(57)【要約】【課題】  所望の位置に所望の大きさで量子リングを配置させることができる量子デバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】  ＡＦＭの探針２２をＧａＡｓ基板又はＡｌＧａＡｓ基板１０ａの表面に接触させ、探針２２に負のバイアスを印加し、ＧａＡｓ基板又はＡｌＧａＡｓ基板１０ａに正のバイアスを印加することにより、ドーナツ状の酸化膜１３を形成する。次いで、酸化膜１３を除去する。この結果、ＧａＡｓ基板又はＡｌＧａＡｓ基板１０ａの表面にリング状の溝２７が形成される。酸化膜１３の除去は、例えば、化学エッチング、水を用いた超音波洗浄、又は真空中での原子状水素を用いた処理等により行うことができる。その後、半導体膜３６（例えば、ＩｎＡｓ膜又はＩｎＧａＡｓ膜）を溝２７内にエピタキシャル成長させる。そして、半導体膜３６及びＧａＡｓ基板又はＡｌＧａＡｓ基板１０ａを覆うキャップ膜５０を形成する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝を形成する工程と、
前記溝内に半導体膜を成長させる工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
【請求項２】
前記半導体膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１に記載の量子デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記酸化膜を除去する工程は、前記酸化膜に対して、真空中での原子状水素を用いた処理を施す工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の量子デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記酸化膜を形成する工程の前に、前記半導体基板の表面に単一の不純物原子を付着させる工程を有し、
前記不純物原子が中心に位置するように前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記酸化膜を形成する工程と前記酸化膜を除去する工程との間に、前記酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる工程を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記不純物原子を付着させる工程の後に、熱処理により前記不純物原子を前記半導体基板中に拡散させる工程を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の量子デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記酸化膜を形成する工程の前の、前記半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
前記酸化膜を形成する工程と前記酸化膜を除去する工程との間の、前記酸化膜の周囲を酸化する工程と、
を有し、
前記酸化膜を形成する工程において、前記不純物原子の１個が中心に位置するように前記酸化膜を形成し、
前記酸化膜を除去する工程において、前記酸化膜と共にその周囲の酸化された部分を除去することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【請求項８】
半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び複数の点状の酸化膜を形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させる工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
【請求項９】
表面に環状の溝が形成された半導体基板と、
前記溝内に形成された半導体膜と、
を有することを特徴とする量子デバイス。
【請求項１０】
前記半導体基板の表面には、前記環状の溝の周囲に複数の窪みが形成され、
前記窪み内に半導体膜が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の量子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子リングを備えた量子デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、将来の電子デバイス及び光電子デバイスとして有望なものとして、量子デバイスに関する研究が行われている。このような研究の多くは、量子井戸、量子ワイヤ及び量子ドットに関するものである。また、量子リングに関する研究もなされている。例えば、特許文献３には、リングの直径が０．３μｍの量子リングが提案されている。しかし、量子計算機への応用を考慮すると、単一のキャリアを閉じ込めることができる程度の小ささが量子リングに必要とされる。また、量子リングの大きさを小さくするほど、その応用範囲が広がる。
【０００３】
なお、現在でも、直径が数１００ｎｍ程度のスプリットゲート構造の量子リングを２次元電子ガス上に製造することは可能である。例えば、非特許文献２には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）を用いたリソグラフィ技術による部分酸化によって製造された量子リングが記載されている。しかしながら、このような量子リングは表面下の２次元電子ガスに依存しており、量子効果が小さく応用範囲が狭い。
【０００４】
また、非特許文献３には、自己組織化（self-assembly）した半導体量子ドットと同様の方法で量子リングを製造する方法が記載されている。但し、この方法では、極めて薄いキャップ層を形成した後に、ポストアニールが行われている。この方法で得られる量子リングの大きさは自己組織化した半導体量子ドットの数倍と大きく、また、空間的な分布が不規則であり、更に、大きさの変動も大きい。このため、実用には向いていない。
【０００５】
一方、特許文献４には、ＡＦＭリソグラフィ技術を用いて量子ドットを所望の位置に所望の大きさで形成する方法が記載されている。
【０００６】
しかしながら、いずれの従来技術によっても、また、いずれの従来技術を参考にしても、量子リングを所望の位置に所望の大きさで形成することはできない。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１９６７２０号公報
【特許文献２】特表２００２−５１８８５１号公報
【特許文献３】特開平４−２７３４７８号公報
【特許文献４】特開２００３−３３８６１８号公報
【非特許文献１】E. Kapon et al., Phys. Rev. Lett 63, 430 (1989)
【非特許文献２】R. Held et al., Appl. Phys. Lett. 73, 262 (1998)
【非特許文献３】J. M. Garcia et al. Appl. Phys. Lett. 71, 2014 (1997)
【非特許文献４】H. Hasegawa and S. Kasai, Physics E 11, 371 (2001)
【非特許文献５】H. Z. Song et al., Phys. E 21, 625 (2004)
【非特許文献６】T. Ohshima, Phys. Rev. A 62, 062316 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、所望の位置に所望の大きさで量子リングを配置させることができる量子デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【００１０】
本願発明に係る第１の量子デバイスの製造方法では、水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜を形成した後、前記酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝を形成する。そして、前記溝内に半導体膜を成長させる。
【００１１】
本願発明に係る第２の量子デバイスの製造方法は、半導体基板の表面に不純物原子を導入した後、水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び複数の点状の酸化膜を形成する。次に、前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する。次いで、前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する。そして、前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させる。
【００１２】
本願発明に係る量子デバイスには、表面に環状の溝が形成された半導体基板と、前記溝内に形成された半導体膜と、が設けられている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、所望の大きさの量子リングを所望の位置に形成することができる。このため、量子コンピュータ等の種々の用途に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（本発明の基本的原理）
先ず、本発明の基本的原理について説明する。図１は、ＡＦＭを用いて酸化膜を形成する方法を工程順に示す模式図である。また、図２は、同じく酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。
【００１５】
図１に示すように、大気中で、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の探針２２に負のバイアスを印加し、ＧａＡｓ基板等の半導体基板１０に正のバイアスを印加して、半導体基板１０との間隔が５ｎｍ程度になるまで探針２２を半導体基板１０に近付けると、半導体基板１０の表面が部分的に酸化されて、球状又は楕円体状の酸化膜１１が形成される。これは、探針２２の近傍で大気中の水（Ｈ2Ｏ）が分解され、ＯＨ-が酸化剤として作用するからである。即ち、図２（ａ）に示すように、微小な楕円体状の酸化膜１１が生成された後、図２（ｂ）に示すように、酸化膜１１が成長する。
【００１６】
また、探針２２をより半導体基板１０に近付けた場合、例えば間隔を２ｎｍ程度とした場合には、先ず、図３（ａ）に示すように、酸化膜１２が探針２２に接触するまで成長する。その後、酸化膜１２は上下方向にそのまま成長することができず、外側に広がるように成長し始め、図３（ｂ）に示すように、酸化膜１２は探針２２を取り囲むようにしてドーナツ状に成長する。
【００１７】
そして、探針２２を半導体基板１０に接触させた場合には、図４（ａ）に示すように、初めからドーナツ状の酸化膜１３が生成し、これが、図４（ｂ）に示すように、そのままドーナツ状に成長する。なお、酸化膜１３は探針２２が接触している部分に成長することはない。
【００１８】
従って、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、探針２２を半導体基板１０に接触させつつ半導体基板１０を酸化すれば、量子ドットと同程度の大きさのリング状の酸化膜１３を得ることができる。
【００１９】
なお、半導体基板１０の表面の酸化反応は、酸化膜が楕円体状に成長している間は、Ｈ2Ｏの量ではなく、外部電界の強さが律速の要因となるが、酸化膜がドーナツ状に成長し始めると、Ｈ2Ｏの量が律速の要因となる。
【００２０】
（第１の実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態について説明する。図５（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。また、図６は、図５（ｃ）に相当する平面図であり、図６中のＩ−Ｉ線に沿った断面が図５（ｃ）に示されている。
【００２１】
第１の実施形態では、先ず、図５（ａ）に示すように、ＡＦＭの探針２２をＡｌＧａＡｓ基板１０ａの表面に接触させ、探針２２に負のバイアスを印加し、ＡｌＧａＡｓ基板１０ａに正のバイアスを印加することにより、ドーナツ状の酸化膜１３を形成する。なお、ＡｌＧａＡｓ基板１０ａの代わりに、ＧａＡｓ基板を用いてもよい。
【００２２】
次いで、図５（ｂ）に示すように、酸化膜１３を除去する。この結果、ＡｌＧａＡｓ基板１０ａの表面にリング状の溝２７が形成される。酸化膜１３の除去は、例えば、化学エッチング、水を用いた超音波洗浄、又は真空中での原子状水素を用いた処理等により行うことができる。
【００２３】
その後、図５（ｃ）及び図６に示すように、ＡｌＧａＡｓ基板１０ａ又はＧａＡｓ基板に対して原子配列の不整合及びこれに伴う歪が生じる半導体膜３６（例えば、ＩｎＡｓ膜又はＩｎＧａＡｓ膜）を溝２７内にエピタキシャル成長させる。図５（ｃ）及び図６に示すように、リング状の半導体膜３６の幅は、リング状の溝２７の幅よりも狭い。
【００２４】
そして、図５（ｄ）に示すように、半導体膜３６及びＡｌＧａＡｓ基板１０ａを覆うキャップ膜５０を形成することにより、量子リングデバイスを完成させる。キャップ膜５０としては、例えばＧａＡｓ膜、ＡｌＧａＡｓ膜又はＡｌＩｎＧａＡｓ膜を形成する。キャップ膜５０は、例えば分子線結晶成長法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）により形成することができる。
【００２５】
このような製造方法によれば、直径が５０ｎｍ程度以下で、量子ドットと同程度の大きさの量子リングを得ることができる。例えば、一般的に用いられているＡＦＭの探針を用いても、直径を２０ｎｍ程度とすることができる。更に、カーボンナノチューブ等からなる特に微細な探針を用いれば、直径を１０ｎｍ程度とすることも可能である。
【００２６】
そして、本実施形態では、探針２２の位置を制御することにより、量子リングをＡｌＧａＡｓ基板１０ａの所望の位置に形成することができる。また、酸化膜１３の大きさ及び形状は、雰囲気中の湿度、探針２２と基板１０ａとの間の電位差及び成長時間に応じて変化する。これらの３つの要素は容易に制御することができる。また、半導体膜３６の膜厚の制御も容易である。従って、本実施形態によれば、量子リングの大きさも容易に制御することができる。
【００２７】
なお、上述の実施形態では、溝２７内に、ＡｌＧａＡｓ基板１０ａ又はＧａＡｓ基板に対して原子配列の不整合が生じる半導体膜３６を形成しているが、原子配列が整合する半導体膜を形成してもよい。この例を図７及び図８に示す。図７（ａ）乃至（ｂ）は、原子配列が整合する半導体膜を有する量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。また、図８は、図７（ａ）に相当する平面図であり、図８中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面が図７（ａ）に示されている。
【００２８】
この例では、図７（ａ）及び図８に示すように、ＡｌＧａＡｓ基板１０ａ又はＧａＡｓ基板に対して原子配列が整合する半導体膜３７（例えば、ＧａＡｓ膜）を形成する。図５（ｃ）及び図６に示すように、半導体膜３６の表面は、凸状に湾曲するのに対し、図７（ａ）及び図８に示すように、半導体膜３７の表面は、凹状に湾曲する。これは、半導体膜３７は、より広い面積でＡｌＧａＡｓ基板１０ａと接するからである。
【００２９】
そして、図７（ｂ）に示すように、キャップ膜５０を形成することにより、量子リングデバイスを完成させればよい。
【００３０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、ドーピングが施された量子リングデバイスを製造する。量子リングの物理的特性は不純物のドーピングによっても変化する。ナノテクノロジーのレベルでは、個々の量子リングに対して精密なドーピングを行うことが求められる。図９（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。また、図１０は、図９（ｃ）に相当する平面図であり、図１０中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面が図９（ｃ）に示されている。
【００３１】
第２の実施形態では、先ず、図９（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様にして、ＧａＡｓ基板１０ｂの表面に酸化膜１３を形成する。但し、本実施形態では、酸化膜１３を形成する前に、探針２２の先端にドーパントとして用いる金属原子を付着させておく。このような金属原子としては、例えばＳｉ、Ｂｅ、Ｆｅ及びＣｏ等が挙げられる。このような金属原子は、探針２２に正のバイアスを印加されると放出されるが、酸化膜１３の形成時に探針２２に印加されるバイアスは負であるため、金属原子が脱落することはない。また、探針２２自身をドーパントとして用いられる金属原子を含有するものとしてもよい。
【００３２】
次に、同じく図９（ａ）に示すように、探針２２をＧａＡｓ基板１０ｂの表面から離した後、探針２２に正のバイアスを印加することにより、正のドーパント５５をリング状の酸化膜１３の中央、即ち酸化膜１３が形成されていない部分に付着させる。このとき、印加電圧及び印加時間を調節することにより、付着するドーパント５５を１原子のみとすることが可能である。
【００３３】
なお、ドーパント５５の付着を行った後に、酸化膜１３を形成してもよい。ドーパント５５の付着安定性を考慮すると、酸化膜１３の形成前に、ドーパント５５を付着させ、更にアニールを行っておくことが好ましい。
【００３４】
次いで、図９（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様にして酸化膜１３を除去することにより、溝２７を形成する。但し、ドーパント５５が脱落しない条件で行う必要がある。また、ドーパント５５の脱落を防止するために、酸化膜１３を除去する前に熱処理を行うことにより、ドーパント５５をＧａＡｓ基板１０ｂ中に拡散させておいてもよい。
【００３５】
その後、図９（ｃ）及び図１０に示すように、ＧａＡｓ基板１０ｂと原子配列が整合する半導体膜３７ｂ（例えば、ＧａＡｓ膜）を形成する。このとき、原子配列の不整合及びそれに伴う歪が生じる半導体膜を形成してもよい。
【００３６】
そして、第１の実施形態と同様にしてキャップ膜（図９に図示せず）を形成することにより、量子リングデバイスを完成させる。
【００３７】
第２の実施形態によれば、常磁性又は強磁性の量子リングを得ることができる。そして、このような量子リングを用いれば、アハラノフ・ボーム（Aharanov-Bohm）効果を奏するナノレベルのデバイスが得られる。
【００３８】
なお、半導体基板としてＳｉ基板が用いられる場合には、ドーパントとしてＰ又はＢを用いることが好ましい。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、第２の実施形態とは異なる方法で、ドーピングが施された量子リングデバイスを製造する。図１１（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第３の実施形態に係る量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。また、図１２は、図１１（ｄ）に相当する平面図であり、図１２中のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面が図１１（ｄ）に示されている。
【００４０】
第３の実施形態では、先ず、図１１（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１０ｂの表面から１〜２ｎｍの深さの位置に、微量のドーパント５６を注入する。このとき、量子リングを形成しようとする位置に、１原子のドーパント５６のみが存在するようにドーピングの条件を調整する。次に、ＧａＡｓ層等のエピタキシャル層５７を形成する。その後、同じく図１１（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様にして酸化膜１３を形成する。
【００４１】
次いで、探針２２をＧａＡｓ基板１０ｂから離し、探針２２の走査を行いながら、図１１（ｂ）に示すように、酸化膜１３の周囲に酸化膜１９を形成する。即ち、酸化膜１３の中心を除く全面に酸化膜１９を形成する。この酸化膜１９の形成は、酸化膜１３と同様に、大気中のＨ2Ｏの分解に付随する酸化反応により行われる。酸化膜１９の厚さは、エピタキシャル層５７より厚くする。但し、酸化膜１３の底部から酸化膜１９の下面までの間隔も十分に確保する。
【００４２】
その後、図１１（ｃ）に示すように、第１の実施形態と同様にして酸化膜１３及び１９を除去することにより、溝２７を形成する。この結果、ドーパント５６は、溝２７の中心部に存在するものを除き、除去される。
【００４３】
続いて、図１１（ｄ）及び図１２に示すように、ＧａＡｓ基板１０ｂと原子配列の不整合及びそれに伴う歪が生じる半導体膜３６ｂ（例えば、ＩｎＧａＡｓ膜）を形成する。このとき、原子配列が整合する半導体膜を形成してもよい。
【００４４】
そして、第１の実施形態と同様にしてキャップ膜（図１１に図示せず）を形成することにより、量子リングデバイスを完成させる。
【００４５】
第３の実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば、ＧａＡｓ系の量子リングでは、Ｓｉ、Ｂｅ等のドーパント５６を用いれば、正確に１個の電子又は正孔を導入することができる。
【００４６】
なお、ドーパントイオンと電子の波動関数は、互いに空間的に分離されている。量子デバイスにとって、このことは、極めて都合のよいことである。これは、高移動度トランジスタのように、キャリアに対する不純物の分散効果が低減されるからである。この結果、量子リングにおける量子状態のコヒーレンスが向上し、量子コンピュータ及び量子情報に好適な量子リングが得られる。
【００４７】
（量子リングデバイスの動作）
次に、上述のようにして製造された量子リングデバイスの動作について説明する。一般に、量子リング中のキャリアの状態は、局所的に磁界及び／又は電界を印加することにより変化させることができる。そして、例えば発光の検出等を行うことにより、量子リングの状態を知ることが得きる。従って、量子リングデバイスは、メモリ等の記憶装置、検出装置、発光素子等として用いることができるのである。ここでは、一例として第１の実施形態に関して説明するが、第２及び第３の実施形態に関しても同様の動作が可能である。図１３（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の実施形態により製造された量子リングデバイスの動作を示す模式図である。
【００４８】
ここでは、図１３（ａ）に示すように、第１の実施形態により密閉された４個の量子リングが、一方向に並んで形成され、４個の量子リングから４個のキュービット１ａ〜１ｄが構成されているものとする。そして、電場が印加されていない状態では、図１３（ａ）に示すように、各キュービット１ａ〜１ｄは互いに相互作用を受けている。即ち、各キュービット１ａ〜１ｄのスピン状態は、他のキュービットのスピン状態の影響を受けている。また、各キュービット１ａ〜１ｄの波動関数は量子リング内で対称性を保っている。
【００４９】
その後、例えば電子スピン共鳴（ＥＳＲ：Electron Spin Resonance）により、キュービット１ａ〜１ｄが並ぶ方向に対して直交する方向から一様に電界Ｆを印加すると、図１３（ｂ）に示すように、量子リング内で対称な波動関数が非等方性となり、電界Ｆの印加方向と並行な方向を電子のスピンの方向が向くようになる。即ち、波動関数の確率分布が変化する。そして、隣り合う２個のキュービット間の結合力が低減され、各キュービットに対して独立した制御が可能となる。例えば、電界を印加したり、スピン注入を行ったりするとにより、各キュービットを個々に初期化することが可能である。
【００５０】
ここで、ブラケット表記に基づいて、電子のスピンについて、下向きを│０＞、上向きを│１＞と表わすと、一般的な量子状態は、「α│０＞＋β│１＞（│α│2＋│β│2＝１）」で表わされる。そして、図１３（ｂ）に示す状態は、│０１０１＞で表わされる。
【００５１】
次いで、キュービット１ｂ及び１ｃに対する電界Ｆの印加を停止すると、図１３（ｃ）に示すように、キュービット１ｂ及び１ｃの波動関数が変化し、対称性が再出現する。また、キュービット１ｂ及び１ｃ間の相互作用、場合によってはスワッピングが生じる。そして、このようなユニタリー演算の結果、キュービット１ａ及び１ｄの状態を保持したまま、キュービット１ｂ及び１ｃの状態を変化させることができるのである。
【００５２】
そして、図１３（ｃ）に示す状態が得られた後、即ちキュービット１ｂ及び１ｃ間でのスピンの交換が行われた後、直ちにキュービット１ｂ及び／又は１ｃに電界Ｆを再度印加すると、ユニタリー演算が停止する。また、図１３（ｄ）に示すように、量子リング内で対称な波動関数が非等方性となり、電界Ｆの印加方向と並行な方向を電子のスピンの方向が向くようになる。但し、図１３（ｂ）に示す状態と比較すると、キュービット１ｂ及び１ｃの電子スピンの方向が反対となる。この結果、図１３（ｄ）に示す量子状態は、│００１１＞で表わされる。このようにして、制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）ゲートの動作が実現される。
【００５３】
次に、量子ドットと量子リングとを組み合わせて構成した全光学動作量子デバイスの動作について説明する。例えば、非特許文献６には、主量子ドットと、この主量子ドットよりも小さい複数の補助量子ドットとを組み合わせて量子コンピュータを構成することが記載されているが、このうちの主量子ドットを、不純物がドーピングされた量子リングに置き換えることも可能である。
【００５４】
この場合、図１４（ａ）に示すような構造の量子デバイスが得られる。即ち、１個の量子リング３と、この周囲に配置された量子ドット４とから１個のキュービットが構成されている。また、このような量子リング３及び量子ドット４が２組並べられることにより、２個のキュービット２ａ及び２ｂが構成されている。なお、１個のキュービットには、キャリアが１個だけ含まれている必要がある。但し、量子リング３は、必ずしも量子ドット４に接している必要はない。
【００５５】
そして、図１４（ａ）に示すように、待機状態では、限定的なスピン状態の電子は量子リング３内に存在する。この待機状態に対し、コヒーレントパルスを作用させて電子を励起すると、各キュービット２ａ及び２ｂ中の電子は相互作用によって引き付けあって、図１４（ｂ）に示すように、隣り合う量子ドット４に移動する。
【００５６】
その後、スワッピングが発生して、図１４（ｃ）に示すように、量子ドット４中のスピンの交換が行われる。
【００５７】
そして、再度、コヒーレントパルスを作用させて電子を励起すると、各キュービット２ａ及び２ｂ中の電子は、図１４（ｄ）に示すように、量子ドット４から量子リング３に移動する。
【００５８】
上述のように、この例では、１個のキュービットに１個のキャリアを注入する必要がある。この要求に対し、量子リングを用いれば、容易にキャリアの注入を選択的に行うことができるので、好適である。即ち、第３の実施形態を応用することにより、図１４（ａ）の構造を容易に得ることができる。図１５（ａ）乃至（ｄ）及び図１６にこの方法を示す。図１５（ａ）乃至（ｄ）は、量子リング及び量子ドット備えた量子デバイスを製造する方法を工程順に示す断面図であり、図１６は、図１５（ｄ）に相当する平面図であり、図１６中のＶ−Ｖ線に沿った断面が図１５（ｄ）に示されている。
【００５９】
先ず、図１５（ａ）に示すように、ドーパント５６の注入及びエピタキシャル層５７の形成を行った後、酸化膜１３を形成すると共に、図２に示す方法により、楕円体状の酸化膜２０を形成する。次に、図１５（ｂ）に示すように、探針２２を基板１０ｂから離間させて走査することにより、酸化膜１９を形成する。次いで、図１５（ｃ）に示すように、酸化膜１３、１９及び２０を除去することにより、リング状の溝２７を形成すると共に、ドット状の窪み２８を形成する。
【００６０】
その後、図１５（ｄ）及び図１６に示すように、基板１０ｂとの間で原子配列の不整合及びこれに伴う歪が生じる半導体膜３６ｂを溝２７内にエピタキシャル成長させると共に、同様の半導体膜３８を窪み２８内にエピタキシャル成長させる。
【００６１】
そして、第１の実施形態と同様にしてキャップ膜（図１５に図示せず）を形成することにより、量子デバイスを完成させる。
【００６２】
このような方法によれば、ドーパント５６を所望の位置に所望の程度注入することができるため、１個のキュービット内に１個のキャリアを含ませることができる。即ち、量子リング内にのみキャリアを注入し、量子ドット内にはキャリアが存在しないようにすることができる。
【００６３】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００６４】
（付記１）
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝を形成する工程と、
前記溝内に半導体膜を成長させる工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
【００６５】
（付記２）
前記酸化膜を形成する工程において、前記半導体基板の前記探針が触れる部分を酸化から保護することを特徴とする付記１に記載の量子デバイスの製造方法。
【００６６】
（付記３）
前記半導体膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする付記１又は２に記載の量子デバイスの製造方法。
【００６７】
（付記４）
前記酸化膜を除去する工程は、前記酸化膜に対して化学エッチングを施す工程を有することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００６８】
（付記５）
前記酸化膜を除去する工程は、前記酸化膜に対して水を用いた超音波洗浄を施す工程を有することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００６９】
（付記６）
前記酸化膜を除去する工程は、前記酸化膜に対して、真空中での原子状水素を用いた処理を施す工程を有することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７０】
（付記７）
前記酸化膜を形成する工程の前に、前記半導体基板の表面に単一の不純物原子を付着させる工程を有し、
前記不純物原子が中心に位置するように前記酸化膜を形成することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７１】
（付記８）
前記酸化膜を形成する工程と前記酸化膜を除去する工程との間に、前記酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる工程を有することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７２】
（付記９）
前記不純物原子を付着させる工程の後に、熱処理により前記不純物原子を前記半導体基板中に拡散させる工程を有することを特徴とする付記７又は８に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７３】
（付記１０）
前記不純物原子として、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｆｅ及びＣｏからなる群から選択された１種を付着させることを特徴とする付記７乃至９のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７４】
（付記１１）
前記酸化膜を形成する工程の前の、前記半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
前記酸化膜を形成する工程と前記酸化膜を除去する工程との間の、前記酸化膜の周囲を酸化する工程と、
を有し、
前記酸化膜を形成する工程において、前記不純物原子の１個が中心に位置するように前記酸化膜を形成し、
前記酸化膜を除去する工程において、前記酸化膜と共にその周囲の酸化された部分を除去することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７５】
（付記１２）
半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び複数の点状の酸化膜を形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させる工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
【００７６】
（付記１３）
前記環状の酸化膜の直径を５０ｎｍ以下とすることを特徴とする付記１乃至１２のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７７】
（付記１４）
前記環状の酸化膜の直径を２０ｎｍ以下とすることを特徴とする付記１３に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７８】
（付記１５）
前記探針としてカーボンナノチューブ製のものを用い、前記環状の酸化膜の直径を１０ｎｍ以下とすることを特徴とする付記１乃至１２のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７９】
（付記１６）
前記半導体基板及び半導体膜として、夫々化合物半導体からなるものを用いることを特徴とする付記１乃至１５のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。
【００８０】
（付記１７）
表面に環状の溝が形成された半導体基板と、
前記溝内に形成された半導体膜と、
を有することを特徴とする量子デバイス。
【００８１】
（付記１８）
前記溝の直径は、５０ｎｍ以下であることを特徴とする付記１７に記載の量子デバイス。
【００８２】
（付記１９）
前記環状の溝の中心に、単一の不純物原子が導入されていることを特徴とする付記１７又は１８に記載の量子デバイス。
【００８３】
（付記２０）
前記半導体基板及び半導体膜として、夫々化合物半導体からなるものが用いられていることを特徴とする付記１７乃至１９のいずれか１項に記載の量子デバイス。
【００８４】
（付記２１）
前記半導体基板の表面には、前記環状の溝の周囲に複数の窪みが形成され、
前記窪み内に半導体膜が形成されていることを特徴とする付記１７乃至２０のいずれか１項に記載の量子デバイス。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】ＡＦＭを用いて酸化膜を形成する方法を示す模式図である。
【図２】同じく酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。
【図３】探針２２を近付けて酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。
【図４】探針２２を半導体基板１０に接触させて酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図６】図５（ｃ）に相当する平面図である。
【図７】原子配列が整合する半導体膜を有する量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図８】図７（ａ）に相当する平面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１０】図９（ｃ）に相当する平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る量子リングデバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。
【図１２】図１１（ｄ）に相当する平面図である。
【図１３】本発明の実施形態により製造された量子リングデバイスの動作を示す模式図である。
【図１４】量子ドットと量子リングとを組み合わせて構成した全光学動作量子デバイスの動作を示す模式図である。
【図１５】量子リング及び量子ドット備えた量子デバイスを製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図１６】図１５（ｄ）に相当する平面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１ａ〜１ｄ、２ａ、２ｂ：キュービット
１０：半導体基板
１０ａ：ＡｌＧａＡｓ基板（半導体基板）
１０ｂ：ＧａＡｓ基板（半導体基板）
１１、１２、１３、１９、２０：酸化膜
２２：探針
２７：溝
３６、３７、３６ｂ、３７ｂ、３８：半導体膜
５０：キャップ膜
５５、５６：ドーパント
５７：エピタキシャル層
【図１】
2006135263.tif 000003
【図２】
2006135263.tif 000004
【図３】
2006135263.tif 000005
【図４】
2006135263.tif 000006
【図５】
2006135263.tif 000007
【図６】
2006135263.tif 000008
【図７】
2006135263.tif 000009
【図８】
2006135263.tif 000010
【図９】
2006135263.tif 000011
【図１０】
2006135263.tif 000012
【図１１】
2006135263.tif 000013
【図１２】
2006135263.tif 000014
【図１３】
2006135263.tif 000015
【図１４】
2006135263.tif 000016
【図１５】
2006135263.tif 000017
【図１６】
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