Quantum Wire Formations by Crystal Growth

Abstract

Recent advance in semiconductor hetero-structure formation technology using crystal growth enabled us to form quantum wires and quantum dots, as well as quantum wells. Here, we review the quantum wire formation technologies which confine an electron or a hole within one-dimension, and their physical properties and device applications. We also introduce recent progresses of semiconductor nanowire fabrication by using crystal growth and their device applications. 1．は じ め に 半導体の超微細加工技術の急速な発展により，ナノメ ータースケールで半導体を加工および制御することが可 能となっている。半導体産業分野では，最小加工寸法 45 nm の大規模集積回路（LSI）が，実用段階に来てい る。また，半導体中では，電子に対してポテンシャルの 障壁を設けることにより数十 nm の極微小領域に電子を 閉じ込めたり，あるいは電子の通り道に薄い障壁を設け た場合，電子の量子力学的な性質が顕著になる。この性 質を巧みに利用することにより，トンネル効果素子を始 め，2 次元電子トランジスタ，電子波干渉素子，あるい は電子 1 個 1 個を操作する単電子素子等の新しい機能を 持つデバイスへの道が開かれている。さらに，量子細線 や量子ドットなどの低次元量子構造を活性層に利用した 半導体レーザにおいては，従来の半導体レーザに比べ て，低閾値動作，温度安定性などの特性の飛躍的向上 が，理論的に予測されている 1) 。これらの量子井戸，量 子細線あるいは量子ドットを利用した量子効果デバイス を実現するためには，活性領域となる半導体を他の半導 体材料で覆い尽くす必要があり，電子の低次元性の特長 を生かすためには，サイズの均一性も非常に重要とな る。 まず，数十 nm の幅を持つ井戸型ポテンシャルを人工 的に作製した半導体量子井戸構造に関しては，早くから AlGaAs/GaAs 系において，エピタキシャル成長法によ る多層膜形成技術を用いて，比較的容易に作製されてき た。これは，GaAs を井戸層とし，AlGaAs をバリア層 としたものであるが，両者の格子定数がほぼ一致してい るためにヘテロ接合の形成が容易であることによる。さ らに，平坦基板結晶上への結晶成長では，原理的に平坦 面上の格子点を順次埋めていく layer by layer の成長モー ドが生じるため，単に成長量を減らすだけで，10 nm 以 下の超薄膜が容易に得られる。量子井戸構造は，半導体 中の電子の自由度を 1 つ減らした 2 次元電子を井戸層の 中に形成するものであるが，一方，変調ドープ法の開発 により，単一のヘテロ接合でも，容易に 2 次元電子構造 が得られる。既に高移動度トランジスタ，量子井戸レー