(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型の不純物が導入された半導体からなるｐ型領域と、
ｎ型の不純物が導入された半導体からなるｎ型領域と、
第１方向で前記ｐ型領域と前記ｎ型領域とに挾まれて配置された半導体からなるチャネル領域と、
前記チャネル領域の前記第１方向に垂直な第２方向の側に配置されたゲート電極と、
前記チャネル領域の前記ゲート電極の側の界面より３０ｎｍの範囲に導入された第１不純物原子および第２不純物原子からなる不純物原子対と
を少なくとも備え、
前記第１不純物原子は、前記チャネル領域の中にドナー準位を形成し、
前記第２不純物原子は、前記チャネル領域の中にアクセプター準位を形成し、
前記不純物原子対を構成する第１不純物原子および第２不純物原子の距離は、互いの波動関数の広がりの範囲内とされ、
前記ｐ型領域と前記ｎ型領域との間の単一の電子の転送により前記チャネル領域に単一の光子が生成される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
既知の数の複数の前記不純物原子対が前記チャネル領域に導入され、
異なる前記不純物原子対の間は、第１不純物原子および第２不純物原子の波動関数の広がりを超える距離とされ、
前記ｐ型領域と前記ｎ型領域との間の既知の数の複数の電子の転送により前記チャネル領域に既知の数の複数の光子が生成される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置において、
前記チャネル領域の前記ゲート電極と反対の側に前記ゲート電極と対向して配置された他のゲート電極を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記ゲート電極と前記チャネル領域との間に配置されたゲート絶縁層を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記チャネル領域はシリコンから構成され、
前記第１不純物原子は、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，およびＢｉの中より選択されたものであり、
前記第２不純物原子は、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，およびＴｌの中より選択されたものである
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記不純物原子対を構成する第１不純物原子および第２不純物原子の距離は、１０ｎｍ以下である
ことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの光子の生成を可能とする半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子を１つずつ操作できるデバイスとして、単一の電子を転送する単一電子転送デバイスがある。また、単一の光子を発生する単一光子発生器がある。これらのデバイスは、従来、微細加工を用いて人工的に作製された量子ドットを基本要素としていた。これに対し、近年、単一電子転送デバイスに関しては、量子ドットの代わりに、半導体中の不純物を用いるものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この単一電子転送デバイスでは、不純物原子の原子核が持つ引力ポテンシャルにより、この不純物原子で電荷（電子）を捕獲することで、１つの電子を転送するものである。この単一電子転送デバイスでは、不純物原子が、量子ドットと同様な働きを持つ。
【０００４】
ここで、上述した単一電子転送デバイスについて簡単に説明する。図６は、この単一電子転送デバイスの構成を示す構成図である。この単一電子転送デバイスは、半導体層６０１と、半導体層６０１に形成されたｐ型領域６０２と、ｐ型領域６０２と離間して半導体層６０１に形成されたｎ型領域６０３と、半導体層６０１の主表面に形成されたゲート絶縁層６０４と、ｐ型領域６０２とｎ型領域６０３との間の半導体層６０１の上に形成されたゲート電極６０５とを備える。
【０００５】
また、この単一電子転送デバイスは、ｐ型領域６０２とｎ型領域６０３とに挟まれた半導体層６０１の主表面（ゲート電極６０５側の表面より３０ｎｍ以内の領域）に導入された１個の不純物（不純物原子）６０６を備えている。不純物６０６は、ｐ型領域６０２とｎ型領域６０３とに挟まれたチャネル領域に導入され、不純物準位を形成している。
【０００６】
次に、この単一電子転送デバイスの動作について、図７を用いて説明する。図７では、不純物６０６が導入されている半導体層６０１のゲート絶縁層６０４との界面近傍のポテンシャル図を示している。
【０００７】
まず、初期状態では、ゲート電極６０５に、電子チャネルのしきい値ＶTH-nと、正孔チャネルのしきい値ＶTH-pとの中間の値のゲート電圧が印加された状態としておく。なお、ＶTH-n＞ＶTH-pである。この状態では、電子のチャネルも正孔のチャネルもどちらも開いておらず、図７の（ａ）に示すように、不純物６０６にはなにも捕獲されていない。
【０００８】
初期状態についで、ゲート電極６０５に電子チャネルのしきい値ＶTH-nを超える大きさのゲート電圧を印加する。このゲート電圧の印加により、ゲート電極６０５の下のチャネル領域にｎ型領域６０３から電子が供給され、図７の（ｂ）に示すように、電子チャネル６３１が形成される。電子チャネル６３１は、半導体層６０１を構成している半導体の伝導帯中に形成される。このとき、形成された電子チャネル６３１より、１個の電子（ｅ-）が不純物６０６に捕獲される。
【０００９】
このようにして１個の電子（ｅ-）が不純物６０６に捕獲された後、ゲート電極６０５に初期状態と同様のゲート電圧を印加する（初期状態に戻す）と、電子チャネル６３１として供給されていた電子（伝導体中の電子）は、ｎ型領域６０３に回収される。しかしながら、不純物６０６に捕獲された電子（ｅ-）は、有限のイオン化エネルギーのために、ｎ型領域６０３に戻れずに、図７の（ｃ）に示すように、不純物６０６に捕獲されたままの状態となる。
【００１０】
このように、不純物６０６に電子（ｅ-）が捕獲された状態で、ゲート電極６０５に正孔チャネルのしきい値ＶTH-pよりも低い値のゲート電圧を印加する。このゲート電圧の印加により、ゲート電極６０５の下のチャネル領域にｐ型領域６０２より正孔が供給され、図７の（ｄ）に示すように、正孔チャネル６２１が形成される。正孔チャネル６２１は、半導体層６０１を構成している半導体の価電子帯中に形成される。この正孔チャネル６２１の形成により、不純物６０６に捕獲されていた電子（ｅ-）が、供給された正孔（ｈ+）と再結合する。言い換えると、不純物６０６に捕獲されていた電子は、価電子帯へと移動する。
【００１１】
以上のようにして、不純物６０６に捕獲されていた電子（ｅ-）が価電子帯へと移動した後、ゲート電圧を初期状態に戻すと、正孔チャネル６２１は閉じられ、価電子帯中の正孔は、ｐ型領域６０２に回収される。この結果、図７の（ｅ）に示すように、不純物６０６が、なにも捕獲していない状態となる。以上のことにより、転送の１サイクルが終了し、初期状態から、１個の電荷（電子）がｎ型領域６０３からｐ型領域６０２へ流れた（転送された）ことになる。このように、上述した単一電子転送デバイスでは、電荷を１サイクルに１個だけ転送することができる。
【００１２】
ところで、上述した単一電子転送デバイスの半導体層６０１が、直接遷移型の半導体から構成されている場合、上述した電荷転送の方法により、単一の光子を生成することができる。例えば、不純物６０６がアクセプターの場合、図７の（ｂ）を用いて説明した過程における電子チャネル６３１の電子（伝導帯電子）が不純物６０６（不純物準位）に捕獲されるときに、光子が発生する。言い換えると、直接遷移型の半導体層６０１では、電子が不純物６０６に捕獲される過程で電子が失うエネルギーは、電磁場のエネルギーに変換され、光子が１つ生成されるようになる（図８の（ａ））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−３３２０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した過程で実際に光子が生成されるためには幾つかの制約がある。上述した過程における電子の損失エネルギーは、電磁場だけではなく、格子系や、電子系に受け渡される可能性もある。格子系へのエネルギー移動の場合、フォノンが放出される（図８の（ｂ））。また、電子系へ移動する場合は、他の電子がエネルギーを受け取ることになる。後者の過程は、オージェ過程と呼ばれている（図８の（ｃ））。なお、図８の（ｄ）に示すように、ポテンシャル図においては、伝導帯端と不純物６０６との距離が、不純物６０６のイオン化エネルギーＥDとなる。
【００１５】
また半導体層６０１が、直接遷移型の場合、光子発生による再結合時間が短いため、他の過程が起こる前に発光過程が生じ、高い効率で光子が生成される。しかしながら、間接遷移型の半導体の場合、光子生成による再結合時間が長いため、発光効率が著しく低下する。例えば、間接遷移型の半導体であるシリコンの場合、発光の再結合時間は、マイクロ秒のオーダーであるのに対し、オージェ過程の再結合時間は、ナノ秒のオーダーである。従って、シリコンの場合、発光過程が起こる前にオージェ過程により再結合が起きてしまい、光子は生成されないことになる。なお、フォノン発生を生じる過程は、エネルギーが０．２ｅＶ以下の場合に重要となり、バンド間遷移で問題となる０．２ｅＶ程度以上の再結合過程では、フォノンによる影響は小さい。
【００１６】
従って、上述した構成の単一電子転送デバイスでは、間接遷移型の半導体を用いると、単一の光子を生成することは難しいという問題がある。
【００１７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、間接遷移型の半導体を用いた場合でも、単一の電子の転送により単一の光子が生成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る半導体装置は、ｐ型の不純物が導入された半導体からなるｐ型領域と、ｎ型の不純物が導入された半導体からなるｎ型領域と、第１方向でｐ型領域とｎ型領域とに挾まれて配置された半導体からなるチャネル領域と、チャネル領域の第１方向に垂直な第２方向の側に配置されたゲート電極と、チャネル領域のゲート電極の側の界面より３０ｎｍの範囲に導入された第１不純物原子および第２不純物原子からなる不純物原子対とを少なくとも備え、第１不純物原子は、チャネル領域の中にドナー準位を形成し、第２不純物原子は、チャネル領域の中にアクセプター準位を形成し、不純物原子対を構成する第１不純物原子および第２不純物原子の距離は、互いの波動関数の広がりの範囲内とされ、ｐ型領域とｎ型領域との間の単一の電子の転送によりチャネル領域に単一の光子が生成される。
【００１９】
上記半導体装置において、既知の数の複数の不純物原子対がチャネル領域に導入され、異なる不純物原子対の間は、第１不純物原子および第２不純物原子の波動関数の広がりを超える距離とされているようにし、ｐ型領域とｎ型領域との間の既知の数の複数の電子の転送によりチャネル領域に既知の数の複数の光子が生成されるようにしてもよい。また、チャネル領域のゲート電極と反対の側にゲート電極と対向して配置された他のゲート電極を備えるようにしてもよい。また、ゲート電極とチャネル領域との間に配置されたゲート絶縁層を備えるようにしてもよい。
【００２０】
上記半導体装置において、チャネル領域はシリコンから構成され、第１不純物原子は、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，およびＢｉの中より選択されたものであり、第２不純物原子は、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，およびＴｌの中より選択されたものであればよい。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、チャネル領域のゲート電極の側の界面より３０ｎｍの範囲に導入された第１不純物原子および第２不純物原子からなる不純物原子対とを少なくとも備え、第１不純物原子は、チャネル領域の中にドナー準位を形成し、第２不純物原子は、チャネル領域の中にアクセプター準位を形成するものとしたので、間接遷移型の半導体を用いた場合でも、単一の電子の転送により単一の光子が生成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、ｐ型領域１０２とｎ型領域１０３に挾まれた半導体層１０１（チャネル領域）における、半導体層１０１の表面（ゲート絶縁層１０４との界面）近傍のポテンシャルを示すポテンシャル図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における他の半導体装置の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における他の半導体装置の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における他の半導体装置の構成を示す構成図である。
【図６】図６は、単一電子転送デバイスの構成を示す構成図である。
【図７】図７は、不純物６０６が導入されている半導体層６０１のゲート絶縁層６０４との界面近傍のポテンシャルを示すポテンシャル図である。
【図８】図８は、不純物６０６が導入されている半導体層６０１における様々な過程を説明するためのポテンシャルズである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す構成図である。図１では、半導体装置の断面を模式的に示している。
【００２４】
この半導体装置は、例えばシリコンからなる半導体層１０１と、半導体層１０１にｐ型の不純物を導入することで形成されたｐ型領域１０２と、半導体層１０１にｎ型の不純物を導入することで形成されたｎ型領域１０３と、ｐ型領域１０２とｎ型領域１０３とに挾まれた領域の半導体層１０１の上に形成されたゲート電極１０５とを備える。本実施の形態では、ゲート絶縁層１０４を介してゲート電極１０５が形成されている。
【００２５】
また、本実施の形態における半導体装置は、ｐ型領域１０２とｎ型領域１０３とに挾まれた領域の半導体層１０１に導入された第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７からなる不純物原子対を備える。ここで、不純物原子対は、ｐ型領域１０２とｎ型領域１０３とが対向して配置されている方向（第１方向）で、ｐ型領域１０２とｎ型領域１０３とに挾まれた領域（チャネル領域）に配置される。また、第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７は、上記チャネル領域のゲート電極１０５の側の界面より３０ｎｍの範囲に導入されている。本例では、この界面は、チャネル領域とゲート絶縁層１０４との界面となる。なお、ゲート電極１０５は、第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７が導入されたチャネル領域に結合（容量結合）している。
【００２６】
また、第１不純物原子１０６は、チャネル領域の中にドナー準位を形成し、第２不純物原子１０７は、チャネル領域の中にアクセプター準位を形成し、不純物原子対を構成する第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７の距離は、互いの波動関数の広がりの範囲内とされている。第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７の各々波動関数の広がり程度は、１０ｎｍであるので、第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７の距離は、１０ｎｍより小さければよい。
【００２７】
例えば、半導体層１０１は、シリコン基板（ウエハ）であり、公知のイオン注入法などによりよく知られたｐ型不純物を導入することでｐ型領域１０２が形成可能であり、同様に、よく知られたｎ型不純物を導入することで、ｎ型領域１０３の形成が可能である。ここで、図１に示す半導体装置は、ｐ型領域１０２とｎ型領域１０３とが、半導体（チャネル領域）を挾むように配置され、この配置の方向（第１方向）と垂直な方向（第２方向）のチャネル領域の上にゲート電極１０５が配置されている構成である。従って、半導体から構成されたチャネル領域を挾むようにｐ型半導体とｎ型半導体とを配置し、上記構成としてもよい。この場合、チャネル領域，ｐ型半導体，およびｎ型半導体は、同じ半導体から構成されている必要はない。
【００２８】
また、シリコン基板（半導体層１０１）の表面を熱酸化して酸化膜が形成された状態とすることで、ゲート絶縁層１０４の形成が可能である。なお、ゲート絶縁層１０４は、化学的気相成長法などの堆積法により形成してもよい。また、第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７は、ゲート電極１０５を形成する前に、公知のシングルイオン注入技術を用いてドナーとアクセプターを同じ位置に打ち込み、打ち込んだ後に熱処理を行って活性化させればよい。活性化の熱処理を高温・短時間（例えば、１１００℃・１００ｍｓｅｃ）にすることにより、ドナーとアクセプターを、互いの距離が１０ｎｍ以内となるように近接させることが可能である。
【００２９】
次に、上述した単電子素子の動作（駆動方法）例について図２を用いて説明する。なお、図２は、ｐ型領域１０２とｎ型領域１０３に挾まれた半導体層１０１（チャネル領域）における、半導体層１０１の表面（ゲート絶縁層１０４との界面）近傍のポテンシャルを示すポテンシャル図である。
【００３０】
まず、初期状態では、電子チャネルのしきい値ＶTH-nと、正孔チャネルのしきい値ＶTH-pとの中間の値のゲート電圧（例えば０Ｖ程度）が、ゲート電極１０５に印加された状態としておく。なお、ＶTH-n＞ＶTH-pである。この状態では、図２の（ａ）に示すように、電子のチャネルも正孔のチャネルもどちらも開いておらず、第１不純物原子１０６には、電子は捕獲されておらず、第２不純物原子１０７にも、正孔は捕獲されていない。
【００３１】
初期状態についで、ゲート電極１０５に電子チャネルのしきい値ＶTH-nを超える大きさのゲート電圧を印加する。このゲート電圧の印加により、図２の（ｂ）に示すように、ゲート電極１０５の下のチャネル領域にｎ型領域１０３から電子が供給され、電子チャネル１３１が形成される。電子チャネル１３１は、半導体層１０１を構成している半導体の伝導帯中に形成される。この結果、形成された電子チャネル１３１より、１個の電子が第１不純物原子１０６に捕獲される。この過程で捕獲される電子は、第１不純物原子１０６のイオン化エネルギー分のエネルギーを失うことになるが、このエネルギーは、フォノンにより吸収される。このため、この過程は、発光には寄与しない。
【００３２】
次に、上述したようにして１個の電子が第１不純物原子１０６に捕獲された後、ゲート電極１０５に初期状態と同様のゲート電圧印加状態にすると、電子チャネル１３１は閉まり、電子チャネル１３１として供給されていた電子（伝導体中の電子）は、ｎ型領域１０３に回収される。しかしながら、図２の（ｃ）に示すように、第１不純物原子１０６に捕獲された電子は、有限のイオン化エネルギーのために、ｎ型領域１０３に戻れずに、第１不純物原子１０６に捕獲された状態が維持される。
【００３３】
次に、上述したように第１不純物原子１０６に電子が捕獲されている状態で、ゲート電極１０５に正孔チャネルのしきい値ＶTH-pよりも低い値のゲート電圧（負の電圧）を印加する。このゲート電圧の印加により、図２の（ｄ）に示すように、ゲート電極１０５の下のチャネル領域にｐ型領域１０２より正孔が供給され、正孔チャネル１２１が形成される。正孔チャネル１２１は、半導体層１０１を構成している半導体の価電子帯中に形成される。この正孔チャネル１２１の形成により、まず、正孔が第２不純物原子１０７に捕獲される。この過程で捕獲される正孔は、第２不純物原子１０７のイオン化エネルギー分のエネルギーを失うことになるが、このエネルギーは、フォノンにより吸収される。このため、この過程は、発光には寄与しない。
【００３４】
次に、以上のようにして、第１不純物原子１０６に電子が捕獲され、第２不純物原子１０７に正孔が捕獲された状態で、ゲート電極１０５に初期状態と同様のゲート電圧を印加すると、正孔チャネル１２１は閉じられ、価電子帯中の正孔は、ｐ型領域１０２に回収される。しかしながら、図２の（ｅ）に示すように、第２不純物原子１０７に捕獲された正孔は、有限のイオン化エネルギーのために、ｐ型領域１０２に戻れずに、第２不純物原子１０７に捕獲された状態が維持される。
【００３５】
以上のことにより、電子が第１不純物原子１０６に捕獲され、正孔が第２不純物原子１０７に捕獲された状態で、チャネル領域に電子正孔対が形成される。また、形成された電子正孔対が再結合することで単一の光子が発生する。この状態では、伝導帯および価電子帯に、各々電子および正孔が存在しないので、上述した電子正孔対が再結合するときにオージェ過程が存在しない。従って、効率よく光子を生成することができる。
【００３６】
また、上述した（ａ）から（ｅ）の過程で、電子正孔対が１つ消滅するので、ｎ型領域１０３からは電子が１つ消失し、ｐ型領域１０２からは正孔が１つ消滅したことになる。ｐ型領域１０２からの１つ正孔の消滅は、電子が１つ生成されたことに対応し、結果として、単一の電荷（１つの電子）が、ｎ型領域１０３からｐ型領域１０２に転送されたことになる。なお、上述した動作の中で、ｎ型領域１０３およびｐ型領域１０２における電圧は、両者とも０Ｖ程度とされていればよい。また、ｎ型領域１０３とｐ型領域１０２との間に、±０．１Ｖ程度の電圧が印加されていてもよい。
【００３７】
次に、第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７について、より詳細に説明する。まず、これら不純物原子を、チャネル領域の界面より３０ｎｍの範囲に導入することについて説明する。これは、界面に形成されるチャネルとの間で、電子あるいは正孔を捕獲するためには、チャネルの電子あるいは正孔と、各不純物原子の電荷の波動関数にオーバーラップ（重なり）が必要なためである。
【００３８】
不純物原子（第１不純物原子１０６，第２不純物原子１０７）に捕獲された電荷（電子，正孔）の波動関数の広がりは１０ｎｍ程度、電子チャネルの電子および正孔チャネルの正孔の波動関数の広がりは５ｎｍ程度である。各々がこれらの和の２倍程度以下の距離にないと、十分な捕獲が起こらない。
【００３９】
また、第１不純物原子１０６と第２不純物原子１０７との距離は、互いの波動関数の広がり程度、すなわち１０ｎｍ以下にする必要がある。これより距離が離れると、捕獲された電子および正孔の再結合が起こらなくなる。
【００４０】
一方、チャネルが形成されるゲート電極下の領域であれば、深さ方向に垂直な平面上において、第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７は、どの位置にあっても構わない。例えば、第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７は、ｐ型電極に近い位置にあっても、ｎ型電極に近い位置にあっても、中央にあってもよい。従って、本実施の形態における半導体装置は、素子の作製が非常に簡便である。
【００４１】
なお、前述した図２を用いた説明の（ａ）〜（ｅ）の過程の１サイクルで２個（あるいはｎ個）の電子転送および光子生成を行う場合には、第１不純物原子１０６および第２不純物原子１０７の対（不純物原子対）を２個（ｎ個）導入すればよいことは言うまでもない。この場合、各不純物原子の種類は同じでも違っていても構わない。なお、不純物原子対の数は、既知であることが重要となる。
【００４２】
ただし、個々の不純物原子対は、互いに独立でなければならない。つまり、２つの不純物原子対の再近接原子間距離は、１０ｎｍを超えていなければならない。近接していると、１つの対で再結合が起こるとき、そのエネルギーを別の対のドナー原子あるいはアクセプター原子がエネルギーを受け取り、オージェ過程が発生し、発光に至らない。
【００４３】
ところで、本発明の半導体装置を集積回路へ適用させる場合、前述したように、半導体層１０１は、シリコンから構成することが望ましい。この場合、第１不純物原子１０６として、周期律表上のＶ族原子（Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ）、第２不純物原子１０７として、ＩＩＩ族原子（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ）を用いることが望ましい。
【００４４】
他の原子でも第１不純物原子１０６や第２不純物原子１０７として機能する原子は存在する。しかし、捕獲準位が複数あり、このため、発光効率が落ちる。例えば、上述した不純物に対し、Ｓ，Ｓｅ，ＴｅなどのＶＩ族原子は、シリコンに対して電子捕獲準位を２つ持つ。これらはダブルドナーと呼ばれている。このような２個の準位を有するドナー原子を用いる場合、２個の電荷が転送され２個の光子が生成されることにはならず、１個の電子が正孔と再結合し、もう１方の電子がこの過程で失われるエネルギーを吸収する（すなわちオージェ過程が発生する）ので、単一光子の発生が伴わない。
【００４５】
また、上述したＶ族原子やＩＩＩ族原子は、ＬＳＩの製造において一般に用いられているものであり、特別な製造装置を用いる必要がなく、また、製造コストの上昇を招くことがないなど、製造が容易である。
【００４６】
以上に説明したように、本発明によれば、ｎ型領域とｐ型領域とを有するトランジスタ構造のチャネル中の半導体界面近傍に、ドナー原子とアクセプター原子の対を配置することで、単一電荷転送と単一光子生成が可能な半導体装置を形成することができる。
【００４７】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、本発明の半導体装置は、ゲート絶縁層を用いることなく、図３に示すように、半導体層３０１にショットキー接続するゲート電極３０５を用いるようにしてもよい。この場合、「界面」は、半導体層３０１とゲート電極３０５との界面を示すことになる。なお、半導体層３０１にｐ型領域３０２およびｎ型領域３０３を備え、ｐ型領域３０２とｎ型領域３０３とに挾まれた領域の半導体層３０１に、第１不純物原子３０６および第２不純物原子３０７からなる不純物原子対を備える。
【００４８】
また、チャネル領域のゲート電極と反対の側にゲート電極と対向して配置された他のゲート電極を備えるようにしてもよい。例えば、図４に示すように、シリコンからなる半導体層４０１と、半導体層４０１に形成されたｐ型領域４０２と、半導体層４０１にｐ型領域４０２と離間して形成されたｎ型領域４０３と、半導体層４０１の一方の表面上に形成された第１ゲート絶縁層４０４と、ｐ型領域４０２とｎ型領域４０３との間の第１ゲート絶縁層４０４の上に形成された第１ゲート電極４０５とを備え、また、半導体層４０１の他方の表面上に形成された第２ゲート絶縁層４０８と、ｐ型領域４０２とｎ型領域４０３との間の第２ゲート絶縁層４０８の上に形成された第２ゲート電極４０９を備え、２つのゲート電極を備える構成としてもよい。なお、ｐ型領域４０２とｎ型領域４０３とに挟まれた半導体層４０１には、第１不純物原子４０６および第２不純物原子４０７からなる不純物原子対を備えている。
【００４９】
また、上述したように２つのゲート電極を備える場合においても、ゲート絶縁層を用いることなく、図５に示すように、半導体層５０１にショットキー接続する第１ゲート電極５０５および第２ゲート電極５０９を用いるようにしてもよい。なお、半導体層５０１にｐ型領域５０２およびｎ型領域５０３を備え、ｐ型領域５０２とｎ型領域５０３とに挾まれた領域の半導体層５０１に、第１不純物原子５０６および第２不純物原子５０７からなる不純物原子対を備える。
【符号の説明】
【００５０】
１０１…半導体層、１０２…ｐ型領域、１０３…ｎ型領域、１０４…ゲート絶縁層、１０５…ゲート電極、１０６…第１不純物原子、１０７…第２不純物原子。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図７】
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【図８】
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