JPH0794806A

JPH0794806A - 量子箱集合素子及び光入出力方法

Info

Publication number: JPH0794806A
Application number: JP25645293A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Ugajin; 隆一宇賀神
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1995-04-07

Abstract

(57)【要約】【目的】光に対して活性を有する、ＩＶ族元素を用いた
量子箱集合素子、及びかかる量子箱集合素子を用いた光
入出力方法を提供する。【構成】量子箱集合素子は、２種のＩＶ族元素混晶から
成る混晶層２０と、ＩＶ族元素から成る量子箱３０とか
ら構成され、混晶層２０と量子箱３０との間にタイプＩ
Ｉヘテロ接合超格子が形成されている。混晶層２０をＳ
ｉＧｅから構成し、量子箱３０を混晶層上に形成された
Ｓｉから構成し、量子箱３０を被覆する障壁層４０と、
電場を形成するために、量子箱と離間して設けられた電
極４２とを更に備えることができる。光入出力方法は、
（イ）電場を形成した状態で混晶層２０に光を照射し、
それによって生成した電子を量子箱３０に捕捉する工程
と、（ロ）逆の電場を形成して、量子箱３０に捕捉され
た電子を、外部から供給された正孔と再結合せることに
よって発光させる工程、から成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＶ族元素から構成さ
れた量子箱集合素子、及びかかる量子箱集合素子を用い
た光入出力方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、量子波エレクトロニクスにおい
て、電子のド・ブロイ波長と同程度の断面寸法を有する
極微細構造、即ち、所謂量子箱あるいは複数の量子箱の
集合である量子箱集合素子が注目されており、この量子
箱内に閉じ込められた０次元電子が示す量子効果に大き
な関心がもたれている。中でも、光励起によって生成さ
れた電子又は正孔のキャリアを量子箱に捕捉する技術
は、将来の電子−光デバイス分野への応用に大いに期待
されている。このような分野における応用のためには、
量子箱集合素子を構成する材料が光に対して活性である
ことが必要である。

【０００３】シリコンは超ＬＳＩ等に広く用いられてお
り、高純度で結晶性の良い材料である。しかしながら、
シリコンは間接遷移型の半導体材料であり、光に対して
不活性である。従って、従来、量子箱集合素子を構成す
る材料としては、直接遷移型の半導体材料である化合物
半導体が必須であると考えられてきた。また、量子箱集
合素子における障壁層を構成する材料の選択自由度の点
からも、量子箱集合素子を構成する材料には化合物半導
体が適していると考えられていた。

【０００４】然るに、近年の研究によって、ＳｉＧｅと
いう２種類のＩＶ族元素混晶は光に活性であることが判
明してきた。一般に、ＩＶ族元素においては、その完全
結晶の対称性によって直接遷移は禁止される。一方、Ｉ
Ｖ族元素混晶は、ランダム性によって結晶の並進対称性
が破れ、直接遷移の禁止則が破れるために光に対して活
性となる。また、Ｓｉ／ＳｉＧｅのヘテロ・エピタキシ
ャル成長の研究も進展している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光励起によって量子箱
内部にキャリアを生成させる技術を、本出願人は平成４
年１２月２８日付で出願した特願平４−３６０２６３号
で提案した。この量子箱は、化合物半導体のヘテロ接合
超格子によって構成されている。一般に、化合物半導体
材料はシリコンと比較して安定性に乏しいという問題が
ある。また、化合物半導体材料から量子箱及び障壁層を
形成した場合、障壁層のバリアが低く、量子箱内に電子
を閉じ込め難いという問題もある。また、全体のシステ
ムを構成する場合、従来のＭＯＳ等のシリコンデバイス
との集積化も考えられ、この場合、量子箱をシリコンか
ら構成することが望ましい。

【０００６】本発明は、化合物半導体材料から構成され
た量子箱集合素子のこれらの問題を解決することを目的
とし、光に対して活性を有する、ＩＶ族元素を用いた量
子箱集合素子、及びかかる量子箱集合素子を用いた光入
出力方法を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様に関
する量子箱集合素子は、２種のＩＶ族元素混晶から成る
混晶層と、ＩＶ族元素から成る量子箱とから構成され、
混晶層と量子箱との間にタイプＩＩヘテロ接合超格子が
形成されていることを特徴とする。混晶層をＳｉＧｅか
ら構成し、量子箱を混晶層上に形成されたＳｉあるいは
Ｇｅから構成することができる。量子箱集合素子は、量
子箱を被覆する障壁層と、電場を形成するために、量子
箱と離間して設けられた電極とを更に備えることができ
る。

【０００８】また、本発明の第２の態様に関する量子箱
集合素子は、２種のＩＶ族元素混晶から成る混晶層と、
この混晶層を構成するＩＶ族元素混晶における混晶比と
は異なる混晶比を有する２種のＩＶ族元素混晶から成る
量子箱とから構成され、混晶層と量子箱との間にタイプ
ＩＩヘテロ接合超格子が形成されていることを特徴とす
る。混晶層をＳｉＧｅから構成し、量子箱を混晶層上に
形成されたＳｉＧｅから構成することができる。量子箱
集合素子は、量子箱を被覆する障壁層と、電場を形成す
るために、量子箱と離間して設けられた電極とを更に備
えることができる。

【０００９】これらの量子箱集合素子における障壁層は
ＳｉＯ₂から構成することができる。また、電極は、障
壁層の上に設けられた透明電極材料から成る上部電極、
あるいは量子箱の上方に一種の窓を有する上部電極とす
ることが望ましい。

【００１０】本発明の量子箱集合素子における光入出力
方法では、２種のＩＶ族元素混晶から成る混晶層と、Ｉ
Ｖ族元素から成る量子箱若しくは混晶層を構成するＩＶ
族元素混晶における混晶比とは異なる混晶比を有する２
種のＩＶ族元素混晶から成る量子箱とから構成され、混
晶層と量子箱との間にタイプＩＩヘテロ接合超格子が形
成されている量子箱集合素子が用いられる。そして、こ
の第１の態様に関する量子箱集合素子における光入出力
方法は、（イ）電場を形成した状態で混晶層に光を照射
し、それによって生成した電子を量子箱に捕捉する工程
と、（ロ）逆の電場を形成して、量子箱に捕捉された電
子を、外部から供給された正孔と再結合させることによ
って発光させる工程、から成ることを特徴とする。

【００１１】本発明の量子箱集合素子における光入出力
方法では、混晶層をＳｉＧｅから構成し、量子箱を混晶
層上に形成されたＳｉ、Ｇｅ又はＳｉＧｅから構成し、
量子箱集合素子には、量子箱を被覆する障壁層が更に備
えられていることが望ましい。尚、障壁層はＳｉＯ₂か
ら構成することができる。

【００１２】本発明においては、量子箱は２次元アレー
状に周期的に配置されていても、非周期的に配置されて
いてもよい。量子箱の大きさは２ｎｍ乃至５０ｎｍであ
る。通常、量子箱中には１個乃至数個の電子が存在す
る。尚、量子箱は量子ドットと呼ばれることもある。

【００１３】

【作用】例えば、ＩＶ族元素であるＳｉと、２種のＩＶ
族元素混晶から成る混晶であるＳｉＧｅから構成される
ヘテロ接合超格子は、これらの格子定数の相違からスト
レインが入り、ストレインの入り方によってバンド構造
は大きく変化する。バルクのＳｉ上にＳｉＧｅを成長さ
せると、ＳｉＧｅがＳｉの格子定数で配列し、図９の
（Ｂ）に示すようなバンド構造を有するタイプＩヘテロ
接合超格子が形成される。一方、バルクのＳｉＧｅ上に
Ｓｉをエピタキシャル成長させてＳｉ薄膜を形成した場
合、図９の（Ａ）に示すようなバンド構造を有するタイ
プＩＩヘテロ接合超格子が形成される。本発明において
は、このタイプＩＩヘテロ接合超格子を利用する。

【００１４】混晶層は光に対して活性である。一方、量
子箱は光に対して不活性である。従って、混晶層に入射
した光によって、混晶層内に電子−正孔の対生成が生じ
る。量子箱集合素子内に所定の電場を形成しておけば、
混晶層と量子箱との間にタイプＩＩヘテロ接合超格子が
形成されているので、生成した電子が量子箱に捕捉され
る。

【００１５】量子箱に捕捉されたときとは逆の電場を量
子箱集合素子内に形成すれば、量子箱に捕捉された電子
は、外部から供給された正孔と再結合する。その結果、
発光が生じ、量子箱集合素子から光が射出されるので、
この光を検出することによって、量子箱集合素子におけ
る電子等の分布を知ることができる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して、実施例に基づき本発
明を説明する。

【００１７】（本発明の量子箱集合素子の構造）本発明
の量子箱集合素子の模式的な断面図を図１に示す。この
量子箱集合素子は、２種のＩＶ族元素混晶から成る混晶
層２０と、ＩＶ族元素から成る量子箱３０とから構成さ
れており、混晶層２０と量子箱３０との間には、図９の
（Ａ）に示したタイプＩＩヘテロ接合超格子が形成され
ている。より具体的には、２種のＩＶ族元素混晶から成
る混晶層２０はｉ型のＳｉＧｅから構成されており、Ｉ
Ｖ族元素から成る量子箱３０はＳｉから構成されてい
る。量子箱３０は、図１の紙面垂直方向にも形成されて
おり、２次元アレー状に配置されている。

【００１８】本発明の量子箱集合素子は、更に、量子箱
３０を被覆するＳｉＯ₂から成る障壁層４０を備えてい
る。また、障壁層４０の頂面に、例えば透明なＩＴＯ膜
から成る上部電極４２が備えられている。更には、Ｓｉ
Ｇｅから成る混晶層２０の下方に、下部電極として機能
する高濃度不純物領域１４が形成されている。尚、混晶
層２０の混晶比は、Ｓｉ：５０atom％、Ｇｅ：５０atom
％である。

【００１９】量子箱集合素子を、２種のＩＶ族元素混晶
から成る混晶層と、この混晶層を構成するＩＶ族元素混
晶における混晶比とは異なる混晶比を有する２種のＩＶ
族元素混晶から成る量子箱とから構成することもでき
る。そして、混晶層と量子箱との間にはタイプＩＩヘテ
ロ接合超格子が形成されている。この場合、混晶層を例
えばＳｉとＧｅの混晶から構成し、混晶比を、例えば、
Ｓｉ：４０atom％、Ｇｅ：６０atom％とする。また、量
子箱もＳｉとＧｅの混晶から構成し、混晶比を、例え
ば、Ｓｉ：９０atom％、Ｇｅ：１０atom％とする。尚、
一般的には、混晶層におけるＳｉの原子百分率を量子箱
におけるＳｉの原子百分率よりも低くすればよい。尚、
このような構成の量子箱集合素子においても、量子箱３
０を被覆する障壁層４０、障壁層４０の頂面に形成され
た例えば透明なＩＴＯ膜から成る上部電極４２、混晶層
２０の下方に形成された下部電極として機能する高濃度
不純物領域１４を形成する。

【００２０】（本発明の量子箱集合素子の作製方法）図
１に示した量子箱集合素子の作製方法を、以下、図２を
参照して説明する。

【００２１】先ず、例えばシリコンウエハから成る基板
１０上に分子線エピタキシー（ＭＢＥ）技術を用いて、
ＳｉＧｅから成るバッファ層１２を形成し、次いで、バ
ッファ層１２の上にバルクのＳｉＧｅ結晶を成長させ
て、十分な厚さを有するＳｉＧｅ層を形成する。その
後、ＳｉＧｅ層の必要な領域にｐ型不純物を、例えばイ
オン注入技術を用いてドーピングし、高濃度不純物領域
１４を形成する。そして、その上に、更に、ＭＢＥ技術
を用いて、十分な厚さを有するｉ型のＳｉＧｅから成る
混晶層２０を形成する（図２の（Ａ）参照）。

【００２２】次に、ＭＢＥ技術を用いて、ＳｉＧｅから
成る混晶層２０上に、例えば厚さ１０ｎｍのＳｉ層３０
Ａをエピタキシャル成長させる（図２の（Ｂ）参照）。
この結果、Ｓｉ層３０Ａと、下地である混晶層２０との
間にタイプＩＩヘテロ接合超格子が形成される。その
後、Ｓｉ層３０Ａをパターニングして、Ｓｉから成る複
数の量子箱３０を形成する（図２の（Ｃ）参照）。パタ
ーニングの際、Ｓｉ層３０Ａ上のレジスト材料の形成
は、例えば、電子ビーム照射装置の真空排気された試料
室内において所定のレジスト原料ガス雰囲気中でスポッ
ト径を十分小さく絞った電子ビームをＳｉ層３０Ａ上に
選択的に照射して、この電子ビームが照射されたＳｉ層
３０Ａの部分にレジスト原料ガスの分解生成物を堆積さ
せることで行うことができる。また、パターニングの際
におけるＳｉ層３０Ａのエッチングは、例えばＲＩＥ法
のような異方性ドライエッチング法にて行うことができ
る。量子箱３０の平面形状は、例えば矩形とすることが
できる。

【００２３】次いで、量子箱３０を含む全面に、例えば
ＣＶＤ法にてＳｉＯ₂層を堆積させて、量子箱３０をＳ
ｉＯ₂から成る障壁層４０で被覆する。その後、スパッ
タ法、リソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、
例えばＩＴＯ膜から成る上部電極４２を障壁層４０上に
形成し、図１に示した量子箱集合素子を完成させる。

【００２４】透明電極材料から上部電極を構成しない場
合には、量子箱３０をＳｉＯ₂から成る障壁層４０で被
覆した後、障壁層４０をパターニングして、障壁層４０
に量子箱３０に対応した形状の突起部４０Ａを形成する
（図３の（Ａ）参照）。パターニングの際、障壁層４０
上のレジスト材料の形成は、例えば、電子ビーム照射装
置の真空排気された試料室内において所定のレジスト原
料ガス雰囲気中でスポット径を十分小さく絞った電子ビ
ームを障壁層４０上に選択的に照射して、この電子ビー
ムが照射された障壁層４０の部分にレジスト原料ガスの
分解生成物を堆積させることで行うことができる。ま
た、突起部４０Ａを形成するための障壁層４０のエッチ
ングは、例えばＲＩＥ法のような異方性ドライエッチン
グ法にて行うことができる。

【００２５】次に、例えばアルミニウムから成る電極材
料層を障壁層４０の全面に真空蒸着法等によって形成す
る（図３の（Ｂ）参照）。この場合、電極材料層の厚さ
を障壁層４０の突起部４０Ａの高さよりも十分薄くする
ことによって、障壁層４０の突起部４０Ａ上の電極材料
層とそれ以外の部分の電極材料層とは段差によって相互
に分離される。その後、図４に示すように、障壁層４０
をウエットエッチングして、障壁層４０の突起部４０
Ａ、及びかかる突起部４０Ａ上の電極材料層を除去する
（リフトオフ）。こうして、量子箱３０の上方に一種の
窓を有する上部電極４２が形成される。この窓を通し
て、混晶層２０に光を入射させることができる。

【００２６】（本発明の量子箱集合素子の動作）図１に
示した量子箱集合素子の動作原理、即ち、本発明の光入
出力方法の原理を、以下、図５〜図７を参照して説明す
る。

【００２７】図１の線Ａ−Ａに沿ったエネルギーバンド
図を図５〜図７に示す。尚、図５〜図７において、Ｅ_C
は伝導帯の下端のエネルギー、Ｅ_Vは価電子帯の上端の
エネルギーを示す。図５に示す状態においては、量子箱
集合素子内に電場は形成されていない。

【００２８】先ず、高濃度不純物領域１４及び上部電極
４２を介して量子箱集合素子内に電場を形成する。例え
ば高濃度不純物領域１４を接地し、上部電極４２に正の
電位を印加する。電位は３Ｖ程度であればよい。このと
き、図６に示すように、エネルギーバンドは傾斜する。
この状態で、上部電極４２（あるいは上部電極に形成さ
れた窓）、障壁層４０、量子箱３０を通して、ｉ型のＳ
ｉＧｅから成る混晶層２０に光を照射する。光の波長は
ｉ型ＳｉＧｅのバンドギャップに対応させればよく、例
えば可視領域の波長を有するレーザ光を用いることがで
きる。照射された光は混晶層２０に吸収されて、混晶層
２０内で電子及び正孔が生成する。量子箱３０は間接遷
移型のＳｉから構成されているので、量子箱３０では光
の吸収が生じない。

【００２９】図６のエネルギーバンド図に示すように、
混晶層２０と量子箱３０との間にタイプＩＩヘテロ接合
超格子が形成されている。その結果、電子は形成された
電場によってＳｉから成る量子箱３０に近づき、ポテン
シャルの低い量子箱３０に捕捉される。一方、正孔は量
子箱から離れる方向に移動し、高濃度不純物領域１４に
到達して高濃度不純物領域１４に吸い込まれる。こうし
て、電子は、Ｓｉ／ＳｉＯ₂の高いバリアと、Ｓｉ／ｉ
型ＳｉＧｅバリアによって捕捉され、量子箱３０内に閉
じ込められる。Ｓｉ／ｉ型ＳｉＧｅバリアは比較的低い
ものの、量子箱集合素子内に形成された電場によって電
子は量子箱３０内に確実に閉じ込められる。

【００３０】このようにして、光照射された混晶層の領
域に対応する量子箱中に電子を捕捉し保持しながら、選
択された総ての混晶層の領域に対して光照射を行う。こ
れによって、入射光のパターンに基づいた電子分布を量
子箱集合素子に入力することができる。

【００３１】このような量子箱３０内に捕捉された電子
の量子箱集合素子における分布を検出するためには、量
子箱集合素子に上記とは逆の電場を量子箱集合素子内に
形成する。即ち、上部電極４２に負の電位を印加する。
電位は３Ｖ程度であればよい。図７に示すように、エネ
ルギーバンドは図６に示した方向とは逆の方向に傾斜す
る。このときには、高濃度不純物領域１４から正孔が混
晶層２０に注入される。そして、図７のエネルギーバン
ド図に示すように、注入された正孔は量子箱３０内に捕
捉された電子と再結合することによって発光が生じる。
こうして得られた光が量子箱集合素子から射出される。
この光を外部の光検出装置で検出し、空間分解すること
によって、量子箱集合素子における電子分布を知ること
ができる。

【００３２】このように動作する本発明の量子箱集合素
子において、例えば、量子箱相互の間隔を狭く（例えば
５ｎｍ程度）すれば、電子は量子力学的トンネリングに
より複数の量子箱間を伝導し、量子箱集合素子に入力さ
れた電子分布は経時的に変化する。所定時間の経過後、
電子分布を検出することによって、多様な情報処理を行
うことができる。

【００３３】あるいは又、このように動作する本発明の
量子箱集合素子を光検出装置として用いることができ
る。即ち、図８に模式的な断面図を示すように、量子箱
３０が形成された領域以外の混晶層２０に電極５０Ａ，
５０Ｂを設け、これらの電極５０Ａ，５０Ｂ間にバイア
スを印加しておく。これらの電極５０Ａ，５０Ｂ間の領
域に光が入射すると、混晶層２０に生成した電子が量子
箱３０を介して電極５０Ａ又は５０Ｂに到達し、電流と
して観察される。即ち、量子箱集合素子に光が照射した
か否か、あるいは又、量子箱集合素子の特定の領域に光
が照射したか否かを、更には又、どの程度の数の量子箱
に光が照射されたかなどを、電極５０Ａ，５０Ｂ間に流
れる電流の有無あるいは電流の値によって検出すること
ができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明により、ＩＶ族元素から構成され
た量子箱集合素子を提供することができる。ＩＶ族元素
は材料的に安定しているので、混晶層や量子箱を安定し
て形成することができ、しかも、作製された量子箱集合
素子の信頼性も高い。また、量子箱中の電子等は、事実
上量子箱を構成するＩＶ族元素と障壁層の高いバリアで
確実に閉じ込められる。ＳｉＯ₂は誘電率が低いので、
障壁層をＳｉＯ₂から構成することによって、大きな電
子間相互作用を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の量子箱集合素子の模式的な断面図であ
る。

【図２】本発明の量子箱集合素子の作製工程を説明する
ための模式的な断面図である。

【図３】図２とは一部の工程が異なる本発明の量子箱集
合素子の作製工程の一部を説明するための模式的な断面
図である。

【図４】図３に引き続き、本発明の量子箱集合素子の作
製工程の一部を説明するための模式的な断面図である。

【図５】電場が形成されていない状態の本発明の量子箱
集合素子のエネルギーバンド図である。

【図６】光の入射時の本発明の量子箱集合素子のエネル
ギーバンド図である。

【図７】光の射出時の本発明の量子箱集合素子のエネル
ギーバンド図である。

【図８】光検出装置として用いる場合の本発明の量子箱
集合素子の模式的な断面図である。

【図９】タイプＩ及びタイプＩＩのヘテロ接合超格子の
バンド構造を説明するための図である。

【符号の説明】

１０基板１２バッファ層１４高濃度不純物領域２０混晶層３０量子箱３０ＡＳｉ層４０障壁層４２上部電極５０Ａ，５０Ｂ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２種のＩＶ族元素混晶から成る混晶層と、
ＩＶ族元素から成る量子箱とから構成され、混晶層と量
子箱との間にタイプＩＩヘテロ接合超格子が形成されて
いることを特徴とする量子箱集合素子。
【請求項２】前記混晶層はＳｉＧｅから成り、量子箱は
Ｓｉから成り且つ混晶層上に形成されており、量子箱を
被覆する障壁層と、電場を形成するために、量子箱と離
間して設けられた電極とを更に備えていることを特徴と
する請求項１に記載の量子箱集合素子。
【請求項３】２種のＩＶ族元素混晶から成る混晶層と、
該混晶層を構成するＩＶ族元素混晶における混晶比とは
異なる混晶比を有する２種のＩＶ族元素混晶から成る量
子箱とから構成され、混晶層と量子箱との間にタイプＩ
Ｉヘテロ接合超格子が形成されていることを特徴とする
量子箱集合素子。
【請求項４】前記混晶層はＳｉＧｅから成り、量子箱は
ＳｉＧｅから成り且つ混晶層上に形成されており、量子
箱を被覆する障壁層と、電場を形成するために、量子箱
と離間して設けられた電極とを更に備えていることを特
徴とする請求項３に記載の量子箱集合素子。
【請求項５】前記障壁層はＳｉＯ₂から成ることを特徴
とする請求項２又は請求項４に記載の量子箱集合素子。
【請求項６】２種のＩＶ族元素混晶から成る混晶層と、
ＩＶ族元素から成る量子箱若しくは混晶層を構成するＩ
Ｖ族元素混晶における混晶比とは異なる混晶比を有する
２種のＩＶ族元素混晶から成る量子箱とから構成され、
混晶層と量子箱との間にタイプＩＩヘテロ接合超格子が
形成されている量子箱集合素子において、（イ）電場を形成した状態で混晶層に光を照射し、それ
によって生成した電子を量子箱に捕捉する工程と、（ロ）逆の電場を形成して、量子箱に捕捉された電子
を、外部から供給された正孔と再結合させることによっ
て発光させる工程、から成ることを特徴とする量子箱集合素子における光入
出力方法。
【請求項７】前記混晶層はＳｉＧｅから成り、量子箱は
Ｓｉ又はＳｉＧｅから成り且つ混晶層上に形成されてお
り、量子箱集合素子は量子箱を被覆する障壁層を更に備
えていることを特徴とする請求項６に記載の量子箱集合
素子における光入出力方法。
【請求項８】前記障壁層はＳｉＯ₂から成ることを特徴
とする請求項７に記載の量子箱集合素子における光入出
力方法。