半導体素子
【課題】簡易な構成で高速性能を備えた半導体素子を提供することを課題とする。
【解決手段】絶縁層１０に面接合された上層Ｓｉと、絶縁層１０とで挟むように上層Ｓｉに面接合された下層Ｓｉとを同じ（１００）面で面接合し、下層Ｓｉを上層Ｓｉに対して（接合面に垂直な軸に関して）相対的に４５度回転することで上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子に対して層厚方向に空間的に閉じ込めるような構造を作製すると共に、上層Ｓｉの層厚を４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄層化する。
【解決手段】絶縁層１０に面接合された上層Ｓｉと、絶縁層１０とで挟むように上層Ｓｉに面接合された下層Ｓｉとを同じ（１００）面で面接合し、下層Ｓｉを上層Ｓｉに対して（接合面に垂直な軸に関して）相対的に４５度回転することで上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子に対して層厚方向に空間的に閉じ込めるような構造を作製すると共に、上層Ｓｉの層厚を４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄層化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャリア特性を利用した半導体素子の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、結晶Ｓｉを伝導領域に用いた電界効果トランジスタ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ）が世界中で広く利用され、その性能向上についての研究が継続的に行われている。例えば、結晶Ｓｉの（１００）面を伝導領域に用いたｎチャネルＭＯＳＦＥＴにおける反転層２次元電子の伝導エネルギーバンドは、２重に縮退したバレー（以降、「２重縮退バレー」と称する）と４重に縮退したバレー（以降、「４重縮退バレー」と称する）とで構成される。その実効的な伝導特性は、これら２種類の縮退バレーの電子についてのある種の平均値となることが知られている。各バレーはそれぞれ複数のサブバンドから構成されるが、フォノン散乱移動度を緩和時間近似で取扱う場合、サブバンド毎の移動度を各サブバンドに存在する電子の割合で加重平均したものが実効的移動度となる。すなわち、各サブバンドの移動度をμｉとし、各サブバンドに存在する電子の割合をｆｉとした場合には式（１）が成立する。移動度が大きい程、高性能の伝導特性を有するｎチャネルＭＯＳＦＥＴとなる（非特許文献１参照）。
【数１】
【０００３】
このような移動度は、結晶Ｓｉ若しくは結晶Ｓｉを用いた電界効果トランジスタ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ）等の伝導特性を表す指標として用いられており、Ｓｉ（１００）面のｎチャネルＭＯＳＦＥＴにおいては、バレーの移動度としては４重縮退バレーよりも２重縮退バレーの方が高いことが知られている。故に、伝導特性を向上するため、２重縮退バレーの特性のみを選択的に取り出すことが検討されている。
【０００４】
例えば、素子形成のための活性層に歪みを印加する技術が注目されている。活性層に歪みを印加すると、そのエネルギーバンド構造が変化し、２重縮退バレーの電子の割合が増大する効果とキャリア散乱の抑制効果とによって、移動度の向上が期待できる。具体的には、Ｓｉ基板上にＳｉよりも格子定数の大きな材料からなる混晶層、例えばＧｅ濃度２０％の歪み緩和ＳｉＧｅ混晶層（以降、単に「ＳｉＧｅ層」と称する）を形成し、このＳｉＧｅ層上にＳｉ層を形成すると、格子定数の差によって歪みが印加された歪みＳｉ層が形成される。このような歪みＳｉ層を半導体デバイスのチャネルに用いると、無歪みＳｉ層を用いた場合の約１．７６倍と大幅な電子移動度の向上を達成できることが知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３７９０２３８号
【非特許文献１】Masanari Shoji、外１名、「Phonon-limited inversion layer electron mobility in extremely thin Si layer of silicon-on-insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistor」、American Institute of Physics、1997年12月15日、p.6096-6101
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような歪みＳｉ層を形成する方法は、所望の格子定数を持つＳｉＧｅ層をＳｉ基板上に作成し、対象となるＳｉ層を化学気層成長法等で積層するなどの複数の製造過程を経由するため、多大な時間や多額の費用が必要であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で高速性能を備えた半導体素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明は、絶縁層に面接合された結晶層と、前記絶縁層とで挟むように前記結晶層に面接合された物質層とを有する半導体素子において、前記結晶層は、キャリア（電子又は正孔）が存在するエネルギーの範囲に含まれ、前記物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも第１のエネルギーバンド及び第２のエネルギーバンドを有する結晶で形成され、前記物質層は、前記第１のエネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、前記結晶層との接合面方向の運動量に関して前記第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、前記第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び当該接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／又は同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、前記結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを要旨とする。
【０００８】
本発明にあっては、絶縁層に面接合された結晶層と、絶縁層とで挟むように結晶層に面接合された物質層とを有する半導体素子において、結晶層は、キャリア（電子又は正孔）が存在するエネルギーの範囲に含まれ、物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも第１のエネルギーバンド及び第２のエネルギーバンドを有する結晶で形成され、物質層は、第１のエネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、結晶層との接合面方向の運動量に関して第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／又は同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、結晶層の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたため、簡易な構成で高速性能を備えた半導体素子を提供することができる。
【０００９】
請求項２に記載の本発明は、第ｎ−１の前記結晶層とで挟むように第ｎの前記結晶層を第ｎ−１の前記物質層に面接合し、当該第ｎ−１の物質層とで挟むように第ｎの前記物質層を前記第ｎの結晶層に面接合することを交互に繰り返す積層構造において、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドは、前記第ｎ−１の物質層におけるエネルギーバンドに対して、前記エネルギー及び前記接合面方向の運動量に関する前記結晶層と前記物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、前記第ｎの物質層におけるエネルギーバンドは、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドに対して、前記エネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有するものであって、前記積層構造を構成する複数の結晶層のうち少なくとも１つの前記第ｎの結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の本発明は、前記物質層が、前記第３のエネルギーバンドと、前記エネルギー範囲と同じエネルギー範囲に含まれ、前記結晶層との接合面方向の運動量に関して前記第３のエネルギーバンドと異なる運動量を持つ第４のエネルギーバンドとを有する結晶で形成されるものであって、前記第１のエネルギーバンド及び当該第３のエネルギーバンドについては互いの接合面方向の運動量が一致し、前記第２のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドについては、エネルギー及び／又は互いの接合面方向の運動量が異なることを要旨とする。
【００１１】
請求項４に記載の本発明は、前記物質層が、前記結晶層と同じ物質であり、且つ、前記結晶層及び当該物質層は、同一の面方位を互いの接合面として選択するものであって、前記結晶層の第１のエネルギーバンドについては当該接合面方向の運動量が一致し、前記結晶層の第２のエネルギーバンドについては、当該接合面方向の運動量が一致するようなエネルギーバンドが当該物質層に存在しないように相対的な回転角度（接合面に垂直な軸に対する回転角度）を選択して接合したことを要旨とする。
【００１２】
請求項５に記載の本発明は、第ｎ−１の前記結晶層とで挟むように第ｎの前記結晶層を第ｎ−１の前記物質層に面接合し、当該第ｎ−１の物質層とで挟むように第ｎの前記物質層を前記第ｎの結晶層に面接合することを交互に繰り返す積層構造において、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドは、前記第ｎ−１の物質層における前記第３のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドに対して、前記エネルギー及び前記接合面方向の運動量に関する前記結晶層と前記物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、前記第ｎの物質層における前記第３のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドは、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドに対して、前記エネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有するものであって、前記積層構造を構成する複数の結晶層のうち少なくとも１つの前記第ｎの結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くし、更に、前記積層構造を構成する複数の物質層のうち少なくとも１つの前記第ｎの物質層の層厚を、前記第４のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを要旨とする。
【００１３】
請求項６に記載の本発明は、前記結晶層の層厚に対する水平方向の幅を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で更に薄くし、当該結晶層の両側面に絶縁層を接合配置することを要旨とする。
【００１４】
請求項７に記載の本発明は、前記結晶層の両側面に接合配置された前記絶縁層の少なくとも一部が、前記物質層であることを要旨とする。
【００１５】
請求項８に記載の本発明は、前記絶縁層が、前記物質層であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡易な構成で高速性能を備えた半導体素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。この半導体素子は、絶縁層１０と、絶縁層１０における下側の表面に面接合されたＳｉ層２０（以降、「上層Ｓｉ」と称する場合もある）と、絶縁層１０とで挟むようにＳｉ層２０における下側の表面に面接合されたＳｉ層３０（以降、「下層Ｓｉ」と称する場合もある）とで構成されている。このような構成を備えた半導体素子に加えて、同図には、絶縁層１０における上側の表面に面接合されたゲート電極５０と、Ｓｉ層２０及びＳｉ層３０の一方の側面に接合配置されたソース電極６０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極７０とが合わせて記載されている。
【００１９】
絶縁層１０は、絶縁性を有する材料で作製されているので、絶縁層１０とＳｉ層２０との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、上層Ｓｉにおける全てのエネルギーバンドの電子に対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００２０】
Ｓｉ層２０（上層Ｓｉ）は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層１０及び下層Ｓｉに面接合しており、その反転層２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。
【００２１】
Ｓｉ層３０（下層Ｓｉ）は、上層Ｓｉと同様に結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で上層Ｓｉに面接合しており、反転層２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。また、下層Ｓｉは、上層Ｓｉとの接合面に垂直な軸に関して４５度回転した位置関係となっている。なお、この回転角度が０度の場合には、上層Ｓｉと下層Ｓｉとは等価な位置関係、即ち、結晶格子が平行移動によってお互いに重ね合わすことができる位置関係となっているものとする。
【００２２】
図２は、運動量空間（ｋ空間）における上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、上層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、下層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されている。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、この運動量空間において、それぞれｋｘ軸方向とｋｙ軸方向とｋｚ軸方向とに位置する合計６個のバレー付近に存在している。
【００２３】
同図によれば、本実施の形態に係る半導体素子は、上層Ｓｉと下層Ｓｉとが互いに（１００）面で接合されているので、２重縮退バレーの電子にとっては上層Ｓｉ及び下層Ｓｉが一続きの単一結晶となるように構成されることになる。即ち、互いの接合面に垂直な方向の運動量を表すｋｚ軸方向にある上層Ｓｉの２重縮退バレーについては、下層Ｓｉを４５度回転した場合であっても相対的な位置関係の変化は無く、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの２重縮退バレーは、互いの運動量空間で同一の等価な位置に存在することになる。これは、各縮退バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した場合、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける全ての２重縮退バレーが、図３に示すように同じ位置に配置されることになる。従って、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける全ての２重縮退バレーは、接合面方向（ｋｘ軸及びｋｙ軸方向成分）に関して同じ運動量を持つことになる。これによって、上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が下の層に連続しているように振舞うことができる（第１の作用）。
【００２４】
一方、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの４重縮退バレーの電子は、下層Ｓｉが上層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、より具体的には、結晶の実空間の回転によって運動量空間における４重縮退バレーの位置関係が相対的に４５度ずれるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。これによって、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子にとっては、下層Ｓｉが絶縁体として作用することになる（第２の作用）。なお、上層Ｓｉにおける上側の表面には絶縁層１０が面接合されているので、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子にとっては、上下を絶縁体で挟まれた構造となっている。
【００２５】
更に、上層Ｓｉの層厚を、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした際には、この４重縮退バレーの電子にとって層厚方向の自由度に関して取り得るエネルギーが離散化し、最低状態のエネルギーが上昇することになる（第３の作用）。一方、上層Ｓｉの２重縮退バレーにおける電子については、この閉じ込め効果が生じることはない。即ち、上層Ｓｉでは、２重縮退バレーの最低状態のエネルギーと４重縮退バレーの最低状態のエネルギーとの差が大きくなり、２重縮退バレーに存在する電子の割合が増大することとなる。また、４重縮退バレー電子エネルギーの離散化と上昇とによって、２重縮退バレーと４重縮退バレーとの間の電子のバレー間散乱を抑制するという効果も得ることができる。
【００２６】
以上のように、第１の作用と第２の作用と第３の作用とから、本実施の形態における半導体素子は、反転層２次元電子において、各バレーの電子移動度を向上し、更に４重縮退バレーよりも伝導特性の高い２重縮退バレーの特性を相対的に取り出すことによって、高い移動度特性を可能とする効果を得ることができる。（なお、第１の作用と第２の作用とは、より正確に言えば、第３の作用、即ち、４重縮退バレーの電子のみ層厚方向の自由度に関してエネルギーを離散化、上昇させて、バレー間の散乱を抑制すると共に４重縮退バレーに存在する電子の数を減らすことを実現するための手段となっている。）
従って、絶縁層１０に面接合された上層Ｓｉと、絶縁層１０とで挟むように上層Ｓｉに面接合された下層Ｓｉとを同じ（１００）面で面接合し、下層Ｓｉを上層Ｓｉに対して相対的に４５度回転することで上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子に対して層厚方向に空間的に閉じ込めるような構造を作製すると共に、上層Ｓｉの層厚を４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄層化することにより、電子の移動度を向上可能な半導体素子を提供することができる。
【００２７】
なお、上下共にＳｉＯ２で挟まれた構造における上層Ｓｉの（１００）面の反転層において、４重縮退バレーの電子における基底状態のエネルギーが上昇するような層厚方向の厚さは、約５［ｎｍ］以下であることが非特許文献１に開示されているので、本実施の形態に係る上層Ｓｉの膜厚方向の厚さについても、同様に約５［ｎｍ］以下にすることで、上記の効果を得ることができる。
【００２８】
このような半導体素子をチャネルとして図１に示すようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴを作製した場合、上層Ｓｉの層厚やゲート電極５０に印加する電圧等の様々なパラメータによって２重縮退バレーの電子と４重縮退バレーの電子との割合が変化するものの、その反転層の電子の流れは主に２重縮退バレーの電子によって担われることになる。そして、このようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴは、通常のバルクＳｉで作製されたＭＯＳＦＥＴと比べて、その反転層における２重縮退バレーの電子の割合を増加させるため、従来よりも移動度を高くすることができる。また、一般的には、２重縮退バレーの電子における反転層の空間的な層厚は、４重縮退バレーの電子における反転層の空間的な層厚よりも薄いので、反転層の容量が従来のバルクＳｉの場合よりも大きくなり、反転層の容量等の改善効果も得ることができる。
【００２９】
なお、一般的には、構造作製の技術上の必要性から上層Ｓｉと下層Ｓｉとの間に薄い絶縁領域（ＳｉＯ２）を挟む場合があるが、このような場合であってもこのＳｉＯ２を非常に薄くして電子が十分に透過するようにすることで、上記と同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００３０】
本実施の形態では、半導体素子を構成する各Ｓｉ層が共に結晶Ｓｉであることを一例として説明したがＳｉに限られることはない。また、上層Ｓｉと下層Ｓｉとにおける相対角度は４５度以外であってもよい。
【００３１】
本実施の形態では、各層が結晶Ｓｉ、接合面が全て（１００）面の場合について一例として説明したが、各接合面が必ずしも（１００）面である必要はないし、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要もない（また、上層と下層とが異なる結晶であっても良い）。即ち、絶縁層に面接合された結晶層（本実施の形態で説明した上層Ｓｉに相当）と、絶縁層とで挟むように結晶層に面接合された物質層（本実施の形態で説明した下層Ｓｉに相当）とを有する半導体素子において、結晶層が、キャリア（電子又は正孔）が存在するエネルギーの範囲に含まれ、物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも第１のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した２重縮退バレーに相当）及び第２のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した４重縮退バレーに相当）を有する結晶で形成され、物質層が、そのエネルギーの範囲と同じエネルギーの領域にあり、物質層との接合面方向の運動量に関して第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つエネルギーバンドを有し、且つ、第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び物質層との接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／又は同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しない構成のものであって、結晶層の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄く満たした構成であれば良い。
【００３２】
〔第２の実施の形態〕
図４は、第２の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。この半導体素子は、絶縁層１０と、絶縁層１０における下側の表面に面接合されたＳｉ層２０（以降、「上層Ｓｉ」と称する場合もある）と、絶縁層１０とで挟むようにＳｉ層２０における下側の表面に面接合されたＳｉ層３０（以降、「下層Ｓｉ」と称する場合もある）と、Ｓｉ層３０の下側の表面と絶縁層９０との間に形成されたＳｉ層８０（以降、「最下層Ｓｉ」と称する場合もある）とで構成されている。このような構成を備えた半導体素子に加えて、同図には、絶縁層１０における上側の表面に面接合されたゲート電極５０と、Ｓｉ層２０とＳｉ層３０とＳｉ層８０との一方の側面に接合配置されたソース電極６０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極７０とが合わせて記載されている。
【００３３】
絶縁層１０は、第１の実施の形態と同様に、絶縁性を有する材料で作製されているので、絶縁層１０とＳｉ層２０との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、上層Ｓｉにおける全ての伝導エネルギーバンドの電子に対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００３４】
Ｓｉ層２０（上層Ｓｉ）は、第１の実施の形態と同様に、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層１０及び下層Ｓｉに面接合しており、その反転層２次元電子は、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。
【００３５】
Ｓｉ層３０（下層Ｓｉ）は、第１の実施の形態と同様に、上層Ｓｉと同様に結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で上層Ｓｉ及び最下層Ｓｉに面接合しており、その反転層２次元電子は、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。
【００３６】
Ｓｉ層８０（最下層Ｓｉ）は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で下層Ｓｉに面接合しており、その反転層２次元電子は、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。
【００３７】
そして、下層Ｓｉのみ、上層Ｓｉとの接合面及び下層Ｓｉとの接合面に垂直な軸に関して４５度回転した位置関係となっている。なお、この回転角度が０度の場合には、上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとは等価な位置関係、即ち、結晶格子が平行移動によってお互いに重ね合わすことができる位置関係となっているものとする。
【００３８】
図５は、運動量空間（ｋ空間）における上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、上層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の中央には、下層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、最下層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されている。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、この運動量空間において、各層それぞれｋｘ軸方向とｋｙ軸方向とｋｚ軸方向とに位置する合計６個のバレー付近に存在している。
【００３９】
同図によれば、本実施の形態に係る半導体素子は、上層Ｓｉと下層Ｓｉとが互いに（１００）面で接合されると共に下層Ｓｉと最下層Ｓｉとが互いに（１００）面で接合されているので、２重縮退バレーの電子にとっては上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとが一続きの単一結晶となるように構成されることになる。即ち、上層Ｓｉと下層Ｓｉとの接合面及び下層Ｓｉと最下層Ｓｉとの接合面に垂直な方向の運動量を表すｋｚ軸方向にある２重縮退バレーについては、下層Ｓｉを４５度回転した場合であっても相対的な位置関係の変化は無く、上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとにおける２重縮退バレーは、各運動量空間で同一の等価な位置に存在することになる。従って、全てのＳｉ層における２重縮退バレーは、接合面方向（ｋｘ軸及びｋｙ軸方向）に関して同じ運動量を持つことになる。これは、上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が下の層に連続しているように振舞うことができ、下層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が上と下の層に連続しているように振舞うことができ、最下層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が上の層に連続しているように振舞うことができる（第１の作用）。
【００４０】
一方、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの４重縮退バレーは、下層Ｓｉが上層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、より具体的には、結晶の実空間の回転によって運動量空間における４重縮退バレーの位置関係が相対的に４５度ずれるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。同様に、下層Ｓｉ及び最下層Ｓｉの４重縮退バレーの電子は、下層Ｓｉが最下層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。これは、各層の４重縮退バレーの電子にとっては、面接合している他のＳｉ層が絶縁体として作用することになる（第２の作用）。なお、上層Ｓｉにおける上側の表面には絶縁層１０が面接合され、最下層Ｓｉにおける下側の表面には絶縁層９０が面接合されているので、全ての層の４重縮退バレーの電子にとっては、上下を絶縁体で挟まれた構造となっている。
【００４１】
更に、全てのＳｉ層の層厚を、各Ｓｉ層の４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした際には、各Ｓｉ層の４重縮退バレーの電子にとって層厚方向の自由度に関して取り得るエネルギーが離散化し、最低状態のエネルギーが上昇することになる（第３の作用）。一方、各Ｓｉ層の２重縮退バレーにおける電子のエネルギーについては、この閉じ込め効果が生じることはない。即ち、全てのＳｉ層において、２重縮退バレー電子の最低状態のエネルギーと４重縮退バレー電子の状態のエネルギーとの差が大きくなり、２重縮退バレーに存在する電子の割合が増大することとなる。また、４重縮退バレー電子エネルギーの離散化と上昇とによって、２重縮退バレーと４重縮退バレーとの間の電子のバレー間散乱を抑制するという効果も得ることができる。
【００４２】
以上のように、第１の作用と第２の作用と第３の作用とから、本実施の形態における半導体素子は、反転層２次元電子において、各バレーの電子移動度を向上し、更に４重縮退バレーよりも伝導特性の高い２重縮退バレーの特性を相対的に取り出すことによって、高い移動度特性を可能とする効果を得ることができる。（なお、第１の作用と第２の作用とは、より正確に言えば、第３の作用、即ち、４重縮退バレーの電子のみ層厚方向の自由度に関してエネルギーを離散化、上昇させて、バレー間の散乱を抑制すると共に４重縮退バレーに存在する電子の数を減らすことを実現するための手段となっている。）
従って、絶縁層１０に面接合された上層Ｓｉと、絶縁層１０とで挟むように上層Ｓｉに面接合された下層Ｓｉとを同じ（１００）面で面接合し、この下層Ｓｉと、上層Ｓｉとで挟むように下層Ｓｉに面接合された最下層Ｓｉとを（１００）面で面接合して、下層Ｓｉのみを上層Ｓｉ及び最下層Ｓｉに対して相対的に４５度回転することで全てのＳｉ層における４重縮退バレーの電子に対して層厚方向に空間的な閉じ込め構造を作製すると共に、各Ｓｉ層の層厚を４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄層化することにより、電子の移動度を向上可能な半導体素子を提供することができる。
【００４３】
なお、上下共にＳｉＯ２で挟まれた構造の場合における各Ｓｉ層の（１００）面の反転層において、４重縮退バレーの電子における基底状態のエネルギーが上昇するような層厚方向の厚さは、約５［ｎｍ］以下であることが非特許文献１に開示されているので、本実施の形態に係る各層の膜厚方向の厚さについても、同様に約５［ｎｍ］以下にすることで、上記の効果を得ることができる。
【００４４】
このような半導体素子をチャネルとして図４に示すようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴを作製した場合、各層の層厚やゲート電極５０に印加する電圧等の様々なパラメータによって２重縮退バレーの電子と４重縮退バレーの電子との割合が変化するものの、その反転層の電子の流れは主に２重縮退バレーの電子によって担われることになる。そして、このようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴは、通常のバルクＳｉで作製されたＭＯＳＦＥＴと比べて、その反転層における２重縮退バレーの電子の割合を増加させるため、従来よりも移動度を高くすることができる。また、一般的には、２重縮退バレーの電子における反転層の空間的な層厚は、４重縮退バレーの電子における反転層の空間的な層厚よりも薄いので、反転層の容量が従来のバルクＳｉの場合よりも大きくなり、反転層の容量等の改善効果も得ることができる。
【００４５】
本実施の形態では、各層が全て結晶Ｓｉ、接合面が全て（１００）面の場合について一例として説明したが、各接合面が必ずしも（１００）面である必要はないし、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要もない（また、各層が異なる結晶であっても良い）。また、下層Ｓｉと上層Ｓｉ及び最下層Ｓｉとにおける相対角度は４５度以外であってもよい。更に、絶縁層９０の代わりに、（１００）面を接合面とするＳｉ層を接合面に垂直な軸に関して最下層Ｓｉに対して相対的に４５度回転させた層、即ち、下層Ｓｉと等価な層を用いた場合であっても同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。
【００４６】
本実施の形態では、Ｓｉ層が３つの場合について説明したが、４つ以上のＳｉ層を用いた場合であっても同様の効果を得ることができる。即ち、本実施の形態で説明した各Ｓｉ層を結晶層と称する場合、絶縁層１０に第１の結晶層（本実施の形態で説明した上層Ｓｉに相当）を面接合し、絶縁層１０とで挟むように第２の結晶層（本実施の形態で説明した下層Ｓｉに相当）を第１の結晶層に面接合し、第１の結晶層とで挟むように第３の結晶層（本実施の形態で説明した最下層Ｓｉに相当）を第２の結晶層に面接合し、第２の結晶層とで挟むように第４の結晶層を第３の結晶層に面接合することを繰り返すことによって、最終的に、「絶縁層／第１の結晶層／第２の結晶層／第３の結晶層／第４の結晶層／…／第ｎの結晶層」の積層構造を形成する。そして、各結晶層の第１のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した２重縮退バレーに相当）及び第２のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した４重縮退バレーに相当）が、面接合されている上の結晶層の各エネルギーバンドに対して、接合面方向の運動量及びエネルギーに関する第１の結晶層と第２の結晶層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンドの関係を有し、少なくとも１つの結晶層の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした構成であればよい。勿論、全ての結晶層を薄くしたものであってもよい。
【００４７】
本実施の形態では、下層ＳｉがＳｉ結晶であることを一例として説明したが、上層Ｓｉ若しくは最下層Ｓｉを形成する結晶と異なる物質で形成されていた場合であっても良いし、層の数が４つ以上であっても同様の効果を得ることができる。より具体的には、本実施の形態で説明した上層Ｓｉと最下層Ｓｉとを結晶層と称し、下層Ｓｉを物質層と称する場合、絶縁層１０に第１の結晶層（本実施の形態で説明した上層Ｓｉに相当）を面接合し、絶縁層１０とで挟むように第１の物質層を第１の結晶層に面接合し、第１の結晶層とで挟むように第２の結晶層（本実施の形態で説明した最下層Ｓｉに相当）を第１の物質層に面接合し、第１の物質層とで挟むように第２の物質層を第２の結晶層に面接合することを繰り返すことによって、最終的に、「絶縁層／第１の結晶層／第１の物質層／第２の結晶層／第２の物質層／…／第ｎの結晶層／第ｎの物質層」の積層構造を形成する。
【００４８】
そして、各結晶層の第１のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した２重縮退バレーに相当）及び第２のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した４重縮退バレーに相当）が、面接合されている上の物質層の各エネルギーバンドに対して、接合面方向の運動量及びエネルギーに関する第１の結晶層と第１の物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有すると共に、各物質層の第１のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した２重縮退バレーに相当）及び第２のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した４重縮退バレーに相当）が、面接合されている上の結晶層の各エネルギーバンドに対して、接合面方向の運動量及びエネルギーに関する第１の結晶層と第１の物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、少なくとも１つの結晶層及び／又は物質層の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした構成であればよい。勿論、全ての結晶層及び／又は物質層を薄くしたものであってもよい。また、最後に積層される層は、第ｎの物質層ではなく第ｎの結晶層であってもよく、必ずしも薄層化する必要は無い。
【００４９】
〔第３の実施の形態〕
図６は、第３の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。この半導体素子は、絶縁層１０と、絶縁層１０における下側の表面に面接合され、両側面にも絶縁層１０が接合配置されたＳｉ層２０（以降、「細線型上層Ｓｉ」と称する場合もある）と、絶縁層１０とで閉じ込めるようにＳｉ層２０における下側の表面に面接合され、Ｓｉ基板４０の上に形成されたＳｉ層３０（以降、「下層Ｓｉ」と称する場合もある）とで構成されている。このような構成を備えた半導体素子に加えて、同図には、絶縁層１０における上側の表面に面接合されたゲート電極５０と、Ｓｉ層２０及びＳｉ層３０の片端（同図の手前側）に接合配置されたソース電極６０と、Ｓｉ層２０及びＳｉ層３０の他端（同図の奥側）に接合配置されたドレイン電極７０とが合わせて記載されている。
【００５０】
絶縁層１０は、第１の実施の形態と同様に、絶縁性を有する材料で作製されているので、絶縁層１０とＳｉ層２０との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、細線型上層Ｓｉにおける全てのエネルギーバンドの電子に対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００５１】
Ｓｉ層２０（細線型上層Ｓｉ）は、第１の実施の形態と同様に、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層１０の下側の表面と下層Ｓｉとに面接合している。
【００５２】
Ｓｉ層３０（下層Ｓｉ）は、第１の実施の形態と同様に、細線型上層Ｓｉと同様に結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で細線型上層Ｓｉに面接合している。また、下層Ｓｉは、細線型上層Ｓｉとの接合面に垂直な軸に関して４５度回転した位置関係となっている。なお、この回転角度が０度の場合には、細線型上層Ｓｉと下層Ｓｉとは等価な位置関係、即ち、結晶格子が平行移動によってお互いに重ね合わすことができる位置関係となっているものとする。
【００５３】
図７は、運動量空間（ｋ空間）における細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、細線型上層Ｓｉにおける各縮退バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、下層Ｓｉにおける各縮退バレーの等エネルギー面が示されている。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、この運動量空間において、それぞれｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向、ｋｚ軸方向に位置する合計６個の等エネルギー面で表されるようなバレー端付近に存在している。
【００５４】
同図によれば、本実施の形態に係る半導体素子は、ｋｚ軸方向にある2つのバレーの電子にとっては、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉが一続きの単一結晶となるように構成されることになる。即ち、互いの接合面に垂直な方向の波数ｋｚ軸方向にある２つのバレーについては、上下層Ｓｉを実空間で相対的に４５度回転した場合であっても位置関係に変化は無く、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおいて、運動量空間で同一の等価な位置に存在することになる。これは、各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した場合、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける該当のバレーが、図８に示すように同じ位置に配置されることになる。従って、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける全てのｋｚ軸方向にあるバレーは、接合面方向（ｋｘ軸及びｋｙ軸方向）に関して同じ運動量を持つことになる。これは、細線型上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が下の層に連続しているように振舞うことができる（第１の作用）。
【００５５】
一方、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおいてそれぞれｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する合計４個バレーの電子は、下層Ｓｉが細線型上層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、より具体的には、結晶の実空間の回転によって運動量空間におけるこれら４つのバレーの位置関係が相対的に４５度ずれるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。これは、細線型上層Ｓｉのｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する４つのバレーの電子にとっては、下層Ｓｉが絶縁体として作用することになる（第２の作用）。なお、細線型上層Ｓｉにおける上側の表面及び左右の両側面には絶縁層１０が面接合されているので、細線型上層Ｓｉのｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する４つのバレーの電子にとっては、上下左右を絶縁体で囲まれた構造となっている。
【００５６】
更に、細線型上層Ｓｉのｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する４つのバレーの電子に対して、細線型上層Ｓｉの層厚及び水平方向の幅を量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で微小にした際には、この４つのバレーの電子にとって層厚方向及び水平方向（以降、「断面方向」と称する）の自由度に関して取り得るエネルギーが離散化し、最低状態のエネルギーが上昇することになる（第３の作用）。一方、細線型上層Ｓｉのｋｚ軸方向に位置する２つのバレーにおける電子については、膜厚方向の閉じ込めが生じないためにこの閉じ込め効果は相対的に小さなものとなる。即ち、細線型上層Ｓｉでは、ｋｚ軸方向に位置する２つのバレーにおける電子の最低のエネルギーとｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する４つのバレーの電子の最低エネルギーとの差が大きくなり、ｋｚ軸方向のバレーに存在する電子の割合が増大することとなる。また、ｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向のバレー電子エネルギーの離散化と上昇とによって、各バレーの電子についてバレー間散乱を抑制するという効果も得ることができる。
【００５７】
以上のように、第１の作用と第２の作用と第３の作用とから、本実施の形態における半導体素子は、細線型上層Ｓｉにおいて、各バレーに存在する電子の移動度を増大し、更に相対的に高い移動度特性を持つｋｚ軸方向バレー電子の特性を選択的に取り出すことを可能とする効果を得ることができる。（なお、第１の作用と第２の作用とは、より正確に言えば、第３の作用、即ち、ｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向バレーの電子について細線の断面方向の自由度に関してエネルギーをより大きく離散化、上昇させて、ｋｚ軸方向のバレーとの間でのバレー間の散乱を抑制すると共にｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向バレーに存在する電子の数を減らすことを実現するための手段となっている。）
従って、絶縁層１０に面接合され、両側面にも絶縁層１０が接合配置された細線型上層Ｓｉと、絶縁層１０とで囲むように細線型上層Ｓｉに面接合された下層Ｓｉとを同じ（１００）面で面接合し、下層Ｓｉを細線型上層Ｓｉに対して接合面に垂直な軸に関して相対的に４５度回転することで細線型上層Ｓｉのｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向のバレーの電子に対して断面方向に空間的に閉じ込めるような構造を作製すると共に、細線型上層Ｓｉの断面のサイズをｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向のバレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で微小化することにより、電子の移動度を向上可能な半導体素子を提供することができる。なお、第１の実施の形態若しくは第２の実施の形態は、層厚方向（ｚ軸方向）のみ閉じ込め構造とする１次元的な閉じ込めの場合について説明するものであるが、本実施の形態は、細線の断面方向を閉じ込め構造とする２次元的な閉じ込めの場合について説明するものである。
【００５８】
このような半導体素子をチャネルとして図６に示すようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴを作製した場合、細線型上層Ｓｉの層厚やゲート電極５０に印加する電圧等の様々なパラメータによって各バレーの電子の割合が変化するものの、その反転層の電子の流れは主にｋｚ軸方向に位置するバレーの電子によって担われることとなる。そして、このようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴは、層厚方向（ｚ軸方向）に上層Ｓｉの層厚を制限しないような通常のＳｉ細線で作製されたＭＯＳＦＥＴと比べて、ｋｚ軸方向バレーの電子の割合を増加させるため、従来よりも移動度を高くすることができる。また、一般的には、ｋｚ軸方向バレー電子による反転層の空間的な層厚は、ｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向の４つのバレーの電子による反転層の空間的な層厚よりも薄いので、反転層の容量が上層Ｓｉの層厚を制限しないような通常のＳｉ細線の場合よりも大きくなり、反転層の容量等の改善効果も得ることができる。
【００５９】
なお、細線領域ではない絶縁層１０とＳｉ層３０との界面部分に反転層が形成されることが素子特性上問題となる場合には、Ｓｉ層３０とＳｉ基板４０との間に絶縁層を形成し、更にＳｉ層３０の膜厚を各バレーの電子にとって量子力学的閉じ込め効果（絶縁層１０とＳｉ層３０下面の絶縁層との間で挟まれた領域に関しての閉じ込め効果）を呈する範囲で薄くした構成とすることにより、この反転層を排除し、純粋に細線のみの特性を得ることができる。
【００６０】
本実施の形態では、各層が結晶Ｓｉ、接合面が（１００）面の場合について一例として説明したが、各接合面が必ずしも（１００）面である必要はないし、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要もない。また、上層Ｓｉと下層Ｓｉとにおける相対角度は４５度以外であってもよい。
【００６１】
本実施の形態では、下層がＳｉ結晶であることを一例として説明したが、上層Ｓｉを形成する結晶と異なる物質で形成されていた場合であっても同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態で説明した細線型上層Ｓｉを、第２の実施の形態で説明したような積層構造の半導体素子に適用可能であることは言うまでも無い。更に、Ｓｉ層２０の両側面には絶縁層１０が接合配置された場合について説明したが、この絶縁層の少なくとも一部を上記物質層とした場合であっても良い。
【００６２】
最後に、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態によれば、異方的バンド構造を持つ結晶Ｓｉを利用して適切な接合構造を持つ半導体素子を作製し、各層の層厚を適切に設定することによって、量子力学的閉じ込め効果を利用して各結晶のエネルギーバンドの状態密度を変化させ、特定のエネルギーバンドに存在するキャリアの割合を増加させると共に、各エネルギーバンド間のキャリアの散乱を変化させることにより、従来のバルクＳｉよりも伝導特性や容量特性等の物理特性を向上することが可能となる。また、このような半導体素子は、半導体装置や電子素子や光エレクトロニクス素子などの各分野で応用可能であることを付言しておく。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。
【図２】運動量空間（ｋ空間）における上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導バンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図３】図２に示す各縮退バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した投影図である。
【図４】第２の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。
【図５】運動量空間（ｋ空間）における上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとの結晶Ｓｉの伝導バンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図６】第３の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。
【図７】運動量空間（ｋ空間）における細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導バンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図８】図７に示す各縮退バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した投影図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…絶縁層
２０…Ｓｉ層（上層Ｓｉ，細線型上層Ｓｉ）
３０…Ｓｉ層（下層Ｓｉ）
４０…Ｓｉ基板
５０…ゲート電極
６０…ソース電極
７０…ドレイン電極
８０…Ｓｉ層（最下層Ｓｉ）
９０…絶縁層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャリア特性を利用した半導体素子の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、結晶Ｓｉを伝導領域に用いた電界効果トランジスタ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ）が世界中で広く利用され、その性能向上についての研究が継続的に行われている。例えば、結晶Ｓｉの（１００）面を伝導領域に用いたｎチャネルＭＯＳＦＥＴにおける反転層２次元電子の伝導エネルギーバンドは、２重に縮退したバレー（以降、「２重縮退バレー」と称する）と４重に縮退したバレー（以降、「４重縮退バレー」と称する）とで構成される。その実効的な伝導特性は、これら２種類の縮退バレーの電子についてのある種の平均値となることが知られている。各バレーはそれぞれ複数のサブバンドから構成されるが、フォノン散乱移動度を緩和時間近似で取扱う場合、サブバンド毎の移動度を各サブバンドに存在する電子の割合で加重平均したものが実効的移動度となる。すなわち、各サブバンドの移動度をμｉとし、各サブバンドに存在する電子の割合をｆｉとした場合には式（１）が成立する。移動度が大きい程、高性能の伝導特性を有するｎチャネルＭＯＳＦＥＴとなる（非特許文献１参照）。
【数１】
【０００３】
このような移動度は、結晶Ｓｉ若しくは結晶Ｓｉを用いた電界効果トランジスタ（Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ）等の伝導特性を表す指標として用いられており、Ｓｉ（１００）面のｎチャネルＭＯＳＦＥＴにおいては、バレーの移動度としては４重縮退バレーよりも２重縮退バレーの方が高いことが知られている。故に、伝導特性を向上するため、２重縮退バレーの特性のみを選択的に取り出すことが検討されている。
【０００４】
例えば、素子形成のための活性層に歪みを印加する技術が注目されている。活性層に歪みを印加すると、そのエネルギーバンド構造が変化し、２重縮退バレーの電子の割合が増大する効果とキャリア散乱の抑制効果とによって、移動度の向上が期待できる。具体的には、Ｓｉ基板上にＳｉよりも格子定数の大きな材料からなる混晶層、例えばＧｅ濃度２０％の歪み緩和ＳｉＧｅ混晶層（以降、単に「ＳｉＧｅ層」と称する）を形成し、このＳｉＧｅ層上にＳｉ層を形成すると、格子定数の差によって歪みが印加された歪みＳｉ層が形成される。このような歪みＳｉ層を半導体デバイスのチャネルに用いると、無歪みＳｉ層を用いた場合の約１．７６倍と大幅な電子移動度の向上を達成できることが知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３７９０２３８号
【非特許文献１】Masanari Shoji、外１名、「Phonon-limited inversion layer electron mobility in extremely thin Si layer of silicon-on-insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistor」、American Institute of Physics、1997年12月15日、p.6096-6101
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような歪みＳｉ層を形成する方法は、所望の格子定数を持つＳｉＧｅ層をＳｉ基板上に作成し、対象となるＳｉ層を化学気層成長法等で積層するなどの複数の製造過程を経由するため、多大な時間や多額の費用が必要であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で高速性能を備えた半導体素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明は、絶縁層に面接合された結晶層と、前記絶縁層とで挟むように前記結晶層に面接合された物質層とを有する半導体素子において、前記結晶層は、キャリア（電子又は正孔）が存在するエネルギーの範囲に含まれ、前記物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも第１のエネルギーバンド及び第２のエネルギーバンドを有する結晶で形成され、前記物質層は、前記第１のエネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、前記結晶層との接合面方向の運動量に関して前記第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、前記第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び当該接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／又は同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、前記結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを要旨とする。
【０００８】
本発明にあっては、絶縁層に面接合された結晶層と、絶縁層とで挟むように結晶層に面接合された物質層とを有する半導体素子において、結晶層は、キャリア（電子又は正孔）が存在するエネルギーの範囲に含まれ、物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも第１のエネルギーバンド及び第２のエネルギーバンドを有する結晶で形成され、物質層は、第１のエネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、結晶層との接合面方向の運動量に関して第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／又は同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、結晶層の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたため、簡易な構成で高速性能を備えた半導体素子を提供することができる。
【０００９】
請求項２に記載の本発明は、第ｎ−１の前記結晶層とで挟むように第ｎの前記結晶層を第ｎ−１の前記物質層に面接合し、当該第ｎ−１の物質層とで挟むように第ｎの前記物質層を前記第ｎの結晶層に面接合することを交互に繰り返す積層構造において、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドは、前記第ｎ−１の物質層におけるエネルギーバンドに対して、前記エネルギー及び前記接合面方向の運動量に関する前記結晶層と前記物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、前記第ｎの物質層におけるエネルギーバンドは、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドに対して、前記エネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有するものであって、前記積層構造を構成する複数の結晶層のうち少なくとも１つの前記第ｎの結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の本発明は、前記物質層が、前記第３のエネルギーバンドと、前記エネルギー範囲と同じエネルギー範囲に含まれ、前記結晶層との接合面方向の運動量に関して前記第３のエネルギーバンドと異なる運動量を持つ第４のエネルギーバンドとを有する結晶で形成されるものであって、前記第１のエネルギーバンド及び当該第３のエネルギーバンドについては互いの接合面方向の運動量が一致し、前記第２のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドについては、エネルギー及び／又は互いの接合面方向の運動量が異なることを要旨とする。
【００１１】
請求項４に記載の本発明は、前記物質層が、前記結晶層と同じ物質であり、且つ、前記結晶層及び当該物質層は、同一の面方位を互いの接合面として選択するものであって、前記結晶層の第１のエネルギーバンドについては当該接合面方向の運動量が一致し、前記結晶層の第２のエネルギーバンドについては、当該接合面方向の運動量が一致するようなエネルギーバンドが当該物質層に存在しないように相対的な回転角度（接合面に垂直な軸に対する回転角度）を選択して接合したことを要旨とする。
【００１２】
請求項５に記載の本発明は、第ｎ−１の前記結晶層とで挟むように第ｎの前記結晶層を第ｎ−１の前記物質層に面接合し、当該第ｎ−１の物質層とで挟むように第ｎの前記物質層を前記第ｎの結晶層に面接合することを交互に繰り返す積層構造において、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドは、前記第ｎ−１の物質層における前記第３のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドに対して、前記エネルギー及び前記接合面方向の運動量に関する前記結晶層と前記物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、前記第ｎの物質層における前記第３のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドは、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドに対して、前記エネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有するものであって、前記積層構造を構成する複数の結晶層のうち少なくとも１つの前記第ｎの結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くし、更に、前記積層構造を構成する複数の物質層のうち少なくとも１つの前記第ｎの物質層の層厚を、前記第４のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを要旨とする。
【００１３】
請求項６に記載の本発明は、前記結晶層の層厚に対する水平方向の幅を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で更に薄くし、当該結晶層の両側面に絶縁層を接合配置することを要旨とする。
【００１４】
請求項７に記載の本発明は、前記結晶層の両側面に接合配置された前記絶縁層の少なくとも一部が、前記物質層であることを要旨とする。
【００１５】
請求項８に記載の本発明は、前記絶縁層が、前記物質層であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡易な構成で高速性能を備えた半導体素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。この半導体素子は、絶縁層１０と、絶縁層１０における下側の表面に面接合されたＳｉ層２０（以降、「上層Ｓｉ」と称する場合もある）と、絶縁層１０とで挟むようにＳｉ層２０における下側の表面に面接合されたＳｉ層３０（以降、「下層Ｓｉ」と称する場合もある）とで構成されている。このような構成を備えた半導体素子に加えて、同図には、絶縁層１０における上側の表面に面接合されたゲート電極５０と、Ｓｉ層２０及びＳｉ層３０の一方の側面に接合配置されたソース電極６０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極７０とが合わせて記載されている。
【００１９】
絶縁層１０は、絶縁性を有する材料で作製されているので、絶縁層１０とＳｉ層２０との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、上層Ｓｉにおける全てのエネルギーバンドの電子に対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００２０】
Ｓｉ層２０（上層Ｓｉ）は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層１０及び下層Ｓｉに面接合しており、その反転層２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。
【００２１】
Ｓｉ層３０（下層Ｓｉ）は、上層Ｓｉと同様に結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で上層Ｓｉに面接合しており、反転層２次元電子の存在するエネルギーバンドは、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。また、下層Ｓｉは、上層Ｓｉとの接合面に垂直な軸に関して４５度回転した位置関係となっている。なお、この回転角度が０度の場合には、上層Ｓｉと下層Ｓｉとは等価な位置関係、即ち、結晶格子が平行移動によってお互いに重ね合わすことができる位置関係となっているものとする。
【００２２】
図２は、運動量空間（ｋ空間）における上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、上層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、下層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されている。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、この運動量空間において、それぞれｋｘ軸方向とｋｙ軸方向とｋｚ軸方向とに位置する合計６個のバレー付近に存在している。
【００２３】
同図によれば、本実施の形態に係る半導体素子は、上層Ｓｉと下層Ｓｉとが互いに（１００）面で接合されているので、２重縮退バレーの電子にとっては上層Ｓｉ及び下層Ｓｉが一続きの単一結晶となるように構成されることになる。即ち、互いの接合面に垂直な方向の運動量を表すｋｚ軸方向にある上層Ｓｉの２重縮退バレーについては、下層Ｓｉを４５度回転した場合であっても相対的な位置関係の変化は無く、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの２重縮退バレーは、互いの運動量空間で同一の等価な位置に存在することになる。これは、各縮退バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した場合、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける全ての２重縮退バレーが、図３に示すように同じ位置に配置されることになる。従って、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける全ての２重縮退バレーは、接合面方向（ｋｘ軸及びｋｙ軸方向成分）に関して同じ運動量を持つことになる。これによって、上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が下の層に連続しているように振舞うことができる（第１の作用）。
【００２４】
一方、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの４重縮退バレーの電子は、下層Ｓｉが上層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、より具体的には、結晶の実空間の回転によって運動量空間における４重縮退バレーの位置関係が相対的に４５度ずれるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。これによって、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子にとっては、下層Ｓｉが絶縁体として作用することになる（第２の作用）。なお、上層Ｓｉにおける上側の表面には絶縁層１０が面接合されているので、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子にとっては、上下を絶縁体で挟まれた構造となっている。
【００２５】
更に、上層Ｓｉの層厚を、上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした際には、この４重縮退バレーの電子にとって層厚方向の自由度に関して取り得るエネルギーが離散化し、最低状態のエネルギーが上昇することになる（第３の作用）。一方、上層Ｓｉの２重縮退バレーにおける電子については、この閉じ込め効果が生じることはない。即ち、上層Ｓｉでは、２重縮退バレーの最低状態のエネルギーと４重縮退バレーの最低状態のエネルギーとの差が大きくなり、２重縮退バレーに存在する電子の割合が増大することとなる。また、４重縮退バレー電子エネルギーの離散化と上昇とによって、２重縮退バレーと４重縮退バレーとの間の電子のバレー間散乱を抑制するという効果も得ることができる。
【００２６】
以上のように、第１の作用と第２の作用と第３の作用とから、本実施の形態における半導体素子は、反転層２次元電子において、各バレーの電子移動度を向上し、更に４重縮退バレーよりも伝導特性の高い２重縮退バレーの特性を相対的に取り出すことによって、高い移動度特性を可能とする効果を得ることができる。（なお、第１の作用と第２の作用とは、より正確に言えば、第３の作用、即ち、４重縮退バレーの電子のみ層厚方向の自由度に関してエネルギーを離散化、上昇させて、バレー間の散乱を抑制すると共に４重縮退バレーに存在する電子の数を減らすことを実現するための手段となっている。）
従って、絶縁層１０に面接合された上層Ｓｉと、絶縁層１０とで挟むように上層Ｓｉに面接合された下層Ｓｉとを同じ（１００）面で面接合し、下層Ｓｉを上層Ｓｉに対して相対的に４５度回転することで上層Ｓｉの４重縮退バレーの電子に対して層厚方向に空間的に閉じ込めるような構造を作製すると共に、上層Ｓｉの層厚を４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄層化することにより、電子の移動度を向上可能な半導体素子を提供することができる。
【００２７】
なお、上下共にＳｉＯ２で挟まれた構造における上層Ｓｉの（１００）面の反転層において、４重縮退バレーの電子における基底状態のエネルギーが上昇するような層厚方向の厚さは、約５［ｎｍ］以下であることが非特許文献１に開示されているので、本実施の形態に係る上層Ｓｉの膜厚方向の厚さについても、同様に約５［ｎｍ］以下にすることで、上記の効果を得ることができる。
【００２８】
このような半導体素子をチャネルとして図１に示すようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴを作製した場合、上層Ｓｉの層厚やゲート電極５０に印加する電圧等の様々なパラメータによって２重縮退バレーの電子と４重縮退バレーの電子との割合が変化するものの、その反転層の電子の流れは主に２重縮退バレーの電子によって担われることになる。そして、このようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴは、通常のバルクＳｉで作製されたＭＯＳＦＥＴと比べて、その反転層における２重縮退バレーの電子の割合を増加させるため、従来よりも移動度を高くすることができる。また、一般的には、２重縮退バレーの電子における反転層の空間的な層厚は、４重縮退バレーの電子における反転層の空間的な層厚よりも薄いので、反転層の容量が従来のバルクＳｉの場合よりも大きくなり、反転層の容量等の改善効果も得ることができる。
【００２９】
なお、一般的には、構造作製の技術上の必要性から上層Ｓｉと下層Ｓｉとの間に薄い絶縁領域（ＳｉＯ２）を挟む場合があるが、このような場合であってもこのＳｉＯ２を非常に薄くして電子が十分に透過するようにすることで、上記と同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００３０】
本実施の形態では、半導体素子を構成する各Ｓｉ層が共に結晶Ｓｉであることを一例として説明したがＳｉに限られることはない。また、上層Ｓｉと下層Ｓｉとにおける相対角度は４５度以外であってもよい。
【００３１】
本実施の形態では、各層が結晶Ｓｉ、接合面が全て（１００）面の場合について一例として説明したが、各接合面が必ずしも（１００）面である必要はないし、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要もない（また、上層と下層とが異なる結晶であっても良い）。即ち、絶縁層に面接合された結晶層（本実施の形態で説明した上層Ｓｉに相当）と、絶縁層とで挟むように結晶層に面接合された物質層（本実施の形態で説明した下層Ｓｉに相当）とを有する半導体素子において、結晶層が、キャリア（電子又は正孔）が存在するエネルギーの範囲に含まれ、物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも第１のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した２重縮退バレーに相当）及び第２のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した４重縮退バレーに相当）を有する結晶で形成され、物質層が、そのエネルギーの範囲と同じエネルギーの領域にあり、物質層との接合面方向の運動量に関して第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つエネルギーバンドを有し、且つ、第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び物質層との接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／又は同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しない構成のものであって、結晶層の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄く満たした構成であれば良い。
【００３２】
〔第２の実施の形態〕
図４は、第２の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。この半導体素子は、絶縁層１０と、絶縁層１０における下側の表面に面接合されたＳｉ層２０（以降、「上層Ｓｉ」と称する場合もある）と、絶縁層１０とで挟むようにＳｉ層２０における下側の表面に面接合されたＳｉ層３０（以降、「下層Ｓｉ」と称する場合もある）と、Ｓｉ層３０の下側の表面と絶縁層９０との間に形成されたＳｉ層８０（以降、「最下層Ｓｉ」と称する場合もある）とで構成されている。このような構成を備えた半導体素子に加えて、同図には、絶縁層１０における上側の表面に面接合されたゲート電極５０と、Ｓｉ層２０とＳｉ層３０とＳｉ層８０との一方の側面に接合配置されたソース電極６０と、他方の側面に接合配置されたドレイン電極７０とが合わせて記載されている。
【００３３】
絶縁層１０は、第１の実施の形態と同様に、絶縁性を有する材料で作製されているので、絶縁層１０とＳｉ層２０との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、上層Ｓｉにおける全ての伝導エネルギーバンドの電子に対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００３４】
Ｓｉ層２０（上層Ｓｉ）は、第１の実施の形態と同様に、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層１０及び下層Ｓｉに面接合しており、その反転層２次元電子は、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。
【００３５】
Ｓｉ層３０（下層Ｓｉ）は、第１の実施の形態と同様に、上層Ｓｉと同様に結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で上層Ｓｉ及び最下層Ｓｉに面接合しており、その反転層２次元電子は、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。
【００３６】
Ｓｉ層８０（最下層Ｓｉ）は、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で下層Ｓｉに面接合しており、その反転層２次元電子は、２重縮退バレー及び４重縮退バレーで構成されている。
【００３７】
そして、下層Ｓｉのみ、上層Ｓｉとの接合面及び下層Ｓｉとの接合面に垂直な軸に関して４５度回転した位置関係となっている。なお、この回転角度が０度の場合には、上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとは等価な位置関係、即ち、結晶格子が平行移動によってお互いに重ね合わすことができる位置関係となっているものとする。
【００３８】
図５は、運動量空間（ｋ空間）における上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、上層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の中央には、下層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、最下層Ｓｉにおける各バレーの等エネルギー面が示されている。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、この運動量空間において、各層それぞれｋｘ軸方向とｋｙ軸方向とｋｚ軸方向とに位置する合計６個のバレー付近に存在している。
【００３９】
同図によれば、本実施の形態に係る半導体素子は、上層Ｓｉと下層Ｓｉとが互いに（１００）面で接合されると共に下層Ｓｉと最下層Ｓｉとが互いに（１００）面で接合されているので、２重縮退バレーの電子にとっては上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとが一続きの単一結晶となるように構成されることになる。即ち、上層Ｓｉと下層Ｓｉとの接合面及び下層Ｓｉと最下層Ｓｉとの接合面に垂直な方向の運動量を表すｋｚ軸方向にある２重縮退バレーについては、下層Ｓｉを４５度回転した場合であっても相対的な位置関係の変化は無く、上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとにおける２重縮退バレーは、各運動量空間で同一の等価な位置に存在することになる。従って、全てのＳｉ層における２重縮退バレーは、接合面方向（ｋｘ軸及びｋｙ軸方向）に関して同じ運動量を持つことになる。これは、上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が下の層に連続しているように振舞うことができ、下層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が上と下の層に連続しているように振舞うことができ、最下層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が上の層に連続しているように振舞うことができる（第１の作用）。
【００４０】
一方、上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの４重縮退バレーは、下層Ｓｉが上層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、より具体的には、結晶の実空間の回転によって運動量空間における４重縮退バレーの位置関係が相対的に４５度ずれるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。同様に、下層Ｓｉ及び最下層Ｓｉの４重縮退バレーの電子は、下層Ｓｉが最下層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。これは、各層の４重縮退バレーの電子にとっては、面接合している他のＳｉ層が絶縁体として作用することになる（第２の作用）。なお、上層Ｓｉにおける上側の表面には絶縁層１０が面接合され、最下層Ｓｉにおける下側の表面には絶縁層９０が面接合されているので、全ての層の４重縮退バレーの電子にとっては、上下を絶縁体で挟まれた構造となっている。
【００４１】
更に、全てのＳｉ層の層厚を、各Ｓｉ層の４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした際には、各Ｓｉ層の４重縮退バレーの電子にとって層厚方向の自由度に関して取り得るエネルギーが離散化し、最低状態のエネルギーが上昇することになる（第３の作用）。一方、各Ｓｉ層の２重縮退バレーにおける電子のエネルギーについては、この閉じ込め効果が生じることはない。即ち、全てのＳｉ層において、２重縮退バレー電子の最低状態のエネルギーと４重縮退バレー電子の状態のエネルギーとの差が大きくなり、２重縮退バレーに存在する電子の割合が増大することとなる。また、４重縮退バレー電子エネルギーの離散化と上昇とによって、２重縮退バレーと４重縮退バレーとの間の電子のバレー間散乱を抑制するという効果も得ることができる。
【００４２】
以上のように、第１の作用と第２の作用と第３の作用とから、本実施の形態における半導体素子は、反転層２次元電子において、各バレーの電子移動度を向上し、更に４重縮退バレーよりも伝導特性の高い２重縮退バレーの特性を相対的に取り出すことによって、高い移動度特性を可能とする効果を得ることができる。（なお、第１の作用と第２の作用とは、より正確に言えば、第３の作用、即ち、４重縮退バレーの電子のみ層厚方向の自由度に関してエネルギーを離散化、上昇させて、バレー間の散乱を抑制すると共に４重縮退バレーに存在する電子の数を減らすことを実現するための手段となっている。）
従って、絶縁層１０に面接合された上層Ｓｉと、絶縁層１０とで挟むように上層Ｓｉに面接合された下層Ｓｉとを同じ（１００）面で面接合し、この下層Ｓｉと、上層Ｓｉとで挟むように下層Ｓｉに面接合された最下層Ｓｉとを（１００）面で面接合して、下層Ｓｉのみを上層Ｓｉ及び最下層Ｓｉに対して相対的に４５度回転することで全てのＳｉ層における４重縮退バレーの電子に対して層厚方向に空間的な閉じ込め構造を作製すると共に、各Ｓｉ層の層厚を４重縮退バレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄層化することにより、電子の移動度を向上可能な半導体素子を提供することができる。
【００４３】
なお、上下共にＳｉＯ２で挟まれた構造の場合における各Ｓｉ層の（１００）面の反転層において、４重縮退バレーの電子における基底状態のエネルギーが上昇するような層厚方向の厚さは、約５［ｎｍ］以下であることが非特許文献１に開示されているので、本実施の形態に係る各層の膜厚方向の厚さについても、同様に約５［ｎｍ］以下にすることで、上記の効果を得ることができる。
【００４４】
このような半導体素子をチャネルとして図４に示すようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴを作製した場合、各層の層厚やゲート電極５０に印加する電圧等の様々なパラメータによって２重縮退バレーの電子と４重縮退バレーの電子との割合が変化するものの、その反転層の電子の流れは主に２重縮退バレーの電子によって担われることになる。そして、このようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴは、通常のバルクＳｉで作製されたＭＯＳＦＥＴと比べて、その反転層における２重縮退バレーの電子の割合を増加させるため、従来よりも移動度を高くすることができる。また、一般的には、２重縮退バレーの電子における反転層の空間的な層厚は、４重縮退バレーの電子における反転層の空間的な層厚よりも薄いので、反転層の容量が従来のバルクＳｉの場合よりも大きくなり、反転層の容量等の改善効果も得ることができる。
【００４５】
本実施の形態では、各層が全て結晶Ｓｉ、接合面が全て（１００）面の場合について一例として説明したが、各接合面が必ずしも（１００）面である必要はないし、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要もない（また、各層が異なる結晶であっても良い）。また、下層Ｓｉと上層Ｓｉ及び最下層Ｓｉとにおける相対角度は４５度以外であってもよい。更に、絶縁層９０の代わりに、（１００）面を接合面とするＳｉ層を接合面に垂直な軸に関して最下層Ｓｉに対して相対的に４５度回転させた層、即ち、下層Ｓｉと等価な層を用いた場合であっても同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。
【００４６】
本実施の形態では、Ｓｉ層が３つの場合について説明したが、４つ以上のＳｉ層を用いた場合であっても同様の効果を得ることができる。即ち、本実施の形態で説明した各Ｓｉ層を結晶層と称する場合、絶縁層１０に第１の結晶層（本実施の形態で説明した上層Ｓｉに相当）を面接合し、絶縁層１０とで挟むように第２の結晶層（本実施の形態で説明した下層Ｓｉに相当）を第１の結晶層に面接合し、第１の結晶層とで挟むように第３の結晶層（本実施の形態で説明した最下層Ｓｉに相当）を第２の結晶層に面接合し、第２の結晶層とで挟むように第４の結晶層を第３の結晶層に面接合することを繰り返すことによって、最終的に、「絶縁層／第１の結晶層／第２の結晶層／第３の結晶層／第４の結晶層／…／第ｎの結晶層」の積層構造を形成する。そして、各結晶層の第１のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した２重縮退バレーに相当）及び第２のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した４重縮退バレーに相当）が、面接合されている上の結晶層の各エネルギーバンドに対して、接合面方向の運動量及びエネルギーに関する第１の結晶層と第２の結晶層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンドの関係を有し、少なくとも１つの結晶層の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした構成であればよい。勿論、全ての結晶層を薄くしたものであってもよい。
【００４７】
本実施の形態では、下層ＳｉがＳｉ結晶であることを一例として説明したが、上層Ｓｉ若しくは最下層Ｓｉを形成する結晶と異なる物質で形成されていた場合であっても良いし、層の数が４つ以上であっても同様の効果を得ることができる。より具体的には、本実施の形態で説明した上層Ｓｉと最下層Ｓｉとを結晶層と称し、下層Ｓｉを物質層と称する場合、絶縁層１０に第１の結晶層（本実施の形態で説明した上層Ｓｉに相当）を面接合し、絶縁層１０とで挟むように第１の物質層を第１の結晶層に面接合し、第１の結晶層とで挟むように第２の結晶層（本実施の形態で説明した最下層Ｓｉに相当）を第１の物質層に面接合し、第１の物質層とで挟むように第２の物質層を第２の結晶層に面接合することを繰り返すことによって、最終的に、「絶縁層／第１の結晶層／第１の物質層／第２の結晶層／第２の物質層／…／第ｎの結晶層／第ｎの物質層」の積層構造を形成する。
【００４８】
そして、各結晶層の第１のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した２重縮退バレーに相当）及び第２のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した４重縮退バレーに相当）が、面接合されている上の物質層の各エネルギーバンドに対して、接合面方向の運動量及びエネルギーに関する第１の結晶層と第１の物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有すると共に、各物質層の第１のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した２重縮退バレーに相当）及び第２のエネルギーバンド（本実施の形態で説明した４重縮退バレーに相当）が、面接合されている上の結晶層の各エネルギーバンドに対して、接合面方向の運動量及びエネルギーに関する第１の結晶層と第１の物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、少なくとも１つの結晶層及び／又は物質層の層厚を、第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くした構成であればよい。勿論、全ての結晶層及び／又は物質層を薄くしたものであってもよい。また、最後に積層される層は、第ｎの物質層ではなく第ｎの結晶層であってもよく、必ずしも薄層化する必要は無い。
【００４９】
〔第３の実施の形態〕
図６は、第３の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。この半導体素子は、絶縁層１０と、絶縁層１０における下側の表面に面接合され、両側面にも絶縁層１０が接合配置されたＳｉ層２０（以降、「細線型上層Ｓｉ」と称する場合もある）と、絶縁層１０とで閉じ込めるようにＳｉ層２０における下側の表面に面接合され、Ｓｉ基板４０の上に形成されたＳｉ層３０（以降、「下層Ｓｉ」と称する場合もある）とで構成されている。このような構成を備えた半導体素子に加えて、同図には、絶縁層１０における上側の表面に面接合されたゲート電極５０と、Ｓｉ層２０及びＳｉ層３０の片端（同図の手前側）に接合配置されたソース電極６０と、Ｓｉ層２０及びＳｉ層３０の他端（同図の奥側）に接合配置されたドレイン電極７０とが合わせて記載されている。
【００５０】
絶縁層１０は、第１の実施の形態と同様に、絶縁性を有する材料で作製されているので、絶縁層１０とＳｉ層２０との間は連続性の無い結晶の積層状態となり、細線型上層Ｓｉにおける全てのエネルギーバンドの電子に対して絶縁的に作用する。このような絶縁層の一例として、ＳｉＯ２を挙げることができる。
【００５１】
Ｓｉ層２０（細線型上層Ｓｉ）は、第１の実施の形態と同様に、結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で絶縁層１０の下側の表面と下層Ｓｉとに面接合している。
【００５２】
Ｓｉ層３０（下層Ｓｉ）は、第１の実施の形態と同様に、細線型上層Ｓｉと同様に結晶Ｓｉで形成されるものであって、（１００）面で細線型上層Ｓｉに面接合している。また、下層Ｓｉは、細線型上層Ｓｉとの接合面に垂直な軸に関して４５度回転した位置関係となっている。なお、この回転角度が０度の場合には、細線型上層Ｓｉと下層Ｓｉとは等価な位置関係、即ち、結晶格子が平行移動によってお互いに重ね合わすことができる位置関係となっているものとする。
【００５３】
図７は、運動量空間（ｋ空間）における細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導エネルギーバンド端の等エネルギー面を示した図である。同図の上側には、細線型上層Ｓｉにおける各縮退バレーの等エネルギー面が示されており、同図の下側には、下層Ｓｉにおける各縮退バレーの等エネルギー面が示されている。通常、結晶Ｓｉとしての電子的特性を担うＳｉの伝導エネルギーバンドの電子は、この運動量空間において、それぞれｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向、ｋｚ軸方向に位置する合計６個の等エネルギー面で表されるようなバレー端付近に存在している。
【００５４】
同図によれば、本実施の形態に係る半導体素子は、ｋｚ軸方向にある2つのバレーの電子にとっては、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉが一続きの単一結晶となるように構成されることになる。即ち、互いの接合面に垂直な方向の波数ｋｚ軸方向にある２つのバレーについては、上下層Ｓｉを実空間で相対的に４５度回転した場合であっても位置関係に変化は無く、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおいて、運動量空間で同一の等価な位置に存在することになる。これは、各バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した場合、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける該当のバレーが、図８に示すように同じ位置に配置されることになる。従って、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおける全てのｋｚ軸方向にあるバレーは、接合面方向（ｋｘ軸及びｋｙ軸方向）に関して同じ運動量を持つことになる。これは、細線型上層Ｓｉの２重縮退バレーの電子にとっては、同一のＳｉ層が下の層に連続しているように振舞うことができる（第１の作用）。
【００５５】
一方、細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉにおいてそれぞれｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する合計４個バレーの電子は、下層Ｓｉが細線型上層Ｓｉに対して４５度回転した位置関係にあるため、より具体的には、結晶の実空間の回転によって運動量空間におけるこれら４つのバレーの位置関係が相対的に４５度ずれるため、接合面方向に関してお互いに異なる運動量を持つことになる。これは、細線型上層Ｓｉのｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する４つのバレーの電子にとっては、下層Ｓｉが絶縁体として作用することになる（第２の作用）。なお、細線型上層Ｓｉにおける上側の表面及び左右の両側面には絶縁層１０が面接合されているので、細線型上層Ｓｉのｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する４つのバレーの電子にとっては、上下左右を絶縁体で囲まれた構造となっている。
【００５６】
更に、細線型上層Ｓｉのｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する４つのバレーの電子に対して、細線型上層Ｓｉの層厚及び水平方向の幅を量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で微小にした際には、この４つのバレーの電子にとって層厚方向及び水平方向（以降、「断面方向」と称する）の自由度に関して取り得るエネルギーが離散化し、最低状態のエネルギーが上昇することになる（第３の作用）。一方、細線型上層Ｓｉのｋｚ軸方向に位置する２つのバレーにおける電子については、膜厚方向の閉じ込めが生じないためにこの閉じ込め効果は相対的に小さなものとなる。即ち、細線型上層Ｓｉでは、ｋｚ軸方向に位置する２つのバレーにおける電子の最低のエネルギーとｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向に位置する４つのバレーの電子の最低エネルギーとの差が大きくなり、ｋｚ軸方向のバレーに存在する電子の割合が増大することとなる。また、ｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向のバレー電子エネルギーの離散化と上昇とによって、各バレーの電子についてバレー間散乱を抑制するという効果も得ることができる。
【００５７】
以上のように、第１の作用と第２の作用と第３の作用とから、本実施の形態における半導体素子は、細線型上層Ｓｉにおいて、各バレーに存在する電子の移動度を増大し、更に相対的に高い移動度特性を持つｋｚ軸方向バレー電子の特性を選択的に取り出すことを可能とする効果を得ることができる。（なお、第１の作用と第２の作用とは、より正確に言えば、第３の作用、即ち、ｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向バレーの電子について細線の断面方向の自由度に関してエネルギーをより大きく離散化、上昇させて、ｋｚ軸方向のバレーとの間でのバレー間の散乱を抑制すると共にｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向バレーに存在する電子の数を減らすことを実現するための手段となっている。）
従って、絶縁層１０に面接合され、両側面にも絶縁層１０が接合配置された細線型上層Ｓｉと、絶縁層１０とで囲むように細線型上層Ｓｉに面接合された下層Ｓｉとを同じ（１００）面で面接合し、下層Ｓｉを細線型上層Ｓｉに対して接合面に垂直な軸に関して相対的に４５度回転することで細線型上層Ｓｉのｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向のバレーの電子に対して断面方向に空間的に閉じ込めるような構造を作製すると共に、細線型上層Ｓｉの断面のサイズをｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向のバレーの電子に対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で微小化することにより、電子の移動度を向上可能な半導体素子を提供することができる。なお、第１の実施の形態若しくは第２の実施の形態は、層厚方向（ｚ軸方向）のみ閉じ込め構造とする１次元的な閉じ込めの場合について説明するものであるが、本実施の形態は、細線の断面方向を閉じ込め構造とする２次元的な閉じ込めの場合について説明するものである。
【００５８】
このような半導体素子をチャネルとして図６に示すようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴを作製した場合、細線型上層Ｓｉの層厚やゲート電極５０に印加する電圧等の様々なパラメータによって各バレーの電子の割合が変化するものの、その反転層の電子の流れは主にｋｚ軸方向に位置するバレーの電子によって担われることとなる。そして、このようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴは、層厚方向（ｚ軸方向）に上層Ｓｉの層厚を制限しないような通常のＳｉ細線で作製されたＭＯＳＦＥＴと比べて、ｋｚ軸方向バレーの電子の割合を増加させるため、従来よりも移動度を高くすることができる。また、一般的には、ｋｚ軸方向バレー電子による反転層の空間的な層厚は、ｋｘ軸方向、ｋｙ軸方向の４つのバレーの電子による反転層の空間的な層厚よりも薄いので、反転層の容量が上層Ｓｉの層厚を制限しないような通常のＳｉ細線の場合よりも大きくなり、反転層の容量等の改善効果も得ることができる。
【００５９】
なお、細線領域ではない絶縁層１０とＳｉ層３０との界面部分に反転層が形成されることが素子特性上問題となる場合には、Ｓｉ層３０とＳｉ基板４０との間に絶縁層を形成し、更にＳｉ層３０の膜厚を各バレーの電子にとって量子力学的閉じ込め効果（絶縁層１０とＳｉ層３０下面の絶縁層との間で挟まれた領域に関しての閉じ込め効果）を呈する範囲で薄くした構成とすることにより、この反転層を排除し、純粋に細線のみの特性を得ることができる。
【００６０】
本実施の形態では、各層が結晶Ｓｉ、接合面が（１００）面の場合について一例として説明したが、各接合面が必ずしも（１００）面である必要はないし、各層が必ずしも結晶Ｓｉである必要もない。また、上層Ｓｉと下層Ｓｉとにおける相対角度は４５度以外であってもよい。
【００６１】
本実施の形態では、下層がＳｉ結晶であることを一例として説明したが、上層Ｓｉを形成する結晶と異なる物質で形成されていた場合であっても同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態で説明した細線型上層Ｓｉを、第２の実施の形態で説明したような積層構造の半導体素子に適用可能であることは言うまでも無い。更に、Ｓｉ層２０の両側面には絶縁層１０が接合配置された場合について説明したが、この絶縁層の少なくとも一部を上記物質層とした場合であっても良い。
【００６２】
最後に、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態によれば、異方的バンド構造を持つ結晶Ｓｉを利用して適切な接合構造を持つ半導体素子を作製し、各層の層厚を適切に設定することによって、量子力学的閉じ込め効果を利用して各結晶のエネルギーバンドの状態密度を変化させ、特定のエネルギーバンドに存在するキャリアの割合を増加させると共に、各エネルギーバンド間のキャリアの散乱を変化させることにより、従来のバルクＳｉよりも伝導特性や容量特性等の物理特性を向上することが可能となる。また、このような半導体素子は、半導体装置や電子素子や光エレクトロニクス素子などの各分野で応用可能であることを付言しておく。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。
【図２】運動量空間（ｋ空間）における上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導バンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図３】図２に示す各縮退バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した投影図である。
【図４】第２の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。
【図５】運動量空間（ｋ空間）における上層Ｓｉと下層Ｓｉと最下層Ｓｉとの結晶Ｓｉの伝導バンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図６】第３の実施の形態に係る半導体素子の構成を示す構成図である。
【図７】運動量空間（ｋ空間）における細線型上層Ｓｉ及び下層Ｓｉの結晶Ｓｉの伝導バンド端の等エネルギー面を示した図である。
【図８】図７に示す各縮退バレーの等エネルギー面をｋｘ−ｋｙ平面に投影した投影図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…絶縁層
２０…Ｓｉ層（上層Ｓｉ，細線型上層Ｓｉ）
３０…Ｓｉ層（下層Ｓｉ）
４０…Ｓｉ基板
５０…ゲート電極
６０…ソース電極
７０…ドレイン電極
８０…Ｓｉ層（最下層Ｓｉ）
９０…絶縁層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層に面接合された結晶層と、前記絶縁層とで挟むように前記結晶層に面接合された物質層とを有する半導体素子において、
前記結晶層は、キャリア（電子又は正孔）が存在するエネルギーの範囲に含まれ、前記物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも第１のエネルギーバンド及び第２のエネルギーバンドを有する結晶で形成され、
前記物質層は、前記第１のエネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、前記結晶層との接合面方向の運動量に関して前記第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、前記第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び当該接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／又は同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、
前記結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
第ｎ−１の前記結晶層とで挟むように第ｎの前記結晶層を第ｎ−１の前記物質層に面接合し、当該第ｎ−１の物質層とで挟むように第ｎの前記物質層を前記第ｎの結晶層に面接合することを交互に繰り返す積層構造において、
前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドは、前記第ｎ−１の物質層におけるエネルギーバンドに対して、前記エネルギー及び前記接合面方向の運動量に関する前記結晶層と前記物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、
前記第ｎの物質層におけるエネルギーバンドは、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドに対して、前記エネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有するものであって、
前記積層構造を構成する複数の結晶層のうち少なくとも１つの前記第ｎの結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記物質層は、前記第３のエネルギーバンドと、前記エネルギー範囲と同じエネルギー範囲に含まれ、前記結晶層との接合面方向の運動量に関して前記第３のエネルギーバンドと異なる運動量を持つ第４のエネルギーバンドとを有する結晶で形成されるものであって、
前記第１のエネルギーバンド及び当該第３のエネルギーバンドについては互いの接合面方向の運動量が一致し、前記第２のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドについては、エネルギー及び／又は互いの接合面方向の運動量が異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記物質層は、前記結晶層と同じ物質であり、且つ、前記結晶層及び当該物質層は、同一の面方位を互いの接合面として選択するものであって、
前記結晶層の第１のエネルギーバンドについては当該接合面方向の運動量が一致し、前記結晶層の第２のエネルギーバンドについては、当該接合面方向の運動量が一致するようなエネルギーバンドが当該物質層に存在しないように相対的な回転角度（接合面に垂直な軸に対する回転角度）を選択して接合したことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項５】
第ｎ−１の前記結晶層とで挟むように第ｎの前記結晶層を第ｎ−１の前記物質層に面接合し、当該第ｎ−１の物質層とで挟むように第ｎの前記物質層を前記第ｎの結晶層に面接合することを交互に繰り返す積層構造において、
前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドは、前記第ｎ−１の物質層における前記第３のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドに対して、前記エネルギー及び前記接合面方向の運動量に関する前記結晶層と前記物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、
前記第ｎの物質層における前記第３のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドは、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドに対して、前記エネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有するものであって、
前記積層構造を構成する複数の結晶層のうち少なくとも１つの前記第ｎの結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くし、更に、前記積層構造を構成する複数の物質層のうち少なくとも１つの前記第ｎの物質層の層厚を、前記第４のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記結晶層の層厚に対する水平方向の幅を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で更に薄くし、当該結晶層の両側面に絶縁層を接合配置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記結晶層の両側面に接合配置された前記絶縁層の少なくとも一部は、前記物質層であることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記絶縁層は、前記物質層であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１】
絶縁層に面接合された結晶層と、前記絶縁層とで挟むように前記結晶層に面接合された物質層とを有する半導体素子において、
前記結晶層は、キャリア（電子又は正孔）が存在するエネルギーの範囲に含まれ、前記物質層との接合面方向の運動量が互いに異なる少なくとも第１のエネルギーバンド及び第２のエネルギーバンドを有する結晶で形成され、
前記物質層は、前記第１のエネルギーバンドと同じエネルギーの領域にあり、前記結晶層との接合面方向の運動量に関して前記第１のエネルギーバンドと同じ運動量を持つ第３のエネルギーバンドを有し、且つ、前記第２のエネルギーバンドにおけるエネルギー及び当該接合面方向の運動量に関して同じエネルギー及び／又は同じ運動量を持つエネルギーバンドを有しないものであって、
前記結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
第ｎ−１の前記結晶層とで挟むように第ｎの前記結晶層を第ｎ−１の前記物質層に面接合し、当該第ｎ−１の物質層とで挟むように第ｎの前記物質層を前記第ｎの結晶層に面接合することを交互に繰り返す積層構造において、
前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドは、前記第ｎ−１の物質層におけるエネルギーバンドに対して、前記エネルギー及び前記接合面方向の運動量に関する前記結晶層と前記物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、
前記第ｎの物質層におけるエネルギーバンドは、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドに対して、前記エネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有するものであって、
前記積層構造を構成する複数の結晶層のうち少なくとも１つの前記第ｎの結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記物質層は、前記第３のエネルギーバンドと、前記エネルギー範囲と同じエネルギー範囲に含まれ、前記結晶層との接合面方向の運動量に関して前記第３のエネルギーバンドと異なる運動量を持つ第４のエネルギーバンドとを有する結晶で形成されるものであって、
前記第１のエネルギーバンド及び当該第３のエネルギーバンドについては互いの接合面方向の運動量が一致し、前記第２のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドについては、エネルギー及び／又は互いの接合面方向の運動量が異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記物質層は、前記結晶層と同じ物質であり、且つ、前記結晶層及び当該物質層は、同一の面方位を互いの接合面として選択するものであって、
前記結晶層の第１のエネルギーバンドについては当該接合面方向の運動量が一致し、前記結晶層の第２のエネルギーバンドについては、当該接合面方向の運動量が一致するようなエネルギーバンドが当該物質層に存在しないように相対的な回転角度（接合面に垂直な軸に対する回転角度）を選択して接合したことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項５】
第ｎ−１の前記結晶層とで挟むように第ｎの前記結晶層を第ｎ−１の前記物質層に面接合し、当該第ｎ−１の物質層とで挟むように第ｎの前記物質層を前記第ｎの結晶層に面接合することを交互に繰り返す積層構造において、
前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドは、前記第ｎ−１の物質層における前記第３のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドに対して、前記エネルギー及び前記接合面方向の運動量に関する前記結晶層と前記物質層との間のエネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有し、
前記第ｎの物質層における前記第３のエネルギーバンド及び前記第４のエネルギーバンドは、前記第ｎの結晶層における前記第１のエネルギーバンド及び前記第２のエネルギーバンドに対して、前記エネルギーバンド関係と同様のエネルギーバンド関係を有するものであって、
前記積層構造を構成する複数の結晶層のうち少なくとも１つの前記第ｎの結晶層の層厚を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くし、更に、前記積層構造を構成する複数の物質層のうち少なくとも１つの前記第ｎの物質層の層厚を、前記第４のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で薄くしたことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記結晶層の層厚に対する水平方向の幅を、前記第２のエネルギーバンドのキャリアに対して量子力学的閉じ込め効果を呈する範囲で更に薄くし、当該結晶層の両側面に絶縁層を接合配置することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記結晶層の両側面に接合配置された前記絶縁層の少なくとも一部は、前記物質層であることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記絶縁層は、前記物質層であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１８８１３０（Ｐ２００９−１８８１３０Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５６０６（Ｐ２００８−２５６０６）
【出願日】平成２０年２月５日（２００８．２．５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月５日（２００８．２．５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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