JP3114246B2 - 量子効果デバイス - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/122—Single quantum well structures
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-
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は量子箱を用いた量子効果
デバイスに関する。
デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、半導体発光素子の発振波長は、
バンドギャップによって決定され、このバンドギャップ
は物質に固有の定数であるために、半導体発光ダイオー
ドにより波長可変のデバイスを作製することは困難であ
る。
バンドギャップによって決定され、このバンドギャップ
は物質に固有の定数であるために、半導体発光ダイオー
ドにより波長可変のデバイスを作製することは困難であ
る。
【０００３】ところで、新しい半導体デバイスとして注
目されているデバイスの１つに、量子細線や量子箱を用
いた量子効果デバイスが挙げられており、電子の量子力
学的波長程度の間隔で形成された小さな箱に、電子を閉
じ込めて、その量子準位を利用しようとするものがあ
る。そして、この量子井戸細線（量子井戸箱）をレーザ
ーの形で応用する例も知られており、このようなデバイ
スの一例としては、量子井戸レーザーの活性層として量
子井戸細線を用いるものがある。また、量子井戸に対し
て電界を加えることで、電子・正孔対が空間的に分離さ
れ、発光過程が抑制されて光出力が激減される現象など
も知られる。
目されているデバイスの１つに、量子細線や量子箱を用
いた量子効果デバイスが挙げられており、電子の量子力
学的波長程度の間隔で形成された小さな箱に、電子を閉
じ込めて、その量子準位を利用しようとするものがあ
る。そして、この量子井戸細線（量子井戸箱）をレーザ
ーの形で応用する例も知られており、このようなデバイ
スの一例としては、量子井戸レーザーの活性層として量
子井戸細線を用いるものがある。また、量子井戸に対し
て電界を加えることで、電子・正孔対が空間的に分離さ
れ、発光過程が抑制されて光出力が激減される現象など
も知られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述の各種の量子効果
デバイスでは、極めて微細な間隔で配列された量子細線
や量子箱が用いられ、特有の量子サイズ効果による現象
が利用されている。
デバイスでは、極めて微細な間隔で配列された量子細線
や量子箱が用いられ、特有の量子サイズ効果による現象
が利用されている。
【０００５】ところが、既存の概念を打破して発光波長
を可変とする様な新規なデバイスを作製する場合には、
単に変調の制御用のゲート電極を形成しただけでは所望
の動作を成し得ない。
を可変とする様な新規なデバイスを作製する場合には、
単に変調の制御用のゲート電極を形成しただけでは所望
の動作を成し得ない。
【０００６】そこで、本発明は、上述の技術的な課題に
鑑み、新たな量子効果を発現させる量子効果デバイスを
提供することを目的とする。
鑑み、新たな量子効果を発現させる量子効果デバイスを
提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明の量子効果デバイスは、基板上に並んだ複
数の量子箱間のトンネル遷移により導通がなされ、前記
量子箱に可変の電界をかける導電膜を設け、前記導電膜
による電界によって量子箱間のトンネル遷移確率を制御
することを特徴とする。
めに、本発明の量子効果デバイスは、基板上に並んだ複
数の量子箱間のトンネル遷移により導通がなされ、前記
量子箱に可変の電界をかける導電膜を設け、前記導電膜
による電界によって量子箱間のトンネル遷移確率を制御
することを特徴とする。
【０００８】ここで、前記量子箱は電子や正孔の如きキ
ャリアを空間的に閉じ込めるための微小な領域であり、
隣接する量子箱の間の間隔は量子力学的波長（ド・ブロ
イ波長）程度のものとされる。前記トンネル遷移確率の
制御の一例としては、該導電膜からの電界によって、量
子箱の間に存在するポテンシャル障壁の高さが異なる領
域で選択的な導通がなされるように制御する。
ャリアを空間的に閉じ込めるための微小な領域であり、
隣接する量子箱の間の間隔は量子力学的波長（ド・ブロ
イ波長）程度のものとされる。前記トンネル遷移確率の
制御の一例としては、該導電膜からの電界によって、量
子箱の間に存在するポテンシャル障壁の高さが異なる領
域で選択的な導通がなされるように制御する。
【０００９】
【作用】本発明の量子効果デバイスでは、導電膜からの
電界によって、量子箱間のトンネル遷移確率が変化す
る。このため例えばバンドギャップの変調等の量子効果
を得ることができる。すなわち、タイトバインディング
モデル（強結合モデル）から考えた場合、結晶のバンド
幅ＷA は各格子点間の遷移振幅ｔA に比例する。
電界によって、量子箱間のトンネル遷移確率が変化す
る。このため例えばバンドギャップの変調等の量子効果
を得ることができる。すなわち、タイトバインディング
モデル（強結合モデル）から考えた場合、結晶のバンド
幅ＷA は各格子点間の遷移振幅ｔA に比例する。
【００１０】図１２の（ａ）のＥ−ｋ図に示すような単
結晶のバンドは、本発明の量子効果デバイスでは量子箱
列となるために、図１２の（ｂ）に示すようなサブバン
ドに分裂することになる。ところが、導電膜からの電界
効果によって量子箱間におけるトンネル遷移確率を変化
させ、遷移振幅ｔQ を変調させた場合では、サブバンド
幅ｗi も変調することになる。第０次近似では、バンド
の重心は変わらないと考えて良いため、このサブバンド
幅ｗi の変化によって、図１３の（ａ）及び（ｂ）に示
すように、電子−正孔間のバンドギャップＥｇは変化す
ることになる。図１３の（ａ）では、バンドギャップＥ
ｇの狭い場合を示し、図１３の（ｂ）では、バンドギャ
ップＥｇの広い場合を示す。このバンドギャップＥｇの
変化が本発明の量子効果デバイスを発光素子に適用した
場合に波長の変化につながる。
結晶のバンドは、本発明の量子効果デバイスでは量子箱
列となるために、図１２の（ｂ）に示すようなサブバン
ドに分裂することになる。ところが、導電膜からの電界
効果によって量子箱間におけるトンネル遷移確率を変化
させ、遷移振幅ｔQ を変調させた場合では、サブバンド
幅ｗi も変調することになる。第０次近似では、バンド
の重心は変わらないと考えて良いため、このサブバンド
幅ｗi の変化によって、図１３の（ａ）及び（ｂ）に示
すように、電子−正孔間のバンドギャップＥｇは変化す
ることになる。図１３の（ａ）では、バンドギャップＥ
ｇの狭い場合を示し、図１３の（ｂ）では、バンドギャ
ップＥｇの広い場合を示す。このバンドギャップＥｇの
変化が本発明の量子効果デバイスを発光素子に適用した
場合に波長の変化につながる。
【００１１】このようなバンドギャップの変化が生じる
系において、ｐｎ接合を形成することで、バンドギャッ
プ変調による発光波長可変の量子効果デバイスを得るこ
とが可能となる。また、量子箱のサイズＬが格子定数ａ
のＮ倍のサイズである場合には、サブバンドがＮ個で
き、サブバンドのバンド幅ｗi は（Ｗ／Ｎ）よりも大き
くなることがなく、変化させることのできるギャップ幅
はサブバンドのバンド幅ｗi 程度となる。従って、量子
箱のサイズＬが小さい程、広い範囲の波長帯を制御でき
るようになる。
系において、ｐｎ接合を形成することで、バンドギャッ
プ変調による発光波長可変の量子効果デバイスを得るこ
とが可能となる。また、量子箱のサイズＬが格子定数ａ
のＮ倍のサイズである場合には、サブバンドがＮ個で
き、サブバンドのバンド幅ｗi は（Ｗ／Ｎ）よりも大き
くなることがなく、変化させることのできるギャップ幅
はサブバンドのバンド幅ｗi 程度となる。従って、量子
箱のサイズＬが小さい程、広い範囲の波長帯を制御でき
るようになる。
【００１２】
【実施例】本発明の好適な実施例を図面を参照しながら
説明する。本実施例の量子効果デバイスは、ＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ系の化合物半導体層を用いて量子箱が構成
され、その量子箱間のトンネル遷移確率がゲートバイア
スによって制御される例である。
説明する。本実施例の量子効果デバイスは、ＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ系の化合物半導体層を用いて量子箱が構成
され、その量子箱間のトンネル遷移確率がゲートバイア
スによって制御される例である。
【００１３】本実施例の要部を図１に示す。ｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ基体１上に、アンドープのＧａＡｓ層２とｎ−Ａ
ｌＧａＡｓ層３が積層されてなる量子箱４が複数形成さ
れている。各量子箱４は、互いに電子の量子力学的距離
（ド・ブロイ波長）程度離間されており、１つの量子箱
４はそれそれ矩形状の平面パターンを有してｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ基体１上に配されている。各量子箱４をこのよう
な矩形状の平面パターンを有する形状とした時は、各量
子箱４内で３次元的に電子が閉じ込められることにな
る。なお、各量子箱をそれぞれ線状のものとして並べ
て、電子の閉じ込めを行うような細線構造とすることも
可能である。各量子箱４を構成するアンドープのＧａＡ
ｓ層２の膜厚はｄ2 とされ、同じくｎ−ＡｌＧａＡｓ層
３の膜厚はｄ3 とされる。後述するように、この厚み方
向におけるポテンシャルの変化によって、トンネル遷移
確率が制御される。アンドープのＧａＡｓ層２は、不純
物が極めて少なくバンドギャップの狭い層である。量子
箱４内でそれぞれ厚み方向に接合したｎ−ＡｌＧａＡｓ
基体１及びｎ−ＡｌＧａＡｓ層３は、電子供給層として
機能し、バンドギャップが広い層である。このためアン
ドープのＧａＡｓ層２と、ｎ−ＡｌＧａＡｓ基体１及び
ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３の界面は、それぞれヘテロ接合と
なってダブルヘテロ構造となり、アンドープのＧａＡｓ
層２の両界面側に電子層が形成される。
ａＡｓ基体１上に、アンドープのＧａＡｓ層２とｎ−Ａ
ｌＧａＡｓ層３が積層されてなる量子箱４が複数形成さ
れている。各量子箱４は、互いに電子の量子力学的距離
（ド・ブロイ波長）程度離間されており、１つの量子箱
４はそれそれ矩形状の平面パターンを有してｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ基体１上に配されている。各量子箱４をこのよう
な矩形状の平面パターンを有する形状とした時は、各量
子箱４内で３次元的に電子が閉じ込められることにな
る。なお、各量子箱をそれぞれ線状のものとして並べ
て、電子の閉じ込めを行うような細線構造とすることも
可能である。各量子箱４を構成するアンドープのＧａＡ
ｓ層２の膜厚はｄ2 とされ、同じくｎ−ＡｌＧａＡｓ層
３の膜厚はｄ3 とされる。後述するように、この厚み方
向におけるポテンシャルの変化によって、トンネル遷移
確率が制御される。アンドープのＧａＡｓ層２は、不純
物が極めて少なくバンドギャップの狭い層である。量子
箱４内でそれぞれ厚み方向に接合したｎ−ＡｌＧａＡｓ
基体１及びｎ−ＡｌＧａＡｓ層３は、電子供給層として
機能し、バンドギャップが広い層である。このためアン
ドープのＧａＡｓ層２と、ｎ−ＡｌＧａＡｓ基体１及び
ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３の界面は、それぞれヘテロ接合と
なってダブルヘテロ構造となり、アンドープのＧａＡｓ
層２の両界面側に電子層が形成される。
【００１４】このような量子箱４の列の間には、量子箱
４間のトンネル遷移確率を制御するための構造を有する
ポテンシャル障壁８が形成される。このポテンシャル障
壁８は、各量子箱４を囲んで碁盤目状の平面パターンと
される。ポテンシャル障壁８は積層構造を有し、アンド
ープのＡｌＧａＡｓ層５上に絶縁層６が形成された構造
とされる。絶縁層６は例えばＳｉＯ2 等からなる。これ
ら各層の膜厚については、絶縁層６は膜厚ｄ6 であり、
アンドープのＡｌＧａＡｓ層５は膜厚ｄ5 とされる。絶
縁層６とアンドープのＡｌＧａＡｓ層５の膜厚の合計
（ｄ5 ＋ｄ6 ）は量子箱４のアンドープのＧａＡｓ層２
とｎ−ＡｌＧａＡｓ層３の膜厚の合計（ｄ2 ＋ｄ3 ）に
略等しくされ、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３と絶縁層６の上面
は、略平面となる。そして、この平面にアルミニューム
等の金属導電膜からなる制御電極７が形成される。この
制御電極７は、供給される電圧によって、各量子箱４に
及ぼす電界を変化させる機能を有する。
４間のトンネル遷移確率を制御するための構造を有する
ポテンシャル障壁８が形成される。このポテンシャル障
壁８は、各量子箱４を囲んで碁盤目状の平面パターンと
される。ポテンシャル障壁８は積層構造を有し、アンド
ープのＡｌＧａＡｓ層５上に絶縁層６が形成された構造
とされる。絶縁層６は例えばＳｉＯ2 等からなる。これ
ら各層の膜厚については、絶縁層６は膜厚ｄ6 であり、
アンドープのＡｌＧａＡｓ層５は膜厚ｄ5 とされる。絶
縁層６とアンドープのＡｌＧａＡｓ層５の膜厚の合計
（ｄ5 ＋ｄ6 ）は量子箱４のアンドープのＧａＡｓ層２
とｎ−ＡｌＧａＡｓ層３の膜厚の合計（ｄ2 ＋ｄ3 ）に
略等しくされ、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３と絶縁層６の上面
は、略平面となる。そして、この平面にアルミニューム
等の金属導電膜からなる制御電極７が形成される。この
制御電極７は、供給される電圧によって、各量子箱４に
及ぼす電界を変化させる機能を有する。
【００１５】ここで、量子箱４の各層との膜厚の比較を
すると、アンドープのＡｌＧａＡｓ層５の膜厚ｄ5 はア
ンドープのＧａＡｓ層２の膜厚ｄ2 よりも薄くされ、そ
の分だけ絶縁層６の膜厚ｄ6 はｎ−ＡｌＧａＡｓ層３の
膜厚ｄ3 よりも厚い。アンドープのＡｌＧａＡｓ層５と
アンドープのＧａＡｓ層２は共にｎ−ＡｌＧａＡｓ基体
１上に形成されており、前記膜厚の関係から、ポテンシ
ャル障壁８のアンドープのＡｌＧａＡｓ層５と絶縁領域
６の界面の高さは、アンドープのＧａＡｓ層２とｎ−Ａ
ｌＧａＡｓ層３のヘテロ接合面よりも低い位置となる。
このため量子箱４のアンドープのＧａＡｓ層２はアンド
ープのＡｌＧａＡｓ層５と基体側で隣接し、絶縁領域６
と制御電極７側で隣接する。その結果、ＧａＡｓ層２の
２つのヘテロ接合の一方は、アンドープのＡｌＧａＡｓ
層５に隣接し、他方のヘテロ接合は絶縁領域６に隣接す
ることになる。
すると、アンドープのＡｌＧａＡｓ層５の膜厚ｄ5 はア
ンドープのＧａＡｓ層２の膜厚ｄ2 よりも薄くされ、そ
の分だけ絶縁層６の膜厚ｄ6 はｎ−ＡｌＧａＡｓ層３の
膜厚ｄ3 よりも厚い。アンドープのＡｌＧａＡｓ層５と
アンドープのＧａＡｓ層２は共にｎ−ＡｌＧａＡｓ基体
１上に形成されており、前記膜厚の関係から、ポテンシ
ャル障壁８のアンドープのＡｌＧａＡｓ層５と絶縁領域
６の界面の高さは、アンドープのＧａＡｓ層２とｎ−Ａ
ｌＧａＡｓ層３のヘテロ接合面よりも低い位置となる。
このため量子箱４のアンドープのＧａＡｓ層２はアンド
ープのＡｌＧａＡｓ層５と基体側で隣接し、絶縁領域６
と制御電極７側で隣接する。その結果、ＧａＡｓ層２の
２つのヘテロ接合の一方は、アンドープのＡｌＧａＡｓ
層５に隣接し、他方のヘテロ接合は絶縁領域６に隣接す
ることになる。
【００１６】図２は図１の量子箱４の厚み方向であるＩ
Ｉ−ＩＩ線に沿ったポテンシャルを示す。この量子箱４
では、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３とｎ−ＡｌＧａＡｓ基体１
はバンドギャップが広くされ、アンドープのＧａＡｓ層
２はバンドギャップが狭いため、図２に示すようにダブ
ルヘテロ構造となる。アンドープのＧａＡｓ層２の両ヘ
テロ接合面には、三角状のポテンシャルの溝がそれぞれ
形成され、その両方に電子がたまり得るが、これが制御
電極７により制御される。
Ｉ−ＩＩ線に沿ったポテンシャルを示す。この量子箱４
では、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３とｎ−ＡｌＧａＡｓ基体１
はバンドギャップが広くされ、アンドープのＧａＡｓ層
２はバンドギャップが狭いため、図２に示すようにダブ
ルヘテロ構造となる。アンドープのＧａＡｓ層２の両ヘ
テロ接合面には、三角状のポテンシャルの溝がそれぞれ
形成され、その両方に電子がたまり得るが、これが制御
電極７により制御される。
【００１７】図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったポ
テンシャルを示す図である。この図３に示すように、Ｇ
ａＡｓ層２のｎ−ＡｌＧａＡｓ基体１側のヘテロ接合近
傍の基体主面に平行な面内では、量子箱４のパターンに
従って凹凸のポテンシャルが得られ、低い側がアンドー
プのＧａＡｓ層２のポテンシャルであり、バリアとなる
側がアンドープのＡｌＧａＡｓ層５のポテンシャルであ
る。このアンドープのＡｌＧａＡｓ層５はバリアハイト
Ｂ1 を有し、このバリアハイトＢ1 が量子箱間に存在す
ることになる。
テンシャルを示す図である。この図３に示すように、Ｇ
ａＡｓ層２のｎ−ＡｌＧａＡｓ基体１側のヘテロ接合近
傍の基体主面に平行な面内では、量子箱４のパターンに
従って凹凸のポテンシャルが得られ、低い側がアンドー
プのＧａＡｓ層２のポテンシャルであり、バリアとなる
側がアンドープのＡｌＧａＡｓ層５のポテンシャルであ
る。このアンドープのＡｌＧａＡｓ層５はバリアハイト
Ｂ1 を有し、このバリアハイトＢ1 が量子箱間に存在す
ることになる。
【００１８】次に、図４は図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った
ポテンシャルを示す図である。同じＧａＡｓ層２でも、
ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３側のヘテロ接合近傍では、凹凸の
ポテンシャルのうち凸側が絶縁層６となる。このためバ
リヤハイトＢ2 はアンドープのＡｌＧａＡｓ層５のバリ
アハイトＢ1 よりも高いものとなる。一般に、バリアハ
イトが高い場合はトンネル遷移確率も低くなり、バリア
ハイトが低い場合にはトンネル遷移確率も高くなる。従
って、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３側のヘテロ接合の方がトン
ネル遷移確率が高いものとなり、その遷移振幅の変化か
ら、ミニバンドのバンドギャップも変化する量子効果が
得られることになる。
ポテンシャルを示す図である。同じＧａＡｓ層２でも、
ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３側のヘテロ接合近傍では、凹凸の
ポテンシャルのうち凸側が絶縁層６となる。このためバ
リヤハイトＢ2 はアンドープのＡｌＧａＡｓ層５のバリ
アハイトＢ1 よりも高いものとなる。一般に、バリアハ
イトが高い場合はトンネル遷移確率も低くなり、バリア
ハイトが低い場合にはトンネル遷移確率も高くなる。従
って、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３側のヘテロ接合の方がトン
ネル遷移確率が高いものとなり、その遷移振幅の変化か
ら、ミニバンドのバンドギャップも変化する量子効果が
得られることになる。
【００１９】図５及び図６は、制御電極７に供給する電
圧を変化させた場合のポテンシャルを示しており、図５
は低いレベルの電圧を制御電極７に供給した場合であ
り、図６は高レベルの電圧を制御電極７に供給した場合
である。
圧を変化させた場合のポテンシャルを示しており、図５
は低いレベルの電圧を制御電極７に供給した場合であ
り、図６は高レベルの電圧を制御電極７に供給した場合
である。
【００２０】図５に示すように、バイアスを低レベルと
した場合では、ｎ−ＡｌＧａＡｓ基体１側のチャネルＣ
ｈ1 に電子が集まることになる。このチャネルＣｈ1 が
使用される時では、図３のポテンシャルに沿って電子が
トンネルして行くため、遷移確率の比較的に高い状態が
得られ、その遷移振幅の大きさから、ミニバンド幅が広
い状態となる。本実施例の量子効果デバイスを発光素子
に適用した場合では、例えばバンド幅が広い状態でバン
ドギャップが短くなり、低いエネルギーの発光波長が得
られることになる。
した場合では、ｎ−ＡｌＧａＡｓ基体１側のチャネルＣ
ｈ1 に電子が集まることになる。このチャネルＣｈ1 が
使用される時では、図３のポテンシャルに沿って電子が
トンネルして行くため、遷移確率の比較的に高い状態が
得られ、その遷移振幅の大きさから、ミニバンド幅が広
い状態となる。本実施例の量子効果デバイスを発光素子
に適用した場合では、例えばバンド幅が広い状態でバン
ドギャップが短くなり、低いエネルギーの発光波長が得
られることになる。
【００２１】また、図６に示すように、バイアスを高い
レベルとした場合には、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３側のチャ
ネルＣｈ2 に電子が集まることになる。このチャネルＣ
ｈ2 が使用される時では、図４のポテンシャルに沿って
電子がトンネルすることになり、遷移確率の比較的に低
い状態が得られ、その遷移振幅の大きさから、ミニバン
ド幅の狭い状態になる。従って、発光素子として用いる
場合では、バンドギャップが拡大し、比較的高エネルギ
ーの短い波長の発光がなされることになる。
レベルとした場合には、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層３側のチャ
ネルＣｈ2 に電子が集まることになる。このチャネルＣ
ｈ2 が使用される時では、図４のポテンシャルに沿って
電子がトンネルすることになり、遷移確率の比較的に低
い状態が得られ、その遷移振幅の大きさから、ミニバン
ド幅の狭い状態になる。従って、発光素子として用いる
場合では、バンドギャップが拡大し、比較的高エネルギ
ーの短い波長の発光がなされることになる。
【００２２】次に、図７〜図１１を参照して本実施例の
量子効果デバイスの製造工程について説明する。
量子効果デバイスの製造工程について説明する。
【００２３】図７に示すように、ｎ−ＡｌＧａＡｓ基体
１１上にアンドープのＧａＡｓ層１２を積層し、さらに
そのＧａＡｓ層１２上にｎ−ＡｌＧａＡｓ層１３を積層
する。アンドープのＧａＡｓ層１２をハンドギャップの
広いｎ−ＡｌＧａＡｓ層１１，１３で挟むことで、ダブ
ルヘテロ構造が得られる。
１１上にアンドープのＧａＡｓ層１２を積層し、さらに
そのＧａＡｓ層１２上にｎ−ＡｌＧａＡｓ層１３を積層
する。アンドープのＧａＡｓ層１２をハンドギャップの
広いｎ−ＡｌＧａＡｓ層１１，１３で挟むことで、ダブ
ルヘテロ構造が得られる。
【００２４】次に、図８に示すように、量子箱として残
す部分以外をエッチングして除去する。すなわち、ｎ−
ＡｌＧａＡｓ層１３上にマスク層１４を形成し、そのマ
スク層１４のパターンに沿ってＲＩＥ等によりエッチン
グする。この時に残存するＧａＡｓ層１２とｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ層１３が、電子を閉じ込めるための量子箱を構成
することから、エッチングする溝１５の間隔Ｌは電子の
量子力学的波長程度（例えば１００Å程度）のものとな
る。
す部分以外をエッチングして除去する。すなわち、ｎ−
ＡｌＧａＡｓ層１３上にマスク層１４を形成し、そのマ
スク層１４のパターンに沿ってＲＩＥ等によりエッチン
グする。この時に残存するＧａＡｓ層１２とｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ層１３が、電子を閉じ込めるための量子箱を構成
することから、エッチングする溝１５の間隔Ｌは電子の
量子力学的波長程度（例えば１００Å程度）のものとな
る。
【００２５】エッチングにより溝１５を形成した後、図
９に示すように、溝１５の底面のｎ−ＡｌＧａＡｓ基体
１１上にアンドープのＡｌＧａＡｓ層１６を形成する。
このアンドープのＡｌＧａＡｓ層１６はトンネル遷移確
率の比較的に高いチャネル層の形成に用いられる。アン
ドープのＡｌＧａＡｓ層１６の膜厚は、例えばＧａＡｓ
層１２の約半分程度の膜厚とされる。
９に示すように、溝１５の底面のｎ−ＡｌＧａＡｓ基体
１１上にアンドープのＡｌＧａＡｓ層１６を形成する。
このアンドープのＡｌＧａＡｓ層１６はトンネル遷移確
率の比較的に高いチャネル層の形成に用いられる。アン
ドープのＡｌＧａＡｓ層１６の膜厚は、例えばＧａＡｓ
層１２の約半分程度の膜厚とされる。
【００２６】続いて、アンドープのＡｌＧａＡｓ層１６
の形成後、図１０に示すように、そのアンドープのＡｌ
ＧａＡｓ層１６の上をＳｉＯ2 等の絶縁層１７で埋め
る。この絶縁層１７の上端の面は、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層
１３と同じ程度とされ、この絶縁層１７は比較的高いポ
テンシャル障壁を提供する。
の形成後、図１０に示すように、そのアンドープのＡｌ
ＧａＡｓ層１６の上をＳｉＯ2 等の絶縁層１７で埋め
る。この絶縁層１７の上端の面は、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層
１３と同じ程度とされ、この絶縁層１７は比較的高いポ
テンシャル障壁を提供する。
【００２７】次に、図１１に示すように、量子箱が形成
された領域に亘って、制御電極１７を形成する。この制
御電極１７に供給される電圧によって、チャネルを切り
換えて、電子のトンネル遷移確率が制御され、本実施例
の量子効果デバイスが動作することになる。
された領域に亘って、制御電極１７を形成する。この制
御電極１７に供給される電圧によって、チャネルを切り
換えて、電子のトンネル遷移確率が制御され、本実施例
の量子効果デバイスが動作することになる。
【００２８】なお、上述の量子効果デバイスでは、Ａｌ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の化合物半導体が用いられたが、
例えばＩｎＰやその他の系の化合物半導体を用いること
も可能である。また、本実施例では、アンドープのＡｌ
ＧａＡｓ層と絶縁層でポテンシャル障壁の高さを変える
ようにしているが、ＡｌＧａＡｓのＡｌとＧａの比を変
えることで、ポテンシャル障壁の高さを調整するように
しても良い。さらに、本実施例では、制御電極に加えら
れるバイアスに応じて２つのチャネルが切替えられる
が、３つ以上のチャネルをバイアスにより切替えるよう
にすることも可能である。また、制御電極を部分的に分
割することで、局部的なトンネル遷移確率の制御も可能
であり、従前にない画期的なデバイスの作製に寄与でき
る。
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の化合物半導体が用いられたが、
例えばＩｎＰやその他の系の化合物半導体を用いること
も可能である。また、本実施例では、アンドープのＡｌ
ＧａＡｓ層と絶縁層でポテンシャル障壁の高さを変える
ようにしているが、ＡｌＧａＡｓのＡｌとＧａの比を変
えることで、ポテンシャル障壁の高さを調整するように
しても良い。さらに、本実施例では、制御電極に加えら
れるバイアスに応じて２つのチャネルが切替えられる
が、３つ以上のチャネルをバイアスにより切替えるよう
にすることも可能である。また、制御電極を部分的に分
割することで、局部的なトンネル遷移確率の制御も可能
であり、従前にない画期的なデバイスの作製に寄与でき
る。
【００２９】
【発明の効果】本発明の量子効果デバイスは、量子箱に
対して設けられた導電膜からの電界によって、キャリア
のトンネル遷移確率が制御される。このためバンドギャ
ップを変化させることが可能であり、本発明の量子効果
デバイスを発光素子に適用した場合では、波長可変な発
光ダイオードやフラットディスプレイを構成することが
できる。
対して設けられた導電膜からの電界によって、キャリア
のトンネル遷移確率が制御される。このためバンドギャ
ップを変化させることが可能であり、本発明の量子効果
デバイスを発光素子に適用した場合では、波長可変な発
光ダイオードやフラットディスプレイを構成することが
できる。
【００３０】
【図１】本発明の量子効果デバイスの一例の要部断面図
【図２】上記一例における図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った
ポテンシャル図
ポテンシャル図
【図３】上記一例における図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿
ったポテンシャル図
ったポテンシャル図
【図４】上記一例における図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った
ポテンシャル図
ポテンシャル図
【図５】上記一例における前記ＩＩ−ＩＩ線に沿ったポ
テンシャルの低レベルのバイアス時のポテンシャル図
テンシャルの低レベルのバイアス時のポテンシャル図
【図６】上記一例における前記ＩＩ−ＩＩ線に沿ったポ
テンシャルの高レベルのバイアス時のポテンシャル図
テンシャルの高レベルのバイアス時のポテンシャル図
【図７】上記一例の製造工程におけるｎ−ＡｌＧａＡｓ
層の積層工程までの工程断面図
層の積層工程までの工程断面図
【図８】上記一例の製造工程における溝の形成工程まで
の工程断面図
の工程断面図
【図９】上記一例の製造工程におけるアンドープのＡｌ
ＧａＡｓ層の形成工程までの工程断面図
ＧａＡｓ層の形成工程までの工程断面図
【図１０】上記一例の製造工程における絶縁層の形成工
程までの工程断面図
程までの工程断面図
【図１１】上記一例の製造工程における制御電極の形成
工程までの工程断面図
工程までの工程断面図
【図１２】半導体中のバンド構造を示すエネルギーと波
数の関係図であって、（ａ）は一般の単結晶中のバント
構造、（ｂ）は超格子の場合のミニバント構造の各図
数の関係図であって、（ａ）は一般の単結晶中のバント
構造、（ｂ）は超格子の場合のミニバント構造の各図
【図１３】ミニバンドにおけるバンドギャップの変化を
説明するエネルギーと波数の関係図であって、（ａ）は
バンドギャップの広い場合、（ｂ）はバンドギャップの
狭い場合の各図
説明するエネルギーと波数の関係図であって、（ａ）は
バンドギャップの広い場合、（ｂ）はバンドギャップの
狭い場合の各図
１…ｎ−ＡｌＧａＡｓ基体 ２…アンドープのＧａＡｓ層 ３…ｎ−ＡｌＧａＡｓ層 ４…量子箱 ５…アンドープのＡｌＧａＡｓ層 ６…絶縁層 ７…制御電極 ８…ポテンシャル障壁
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 29/66 - 29/96
Claims (2)
- 【請求項１】 基板上に互いにポテンシャル障壁層を介
して配列された複数の量子箱若しくは量子細線を有する
量子効果デバイスであって、 上記量子箱若しくは量子細線に電子を供給する電子供給
層及び上記量子箱若しくは量子細線に電界を印加するた
めの導電膜を具備し、 上記量子箱若しくは量子細線は上記基板と上記電子供給
層との間に挟持されることによりダブルへテロ接合構造
を有し、 上記ポテンシャル障壁層は上記量子箱若しくは量子細線
に対する障壁の領域に接続し、上記量子箱若しくは量子
細線に対する障壁高さが異なる２つの領域からなり、 上記複数の量子箱若しくは量子細線の各々は上記ダブル
ヘテロ接合構造の各ヘテロ界面のポテンシャルの溝の電
子層によって形成され、上記ポテンシャル障壁の領域に
接続する２つのチャンネルを有し、上記導電膜から上記量子箱若しくは量子細線に印加する
電界の制御によって、上記量子箱若しくは量子細線間の
トンネル遷移確率を変化させる ことを特徴とする量子効
果デバイス。 - 【請求項２】 上記トンネル遷移確率の変化が発光波長
の変化として得られることを特徴とする請求項１記載の
量子効果デバイス。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16251991A JP3114246B2 (ja) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | 量子効果デバイス |
| US07/894,580 US5294807A (en) | 1991-06-07 | 1992-06-05 | Quantum effect device in which conduction between a plurality of quantum dots or wires is achieved by tunnel transition |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16251991A JP3114246B2 (ja) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | 量子効果デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0590636A JPH0590636A (ja) | 1993-04-09 |
| JP3114246B2 true JP3114246B2 (ja) | 2000-12-04 |
Family
ID=15756166
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16251991A Expired - Fee Related JP3114246B2 (ja) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | 量子効果デバイス |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5294807A (ja) |
| JP (1) | JP3114246B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US5530263A (en) * | 1994-08-16 | 1996-06-25 | International Business Machines Corporation | Three dot computing elements |
| US6489041B2 (en) * | 1999-12-09 | 2002-12-03 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Magnetic body formed by quantum dot array using non-magnetic semiconductor |
| FR2876498B1 (fr) * | 2004-10-12 | 2008-03-14 | Commissariat Energie Atomique | Procede de realisation d'heterostructures resonnantes a transport planaire |
| CA3027982C (en) | 2016-06-08 | 2024-06-11 | Socpra Sciences Et Genie S.E.C. | Electronic circuit for control or coupling of single charges or spins and methods therefor |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4799091A (en) * | 1984-07-02 | 1989-01-17 | Texas Instruments Incorporated | Quantum device output switch |
| US4802181A (en) * | 1986-11-27 | 1989-01-31 | Nec Corporation | Semiconductor superlattice light emitting sevice |
| JP2650930B2 (ja) * | 1987-11-24 | 1997-09-10 | 株式会社日立製作所 | 超格子構作の素子製作方法 |
| GB2215072A (en) * | 1988-02-12 | 1989-09-13 | Philips Electronic Associated | A method of modulating an optical beam |
| JPH0233972A (ja) * | 1988-07-22 | 1990-02-05 | Nec Corp | 半導体量子細線構造 |
| JPH0779158B2 (ja) * | 1988-11-19 | 1995-08-23 | 新技術事業団 | 結合量子箱列構造半導体 |
| JP2666440B2 (ja) * | 1988-12-06 | 1997-10-22 | 日本電気株式会社 | フォトコンダクタ |
| JP2854607B2 (ja) * | 1989-06-29 | 1999-02-03 | 株式会社日立製作所 | 半導体装置及び半導体レーザ装置 |
| JP2575901B2 (ja) * | 1989-11-13 | 1997-01-29 | 新技術事業団 | グリッド入り量子構造 |
| JP2515051B2 (ja) * | 1990-11-14 | 1996-07-10 | 三菱電機株式会社 | 半導体光素子及びその製造方法 |
| JP3124305B2 (ja) * | 1991-03-20 | 2001-01-15 | 富士通株式会社 | 光信号波長選択方法および光波長フィルタ |
-
1991
- 1991-06-07 JP JP16251991A patent/JP3114246B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-06-05 US US07/894,580 patent/US5294807A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0590636A (ja) | 1993-04-09 |
| US5294807A (en) | 1994-03-15 |
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