DE69124035T2

DE69124035T2 - Anordnungen mit Quanten-Interferenz-Effekt und Verfahren zur Behandlung von Interferenz-Strom

Info

Publication number: DE69124035T2
Application number: DE69124035T
Authority: DE
Inventors: Kazuhito Fujii; Masahiro Okuda; Akira Shimizu
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-09-13
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2011-09-13
Also published as: US5311011A; EP0475403A3; EP0475403B1; EP0475403A2; DE69124035D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Interferenz von Elektronenwellen und auf die Verarbeitung von Interferenzstrom und insbesondere auf eine Quanteninterferenzvorrichtung (QID) und auf ein Verfahren zum Umwandeln von Signalen, die durch ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, Licht oder dergleichen getragen werden, zu elektrischen Signalen durch den Aharonov-Bohm-Effekt (A-B- Effekt), den optischen Stark-Effekt oder dergleichen.
Es ist ein Photodetektor ohne Photonenabsorption wie in Fig. 1A gezeigt, entwickelt worden, der eine Art QID ist. Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt.
Von einer Source-Elektrode 110, die an der linken Seite von Fig. 1A angeordnet ist, injizierte Elektronen beginnen, sich durch Pfade oder Wellenleiter 11, 112 und 113 zu einer Drain- Elektrode 114 fortzubewegen, die an der rechten Seite gebildet ist, mit einer Wellenfunktion und einer Energie E die durch
angegeben sind.
Die Pfade 11, 112 und 113 sind mit einer Quantentopfstruktur (QWS), einer Quantendrahtstruktur (QLS) oder dergleichen gebildet. In den Formeln (1) und (2) ist m* die effektive Masse eines Elektrons, das sich in einer x- Richtung bewegt, k ist eine Wellenzahl der Bewegung in der x- Richtung, Es und φs (Z) sind jeweils die Energie unddie Wellenfunktion eines Grundzustandsniveaus der Elektronen- Subbänder in bezug auf eine z-Richtung, und Ey und Y (y) sind jeweils die Energie und die Wellenfunktion eines Grundzustandsniveaus der Elektronen-Subbänder in bezug auf die y-Richtung.
Wie in den Bandstrukturen der Figuren 1B bis 1D gezeigt, wird die Wellenfunktion der Elektronen in einem zentralen Teil in zwei geteilt, und in dem oberen QLS 112 (dem schmaleren) sind die Wellenfunktion und die Energie wie in den Formeln (3) bzw. (4) angegeben, während sie in dem unteren QLS 13 (dem breiteren) sie wie in den Formeln (5) bzw. (6) angegeben sind.
In den Formeln (3) und (5) sind die Normierungskonstanten weggelassen, und in den Formeln (3) bis (6) sind ENa und φNa (z) jeweils die Energie und die Wellenfunktion eines Grundzustandsniveaus der Elektronen-Subbänder in dem oberen QLS 112 in bezug auf die z-Richtung, EWa und φWa (z) sind jeweils die Energie und die Wellenfunktion eines Grundzustandsniveaus der Elektronen-Subbänder in dem unteren QLS (13) in bezug auf die z-Richtung und kN und kW sind jeweils die Wellenzahlen der Bewegung in der x-Richtung in den oberen und unteren QLS's 112 und 113.
Da im allgemeinen die Beziehung ENa ≠ ES erfüllt ist, wird kN ≠ k von den Formeln (2) und (4) erhalten, und in ähnlicher Weise wird kW ≠ k in dem unteren QLS 113 erhalten. In diesem Beispiel ist jedoch die Beziehung kW = kN erfüllt, da die Vorrichtung so gebildet ist, daß ENa = Ewa erfüllt ist, wenn kein Licht an den zentralen Teil angelegt wird (d.h. die Elektronen werden in den oberen und unteren QLS's 112 und 113 in einem gleichen Verhältnis verzweigt).
Wenn hier Licht durch den zentralen Teil dieser Vorrichtung geleitet wird, tritt die folgende optische Stark-Verschiebung auf.
und ENb und EWb jeweils die Energien des zweiten Niveaus in dem oberen und unteren QLS's 112 und 113 in bezug auf die z- Richtung sind und µN und µW jeweils die Dipolmomente des Übergangs vom Grundzustandsniveau zu dem zweiten Niveau in dem oberen und unteren QLS's 112 und 113 sind.
Es ist insbesondere wirkungsvoll, wenn die Vorrichtung so gestaltet ist, daß die folgende Beziehung erfüllt ist (siehe die Bandstruktur in Fig. 1C).
Daher gilt δN > 0 und δW < 0, so daß ENa in dem oberen Pfad 112 zu dem unteren Wert verschoben wird und Ewa in dem unteren Pfad 113 zu dem oberen Wert verschoben wird, wie den Formeln (7) und (8) zu sehen ist (siehe die schraffierten Pfeile in der Bandstruktur von Fig. 1C). Dann steigt kN des oberen Pfads 112 an, während kW des unteren Pfads 113 abnimmt, wie aus den Formeln (4) und (6) bekannt ist.
Somit tritt, wenn die Wellenzahlen in den oberen und unteren QLS's 112 und 113 verschieden sind, eine Phasendifferenz zwischen den Elektronen, die sich in dem oberen QLS 112 bewegen, und den Elektronen, die sich in dem unteren QLS 113 bewegen, auf, nachdem sie sich in jedem Pfad QLS 112 und 113 um denselben Abstand in der x-Richtung voranbewegt haben. Da der Teil, an dem das Licht angelegt wird, 0 ≤ x ≤ L ist, ist die Phasendifferenz Δθ gegeben durch
Beispielsweise wird, wenn die Phasendifferenz Δθ π ist, die Form einer kombinierten Wellenfunktion zu φa werden, welche dem zweiten Zustand entspricht, aber nicht zu φs, die dem ersten Zustand der kombinierten Welle entspricht, wenn die Wellenfunktion der Elektronen erneut an den Pfad 111 auf der rechten Seite in Fig. 1A kombiniert werden. Die kombinierte Welle hat jedoch nur eine Energie, die φs entspricht, aber nicht φa, so daß sie zurückreflektiert wird. Daher können die Elektronen die Drain-Elektrode 14 auf der rechten Seite nicht erreichen, so daß kein Strom zwischen der Source-Elektrode 110 und der Drain-Elektrode 114 fließt. In der Tat variiert, wie aus den Formeln (7), (8), (11) und so weiter zu sehen ist, die Phasendifferenz Δθ gemäß der Intensität I (die mit &epsi;² verbunden ist) des Lichts, und das Transmissionsvermögen oder der Transmissionskoeffizient von Strom zu der Drain- Elektrode 114 auf der rechten Seite variiert proportional zu cos² (Δθ/2). Somit ist der Strom J gegeben durch
J = J&sub0; cos² (Δθ/2) ... (12),
worin J&sub0; eine Konstante ist.
Daher wird Δθ von einem Meßwert von J unter Verwendung der Formel (11) erhalten, und die Intensität I von Licht ist aus der Beziehung zwischen Δθ und der Intensität I bekannt, beispielsweise
Δθ = gI + Δθ&sub0; ... (13),
worin g und Δθ&sub0; jeweils Konstanten sind.
Die vorstehende Technologie ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2-45085, die der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Jp-A-3248478 entspricht, die von dem selben Rechtsnachfolger eingereicht worden ist, beschrieben.
Gemäß der vorstehenden Technologie kann es jedoch ein Problem geben, daß ein Fehler auftritt, wenn die Intensität 1 von Licht von dem Stromwert J abgeleitet wird. Mit anderen Worten fluktuiert der Meßwert J jedesmal, wenn sein Wert gemessen wird, um die selbe Intensität I des Lichts.
Das liegt daran, daß der Stromfluß fluktuiert, selbst wenn er in hohem Maße gesteuert wird, aufgrund der Kollision von Elektronen bei einem mikroskopischen Niveau, dem Einfangen von Elektronen, auf ein bestimmtes Energieniveau usw., und da J&sub0; in der Formel (12) in Abhängigkeit von der Zeit flackert. Ferner kann, wenn kein Strom auf der Seite der Drain-Elektrode 114 nachgewiesen wird, keine Bestätigung gemacht werden, ob tatsächlich kein Strom vorliegt, oder kein Strom nachgewiesen wird, da Elektronen zurückreflektiert worden sind.
Auf diese Weise treten Fehler auf, wenn die Phasendifferenz Δθ von dem gemessenen Stromwert J abgeschätzt wird, aufgrund einer Unsicherheit von J&sub0;.
In JP-A-63 93 161 wird ein Halbleiter-Schaltelement beschrieben, in dem der leitende Kanal durch zwei GaAs- Quantentopfschichten aufgebaut ist. Eine Phasendifferenz in Wechselwirkung mit einen angelegten elektrischen oder magnetischen Feld wird zwischen den zwei verzweigten Elektronenwellen, die in den zwei GaAs-Quantentopfschichten vorliegen, verursacht.
In JP-A-1 129 477 wird ein Halbleiter-Photodetektor unter Verwendung des lichtinduzierten Aharonov-Bohm-Effekts beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird das einfallende Licht durch GaAs absorbiert, d. h. das Kanalmaterial. Entsprechend hängen die Anzahl der erzeugten Ladungsträger und damit die Fermi-Energie von der Menge des einfallenden Lichts ab. Dadurch wird eine Phasendifferenz zwischen den Elektronen, die sich entlang zweier verschiedener Pfade fortbewegen, verursacht. Diese Phasendifferenz wird zum Erhalten eines Photodetektorsignals verwendet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quanteninterferenzvorrichtung bereitzustellen, die die Fähigkeit hat, die vorstehend genannten Fehler zu minimieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Minimieren der vorstehend erwähnten Fehler bereitzustellen, wenn ein Quanteninterferenzstrom gemessen oder nachgewiesen wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Quanteninterferenzvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Halbleiter-Quanteninterferenzvorrichtung mit einem Source-Bereich, einem ersten Drain-Bereich, einem zweiten Drain-Bereich, einem ersten Pfad mit Quantenstruktur und einem zweiten Pfad mit Quantenstruktur, wobei jeder der Pfade mit Quantenstruktur vorliegt, damit sich durch ihn eine Elektronenwelle vom Source-Bereich zu einem unterschiedlichen Drain-Bereich fortbewegt, wobei die Pfade mit Quantenstruktur in einem ersten, an den Source-Bereich angrenzenden Bereich gekoppelt sind, wodurch während des Betriebs eine erste Elektronenwelle mit einer ersten Wellenfunktion von dem Source-Bereich in die Pfade mit Quantenstruktur in dem ersten Bereich emittiert wird, wobei die Pfade mit Quantenstruktur in einem zweiten Bereich zwischen dem ersten Bereich und den Drain-Bereichen entkoppelt sind, wodurch die erste Wellenfunktion durch Einrichtungen, die die erste Elektronenwelle in ein Paar von zweiten Elektronenwellen mit den zweiten Wellenfunktionen verzweigen, in zwei zweite Wellenfunktionen geteilt wird, wobei jede der zweiten Elektronenwellen in einen unterschiedlichen Pfad mit Quantenstruktur eingeschlossen ist, und wobei die Pfade mit Quantenstruktur in einem dritten Bereich zwischen dem zweiten Bereich und den Drain-Bereichen gekoppelt sind, wodurch die zwei zweiten Wellenfunktionen durch Einrichtungen kombiniert werden, die die zweiten Elektronenwellen kombinieren, und die Pfade mit Quantenstruktur in einem vierten Bereich zwischen dem dritten Bereich und dem Drain-Bereichen entkoppelt sind, wodurch die Kombinationseinrichtungen in dem dritten Bereich ein Paar dritter Elektronenwellen erzeugen, mit verschiedenen Energieniveaus und mit varuerender Größe, in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen den zweiten Elektronenwellen, wobei jede der dritten Elektronenwellen in dem vierten Bereich in einem verschiedenen Bereich mit Quantenstruktur eingeschlossen ist; Einrichtungen, um eine Phasendifferenz zwischen den zweiten Elektronenwellen zu variieren; Einrichtungen, um einen konstanten Strom an den Source-Bereich der Halbleitervorrichtung anzulegen, oder Einrichtungen, um eine konstante Spannung über den Source- Bereich und die Drain-Bereiche anzulegen; Einrichtungen, um entsprechende Ströme von jedem Paar von dritten Elektronenwellen nachzuweisen, die über den Source-Bereich und einen jeweiligen Drain-Bereich fließen; und Operationsvorrichtungen zur Bildung eines nicht fluktuierenden Stroms aus den nachgewiesenen Strömen, wobei der nicht fluktuierende Strom nicht durch Fluktuationen des Stroms der Elektronenwellen beeinflußt wird.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verarbeiten eines Interferenzstroms in einer Quanteninterferenzvorrichtung wie vorstehend definiert bereitgestellt, umfassend die Schritte zum Verzweigen einer ersten Elektronenwelle, die sich durch erste und zweite Pfade mit Quantenstruktur fortbewegt, in ein Paar aus zweiten Elektronenwellen, von denen jede in einem verschiedenen Pfad mit Quantenstruktur eingeschlossen ist; Variieren einer Phasendifferenz zwischen den zweiten Elektronenwellen; Kombinieren der zweiten Elektronenwellen und Erzeugen eines Paars mit dritten Elektronenwellen mit verschiedenen Energieniveaus und die in der Größe variieren, in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen den zweiten Elektronenwellen; Nachweisen von Strömen von jeder der dritten Elektronenwellen; und Bilden eines nicht fluktuierenden Stroms aus dem nachgewiesenen Strom, wobei der nicht fluktuierende Strom nicht durch Fluktuationen des Stroms der Elektronenwelle beeinflußt wird.
Diese Vorteile und weitere werden in Verbindung mit der folgenden detaillierten Beschreibung den Ansprüchen und den Zeichnungen zu verstehen sein.
Fig. 1A ist eine Ansicht, die den Aufbau einer herkömmlichen Quanteninterferenzvorrichtung zeigt.
Die Figuren 1B bis 1D sind Ansichten, die die Bandstrukturen und Wellenfunktionen der jeweiligen Teile der Vorrichtung von Fig. 1A zeigen.
Fig. 2 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer ersten Ausführungsform zeigt.
Fig. 3A ist eine Ansicht, die den Aufbau von abgeschiedenen Schichten der ersten Ausführungsform zeigt.
Fig. 3B ist eine Ansicht, die die Bandstruktur der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 4A ist eine schematisch-perspektivische Ansicht, der ersten Ausführungsform.
Fig. 4B ist eine Querschnittsansicht von Fig. 4A, entlang der Linie A-A'.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 ist eine Ansicht, die die Wellenfunktionen unter der Gate-Elektrode 30 der zweiten Ausführungsform veranschaulichen.
Fig. 7 ist eine Ansicht, die einen Teil der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
Fig. 8A ist eine Ansicht, die die Bandstruktur, Wellenfunktionen und Subbänder des schraffierten Bereichs von Fig. 7 veranschaulicht.
Die Figuren 8B und 8C sind jeweils Ansichten, die die Bandstrukturen unter den Gate-Elektroden 31 und 32 veranschaulichen.
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem die Quanteninterferenzvorrichtung der Erfindung als ein Transistor mit optischen Gate verwendet wird.
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des optischen Kommunikationssystems zeigt, in dem die Quanteninterferenzvorrichtung der Erfindung als ein Photodetekor verwendet wird.
Zuerst wird das grundlegende Prinzip der Erfindung durch Verwendung eines Beispiels erklärt.
Durch Verwendung der vorstehend erklärten Zusammensetzungs- oder Kombinationseinrichtung umfassend beispielsweise eine Modenumwandlungseinrichtung für Elektronenwellen und die Meßeinrichtung, werden zwei Arten von Strom J&sbplus; und J&submin;, die durch die folgenden Formeln gegeben sind, anstelle von J der Formel (12) gemessen,
Als nächstes wird von diesen gemessenen Werten J&sbplus; und J&submin; der folgende normierte Strom M" durch Berechnung oder Behandlung in der Behandlungseinrichtung, wie beispielsweise einem Operationsverstärker erhalten,
M (J&sbplus; - J&submin;) / (J&sbplus; + J&submin;) ...(15)
Dann wird aus den Formeln (14a), (14b) und (15) die folgende Formel (16) erhalten.
M = cos(Δθ) ... (16)
Daher wird, selbst wenn J&sub0; fluktuiert, diese Fluktuation von J&sub0; solch ein serielles Abschätzungsverfahren von Meßwerten von J&sbplus; und J&sub1; Wert von M Wert von Δθ Wert von I (siehe vorstehende Formel (13)) beeinflussen. Als Ergebnis wird das S/N-Verhältnis dieser Vorrichtung extrem verbessert.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau der ersten Ausführungsform. In Fig. 2 sind Pfade 1, 2 und 3 als Elektronen-Fortbewegungspfade, eine Barrierenschicht 4, ein Source-Bereich 5, zwei Drain-Bereiche 6 und 6', eine Modenumwandlungseinrichtung 7, eine Konstantstromquelle 8, Amperemeter 9 und 9' und eine arithmetische Vorrichtung 10 bereitgestellt. Unterschiede gegenüber dem Aufbau von Fig. 1A umfassen, daß die Modenumwandlungseinrichtung 7 an einem Bereich auf der rechten Seite von Fig. 2 hinzugefügt ist, und daß, damit begleitet, zwei Amperemeter 9 und 9' für jeweils J&sbplus; und J&submin; bereitgestellt sind. In Fig. 2 wird der Betrieb durch die Konstantstromquelle 8 durchgeführt, aber es gibt keinen wesentlichen Unterschied, selbst wenn Antrieb mit konstanter Spannung wie in Fig. 1A gezeigt verwendet wird. Im dem Aufbau von Fig. 2 wird jedoch der Widerstand gegenüber dem Elektronenstrom in großem Maße geändert, in Abhängigkeit von der Licht-Einstrahlungssituation einer zentralen Zone, so daß Antrieb mit konstanter Spannung nicht bevorzugt ist, da der Strom in großem Maße variieren wird.
Die Modenumwandlungseinrichtung 7 wird beispielsweise durch einen Aufbau erzielt, in der die QLS's 2 und 3 einander durch die dünne Barrierenschicht 4 wie in Fig. 2 gezeigt schneiden. Ein Transmissionsvermögen oder ein Transmissionskoeffizient von 50% kann leicht erzielt werden, indem man die Dicke und Zusammensetzung der Barrierenschicht 4 einstellt. In diesem Zusammenhang wird solch eine Technologie beispielsweise in "Principles of Electron Tunneling Spectroscopy" von E. L. Wolf, Oxford University Press, 1985 beschrieben.
Die zwei Amperemeter 9 und 9' können durch einen Operationsverstärker ersetzt werden.
Fig. 3A zeigt die Schichtstruktur der vorstehenden Ausführungsform , und Fig. 3B veranschaulicht die Bandstruktur davon. In Fig. 3A können auf einem GaAs-Substrat 11 eine i-(intrinsische)-GaAs-Pufferschicht 12 mit einer Dicke von 5000 Å, eine i-GaAs-Schicht 13 mit einer Dicke von ungefähr 100 nm ( 1000 Å), eine i-AlAs-Schicht 14 mit einer Dicke von 2 nm ( 20 Å), eine i-AlGaAs-Schicht 15 mit einer Dicke von 5 nm ( 50 Å), eine n-AlGaAs-Schicht 16 mit einer Dicke von 100nm ( 1000 Å) (Dotiermittelkonzentration 1 * 10¹&sup8;) und eine n-GaAs-Schicht 17 mit einer Dicke von ungefähr 20 nm ( 200 Å) (Dotiermittelkonzentration 1 * 10¹&sup8;) in dieser Reihenfolge gebildet sein. Wie in Fig. 3B gezeigt, wird ein zweidimensionales Elektronengas 2DEG zwischen der i-GaAs Schicht 13 und der i-AlAs-Schicht 14 gebildet, und dadurch werden Elektronen in einer Richtung senkrecht zu den durch die Schichten 12 bis 17 definierten Ebenen eingeschlossen. In Fig. 3B bezeichnet Ef die Fermi-Energie. Ferner stellt in Fig. 3A die i-GaAs-Schicht 13 eine Einzel-Heterostruktur dar, aber diese kann durch eine Quantentopfstruktur ersetzt werden, und in diesem Fall ist die Breite des Topfs 10 nm ( 100 Å). Die i-AlAs-Schicht 14 kann durch i-AlGaAs ersetzt werden, dessen Al-Gehalt 0,3 bis 0,4 ist, z. B. i-Al0,3Ga0,7As.
Der transversale Einschluß zur Bildung des QLS oder des Elektronenpfads wird beispielsweise durch eine Rippenstruktur erzielt, die durch beispielsweise RIBE (reaktives lonenstrahlätzen) gebildet wird, welches in Fig. 4B veranschaulicht wird, daß eine Querschnittsansicht entlang A- A' von Fig. 4A ist. Fig. 4A ist eine schematische perspektivische Ansicht der Vorrichtung, und wie aus Fig. 4A zu sehen ist, wird der Einschluß in z-Richtung durch die Doppel-Heterostruktur oder Quantentopfstruktur erzielt, während der Einschluß in der x-Richtung durch die Rippenstruktur von Fig. 4B erzielt wird.
In Fig. 4B ist die Breite der Verarmung aufgrund des Ätzens 100 nm ( 1000 Å), obwohl sie von der Menge des Dotiermittels abhängt. Daher wird, wenn die Breite D&sub1; einer breiteren Rippe als 0,21 µm angenommen wird, der Elektroneneinschluß in der x-Richtung 10 nm ( 100 Å). Hier werden die Breiten D&sub1; und D&sub2; der zwei Rippen unterschiedlich voneinander gemacht (D&sub1; ≠ D&sub2;), so daß die Phasendifferenz Δθ durch den optischen Stark-Effekt oder optischen QCSE (Stark- Effekt mit Quanteneinschluß) erzeugt wird, wenn das Licht, dessen elektrischer Feldvektor E in der x-Richtung oszilliert, an beide Pfade 2 und 3 angelegt wird.
Bei diesem Aufbau werden die Barrieren am Pfad 1 und an der Modenumwandlungseinrichtung 7 auch durch die Verarmung aufgrund des Ätzens gebildet.
Hinsichtlich der Herstellung der Vorrichtung sind die Technologien beispielsweise in "Semiconductors and Semimetals", Band 24, Academic Press, Inc. 1987 beschrieben.
Der Betrieb der Modenumwandlungseinrichtung 7 dieser Ausführungsform wird in der folgenden Weise durchgeführt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, werden, wenn eine Elektronenwelle mit einer Wellenfunktion von exp (iθN) φN von dem oberen QLS 2 injiziert wird und die Wellenfunktion von exp (θW) φW von dem unteren QLS 3 injiziert wird, kombiniert oder zusammengesetzt und Wellenfunktionen mit 1/ 2 * (exp (iθN) + exp (iθW)) φ&sbplus; und 1/ 2 * (exp (iθN) - exp (iθW)) θ&submin; werden emittiert. Das ist ebenso wie in dem Fall, in dem Licht auf beiden Seiten bei einem Halbspiegel einfällt und davon emittiert wird.
Aus dem vorstehenden wird
J&sbplus; exp (iθN) + exp (iθW) 2 cos² (Δθ/2) und
J&submin; exp (iθN) - exp (iθW) 2 sin² (Δθ/2)
erhalten, und sie sind identisch mit den vorstehenden Formeln (14a) und (14b). Hier ist anzumerken, daß
Δθ = θN - θW.
In den in den Figuren 3A, 3B, 4A und 4B gezeigten Ausführungsformen werden ein Verzweigungsteil für Elektronenwellen und ein Kombinationsteil für die Elektronenpfade oder -wellenleiter durch Ätzen gebildet, aber sie können durch Abscheidung einer linear gebildeten Doppel- Quantentopfstruktur und einer Vielzahl von Gate-Elektroden gebildet werden.
In dieser zweiten Ausführungsform sind, wie in Fig. 5 gezeigt, die linear gebildete Doppel-Quantentopfstruktur (DQWS) mit zwei Töpfen 21 und 22 auf einem Substrat 20 gebildet. Während der Elektroneneinschluß in der z-Richtung durch die Töpfe 21 und 22 erzielt wird, wird Elektroneneinschluß in der x-Richtung durch eine durch Ätzen gebildete Rippe 23 durchgeführt. Die Rippe 23 wird in einer y-Forn zwischen einer Source-Elektrode 24 und einem Paar von Drain-Elektroden 25 und 26 gebildet, wie in Fig. 5 gezeigt. Ferner sind eine Vielzahl von Gate-Elektroden 28, 29, 30, 31 und 32 gebildet. Die erste Gate-Elektrode 28 arbeitet, um eine Elektronenwelle, die sich von der Source-Elektrode 24 fortbewegt, durch Anlegen einer Vorwärts-Vorspannung in zwei Elektronenwellen zu verzweigen. Dieser Verzweigungsvorgang ist darauf zurückzuführen, daß das Fermi-Niveau sich oberhalb des ersten und zweiten Subbands des DQWS befindet. Die zweite und dritte Gate-Elektrode 29 und 30 wirken auch, indem sie den verzweigten Zustand der Elektronenwellen beibehalten, indem sie das erste und zweite Subband unterhalb das Fermi- Niveau plazieren. Unterhalb der Gate-Elektrode 30 nähern sich jedoch das erste und zweite Subband dem Fermi-Niveau an, so daß die Wellenfunktion der verzweigten Wellen kombiniert oder zusammengesetzt werden. Licht, dessen elektrisches Feld E in einer Richtung senkrecht zu einer durch die Schichten definierten Ebene oszilliert, wird auf diesen Teil gerichtet, an dem das Elektron in zwei verzweigt ist.
Hinsichtlich der Dicken der Quantentöpfe 21 und 22 ist diejenige des oberen Topfes 21 relativ breit, während die des unteren Topfes 22 relativ schmal ist, wobei die Elektronenwelle durch Gate-Elektroden 28 und 29 in ein gleiches Verhältnis verzweigt wird. Unter der letzten Gate- Elektrode 30 besetzt die Elektronenwelle einen bindenden Zustand 1 mit einer niedrigeren Energie oder einen anitbindenden Zustand 2 mit einer höheren Energie, in Abhängigkeit von der Phasendifferenz Δθ, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Offset-Situationen der Wellenfunktionen von 1 und 2 unterscheiden sich in Abhängigkeit der Größe der Phasendifferenz 2πm und (2m + 1)π, die durch das an den Zentralteil angelegte Licht verursacht wird (der optische QCSE).
An die Gate-Elektrode 31 wird eine Spannung angelegt, um den ersten Zustand des breiteren Quantentopfs 21 niedriger als den des schmaleren Quantentopfs 22 zu setzen, während an die Gate-Elektrode 32 eine Spannung angelegt wird, um den ersten Zustand des schmaleren Quantentopfs 22 niedriger als den des zweiten Quantentopfs 21 zu setzen. Als Ergebnis kann an der Drain-Elektrode 25 eine Komponente mit der Phasendifferenz 2mπ bestimmt werden, und an der Drain- Elektrode 26 kann eine Komponente mit der Phasendifferenz (2m + 1)π bestimmt werden, da die erste Komponente der Elektronenwelle unter der Gate-Elektrode 30 wiedergekoppelt wird und durch den Teil der Gate-Elektrode 31 transmittiert wird, während die zweite Komponente der Elektronenwelle unter der Gate-Elektrode 30 wiedergekoppelt wird und durch die Gate-Elektrode 32 transnittiert wird.
Mit anderen Worten befindet sich an einem Teil, der wie in Fig. 7 gezeigt schraffiert ist, die Fermi-Energie oberhalb des Niveaus des antibindenden Zustands 2, wie in Fig. 8A veranschaulicht, die die Bandstruktur zeigt. Und es wird an den Teil unterhalb der Gate-Elektrode 31 eine Vorwärtsvorspannung angelegt, so daß der erste Zustand des breiteren Quantentopfs 21 niedriger wird, wie in Fig. 8B gezeigt, während an den Teil unterhalb der Gate-Elektrode 32 eine Rückwärts-Vorspannung angelegt wird, so daß der erste Zustand des schmaleren Quantentopfs 22 niedriger wird, wie in Fig. 8C gezeigt.
Der weitere Betrieb der zweiten Ausführungsform ist derselbe wie der der ersten Ausführungsform
Somit wird aus den zwei gemessenen Strömen eine Kombination berechnet, die nicht durch die Fluktuation des Elektronenstroms (Fluktuation von J&sub0;) beeinflußt wird, und die Intensität des nachzuweisenden Lichts wird mit einem hohen S/N-Verhältnis nachgewiesen.
In den vorstehenden Ausführungsformen werden Photodetektoren ohne Photonenabsorption als QID verwendet, aber Vorrichtungen können als weitere Typen von QID gebildet sein. Auch wird in diesem Fall ein Teil, an dem zwei Elektronenwellen mit einer Phasendifferenz kombiniert werden, durch die Moden-Umwandlungseinrichtung ersetzt, und stromabwärts davon werden zwei Amperemeter bereitgestellt.
Ferner werden in den vorstehenden Ausführungsformen die Summe und die Differenz der zwei Arten von Strömen und eine geeignete Kombination ohne jegliche Fluktuation erzeugt, aber weitere Verarbeitungsverfahren der zwei Arten von Strömen sind möglich. Beispielsweise kann solch ein Verfahren verwendet werden, in dem der "Oder"-Vorgang der zwei Arten von Strömen durchgeführt wird, und der "Und"-Vorgang eines Ausgangssignals des "oder"-Vorgangs und einer der zwei Arten von Strömen durchgeführt wird, um eine Kombination ohne jegliche Fluktuation zu erhalten.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird der optische Stark-Effekt verwendet, aber weitere Effekte können verwendet werden, wie beispielsweise der magnetostatische A-B-Effekt und der elektrostatische A-B-Effekt. In diesen Fällen ist ein Eingangssignal, welches zu dem Teil gerichtet wird, an dem das Elektron in zwei geteilt ist, nicht Licht, sondern ein magnetischer Fluß und ein elektrostatisches Potential oder eine Gate-Spannung.
Während die durch die Gate-Elektroden 28 und 29 angelegten Spannungen in der zweiten Ausführungsform unverändert bleiben, wird in dem Fall, in dem das Eingangssignal die Gate-Spannung ist, mindestens eine Spannung von diesen moduliert, wobei die Phasendifferenz moduliert wird.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, in der die Gate- Spannung unverändert bleibt und das Magnetfeld H variiert wird, um den Interferenzstrom zu modulieren.
In diesem Fall wird die Phasendifferenz zwischen den zwei Elektronenwellen gesteuert, indem man das Magnetfeld H über die Schichten 21 und 22 der Vorrichtung 43, wie vorstehend beschrieben, in einer Pfeilrichtung in Fig. 9 durch einen Elektromagneten 42 anlegt. Diese Phasendifferenz Δθ wird dargestellt durch
Δθ = 2πe/ch * Φ
worin Φ ein magnetischer Fluß ist, der durch einen Bereich der Schichten 21 und 22 geleitet wird, in dem die Elektronenwelle in zwei verzweigt ist, e die Ladung eines Elektrons ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist und h die Planck-Konstante ist.
Der Betrieb ist im wesentlichen derselbe wie in der vorstehenden Ausführungsform.
Die vorstehenden Quanteninterferenzvorrichtungen können als Strommodulatoren mit hoher Geschwindigkeit verwendet werden, und Fig. 10 zeigt als ein Beispiel ein Blockdiagramm, welches einen Transistor mit optischen Gate veranschaulicht, in dem die Ausführungsform von Fig. 2 oder Fig. 5 verwendet wird. In Fig. 10 ist Bezugszeichen 58 solch eine Vorrichtung. Zwischen den Elektroden der Vorrichtung 58 wird eine Spannung durch eine Spannungsguelle 59 angelegt. Ein Gate-Licht LG wird von einer Laserlichtquelle 61 wie beispielsweise einen Halbleiterlaser an die Vorrichtung 58 angelegt. Der verarbeitete Drain-Strom iD der Vorrichtung 58 wird durch Modulieren des Lichts LG durch einen Strom iG, der der Lichtquelle 61 von einer Laser-Antriebseinrichtung 60 zugeführt wird, moduliert. Wenn das Gate-Licht LG Impulslicht ist, dessen Impulsbreite unterhalb 1 Ps ist, kann der Drain- Strom iD bei dieser Geschwindigkeit moduliert werden.
Fig. 11 zeigt ein Blockdiagramm, welches ein optisches Kommunikationssystem veranschaulicht, in dem die Ausführungsform von Fig. 2 oder Fig. 5 als ein Photodetektor verwendet wird. In Fig. 11 ist Bezugszeichen 66 eine optische Faser zum Übertragen von Lichtsignalen. Eine Vielzahl von Endstationen 68&sub1;, 68&sub2;,... 68n sind mit der optischen Faser 66 jeweils durch die optischen Knoten 67&sub1;, 67&sub2;,...67n verbunden. Terminals 69&sub1;, 69&sub2;,...69n sind mit den jeweiligen Endstationen verbunden. Jedes Terninal umfaßt eine Tastatur, eine Anzeigevorrichtung usw.
An jeder Endstation ist eine Licht- Signaltransmissionseinrichtung bereitgestellt, die aus einer Laserlichtquelle 62 und einem Modulator 63 und einer aus einem Fotodetektor 80 und einem Demodulator 18 bestehenden Lichtsignalempfangseinrichtung besteht, bereitgestellt. Die Übertragungseinrichtung und die Empfangseinrichtung werden durch eine Steuerungseinrichtung 64 gemäß den Anweisungen von dem Terminal 69&sub1; gesteuert.
Während das, was als die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angesehen wird, beschrieben worden ist, ist es den Fachleuten offenkundig, daß zahlreiche Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von der Erfindung wie durch die Ansprüche definiert, abzuweichen.

Claims

1. Quanten-Interferenzvorrichtung, umfassend:

- eine Halbleiter-Quanteninterferenzvorrichtung mit einem Source-Bereich (5, 24), einem ersten Drain-Bereich (6, 25), einem zweiten Drain-Bereich (6', 26), einem ersten Pfad mit Quantenstruktur (2, 21) und einem zweiten Pfad mit Quantenstruktur (3, 22),

wobei jeder der Pfade mit Quantenstruktur (1, 2, 3, 21, 22) vorliegt, damit sich eine Elektronenwelle vom Source- Bereich (5, 24) durch ihn zu einem unterschiedlichen Drain- Bereich (6, 6', 25, 26) fortbewegt,

wobei die Pfade mit Quantenstruktur (1, 21, 22) in einem ersten, an den Source-Bereich (5, 24) angrenzenden Bereich gekoppelt sind, wodurch während des Betriebs eine erste Elektronenwelle mit einer ersten Wellenfunktion von dem Source-Bereich in die Pfade mit Quantenstruktur (1, 21, 22) in dem ersten Bereich emittiert wird,

wobei die Pfade mit Quantenstruktur (2, 3, 21, 22) in einem zweiten Bereich zwischen dem ersten Bereich und den Drain-Bereichen (6, 6', 25, 26) entkoppelt sind, wodurch die erste Wellenfunktion durch Einrichtungen (4, 28, 29), die die erste Elektronenwelle in ein Paar von zweiten Elektronenwellen mit den zweiten Wellenfunktionen verzweigen, in zwei zweite Wellenfunktionen geteilt wird, wobei jede der zweiten Elektronenwellen in einen unterschiedlichen Pfad mit Quantenstruktur (2, 3, 21, 22) eingeschlossen ist, und

wobei die Pfade mit Quantenstruktur (2, 3, 21, 22) in einem dritten Bereich zwischen dem zweiten Bereich und den Drain-Bereichen (6, 6', 25, 26) gekoppelt sind, wodurch die zwei zweiten Wellenfunktionen durch Einrichtungen (7, 30) kombiniert werden, die die zweiten Elektronenwellen kombinieren, und die Pfade mit Quantenstruktur (2, 3, 21, 22) in einem vierten Bereich zwischen dem dritten Bereich und den Drain-Bereichen (6, 6', 25, 26) entkoppelt sind, wodurch die Kombinationseinrichtungen in dem dritten Bereich ein Paar dritter Elektronenwellen erzeugen, mit verschiedenen Energieniveaus und mit varuerender Größe, in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen den zweiten Elektronenwellen, wobei jede der dritten Elektronenwellen in dem vierten Bereich in einem verschiedenen Pfad mit Quantenstruktur (2, 3, 21, 22) eingeschlossen ist,

- Einrichtungen (42), um eine Phasendifferenz zwischen den zweiten Elektronenwellen zu variieren;

- Einrichtungen (8), um einen konstanten Strom an den Source- Bereich der Halbleitervorrichtung anzulegen, oder Einrichtungen, um eine konstante Spannung über den Source- Bereich (5, 24) und die Drain-Bereiche (6, 6', 25, 26) anzulegen;

- Einrichtungen (9, 9'), um entsprechende Ströme von jedem Paar von dritten Elektronenwellen nachzuweisen, die über den Source-Bereich (5, 24) und einen jeweiligen Drain-Bereich (6, 6', 25, 26) fließen; und

- Operations-Vorrichtungen (10) zur Bildung eines nichtfluktuierenden Stroms aus den nachgewiesenen Strömen, wobei der nichtfluktuierende Strom nicht durch Fluktuationen des Stroms der Elektronenwellen beeinflußt wird.

2. Quanten-Interferenzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Variieren Licht zu dem zweiten Bereich leitet.

3. Quanten-Interferenzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Variieren (42) ein Magnetfeld an den zweiten Bereich anlegt.

4. Quanten-Interferenzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Variieren ein elektrisches Feld an den zweiten Bereich anlegt.

5. Quanten-Interferenzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Abstand zwischen den Pfaden (2, 3) in dem zweiten Bereich größer als in dem ersten Bereich ist, wodurch die erste Elektronenwelle in das Paar von zweiten Elektronenwellen verzweigt wird.

6. Quanten-Interferenzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Pfade (21, 22) linear sind und die Vorrichtung zum Verzweigen (28, 29) die erste Elektronenwelle in das Paar aus zweiten Elektronenwellen teilt, indem sie das erste und zweite Subband der Pfade (21, 22) in dem zweiten Bereich unter das Fermi-Niveau positioniert.

7. Quanten-Interferenzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zwei dritten Elektronenwellen Wellenfunktionen haben, die jeweils eine Summe und eine Differenz aus den zweiten Wellenfunktionen sind und die Operationsvorrichtung (10) den nichtfluktuierenden Strom aus der Summe und der Differenz erhält.

8. Quanten-Interferenzvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Operationsvorrichtung (10) einen Quotienten zwischen der Summe und der Differenz erhält, um den nichtfluktuierenden Strom zu erhalten.

9. Quanten-Interferenzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kombinationsvorrichtung (30) ein Paar von dritten Elektronenwellen erzeugt, die jeweils einen bindenden und einen antibindenden Zustand besetzen, und die Operations- Vorrichtung (10) den nichtfluktuierenden Strom von den entsprechenden Strömen des bindenden und antibindenden Zustands erhält.

10. Quanten-Interferenzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Operations-Vorrichtung (10) eine "OR"-Operation auf die dritten Elektronenwellen und eine "AND"-Operation auf ein Ausgangssignal der "OR"-Operation und eine der dritten Elektronenwellen ausführt, um den nichtfluktuierenden Strom zu erhalten.

11. Verfahren zum Verarbeiten eines Interferenzstroms in einer Quanten-Interferenzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte zum:

Verzweigen einer ersten Elektronenwelle, die sich durch erste und zweite Pfade mit Quantenstruktur (1, 2, 3, 21, 22) fortbewegt, in ein Paar aus zweiten Elektronenwellen, von denen jede in einem verschiedenen Pfad mit Quantenstruktur (1, 2, 3, 21, 22) eingeschlossen ist;

Variieren einer Phasendifferenz zwischen den zweiten Elektronenwellen;

Kombinieren der zweiten Elektronenwellen und Erzeugen eines Paars von dritten Elektronenwellen mit verschiedenen Energie-Niveaus und mit varuerender Größe, in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen den zweiten Elektronenwellen;

Nachweisen von Strömen von jeder der dritten Elektronenwellen; und

Bilden eines nichtfluktuierendeil Stroms aus dem nachgewiesenen Strom, wobei der nichtfluktuierende Strom nicht durch Fluktuationen des Stroms der Elektronenwelle beeinflußt wird.