(57)【要約】【課題】２次元位置及び大きさが精密に制御された酸化亜鉛等の量子ドットを形成する方法を提供することを主たる課題とする。【解決手段】表面に絶縁膜が形成された基板の表面に微細穴を形成する工程と、ジエチル亜鉛及び亜酸化窒素を出発材料として、前記微細穴の内部に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドットを形成する工程とを含む量子ドットの形成方法であって、前記基板を所定の温度範囲に制御することにより、前記微細穴の内部にのみ半導体量子ドットを形成することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に絶縁膜が形成された基板の表面に微細穴を形成する工程と、ジエチル亜鉛及び亜酸化窒素を出発材料として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により前記微細穴の内部に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドットを形成する工程とを含む量子ドットの形成方法であって、前記基板を所定の温度範囲に制御することにより、前記微細穴の内部にのみ半導体量子ドットを形成することを特徴とする半導体量子ドットの形成方法。
【請求項２】
前記温度範囲は、６１０℃以上７２０℃以下とすることを特徴とする請求項１記載の量子ドットの形成方法。
【請求項３】
前記絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１記載の量子ドットの形成方法。
【請求項４】
前記微細穴は集束イオンビームを点照射することにより形成されることを特徴とする請求項１記載の量子ドットの形成方法。
【請求項５】
表面に絶縁膜が形成された基板を金属を含むガス雰囲気中に設置して、集束イオンビームを照射し、前記照射位置を連続的に走査することにより、照射された部分に前記金属を堆積することを特徴とする配線形成方法。
【請求項６】
前記金属を含むガスはヘキサカルボニルタングステンであり、堆積される金属はタングステンであることを特徴とする請求項５記載の微細配線形成方法。
【請求項７】
表面に絶縁膜（２）が形成された基板（１）の上に微細穴（４）が設けられ、その内部に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドット（５）が形成され、前記量子ドット（５）の近傍にトンネル接合する２つの金属細線電極（８、８）が設けられたことを特徴とする単電子トランジスタ。
【請求項８】
表面に絶縁膜（２）が形成された基板（１）の上に集束イオンビームを点照射することにより微細穴（４）を形成する工程と、前記微細穴（４）の内部に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により前記微細穴の内部に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドット（５）を形成する工程と、前記半導体量子ドット（５）とトンネル接合する２つの金属細線電極（８、８）を形成する工程とを備えていることを特徴とする単電子トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記金属細線（８、８）は、金属を含む気相化合物雰囲気下で集束イオンビームを照射することにより前記金属を堆積させるマスクレス配線形成方法を適用して形成することを特徴とする請求項８記載の単電子トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
表面にゲート絶縁膜（２）が形成された半導体基板（１）の上に微細穴（４）が設けられ、その内部に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドット（５）が形成され、前記量子ドット（５）にオーミック接合する２つのソース及びドレイン電極用金属細線電極（９、９）が設けられ、さらに、前記基板の裏面にゲート電極（１０）が設けられていることを特徴とするナノ電界効果トランジスタ。
【請求項１１】
表面にゲート絶縁膜（２）が形成された基板（１）の上に集束イオンビームを点照射することにより微細穴（４）を形成する工程と、前記微細穴（４）の内部に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により前記微細穴の内部に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドット（５）を形成する工程と、前記半導体量子ドット（５）にオーミック接合するソース及びドレイン用金属細線電極（８、８）を形成する工程と、前記基板（１）の裏面にゲート電極を形成する工程とを備えていることを特徴とするナノ電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１２】
表面にゲート絶縁膜（２）が形成された基板（１）の上に微細穴（４）が設けられ、その内部に第１のクラッド層（１２）と活性層（１３）と第２のクラッド層（１４）とが設けられたダブルへテロ構造の半導体量子ドット（１１）が形成され、前記第１及び第２のクラッド層（１２、１３）のそれぞれに、金属細線電極（１５、１７）が設けられていることを特徴とする量子ドット発光デバイス。
【請求項１３】
前記第１及び第２のクラッド層（１２、１４）はｎ型又はｐ型酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］であり、前記活性層（１３）は酸化亜鉛［ＺｎＯ］であることを特徴とする請求項１２記載の量子ドット発光デバイス。
【請求項１４】
表面にゲート絶縁膜（２）が形成された基板（１）の上に集束イオンビームを点照射することにより微細穴（４）を形成する工程と、前記微細穴（４）の内部に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により前記微細穴の内部に、活性層（１３）とこれを挟む第１及び第２のクラッド層（１２、１４）からなるダブルへテロ構造の半導体量子ドット（１１）を形成する工程と、前記クラッド層（１２、１４）にそれぞれオーミック接合する金属細線電極（１５、１７）とを備えていることを特徴とする量子ドット発光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス等の技術分野に用いられる、半導体量子ドットの形成方法及びこれを用いた半導体デバイス及びその製造方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
大きさが直径数ナノメートル乃至数百ナノメートル、高さ数ナノメートル乃至数十ナノメートルの半導体ナノ粒子（これを本明細書では「量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔｓ）」という。）は特異的な量子効果特性を備えているため、この特性を利用した種々の半導体デバイスへの応用が期待されている。
【０００３】
量子ドットは位置及び大きさの制御が難しく、研究の初期段階では位置及び大きさがランダムな量子ドットしか得られなかったが、近年では、位置及び大きさが精密に制御された量子ドットの形成方法が開発されつつある。
【０００４】
その大部分は下地となるエキタキシャル半導体層の表面に、何らかの方法で位置制御された微細穴を設け、その微細穴に下地の半導体層と同種の半導体量子ドットをエピタキシャル成長させるというものである（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３等参照）。
【０００５】
ところで、本件発明者らはこれまでに、有機金属気相堆積法（以下、「ＭＯＣＶＤ法： Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」という。）により、絶縁膜であるシリコン酸化膜上に酸化亜鉛［ＺｎＯ］の量子ドットが形成されうること（但し、位置及び大きさがランダムなものである。）を発見している（非特許文献１参照）。
また、その後の研究により、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｒｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）により予めシリコン酸化膜に微細な溝を設け、この溝の内部にのみ選択的に酸化亜鉛の量子ドットが形成されうることをも見いだし、これを報告している（非特許文献２参照）。すなわち、本研究者らによるこれまでの最新の研究によれば、シリコン酸化膜上に酸化亜鉛の量子ドットを形成する技術は、線上に並べる制御すなわち１次元の位置制御までは可能となっていた。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３４０４４９号公報
【特許文献２】特開平１１−１１１６１８号公報
【特許文献３】特開２００３−３３８６１８号公報
【非特許文献１】Ｓａｎｇ−Ｗｏｏ  Ｋｉｍ  ｅｔ．ａｌ，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．８１，Ｎｕｍｂｅｒ  ２６，Ｐ．５０３６−Ｐ．５０３８
【非特許文献２】Ｓａｎｇ−Ｗｏｏ  Ｋｉｍ  ｅｔ．ａｌ，  Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．４２（２００３）Ｐ．５６８−５７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、実用的な量子効果デバイスを得るためには、平面にアレイ状に並べる制御すなわち２次元の位置制御及び大きさの制御方法を確立しなければならない。
本件発明らは、２次元位置を制御するために、シリコン酸化膜上に直径が約１００ｎｍ、深さ約５ｎｍ程度の微細穴を形成し、ＭＯＣＶＤ法により酸化亜鉛の量子ドットを形成することを試み実験を行っていた。
【０００８】
ところで、ＭＯＣＶＤ法は、それ自体、ほんのわずかな実験条件の違いによって結晶膜の成長が左右される非常に精密な技術であり、同装置は、原料となる元素を供給するガスの配管や反応装置部分の構造が複雑である上に、ガスの供給条件や反応温度などの設定により、無数の反応条件の組み合わせがあり、実用化に耐え得るような２次元位置及び大きさが精密に制御された酸化亜鉛の量子ドットを得ることは極めて困難な課題であった。
【０００９】
しかし、本件発明者らは、無数の反応条件の中でも、特に、成長時の基板温度が、二次元位置及び大きさを制御する上で極めて重要なパラメータであるとの知見を見いだした。
【００１０】
一方、量子ドットを形成する目的は、究極的には、量子効果デバイス（例えば、単電子トランジスタ、ナノ電界効果トランジスタ、或いは、発光デバイスへの応用）にある。そのための基礎技術として、形成された量子ドットと数十ナノメートル以下の距離に電極となる金属細線を形成することも重要となる。
【００１１】
本発明は、上記知見及び考察に鑑みなされたものであり、第１に、２次元位置及び大きさが精密に制御された酸化亜鉛又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］の量子ドットを形成する方法を提供すること、第２に、この方法を用いて製造した量子効果デバイス及びその製造方法を提供することをその主たる技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る量子ドットの形成方法は、表面に絶縁膜が形成された基板の表面に微細穴を形成する工程と、ジエチル亜鉛及び亜酸化窒素を出発材料として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により前記微細穴の内部に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドットを形成する工程とを含む量子ドットの形成方法であって、前記基板を所定の温度範囲に制御することにより、前記微細穴の内部にのみ半導体量子ドットを形成することを特徴とする。
この方法によると、酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる単結晶の半導体量子ドットを、二次元位置及び大きさを正確に制御して形成することができる。
【００１３】
この場合、温度範囲は、６１０℃以上７２０℃以下とすることが好ましい。この温度範囲に制御すれば、集束イオンビームで形成された微細穴１つにつき１つだけ量子ドットが形成された後、確実に成長（堆積）が停止する。
【００１４】
なお、絶縁膜は、シリコン酸化膜であることが好ましい。熱酸化や化学気相成長法（ＣＶＤ法）などにより容易に形成できるためである。
【００１５】
また、微細穴は集束イオンビームを点照射することにより形成されるようにしてもよい。集束イオンビームはコンピュータ制御により照射位置を極めて正確に決めることができ、かつ、照射面積はナノメートルオーダーという極めて小さい面積でスポット照射することができるためである。なお、微細穴を形成する場合は、真空中で照射することが好ましい。
【００１６】
本発明に係る配線形成方法は、表面に絶縁膜が形成された基板を金属を含むガス雰囲気中に設置して、集束イオンビームを照射し、前記照射位置を連続的に走査することにより、照射された部分にタングステン金属を堆積することを特徴とする。
上述のように集束イオンビームは照射位置を精密に制御できるとともに照射面積を小さくできるため、この方法によると、極めて細い配線（金属細線）を形成することができる。
【００１７】
この場合、金属を含むガスはヘキサカルボニルタングステンであり、堆積される金属はタングステンであることが考えられる。
【００１８】
本発明に係る単電子トランジスタは、表面に絶縁膜２が形成された基板１の上に微細穴４が設けられ、その内部に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドット５が形成され、前記量子ドット５の近傍であって前記量子ドットとトンネル接合する２つの金属細線電極８、８が設けられていることを特徴とする。
なお、「トンネル接合する」とは、量子ドットの近傍であってトンネル接合が形成される位置に金属細線電極を配置することを意味し、具体的には例えば約５０ｎｍ以下まで近接した状態を意味する。
これは、これまでにない新規な単電子トランジスタを提案するものである。しかも、微細穴が設けられた部位にのみ単電子トランジスタが形成されるため、制御性良く超高集積化が可能である。
【００１９】
本発明に係る単電子トランジスタの製造方法は、表面に絶縁膜２が形成された基板１の上に集束イオンビームを点照射することにより微細穴４を形成する工程と、前記微細穴４の内部に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により前記微細穴の内部に酸化亜鉛ＺｎＯ又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドット５を形成する工程と、前記半導体量子ドット５とトンネル接合する２つの金属細線電極８、８を形成する工程とを備えていることを特徴とする。
なお、半導体量子ドット５を形成する工程と、金属細線電極８、８を形成する工程とは、その順序を問わない。すなわち、金属細線電極８、８を形成した後に半導体量子ドット５を形成しても、その逆でもよい。このようにすることが可能となるのは、半導体量子ドット５と証紙細線電極８、８とはトンネル接合で接続されることになるため、物理的には数十ナノメートル離間しているからである。
【００２０】
特に、前記金属細線８、８は、金属を含む気相化合物雰囲気下で集束イオンビームを照射することにより前記金属を堆積させるマスクレス配線形成方法を適用して形成することができる。この方法によると、従来のように電子ビームリソグラフィー法などによらず、コンピュータ制御により集束イオンビームの照射位置を制御するだけで金属細線を直接描画することができる。
【００２１】
また、本発明に係るナノ電界効果トランジスタは、表面にゲート絶縁膜２が形成された半導体基板１の上に微細穴４が設けられ、その内部に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドット５が形成され、前記量子ドット５にオーミック接合する２つのソース及びドレイン電極用金属細線電極９、９が設けられ、さらに、前記基板の裏面にゲート電極１０が設けられていることを特徴とする。
なお、「オーミック接合する」とは、量子ドット５とオーミック接合が形成される金属からなる金属細線電極９、９とが物理的に直接接触しているという意味である。
これは、これまでにない新規な構造のナノ電界効果トランジスタを提案するものである。しかも、微細穴が設けられた部位にのみナノ電界効果トランジスタが形成されるため、制御性良く超高集積化が可能である。
【００２２】
また、本発明に係るナノ電界効果トランジスタは、表面にゲート絶縁膜２が形成された基板１の上に集束イオンビームを点照射することにより微細穴４を形成する工程と、前記微細穴４の内部に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により前記微細穴の内部に酸化亜鉛ＺｎＯ又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドット５を形成する工程と、前記半導体量子ドット５に電気的に接触するソース及びドレイン用金属細線電極８、８を形成する工程と、前記基板１の裏面にゲート電極を形成する工程とを備えていることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る量子ドット発光デバイスは、表面にゲート絶縁膜２が形成された基板１の上に微細穴４が設けられ、その内部に第１のクラッド層１２と活性層１３と第２のクラッド層１４とが設けられたダブルへテロ構造の半導体量子ドット１１が形成され、前記第１及び第２のクラッド層１２、１３のそれぞれに、金属細線電極１５、１７が設けられていることを特徴とする。
特に、前記第１及び第２のクラッド層１２、１４はｎ型又はｐ型酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］であり、前記活性層１３は酸化亜鉛［ＺｎＯ］であることが好ましい。
これは、これまでにない新規な量子ドット発光デバイスを提案するものである。
【００２４】
本発明に係る量子ドット発光デバイスの製造方法は、表面にゲート絶縁膜２が形成された基板１の上に集束イオンビームを点照射することにより微細穴４を形成する工程と、前記微細穴４の内部に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により前記微細穴の内部に、活性層１３とこれを挟む第１及び第２のクラッド層１２、１４からなるダブルへテロ構造の半導体量子ドット１１を形成する工程と、前記第１及び第２のクラッド層１２、１４にそれぞれオーミック接合する金属細線電極１５、１７とを備えていることを特徴とする。
【００２５】
以上のようにすれば、極めて制御性良く、かつ、高効率の発光デバイス例えば単一量子ドットレーザー又はこれらをアレイ状に多数並べた量子ドットレーザが完成する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る量子ドットの形成方法によると、二次元位置及び大きさが精密に制御された量子ドットを得ることができる。また、この方法を応用すると、単電子トランジスタやナノ電界効果トランジスタや量子ドット発光デバイスを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（第１の実施形態）−量子ドットの形成方法について−
本発明に係る量子ドットの形成方法は、主に２つのステップからなる。
【００２８】
（１）微細穴形成工程
ａ．適用基板
本発明では、従来のように、半導体基板上に半導体量子ドットを形成するのではなく、絶縁膜上に、単結晶の半導体量子ドットを形成することを前提としている。
このため、実験では、単結晶シリコン基板（キャリア密度等は特に限定しない）の表面にシリコン酸化膜を形成した。シリコン酸化膜の形成方法には種々のものが考えられるが、例えば約１０００度でドライ酸化し膜厚は約１００ｎｍとした。
ｂ．微細穴の形成
このようにして得たシリコン酸化膜に、所定の位置に集束イオンビームを照射することにより、ナノメートルオーダーの微細穴を形成する。シリコン酸化膜上に掘られた微細穴の直径は上端部で約１００ｎｍ、深さは約５ｎｍとした。なお、このときの加速電圧は３０ｋｅＶ、ビーム電流は２００ｐＡであった。微細穴の二次元位置、大きさ、深さなどは、ＦＩＢ装置を適当に操作すれば自由に変更することが可能である。
【００２９】
（２）量子ドット形成工程
実験では、酸化亜鉛［ＺｎＯ］量子ドットを成長したが、酸化亜鉛のほかマグネシウム［Ｍｇ］が一部含まれる混晶体である酸化亜鉛マグネシウム［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ（０＜ｘ＜１）］などでもよい。本発明に係る量子ドットの形成方法は、従来のように下地のエピタキシャル半導体層の結晶性を引き継いでエピタキシャル成長するものではなく、ＭＯＣＶＤ法によりシリコン酸化膜のような無配向絶縁基板上に酸化亜鉛又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］という半導体物質を「堆積」する技術である。
したがって、エピタキシャル成長などの結晶成長のように特定の下地層や特定の結晶構造を持つ部分のみに選択成長するといったことはなく、微細穴を形成した基板を用いても微細穴以外の場所に量子ドットが形成され易いため、各種パラメータ制御が極めて難しい。
【００３０】
具体的な製造条件としては、ジエチル亜鉛［化学式（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ］及び亜酸化窒素［化学式Ｎ2Ｏ］を出発物質として、窒素［Ｎ２］などのキャリアガス中で量子ドットを堆積させる。ジエチル亜鉛のガス流量は例えば１μｍｏｌ／ｍｉｎ、亜酸化窒素の流量は７０００μｍｏｌ／ｍｉｎ、窒素流量は１ｌ／ｍｉｎ、基板温度は約６５０℃とした。成長した量子ドットは上端部の直径が約５０ｎｍ、高さ約６ｎｍ程度であり、量子効果デバイスへの応用が可能なものが得られる。
なお、これらのパラメータのうち、特に重要なのが基板温度である。実験によれば、基板温度を６１０℃以上７２０℃以下、より望ましくは６３０℃以上７００℃とする点が重要である。基板温度が６００℃よりも小さいときは、微細穴以外の場所にも量子ドットが堆積されてしまい、位置及び大きさの制御は不可能となる。逆に、７５０℃よりも大きいと量子ドットが蒸発してしまい、堆積できない。
また、成長する量子ドットの粒径（上端部の直径）は成長条件により異なるが、デバイスへの応用を前提とした量子効果が得る程度の現実的な大きさとしては例えば２０ｎｍ乃至１００ｎｍであると考えられる。
【００３１】
以上の工程により、二次元位置が制御された微細穴の内部にのみ選択的に大きさの均一な酸化亜鉛［ＺｎＯ］又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］からなる半導体量子ドットを形成することができる。なお、その後の実験により、この方法により形成された酸化亜鉛半導体の結晶構造を透過型電子顕微鏡などにより調べるたところ、単結晶であることが明らかとなった。
【００３２】
（第２の実施形態）−金属細線（配線）の形成方法−
以上のように、２次元位置及び大きさが精密に制御された量子ドットが得られたとしても、これを利用して量子効果デバイスに応用するためには、量子ドットと直接接触する、或いは、ごく近接した位置（例えば数十ナノメートル隔てた位置）に、微細な配線を形成する技術が不可欠である。しかし、量子ドットに対する配線形成技術は意外なほど困難である。
本件発明者らは、量子ドット形成の第１工程で用いた集束イオンビームを、今度は配線形成工程に応用する方法を思いついた。
【００３３】
すなわち、集束イオンビームによるタングステン堆積は、条件の設定次第では極めて微細な配線（金属細線）が形成されるため、これを量子ドットへのコンタクトのための極微細配線（金属細線）形成という用途に用いた。より具体的には、表面に絶縁膜が形成された基板をタングステンを含むガス（例えば、ヘキサカルボニルタングステン）雰囲気中に設置して、集束イオンビームを照射し、前記照射位置を連続的に走査することにより、照射された部分にタングステン金属を堆積する。
【００３４】
従来、量子ドットへの電気配線は電子ビームリソグラフィーで行われ、複雑なプロセスを必要とした。しかし、この方法によれば、集束イオンビームという極めて簡単なプロセスで、約５０ｎｍ程度の幅を持つタングステン堆積膜が得られる。なお、膜厚は照射時間を増大させることにより、制御可能である。
このように、本実施形態に係る金属細線（配線）の形成方法は、上述した第１の実施形態に係る量子ドットの形成方法とのプロセスの整合性が良く、同一のＦＩＢ装置を用いればプロセスの簡略化を図ることができるという利点もある。
【００３５】
（第３の実施形態）−単電子トランジスタの製造方法−
ここで、図１及び図２を用いて、単電子トランジスタの製造方法について説明する。図１（ａ）は、シリコン基板１の表面を熱酸化して、シリコン酸化膜２を形成したことを示している。シリコン酸化膜２の厚さは例えば約１００ｎｍとする。
【００３６】
次に、集束イオンビーム３をこの基板１の表面スポット照射することにより、シリコン酸化膜２の表面に微細穴４を形成する。図１（ｂ）はこの様子を示している。微細穴４は、上端部の直径が約１００ｎｍ、深さが５ｎｍである。このため、微細穴４は下地のシリコン基板１には達してない。なお、集束イオンビーム３の照射条件は、例えば加速電圧３０ｋｅＶ、ビーム電流２００ｐＡとする。
【００３７】
次に、ＭＯＣＶＤチャンバーにこの基板１を設置し、ジエチル亜鉛及び亜酸化窒素を原料ガスとして、窒素キャリアガス中で酸化亜鉛半導体又は酸化亜鉛マグネシウム混晶［ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ、但し０＜ｘ＜１］半導体の量子ドットを形成する。ジエチル亜鉛のガス流量は例えば１μｍｏｌ／ｍｉｎ、亜酸化窒素の流量は７０００μｍｏｌ／ｍｉｎ、窒素流量は１ｌ／ｍｉｎ、基板温度は約６５０℃とした。実際に成長した量子ドットを計測すると、直径約５０ｎｍ、高さ約６ｎｍ程度であり、図１（ｃ）に示すように、先に形成した微細穴１つに対し１つの酸化亜鉛半導体の量子ドットが形成され、その他の部分に量子ドットが形成されることはなかった。
【００３８】
なお、これらのパラメータのうち、特に重要なのが基板温度である点、基板温度を６１０℃以上７２０℃以下望ましくは６３０℃以上７００℃以下とする点が重要である点は、第１の実施形態で上述した通りである。
【００３９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は配線形成工程が終了した状態を説明するための図である。図２（ａ）は完成した単電子トランジスタの斜視図、図２（ｂ）はこれを正面から見た図である。
図１（ｃ）の状態から、次は、公知のフォトリソグラフィー法によって、先ほど形成した量子ドットの近傍に例えばアルミニウム電極７を形成し、さらに、集束イオンビームチャンバーにこの基板を設置し、タングステンを含む化合物ガス例えばヘキサカルボニルタングステンを導入し、集束イオンビームを電極７の端部から量子ドット５からの距離が約５０ｎｍ以内の位置（トンネル接合が形成される距離）まで走査（スキャン）し、これによって、タングステン電極（金属細線電極）８を堆積する。なお、集束イオンビームの条件は、加速電圧が例えば３０ｋｅＶ、ビーム電流が４８ｐＡとする。
【００４０】
ちなみに、タングステンは、集束イオンビームが照射されたところだけに堆積されるため、リソグラフィーなどによるパターニングといった工程は一切不要ないわゆるマスクレス加工であり、実際の量産プロセスでは極めて有効な手段となる。
【００４１】
以上のようにして、表面に絶縁膜２が形成された半導体基板上１に酸化亜鉛［ＺｎＯ］の単結晶の半導体量子ドット５が二次元位置を精密に制御して形成され、かつ、前記量子ドットの近傍（量子ドットに接触しない位置、例えば約５０ｎｍ隔てた位置）に金属細線電極８を設けた単電子トランジスタが完成する。なお、従来のように単結晶半導体層の上ではなく、非晶質の絶縁膜上に、単結晶の酸化亜鉛からなる単電子トランジスタを形成した点は特筆すべきものと考えられる。
【００４２】
上記一連の単電子トランジスタ製造方法はトンネル接合の条件を満たしながら従来技術と比較して顕著に高い電子保持特性と生産性とを両立することに成功している。これらの方法は、後述するナノ電界効果トランジスタの製造方法や、ナノ発光デバイスの製造方法に応用することもできる。
【００４３】
なお、微細穴４の形成後、量子ドット形成の前に、先に配線（金属細線）を形成しておき、その後、ＭＯＣＶＤ法により量子ドットを形成するようにしてもよい。
【００４４】
図１及び図２では、１つの単電子トランジスタを製造するプロセスを示したが、本実施形態は１つの基板上に多数の単電子トランジスタを形成することをも当然に想定したものである。実際、集束イオンビームをコンピュータ制御により一定のパターンでスポット照射を繰り返すように走査（スキャン）することによって、１つの基板上の約５００μｍ四方の領域に周期的な微細穴を例えば１０万個以上形成することにも成功している。
【００４５】
すなわち、本発明に係る単電子トランジスタはこれを集積化した超高密集積デバイス、また、その応用分野としての超高密度メモリや超高速コンピュータなどへの応用が期待される。
【００４６】
（第３の実施形態の変形例）−ナノ電界効果トランジスタの製造方法−
次に、ナノ電界効果トランジスタの製造方法について説明する。なお、ナノ電界効果トランジスタの製造方法についても、先に示した単電子トランジスタの製造方法に関する図１（ａ）乃至図１（ｃ）までは同様の工程であり、基板のキャリア密度及び表面のシリコン酸化膜の膜厚が異なるだけであるため、図１（ａ）乃至図１（ｃ）までの工程図を援用する。
【００４７】
はじめに、低抵抗シリコン基板（キャリア密度１ｘ１０１９ｃｍ−３ 乃至１ｘ１０２０ｃｍ−３ ）１を熱酸化して、表面にゲート絶縁膜となる例えば厚さ１０ｎｍ程度のシリコン酸化膜２を形成する。なお、シリコン酸化膜２は、上述の単電子トランジスタの場合とは異なり、ゲート絶縁膜としての意味を持つため、欠陥準位密度が低い熱酸化シリコン膜などが好ましい。
次に、集束イオンビーム３をこの基板１の表面スポット照射することにより、シリコン酸化膜２の表面に微細穴４を形成する。図１（ｂ）はこの様子を示している。微細穴４は、上端部の直径が約１００ｎｍ、深さが５ｎｍである。このため、微細穴４は下地のシリコン基板１には達してない。なお、集束イオンビーム３の照射条件は、例えば加速電圧３０ｋｅＶ、ビーム電流２００ｐＡとする。
【００４８】
次に、ＭＯＣＶＤチャンバーにこの基板１を設置し、ジエチル亜鉛及び亜酸化窒素を原料ガスとして、窒素キャリアガス中で酸化亜鉛半導体の量子ドットを形成する。ジエチル亜鉛のガス流量は例えば１μｍｏｌ／ｍｉｎ、亜酸化窒素の流量は７０００μｍｏｌ／ｍｉｎ、窒素流量は１ｌ／ｍｉｎ、基板温度は約６５０℃とした。実際に成長した量子ドットを計測すると、直径約５０ｎｍ、高さ約６ｎｍ程度であり、図１（ｃ）に示すように、先に形成した微細穴１つに対し１つの酸化亜鉛半導体の量子ドットが形成され、その他の部分に量子ドットが形成されることはなかった。
【００４９】
なお、これらのパラメータのうち、特に重要なのが基板温度である点、基板温度を６１０℃以上７２０℃以下、より望ましくは６３０℃以上７００℃とする点が重要である点は、第１の実施形態で上述した通りである。
【００５０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は配線形成工程が終了した状態を説明するための図である。図３（ａ）は完成したナノ電界効果トランジスタの斜視図、図３（ｂ）はこれを正面から見た図である。
図１（ｃ）の状態から、次は、公知のフォトリソグラフィー法によって、先ほど形成した量子ドットの近傍に例えばアルミニウム電極７を形成し、さらに、集束イオンビームチャンバーにこの基板を設置する。ここまでは、第３の実施形態と同様である。
【００５１】
次に、集束イオンビームチャンバーに、タングステンを含む化合物ガス例えばヘキサカルボニルタングステンを導入し、集束イオンビームを電極７の端部から量子ドット５に完全に接する位置まで走査（スキャン）し、これによって、タングステン電極（金属細線電極）８を堆積する。なお、集束イオンビームの条件は、加速電圧が例えば３０ｋｅＶ、ビーム電流が４８ｐＡとする。
【００５２】
最後に、シリコン基板１の裏面（量子ドットが形成された面と反対側）に例えばアルミニウムなどのゲート電極１０を形成する。
【００５３】
以上のようにして、表面に絶縁膜２が形成された半導体基板上１に酸化亜鉛［ＺｎＯ］又はこれを主成分とする単結晶の半導体量子ドット５が形成され、前記量子ドット（前記量子ドットに完全に接触する位置）に金属細線電極８が設けられ、さらに、ゲート電極を備えたことを特徴とするナノ電界効果トランジスタが完成する。なお、この第３の実施形態の変形例では、基板１は「半導体基板（例えば、シリコン基板）」であることが必要であるが、その他の実施形態（第１乃至第３及び第４の実施形態）では、「基板」は必ずしも半導体基板である必要はない。
【００５４】
なお、援用する図１、図２、及び、図３では、１つのナノ電界効果トランジスタを製造するプロセスを示したが、本実施形態は量産プロセスを前提として１つの基板上に多数のナノ電界効果トランジスタを形成することをも当然に想定したものである。したがって、本発明に係るナノ電界効果トランジスタはこれを集積化した超高密集積デバイス、また、その応用分野としての超高密度メモリや超高速コンピュータなどへの応用が期待される。
【００５５】
（第４の実施形態）−ナノ発光デバイスの製造方法−
次に、ナノ発光デバイスの製造方法について説明する。なお、ナノ発光デバイスとは、直径数十ナノメートルの量子ドットから発光する、ナノレーザー発振素子或いはナノ発光ダイオードなどを意味する。
【００５６】
（１）微細穴形成工程
表面に絶縁膜が形成された基板の表面に微細穴を形成するまでの工程（図１（ａ）乃至図１（ｂ））は、第１の実施形態と同様であるため、これを援用する。
【００５７】
（２）量子ドット形成工程
図４（ａ）は、ジエチル亜鉛、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム［化学式（Ｃ２Ｈ５）２Ｍｇ］、亜酸化窒素を原料ガスとして、窒素キャリアガス中で発光デバイス用酸化亜鉛ナノドット１１を形成した状態を示している。この発光デバイス用酸化亜鉛ナノドット１１は、ｎ型ＺｎＭｇＯ（１２）、無添加ＺｎＯ １３、ｐ型ＺｎＭｇＯ １４の３層から形成されたダブルへテロ構造となっている。無添加ＺｎＯはダブルへテロ構造における発光層となり、これを挟むｎ型及びｐ型ＺｎＭｇＯはクラッド層とよばれる。
このうち、無添加ＺｎＯとは、積極的に伝導性制御物質を導入しないことを意味するものであり、第１の実施形態などで示した量子ドット形成工程の条件を適用することができる。
ｎ型ＺｎＭｇＯにおけるｎ型伝導性制御物質としては、例えば、インジウム［Ｉｎ］やアルミニウム［Ａｌ］などが考えられ、これらは、ＭＯＣＶＤ装置にトリメチルインジウム［化学式（ＣＨ３）３Ｉｎ］やトリメチルアルミニウム［化学式（ＣＨ３）３Ａｌ］などのガスとして導入する。
ｐ型ＺｎＭｇＯにおけるｐ型伝導性制御物質としては、例えば、リン［Ｐ］や窒素［Ｎ］などが考えられ、これらは、ＭＯＣＶＤ装置にトリエチルリン［化学式（Ｃ２Ｈ５）３Ｐ］やアンモニア［化学式ＮＨ３］などのガスとして導入する。
【００５８】
（３）ナノ配線電極（金属細線電極）形成工程
本発明に係るナノ発光デバイスを製造する上で重要なことは、少なくとも３層構造の微細な（直径数十ｎｍ、高さ数ｎｍで島状の）量子ドットの中心に位置する発光層を挟む上側及び下側半導体層とを確実に電気的に接続するための、ナノコンタクト配線を形成しなければならない点である。これは、本発明に係る量子ドットは、絶縁膜上に形成されているため、基板側から電極をとることができないからである。このように基板の主面（発光面）からコンタクトをとる方式は、裏面から電極をとる形式と比較して、単一量子ドットレーザーを整然と多数配置したアレー型レーザー（いわゆる量子ドットレーザ、又は面発光デバイス）などにも適している。
図４（ｂ）はナノ配線完成後の基板断面図、図４（ｃ）は正面図を表している。これらを参照して以下説明する。
【００５９】
３−１  ｐ型コンタクトの形成
公知のフォトリソグラフィー法によって、先ほど形成した量子ドットの近傍に例えばアルミニウム電極７を形成し、さらに、集束イオンビームチャンバーにこの基板を設置し、タングステンを含む化合物ガス例えばヘキサカルボニルタングステンを導入し、集束イオンビームを電極７の端部から量子ドット１１のｐ型領域（ｐ型ＺｎＭｇＯ １４）に接する位置まで走査（スキャン）し、これによって、タングステン電極（金属細線電極）１５を堆積し、ｐ型コンタクトを形成する。  なお、集束イオンビームの条件は、加速電圧が例えば３０ｋｅＶ、ビーム電流が４８ｐＡとする。
【００６０】
３−２  ｎ型コンタクトの形成
ｎ型コンタクトを形成するためには、下部電極となるｐ型コンタクト１５及び発光層となる無添加ＺｎＯ １３とショートしないように、まず、絶縁層１６は、例えばＳｉＯ２を堆積する。この絶縁層１６の形成工程にも、集束イオンビームを用いることが可能である。
具体的には、集束イオンビーム装置のチャンバーに、シリコン及び酸素を含む化合物ガス（例えば、テトラエトキシシラン［化学式Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４］）を導入し、次いで、集束イオンビームをナノドットの近傍で走査（スキャン）し、照射部分にＳｉＯ２を堆積させる。
次に、タングステンを含む化合物ガス例えばヘキサカルボニルタングステンを導入し、集束イオンビームを電極７の端部から量子ドット１１のｎ型領域（ｎ型ＺｎＭｇＯ １３）に接する位置まで走査（スキャン）し、これによって、タングステン電極（金属細線電極）１７を堆積し、ｎ型コンタクトを形成する。なお、集束イオンビームの条件は、加速電圧が例えば３０ｋｅＶ、ビーム電流が４８ｐＡとする。
【００６１】
以上のような工程により、二次元位置（すなわち密度）及び大きさを精密に制御した例えば直径２０ｎｍの領域から発光するナノレーザー（量子ドットレーザー）を、絶縁膜上に形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る量子ドットの形成方法は、環境に優しい酸化亜鉛半導体を用いつつ、簡単なプロセスで性能の優れた単電子トランジスタやナノ電界効果トランジスタ、ナノ発光デバイスなど幅広い応用が可能な基本技術である。
本発明に係る単電子トランジスタは、これを集積化した超高密集積デバイス、また、その応用分野としての超高密度メモリや超高速コンピュータなどへの応用が期待される。また、本発明に係る電界効果トランジスタ及び発光デバイスは、その応用分野としてのナノ電子回路、マイクロリサージェシステム、バイオチップ、マイクロ電子技術システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）など、種々の応用が期待される。
以上のように、本発明の産業上の利用可能性は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第１の実施形態による単結晶半導体量子ドットの形成方法の工程概念図である。
【図２】図２（ａ）は第１の実施形態による単電子トランジスタの斜視図、（ｂ）はこれを正面から見た図である。
【図３】図３（ａ）は第２の実施形態によるナノ電界効果トランジスタの斜視図、（ｂ）はこれを正面から見た図である。
【図４】図４（ａ）は第３の実施形態による発光デバイス用酸化亜鉛ナノドット１１を形成した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  基板
２  絶縁膜
３  集束イオンビーム
４  微細穴
５  量子ドット
６  微細穴以外の絶縁膜表面
７  アルミニウム電極
８  タングステン電極（金属細線電極）
９  タングステン電極
１０  アルミニウム電極
１１  量子ドット（ダブルへテロ構造）
１２  クラッド層（ｎ型ＺｎＭｇＯ）
１３  活性層（ＺｎＯ）
１４  クラッド層（ｐ型ＺｎＭｇＯ）
１５  タングステン電極（金属細線電極）
１６  絶縁層（ＳｉＯ２）
１７  タングステン電極（金属細線電極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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