに選ばれ、ＧａＡ
ｓ層３の厚さは例えば５ｎｍ以下に選ばれる。この程度
の厚さのＡｌＡｓ層２およびＧａＡｓ層３のエピタキシ
ャル成長は、現在のＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によれば容
易である。これらのＡｌＡｓ層２およびＧａＡｓ層３の
積層数は、製造すべきモット−シュタルク効果トランジ
スタの設計に応じて選ばれる。さらに、ＧａＡｓ層３
は、後述のように最終構造において外部電場印加用の電
極として用いられるため、このＧａＡｓ層３には例えば
ｎ型不純物をドープして低抵抗化しておく。

【００４５】次に、図２に示すように、上述のようにし
てＧａＡｓ基板１上に積層されたＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超
格子を、基板表面に対して垂直な方向に切断する。この
切断は、具体的には、例えば、非選択性のエッチング法
によりＡｌＡｓ層２およびＧａＡｓ層３を基板表面に対
して順次エッチングすることにより行われる。

【００４６】次に、図３に示すように、上述のようにし
て切断されたＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超格子の切断面に露出
したＧａＡｓ層３を、例えばＣｌ系のエッチングガスを
用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりその
切断面に垂直な方向に所定深さ、例えば数１０ｎｍの深
さまで選択的にエッチング除去する。このＣｌ系のエッ
チングガスを用いたＲＩＥにおいては、ＡｌＡｓに対す
るＧａＡｓのエッチング選択比を１００程度にもするこ
とができるので、ＧａＡｓ層３を数１０ｎｍの深さエッ
チングしても、ＡｌＡｓ層２はほとんどエッチングされ
ずに残る。この結果、このエッチング後には、エッチン
グによるＧａＡｓ層３の除去部の間の部分に、一方向に
長く延びる直方体の台状にＡｌＡｓ層２が残される。

【００４７】次に、例えばＭＯＣＶＤ法により、全面に
ＧａＡｓをエピタキシャル成長させる。これによって、
図４に示すように、直方体の台状のＡｌＡｓ層２上にＧ
ａＡｓ層４を三角柱状にエピタキシャル成長させること
ができる。この場合、ＧａＡｓ層３上にもＧａＡｓ層４
がエピタキシャル成長する。なお、このようにＡｌＡｓ
層２上にＧａＡｓ層４を三角柱状にエピタキシャル成長
させるために、好適には、図１におけるＧａＡｓ／Ａｌ
Ａｓ超格子の積層方向がいわゆる逆メサ方向になるよう
にしておく。

【００４８】次に、図５に示すように、全面にＡｌＡｓ
層５をエピタキシャル成長させ、ＧａＡｓ層４を完全に
覆う。これによって、量子井戸層としてのＧａＡｓ層４
が障壁層としてのＡｌＡｓ層５およびＡｌＡｓ層２によ
り囲まれた構造のＧａＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合による
量子細線が互いに平行にかつ互いに近接して複数形成さ
れる。ここで、ＡｌＡｓ層５には、必要に応じて例えば
ｎ型不純物を変調ドープしてもよい。この場合、このＡ
ｌＡｓ層５から量子井戸層としてのＧａＡｓ層４に電子
を供給することができる。なお、ＡｌＡｓ層２にも、ｎ
型不純物を変調ドープしておいてもよい。

【００４９】次に、図６に示すように、このＡｌＡｓ層
５上に例えばリフトオフ法により金属から成るソース電
極６およびドレイン電極７を形成する。この後、必要に
応じて、アニールを行うことによりこれらのソース電極
６およびドレイン電極７をそれらの下地のＡｌＡｓ層５
やＧａＡｓ層４などと合金化させる。次に、これらのソ
ース電極６およびドレイン電極７の間の部分におけるＡ
ｌＡｓ層５上に、例えばリフトオフ法により、例えばＡ
ｌのような金属から成る細線状の電極８を形成する。後
述のように、この電極８は外部電場印加用の電極として
用いられる。この電極８の長手方向は、図１に示すＧａ
Ａｓ／ＡｌＡｓ超格子の積層方向と平行である。また、
この電極８の幅は例えば１０ｎｍ程度に選ばれる。この
程度の幅の電極８の形成は、リフトオフ法によりこの電
極８を形成する際のレジストの露光を電子ビーム露光法
を用いて行うことにより可能である。

【００５０】次に、図７に示すように、ソース電極６お
よびドレイン電極７を完全に覆い、かつ少なくとも電極
８の長手方向の両端面まで延在するレジストパターン９
をリソグラフィーにより形成する。

【００５１】次に、図８に示すように、電極８およびレ
ジストパターン９をマスクとして例えばＲＩＥ法により
基板表面に対して垂直方向にＡｌＡｓ層２の深さ方向の
途中までエッチングすることにより、ＡｌＡｓ層５、Ｇ
ａＡｓ層４およびＡｌＡｓ層２の上部を細線状の形状に
パターニングする。これによって、三角柱状のＧａＡｓ
層４はその長手方向の長さが電極８と同一幅（例えば、
１０ｎｍ程度）になるようにパターニングされる。この
電極８の幅と同一の長さの三角柱状のＧａＡｓ層４がＡ
ｌＡｓ層５、ＡｌＡｓ層２および後述のＡｌＡｓ層１０
により囲まれた構造によりＧａＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接
合による量子ドットＱＤが形成されている。そして、こ
の量子ドットＱＤが電極８の長手方向に一次元的に配列
されて一次元量子ドットアレーが形成されている。な
お、この一次元量子ドットアレーを構成する量子ドット
ＱＤの数は、製造すべきモット−シュタルク効果トラン
ジスタの設計に応じて決められるが、具体的には例えば
数１０個程度である。

【００５２】次に、図９に示すように、レジストパター
ン９を除去する。この後、図１０に示すように、図８に
示すエッチング工程においてエッチング除去された部分
に障壁層としてのＡｌＡｓ層１０を選択的にエピタキシ
ャル成長させてこの部分を埋める。

【００５３】以上により、図９に示すｚ軸方向に対して
形状非対称性を有する量子ドットＱＤが電極８の長手方
向、すなわちチャネル長方向（ここでは、この方向をｘ
軸方向にとる）に互いに隣接して一次元的に配列された
一次元量子ドットアレーから成るチャネル領域を有する
モット−シュタルク効果トランジスタが完成される。こ
の場合、ｘ−ｙ面に平行に切断したときの各量子ドット
ＱＤの断面積は、ｚ軸の正方向に単調に減少している。
そして、隣接する量子ドットＱＤ間の間隔は、ｚ軸の正
方向に単調に増加している。この場合、電極８ともう一
方の電極として用いられるＧａＡｓ層３との間に電圧を
印加することにより、ｚ軸方向の外部電場をチャネル領
域に印加することができる。

【００５４】上述のようにして製造されるこの一実施例
によるモット−シュタルク効果トランジスタの動作原理
について説明すると、次の通りである。ここでは、ソー
ス電極６は接地しておき、ドレイン電極７には所定の正
電圧を印加しておくものとする。また、外部電場印加用
の電極として用いられるＧａＡｓ層３は接地しておくも
のとする。

【００５５】まず、外部電場印加用の電極８に負電圧を
印加することにより、一次元量子ドットアレーから成る
チャネル領域にｚ軸の正方向の外部電場を印加すると、
このチャネル領域中の各量子ドットＱＤ内の電子は、ｚ
軸の負方向に力を受け、各量子ドットＱＤの下部に引き
寄せられる。このとき、隣接する量子ドットＱＤ間の間
隔は実効的に減少し、したがって隣接する量子ドットＱ
Ｄ間の障壁の幅は実効的に減少する。このため、電子は
隣接する量子ドットＱＤ間をトンネリングにより移動し
易くなり、トランスファー・エネルギーＴは増加する。
この結果、チャネル領域を構成する一次元量子ドットア
レーは金属相となる。このとき、ソース電極６およびド
レイン電極７間にはドレイン電流が流れ、トランジスタ
はオン状態にある。

【００５６】一方、外部電場印加用の電極８に正電圧を
印加することにより、一次元量子ドットアレーから成る
チャネル領域にｚ軸の負方向の外部電場を印加すると、
このチャネル領域中の各量子ドットＱＤ内の電子は、ｚ
軸の正方向に力を受け、各量子ドットＱＤの頂部に押し
やられる。このとき、隣接する量子ドットＱＤ間の間隔
は実効的に増加し、したがって隣接する量子ドットＱＤ
間の障壁の幅は実効的に増加する。このため、電子は隣
接する量子ドットＱＤ間をトンネリングにより移動しに
くくなり、トランスファー・エネルギーＴは減少する。
この結果、チャネル領域を構成する一次元量子ドットア
レーは絶縁体相となる。このとき、ソース電極６および
ドレイン電極７間にはドレイン電流が流れず、トランジ
スタはオフ状態にある。

【００５７】このように、この一実施例によるモット−
シュタルク効果トランジスタによれば、電極８に電圧を
印加してｚ軸方向の外部電場をチャネル領域に印加する
ことによって、ソース電極６およびドレイン電極７間に
流れるドレイン電流の変調を効率的に行うことができ、
トランジスタ動作を実現することができる。また、この
一実施例によるモット−シュタルク効果トランジスタ
は、電子の空間分布を変化させる必要がないことから、
従来の電界効果トランジスタのようにチャネルに電子が
出入りするために必要な時間遅延がなく、したがって高
速動作が可能である。

【００５８】なお、例えば、チャネル領域を構成する一
次元量子ドットアレーにおける各量子ドットＱＤ間の間
隔を、ｚ軸方向の外部電場を印加しないときにこの一次
元量子ドットアレーが絶縁体相となるようにあらかじめ
選んでおくことにより、ｚ軸方向の外部電場を印加しな
いときにこの一実施例によるモット−シュタルク効果ト
ランジスタがオフ状態にあるようにすることができる。
この場合、この一実施例によるモット−シュタルク効果
トランジスタをオンさせるためには、ｚ軸の正方向に外
部電場を印加して隣接する量子ドットＱＤ間の間隔を実
効的に減少させることにより、チャネル領域を構成する
一次元量子ドットアレーが金属相となるようにすればよ
い。さらに、これとは逆に、チャネル領域を構成する一
次元量子ドットアレーにおける各量子ドットＱＤ間の間
隔を、ｚ軸方向の外部電場を印加しないときにこの一次
元量子ドットアレーが金属相となるように選ぶことによ
って、ｚ軸方向の外部電場を印加しないときにこの一実
施例によるモット−シュタルク効果トランジスタがオン
状態にあるようにしておき、ｚ軸の負方向に外部電場を
印加することにより隣接する量子ドットＱＤ間の間隔を
実効的に増加させてチャネル領域を構成する一次元量子
ドットアレーが絶縁体相となるようにし、この一実施例
によるモット−シュタルク効果トランジスタがオフ状態
となるようにしてもよい。

【００５９】以上のように、この一実施例によれば、一
次元量子ドットアレーから成るチャネル領域を有するモ
ット−シュタルク効果トランジスタを容易に製造するこ
とができる。この場合、一次元量子ドットアレーを構成
する量子ドットＱＤ間の間隔は、ＧａＡｓ基板１上に積
層されるＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超格子のＧａＡｓ層３の厚
さによって決定されるが、現在のエピタキシャル成長技
術によればこのＧａＡｓ層３の厚さを例えば５ｎｍ程度
以下にすることは容易であることから、量子ドットＱＤ
間の間隔を、一次元量子ドットアレーが結合量子ドット
アレーとなるように十分に小さくすることができる。ま
た、量子ドットＱＤの量子井戸層を構成するＧａＡｓ層
４はＡｌＡｓ層２の切断面上に三角柱状にエピタキシャ
ル成長させることができるので、量子ドットＱＤを、外
部電場の印加方向、すなわちｚ軸方向に対して非対称な
形状にすることができる。

【００６０】以上、この発明の一実施例について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。

【００６１】例えば、上述の一実施例においては、図１
０に示す工程において障壁層としてＡｌＡｓ層１０をエ
ピタキシャル成長させているが、このＡｌＡｓ層１０は
省略してもよい。この場合、ｘ−ｙ面内においてチャネ
ル長方向、すなわちｘ方向に垂直な方向、すなわちｙ方
向における量子ドットＱＤの量子閉じ込めは、図９に示
すＧａＡｓ層４のエッチング面に形成される表面空乏層
（図示せず）により行うことができる。このように表面
空乏層を用いて量子閉じ込めを行う場合、チャネル領域
の幅、すなわち電極８の幅は、例えば５０ｎｍ程度に選
ばれる。

【００６２】また、上述の一実施例においては、一次元
量子ドットアレーから成る単一のチャネル領域を有する
モット−シュタルク効果トランジスタの製造にこの発明
を適用した場合について説明したが、電極８を一つのト
ランジスタ毎に互いに平行に複数形成し、これらの電極
８をマスクとして上述の一実施例と同様にエッチングを
行うことにより、マルチチャネル型のモット−シュタル
ク効果トランジスタを製造することが可能である。この
場合、各電極８に独立して電圧を印加することができる
ようにしておけば、各チャネルを流れるドレイン電流を
独立に制御することができる。また、これらの電極８間
の間隔を十分に小さく選び、ｘ−ｙ面内においてチャネ
ル長方向、すなわちｘ方向に垂直な方向、すなわちｙ方
向における量子ドットＱＤ間の間隔が十分に小さくなる
ようにし、さらにこれらの電極８に同一の電圧を印加す
るようにすれば、実効的に二次元量子ドットアレーから
成るチャネル領域を有するモット−シュタルク効果トラ
ンジスタを実現することができる。

【００６３】また、上述の一実施例においては、外部電
場印加用の電極８をマスクとしてＡｌＡｓ層５、ＧａＡ
ｓ層４、ＡｌＡｓ層２などをエッチングすることにより
一次元量子ドットアレーを形成しているが、この電極８
の代わりにこの電極８と同一形状のレジストパターンな
どを形成し、これをマスクとしてＡｌＡｓ層５、ＧａＡ
ｓ層４、ＡｌＡｓ層２などをエッチングすることにより
一次元量子ドットアレーを形成してもよい。この場合に
は、このエッチングによりパターニングされた最上層の
ＡｌＡｓ層５上に後工程において外部電場印加用の電極
を形成すればよい。

【００６４】なお、上述の一実施例においては、ＧａＡ
ｓ基板１上にこのＧａＡｓ基板１の表面と垂直な方向に
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超格子を積層しているが、このＧａ
Ａｓ／ＡｌＡｓ超格子は、ラテラル成長法により、Ｇａ
Ａｓ基板１上にその積層方向が基板表面と平行になるよ
うに成長させてもよい。

【００６５】また、本発明者は、特願平５−２９２７７
４号において、量子ドットアレーから成るチャネル領域
上に設けられたゲート電極に印加する電圧により量子ド
ットアレーの電子密度を変化させることによりドレイン
電流を変調するモット転移トランジスタを提案したが、
このモット転移トランジスタの機能とこの発明によるモ
ット−シュタルク効果トランジスタの機能とを併せ持つ
トランジスタの実現も可能である。そして、この場合、
モット転移トランジスタの機能とモット−シュタルク効
果トランジスタの機能とを切り換えることが可能であ
る。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による量
子素子の製造方法によれば、モット−シュタルク効果ト
ランジスタなどの量子素子を容易に製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるモット−シュタルク
効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図で
ある。

【図２】この発明の一実施例によるモット−シュタルク
効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図で
ある。

【図３】この発明の一実施例によるモット−シュタルク
効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図で
ある。

【図４】この発明の一実施例によるモット−シュタルク
効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図で
ある。

【図５】この発明の一実施例によるモット−シュタルク
効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図で
ある。

【図６】この発明の一実施例によるモット−シュタルク
効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図で
ある。

【図７】この発明の一実施例によるモット−シュタルク
効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図で
ある。

【図８】この発明の一実施例によるモット−シュタルク
効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図で
ある。

【図９】この発明の一実施例によるモット−シュタルク
効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図で
ある。

【図１０】この発明の一実施例によるモット−シュタル
ク効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図
である。

【図１１】モット転移を説明するための略線図である。

【符号の説明】

１ＧａＡｓ基板２、５、１０ＡｌＡｓ層３、４ＧａＡｓ層６ソース電極７ドレイン電極８電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一面内に互いに隣接して一次元的に配列
された複数の量子箱から成るチャネル領域を少なくとも
一つ有し、上記複数の量子箱が上記面と直交する方向に
対して形状非対称性を有する量子素子の製造方法であっ
て、上記量子箱の障壁層となる第１の化合物半導体層および
上記第１の化合物半導体層に対して選択的に除去可能な
第２の化合物半導体層を基板上に交互に積層する工程
と、上記第１の化合物半導体層および上記第２の化合物半導
体層を上記基板の表面に対してほぼ垂直な方向に切断す
る工程と、上記切断された上記第１の化合物半導体層および上記第
２の化合物半導体層の切断面に露出した上記第２の化合
物半導体層を所定深さだけ選択的に除去する工程と、上記第１の化合物半導体層の上記切断面上に上記量子箱
の量子井戸層となる第３の化合物半導体層を上記切断面
と直交する方向に対して非対称な形状となるように選択
的にエピタキシャル成長させる工程と、上記量子箱の障壁層となる第４の化合物半導体層を上記
第３の化合物半導体層を覆うようにエピタキシャル成長
させる工程と、上記第４の化合物半導体層上に細線状のマスクを形成す
る工程と、上記マスクを用いて少なくとも上記第４の化合物半導体
層および上記第３の化合物半導体層をパターニングする
工程とを有することを特徴とする量子素子の製造方法。
【請求項２】上記第１の化合物半導体層の上記切断面
上に上記第３の化合物半導体層を三角柱状にエピタキシ
ャル成長させるようにしたことを特徴とする請求項１記
載の量子素子の製造方法。
【請求項３】一つの量子素子毎に上記マスクを一つ形
成するようにしたことを特徴とする請求項１または２記
載の量子素子の製造方法。
【請求項４】一つの量子素子毎に上記マスクを互いに
平行に複数形成するようにしたことを特徴とする請求項
１または２記載の量子素子の製造方法。
【請求項５】上記マスクが外部電場印加用の一方の電
極を構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか
一項記載の量子素子の製造方法。
【請求項６】上記第２の化合物半導体層に不純物がド
ープされ、この不純物がドープされた上記第２の化合物
半導体層が外部電場印加用の他方の電極として用いられ
ることを特徴とする請求項５記載の量子素子の製造方
法。
【請求項７】上記第４の化合物半導体層に不純物が変
調ドープされ、この不純物が変調ドープされた上記第４
の化合物半導体層から上記量子箱の上記量子井戸層にキ
ャリアが供給されることを特徴とする請求項１〜６のい
ずれか一項記載の量子素子の製造方法。
【請求項８】上記第１の化合物半導体層および上記第
４の化合物半導体層がＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層
であり、上記第２の化合物半導体層および上記第３の化
合物半導体層がＧａＡｓ層であることを特徴とする請求
項１〜７のいずれか一項記載の量子素子の製造方法。
【請求項９】上記第１の化合物半導体層および上記第
４の化合物半導体層がＡｌＧａＳｂ層であり、上記第２
の化合物半導体層および上記第３の化合物半導体層がＩ
ｎＡｓ層であることを特徴とする請求項１〜７のいずれ
か一項記載の量子素子の製造方法。
【請求項１０】上記量子素子がモット−シュタルク効
果トランジスタであることを特徴とする請求項１〜９の
いずれか一項記載の量子素子の製造方法。