JP2611741B2 - Electron wave directional coupling element - Google Patents

Electron wave directional coupling element

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JP2611741B2 JP6153199A JP15319994A JP2611741B2 JP 2611741 B2 JP2611741 B2 JP 2611741B2 JP 6153199 A JP6153199 A JP 6153199A JP 15319994 A JP15319994 A JP 15319994A JP 2611741 B2 JP2611741 B2 JP 2611741B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は電子波方向性結合素子に
関わり、そのサイズを小型化することを可能とする素子
構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron wave directional coupling device, and more particularly to a device structure capable of reducing the size of the device.

【0002】[0002]

【従来の技術】図3は従来技術による電子波方向性結合
素子の構造図である。このような電子波方向性結合素子
は、例えば、デル・アラモ(J.A.del Alam
o)らによってアプライド・フィジックス・レターズ
(Appl.Phys.Lett.)第56巻、78
頁、1990年や応用物理第62巻第2号127〜13
3頁(1993年)に報告されている。図に於いて、1
0は半絶縁性(S.I.)半導体基板、31はトンネル
バリア領域、32A、32Bは量子細線チャネルであ
る。量子細線チャネル32Aと32Bはトンネルバリア
領域31を介して接触しており、トンネルバリア領域に
接してゲート電極33が設けられている。更に、量子細
線チャネル32Aの両端にはソース電極34Aとドレイ
ン電極35Aが形成され、量子細線チャネル32Bの両
端には同様にソース電極34Bとドレイン電極35Bが
形成されている。このような電子波方向性結合素子で
は、ゲート電位によりポテンシャルバリア高さVbを変
調することによって、量子細線32Aと32Bに於ける
電子波動関数の結合状態を変え、量子細線チャネル間の
電子遷移確率(TA-B )を変調する。
2. Description of the Related Art FIG. 3 is a structural diagram of an electron wave directional coupling device according to the prior art. Such an electron wave directional coupling element is, for example, a D.A.
o) et al., Appl. Phys. Lett. 56, 78.
Page, 1990 and Applied Physics Vol. 62, No. 127-13
3 (1993). In the figure, 1
0 is a semi-insulating (SI) semiconductor substrate, 31 is a tunnel barrier region, and 32A and 32B are quantum wire channels. The quantum wire channels 32A and 32B are in contact with each other via a tunnel barrier region 31, and a gate electrode 33 is provided in contact with the tunnel barrier region. Further, a source electrode 34A and a drain electrode 35A are formed at both ends of the quantum wire channel 32A, and a source electrode 34B and a drain electrode 35B are similarly formed at both ends of the quantum wire channel 32B. In such an electron-wave directional coupling element, by modulating the potential barrier height Vb with the gate potential, the coupling state of the electron wave functions in the quantum wires 32A and 32B is changed, and the electron transition probability between the quantum wire channels is changed. (T AB ).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ここで、スイッチング
効率を向上し、量子細線32Aから32Bへの電子遷移
確率TA-B を0から1に切り替えるためには、量子細線
チャネル32Aと32Bの接触領域の長さLtを、下式
によって定義されるトランスファー長に一致して設定す
る必要がある。
Here, in order to improve the switching efficiency and switch the electron transition probability T AB from the quantum wires 32A to 32B from 0 to 1, the contact area between the quantum wire channels 32A and 32B is changed. The length Lt needs to be set to match the transfer length defined by the following equation.

【0004】 Lt=π/2κ(Vb) (1) 式に於いて、πは円周率、κは量子細線チャネル32A
と32Bに於ける電子波動関数のカップリング定数であ
る。Ltはポテンシャルバリア高さVbの関数であり、
del Alamoらによれば、Vb=5meVの時に
はLt=1μm、Vb=15meVの時にはLt=5μm
と見積もられる。ここで、トンネルバリア31の厚み
は30nmとしている。ここで、電子波の干渉効果を得る
ためには、トランスファー長Ltが電子波の位相干渉長
Lφより短くなければならないが、Lφ=1〜5μm と
いう条件は、量子細線を高純度の選択ドープ構造を有す
る高純度GaAsによって形成し、絶対温度T=10K
程度まで冷却することによって実現可能である。しかし
ながら、このような電子波方向性結合素子に於いては、
結合長Ltが数μm と小型化が困難なため、それに付随
して寄生容量等も大きくなると共に、真性遅延時間(電
子走行時間)の短縮も困難で、高速動作が困難であると
いう問題があった。
Lt = π / 2κ (Vb) (1) In the equation, π is a circular constant, and κ is a quantum wire channel 32A.
And the coupling constant of the electron wave function at 32B. Lt is a function of the potential barrier height Vb,
According to del Alamo et al., when Vb = 5 meV, Lt = 1 μm, and when Vb = 15 meV, Lt = 5 μm.
It is estimated. Here, the thickness of the tunnel barrier 31 is 30 nm. Here, in order to obtain an electron wave interference effect, the transfer length Lt must be shorter than the phase interference length Lφ of the electron wave. Formed of high-purity GaAs having an absolute temperature T = 10K
This can be achieved by cooling to a degree. However, in such an electron wave directional coupling element,
Since it is difficult to reduce the coupling length Lt to several μm, it is difficult to reduce the parasitic capacitance and the like, and it is also difficult to reduce the intrinsic delay time (electron transit time), making it difficult to operate at high speed. Was.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、両端に
オーム性電極を有する第一及び第二の量子細線チャネル
を有し、該第一及び前記第二の量子細線チャネルは互い
に、電子のド・ブロイ波長以上、且つ平均自由行程以下
のサイズを有する量子井戸ポイントコンタクトを介して
接触すると共に、該量子井戸ポイントコンタクト上には
ゲート電極が設けられた電子波方向性結合素子が得られ
る。
According to the present invention, there is provided a first and a second quantum wire channel having ohmic electrodes at both ends, wherein the first and second quantum wire channels are electrically coupled to each other. Contact through a quantum well point contact having a size not less than the de Broglie wavelength and not more than the mean free path, and an electron wave directional coupling element provided with a gate electrode on the quantum well point contact is obtained. .

【0006】[0006]

【実施例】図1は本発明による電子波方向性結合素子の
実施例の構造図であり、図1(a)に鳥瞰図を、図1
(b)には基板に垂直な方向から見た平面図を示す。図
に於いて、1は量子井戸ポイントコンタクト、2A、2
Bは量子細線チャネル、3はゲート電極、4A、4Bは
ソース電極、5A、5Bはドレイン電極である。また、
量子ポイントコンタクト1の量子細線2A、2Bと接触
する界面を各々、端面6A、6Bとする。本実施例の特
徴は、従来技術に於ける、トランスファー長Lt程度の
長さを有するトンネルバリア領域を電子の平均自由行程
λe程度以下のサイズを有する量子井戸ポイントコンタ
クトで置き換えたことである。
FIG. 1 is a structural view of an embodiment of an electron wave directional coupling device according to the present invention, and FIG.
(B) is a plan view seen from a direction perpendicular to the substrate. In the figure, 1 is a quantum well point contact, 2A, 2
B is a quantum wire channel, 3 is a gate electrode, 4A and 4B are source electrodes, 5A and 5B are drain electrodes. Also,
The interfaces of the quantum point contact 1 that come into contact with the quantum wires 2A and 2B are referred to as end faces 6A and 6B, respectively. The feature of this embodiment is that the tunnel barrier region having a length of about the transfer length Lt in the prior art is replaced with a quantum well point contact having a size of about the mean free path of electrons λe or less.

【0007】この様な素子は以下の様にして作製され
る。半絶縁性(S.I.)GaAs基板10上に例え
ば、分子線エピタキシャル(MBE)成長法により、 ノンドープGaAsバッファ層 … 1μm 、 ノンドープAl0.2 Ga0.8 Asスペーサ層 … 40nm、 n型Al0.2 Ga0.8 As層(不純物濃度3×1018/cm3 ) … 20nm、 n型GaAsキャップ層(不純物濃度3×1018/cm3 ) … 3nm からなる選択ドープ構造を成長する。ここでは、スペー
サ層との界面のGaAsバッファ層がチャネル層となっ
ている。
[0007] Such an element is manufactured as follows. Non-doped GaAs buffer layer: 1 μm, non-doped Al 0.2 Ga 0.8 As spacer layer: 40 nm, n-type Al 0.2 Ga 0.8 on a semi-insulating (SI) GaAs substrate 10 by, for example, molecular beam epitaxy (MBE). A selective doping structure consisting of an As layer (impurity concentration 3 × 10 18 / cm 3 )... 20 nm and an n-type GaAs cap layer (impurity concentration 3 × 10 18 / cm 3 ) 3 nm is grown. Here, the GaAs buffer layer at the interface with the spacer layer is a channel layer.

【0008】次に、選択ドープ構造のバッファ層までを
部分的にエッチング除去することにより、X型の量子細
線チャネル領域を形成する。ここで、量子細線チャネル
の幅は50nm程度である。量子細線チャネルの交差部の
サイズはソース・ドレイン方向の長さをLcl、量子細
線2Aと2B間距離をLctとすると、Lcl=Lct
=50nm程度であり、この交差領域が量子井戸ポイント
コンタクト1を形成する。ソース電極4A、4Bとドレ
イン電極5A、5Bを蒸着後、通常のアロイ処理によっ
てオーム性接触をとり、量子細線チャネルの交差部分に
は、例えば、電子ビーム(EB)露光法により形成した
レジストパタンをマスクとしてゲート金属を蒸着するこ
とにより、ショットキー電極3を形成する。このように
して、図1のような電子波方向性結合素子が作製され
る。
Next, an X-type quantum wire channel region is formed by partially etching up to the buffer layer having the selective doping structure. Here, the width of the quantum wire channel is about 50 nm. The size of the intersection of the quantum wire channels is Lcl = Lct, where Lcl is the length in the source / drain direction and Lct is the distance between the quantum wires 2A and 2B.
= About 50 nm, and this intersection region forms the quantum well point contact 1. After vapor deposition of the source electrodes 4A and 4B and the drain electrodes 5A and 5B, ohmic contact is made by a normal alloying process, and a resist pattern formed by, for example, an electron beam (EB) exposure method is formed at the intersection of the quantum wire channels. The Schottky electrode 3 is formed by depositing a gate metal as a mask. Thus, the electron-wave directional coupling device as shown in FIG. 1 is manufactured.

【0009】本実施例では、量子井戸ポイントコンタク
ト1に対する量子細線2A、2Bの入射角を各々、θ1
=θ2=45°とするが、一般には、θ1≠θ2でもよ
く、45°以外の角度であってもよい。またチャネル層
としてGaAsバッファ層とAlGaAsスペーサ層の
間にノンドープInGaAs歪層を形成してこの層をチ
ャネル層とすることもできる。
In this embodiment, the incident angles of the quantum wires 2A and 2B with respect to the quantum well point contact 1 are given by θ1
= Θ2 = 45 °, but generally θ1 ≠ θ2 or an angle other than 45 °. Alternatively, a non-doped InGaAs strained layer may be formed between the GaAs buffer layer and the AlGaAs spacer layer as a channel layer, and this layer may be used as a channel layer.

【0010】図2に本実施例の量子井戸ポイントコンタ
クト1近傍に於ける電子の進行経路を示す。本実施例で
は、量子細線2Aは端面6Aに於いて、量子井戸ポイン
トコンタクト1に入射角θ1 で電子を入射すると共に、
端面6Aから出射される電子を集める。同様に、量子細
線2Bは端面6Bに於いて、量子井戸ポイントコンタク
ト1に入射角θ2 で電子を入射すると共に、端面6Bか
ら出射される電子を集める。量子ポイントコンタクト1
のサイズはLcl=Lct=50nm程度と、電子平均自
由行程(高純度GaAsの場合、λe=100nm程度)
以下であるので、電子はポイントコンタクト内を無散乱
で走行する。この場合、量子井戸ポイントコンタクト1
内に於ける電子の透過角をθr とし、量子細線2Aと量
子井戸ポイントコンタクト1に於ける電子のフェルミエ
ネルギーを各々、E1 及びEr とすると、次の関係が成
り立つ。
FIG. 2 shows a traveling path of electrons in the vicinity of the quantum well point contact 1 of this embodiment. In the present embodiment, the quantum wire 2A causes electrons to enter the quantum well point contact 1 at the incident angle θ 1 on the end face 6A,
Electrons emitted from the end face 6A are collected. Similarly, at the end face 6B, the quantum wire 2B makes electrons enter the quantum well point contact 1 at an incident angle θ 2 and collects electrons emitted from the end face 6B. Quantum point contact 1
Has a size of about Lcl = Lct = 50 nm and an electron mean free path (about λe = 100 nm in the case of high-purity GaAs).
Since the following, the electrons travel in the point contact without scattering. In this case, quantum well point contact 1
When the transmission angle of the electrons in the inside is θ r and the Fermi energies of the electrons in the quantum wire 2A and the quantum well point contact 1 are E 1 and E r , respectively, the following relationship is established.

【0011】 sinθ1 /sinθr =(Er /E1 1/2 (2) この式はスペクター(J.Spector)らによっ
て、アプライド・フィジックス・レターズ(Appl.
Phys.Lett.)第56巻、1290頁、199
0年に報告されている。したがって、ゲート電圧を印加
して量子井戸ポイントコンタクト1のフェルミエネルギ
ーEr を変化させることによって、透過角θr を変調可
能である。Er =E1 の時には、θ1 =θr となり、全
透過が起こる(電子遷移確率TA-B =1)。また、θr
=90°となる条件をEr =Ec とすると(sinθ1
=(Ec /E1 1/2 )、Er <Ec の時には、全反射
が起こる(TA-B =0)。このように、ゲート電圧に応
じて、量子細線2Aから量子細線2Bへの電子の遷移確
率TA-B を0〜1の範囲で変調できる。同様に、量子細
線2Bから量子細線2Aへの電子遷移確率TB-A も変調
でき、本発明によれば、量子細線間の電子遷移のスイッ
チングをきわめて効率良く行うことができる。
Sin θ 1 / sin θ r = (E r / E 1 ) 1/2 (2) This equation is described by J. Spector et al. In Applied Physics Letters (Appl.
Phys. Lett. Vol. 56, p. 1290, 199
Reported in year 0. Therefore, the transmission angle θ r can be modulated by changing the Fermi energy E r of the quantum well point contact 1 by applying a gate voltage. When E r = E 1 , θ 1 = θ r and total transmission occurs (electron transition probability T AB = 1). Also, θ r
= A condition for a 90 ° When E r = E c (sinθ 1
= (E c / E 1 ) 1/2 ), and when E r <E c , total reflection occurs (T AB = 0). Thus, the transition probability T AB of electrons from the quantum wire 2A to the quantum wire 2B can be modulated in the range of 0 to 1 according to the gate voltage. Similarly, the electron transition probability T BA from the quantum wire 2B to the quantum wire 2A can be modulated, and according to the present invention, the switching of the electron transition between the quantum wires can be performed very efficiently.

【0012】ここで、良好なスイッチングを実現するに
は、電子が量子ポイントコンタクト1内を無散乱で走行
する必要があり、そのためにはポイントコンタクトのサ
イズ(Lcl,Lct)は電子の平均自由行程(高純度
GaAsやInGaAsの場合、λe=100nm程度)
以下であればよい。更に、(Lcl、Lct)は電子が
トンネル効果でポイントコンタクトを貫通してしまう限
界長、即ち、電子のドブロイ(de Broglie)
波長(λ=10nm程度)程度以上である必要がある。し
たがって、ポイントコンタクトのサイズ(Lcl,Lc
t)はλ以上λe以下である必要がある。したがって、
本発明による電子波方向性結合素子の結合長は100nm
程度から数十nmにまで縮小することができるため、真性
遅延時間(電子走行時間)が短縮でき、また、寄生容量
等の縮小も可能で、一層の高速動作を実現できる。
Here, in order to realize good switching, it is necessary for electrons to travel in the quantum point contact 1 without scattering. For this purpose, the size (Lcl, Lct) of the point contact depends on the mean free path of the electron. (In the case of high-purity GaAs or InGaAs, λe = about 100 nm)
The following may be sufficient. Further, (Lcl, Lct) is a limit length at which electrons penetrate a point contact due to a tunnel effect, that is, de Broglie of electrons.
It is necessary to be longer than the wavelength (approximately λ = 10 nm). Therefore, the point contact size (Lcl, Lc
t) needs to be not less than λ and not more than λe. Therefore,
The coupling length of the electron wave directional coupling device according to the present invention is 100 nm.
Since it can be reduced to about several tens of nanometers, the intrinsic delay time (electron transit time) can be reduced, and the parasitic capacitance and the like can be reduced, so that higher speed operation can be realized.

【0013】[0013]

【発明の効果】以上の詳細な説明から明らかなように、
本発明によれば、電子平均自由行程程度のサイズを有す
る量子ポイントコンタクトを介して接触した、一対の量
子細線をチャネルとすることにより、電子波方向性結合
素子を実現でき、電子波方向性結合素子のサイズを小型
化でき、動作速度を向上させることができる。
As is apparent from the above detailed description,
According to the present invention, an electron wave directional coupling element can be realized by using a pair of quantum wires contacted via a quantum point contact having a size about the electron mean free path as a channel. The size of the element can be reduced, and the operation speed can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による電子波方向性結合素子の実施例の
素子構造図である。
FIG. 1 is an element structure diagram of an example of an electron wave directional coupling element according to the present invention.

【図2】本発明による電子波方向性結合素子の動作原理
を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an operation principle of the electron-wave directional coupling device according to the present invention.

【図3】従来の技術による電子波方向性結合素子の素子
構造図である。
FIG. 3 is an element structure diagram of a conventional electron-wave directional coupling element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 量子井戸ポイントコンタクト 2A、2B、32A、32B 量子細線チャネル 3、33 ゲート電極 4A、4B、5A、5B、34A、34B、35A、3
5B オーム性電極 6A、6B 端面 10 半導体基板 31 トンネルバリア
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Quantum well point contact 2A, 2B, 32A, 32B Quantum wire channel 3, 33 Gate electrode 4A, 4B, 5A, 5B, 34A, 34B, 35A, 3
5B Ohmic electrode 6A, 6B End face 10 Semiconductor substrate 31 Tunnel barrier

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】両端にオーム性電極を有する第一及び第二
の量子細線チャネルを有し、該第一及び前記第二の量子
細線チャネルは、電子のド・ブロイ波長以上、且つ電子
の平均自由行程以下のサイズを有する量子井戸ポイント
コンタクトを介して互いに接触すると共に、該量子井戸
ポイントコンタクト上にゲート電極が設けられたことを
特徴とする電子波方向性結合素子。
The present invention has first and second quantum wire channels having ohmic electrodes at both ends, wherein the first and second quantum wire channels are equal to or longer than the de Broglie wavelength of electrons and averaged by electrons. An electron wave directional coupling element, wherein said elements are in contact with each other via a quantum well point contact having a size equal to or smaller than a free path, and a gate electrode is provided on said quantum well point contact.
【請求項2】GaAs基板上に形成され、量子細線チャ
ネルのチャネル層がGaAsまたはInGaAsであ
り、量子井戸ポイントコンタクトの大きさが10nm以上
100nm以下であることを特徴とする請求項1記載の電
子波方向性結合素子。
2. The electron according to claim 1, wherein the channel layer of the quantum wire channel is formed of GaAs or InGaAs, and the size of the quantum well point contact is 10 nm or more and 100 nm or less. Wave directional coupling element.
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