DE69218840T2 - Quanten-Schaltervorrichtung mit Führung von Elektronen-Wellen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektronenwellenleitungs-Quanteneffektschalter, welcher umfaßt:
• ein Substrat, welches eine erste Hauptoberfläche und eine zweite, gegenüberliegende Hauptoberfläche hat;
• mindestens drei Elektronenwellenleiter, welche von dem Substrat getragen werden, wobei jeder Wellenleiter in eine jeweilige Longitudinalrichtung verlängert ist, und eine jeweilige Transversalrichtung senkrecht zu jeder der jeweiligen Longitudinalrichtungen steht,
• die Elektronenwellenleiter mindestens einen einlaufenden Elektronenwellenleiter und mindestens zwei auslaufende Elektronenwellenleiter enthalten,
• jeder Elektronenwellenleiter mit einem jeweiligen Elektronenreservoir verbunden ist, und die Elektronenreservoirs voneinander elektrisch isoliert sind,
• die Elektronenwellenleiter eine Ausdehnung in ihrer Transversalrichtung haben, welche in der gleichen Größenordnung liegt, wie eine Wellenlänge einer Elektronenwellenfunktion in den Elektronenwellenleitern; und
• Feldeffektelektroden, welche zumindest neben den auslaufenden Elektronenwellenleitern angeordnet sind, wobei eine elektrisches Feld durch mindestens einen der auslaufenden Elektronenwellenleiter verläuft.
Stand der Technik
• Die Funktion konventioneller elektronischer Komponenten, einschließlich mikroelektronischer Komponenten, basiert auf der Tatsache, daß Ladungstransport durch Drift und Diffusion von Ladungsträgern bewirkt wird. Dies beschränkt die Geschwindigkeit jener Komponenten, und bei der Anwendung gegenwärtiger Techniken, haben Digitalanwendungen eine Obergrenze von ungefähr 5 Gbit/s, zumindest in dem Fall komplexerer Funktionen, wie beim Multiplexen. Mit individuellen Komponenten in optischen Übertragungssystemen können jedoch weit höhere Bitraten erzielt werden. Beispielsweise wurde eine Bitrate von 100 Gbit/s für Detektoren demonstriert, und eine Bitrate von 40 Gbit/s für Modulatoren. Sehr schnelle elektronische Komponenten, deren Steuerung einen sehr kleinen Energieeinsatz erfordert, können jedoch unter Verwendung der Welleneigenschaften der Elektronen erhalten werden. Diese Hochgeschwindigkeitskomponenten haben eine Ausdehnung in der gleichen Größenordnung wie die mittlere freie Weglänge der Elektronen, welche in Begriffen der Wellenfunktionen ausgedrückt, der Koherenzlänge der Elektronenwellenfunktion entspricht. In diesem Fall wird der Ladungstransport im wesentlichen durch ballistischen Transport der Elektronen bewirkt. In anderen Worten bedeutet dies, daß es keine ausreichende Zeit gibt, daß die Elektronen von der Komponente gestreut werden. Der Begriff "mesoskopisch" wurde für Komponenten dieser Größe geschaffen, um anzuzeigen, daß die Ausdehnung der Komponenten in allen Richtungen kleiner oder vergleichbar ist mit der Koherenzlänge.
• Mehrere mesoskopische Komponenten werden in Patenten und in der technischen Literatur beschrieben. Die japanische Patentanmeldung Nr. 63-93161 beschreibt eine Komponente in Form eines quanteninterferometrischen Mach-Zehnder Interferometers, welches aus Galliumarsenid aufgebaut ist. Das Interferometer hat zwei Elektronenreservoirs, zwischen welchen sich zwei Elektronenwellenleiter erstrecken. Die Wellenfunktion für Elektroden, welche durch die Elektronenwellenleiter laufen, werden durch ein elektrisches oder magnetisches Feld auf eine Weise beeinflußt, um eine Phasenverschiebung zwischen den Wellenfunktionen zu bewirken. Die Wellenfunktionen können auf diese Weise dazu gebracht werden, miteinander zu interferieren, und z.B. sich auszulöschen.
• Ein ähnliches mesoskopisches Interferometer ist in der europäischen Patentanmeldung EF 0 357 248 gezeigt. Dieses Interferometer besitzt jedoch ein Bandpaßfilter für die Elektronenwellenfunktion, welches den Elektronengeschwindigkeitsbereich beschränkt und dadurch die Modulationstiefe des Interferometers vergrößert.
• Ein quanteninterferometrischer Transistor ist in einem Konferenzbeitrag von Supriyo Datta veranschaulicht, mit dem Titel: "Quantum Interference Transistors". Der Beitrag ist in Extended Abstracts of the 20th International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 1988, Seiten 491 - 494 veröffentlicht. Der Transistor hat äußere Ähnlichkeiten mit einem Feldeffekttransistor, beruht jedoch auf einer Interferenz zwischen Elektronenwellenfunktionen in zwei parallelen Elektronenwellenleitern. Der Transistor wird mit Hilfe einer Elektrode gesteuert, welche ein elektrisches Feld in den Elektronenwellenleitern erzeugt und die Elektronenwellenfunktionen beeinflußt.
• Ein quanteninterferometischer Richtungskoppler wird in einem Artikel in Appl. Phys. Letters, 56 (25), 18. Juni 1990, Seiten 2527 - 2529, von N. Tsukada et.al. mit dem Titel "Proposal of Novel Electron Wave Coupled Devices" beschrieben. Dieser Richtungskoppler hat zwei Elektronenwellenleiter, jeder von welchen einen Eingang und einen Ausgang hat, und von denen beide mit einem jeweiligen Elektronenreservoir verbunden sind. Die Elektronenwellenleiter sind in einer Wechselwirkungszone parallel miteinander verbunden und wechselwirken miteinander, und der Richtungskoppler wird mit Hilfe von in der Wechselwirkungszone vorgesehenen Elektroden gesteuert.
• N. Dagli et. al. offenbaren einen Elektronenwellen- Richtungskoppler, welcher eng benachbarte Wellenleiter hat, in Journal of Applied Physics, 69 (2), Januar 1991, Seiten 1047 - 1051.
• Die vorgenannten, bekannten Komponenten basieren auf einer Interferenz zwischen Elektronenwellenfunktionen aus getrennten Elektronenwellenleitern oder aus einer Kopplung zwischen Elektronenwellenfunktionen in getrennten Wellenleitern. Um ein gutes Funktionieren zu erzielen, ist es notwendig, daß die Elektronenwellenleiter Einzelmodus- Wellenleiter (single-mode waveguides) sind, deren Ausdehnung in der Transversalrichtung der Wellenleiter beispielsweise zwischen 5 und 10 nm (50 bis 100 Å) liegt, abhängig von der Bandlücke der verwendeten Materialien. Im Falle dieser Komponenten, erfordert ein gutes Funktionieren auch eine einheitliche Elektronengeschwindigkeit, oder anders herum betrachtet, eine einheitliche Wellenlänge der Elektronenwellenfunktion, was schwer zu erzielen ist. Die vorgenannten Komponenten haben auch ein Ausgangssignal, welches periodisch mit der Stärke eines Eingangssignals variiert, wie beispielsweise in Fig. 1b des zuvor genannten Dokumentes von Supriyo Datta gezeigt. Dies stellt Anforderungen an die Genauigkeit des Steuersignals. Einige der vorgenannten Komponenten haben auch andere Nachteile. Einer dieser Nachteile ergibt sich bei der Herstellung der quanteninterferometrischen Richtungskoppler, deren physische Länge gleich einer Kopplungslänge sein soll. Dies stellt auch hohe Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit und macht die Herstellung der Richtungskoppler mit gegenwärtigen Techniken beinahe unmöglich.
• Das Gebiet der integrierten Optik enthält auch Komponenten, welche den vorgenannten Komponenten entsprechen, beispielsweise optische Richtungskoppler und Mach-Zehnder Interferometer. Ein optischer Schalter, welcher einen gegabelten, verzweigten Lichtwellenleiter hat, ist bekannt, ein sogenannter optischer Digitalschalter, dessen Funktion auf einer Einzelmodus-Ausbreitung (single-mode propagation) einer Lichtwelle beruht, und nicht auf der Interferenz zwischen getrennten Ausbreitungsmoden. Ein Artikel von William K. Burns und A. Fenner Milton: "Mode Conversion in Planar-Dielectric Separating Waveguides" in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-11, No. 1, Januar 1975, Seiten 32 - 39, offenbart einen solchen optischen Digitalschalter. Die mesoskopischen Komponenten unterscheiden sich von optoelektrischen Komponenten in mehrerlei Hinsicht auf offensichtliche Weise. Mesoskopische Komponenten sind um mehrere Größenordnungen kleiner als optoelektrische Komponenten, beispielsweise mit einer Länge von 1 µm gegenüber Längen von 100 - 1000 µm. Dementsprechend sind die Querschnittsabmessungen der Wellenleiter jeweils 5 nm (50 Å) und 1 µm. Im Falle der mesoskopischen Komponenten sind es elektrische Ströme, Elektronen, welche gesteuert werden, und nicht Licht, Photonen, und die Signale, welche die mesoskopischen Komponenten steuern, sind um mehrere Größenordnungen kleiner als die Signale, welche die optoelektrischen Komponenten steuern. Quantenmechanisch ausgedrückt, besteht ein Unterschied darin, daß in den mesoskopischen Komponenten Fermionen gesteuert werden, und nicht Bosonen, wie im Fall der optischen Komponenten.
Offenbarung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wellenleiter-Quantenelektronikschalter, welcher einen gabelartigen oder verzweigten Elektronenwellenleiter und ein Digitalansprechen (digital response) hat. Diese Wellenleiter umfassen Potentialvertiefungen in dem Material, in welchem die Elektronen transportiert werden können. Der Schalter hat mindestens einen Eingang und mindestens zwei Ausgänge, zwischen welchen einlaufende Elektroden geschaltet werden können. Im Falle eines vollkommen ballistischen Transports von Elektronen, wird dieses Schalten von einlaufenden Elektronen durch Phasenfehlanpassung von Elektronenwellenfunktionen bewirkt, mit Hilfe eines externen elektrischen Feldes. In jenen Fällen, in welchen die Elektronen bis zu einem gewissen Grad gestreut werden, so daß der Elektronentransport nicht vollkommen ballistisch ist, beruht die Schaltfunktion auf der Verschiebung von Potentialvertiefungen für die auslaufenden Elektronenwellenleiter durch das externe elektrische Feld. In diesem Fall werden jene Elektroden, welche gestreut werden, vorzugsweise durch den auslaufenden Elektronenwellenleiter geleitet, welcher das niedrigste Potential hat. Der Schalter ermöglicht eine relativ breite Variation der Elektronenenergie, und die Stärke der Steuersignale kann weit variieren. Es ist nicht notwendig, daß die Elektronenwellenleiter Einzelmodus-Wellenleiter (single-mode waveguides) in der Transversalrichtung sind, und den Wellenleitern können relativ große Querschnittsabmessungen gegeben werden, insbesondere in einem Fall, wenn ein gegebenes Maß an Elektronenstreuung in dem Y-Zweig erlaubt ist. Die Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit sind eingeschränkt.
• Der erfinderische Schalter kann als ein elektronisches, mesoskopisches Gegenstück des zuvor genannten optischen Digitalschalters bezeichnet werden.
• Die Vorrichtung hat die charakteristischen Merkmale, welche in den angehängten Ansprüchen dargelegt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Diese Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungen und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen
• Fig. 1 eine Draufsicht eines erfinderischen Schalters ist;
• Fig. 2 eine Querschnittsansicht des in Fig. 1 gezeigten Schalters ist;
• Fig. 3a ein Diagramm ist, welches sich auf den Schalter bezieht, beim Fehlen eines Steuersignals;
• Fig. 3b ein Diagramm ist, welches sich auf den Schalter bezieht, mit einem angelegten Steuersignal;
• Fig. 4a ein Diagramm ist, welches sich auf dem Schalter mit Einzelmodus-Ausbreitung bezieht, beim Fehlen eines Steuersignals;
• Fig. 4b ein Diagramm ist, welches sich auf dem Schalter in dem Fall einer Einzelmodus-Ausbreitung bezieht, mit einem angelegten Steuersignal;
• Fig. 5 ein Eingangs-Ausgangs-Diagramm ist, welches sich auf den Schalter bezieht;
• Fig. 6 eine Draufsicht einer Alternativausführung des Schalters ist;
• Fig. 7 eine Querschnittsansicht des in Fig. 6 gezeigten Schalters ist; und
• Fig. 8 eine weitere alternative Ausführung der Erfindung zeigt.
Bevorzugte Ausführung
• Eine beispielhafte Ausführung des erfinderischen Quantenwellenleitungs-Schalters ist in Fig. 1 gezeigt. Ein Substrat 1, welches aus GaAlAs (Gallium-Aluminium-Arsenid) besteht, trägt Elektronenwellenleiter 2, welche aus GaAs (Gallium-Arsenid) bestehen, wobei diese Wellenleiter in der Figur verdeckt sind und durch unterbrochene Linien angedeutet sind. Die Elektronenwellenleiter 2 erstrecken sich zwischen elektrisch isolierten Elektronenreservoirs 3, 4 und 5, welche beispielsweise aus GaAs bestehen. Die Elektronenwellenleiter 2 sind in einer Gabelkonfiguration angeordnet, mit einem einlaufenden Wellenleiter 6, welcher mit dem Elektronenreservoir 3 verbunden ist, und zwei auslaufenden Elektronenwellenleitern 7 und 8, jeder von welchen mit einem jeweiligen Elektronenreservoir 4 und 5 verbunden ist. Diese zwei Reservoirs sind durch ein Gebiet 4a aus isolierendem Material gegenseitig isoliert. Der einlaufende Elektronenwellenleiter 6 ist mit den auslaufenden Elektronenwellenleitern 7 und 8 in einem Verbindungsgebiet 9 verbunden. Der Schalter enthält Elektroden 10 und 11, welche dazu dienen, ein elektrisches Feld E zu erzeugen, welches sich durch das Verbindungsgebiet 9 ebenfalls durch die auslaufenden Elektronenwellenleiter 7 und 8 erstreckt. Die Elektroden sind über Verbindungsleitungen 12 elektrisch verbunden. Die Elektronenreservoirs 3, 4 und 5 sind mit Spannungsquellen 15 verbunden, welche Elektronen durch die Elektronenwellenleiter 2 treiben, wie schematisch in der Figur gezeigt. Somit liegt ein elektrisches Feld vor, welches die Elektronen in den Elektronenwellenleitern 2 treibt, und das zuvor genannte elektrische Feld E. Dieses elektrische Feld E beeinflußt die auslaufenden Elektronenwellenleiter 7, 8 und das Verbindungsgebiet 9, in welchem das Schalten stattfindet. Ein Fluß an Elektronen, welche von dem Reservoir 3 ankommen, durch den einlaufenden Elektronenwellenleiter 6, wird in einen der beiden auslaufenden Elektronenwellenleiter 7 und 8 geschaltet. Diese Funktion wird im folgenden ausführlicher beschrieben.
• Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht des Schalters entlang der Linie A-A. Das Substrat 1 hat eine Bodenschicht 13, welche die Wellenleiter 2 trägt, und eine Oberschicht 14, welche die Wellenleiter abdeckt. Die Oberschicht 14 trägt die Elektroden 10 und 11, welche das elektrische Feld E durch die Elektronenwellenleiter 2 erzeugen.
• Wie bereits erwähnt, ist es nicht notwendig, daß die Elektronenwellenleiter 2 des erfinderischen Schalters Einzelmodus-Wellenleiter (single-mode waveguides) sind. Dies gilt allgemein, und insbesondere in dem Fall einer Ausführung, in welcher eine Streuung der Elektronen erlaubt ist. Diese Ausführung der Erfindung wird unten beschrieben. In diesem Fall können die Elektronenwellenleiter relativ breit sein, mit einer Breite B von bis zu z.B. 100 nm (1000 Å), was für die genannte Materialkombination GaAs und GaAlAs gilt. Im Falle des Einzelmodusbetriebs, ist es notwendig, daß die Breite B innerhalb des Bereichs von 5 - 50 nm (50 - 500 Å) liegt, abhängig von der Weise, in welcher der Einschluß der Ladungsträger erzielt wird. In diesem Fall, je größer die Bandlücken-Diskontinuität, welche zwischen dem Substrat 1 und den Elektronenwellenleitern 2 herrscht, desto kleiner die erlaubten Querschnittsabmessungen des Wellenleiters für einen Einzelmodus-Betrieb. In dem Fall der zuvor genannten Materialkombination GaAlAs mit hoher Aluminiumkonzentration und GaAs, sind die Querschnittsabmessungen ungefähr 5 x 5 nm (50 x 50 Å). Der Schalter hat eine Ausdehnung L1 innerhalb des Bereichs 50 - 200 nm (500 - 2000 Å) in der Longitudinalrichtung der Elektronenwellenleiter 2. Die Untergrenze wird von der Tatsache bestimmt, daß die Betriebsspannung des Schalters begrenzt sein wird, und weil eine gute Schaltfunktion mit geringem Übersprechen erwünscht ist. Die Obergrenze entspricht der Kohärenzlänge der Elektronenwellenfunktionen bei Raumtemperatur. Größere Längen, beispielsweise eine Länge von 1 µm oder mehr, können verwendet werden, unter der Voraussetzung, daß die Schaltvorrichtung gekühlt wird. Im Falle des in Fig. 1 gezeigten Schalters, haben die Elektronenwellenleiter 2 eine Breite B von 5 nm (50 Å) und eine Länge L1 von 200 nm (2000 Å). Der Winkel α zwischen den zwei auslaufenden Elektronenwellenleitern 7 und 8 ist in der Größenordnung von ungefähr 60º, was einem Abstand L2 = 100 nm (1000 Å) zwischen den Enden der auslaufenden Elektronenwellenleiter 7 und 8 entspricht. Die Betriebsspannung der Spannungsquellen ist ungefähr 100 mV.
• Der Betriebsmodus des erfinderischen Schalters wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3a und 3b in dem Fall beschrieben, in welchem die transportierten Elektronen einer gewissen Streuung ausgesetzt sind, und daher der Elekronentransport nicht vollkommen ballistisch ist. Die Elektronenwellenleiter 2 haben auch mehrere Ausbreitungsmoden (propagation modes). Die Halbleitermaterialien in dem Schalter haben auf bekannte Weise getrennte Energiebänder, jeweils ein Valenzband und ein Leitungsband. Die Kurve C in Fig. 3a zeigt eine Energiedifferenz Eg zwischen diesen Bändern, d.h. die Bandlücke. Die Ordinate X in Fig. 3a bezeichnet einen Lateralabstand, transversal zu dem in Fig. 2 gezeigten Wellenleiter 7 und 8. In einem nicht beeinflußten Zustand, befindet sich das untere Ende des Leitungsbandes der GaAs- Elektronenwellenleiter 2 bei einem Energieniveau Eg1, welches niedriger liegt als ein entsprechendes Energieniveau Eg2 der GaAlAs-Schichten 13, 14. Die Energiedifferenz beträgt Eg2 - Eg1 = 0,3 eV für die in der gezeigten Ausführung gewählten Materialien. Elektronen in den Wellenleitern 2 werden durch die Potentialvertiefungen, welche durch die kleinere Bandlücke der Wellenleiter erzeugt werden, daran gehindert, sich in das Substrat auszubreiten. Die Potentialvertiefungen sind für die auslaufenden Wellenleiter 7 und 8 in den Zeichnungen der Fig. 3a und 3b gezeigt. Das elektrische Feld E beeinflußt Materialien in dem Schalter und verschiebt Energieniveaus, wie durch eine Kurve D in Fig. 3b gezeigt. Mit dem Feld E, welches auf die in Fig. 2 gezeigte Weise gerichtet ist, wird die Bandkante des Leitungsbandes des auslaufenden Elektronenwellenleiters 7 auf ein höheres Niveau E3 als ein Niveau E4 des Elektronenwellenleiters 8 verschoben. Wie oben erwähnt, wird der Fall betrachtet, bei welchem die Elektronen während ihres Transports in dem Wellenleiter 2 einem gewissen Grad an Steuerung ausgesetzt sind. In diesem Fall werden die Elektronen von einem einlaufenden Energieniveau auf ein niedrigeres Energieniveau herabrelaxieren, während sie durch den Elektronenwellenleiter 6 und das Verbindungsgebiet 9 laufen. Diese Elektronen werden eine größere Wahrscheinlichkeit haben, durch den auslaufenden Elektronenwellenleiter geleitet zu werden, welcher das durch die Elektroden 10 und 11 gesteuerte niedrigste Potential hat, d.h. durch den Elektronenwellenleiter 8 in der gezeigten Ausführung. Wenn das elektrische Feld E ausreichend stark ist, werden im wesentlichen alle Elektronen aus dem einlaufenden Elektronenwellenleiter 6 durch den auslaufenden Wellenleiter 8 geleitet.
• Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4a und 4b der Fall beschrieben, bei welchem der Elektronentransport vollkommen ballistisch ist. In diesem Fall sind prinzipiell ein oder mehrere Ausbreitungsmoden in den Elektronenwellenleitern 2 erlaubt. Unten wird der Einzelmodusfall beschrieben. Eine Elektronenwellenfunktion ψ in dem einlaufenden Wellenleiter 6 wird beim Fehlen des elektrischen Feldes E gemäß Fig. 1 in den zwei auslaufenden Wellenleitern 7 und 8 jeweils in zwei gleiche Elektronenwellenfunktionen ψ&sub1; und ψ&sub2; geteilt. Dies bedeutet, daß im Mittel eine gleiche Anzahl von Elektronen in den zwei Elektronenwellenleitern erfaßt werden kann. Das Potential dieser zwei Elektronenwellenleiter wird durch die Kurve F in Fig. 4a angegeben, in denen ebenfalls die Elektronenwellenfunktionen schematisch gezeigt sind. Wenn das elektrische Feld E angelegt wird, wird ein verändertes Potential erhalten, wie durch die Kurve G in Fig. 4b gezeigt.
• Die Elektronenwellenfunktionen ψ&sub1; und ψ&sub2; in den zwei auslaufenden Elektronenwellenleitern 7 und 8 haben das gleiche Gesamtenergieniveau G5, da der Elektronentransport ballistisch ist. Das Schalten findet auf die folgende Weise statt. Ein Wellenvektor kz, entsprechend der Beziehung kz = pz/ , wird dem Elektronenimpuls Pz in der z-Richtung der Ausbreitung zugeordnet. Dieser Vektor kz hat verschiedene Werte in den zwei Elektronenwellenleitern 7 und 8 in der Ausbreitungsrichtung der Wellenfunktionen. Diese Vektoren unterscheiden sich gemäß der Beziehung
• In dieser Beziehung ist m* die effektive Masse der Elektronen, = h/2π, wobei h die Plancksche Konstante ist, und ΔV ist eine Potentialdifferenz gemäß Fig. 4b. Die Differenz in der Größe des kz-Vektors ist ein Maß für die Phasenfehlanpassung zwischen den auslaufenden Elektronenwellenleitern 7 und 8. Die einlaufende Elektronenwellenfunktion ψ in dem Elektronenwellenleiter 6 hat, wie bereits erwähnt, nur einen Ausbreitungsmodus, den einzigen Ausbreitungsmodus, der erlaubt ist, welcher in Raumkoordinaten eine gerade Parität hat. Die Elektronenwellenfunktion ψ versucht ihre Parität in den Elektronenwellenleitern 2 aufrechtzuerhalten, und koppelt an die quasigerade Elektronenwellenfunktion ψ&sub1; oder ψ&sub2; in jenem einen Elektronenwellenleiter 7 oder 8, welcher das niedrigste Potential hat, an. Diese Kopplung zwischen den Wellenfunktionen findet im wesentlichen in dem Verbindungsgebiet 9 statt, und das Schalten wird um so ausgeprägter, je größer die Potentialdifferenz ΔV ist, d.h. in anderen Worten, je stärker das elektrische Feld E ist. Diese Schalteigenschaften werden ausführlich unter Bezug auf Fig. 5 unten beschrieben. Das Schalten zwischen den Moden der Elektronenwellenfunktionen ist höchst unsensibel auf die Energien der einlaufenden Elektronen, und der Schalter arbeitet für ein breites Spektrum von einfallenden Elektronenenergien.
• In den zwei zuvor beschriebenen Betriebsfällen wird die Elektronenwelle auf jenen auslaufenden Elektronenwellenleiter 7 oder 8 geschaltet, welcher den Elektronen das niedrigste Potential bietet. Es sollte jedoch genau beachtet werden, daß das Schalten in den zuvor genannten zwei verschiedenen Betriebsfällen aus verschiedenen Gründen stattfindet. In dem ersten erwähnten Fall, in welchem die Elektronen gestreut werden, wird die Energie der Elektronen nicht erhalten und der Elektronenstrom fließt aus energetischen Gründen in den Wellenleiter mit niedrigstem Potential. In dem zweiten Fall, in welchem der Elektronentransport vollkommen ballistisch ist, beim Fehlen der Elektronenstreuung, wird das Schalten als ein reines Wellenausbreitungsproblem für die Elektronenwellenfunktion ψ betrachtet. Die Parität dieser Wellenfunktion bleibt erhalten, und ein oder mehrere Ausbreitungsmoden sind für die Elektronenwellenfunktion in den Elektronenwellenleitern 2 erlaubt. Die Grenze zwischen den zwei Betriebsfällen ist in der Praxis nicht gut definiert, und beide Betriebsfälle können in ein und demselben Schalter gleichzeitig auftreten.
• In dem Fall der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführung, bestehen die Wellenleiter 2 und das Substrat 1 aus gegenseitig verschiedenen Materialien. Es ist jedoch ebenfalls möglich, einen Elektronenwellenleiter in einem Substrat mit Hilfe eines elektrischen Feldes einzugrenzen. In diesem Fall kann die Breite der Elektronenwellenleiter mit Hilfe der elektrischen Felder beeinflußt werden, auf eine Weise, um einen Einzelmodus-Wellenleiter oder einen Multimodus-Wellenleiter für die Elektronenwellenfunktion zu erhalten.
• In letzterem Betriebsfall, beim ballistischen Transport der Elektronen, findet keine Energiedissipation in dem Schalter statt. In ersterem Fall, in welchem sich die Elektronen verteilen, wird eine bestimmte, kleine Wärmemenge in dem Schalter erzeugt, was aus den folgenden Gründen nachteilig ist. Mesoskopische Komponenten sind sehr klein, und es ist möglich, eine große Anzahl solcher Komponenten auf einem gemeinsamen Substrat zu integrieren. Eine bedeutende Energiemenge kann innerhalb eines begrenzten Volumens erzeugt werden, was eine Kühlung der Komponenten erforderlich macht.
• Fig. 5 ist ein computersimuliertes Diagramm, welches eine Eingangs-Ausgangs-Charakteristik für den erfinderischen Schalter in dem Einzelmodus-Ausbreitungsfall zeigt. Das Eingangssignal ist das elektrische Feld E aus den Elektroden 10 und 11, welches auf der Abszisse des Diagramms aufgetragen ist. Die einlaufende Elektronenwellenfunktion ψ hat eine Leistung P0, welche von den auslaufenden Elektronenwellenleitern 7 und 8 als Elektronenwellenfunktionen ψ&sub1; und ψ&sub2; mit jeweiligen Leistungen P1 und P2 aufgeteilt und geliefert wird. Diese Leistungen werden als Quadrate des Betrags der Elektronenwellenfunktionen gemessen. Die Leistung P0 ist auf 1.0 normalisiert und ist auf der Ordinate des Diagramms aufgetragen, und die Charakteristik wird durch die Kurven für die Leistungen P1 und P2 wiedergegeben. Eine Kurve R zeigt die reflektierte Energie in dem Zweig. Aus dem Diagramm erkennt man, daß der Schalter insofern digital ist, daß ein Ausgangssignal 0 oder 1 erhalten wird, wenn der Betrag des Eingangssignals E einen gegebenen Wert überschreitet, d.h. in dem Diagramm ein Wert von ungefähr 0,5 Volt/µm. Dieser Wert entspricht einer Spannungsdifferenz von ungefähr 0,1 Volt zwischen den Elektroden 10 und 11 des in Fig. 1 gezeigten Schalters.
• Nun wird eine kurze Beschreibung der Art und Weise gegeben, auf welche die in den Fig. 1 und 2 gezeigte erfinderische Komponente hergestellt wird. Die planaren Schichten 13 und 14, welche in Fig. 2 gezeigt sind, können durch epitaktisches Wachstum von Halbleitermaterialien hergestellt werden. Diese Technik ist gut entwickelt und kann zum Wachsen einer Schicht mit einer Dicke von z.B. 5 nm (50 Å) für die Wellenleiter 2 verwendet werden. Halbleiterschichten dieser Dicke werden beispielsweise in sogenannten Quantum-Well-Lasern (Potentialtopslaser) gefunden, und auch in anderen optischen Komponenten, welche auf Laser dieser Art beruhen. Der Lateraleinschluß der Wellenleiter zum Zwecke des Einschließens der Elektronenwellenfunktion führt zu gewissen Schwierigkeiten, obwohl eine Anzahl von Verfahren bekannt sind.
• - M. Notomi et. al. offenbaren in Applied Physics Letters, Vol. 58, (1991), Seite 720 ff. ein Schichtätzungs- und Wiederwachstumsverfahren. Dieses Verfahren kann bei der Produktion des in Fig. 2 gezeigten Schalters verwendet werden, bei welchem die Elektronenwellenleiter 7 und 8 durch ein Ätzverfahren, sogenanntes Mesa-Ätzen, hergestellt werden, und die Schicht 14 eine Wiederwachstumsschicht (regrow layer) ist.
• - In der zuvor genannten Schrift von N. Dagli et.al. wird ein Verfahren zum Einschluß der Elektronenwellenfunktion mit Hilfe von elektrischen Feldern offenbart.
• - Atomares Wachstum von Quantenwellenleitern, wie es von P.M. Petroff in einem Artikel "Novel approaches in 2 and 3 dimensional confinement structures: processing and properties" in der Zeitschrift Superlattices and Microstructures vol. 8, Nr. 1, Seiten 35 - 39, University of California, Santa Barbara, 1990 beschrieben wird.
• - Die Verwendung von spannungsinduziertern Einschluß der Elektronenwellenleiter ist ebenfalls möglich.
• Bezüglich der Elektronenwellenleiter kann festgestellt werden, daß je schmaler die Wellenleiter sind, desto größer ist die laterale Potentialstufe, welche akzeptiert werden kann, ohne daß die Wellenleiter zu Multimodus-Wellenleitern werden. Umgekehrt, wenn aus irgend einem praktischen oder anderem Grund, die Wellenleiter breiter gemacht werden müssen, beispielsweise breiter als 50 nm, ist es notwendig, daß die Potentialstufe klein ist, so daß die Elektronenwellenleiter Einzelmodus-Wellenleiter sind. In der Folge ist es notwendig, daß die Schaltvorrichtung eine niedrigere Temperatur hat, um eine Streuung der Ladungsträger durch die Elektronenwellenleiter zu verhindern.
• Eine Alternativausführung der Erfindung ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Diese Ausführung enthält ein Substrat 21, welches aus InP (Indiumphosphid) besteht und Elektronenwellenleiter 22 aus InGaAsP (Indium-Gallium-Arsenid-Phosphid) hat, welche in der Ansicht der Fig. 6 nicht sichtbar sind, und welche daher durch unterbrochene Linien gezeigt sind. Die Elektronenwellenleiter enthalten einen einlaufenden Elektronenwellenleiter 23, welcher an einem Ende mit einem Elektronenreservoir 24 verbunden ist, und an seinem anderen Ende mit einem Verbindungsgebiet 25. Aus diesem Verbindungsgebiet erstrecken sich drei auslaufende Elektronenwellenleiter 26, 27 und 28, welche in einer Gabelkonfiguration angeordnet sind, und von denen jeder mit einem jeweiligen Elektronenreservoir 29, 30 und 31 verbunden ist. Diese Reservoirs sind voneinander elektrisch isoliert, und Elektronen werden von dem Reservoir 24 durch die Elektronenwellenleiter 22 zu den Reservoirs 29, 30 und 31 mit der Hilfe von nicht abgebildeten Spannungsquellen getrieben. Elektronen in dem einlaufenden Wellenleiter 23 werden in einen der auslaufenden Elektronenwellenleiter 26, 27 oder 28 mit der Hilfe von Elektroden 32, 33, 34 und 35, welche in Fig. 7 gezeigt sind, geschaltet. Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 6 gezeigten Schalters, entlang der Linie N-N in besagter Figur. Das Substrat 21 enthält eine Bodenschicht 36, welche die Wellenleiter 22 trägt. Diese Wellenleiter werden von einer Oberschicht 37 abgedeckt, welche die Elektroden 32, 33 und 34 trägt. Die Elektrode 35 ist auf der unteren Oberfläche der Oberschicht 36 montiert. Spannungsquellen (nicht abgebildet) sind zwischen der Elektrode 35 und den Elektroden 32, 33 und 34 angeschlossen, und erzeugen ein elektrisches Feld E1, welches sich in der Figur zwischen den Elektroden 32 und 35 erstreckt. Das Feld E1 verändert die Potentiale der auslaufenden Elektronenwellenleiter 26, 27 und 28, und steuert einen Elektronenfluß in den Elektronenwellenleitern 22. Diese Steuerung wird auf eine Art und Weise durchgeführt, welche jener entspricht, die unter Bezug auf die Fig. 1 bis 5 oben beschrieben wurde.
• Eine weitere Ausführung wird kurz unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben. In dieser Ausführung hat ein Substrat 41 Elektronenwellenleiter 43 und Elektronenreservoirs 43 - 46. Die Elektronenwellenleiter enthalten zwei einlaufende Elektronenwellenleiter 47 und 48, jeder von welchen mit einem jeweiligen Elektronenreservoir 43 und 44 verbunden ist. Die Elektronenwellenleiter 47 und 48 sind mit einem gemeinsamen Verbindungsgebiet 49 verbunden, an welches ebenfalls zwei auslaufende Elektronenwellenleiter 50 und 51 angeschlossen sind. Diese zwei Elektronenwellenleiter verzweigen sich gabelartig und jeder ist mit einem jeweiligen Elektronenreservoir 45 und 46 verbunden. Auf der oberen Oberfläche des Substrats 41 sind Elekroden 54 - 56 montiert, mittels derer elektrische Felder E11 und E21 jeweils erzeugt werden können. Elektronen, welche in einem der einlaufenden Elektronenwellenleiter 47 oder 48 einlaufen, können zwischen den auslaufenden Elektronenwellenleitern 50 und 51 mit Hilfe der Elektroden 53 - 56 geschaltet werden. Der in Fig. 8 gezeigte Schalter ist im wesentlichen auf die gleiche Art und Weise aufgebaut, wie der in Fig. 1 gezeigte Schalter, und arbeitet auf die gleiche Weise, wie jener Schalter. Der einzige Unterschied zwischen den zwei Ausführungen ist, daß die Ausführung nach Fig. 8 zwei Eingänge hat. Das elektrische Feld E11 erzeugt eine Asymmetrie zwischen den einlaufenden Elektronenwellenleitern 47 und 48. Man beachte, daß diese Asymmetrie auf der Eingangsseite permanent angeordnet werden kann, beispielsweise indem die Elektronenwellenleiter 47 und 48 unterschiedlich breit gemacht werden.
• Die zuvor beschriebenen Schalter bestehen aus Halbleitermaterial. Es ist jedoch möglich, die Schalter aus anderen Arten von Materialien herzustellen, beispielsweise aus elektrisch leitfähigen Polymermaterialien.
• Mesoskopische Komponenten haben gegenüber konventionellen elektronischen Komponenten mehrere Vorteile, unter anderem dadurch, daß sie, wie oben beschrieben, nur kleine Steuersignale benötigen. Die Komponenten können geschaltet werden, während sie nur eine kleine Energiemenge erzeugen, beispielweise einige wenige eV, verglichen mit 1000 eV im Fall der fortschrittlichsten konventionellen elektronischen Komponenten, die bislang bekannt sind, bei Raumtemperatur. Ferner führt der ballistische Transport der Elektronen zu extrem schnellen Komponenten, und ein Schalten im THz-Bereich erscheint möglich. Der erfinderische Schalter hat auch Vorteile gegenüber bekannten mesoskopischen Komponenten. Wie oben erklärt, ist der erfinderische Schalter digital und kann Elektronen in einem breiten Energiebereich schalten, und der Schalter erfordert keine Einzelmodus-Wellenleiter (single mode waveguides).

Claims (8)

1. Ein Elektronenwellenleitungs-Quanteneffektschalter, umfassend:

ein Substrat (1; 21; 41) mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten, entgegengesetzten Hauptoberfläche;

mindestens drei Elektronenwellenleiter (2; 22; 42), welche von dem Substrat (1; 21; 41) getragen werden, wobei jeder Wellenleiter (2; 22; 42) in einer jeweiligen longitudinalen Richtung verlängert ist, und eine jeweilige Transversalrichtung senkrecht zu jeder der jeweiligen Longitudinalrichtungen steht,

wobei die Elektronenwellenleiter (2; 22; 42) mindestens einen einlaufenden Elektronenwellenleiter (6; 23; 47, 48) und mindestens zwei auslaufende Elektronenwellenleiter (7, 8; 26, 27, 28; 50, 51) enthalten,

jeder Elektronenwellenleiter (2; 22; 42) mit einem jeweiligen Elektronenreservoir (3, 4, 5; 24, 29, 31; 43, 44, 45, 46) verbunden ist, wobei die Elektronenreservoirs (3, 4, 5; 24, 29, 30, 31; 43, 44, 45, 46) elektrisch voneinander isoliert sind, die Elektronenwellenleiter (2; 22; 42) eine Ausdehnung in ihrer Transversalrichtung haben, welche in der gleichen Größenordnung ist wie eine Wellenlänge einer Elektronenwellenfunktion in den Elektronenwellenleitern (2; 22; 42); und Feld-Effektelektroden (10, 11; 32, 33, 34, 35; 53, 54, 55, 56), welche sich mindestens neben den auslaufenden Elektrodenwellenleitern (7, 8; 26, 27, 28; 50, 51) befinden, wobei ein elektrisches Feld (E; E1; E11; E21) zumindest durch einen der auslaufenden Elektronenwellenleiter (7, 8; 26, 27, 28; 50, 51, ) läuft;

dadurch gekennzeichnet, daß

der mindestens eine einlaufende Elektronenwellenleiter (6; 23; 47, 48) sich in die mindestens zwei auslaufenden Elektronenwellenleiter (7, 8; 26, 27, 28; 50, 51) in einem Verbindungsgebiet (9; 25; 49) verzweigt,

die Elektronenwellenleiter (2; 22; 42) sich von dem Verbindungsgebiet (9; 25; 49) zu ihren jeweiligen Elektronenreservoirs (3, 4, 5; 24, 29, 30, 31; 43, 44, 45, 46) erstrecken;

wobei im Betrieb Elektronen in den einlaufenden Elektronenwellenleitern (6; 23; 47, 48) in jenen auslaufenden Wellenleiter (7, 8; 26, 27, 28; 50, 51) geschaltet werden, welcher das niedrigste energetische Potential hat.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter eine longitudinale Ausdehnung (L1) hat, welche maximal die gleiche Größe hat wie die Kohärenzlänge der Elektronenwellenfunktion (ψ) bei der Betriebstemperatur; und

die Elektronenwellenleiter so sind, daß die Elektronenwellenfunktion (ψ) in den Elektronenwellenleitern (2; 22; 42) eine Einzelmodus- Ausbreitung hat, das elektrische Feld (E; E1; E21) zu einer Phasenfehlanpassung der Elektronenwellenfunktion (ψ) führt, so daß Elektronen in dem einlaufenden Elektronenwellenleiter (6; 23; 47, 48) zu jenem auslaufenden Elektronenwellenleiter (7, 8; 26, 27, 28; 50, 51) geschaltet werden, welcher das niedrigste energetische Potential hat.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenwellenleiter so sind, daß die Elektronenwellenfunktion (ψ) in den Elektronenwellenleitern (2; 22; 42) eine Multimodus- Ausbreitung hat, das elektrische Feld (E; E1; E21) Bandlückenniveaus (Eg1, Eg2, E3, E4) der Elektronenwellenleiter (2) verschiebt, so daß Elektronen mit einem Eingangsenergieniveau in dem einlaufenden Elektronenwellenleiter (6; 23; 47; 48) auf niedrigere Energieniveaus herabrelaxieren und dadurch in den Elektronenwellenleiter (7, 8; 26, 27, 28; 50, 51) geschaltet werden, welcher das niedrigste energetische Potential hat.

4. Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter mindestens zwei einlaufende Elektronenwellenleiter (47, 48) hat, die sich in die mindestens zwei auslaufenden Wellenleiter (50, 51) in dem Verbindungsgebiet (49) verzweigen.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der einlaufenden Elektronenwellenleiter (47, 48) in seiner Transversalrichtung eine größere Ausdehnung hat, als der andere einlaufende Elektronenwellenleiter (47, 48) in seiner Transversalrichtung.

6. Schalter nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feld-Effektelektroden (10, 11; 53, 54, 55, 56) nur auf der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1; 41) angeordnet sind.

7. Schalter nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feld-Effektelektroden (32, 33, 34, 35) auf beiden Hauptoberflächen des Substrats (21) angeordnet sind.

8. Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter einen einlaufenden Elektronenwellenleiter (6) und zwei auslaufende Elektronenwellenleiter (7, 8) enthält, und daß zwei beabstandete Feld-Effektelektroden (10, 11) vorgesehen sind, wobei beide beabstandete Feld- Effektelektroden (10,11) auf der ersten Hauptoberfläche des Substrats (1) angeordnet sind, und die auslaufenden Elektronenwellenleiter (7, 8) sich innerhalb des Raums zwischen beiden beabstandeten Feld-Effektelektroden (10, 11) befinden.