[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP2000315654A - 位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造 - Google Patents

位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造

Info

Publication number
JP2000315654A
JP2000315654A JP11124378A JP12437899A JP2000315654A JP 2000315654 A JP2000315654 A JP 2000315654A JP 11124378 A JP11124378 A JP 11124378A JP 12437899 A JP12437899 A JP 12437899A JP 2000315654 A JP2000315654 A JP 2000315654A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum
quantum dot
substrate
level
nitride semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP11124378A
Other languages
English (en)
Other versions
JP3415068B2 (ja
Inventor
Katsunobu Aoyanagi
克信 青柳
Koji Kawasaki
宏治 川崎
Kazuo Tsutsui
一生 筒井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Original Assignee
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by RIKEN Institute of Physical and Chemical Research filed Critical RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority to JP12437899A priority Critical patent/JP3415068B2/ja
Publication of JP2000315654A publication Critical patent/JP2000315654A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3415068B2 publication Critical patent/JP3415068B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40—Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＧａＮ、ＩｎＮあるいはＡｌＮやＩｎＧａＮ、
ＡｌＧａＮなどの窒化物半導体の量子ドットを位置制御
して形成することができるようにする。 【解決手段】位置制御された液滴エピタキシーによる窒
化物半導体の量子ドットの形成方法であって、金属原料
の表面エネルギーよりも低い表面エネルギーを持つ該基
板の表面に、外部場を加えることによって該基板の該表
面状態を変調して該表面を改質する第一の処理と、上記
第一の処理により上記表面を改質された上記基板に上記
金属原料を供給し、上記表面の改質された場所に結晶成
長により金属液滴を形成する第二の処理と、上記第二の
処理により上記金属液滴を形成された上記基板上に窒素
ソースを供給し、上記金属液滴を窒化して窒化物半導体
の量子ドットを形成する第三の処理とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、位置制御された液
滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成
方法、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造お
よび量子相関ゲート素子構造に関し、さらに詳細には、
例えば、量子力学の原理に基づいた量子計算を行うチュ
ーリング型の量子コンピュータを構成する際などにおい
て必要とされるＧａＮ（窒化ガリウム）、ＩｎＮ（窒化
インジウム）あるいはＡｌＮ（窒化アルミニウム）など
の単結晶やこれらの混晶（ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮな
ど）などによるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の量子ドット
を形成する際に用いて好適な位置制御された液滴エピタ
キシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法、そ
の方法により形成された量子ドットを用いた量子コンピ
ュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲー
ト素子構造に関する。
【０００２】
【発明の背景】従来より、半導体技術の分野において
は、ＧａＮ、ＩｎＮあるいはＡｌＮなどのＩＩＩ−Ｖ族
窒化物半導体は、光学デバイス材料や電子デバイス材料
などとして極めて有用であると期待されている。
【０００３】ところで、上記したような窒化物半導体を
集積回路などへ応用する場合には、窒化物半導体の量子
構造として、直径が数十ナノメートル（ｎｍ）程度ある
いはそれ以下の球体形状や、一辺が数十ナノメートル
（ｎｍ）程度あるいはそれ以下の方体形状を備えた微小
な量子ドットを形成する必要がある。
【０００４】しかしながら、従来においては液滴エピタ
キシーによりガリウム砒素（ＧａＡｓ）の量子ドットを
形成する手法は提案されているが、現在までのところＧ
ａＮ、ＩｎＮあるいはＡｌＮやＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ
などの窒化物半導体の量子ドットを形成する手法は提案
されておらず、窒化物半導体の量子ドットを形成する手
法の案出が強く望まれているものであった。
【０００５】ところで、近年、古典力学に基づいた既存
のデジタル・コンピュータに対して、量子力学の原理に
基づいた量子計算を行う量子コンピュータの概念が提唱
されてきている。
【０００６】こうした量子コンピュータを実現するため
には、現在のデジタル・コンピュータのビットの概念に
相当する量子ビットを実現するための量子ビット素子
と、２個の量子ビットの演算を行う量子相関ゲート素子
とが必要であることが現在までに判明している。
【０００７】ここで、以降の説明の理解を容易にするた
めに、量子ビットならびに量子相関ゲートについて説明
しておくこととする。
【０００８】古典力学の原理に基づく既存のデジタル・
コンピュータにおいては、“０”と“１”による「ビッ
ト」に対して、アンド（ＡＮＤ）やオア（ＯＲ）などの
論理ゲートを作用させることによって、加算やフーリエ
変換などの演算を行うことのできる回路を構築するよう
になされている。こうした「ビット」に対応する概念と
して、量子コンピュータにおいては「量子ビット」とい
う概念が導入されている。
【０００９】物質のミクロな性質を支配する量子力学に
よれば、電子などの粒子（この明細書においては、電子
について説明する。）の状態は、いろいろな状態の重ね
合わせで表される。即ち、量子力学においては、とりう
ることのできる状態が２つしかない場合には、そのエネ
ルギーが大きい方の状態を「｜１＞」と表すとともに、
そのエネルギーが低い方の状態を「｜０＞」と表すこと
にすると、電子の状態は｜１＞と｜０＞との重ね合わせ
状態にあるものと言うことができる。こうした概念を、
従来のビットに利用するのが、量子ビットの考え方であ
る。
【００１０】即ち、“０”か“１”かが確定的な従来の
ビットに対して、量子ビットでは、量子ビットの状態は
“０”か“１”かのどちらとは言えず、ある確率で
“０”の状態があり、また、ある確率で“１”の状態が
あると言えるだけである。即ち、このような状態が、重
ね合わせ状態と称されているものである。
【００１１】従って、量子ビットの物理的実態は、｜１
＞と｜０＞との２つの量子準位を備えた２準位系である
と言える。
【００１２】また、量子相関ゲートとは、上記したよう
な２個の量子ビットの演算を行って量子ビットを操作す
るゲートであるが、その演算とは図１に示すようなもの
である。
【００１３】即ち、量子相関ゲートは可換であり、ある
状態の２個の量子ビットに作用して、他の状態の２個の
量子ビットを得ることができるようにしたものである。
【００１４】具体的には、図１（ａ）に概念的に示すよ
うに、量子相関ゲートは、量子相関ゲートによる作用を
受ける前の２個の量子ビットのうちの一方（２個の量子
ビットのうちの基準となる量子ビットであり、以下、
「コントロールビット」と称する。）の状態を「Ａ」と
するとともに、量子相関ゲートによる作用を受ける前の
２個の量子ビットのうちの他方（２個の量子ビットのう
ちの「コントロールビット」による影響を受ける量子ビ
ットであり、以下、「ターゲットビット」と称する。）
の状態を「Ｂ」とすると、量子相関ゲートの作用を受け
た後の２個の量子ビットとして、図１（ｂ）の真理値表
に概念的に示すように、量子相関ゲートによる作用を受
ける前のコントロールビットの状態と同じ状態たる
「Ａ」と、量子相関ゲートによる作用を受ける前のコン
トロールビットの状態たる「Ａ」とターゲットビットの
状態たる「Ｂ」との排他的論理和「Ｘ」を得ることがで
きるものである。
【００１５】そして、本願出願人は、上記したような量
子ビットならびに量子相関ゲートを実現することのでき
る実際的な構成として、特願平１０−２３２５９０号
「量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および
量子相関ゲート素子構造」（出願日：平成１０年８月１
９日）を提案している。
【００１６】この特願平１０−２３２５９０号「量子コ
ンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関
ゲート素子構造」に係る発明の原理は、直径が数十ナノ
メートル（ｎｍ）程度あるいはそれ以下の球体形状や、
一辺が数十ナノメートル（ｎｍ）程度あるいはそれ以下
の方体形状を備えた微小な２つの量子ドットを近接させ
て配置して、トンネル効果によって当該２つの量子ドッ
トの間で電子を移動可能に、１個の電子を当該２つの量
子ドットの間で行き来させて｜１＞と｜０＞との２つの
状態にするものである。
【００１７】ここで、上記した２つの量子ドットの距離
は近ければ近いほど好ましいものであるが、こうした２
つの量子ドットを形成する位置をリソグラフィの技術を
用いて制御しようとする場合には、２つの量子ドットの
距離を近接するにあたって技術的な限界があるため、２
つの量子ドットを極めて近接した位置に制御して配置す
ることを可能にした量子ドットの形成の手法の案出が強
く望まれているものであった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな従来の技術に対する強い要望に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、ＧａＮ、ＩｎＮある
いはＡｌＮやＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの窒化物半導
体の量子ドットを位置制御して形成することができるよ
うにして、それにより２つの窒化物半導体の量子ドット
を極めて近接した位置に制御して配置することを可能に
し、例えば、量子ビットならびに量子相関ゲートを実現
することのできるようにした位置制御された液滴エピタ
キシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法を提
供しようとするものである。
【００１９】また、本発明は、上記した位置制御された
液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形
成方法により形成された量子ドットを用いた量子コンピ
ュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲー
ト素子構造を提供しようとするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、位置制御された液滴エピタキシーによる
窒化物半導体の量子ドットの形成方法であって、 金属
原料の表面エネルギーよりも低い表面エネルギーを持つ
該基板の表面に、外部場を加えることによって該基板の
該表面状態を変調して該表面を改質する第一の処理と、
上記第一の処理により上記表面を改質された上記基板に
上記金属原料を供給し、上記表面の改質された場所に結
晶成長により金属液滴を形成する第二の処理と、上記第
二の処理により上記金属液滴を形成された上記基板上に
窒素ソースを供給し、上記金属液滴を窒化して窒化物半
導体の量子ドットを形成する第三の処理とを有するよう
にしたものである。
【００２１】また、本発明は、上記した発明において、
さらに、上記第三の処理により形成された窒化物半導体
の量子ドットを、所定の温度で所定の時間だけ熱処理す
る第四の処理とを有するようにしたものである。
【００２２】ここで、上記第三の処理においては、低温
で上記金属液滴を形成された上記基板に窒素ソースを供
給し始めて上記金属液滴の表面のみを窒化させ、その後
に窒化中に温度を上げて結晶化を促進することができ
る。
【００２３】また、上記第三の処理においては、低温で
上記金属液滴を形成された上記基板に窒素ソースを供給
し始めて上記金属液滴の表面のみを窒化させ、その後に
窒化中に温度を上げて結晶化を促進する際に、外部場を
加えて結晶化を促進することができる。
【００２４】また、上記第三の処理においては、低温で
上記金属液滴を形成された上記基板に窒素ソースを供給
し始めて上記金属液滴の表面のみを窒化させ、その後に
窒化中に低温のままで外部場を加えて結晶化を促進する
ことができる。
【００２５】また、上記第四の処理においては、熱処理
する外部場を加えるようにしてもよい。
【００２６】また、上記外部場は、光、電子、イオンま
たはラジカル、あるいはそれらの組み合わせとすること
ができる。
【００２７】また、上記金属原料は、ＩＩＩ族の金属と
することができる。
【００２８】また、上記基板は、サファイア基板、炭化
シリコン基板、石英基板、窒化ガリウム基板またはフッ
化カルシウム基板とすることができる。
【００２９】また、上記窒素ソースは、窒素、窒素ラジ
カル、アンモニアまたはアンモニアラジカルとすること
ができる。
【００３０】また、本発明は、第１の量子準位をもつ第
１の量子ドットと、上記第１の量子準位とは異なる第２
の量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル
効果により上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドッ
トとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第１の
量子ドットと上記第２の量子ドットとを近接して配置
し、さらに、電子が１個だけ存在するようにしたもので
ある量子コンピュータにおける量子ビット素子構造にお
いて、上記第１の量子ドットおよび上記第２の量子ドッ
トを、請求項１、請求項２、請求項４、請求項５、請求
項６、請求項７、請求項８、請求項９または請求項１０
のいずれか１項に記載の位置制御された液滴エピタキシ
ーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法により形
成するようにしたものである。
【００３１】また、本発明は、第１の量子準位をもつ第
１の量子ドットと、上記第１の量子準位より下の第２の
量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効
果により上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドット
との間を電子が自由に移動可能なように、上記第１の量
子ドットと上記第２の量子ドットとを近接して配置し、
さらに、電子が１個だけ存在するようにした第１の量子
ビット素子構造と、第３の量子準位をもつ第３の量子ド
ットと、上記第３の量子準位より下の第４の量子準位を
もつ第４の量子ドットとを有し、トンネル効果により上
記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとの間を電
子が自由に移動可能なように、上記第３の量子ドットと
上記第４の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電
子が１個だけ存在するようにした第２の量子ビット素子
構造とを有し、上記第１のビット素子構造と上記第２の
ビット素子構造とを、上記第１の量子ドットと上記第３
の量子ドットとが対向するとともに、上記第２の量子ド
ットと上記第４の量子ドットとが対向するように配置
し、上記第１の量子ドットと上記第３の量子ドットとが
電気的に接続され、上記第２の量子ドットと上記第４の
量子ドットとが電気的に接続され、さらに、上記第１の
量子準位と上記第２の量子準位との準位差と、上記第３
の量子準位と上記第４の量子準位との準位差とが異なる
ように設定されたものである量子コンピュータにおける
量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ドッ
ト、上記第２の量子ドット、上記第３の量子ドットおよ
び上記第４の量子ドットを、請求項１、請求項２、請求
項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求
項９または請求項１０のいずれか１項に記載の位置制御
された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドッ
トの形成方法により形成するようにしたものである。
【００３２】ここで、上記第１の量子ドットと上記第３
の量子ドットとは、第１の可変コンデンサを介して容量
的に接続され、上記第２の量子ドットと上記第４の量子
ドットとは、第２の可変コンデンサを介して容量的に接
続されるようにしてもよい。
【００３３】また、本発明は、第１の量子準位をもつ第
１の量子ドットと、上記第１の量子準位より下の第２の
量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効
果により上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドット
との間を電子が自由に移動可能なように、上記第１の量
子ドットと上記第２の量子ドットとを近接して配置し、
さらに、電子が１個だけ存在するようにした第１の量子
ビット素子構造と、第３の量子準位をもつ第３の量子ド
ットと、上記第３の量子準位より下の第４の量子準位を
もつ第４の量子ドットとを有し、トンネル効果により上
記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとの間を電
子が自由に移動可能なように、上記第３の量子ドットと
上記第４の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電
子が１個だけ存在するようにした第２の量子ビット素子
構造とを有し、上記第１のビット素子構造と上記第２の
ビット素子構造とを、上記第１の量子ドットと上記第４
の量子ドットとが対向するとともに、上記第２の量子ド
ットと上記第３の量子ドットとが対向するように配置
し、上記第１の量子ドットと上記第４の量子ドットとが
電気的に接続され、上記第２の量子ドットと上記第３の
量子ドットとが電気的に接続され、さらに、上記第１の
量子準位と上記第２の量子準位との準位差と、上記第３
の量子準位と上記第４の量子準位との準位差とが異なる
ように設定されたものである量子コンピュータにおける
量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ドッ
ト、上記第２の量子ドット、上記第３の量子ドットおよ
び上記第４の量子ドットを、請求項１、請求項２、請求
項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求
項９または請求項１０のいずれか１項に記載の位置制御
された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドッ
トの形成方法により形成するようにしたものである。
【００３４】ここで、上記第１の量子ドットと上記第４
の量子ドットとは、第１の可変コンデンサを介して容量
的に接続され、上記第２の量子ドットと上記第３の量子
ドットとは、第２の可変コンデンサを介して容量的に接
続されるようにしてもよい。
【００３５】また、上記第１の量子ビット素子構造は、
第３の可変コンデンサを介して第１の単電子トランジス
タに接続され、上記第４の量子ビット素子構造は、第４
の可変コンデンサを介して第２の単電子トランジスタに
接続されるようにしてもよい。
【００３６】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づいて、本
発明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半
導体の量子ドットの形成方法、量子コンピュータにおけ
る量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造の
実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００３７】ここで、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に
は、本発明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒
化物半導体の量子ドットの形成方法の実施の形態の一例
の概念説明図が示されている。
【００３８】以下、この図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）
を参照しながら、本発明の位置制御された液滴エピタキ
シーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法の実施
の形態の一例を詳細に説明する。
【００３９】（１）基板：図２（ａ）参照 本発明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物
半導体の量子ドットの形成方法においては、基板１上に
窒化物半導体の量子ドット４（図２（ｃ）（ｄ）参照）
を形成するものである。
【００４０】ここで、基板１は、窒化物半導体の量子ド
ット１４の原料となる、例えば、Ｇａ（ガリウム）、Ａ
ｌ（アルミニウム）、インジウム（Ｉｎ）などのＩＩＩ
族の金属（なお、本明細書においては、窒化物半導体の
量子ドット４の原料となる金属を「金属原料」と適宜に
称することとする。）を基板１上に三次元成長すること
ができるように、これらの金属原料の表面エネルギーよ
りも低い表面エネルギーを持つものとする。つまり、金
属原料の方が、基板１よりも表面エネルギーが高くなる
ようにするものである。
【００４１】こうした金属原料の表面エネルギーよりも
低い表面エネルギーを持つ基板１としては、例えば、基
板１の原料（なお、本明細書においては、基板１の原料
を「基板原料」と適宜に称することとする。）としてＡ
ｌ２Ｏ３（サファイア）、ＳｉＯ２（石英）、ＳｉＣ
（炭化シリコン）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＣａＦ２
（フッ化カルシウム）などのフッ化物などを用いたもの
があげられる。
【００４２】即ち、基板の表面エネルギーよりも当該基
板上に堆積させようとする金属の表面エネルギーの方が
高ければ、系のエネルギーを最小にしようとする作用が
起こるために、当該基板上に堆積させようとする金属は
表面積を最小にするように球状に変化しながら成長す
る。なお、こうした成長様式をフォルマ−ウェーバ（Ｖ
ｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒ）様式（Ｖ−Ｗ様式）と称して
いる。
【００４３】一般に、金属は半導体や絶縁体に比べて表
面エネルギーが高いので、微細な三次元構造を形成する
上で有利であり、上記した金属原料たるＧａ、Ａｌ、Ｉ
ｎなどの金属も、上記した基板原料たるＡｌ２Ｏ３、Ｓ
ｉＣ、ＳｉＯ２、ＧａＮ、ＣａＦ２などの半導体、絶縁
体に比較して表面エネルギーが高い。
【００４４】なお、金属原料と基板原料との組み合わせ
としては、形成させる半導体と基板との格子定数整合性
と電子の閉じ込めという理由から、例えば、金属原料が
Ｇａである場合には基板原料をＡｌＮとし、金属原料が
Ａｌである場合には基板原料をＣａＦ２とし、金属原料
がＩｎである場合には基板原料をＧａＮとすることが好
ましい。
【００４５】また、金属原料を三次元成長させる基板と
しては、上記したＡｌ２Ｏ３基板、ＳｉＯ２基板、Ｇａ
Ｎ基板、ＣａＦ２基板などのヘテロ基板を用いることも
できる。
【００４６】なお、上記したヘテロ基板を用いた場合に
は、既存のＳｉ集積回路やＧａＡｓ集積回路との集積化
可能という点で、サファイア基板、石英基板、窒化ガリ
ウム基板、フッ化カルシウム基板などを用いる場合より
も有効である。
【００４７】例えば、基板１０としては、Ｓｉ（シリコ
ン）基板上にＣａＦ２をエピタキシャル成長させたもの
を用いることができる。
【００４８】ＣａＦ２は、Ｓｉ（１１１）基板上におい
て良好にエピタキシャル成長できる結晶性の絶縁物であ
り、特に、その（１１１）最表面ではフッ素イオンで終
端されているために、表面エネルギーが極めて低いとい
う特徴を有している。
【００４９】なお、Ｓｉ（１１１）基板上にＣａＦ２を
エピタキシャル成長させた基板１としては、例えば、分
子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によりＳｉ（１１１）基
板上に成長温度８００℃でＣａＦ２を２０ｎｍ成長させ
たものを用いることができる。
【００５０】（２）金属液滴の形成：図２（ｂ）参照 （２−１）上記「（１）基板：図２（ａ）参照」におい
て説明された基板１上に、金属原料として、例えば、Ｇ
ａ、Ａｌ、ＩｎなどのＩＩＩ族の金属をＭＢＥ法あるい
は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などにより供給す
ることにより、基板１上に結晶成長により金属液滴２を
形成する。
【００５１】ここで、基板１の表面に光、電子、イオン
またはラジカル、あるいはそれらの組み合わせなどの外
部場を加えることによって当該基板１の表面状態を任意
に変調することにより、当該基板１の表面が改質され
て、その結果形成される吸着に対するポテンシャルの最
も低いところに、優先的に金属原料の供給に伴う結晶成
長における核成長が行われることになり、金属液滴２を
形成する位置を制御することができるようになる。
【００５２】例えば、上記「（１）基板：図２（ａ）参
照」において説明したＳｉ（１１１）基板上にＣａＦ２
をエピタキシャル成長させた基板１について説明する
と、電子ビームを用いてＣａＦ２の表面状態を任意に変
調することにより、当該基板１の表面が改質されて、そ
の結果形成される吸着に対するポテンシャルの最も低い
ところに優先的に核成長が行われるものである。
【００５３】この点につき、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に
示す電子ビーム照射による基板表面の改質の原理の説明
図を参照しながら説明すると、図３（ａ）にはＣａＦ２
の表面構造が示されているが、ＣａＦ２結晶の表面はＦ
イオンで終端されており、表面エネルギーは金属、半導
体に比べて低く、未結合手が表面に出ていないため、堆
積物質が核形成し難い（図３（ａ）においては、簡便の
ためにＣａイオンは図示を省略している。）。
【００５４】こうしたＣａＦ２結晶などのフッ化物に電
子などの荷電粒子を照射すると、表面からＦイオンが脱
離する。例えば、図３（ｂ）に示すように、ＣａＦ２結
晶に対してＡｓ（砒素）雰囲気中で電子ビームを照射す
ると、電子によるオージェ過程を伴うＦイオンの脱離現
象のため表面からＦイオンが脱離する。
【００５５】このＦイオンが脱離した場所は活性なた
め、Ａｓ原子を取り込む結果として表面がＡｓで置換さ
れて改質される。即ち、Ａｓ雰囲気中で電子ビームをＣ
ａＦ２上に照射することで、最表面のＦイオンを脱離さ
せ１原子層のＡｓに置換することができ、これにより表
面の改質が行われる。
【００５６】なお、ＣａＦ２結晶に電子ビームを照射す
る際には、必ずしもＡｓ雰囲気中で行う必要はなく、Ｐ
（リン）雰囲気中だと表面がＰで置換されて改質され、
また、電子ビーム露光装置内であるならば、表面が残留
炭素によって置換されて改質される。
【００５７】そして、図３（ｃ）に示すように、上記の
ようにして表面を改質したＣａＦ２結晶の表面に対して
金属原料としてＧａを供給すると、ＣａＦ２結晶の表面
が改質された領域は表面エネルギーが増加する結果、Ｇ
ａが選択的に集まるようになる。Ｇａは表面エネルギー
が高いため、球状に凝集して核成長が行われてＧａの金
属液滴２が形成される。
【００５８】ここで、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した
Ａｓ膜を堆積したＣａＦ２上への電子ビームの照射と自
然形成法によるＧａの金属液滴２の位置制御の処理の概
念図を参照しながら、本願出願人による金属液滴２の形
成プロセスの実験の一例を説明する。
【００５９】まず、Ｓｉ（１１１）基板をＭＢＥ装置内
に配置して、Ｓｉ（１１１）基板上にＭＢＥ法でＣａＦ
２を２０ｎｍ成長させ、続いてＡｓ２分子線を用いて表
面に３０ｎｍのＡｓを堆積した。
【００６０】次に、上記のようにして処理したＳｉ（１
１１）基板をＭＢＥ装置から取り出して、取り出したＳ
ｉ（１１１）基板を電子ビーム露光システム内に配置し
て、電子ビーム露光システムを用いてスポット露光を周
期的なアレイパターンで行い、表面改質領域を形成した
（図４（ａ）参照）。
【００６１】それから、表面改質領域を形成したＳｉ
（１１１）基板を電子ビーム露光システムから取り出し
て、取り出したＳｉ（１１１）基板を表面クリーニング
を行った後、再びＭＢＥ装置内に配置して、基板温度５
５０℃で過剰なＡｓを蒸発除去し、最後に基板温度５０
０℃で金属原料たるＧａを供給して表面改質領域に吸着
させ（図４（ｂ））、これを膜厚換算で１ｎｍ乃至２ｎ
ｍ堆積してＧａの金属液滴２たるＧａ液滴を形成した
（図４（ｃ））。
【００６２】図５は、上記において図４（ａ）（ｂ）
（ｃ）を参照しながら説明した実験の結果を示す走査型
顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、Ｇａ液滴の間隔を１５０
ｎｍとし、電子ビームの照射量を０．４ｐＣ／ｄｏｔと
した場合を示している。
【００６３】この図５のＳＥＭ写真に示されているよう
に、電子ビームの露光位置に１個ずつＧａ液滴が形成さ
れている。
【００６４】なお、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照しな
がら説明した手法のように、Ａｓ膜を堆積したＣａＦ２
上へ電子ビームの照射を行うと、金属膜中の電子の前方
散乱のため、どんなに細く絞った電子ビームを用いても
ＣａＦ２表面へ届くまでにぼけてしまい、原理的には微
細な構造を得ることは困難である。
【００６５】そこで、Ａｓ膜を用いないで表面改質を行
うことを可能とし、微細な構造を得ることができるよう
にした手法として、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照しな
がら説明する手法がある。
【００６６】即ち、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示した真
空中でのＣａＦ２上への電子ビームの照射と自然形成法
によるＧａの金属液滴２の位置制御の処理の概念図を参
照しながら、本願出願人による金属液滴２の形成プロセ
スの実験の一例を説明する。
【００６７】まず、Ｓｉ（１１１）基板をＭＢＥ装置内
に配置して、Ｓｉ（１１１）基板上にＭＢＥ法でＣａＦ
２を２０ｎｍ成長させた。
【００６８】次に、上記のようにして処理したＳｉ（１
１１）基板をＭＢＥ装置から取り出して、取り出したＳ
ｉ（１１１）基板を電子ビーム露光システム内に配置し
て、電子ビーム露光システムを用いてスポット露光を周
期的なアレイパターンで行い、表面改質領域を形成した
（図６（ａ）参照）。ＣａＦ２表面は、電子ビーム露光
装置内の残留炭素により表面改質されるものと考えられ
る。
【００６９】それから、表面改質領域を形成したＳｉ
（１１１）基板を電子ビーム露光システムから取り出し
て、取り出したＳｉ（１１１）基板を再びＭＢＥ装置内
に配置して、基板温度５００℃で金属原料たるＧａを供
給して表面改質領域に吸着させ（図６（ｂ））、これを
膜厚換算で１ｎｍ乃至２ｎｍ堆積してＧａの金属液滴２
たるＧａ液滴を形成した（図６（ｃ））。
【００７０】図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、上記において
図６（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照しながら説明した実験の
結果を示す走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、Ｇａ液
滴の間隔をそれぞれ２０ｎｍ（図７（ａ））、１７ｎｍ
（図７（ｂ））、１４ｎｍ（図７（ｃ））とし、電子ビ
ームの照射量を５ｐＣ／ｄｏｔとした場合を示してい
る。
【００７１】この図７（ａ）（ｂ）（ｃ）のＳＥＭ写真
に示されているように、電子ビームの露光位置に１個ず
つＧａ液滴が形成されている。
【００７２】次に、図８を参照しながら、Ａｌの核形成
を用いるＡｌ／Ｇａの二段階堆積法について説明する。
【００７３】即ち、金属液滴１２の形成は、「核形
成」、「成長」および「合体」の３つの過程に分類でき
るものであり、金属液滴１２はその後、「成長」と「合
体」とを繰り返し、その寸法が大きくなる一方で密度は
低くなり、また、各金属液滴１２の間の間隔も広くな
る。
【００７４】ところで、量子コンピュータを実現するた
めには、上記したように２つの量子ドットを極めて近接
した位置に制御して配置することが望まれている。即
ち、トンネル効果によって２つの量子ドットの間で電子
を移動可能にするには、当該２つの量子ドットの間を極
めて狭く、例えば、１ｎｍ乃至３ｎｍとすることが好ま
しい。
【００７５】この図８を参照しながら説明する二段階堆
積法によれば、量子ドットの間を極めて狭く、例えば、
１ｎｍ乃至３ｎｍとすることが可能になる。
【００７６】即ち、図８を参照しながら説明する二段階
堆積法は、金属によって融点がそれぞれ異なることを利
用するものであり、まず、Ａｌを３５０℃で微量堆積さ
せておき、高密度（なお、密度は、堆積量に逆比例す
る。）の成長核を形成させる。
【００７７】その後に、基板温度を３０℃に下げること
でＡｌを固定し、それからＧａを供給する。このとき、
ＡｌはＧａの成長核として働く。
【００７８】制御不十分で金属液滴同士がくっついても
核は動きにくいので、金属液滴間の間隔を極めて狭く維
持できる。
【００７９】従って、この二段階堆積法は、微細なドッ
トアレイを形成する上で、重要な手法である。
【００８０】以上において説明したように、基板１の表
面に光、電子、イオンまたはラジカル、あるいはそれら
の組み合わせなどの外部場を加えることによって、例え
ば、基板１の表面を集束電子ビームで照射することによ
って、表面ポテンシャルの変調を用いて表面状態の局所
的な改質を行い、その改質をした場所に金属液滴を配置
することが可能となる。
【００８１】ここで、金属原料の温度を所定の温度、例
えば、「６００℃乃至１５００℃」に制御し、基板１の
温度を所定の温度、例えば、「−１０℃乃至１５００
℃」に制御し、金属原料の堆積量を所定の堆積量、例え
ば、「１×１０１７ｃｍ−２以下」に制御することによ
り、後述する基板１上における金属原料の原子の結晶成
長の原理に基づいて、金属液滴２の寸法および密度を制
御することができる。
【００８２】本願出願人の実験によれば、具体的には、
例えば、金属原料がＧａであり、基板１がＣａＦ２であ
る場合には、金属原料の温度を８００℃とし、基板１の
温度を３０℃とし、金属原料の堆積量を３×１０１５ｃ
ｍ−２とすることにより、金属液滴の寸法を７ｎｍに制
御するとともに密度を１×１０６ｃｍ−１に制御するこ
とができることが判明した。
【００８３】また、本願出願人の実験によれば、例え
ば、金属原料がＡｌであり、基板１がＣａＦ２である場
合には、金属原料の温度を１０６０℃とし、基板１の温
度を３５０℃とし、金属原料の堆積量を７．３×１０
１５ｃｍ−２とすることにより、金属液滴の寸法を７ｎ
ｍに制御するとともに密度を９×１０５ｃｍ−１に制御
することができることが判明した。
【００８４】ここで、結晶成長初期の核生成には、均一
核生成と不均一核生成とに大別することができる。以
下、均一核生成と不均一核生成とについて説明する。
【００８５】（２−２）まず、金属液滴２を形成する際
に均一核生成を用いる場合には、供給する金属原料の温
度はより低い方が、原子のマイグレーション（拡散）の
エネルギーが低いので原子同士が基板１上で合体する確
率が減り、原子が基板１に到達した場所で核生成するた
め、基板１上に高密度で金属液滴２を形成させることが
できる。
【００８６】また、原子がマイグレーションするための
エネルギーは基板１からもやりとりが可能であるので、
基板１の温度を下げた方が基板１上に高密度で金属液滴
２を形成させることができる。
【００８７】そして、金属液滴２の構造の寸法は、金属
原料の堆積量に依存している。即ち、基板１上のある一
点で核生成がおこり、その核が結晶成長して金属液滴２
が形成される場合には、金属液滴２の構造の寸法は金属
原料の堆積量で定まるものである。
【００８８】ただし、実際には、基板１上において核同
士が結晶成長中に合体したり、消滅したりするため、個
々の金属原料に対して金属液滴２の構造の寸法を厳密に
予想することはできない。
【００８９】しかしながら、全体の平均的な傾向として
は、金属原料の堆積量を増加すると、金属液滴２の密度
は下がるがその寸法は大きくなる方向にあるため、量子
効果が顕著に現れるような微細な構造を高密度で形成さ
せる場合には、金属原料の堆積量を少なくして（例え
ば、金属原料の堆積量を１×１０１５ｃｍ−２程度にす
る。）、金属原料および基板１の温度を現実的な範囲で
下げるのが望ましい。
【００９０】なお、金属原料および基板１の温度を下げ
る領域に関しては、金属原料の種類に応じて大きく異な
るが、例えば、ＣａＦ２基板上に金属原料としてＧａを
供給する場合には、ＣａＦ２基板の温度を「−１０℃程
度」とし、Ｇａの温度を「８００℃程度」とする。ま
た、ＣａＦ２基板上に金属原料としてＡｌを供給する場
合には、ＣａＦ２基板の温度を「３５０℃程度」とし、
Ａｌの温度を「１１００℃程度」とする。
【００９１】（２−３）次に、不均一核生成の場合につ
いて説明すると、この不均一核生成においては上記した
均一核生成とは異なる核生成が行われる。
【００９２】即ち、不均一核生成は、基板表面の欠陥や
不純物を成長核として結晶成長が起こるものである。
【００９３】従って、基板１の表面に欠陥や不純物を配
置してやれば、これら欠陥や不純物を中心として、後述
するような条件の下で核生成が実現可能となる。
【００９４】ここで、基本的には、均一核生成と不均一
核生成とでは、核生成の速度は不均一核生成の方が極め
て速いことが知られている。
【００９５】ところで、不均一核生成の場合には、基板
１上に配置させた核の間に、均一核生成で新たな成長核
が生成されないようにするために、原子のマイグレーシ
ョン・エネルギーをある程度高める必要がある。従っ
て、金属原料の温度および基板１の温度を高くする必要
がある。
【００９６】ただし、金属原料の温度および基板１の温
度を高くしすぎると、金属原料の再蒸発のため、核生成
がおこらなくなる。
【００９７】上記した不均一核生成の場合には、核密度
および形成場所は基板１上の欠陥や不純物の個数および
その場所で決定され、金属液滴２の構造の寸法は、金属
原料の堆積量が多くなればなるほど大きくなる。
【００９８】例えば、金属原料の基板１に対する付着係
数を「１」とすれば、単位面積あたりの金属原料の堆積
量を単位面積あたりの不純物核の個数で除算したもの
が、１個の金属液滴２がしめる原子数になる。
【００９９】本願出願人の実験によれば、例えば、基板
１としてＣａＦ２基板を用いるとともに、金属原料とし
てＧａを用いた場合には、基板温度が３０℃の場合に核
生成が行われるが、基板温度を２００℃に上昇するとＧ
ａの再蒸発が顕著になって核生成が行われなくなる。
【０１００】また、本願出願人の実験によれば、基板１
としてＣａＦ２基板を用いるとともに、金属原料として
Ａｌを用いた場合には、基板温度が３５０℃の場合に核
形成が行われるが、基板温度を５００℃に上昇するとＡ
ｌの再蒸発が顕著になって核生成が行われなくなる。
【０１０１】また、本願出願人の実験によれば、成長核
として電子ビームにより表面改質した領域を用い、基板
１としてＣａＦ２基板を用いるとともに、金属原料とし
てＧａを用いた場合には、基板温度が５００℃の場合に
核生成が行われるが、それ以上でもそれ以下でも核形成
を行うことが困難であることが明らかになった。
【０１０２】なお、上記した本願出願人の各実験におい
ては、Ｇａの温度は８００℃とし、Ａｌの温度は１０６
０℃とした。
【０１０３】上記したように、金属原料の供給前に、予
め異種原子を不純物として基板１に照射することによっ
て、金属液滴２の形成核位置および核密度を制御するこ
とができるものである。
【０１０４】（３）窒化（半導体化）：図２（ｃ）参照 上記した「（２）金属液滴の形成：図２（ｂ）参照」の
処理を終了すると、基板温度を金属液滴を形成させた温
度に維持したまま、窒素ソースとして窒素（Ｎ ２）、窒
素ラジカル（Ｎ＊）、アンモニア（ＮＨ３）あるいはア
ンモニアラジカル（ＮＨ３ ＊）などを照射し始め、基板
１上に形成された金属液滴２の窒化を行う。
【０１０５】このようにして金属液滴２が窒化されるこ
とにより、窒化物半導体の量子ドット４が得られる。
【０１０６】このときに、金属液滴２の結晶化を促進す
るためには、基板温度を金属液滴を形成させた温度から
３００℃乃至１０００℃程度まで徐々に上昇させたり、
光、電子、イオンまたはラジカル、あるいはそれらの組
み合わせなどの外部場を加えればよい。
【０１０７】温度の設定範囲は、基板と金属の組み合わ
せによって適宜定める必要がある。例えば、サファイヤ
基板上のＧａＮでは、基板温度を３００℃乃至６００℃
程度に上昇させる。
【０１０８】ここで、上記した「（２）金属液滴の形
成：図２（ｂ）参照」の処理により基板１上に形成させ
たＧａなどの金属液滴２は、超高真空中で温度を上げる
と表面拡散が顕著になって、それぞれの金属液滴２が合
体して大きくなってしまい、金属液滴２の基板１上にお
ける密度を下げたり、あるいは、せっかく形成させた金
属液滴２が膜になってしまったりする。
【０１０９】こうした現象を抑制するためには、上記し
た窒素（Ｎ２）、窒素ラジカル（Ｎ ＊）、アンモニア
（ＮＨ３）あるいはアンモニアラジカル（ＮＨ３ ＊）な
どによる窒化プロセスを可能な限り低温で行う必要があ
る。
【０１１０】ただし、上記した窒化プロセスを低温で行
うだけでは、金属原料と窒素との結晶化のための化学エ
ネルギーや窒素の金属原料中への拡散のエネルギーが不
十分であるため、結晶性が不十分となって、発光デバイ
ス材料や電子デバイス材料として実際に用いるには十分
ではないと考えられる。
【０１１１】従って、低温（温度は、金属原料と基板原
料との組み合わせにより大きく異なるが、例えば、金属
原料がＧａであり、基板原料がＣａＦ２である場合には
温度は３０℃であり、金属原料がＡｌであり、基板原料
がＣａＦ２である場合には温度は３５０℃である。）で
金属液滴２を形成された基板１に窒素を供給し始めて、
まず、金属液滴２の表面のみを窒化させておいて、その
後に窒化中に温度を上げて結晶化を促進したり、温度は
低いまま、または温度を上げながら光、電子、イオンま
たはラジカル、あるいはそれらの組み合わせなどの外部
場を加えて結晶化を促進したりすることが効果的である
と考えられる。
【０１１２】光、電子、イオンまたはラジカル、あるい
はそれらの組み合わせが持つエネルギーを金属液滴２に
照射しながら該金属液滴２を窒化させることで、基板１
の温度を上昇させることなく結晶化に必要なエネルギー
を与えることが可能となる。
【０１１３】また、光、電子、イオンまたはラジカル、
あるいはそれらの組み合わせなどの外部場を加えること
により期待される他の効果としては、光の場合には、光
学的に透明な基板１を用いれば金属のみに選択的にエネ
ルギーを加えることが可能であるため、低い基板温度の
場合は極めて表面拡散を抑制してサイズをほとんど変化
させずに結晶化が可能である。
【０１１４】また、電子の場合には、電子の非弾性散乱
断面積の小さな基板１を用いれば、上記した光の場合と
同様に、ほぼ金属のみに選択的にエネルギーを加えるこ
とが可能であるため、低い基板温度の場合は極めて表面
拡散を抑制してサイズをほとんど変化させずに結晶化が
可能である。
【０１１５】なお、窒化を行うための窒素ソースとして
は、窒素ガスやアンモニアガスではなく、金属と反応性
の高い窒素ラジカルやアンモニアラジカルを用いること
により、化学反応の速度を上げることが可能であるた
め、窒素ガスやアンモニアガスを用いる場合と比較する
と、短時間かつ低温で結晶化が可能である。
【０１１６】（４）熱処理（高品質化）：図２（ｄ）参
照 上記した「（３）窒化（半導体化）：図２（ｃ）参照」
における窒化プロセスにより得られた窒化物半導体の量
子ドット４の高品質化のため、窒素（Ｎ２）、窒素ラジ
カル（Ｎ＊）、アンモニア（ＮＨ３）あるいはアンモニ
アラジカル（ＮＨ３ ＊）の減圧あるいは大気雰囲気中に
おいて、所定の温度、例えば、５００℃乃至１５００℃
程度の高温で所定の時間、例えば、１０分間だけ熱処理
を行う。
【０１１７】温度設定範囲は、基板と金属の組み合わせ
によって、適宜定める必要があるが、サファイヤ基板上
のＧａＮでは、１０００℃程度の高温で熱処理を行う。
【０１１８】また、上記した熱処理を行う際に、光、電
子、イオンまたはラジカル、あるいはそれらの組み合わ
せなどの外部場を加えながら行うようにしてもよく、そ
の場合には、プロセス温度の低温化や窒化分半導体の量
子ドット４へ選択的にエネルギーを加えられるという効
果がある。
【０１１９】このように、窒化物半導体の量子ドット４
を５００℃乃至１５００℃程度の高温で熱処理すると、
窒化物半導体の量子ドット４の結晶の品質を向上するこ
とができる。
【０１２０】なお、上記「（３）窒化（半導体化）：図
２（ｃ）参照」において説明したように、超高真空中で
加熱した場合には表面拡散が顕著になり、窒化物半導体
の量子ドット４の微細構造が実現不可能になるため、大
気中や減圧（超高真空中ではない）または加圧しながら
熱処理を行う必要がある。
【０１２１】このように圧力を上げて熱処理する結果と
して、Ｇａなどの金属原子と窒素ガスやアンモニアガス
などの分子および原子との衝突が顕著になり、表面拡散
を抑制しながら温度を上げることができるようになるた
め、良質の量子ドット構造を得ることができるようにな
る。
【０１２２】なお、光、電子、イオンまたはラジカル、
あるいはそれらの組み合わせさらには窒素ラジカルやア
ンモニアラジカルを用いる理由に関しては、上記
「（３）窒化（半導体化）：図２（ｃ）参照」の窒化プ
ロセスにおいて説明したと同様の理由によるものである
ので、その詳細な説明は省略する。
【０１２３】この熱処理を経て、最終的に良質な窒化物
半導体の量子ドット１４を形成することができるもので
ある。
【０１２４】次に、本願出願人によって行われた実験、
即ち、液滴エピタキシーにより窒化物半導体の量子ドッ
ト４としてＧａＮ量子ドットを形成する実験ならびにそ
の実験結果について詳細に説明するものとする。
【０１２５】なお、本実験の概要を説明すると、基板１
としてＡｌ２Ｏ３基板（サファイア基板）を用いるとと
もに金属原料としてＧａを用い、サファイア基板上にＧ
ａの金属液滴２を形成した後に、アンモニア（ＮＨ３）
ガスを照射してＧａの金属液滴２を窒化して、窒化物半
導体の量子ドット４としてＧａＮ量子ドットを形成し、
さらにこのＧａＮ量子ドットを熱処理して、サファイア
基板上に良好なＧａＮ量子ドットを作製するものであ
る。
【０１２６】（１）ＧａＮ量子ドット構造の形成 即ち、本願出願人による実験においては、ガスソース分
子線エピタキシー（ＧＳＭＢＥ）法を用いて、サファイ
ア（０００１）基板上にＧａＮ量子ドットを形成させ
た。つまり、ＩＩＩ族原料として固体ガリウム（Ｇａ）
を用い、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ３）ガスを用
いた。
【０１２７】基板１としては、有機洗浄の後に１０％の
フッ化水素水中で２０分間の超音波洗浄を施し、窒素
（Ｎ２）ガスで乾燥させたものを用いた。
【０１２８】まず、基板１をＧＳＭＢＥ装置に搬送した
後に、基板１の表面を真空中において超高速電子回折
（ＲＨＥＥＤ）法を用いて平坦な表面を示すパターンが
観測されるまで、８００℃で加熱クリーニングした。
【０１２９】この後に、基板温度を３００℃に下げて、
金属Ｇａ分子線を１．５×１０１５ｃｍ−２だけ超高真
空中で基板１に供給して、基板１上にＧａの金属液滴２
を形成した。
【０１３０】それから、基板温度３００℃でアンモニア
（ＮＨ３）ガスを供給しはじめて、金属液滴２の表面の
みを窒化させておいて、徐々に基板の温度を上げて行
き、最終的には６００℃まであげ、基板１上に形成され
たＧａの金属液滴２の窒化を行うとともに結晶化を促進
し、窒化物半導体の量子ドット４としてＧａＮ量子ドッ
トを得た。
【０１３１】なお、基板１は、ＲＨＥＥＤ観察によりＧ
ａＮの結晶化を示すリングパターンが表れるまで加熱し
た。
【０１３２】（２）ＧａＮ量子ドットの熱処理 上記した「（１）ＧａＮ量子ドット構造の形成」の処理
の後に、基板１をＧＳＭＢＥ装置から取り出し、有機金
属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）装置内において、７６０Ｔｏ
ｒｒの窒素（Ｎ２）とアンモニア（ＮＨ３）との混合ガ
ス雰囲気中で１０００℃で１０分間熱処理を行い、結晶
の高品質化を図った。
【０１３３】こうして液滴エピタキシーにより、サファ
イア（０００１）基板上に良質なＧａＮ量子ドットが形
成された。
【０１３４】（３）実験結果 （３−１）金属液滴２が窒化物半導体の量子ドットにな
ったことの確認 ＲＨＥＥＤパターンは、ＧａＮと同様の格子定数のリン
グパターンを示した。また、原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）
で金属液滴とは異なり、むしろＧａＮの安定化構造の六
角柱構造に近い構造を示した。従って、Ｇａが窒化され
てＧａＮになったものと認められる。
【０１３５】さらに、ＧａＮ量子ドットからは、フォト
ルミネセンス（ＰＬ）が室温で赤く発光した（半導体は
発光するが、金属は発光しない）。
【０１３６】また、六角柱構造のＧａＮ量子ドットの最
も小さいものの寸法は、直径が５ｎｍであり、高さは２
ｎｍであった。
【０１３７】こうした実験結果をさらに詳細に説明する
と、図９（ａ）には、基板１の温度を最終的には６００
℃まで昇温した際に得られたＧａＮ量子ドットの表面の
ＡＦＭの写真が示されている。また、図９（ｂ）には、
図９（ａ）に示されたＧａＮ量子ドットの断面図が示さ
れている。
【０１３８】図９（ａ）（ｂ）に示されているように、
基板１の表面におけるＧａＮ量子ドットの直径は約５ｎ
ｍ乃至２０ｎｍの範囲にあり、ＧａＮ量子ドットの高さ
は約２ｎｍ乃至１０ｎｍである。
【０１３９】また、図９（ａ）に示す写真において同様
のグレイスケールで示されている各ＧａＮ量子ドットの
６角形の頂上の領域は、ＧａＮ量子ドットの形状が半球
状というよりも６角柱であることを示している。
【０１４０】そして、６００℃まで昇温した後にＲＨＥ
ＥＤの観察において見られたＧａＮの格子定数のリング
パターンは、ＡＦＭにおけるドットがＧａＮ量子ドット
であることを示している。
【０１４１】図１０は、室温における図９（ａ）に示す
ＧａＮ量子ドットのＰＬスペクトルを示している。この
スペクトルは、「浜松ホトニクスシステム６５５１」に
よって測定されたものであり、検出器は赤色領域を高感
度に感知するものである。ＰＬのピークエネルギーは
２．５ｅＶであり、このＧａＮ量子ドットは明るい赤色
発光を示している。
【０１４２】このことは、図９（ａ）に示すＧａＮ量子
ドットの結晶化が十分でないことに起因するものと考え
られる。即ち、６００℃までの昇温では、液滴エピタキ
シーにおけるＧａＮの結晶化には十分ではないものと考
えられる。
【０１４３】（３−２）１０００℃、１０分間の熱処理
で良好なＧａＮ量子ドットが形成できたことの確認 液体窒素温度（７７Ｋ）でＧａＮ薄膜よりも、高エネル
ギー側にＰＬのピークがシフトした。即ち、電子の量子
閉じこめ効果が確認できた。
【０１４４】即ち、図１１（ａ）には、図９（ａ）に示
すＧａＮ量子ドットを１０００℃で熱処理する前（ｂｅ
ｆｏｒｅ）と熱処理した後（ａｆｔｅｒ）とのＰＬスペ
クトルが示されている。これらのスペクトルは、７７Ｋ
において紫外感知光電子増倍管を使用して測定された。
【０１４５】この図１１（ａ）に示す両方のスペクトル
を比較すると、１０００℃で熱処理の前においては３ｅ
Ｖの光エネルギーの周辺で広くかつ低いピークがあり、
その一方で、１０００℃で熱処理の後においては３．５
８ｅＶにおいて強いピークが表れている。
【０１４６】これは、図１１（ａ）に示すＧａＮ量子ド
ットの結晶の品質が、１０００℃で熱処理によって改善
された結果である。
【０１４７】図１１（ｂ）は、３００ｎｍの厚さのＧａ
Ｎ膜と、図１１（ａ）に示すＧａＮ量子ドットを１００
０℃で熱処理した後のＧａＮ量子ドットとに関して、７
７ＫにおけるＰＬスペクトルの比較を示している。
【０１４８】この図１１（ｂ）に示されているように、
ＧａＮ膜は３．４５ｅＶにバンド間発光のピークがある
が、一方、ＧａＮ量子ドットは３．５８ｅＶにピークが
あり、ＧａＮ量子ドットでは液体窒素温度（７７Ｋ）で
ＧａＮ薄膜よりも高エネルギー側にＰＬのピークがシフ
トしている。
【０１４９】なお、ＧａＮ量子ドットにおける１３０ｍ
ｅＶのブルーシフトは、量子ドットの形成による量子化
されたシフトエネルギーであると考えられる。
【０１５０】なお、上記した実験は、金属原料としてＧ
ａを用いて窒化物半導体の量子ドット１４としてＧａＮ
量子ドットを得るようにしたものであるが、金属原料と
してＡｌを用いた場合には窒化物半導体の量子ドット４
としてＡｌＮ量子ドットが得られ、金属原料としてＩｎ
を用いた場合には窒化物半導体の量子ドット４としてＩ
ｎＮ量子ドットが得られる。また、金属原料としてＧ
ａ、Ａｌ、Ｉｎを適宜に混合して用いた場合には、これ
らの混晶が得られる。
【０１５１】また、上記したように、基板原料として
は、ＳｉＯ２やＧａＮなどのほかにも、原理的に多くの
材料が考えられる。
【０１５２】また、上記したように、窒化プロセスに関
しては、窒素ラジカルやアンモニアラジカルを用いた
り、圧力を変化させてもよく、また、高温での熱処理に
関しては、単に温度を上げるだけでなく、光、電子、イ
オン、ラジカル、あるいはそれらの組み合わせなどの外
部場を加えるようにしてもよい。
【０１５３】以上において詳細に説明したように、本発
明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導
体の量子ドットの形成方法を用いると、間隙を極めて近
接させて配置した複数の窒化物半導体の量子ドット、例
えば、ＧａＮの量子ドットを形成することができるもの
である。
【０１５４】従って、本発明の位置制御された液滴エピ
タキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法を
用いて窒化物半導体の量子ドットを形成するようにした
場合には、量子コンピュータにおける量子ビット素子構
造および量子相関ゲート素子構造を実現することができ
る。
【０１５５】以下、本発明の位置制御された液滴エピタ
キシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法によ
り形成された窒化物半導体の量子ドットを用いた量子コ
ンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関
ゲート素子構造について説明する。
【０１５６】なお、以下の説明においては、「量子ドッ
ト」とは、上記した本発明の位置制御された液滴エピタ
キシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法によ
り形成された窒化物半導体の量子ドット、例えば、Ｇａ
Ｎの量子ドットである。
【０１５７】図１２には、本発明による量子コンピュー
タにおける量子ビット素子構造の実施の形態の一例を示
す概念構成説明図が示されている。
【０１５８】即ち、本発明による量子コンピュータにお
ける量子ビット素子構造１０は、例えば、上記した本発
明の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導
体の量子ドットの形成方法により形成された２個の窒化
物半導体の量子ドット、例えば、２個のＧａＮの量子ド
ット１２、１４より構成されている。つまり、量子ビッ
トの物理的実態は２準位系であるが、本発明による量子
コンピュータにおける量子ビット素子構造１０において
は、２個の量子ドット１２、１４より２つの量子準位１
６、１８を形成するようになされている。
【０１５９】より詳しく説明すると、例えば、ＧａＮな
どの半導体材料により、直径が数十ナノメートル（ｎ
ｍ）程度あるいはそれ以下の球体形状や、一辺が数十ナ
ノメートル（ｎｍ）程度あるいはそれ以下の方体形状を
備えた微小な量子ドットを構成すると、こうした量子ド
ットには離散化した量子準位が形成されることになる。
【０１６０】従って、量子ビットの２準位系として、注
目する量子準位をその中に１つだけ有する微小な量子ド
ットを２つ用意し、これら２つの量子ドットを、量子ビ
ット素子構造１０を構成するための量子ドット１２、１
４として用いるものである。
【０１６１】なお、これら量子ドット１２の量子準位１
６と量子ドット１４の量子準位１８とは、互いに異なる
ように設定されるものであり、この実施の形態において
は、図１２上右側に位置する量子ドット１２の量子準位
１６の方が、図１２上左側に位置する量子ドット１４の
量子準位１８より低いように設定されている。
【０１６２】具体的には、量子ドット１２の量子準位１
６と量子ドット１４の量子準位１８との準位間のエネル
ギー差Ｅは、外部の電圧により自由に変えることができ
るものであり、この実施の形態においては、図１２上右
側に位置する量子ドット１２の量子準位１６の方が、図
１２上左側に位置する量子ドット１４の量子準位１８よ
りも低くなるように、外部の電圧により設定されている
ものである。
【０１６３】また、量子ドット１２と量子ドット１４と
は、その間隔Ｇが、例えば、１０オングストローム程度
に近接して配置されるものであり、電子がトンネル効果
により量子ドット１２と量子ドット１４との間を自由に
移動することができるようになされている。
【０１６４】以上の構成において、量子ビット素子構造
１０内には、例えば、クーロンブロッケード効果を利用
して、電子が１個存在するようになされており、その１
個の電子は、ある確率で量子ドット１２の量子準位１６
に存在（｜０＞の状態）したり、ある確率で量子ドット
１４の量子準位１８に存在（｜１＞の状態）したりする
ものである。
【０１６５】なお、クーロンブロッケード効果とは、電
子間のクーロン反発力を利用して、電子を１個だけ量子
ドットに蓄えるためのメカニズムである。
【０１６６】ここで、ラビ振動の原理を利用することに
より、量子ビット素子構造１０の量子ビットの操作を行
うことができるものである。
【０１６７】ここで、ラビ振動とは、２準位系において
準位間のエネルギー差に共鳴した電磁波を照射すると、
電子の２準位の上か下かに存在する確率が周期的に振動
する現象である。
【０１６８】従って、量子ビット素子構造１０におい
て、例えば、初期状態として、上の量子準位１８に電子
が存在する確率（Ｐ１）が０（Ｐ１＝０）であり、下の
量子準位１６に電子が存在する確率（Ｐ０）が１（Ｐ０
＝１）であるとすると、量子準位１８と量子準位１６と
のエネルギー差Ｅに共鳴した電磁波をラビ振動の半周期
だけ照射した後には、上の量子準位１８に電子が存在す
る確率（Ｐ１）が１（Ｐ１＝１）となり、下の量子準位
１６に電子が存在する確率（Ｐ０）が１（Ｐ０＝０）と
なるものである。
【０１６９】即ち、ラビ振動を利用することにより、量
子ビットの状態を反転することができることになる。そ
して、上記した電磁波の照射時間を適当に選択すること
により、量子ビットの状態を任意の制御することができ
るものである。
【０１７０】次に、図１３ならびに図１４を参照しなが
ら、本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲ
ート素子構造の実施の形態の一例について説明する。
【０１７１】即ち、図１３には、本発明による量子コン
ピュータにおける量子相関ゲート素子構造の実施の形態
の一例の概念構成説明図が示されている。
【０１７２】この量子相関ゲート１００は、上記した本
発明の実施の形態による量子ビット素子構造を２個用い
て構成されるものである。
【０１７３】具体的には、量子相関ゲート１００は、２
準位間のエネルギー差が異なる２個の量子ビット素子構
造として、２準位間のエネルギー差が大きい第１量子ビ
ット素子構造１０２と、２準位間のエネルギー差が小さ
い第２量子ビット素子構造１０４とを備えて構成されて
いる。ここで、２準位間のエネルギー差が大きい方の第
１量子ビット素子構造１０２の量子ビットをコントロー
ルビットとし、２準位間のエネルギー差が小さい方の第
２量子ビット素子構造１０４の量子ビットをターゲット
ビットとする。
【０１７４】なお、第１量子ビット素子構造１０２は、
上の量子準位１０６をもつ量子ドット１０８と、下の量
子準位１１０をもつ量子ドット１１２とより構成されて
いる。
【０１７５】また、第２量子ビット素子構造１０４は、
上の量子準位１１４をもつ量子ドット１１６と、下の量
子準位１１８をもつ量子ドット１２０とより構成されて
いる。
【０１７６】また、第１量子ビット素子構造１０２と第
２量子ビット素子構造１０４とは、例えば、図１３に示
すように、量子ドット１０８と量子ドット１１６とが対
向し、かつ、量子ドット１１２と量子ドット１２０とが
対向するように上下２段に配置されているものである。
なお、図１３においては、第１量子ビット素子構造１０
２が上段に配置され、第２量子ビット素子構造１０４が
下段に配置されている。
【０１７７】そして、量子ドット１０８と量子ドット１
１６とは、可変コンデンサ１２２を介して接続されてお
り、量子ドット１１２と量子ドット１２０とは、可変コ
ンデンサ１２４を介して接続されている。
【０１７８】さらに、こうした量子相関ゲート素子構造
１００においては、第１量子ビット素子構造１０２の量
子ドット１１２には、可変コンデンサ１２６を介して、
第１量子ビット素子構造１０２による第１ビットの状態
を検出するための単電子トランジスタが接続されてお
り、また、第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット
１２０には、可変コンデンサ１２８を介して、第２量子
ビット素子構造１０４による第２ビットの状態を検出す
るための単電子トランジスタが接続されている。
【０１７９】なお、図１３に示す実施の形態において
は、単電子トランジスタは、第１量子ビット素子構造１
０２の量子ドット１１２に可変コンデンサ１２６を介し
て接続されるとともに、第２量子ビット素子構造１０４
の量子ドット１２０に可変コンデンサ１２８を介して接
続されているが、これに限られることなしに、第１量子
ビット素子構造１０２の量子ドット１０８に可変コンデ
ンサ１２６を介して接続するようにしてもよいし、第２
量子ビット素子構造１０４の量子ドット１１６に可変コ
ンデンサ１２８を介して接続するようにしてもよい。
【０１８０】以上の構成において、可変コンデンサ１２
２の容量Ｃ１を０（Ｃ１＝０）に設定するとともに、可
変コンデンサ１２４の容量Ｃ２を０（Ｃ２＝０）に設定
すると、第１量子ビット素子構造１０２と第２量子ビッ
ト素子構造１０４とは互いに電気的に独立した状態とな
る。
【０１８１】従って、上記したラビ振動を利用すれば、
第１量子ビット素子構造１０２のコントロールビットの
状態と、第２量子ビット素子構造１０４のターゲットビ
ットの状態とを、図１（ｂ）の真理値表に示す量子相関
ゲートの作用前の状態に設定することができる。
【０１８２】図１４には、こうした量子相関ゲートの作
用前の状態における、第１量子ビット素子構造１０２の
電子のエネルギーと第２量子ビット素子構造１０４の電
子のエネルギーとの合計値を示すエネルギーレベル状態
図が示されている。なお、量子準位１１０と量子準位１
１８とにおける電子のエネルギーのレベルを、基準のレ
ベルＡとする。
【０１８３】従って、コントロールビットおよびターゲ
ットビットの状態が｜０＞であるならば、エネルギーレ
ベルは基準のレベルＡとなる。
【０１８４】また、コントロールビットの状態が｜０＞
であり、ターゲットビットの状態が｜１＞であるなら
ば、エネルギーレベルはレベルＢとなる。
【０１８５】さらに、コントロールビットの状態が｜１
＞であり、ターゲットビットの状態が｜０＞であるなら
ば、エネルギーレベルはレベルＣとなる。
【０１８６】さらにまた、コントロールビットの状態が
｜１＞であり、ターゲットビットの状態が｜１＞である
ならば、エネルギーレベルはレベルＤとなる。
【０１８７】ところが、可変コンデンサ１２２の容量Ｃ
１を「Ｃ１≠０」に設定するとともに、可変コンデンサ
１２４の容量Ｃ２を「Ｃ２≠０」に設定すると、第１量
子ビット素子構造１０２と第２量子ビット素子構造１０
４とは互いに容量的に結合した状態となる。
【０１８８】従って、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」
の場合には、図１３に示す状態における第１量子ビット
素子構造１０２の量子準位１０６、１１０および第２量
子ビット素子構造１０４の量子準位１１４、１１８に関
して、互いの電子が対角線上に存在するとき（コントロ
ールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビ
ットの状態が｜０＞である場合およびコントロールビッ
トの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状
態が｜１＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２
＝０」の場合と比べてエネルギーはほとんど変化しない
が、互いの電子が対角線上に存在しないとき（コントロ
ールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビ
ットの状態が｜１＞である場合およびコントロールビッ
トの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状
態が｜０＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２
＝０」の場合よりもエネルギーが上がることになる。そ
の差分を△Ｅとすると、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠
０」の場合には、レベルＡはレベルＡ’に上がり、レベ
ルＢはほとんどそのままレベルＢ’になり、レベルＣは
ほとんどそのままレベルＣ’になり、レベルＤはレベル
Ｄ’に上がることになる。
【０１８９】従って、量子相関ゲート素子構造１００に
対して、「Ｅ２＋△Ｅ」のエネルギーをもつ電磁波をラ
ビ振動の半周期間照射することによって、コントロール
ビットが｜１＞のときだけ、ターゲットビットを反転す
ることができ、図１（ｂ）に示す真理値表の動作を実現
することができる。
【０１９０】なお、コントロールビットとターゲットビ
ットとを単独で操作する必要がある場合には、上記した
ように「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」に設定して、コ
ントロールビットとターゲットビットとの間の相互作用
を小さくすればよい。
【０１９１】そして、量子相関ゲート素子構造１００に
よる演算後の量子ビットの状態を観測するには、可変コ
ンデンサ１２６の容量Ｃ３を「Ｃ３≠０」に設定すると
ともに、可変コンデンサ１２８の容量Ｃ４を「Ｃ４≠
０」に設定して、単電子トランジスタを用いることにな
る。なお、演算中は単電子トランジスタを用いず、「Ｃ
３＝０」ならびに「Ｃ４＝０」に設定されているものと
する。
【０１９２】上記したように、第１量子ビット素子構造
１０２ならびに第２量子ビット素子構造１０４には、そ
れぞれ１個の電子しか存在しないので、１個の電子の電
荷を測定することが必要であり、これは既存のエレクト
ロメータでは不可能であるので、この実施の形態におい
ては、単電子トランジスタを用いるようにしている。
【０１９３】なお、本発明における量子相関ゲート素子
を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの準
位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係
は、上記した実施の形態に限定されるものではないこと
は勿論である。
【０１９４】即ち、図１３に示すような配置関係に代え
て、図１５に示すように、第１量子ビット素子構造１０
２と第２量子ビット素子構造１０４とを、量子ドット１
０８と量子ドット１２０とが対向し、かつ、量子ドット
１１２と量子ドット１１６とが対向するように上下２段
に配置するようにしてもよい。なお、図１５において
は、第１量子ビット素子構造１０２が上段に配置され、
第２量子ビット素子構造１０４が下段に配置されてい
る。
【０１９５】そして、量子ドット１０８と量子ドット１
２０とを、可変コンデンサ１２４を介して接続し、量子
ドット１１２と量子ドット１１６とを、可変コンデンサ
１２２を介して接続する。
【０１９６】なお、図１５示す量子相関ゲート素子構造
１００においては、第１量子ビット素子構造１０２の量
子ドット１０８に、可変コンデンサ１２６を介して、第
１量子ビット素子構造１０２による第１ビットの状態を
検出するための単電子トランジスタが接続され、また、
第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット１２０に、
可変コンデンサ１２８を介して、第２量子ビット素子構
造１０４による第２ビットの状態を検出するための単電
子トランジスタが接続されている。
【０１９７】従って、この図１５に示す実施の形態おい
ては、エネルギーレベル状態図は図１６に示すようにな
る。
【０１９８】即ち、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」の
場合には、図１５に示す状態における第１量子ビット素
子構造１０２の量子準位１０６、１１０および第２量子
ビット素子構造１０４の量子準位１１４、１１８に関し
て、互いの電子が対角線上に存在しないとき（コントロ
ールビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビ
ットの状態が｜０＞である場合およびコントロールビッ
トの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状
態が｜１＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２
＝０」の場合と比べてエネルギーはほとんど変化しない
が、互いの電子が対角線上に存在するとき（コントロー
ルビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビッ
トの状態が｜１＞である場合およびコントロールビット
の状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状態
が｜０＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝
０」の場合よりもエネルギーが上がることになる。その
差分を△Ｅとすると、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」
の場合には、レベルＡはほとんどそのままレベルＡ’に
なり、レベルＢはレベルＢ’に上がり、レベルＣはレベ
ルＣ’に上がり、レベルＤはほとんどそのままレベル
Ｄ’になる。
【０１９９】従って、量子相関ゲート素子構造１００に
対して、「Ｅ２−△Ｅ」のエネルギーをもつ電磁波をラ
ビ振動の半周期間照射することによって、コントロール
ビットが｜１＞のときだけ、ターゲットビットを反転す
ることができ、図１（ｂ）に示す真理値表の動作を実現
することができる。
【０２００】つまり、本発明における量子相関ゲート素
子を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの
準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係
は、どのようでもかまわないが、ラビ振動の半周期間照
射する電磁波のエネルギーは、本発明における量子相関
ゲート素子を構成する各量子ビット素子における各量子
ドットの準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの
配置関係に応じて変化させる必要がある。
【０２０１】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、ＧａＮ、ＩｎＮあるいはＡｌＮやＩｎＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮなどの窒化物半導体の量子ドットを位置
制御して形成することができるようになり、それにより
２つの窒化物半導体の量子ドットを極めて近接した位置
に制御して配置することが可能になり、例えば、量子ビ
ットならびに量子相関ゲートを実現することのできると
いう優れた効果を奏する。
【０２０２】また、本発明は、以上説明したように構成
されているので、チューリング型の量子コンピュータに
おける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構
造を固体デバイスで提供することができるようになると
いう優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は量子相関ゲートを概念的に示す説明図
であり、（ｂ）は量子相関ゲートの概念的な真理値表で
ある。
【図２】位置制御された液滴エピタキシーにより窒化物
半導体の量子ドットを形成するためのプロセスを示す説
明図であり、（ａ）は「基板」を示し、（ｂ）は「金属
液滴の形成」を示し、（ｃ）は「窒化（半導体化）」を
示し、（ｄ）は「熱処理（高品質化）」を示す。
【図３】電子ビーム照射による基板表面の改質の原理の
説明図である。
【図４】Ａｓ膜を堆積したＣａＦ２上への電子ビームの
照射と自然形成法によるＧａの金属液滴の位置制御の処
理の概念図である。
【図５】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す実験の結果の走
査型顕微鏡写真であり、Ｇａ液滴の間隔を１５０ｎｍと
し、電子ビームの照射量を０．４ｐＣ／ｄｏｔとして、
二次元的にスポット露光した結果を示している。
【図６】真空中でのＣａＦ２上への電子ビームの照射と
自然形成法によるＧａの金属液滴２の位置制御の処理の
概念図である。
【図７】図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す実験の結果の走
査型顕微鏡写真であり、（ａ）はＧａ液滴の間隔を２０
ｎｍとし、電子ビームの照射量を５ｐＣ／ｄｏｔとして
一次元的にスポット露光した結果を示し、（ｂ）はＧａ
液滴の間隔を１７ｎｍとし、電子ビームの照射量を５ｐ
Ｃ／ｄｏｔとして一次元的にスポット露光した結果を示
し、（ｃ）はＧａ液滴の間隔を１４ｎｍとし、電子ビー
ムの照射量を５ｐＣ／ｄｏｔとし一次元的にスポット露
光した結果を示している。
【図８】Ａｌの核形成を用いるＡｌ／Ｇａの二段階堆積
法の説明図である。
【図９】本願出願人の実験によって得られたＧａＮ量子
ドットを示し、（ａ）は基板の温度を最終的には６００
℃まで昇温した際に得られたＧａＮ量子ドットの表面の
ＡＦＭの写真であり、（ｂ）は（ａ）に示されたＧａＮ
量子ドットの断面図である。
【図１０】室温における図９（ａ）に示すＧａＮ量子ド
ットのＰＬスペクトルを示すグラフである。
【図１１】（ａ）は図９（ａ）に示すＧａＮ量子ドット
を１０００℃で熱処理する前（ｂｅｆｏｒｅ）と熱処理
した後（ａｆｔｅｒ）とのＰＬスペクトルを示すグラフ
であり、（ｂ）は３００ｎｍの厚さのＧａＮ膜と図９
（ａ）に示すＧａＮ量子ドットを１０００℃で熱処理し
た後のＧａＮ量子ドットとの７７ＫにおけるＰＬスペク
トルを示すグラフである。
【図１２】本発明による量子コンピュータにおける量子
ビット素子構造の実施の形態の一例を示す概念構成説明
図である。
【図１３】本発明による量子コンピュータにおける量子
相関ゲート素子構造の実施の形態の一例の概念構成説明
図である。
【図１４】図１３に示す量子相関ゲート素子構造に関し
て、量子相関ゲートの作用前の状態における、第１量子
ビット素子構造の電子のエネルギーと第２量子ビット素
子構造の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギー
レベル状態図である。
【図１５】本発明による量子コンピュータにおける量子
相関ゲート素子構造の他の実施の形態の一例の概念構成
説明図である。
【図１６】図１５に示す量子相関ゲート素子構造に関し
て、量子相関ゲートの作用前の状態における、第１量子
ビット素子構造の電子のエネルギーと第２量子ビット素
子構造の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギー
レベル状態図である。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 金属液滴 ４ 窒化物半導体の量子ドット １０ 量子ビット素子構造 １２、１４、１０８、１１２、１１６、１２０ 量子
ドット １６、１８、１０６、１１０、１１４、１１８ 量子
準位 １００ 量子相関ゲート素子構造 １０２ 第１量子ビット素子構造 １０４ 第２量子ビット素子構造 １２２、１２４、１２６、１２８ 可変コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 筒井 一生 神奈川県横浜市緑区長津田町4259番地 東 京工業大学内 Ｆターム(参考） 5F053 AA50 DD20 FF10 GG01 HH04 HH05 LL10 PP14 RR20 5F103 AA04 AA05 DD28 HH03 HH04 LL17 PP04 PP20

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 位置制御された液滴エピタキシーによる
    窒化物半導体の量子ドットの形成方法であって、 金属原料の表面エネルギーよりも低い表面エネルギーを
    持つ該基板の表面に、外部場を加えることによって該基
    板の該表面状態を変調して該表面を改質する第一の処理
    と、 前記第一の処理により前記表面を改質された前記基板に
    前記金属原料を供給し、前記表面の改質された場所に結
    晶成長により金属液滴を形成する第二の処理と、 前記第二の処理により前記金属液滴を形成された前記基
    板上に窒素ソースを供給し、前記金属液滴を窒化して窒
    化物半導体の量子ドットを形成する第三の処理とを有す
    る位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体
    の量子ドットの形成方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の位置制御された液滴エ
    ピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法
    において、さらに、 前記第三の処理により形成された窒化物半導体の量子ド
    ットを、所定の温度で所定の時間だけ熱処理する第四の
    処理とを有する位置制御された液滴エピタキシーによる
    窒化物半導体の量子ドットの形成方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２のいずれか１項
    に記載の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物
    半導体の量子ドットの形成方法において、 前記第三の処理は、低温で前記金属液滴を形成された前
    記基板に窒素ソースを供給し始めて前記金属液滴の表面
    のみを窒化させ、その後に窒化中に温度を上げて結晶化
    を促進するものである位置制御された液滴エピタキシー
    による窒化物半導体の量子ドットの形成方法。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の位置制御された位置制
    御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ド
    ットの形成方法において、 前記第三の処理は、低温で前記金属液滴を形成された前
    記基板に窒素ソースを供給し始めて前記金属液滴の表面
    のみを窒化させ、その後に窒化中に温度を上げて結晶化
    を促進する際に、外部場を加えて結晶化を促進するもの
    である位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半
    導体の量子ドットの形成方法。
  5. 【請求項５】 請求項１または請求項２のいずれか１項
    に記載の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物
    半導体の量子ドットの形成方法において、 前記第三の処理は、低温で前記金属液滴を形成された前
    記基板に窒素ソースを供給し始めて前記金属液滴の表面
    のみを窒化させ、その後に窒化中に低温のままで外部場
    を加えて結晶化を促進するものである位置制御された液
    滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成
    方法。
  6. 【請求項６】 請求項２、請求項３、請求項４または請
    求項５のいずれか１項に記載の位置制御された液滴エピ
    タキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法に
    おいて、 前記第四の処理は、熱処理する外部場を加えるものであ
    る位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体
    の量子ドットの形成方法。
  7. 【請求項７】 請求項１、請求項２、請求項３、請求項
    ４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の位
    置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量
    子ドットの形成方法において、 前記外部場は、光、電子、イオンまたはラジカル、ある
    いはそれらの組み合わせであるものである位置制御され
    た液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの
    形成方法。
  8. 【請求項８】 請求項１、請求項２、請求項４、請求項
    ５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の位
    置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量
    子ドットの形成方法において、 前記金属原料は、ＩＩＩ族の金属であるものである位置
    制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子
    ドットの形成方法。
  9. 【請求項９】 請求項１、請求項２、請求項４、請求項
    ５、請求項６、請求項７または請求項８のいずれか１項
    に記載の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物
    半導体の量子ドットの形成方法において、 前記基板は、サファイア基板、炭化シリコン基板、石英
    基板、窒化ガリウム基板またはフッ化カルシウム基板で
    あるものである位置制御された液滴エピタキシーによる
    窒化物半導体の量子ドットの形成方法。
  10. 【請求項１０】 請求項１、請求項２、請求項４、請求
    項５、請求項６、請求項７、請求項８または請求項９の
    いずれか１項に記載の位置制御された液滴エピタキシー
    による窒化物半導体の量子ドットの形成方法において、 前記窒素ソースは、窒素、窒素ラジカル、アンモニアま
    たはアンモニアラジカルであるものである位置制御され
    た液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの
    形成方法。
  11. 【請求項１１】 第１の量子準位をもつ第１の量子ドッ
    トと、 前記第１の量子準位とは異なる第２の量子準位をもつ第
    ２の量子ドットとを有し、 トンネル効果により前記第１の量子ドットと前記第２の
    量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、前
    記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとを近接し
    て配置し、 さらに、電子が１個だけ存在するようにしたものである
    量子コンピュータにおける量子ビット素子構造におい
    て、 前記第１の量子ドットおよび前記第２の量子ドットは、
    請求項１、請求項２、請求項４、請求項５、請求項６、
    請求項７、請求項８、請求項９または請求項１０のいず
    れか１項に記載の位置制御された液滴エピタキシーによ
    る窒化物半導体の量子ドットの形成方法において形成さ
    れたものである量子コンピュータにおける量子ビット素
    子構造。
  12. 【請求項１２】 第１の量子準位をもつ第１の量子ドッ
    トと、前記第１の量子準位より下の第２の量子準位をも
    つ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により前記
    第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとの間を電子
    が自由に移動可能なように、前記第１の量子ドットと前
    記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子
    が１個だけ存在するようにした第１の量子ビット素子構
    造と、 第３の量子準位をもつ第３の量子ドットと、前記第３の
    量子準位より下の第４の量子準位をもつ第４の量子ドッ
    トとを有し、トンネル効果により前記第３の量子ドット
    と前記第４の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能
    なように、前記第３の量子ドットと前記第４の量子ドッ
    トとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在す
    るようにした第２の量子ビット素子構造とを有し、 前記第１のビット素子構造と前記第２のビット素子構造
    とを、前記第１の量子ドットと前記第３の量子ドットと
    が対向するとともに、前記第２の量子ドットと前記第４
    の量子ドットとが対向するように配置し、 前記第１の量子ドットと前記第３の量子ドットとが電気
    的に接続され、 前記第２の量子ドットと前記第４の量子ドットとが電気
    的に接続され、 さらに、前記第１の量子準位と前記第２の量子準位との
    準位差と、前記第３の量子準位と前記第４の量子準位と
    の準位差とが異なるように設定されたものである量子コ
    ンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、 前記第１の量子ドット、前記第２の量子ドット、前記第
    ３の量子ドットおよび前記第４の量子ドットは、請求項
    １、請求項２、請求項４、請求項５、請求項６、請求項
    ７、請求項８、請求項９または請求項１０のいずれか１
    項に記載の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化
    物半導体の量子ドットの形成方法において形成されたも
    のである量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子
    構造。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の量子コンピュータ
    における量子相関ゲート素子構造において、 前記第１の量子ドットと前記第３の量子ドットとは、第
    １の可変コンデンサを介して容量的に接続され、 前記第２の量子ドットと前記第４の量子ドットとは、第
    ２の可変コンデンサを介して容量的に接続されたもので
    ある量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構
    造。
  14. 【請求項１４】 第１の量子準位をもつ第１の量子ドッ
    トと、前記第１の量子準位より下の第２の量子準位をも
    つ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により前記
    第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとの間を電子
    が自由に移動可能なように、前記第１の量子ドットと前
    記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子
    が１個だけ存在するようにした第１の量子ビット素子構
    造と、 第３の量子準位をもつ第３の量子ドットと、前記第３の
    量子準位より下の第４の量子準位をもつ第４の量子ドッ
    トとを有し、トンネル効果により前記第３の量子ドット
    と前記第４の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能
    なように、前記第３の量子ドットと前記第４の量子ドッ
    トとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在す
    るようにした第２の量子ビット素子構造とを有し、 前記第１のビット素子構造と前記第２のビット素子構造
    とを、前記第１の量子ドットと前記第４の量子ドットと
    が対向するとともに、前記第２の量子ドットと前記第３
    の量子ドットとが対向するように配置し、 前記第１の量子ドットと前記第４の量子ドットとが電気
    的に接続され、 前記第２の量子ドットと前記第３の量子ドットとが電気
    的に接続され、 さらに、前記第１の量子準位と前記第２の量子準位との
    準位差と、前記第３の量子準位と前記第４の量子準位と
    の準位差とが異なるように設定されたものである量子コ
    ンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、 前記第１の量子ドット、前記第２の量子ドット、前記第
    ３の量子ドットおよび前記第４の量子ドットは、請求項
    １、請求項２、請求項４、請求項５、請求項６、請求項
    ７、請求項８、請求項９または請求項１０のいずれか１
    項に記載の位置制御された液滴エピタキシーによる窒化
    物半導体の量子ドットの形成方法において形成されたも
    のである量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子
    構造。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の量子コンピュータ
    における量子相関ゲート素子構造において、 前記第１の量子ドットと前記第４の量子ドットとは、第
    １の可変コンデンサを介して容量的に接続され、 前記第２の量子ドットと前記第３の量子ドットとは、第
    ２の可変コンデンサを介して容量的に接続されたもので
    ある量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構
    造。
  16. 【請求項１６】 請求項１２、請求項１３、請求項１４
    または請求項１５のいずれか１項に記載の量子コンピュ
    ータにおける量子相関ゲート素子構造において、 前記第１の量子ビット素子構造は、第３の可変コンデン
    サを介して第１の単電子トランジスタに接続され、 前記第４の量子ビット素子構造は、第４の可変コンデン
    サを介して第２の単電子トランジスタに接続されたもの
    である量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構
    造。
JP12437899A 1999-04-30 1999-04-30 位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造 Expired - Fee Related JP3415068B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP12437899A JP3415068B2 (ja) 1999-04-30 1999-04-30 位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP12437899A JP3415068B2 (ja) 1999-04-30 1999-04-30 位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2000315654A true JP2000315654A (ja) 2000-11-14
JP3415068B2 JP3415068B2 (ja) 2003-06-09

Family

ID=14883933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP12437899A Expired - Fee Related JP3415068B2 (ja) 1999-04-30 1999-04-30 位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3415068B2 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003098697A1 (fr) 2002-05-22 2003-11-27 Fujitsu Limited Procede de formation d'un point quantique, dispositif a semi-conducteurs quantiques et procede de fabrication
WO2005014897A1 (en) * 2003-08-08 2005-02-17 Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.) Method to manufacture indium nitride quantum dots
JP2012030340A (ja) * 2010-08-03 2012-02-16 Tokyo Institute Of Technology ナノドット形成方法
JP2017195364A (ja) * 2016-04-19 2017-10-26 株式会社東芝 光デバイスおよびその製作のための方法
WO2020233358A1 (zh) * 2019-05-20 2020-11-26 京东方科技集团股份有限公司 量子点复合物及其制备方法、发光器件及其制备方法
CN113921652A (zh) * 2021-08-23 2022-01-11 有研工程技术研究院有限公司 一种iii-v族半导体超晶格量子点的制备方法

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003098697A1 (fr) 2002-05-22 2003-11-27 Fujitsu Limited Procede de formation d'un point quantique, dispositif a semi-conducteurs quantiques et procede de fabrication
US7307030B2 (en) 2002-05-22 2007-12-11 Fujitsu Limited Method for forming quantum dot, and quantum semiconductor device and method for fabricating the same
EP2096670A2 (en) 2002-05-22 2009-09-02 Fujitsu Ltd. Quantum semiconductor device and method for fabricating the same
US7755080B2 (en) 2002-05-22 2010-07-13 Fujitsu Limited Method for forming quantum dot, and quantum semiconductor device and method for fabricating the same
WO2005014897A1 (en) * 2003-08-08 2005-02-17 Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.) Method to manufacture indium nitride quantum dots
US6966948B2 (en) 2003-08-08 2005-11-22 Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.) Method to manufacture Indium Nitride quantum dots
JP2012030340A (ja) * 2010-08-03 2012-02-16 Tokyo Institute Of Technology ナノドット形成方法
JP2017195364A (ja) * 2016-04-19 2017-10-26 株式会社東芝 光デバイスおよびその製作のための方法
WO2020233358A1 (zh) * 2019-05-20 2020-11-26 京东方科技集团股份有限公司 量子点复合物及其制备方法、发光器件及其制备方法
CN113921652A (zh) * 2021-08-23 2022-01-11 有研工程技术研究院有限公司 一种iii-v族半导体超晶格量子点的制备方法
CN113921652B (zh) * 2021-08-23 2023-08-15 有研工程技术研究院有限公司 一种iii-v族半导体超晶格量子点的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP3415068B2 (ja) 2003-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Strain-engineered self-assembled semiconductor quantum dot lattices
Kishino et al. Selective-area growth of GaN nanocolumns on titanium-mask-patterned silicon (111) substrates by RF-plasma-assisted molecular-beam epitaxy
US6583436B2 (en) Strain-engineered, self-assembled, semiconductor quantum dot lattices
KR101060304B1 (ko) 제어된 크기의 균일한 반도체 나노구조를 유전체 상에ｃｖｄ로 형성하는 방법
Petroff et al. Three-dimensional carrier confinement in strain-induced self-assembled quantum dots
US7560394B2 (en) Nanodots formed on silicon oxide and method of manufacturing the same
JP3536056B2 (ja) 液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法
JP3987898B2 (ja) 量子ドット形成方法及び量子ドット構造体
US6033972A (en) Growing method of GaAs quantum dots using chemical beam epitaxy
Wang et al. Thickness influence of thermal oxide layers on the formation of self-catalyzed InAs nanowires on Si (111) by MOCVD
JP3415068B2 (ja) 位置制御された液滴エピタキシーによる窒化物半導体の量子ドットの形成方法、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造
Lee et al. Selective growth of single InAs quantum dots using strain engineering
Borgstrom et al. Electron beam prepatterning for site control of self-assembled quantum dots
CN109524511B (zh) 一种纳米线耦合量子点结构及其制备方法
Kim et al. Formation and optical properties of CdTe self-assembled quantum rings with electronic states embedded in ZnTe barriers
JP4169145B2 (ja) 半球状シリコン微結晶の形成方法
Kim et al. Coalescence and electron activation energy in CdTe/ZnTe nanostructures
Konfederatova et al. Role of the phase transition at GaN QDs formation on (0001) AlN surface by ammonia molecular beam epitaxy
CN107919269B (zh) 一种预后制备量子点的量子点耦合微结构及其制备方法
Cao et al. Observation of a quantum-confinement effect with GaN nanoparticles synthesized through a new gas reaction route
Velichko et al. Luminescence of Nanocrystalline Si in (Si+ CaF2)/CaF2 Structures in the Visible Range of the Spectrum.
Scholz et al. Self‐Organized Growth of Quantum Dots and Quantum Wires by Combination of Focused Ion Beams and Molecular Beam Epitaxy
JP4041887B2 (ja) アンチモン系量子ドットの形成方法
US6211530B1 (en) Sparse-carrier devices and method of fabrication
JP2733725B2 (ja) 半導体結晶成長方法

Legal Events

Date Code Title Description
R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees