JP2932756B2 - 伝導性の増大した共振超格子構造体 - Google Patents
伝導性の増大した共振超格子構造体Info
- Publication number
- JP2932756B2 JP2932756B2 JP3133741A JP13374191A JP2932756B2 JP 2932756 B2 JP2932756 B2 JP 2932756B2 JP 3133741 A JP3133741 A JP 3133741A JP 13374191 A JP13374191 A JP 13374191A JP 2932756 B2 JP2932756 B2 JP 2932756B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- quantum well
- layer
- phonon
- energy
- monolayer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 74
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 40
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 26
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims description 6
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 13
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 6
- FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N alumanylidynearsane;gallanylidynearsane Chemical compound [As]#[Al].[As]#[Ga] FTWRSWRBSVXQPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 3
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 2
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000001803 electron scattering Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive element covered by groups H10N30/00 – H10N35/00
Landscapes
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に超伝導体に関
し、さらに詳しくは半導体材料で作られた共振超伝導構
造に関する。
し、さらに詳しくは半導体材料で作られた共振超伝導構
造に関する。
【0002】
【従来の技術】通常フェルミ・エネルギ(EF)の正ま
たは負kbT以内のエネルギ・レベルにある電子が崩壊
して、EF以下でほぼkbTcに等しいエネルギ状態に
陥るとき、超伝導状態が結晶格子に生じる。ここで、T
cは超伝導性が生じる臨界温度であり、kbは結晶格子
のブリュアン帯の境界を定めるベクトルである。電子
は、「クーパー対(Cooper pairs)」とし
て結合、すなわち対になることによってのみ崩壊しう
る。クーパー対となるためには、あるエネルギ・レベル
の各電子 が等しい運動量を有しかつ回転して、通常の
状態では不可能な高密度で電子を充填する必要がある。
対になった電子は、等しくかつ反対の運動量の変化で拡
散するので、電子エネルギは全体的には失われない。故
に、対になった電子はそのエネルギ・レベルで抵抗を受
けずに電荷を運ぶ。
たは負kbT以内のエネルギ・レベルにある電子が崩壊
して、EF以下でほぼkbTcに等しいエネルギ状態に
陥るとき、超伝導状態が結晶格子に生じる。ここで、T
cは超伝導性が生じる臨界温度であり、kbは結晶格子
のブリュアン帯の境界を定めるベクトルである。電子
は、「クーパー対(Cooper pairs)」とし
て結合、すなわち対になることによってのみ崩壊しう
る。クーパー対となるためには、あるエネルギ・レベル
の各電子 が等しい運動量を有しかつ回転して、通常の
状態では不可能な高密度で電子を充填する必要がある。
対になった電子は、等しくかつ反対の運動量の変化で拡
散するので、電子エネルギは全体的には失われない。故
に、対になった電子はそのエネルギ・レベルで抵抗を受
けずに電荷を運ぶ。
【0003】従って、超伝導材料の主要な特徴は、通常
の抵抗性伝導の原因となっているフェルミ粒子ではな
く、電子対として電子を存在せしめることである。近
年、高温で電子対が存在しうる材料を開発するため多く
の研究が行われている。本発明は、電子結合が自然では
起こりえない温度において電子対の形成を促進する方法
に関する。
の抵抗性伝導の原因となっているフェルミ粒子ではな
く、電子対として電子を存在せしめることである。近
年、高温で電子対が存在しうる材料を開発するため多く
の研究が行われている。本発明は、電子結合が自然では
起こりえない温度において電子対の形成を促進する方法
に関する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】結晶格子内の電子は、
結晶格子の電子特性および結晶特性によって決まる特性
コヒーレンス長を有する。熱や電磁界といった外因によ
り、この電子コヒーレンス長は影響を受ける。通常の導
電状態の電子は互いに反発しあい、対を形成するほど接
近することはない。しかし、超伝導体中の電子は格子振
動(フォノン:phonon)と相互に作用して対を形
成する。対になった電子は、電子コヒーレンス長よりも
互いに接近している。自然界の超伝導体では、電子とフ
ォノンの相互作用の結果、低温で超伝導性が生じ、この
とき電子コヒーレンス長は十分な長さとなる。
結晶格子の電子特性および結晶特性によって決まる特性
コヒーレンス長を有する。熱や電磁界といった外因によ
り、この電子コヒーレンス長は影響を受ける。通常の導
電状態の電子は互いに反発しあい、対を形成するほど接
近することはない。しかし、超伝導体中の電子は格子振
動(フォノン:phonon)と相互に作用して対を形
成する。対になった電子は、電子コヒーレンス長よりも
互いに接近している。自然界の超伝導体では、電子とフ
ォノンの相互作用の結果、低温で超伝導性が生じ、この
とき電子コヒーレンス長は十分な長さとなる。
【0005】本発明は、半導体材料を用いて合成格子を
提供し、この合成格子を調整して電子とフオノンの相互
作用を促進し、特に、通常では電子対が存在しない温度
において材料内に電子対を形成させる電子とフォノンの
相互作用を促進する。
提供し、この合成格子を調整して電子とフオノンの相互
作用を促進し、特に、通常では電子対が存在しない温度
において材料内に電子対を形成させる電子とフォノンの
相互作用を促進する。
【0006】従って、本発明の目的は電子・フォノン相
互作用の回数が高い新しい合成超伝導材料を提供するこ
とである。
互作用の回数が高い新しい合成超伝導材料を提供するこ
とである。
【0007】本発明の他の目的は、共振電子・フォノン
相互作用過程を有する超伝導材料を提供することであ
る。
相互作用過程を有する超伝導材料を提供することであ
る。
【0008】さらに、本発明の目的は、不純物で調整し
た超格子量子ウェル(modulation dope
d superlattice quantumwel
l)を用いる超伝導材料に関する。
た超格子量子ウェル(modulation dope
d superlattice quantumwel
l)を用いる超伝導材料に関する。
【0009】本発明のさらに他の目的は、量子ウェルを
有する共振超格子超伝導体であって、光学縦フォノン・
エネルギ(optical longitudinal
phonon energy)が2つのエネルギ状態
の差に等しいフォノン・ジェネレータを有する共振超格
子超伝導体を提供することである。
有する共振超格子超伝導体であって、光学縦フォノン・
エネルギ(optical longitudinal
phonon energy)が2つのエネルギ状態
の差に等しいフォノン・ジェネレータを有する共振超格
子超伝導体を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の上記のおよび他
の目的および利点は、量子ウェル超伝導構造によって得
れる。量子ウェル構造は、バンドギャップの広い材料か
ら成る2つのバリア層にはさまれた狭いエネルギ・ギャ
ップを有する材料に封じ込められた電子を与える。電子
は、バリア層に不純物を添加し、量子ウェルの不純物を
調整(modulation doping)ることに
より量子ウェルに与えられる。量子ウェルは、その境界
内に異なる材料から成る少なくとも1つの単分子層(m
onollayer)を含む。この単分子層材料は電気
的に不活性であることが望ましく、またこの単分子層は
電子対の形成に必要な電子とフォノンの結合のため生成
されるフォノンの発生源となる。好適な実施例におい
て、複数のフォノン・ジェネレータ単分子層が量子ウェ
ルの中央に設けられ、このフォノン・ジェネレータ単分
子層が量子ウェル材料から成る少数の単分子層によって
互いに分離することでフォノンの個数が増加し、従って
電子とフォノンの相互作用の回数も増加する。
の目的および利点は、量子ウェル超伝導構造によって得
れる。量子ウェル構造は、バンドギャップの広い材料か
ら成る2つのバリア層にはさまれた狭いエネルギ・ギャ
ップを有する材料に封じ込められた電子を与える。電子
は、バリア層に不純物を添加し、量子ウェルの不純物を
調整(modulation doping)ることに
より量子ウェルに与えられる。量子ウェルは、その境界
内に異なる材料から成る少なくとも1つの単分子層(m
onollayer)を含む。この単分子層材料は電気
的に不活性であることが望ましく、またこの単分子層は
電子対の形成に必要な電子とフォノンの結合のため生成
されるフォノンの発生源となる。好適な実施例におい
て、複数のフォノン・ジェネレータ単分子層が量子ウェ
ルの中央に設けられ、このフォノン・ジェネレータ単分
子層が量子ウェル材料から成る少数の単分子層によって
互いに分離することでフォノンの個数が増加し、従って
電子とフォノンの相互作用の回数も増加する。
【0011】
【作用】本発明は、超格子構造において電子結合を促進
することによって超格子層の導電性を向上させる。対に
なった電子は、電子の散乱により、通常抵抗性または絶
縁性を有する材料においてエネルギを失うことなく電荷
を運ぶことが知られている。電子対は、電子と結晶格子
との相互作用、いわゆる電子・フォノン相互作用によっ
て形成することができる。自然界の超伝導材料のほとん
どでは、電子対形成、つまり超伝導性が生まれる特性エ
ネルギ・レベルおよびフォノン・スペクトルとなってい
る。本発明では、量子ウェルに設けられたフォノン・ジ
ェネレータの光学フォノン・エネルギに量子ウェルのエ
ネルギ・レベルが一致するような合成材料を作る。さら
に、本発明では、エネルギ・レベルとフォノン・ジェネ
レータ・エネルギとの特定の関係を用い、量子ウェルに
おいて共振状態を生じさせ、この共振状態が電子とフォ
ノンの相互作用の確率を高め、従って電子対の形成を向
上させる。
することによって超格子層の導電性を向上させる。対に
なった電子は、電子の散乱により、通常抵抗性または絶
縁性を有する材料においてエネルギを失うことなく電荷
を運ぶことが知られている。電子対は、電子と結晶格子
との相互作用、いわゆる電子・フォノン相互作用によっ
て形成することができる。自然界の超伝導材料のほとん
どでは、電子対形成、つまり超伝導性が生まれる特性エ
ネルギ・レベルおよびフォノン・スペクトルとなってい
る。本発明では、量子ウェルに設けられたフォノン・ジ
ェネレータの光学フォノン・エネルギに量子ウェルのエ
ネルギ・レベルが一致するような合成材料を作る。さら
に、本発明では、エネルギ・レベルとフォノン・ジェネ
レータ・エネルギとの特定の関係を用い、量子ウェルに
おいて共振状態を生じさせ、この共振状態が電子とフォ
ノンの相互作用の確率を高め、従って電子対の形成を向
上させる。
【0012】
【実施例】図1は、本発明の一部の拡大図である。バリ
ア層13a−b,14a−bは、アルミニウム・ガリウ
ムひ素(AlGaAs)等のバンドギャップの広い材料
から成る。量子ウェルは、狭バンドギャップ層11,1
2,16によってバリア層13aとバリア層14aとの
間に形成される。AlGaAsをバリア層13a−14
aに使用した場合、量子ウェル層材料としてはガリウム
ひ素(GaAs)が適している。明らかなように、シリ
コン、ゲルマニウムならびにIII−V族およびII−
VI族化合物半導体を含む各種の材料を用いて、バリア
層13a−14aおよび量子ウェル層11,12,16
を形成することができる。ただし、バリア層13a−1
4aのバンドギャップは量子ウェル層11,12,16
のそれよりも広いことが重要である。どの材料を選ぶか
は、材料の量子エネルギ・レベルとフォノン・エネルギ
・スペクトルの所望する関係によって決まる。
ア層13a−b,14a−bは、アルミニウム・ガリウ
ムひ素(AlGaAs)等のバンドギャップの広い材料
から成る。量子ウェルは、狭バンドギャップ層11,1
2,16によってバリア層13aとバリア層14aとの
間に形成される。AlGaAsをバリア層13a−14
aに使用した場合、量子ウェル層材料としてはガリウム
ひ素(GaAs)が適している。明らかなように、シリ
コン、ゲルマニウムならびにIII−V族およびII−
VI族化合物半導体を含む各種の材料を用いて、バリア
層13a−14aおよび量子ウェル層11,12,16
を形成することができる。ただし、バリア層13a−1
4aのバンドギャップは量子ウェル層11,12,16
のそれよりも広いことが重要である。どの材料を選ぶか
は、材料の量子エネルギ・レベルとフォノン・エネルギ
・スペクトルの所望する関係によって決まる。
【0013】量子ウェルの中心に向かって、多数のフォ
ノン・ジェネレータ層10が量子ウェル材料の層16に
よって互いに分離されて形成される。各フォノン・ジェ
ネレータ層10は、量子ウェル材料の光学フォノン・エ
ネルギよりも小さい光学フォノン・エネルギを有する材
料の単分子層から構成されることが好ましい。GaAs
を量子ウェル層11,12,16に用いた場合、インジ
ウムひ素(InAs)はGaAsよりも光学フォノン・
エネルギが小さいため、フォノン・ジェネレータ10の
材料として好適である。中間にある量子ウェル層16
は、5〜10層の量子ウェル材料の単分子層から構成さ
れることが好ましい。
ノン・ジェネレータ層10が量子ウェル材料の層16に
よって互いに分離されて形成される。各フォノン・ジェ
ネレータ層10は、量子ウェル材料の光学フォノン・エ
ネルギよりも小さい光学フォノン・エネルギを有する材
料の単分子層から構成されることが好ましい。GaAs
を量子ウェル層11,12,16に用いた場合、インジ
ウムひ素(InAs)はGaAsよりも光学フォノン・
エネルギが小さいため、フォノン・ジェネレータ10の
材料として好適である。中間にある量子ウェル層16
は、5〜10層の量子ウェル材料の単分子層から構成さ
れることが好ましい。
【0014】バリア層13a−14aに形成される不純
物層(doping layer)21,22は、電荷
キャリアを与え、この電荷キャリアは量子ウェルに落ち
込む。電子を量子ウェルに与えるためには、層21,2
2はシリコン等の任意の適切な材料であってもよい。電
子がバリア層14a,13aを通り抜けて量子ウェル層
11,12に達することができるように、不純物層2
1,22は量子ウェルに近づけて配置しなければならな
い。
物層(doping layer)21,22は、電荷
キャリアを与え、この電荷キャリアは量子ウェルに落ち
込む。電子を量子ウェルに与えるためには、層21,2
2はシリコン等の任意の適切な材料であってもよい。電
子がバリア層14a,13aを通り抜けて量子ウェル層
11,12に達することができるように、不純物層2
1,22は量子ウェルに近づけて配置しなければならな
い。
【0015】動作中、電流は図1に示す超格子構造中を
層の面に対して平行に流れる。また、電流は、バリア層
13,14ではなく、主に量子ウェル層11,12,1
6を流れる。各層について特定の材料の点から本発明を
説明してきたが、重要な点は、各層のバンドギャップ・
エネルギとフォノン・スペクトルとの関係であることが
理解される。さまざまな材料の組み合わせを用いて量子
ウェル、バリア層および調整された不純物層(modu
lation doping)を形成できることが当業
者にとって明らかである。特に別の量子ウェル材料を選
ぶ場合、フォノン・ジェネレータ層10は異なる材料で
あってもよい。また、クーパー対(Cooper pa
irs)を形成する電子結合の点から本発明を説明して
きたが、正孔を結合させても超伝導性が生じることが理
解される。本発明の原理および要素は、材料と不純物を
変えることにより、同様に正孔結合についても当てはま
る。
層の面に対して平行に流れる。また、電流は、バリア層
13,14ではなく、主に量子ウェル層11,12,1
6を流れる。各層について特定の材料の点から本発明を
説明してきたが、重要な点は、各層のバンドギャップ・
エネルギとフォノン・スペクトルとの関係であることが
理解される。さまざまな材料の組み合わせを用いて量子
ウェル、バリア層および調整された不純物層(modu
lation doping)を形成できることが当業
者にとって明らかである。特に別の量子ウェル材料を選
ぶ場合、フォノン・ジェネレータ層10は異なる材料で
あってもよい。また、クーパー対(Cooper pa
irs)を形成する電子結合の点から本発明を説明して
きたが、正孔を結合させても超伝導性が生じることが理
解される。本発明の原理および要素は、材料と不純物を
変えることにより、同様に正孔結合についても当てはま
る。
【0016】図2は、図1に示した量子ウェルの伝導帯
(conductionband)Ec図である。図2
の伝導帯図は、図1に示すフォノン・ジェネレータ10
を有する超格子構造を極めて簡略に示したものである。
フォノン・ジェネレータ10は、図2の伝導帯にある突
起(spike)20に相当する。簡略に図示するた
め、1つの突起20しか示されていないが、突起20は
量子ウェルに形成される各単分子層10に存在すること
が理解される。各単分子層10には、量子ウェル18の
中央付近に突起20が生じる。各単分子層10は、1原
子の幅しか有せず、かつわずか数原子の幅の量子ウェル
材料によって互いに分離されているので、量子ウェル1
8の中央の数オングストロームの幅に多数の単分子層を
形成することができる。導電エネルギ・レベル19,1
7は、バリア層14a,13aに相当する。量子ウェル
18は、図1の層11、12から成る。量子ウェル18
は、バリア層14a,13aよりも狭いバンドギャップ
を有し、従って、量子ウェル内で伝導帯エネルギの低下
が生じる。
(conductionband)Ec図である。図2
の伝導帯図は、図1に示すフォノン・ジェネレータ10
を有する超格子構造を極めて簡略に示したものである。
フォノン・ジェネレータ10は、図2の伝導帯にある突
起(spike)20に相当する。簡略に図示するた
め、1つの突起20しか示されていないが、突起20は
量子ウェルに形成される各単分子層10に存在すること
が理解される。各単分子層10には、量子ウェル18の
中央付近に突起20が生じる。各単分子層10は、1原
子の幅しか有せず、かつわずか数原子の幅の量子ウェル
材料によって互いに分離されているので、量子ウェル1
8の中央の数オングストロームの幅に多数の単分子層を
形成することができる。導電エネルギ・レベル19,1
7は、バリア層14a,13aに相当する。量子ウェル
18は、図1の層11、12から成る。量子ウェル18
は、バリア層14a,13aよりも狭いバンドギャップ
を有し、従って、量子ウェル内で伝導帯エネルギの低下
が生じる。
【0017】量子ウェル18を構成する層に対して平行
方向に移動する電子は、特性エネルギ・レベルE1,E
2を有する。量子ウェル18を移動する電子は、電子波
動関数E1,E2で表される個別のエネルギ値でしか移
動できない。高エネルギ・レベルへと励起するのを防ぐ
ため、電子の移動方向のエネルギは比較的小さくなくて
はならないことに注意されたい。このように励起する
と、電子結合が抑制され、従って超伝導性も抑制され
る。フォノン・ジェネレータ20の電荷分布は、量子ウ
ェル18の中央において最大値を有する。基底状態にお
ける電子波動関数E1も、量子ウェル18の中央におい
て最大値を有する。基底状態の電子は、フォノン・ジェ
ネレータのフォノンと強力に結合し、フォノンが吸収さ
れると次の状態に励起される。状態E2は、量子ウェル
18の中央においてゼロを通る非対称的な波動関数によ
って特徴づけられる。この状態の電子は、フォノン・ジ
ェネレータとの結合が弱く、フォノン・ジェネレータの
フォノンを吸収しない傾向がある。しかし、E2状態の
電子は、フォノン・ジェネレータのフォノンを放出しや
すい。この構造では、第1励起状態の電子がフォノンを
吸収し、第2励起状態の電子がフォノンを放出する。
方向に移動する電子は、特性エネルギ・レベルE1,E
2を有する。量子ウェル18を移動する電子は、電子波
動関数E1,E2で表される個別のエネルギ値でしか移
動できない。高エネルギ・レベルへと励起するのを防ぐ
ため、電子の移動方向のエネルギは比較的小さくなくて
はならないことに注意されたい。このように励起する
と、電子結合が抑制され、従って超伝導性も抑制され
る。フォノン・ジェネレータ20の電荷分布は、量子ウ
ェル18の中央において最大値を有する。基底状態にお
ける電子波動関数E1も、量子ウェル18の中央におい
て最大値を有する。基底状態の電子は、フォノン・ジェ
ネレータのフォノンと強力に結合し、フォノンが吸収さ
れると次の状態に励起される。状態E2は、量子ウェル
18の中央においてゼロを通る非対称的な波動関数によ
って特徴づけられる。この状態の電子は、フォノン・ジ
ェネレータとの結合が弱く、フォノン・ジェネレータの
フォノンを吸収しない傾向がある。しかし、E2状態の
電子は、フォノン・ジェネレータのフォノンを放出しや
すい。この構造では、第1励起状態の電子がフォノンを
吸収し、第2励起状態の電子がフォノンを放出する。
【0018】本発明の重要な特徴は、フォノン・ジェネ
レータによって生成されたフォノンは、E2とE1との
差に実質的に等しいエネルギを有するという点である。
量子ウェル18の第1エネルギ状態と第2エネルギ状態
とのエネルギの差(E1−E2)は、フォノン・ジェネ
レータのフォノン・エネルギと実質的に等しいので、フ
ォノン・ジェネレータの存在により生じる電子とフォノ
ンの相互作用により、吸収・放出過程で電子が対にな
る。電子とフォノン間の結合は次式により表される:
レータによって生成されたフォノンは、E2とE1との
差に実質的に等しいエネルギを有するという点である。
量子ウェル18の第1エネルギ状態と第2エネルギ状態
とのエネルギの差(E1−E2)は、フォノン・ジェネ
レータのフォノン・エネルギと実質的に等しいので、フ
ォノン・ジェネレータの存在により生じる電子とフォノ
ンの相互作用により、吸収・放出過程で電子が対にな
る。電子とフォノン間の結合は次式により表される:
【数2】 ここで、Mは電子・フォノン結合に比例し、
【数1】 は縦光学(longitudinal optica
l:LO)フォノン・ジェネレータ(phonon g
enerator:PG)のエネルギである。
l:LO)フォノン・ジェネレータ(phonon g
enerator:PG)のエネルギである。
【0019】本発明では、2つの第1エネルギ・レベル
の差(E1−E2)は1つの光学フォノン・エネルギ
の差(E1−E2)は1つの光学フォノン・エネルギ
【数1】 に等しい。電子・フォノン結合式から、このフォノン・
エネルギとエネルギ・レベルE1,E2との関係により
共振状態が生じ、このため電子とフォノンの相互作用が
高められることがわかる。超伝導構造全体をGaAs、
AlGaAs、InAsといった一般に入手可能なエピ
タキシャル材料から作るのが便利である。GaAsの縦
光学フォノン・エネルギは約37meVであるので、光
学フォノン・エネルギが30・5meVのInAsはフ
ォノン・ジェネレータ材料として適している。InAs
をフォノン・ジェネレータとして用いた場合、2つの第
1エネルギ・レベルの必要な差(E1−E2)は約30
・5meVである。このエネルギ・レベル差を生じる方
形量子ウェルのパラメータは次の通りである: ウェル材料=GaAs バリア材料=AlGaAs バリア層電位,Vo,=0.122eV 量子ウェル長,Lw,=64層のGaAs(GaAs=
181.12 オングストローム)単分子層 ここで、VoはAl0.15Ga0.85Asから成る
バリア材料に相当する。
エネルギとエネルギ・レベルE1,E2との関係により
共振状態が生じ、このため電子とフォノンの相互作用が
高められることがわかる。超伝導構造全体をGaAs、
AlGaAs、InAsといった一般に入手可能なエピ
タキシャル材料から作るのが便利である。GaAsの縦
光学フォノン・エネルギは約37meVであるので、光
学フォノン・エネルギが30・5meVのInAsはフ
ォノン・ジェネレータ材料として適している。InAs
をフォノン・ジェネレータとして用いた場合、2つの第
1エネルギ・レベルの必要な差(E1−E2)は約30
・5meVである。このエネルギ・レベル差を生じる方
形量子ウェルのパラメータは次の通りである: ウェル材料=GaAs バリア材料=AlGaAs バリア層電位,Vo,=0.122eV 量子ウェル長,Lw,=64層のGaAs(GaAs=
181.12 オングストローム)単分子層 ここで、VoはAl0.15Ga0.85Asから成る
バリア材料に相当する。
【0020】このように広いウェルでは、一つ以上のフ
ォノン・ジェネレータを設けることが好ましい。3〜7
層のフォノン・ジェネレータ層が電子とフォノンの相互
作用を高め、従って、電子対形成の確率を高めると考え
られる。好適な実施例では、図1に示すように、フォノ
ン・ジェネレータ材料の5層の単分子層が、量子ウェル
の中央付近において量子ウェル材料の5〜10層の単分
子層によって離間されている。
ォノン・ジェネレータを設けることが好ましい。3〜7
層のフォノン・ジェネレータ層が電子とフォノンの相互
作用を高め、従って、電子対形成の確率を高めると考え
られる。好適な実施例では、図1に示すように、フォノ
ン・ジェネレータ材料の5層の単分子層が、量子ウェル
の中央付近において量子ウェル材料の5〜10層の単分
子層によって離間されている。
【0021】効果的に電子対を形成するためには、十分
な数の電子を量子ウェルに与えなければならない。好適
な実施例では、相次ぐ層の不純物を変える(不純物変調
方法:modulation doping)ことによ
り、電子を量子ウェルに与えている。不純物変調方法と
は、バリア層13−14(図1に図示)に不純物を添加
することにより長格子の量子ウェル層に電荷キャリアを
与える方法である。量子ウェルに過剰の電子を与えるそ
の他の方法も知られている。電子対を形成するために必
要な数の電子が量子ウェルにない場合、少数の電子を補
うために電子コヒーレンス長を長くする必要がある。つ
まり、電子密度が増加するので、超伝導の臨界温度も上
昇する。また、1つのフォノン・ジェネレータではなく
多数のフォノン・ジェネレータを用いることにより、量
子ウェル層において電子密度が低くても補われる。
な数の電子を量子ウェルに与えなければならない。好適
な実施例では、相次ぐ層の不純物を変える(不純物変調
方法:modulation doping)ことによ
り、電子を量子ウェルに与えている。不純物変調方法と
は、バリア層13−14(図1に図示)に不純物を添加
することにより長格子の量子ウェル層に電荷キャリアを
与える方法である。量子ウェルに過剰の電子を与えるそ
の他の方法も知られている。電子対を形成するために必
要な数の電子が量子ウェルにない場合、少数の電子を補
うために電子コヒーレンス長を長くする必要がある。つ
まり、電子密度が増加するので、超伝導の臨界温度も上
昇する。また、1つのフォノン・ジェネレータではなく
多数のフォノン・ジェネレータを用いることにより、量
子ウェル層において電子密度が低くても補われる。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、超伝導温度よりも
かなり高い温度で動作可能な新規の合成または人工の導
電性が増大した構造体が提供される。本発明は、2つの
量子ウェル層によってはさまれた複数のフォノン・ジェ
ネレータを有する超格子を用い、このフォノン・ジェネ
レータが量子ウェルのエネルギ・レベルの差に実質的に
等しい光学エネルギを有するフォノンを生成する。量子
ウェル内の電子とフォノン・ジェネレータにより生成さ
れたフォノンとの相互作用により、共振状態が生じ、そ
の結果、電子が量子ウェル格子と相互作用してフォノン
を吸収・放出し、電子を結合させる。結合した電子は、
超伝導状態でフォノン・ジェネレータ層に対して平行方
向に結晶格子を通り抜ける。
かなり高い温度で動作可能な新規の合成または人工の導
電性が増大した構造体が提供される。本発明は、2つの
量子ウェル層によってはさまれた複数のフォノン・ジェ
ネレータを有する超格子を用い、このフォノン・ジェネ
レータが量子ウェルのエネルギ・レベルの差に実質的に
等しい光学エネルギを有するフォノンを生成する。量子
ウェル内の電子とフォノン・ジェネレータにより生成さ
れたフォノンとの相互作用により、共振状態が生じ、そ
の結果、電子が量子ウェル格子と相互作用してフォノン
を吸収・放出し、電子を結合させる。結合した電子は、
超伝導状態でフォノン・ジェネレータ層に対して平行方
向に結晶格子を通り抜ける。
【図1】本発明の一部の拡大図である。
【図2】本発明に従った量子ウェル特性を示す伝導帯図
である。
である。
10 フォノン・ジェネレータ層 11,12,16 量子ウェル層(狭バンドギャップ) 13a,14a バリア層(広バンドギャップ) 21,22 不純物層(doping layer) 17,19 伝導エネルギ・レベル 18 量子ウェル 20 フォノン・ジェネレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 39/00 H01L 39/02 H01L 39/22 H01L 39/24 H01L 21/20 H01L 39/12
Claims (5)
- 【請求項1】 バリア層; バリア層上に設けられかつ第1および第2エネルギ・レ
ベルを有する第1層;第1層上に設けられ、第1層の第
1エネルギ・レベルと第2エネルギ・レベルの差に実質
的に等しいエネルギ・レベルの光学フォノンを有する少
なくとも1つの単分子層;および単分子層上に設けら
れ、第一層と同じエネルギ・レベルを有する第二層; によって構成されることを特徴とする、伝導性の増大し
た共振超格子構造体。 - 【請求項2】バリア層がAlGaAsから成り、第1お
よび第2層がGaAsから成り、単分子層がInAsか
ら成ることを特徴とする請求項1の共振超格子構造体。 - 【請求項3】 【数1】 のエネルギを有する光学フォノンを生成するフォノン・
ジェネレータ;および少なくとも2つの層を有する量子
ウェルから成る超格子構造を有する合成超伝導体であっ
て、フォノン・ジェネレータが量子ウェルの2層の間に
はさまれ、量子ウェルがE1およびE2のエネルギ・レベ
ルを有し、さらにE2−E1が 【数1】 に実質的に等しいことを特徴とする共振超格子構造体。 - 【請求項4】物理的に支持する基板上にバリア層を形成
する段階; バリア層の一部に不純物を添加する段階; バリア層よりもバンドギャップの狭い第1量子ウェル層
を形成する段階; 第1量子ウェル層上に量子ウェル層とは異なる材料のフ
ォノン・ジェネレータ単分子層を形成する段階; フォノン・ジェネレータ層上に第2量子ウェル層を設け
る段階; 第2量子ウェル層上に第2バリア層を設ける段階;およ
び第2バリア層の一部に不純物を添加する段階; によって構成されることを特徴とする、伝導性の増大し
た超格子構造体の製造方法。 - 【請求項5】さらに、第2量子ウェル層を形成する前に
別のフォノン・ジェネレータ単分子層を形成する段階;
およびフォノン・ジェネレータ単分子層を分離する中間
層を形成する段階から構成され、中間層が第1および第
2量子ウェル層と同一の組成を有することを特徴とする
請求項4の方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/501,590 US5012302A (en) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | Enhanced conductivity quantum well having resonant charge coupling |
US501590 | 1990-03-30 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04226015A JPH04226015A (ja) | 1992-08-14 |
JP2932756B2 true JP2932756B2 (ja) | 1999-08-09 |
Family
ID=23994189
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3133741A Expired - Fee Related JP2932756B2 (ja) | 1990-03-30 | 1991-03-29 | 伝導性の増大した共振超格子構造体 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5012302A (ja) |
EP (1) | EP0449019B1 (ja) |
JP (1) | JP2932756B2 (ja) |
DE (1) | DE69107320T2 (ja) |
Families Citing this family (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2662856B1 (fr) * | 1990-06-01 | 1997-01-24 | Thomson Csf | Dispositifs haute frequence accordables. |
US5142341A (en) * | 1991-04-08 | 1992-08-25 | Motorola, Inc. | Enhanced conductivity quantum well structure having resonant interface phonon induced charge coupling |
JPH0766984B2 (ja) * | 1992-02-13 | 1995-07-19 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション | ヘテロ超格子pn接合 |
US5917195A (en) * | 1995-02-17 | 1999-06-29 | B.A. Painter, Iii | Phonon resonator and method for its production |
JP4547765B2 (ja) * | 2000-03-30 | 2010-09-22 | 三菱電機株式会社 | 光変調器及び光変調器付半導体レーザ装置、並びに光通信装置 |
US6548320B1 (en) * | 2000-07-06 | 2003-04-15 | Lucent Technologies Inc. | Distributed Bragg reflector laser and fabrication method |
DE102004004584A1 (de) * | 2004-01-29 | 2005-08-25 | Infineon Technologies Ag | Halbleiterspeicherzelle sowie zugehöriges Herstellungsverfahren |
US7619238B2 (en) * | 2006-02-04 | 2009-11-17 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Heterostructure including light generating structure contained in potential well |
US20080020935A1 (en) * | 2006-07-22 | 2008-01-24 | Boris Volfson | Phonon maser |
US9806226B2 (en) | 2010-06-18 | 2017-10-31 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Deep ultraviolet light emitting diode |
US8907322B2 (en) | 2010-06-18 | 2014-12-09 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Deep ultraviolet light emitting diode |
US8927959B2 (en) | 2010-06-18 | 2015-01-06 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Deep ultraviolet light emitting diode |
GB201600532D0 (en) * | 2016-01-12 | 2016-02-24 | Univ Leiden | Methods of manufacturing superconductor and phononic elements |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4261771A (en) * | 1979-10-31 | 1981-04-14 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Method of fabricating periodic monolayer semiconductor structures by molecular beam epitaxy |
US4348686A (en) * | 1980-07-28 | 1982-09-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Microwave-infrared detector with semiconductor superlattice region |
US4665412A (en) * | 1985-06-19 | 1987-05-12 | Ga Technologies Inc. | Coupled heterostructure superlattice devices |
CA1282671C (en) * | 1985-11-18 | 1991-04-09 | John Condon Bean | Device having strain induced region |
JPS63108369A (ja) * | 1986-10-24 | 1988-05-13 | Canon Inc | 乾式現像装置 |
US4857971A (en) * | 1987-03-23 | 1989-08-15 | Xerox Corporation | (IV)x (III-V)1-x alloys formed in situ in III-V heterostructures |
-
1990
- 1990-03-30 US US07/501,590 patent/US5012302A/en not_active Expired - Lifetime
-
1991
- 1991-03-11 EP EP91103661A patent/EP0449019B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1991-03-11 DE DE69107320T patent/DE69107320T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1991-03-29 JP JP3133741A patent/JP2932756B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE69107320D1 (de) | 1995-03-23 |
JPH04226015A (ja) | 1992-08-14 |
DE69107320T2 (de) | 1995-09-21 |
EP0449019B1 (en) | 1995-02-15 |
EP0449019A1 (en) | 1991-10-02 |
US5012302A (en) | 1991-04-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2932756B2 (ja) | 伝導性の増大した共振超格子構造体 | |
Deppe et al. | Spontaneous emission and threshold characteristics of 1.3-/spl mu/m InGaAs-GaAs quantum-dot GaAs-based lasers | |
Dupuis | An introduction to the development of the semiconductor laser | |
US5061970A (en) | Energy band leveling modulation doped quantum well | |
US4941025A (en) | Quantum well semiconductor structures for infrared and submillimeter light sources | |
JP2001522527A (ja) | 半導体量子発振装置 | |
US5877510A (en) | Spin polarized electron semiconductor source and apparatus utilizing the same | |
JP2003023219A (ja) | 半導体量子ドット・デバイス | |
JPH0712100B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
US6525337B1 (en) | Light and/or electron element | |
JPS63220591A (ja) | 半導体装置 | |
Afzali-Kushaa et al. | Optically pumped intersubband lasers based on quantum wells | |
JP2672371B2 (ja) | 光通信変調装置 | |
US4723250A (en) | Solid state cyclotron laser | |
JP2867667B2 (ja) | 伝導性の増大した構造体 | |
JP3146710B2 (ja) | 発光素子 | |
Grigorev | Terahertz Electronics | |
Ivey | Electroluminescence and semiconductor lasers | |
JP3250566B2 (ja) | 伝導性を増進させる量子井戸構造及びそれを形成する方法 | |
US10840163B2 (en) | Negative electroluminescent cooling device | |
JP2765629B2 (ja) | 負性抵抗を有する超格子半導体装置と負性抵抗を変化するための方法及びマイクロ波発振回路 | |
Seeger et al. | Light Generation by Semiconductors | |
Capasso | Band-gap engineering for new photonic and electronic devices | |
König | Photovoltaic Device Physicson the Nanoscale | |
JPH0680865B2 (ja) | 半導体超格子 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |