(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面内に互いに隣接して配列された複数の量子箱がチャネル領域に設けられている電界効果トランジスタにおいて、
ゲート電極の電位の上昇に従って、上記複数の量子箱から成る系の電子密度が一量子箱当たり一電子に対応するハーフフィルドの状態となって微分負抵抗が観測されるように構成されている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
上記複数の量子箱の上にゲート電極が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
上記チャネル領域の上部に電子供給層が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
上記量子箱が化合物半導体ヘテロ接合により形成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
上記化合物半導体ヘテロ接合がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合またはＡｌＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合であることを特徴とする請求項４記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
上記量子箱が半導体と絶縁体との接合により形成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の電界効果トランジスタ。
【請求項７】
上記半導体がＩＶ族元素から成り、上記絶縁体がＩＶ族元素と酸素との化合物から成ることを特徴とする請求項６記載の電界効果トランジスタ。
【請求項８】
上記半導体がＳｉであり、上記絶縁体がＳｉＯ2 であることを特徴とする請求項６記載の電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電界効果トランジスタに関し、特に、いわゆる量子箱（量子ドットとも呼ばれる）を用いた、微分負抵抗を有する電界効果トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微分負抵抗を有するトランジスタは、高機能デバイスとして大いに期待されている。その一つの理由は、その電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）に現れる強い非線形性を利用して、より少ない数のトランジスタにより論理回路を構成することができることが知られているからである。配線遅延が論理ＩＣの性能に限界を与えている現状から見ても、この利点は非常に重要である。
【０００３】
微分負抵抗を有するトランジスタは、これまでにいくつか報告されているが、そのうち最も広く知られているものは、共鳴トンネル型ホットエレクトロントランジスタ（ＲＨＥＴ）と呼ばれるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のＲＨＥＴは、共鳴トンネル現象を利用しているため、均質性の良い半導体ヘテロ接合が必要であり、従ってその構造は基板に対して縦型とせざるを得ない。ところが、このような縦型構造のＲＨＥＴは、集積化する場合には不便である。このため、集積化が容易なプレーナー型の構造の微分負抵抗を有するトランジスタの実現が期待されていた。
【０００５】
従って、この発明の目的は、微分負抵抗を有し、かつ集積化が容易なプレーナー型の構造を有する電界効果トランジスタを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
今、量子ドットを互いに隣接して二次元的に配列した量子ドットアレーについて考える。
まず、以下の説明において用いられる「トランスファー・エネルギー」の物理的意味について説明しておく。
【０００７】
中心座標が（ｒx 、ｒy ）の量子ドット１と、中心座標が（−ｒx 、−ｒy ）の量子ドット２との二つの量子ドットから成る量子ドット結合系を考える。そして、この量子ドット結合系における電子のダイナミックスを、孤立した水素原子の電子状態の厳密解から水素分子イオン（Ｈ2 + ）の電子状態を考える場合の有効な近似法として知られているＬＣＡＯ（Linear Combination of Atomic Orbitals)近似に基づいて考察する。
【０００８】
このＬＣＡＯ近似で考えると、最初は孤立していた量子ドット１および量子ドット２が互いに接近したときには、量子ドット１の電子の基底状態｜１〉および量子ドット２の電子の基底状態｜２〉のエネルギー準位Ｅ0 に幅２ΔＥの分裂が起こり、結合状態と反結合状態との二状態が得られる。これらの結合状態および反結合状態のエネルギーおよび波動関数は次のように表される。
【０００９】
【数１】
0003635683.tif 000002
【数２】
0003635683.tif 000003
ここで、ΔＥがトランスファー・エネルギーと呼ばれ、後述のように量子ドット間の電子のトンネル時間τの目安となるものである。
【００１０】
この量子ドット結合系のハミルトニアンを
【数３】
0003635683.tif 000004
と書くと、
【数４】
0003635683.tif 000005
は、次式で示されるようにこのハミルトニアンの固有状態となっている。
【数５】
0003635683.tif 000006
【００１１】
さて、今、例えば量子ドット１に電子が局在しているとすると、この状態は
【数６】
0003635683.tif 000007
と書くことができる。この状態からシュレーディンガー方程式によって時間発展させると、時刻ｔにおける状態は
【数７】
0003635683.tif 000008
となる。
【００１２】
これより、
【数８】
0003635683.tif 000009
を満たす時刻ｔになると、量子ドット１に局在していた電子は量子ドット２に到達していることがわかる。従って、このＬＣＡＯ近似の範囲で、量子ドット１から量子ドット２への電子のトンネル時間τを
【数９】
0003635683.tif 000010
と考えることができる。
【００１３】
このトンネル時間τは、より一般的には、
【数１０】
0003635683.tif 000011
と書くことができる。
【００１４】
以上より、量子ドット結合系における電子のダイナミックスを最も単純化すれば、量子ドット間のトランスファー・エネルギーΔＥの大きさに依存するトンネリングにより電子は運動することになる。
【００１５】
次に、ＬＣＡＯ近似の範囲内でのトランスファー・エネルギーΔＥの表式を求める。
【００１６】
今、一辺の長さが２ｄの単独の正方形量子ドットを考えると、そのポテンシャルエネルギーは
【数１１】
0003635683.tif 000012
である。従って、運動エネルギーをＫと書けば、この系のハミルトニアンは
【数１２】
0003635683.tif 000013
である。このハミルトニアンの基底状態を
【数１３】
0003635683.tif 000014
とし、そのエネルギーをＥ0 とすれば、
【数１４】
0003635683.tif 000015
が成り立つ。
【００１７】
これに対し、二つの正方形量子ドットから成る量子ドット結合系のハミルトニアンは、次式のように書くことができる。
【００１８】
【数１５】
0003635683.tif 000016
ただし、一方の量子ドットの中心座標および他方の量子ドットの中心座標をすでに述べたように書くと、
【数１６】
0003635683.tif 000017
である。
【００１９】
一方、(10)式で示される単独正方形量子ドットのハミルトニアンの基底状態の波動関数は
【数１７】
0003635683.tif 000018
であるが、
【数１８】
0003635683.tif 000019
はそれぞれ、
【数１９】
0003635683.tif 000020
を満たしている。
【００２０】
以上の準備ができたところで、(12)式で示される量子ドット結合系のハミルトニアンのエネルギー固有値を、(15)式で示される単独正方形量子ドットの固有状態の張る二次元部分空間上で求める。この(15)式で示される二つの固有状態は互いに直交していないので、まず直交基底を構成すると、これは例えば以下のようになる。
【００２１】
【数２０】
0003635683.tif 000021
【００２２】
この直交基底でハミルトニアン行列要素を計算すると、
【数２１】
0003635683.tif 000022
【数２２】
0003635683.tif 000023
【数２３】
0003635683.tif 000024
【数２４】
0003635683.tif 000025
となる。ただし、これらの行列要素の計算においては、(16)式および次の式を用いた。
【００２３】
【数２５】
0003635683.tif 000026
【００２４】
(20)式および(21)式からわかるようにハミルトニアン行列の非対角要素は０であるので、このハミルトニアン行列は実は対角化されている。従って、エネルギー固有値は
【数２６】
0003635683.tif 000027
であり、その固有ベクトルがそれぞれ、
【数２７】
0003635683.tif 000028
となっている。
【００２５】
(18)式および(19)式の中で、波動関数の局在性より、
【数２８】
0003635683.tif 000029
が言えるので、エネルギーとして
【数２９】
0003635683.tif 000030
のように考えることができる。
【００２６】
以上、トランスファー・エネルギーΔＥについて説明したが、このトランスファー・エネルギーΔＥが小さい場合には、電子は各量子ドットに局在し、量子ドット間のトンネリングによる電子の運動は抑制され、逆に、トランスファー・エネルギーΔＥが大きい場合には、電子は量子ドット間をトンネリングにより運動する。
【００２７】
さて、今、量子ドットアレーを構成する各量子ドットの大きさが例えば１０ｎｍ程度、量子ドット間の間隔が例えば５ｎｍ程度であるとする。このような量子ドットアレーの量子ドット間のトランスファー・エネルギーΔＥは、ある程度大きな値（例えば、１０ｍｅＶ程度）となり、量子ドットアレーの電子密度が小さい範囲では金属的伝導が生じる。しかし、量子ドットアレーの電子密度が上昇して一量子ドット当たり一電子の電子密度（この電子密度に対応する状態はハーフフィルド（half filled)と呼ばれる）になると、電子間相互作用のために各電子は各量子ドットに閉じ込められ、量子ドット間を伝導することができなくなる。このような状態にある系はモット（Mott）絶縁体と呼ばれている。このときの状況は、ハバード（Hubbard)ギャップによって互いに分離された二つのサブバンドのうちの低エネルギー側のサブバンドに電子が詰まったものと考えることができる（図１０）。量子ドットアレーの電子密度がハーフフィルドを超えると、ハバードギャップの高エネルギー側のサブバンドに電子が詰まっていき、再び金属的伝導が可能となる（図１１）。なお、図１０および図１１において、εF はフェルミエネルギーである。
【００２８】
次に、量子ドット結合系、すなわち結合量子ドットのエネルギー準位の計算例について説明する。
この結合量子ドットは化合物半導体ヘテロ接合により構成するとする。この化合物半導体ヘテロ接合により閉じ込められた結合量子ドット中の電子系は、矩形ポテンシャルの問題としてモデル化することができる。そして、量子ドット中の二電子系は以下のハミルトニアンで記述することができる。
【００２９】
【数３０】
0003635683.tif 000031
【数３１】
0003635683.tif 000032
【数３２】
0003635683.tif 000033
ただし、ｊは結合量子ドットを構成する量子ドットを示す番号であり、ｊ＝１、２が二つの量子ドットを表す。また、Ｖ（ｘ、ｙ）は一体ポテンシャル、ε0 は真空の誘電率、εr は比誘電率、ｅは電子電荷の絶対値を表す。
【００３０】
ここで、半導体中の一電子系は材料によって決まる有効質量ｍ＊（ｘ、ｙ）で記述することができると仮定し、また、量子ドットを構成する化合物半導体ヘテロ接合としてＡｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓ／ＧａＡｓヘテロ接合を用いるとする。そして、有効質量ｍ＊（ｘ、ｙ）としては、量子ドットの内部ではＧａＡｓ中の電子の有効質量０．０６７ｍ0 （＝ｍin）、量子ドットの外部ではＡｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓ中の電子の有効質量０．１０４ｍ0 （＝ｍout ）を用いる。ただし、ｍ0 は真空中の電子の質量である。また、(27)式中のＶ0 としては、このＡｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓ／ＧａＡｓヘテロ接合のバンド・オフセット値０．３６ｅＶを用いる。この場合、電子間相互作用はクーロン相互作用であり、比誘電率εr としてはＧａＡｓの比誘電率１０．９を用いる。結合量子ドットの形状は、一体ポテンシャルＶ（ｘ、ｙ）の関数形によって導入される。(26)式のハミルトニアンの行列要素を調和振動子の基底関数で構成し、数値的にハミルトニアン行列を対角化することによりエネルギー固有値を得ることができる。
【００３１】
実際の計算で用いた結合量子ドットの配置を図１２に示す。ここでは、一辺Ｌの正方形量子ドットにスペースを入れ、二つの同等な量子ドット対に分割することにより結合量子ドットを構成する。このスペースは幅ｄを有し、この部分が量子ドット間のトンネル障壁となる。図１２に示すように、結合量子ドットの結合方向をｘ軸とし、これと直交する方向をｙ軸とする。量子状態のパリティーによる分類は、これらの二つの軸について行うことにする。
【００３２】
ここで行った計算では、図１２に示す量子ドットの長い方の一辺の長さＬを５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍおよび２０ｎｍに変えた。図１３、図１４、図１５および図１６にそれぞれＬ＝５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍおよび２０ｎｍの場合に得られた一電子当たりのエネルギー準位の計算結果を示す。ここで、図１３、図１４、図１５および図１６の横軸は量子ドット間の間隔ｄである。
【００３３】
典型的な例であるＬ＝１０ｎｍの場合に得られたエネルギー準位を示す図１４において、ｄが０のときは単独の正方形量子ドットに対応し、そのときのエネルギー準位の統計的性質は、一電子状態にパウリの排他律を満たして電子を二つ詰めたものと類似する。ここで、電子間相関が効いていない理由は、量子ドットの大きさが小さく、電子が互いに避け合うことができないことに起因している。ｄが１ｎｍになると、エネルギー準位は単独の正方形量子ドット（ｄ＝０）に比べて相当変化するが、単独の基底状態が依然として存在していることがわかる。さらに、ｄが２ｎｍから３ｎｍになると、スピン一重項の基底状態はスピン三重項の励起状態に接近し、基底状態の縮退傾向が明白である。このときの状況はモット絶縁体と解釈することができ、電子は各量子ドットに局在し、スピンの自由度のみが残される。
【００３４】
この基底状態近傍の四状態は、ハイゼンベルグ（Heisenberg）モデル
【数３３】
0003635683.tif 000034
【数３４】
0003635683.tif 000035
【数３５】
0003635683.tif 000036
による記述が可能であり、そのスプリット幅が｜Ｊ｜の値を決める。ただし、Ｊは交換積分、Ｓは全スピン角運動量、σはパウリ行列を表す。以上の四状態よりエネルギーの高い二状態は、電子が片方の量子ドットに二つ入った状態であり、結局、合計六状態をハバードモデル
【数３６】
0003635683.tif 000037
で記述することができる。
【００３５】
この場合、四重縮退の基底状態エネルギーと二重縮退の励起状態エネルギーとの差の二倍がオンサイト・クーロン・エネルギーＵj を決めることになる。このオンサイト・クーロン・エネルギーＵj は、一つの量子ドットに電子が二つ入ったときにそれらの間に働くクーロン力により上昇するエネルギーである。Ｕj はＬ＝１０ｎｍの場合は３０ｍｅＶ程度になり、室温における熱エネルギー２６ｍｅＶよりも大きくとることができる。
【００３６】
図１４において、ｄが４ｎｍを超えると、上述の六状態よりもエネルギーが高い状態でも縮退傾向が顕著になってくる。上位の状態が縮退するためには、比較的大きいｄが必要とされるが、これは実効的なトンネル障壁の高さの違いに起因している。ｄが５ｎｍ以上では縮退が完全になり、ｄの増加に伴って基底状態エネルギーは減少する。
【００３７】
Ｌ＝５ｎｍ、１５ｎｍおよび２０ｎｍの図１３、図１５および図１６の場合も上述と同様な傾向を示すが、例えばＬ＝２０ｎｍの場合は、量子ドット間の間隔ｄを１ｎｍ程度に設計する必要があることがわかる。
【００３８】
この発明は、以上のような検討や計算結果により得られた知見に基づいて鋭意研究を行った結果案出されたものである。
すなわち、上記目的を達成するために、この発明による電界効果トランジスタは、
一面内に互いに隣接して配列された複数の量子箱（ＱＤ）がチャネル領域に設けられている電界効果トランジスタにおいて、
ゲート電極の電位の上昇に従って、複数の量子箱（ＱＤ）から成る系の電子密度が一量子箱当たり一電子に対応するハーフフィルドの状態となって微分負抵抗が観測されるように構成されている
ことを特徴とするものである。
【００３９】
ここで、各量子箱（ＱＤ）の大きさおよび量子箱（ＱＤ）間の間隔は、量子箱（ＱＤ）間のトランスファー・エネルギーが十分に大きくなり、量子箱（ＱＤ）間を電子がトンネリングにより伝導することができるように選ばれる。
【００４０】
この発明による電界効果トランジスタにおいては、複数の量子箱（ＱＤ）の上にゲート電極（Ｇ）が設けられる。
【００４１】
この発明による電界効果トランジスタの一実施形態においては、チャネル領域の上部に電子供給層（７）が設けられる。
【００４２】
この発明による電界効果トランジスタにおいて、量子箱（ＱＤ）は、好適には化合物半導体ヘテロ接合により形成される。この化合物半導体ヘテロ接合としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合やＡｌＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合を用いることができる。
【００４３】
この発明による電界効果トランジスタにおいて、量子箱（ＱＤ）は、半導体と絶縁体との接合により形成することもできる。この半導体と絶縁体との接合において、典型的には、半導体は一種または複数種のＩＶ族元素から成り、絶縁体はＩＶ族元素と酸素との化合物から成る。一例を挙げると、半導体はＳｉであり、絶縁体はＳｉＯ2 である。二種類のＩＶ族元素から成る半導体の例としては、例えばＳｉＣが挙げられる。
【００４４】
【作用】
上述のように構成されたこの発明による電界効果トランジスタによれば、複数の量子箱（ＱＤ）がチャネル領域に設けられていることから、このチャネル領域の上に設けられるゲート電極（Ｇ）に電圧を印加することにより発生する電界により、複数の量子箱（ＱＤ）から成る系の電子密度を変化させることができる。そして、ゲート電極（Ｇ）に印加する電圧が小さく、かつ複数の量子箱（ＱＤ）から成る系の電子密度が低いときには、ゲート電極（Ｇ）の電位の上昇に従ってソース−ドレイン間電流が増加する。ゲート電極（Ｇ）の電位がより上昇して電子系のフェルミエネルギーがハバードギャップに近づくと、フェルミ面近傍の状態密度が減少してソース−ドレイン間電流が減少する。さらにゲート電極（Ｇ）の電位が上昇してフェルミエネルギーがハバードギャップ内に位置すると、ソース−ドレイン間電流はほとんど流れなくなり、微分負抵抗が観測される。なおもゲート電極（Ｇ）の電位が上昇してフェルミエネルギーがハバードギャップを超えると、再びソース−ドレイン間電流が流れ始める。以上のようにして、ソース−ドレイン間電流が制御される。
【００４５】
【実施例】
以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１実施例による電界効果トランジスタを示す。
【００４６】
図１に示すように、この第１実施例による電界効果トランジスタにおいては、例えば半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、好適には、図示省略したバッファ層を介して、障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２が設けられている。このＡｌＧａＡｓ層２のうちのチャネル領域となる部分には、量子井戸部としての、箱状の形状を有するＧａＡｓ層３が所定の配置で一平面内に二次元的に複数個埋め込まれている。そして、障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２により量子井戸部としてのＧａＡｓ層３の周囲が取り囲まれた構造によりＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合による量子ドットＱＤが形成され、この量子ドットＱＤが上記一平面内に二次元的に複数個配列されて二次元の量子ドットアレーが形成されている。
【００４７】
この場合、各量子ドットＱＤの大きさおよびこの量子ドットＱＤ間の間隔は、量子ドットＱＤ間のトランスファー・エネルギーが十分に大きく、量子ドットＱＤ間を電子がトンネリングにより伝導することができるように選ばれる。具体的には、例えば、量子ドットＱＤの大きさは１０ｎｍ程度に選ばれ、量子ドットＱＤ間の間隔は５ｎｍ程度に選ばれる。
【００４８】
上述の量子ドットアレーの一端側および他端側には、例えばｎ+ 型のソース領域４およびドレイン領域５が設けられている。これらのソース領域４およびドレイン領域５の上には、それぞれソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄがこれらのソース領域４およびドレイン領域５とオーミックコンタクトして設けられている。さらに、これらのソース領域４およびドレイン領域５の間の部分におけるＡｌＧａＡｓ層２上にはゲート電極Ｇが設けられている。このゲート電極ＧとＡｌＧａＡｓ層２とはショットキー接合を形成している。これらのゲート電極Ｇ、ソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄはいずれも金属により形成されている。
【００４９】
次に、上述のように構成されたこの第１実施例による電界効果トランジスタの動作について説明する。
ゲート電極Ｇに印加するバイアス電圧、すなわちゲート電圧を増加させることにより、チャネル領域に設けられた量子ドットアレー中に周囲から電子が流れ込み、それによって量子ドットアレーの電子密度が増加する。そして、ゲート電圧が小さく、かつ量子ドットアレーの電子密度が低いときには、ゲート電圧が増加するに従ってソース−ドレイン間電流が増加する。ゲート電圧がさらに大きくなって、量子ドットアレー中の電子系のフェルミエネルギーがハバードギャップに近づくと、フェルミ面近傍の状態密度が減少してソース−ドレイン間電流が減少する。ゲート電圧がさらに増加してフェルミエネルギーがハバードギャップ内に位置すると、ソース−ドレイン間電流はほとんど流れなくなり、微分負抵抗が観測される。なおもゲート電圧が増加してフェルミエネルギーがハバードギャップを超えると、再びソース−ドレイン間電流が流れ始める。以上の原理に従い、ソース−ドレイン間電流の制御が行われる。
【００５０】
次に、上述のように構成されたこの第１実施例による電界効果トランジスタの製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ＡｌＧａＡｓ層２ａ、ＧａＡｓ層３およびＡｌＧａＡｓ層２ｂを順次エピタキシャル成長させる。次に、形成すべき量子ドットに対応する部分におけるＡｌＧａＡｓ層２ｂ上に例えば電子ビームリソグラフィー法によりレジストパターン６を形成する。
【００５１】
次に、このレジストパターン６をマスクとして例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により基板表面と垂直方向に異方性エッチングを行う。この異方性エッチングは、ＡｌＧａＡｓ層２ａが露出するまで行う。これによって、図３に示すように、ＧａＡｓ層３およびＡｌＧａＡｓ層２ｂが四角柱状にパターニングされる。
【００５２】
次に、レジストパターン６を除去した後、図４に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により全面にＡｌＧａＡｓ層２ｃをエピタキシャル成長させて、四角柱状のＧａＡｓ層３およびＡｌＧａＡｓ層２ｂの間の部分を埋める。これによって、量子ドットアレーが形成される。
【００５３】
次に、例えば、量子ドットアレーの両側の部分におけるＡｌＧａＡｓ層２ａ、２ｂおよび２ｃ中にｎ型不純物を選択的にイオン注入し、その後必要に応じて熱処理を行って注入不純物を電気的に活性化させる。これによって、図１に示すように、量子ドットアレーの両側に、ｎ+ 型のソース領域４およびドレイン領域５が形成される。次に、例えば真空蒸着法により全面にソース電極およびドレイン電極形成用の金属膜を形成した後、この金属膜をエッチングによりパターニングして、ソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄを形成する。この後、熱処理を行うことによりこれらのソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄをそれぞれソース領域４およびドレイン領域５にオーミックコンタクトさせる。次に、例えば真空蒸着法により全面にゲート電極形成用の金属膜を形成した後、この金属膜をエッチングによりパターニングして、ゲート電極Ｇを形成する。
以上により、目的とする電界効果トランジスタが完成する。
【００５４】
以上のように、この第１実施例によれば、量子ドットＱＤ間を電子がトンネリングにより伝導することができる結合量子ドットアレーをチャネル領域に設けていることにより、微分負抵抗を有する電界効果トランジスタを実現することができる。また、この電界効果トランジスタは、すでに述べた従来のＲＨＥＴのように縦型の構造ではなく、プレーナー型の構造を有するので、同一基板上に集積化する場合に有利である。
【００５５】
この第１実施例による電界効果トランジスタは、例えば論理ＩＣを構成するのに用いて好適なものである。
【００５６】
図５はこの発明の第２実施例による電界効果トランジスタを示す。
図５に示すように、この第２実施例による電界効果トランジスタにおいては、チャネル領域の上部に電子供給層としてのｎ型ＡｌＧａＡｓ層７が設けられている。この第２実施例による電界効果トランジスタの他の構成およびその製造方法は上述の第１実施例による電界効果トランジスタと同様であるので、説明を省略する。
【００５７】
この第２実施例によれば、上述の第１実施例と同様な利点に加えて、量子ドットアレー中に入れる電子としてｎ型ＡｌＧａＡｓ層７から供給される電子を用いることができるので、小さなゲート電圧で量子ドットアレーの電子密度を変化させることができるという利点を得ることができる。
【００５８】
図６はこの発明の第３実施例による電界効果トランジスタを示す。
図６に示すように、この第３実施例による電界効果トランジスタにおいては、例えばガラス基板１１上に、好適には、図示省略したバッファ層を介して、量子井戸部としての微細なＳｉ結晶粒１２が所定の配置で二次元的に複数個配列されている。これらのＳｉ結晶粒１２の表面には障壁層としてのＳｉＯ2 膜１３が連続的に形成されており、これらのＳｉ結晶粒１２はこのＳｉＯ2 膜１３により互いに絶縁されている。そして、障壁層としてのＳｉＯ2 膜１３により量子井戸部としてのＳｉ結晶粒１２の周囲が取り囲まれた構造によりＳｉ／ＳｉＯ2 接合による量子ドットＱＤが形成され、この量子ドットＱＤがガラス基板１１上に複数個配列されて二次元の量子ドットアレーが形成されている。この第３実施例においては、この量子ドットアレーによりチャネル領域が構成されている。
【００５９】
第１実施例と同様に、各量子ドットＱＤの大きさおよびこの量子ドットＱＤ間の間隔は、量子ドットＱＤ間のトランスファー・エネルギーが十分に大きく、量子ドットＱＤ間を電子がトンネリングにより伝導することができるように選ばれる。具体的には、量子ドットＱＤの大きさは例えば２〜５０ｎｍに選ばれ、量子ドットＱＤ間の間隔、すなわち量子ドットＱＤ間の障壁層としてのＳｉＯ2 膜１３の厚さは例えば数ｎｍ〜数十ｎｍに選ばれる。
【００６０】
上述の量子ドットアレーの一端側および他端側には、それぞれソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄが設けられている。さらに、これらのソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄの間の部分における量子ドットアレーの上には、例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１４を介して、ゲート電極Ｇが設けられている。これらのゲート電極Ｇ、ソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄはいずれも金属により形成されている。
【００６１】
この第３実施例による電界効果トランジスタの動作は第１実施例による電界効果トランジスタの動作と同一であるので、説明を省略する。
【００６２】
次に、上述のように構成されたこの第３実施例による電界効果トランジスタの製造方法について説明する。
【００６３】
まず、図７に示すように、ガラス基板１１上に、例えばＣＶＤ法により多結晶Ｓｉ膜１５を形成する。この多結晶Ｓｉ膜１５の厚さにより量子ドットＱＤの大きさが決定されることになるので、この多結晶Ｓｉ膜１５の厚さは例えば１０〜１００ｎｍ、具体的には例えば１０ｎｍとする。なお、この多結晶Ｓｉ膜１５には、必要に応じて不純物をドープしてもよい。
【００６４】
次に、図７に示すように、多結晶Ｓｉ膜１５の全面にパルスレーザ光Ｌを照射する。このパルスレーザ光Ｌとしては、例えばＸｅＣｌエキシマーレーザによる波長３０８ｎｍのパルスレーザ光を用い、パルス幅は例えば３０ｎｓ、照射エネルギー密度は例えば１８０ｍＪ／ｃｍ2 とする。ここで、ガラス基板１１としては、このパルスレーザ光Ｌの照射による加熱に耐えられるものが用いられる。
【００６５】
このパルスレーザ光Ｌの照射によって多結晶Ｓｉ膜１５は瞬間的に高温に加熱されて溶融し、このパルスレーザ光Ｌの照射完了時点から冷却されて固化する。これによって、図８に示すように、均質で微細な（例えば、１０ｎｍ程度の大きさの）Ｓｉ結晶粒１２から成る多結晶Ｓｉ膜１６が形成される。このようにして形成された多結晶Ｓｉ膜１６は十分に大きな電気伝導度を有するため、Ｓｉ結晶粒１２間の界面での電子の散乱はほとんどないと考えられ、従ってＳｉ結晶粒１２間に隙間は空いていないと考えられる（J. Appl. Phys. 70, 1281(1991))。
【００６６】
次に、図９に示すように、熱酸化を行うことにより、Ｓｉ結晶粒１２の表面を酸化してＳｉＯ2 膜１３を形成する。この熱酸化は、例えば、窒素ガスで希釈した酸素ガス雰囲気中において、９５０℃で３０分間行う。この熱酸化時には、外部から取り込まれた酸素がＳｉ結晶粒１２間の界面上を拡散してＳｉ結晶粒１２に侵入することにより、Ｓｉ結晶粒１２の周囲を取り囲むようにＳｉＯ2 膜１３が形成される。ここで、この熱酸化の制御性は非常に高く、Ｓｉ結晶粒１２間のＳｉＯ2 膜１３の厚さ、すなわち量子ドットＱＤ間の障壁層の厚さを数ｎｍとすることも容易である。
【００６７】
以上のようにして、微細なＳｉ結晶粒１２がＳｉＯ2 膜１３により取り囲まれた構造の量子ドットＱＤが二次元的に複数個配列された量子ドットアレーが形成される。なお、このような微細な量子ドットＱＤは、例えば、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）による電界効果トランジスタの断面観察やフォトルミネッセンススペクトルにおけるブルーシフトによって観察することができる。
【００６８】
次に、ゲート電極形成部を含む所定部分における量子ドットアレー上に例えばレジストから成るマスク（図示せず）を形成した後、図６に示すように、このマスクで覆われていない部分における量子ドットアレー上に例えばＣＶＤ法により例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１４を形成し、さらにこの絶縁膜１４上にゲート電極Ｇを形成する。次に、このマスクを除去した後、この絶縁膜１４の両側の部分における量子ドットアレー上にソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄを形成する。
以上により、目的とする電界効果トランジスタが完成する。
【００６９】
以上のように、この第３実施例によれば、Ｓｉ／ＳｉＯ2 接合による量子ドットＱＤが二次元的に複数個配列された量子ドットアレーによりチャネル領域が構成された、微分負抵抗を有する電界効果トランジスタを実現することができる。また、この電界効果トランジスタは、プレーナー型の構造を有するので、同一基板上に集積する場合に有利である。
【００７０】
この第３実施例による電界効果トランジスタは、大面積のものが容易に入手可能なガラス基板１１上に形成することができることから、大面積の集積回路への応用が可能である。具体的には、例えば、この第３実施例による電界効果トランジスタは、液晶ディスプレイのドライバーに適用して有効なものである。
【００７１】
以上、この発明の実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００７２】
例えば、上述の第１実施例および第２実施例においては、量子ドットＱＤをＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成しているが、この量子ドットＱＤは例えばＡｌＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成してもよい。
【００７３】
また、上述の第３実施例においては、ガラス基板１１上に量子ドットアレーを形成しているが、ガラス基板１１の代わりに、石英基板、Ｓｉ基板などを用いてもよい。さらに、Ｓｉ結晶粒１２から成る多結晶Ｓｉ膜１６を形成するための出発物質となる多結晶Ｓｉ膜１５の代わりに、非晶質Ｓｉ膜を用いてもよい。さらにまた、絶縁膜１４としては、ＳｉＯ2 膜以外に、例えばＳｉ3 Ｎ4 膜などを用いてもよい。また、パルスレーザ光Ｌとしては、例えば、ＫｒＦエキシマーレーザによる波長２４８ｎｍのパルスレーザ光やＸｅＦエキシマーレーザによる波長３５０ｎｍのパルスレーザ光を用いてもよい。
【００７４】
また、上述の第３実施例においては、パルスレーザ光Ｌの照射による熱処理、すなわちレーザアニールにより微細なＳｉ結晶粒１２から成る多結晶Ｓｉ膜１６を形成しているが、場合によっては、レーザアニール以外の方法、例えば通常の熱処理炉によるアニールを行うことにより微細なＳｉ結晶粒１２から成る多結晶Ｓｉ膜１６を形成するようにしてもよい。この熱処理の温度は２００〜１０００℃である。
【００７５】
また、上述の第１実施例、第２実施例および第３実施例においては、量子ドットが二次元的に配列された二次元の量子ドットアレーを用いた場合について説明したが、必要に応じて、量子ドットが一次元的または三次元的に配列された一次元または三次元の量子ドットアレーを用いてもよい。
【００７６】
例えば、第３実施例における二次元の量子ドットアレーを複数段積層することにより三次元の量子ドットアレーを形成することができる。このような三次元の量子ドットアレーは、第３実施例において述べた二次元の量子ドットアレーの形成方法を繰り返し用いて二次元の量子ドットアレーを複数段積層すればよい。この場合、各量子ドットアレーの間に必要に応じて例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜を形成してもよい。
【００７７】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、一面内に互いに隣接して配列された複数の量子箱がチャネル領域に設けられているので、微分負抵抗を有し、かつ集積化が容易なプレーナー型の構造を有する電界効果トランジスタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例による電界効果トランジスタを示す斜視図である。
【図２】この発明の第１実施例による電界効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図である。
【図３】この発明の第１実施例による電界効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図である。
【図４】この発明の第１実施例による電界効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図である。
【図５】この発明の第２実施例による電界効果トランジスタを示す斜視図である。
【図６】この発明の第３実施例による電界効果トランジスタを示す斜視図である。
【図７】この発明の第３実施例による電界効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図である。
【図８】この発明の第３実施例による電界効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図である。
【図９】この発明の第３実施例による電界効果トランジスタの製造方法を説明するための斜視図である。
【図１０】量子ドットアレーの電子密度の変化による電子分布の変化を説明するための略線図である。
【図１１】量子ドットアレーの電子密度の変化による電子分布の変化を説明するための略線図である。
【図１２】量子ドットアレーのエネルギー準位の計算例で用いた結合量子ドットの配置を示す略線図である。
【図１３】量子ドットアレーのエネルギー準位の計算結果の一例を示すグラフである。
【図１４】量子ドットアレーのエネルギー準位の計算結果の一例を示すグラフである。
【図１５】量子ドットアレーのエネルギー準位の計算結果の一例を示すグラフである。
【図１６】量子ドットアレーのエネルギー準位の計算結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１  半絶縁性ＧａＡｓ基板
２  ＡｌＧａＡｓ層
３  ＧａＡｓ層
４  ソース領域
５  ドレイン領域
１１  ガラス基板
１２  Ｓｉ結晶粒
１３  ＳｉＯ2 膜
１４  絶縁膜
ＱＤ  量子ドット
Ｓ  ソース電極
Ｄ  ドレイン電極
Ｇ  ゲート電極
Ｌ  パルスレーザ光
【図１】
0003635683.tif 000038
【図２】
0003635683.tif 000039
【図３】
0003635683.tif 000040
【図４】
0003635683.tif 000041
【図５】
0003635683.tif 000042
【図６】
0003635683.tif 000043
【図７】
0003635683.tif 000044
【図８】
0003635683.tif 000045
【図９】
0003635683.tif 000046
【図１０】
0003635683.tif 000047
【図１１】
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【図１２】
0003635683.tif 000049
【図１３】
0003635683.tif 000050
【図１４】
0003635683.tif 000051
【図１５】
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【図１６】
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