JPH0897398A - 量子効果装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 急峻な量子ポテンシャル障壁を有する量子細
線または量子ドットアレイを実現し、安定した構造によ
りシリコンベースの広範な応用範囲を有する量子効果装
置を提供する。 【構成】 ｎ型半導体量子細線または量子ドットを多孔
質半導体のポテンシャル障壁で挟む構造を形成する。ま
た、多孔質半導体障壁を酸化することにより面内で半導
体量子細線またはドットを半導体酸化膜からなる障壁
層、多孔質半導体酸化膜からなる障壁層で囲む２重障壁
構造を有する量子効果装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体量子細線及び量子
ドットを用いた量子効果装置及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年１００ナノメータ（ｎｍ）以下の幅
を有する細線やドット状の領域に電子を閉じ込め、この
１次元或いは０次元領域の中での電子の動きを制御する
装置、いわゆる量子効果装置に対する関心が高まってき
ている。このような量子効果装置では電子の量子力学的
波長と同程度の寸法の極微構造を半導体基板上に形成
し、電子の波動性やトンネル効果等を制御して従来のデ
バイスでは見られない高性能化や多機能化を期待できる
ものである。

【０００３】従来電子を１次元的に閉じ込める量子細線
や０次元的に閉じ込める量子ドットを基板面内に形成す
るには、ＥＢ法、ＲＩＥ法などの微細加工技術が利用さ
れているが、数十ｎｍ程度の間隔をもつ細線またはドッ
トを形成することは容易ではない。これまで主に量子細
線及び量子ドット材料として用いられているIII −Ｖ族
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系などにおいては電子線露光、
Ｘ線露光などの微細パターン描画技術とドライエッチン
グとを組み合せる方法が用いられている。

【０００４】しかし、これらの方法ではパターン転写に
露光、現像、エッチング、レジスト剥離などのプロセス
を経るため線幅の制御性の低下が懸念される。また、エ
ッチング時のイオン衝撃による基板ダメージなどの問題
もあり、エッチング工程のない加工技術が望まれる。

【０００５】そこで有力な候補としてＦＩＢ(Focused I
on Beam)法が挙げられる。ＦＩＢによる加工技術は、高
輝度のイオンビームを極めて細く焦点させることができ
るので、基板上に照射することによって微細パターンを
形成できるという特徴をもっており、微細パターン加工
技術として注目されている。特にＦＩＢをイオン注入と
して使用し、ＦＩＢを照射した領域を不純物ドーピング
導電層として利用する方法が知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したＦＩＢ法を用
いて不純物ドーピングにより高抵抗化し量子ポテンシャ
ル障壁層を形成する場合、そのイオンエネルギが高い
（通常２０ＫｅＶ〜１００ＫｅＶ）ために、基板に与え
るダメージが問題視されている。

【０００７】また不純物ドーピングによって局所的にｐ
ｎ接合などの電気的ポテンシャル層を形成しこのｐｎジ
ャンクションを量子ポテンシャル障壁として用いる方法
が知られているが、ｐｎ接合による量子ポテンシャル障
壁では障壁の高さが低くなだらかであり、量子効果を呈
するには電子の閉じ込め効果が十分でない。

【０００８】更に上記の方法では量子ポテンシャル障壁
の高さが低くなだらかであるので、障壁の厚さや高さを
調整することが極めて困難であった。本発明は上記した
問題を解決するために成されたものであり、基板にダメ
ージを与えることなく基板上に量子細線や量子ドットを
形成し、信頼性の高い量子効果装置を提供することを目
的とする。

【０００９】また本発明は、極めて急峻な量子ポテンシ
ャル障壁を有する量子細線や量子ドットを具備する量子
効果装置を提供することを目的とする。更に本発明は、
量子細線や量子ドットの厚さの制御性に優れ、自由に量
子ポテンシャル障壁の高さや幅を制御できる量子効果装
置の製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明による量子効果装置は、半導体基板と、この半
導体基板上に、量子効果を呈する程に微細に形成された
量子細線或いは量子ドットと、この量子細線或いは量子
ドットの界面に形成された多孔質半導体とを具備するこ
とを特徴とするものである。

【００１１】また本発明による量子効果装置は、前記界
面には更に酸化膜が形成されていることを特徴とするも
のである。また本発明による量子効果装置の製造方法
は、第１導電型の半導体層上に第２導電型の不純物をド
ーピングすることによりｐｎ接合による量子細線或いは
量子ドットパターンを形成する工程と、この工程により
形成されたｐ型領域を選択的に多孔質化することによっ
てｎ型領域の界面に多孔質半導体を形成する工程とを具
備することを特徴とするものである。

【００１２】更に本発明による量子効果装置の製造方法
は、上記工程の後に更に前記多孔質半導体を酸化するこ
とによってｐ型領域との界面に酸化層を形成する工程を
具備することを特徴とするものである。

【００１３】より具体的には、先ずシリコン等の半導体
層にＦＩＢ等のイオン注入により不純物ドーピングを施
すことによりｐｎ接合の領域を量子効果を呈するサイズ
にパターニングする。次に陽極酸化等によりｐ型領域を
選択的に多孔質化することにより、極微細ポテンシャル
障壁として、バンドギャップの広い多孔質半導体層を形
成する。これによりｎ型領域がバンドギャップの広い多
孔質半導体層で囲まれた構造を得ることができる。すな
わち電子がｎ型領域に閉じ込められる量子細線または量
子ドット構造を形成することができる。

【００１４】また、量子細線または量子ドットをそれぞ
れ物理的相互作用が生じる程度に近接させることにより
極微なポテンシャル障壁が形成され表面超格子構造を形
成することができる。

【００１５】多孔質半導体を用いた障壁の高さは絶縁物
によるものに比べて比較的低いため、量子細線またはド
ット間の相互作用がより顕著となり、表面超格子特性が
より容易に観測できる。

【００１６】また選択的にｐ型領域を多孔質化した後熱
酸化等を施すことにより、先ず多孔質化半導体が酸化さ
れ、更に酸化をし続けると電子が閉じ込められるｎ型領
域が界面から酸化され始める。従って電子が閉じ込めら
れるｎ型領域と、このｎ型領域を囲む半導体酸化膜と、
この半導体酸化膜を囲む多孔質半導体酸化膜からなる構
造が形成される。半導体酸化膜のバンドギャップは多孔
質半導体酸化膜のそれよりも大きなものであり、より急
峻な量子ポテンシャル障壁を形成するので、量子閉じ込
め特性が向上し、ノイズに強い安定した量子細線または
量子ドットを形成することができる。

【００１７】更に、熱酸化においては熱酸化時間等を調
節することによって前記半導体酸化膜厚を制御すること
ができるので、量子細線または量子ドットのサイズを所
望の値に制御することができる。従って、量子ポテンシ
ャル障壁の高さを自由に設計することが可能となり幅広
い応用範囲を有する量子効果装置を提供することができ
る。

【００１８】このとき半導体基板とは少なくとも表面に
半導体層が形成されているものをさし、基板全体が半導
体材料からなるものでも良いし、絶縁基体の表面に半導
体膜が形成されているものでも良い。

【００１９】本発明の望ましい実施形態として、次のも
のが挙げられる。 （１）基板としては、ｐ型半導体基板またはＡｌ₂ Ｏ
₃ 、ＳｉＯ₂ 等の絶縁膜基板を用いることができる。ｐ
型基板の場合は、Ｐ、Ａｓ等のｎ型の不純物をイオン注
入によりドーピングし、ｐ型領域に囲まれたｎ型領域を
量子効果を呈する程度のサイズで、細線状またはドット
状に描画する。また絶縁体基板の場合には、絶縁体基板
上にｐ型（ｎ型）半導体層を直接接着技術またはＭＯＣ
ＶＤ法等の積層技術により１０ｎｍ程度の薄膜を成膜
し、このｐ型（ｎ型）半導体層中にｎ型（ｐ型）不純物
をイオン注入することにより量子効果を呈する程度のサ
イズの細線やドットをパターニングする。 （２）量子細線または量子ドットのパターニングの方法
としては、不純物ドーピングによるｐｎ接合が形成でき
る技術であれば用いることができる。具体的には、ＦＩ
Ｂ法等による直接集束イオン注入が好ましいが、パター
ニングしマスクを用いることによるイオン注入技術等も
用いることができる。

【００２０】本発明に用いるイオンドーピングは比較的
低エネルギーで良く例えば５ＫｅＶ〜２０ＫｅＶ程度で
良いので、基板に与えるダメージを抑えることができ
る。 （３）ｐ型半導体層を選択的に多孔質化する方法は、陽
極化成の他に、選択的反応が起こる方法であれば制限な
く用いることができる。具体的には、電気化学反応の陽
極酸化法、ドライエッチング等を用いることができる。 （４）酸化膜からなる障壁層の形成技術においては、熱
酸化の他に選択的に多孔質半導体を絶縁化できれば制限
なく用いられる。具体的には、熱酸化の代わりにウェッ
ト酸化等が挙げられる。また酸化膜の代わりにＮＨ₃ 雰
囲気中で多孔質半導体を窒化し、多孔質の窒化膜を障壁
層として用いることもできる。また、ＣＨ₄ 雰囲気中で
多孔質半導体を炭化しＳｉＣ膜を障壁層として用いるこ
ともできる。

【００２１】

【作用】多孔質半導体を量子ポテンシャル障壁として量
子細線または量子ドットアレイを形成することによっ
て、急峻な量子ポテンシャル障壁を有する量子効果装置
を提供できる。

【００２２】また、本発明ではｐ領域を選択的に多孔質
化して量子ポテンシャル障壁を得ているので、レジス
ト、マスクなどのパターニング技術では避けられないパ
ターン転写による線幅の制御性の低下が解決され、レジ
ストレス、マスクレスのパターニングプロセスが実現で
き、プロセスの簡略化及び線幅の制御性を大幅に向上す
ることができる。

【００２３】更に、ｎ領域と多孔質半導体との界面に形
成する酸化膜等の絶縁膜からなるポテンシャル障壁を形
成できるので、より急峻な量子ポテンシャル障壁を実現
できる。このとき酸化膜を熱酸化によりその幅を容易に
制御できることにより、量子細線または量子ドットの寸
法を自由に調整することができる。

【００２４】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に
説明する。 （実施例１）図１は本発明の実施例１に係る多孔質シリ
コンをポテンシャル障壁とした量子細線アレイの工程図
及び断面構造図を示す。以下、図１を参照しながら作製
工程に従い説明する。

【００２５】先ず、図１（ａ）に示すように、通常の半
導体ウェハーの標準洗浄により表面処理したｐ型不純物
シリコン（ｐ−Ｓｉ) 基板１（体積抵抗率１０ｃｍ・
Ω）を用意する。

【００２６】次に、図１（ｂ）に示すように低エネルギ
ー（≦２０ＫｅＶ）のＦＩＢイオン注入により高濃度
（１０²⁰ｃｍ^-3）のリン（Ｐ）不純物をドーピングする
ことによって、ｐ型領域内にｎ型領域の細線２を形成す
る。ＦＩＢのビーム径は数ｎｍであり、形成されたｎ型
細線２の幅もおおよそ１０ｎｍである。また、細線と細
線の間の間隔は目的に応じて自由に変えることができ
る。

【００２７】次に、図１（ｃ）に示すように試料をフッ
酸溶液（ＨＦ：Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ＝２：３）中に浸漬し、Ｘ
ｅランプ照射（強度１ｍＷ）により光化成を行う。この
ようにしてｐ型領域は陽極として選択的にエッチングさ
れ、バンドギャップの広い多孔質シリコン層３に変質す
る。このときｎ型細線２はエッチングされずに量子細線
となり、多孔質シリコン層３は量子閉じ込めバリア（量
子ポテンシャル障壁）として働く。また、ｐ型領域が十
分薄い場合、すなわちｎ型細線２の間隔が十分に細かい
場合、図２に示したようなバンド図をもつ表面超格子構
造が形成される。

【００２８】実施例１により、パターンの転写、露光、
現像などのプロセスを用いることのない手法で、線幅の
制御性のよい量子細線アレイが実現できる。また極微な
ポテンシャル障壁層の多孔質シリコンの形成により、量
子細線間の相互作用を特徴とする表面超格子構造が実現
できる。量子ポテンシャル障壁として多孔質シリコンを
用いているので、ｎ型領域との界面で急峻なポテンシャ
ル障壁を形成できる。上記基板を用いて例えば量子細線
超格子、量子細線ＦＥＴ、高電子移動度量子細線デバイ
ス、量子細線発光デバイス等の量子効果装置を形成する
ことができる。

【００２９】また、本実施例ではＦＩＢのエネルギーが
低いので基板に与えるダメージは少なく良好な量子効果
を期待できる （実施例２）本実施例では実施例１と同様に量子細線を
形成するが、基板として絶縁基体上に半導体膜が形成さ
れたものを用いた。図３により本実施例の工程を説明す
る。

【００３０】先ず、図３（ａ）に示すように絶縁性のＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 基板４の上にＣＶＤ法により膜厚１０ｎｍ程度
のｎ型シリコン単結晶層５を積層する。このときの条件
はＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ ガスを用い、基板温度は３００℃とし
た。

【００３１】次に、図３（ｂ）に示すようにＦＩＢイオ
ン注入によりボロン（Ｂ）をドーピングしｐ型細線５’
を形成する。ビームの加速電圧は２０ＫｅＶ、ビーム直
径１０ｎｍとした。

【００３２】このときｐ型領域の細線５’の幅及びｎ型
領域の細線６の幅を共に１０ｎｍとなるようにイオン注
入を行う。次に、図３（ｃ）に示すように実施例１と同
様な条件でｐ型領域を選択的に多孔質化しバンドギャッ
プの広い多孔質シリコン層６を形成する。これによって
ｎ型のシリコン量子細線５’が多孔質シリコンの障壁６
で挟まれる量子細線アレイを得ることができる。このよ
うにして形成された量子細線はＣＶＤ法により膜厚方向
の制御を行うことができるので、本発明の面内方向の制
御性と合わせると３次元的に制御可能となりより好まし
い。 （実施例３）本実施例では実施例２とほぼ同様なプロセ
スを用いて、量子ドットのアレイを形成する。図４によ
り本実施例の工程を説明する。

【００３３】先ず、図４（ａ）に示すようにＣＶＤ法
（ＳｉＨ₂ Ｃｌ₂ ガス、基板温度３００℃）によりＳｉ
Ｏ₂ 基板７上にｎ型シリコン薄膜８（膜厚１０ｎｍ）を
積層する。

【００３４】次に、図４（ｂ）に示すように実施例２と
同様な条件で、ＦＩＢイオン注入によりボロン（Ｂ）を
パターニングしマトリックス状にｐ型細線パターン９を
形成し、ｎ型ドット９’を形成する。このときｎ型ドッ
ト９’の各辺及び間隔は１０ｎｍとする。

【００３５】次に、図４（ｃ）に示すように実施例１と
同様な条件で陽極化成により、ｐ型領域を選択的に多孔
質化させ、バンドギャップの広い多孔質シリコン層１０
を形成する。

【００３６】このようにしてｎ型シリコン領域８’に量
子ポテンシャル障壁として多孔質シリコン層１０が形成
された量子ドットアレイが形成される。ここではＳｉＯ
₂ 基板を用いたが、ＳＯＩ基板を用いても良い。 （実施例４）本実施例では実施例２で説明した図３
（ｃ）に示す素子構造について更に熱酸化を施すことに
よって得られる量子細線を形成した。

【００３７】先ず、図３（ｃ）に示す基板をＯ₂ とＮ₂
の混合ガス（Ｏ₂ ：１１ｍｌ／ｍｉｎ，Ｎ₂ ：５０ｍｌ
／ｍｉｎ，９００℃，１０分間）により熱酸化する。こ
れにより、多孔質シリコンが選択的に酸化され多孔質酸
化シリコン層１１が形成されると同時に、ｎ型シリコン
層と多孔質酸化膜との界面に極薄い結晶シリコン酸化膜
１２が形成される。この結晶シリコンの酸化膜１２はｎ
型シリコン層５の一部が酸化されたものであり、緻密か
つ安定した構造をもち、それによって形成したポテンシ
ャル障壁層もより理想的となる。このように酸化によっ
てポテンシャル障壁の材質を変え、面内にｎ型結晶シリ
コンからなる量子細線５、結晶シリコン酸化膜からなる
障壁層１２、多孔質シリコン酸化膜からなる障壁層１１
の２重障壁構造を有す得る量子細線を形成することがで
きる。

【００３８】このようにして得られる量子細線構造は、
量子ポテンシャルバリア層が多孔質シリコン酸化膜とＳ
ｉＯ₂ の２重障壁構造となっており、ＳｉＯ₂ により界
面特性が向上され、キャリアのトラップ等を防ぐことが
可能となり安定した素子特性を期待できる。またこの方
法で形成される量子細線基板は、平坦な構造により絶縁
膜の形成、電極の形成等の後工程が容易にできるのでシ
リコンＵＬＳＩ集積回路などのデバイス的な応用に適し
ている。

【００３９】また結晶シリコン酸化膜１２の膜厚は熱酸
化時間によって自由に制御可能であり、所望のエネルギ
ーレベルを有する量子効果装置を提供することができ
る。更に酸化時間によって量子細線を益々細くできるの
で、マスク工程や通常のイオンドーピング工程では得る
ことのできない、究極の微細構造を形成することができ
る。 （実施例５）本実施例では実施例３で説明した図４
（ｃ）に示す素子構造について更に熱酸化を施すことに
よって得られる量子ドットを形成した。

【００４０】図４（ｃ）に示す基板を実施例４と同様の
条件で熱酸化を施すことにより、図６に示す量子ドット
アレイを形成する。これにより、多孔質シリコンが選択
的に酸化された多孔質酸化シリコン層１３が形成される
と同時に、ｎ型結晶シリコン層と多孔質酸化シリコン層
との界面に極薄い結晶シリコン酸化膜１４が形成され
る。こうして面内にｎ型シリコンからなる量子ドット
５、結晶シリコン酸化膜からなる障壁層１４、多孔質シ
リコン酸化膜からなる障壁層１３の２重障壁構造を有す
得る量子ドットを形成することができる。

【００４１】このようにして得られる量子細線構造も実
施例４と同様に安定した構造を特徴とする。酸化膜によ
り更に量子ドットのサイズを小さくでき、光学的にはよ
り短波長化を図ることができる。 （実施例６）本実施例では、異なる大きさのポテンシャ
ル障壁に囲まれた量子ドットについて説明する。

【００４２】先ず、表面が酸化処理され絶縁化したＳｉ
Ｏ₂ 基板１５上に実施例２と同様な条件でｎ型シリコン
薄膜を成膜する。次に、図７（ａ）に示すようにマスク
を用いて酸化処理しｎ型シリコン領域１７及びシリコン
酸化膜１６を基板上に形成する。酸化条件としては基板
温度１０００℃、Ｎ₂ ５０ｍｌ／ｍｉｎ，Ｏ₂ １ｌ／ｍ
ｉｎ雰囲気中５時間とした。また基板としてはＳＯＩ基
板も用いることができる。

【００４３】次に、図７（ｂ）に示すようにｎ型シリコ
ン領域１７中に実施例２と同様な条件でＦＩＢを用い
て、ｐ型不純物（Ｂ）をドーピングし、ｎ型量子ドット
１８及びｐ型領域１９を形成する。

【００４４】次に、図７（ｃ）に示すように実施例１と
同様な条件により陽極化成をし、ｐ型領域１７を選択的
に多孔質化し多孔質シリコン層１８を形成する。このよ
うにしてｎ型量子ドット領域１８は、多孔質シリコンか
らなる障壁層１９と多孔質シリコンよりもバンドギャッ
プが広いシリコン酸化膜からなる障壁層１６とで囲まれ
た量子ドット構造が形成される。

【００４５】図７（ｃ）中、４個の量子ドット１８が酸
化シリコン層で囲まれた部分２０を一つのセルの単位と
すると、セル２０中の多孔質シリコン層１９で隔てられ
た量子ドット間では、多孔質シリコンからなる比較的低
いポテンシャル障壁層１９であるのでトンネル効果によ
り電子は移動できるが、異なるセル間においては酸化シ
リコンからなる比較的高いポテンシャル障壁層１６であ
るので、トンネル効果は生じず電子の移動はない。

【００４６】一方異なるセル間ではトンネル効果による
電子の移動はない代わりに、クーロン相互作用により電
子は相互作用を受ける。このように異なる大きさのポテ
ンシャル障壁を基板上に形成することで、いわゆるＱＩ
Ｃ（Quantum Interconnecti-ons with Cellular archit
ecture) と呼ばれる量子効果装置を形成できる。

【００４７】本実施例と同様なプロセスにより、図８、
図９、図１０に示した素子構造も形成できる。尚同一部
分には同一符号を付してその説明は省略する。このよう
に配置されたセルに電子をドープすると電子は図で示し
た黒いドットで表す位置に存在する。これらを組み合わ
せることによって、量子配線や論理回路を形成すること
が可能となる。 （実施例７）本実施例は実施例１で説明した量子細線を
用いて量子発光素子を形成した。

【００４８】図１１は本実施例による発光素子の概念図
である。図１（ｃ）に示す基板の下面に蒸着によってＡ
ｌ電極２１を形成し、上面にＩＴＯ等からなる透明電極
２２を形成する。こうして得られた量子発光素子は透明
電極２２とＳｉとのヘテロ接合により発光する。

【００４９】１０ｎｍ程度の量子細線が量子効果より発
光特性を示すことから、Ａｌ電極２１にマイナス電圧を
印加し、透明電極２２にプラス電圧を印加することによ
りシリコンベースの発光素子を形成できる。

【００５０】このような量子発光素子は実施例１のみな
らず、実施例２から実施例５においても適用できるもの
である。 （実施例８）本実施例は実施例１で説明した量子細線を
用いて共鳴トンネリング効果装置を形成した。

【００５１】図１２は本実施例による多重量子細線によ
る共鳴トンネリング効果装置の概念図である。図１
（ｃ）に示す基板の量子細線２と平行方向にＡｌ電極２
３、２４を蒸着し、基板と電極の間にはオッミクコンタ
クトを形成させる。このように、多重量子細線によって
形成される多重量子井戸間にミニバンドができ、電極２
３、２４間に電圧を加えることによって、量子細線２間
の１次元化された共鳴トンネル効果が実現できる。

【００５２】このような量子発光素子は実施例１のみな
らず、実施例２から実施例５においても適用できるもの
である。 （実施例９）本実施例は実施例２で説明した量子細線を
用いて量子結合型電界効果トランジスタを形成した。

【００５３】図１３は本実施例による量子結合型電界効
果トランジスタの概念図である。図３（ｃ）に示す基板
の量子細線５’の両端にソース電極２５、ドレイン電極
２６をＡｌを蒸着することによって形成する。

【００５４】次に、量子細線５’上にＡｌを蒸着するこ
とによってゲート電極２７を形成する。このようにして
形成した量子サイズの量子結合型電界効果トランジスタ
にゲート電圧を印加することによってソース−ドレン間
の電流が制御することができ、Ｉ−Ｖ特性に量子効果が
観測される。

【００５５】このような量子結合型電界効果トランジス
タは、実施例２のみならず、実施例１、実施例４におい
ても適用できる。 （実施例１０）本実施例では実施例９で示したトランジ
スタにおいてゲート電極２７と基板との間に絶縁膜を介
在させた量子ＭＯＳＦＥＴを形成した。

【００５６】図１４は本実施例による量子ＭＯＳＦＥＴ
の概念図である。図３（ｃ）に示す基板の量子細線５’
の両端にソース電極２５、ドレイン電極２６をＡｌを蒸
着することによって形成する。

【００５７】次に、この基板上にＳｉＯ絶縁膜２８を抵
抗蒸着法により形成する。次に、このＳｉＯ絶縁膜上に
ゲート電極２７としてＡｌ電極を蒸着により形成する。
こして形成された量子ＭＯＳＦＥＴにゲート電圧を印加
することによってソース−ドレン間の電流を制御を制御
することができ、Ｉ−Ｖ特性に量子効果が観測される。

【００５８】このような量子ＭＯＳＦＥＴは、実施例２
のみならず、実施例１、実施例４においても適用でき
る。 （実施例１１）本実施例はシリコン量子ドットを用いた
ＳＥＴ(Single Electron Tunneling)量子効果装置を形
成した。

【００５９】図１５は本実施例によるＳＥＴ量子効果装
置の製造方法を説明する図である。先ず、図１５（ａ）
に示すように絶縁性のＡｌ₂ Ｏ₃ 基板４上に実施例２と
同じ条件で膜厚１０ｎｍ程度のｎ型シリコン単結晶をＣ
ＶＤ法により形成し、ＦＩＢイオン注入によりボロン
（Ｂ）をドーピングすることによってｐ型領域３０を形
成すると供にｎ型量子細線３１を形成する。

【００６０】次に、図１５（ｂ）に示すように実施例１
と同じ条件で、ｐ型領域３０を選択的に陽極化成するこ
とによって多孔質化し、多孔質シリコン層を形成する。
形成された多孔質シリコン層を実施例４と同じ条件で多
孔質シリコン層を選択的に熱酸化し、多孔質シリコン酸
化膜３２を形成する。

【００６１】次に、図１５（ｃ）に示すようにフッ酸溶
液で多孔質シリコン酸化膜３２を選択的に除去し、ｎ型
シリコン量子細線３２’を形成する。選択エッチングの
条件はフッ酸（ＨＦ４９％）溶液の１：１０の希フッ酸
を用い２秒間エッチングする。

【００６２】次に、図１５（ｄ）に示すように実施例１
と同じ条件でＦＩＢにより、ｎ型シリコン量子細線５’
上にｐ型細線を形成し、陽極化成を施すことによって多
孔質シリコンのポテンシャル障壁層３３（膜厚３〜５ｎ
ｍ）を形成する。同時に化成されないｎ型シリコン領域
は量子ドット３４となる。このようにして形成された多
孔質シリコンを障壁としたＳＥＴ１Ｄアレイを図１５
（ｅ）に示すように電源を取り付けることによってＳＥ
Ｔ量子効果装置が形成できる。

【００６３】また、上記の素子にさらに熱酸化を施すに
よって量子ドットの界面にＳｉＯ₂を障壁層としたＳＥ
Ｔ１Ｄアレイを形成することもできる。 （実施例１２）本実施例では実施例５で説明した図６に
示す量子ドットを用いて０次元面発光量子ドットアレイ
を形成した。

【００６４】図１６は本実施例による０次元面発光量子
ドットアレイの概念図である。図６に示す量子ドットア
レイを、フッ酸溶液により多孔質シリコン酸化層１３を
除去することによりシリコンの０次元量子ドット３５を
形成した。

【００６５】量子ドットのサイズは１０ｎｍ以下であ
り、Ｎ₂ レーザ（λ＝３３７ｎｍ）を入射したとき、可
視光領域のフォトルミネッセンスを得られる。このよう
な素子は光励起によってすべての表面方向にフォトルミ
ネッセンスを示す。このようにして０次元面発光量子ド
ットアレイを形成できる。

【００６６】

【発明の効果】本発明は多孔質半導体の選択的陽極化成
及びワイドギャップ特性を利用して、非常に微細な量子
細線或いは量子ドットアレイを有する量子効果装置及び
その製造方法を提供することができる。また、本発明の
量子高は装置は多孔質半導体を量子ポテンシャル障壁と
して用いるので、非常に急峻なポテンシャル障壁を具備
する。また、多孔質半導体層を選択的に酸化することに
より基板の量子細線或いはドットを酸化膜からなる量子
ポテンシャル障壁、多孔質はい導体酸化膜からなる量子
ポテンシャル障壁で囲む２重障壁構造を提供することが
できるので、安定したかつ緻密な量子細線、量子ドット
を提供することができる。更に、面内に異なる障壁を同
時に作製できるため、異なるバリア高さによりトンネル
リング確率の制御ができ、シリコンベースの広範な応用
範囲を有する量子効果装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る量子細線アレイの工程
図及び概略図。

【図２】本発明の実施例１に係る表面超格子のバンド
図。

【図３】本発明の実施例２に係る量子細線アレイの工程
図及び概略図。

【図４】本発明の実施例３に係る量子ドットアレイの工
程図及び概略図。

【図５】本発明の実施例４に係る平面方向の量子細線ア
レイの概略図。

【図６】本発明の実施例５に係る量子ドットアレイの概
略図。

【図７】本発明の実施例６に係る異なるポテンシャル障
壁を同時に作製する工程図及び素子構造の概略図。

【図８】本発明の実施例６に係る異なるポテンシャル障
壁を有する素子構造の概略図。

【図９】本発明の実施例６に係る異なるポテンシャル障
壁を有する素子構造の概略図。

【図１０】本発明の実施例６に係る異なるポテンシャル
障壁を有する素子構造の概略図。

【図１１】本発明の実施例７に係る量子発光素子の概略
図。

【図１２】本発明の実施例８に係る共鳴トンネリング効
果装置の概略図。

【図１３】本発明の実施例９に係る量子結合型電界効果
トランジスタの概略図。

【図１４】本発明の実施例１０に係る量子ＭＯＳＦＥＴ
の概略図。

【図１５】本発明の実施例１１に係るシリコン量子ドッ
トを用いたＳＥＴの工程図及び概略図。

【図１６】本発明の実施例１２に係る０次元面発光量子
ドットアレの概略。

【符号の説明】

１・・・半導体基板 ２・・・ｎ型細線領域 ３・・・多孔質半導体層 ４・・・絶縁体基体 ５・・・半導体薄膜 ６・・・ｐ型細線領域 ８’・・・ｎ型量子ドット ９・・・ｐ型半導体領域 １０・・・多孔質半導体領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 茂樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板と、 この半導体基板上に、量子効果を呈する程に微細に形成
   された量子細線或いは量子ドットと、 この量子細線或いは量子ドットの界面に形成された多孔
   質半導体とを具備することを特徴とする量子効果装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載された量子効果装置におい
   て、 前記界面には更に酸化膜が形成されていることを特徴と
   する量子効果装置。
3. 【請求項３】第１導電型の半導体層上に第２導電型の不
   純物をドーピングすることによりｐｎ接合による量子細
   線或いは量子ドットパターンを形成する工程と、 この工程により形成されたｐ型領域を選択的に多孔質化
   することによってｎ型領域の界面に多孔質半導体を形成
   する工程とを具備することを特徴とする量子効果装置の
   製造方法。
4. 【請求項４】第１導電型の半導体層上に第２導電型の不
   純物をドーピングすることによりｐｎ接合による量子細
   線或いは量子ドットパターンを形成する工程と、 この工程により形成されたｐ型領域を選択的に多孔質化
   することによってｎ型領域の界面に多孔質半導体を形成
   する工程と、 前記多孔質半導体を選択的に酸化することによってｐ型
   領域との界面に酸化層を形成する工程とを具備すること
   を特徴とする量子効果装置の製造方法。