JP3977265B2 - Quantum semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子半導体装置及びその製造方法に係り、特に、量子ドットを有する量子半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
量子ドットは、例えば、Stranski-Krastanowモード(S−Kモード)を利用した形成方法により、半導体基板上に相互に離間して島状に形成される。ここで、S−Kモードとは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は、2次元成長(膜成長)するが、膜の弾性限界を超えた段階で三次元成長するモードのことである。下地の材料と格子定数の異なる膜をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島よりなる量子ドットが自己形成される。
【0003】
近時、量子情報や量子計算の分野の技術が大きく注目されており、量子ドットの応用の可能性が注目されている。しかしながら、量子ドットに関する更なる基礎研究及び応用開発のためには、乗り越えるべき種々の技術的な障壁が存在している。
【0004】
例えば、量子ドットは大きさが小さく、また、S−Kモードを利用して自己形成された量子ドットはランダムに分布している。現在までのところ、このようなランダムに分散した状態で自己形成された量子ドットの各々に対して正確に電気的にアクセスすることを可能とする方法は提案されていなかった。
【0005】
一方、電子ビームリソグラフィ、反応性イオンエッチング等のサブミクロンでの加工が可能なプロセスを用いることにより、100nm程度の大きさの導体パッドを作製することは可能である。したがって、量子ドットの密度が非常に低い場合には、このようなプロセスを用いて単一の量子ドット上に電極を形成しうる可能性がある。すなわち、サブミクロンでの加工が可能なプロセスを用いて量子ドットが形成されたであろう領域上に電極を適当に形成する。次いで、電極の下に量子ドットが存在するか否かをチェックする。こうして、電極形成及びその後のチェックを数多く繰り返すことにより、電極の下に単一の量子ドットが存在する場合を見出すことができる可能性もある。しかしながら、このような方法では、量子ドットの密度が高い場合に単一の量子ドットを捕捉することはほぼ不可能である。また、このような確率的な方法は、素子を製造するにあたって非効率的な方法であるといえる。
【0006】
また、特許文献1には、微細な探針形状をした電極を用いて量子ドットに電気的にアクセスする方法が提案されている。しかしながら、この場合、電極を量子ドット上に配置するために、量子ドットをアレイ化した状態で形成しておく等の特別なプロセスが必要となる。また、特許文献1では、針状電極による電界は、量子ドットの大きさよりもはるかに広く分布すると考えられる。このため、ある量子ドット上に配置した電極による電界が、隣接する量子ドットにまで影響を及ぼしてしまうことが想定される。
【0007】
【特許文献1】
特開平7−297381号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の技術では、ランダムに分散した状態で自己形成された量子ドットの各々に対して、正確に電気的にアクセスすることを可能とする方法は確立されていなかった。
【0009】
自己形成された各々の量子ドットに対する正確な電気的アクセスを実現することは、量子ドットに関する基礎研究、応用開発等における種々の局面において、非常に重要なことである。
【0010】
本発明の目的は、量子ドットに対して、正確に電気的にアクセスすることを可能とする量子半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体基板上に形成された量子ドットと、前記量子ドットを埋め込むように形成された半導体層と、液滴エピタキシー法により前記量子ドットの存在により前記半導体層に生じる歪の位置上に自己整合的に形成された粒状電極とを有することを特徴とする量子半導体装置により達成される。これにより、量子ドット上に電極を正確に形成することができるので、かかる電極を介して、量子ドットに対して正確に電気的にアクセスすることが可能となり、また、量子ドットに対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0012】
また、上記目的は、半導体基板上に形成された量子ドットと、前記量子ドットを埋め込むように形成された半導体層と、前記半導体層表面の前記量子ドット上の位置に形成された凹部内に形成された電極とを有することを特徴とする量子半導体装置により達成される。これにより、量子ドット上に電極を正確に形成することができるので、かかる電極を介して、量子ドットに対して正確に電気的にアクセスすることが可能となり、また、量子ドットに対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0013】
また、上記目的は、半導体基板上に形成された量子ドットと、前記量子ドットを埋め込むように形成された第1の半導体層と、前記第1の半導体層上の前記量子ドット上の位置に形成された半導体ドットと、前記半導体ドットの一部が酸化されてなるドット状の酸化物と、前記半導体ドットを埋め込むように形成された第2の半導体層と、前記第2の半導体層表面の前記ドット状の酸化物上の位置に形成された凹部内に形成された電極とを有することを特徴とする量子半導体装置により達成される。
【0014】
また、上記目的は、半導体基板上に、量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットを埋め込むように半導体層を形成する工程と、液滴エピタキシー法により前記量子ドットの存在により前記半導体層に生じる歪の位置上に自己整合的に粒状電極を形成する工程とを有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法により達成される。
【0015】
また、上記目的は、半導体基板上に、量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットを埋め込むように半導体層を形成する工程と、前記半導体層上の前記量子ドット上の位置に、半導体ドットを形成する工程と、前記半導体ドットと前記半導体ドットの直下における前記半導体層とを酸化することにより、その一部が前記半導体層に埋め込まれたドット状の酸化物を形成する工程と、前記ドット状の酸化物を除去することにより、前記半導体層表面に凹部を形成する工程と、前記半導体層表面に形成された前記凹部内に電極を形成する工程とを有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法により達成される。
【0016】
また、上記目的は、半導体基板上に、量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットを埋め込むように第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層上の前記量子ドット上の位置に、半導体ドットを形成する工程と、前記半導体ドットの一部を酸化することにより、前記半導体ドットの一部が酸化されてなるドット状の酸化物を形成する工程と、前記ドット状の酸化物上の位置における表面に凹部が形成されるように、前記ドット状の酸化物及び前記半導体ドットを埋め込む第2の半導体層を形成する工程と、前記第2の半導体層表面に形成された前記凹部内に電極を形成する工程とを有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法により達成される。
【0017】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による量子半導体装置及びその製造方法について図1乃至図3を用いて説明する。図1は本実施形態による量子半導体装置の構造を示す断面図、図2は本実施形態による量子半導体装置のエネルギーバンド構造を示す図、図3は本実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0018】
まず、本実施形態による量子半導体装置の構造について図1を用いて説明する。
【0019】
半導体基板10上には、自己形成された量子ドット12を含む半導体よりなる量子ドット層14が形成されている。量子ドット層14は、半導体基板10上にS−Kモードによって自己形成された三次元成長島よりなる量子ドット12と、量子ドット12の間の半導体基板10上に形成された濡れ層16とから構成されている。
【0020】
量子ドット層16上には、キャップ層すなわち半導体層18が形成されている。量子ドット12上の半導体層18には、量子ドット12の材料と半導体層18の材料との格子不整合により歪が生じている。図1では、半導体層18の歪が生じている領域を点線で示している。
【0021】
半導体層18表面の歪が生じている位置には、金属よりなる粒状の電極22が形成されている。
【0022】
本実施形態による量子半導体装置は、半導体層18表面の歪が生じている位置に電極22が自己整合的に形成されていること、すなわち、それぞれの量子ドット12上に、金属よりなる粒状の電極22が正確に形成されていることに主たる特徴がある。
【0023】
このように、量子ドット12上の半導体層18に生じた歪により、それぞれの量子ドット12上に電極22が正確に形成されているので、かかる電極22を介して、自己形成された量子ドット12に対して正確に電気的にアクセスすることが可能となる。また、自己形成された量子ドット12に対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0024】
なお、本実施形態による量子半導体装置のエネルギーバンド構造は、図2に示すようになる。
【0025】
次に、本実施形態による量子半導体装置の製造方法について図3を用いて説明する。
【0026】
まず、半導体基板10上に、例えばMBE(Molecular Beam Epitaxy、分子線エピタキシー)法により、量子ドット層14を形成する。量子ドット層14には、S−Kモードにより、量子ドット12が自己形成される(図3(a)を参照)。量子ドット層14の材料としては、半導体基板10の材料と格子定数が異なり格子不整合が大きい材料を用いる。例えば、半導体基板10としてGaAs基板を用いる場合、量子ドット層14の材料としては、例えばInAsを用いることができる。
【0027】
次いで、量子ドット層14上に、例えばMBE法により、半導体層18を形成する(図3(b)を参照)。半導体層18の材料としては、例えば、量子ドット層14の材料と格子定数が異なり、格子不整合が大きい材料を用いる。量子ドット層14の材料としてInAsを用いる場合には、例えば、半導体層18の材料としてGaAsを用いることができる。
【0028】
量子ドット12上の半導体層18には、量子ドット12との格子不整合により歪が生じる。
【0029】
なお、半導体層18は、その表面にまで十分に歪が生じるように、比較的薄めに形成することが望ましい。例えば、量子ドット12の上端が半導体層18により埋められた段階で、MBE法による半導体層18の成長を停止する。半導体層18の厚さは、例えば10nm以下、より望ましくは5nm以下とする。なお、半導体層18を薄めに形成すべき理由については詳述する。
【0030】
次いで、液滴エピタキシー法により、金属液滴を半導体層18表面に堆積することにより、金属よりなる粒状の電極22を形成する。ここで、液滴エピタキシー法とは、蒸発した金属の原子や分子を、例えば絶縁体や半導体等の金属より低い表面エネルギーを有する材料の表面に堆積することにより、微細な粒状体を成長する技術のことである。この方法では、系のエネルギーを最小にしようとする作用が起こるために、金属が絶縁体や半導体等の表面積を最小にするように微細な球状に成長する。電極22の材料としては、Ga、In、Al、若しくはAu、又はこれらの合金を用いることができる。
【0031】
また、電極22は、半導体層18を形成するために用いた成膜装置のエピタキシャル成長チャンバ内において、半導体層18の形成後に連続した工程で形成することができる。
【0032】
半導体層18と電極22とを連続した工程で形成する場合には、エピタキシャル成長チャンバ内でのMBE法による半導体層18の形成後、半導体層18の材料となる半導体の堆積を停止する。
【0033】
例えば、半導体層18を形成するために、III−V族半導体を堆積した場合、エピタキシャル成長チャンバ内へのV族元素の供給を停止する。
【0034】
V族元素の供給の停止により、III族元素の金属ビームのみが半導体層18の表面に照射され、III族元素の金属液滴が半導体層18表面に堆積される。
【0035】
液滴エピタキシー法により半導体層18表面に堆積された金属液滴は、半導体層18表面に生じている歪の位置へと移動する。
【0036】
続いて、金属液滴の堆積終了後の冷却により、金属液滴は固化し、金属の粒子が形成される。こうして、半導体層18表面の歪が生じている位置、すなわち半導体層18に埋め込まれた量子ドット12のそれぞれの上の半導体層18表面に、金属よりなる粒状の電極22が正確に形成される。すなわち、量子ドット12の存在により半導体層18に生じる歪の位置上に自己整合的に電極22が形成される。
【0037】
液滴エピタキシー法により電極22を形成する場合の条件は、例えば以下のようにすればよい。以下の条件は、半導体基板10として、GaAs基板を用いる場合のものである。
【0038】
エピタキシャル成長チャンバ内のAs分圧は、例えば10-7Torr程度の無視できる大きさにする。金属液滴としてIn又はGaを堆積する場合には、基板温度は例えば100〜200℃とする。また、金属液滴としてAlを堆積する場合には、基板温度は例えば300〜400℃とする。堆積速度は例えば0.5〜3原子層(monolayers)/秒とし、総堆積量は例えば1〜4原子層とする。
【0039】
電極22は、堆積量等の金属液滴を堆積する際の条件を適宜設定することにより、量子ドット12の大きさ等に応じて、所望の大きさに設定することができる。
【0040】
ここで、上述のようにして液滴エピタキシー法により形成された金属よりなる粒状の電極22が、半導体層18表面における量子ドット12上の位置に正確に形成されるメカニズムについて説明する。
【0041】
一般的に、上述の液滴エピタキシー法において、表面に堆積される金属液滴の位置は、金属液滴が堆積される表面の液滴エピタキシー過程の間の表面自由エネルギー分布に依存することが知られている。
【0042】
例えば、表面が均一に処理されている場合には、金属液滴はランダムに配置した状態で表面に堆積される。
【0043】
これに対し、表面状態が局所的に改質されている場合には、金属液滴は、表面状態が意図的に改質された領域に堆積される。表面状態が局所的に改質されている場合には、例えば、表面が局所的に不動態化されていたり、局所的に不純物が堆積されていたり、パターニングされていたり、局所的に電界が印加されているといった場合がある(例えば、米国特許第6,383,286号明細書、米国特許第6,242,326号明細書、米国特許第6,033,972号明細書、特開平4−245620号公報、特開2000−315654号公報等を参照)。
【0044】
本実施形態による量子半導体装置の製造方法では、量子ドット層14上に、半導体層18が薄く形成されている。このため、それぞれの量子ドット12上において半導体層18に歪が生じている。
【0045】
半導体層18表面の歪が生じている部分は、歪が生じていない部分に比して、表面エネルギーが高くなっている。このため、液滴エピタキシー法による金属液滴は、歪が生じている半導体層18表面の量子ドット12上の位置に選択的に堆積される。
【0046】
なお、前述したように半導体層18をできるだけ薄めに形成するのが望ましいのは、次の理由による。すなわち、半導体層18を量子ドット12の高さと比して厚く形成したのでは、半導体層18表面にまで十分な歪が生じない。このため、半導体層18表面の量子ドット12上の部分の表面エネルギーが他の部分と大きく変化せず、金属液滴の選択的形成が困難となるためである。
【0047】
以上のようにして、液滴エピタキシー法により、金属よりなる粒状の電極22が、自己形成した量子ドット12のそれぞれの上の半導体層18表面の位置に正確に形成される。
【0048】
こうして、本実施形態による量子半導体装置が製造される。
【0049】
このように、本実施形態によれば、量子ドット12上の半導体層18中に生じた歪により、液滴エピタキシー法により形成する金属よりなる粒状の電極22を、それぞれの量子ドット12上の位置に正確を形成することができる。これにより、量子ドット12に対して正確に電気的にアクセスすることが可能となる。また、量子ドット12に対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0050】
(変形例)
次に、本実施形態の変形例による量子半導体装置及びその製造方法について図4乃至図6を用いて説明する。図4は本変形例による量子半導体装置の構造を示す断面図、図5は本変形例による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図、図6は配線を電極パッドに接続した場合を示す上面図である。
【0051】
まず、本変形例による量子半導体装置の構造について図4を用いて説明する。
【0052】
本変形例による量子半導体装置は、電極22とともに、電極22に電気的に接続された配線26が形成されていることに主たる特徴がある。
【0053】
図4に示すように、半導体層18表面には、溝24が形成されている。溝24の一端は、半導体層18表面の量子ドット12上の位置に正確に形成された電極22近傍に位置している。
【0054】
溝24内には、電極22に電気的に接続された配線26が形成されている。
【0055】
このように、本変形例による量子半導体装置は、電極22に電気的に接続された配線26を有しているので、量子ドット12に対して電圧の印加等を行う周辺回路と電極22とを配線26を介して電気的に接続することができる。これにより、量子ドット12への電気的なアクセスがさらに容易になる。
【0056】
次に、本変形例による量子半導体装置の製造方法について図5及び図6を用いて説明する。
【0057】
図3(a)及び図3(b)に示す場合と同様にして、半導体基板10上に、量子ドット層14と、半導体層18とを順次形成する。
【0058】
次いで、半導体層18上に、例えばMBE法により、半導体ドット層38を形成する。半導体ドット層38をエピタキシャル成長することにより、S−Kモードにより、三次元成長島よりなる半導体ドット36が自己形成される(図5(a)を参照)。ここで形成された半導体ドット層38は、半導体層18上に自己形成された半導体ドット36と、半導体ドット36間の半導体層18上に形成された濡れ層40とから構成されるものである。半導体ドット36は、量子ドットであってもよいし、アンチドットであってもよい。半導体ドット層38の材料としては、半導体層18の材料と格子定数が異なり格子不整合が大きい材料を用いる。例えば量子ドット層14の材料としてInGaAs、半導体層18の材料としてGaAsを用いた場合には、半導体ドット層38の材料として、AlInAsを用いることができる。
【0059】
上述のようにして、量子ドット層14上に半導体層18を介してS−Kモードにより積層形成された半導体ドット層38の半導体ドット36は、量子ドット層14の量子ドット12上に形成される。すなわち、第1層目の量子ドット層14の量子ドット12の位置と、第2層目の半導体ドット層38の半導体ドット36の位置とは、それぞれ互いに垂直方向に揃った状態となっている。このように、量子ドット12と半導体ドット36とが互いに重なり合うように形成されるのは、量子ドットが形成された量子ドット層上に半導体ドット層を形成すると、半導体ドット層において量子ドットに重なり合うように量子ドット或いはアンチドットである半導体ドットが形成される傾向があるためである。
【0060】
次いで、AFM(Atomic Force Microscope、原子間力顕微鏡)酸化法を用いて、半導体ドット層38の濡れ層40及び半導体層18の表層を酸化することにより、ライン状の酸化物28を形成する。ここで、ライン状の酸化物28の一端が、量子ドット12上に形成されている半導体ドット36の近傍の位置にくるように、ライン状の酸化物28を形成する。
【0061】
AFM酸化法とは、AFMの探針を試料に近接し、AFMの探針と試料との間に電圧を印加することにより、試料表面に酸化物を形成する方法である。
【0062】
本変形例では、例えば、湿度40〜60%の大気中において、AFMの探針30を半導体ドット層38の濡れ層40に近接し、探針30に負のバイアスを印加し、半導体基板10に正のバイアスを印加する。このようにバイアスを印加しつつ濡れ層40に近接した状態で探針30を走査する。探針30は、ライン状の酸化物28を形成すべき濡れ層40表面の線上を走査する。これにより、探針30が走査された半導体ドット層38の濡れ層40及び半導体層18の表層が酸化され、ライン状の酸化物28が形成される(図5(b)を参照)。
【0063】
次いで、エッチングにより、半導体ドット層38の半導体ドット36及び濡れ層40と、ライン状の酸化物28を除去する。こうして、半導体ドット36及び濡れ層40と、ライン状の酸化物28とが除去された半導体層18表面に、溝24が形成される(図5(c)を参照)。例えばInAsよりなる半導体ドット層38の場合、エッチング液としてHClを用いることにより、半導体ドット36及び濡れ層40と、ライン状の酸化物28とを同時に除去することができる。
【0064】
次いで、上記と同様に、液滴エピタキシー法により、半導体層18表面に、金属液滴を堆積する。このとき、金属液滴は、半導体層18表面の歪が生じている位置に形成されるとともに、溝24内に形成される。
【0065】
続いて、堆積終了後の冷却により、金属液滴が固化し、金属粒子が形成される。こうして、金属よりなる粒状の電極22とともに、溝24内に金属粒子が連続的に接続されてなる配線26が形成される(図5(d)を参照)。
【0066】
こうして、本変形例による量子半導体装置が製造される。
【0067】
なお、この後、図6に示すように、配線26に電気的に接続される電極パッド32を形成してもよい。
【0068】
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による量子半導体装置及びその製造方法について図7及び図8を用いて説明する。図7は本実施形態による量子半導体装置の構造を示す断面図、図8は本実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第1実施形態による量子半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0069】
まず、本実施形態による量子半導体装置の構造について図7を用いて説明する。
【0070】
半導体基板10上には、自己形成された量子ドット12を含む半導体よりなる量子ドット層14が形成されている。
【0071】
量子ドット層14上には、半導体層18が形成されている。
【0072】
半導体層18表面の量子ドット12上の位置には、凹部34が形成されている。凹部34内には、金属よりなる粒状の電極22が形成されている。
【0073】
本実施形態による量子半導体装置は、半導体層18表面における量子ドット12上の位置に形成された凹部34内に電極22が形成されていることに主たる特徴がある。
【0074】
このように、半導体層18表面の量子ドット12上の位置に形成された凹部34により、それぞれの量子ドット12上に電極22が正確に形成されているので、かかる電極22を介して、自己形成された量子ドット12に対して正確に電気的にアクセスすることが可能となる。また、自己形成された量子ドット12に対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0075】
なお、本実施形態による量子半導体装置のエネルギーバンド構造は、図2に示す第1実施形態による量子半導体装置のものとほぼ同様になる。
【0076】
次に、本実施形態による量子半導体装置の製造方法について図8を用いて説明する。
【0077】
まず、第1実施形態による場合と同様にして、半導体基板10上に、量子ドット12を含む量子ドット層14と、半導体層18とを順次形成する(図8(a)及び図8(b)を参照)。
【0078】
次いで、半導体層18上に、例えばMBE法により、半導体ドット層38を形成する。半導体ドット層38をエピタキシャル成長することにより、S−Kモードにより、三次元成長島よりなる半導体ドット36が自己形成される(図8(c)を参照)。ここで形成された半導体ドット層38は、半導体層18上に自己形成された半導体ドット36と、半導体ドット36間の半導体層18上に形成された濡れ層40とから構成されるものである。半導体ドット36は、量子ドットであってもよいし、アンチドットであってもよい。半導体ドット層38の材料としては、半導体層18の材料と格子定数が異なり格子不整合が大きい材料を用いる。例えば量子ドット層14の材料としてInGaAs、半導体層18の材料としてGaAsを用いた場合には、半導体ドット層38の材料として、AlInAsを用いることができる。
【0079】
上述のようにして、量子ドット層14上に半導体層18を介してS−Kモードにより積層形成された半導体ドット層38の半導体ドット36は、量子ドット層14の量子ドット12上に形成される。すなわち、第1層目の量子ドット層14の量子ドット12の位置と、第2層目の半導体ドット層38の半導体ドット36の位置とは、それぞれ互いに垂直方向に揃った状態となっている。このように、量子ドット12と半導体ドット36とが互いに重なり合うように形成されるのは、量子ドットが形成された量子ドット層上に半導体ドット層を形成すると、半導体ドット層において量子ドットに重なり合うように量子ドット或いはアンチドットである半導体ドットが形成される傾向があるためである。
【0080】
次いで、AFM酸化法を用いて、半導体ドット36及び半導体ドット36の直下半導体層18を酸化する。例えば、湿度40〜60%の大気中において、AFMの探針30を半導体ドット36に近接した状態で、所定の時間、探針30に負のバイアスを印加し、半導体基板10に正のバイアスを印加する(図8(d)を参照)。例えば、半導体ドット36の材料がInGaAsの場合には、3〜10V程度の電圧を印加する。これにより、半導体ドット36と半導体ドット36の直下の半導体層18とが酸化されてなるドット状の酸化物42が形成される。こうして、ドット状の酸化物42は、その一部が半導体層18の表層内に埋め込まれるように形成される。
【0081】
なお、半導体ドット36は、上述した酸化を容易に行うことができるように、小さめに形成しておくことが望ましい。例えば、半導体ドット36を、その大きさが15〜30nm程度となるように形成しておくことが望ましい。
【0082】
次いで、エッチングによりドット状の酸化物42を除去する。エッチング液としては、例えばInGaAsよりなる半導体ドット36を酸化したドット状の酸化物42を除去する場合には、希釈したHClや希釈したNH4OH等を用いる。
【0083】
ここで、ドット状の酸化物42をエッチングにより除去するとともに、濡れ層40についても、エッチングにより除去する。なお、ドット状の酸化物42と濡れ層40を除去する順序の先後は問わない。また、エッチング液を適宜選択することにより、ドット状の酸化物42と、濡れ層40とを同時に除去してもよい。例えば、エッチング液としてHClを用いることにより、Asを含有するドット状の酸化物42と、InAsよりなる濡れ層40とを同時に除去することができる。
【0084】
こうしてドット状の酸化物42を除去することにより、半導体層18表面の半導体ドット36が形成されていた位置、すなわち半導体層18に埋め込まれた量子ドット12のそれぞれの上の位置に、凹部34が形成される(図8(e)を参照)。
【0085】
なお、半導体ドット36の高さが十分に低くなく、1回のAFM酸化法により半導体ドット36を完全に酸化することが困難な場合等には、次のようにして凹部34を半導体層18表面に形成してもよい。すなわち、AFM酸化法により半導体ドット36の上端の一部を酸化する工程と、半導体ドット36の酸化された部分をエッチングにより除去する工程とを繰り返すことにより、凹部34を半導体層18表面に形成してもよい。
【0086】
次いで、第1実施形態による場合と同様にして、液滴エピタキシー法により、凹部34が形成された半導体層18表面に金属液滴を堆積する。
【0087】
このとき、半導体層18表面に堆積された金属液滴は、半導体層18表面に形成された凹部34に移動する。
【0088】
続いて、堆積終了後の冷却により、金属液滴は固化し、金属粒子が形成される。こうして、金属よりなる粒状の電極22が凹部34内に形成される(図8(f)を参照)。
【0089】
本実施形態による量子半導体装置の製造方法では、量子ドット12上の半導体層18に歪が十分に生じない場合であっても、上述のように半導体層18の表面の量子ドット12上の位置に凹部34を形成するので、電極22を量子ドット12上に正確に形成することができる。量子ドット12上の半導体層18に歪が十分に生じない場合としては、例えば、量子ドット12と半導体層18との格子不整合が小さい場合や、半導体層18の厚さが例えば10nmと薄くない場合がある。
【0090】
なお、液滴エピタキシー法により堆積した金属液滴の凹部34への移動が円滑に行われるように、凹部34周辺に凸状物が残存しないように、半導体ドット36を完全に酸化してドット状の酸化物42を形成しておくことが望ましい。また、同様の理由から、濡れ層40のエッチングによる除去の際には、凹部34周辺等に濡れ層40が残存してなる凸状物が形成されないように、エッチングにより濡れ層40を十分に除去しておくことが望ましい。
【0091】
こうして、本実施形態による量子半導体装置が形成される。
【0092】
このように、本実施形態によれば、量子ドット12上に積層形成された半導体ドット36が酸化されてなるドット状の酸化物42をエッチング除去することにより、量子ドット12上の半導体層18表面に凹部34を形成し、液滴エピタキシー法により金属よりなる粒状の電極22を形成するので、それぞれの量子ドット12上の位置に正確に電極22を形成することができる。これにより、量子ドット12に対して正確に電気的にアクセスすることが可能となる。また、量子ドット12に対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0093】
(変形例)
次に、本実施形態の変形例による量子半導体装置及びその製造方法について図9及び図10を用いて説明する。図9は本変形例による量子半導体装置の構造を示す断面図、図10は本変形例による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0094】
まず、本変形例による量子半導体装置の構造について図9を用いて説明する。
【0095】
本変形例による量子半導体装置は、第1実施形態の変形例による量子半導体装置と同様に、電極22とともに、電極22に電気的に接続された配線26が形成されていることに主たる特徴がある。
【0096】
図9に示すように、半導体層18表面には、溝24が形成されている。溝24の一端は、半導体層18表面の量子ドット12上の位置に正確に形成された凹部34近傍に位置している。
【0097】
溝24内には、電極22に電気的に接続された配線26が形成されている。
【0098】
このように、本変形例による量子半導体装置は、電極22に電気的に接続された配線26を有しているので、量子ドット12に対して電圧の印加等を行う周辺回路と電極22とを配線26を介して電気的に接続することができる。
【0099】
次に、本変形例による量子半導体装置の製造方法について図10を用いて説明する。
【0100】
図8(a)乃至図8(e)に示す場合と同様にして、量子ドット12上の半導体層18表面に凹部34を形成する(図10(a)を参照)。
【0101】
次いで、AFM酸化法により、半導体層18表面に、ライン状の酸化物28を形成する。ここで、ライン状の酸化物28の一端が、半導体層18表面の凹部34の位置にくるように、ライン状の酸化物28を形成する(図10(b)を参照)。
【0102】
次いで、エッチングにより半導体層18表面に形成されたライン状の酸化物28を除去する。こうして、ライン状の酸化物28が除去された半導体層18表面に、溝24が形成される(図10(c)を参照)。
【0103】
次いで、上記と同様に、液滴エピタキシー法により、半導体層18表面に、金属液滴を堆積する。このとき、金属液滴は、半導体層18表面の凹部34内に形成されるとともに、溝24内に形成される。
【0104】
続いて、堆積終了後の冷却により、金属液滴は固化し、金属粒子が形成される。こうして、金属よりなる粒状の電極22とともに、溝24内に金属粒子が連続的に接続されてなる配線26が形成される(図10(d)を参照)。
【0105】
こうして、本変形例による量子半導体装置が製造される。
【0106】
なお、この後、第1実施形態の変形例による場合と同様に、配線26に電気的に接続される電極パッド32を形成してもよい。
【0107】
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による量子半導体装置及びその製造方法について図11乃至図13を用いて説明する。図11は本実施形態よる量子半導体装置の構造を示す断面図、図12は本実施形態による量子半導体装置のバンドエネルギー図、図13は本実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第1及び第2実施形態による量子半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0108】
まず、本実施形態による量子半導体装置の構造について図11を用いて説明する。
【0109】
半導体基板10上には、自己形成された量子ドット12を含む半導体よりなる量子ドット層14が形成されている。
【0110】
量子ドット層14上には、中間層すなわち半導体層18が形成されている。
【0111】
半導体層18上には、自己形成された半導体ドット44を含む半導体よりなる半導体ドット層46が形成されている。半導体ドット層46は、半導体層18上に自己形成された半導体ドット44と、半導体ドット44間の半導体層18上に形成された濡れ層48とから構成されている。半導体ドット層46の半導体ドット44は、量子ドット層14の量子ドット12上の位置に形成されている。半導体ドット44は、アンチドットであってもよいし、或いは量子ドットであってもよい。
【0112】
半導体ドット層46の半導体ドット44の上端には、半導体ドット44の上端の一部が酸化されてなるドット状の酸化物50が形成されている。
【0113】
ドット状の酸化物50が上端に形成された半導体ドット44を含む半導体ドット層46上には、キャップ層すなわち半導体層52が形成されている。
【0114】
半導体層52表面の積層形成された量子ドット12及び半導体ドット44上の位置には、凹部54が形成されている。凹部54内には、金属よりなる粒状の電極22が形成されている。
【0115】
本実施形態による量子半導体装置は、積層形成された量子ドット12及び半導体ドット44上の半導体層52表面の位置に形成された凹部54内に電極22が形成されていること、すなわち、それぞれの量子ドット12上に正確に電極22が形成されていることに主たる特徴がある。
【0116】
このように、半導体層52表面の量子ドット12上の位置に形成された凹部54により、それぞれの量子ドット12上に電極22が正確に形成されているので、かかる電極22を介して、自己形成された量子ドット12に対して正確に電気的にアクセスすることが可能となる。また、自己形成された量子ドット12に対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0117】
また、本実施形態による量子半導体装置は、量子ドット12と電極22との間に、半導体層18に加えてさらに半導体層52が形成されていることにも特徴がある。半導体層18に加えてさらに半導体層52が形成されているため、熱処理等の際に電極22中の金属が拡散して量子ドット12中に侵入するのを防止することができる。
【0118】
なお、本実施形態による量子半導体装置のエネルギーバンド構造は、図12に示すようになる。
【0119】
図12に示すエネルギーバンド構造に示される量子ドット12と電極22との間のバリアの高さやバリア幅は、半導体層18、52の材料組成や厚さ、半導体ドット44の材料組成や大きさ、ドット状の酸化物50の大きさ等を適宜設定することにより、所望の値に設定することができる。
【0120】
次に、本実施形態による量子半導体装置の製造方法について図13を用いて説明する。
【0121】
まず、第2実施形態による場合と同様にして、例えばMBE法により、半導体基板10上に、量子ドット層14と、半導体ドット層46とを、半導体層18を介して積層形成する(図13(a)を参照)。半導体ドット44の材料は、半導体層18の材料と格子定数が異なり格子不整合が大きく、また、例えば半導体層18よりも高い基底準位のエネルギーを有する材料を選択する。この場合、半導体ドット44は、アンチドットとなる。このような半導体ドット44の材料を選択することにより、埋め込まれた量子ドット12への半導体ドット44の影響を低減することができる。半導体ドット44の材料としては、例えば、InAlAs、InGaAlAs等を用いることができる。
【0122】
なお、半導体ドット44は、第2実施形態による量子半導体装置の製造方法において形成した第2層目の半導体ドット36と異なり、必ずしも小さく形成する必要はない。
【0123】
上述のようにして、量子ドット層14上に半導体層18を介してS−Kモードにより積層形成された半導体ドット層46の半導体ドット44は、第2実施形態による場合と同様に、量子ドット層14の量子ドット12上に形成される。
【0124】
次いで、エピタキシシャル成長チャンバ内から半導体基板10を取り出す。
【0125】
続いて、AFM酸化法により、半導体ドット層46の半導体ドット44の上端の一部を酸化する。例えば、湿度40〜60%の大気中において、AFMの探針30を半導体ドット44に近接した状態で、所定の時間、探針30に負のバイアスを印加し、半導体基板10に正のバイアスを印加する。これにより、半導体ドット44の上端の一部が酸化されてなるドット状の酸化物50が形成される(図13(b)を参照)。
【0126】
次いで、表面に吸着した汚染物質や、表面に形成された自然酸化膜等を除去した後、半導体基板10を再び成膜装置のエピタキシシャル成長チャンバ内に収容する。なお、汚染物質等の除去には、例えば水素原子照射による洗浄方法を用いることができる。
【0127】
続いて、半導体ドット層46上に、例えばMBE法により、半導体層52を形成する。半導体層52の材料には、例えば半導体ドット44の材料と同じものか、或いは半導体ドット44の材料よりもエネルギーギャップの大きい材料を選択する。
【0128】
半導体層52の成長において、ドット状の酸化物50は非晶質であるため、ドット状の酸化物50上の半導体層52の成長速度は、他の領域での半導体層52の成長速度よりも遅くなる。この結果、ドット状の酸化物50上の半導体層52表面に凹部54が形成される(図13(c)を参照)。
【0129】
こうして、積層形成された量子ドット12及び半導体ドット44上の半導体層52表面の位置に、凹部54が形成される。
【0130】
次いで、液滴エピタキシー法により、凹部54が形成された半導体層52表面に、金属液滴を堆積する。第2実施形態による場合と同様に、半導体層52表面に堆積された金属液滴は、凹部54に移動する。
【0131】
続いて、堆積終了後の冷却により、金属液滴は固化し、金属粒子が形成される。こうして、半導体層52表面の凹部44内に、金属よりなる粒状の電極22が形成される(図13(d)を参照)。
【0132】
こうして、本実施形態による量子半導体装置が形成される。
【0133】
このように、本実施形態によれば、量子ドット12上に積層形成された半導体ドット44の上端の一部が酸化されてなるドット状の酸化物50上での半導体層52の成長速度が低下することを利用して、量子ドット12上の半導体層52表面に凹部54を形成し、液滴エピタキシー法により金属よりなる粒状の電極22を形成するので、それぞれの量子ドット12上の位置に正確に電極22を形成することができる。これにより、量子ドット12に対して正確に電気的にアクセスすることが可能となる。また、量子ドット12に対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0134】
(変形例)
次に、本実施形態の変形例による量子半導体装置及びその製造方法について図14及び図15を用いて説明する。図14は本実施形態の変形例による量子半導体装置の構造を示す断面図、図15は本変形例による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0135】
まず、本変形例による量子半導体装置の構造について図14を用いて説明する。
【0136】
本変形例による量子半導体装置は、第1及び第2実施形態の変形例による量子半導体装置と同様に、電極22とともに、電極22に電気的に接続された配線26が形成されていることに主たる特徴がある。
【0137】
図14に示すように、半導体層52表面には、溝24が形成されている。溝24の一端は、半導体層52表面の量子ドット12上の位置に正確に形成された凹部54近傍に位置している。
【0138】
溝24内には、電極22に電気的に接続された配線26が形成されている。
【0139】
このように、本変形例による量子半導体装置は、電極22に電気的に接続された配線26を有しているので、量子ドット12に対して電圧の印加等を行う周辺回路と電極22とを配線26を介して電気的に接続することができる。
【0140】
次に、本変形例による量子半導体装置の製造方法について図15を用いて説明する。
【0141】
図13(a)乃至図13(c)に示す場合と同様にして、半導体層52表面のドット状の酸化物50上の位置に凹部54を形成する(図15(a)を参照)。
【0142】
次いで、AFM酸化法により、半導体層52表面に、ライン状の酸化物28を形成する。ここで、ライン状の酸化物28の一端が、半導体層52表面の凹部54の位置にくるように、ライン状の酸化物28を形成する(図15(b)を参照)。
【0143】
次いで、エッチングにより半導体層52表面に形成されたライン状の酸化物28を除去する。こうして、ライン状の酸化物28が除去された半導体層52表面に、溝24が形成される(図15(c)を参照)。
【0144】
次いで、上記と同様に、液滴エピタキシー法により、半導体層52表面に、金属液滴を堆積する。このとき、金属液滴は、半導体層52表面の凹部54内に形成されるとともに、溝24内に形成される。
【0145】
続いて、堆積終了後の冷却により、金属液滴は固化し、金属粒子が形成される。こうして、金属よりなる粒状の電極22とともに、溝24内に金属粒子が連続的に接続されてなる配線26が形成される(図15(d)を参照)。
【0146】
こうして、本変形例による量子半導体装置が製造される。
【0147】
なお、この後、第1実施形態の変形例による場合と同様に、配線26に電気的に接続される電極パッド32を形成してもよい。
【0148】
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による量子半導体装置及びその製造方法について図16及び図17を用いて説明する。図16は本実施形態による量子半導体装置の構造を示す断面図、図17は本実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第1乃至第3実施形態による量子半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0149】
まず、本実施形態による量子半導体装置の構造について図16を用いて説明する。本実施形態による量子半導体装置は、第1実施形態の変形例による場合と同様に、電極とともに配線が形成されている。
【0150】
図16に示すように、半導体基板10上には、自己形成された量子ドット12を含む半導体よりなる量子ドット層14が形成されている。
【0151】
量子ドット層16上には、中間層すなわち半導体層18が形成されている。量子ドット12上の半導体層18中には、格子不整合による歪が生じている。
【0152】
半導体層18表面の歪が生じている位置には、金属よりなる粒状の電極22が形成されている。また、半導体層18表面には、ライン状の酸化物56が形成されている。ライン状の酸化物56の一端は、電極22の近傍に位置している。
【0153】
電極22及びライン状の酸化物56が形成された半導体層18上には、キャップ層すなわち半導体層58が形成されている。
【0154】
半導体層58の電極22上には、電極22に達する開口部60が形成されている。開口部60には、電極22に電気的に接続する電極23が埋め込まれている。
【0155】
また、半導体層58表面には、ライン状の酸化物56に沿うように溝62が形成されている。
【0156】
溝62内には、電極23に電気的に接続された配線64が形成されている。
【0157】
このように、本実施形態による量子半導体装置は、配線64の下に、ライン状の酸化物56が形成されていることに主たる特徴がある。ライン状の酸化物56により、配線64の下方においてキャリアに対するバリアが形成され、配線64からのリーク電流を抑制することができる。
【0158】
次に、本実施形態による量子半導体装置の製造方法について図17を用いて説明する。
【0159】
まず、第1実施形態の図3(a)乃至図3(c)に示す場合と同様にして、半導体層18表面の量子ドット12上の位置に電極22を形成する。
【0160】
次いで、AFM酸化法により、半導体層18表面にライン状の酸化物56を形成する(図17(a)を参照)。ここで、ライン状の酸化物56の一端が電極22の近傍に位置するように、ライン状の酸化物56を形成する。
【0161】
次いで、電極22と、ライン状の酸化物56とが表面に形成された半導体層18上に、例えばMBE法により、半導体層58を形成する。
【0162】
このとき、電極22上とライン状の酸化物56上の半導体層58の成長速度は、他の領域の半導体層58の成長速度よりも遅くなる。この結果、半導体層58表面の電極22上の位置に凹部64が形成される。また、ライン状の酸化物56に沿って半導体層58表面に溝62が形成される(図17(b)を参照)。
【0163】
次いで、AFM酸化法により、半導体層58の凹部64が形成された部分を酸化する。これにより、半導体層58の凹部64が形成された部分が酸化されてなるドット状の酸化物66が形成される(図17(c)を参照)。ここで、AFM酸化法による酸化は、ドット状の酸化物66の大きさがその下の電極22に達するまで行う。
【0164】
次いで、エッチングにより、凹部64の位置に形成されたドット状の酸化物66を除去する。これにより、半導体層58に、電極22に達する開口部60が形成される(図17(d)を参照)。
【0165】
次いで、液滴エピタキシー法により、金属液滴を、開口部60と溝62とが形成された半導体層58表面に堆積する。このとき、金属液滴は、電極22に達する開口部60内に形成されるとともに、溝62内に形成される。
【0166】
続いて、堆積終了後の冷却により、金属液滴は固化し、金属粒子が形成される。こうして、電極22に電気的に接続された金属よりなる粒状の電極23とともに、溝62内に金属粒子が連続的に接続されてなる配線64が形成される(図17(e)を参照)。
【0167】
こうして、本実施形態による量子半導体装置が形成される。
【0168】
なお、この後、第1実施形態の変形例による場合と同様に、配線26に電気的に接続される電極パッド32を形成してもよい。
【0169】
このように、本実施形態によれば、ライン状の酸化物56上の半導体層58表面に形成された溝62内に配線64を形成するので、ライン状の酸化物56により、配線64下方においてキャリアに対するバリアを形成することができる。これにより、配線64からのリーク電流を抑制することができる。
【0170】
なお、本実施形態では、ライン状の酸化物56を1層形成する場合について説明したが、上述の工程を繰り返すことにより、配線64の下に複数のライン状の酸化物56を積層形成してもよい。配線64の下に複数のライン状の酸化物56を形成することにより、さらに効果的に配線64からのリーク電流を抑制することが可能となる。
【0171】
(変形例(その1))
本実施形態の変形例(その1)による量子半導体装置及びその製造方法について図18及び図19を用いて説明する。図18は本変形例による量子半導体装置の構造を示す断面図、図19は本変形例による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0172】
まず、本変形例による量子半導体装置の構造について図18を用いて説明する。
【0173】
本変形例による量子半導体装置は、第2実施形態による場合と同様にして、電極22が量子ドット12上に形成されているものである。すなわち、図18に示すように、半導体層18表面の量子ドット12上の位置に形成された凹部34内に電極22が形成されている。
【0174】
半導体層18表面には、凹部34内に形成された電極22近傍に一端が位置するライン状の酸化物56が形成されている。
【0175】
電極22及びライン状の酸化物56が形成された半導体層18上には、半導体層58が形成されている。
【0176】
半導体層58には、上記と同様に、電極22に電気的に接続された電極23と、電極23に電気的に接続された配線64が形成されている。
【0177】
こうして本変形例による量子半導体装置が構成されている。
【0178】
次に、本変形例による量子半導体装置の製造方法について図19を用いて説明する。
【0179】
まず、第2実施形態による場合と同様にして、半導体層18表面における量子ドット12上の位置に形成された凹部34内に電極22を形成する。
【0180】
次いで、AFM酸化法により、凹部34内に形成された電極22近傍に一端が位置するライン状の酸化物56を形成する(図19(a)を参照)。
【0181】
次いで、電極22と、ライン状の酸化物56とが表面に形成された半導体層18上に、半導体層58を形成する。この後、半導体層58に電極22に達する開口部60を形成する(図19(b)を参照)。
【0182】
次いで、液滴エピタキシー法により、電極22に達する開口部60内に電極23を形成するとともに、溝62内に配線64を形成する。
【0183】
こうして、本変形例による量子半導体装置が形成される。
【0184】
(変形例(その2))
本実施形態の変形例(その2)による量子半導体装置及びその製造方法について図20及び図21を用いて説明する。図20は本変形例による量子半導体装置の構造を示す断面図、図21は本変形例による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0185】
まず、本変形例による量子半導体装置の構造について図20を用いて説明する。
【0186】
本変形例による量子半導体装置は、第3実施形態による場合と同様にして、電極22が量子ドット12上に形成されているものである。すなわち、図20に示すように、半導体層52表面における量子ドット12及び半導体ドット44上の位置に形成された凹部54内に電極22が形成されている。
【0187】
中間層すなわち半導体層52表面には、凹部54内に形成された電極22近傍に一端が位置するライン状の酸化物56が形成されている。
【0188】
電極22及びライン状の酸化物56が形成された半導体層52上には、キャップ層すなわち半導体層58が形成されている。
【0189】
半導体層58には、上記と同様に、電極22に電気的に接続された電極23と、電極23に電気的に接続された配線64が形成されている。
【0190】
こうして本変形例による量子半導体装置が構成されている。
【0191】
次に、本変形例による量子半導体装置の製造方法について図21を用いて説明する。
【0192】
まず、第3実施形態による場合と同様にして、半導体層52表面における量子ドット12及び半導体ドット44上の位置に形成された凹部54内に電極22を形成する。
【0193】
次いで、AFM酸化法により、凹部54内に形成された電極22近傍に一端が位置するライン状の酸化物56を形成する(図21(a)を参照)。
【0194】
次いで、電極22と、ライン状の酸化物56とが表面に形成された半導体層52上に、半導体層58を形成する。この後、半導体層58に電極22に達する開口部60を形成する(図21(b)を参照)。
【0195】
次いで、液滴エピタキシー法により、電極22に達する開口部60内に電極23を形成するとともに、溝62内に配線64を形成する。
【0196】
こうして、本変形例による量子半導体装置が形成される。
【0197】
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【0198】
例えば上記実施形態では、S−Kモードにより自己形成された量子ドットに対して電極を形成する場合を例に説明したが、電極を形成する量子ドットはS−Kモードにより自己形成されたものに限定されるものではない。例えば、垂直に積層形成された量子ドットに対して電極を形成する場合にも、本発明を適用することができる。
【0199】
また、上記実施形態では、AFM酸化法により、量子ドットを酸化し、或いは半導体層を酸化することによりライン状の酸化物を形成したが、電圧を印加するための探針は、針状の導電体のものであれば、種々のものを用いることができる。例えば、探針として、カーボンナノチューブを用いることもできる。
【0200】
また、上記実施形態では、AFM酸化法により、量子ドットを酸化し、或いは半導体層を酸化する場合を例に説明したが、量子ドット等の酸化は、AFM酸化に限定されるものではない。量子ドット等の酸化には、微小領域を選択的に酸化することができる種々の手法を用いることができる。
【0201】
(付記1) 半導体基板上に形成された量子ドットと、前記量子ドットを埋め込むように形成された半導体層と、前記量子ドットの存在により前記半導体層に生じる歪の位置上に自己整合的に形成された電極とを有することを特徴とする量子半導体装置。
【0202】
(付記2) 付記1記載の量子半導体装置において、前記半導体層は、前記量子ドットの材料と格子定数の異なる材料よりなることを特徴とする量子半導体装置。
【0203】
(付記3) 半導体基板上に形成された量子ドットと、前記量子ドットを埋め込むように形成された半導体層と、前記半導体層表面の前記量子ドット上の位置に形成された凹部内に形成された電極とを有することを特徴とする量子半導体装置。
【0204】
(付記4) 付記1乃至3のいずれかに記載の量子半導体装置において、前記半導体層表面に形成された溝内に形成され、前記電極に電気的に接続された配線を更に有することを特徴とする量子半導体装置。
【0205】
(付記5) 付記1乃至3のいずれかに記載の量子半導体装置において、前記半導体層表面に形成され、前記電極近傍に一端が位置するライン状の酸化物と、前記電極及び前記ライン状の酸化物を埋め込むように形成された他の半導体層と、前記他の半導体層に埋め込まれ、前記電極に電気的に接続された他の電極と、前記ライン状の酸化物に沿って前記他の半導体層表面に形成された溝内に形成され、前記他の電極に電気的に接続された配線とを更に有することを特徴とする量子半導体装置。
【0206】
(付記6) 半導体基板上に形成された量子ドットと、前記量子ドットを埋め込むように形成された第1の半導体層と、前記第1の半導体層上の前記量子ドット上の位置に形成された半導体ドットと、前記半導体ドットの一部が酸化されてなるドット状の酸化物と、前記半導体ドットを埋め込むように形成された第2の半導体層と、前記第2の半導体層表面の前記ドット状の酸化物上の位置に形成された凹部内に形成された電極とを有することを特徴とする量子半導体装置。
【0207】
(付記7) 付記6記載の量子半導体装置において、前記半導体ドットは、量子ドット又はアンチドットであることを特徴とする量子半導体装置。
【0208】
(付記8) 付記6又は7記載の量子半導体装置において、前記第2の半導体層表面に形成された溝内に形成され、前記電極に電気的に接続された配線を更に有することを特徴とする量子半導体装置。
【0209】
(付記9) 付記6又は7記載の量子半導体装置において、前記第2の半導体層表面に形成され、前記電極近傍に一端が位置するライン状の酸化物と、前記電極及び前記ライン状の酸化物を埋め込むように形成された第3の半導体層と、前記第3の半導体層に埋め込まれ、前記電極に電気的に接続された他の電極と、前記ライン状の酸化物に沿って前記第3の半導体層表面に形成された溝内に形成され、前記他の電極に電気的に接続された配線とを更に有することを特徴とする量子半導体装置。
【0210】
(付記10) 付記1乃至9のいずれかに記載の量子半導体装置の製造方法において、前記量子ドットは、S−Kモードによって自己形成された三次元成長島よりなることを特徴とする量子半導体装置。
【0211】
(付記11) 半導体基板上に、量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットを埋め込むように半導体層を形成する工程と、前記量子ドットの存在により前記半導体層に生じる歪の位置上に自己整合的に電極を形成する工程とを有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0212】
(付記12) 半導体基板上に、量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットを埋め込むように半導体層を形成する工程と、前記半導体層上の前記量子ドット上の位置に、半導体ドットを形成する工程と、前記半導体ドットと前記半導体ドットの直下における前記半導体層とを酸化することにより、その一部が前記半導体層に埋め込まれたドット状の酸化物を形成する工程と、前記ドット状の酸化物を除去することにより、前記半導体層表面に凹部を形成する工程と、前記半導体層表面に形成された前記凹部内に電極を形成する工程とを有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0213】
(付記13) 付記12記載の量子半導体装置の製造方法において、前記半導体ドットを形成する工程では、前記半導体層と格子定数が異なる材料よりなる半導体ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島よりなる前記半導体ドットを形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0214】
(付記14) 付記12又は13記載の量子半導体装置の製造方法において、前記ドット状の酸化物を形成する工程では、前記半導体ドットに針状の導電体を近接し、前記半導体基板と前記針状の導電体との間に電圧を印加することにより前記半導体ドットと前記半導体ドットの直下の前記半導体層とを酸化することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0215】
(付記15) 付記11乃至14のいずれかに記載の量子半導体装置の製造方法において、前記電極を形成する工程の前に、前記半導体層を酸化することにより、前記半導体層表面に、前記半導体層の前記電極の形成予定位置の近傍に一端が位置するライン状の酸化物を形成する工程と、前記ライン状の酸化物を除去することにより、前記半導体層表面に溝を形成する工程とを更に有し、前記電極を形成する工程では、前記電極とともに、前記溝内に、前記電極に電気的に接続された配線を形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0216】
(付記16) 付記11乃至14のいずれかに記載の量子半導体装置の製造方法において、前記電極を形成する工程の後に、前記半導体層を酸化することにより、前記半導体層表面に、前記半導体層の前記電極の形成予定位置の近傍に一端が位置するライン状の酸化物を形成する工程と、前記電極上の位置における表面に凹部が形成され、前記ライン状の酸化物に沿って表面に溝が形成されるように、前記電極及び前記ライン状の酸化物を埋め込む他の半導体層を形成する工程と、前記凹部に前記電極に達する開口部を形成する工程と、前記開口部内に前記電極に電気的に接続された他の電極を形成するとともに、前記溝内に前記他の電極に電気的に接続された前記配線を形成する工程とを更に有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0217】
(付記17) 付記16記載の量子半導体装置の製造方法において、前記凹部に前記電極に達する前記開口部を形成する工程では、前記凹部に針状の導電体を近接し、前記半導体基板と前記針状の導電体との間に電圧を印加することにより前記凹部の前記他の半導体層を酸化し、前記凹部の前記他の半導体層の酸化物を除去することにより前記電極に達する前記開口部を形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0218】
(付記18) 付記15乃至17のいずれかに記載の量子半導体装置の製造方法において、前記ライン状の酸化物を形成する工程では、前記半導体層表面に針状の導電体を近接し、前記半導体基板と前記針状の導電体との間に電圧を印加しつつ前記針状の導電体を走査して前記半導体層表面を酸化することにより、前記ライン状の酸化物を形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0219】
(付記19) 半導体基板上に、量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットを埋め込むように第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層上の前記量子ドット上の位置に、半導体ドットを形成する工程と、前記半導体ドットの一部を酸化することにより、前記半導体ドットの一部が酸化されてなるドット状の酸化物を形成する工程と、前記ドット状の酸化物上の位置における表面に凹部が形成されるように、前記ドット状の酸化物及び前記半導体ドットを埋め込む第2の半導体層を形成する工程と、前記第2の半導体層表面に形成された前記凹部内に電極を形成する工程とを有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0220】
(付記20) 付記19記載の量子半導体装置の製造方法において、前記半導体ドットを形成する工程では、前記第1の半導体層と格子定数が異なる材料よりなる半導体ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島よりなる前記半導体ドットを形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0221】
(付記21) 付記19又は20記載の量子半導体装置の製造方法において、前記ドット状の酸化物を形成する工程では、前記半導体ドットに針状の導電体を近接し、前記半導体基板と前記針状の導電体との間に電圧を印加することにより前記半導体ドットの一部を酸化することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0222】
(付記22) 付記19乃至21のいずれかに記載の量子半導体装置の製造方法において、前記電極を形成する工程の前に、前記第2の半導体層を酸化することにより、前記第2の半導体層表面に、前記第2の半導体層の前記電極の形成予定位置の近傍に一端が位置するライン状の酸化物を形成する工程と、前記ライン状の酸化物を除去することにより、前記第2の半導体層表面に溝を形成する工程とを更に有し、前記電極を形成する工程では、前記電極とともに、前記溝内に、前記電極に電気的に接続された配線を形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0223】
(付記23) 付記19乃至21のいずれかに記載の量子半導体装置の製造方法において、前記電極を形成する工程の後に、前記第2の半導体層を酸化することにより、前記第2の半導体層表面に、前記前記第2半導体層の前記電極の形成予定位置の近傍に一端が位置するライン状の酸化物を形成する工程と、前記電極上の位置における表面に凹部が形成され、前記ライン状の酸化物に沿って表面に溝が形成されるように、前記電極及び前記ライン状の酸化物を埋め込む第3の半導体層を形成する工程と、前記凹部に前記電極に達する開口部を形成する工程と、前記開口部内に前記電極に電気的に接続された他の電極を形成するとともに、前記溝内に前記他の電極に電気的に接続された前記配線を形成する工程とを更に有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0224】
(付記24) 付記23記載の量子半導体装置の製造方法において、前記凹部に前記電極に達する前記開口部を形成する工程では、前記凹部に針状の導電体を近接し、前記半導体基板と前記針状の導電体との間に電圧を印加することにより前記凹部の前記第3の半導体層を酸化し、前記凹部の前記第3の半導体層の酸化物を除去することにより前記電極に達する前記開口部を形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0225】
(付記25) 付記22乃至24のいずれかに記載の量子半導体装置の製造方法において、前記ライン状の酸化物を形成する工程では、前記第2の半導体層表面に針状の導電体を近接し、前記半導体基板と前記針状の導電体との間に電圧を印加しつつ前記針状の導電体を走査して前記第2の半導体層表面を酸化することにより、前記ライン状の酸化物を形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0226】
(付記26) 付記11乃至25のいずれかに記載の量子半導体装置の製造方法において、前記電極を形成する工程では、液滴エピタキシー法により、前記電極を形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0227】
(付記27) 付記11乃至26のいずれかに記載の量子半導体装置の製造方法において、前記量子ドットを形成する工程では、前記半導体基板と格子定数が異なる材料よりなる量子ドット層をエピタキシャル成長することにより、三次元成長島よりなる前記量子ドットを形成することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0228】
(付記28) 付記14、17、18、21、24、又は25に記載の量子半導体装置の製造方法において、前記針状の導電体は、原子間力顕微鏡の探針であることを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0229】
(付記29) 付記14、17、18、21、24、又は25に記載の量子半導体装置の製造方法において、前記針状の導電体は、カーボンナノチューブよりなることを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
【0230】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、半導体基板上に、量子ドットを形成し、量子ドットを埋め込むように半導体層を形成し、量子ドットの存在により半導体層に生じる歪の位置上に自己整合的に電極を形成するので、それぞれの量子ドット上に電極を正確に形成することができる。したがって、かかる電極を介して、量子ドットに対して正確に電気的にアクセスすることが可能となり、また、量子ドットに対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0231】
また、本発明によれば、半導体基板上に、量子ドットを形成し、量子ドットを埋め込むように半導体層を形成し、半導体層上の量子ドット上の位置に、半導体ドットを形成し、半導体ドットと半導体ドットの直下における半導体層とを酸化することにより、その一部が半導体層に埋め込まれたドット状の酸化物を形成し、ドット状の酸化物を除去することにより、半導体層表面に凹部を形成し、半導体層表面に形成された凹部内に電極を形成するので、それぞれの量子ドット上に電極を正確に形成することができる。したがって、かかる電極を介して、量子ドットに対して正確に電気的にアクセスすることが可能となり、また、量子ドットに対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【0232】
さらに、本発明によれば、半導体基板上に、量子ドットを形成し、量子ドットを埋め込むように第1の半導体層を形成し、第1の半導体層上の量子ドット上の位置に、半導体ドットを形成し、半導体ドットの一部を酸化することにより、半導体ドットの一部が酸化されてなるドット状の酸化物を形成し、ドット状の酸化物上の位置における表面に凹部が形成されるように、ドット状の酸化物及び半導体ドットを埋め込む第2の半導体層を形成し、第2の半導体層表面に形成された凹部内に電極を形成するので、それぞれの量子ドット上に電極を正確に形成することができる。したがって、かかる電極を介して、量子ドットに対して正確に電気的にアクセスすることが可能となり、また、量子ドットに対してそれぞれ独立して電気的にアクセスすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による量子半導体装置の構造を示す断面図である。
【図2】本発明の第1実施形態による量子半導体装置のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図3】本発明の第1実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図4】本発明の第1実施形態の変形例による量子半導体装置の構造を示す断面図である。
【図5】本発明の第1実施形態の変形例による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図6】本発明の第1実施形態の変形例による量子半導体装置において配線を電極パッドに接続した場合を示す上面図である。
【図7】本発明の第2実施形態による量子半導体装置の構造を示す断面図である。
【図8】本発明の第2実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図9】本発明の第2実施形態の変形例による量子半導体装置の構造を示す断面図である。
【図10】本発明の第2実施形態の変形例による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図11】本発明の第3実施形態による量子半導体装置の構造を示す断面図である。
【図12】本発明の第3実施形態による量子半導体装置のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図13】本発明の第3実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図14】本発明の第3実施形態の変形例による量子半導体装置の構造を示す断面図である。
【図15】本発明の第3実施形態の変形例による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図16】本発明の第4実施形態による量子半導体装置の構造を示す断面図である。
【図17】本発明の第4実施形態による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図18】本発明の第4実施形態の変形例(その1)による量子半導体装置の構造を示す断面図である。
【図19】本発明の第4実施形態の変形例(その1)による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図20】本発明の第4実施形態の変形例(その2)による量子半導体装置の構造を示す断面図である。
【図21】本発明の第4実施形態の変形例(その2)による量子半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
10…半導体基板
12…量子ドット
14…量子ドット層
16…濡れ層
18…半導体層
22、23…電極
24…溝
26…配線
28…ライン状の酸化物
30…探針
32…電極パッド
34…凹部
36…半導体ドット
38…半導体ドット層
40…濡れ層
42…ドット状の酸化物
44…半導体ドット
46…半導体ドット層
48…濡れ層
50…ドット状の酸化物
52…半導体層
54…凹部
56…ライン状の酸化物
58…半導体層
60…開口部
62…溝
64…凹部
66…ドット状の酸化物
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a quantum semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a quantum semiconductor device having quantum dots and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
The quantum dots are formed in an island shape on the semiconductor substrate by being separated from each other by, for example, a formation method using the Stranski-Krastanow mode (SK mode). Here, the SK mode is a mode in which a semiconductor crystal to be epitaxially grown grows two-dimensionally (film growth) at the beginning of growth, but grows three-dimensionally at a stage exceeding the elastic limit of the film. . By epitaxially growing a film having a lattice constant different from that of the base material, quantum dots made of three-dimensionally grown islands are self-formed.
[0003]
Recently, technology in the field of quantum information and quantum computation has attracted much attention, and the possibility of application of quantum dots has attracted attention. However, there are various technical barriers to overcome for further basic research and application development on quantum dots.
[0004]
For example, the quantum dots are small in size, and the quantum dots self-formed using the SK mode are randomly distributed. To date, no method has been proposed that enables accurate electrical access to each of the self-formed quantum dots in such a randomly dispersed state.
[0005]
On the other hand, it is possible to produce a conductor pad having a size of about 100 nm by using a process capable of sub-micron processing such as electron beam lithography and reactive ion etching. Thus, if the density of quantum dots is very low, it may be possible to form electrodes on a single quantum dot using such a process. That is, an electrode is appropriately formed on the region where the quantum dots will be formed using a process capable of processing at submicron. It is then checked whether quantum dots are present under the electrodes. Thus, by repeating the electrode formation and subsequent checks many times, it may be possible to find a case where a single quantum dot exists under the electrode. However, with such a method, it is almost impossible to capture a single quantum dot when the density of quantum dots is high. Such a probabilistic method can be said to be an inefficient method for manufacturing an element.
[0006]
Further, Patent Document 1 proposes a method of electrically accessing quantum dots using a fine probe-shaped electrode. However, in this case, in order to arrange the electrodes on the quantum dots, a special process such as forming the quantum dots in an arrayed state is required. Moreover, in patent document 1, it is thought that the electric field by a needle-shaped electrode is distributed far more widely than the magnitude | size of a quantum dot. For this reason, it is assumed that the electric field by the electrode arrange | positioned on a certain quantum dot will affect adjacent quantum dots.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 7-297381 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional technique has not established a method that enables accurate electrical access to each of the quantum dots that are self-formed in a randomly dispersed state.
[0009]
Realizing accurate electrical access to each self-formed quantum dot is very important in various aspects of basic research and application development related to quantum dots.
[0010]
An object of the present invention is to provide a quantum semiconductor device and a method for manufacturing the same that enable accurate electrical access to quantum dots.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The object is to provide a quantum dot formed on a semiconductor substrate, a semiconductor layer formed to embed the quantum dot, By droplet epitaxy Formed in a self-aligned manner on the position of strain generated in the semiconductor layer due to the presence of the quantum dots granular It is achieved by a quantum semiconductor device having an electrode. As a result, the electrodes can be accurately formed on the quantum dots, so that the quantum dots can be accurately and electrically accessed via the electrodes, and the quantum dots are independent of each other. And can be electrically accessed.
[0012]
In addition, the above object is formed in a quantum dot formed on a semiconductor substrate, a semiconductor layer formed so as to embed the quantum dot, and a recess formed at a position on the quantum dot on the surface of the semiconductor layer. It is achieved by a quantum semiconductor device characterized by having an electrode formed on the substrate. As a result, the electrodes can be accurately formed on the quantum dots, so that the quantum dots can be accurately and electrically accessed via the electrodes, and the quantum dots are independent of each other. And can be electrically accessed.
[0013]
Further, the object is to form quantum dots formed on a semiconductor substrate, a first semiconductor layer formed so as to embed the quantum dots, and a position on the quantum dots on the first semiconductor layer. A semiconductor dot formed, a dot-like oxide formed by oxidizing a part of the semiconductor dot, a second semiconductor layer formed so as to embed the semiconductor dot, and the surface of the second semiconductor layer It is achieved by a quantum semiconductor device having an electrode formed in a recess formed at a position on a dot-like oxide.
[0014]
Further, the object is to form a quantum dot on a semiconductor substrate, and to form a semiconductor layer so as to embed the quantum dot; By droplet epitaxy Self-aligned on the position of strain generated in the semiconductor layer due to the presence of the quantum dots granular And a step of forming an electrode. This is achieved by a method of manufacturing a quantum semiconductor device.
[0015]
Further, the object is to form a quantum dot on a semiconductor substrate, to form a semiconductor layer so as to embed the quantum dot, and to place a semiconductor dot at a position on the quantum dot on the semiconductor layer. Forming the dot, and forming the dot-like oxide partly embedded in the semiconductor layer by oxidizing the semiconductor dot and the semiconductor layer immediately below the semiconductor dot; and A quantum semiconductor device comprising: a step of forming a recess in the surface of the semiconductor layer by removing the oxide; and a step of forming an electrode in the recess formed in the surface of the semiconductor layer. This is achieved by the manufacturing method.
[0016]
Further, the object is to form a quantum dot on a semiconductor substrate, to form a first semiconductor layer so as to embed the quantum dot, and on the quantum dot on the first semiconductor layer. A step of forming a semiconductor dot at a position; a step of forming a dot-like oxide formed by oxidizing a part of the semiconductor dot by oxidizing a part of the semiconductor dot; and the dot-like oxidation. A step of forming a second semiconductor layer that embeds the dot-shaped oxide and the semiconductor dots so that a recess is formed on the surface at a position on the object, and the surface formed on the surface of the second semiconductor layer And a step of forming an electrode in the recess. This is achieved by a method of manufacturing a quantum semiconductor device.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
A quantum semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment, FIG. 2 is a diagram showing the energy band structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 3 shows the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to the present embodiment. It is process sectional drawing.
[0018]
First, the structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0019]
A quantum dot layer 14 made of a semiconductor including self-formed quantum dots 12 is formed on the semiconductor substrate 10. The quantum dot layer 14 includes a quantum dot 12 made of a three-dimensional growth island self-formed on the semiconductor substrate 10 by the SK mode, and a wetting layer 16 formed on the semiconductor substrate 10 between the quantum dots 12. It is configured.
[0020]
A cap layer, that is, a semiconductor layer 18 is formed on the quantum dot layer 16. The semiconductor layer 18 on the quantum dot 12 is distorted due to lattice mismatch between the material of the quantum dot 12 and the material of the semiconductor layer 18. In FIG. 1, a region where the semiconductor layer 18 is distorted is indicated by a dotted line.
[0021]
A granular electrode 22 made of a metal is formed at a position where the surface of the semiconductor layer 18 is distorted.
[0022]
In the quantum semiconductor device according to the present embodiment, the electrode 22 is formed in a self-aligned manner at a position where the surface of the semiconductor layer 18 is distorted, that is, a granular electrode made of metal on each quantum dot 12. The main feature is that 22 is accurately formed.
[0023]
As described above, since the electrodes 22 are accurately formed on the respective quantum dots 12 due to the strain generated in the semiconductor layer 18 on the quantum dots 12, the self-formed quantum dots 12 are formed via the electrodes 22. It is possible to accurately access the electric power. In addition, the self-formed quantum dots 12 can be electrically accessed independently of each other.
[0024]
The energy band structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment is as shown in FIG.
[0025]
Next, the method for fabricating the quantum semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0026]
First, the quantum dot layer 14 is formed on the semiconductor substrate 10 by, for example, the MBE (Molecular Beam Epitaxy) method. The quantum dots 12 are self-formed in the quantum dot layer 14 by the SK mode (see FIG. 3A). As the material of the quantum dot layer 14, a material having a lattice constant different from that of the semiconductor substrate 10 and having a large lattice mismatch is used. For example, when a GaAs substrate is used as the semiconductor substrate 10, for example, InAs can be used as the material of the quantum dot layer 14.
[0027]
Next, the semiconductor layer 18 is formed on the quantum dot layer 14 by, for example, the MBE method (see FIG. 3B). As a material of the semiconductor layer 18, for example, a material having a lattice constant different from that of the quantum dot layer 14 and a large lattice mismatch is used. When InAs is used as the material of the quantum dot layer 14, for example, GaAs can be used as the material of the semiconductor layer 18.
[0028]
The semiconductor layer 18 on the quantum dots 12 is distorted due to lattice mismatch with the quantum dots 12.
[0029]
The semiconductor layer 18 is desirably formed relatively thin so that the surface thereof is sufficiently distorted. For example, when the upper end of the quantum dot 12 is filled with the semiconductor layer 18, the growth of the semiconductor layer 18 by the MBE method is stopped. The thickness of the semiconductor layer 18 is, for example, 10 nm or less, more desirably 5 nm or less. The reason why the semiconductor layer 18 should be formed thin will be described in detail.
[0030]
Next, by depositing metal droplets on the surface of the semiconductor layer 18 by a droplet epitaxy method, a granular electrode 22 made of metal is formed. Here, the droplet epitaxy is a technique for growing fine particles by depositing evaporated metal atoms and molecules on the surface of a material having a lower surface energy than a metal such as an insulator or semiconductor. That's it. In this method, since an action for minimizing the energy of the system occurs, the metal grows in a fine spherical shape so as to minimize the surface area of an insulator or a semiconductor. As a material of the electrode 22, Ga, In, Al, Au, or an alloy thereof can be used.
[0031]
The electrode 22 can be formed in a continuous process after the formation of the semiconductor layer 18 in the epitaxial growth chamber of the film forming apparatus used to form the semiconductor layer 18.
[0032]
In the case where the semiconductor layer 18 and the electrode 22 are formed in a continuous process, after the semiconductor layer 18 is formed by the MBE method in the epitaxial growth chamber, the deposition of the semiconductor serving as the material of the semiconductor layer 18 is stopped.
[0033]
For example, when a group III-V semiconductor is deposited to form the semiconductor layer 18, supply of the group V element into the epitaxial growth chamber is stopped.
[0034]
When the supply of the group V element is stopped, only the metal beam of the group III element is irradiated on the surface of the semiconductor layer 18, and the metal droplet of the group III element is deposited on the surface of the semiconductor layer 18.
[0035]
The metal droplet deposited on the surface of the semiconductor layer 18 by the droplet epitaxy method moves to the position of strain generated on the surface of the semiconductor layer 18.
[0036]
Subsequently, the metal droplets are solidified by cooling after the deposition of the metal droplets is completed, and metal particles are formed. Thus, a granular electrode 22 made of metal is accurately formed at the position where the surface of the semiconductor layer 18 is distorted, that is, on the surface of the semiconductor layer 18 on each of the quantum dots 12 embedded in the semiconductor layer 18. That is, the electrode 22 is formed in a self-aligned manner on the position of strain generated in the semiconductor layer 18 due to the presence of the quantum dots 12.
[0037]
The conditions for forming the electrode 22 by the droplet epitaxy method may be as follows, for example. The following conditions apply when a GaAs substrate is used as the semiconductor substrate 10.
[0038]
The As partial pressure in the epitaxial growth chamber is, for example, 10 -7 The size should be negligible on the order of Torr. When depositing In or Ga as metal droplets, the substrate temperature is set to 100 to 200 ° C., for example. When Al is deposited as metal droplets, the substrate temperature is set to 300 to 400 ° C., for example. The deposition rate is, for example, 0.5 to 3 atomic layers / second, and the total deposition amount is, for example, 1 to 4 atomic layers.
[0039]
The electrode 22 can be set to a desired size according to the size of the quantum dots 12 and the like by appropriately setting conditions for depositing metal droplets such as the deposition amount.
[0040]
Here, the mechanism by which the granular electrode 22 made of metal formed by the droplet epitaxy as described above is accurately formed at the position on the quantum dot 12 on the surface of the semiconductor layer 18 will be described.
[0041]
In general, in the above-described droplet epitaxy method, it is known that the position of the metal droplet deposited on the surface depends on the surface free energy distribution during the droplet epitaxy process of the surface on which the metal droplet is deposited. It has been.
[0042]
For example, when the surface is uniformly treated, the metal droplets are deposited on the surface in a randomly arranged state.
[0043]
On the other hand, when the surface state is locally modified, the metal droplet is deposited in a region where the surface state is intentionally modified. When the surface state is locally modified, for example, the surface is locally passivated, impurities are deposited locally, patterned, or an electric field is applied locally. (For example, US Pat. No. 6,383,286, US Pat. No. 6,242,326, US Pat. No. 6,033,972, No. 245620, JP-A 2000-315654, etc.).
[0044]
In the manufacturing method of the quantum semiconductor device according to the present embodiment, the semiconductor layer 18 is thinly formed on the quantum dot layer 14. For this reason, the semiconductor layer 18 is distorted on each quantum dot 12.
[0045]
The portion where the strain on the surface of the semiconductor layer 18 is generated has a higher surface energy than the portion where no strain is generated. For this reason, the metal droplet by the droplet epitaxy method is selectively deposited at a position on the quantum dot 12 on the surface of the semiconductor layer 18 where the distortion occurs.
[0046]
As described above, it is desirable to form the semiconductor layer 18 as thin as possible for the following reason. That is, if the semiconductor layer 18 is formed thicker than the height of the quantum dots 12, sufficient strain does not occur on the surface of the semiconductor layer 18. For this reason, the surface energy of the portion on the quantum dots 12 on the surface of the semiconductor layer 18 does not change significantly from the other portions, and it becomes difficult to selectively form metal droplets.
[0047]
As described above, the granular electrode 22 made of metal is accurately formed at the position of the surface of the semiconductor layer 18 on each of the self-formed quantum dots 12 by the droplet epitaxy method.
[0048]
Thus, the quantum semiconductor device according to the present embodiment is manufactured.
[0049]
As described above, according to the present embodiment, the granular electrodes 22 made of metal formed by the droplet epitaxy method are positioned on the respective quantum dots 12 due to the strain generated in the semiconductor layer 18 on the quantum dots 12. Can be formed accurately. Thereby, it is possible to accurately electrically access the quantum dots 12. In addition, the quantum dots 12 can be electrically accessed independently of each other.
[0050]
(Modification)
Next, a quantum semiconductor device according to a modification of the present embodiment and a method for manufacturing the same will be described with reference to FIGS. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the quantum semiconductor device according to the present modification, FIG. 5 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to the present modification, and FIG. 6 is a top view illustrating the case where the wiring is connected to the electrode pad. FIG.
[0051]
First, the structure of the quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIG.
[0052]
The quantum semiconductor device according to this modification is mainly characterized in that the electrode 26 and the wiring 26 electrically connected to the electrode 22 are formed.
[0053]
As shown in FIG. 4, a groove 24 is formed on the surface of the semiconductor layer 18. One end of the groove 24 is located in the vicinity of the electrode 22 that is accurately formed on the surface of the semiconductor layer 18 on the quantum dot 12.
[0054]
A wiring 26 electrically connected to the electrode 22 is formed in the groove 24.
[0055]
As described above, since the quantum semiconductor device according to the present modification includes the wiring 26 electrically connected to the electrode 22, a peripheral circuit that applies voltage to the quantum dot 12 and the electrode 22 are provided. It can be electrically connected through the wiring 26. This further facilitates electrical access to the quantum dots 12.
[0056]
Next, a method for manufacturing a quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIGS.
[0057]
In the same manner as shown in FIGS. 3A and 3B, the quantum dot layer 14 and the semiconductor layer 18 are sequentially formed on the semiconductor substrate 10.
[0058]
Next, the semiconductor dot layer 38 is formed on the semiconductor layer 18 by, for example, the MBE method. By epitaxially growing the semiconductor dot layer 38, the semiconductor dots 36 made of three-dimensionally grown islands are self-formed by the SK mode (see FIG. 5A). The semiconductor dot layer 38 formed here is composed of the semiconductor dots 36 self-formed on the semiconductor layer 18 and the wetting layer 40 formed on the semiconductor layer 18 between the semiconductor dots 36. The semiconductor dots 36 may be quantum dots or antidots. As the material of the semiconductor dot layer 38, a material having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 18 and having a large lattice mismatch is used. For example, when InGaAs is used as the material of the quantum dot layer 14 and GaAs is used as the material of the semiconductor layer 18, AlInAs can be used as the material of the semiconductor dot layer 38.
[0059]
As described above, the semiconductor dots 36 of the semiconductor dot layer 38 stacked on the quantum dot layer 14 by the SK mode via the semiconductor layer 18 are formed on the quantum dots 12 of the quantum dot layer 14. . That is, the positions of the quantum dots 12 of the first quantum dot layer 14 and the positions of the semiconductor dots 36 of the second semiconductor dot layer 38 are aligned in the vertical direction. As described above, the quantum dots 12 and the semiconductor dots 36 are formed so as to overlap each other. When the semiconductor dot layer is formed on the quantum dot layer on which the quantum dots are formed, the quantum dots overlap the quantum dots in the semiconductor dot layer. This is because semiconductor dots that are quantum dots or antidots tend to be formed.
[0060]
Next, the line-shaped oxide 28 is formed by oxidizing the wetting layer 40 of the semiconductor dot layer 38 and the surface layer of the semiconductor layer 18 using an AFM (Atomic Force Microscope) oxidation method. Here, the line-shaped oxide 28 is formed so that one end of the line-shaped oxide 28 comes to a position in the vicinity of the semiconductor dot 36 formed on the quantum dot 12.
[0061]
The AFM oxidation method is a method in which an oxide is formed on a sample surface by bringing an AFM probe close to a sample and applying a voltage between the AFM probe and the sample.
[0062]
In this modification, for example, in an atmosphere with a humidity of 40 to 60%, the AFM probe 30 is brought close to the wetting layer 40 of the semiconductor dot layer 38, a negative bias is applied to the probe 30, and the semiconductor substrate 10 is applied. Apply a positive bias. In this manner, the probe 30 is scanned in the state of being close to the wetting layer 40 while applying a bias. The probe 30 scans a line on the surface of the wetting layer 40 where the line-shaped oxide 28 is to be formed. As a result, the wetting layer 40 of the semiconductor dot layer 38 scanned by the probe 30 and the surface layer of the semiconductor layer 18 are oxidized to form a line-shaped oxide 28 (see FIG. 5B).
[0063]
Next, the semiconductor dots 36 and the wetting layer 40 of the semiconductor dot layer 38 and the line-shaped oxide 28 are removed by etching. Thus, the groove 24 is formed on the surface of the semiconductor layer 18 from which the semiconductor dots 36 and the wetting layer 40 and the line-shaped oxide 28 have been removed (see FIG. 5C). For example, in the case of the semiconductor dot layer 38 made of InAs, the semiconductor dots 36 and the wetting layer 40 and the line-shaped oxide 28 can be simultaneously removed by using HCl as an etching solution.
[0064]
Next, in the same manner as described above, metal droplets are deposited on the surface of the semiconductor layer 18 by the droplet epitaxy method. At this time, the metal droplet is formed at a position where the surface of the semiconductor layer 18 is distorted and is formed in the groove 24.
[0065]
Subsequently, the metal droplets are solidified and metal particles are formed by cooling after completion of the deposition. In this way, the wiring 26 in which the metal particles are continuously connected in the groove 24 is formed together with the granular electrode 22 made of metal (see FIG. 5D).
[0066]
Thus, the quantum semiconductor device according to this modification is manufactured.
[0067]
Thereafter, as shown in FIG. 6, an electrode pad 32 electrically connected to the wiring 26 may be formed.
[0068]
[Second Embodiment]
A quantum semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a sectional view showing the structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 8 is a process sectional view showing the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to the present embodiment. The same components as those of the quantum semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
[0069]
First, the structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0070]
A quantum dot layer 14 made of a semiconductor including self-formed quantum dots 12 is formed on the semiconductor substrate 10.
[0071]
A semiconductor layer 18 is formed on the quantum dot layer 14.
[0072]
A recess 34 is formed at a position on the surface of the semiconductor layer 18 on the quantum dots 12. A granular electrode 22 made of metal is formed in the recess 34.
[0073]
The quantum semiconductor device according to the present embodiment is mainly characterized in that the electrode 22 is formed in the recess 34 formed at the position on the quantum dot 12 on the surface of the semiconductor layer 18.
[0074]
In this way, since the electrodes 22 are accurately formed on the respective quantum dots 12 by the recesses 34 formed at the positions on the quantum dots 12 on the surface of the semiconductor layer 18, self-formation is performed via the electrodes 22. It is possible to accurately electrically access the quantum dots 12 formed. In addition, the self-formed quantum dots 12 can be electrically accessed independently of each other.
[0075]
The energy band structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment is substantially the same as that of the quantum semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG.
[0076]
Next, the method for fabricating the quantum semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0077]
First, similarly to the case of the first embodiment, the quantum dot layer 14 including the quantum dots 12 and the semiconductor layer 18 are sequentially formed on the semiconductor substrate 10 (FIGS. 8A and 8B). See).
[0078]
Next, the semiconductor dot layer 38 is formed on the semiconductor layer 18 by, for example, the MBE method. By epitaxially growing the semiconductor dot layer 38, the semiconductor dots 36 made of three-dimensionally grown islands are self-formed by the SK mode (see FIG. 8C). The semiconductor dot layer 38 formed here is composed of the semiconductor dots 36 self-formed on the semiconductor layer 18 and the wetting layer 40 formed on the semiconductor layer 18 between the semiconductor dots 36. The semiconductor dots 36 may be quantum dots or antidots. As the material of the semiconductor dot layer 38, a material having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 18 and having a large lattice mismatch is used. For example, when InGaAs is used as the material of the quantum dot layer 14 and GaAs is used as the material of the semiconductor layer 18, AlInAs can be used as the material of the semiconductor dot layer 38.
[0079]
As described above, the semiconductor dots 36 of the semiconductor dot layer 38 stacked on the quantum dot layer 14 by the SK mode via the semiconductor layer 18 are formed on the quantum dots 12 of the quantum dot layer 14. . That is, the positions of the quantum dots 12 of the first quantum dot layer 14 and the positions of the semiconductor dots 36 of the second semiconductor dot layer 38 are aligned in the vertical direction. As described above, the quantum dots 12 and the semiconductor dots 36 are formed so as to overlap each other. When the semiconductor dot layer is formed on the quantum dot layer on which the quantum dots are formed, the quantum dots overlap the quantum dots in the semiconductor dot layer. This is because semiconductor dots that are quantum dots or antidots tend to be formed.
[0080]
Next, the semiconductor dots 36 and the semiconductor layer 18 immediately below the semiconductor dots 36 are oxidized using an AFM oxidation method. For example, in an atmosphere with a humidity of 40 to 60%, a negative bias is applied to the probe 30 for a predetermined time while the AFM probe 30 is close to the semiconductor dot 36, and a positive bias is applied to the semiconductor substrate 10. Apply (see FIG. 8D). For example, when the material of the semiconductor dots 36 is InGaAs, a voltage of about 3 to 10 V is applied. Thereby, the dot-shaped oxide 42 formed by oxidizing the semiconductor dots 36 and the semiconductor layer 18 immediately below the semiconductor dots 36 is formed. Thus, the dot-shaped oxide 42 is formed so that a part thereof is embedded in the surface layer of the semiconductor layer 18.
[0081]
The semiconductor dots 36 are desirably formed small so that the above-described oxidation can be easily performed. For example, it is desirable to form the semiconductor dots 36 so that the size thereof is about 15 to 30 nm.
[0082]
Next, the dot-like oxide 42 is removed by etching. As an etching solution, for example, when removing the dot-like oxide 42 obtained by oxidizing the semiconductor dots 36 made of InGaAs, diluted HCl or diluted NH Four OH or the like is used.
[0083]
Here, the dot-like oxide 42 is removed by etching, and the wetting layer 40 is also removed by etching. The order of removing the dot-like oxide 42 and the wetting layer 40 is not limited. Further, the dot-shaped oxide 42 and the wetting layer 40 may be removed simultaneously by appropriately selecting an etching solution. For example, by using HCl as an etchant, the dot-like oxide 42 containing As and the wetting layer 40 made of InAs can be removed simultaneously.
[0084]
By removing the dot-like oxide 42 in this way, the recesses 34 are formed at the positions where the semiconductor dots 36 are formed on the surface of the semiconductor layer 18, that is, at positions above each of the quantum dots 12 embedded in the semiconductor layer 18. Formed (see FIG. 8E).
[0085]
If the height of the semiconductor dots 36 is not sufficiently low and it is difficult to completely oxidize the semiconductor dots 36 by a single AFM oxidation method, the recesses 34 are formed on the surface of the semiconductor layer 18 as follows. You may form in. That is, the recess 34 is formed on the surface of the semiconductor layer 18 by repeating the step of oxidizing a part of the upper end of the semiconductor dot 36 by the AFM oxidation method and the step of removing the oxidized portion of the semiconductor dot 36 by etching. May be.
[0086]
Next, in the same manner as in the case of the first embodiment, metal droplets are deposited on the surface of the semiconductor layer 18 in which the recesses 34 are formed by the droplet epitaxy method.
[0087]
At this time, the metal droplets deposited on the surface of the semiconductor layer 18 move to the recesses 34 formed on the surface of the semiconductor layer 18.
[0088]
Subsequently, the metal droplets are solidified by cooling after the deposition is completed, and metal particles are formed. Thus, a granular electrode 22 made of metal is formed in the recess 34 (see FIG. 8F).
[0089]
In the manufacturing method of the quantum semiconductor device according to the present embodiment, even when the semiconductor layer 18 on the quantum dot 12 is not sufficiently distorted, the surface of the semiconductor layer 18 is positioned on the quantum dot 12 as described above. Since the recess 34 is formed, the electrode 22 can be accurately formed on the quantum dot 12. As a case where the semiconductor layer 18 on the quantum dot 12 is not sufficiently distorted, for example, when the lattice mismatch between the quantum dot 12 and the semiconductor layer 18 is small, or the thickness of the semiconductor layer 18 is not as thin as 10 nm, for example. There is a case.
[0090]
In order to smoothly move the metal droplets deposited by the droplet epitaxy method to the recesses 34, the semiconductor dots 36 are completely oxidized so that no protrusions remain around the recesses 34. It is desirable to form the oxide 42. For the same reason, when the wetting layer 40 is removed by etching, the wetting layer 40 is sufficiently removed by etching so that a convex object in which the wetting layer 40 remains is not formed around the recess 34 or the like. It is desirable to keep it.
[0091]
Thus, the quantum semiconductor device according to the present embodiment is formed.
[0092]
As described above, according to the present embodiment, the surface of the semiconductor layer 18 on the quantum dots 12 is removed by etching away the dot-shaped oxide 42 formed by oxidizing the semiconductor dots 36 stacked on the quantum dots 12. Since the concave electrode 34 is formed in the substrate and the granular electrode 22 made of metal is formed by the droplet epitaxy method, the electrode 22 can be accurately formed at a position on each quantum dot 12. Thereby, it is possible to accurately electrically access the quantum dots 12. In addition, the quantum dots 12 can be electrically accessed independently of each other.
[0093]
(Modification)
Next, a quantum semiconductor device according to a modification of the present embodiment and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of the quantum semiconductor device according to this modification, and FIG. 10 is a process cross-sectional view showing the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to this modification.
[0094]
First, the structure of the quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIG.
[0095]
Similar to the quantum semiconductor device according to the modification of the first embodiment, the quantum semiconductor device according to the present modification is characterized mainly in that a wiring 26 electrically connected to the electrode 22 is formed together with the electrode 22. .
[0096]
As shown in FIG. 9, a groove 24 is formed on the surface of the semiconductor layer 18. One end of the groove 24 is located in the vicinity of the recess 34 that is accurately formed on the surface of the semiconductor layer 18 on the quantum dot 12.
[0097]
A wiring 26 electrically connected to the electrode 22 is formed in the groove 24.
[0098]
As described above, since the quantum semiconductor device according to the present modification includes the wiring 26 electrically connected to the electrode 22, a peripheral circuit that applies voltage to the quantum dot 12 and the electrode 22 are provided. It can be electrically connected through the wiring 26.
[0099]
Next, a method for manufacturing a quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIGS.
[0100]
A recess 34 is formed on the surface of the semiconductor layer 18 on the quantum dots 12 in the same manner as shown in FIGS. 8A to 8E (see FIG. 10A).
[0101]
Next, a line-shaped oxide 28 is formed on the surface of the semiconductor layer 18 by AFM oxidation. Here, the line-shaped oxide 28 is formed so that one end of the line-shaped oxide 28 comes to the position of the recess 34 on the surface of the semiconductor layer 18 (see FIG. 10B).
[0102]
Next, the line-shaped oxide 28 formed on the surface of the semiconductor layer 18 is removed by etching. Thus, a groove 24 is formed on the surface of the semiconductor layer 18 from which the line-shaped oxide 28 has been removed (see FIG. 10C).
[0103]
Next, in the same manner as described above, metal droplets are deposited on the surface of the semiconductor layer 18 by the droplet epitaxy method. At this time, the metal droplets are formed in the recesses 34 on the surface of the semiconductor layer 18 and in the grooves 24.
[0104]
Subsequently, the metal droplets are solidified by cooling after the deposition is completed, and metal particles are formed. In this way, a wiring 26 is formed in which the metal particles are continuously connected in the groove 24 together with the granular electrode 22 made of metal (see FIG. 10D).
[0105]
Thus, the quantum semiconductor device according to this modification is manufactured.
[0106]
Thereafter, as in the case of the modification of the first embodiment, the electrode pad 32 electrically connected to the wiring 26 may be formed.
[0107]
[Third Embodiment]
A quantum semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment, FIG. 12 is a band energy diagram of the quantum semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 13 is a process cross-sectional view showing the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to the present embodiment. It is. Note that the same components as those in the quantum semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
[0108]
First, the structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0109]
A quantum dot layer 14 made of a semiconductor including self-formed quantum dots 12 is formed on the semiconductor substrate 10.
[0110]
On the quantum dot layer 14, an intermediate layer, that is, a semiconductor layer 18, is formed.
[0111]
A semiconductor dot layer 46 made of a semiconductor including self-formed semiconductor dots 44 is formed on the semiconductor layer 18. The semiconductor dot layer 46 includes a semiconductor dot 44 that is self-formed on the semiconductor layer 18 and a wetting layer 48 that is formed on the semiconductor layer 18 between the semiconductor dots 44. The semiconductor dots 44 of the semiconductor dot layer 46 are formed at positions on the quantum dots 12 of the quantum dot layer 14. The semiconductor dots 44 may be antidots or quantum dots.
[0112]
At the upper end of the semiconductor dot 44 of the semiconductor dot layer 46, a dot-like oxide 50 is formed by oxidizing a part of the upper end of the semiconductor dot 44.
[0113]
A cap layer, that is, a semiconductor layer 52 is formed on the semiconductor dot layer 46 including the semiconductor dot 44 with the dot-shaped oxide 50 formed on the upper end.
[0114]
A concave portion 54 is formed at a position on the quantum dots 12 and the semiconductor dots 44 formed on the surface of the semiconductor layer 52. A granular electrode 22 made of metal is formed in the recess 54.
[0115]
In the quantum semiconductor device according to the present embodiment, the electrode 22 is formed in the concave portion 54 formed at the position of the surface of the semiconductor layer 52 on the stacked quantum dot 12 and semiconductor dot 44, that is, each quantum dot. The main feature is that the electrodes 22 are accurately formed on the dots 12.
[0116]
As described above, since the electrodes 22 are accurately formed on the respective quantum dots 12 by the recesses 54 formed at the positions on the quantum dots 12 on the surface of the semiconductor layer 52, self-formation is performed via the electrodes 22. It is possible to accurately electrically access the quantum dots 12 formed. In addition, the self-formed quantum dots 12 can be electrically accessed independently of each other.
[0117]
The quantum semiconductor device according to the present embodiment is also characterized in that a semiconductor layer 52 is further formed between the quantum dots 12 and the electrodes 22 in addition to the semiconductor layer 18. Since the semiconductor layer 52 is further formed in addition to the semiconductor layer 18, it is possible to prevent the metal in the electrode 22 from diffusing and entering the quantum dots 12 during heat treatment or the like.
[0118]
The energy band structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment is as shown in FIG.
[0119]
The height and barrier width of the barrier between the quantum dot 12 and the electrode 22 shown in the energy band structure shown in FIG. 12 are the material composition and thickness of the semiconductor layers 18 and 52, the material composition and size of the semiconductor dot 44, A desired value can be set by appropriately setting the size or the like of the dot-like oxide 50.
[0120]
Next, the method for fabricating the quantum semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0121]
First, as in the case of the second embodiment, the quantum dot layer 14 and the semiconductor dot layer 46 are stacked on the semiconductor substrate 10 via the semiconductor layer 18 by, for example, the MBE method (FIG. 13 ( see a)). As the material of the semiconductor dots 44, a material having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 18 and having a large lattice mismatch and having a higher ground level energy than that of the semiconductor layer 18, for example, is selected. In this case, the semiconductor dots 44 are antidots. By selecting such a material of the semiconductor dots 44, the influence of the semiconductor dots 44 on the embedded quantum dots 12 can be reduced. As a material of the semiconductor dots 44, for example, InAlAs, InGaAlAs, or the like can be used.
[0122]
Unlike the second-layer semiconductor dots 36 formed in the quantum semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment, the semiconductor dots 44 are not necessarily formed small.
[0123]
As described above, the semiconductor dots 44 of the semiconductor dot layer 46 stacked on the quantum dot layer 14 by the SK mode via the semiconductor layer 18 are the same as in the case of the second embodiment. 14 quantum dots 12 are formed.
[0124]
Next, the semiconductor substrate 10 is taken out from the epitaxial growth chamber.
[0125]
Subsequently, a part of the upper end of the semiconductor dot 44 of the semiconductor dot layer 46 is oxidized by the AFM oxidation method. For example, a negative bias is applied to the probe 30 for a predetermined time in a state where the AFM probe 30 is close to the semiconductor dot 44 in an atmosphere with a humidity of 40 to 60%, and a positive bias is applied to the semiconductor substrate 10. Apply. As a result, a dot-like oxide 50 formed by oxidizing a part of the upper end of the semiconductor dot 44 is formed (see FIG. 13B).
[0126]
Next, after removing contaminants adsorbed on the surface, natural oxide film formed on the surface, etc., the semiconductor substrate 10 is again accommodated in the epitaxial growth chamber of the film forming apparatus. Note that, for example, a cleaning method using hydrogen atom irradiation can be used to remove contaminants.
[0127]
Subsequently, the semiconductor layer 52 is formed on the semiconductor dot layer 46 by, for example, the MBE method. As the material of the semiconductor layer 52, for example, the same material as that of the semiconductor dots 44 or a material having an energy gap larger than that of the semiconductor dots 44 is selected.
[0128]
In the growth of the semiconductor layer 52, since the dot-like oxide 50 is amorphous, the growth rate of the semiconductor layer 52 on the dot-like oxide 50 is higher than the growth rate of the semiconductor layer 52 in other regions. Become slow. As a result, a recess 54 is formed on the surface of the semiconductor layer 52 on the dot-like oxide 50 (see FIG. 13C).
[0129]
In this way, a recess 54 is formed at the position of the surface of the semiconductor layer 52 on the stacked quantum dots 12 and semiconductor dots 44.
[0130]
Next, metal droplets are deposited on the surface of the semiconductor layer 52 where the recesses 54 are formed by a droplet epitaxy method. As in the case of the second embodiment, the metal droplet deposited on the surface of the semiconductor layer 52 moves to the recess 54.
[0131]
Subsequently, the metal droplets are solidified by cooling after the deposition is completed, and metal particles are formed. Thus, the granular electrode 22 made of metal is formed in the recess 44 on the surface of the semiconductor layer 52 (see FIG. 13D).
[0132]
Thus, the quantum semiconductor device according to the present embodiment is formed.
[0133]
As described above, according to the present embodiment, the growth rate of the semiconductor layer 52 on the dot-like oxide 50 formed by oxidizing a part of the upper end of the semiconductor dot 44 stacked on the quantum dot 12 is decreased. By utilizing this, the concave portion 54 is formed on the surface of the semiconductor layer 52 on the quantum dot 12 and the granular electrode 22 made of metal is formed by the droplet epitaxy method. An electrode 22 can be formed on the substrate. Thereby, it is possible to accurately electrically access the quantum dots 12. In addition, the quantum dots 12 can be electrically accessed independently of each other.
[0134]
(Modification)
Next, a quantum semiconductor device and a method for manufacturing the same according to a modification of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a structure of a quantum semiconductor device according to a modification of the present embodiment, and FIG. 15 is a process cross-sectional view showing a method for manufacturing the quantum semiconductor device according to the modification.
[0135]
First, the structure of the quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIG.
[0136]
The quantum semiconductor device according to the present modification mainly includes the electrode 22 and the wiring 26 electrically connected to the electrode 22 as well as the quantum semiconductor device according to the modification of the first and second embodiments. There are features.
[0137]
As shown in FIG. 14, the groove 24 is formed on the surface of the semiconductor layer 52. One end of the groove 24 is located in the vicinity of the recess 54 that is accurately formed at a position on the quantum dot 12 on the surface of the semiconductor layer 52.
[0138]
A wiring 26 electrically connected to the electrode 22 is formed in the groove 24.
[0139]
As described above, since the quantum semiconductor device according to the present modification includes the wiring 26 electrically connected to the electrode 22, a peripheral circuit that applies voltage to the quantum dot 12 and the electrode 22 are provided. It can be electrically connected through the wiring 26.
[0140]
Next, a method for manufacturing a quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIGS.
[0141]
In the same manner as shown in FIGS. 13A to 13C, a recess 54 is formed at a position on the dot-like oxide 50 on the surface of the semiconductor layer 52 (see FIG. 15A).
[0142]
Next, a line-shaped oxide 28 is formed on the surface of the semiconductor layer 52 by an AFM oxidation method. Here, the line-shaped oxide 28 is formed so that one end of the line-shaped oxide 28 comes to the position of the recess 54 on the surface of the semiconductor layer 52 (see FIG. 15B).
[0143]
Next, the line-shaped oxide 28 formed on the surface of the semiconductor layer 52 is removed by etching. Thus, the groove 24 is formed on the surface of the semiconductor layer 52 from which the line-shaped oxide 28 has been removed (see FIG. 15C).
[0144]
Next, in the same manner as described above, metal droplets are deposited on the surface of the semiconductor layer 52 by the droplet epitaxy method. At this time, the metal droplets are formed in the recesses 54 on the surface of the semiconductor layer 52 and in the grooves 24.
[0145]
Subsequently, the metal droplets are solidified by cooling after the deposition is completed, and metal particles are formed. In this way, the wiring 26 formed by continuously connecting the metal particles in the groove 24 is formed together with the granular electrode 22 made of metal (see FIG. 15D).
[0146]
Thus, the quantum semiconductor device according to this modification is manufactured.
[0147]
Thereafter, as in the case of the modification of the first embodiment, the electrode pad 32 electrically connected to the wiring 26 may be formed.
[0148]
[Fourth Embodiment]
A quantum semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 17 is a process cross-sectional view showing the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to the present embodiment. The same components as those in the quantum semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
[0149]
First, the structure of the quantum semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. In the quantum semiconductor device according to the present embodiment, wiring is formed together with the electrodes, as in the case of the modification of the first embodiment.
[0150]
As shown in FIG. 16, a quantum dot layer 14 made of a semiconductor including self-formed quantum dots 12 is formed on a semiconductor substrate 10.
[0151]
On the quantum dot layer 16, an intermediate layer, that is, a semiconductor layer 18 is formed. In the semiconductor layer 18 on the quantum dots 12, distortion due to lattice mismatch occurs.
[0152]
A granular electrode 22 made of a metal is formed at a position where the surface of the semiconductor layer 18 is distorted. A line-shaped oxide 56 is formed on the surface of the semiconductor layer 18. One end of the line-shaped oxide 56 is located in the vicinity of the electrode 22.
[0153]
On the semiconductor layer 18 on which the electrode 22 and the line-shaped oxide 56 are formed, a cap layer, that is, a semiconductor layer 58 is formed.
[0154]
An opening 60 reaching the electrode 22 is formed on the electrode 22 of the semiconductor layer 58. An electrode 23 that is electrically connected to the electrode 22 is embedded in the opening 60.
[0155]
A groove 62 is formed on the surface of the semiconductor layer 58 along the line-shaped oxide 56.
[0156]
A wiring 64 electrically connected to the electrode 23 is formed in the groove 62.
[0157]
As described above, the quantum semiconductor device according to the present embodiment is mainly characterized in that the line-shaped oxide 56 is formed under the wiring 64. The line-shaped oxide 56 forms a barrier against carriers below the wiring 64, and leakage current from the wiring 64 can be suppressed.
[0158]
Next, the method for fabricating the quantum semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0159]
First, in the same manner as in the case of the first embodiment shown in FIGS. 3A to 3C, the electrode 22 is formed at a position on the quantum dot 12 on the surface of the semiconductor layer 18.
[0160]
Next, a line-shaped oxide 56 is formed on the surface of the semiconductor layer 18 by AFM oxidation (see FIG. 17A). Here, the line-shaped oxide 56 is formed so that one end of the line-shaped oxide 56 is positioned in the vicinity of the electrode 22.
[0161]
Next, a semiconductor layer 58 is formed on the semiconductor layer 18 on which the electrode 22 and the line-shaped oxide 56 are formed by, for example, the MBE method.
[0162]
At this time, the growth rate of the semiconductor layer 58 on the electrode 22 and the line-shaped oxide 56 is slower than the growth rate of the semiconductor layer 58 in other regions. As a result, a recess 64 is formed at a position on the electrode 22 on the surface of the semiconductor layer 58. A groove 62 is formed on the surface of the semiconductor layer 58 along the line-shaped oxide 56 (see FIG. 17B).
[0163]
Next, the portion of the semiconductor layer 58 where the recess 64 is formed is oxidized by AFM oxidation. As a result, a dot-like oxide 66 is formed by oxidizing the portion of the semiconductor layer 58 where the recess 64 is formed (see FIG. 17C). Here, the oxidation by the AFM oxidation method is performed until the size of the dot-like oxide 66 reaches the electrode 22 below.
[0164]
Next, the dot-shaped oxide 66 formed at the position of the recess 64 is removed by etching. Thereby, an opening 60 reaching the electrode 22 is formed in the semiconductor layer 58 (see FIG. 17D).
[0165]
Next, a metal droplet is deposited on the surface of the semiconductor layer 58 in which the opening 60 and the groove 62 are formed by a droplet epitaxy method. At this time, the metal droplet is formed in the opening 60 reaching the electrode 22 and in the groove 62.
[0166]
Subsequently, the metal droplets are solidified by cooling after the deposition is completed, and metal particles are formed. In this way, the wiring 64 in which the metal particles are continuously connected in the groove 62 is formed together with the granular electrode 23 made of metal electrically connected to the electrode 22 (see FIG. 17E).
[0167]
Thus, the quantum semiconductor device according to the present embodiment is formed.
[0168]
Thereafter, as in the case of the modification of the first embodiment, the electrode pad 32 electrically connected to the wiring 26 may be formed.
[0169]
As described above, according to the present embodiment, the wiring 64 is formed in the groove 62 formed on the surface of the semiconductor layer 58 on the line-shaped oxide 56. A barrier to the carrier can be formed. Thereby, the leakage current from the wiring 64 can be suppressed.
[0170]
In this embodiment, the case where one layer of the line-shaped oxide 56 is formed has been described. However, a plurality of line-shaped oxides 56 are stacked below the wiring 64 by repeating the above-described steps. Also good. By forming the plurality of line-shaped oxides 56 under the wiring 64, it becomes possible to more effectively suppress the leakage current from the wiring 64.
[0171]
(Modification (Part 1))
A quantum semiconductor device according to a modification (No. 1) of the present embodiment and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a cross-sectional view showing the structure of the quantum semiconductor device according to this modification, and FIG. 19 is a process cross-sectional view showing the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to this modification.
[0172]
First, the structure of the quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIG.
[0173]
In the quantum semiconductor device according to the present modification, the electrodes 22 are formed on the quantum dots 12 in the same manner as in the second embodiment. That is, as shown in FIG. 18, the electrode 22 is formed in a recess 34 formed at a position on the quantum dot 12 on the surface of the semiconductor layer 18.
[0174]
On the surface of the semiconductor layer 18, a line-shaped oxide 56 having one end positioned in the vicinity of the electrode 22 formed in the recess 34 is formed.
[0175]
A semiconductor layer 58 is formed on the semiconductor layer 18 on which the electrode 22 and the line-shaped oxide 56 are formed.
[0176]
In the semiconductor layer 58, the electrode 23 electrically connected to the electrode 22 and the wiring 64 electrically connected to the electrode 23 are formed as described above.
[0177]
Thus, the quantum semiconductor device according to this modification is configured.
[0178]
Next, a method for manufacturing a quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIG.
[0179]
First, in the same manner as in the second embodiment, the electrode 22 is formed in the recess 34 formed at a position on the quantum dot 12 on the surface of the semiconductor layer 18.
[0180]
Next, a line-shaped oxide 56 having one end positioned in the vicinity of the electrode 22 formed in the recess 34 is formed by AFM oxidation (see FIG. 19A).
[0181]
Next, the semiconductor layer 58 is formed on the semiconductor layer 18 on the surface of which the electrode 22 and the line-shaped oxide 56 are formed. Thereafter, an opening 60 reaching the electrode 22 is formed in the semiconductor layer 58 (see FIG. 19B).
[0182]
Next, the electrode 23 is formed in the opening 60 reaching the electrode 22 and the wiring 64 is formed in the groove 62 by the droplet epitaxy method.
[0183]
Thus, the quantum semiconductor device according to this modification is formed.
[0184]
(Modification (Part 2))
A quantum semiconductor device according to a modification (No. 2) of the present embodiment and a manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. FIG. 20 is a cross-sectional view showing the structure of the quantum semiconductor device according to this modification, and FIG. 21 is a process cross-sectional view showing the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to this modification.
[0185]
First, the structure of the quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIG.
[0186]
In the quantum semiconductor device according to this modification, the electrodes 22 are formed on the quantum dots 12 as in the case of the third embodiment. That is, as shown in FIG. 20, the electrode 22 is formed in a recess 54 formed at a position on the quantum dot 12 and the semiconductor dot 44 on the surface of the semiconductor layer 52.
[0187]
On the surface of the intermediate layer, that is, the semiconductor layer 52, a line-shaped oxide 56 having one end positioned in the vicinity of the electrode 22 formed in the recess 54 is formed.
[0188]
On the semiconductor layer 52 on which the electrode 22 and the line-shaped oxide 56 are formed, a cap layer, that is, a semiconductor layer 58 is formed.
[0189]
In the semiconductor layer 58, the electrode 23 electrically connected to the electrode 22 and the wiring 64 electrically connected to the electrode 23 are formed as described above.
[0190]
Thus, the quantum semiconductor device according to this modification is configured.
[0191]
Next, a method for manufacturing a quantum semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIGS.
[0192]
First, in the same manner as in the case of the third embodiment, the electrode 22 is formed in the concave portion 54 formed at a position on the surface of the semiconductor layer 52 on the quantum dots 12 and the semiconductor dots 44.
[0193]
Next, a line-shaped oxide 56 having one end positioned near the electrode 22 formed in the recess 54 is formed by AFM oxidation (see FIG. 21A).
[0194]
Next, the semiconductor layer 58 is formed over the semiconductor layer 52 on which the electrode 22 and the line-shaped oxide 56 are formed. Thereafter, an opening 60 reaching the electrode 22 is formed in the semiconductor layer 58 (see FIG. 21B).
[0195]
Next, the electrode 23 is formed in the opening 60 reaching the electrode 22 and the wiring 64 is formed in the groove 62 by the droplet epitaxy method.
[0196]
Thus, the quantum semiconductor device according to this modification is formed.
[0197]
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
[0198]
For example, in the above embodiment, the case where the electrode is formed with respect to the quantum dot self-formed in the SK mode has been described as an example. However, the quantum dot forming the electrode is self-formed in the SK mode. It is not limited. For example, the present invention can also be applied to the case where electrodes are formed on quantum dots that are vertically stacked.
[0199]
In the above embodiment, the line-shaped oxide is formed by oxidizing the quantum dots or oxidizing the semiconductor layer by the AFM oxidation method, but the probe for applying the voltage is a needle-shaped conductive material. Any body can be used. For example, carbon nanotubes can be used as the probe.
[0200]
In the above-described embodiment, the case where the quantum dots are oxidized or the semiconductor layer is oxidized by the AFM oxidation method has been described as an example. However, the oxidation of the quantum dots and the like is not limited to AFM oxidation. Various techniques capable of selectively oxidizing a minute region can be used for oxidizing the quantum dots and the like.
[0201]
(Appendix 1) Quantum dots formed on a semiconductor substrate, a semiconductor layer formed so as to embed the quantum dots, and formed in a self-aligned manner on the position of strain generated in the semiconductor layer due to the presence of the quantum dots A quantum semiconductor device comprising: a plurality of electrodes;
[0202]
(Supplementary note 2) The quantum semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the semiconductor layer is made of a material having a lattice constant different from that of the quantum dots.
[0203]
(Additional remark 3) It was formed in the recessed part formed in the position on the quantum dot of the quantum dot formed on the semiconductor substrate, the semiconductor layer formed so that the quantum dot might be embedded, and the surface of the semiconductor layer A quantum semiconductor device comprising an electrode.
[0204]
(Supplementary note 4) The quantum semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 3, further comprising a wiring formed in a groove formed on the surface of the semiconductor layer and electrically connected to the electrode. Quantum semiconductor device.
[0205]
(Supplementary note 5) In the quantum semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 3, a line-shaped oxide formed on the surface of the semiconductor layer and having one end positioned in the vicinity of the electrode, the electrode, and the line-shaped oxidation Another semiconductor layer formed so as to embed an object, another electrode embedded in the other semiconductor layer and electrically connected to the electrode, and the other semiconductor along the line-shaped oxide A quantum semiconductor device further comprising: a wiring formed in a groove formed on the surface of the layer and electrically connected to the other electrode.
[0206]
(Appendix 6) Quantum dots formed on a semiconductor substrate, a first semiconductor layer formed so as to embed the quantum dots, and formed at positions on the quantum dots on the first semiconductor layer A semiconductor dot; a dot-like oxide formed by oxidizing part of the semiconductor dot; a second semiconductor layer formed so as to embed the semiconductor dot; and the dot-like shape on the surface of the second semiconductor layer And an electrode formed in a recess formed at a position on the oxide of the quantum semiconductor device.
[0207]
(Additional remark 7) The quantum semiconductor device of Additional remark 6 WHEREIN: The said semiconductor dot is a quantum dot or an antidot, The quantum semiconductor device characterized by the above-mentioned.
[0208]
(Supplementary note 8) The quantum semiconductor device according to supplementary note 6 or 7, further comprising a wiring formed in a groove formed on the surface of the second semiconductor layer and electrically connected to the electrode. Quantum semiconductor device.
[0209]
(Supplementary note 9) In the quantum semiconductor device according to supplementary note 6 or 7, a line-shaped oxide formed on the surface of the second semiconductor layer and having one end positioned in the vicinity of the electrode, the electrode, and the line-shaped oxide A third semiconductor layer formed so as to be embedded, another electrode embedded in the third semiconductor layer and electrically connected to the electrode, and the third oxide layer along the line-shaped oxide. And a wiring formed in a groove formed in the surface of the semiconductor layer and electrically connected to the other electrode.
[0210]
(Supplementary note 10) In the method for manufacturing a quantum semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 9, the quantum dot is formed of a three-dimensionally grown island formed by a SK mode. .
[0211]
(Appendix 11) A step of forming quantum dots on a semiconductor substrate, a step of forming a semiconductor layer so as to embed the quantum dots, and self-alignment on the position of strain generated in the semiconductor layer due to the presence of the quantum dots And a step of forming an electrode, a method for manufacturing a quantum semiconductor device.
[0212]
(Supplementary Note 12) A step of forming quantum dots on a semiconductor substrate, a step of forming a semiconductor layer so as to embed the quantum dots, and forming semiconductor dots at positions on the quantum dots on the semiconductor layer A step of oxidizing the semiconductor dots and the semiconductor layer immediately below the semiconductor dots to form a dot-shaped oxide partly embedded in the semiconductor layer; and the dot-shaped oxidation A method of manufacturing a quantum semiconductor device comprising: forming a recess in the surface of the semiconductor layer by removing an object; and forming an electrode in the recess formed in the surface of the semiconductor layer .
[0213]
(Supplementary note 13) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to supplementary note 12, in the step of forming the semiconductor dots, a semiconductor dot layer made of a material having a lattice constant different from that of the semiconductor layer is epitaxially grown, so that the three-dimensional growth island A method of manufacturing a quantum semiconductor device, comprising forming the semiconductor dots.
[0214]
(Supplementary Note 14) In the method for manufacturing a quantum semiconductor device according to Supplementary Note 12 or 13, in the step of forming the dot-shaped oxide, a needle-shaped conductor is brought close to the semiconductor dot, and the semiconductor substrate and the needle-shaped oxide A method of manufacturing a quantum semiconductor device, comprising: oxidizing a semiconductor dot and the semiconductor layer immediately below the semiconductor dot by applying a voltage between the first and second conductors.
[0215]
(Supplementary note 15) In the method for manufacturing a quantum semiconductor device according to any one of supplementary notes 11 to 14, the semiconductor layer is oxidized on the surface of the semiconductor layer by oxidizing the semiconductor layer before the step of forming the electrode. A step of forming a line-shaped oxide having one end positioned in the vicinity of a position where the electrode is to be formed, and a step of forming a groove on the surface of the semiconductor layer by removing the line-shaped oxide. And the step of forming the electrode includes forming a wiring electrically connected to the electrode in the groove together with the electrode.
[0216]
(Supplementary note 16) In the method for manufacturing a quantum semiconductor device according to any one of supplementary notes 11 to 14, the semiconductor layer is oxidized on the surface of the semiconductor layer by oxidizing the semiconductor layer after the step of forming the electrode. A step of forming a line-shaped oxide having one end positioned in the vicinity of a position where the electrode is to be formed, and a recess is formed on the surface at a position on the electrode, and a groove is formed on the surface along the line-shaped oxide. Forming the electrode and another semiconductor layer embedding the line-shaped oxide, forming an opening reaching the electrode in the recess, and electrically connecting the electrode to the electrode in the opening. And further forming a wiring electrically connected to the other electrode in the groove, and forming the other electrode electrically connected Law.
[0217]
(Supplementary note 17) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to supplementary note 16, in the step of forming the opening reaching the electrode in the concave portion, a needle-like conductor is brought close to the concave portion, and the semiconductor substrate and the needle The opening reaching the electrode by oxidizing the other semiconductor layer in the recess by applying a voltage between the conductor and the oxide, and removing the oxide in the other semiconductor layer in the recess. A method for manufacturing a quantum semiconductor device, comprising: forming a quantum semiconductor device.
[0218]
(Supplementary note 18) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to any one of supplementary notes 15 to 17, in the step of forming the line-shaped oxide, a needle-like conductor is brought close to the surface of the semiconductor layer, and the semiconductor The line-shaped oxide is formed by oxidizing the surface of the semiconductor layer by scanning the needle-shaped conductor while applying a voltage between a substrate and the needle-shaped conductor. A method of manufacturing a quantum semiconductor device.
[0219]
(Supplementary Note 19) A step of forming quantum dots on a semiconductor substrate, a step of forming a first semiconductor layer so as to embed the quantum dots, and a position on the quantum dots on the first semiconductor layer A step of forming a semiconductor dot; a step of oxidizing a part of the semiconductor dot to form a dot-shaped oxide in which a part of the semiconductor dot is oxidized; and a step on the dot-shaped oxide. A step of forming a second semiconductor layer in which the dot-shaped oxide and the semiconductor dots are embedded so that a recess is formed on the surface at the position, and in the recess formed on the surface of the second semiconductor layer And a step of forming an electrode on the semiconductor device.
[0220]
(Supplementary note 20) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to supplementary note 19, in the step of forming the semiconductor dots, a semiconductor dot layer made of a material having a lattice constant different from that of the first semiconductor layer is epitaxially grown, thereby three-dimensionally. A method of manufacturing a quantum semiconductor device, comprising forming the semiconductor dots made of growth islands.
[0221]
(Supplementary note 21) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to supplementary note 19 or 20, in the step of forming the dot-like oxide, a needle-like conductor is brought close to the semiconductor dot, and the semiconductor substrate and the needle-like are formed. A method of manufacturing a quantum semiconductor device, wherein a part of the semiconductor dots is oxidized by applying a voltage between the first and second conductors.
[0222]
(Appendix 22) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to any one of Appendixes 19 to 21, the second semiconductor layer is oxidized by oxidizing the second semiconductor layer before the step of forming the electrode. Forming a line-shaped oxide having one end positioned in the vicinity of a position where the electrode of the second semiconductor layer is to be formed on the surface; removing the line-shaped oxide; A step of forming a groove on the surface of the semiconductor layer, and in the step of forming the electrode, a wiring electrically connected to the electrode is formed in the groove together with the electrode. Manufacturing method of quantum semiconductor device.
[0223]
(Supplementary note 23) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to any one of supplementary notes 19 to 21, the second semiconductor layer surface is oxidized by oxidizing the second semiconductor layer after the step of forming the electrode. A step of forming a line-shaped oxide having one end positioned in the vicinity of a position where the electrode of the second semiconductor layer is to be formed; and a recess is formed on the surface at a position on the electrode. Forming a third semiconductor layer in which the electrode and the line-shaped oxide are embedded so that a groove is formed on the surface along the oxide; and forming an opening reaching the electrode in the recess. And forming the other electrode electrically connected to the electrode in the opening, and forming the wiring electrically connected to the other electrode in the groove. Characterize Manufacturing method of quantum semiconductor device.
[0224]
(Supplementary note 24) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to supplementary note 23, in the step of forming the opening reaching the electrode in the concave portion, a needle-like conductor is brought close to the concave portion, and the semiconductor substrate and the needle The opening reaching the electrode by oxidizing the third semiconductor layer in the recess by applying a voltage between the electrode and the conductor, and removing the oxide in the third semiconductor layer in the recess A method for manufacturing a quantum semiconductor device, comprising forming a portion.
[0225]
(Supplementary Note 25) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 22 to 24, in the step of forming the line-shaped oxide, a needle-shaped conductor is brought close to the surface of the second semiconductor layer. The line-shaped oxide is formed by oxidizing the surface of the second semiconductor layer by scanning the needle-shaped conductor while applying a voltage between the semiconductor substrate and the needle-shaped conductor. A method for manufacturing a quantum semiconductor device, comprising: forming a quantum semiconductor device.
[0226]
(Supplementary note 26) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to any one of supplementary notes 11 to 25, in the step of forming the electrode, the electrode is formed by a droplet epitaxy method. Production method.
[0227]
(Supplementary note 27) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to any one of supplementary notes 11 to 26, in the step of forming the quantum dots, a quantum dot layer made of a material having a lattice constant different from that of the semiconductor substrate is epitaxially grown. A method for manufacturing a quantum semiconductor device, comprising forming the quantum dots made of three-dimensionally grown islands.
[0228]
(Supplementary note 28) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to supplementary notes 14, 17, 18, 21, 24, or 25, the needle-like conductor is a probe of an atomic force microscope. Manufacturing method of quantum semiconductor device.
[0229]
(Supplementary note 29) In the method of manufacturing a quantum semiconductor device according to supplementary note 14, 17, 18, 21, 24, or 25, the needle-shaped conductor is made of a carbon nanotube. Method.
[0230]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, quantum dots are formed on a semiconductor substrate, a semiconductor layer is formed so as to embed the quantum dots, and self-aligned on the position of strain generated in the semiconductor layer due to the presence of quantum dots. Thus, the electrodes can be accurately formed on each quantum dot. Accordingly, it is possible to accurately electrically access the quantum dots via such electrodes, and it is possible to electrically access the quantum dots independently of each other.
[0231]
According to the present invention, a quantum dot is formed on a semiconductor substrate, a semiconductor layer is formed so as to embed the quantum dot, and a semiconductor dot is formed at a position on the quantum dot on the semiconductor layer. And a semiconductor layer directly under the semiconductor dot is oxidized to form a dot-like oxide part of which is embedded in the semiconductor layer, and the dot-like oxide is removed to form a recess on the surface of the semiconductor layer. Since the electrode is formed in the recess formed on the surface of the semiconductor layer, the electrode can be accurately formed on each quantum dot. Accordingly, it is possible to accurately electrically access the quantum dots via such electrodes, and it is possible to electrically access the quantum dots independently of each other.
[0232]
Furthermore, according to the present invention, a quantum dot is formed on a semiconductor substrate, a first semiconductor layer is formed so as to embed the quantum dot, and the semiconductor dot is positioned on the quantum dot on the first semiconductor layer. Is formed, and a part of the semiconductor dots is oxidized to form a dot-like oxide obtained by oxidizing a part of the semiconductor dots, and a recess is formed on the surface at a position on the dot-like oxide. In this way, the second semiconductor layer that embeds the dot-shaped oxide and the semiconductor dot is formed, and the electrode is formed in the recess formed on the surface of the second semiconductor layer, so that the electrode is accurately placed on each quantum dot. Can be formed. Accordingly, it is possible to accurately electrically access the quantum dots via such electrodes, and it is possible to electrically access the quantum dots independently of each other.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a quantum semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an energy band structure of the quantum semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the quantum semiconductor device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure of a quantum semiconductor device according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a quantum semiconductor device according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a top view showing a case where a wiring is connected to an electrode pad in a quantum semiconductor device according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a structure of a quantum semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a quantum semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of a quantum semiconductor device according to a modification of the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a quantum semiconductor device according to a modification of the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a structure of a quantum semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing an energy band structure of a quantum semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the quantum semiconductor device according to the third embodiment of the invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of a quantum semiconductor device according to a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a quantum semiconductor device according to a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a structure of a quantum semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing the structure of a quantum semiconductor device according to a first modification of the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the quantum semiconductor device according to the modification (No. 1) of the fourth embodiment of the invention.
FIG. 20 is a cross-sectional view showing the structure of a quantum semiconductor device according to a modification (No. 2) of the fourth embodiment of the invention.
FIG. 21 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the quantum semiconductor device according to the modification (No. 2) of the fourth embodiment of the invention.
[Explanation of symbols]
10 ... Semiconductor substrate
12 ... Quantum dots
14 ... Quantum dot layer
16 ... wet layer
18 ... Semiconductor layer
22, 23 ... Electrodes
24 ... Groove
26 ... Wiring
28 ... Line-shaped oxide
30 ... probe
32 ... Electrode pad
34 ... recess
36 ... Semiconductor dots
38 ... Semiconductor dot layer
40 ... wet layer
42. Dot-shaped oxide
44 ... Semiconductor dots
46 ... Semiconductor dot layer
48 ... wet layer
50 ... Dotted oxide
52. Semiconductor layer
54 ... recess
56 ... Line-shaped oxide
58 ... Semiconductor layer
60 ... Opening
62 ... Groove
64 ... recess
66 ... Dotted oxide

Claims (10)

半導体基板上に形成された量子ドットと、
前記量子ドットを埋め込むように形成された半導体層と、
液滴エピタキシー法により前記量子ドットの存在により前記半導体層に生じる歪の位置上に自己整合的に形成された粒状電極と
を有することを特徴とする量子半導体装置。
Quantum dots formed on a semiconductor substrate;
A semiconductor layer formed to embed the quantum dots;
And a granular electrode formed in a self-aligned manner on a position of strain generated in the semiconductor layer by the presence of the quantum dots by a droplet epitaxy method .
半導体基板上に形成された量子ドットと、
前記量子ドットを埋め込むように形成された半導体層と、
前記半導体層表面の前記量子ドット上の位置に形成された凹部内に形成された電極と
を有することを特徴とする量子半導体装置。
Quantum dots formed on a semiconductor substrate;
A semiconductor layer formed to embed the quantum dots;
And an electrode formed in a recess formed at a position on the quantum dot on the surface of the semiconductor layer.
請求項1又は2記載の量子半導体装置において、
前記半導体層表面に形成された溝内に形成され、前記電極に電気的に接続された配線を更に有する
ことを特徴とする量子半導体装置。
The quantum semiconductor device according to claim 1 or 2,
A quantum semiconductor device, further comprising: a wiring formed in a groove formed on the surface of the semiconductor layer and electrically connected to the electrode.
請求項1又は2記載の量子半導体装置において、
前記半導体層表面に形成され、前記電極近傍に一端が位置するライン状の酸化物と、
前記電極及び前記ライン状の酸化物を埋め込むように形成された他の半導体層と、
前記他の半導体層に埋め込まれ、前記電極に電気的に接続された他の電極と、
前記ライン状の酸化物に沿って前記他の半導体層表面に形成された溝内に形成され、前記他の電極に電気的に接続された配線と
を更に有することを特徴とする量子半導体装置。
The quantum semiconductor device according to claim 1 or 2,
A line-shaped oxide formed on the surface of the semiconductor layer and having one end located near the electrode;
Another semiconductor layer formed so as to embed the electrode and the line-shaped oxide;
Another electrode embedded in the other semiconductor layer and electrically connected to the electrode;
A quantum semiconductor device, further comprising: a wiring formed in a groove formed on the surface of the other semiconductor layer along the line-shaped oxide and electrically connected to the other electrode.
半導体基板上に形成された量子ドットと、
前記量子ドットを埋め込むように形成された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上の前記量子ドット上の位置に形成された半導体ドットと、
前記半導体ドットの一部が酸化されてなるドット状の酸化物と、
前記半導体ドットを埋め込むように形成された第2の半導体層と、
前記第2の半導体層表面の前記ドット状の酸化物上の位置に形成された凹部内に形成された電極と
を有することを特徴とする量子半導体装置。
Quantum dots formed on a semiconductor substrate;
A first semiconductor layer formed to embed the quantum dots;
A semiconductor dot formed at a position on the quantum dot on the first semiconductor layer;
A dot-like oxide formed by oxidizing a part of the semiconductor dots;
A second semiconductor layer formed to embed the semiconductor dots;
A quantum semiconductor device comprising: an electrode formed in a recess formed at a position on the dot-shaped oxide on the surface of the second semiconductor layer.
半導体基板上に、量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを埋め込むように半導体層を形成する工程と、
液滴エピタキシー法により前記量子ドットの存在により前記半導体層に生じる歪の位置上に自己整合的に粒状電極を形成する工程と
を有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
Forming quantum dots on a semiconductor substrate;
Forming a semiconductor layer to embed the quantum dots;
And a step of forming a granular electrode in a self-aligned manner on a position of strain generated in the semiconductor layer by the presence of the quantum dots by a droplet epitaxy method.
半導体基板上に、量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを埋め込むように半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上の前記量子ドット上の位置に、半導体ドットを形成する工程と、
前記半導体ドットと前記半導体ドットの直下における前記半導体層とを酸化することにより、その一部が前記半導体層に埋め込まれたドット状の酸化物を形成する工程と、
前記ドット状の酸化物を除去することにより、前記半導体層表面に凹部を形成する工程と、
前記半導体層表面に形成された前記凹部内に電極を形成する工程と
を有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
Forming quantum dots on a semiconductor substrate;
Forming a semiconductor layer to embed the quantum dots;
Forming a semiconductor dot at a position on the quantum dot on the semiconductor layer;
Oxidizing the semiconductor dots and the semiconductor layer directly below the semiconductor dots to form a dot-shaped oxide partly embedded in the semiconductor layer;
Removing the dot-like oxide to form a recess in the semiconductor layer surface;
Forming an electrode in the recess formed on the surface of the semiconductor layer. A method for manufacturing a quantum semiconductor device, comprising:
請求項6又は7記載の量子半導体装置の製造方法において、
前記電極を形成する工程の前に、前記半導体層を酸化することにより、前記半導体層表面に、前記半導体層の前記電極の形成予定位置の近傍に一端が位置するライン状の酸化物を形成する工程と、前記ライン状の酸化物を除去することにより、前記半導体層表面に溝を形成する工程とを更に有し、
前記電極を形成する工程では、前記電極とともに、前記溝内に、前記電極に電気的に接続された配線を形成する
ことを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the quantum semiconductor device according to claim 6 or 7,
Prior to the step of forming the electrode, the semiconductor layer is oxidized to form a line-shaped oxide having one end positioned in the vicinity of a position where the electrode is to be formed on the semiconductor layer. And further, forming a groove in the surface of the semiconductor layer by removing the line-shaped oxide,
In the step of forming the electrode, together with the electrode, a wiring electrically connected to the electrode is formed in the groove.
請求項6又は7記載の量子半導体装置の製造方法において、
前記電極を形成する工程の後に、前記半導体層を酸化することにより、前記半導体層表面に、前記半導体層の前記電極の形成予定位置の近傍に一端が位置するライン状の酸化物を形成する工程と、
前記電極上の位置における表面に凹部が形成され、前記ライン状の酸化物に沿って表面に溝が形成されるように、前記電極及び前記ライン状の酸化物を埋め込む他の半導体層を形成する工程と、
前記凹部に前記電極に達する開口部を形成する工程と、
前記開口部内に前記電極に電気的に接続された他の電極を形成するとともに、前記溝内に前記他の電極に電気的に接続された前記配線を形成する工程と
を更に有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the quantum semiconductor device according to claim 6 or 7,
After the step of forming the electrode, by oxidizing the semiconductor layer, a step of forming a line-shaped oxide having one end located near the formation position of the electrode of the semiconductor layer on the surface of the semiconductor layer When,
A recess is formed on the surface at a position on the electrode, and another semiconductor layer for embedding the electrode and the line-shaped oxide is formed so that a groove is formed on the surface along the line-shaped oxide. Process,
Forming an opening reaching the electrode in the recess;
Forming the other electrode electrically connected to the electrode in the opening, and forming the wiring electrically connected to the other electrode in the groove. A method for manufacturing a quantum semiconductor device.
半導体基板上に、量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを埋め込むように第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層上の前記量子ドット上の位置に、半導体ドットを形成する工程と、
前記半導体ドットの一部を酸化することにより、前記半導体ドットの一部が酸化されてなるドット状の酸化物を形成する工程と、
前記ドット状の酸化物上の位置における表面に凹部が形成されるように、前記ドット状の酸化物及び前記半導体ドットを埋め込む第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層表面に形成された前記凹部内に電極を形成する工程と
を有することを特徴とする量子半導体装置の製造方法。
Forming quantum dots on a semiconductor substrate;
Forming a first semiconductor layer to embed the quantum dots;
Forming a semiconductor dot at a position on the quantum dot on the first semiconductor layer;
Forming a dot-like oxide formed by oxidizing a part of the semiconductor dots by oxidizing a part of the semiconductor dots; and
Forming a second semiconductor layer that embeds the dot-shaped oxide and the semiconductor dots so that a recess is formed on the surface at a position on the dot-shaped oxide;
And a step of forming an electrode in the recess formed on the surface of the second semiconductor layer.
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