JPS62273713A - 構造体 - 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】 発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） この発明は、スーパーアトムと名づけられる概念的に新
規な構造体に関するものである。

（従来の技術） 従来の半導体素子あるいは集積回路はＰＮ接合、ＭＯ８
接合あるいはへテロ接合などを各種紐み合わせることに
よりダイオード、トランジスタ発光素子、受光素子など
が実現されてきた。抵抗、コンデンサー、電極、配線材
料を精密に加工することにより集積回路や光電子集積回
路などが実用化されている。

（発明が解決しようとする問題点） この様な半導体素子はその性能を向上するためにその内
部構造の微細化、薄膜化、多元化あるいは集積化などが
進められてきた。

しかしながら、現在の超高集積回路の延長で考える限り
、個々の能動素子、トランジスタ、ダイオードの寸法は
せいぜい０．１ミクロン程度の最小寸法にしか出来ない
と考えられている。その理由は、個々の能動素子の基本
原理から来るものであり、たとえばトランジスタでみる
と、いかなるトランジスタ構造であるにせよキャリアの
走行領域が必要で、この領域を通過する電子または正孔
の数あるいは速度を制御することが不可欠であり、走行
領域を例えば０．０１ミクロンとしようとして（１この
領域のキャリアを制御する電極が形＋；’ｉｓ　−ｒ　
？！ない、あるいはできたとしてもその薄さが故ｙ−，
，ｈ　（ｈｘ低抵抗極めて高いものになり結局制御能力
が低下する。

一方発光・受光を基本とする半導体素子においても発光
領域受光領域を例え極微細化できたとしても電極部分に
関しては電極作用上の限界がある。

この様に、従来の半導体素子では例え、活性領域を極微
細化しても制御電極あるいは配線材料に微細化の限界が
生じ集積回路全体の体積のうち電極および配線部分の占
有する体積が極めて多くなり、それに伴う浮遊容量、浮
遊抵抗の増大により結局高性能化に限界を生じさせる要
因となっている。

（問題点を解決するための手段） この発明の要旨とするところは、上述した超高密度集積
回路における配線問題あるいは、制御電極寸法限界を根
本的に克服しようというものである。

その原理は、以下に述べるスーパーアトムなる新規な概
念の構造体を基本単位とする。

スーパーアトムとは、電子の波動関数と同程度の大きさ
く例えば５０オングストローム）の球状の第１の半導体
をこれを囲む第２の半導体中に位置し、該球状半導体領
域に必要な個数の不純物をドープした時に形成される。

ただし不純物をドナーとする場合には、第１の球状半導
体の電子親和力は第２の半導体のそれより小さくなけれ
ばならない。

この様な構造でドナーをドープすると、いわゆる変調ド
ープ構造となり、ドナー原子とこれから供給された電子
とが空間的に分離される。平面的へテロ界面にこの原理
を適用したものはアール。

ディンゲル（Ｒ，Ｄｉｎｇｌｅ）らが特表昭５５−５０
０１９６号公報で提案した変調ドープ構造であり、その
目的はドナー原子と走行電子の空間的分離による電子移
動度の向上である。

スーパーアトムにおいては、イオン化不純物とキャリア
の空間的分離という点に関しては同一原理に基づくもの
の、その目的はキャリア移動度の向上ではない。第１の
球状半導体にはＮ個のドナーが正にイオン化された状態
で存在し、第２の半導体領域にはＮ個の電子が存在する
。ただしＮ個の電子は、第１の球状半導体の外側に球状
皮膜内で密着する様な形で局在化する。この時の状態を
第１図（ａ）に示す。この状態を電荷のバランス状態で
みると原子と類似していることが判る。即ち通常の原子
においては、例えば原子番号がＮの原子についてみると
原子核にはＮ個の陽子があり、原子核のまわりにはＮ個
の電子が各種の電荷分布形状をもって局在化している。

この正と負の電荷の数が常に等しくバランスしている点
は第１図の場合も全く同様である。ただし第１図の構造
では、原子の原子核に相当する部分、すなわち第１の球
状半導体領域の大きさが電子の活動関数の広がり程度、
すなわち、１００オングストローム前後である点が大き
く異なる。電荷バランスは似ているがその直径が通常の
原子の１０〜１００倍と大きいため、スーパーアトムと
名づけだ。ただし、第１の球状半導体とこれを囲む第２
の半導体との界面に電子をトラップする準位が存在する
場合あるいは第２の半導体中にアクセプタあるいはトラ
ップが存在する場合は、球状皮膜内に局在する電子の数
とドナーの数とは一致せず電荷バランスがくずれる。こ
のような場合も便宜上スーパーアトムと呼ぶことにする
。

スーパーアトムに局在化する電子はスーパーアトムの直
径が小さくなると零次元的に閉じ込められた状態に近く
なるため、そのエネルギーは離散的なものとなる。それ
と同時に一個の電子は球状皮膜全体に拡っているとすれ
ば、原子軌道に対応した量子化準位にあることになる。

この量子準位は構成する半導体材料の特性に大きく依存
する。エネルギー準位に影響を与えるパラメータは、第
１および第２の半導体材料のバンドギャップ、電子親和
力、誘電率、有効質量などである。第１の半導生球の直
径によっても大きくエネルギー準位は変化する。

第１の半導体にドナーをドープしたものをスーパーアト
ムと呼ぶとすれば、これにアクセプターをドープしたも
のはスーパーアンチアトムと呼ぶのがふされしい。何故
なら正負電荷の存在領域が原子と全く逆であり、反原子
（アンチアトム）に類似しているからである。これを第
１図（ｂ）に示す。さらに、第１図（ｃ）に示す様に、
第１図（ａ）における電子親和力の関係が逆であっても
球状半導体内にあってペテロ界面内側に球状皮膜領域に
局在させる場合も考えられる。この場合の局在電子の数
は球状半導体の外側にドープしたドナーの数とその界面
から距離によって決定される。第１図（ｃ）の様な電荷
分布はスーパーアトムとは反転しているのでインバース
スーパーアトムあるいはネガティブスーパーアトムと呼
ぶことができる。

全く同様に第１図（ｄ）にある様にスーパーアンチアト
ムに対するインバーススーパーアンチアトムも作ること
が出来る。通常の原子、では原子番号が１０２のノーベ
リウムが知られている最大元素であるが、原理的には、
スーパーアトムへのドープ不純物の数を任意にとる事が
出来るから、原子番号が１０２以上のスーパースーパー
アトムも実現可能である。但し、スーパーアトムの個々
の特性の差は、通常の原子程のドラスティックな相異は
ない。何故なら、スーパーアトムの直径が大きい分だけ
量子準位間のエネルギー差は小さいため、全体特性の差
も小さいからである。

スーパーアトムの球状にはいくつかのタイプが考えられ
る。完全な形状とした場合が最も理想的であるが、楕円
形、卵形、円筒形、サイコロ形などの変形も考えられる
。ただし基本的に重要な事は、ある一つの電子の存在確
率が、スーパーアトム全体のどの部分においても有意な
大きさを有していることである。すなわち、サイコロ形
の場合、サイコロ６面それぞれに存在する確率が等しい
程サイコロの大きさは小さいものでなければならない。

サイコロのある面に存在する確率のみが１に近く他の面
における存在確率が小さいと、確率の小さい面へ何らか
の刺激を与えても電子の量子状態の変化は殆んど起こら
ないので後述する様な立体的回路を組む場合に不利であ
る。

スーパーアトムを一列に並べ各スーパーアトムに局在化
する電子の波動関数が互いにオーバーラツプする程近づ
けると適当な条件下では複数のスーパーアトムに１個の
電子が存在する確率が発生する。これはあたかも２原子
分子における分子軌道の存在に対応する。スーパーアト
ムを一次元的に並べたものを一次元スーパースーパーラ
ティスと呼ぶことにする。即ちスーパーアトムから成る
スーパラティスである。スーパーアトムを２次元的、３
次元的に配置すればそれぞれ２次元スーパースーパーラ
ティスおよび３次元スーパースーパーラティスとなる。

一方、スーパーアトム同志の間隔がある程度大きく、波
動関数の拡がりがオーバーラツプしない場合でも外部電
場、応力、光などの外場によってスーパーアトム間の電
気的相互作用あるいは伝導などを引き起こすことが出来
る。

今仮に、ドナーを１４個ドープしたスーパーアトムを考
えるとこれは原子番号１４のシリコン原子に対応するか
らこのスーパーアトムは、スーパーシリコンと言える。

４つのスーパーシリコンをテトラヘドラル（ｔｅｔｒａ
ｈｅｄｒａｌ）に配置するとダイアモンド型スーパーシ
リコン結晶となる。ただしこのような結晶の性質は従来
のシリコン結晶とは異なる。

ドナーを３１個ドープしたスーパーガリウムとドナーを
３３個ドープしたスーパー砒素を同様にテトラヘドラル
（ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ）な配置に置くとスーパーガ
リウム砒素が形成される。

スーパーアトムの相対的配置を任意の結晶構造にとるこ
とができるから、任意のスーパーアトムで任意のスーパ
ー結晶が実現できる。

これらのスーパースーパーラティスはスーパーアトム、
インバーススーパーアトム、スーパーアンチアトムある
いはインバーススーパーアンチアトムで構成できる。ス
ーパーアトムだけあるいはスーパーアンチアトムだけで
構成された場合をユニポーラスーパースーパーラティス
と呼び、スーパーアトムとスーパーアンチアトムと混在
させたものをバイポーラスーパースーパーラティスと呼
ぶ。すなわち、局在するものが電子だけあるいは正孔だ
けの場合をたとえスーパーアトムとインバーススーパー
アトムとの混在あるいはスーパーアンチアトムとインバ
ーススーパーアンチアトムとの混在でもユニポーラ型と
呼び、電子と正孔が共存する系をバイポーラ型と言う。

（作用） さて、これらのスーパーアトム、スーパーアンチアトム
あるいはスーパースーパーラティスにおける電子または
正孔の量子準位は、外的電場、磁場によって容易に変化
する。何故なら電場の存在は局在状態に偏りを引き起こ
し、磁場の印加は波動関数の変形をもたらすからである
。

従って、個々のスーパーアトムに何らかの手段で電位を
与える事によりスーパーアトムの特性が変化する。

一次元スーパースーバラティスの最も端にあるスーパー
アトムの電位を変化させると各スーパーアトムの電子の
電荷分布が変化を起こし反対の端のスーパーアトムの量
子状態も変化を受ける。

二次元スーパースーパーラティスではある１つのスーパ
ーアトムに電気的に刺激を加えれば二次元ラティス全体
に変化を引き起こす。三次元スーパースーパーラティス
でも全く同様である。

スーパースーパーラティスを構成する個々のスーパーア
トムのドープ不純物の数が互いに異なっている場合でも
、一つのスーパーアトムへの刺激は全体に影響を与える
。ただし、ドープ量の多いスーパーアトムの変化（電荷
の偏り）はドープ量の少ないものに比べて小さい。

バイポーラスーパースーパーラティスの場合には、発光
ダイオードにおける順方向バイアスによる注入発光と同
様、隣接するスーパーアトムとスーパーアンチアトムへ
のバイアスを適当にとればスーパーアトムからの発光が
可能である。この逆に適当なエネルギーのフォトンが入
射すればバイポーラスーパースーパラティスの２個所の
地点に電圧が発生する。この様な基本原理を組み合わせ
る事によって高度に集積化された立体回路あるいは３次
元電子光集積回路などが構成できる。

以下、集積回路の基本となる要素回路をスーパーアトム
によって構成する例を述べる。

第２図（ａ）は、７個のスーパーアトムＡ、Ｂ、Ｃ，・
・・、Ｆから成るインバータ回路であり、その等価回路
を同図（ｂ）で示した。Ｆのみがスーパーアンチアトム
で、Ａ−Ｅはスーパーアトムである。端子Ｖに正の電圧
を印加すればスーパーアトムＡ−Ｅを通して電流が流れ
る。この時、スーパーアトムＦを負にバイアスとすると
スーパーアトムＣに局在化していた電子はＣに局在する
ことが許されなくなりＢおよびＤの方向に押されＡから
Ｄへの電流通路の抵抗は高くなり、電流は遮断状態とな
る。この変化を出力端子用スーパーアトムＥの電位でみ
ると、始めは接地電位に近かったものが、入力端子用ス
ーパーアトムＦへのバイアスにより電流が遮断され電位
は電源電圧■に上昇する。このようにしてインバータ回
路が形成される。回路全体の効率を良くするためには、
スーパーアトムＢ、Ｄ、Ｅ、Ｆはドープ量を大きくとり
、抵抗となるスーパーアトムＡは相対的にドープ量が小
さい方が良い。またＦＥＴ領域を形成するスーパーアト
ムＣとスーパーアンチアトムＦへのドープ量は相互に関
連しており、もっとも相互コンダクタンスが大きくでき
る様に調節すべきである。

第２図（ａ）においては、スーパーアトムを平面的に配
置した状況を示したが、入出力端子あるいは電源端子を
立体的な配置にしても全く同様な原理でインバータが構
成できる。即ち入力ゲート用スーパーアトムＧを紙面の
垂直方向に配置しても動作に全く変わりはない。

第２図（ａ）において同様の回路を直列にもう一つ配置
すれば２人力ＮＡＮＤ回路となる。入力はもっと増やし
て多入力回路としてもよい。また出力端子スーパーアト
ムの位置を複数個適当にとれば多出力回路となる。

この様な原理によれば、立体的にＡＮＤ回路、ＯＲ回路
、ＮＡＮＤＡＮＤ回路Ｒ回路などが任意に構成できる。

Ｆｌｉｐ−ｆｌｏｐ回路も形成可能である。

以上の様にスーパーアトムを用いる立体回路は極めて大
きい特長を有している。

第１に、必要な抵抗トランジスタが１００オングストロ
ーム以下の寸法である超高密度集積回路の構成が可能で
ある。

第２に、金属材料などによる配線部分がなく、個々の抵
抗やトランジスタの役割を果すスーパーアトムへの電位
伝達は３次元的にＸ、ｙ、ｚの６方向のみならず任意の
方向からアクセスできるため任意の３次元的配線が可能
となる。

以上の特長を模式的に示すと例えば第３図の様なものと
なる。この様な構成で必要な論理回路、メモリ回路が超
高密度に形成できる。

次に発光あるいは受光機能を有するスーパーアトム素子
および回路について説明する。

第４図（ａ）は３個のスーパーアトムＡ、Ｂ、Ｃおよび
３個のスーパーアンチアトムＤ、Ｅ、Ｆを直線状に配置
したものである。端子■を負に■を正にバイアスするこ
とによりＰＮ接合の存在するＣ、Ｄ界面で注入発光が起
こる。逆にこの接合部分に適当なエネルギーのフォトン
が入射すれば端子００間に電圧が発生する。ここでＰＮ
接合を形成するスーパーアトムＣとスーパーアンチアト
ムＤの半導体材料物性値を適当に選ぶことにより、発光
あるいは受光の波長を任意に設定することができる、こ
のようなＰＮ接合を有するアレイを一次元ないし３次元
的に配列すればバイポーラスーパースーパーラティスと
なる。

スーパーアトムとスーパーアンチアトムとで形成される
ＰＮ接合による発光あるいは受光の波長はスーパーアト
ムとスーパーアンチアトムとの境界にある半導体材料の
もつバンドギャップにほぼ等しい。従って、この境界近
傍のバンドギャップが適当となる様に第５図のドツト領
域部分の半導体材料を選択すれば所望の波長（特に低エ
ネルギー側の波長）の発光・受光が可能となる。スーパ
ーアトムあるいはスーパーアンチアトムを囲む半導体材
料のバンドギャップに比べ低エネルギーの波長に設定す
ることは素子化する上で特に重要である。何故なら、発
光あるいは受光する部分をその低エネルギー波長の光で
見れば全体が透明にみえるからである。すなわち、外部
からあるいは外部への光によるアクセスが可能になる。

第４図に示すＰＮ接合素子をＭ個用意し、それぞれの発
光あるいは受光波長λ１．λ２．・・、、λ９とすべて
異なるものとすれば、波長を選択すれば特定のＰＮ接合
素子へのアクセスが可能である。発光素子の場合はその
波長を調べればどのＰＮ接合素子が動作したかが直ちに
判る。特定のＰＮ接合素子に外部から波長λｉの光を照
射するとλｉより長波長の波長に感度のある素子すべて
から光起電力が発生する。このことは特定の一個の素子
へのアクセスが出来ないことを意味する。しかしながら
、入射光の波長を２種類にしそれを連続的に送れば２種
類の波長の両方に応答する素子群、両方いずれにも応答
しない素子群および短波長光にのみ応答する素子群に分
類できるから、２種類の入射光の波長およびその波長間
隔とを適当に設定すれば、ある特定の１個のＰＮ接合素
子のみを差別化して指定することができる。

第４図に示す様なＰＮ接合素子は第３図の例の様な立体
回路の一部に組み込む事が出来る。すなわち、論理回路
あるいはメモリ回路の一部が動作するに従いその部分か
ら発光する様にすることができる。その時発光波長を調
べればどの部分のＰＮ接合が動作したかが判る。

一方、外部から特定の波長を入射すればその波長に感度
のある受光用ＰＮ接合すべてが動作し電圧を誘起する。

この誘起電圧を入力信号と考えれば立体回路への同時多
入力か可能である。ある特定の１つの入力用ＰＮ接合の
みに入力するには、その部分の応答波長を低エネルギー
側に設定すれば良い。あるいは前述した様に２つの波長
を用いて２回入力し１回だけ応答した時にのみ入力信号
を受は取ったと判断する論理回路を付加しておけば良い
。

この様に光を用いて入出力を行な□えば立体回路への入
出力用配線は不要になるため高密度化に対し極めて大き
な利点となる。さらに、ここで延べた光による入出力方
式では、光そのものを極微細ビームにする必要は全くな
く立体回路全体に光を照射しても応答する個所は特定の
極微細ＰＮ接合のみである。この逆に、出力をとる場合
も出力個所を位置的に検出する特別な装置は不要であり
、発光波長さえ知ればそれがどこがらの出力がが判るの
で、出力用配線も全く不要となる。　　□以上、光を入
出力信号とする超高密度立体光電子集積回路の基本原理
を説明した。

次に、この様な半導体素子を実現するための物質例につ
いてスーパーアトムを例にとり説明する。

スーパーアトムは前述したように２つの半導体から成る
。第１の球状半導体とこれを囲む第２の半導体である。

スーパーアトムを実現するための条件は第１の球状半導
体の電子親和力が第２の半導体のそれより小さいことで
ある。従って、例えば第１の半導体としてＡｌＡｓをと
り第２の半導体材料としてＧａＡｓをとり、ＡｌＡｓ球
にシリコンや硫黄などのドナーをドープすればスーパー
アトムが形成される。いずれの半導体も互いにこのＡｌ
Ａｓ／ＧａＡｓ系の様に格子定数が同じであれば、界面
に特別な応力も発生せず、知られている電子親和力の大
小に伴って２つの半導体材料を設定すれば良い。その例
としては、ＩｎＰ／Ｉｎ（１，５３Ｇａｏ４７Ａｓ、Ｉ
ｎｏ、４ＢＧａｏ、５２Ｐ／ＧａＡＳなど３元以上の多
元混晶半導体の組成を適当に選べば非常に多くの組み合
わせが考えられる。

一方、格子定数を一致させない場合においてもスーパー
アトムを実現できる。この場合格子不整合に基づく応力
により界面にミスフィツト転位が発生する可能性が生じ
るが、良く知られている様に、その厚さが薄い（スーパ
ーアトムの場合は球の直径が小さい）場合には、ミスフ
ィツト転位は発生しない。その分界面あるいは第１の球
状半導体内部全体に応力が内在する。この応力のため見
掛けの電子親和力が変化するためへテロ界面の伝導帯に
段差が生じる。例えば、第１の球状半導体としそ５ｉＧ
ｅ混晶をとり第２の半導体としてＳｉを用いると、５ｉ
Ｇｅへの応力のため５ｉＧｅ混晶の伝導帯底の方がエネ
ルギー的に高くなる。従って５ｉＧｅ混晶の方にドナー
をドープすればスーパーアトムが出来る。

スーパーアトムを実現するには第１の半導体および第２
の半導体が結晶である事は絶対的要請ではない。例えば
第１の半導体がアモルファス状態であってもドープした
ドナーがドナーとして作用すれば良い。例えば第１の半
導体としてアモルファスＳｉＣをとり第２の半導体とし
てＳｉを用いる事も可能である。ただしこの時、ＳｉＣ
とＳｉとの界面に界面準位が多くないことが必要である
。もしこの数が多いとＳｉＣ中のドナーから供給された
電子はすべて界面準位にトラップされ球状皮膜の電子ガ
スが形成できずスーパーアトムとはならないからである
。

界面準位が全く無ければドナーの数と電子ガス沖の電子
の数が等しくまさにスーパーアトムとなるが、多少界面
準位があっても、ドナーの数より少なければ疑似スーパ
ーアトムとなる。すなわち、球状半導体中の正電荷と球
状皮膜中の電子の数が一致しないものとなる。またドナ
ーとしては不純物でなくとも空孔あるいは格子間原子か
ら成る点欠陥、線状欠陥、面欠陥でも良い。

スーパーアトムを形成する本質的要件さえ満たせば第１
の球状半導体はバンドキャップの極めて大きい半導体、
時には絶縁体と呼ばれる材料であっても良い。例えばＧ
ａＮ、ＡＩＮあるいは５ｉ０２なども考えられる。５ｉ
Ｏ２１Ｓｉ界面は適当な熱処理により極めて界面準位密
度の少ない界面となる事が知られている。従って、５ｉ
０２中にドナーをドープすれば５ｉ０２を第１の球状半
導体とするスーパーアトムが形成できる。５ｉ０２中の
ドナーは必ずしも５ｉ０２中で浅い準位を形成する必要
はなく　５ｉ０２中を囲むＳｉの方に電子が供給できる
のに充分なエネルギー準位であれば良い。

以上の物質例を表にまとめると第１表の様になる。この
他にもスーパーアトムあるいはスーパーアンチアトムの
構成要件を満たす様々な物質の組第１表 次にスーパーアトム、スーパースーパーラティスあるい
はスーパーアトムを用いる立体回路の作り方について説
明する。

まｆ−個のスーパーアトムは次の様にして形成される。

松井および森がジャーナルオブバキュームサイエンスア
ンドテクノロジ（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＶａｃｕｕｍ　
５ｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ｂ　４巻Ｎ
ｏ、１（１９８６年）ジションについて述べる。この方
法は基板表面に原料ガスを吸着させ、吸着層の一部分に
細くしぼった電子ビームを照射する。その結果、照射部
分だけエツチングあるいはデポジションが生じる。電子
ビームを充分に細くしぼる事によって極めて狭い領域だ
けをエツチングしたりデポジションを起こしたりするこ
とができる。現在最も細くしぼった場合直径３〜４オン
グストロームまで可能であり、このビームを用いると吸
着層の中のある特定の１つの吸着分子のみを局所的に励
起できる。その結果、吸着種や基板温度と電子ビーム特
性の最適化を行なう事により基板表面の１〜２個の原子
をエツチングする、あるいは吸着種の化学変化を通して
１個の原子をデポジションすることができる。

エツチングあるいはデポジションを起こす場所は電子ビ
ームを走査する事により所望の位置に設定することがで
きる。吸着ガスを吸着させる前にこの電子ビームを用い
て２次電子像をとれば、どの位置に電子ビームを当てる
べきかが走査電子顕微鏡と同じ原理で肉眼で観察するこ
とができる。

吸着ガスの供給圧力と基板温度を適当に選ぶことによっ
て基板全面にわたって吸着被覆率を１にとることができ
るから、基板の任意の原始的位置で１原子エツチングあ
るいは１原子デポジシヨンができる。

１個のスーパーアトムを形成するには、結果として異種
半導体が球状に埋め込□まれる様に電子ビームの走査領
域をコントロールすることで達成できる。その途中でド
ーピングガスを全面吸着し、必要な数の原子だけ電子線
で励起してデポジションすることにより、スーパーアト
ムの球状部分に必要な数だけドナーをドーピングするこ
とができる。

ユニポーラスーパースーパラティス、バイポーラスーパ
ースーパラティスあるいは第３図に示した様なスーパー
アトムによる立体回路の形成は、原理的には上述したス
ーパーアトムの製法と全く同一である。先ず組み上げる
べき所望の立体回路を基板表面と平行な面で切りその面
内での原子配列をコンピュータに記憶する。立体回路の
最下層原子面の原子配列から最上層原子面における原子
配列のすべての原子面での配列をコンピュータで計算し
た後メモリーに貯える。

基板表面に１分子層づつ吸着させ、コンピュータメモリ
ーの情報に従って必要な個所を電子ビームで励起しデポ
ジション反応を起こさせる。残りの残留吸着分子は熱的
あるいは光学全面励起などの手段で除去する。

この手順を必要なすべての原子面においてコンピュータ
制御でパターニングしながら膜形成を最終原子面まで進
めれば、所望の立体回路が構成される。

サイコロ型あるいは円筒状のスーパーアトムを形成する
のはもう少し簡単である。これらは、先ず通常の薄膜形
成装置でダブルへテロ構造を形成する。次に電子線リソ
グラフィーあるいはイオンビーム加工により矩形または
円形状パターンを描きこの部分を残しその周辺部分をド
ライエツチング技術などでエツチングする。次に、この
エツチングされた領域を選択ＣＶＤ技術などを使って埋
め戻す。埋め戻す材料は、ダブルへテロ構造における中
間の層をサンドイッチ状にはさんでいる両側の材料と同
一にするか、結果として側面にも電子ガスを形成できる
様な電子親和力を有する材料を用いる。

スーパーアトムとスーパーアンチアトムとを混在させる
立体回路を形成するには、シングルへテロ構造形成、パ
ターン形成、エツチングドーピング、埋め戻しの手順を
繰り返していく事により実現される。すなわちまず、第
１の半導体に比べ電子親和力が大きくかつバンドギャッ
プが小さい第２の半導体を成膜し引き続き第１の半導体
をデポジションする。それぞれの厚さは立体回路を形成
するのに最適な厚さく恐らく１００オングストローム前
後の厚さとなろう）にする。次にリソグラフィーにより
寸法が１００オングストローム前後の矩形または円形の
パターンを形成したのちエツチングにより第１の半導体
層を矩形または円形に残す。次にドーピング材を第１の
半導体層表面に全面吸着しその上から収束電子ビームあ
るいは収束イオンビームにより必要な矩形または円形パ
ターン上を衝撃しドナーまたはアクセプターを必要な数
だけデポジションする。その数の制御は、予め作成され
た電子ビームあるいはイオンビームのドーズ量と加速エ
ネルギーに対する不純物デポジション量との検量線に従
って行なわれる。次に保護膜をデポジションし、熱拡散
により内部に不純物を押し込める。この保護膜をマスク
とした選択デポジションにより先にエツチングされた領
域を埋め戻した後保護膜をエツチングし除去する。この
階段で表面全体は再び平面となる様にする。引き続き、
この一連の手順を繰り返し第２層のスーパーアトムある
いはスーパーアンチアトムを必要な位置に形成し、この
手順を必要な数だけ繰り返し、矩形または円筒形のスー
パーアトムあるいはスーパーアンチアトムを回路要素と
した立体集積回路が完成する。

（実施例） ［実施例１］ ―゛ｒ −イ２８） スーパーアトムおよびスーパーアンチアトムを用いたイ
ンバータ回路の実施例について述べる。

第２図において、第１の球状半導体Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ
およびＦは同一平面上にあり直径７０オングストローム
のＡｌＡｓである。これらを囲む第２の半導体はＧａＡ
ｓである。Ａ、Ｂ、Ｃ，ＤおよびＥはスーパーアトムと
なるようにドナー不純物となるＳｉがドーピングされて
いる。ドナーの数は、Ａが７個（スーパー窒素）Ｂ、Ｄ
およびＥが３０個（スーパー亜鉛）、Ｃが１５個（スー
パー燐）である。Ｆはスーパーアンチアトムでアクセプ
ターがドープされておりその数は２０個（スーパーアン
チカルシウム）である。Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆの中心
間隔はすべて等しく１１０オングストロームである。こ
の構造においてＡ、Ｄ、Ｅおよびｒを電極としＡＤ間に
電源電圧を加えた状態でＦの電位を負に下げるとＥの電
位は正に上昇しインバータ動作が生じる。電源電圧ある
いはＦへの入力電圧はスーパーアトムあるいはスーパー
アンチアトムの直径、間隔、ドープ不純物個数などによ
って適当な値に選ばれる。

強電界に基づくスーパーアトムからの電子の離脱、他の
スーパーアトム列への不必要な電位変動などのトラブル
をさけるために一個のスーパーアトムにかかる電解はせ
いぜい１０５ｖ／ｃｍ以下にする事が望ましい。従って
ＡＤ間の長さを４００〜５００オングストロームとすれ
ばＡＤ間電電圧して０．５ボルトを越えないように設定
すべきである。電圧が高い程雑音に強くなるが、回路全
体の発熱も大きくなるので超高密度立体回路を実現しに
くくなる。従って信号電圧振幅としては出来るだけ低く
とるべきであり、出来れば１ミリボルト以下に設定すべ
きである。

この様な制限を受けるためスーパーアンチアトムＦへの
アクセプタドーピング数とスーパーアトムＣへのドナー
ドーピング数の相対的大小関係は重要であり、相互コン
ダクタンスが出来るだけ大きくなる様に設定される。

［実施例２１ スーパーアトム３個とスーパーアンチアトム３個が直列
に接続された第４図の様なＰＮ接合素子について述べる
。第４図においてＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆの球状半導体
はすべてＩｎＰとし、これを囲む部分はＩｎｏ、５３Ｇ
ａｏ、４７Ａ８である。球状部分の直径は１００オング
ストロームとし中心間隔は１５０オングストロームであ
る。スーパーアトムＡ、Ｂ、Ｃはすべてドナーがドープ
されその数はそれぞれ５０個である。Ｄ、Ｅ、Ｆにはア
クセプターがドープされその数はそれぞれ６０個である
。Ａ、Ｂ、Ｃ中のドナー数およびり、Ｅ、Ｆ中のアクセ
プター数は必らずしもすべて同一である必要はない。端
子■および■へ印加する電圧は、この素子を発光素子と
する場合にはスーパーアトムを囲む半導体材料、この）
場合ＩｎＯ，５３Ｇａ（１４７Ａｓのバンドギャップと
同程度である必要がある。従って０．７ボルト程度の順
方向バイアスが必要である。

この素子に約０．８ボルトの順方向バイアス、すなわち
端子■を負に■を正に、約１ミリ秒間だけパルス的に印
加することにより波長が約１．７ミクロンのフォトンが
放射される。

［実施例３］ 第５図に示す様に実施例２と全く同様な実験を繰り返す
。ただし、スーパーアトムＣとスーパーアンチアトムＤ
の中間にあるドツト領域のＩｎ（１，５３Ｇａｏ、４７
Ａｓ結晶の替わりにバンドギャップのより小さいＩｎ（
１，６ｏＧａ（１４ｏＡｓで構成する。この様にすると
、発光領域が閉じ込められ発光効率が上がるばかりでな
くここから発光した光を外部にとりだし易くなる。実施
例２と同様なパルス電圧を加えると、外部への出力光は
より長波長（約１．９ミクロン）となり１０倍以上強く
なる。

［実施例４］ 第６図（ａ）の様なＦＥＴ回路と受光素子を加えた立体
回路を形成する。同図において斜線領域は実施例３と同
様に同図によりバンドギャップの小さい材料で形成され
ている。但し応答波長はλ１とλ２の様に異っている。

（λ１くλ２）。その等価回路は第６図（ｂ）で示され
る。この様な構成において、入射光が全くないときは出
力ｏｕｔの電位はほぼ電源電位子Ｖの２／３の電位にあ
るが、波長λ２の入射パルス光が立体回路に照射される
とこの電位は約＋１／３Ｖとなり、波長λ、の入射パル
ス光が照射されるとほぼアース電位になる様にスーパー
アトムの特性を設定することができる。

［実施例５］ 実施例１におけるＡｌＡｓをアモルファス５ｉ０２に、
ＧａＡｓをＳｉに置きかえ、５ｉ０２中にタングステン
などの重金属元素をドープすることによって実施例１と
同等なインバータが構成できる。５ｉ０２中のタングス
テンは浅い準位とはならないが５ｉ０２とＳｉの界面近
傍（数オングストローム程度）にあればタングステンか
らの電子がＳｉ側に供給される。

［実施例６１ 第６図において入力用ＰＮ接合部分Ｉｎ■およびＩｎ■
の部分ラインバーススーパアトムとインバーススーパー
アンチアトムから成るＰＮ接合とし、残りはスーパーア
トムとスーパーアンチアトムから成る立体回路とするこ
とが出来る。この場合の材料の例としては、例えば、ス
ーパーアトムとスーパーアンチアトムの球状半導体部分
はＩｎＰとし、これを囲む第２の半導体はＩｎＧａＡｓ
Ｐ混晶とし、イン（堅） パーススーパーアトムおよびインバーススーパーアンチ
アトムにおける球状半導体部分をＩｎＧａＡｓ混晶とす
るとよい。この場合、第５図の様なＰＮ接合部分に特別
な材料置き換えをせず第５図と同様な効果が期待できる
。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば半導体素子を従来に
比べて寸法をはるかに微細化することが可能となり、超
高密度の集積回路が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いる概念的に新規な構造体のバン
ド構造を示す図で、（ａ）はスーパーアトム、（ｂ）は
スーパーアンチアトム、（Ｃ）はインバースス・−パー
アトム、（ｄ）はインバーススーパーアンチアトムのも
のである。 第２図はスーパーアトムとスーパーアンチア）ムを配列
させる事によって構成されたイン、・−・・、１ｃ・′
路の一例を示す図で、（ａ）は空間配Ｊｂ）はそノ〉：
・１・）（１回路を示す。 第３図はスーパーアトムおよびスーパーアンチアトムを
立体的に所望の位置に配置する事によって構成された立
体集積回路の一例を示す斜視図である。 第４図はスーパーアトムとスーパーアンチアトムを直線
的に連結したユニットを示す図である。 第５図は第４図のユニットの中央をバンドギャップのよ
り小さい材料（ドツト領域）に置き換えた状態を示す図
。 第６図は、スーパーアトムとスーパーアンチアトムを立
体的に配置して構成された光電子集積回路の一例を示す
図であり、（ａ）は空間的配置、（ｂ）はそ代理人弁理
士内原　晋′１λＱ￥、、１ゝ、・ オ　１　口 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）（Ｃ
）　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｄ）（司り ７１−２　　図 ＬＵＴ　　（ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電子または正孔の波動関数の拡がりと同程度の直径ある
   いは一辺の長さを有する塊状物質とこれを囲む外側物質
   との界面に電子または正孔が皮膜状に局在する構造体。