JPH0794806A - Quantum box aggregation element and light beam input/ output method - Google Patents

Quantum box aggregation element and light beam input/ output method

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JPH0794806A
JPH0794806A JP25645293A JP25645293A JPH0794806A JP H0794806 A JPH0794806 A JP H0794806A JP 25645293 A JP25645293 A JP 25645293A JP 25645293 A JP25645293 A JP 25645293A JP H0794806 A JPH0794806 A JP H0794806A
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JP
Japan
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quantum box
mixed crystal
crystal layer
quantum
box assembly
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Application number
JP25645293A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryuichi Ugajin
隆一 宇賀神
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

PURPOSE:To provide a quantum box aggregation element using IV group element having activity for light beam and a method of inputting and outputting a light beam utilizing such quantum box aggregation element. CONSTITUTION:A quantum box aggregation element is composed of a mixed crystal layer 20 consisting of a mixed crystal of two kinds of IV group elements and a quantum box 30 consisting of the IV group element and a type II heterojunction super lattice is formed between the mixed crystal layer 20 and quantum box 30. The mixed crystal layer 30 can be formed of SiGe, the quantum box 30 can be formed of Si formed on the mixed crystal layer and a wall layer 40 for covering the quantum box 30 and an electrode 42 provided in separation from the quantum box to form the electric field can further be provided. A light beam inputting and outputting method comprises steps for (A) irradiating the mixed crystal layer 20 with a light beam under the condition that the electric field is formed and the electrons generated thereby are trapp in the quantum box 30 and (B) generating a light beam by forming an opposite electric field and recoupling the electrons trapp by the quantum box 30 with the holes supplied externally.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、IV族元素から構成さ
れた量子箱集合素子、及びかかる量子箱集合素子を用い
た光入出力方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quantum box assembly element composed of a group IV element and an optical input / output method using the quantum box assembly element.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、量子波エレクトロニクスにおい
て、電子のド・ブロイ波長と同程度の断面寸法を有する
極微細構造、即ち、所謂量子箱あるいは複数の量子箱の
集合である量子箱集合素子が注目されており、この量子
箱内に閉じ込められた0次元電子が示す量子効果に大き
な関心がもたれている。中でも、光励起によって生成さ
れた電子又は正孔のキャリアを量子箱に捕捉する技術
は、将来の電子−光デバイス分野への応用に大いに期待
されている。このような分野における応用のためには、
量子箱集合素子を構成する材料が光に対して活性である
ことが必要である。
2. Description of the Related Art In recent years, in quantum wave electronics, attention has been paid to a hyperfine structure having a cross-sectional dimension similar to the de Broglie wavelength of electrons, that is, a so-called quantum box or a quantum box assembly element which is a collection of a plurality of quantum boxes. Therefore, there is great interest in the quantum effect exhibited by the zero-dimensional electrons confined in this quantum box. Above all, the technique of trapping electron or hole carriers generated by photoexcitation in the quantum box is highly expected to be applied to the field of electron-optical devices in the future. For applications in such fields,
It is necessary that the material forming the quantum box assembly element be active with respect to light.

【0003】シリコンは超LSI等に広く用いられてお
り、高純度で結晶性の良い材料である。しかしながら、
シリコンは間接遷移型の半導体材料であり、光に対して
不活性である。従って、従来、量子箱集合素子を構成す
る材料としては、直接遷移型の半導体材料である化合物
半導体が必須であると考えられてきた。また、量子箱集
合素子における障壁層を構成する材料の選択自由度の点
からも、量子箱集合素子を構成する材料には化合物半導
体が適していると考えられていた。
Silicon is widely used in VLSI and the like, and is a material of high purity and good crystallinity. However,
Silicon is an indirect transition type semiconductor material and is inactive to light. Therefore, conventionally, it has been considered that a compound semiconductor, which is a direct transition type semiconductor material, is indispensable as a material for forming the quantum box assembly element. Also, from the viewpoint of the degree of freedom in selecting the material forming the barrier layer in the quantum box assembly element, it was considered that the compound semiconductor is suitable for the material forming the quantum box assembly element.

【0004】然るに、近年の研究によって、SiGeと
いう2種類のIV族元素混晶は光に活性であることが判
明してきた。一般に、IV族元素においては、その完全
結晶の対称性によって直接遷移は禁止される。一方、I
V族元素混晶は、ランダム性によって結晶の並進対称性
が破れ、直接遷移の禁止則が破れるために光に対して活
性となる。また、Si/SiGeのヘテロ・エピタキシ
ャル成長の研究も進展している。
However, recent studies have revealed that SiGe, which is a mixed crystal of two kinds of Group IV elements, is photoactive. In general, in group IV elements, direct transition is prohibited due to the symmetry of the perfect crystal. On the other hand, I
The group V element mixed crystal becomes active against light because the translational symmetry of the crystal is broken by the randomness and the direct transition prohibition rule is broken. Further, research on hetero-epitaxial growth of Si / SiGe is also progressing.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】光励起によって量子箱
内部にキャリアを生成させる技術を、本出願人は平成4
年12月28日付で出願した特願平4−360263号
で提案した。この量子箱は、化合物半導体のヘテロ接合
超格子によって構成されている。一般に、化合物半導体
材料はシリコンと比較して安定性に乏しいという問題が
ある。また、化合物半導体材料から量子箱及び障壁層を
形成した場合、障壁層のバリアが低く、量子箱内に電子
を閉じ込め難いという問題もある。また、全体のシステ
ムを構成する場合、従来のMOS等のシリコンデバイス
との集積化も考えられ、この場合、量子箱をシリコンか
ら構成することが望ましい。
The present applicant has proposed a technique for generating carriers inside a quantum box by photoexcitation.
It was proposed in Japanese Patent Application No. 4-360263 filed on Dec. 28, 2012. This quantum box is composed of a compound semiconductor heterojunction superlattice. In general, compound semiconductor materials have a problem that they are less stable than silicon. Further, when the quantum box and the barrier layer are formed from the compound semiconductor material, there is a problem that the barrier layer has a low barrier and it is difficult to confine electrons in the quantum box. Further, in the case of configuring the entire system, integration with a conventional silicon device such as MOS can be considered, and in this case, it is desirable to configure the quantum box from silicon.

【0006】本発明は、化合物半導体材料から構成され
た量子箱集合素子のこれらの問題を解決することを目的
とし、光に対して活性を有する、IV族元素を用いた量
子箱集合素子、及びかかる量子箱集合素子を用いた光入
出力方法を提供する。
The present invention aims to solve these problems of a quantum box assembly element made of a compound semiconductor material, and is a quantum box assembly element using a group IV element having activity to light, and An optical input / output method using such a quantum box assembly element is provided.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の態様に関
する量子箱集合素子は、2種のIV族元素混晶から成る
混晶層と、IV族元素から成る量子箱とから構成され、
混晶層と量子箱との間にタイプIIヘテロ接合超格子が
形成されていることを特徴とする。混晶層をSiGeか
ら構成し、量子箱を混晶層上に形成されたSiあるいは
Geから構成することができる。量子箱集合素子は、量
子箱を被覆する障壁層と、電場を形成するために、量子
箱と離間して設けられた電極とを更に備えることができ
る。
A quantum box assembly element according to a first aspect of the present invention comprises a mixed crystal layer composed of two kinds of group IV element mixed crystals and a quantum box composed of group IV elements.
A type II heterojunction superlattice is formed between the mixed crystal layer and the quantum box. The mixed crystal layer can be made of SiGe, and the quantum box can be made of Si or Ge formed on the mixed crystal layer. The quantum box assembly element may further include a barrier layer covering the quantum box, and an electrode provided apart from the quantum box to form an electric field.

【0008】また、本発明の第2の態様に関する量子箱
集合素子は、2種のIV族元素混晶から成る混晶層と、
この混晶層を構成するIV族元素混晶における混晶比と
は異なる混晶比を有する2種のIV族元素混晶から成る
量子箱とから構成され、混晶層と量子箱との間にタイプ
IIヘテロ接合超格子が形成されていることを特徴とす
る。混晶層をSiGeから構成し、量子箱を混晶層上に
形成されたSiGeから構成することができる。量子箱
集合素子は、量子箱を被覆する障壁層と、電場を形成す
るために、量子箱と離間して設けられた電極とを更に備
えることができる。
The quantum box assembly element according to the second aspect of the present invention comprises a mixed crystal layer composed of two kinds of group IV element mixed crystals,
And a quantum box composed of two kinds of group IV element mixed crystals having a mixed crystal ratio different from the mixed crystal ratio of the group IV element mixed crystal forming the mixed crystal layer. Is characterized in that a type II heterojunction superlattice is formed. The mixed crystal layer can be made of SiGe, and the quantum box can be made of SiGe formed on the mixed crystal layer. The quantum box assembly element may further include a barrier layer covering the quantum box, and an electrode provided apart from the quantum box to form an electric field.

【0009】これらの量子箱集合素子における障壁層は
SiO2から構成することができる。また、電極は、障
壁層の上に設けられた透明電極材料から成る上部電極、
あるいは量子箱の上方に一種の窓を有する上部電極とす
ることが望ましい。
The barrier layer in these quantum box assembly devices can be made of SiO 2 . The electrode is an upper electrode made of a transparent electrode material provided on the barrier layer,
Alternatively, it is desirable to use an upper electrode having a kind of window above the quantum box.

【0010】本発明の量子箱集合素子における光入出力
方法では、2種のIV族元素混晶から成る混晶層と、I
V族元素から成る量子箱若しくは混晶層を構成するIV
族元素混晶における混晶比とは異なる混晶比を有する2
種のIV族元素混晶から成る量子箱とから構成され、混
晶層と量子箱との間にタイプIIヘテロ接合超格子が形
成されている量子箱集合素子が用いられる。そして、こ
の第1の態様に関する量子箱集合素子における光入出力
方法は、(イ)電場を形成した状態で混晶層に光を照射
し、それによって生成した電子を量子箱に捕捉する工程
と、(ロ)逆の電場を形成して、量子箱に捕捉された電
子を、外部から供給された正孔と再結合させることによ
って発光させる工程、から成ることを特徴とする。
In the light input / output method for the quantum box assembly according to the present invention, a mixed crystal layer composed of two kinds of group IV element mixed crystals and I
IV forming a quantum box or mixed crystal layer composed of group V elements
Having a mixed crystal ratio different from the mixed crystal ratio in the mixed crystal of group elements 2
A quantum box assembly element is used which is composed of a quantum box made of a mixed crystal of a group IV element of a seed, and in which a type II heterojunction superlattice is formed between the mixed crystal layer and the quantum box. Then, the light input / output method in the quantum box assembly element according to the first aspect includes (a) a step of irradiating the mixed crystal layer with light in a state where an electric field is formed, and trapping the electrons generated thereby in the quantum box. And (b) forming an opposite electric field to cause the electrons trapped in the quantum box to recombine with holes supplied from the outside to emit light.

【0011】本発明の量子箱集合素子における光入出力
方法では、混晶層をSiGeから構成し、量子箱を混晶
層上に形成されたSi、Ge又はSiGeから構成し、
量子箱集合素子には、量子箱を被覆する障壁層が更に備
えられていることが望ましい。尚、障壁層はSiO2
ら構成することができる。
In the optical input / output method for the quantum box assembly element of the present invention, the mixed crystal layer is made of SiGe, and the quantum box is made of Si, Ge or SiGe formed on the mixed crystal layer,
It is desirable that the quantum box assembly element further includes a barrier layer that covers the quantum box. The barrier layer can be made of SiO 2 .

【0012】本発明においては、量子箱は2次元アレー
状に周期的に配置されていても、非周期的に配置されて
いてもよい。量子箱の大きさは2nm乃至50nmであ
る。通常、量子箱中には1個乃至数個の電子が存在す
る。尚、量子箱は量子ドットと呼ばれることもある。
In the present invention, the quantum boxes may be arranged in a two-dimensional array periodically or aperiodically. The size of the quantum box is 2 nm to 50 nm. Usually, there are one to several electrons in the quantum box. The quantum box may be called a quantum dot.

【0013】[0013]

【作用】例えば、IV族元素であるSiと、2種のIV
族元素混晶から成る混晶であるSiGeから構成される
ヘテロ接合超格子は、これらの格子定数の相違からスト
レインが入り、ストレインの入り方によってバンド構造
は大きく変化する。バルクのSi上にSiGeを成長さ
せると、SiGeがSiの格子定数で配列し、図9の
(B)に示すようなバンド構造を有するタイプIヘテロ
接合超格子が形成される。一方、バルクのSiGe上に
Siをエピタキシャル成長させてSi薄膜を形成した場
合、図9の(A)に示すようなバンド構造を有するタイ
プIIヘテロ接合超格子が形成される。本発明において
は、このタイプIIヘテロ接合超格子を利用する。
[Function] For example, Si which is a group IV element and two kinds of IV
In the heterojunction superlattice composed of SiGe, which is a mixed crystal composed of a group element mixed crystal, strain is generated due to the difference in the lattice constants, and the band structure is largely changed depending on how the strain enters. When SiGe is grown on bulk Si, SiGe is arranged with the Si lattice constant, and a type I heterojunction superlattice having a band structure as shown in FIG. 9B is formed. On the other hand, when Si is epitaxially grown on bulk SiGe to form a Si thin film, a type II heterojunction superlattice having a band structure as shown in FIG. 9A is formed. The present invention utilizes this type II heterojunction superlattice.

【0014】混晶層は光に対して活性である。一方、量
子箱は光に対して不活性である。従って、混晶層に入射
した光によって、混晶層内に電子−正孔の対生成が生じ
る。量子箱集合素子内に所定の電場を形成しておけば、
混晶層と量子箱との間にタイプIIヘテロ接合超格子が
形成されているので、生成した電子が量子箱に捕捉され
る。
The mixed crystal layer is active with respect to light. On the other hand, the quantum box is inactive to light. Therefore, electron-hole pairs are generated in the mixed crystal layer by the light incident on the mixed crystal layer. If a predetermined electric field is formed in the quantum box assembly element,
Since the type II heterojunction superlattice is formed between the mixed crystal layer and the quantum box, the generated electrons are trapped in the quantum box.

【0015】量子箱に捕捉されたときとは逆の電場を量
子箱集合素子内に形成すれば、量子箱に捕捉された電子
は、外部から供給された正孔と再結合する。その結果、
発光が生じ、量子箱集合素子から光が射出されるので、
この光を検出することによって、量子箱集合素子におけ
る電子等の分布を知ることができる。
If an electric field opposite to that trapped in the quantum box is formed in the quantum box assembly element, the electrons trapped in the quantum box are recombined with holes supplied from the outside. as a result,
Since light is emitted and light is emitted from the quantum box assembly element,
By detecting this light, the distribution of electrons and the like in the quantum box assembly element can be known.

【0016】[0016]

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described based on embodiments with reference to the drawings.

【0017】(本発明の量子箱集合素子の構造)本発明
の量子箱集合素子の模式的な断面図を図1に示す。この
量子箱集合素子は、2種のIV族元素混晶から成る混晶
層20と、IV族元素から成る量子箱30とから構成さ
れており、混晶層20と量子箱30との間には、図9の
(A)に示したタイプIIヘテロ接合超格子が形成され
ている。より具体的には、2種のIV族元素混晶から成
る混晶層20はi型のSiGeから構成されており、I
V族元素から成る量子箱30はSiから構成されてい
る。量子箱30は、図1の紙面垂直方向にも形成されて
おり、2次元アレー状に配置されている。
(Structure of Quantum Box Assembly Element of the Present Invention) FIG. 1 is a schematic sectional view of the quantum box assembly element of the present invention. This quantum box assembly element is composed of a mixed crystal layer 20 made of two kinds of group IV element mixed crystals and a quantum box 30 made of group IV elements, and between the mixed crystal layer 20 and the quantum box 30. Forms the type II heterojunction superlattice shown in FIG. 9 (A). More specifically, the mixed crystal layer 20 composed of two kinds of group IV element mixed crystals is composed of i-type SiGe, and I
The quantum box 30 made of a group V element is made of Si. The quantum boxes 30 are also formed in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1, and are arranged in a two-dimensional array.

【0018】本発明の量子箱集合素子は、更に、量子箱
30を被覆するSiO2から成る障壁層40を備えてい
る。また、障壁層40の頂面に、例えば透明なITO膜
から成る上部電極42が備えられている。更には、Si
Geから成る混晶層20の下方に、下部電極として機能
する高濃度不純物領域14が形成されている。尚、混晶
層20の混晶比は、Si:50atom%、Ge:50atom
%である。
The quantum box assembly element of the present invention further comprises a barrier layer 40 made of SiO 2 and covering the quantum box 30. Further, an upper electrode 42 made of, for example, a transparent ITO film is provided on the top surface of the barrier layer 40. Furthermore, Si
A high-concentration impurity region 14 functioning as a lower electrode is formed below the mixed crystal layer 20 made of Ge. The mixed crystal ratio of the mixed crystal layer 20 is Si: 50 atom%, Ge: 50 atom.
%.

【0019】量子箱集合素子を、2種のIV族元素混晶
から成る混晶層と、この混晶層を構成するIV族元素混
晶における混晶比とは異なる混晶比を有する2種のIV
族元素混晶から成る量子箱とから構成することもでき
る。そして、混晶層と量子箱との間にはタイプIIヘテ
ロ接合超格子が形成されている。この場合、混晶層を例
えばSiとGeの混晶から構成し、混晶比を、例えば、
Si:40atom%、Ge:60atom%とする。また、量
子箱もSiとGeの混晶から構成し、混晶比を、例え
ば、Si:90atom%、Ge:10atom%とする。尚、
一般的には、混晶層におけるSiの原子百分率を量子箱
におけるSiの原子百分率よりも低くすればよい。尚、
このような構成の量子箱集合素子においても、量子箱3
0を被覆する障壁層40、障壁層40の頂面に形成され
た例えば透明なITO膜から成る上部電極42、混晶層
20の下方に形成された下部電極として機能する高濃度
不純物領域14を形成する。
Two kinds of quantum box assembly elements are used, which have a mixed crystal layer composed of two kinds of group IV element mixed crystals and a mixed crystal ratio different from the mixed crystal ratio of the group IV element mixed crystals forming the mixed crystal layer. IV
It may be composed of a quantum box made of a mixed crystal of group elements. A type II heterojunction superlattice is formed between the mixed crystal layer and the quantum box. In this case, the mixed crystal layer is composed of, for example, a mixed crystal of Si and Ge, and the mixed crystal ratio is, for example,
Si: 40 atom%, Ge: 60 atom%. The quantum box is also composed of a mixed crystal of Si and Ge, and the mixed crystal ratio is, for example, Si: 90 atom% and Ge: 10 atom%. still,
Generally, the atomic percentage of Si in the mixed crystal layer may be lower than the atomic percentage of Si in the quantum box. still,
Even in the quantum box assembly device having such a configuration, the quantum box 3
A high concentration impurity region 14 functioning as a lower electrode formed below the mixed crystal layer 20 and a barrier layer 40 covering 0, an upper electrode 42 made of, for example, a transparent ITO film formed on the top surface of the barrier layer 40. Form.

【0020】(本発明の量子箱集合素子の作製方法)図
1に示した量子箱集合素子の作製方法を、以下、図2を
参照して説明する。
(Manufacturing Method of Quantum Box Assembly Element of the Present Invention) A manufacturing method of the quantum box assembly element shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIG.

【0021】先ず、例えばシリコンウエハから成る基板
10上に分子線エピタキシー(MBE)技術を用いて、
SiGeから成るバッファ層12を形成し、次いで、バ
ッファ層12の上にバルクのSiGe結晶を成長させ
て、十分な厚さを有するSiGe層を形成する。その
後、SiGe層の必要な領域にp型不純物を、例えばイ
オン注入技術を用いてドーピングし、高濃度不純物領域
14を形成する。そして、その上に、更に、MBE技術
を用いて、十分な厚さを有するi型のSiGeから成る
混晶層20を形成する(図2の(A)参照)。
First, using a molecular beam epitaxy (MBE) technique on a substrate 10 made of, for example, a silicon wafer,
A buffer layer 12 made of SiGe is formed, and then a bulk SiGe crystal is grown on the buffer layer 12 to form a SiGe layer having a sufficient thickness. After that, a necessary region of the SiGe layer is doped with a p-type impurity by using, for example, an ion implantation technique to form a high concentration impurity region 14. Then, a mixed crystal layer 20 of i-type SiGe having a sufficient thickness is further formed thereon by using the MBE technique (see FIG. 2A).

【0022】次に、MBE技術を用いて、SiGeから
成る混晶層20上に、例えば厚さ10nmのSi層30
Aをエピタキシャル成長させる(図2の(B)参照)。
この結果、Si層30Aと、下地である混晶層20との
間にタイプIIヘテロ接合超格子が形成される。その
後、Si層30Aをパターニングして、Siから成る複
数の量子箱30を形成する(図2の(C)参照)。パタ
ーニングの際、Si層30A上のレジスト材料の形成
は、例えば、電子ビーム照射装置の真空排気された試料
室内において所定のレジスト原料ガス雰囲気中でスポッ
ト径を十分小さく絞った電子ビームをSi層30A上に
選択的に照射して、この電子ビームが照射されたSi層
30Aの部分にレジスト原料ガスの分解生成物を堆積さ
せることで行うことができる。また、パターニングの際
におけるSi層30Aのエッチングは、例えばRIE法
のような異方性ドライエッチング法にて行うことができ
る。量子箱30の平面形状は、例えば矩形とすることが
できる。
Next, using the MBE technique, a Si layer 30 having a thickness of, for example, 10 nm is formed on the mixed crystal layer 20 made of SiGe.
A is epitaxially grown (see FIG. 2B).
As a result, a type II heterojunction superlattice is formed between the Si layer 30A and the underlying mixed crystal layer 20. Then, the Si layer 30A is patterned to form a plurality of quantum boxes 30 made of Si (see FIG. 2C). During patterning, the resist material is formed on the Si layer 30A by, for example, using an electron beam with a spot diameter narrowed sufficiently in a predetermined resist source gas atmosphere in a sample chamber of the electron beam irradiation apparatus that is evacuated. This can be performed by selectively irradiating the upper part and depositing a decomposition product of the resist source gas on the portion of the Si layer 30A irradiated with the electron beam. The etching of the Si layer 30A during patterning can be performed by an anisotropic dry etching method such as the RIE method. The planar shape of the quantum box 30 may be rectangular, for example.

【0023】次いで、量子箱30を含む全面に、例えば
CVD法にてSiO2層を堆積させて、量子箱30をS
iO2から成る障壁層40で被覆する。その後、スパッ
タ法、リソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、
例えばITO膜から成る上部電極42を障壁層40上に
形成し、図1に示した量子箱集合素子を完成させる。
Then, a SiO 2 layer is deposited on the entire surface including the quantum box 30 by, for example, a CVD method to form the quantum box 30 into S.
coated with a barrier layer 40 made of iO 2. After that, using the sputtering method, lithography technology and etching technology,
An upper electrode 42 made of, for example, an ITO film is formed on the barrier layer 40 to complete the quantum box assembly element shown in FIG.

【0024】透明電極材料から上部電極を構成しない場
合には、量子箱30をSiO2から成る障壁層40で被
覆した後、障壁層40をパターニングして、障壁層40
に量子箱30に対応した形状の突起部40Aを形成する
(図3の(A)参照)。パターニングの際、障壁層40
上のレジスト材料の形成は、例えば、電子ビーム照射装
置の真空排気された試料室内において所定のレジスト原
料ガス雰囲気中でスポット径を十分小さく絞った電子ビ
ームを障壁層40上に選択的に照射して、この電子ビー
ムが照射された障壁層40の部分にレジスト原料ガスの
分解生成物を堆積させることで行うことができる。ま
た、突起部40Aを形成するための障壁層40のエッチ
ングは、例えばRIE法のような異方性ドライエッチン
グ法にて行うことができる。
When the upper electrode is not composed of the transparent electrode material, the quantum box 30 is covered with the barrier layer 40 made of SiO 2 and then the barrier layer 40 is patterned to form the barrier layer 40.
Then, a protrusion 40A having a shape corresponding to the quantum box 30 is formed (see FIG. 3A). When patterning, the barrier layer 40
The above resist material is formed by, for example, selectively irradiating the barrier layer 40 with an electron beam with a spot diameter sufficiently narrowed in a predetermined resist source gas atmosphere in a vacuumed sample chamber of an electron beam irradiation apparatus. Then, the decomposition product of the resist source gas is deposited on the portion of the barrier layer 40 irradiated with the electron beam. The etching of the barrier layer 40 for forming the protrusion 40A can be performed by an anisotropic dry etching method such as the RIE method.

【0025】次に、例えばアルミニウムから成る電極材
料層を障壁層40の全面に真空蒸着法等によって形成す
る(図3の(B)参照)。この場合、電極材料層の厚さ
を障壁層40の突起部40Aの高さよりも十分薄くする
ことによって、障壁層40の突起部40A上の電極材料
層とそれ以外の部分の電極材料層とは段差によって相互
に分離される。その後、図4に示すように、障壁層40
をウエットエッチングして、障壁層40の突起部40
A、及びかかる突起部40A上の電極材料層を除去する
(リフトオフ)。こうして、量子箱30の上方に一種の
窓を有する上部電極42が形成される。この窓を通し
て、混晶層20に光を入射させることができる。
Next, an electrode material layer made of, for example, aluminum is formed on the entire surface of the barrier layer 40 by a vacuum deposition method or the like (see FIG. 3B). In this case, by making the thickness of the electrode material layer sufficiently smaller than the height of the protrusion 40A of the barrier layer 40, the electrode material layer on the protrusion 40A of the barrier layer 40 and the electrode material layer of the other portion They are separated from each other by the step. Then, as shown in FIG.
Of the barrier layer 40 by wet etching
A and the electrode material layer on the protrusion 40A are removed (lift-off). Thus, the upper electrode 42 having a kind of window is formed above the quantum box 30. Light can be incident on the mixed crystal layer 20 through this window.

【0026】(本発明の量子箱集合素子の動作)図1に
示した量子箱集合素子の動作原理、即ち、本発明の光入
出力方法の原理を、以下、図5〜図7を参照して説明す
る。
(Operation of Quantum Box Assembly Device of the Present Invention) The operation principle of the quantum box assembly device shown in FIG. 1, that is, the principle of the optical input / output method of the present invention will be described below with reference to FIGS. Explain.

【0027】図1の線A−Aに沿ったエネルギーバンド
図を図5〜図7に示す。尚、図5〜図7において、EC
は伝導帯の下端のエネルギー、EVは価電子帯の上端の
エネルギーを示す。図5に示す状態においては、量子箱
集合素子内に電場は形成されていない。
Energy band diagrams along line AA of FIG. 1 are shown in FIGS. Incidentally, in FIGS. 5 to 7, E C
Is the energy at the bottom of the conduction band, and E V is the energy at the top of the valence band. In the state shown in FIG. 5, no electric field is formed in the quantum box assembly element.

【0028】先ず、高濃度不純物領域14及び上部電極
42を介して量子箱集合素子内に電場を形成する。例え
ば高濃度不純物領域14を接地し、上部電極42に正の
電位を印加する。電位は3V程度であればよい。このと
き、図6に示すように、エネルギーバンドは傾斜する。
この状態で、上部電極42(あるいは上部電極に形成さ
れた窓)、障壁層40、量子箱30を通して、i型のS
iGeから成る混晶層20に光を照射する。光の波長は
i型SiGeのバンドギャップに対応させればよく、例
えば可視領域の波長を有するレーザ光を用いることがで
きる。照射された光は混晶層20に吸収されて、混晶層
20内で電子及び正孔が生成する。量子箱30は間接遷
移型のSiから構成されているので、量子箱30では光
の吸収が生じない。
First, an electric field is formed in the quantum box assembly element via the high-concentration impurity region 14 and the upper electrode 42. For example, the high concentration impurity region 14 is grounded and a positive potential is applied to the upper electrode 42. The potential may be about 3V. At this time, as shown in FIG. 6, the energy band is inclined.
In this state, the i-type S is passed through the upper electrode 42 (or the window formed in the upper electrode), the barrier layer 40, and the quantum box 30.
The mixed crystal layer 20 made of iGe is irradiated with light. The wavelength of light may correspond to the band gap of i-type SiGe, and for example, laser light having a wavelength in the visible region can be used. The irradiated light is absorbed by the mixed crystal layer 20, and electrons and holes are generated in the mixed crystal layer 20. Since the quantum box 30 is made of indirect transition Si, the quantum box 30 does not absorb light.

【0029】図6のエネルギーバンド図に示すように、
混晶層20と量子箱30との間にタイプIIヘテロ接合
超格子が形成されている。その結果、電子は形成された
電場によってSiから成る量子箱30に近づき、ポテン
シャルの低い量子箱30に捕捉される。一方、正孔は量
子箱から離れる方向に移動し、高濃度不純物領域14に
到達して高濃度不純物領域14に吸い込まれる。こうし
て、電子は、Si/SiO2の高いバリアと、Si/i
型SiGeバリアによって捕捉され、量子箱30内に閉
じ込められる。Si/i型SiGeバリアは比較的低い
ものの、量子箱集合素子内に形成された電場によって電
子は量子箱30内に確実に閉じ込められる。
As shown in the energy band diagram of FIG.
A type II heterojunction superlattice is formed between the mixed crystal layer 20 and the quantum box 30. As a result, the electrons approach the quantum box 30 made of Si by the formed electric field and are trapped in the quantum box 30 having a low potential. On the other hand, the holes move in a direction away from the quantum box, reach the high concentration impurity region 14, and are absorbed in the high concentration impurity region 14. In this way, the electrons are absorbed by the high barrier of Si / SiO 2 and Si / i.
Trapped by the SiGe barrier and confined within the quantum box 30. Although the Si / i-type SiGe barrier is relatively low, the electrons are reliably confined in the quantum box 30 by the electric field formed in the quantum box assembly element.

【0030】このようにして、光照射された混晶層の領
域に対応する量子箱中に電子を捕捉し保持しながら、選
択された総ての混晶層の領域に対して光照射を行う。こ
れによって、入射光のパターンに基づいた電子分布を量
子箱集合素子に入力することができる。
In this way, light is irradiated to all selected mixed crystal layer regions while trapping and holding electrons in the quantum boxes corresponding to the light-irradiated mixed crystal layer regions. . Thereby, the electron distribution based on the pattern of incident light can be input to the quantum box assembly element.

【0031】このような量子箱30内に捕捉された電子
の量子箱集合素子における分布を検出するためには、量
子箱集合素子に上記とは逆の電場を量子箱集合素子内に
形成する。即ち、上部電極42に負の電位を印加する。
電位は3V程度であればよい。図7に示すように、エネ
ルギーバンドは図6に示した方向とは逆の方向に傾斜す
る。このときには、高濃度不純物領域14から正孔が混
晶層20に注入される。そして、図7のエネルギーバン
ド図に示すように、注入された正孔は量子箱30内に捕
捉された電子と再結合することによって発光が生じる。
こうして得られた光が量子箱集合素子から射出される。
この光を外部の光検出装置で検出し、空間分解すること
によって、量子箱集合素子における電子分布を知ること
ができる。
In order to detect the distribution of the electrons trapped in the quantum box assembly 30 in the quantum box assembly element, an electric field opposite to the above is formed in the quantum box assembly element. That is, a negative potential is applied to the upper electrode 42.
The potential may be about 3V. As shown in FIG. 7, the energy band tilts in the direction opposite to the direction shown in FIG. At this time, holes are injected into the mixed crystal layer 20 from the high concentration impurity region 14. Then, as shown in the energy band diagram of FIG. 7, the injected holes are recombined with the electrons trapped in the quantum box 30 to emit light.
The light thus obtained is emitted from the quantum box assembly element.
By detecting this light with an external photodetector and spatially resolving it, the electron distribution in the quantum box assembly element can be known.

【0032】このように動作する本発明の量子箱集合素
子において、例えば、量子箱相互の間隔を狭く(例えば
5nm程度)すれば、電子は量子力学的トンネリングに
より複数の量子箱間を伝導し、量子箱集合素子に入力さ
れた電子分布は経時的に変化する。所定時間の経過後、
電子分布を検出することによって、多様な情報処理を行
うことができる。
In the quantum box assembly device of the present invention which operates in this way, for example, if the spacing between the quantum boxes is narrow (for example, about 5 nm), the electrons are conducted between the plurality of quantum boxes by quantum mechanical tunneling, The electron distribution input to the quantum box assembly element changes with time. After the elapse of a predetermined time,
Various information processing can be performed by detecting the electron distribution.

【0033】あるいは又、このように動作する本発明の
量子箱集合素子を光検出装置として用いることができ
る。即ち、図8に模式的な断面図を示すように、量子箱
30が形成された領域以外の混晶層20に電極50A,
50Bを設け、これらの電極50A,50B間にバイア
スを印加しておく。これらの電極50A,50B間の領
域に光が入射すると、混晶層20に生成した電子が量子
箱30を介して電極50A又は50Bに到達し、電流と
して観察される。即ち、量子箱集合素子に光が照射した
か否か、あるいは又、量子箱集合素子の特定の領域に光
が照射したか否かを、更には又、どの程度の数の量子箱
に光が照射されたかなどを、電極50A,50B間に流
れる電流の有無あるいは電流の値によって検出すること
ができる。
Alternatively, the quantum box assembly element of the present invention which operates as described above can be used as a photodetector. That is, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 8, the electrodes 50A and 50A are formed on the mixed crystal layer 20 other than the region where the quantum boxes 30 are formed.
50B is provided and a bias is applied between these electrodes 50A and 50B. When light is incident on the region between the electrodes 50A and 50B, the electrons generated in the mixed crystal layer 20 reach the electrode 50A or 50B via the quantum box 30 and are observed as a current. That is, whether the quantum box assembly element is irradiated with light, or whether a specific area of the quantum box assembly element is irradiated with light, and also how many quantum boxes are exposed to light. Whether or not it is irradiated can be detected by the presence or absence of a current flowing between the electrodes 50A and 50B or the value of the current.

【0034】[0034]

【発明の効果】本発明により、IV族元素から構成され
た量子箱集合素子を提供することができる。IV族元素
は材料的に安定しているので、混晶層や量子箱を安定し
て形成することができ、しかも、作製された量子箱集合
素子の信頼性も高い。また、量子箱中の電子等は、事実
上量子箱を構成するIV族元素と障壁層の高いバリアで
確実に閉じ込められる。SiO2は誘電率が低いので、
障壁層をSiO2から構成することによって、大きな電
子間相互作用を得ることができる。
According to the present invention, it is possible to provide a quantum box assembly element composed of a group IV element. Since the group IV element is stable in material, it is possible to stably form the mixed crystal layer and the quantum box, and the manufactured quantum box assembly element has high reliability. In addition, electrons and the like in the quantum box are effectively confined by the high barrier of the group IV element and the barrier layer that make up the quantum box. Since SiO 2 has a low dielectric constant,
By forming the barrier layer from SiO 2 , a large electron interaction can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の量子箱集合素子の模式的な断面図であ
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a quantum box assembly element of the present invention.

【図2】本発明の量子箱集合素子の作製工程を説明する
ための模式的な断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the quantum box assembly device of the present invention.

【図3】図2とは一部の工程が異なる本発明の量子箱集
合素子の作製工程の一部を説明するための模式的な断面
図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a part of the manufacturing process of the quantum box assembly device of the present invention which is different from the part in FIG. 2 in part of the process.

【図4】図3に引き続き、本発明の量子箱集合素子の作
製工程の一部を説明するための模式的な断面図である。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a part of the manufacturing process of the quantum box assembly device of the present invention, following FIG. 3.

【図5】電場が形成されていない状態の本発明の量子箱
集合素子のエネルギーバンド図である。
FIG. 5 is an energy band diagram of the quantum box assembly device of the present invention in a state where no electric field is formed.

【図6】光の入射時の本発明の量子箱集合素子のエネル
ギーバンド図である。
FIG. 6 is an energy band diagram of the quantum box assembly element of the present invention when light is incident.

【図7】光の射出時の本発明の量子箱集合素子のエネル
ギーバンド図である。
FIG. 7 is an energy band diagram of the quantum box assembly element of the present invention when light is emitted.

【図8】光検出装置として用いる場合の本発明の量子箱
集合素子の模式的な断面図である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a quantum box assembly element of the present invention when used as a photodetector.

【図9】タイプI及びタイプIIのヘテロ接合超格子の
バンド構造を説明するための図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining band structures of type I and type II heterojunction superlattices.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 基板 12 バッファ層 14 高濃度不純物領域 20 混晶層 30 量子箱 30A Si層 40 障壁層 42 上部電極 50A,50B 電極 10 substrate 12 buffer layer 14 high concentration impurity region 20 mixed crystal layer 30 quantum box 30A Si layer 40 barrier layer 42 upper electrode 50A, 50B electrode

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】2種のIV族元素混晶から成る混晶層と、
IV族元素から成る量子箱とから構成され、混晶層と量
子箱との間にタイプIIヘテロ接合超格子が形成されて
いることを特徴とする量子箱集合素子。
1. A mixed crystal layer comprising two kinds of group IV element mixed crystals,
A quantum box assembly element comprising a quantum box made of a group IV element, and a type II heterojunction superlattice formed between the mixed crystal layer and the quantum box.
【請求項2】前記混晶層はSiGeから成り、量子箱は
Siから成り且つ混晶層上に形成されており、量子箱を
被覆する障壁層と、電場を形成するために、量子箱と離
間して設けられた電極とを更に備えていることを特徴と
する請求項1に記載の量子箱集合素子。
2. The mixed crystal layer is made of SiGe, the quantum box is made of Si and is formed on the mixed crystal layer, and a barrier layer for covering the quantum box and a quantum box for forming an electric field are formed. The quantum box assembly element according to claim 1, further comprising: an electrode provided apart from the quantum box assembly.
【請求項3】2種のIV族元素混晶から成る混晶層と、
該混晶層を構成するIV族元素混晶における混晶比とは
異なる混晶比を有する2種のIV族元素混晶から成る量
子箱とから構成され、混晶層と量子箱との間にタイプI
Iヘテロ接合超格子が形成されていることを特徴とする
量子箱集合素子。
3. A mixed crystal layer composed of two kinds of group IV element mixed crystals,
And a quantum box composed of two kinds of group IV element mixed crystals having a mixed crystal ratio different from the mixed crystal ratio of the group IV element mixed crystal forming the mixed crystal layer. Type I
A quantum box assembly device, wherein an I heterojunction superlattice is formed.
【請求項4】前記混晶層はSiGeから成り、量子箱は
SiGeから成り且つ混晶層上に形成されており、量子
箱を被覆する障壁層と、電場を形成するために、量子箱
と離間して設けられた電極とを更に備えていることを特
徴とする請求項3に記載の量子箱集合素子。
4. The mixed crystal layer is made of SiGe, the quantum box is made of SiGe and is formed on the mixed crystal layer, and a barrier layer for covering the quantum box and a quantum box for forming an electric field are formed. The quantum box assembly element according to claim 3, further comprising an electrode provided apart from each other.
【請求項5】前記障壁層はSiO2から成ることを特徴
とする請求項2又は請求項4に記載の量子箱集合素子。
5. The quantum box assembly element according to claim 2, wherein the barrier layer is made of SiO 2 .
【請求項6】2種のIV族元素混晶から成る混晶層と、
IV族元素から成る量子箱若しくは混晶層を構成するI
V族元素混晶における混晶比とは異なる混晶比を有する
2種のIV族元素混晶から成る量子箱とから構成され、
混晶層と量子箱との間にタイプIIヘテロ接合超格子が
形成されている量子箱集合素子において、 (イ)電場を形成した状態で混晶層に光を照射し、それ
によって生成した電子を量子箱に捕捉する工程と、 (ロ)逆の電場を形成して、量子箱に捕捉された電子
を、外部から供給された正孔と再結合させることによっ
て発光させる工程、 から成ることを特徴とする量子箱集合素子における光入
出力方法。
6. A mixed crystal layer comprising two kinds of group IV element mixed crystals,
I constituting a quantum box or mixed crystal layer composed of a group IV element
And a quantum box composed of two kinds of group IV element mixed crystals having a mixed crystal ratio different from the mixed crystal ratio in the group V element mixed crystal,
In a quantum box assembly device in which a type II heterojunction superlattice is formed between a mixed crystal layer and a quantum box, (a) electrons are generated by irradiating the mixed crystal layer with light in a state where an electric field is formed. Are trapped in the quantum box, and (b) a reverse electric field is formed so that the electron trapped in the quantum box is recombined with a hole supplied from the outside to emit light. Optical input / output method for the characterized quantum box assembly.
【請求項7】前記混晶層はSiGeから成り、量子箱は
Si又はSiGeから成り且つ混晶層上に形成されてお
り、量子箱集合素子は量子箱を被覆する障壁層を更に備
えていることを特徴とする請求項6に記載の量子箱集合
素子における光入出力方法。
7. The mixed crystal layer is made of SiGe, the quantum box is made of Si or SiGe and is formed on the mixed crystal layer, and the quantum box assembly element further comprises a barrier layer covering the quantum box. The optical input / output method in a quantum box assembly element according to claim 6, wherein.
【請求項8】前記障壁層はSiO2から成ることを特徴
とする請求項7に記載の量子箱集合素子における光入出
力方法。
8. The light input / output method in a quantum box assembly element according to claim 7, wherein the barrier layer is made of SiO 2 .
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