【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、量子素子に関し、特に、量子構造間での電子の量子力学的トンネリングを利用する量子素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、量子波エレクトロニクスにおいては、電子のド・ブロイ波長と同程度の断面寸法を有する極微細線や極微箱構造のような量子構造が注目されている。 これらの極微細線および極微箱構造はそれぞれ量子細線および量子箱と呼ばれ、その構造内に閉じ込められた１次元または０次元の電子が示す量子効果に大きな関心がもたれている。

【０００３】上述のような量子構造を複数近接させて配列すると、これらの量子構造は、それらの間で電子の量子力学的トンネリングが起きることにより相互に結合することが可能である。 そこで、これらの量子構造間で電子を量子力学的トンネリングにより伝導させて電子分布を変化させることにより、情報処理を行うことが考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように複数の量子構造間で電子を量子力学的トンネリングにより伝導させることにより情報処理を行う場合、これらの量子構造間のトンネル結合の強度を変調することができれば、多様な情報処理を行うことが可能である。

【０００５】このトンネル結合の強度は量子構造間での電子のトンネル透過率（またはトンネル確率）によって決まるが、このトンネル透過率を決める要素としては、
量子構造間の相対距離、量子構造間の障壁高さ、量子構造内の電子の有効質量などがある。 しかしながら、量子構造を形成する材料を決めれば有効質量を変えることは不可能であり、量子構造をヘテロ接合で形成すれば相対距離を変えることも難しい。 残る方法は量子構造間の障壁高さを変えることであるが、これを実際に行うことは従来は困難であった。

【０００６】従って、この発明の目的は、制御電極に電圧を印加して量子構造間の障壁高さを実効的に変えることにより量子構造間のトンネル結合の強度を変調することができる量子素子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、この発明の第１の発明は、複数の柱状の量子井戸部（１）と、量子井戸部（１）の一端に間隔をおいて設けられた制御電極（Ｇ）とを有する量子素子である。

【０００８】この発明の第２の発明は、この発明の第１
の発明による量子素子において、量子井戸部（１）の一端に電子供給層（３）または絶縁層を介して制御電極（Ｇ）が設けられている量子素子である。

【０００９】

【作用】第１の発明による量子素子によれば、量子井戸部（１）の一端に間隔をおいて設けられた制御電極（Ｇ）に電圧を印加することにより、この制御電極（Ｇ）側の部分の量子井戸部（１）におけるこの量子井戸部（１）の軸方向の電子の閉じ込めの強さを変調し、
それによって量子井戸部（１）の配列面内における量子井戸部（１）間、すなわち量子構造間の障壁高さを実効的に変えることにより、量子構造間のトンネル結合の強度を変調することができる。

【００１０】第２の発明による量子素子によれば、第１
の発明による量子素子と同様に、量子井戸部（１）の一端に電子供給層（３）または絶縁層を介して設けられた制御電極（Ｇ）に電圧を印加することにより、量子構造間のトンネル結合の強度を変調することができる。 ここで、電子供給層（３）を介して制御電極（Ｇ）が設けられている場合には、この電子供給層（３）から量子井戸部（１）に電子が供給され、この電子が制御電極（Ｇ）
側の部分の量子井戸部（１）内に３次元的に閉じ込められる。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

【００１２】図１はこの発明の第１実施例による量子素子を示す。

【００１３】図１に示すように、この第１実施例による量子素子においては、ｚ軸方向に延びる複数の細線状のｉ型（真性）ＧａＡｓ層１がｘ−ｙ平面内に互いに近接してかつ互いに平行に配列され、これらのｉ型ＧａＡｓ
層１の間の部分がｉ型ＡｌＧａＡｓ層２により埋められている。 そして、これによって、これらのｉ型ＡｌＧａ
Ａｓ層２およびｉ型ＧａＡｓ層１をそれぞれ障壁層および量子井戸層とする量子細線ＱＷのアレイが形成されている。

【００１４】これらの量子細線ＱＷのそれぞれの一端面上には電子供給層としてのｎ型ＡｌＧａＡｓ層３が形成され、このｎ型ＡｌＧａＡｓ層３上に例えばこのｎ型Ａ
ｌＧａＡｓ層３とショットキー接合を形成する金属から成るゲート電極Ｇが形成されている。

【００１５】次に、上述のように構成されたこの第１実施例による量子素子の製造方法について説明する。

【００１６】まず、図２に示すように、図示省略した例えば半絶縁性ＧａＡｓ基板のような基板上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によりｉ型ＧａＡｓ層１をエピタキシャル成長させた後、このｉ型ＧａＡｓ層１のうちの量子井戸部となる部分の上にこの量子井戸部の断面形状と同一の形状のマスク４を形成する。 このマスク４は、例えば、
図示省略した電子ビーム照射装置の真空室内に所定の原料ガスを導入し、この原料ガス雰囲気中でｉ型ＧａＡｓ
層１の表面に十分に細く絞った電子ビームを選択的に照射し、この照射部に原料ガスの分解生成物を堆積させることにより形成することができる。

【００１７】次に、上述のようにして形成されたマスク４を用いてｉ型ＧａＡｓ層１を例えばＣｌ系のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法のようなドライエッチング法により基板表面と垂直方向に異方性エッチングし、図３に示すように、ｉ型ＧａＡｓ
層１を細線状にパターニングする。

【００１８】次に、マスク４をエッチング除去した後、
図４に示すように、上述と同様な方法によりｉ型ＡｌＧ
ａＡｓ層２をエピタキシャル成長させて細線状のｉ型Ｇ
ａＡｓ層１の間を埋める。 このｉ型ＡｌＧａＡｓ層２の表面は、細線状のｉ型ＧａＡｓ層１の上端面とほぼ同一の高さになるようにする。

【００１９】次に、図１に示すように、上述と同様な方法により全面にｎ型ＡｌＧａＡｓ層３をエピタキシャル成長させた後、このｎ型ＡｌＧａＡｓ層３上にこのｎ型ＡｌＧａＡｓ層３とショットキー接合を形成する金属膜を例えば真空蒸着法により形成し、この金属膜を必要に応じてパターニングしてゲート電極Ｇを形成し、目的とする量子素子を完成させる。

【００２０】図５はｚ軸方向におけるｉ型ＧａＡｓ層１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３およびゲート電極Ｇのエネルギーバンド図を示し、図６はｘ−ｙ平面内におけるｉ型ＧａＡｓ層１およびｉ型ＡｌＧａＡｓ層２のエネルギーバンド図を示す。 この第１実施例による量子素子においては、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層３と量子井戸層としてのｉ型ＧａＡｓ層１とによる変調ドープ構造により、ｎ型Ａｌ
ＧａＡｓ層３中の電子がｉ型ＧａＡｓ層１に供給される。 この場合、このｎ型ＡｌＧａＡｓ層３からｉ型Ｇａ
Ａｓ層１に供給された電子は、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層２とｉ型ＧａＡｓ層１とから成るヘテロ接合によりｘ軸方向およびｙ軸方向に閉じ込められるほか、ｎ型ＡｌＧａＡ
ｓ層３とｉ型ＧａＡｓ層１とから成るヘテロ接合によりｚ軸方向にも閉じ込められる。 すなわち、ｎ型ＡｌＧａ
Ａｓ層３からｉ型ＧａＡｓ層１に供給された電子は、ｎ
型ＡｌＧａＡｓ層３とｉ型ＧａＡｓ層１とのヘテロ界面の近傍の部分のｉ型ＧａＡｓ層１中に３次元的に閉じ込められる。 従って、この場合、各量子細線ＱＷ内に閉じ込められた電子は、量子箱内に閉じ込められた電子と同等である。

【００２１】図５および図６に示すように、量子細線Ｑ
Ｗ内での電子の３次元的な閉じ込めにより上昇する基底エネルギー準位のシフト幅ΔＥは、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層２とｉ型ＧａＡｓ層１とから成るヘテロ接合によるｘ軸方向およびｙ軸方向の閉じ込めによるエネルギー上昇分ΔＥ _xyと、ゲート電極Ｇに印加するバイアス電圧、すなわちゲート電圧Ｖ _gの関数であるｚ軸方向の閉じ込めによるエネルギー上昇分ΔＥ _z （Ｖ _g ）との和である。
すなわち、 ΔＥ（Ｖ _g ）＝ΔＥ _xy ＋ΔＥ _z （Ｖ _g ） （１） となる。

【００２２】このときの量子細線ＱＷ間での電子のトンネル透過率をＰとすると、これはＷＫＢ（Wentzel-Kram
ers-Brillouin)近似の範囲で次式のように表される。 Ｐ〜ｅｘｐ［−２Ｌ｛２ｍ _e （Ｖ ₀ −ΔＥ（Ｖ _g ））｝ ^1/2 ／（ｈ／２π）］ （２） ただし、ｍ _eは電子の有効質量、Ｖ ₀はＡｌＧａＡｓ／
ＧａＡｓヘテロ界面における伝導帯のバンド不連続の大きさ、Ｌは量子細線ＱＷ間の距離である。 （２）式から、ゲート電圧Ｖ _gによりトンネル透過率Ｐを制御することができることがわかる。

【００２３】いま、ゲート電圧がＶ _g1であるときとＶ _g2
であるときとのトンネル透過率の比をＲとすると、これは Ｒ〜ｅｘｐ［２Ｌ（２ｍ _e ） ^1/2 ｛（Ｖ ₀ −ΔＥ（Ｖ _g1 ）） ^1/2 −（Ｖ ₀ −ΔＥ（Ｖ _g2 ）） ^1/2 ｝／（ｈ／２π）］ （３） のように表される。 ここで、典型的な例として、ｉ型Ａ
ｌＧａＡｓ層２およびｎ型ＡｌＧａＡｓ層３がそれぞれｉ型Ａｌ _0.4 Ｇａ _0.6 Ａｓ層およびｎ型Ａｌ _0.4 Ｇａ
_0.6 Ａｓ層である場合を考えると、Ｌ〜１０ｎｍ、ｍ _e
〜０．１０ｍ ₀ （ただし、ｍ ₀は電子の静止質量）、Ｖ
₀ 〜０．３ｅＶ、ΔＥ（Ｖ _g1 ）〜０．１ｅＶとして、Δ
Ｅ（Ｖ _g2 ）を変調したときには、 ΔＥ（Ｖ _g2 ） Ｒ ０．１５ｅＶ ７．１ ０．２０ｅＶ ７１．７ ０．２５ｅＶ １４８２．９ のようにトンネル透過率の比Ｒを変調することができる。 すなわち、ゲート電圧Ｖ _gにより、量子細線ＱＷ間のトンネル透過率の比Ｒを３桁もの範囲で変調することができることがわかる。

【００２４】以上のように、この第１実施例によれば、
複数の量子細線ＱＷのそれぞれの一端面に電子供給層としてのｎ型ＡｌＧａＡｓ層３を介して設けられたゲート電極Ｇにゲート電圧Ｖ _gを印加することにより量子細線ＱＷ中の電子のｚ軸方向の閉じ込めによるエネルギー上昇分ΔＥ _z （Ｖ _g ）を変調して量子細線ＱＷ間のトンネル透過率Ｐを変調することにより、量子細線ＱＷ間のトンネル結合の強度を変調することができる。 そして、このように量子細線ＱＷ間のトンネル結合の強度を変調することができることから、例えば、量子細線ＱＷ間で電子を量子力学的トンネリングにより伝導させて電子分布を変化させることにより情報処理を行う場合、多様な情報処理を行うことができる。

【００２５】なお、量子細線ＱＷが周期的に配列されているとすると、この人工的な周期構造によりサブバンドが形成されるが、このサブバンドの幅は量子細線ＱＷ間のトンネル結合の強度に比例する。 従って、ゲート電圧Ｖ _gでこのトンネル結合の強度を変調することにより、
図７に示すように、サブバンドの変調が可能となる。 このサブバンド変調により電子や正孔の有効質量も変わるため、このサブバンド変調技術は、例えば速度変調型トランジスタへの応用が可能である。

【００２６】次に、この発明の第２実施例について説明する。 この第２実施例においては、ペトロフ（Petroff)
らにより提案され、実験的にも確認されている縦型超格子の形成方法（Appl. Phys. Lett. 45(1984)620)を利用して第１実施例による量子素子と同等な構造の量子素子を製造する場合について説明する。

【００２７】すなわち、この第２実施例においては、図８に示すように、低指数面から微小角度オフした、原子ステップが互いに平行に存在する主面を有する半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、供給する原料ガスの成分を調節しながら、ｉ型ＡｌＧａＡ
ｓ層１２、ｉ型ＧａＡｓ層１３およびｉ型ＡｌＧａＡｓ
層１４を必要な層数だけ繰り返しエピタキシャル成長させ、ｚ軸方向に延びるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合による量子細線ＱＷを形成する。

【００２８】次に、このようにして形成された量子細線ＱＷを例えばＲＩＥ法により、図９に示すように、ｚ軸方向に対して斜めにエッチングする。

【００２９】次に、図１０に示すように、少なくともこの斜めにエッチングされた面上にｎ型ＡｌＧａＡｓ層１
５をエピタキシャル成長させた後、この斜めの部分のｎ
型ＡｌＧａＡｓ層１５上にゲート電極Ｇを形成する。 これによって、第１実施例による量子素子と実質的に同等な構造を有する量子素子が完成される。

【００３０】次に、この発明の第３実施例による量子素子について説明する。

【００３１】図１１に示すように、この第３実施例による量子素子においては、例えば半絶縁性のＧａＳｂ基板２１上に、ゲート電極として用いられるｎ型ＩｎＡｓ層２２が形成され、このｎ型ＩｎＡｓ層２２上に実質的に絶縁層であるｐ ^-型ＡｌＳｂ層２３が形成されている。
そして、このｐ ^-型ＡｌＳｂ層２３上に、量子井戸部を構成する細線状のｉ型ＩｎＡｓ層２４が複数配列されている。 図示は省略するが、これらのｉ型ＩｎＡｓ層２４
の間の部分は例えばｉ型ＡｌＧａＡｓ層により埋められる。

【００３２】この第３実施例による量子素子においては、例えば、図１１中上側から、選択されたｉ型ＩｎＡ
ｓ層２４に光を入射させて電子−正孔対を生成することにより入力を行うことができる。 この場合、この電子−
正孔対のうちの電子を量子細線ＱＷ間で量子力学的トンネリングにより伝導させて電子分布を変化させることにより、情報処理を行うことができる。

【００３３】以上、この発明の実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

【００３４】例えば、上述の第１実施例および第２実施例におけるｎ型ＡｌＧａＡｓ層３の代わりに絶縁層であるｉ型ＡｌＧａＡｓ層を用いてもよく、さらにはこのｎ
型ＡｌＧａＡｓ層３やｉ型ＡｌＧａＡｓ層を設けず、量子細線ＱＷの一端に間隔をおいてゲート電極Ｇを設けるようにしてもよい。

【００３５】さらに、上述の第１実施例および第２実施例においては、ＡｌＧａＡｓ（障壁層）／ＧａＡｓ（井戸層）ヘテロ接合により量子細線ＱＷを形成しているが、このＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合の代わりに例えばＧａＳｂ（障壁層）／ＩｎＡｓ（井戸層）ヘテロ接合により量子細線ＱＷを形成してもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、複数の柱状の量子井戸部の一端に間隔をおいて設けられた制御電極に電圧を印加して量子井戸部の軸方向の電子の閉じ込めの強さを変調することにより、量子構造間のトンネル結合の強度を変調することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例による量子素子を示す斜視図である。

【図２】この発明の第１実施例による量子素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図３】この発明の第１実施例による量子素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図４】この発明の第１実施例による量子素子の製造方法を説明するための断面図である。

【図５】この発明の第１実施例による量子素子の動作を説明するためのエネルギーバンド図である。

【図６】この発明の第１実施例による量子素子の動作を説明するためのエネルギーバンド図である。

【図７】この発明の第１実施例による量子素子におけるサブバンドの変調を説明するためのエネルギーバンド図である。

【図８】この発明の第２実施例による量子素子の製造方法を説明するための斜視図である。

【図９】この発明の第２実施例による量子素子の製造方法を説明するための斜視図である。

【図１０】この発明の第２実施例による量子素子の製造方法を説明するための斜視図である。

【図１１】この発明の第３実施例による量子素子を示す断面図である。

【符号の説明】

１ ｉ型ＧａＡｓ層 ２ ｉ型ＡｌＧａＡｓ層 ３ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層 ＱＷ 量子細線 Ｇ ゲート電極 １１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板 １２、１４ ｉ型ＡｌＧａＡｓ層 １３ ｉ型ＧａＡｓ層