JP3149971B2

JP3149971B2 - 電子波合流／分岐素子及び量子干渉素子

Info

Publication number: JP3149971B2
Application number: JP22335291A
Authority: JP
Inventors: 和人藤井; 昌宏奥田; 明清水
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-08-09
Filing date: 1991-08-08
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH057004A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の導波路を伝搬す
る電子波を１つの電子波に合波したり、逆に、電場で誘
起されるデカップリングを利用して１つの導波路を伝搬
する電子波を複数の電子波に分波したりする素子、更に
は次の様な量子干渉素子に関する。即ち、この量子干渉
素子は、磁場、静電場ポテンシャル、或は光電場による
仮想励起などの外部摂動によって干渉電流が変調される
上記の如き合流及び／又は分岐素子を用いている。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子波を分波したり、合波したり
する構造を含む素子として、例えば図２７に示す様な量
子干渉デバイスがある。このデバイスでは、図の左半分
が電子波の分波器となり、右半分が合波器となってい
る。電極２０１より注入された電子波は、初めに、２つ
の同一構造の電子波導波路２０２、２０３間の距離が電
子波がカップリングする程度に短く構成されている部分
では、１つの電子波として伝搬してデカップリング部
（分波部ないし分岐部）に運ばれる。この分波部は、こ
れの前のカップリング部よりも２つの電子波導波路２０
２、２０３間の距離が離れているので、１つの電子波が
２つに分離される。このカップリング、デカップリング
作用は、実際には、バリア層２０４であるＡ１Ａｓ層の
厚さを変えることで実現されている。

【０００３】こうして分波された電子波は、次に、右側
の合波部ないし合流部に来て、ここで再びカップリング
されて１つの電子波となって導波路２０２、２０３を伝
搬し、電極２０５に達する。ただし、このデバイスのデ
カップルして電子波を伝搬する部分には図示の如き方向
の磁場が印加されているので、上下の導波路２０２、２
０３を伝搬する電子波間の位相差がπの奇数倍だけ生じ
る様な大きさの磁場が印加されたときには（導波部２０
２、２０３のバンド構造は、磁場により位相差が生じる
様に構成されている）、右側の合波部で１つになろうと
して干渉する２つの電子波は反射されてしまい電極２０
５に達しない。この位相差が２πの整数倍になる様な大
きさの磁場が印加されているときは、１つになった電子
波は右端を通過することができて、入力電流と同じ出力
電流が得られる。こうして、この素子では、印加磁場を
変調することで通過電流が制御されることになる。これ
は、マグネトスタティックなアハロノフ−ボーム（Ａ−
Ｂ）効果による。

【０００４】この干渉電流は、導波部２０２、２０３の
面に垂直に印加される電場を変調することによっても制
御することができる。これは、エレクトロスタティック
なＡ−Ｂ効果による。いずれにせよ、導波部２０２、２
０３はＡ−Ｂ効果により位相差が生じる様に作製されて
いる。

【０００５】図２７のこの分波部と合波部の間の長さ
（すなわちデカップリングされている長さ）は、電子波
のコヒーレンスが保たれるものでなければならないの
で、現状では、液体ヘリウム（ＬＨｅ）温度で１μｍ以
下である必要がある。

【０００６】上記素子はＡ−Ｂ効果型電子波干渉素子で
あるが、その他にも、半導体中での電子の干渉性を利用
した素子としては、共鳴トンネリング型、電子波方向性
結合器型等々、種々の構造のものが提案されている。こ
の中で、電子波方向性結合器型の電子波干渉素子は、図
２８に示す様に、半導体表面に、エッチング等により、
中央部（結合部）２１３では結合していてポート部２１
５〜２１８（電極部）では独立である様に分離している
２本の電子波チャンネル２１１、２１２を作製し、この
結合部２１３付近に電極２１９を作り付けて、２本の電
子波チャンネル２１１、２１２の結合度を変化させる構
造を持っている。

【０００７】ここで注意しておくべきこととして、電子
波のカップリングとチャネルないし導波路のカップリン
グとは区別される必要がある。例えば、カップルしたチ
ャネルで電子波がデカップルすることもある。

【０００８】さて、図２８の従来例で、この結合度ない
しカップリング度の変調は、２本チャンネル２１１、２
１２間のポテンシャルバリアの高さを、電極２１９への
電圧の印加程度を制御して変化させることで行ない、こ
の結合度の変調によって両チャンネル２１１、２１２間
の結合長を変化させ、最終的に夫々の電極部ないしポー
ト部２１５〜２１８に電子波をスイッチングさせようと
していた。

【０００９】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、こ
れらの素子は以下の如き問題点を有する。

【００１０】先ず、図２７の素子構成においては、電子
波の位相を乱さない様に分波部及び合波部のバリア層２
０４のスロープ部を作製することが極めて困難である。
すなわち、極めて平坦な電子波導波路（厚さの揺らぎが
１原子層以下）を作るだけでも非常に難しいが、更にカ
ップリング部とデカップリング部のスロープ部分も同程
度の加工精度が要求されるので、極めて高精度な素子加
工技術が必要とされるのである。また、図２７の如き構
造を作る為には、先ず、２つの導波路２０２、２０３の
間にあるＡ１Ａｓバリア層２０４まで分子線エピタキシ
ー（ＭＢＥ）法又は有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶ
Ｄ）法などで堆積した後、大気中に取り出してバリア層
２０４の厚い部分と薄い部分を形成する為にエッチング
を行う必要がある。しかし、この際、表面酸化や不純物
の吸着が避けられない。従って、この上に成長させられ
るＧａＡｓ量子井戸などの導波路２０３は荒れたヘテロ
界面を有し、多くの不純物や欠陥を含むことになる。こ
れにより、この中を走行する電子は散乱され位相を乱さ
れて、干渉電流のオン／オフ比が小さくなってしまうの
である。

【００１１】また、上記の様な素子構成では、素子の応
答速度も磁界変調などに係わるＲＣ時定数などに依存し
てしまうという問題もある。

【００１２】次に、図２８に素子では、電子波の波長が
数百Åで、電子のコヒーレンス長が数μｍであることを
考えると、電子波のチャンネル２１１、２１２の幅を１
００Å程度、結合部２１３の長さを１μｍ程度、電極２
１９の幅を数十Å程度にしなければならず、残念ながら
現状の素子加工技術では実現不可能ないし困難な素子構
造であった。また、上記従来例の様に、電子波チャンネ
ル２１１、２１２に曲がりを作ることは、電子波が散乱
等によって位相が乱され電子波干渉デバイスの性能が悪
くなることが予想されて好ましいことではなかった。

【００１３】従って、本発明の第１の目的は、上記の課
題に鑑み、作製上の困難さを避ける為に、例えば、２重
量子井戸構造において電場で誘起される電子波のデカッ
プリングを用いる電子波分岐及び／又は合流素子を提供
することにある。

【００１４】本発明の第２の目的は、上記の課題に鑑
み、比較的作製容易で散乱等による電子波の位相の乱れ
も極力抑えられた構造を有する、上記の電子波分岐及び
／又は合流素子を有する電界効果型トランジスタ、フォ
トン吸収の無い光検出器、量子無破壊型光検出器などの
量子干渉素子を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】第１に、上記目的を達成
する本発明では、電子波を量子構造導波路に閉じ込めら
れた複数の電子波に分岐する電子波分岐素子において：
夫々、少なくとも１つの量子レベルを有する複数の量子
構造導波路；及び該量子構造導波路に電圧を印加する為
の手段；を有し、ここで、量子レベルは、印加電圧を制
御することで変化させられ、それにより電子波を分岐す
る為に低い準位と高い準位の両方の量子レベルがフェル
ミレベルより低くされる。

【００１６】第２に、上記目的を達成する本発明では、
量子構造導波路に閉じ込められた複数の電子波を１つの
電子波に合流する電子波合流素子において：夫々、少な
くとも１つの量子レベルを有する複数の量子構造導波
路；及び該量子構造導波路に電圧を印加する為の手段；
を有し、ここで、量子レベルは、印加電圧を制御するこ
とで変化させられ、それにより電子波を合流する為に高
い準位の量子レベルはフェルミレベルより高くされ低い
準位の量子レベルはフェルミレベルより低くされる。

【００１７】第３に、上記目的を達成する本発明では、
電子波合流／分岐素子において：夫々、少なくとも１つ
の量子レベルを有する直線的に形成された複数の量子構
造導波路；１つの電子波が前記量子構造導波路に閉じ込
められた複数の電子波に分岐される分岐部を形成するべ
く、該導波路に順方向バイアス電圧を印加する為の手
段；及び前記量子構造導波路に閉じ込められた複数の電
子波が１つの電子波に合流される合流部を形成するべ
く、該導波路に逆方向バイアス電圧を印加する為の手
段；を有する。

【００１８】第４に、上記目的を達成する本発明では、
量子干渉素子において：夫々、少なくとも１つの量子レ
ベルを有する直線的に形成された複数の量子構造導波
路；及び１つの電子波が前記量子構造導波路に閉じ込め
られた複数の電子波に分岐される分岐部を形成するべ
く、該複数の量子構造導波路の第1サブバンド及び第2サ
ブバンドが共にフェルミレベルよりも低いエネルギーに
なるように該導波路に順方向バイアス電圧を印加する為
の手段；を有し、ここで、印加される順方向バイアス電
圧は変調されて、アハロノフ−ボーム効果により分岐電
子波間に、変調する位相差が生じさせられ、それにより
前記分岐部の下流で形成される電子波の干渉電流が変調
される。

【００１９】第５に、上記目的を達成する本発明では、
量子干渉素子において：夫々、少なくとも１つの量子レ
ベルを有する直線的に形成された複数の量子構造導波
路；１つの電子波が前記量子構造導波路に閉じ込められ
た複数の電子波に分岐される分岐部を形成するべく、該
導波路に一定の順方向バイアス電圧を印加する為の手
段；及び前記量子構造導波路に磁束を印加する為の手
段；を有し、ここで、印加される磁束は変調されて、ア
ハロノフ−ボーム効果により分岐電子波間に、変調する
位相差が生じさせられ、それにより前記分岐部の下流で
形成される電子波の干渉電流が変調される。

【００２０】第６に、上記目的を達成する本発明では、
量子干渉素子において：夫々、少なくとも１つの量子レ
ベルを有する直線的に形成された複数の量子構造導波
路；１つの電子波が前記量子構造導波路に閉じ込められ
た複数の電子波に分岐される分岐部を形成するべく、該
導波路に順方向バイアス電圧を印加する為の手段；及び
前記分岐部に光を導く為の手段；を有し、ここで、導波
される光は変調されて、分岐電子波間に、光シュタルク
シフトによる量子準位の変化により変調する位相差が生
じさせられ、それにより前記分岐部の下流で形成される
電子波の干渉電流が変調される。

【００２１】第７に、上記目的を達成する本発明では、
量子干渉素子において：夫々、少なくとも１つの量子レ
ベルを有する直線的に形成された複数の量子構造導波
路；前記量子構造導波路に電子波を注入する為のソース
電極手段；前記量子構造導波路から電子波を受入する為
のドレイン電極手段；及び前記量子構造導波路に電界を
印加する為のゲート電極手段；を有し、ここで、前記量
子構造導波路の一部は前記ゲート電極手段の下にあり、
そして該ゲート電極手段は前記ソース電極手段とドレイ
ン電極手段との間に配置され、該ゲート電極手段の下で
前記複数の量子構造導波路の第1サブバンド及び第2サブ
バンドが共にフェルミレベルよりも低いエネルギーにな
るようにするか、あるいは第1サブバンドはフェルミレ
ベルよりも低く、且つ第2サブバンドはフェルミレベル
よりも高くなるようにし、前記量子構造導波路の一部の
カップリングの程度が変化させられる。

【００２２】

【実施例】図１は本発明の第１実施例のウェハーサンプ
ル構造の伝導帯のバンド構造を示す。同面において、１
はウェハーの平坦性を増す為のノンドープ（ｉ層）のＧ
ａＡｓバッファ層、２は光導波路のクラッドを形成する
ノンドープのＡ１ＧａＡｓ層、３は導波路にキャリアを
供給する為のｎ−Ａ１ＧａＡｓ層、４はｎ−Ａ１ＧａＡ
ｓ層３内Ｓｉイオンによる伝搬キャリアのクーロン散乱
を避ける為のスペーサ層であるｉ−Ａ１Ａｓ層、５は導
波路を形成する量子井戸であるｉ−ＧａＡｓ層、６はＧ
ａＡｓ井戸層５、７間に挟まれたｉ−Ａ１Ａｓ層で２つ
の井戸５、７がカップリングする程度の厚さ（例えば、
２２Å）の層、８はｎ−Ａ１ＧａＡｓ層９内のＳｉイオ
ンによる井戸層７内の伝搬キャリアのクーロン散乱を避
ける為のスペーサ層であるｉ−Ａ１Ａｓ層、１０はウェ
ハーのトップレイヤーであるｎ−ＧａＡｓ層でＡ１Ａｓ
層４、６、８の酸化を避ける為の層である。図１には層
厚及びドープ濃度が示されている。この実施例では、下
部井戸層５の厚さ（４０Å）が上部井戸層７の厚さ（４
５Å）より小さくされており、こうして非対称２重量子
井戸構造（ＡＤＱＷ）を形成している。

【００２３】井戸層５、７の平坦性を高める為に、バッ
ファ層１としてスーパーラティスバッファを用いてもよ
い。上記の層構成において、ドープ量は、２つの量子井
戸層５、７の伝導帯の最低エネルギ準位が共にフェルミ
エネルギよりも低くなる様な大きさにしたり（分波器の
場合）、一方の井戸層５又は７の最低準位がフェルミエ
ネルギより低く他方のものが高くなる様な大きさにする
（合波器の場合）。

【００２４】図２は図１の如きエネルギバンド構造のも
のを合波器としたときの概略構成を示し、図３はこの第
１実施例の動作原理を説明する為の各電子波導波路５、
７の最低エネルギ準位と波動関数の様子を示す図であ
る。井戸層５、７はデカップリング部においても平坦
（直線的）に形成されており、図２において、１２はト
ップレイヤー１０とショットキー接合しているゲート電
極、１３はドレイン電極、１４はオーミックコンタクト
を取る為のＡｕＧｅ拡散部、１５は電源である。この素
子の左側の部分には、不図示のソース電極からの１つの
電子波を２つの電子波に分岐する手段が作成されてい
る。これについては、図４で説明する構造を参照された
い。

【００２５】ゲート電極１２に加える電圧により、各井
戸５、７の量子井戸エネルギ準位が変化し、２つの電子
波導波路５、７内のレベルのカップリング（交差）によ
って、電子波導波路５、７の伝導帯の下から２つの最低
エネルギ準位（第１、第２準位、又は第１サブバンド、
第２サブバンドとも呼ぶ）は図３に示す如く変化する。

【００２６】動作は以下の如く行なわれる。２つの電子
波導波路５、７の第１サブバンドと第２サブバンドの両
方は、伝搬の初めの部分において図３に示す如くフェル
ミレベルＥ_Fより下にある。よって、電子波は２つのサ
ブバンドに適当な比（好ましくは１：１）で分配された
状態で伝搬し始める。ゲート電極１２には、逆バイアス
電圧がかけられているので、第２サブバンドはゲート電
極１２の下の部分でフェルミレベルを越えるようにな
る。従って、ここに来た電子波は合波して第１サブバン
ドにのみ流れることになって、図２の右方向へ伝搬して
ゆく。

【００２７】こうして、第１実施例では、２つの井戸層
５、７は平行に直線的に作成されて合流部を形成してい
る。これは、ゲート電極１２に印加される電圧の制御に
よってレベルのカップリングないし交差が行なわれるこ
とに依る。

【００２８】図４は図１のエネルギバンド構造のウェハ
ーサンプル構造を分波器とした第２実施例を示す。第２
実施例では、初め電子波はカップリングしている必要が
あるので、井戸５、７は同じ構造の４０Å厚のＧａＡｓ
層としバリア６は１５Å厚のＡ１Ａｓ層としている。井
戸５、７内の各エネルギ準位は同じエネルギレベルのも
のがカップリングした状態にしている。フェルミレベル
を図５の如く設定しておくと、当初、ソース電極１１か
ら供給された電子波は第１サブバンド（カップリングし
た最低エネルギレベル）にのみ存在して伝搬する。

【００２９】この電子波は、ゲートペア１２、１８によ
りポテンシャルを図５（図３と同様な図）の如く急峻に
変化させている部分（ゲート電極１８と１２の間）に来
ると、第１サブバンド、第２サブバンドが共にフェルミ
レベルより下にあるので、この準位に各々等しく分離さ
れ、導波路５、７をデカップルされて夫々伝搬する様に
なる。ゲートペア１２、１８へのポテンシャルの供給は
電圧源１７により行なわれる。以上のことは、ゲートペ
ア１８、１２間長を５００Å程にしたとき、１００ｋＶ
／ｃｍの電界を印加することで実現される。

【００３０】導波路５、７間に電子波を等しく（１：１
の分岐ないし分配比）分ける条件は、図６に示す如く、
ゲートペア１８、１２間の距離をほぼ０．６μｍに設定
し、１００ｋＶ／ｃｍの電圧を印加することである。図
１では導波路５、７の厚さを夫々４０Å、４５Åとして
いたが、図４の第２実施例では導波路５、７は対称的な
２重量子井戸構造となっているので、数値は上記した
（即ち、５００Åと１００ｋＶ／ｃｍ）様に図１のもの
とは少し異なる。

【００３１】このように、第２実施例においても、導波
路５、７を構造的に平行に且つ平坦に作製しても、ゲー
ト電圧を制御することで電子波のデカップリング作用を
起こさせることができ、比較的簡単に合波器を構成する
ことができる。

【００３２】図７は上記合流及び分岐構造を含む量子干
渉素子の本発明の第３実施例を示す図であり、この実施
例ではＧａＡｓ系を材料として用いているが、ＣｄＴｅ
系などのＩＩ−ＶＩ族などを用いても同様である。同図
において、２１、２２はＧａＡｓ井戸及びＡＩＧａＡｓ
井戸であり各々電子波導波路を構成している。本実施例
では、各井戸２１、２２の伝導帯の最低エネルギー準位
が図８（ａ）に示す如くカップリングしている様に、井
戸幅や組成を決めている。図７において、２３はノンド
ープ（ｉ層）のＡ１Ａｓのバリア層、２４、２５は夫々
ＡｕＧｅ／Ａｕで構成されたソース電極、ドレイン電極
でありオーミックコンタクトになっている。２６は両電
極４、５間に形成されたゲート電極であり、幅は１μｍ
程度で、ショットキーコンタクトになっている。２７、
２８はオーミックコンタクトをとる為のアロイ時にＡｕ
Ｇｅが拡散したＡｕＧｅ拡散部である。

【００３３】更に、２９はＳｉなどのｎタイプの不純物
が１０¹⁸／ｃｍ³程度ドープされたｎーＡ１ＧａＡｓ層
であり、これと量子井戸２１との間には伝搬キャリアの
クーロン散乱を避ける為のスペーサ層であるｉーＡ１Ａ
ｓ層（不図示）が１００Å程堆積されている。３０は，
量子井戸２２に近い側から、上記の如きスペーサ層、Ｓ
ｉを１０¹⁸／ｃｍ³程度ドープしたＡ１ＧａＡｓ層及び
ノンドープＡｌＧａＡｓ層で構成されている層である。

【００３４】図７中の曲線Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、は、各々の
位置でフェルミエネルギー以下のレベルの電子の波動関
数の概略を示す。

【００３５】図８（ａ）−（ｃ）は、上記の様に構成さ
れた電子波導波路２１、２２にゲート電極２６により順
方向バイアスをかけたときの電子のエネルギーレベルの
変化を示す。この場合、厚さ１５ÅのＡＩＡｓバリア２
３により分離された２つの量子井戸２１、２２（厚さ４
０ÅのＧａＡｓ層）は、電圧を印加していないときには
カップリングしており、カップルした第１サブバンドの
みがフェルミレベルＥ_F以下である。或る電圧（順方
向）以上をゲート電極２６により印加すると、カップル
していたモードは分離し、分離した２つのモードをフェ
ルミレベルＥ_F以下である様にすることができる（図８
（ｃ）のバンド構造参照）。この条件は、例えばゲート
２６、ソース２４間距離が５００Åのとき、１００ｋＶ
／ｃｍの電界により満たされる。

【００３６】以上の如き構成であるので、電子波は、伝
搬方向の位置の初めにおいて、２つの井戸層２１、２２
のカップルした第１サブバンド（最低準位）にのみ流れ
ることになって、電子波が１つになって伝搬し始める
（図７のＡ参照）。次に、ゲート電極２６の下の部分で
は、２つの井戸層２１、２２の第１及び第２サブバンド
（２つの最低準位）が共にフェルミレベルの下にあるの
で電子波は２つの導波路２１、２２に分けられて伝搬し
（図７のＢ、Ｃ参照）、再び右方に伝搬したところでカ
ップルした第１サブバンドにのみ流されることになって
１つに合波される（図７のＤ参照）。

【００３７】このように、ゲート２６により電圧を印加
することで、構造的には平行且つ平坦に走る２つの電子
波導波路２１、２２にカップリング部とデカップリング
部を作ることができる。

【００３８】次に、本実施例の動作について説明する。
ソース２４から供給された電子は２つのカップリングし
た導波路２１、２２を経て、ゲート２６で電圧印加され
たデカップリング部に導かれるが、このとき、この印加
電圧を変調することで２つの電子波間の位相差が変化す
る。すなわち、この場合、電圧はデカップリング作用と
共に位相差をも生じさせることになる。

【００３９】このデカップル部を通過した後に、電子波
は再びカップリング部を通りドレイン２５に達するが、
このカップリング部において２つの電子波の位相差がπ
＋２ｎπであるような電子波はそのエネルギがフェルミ
エネルギよりも大きい為にドレイン２５に至ることがで
きない。この位相差が２ｎπとなる場合には、電子波は
ドレイン２５に至る。

【００４０】図９は、上述の素子においてゲート電界を
変調することにより、電流値をコントロールする素子の
概略図である。この場合、ゲート電圧Ｖ_Gを図１０の如
く１００％変調したもので、ゲート電圧ＶＧを変調する
と図１０の様に信号（干渉電流値）の変化が生じる。こ
の例では、横方向の閉じ込めの為にリッジ構造３２が形
成され、ゲート２６に電圧を印加すると電流信号がｏｆ
ｆ状態になる様に構成されている。

【００４１】Ａ−Ｂ効果（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｓｔａｔｉ
ｃなＡ−Ｂ効果）により２つの電子波間に位相差が生じ
るのであるが、ゲート電圧Ｖ_Gと電流値の関係は図１１
に示す様なものとなる。

【００４２】この例では、ゲート電圧Ｖ_GをＶ₀とＯの間
で変化させて電流値（信号）をｏｎ／ｏｆｆするのであ
る。図１１から分かる様に、ゲート電圧Ｖ_GをＶ₀付近で
微調しても電流値をｏｎ／ｏｆｆすることができる。

【００４３】図１２は、ゲート電圧Ｖ_Gを固定し、磁界
を変調することで電流値（信号）を変調する例を示す。
この例の場合、図１２の矢印の方向にデバイス４３の層
２１、２２、及び２３を横切って磁界を印加することで
２つの電子波Ｂ、Ｃ（図９）の間に位相差が生じるが、
この位相差は、２つの電子波が分離している部分を通る
磁束をΦとすると、 θ＝２πｅ／ｃｈ・Φ なる大きさとなる。ここで、ｅは電子の素電荷量、ｃは
光速、ｈはプランク定数である。

【００４４】この位相差がπの偶数倍になるか奇数倍に
なるかによって、電流値がｏｎ／ｏｆｆされる。図１１
の関係で言えば、ゲート電圧Ｖ_GをＶ₀に固定しておい
て、磁界を変調することでこの図１１の関係をずらして
電流値を変調することになる。すなわち、図１３の如
く、電磁石４２に流す電流をｏｎにすると素子４３の信
号電流もｏｎになる。

【００４５】以上説明した如く、本実施例によれば、平
坦な量子井戸などの電子波導波路とこれに電圧を印加す
る手段を設けるだけで、従来では極めて高度な加工技術
を必要とした電子波のデカップリング部に相当する部分
を構成することができ、量子干渉素子の作製が極めて容
易になった。また、この印加電圧を固定して印加磁界を
変調することで取り出される電流値を変調することがで
き、信号を交換するデバイスなどが構成できる。

【００４６】図１４は本発明の第４の実施例のウエハー
サンプル構造の伝導帯のバンド構造を示す（図１４の右
方向が電子のエネルギーレベルの増加方向である）。

【００４７】同図において、５１はウエハーの平坦性を
増す為のノンドープのＧａＡｓバッファ層、５２は光導
波路のクラッドを形成するノンドープ（ｉ層）のＡｌＡ
ｓ層、５３はコアを形成するＡｌＧａＡｓ層中のグレー
ディド層（Ａｌの混晶比が１から０．３へと変化してい
る）、５４は同じくコアを形成するＡｌＧａＡｓ層中の
層であってＧａＡｓ井戸５６、５８にキャリアを供給す
る為のＳｉドープされた（ドーピング量１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³）Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層、５５はＡｌＧａＡｓ層５
４内のＳｉイオンによる伝搬キャリアのクーロン散乱を
避ける為のスペーサ層であるｉ−ＡｌＡｓ層、５７はＧ
ａＡｓ井戸５６、５８間に挟まれたｉ−ＡｌＡｓ層で２
つの井戸５６、５８がカップリングする程度の厚さ（例
えば、２２Å）の層、５９はスペーサ層５５と同様なス
ペーサ層、６０はＳｉドープ層５４と同様なＳｉドープ
層、６１はグレーディド層５３と同様なグレーディド
層、６２はｉ−ＡｌＡｓ層５２と同様なｉ−ＡｌＡｓ
層、そして６３はウエハーのトップレイヤーであるｎ−
ＧａＡｓ層でＡｌＡｓ層の酸化を避ける為の層である。

【００４８】上記Ｓｉドープ層５４、６０では、そのド
ープ量が、２つの量子井戸５６、５８の最低準位（第１
サブバンド）がフェルミエネルギよりも低くなる様にす
るとともに第２サブバンド準位がフェルミエネルギより
も高くなる様にするものである。図１４には各層の層の
厚さとドープ量が示されている。

【００４９】図１４において、グレーディド層５３の替
わりに井戸層５６、５８の平坦性を高める為にスーパー
ラティスバッファを用いてもよい。上記構成では、２つ
の量子井戸５６、５８が電子波導波路を構成している。

【００５０】図１５は、図１４の如きエネルギバンド構
造のものを用いた本実施例の概略構成を示し、図１６は
この実施例の動作原理を説明する為に各電子波導波路５
６、５８のエネルギレベルと波動関数の様子を示す図で
ある。

【００５１】井戸層５６、５８はカップリング部におい
てもデカップリング部においても平坦ないし直線的にに
形成されており、図１５において、６４はソース電極、
６５、６７はオーミック接合しているゲート電極、６６
は電子波導波路５６、５８のカップリング部とデカップ
リング部を図１６に示す如く急峻に生じさせ電極６５に
より作られた１つのコヒーレントな電子波を２つの電子
波導波路５６、５８に均等に分配する為の役割をする電
極、６８はドレイン電極、６９、７０は電源、７１は光
（ＴＭ光）が導波する部分、７２はオーミックコンタク
トを取る為のＡｕＧｅ拡散部である。

【００５２】ゲート電極６５、６７に加える電圧（逆バ
イアス）により、ｉ層のエネルギバンド構造が傾いて各
井戸５６、５８の量子エネルギ準位が変化し、２つの電
子波導波路５６、５８内のレベルのカップリングないし
交差によって電子波導波路５６、５８の下から２つの最
低エネルギ準位（第１、第２サブバンド）は図１６に示
す如く変化する。

【００５３】ゲート電極６５の下のカップリング部で合
波する様にする為に、バリア層５７の厚さを２２Å、２
つの井戸層５６、５８の厚さを４０Å、４５Åとし、電
極６５、６６間の距離は０．６μｍとなっている。光が
導波する部分である光導波路７１は、図１４で示すウエ
ハーの層６１、６２、６３を、幅約１μｍのリッジ部を
残しエッチングして作製されている。

【００５４】図１５の電子波導波路５６、５８の電子波
導波方向の位置に対応した電子波のエネルギ状態と電子
波のモードを示したのが図１６であるが、図中の破線は
フェルミレベルＥ_Fを示し２つの曲線は２つの電子波導
波路５６、５８内の２つのエネルギ準位を示す。第２サ
ブバンド準位はゲート電極６５、６７の下の所でフェル
ミレベルＥ_Fを越えるので、電子波はここから、第１サ
ブバンド準位にのみ流れる。こうして、ソース６４から
の電子波はゲート６５と６６の間で第２サブバンド準位
と結合して合波し、その後、再び１対１に分離して第１
サブバンド準位と第２サブバンド準位を伝搬する。

【００５５】次に、ゲート６６と６７の間では１対１に
分離していた電子波が干渉することになり、分離してい
た２つの電子波の位相が（２ｎ＋１）πずれている場合
には第２サブバンド準位を、２ｎπずれている場合には
第１サブバンド準位を伝搬する（ｎは整数）。この場
合、第２サブバンド準位は上記干渉する所でフェルミレ
ベルよりも上にあるので、（２ｎ＋１）π位相のずれた
ものは反射されてドレイン６８には到達しなく、２ｎπ
ずれたものは完全にそのままドレイン６８に到達する。

【００５６】電子波間の位相差は、ゲート６５からゲー
ト６７の間で制御される。その方法としては、上記した
磁場を変調させる方法などが考えられるが、本実施例で
は光シュタルク効果を用いている。

【００５７】光シュタルク効果について述べる。原子な
どにおいて、一般に電子が離散化されたエネルギ準位を
持っている時に、その準位間隔に一致はしないがそれに
近い光子エネルギを持つ光をそこに当てると、電子のエ
ネルギ準位がシフトする。これを光シュタエルク効果と
言う。本実施例の場合、離散化された準位と言うのは井
戸層５６、５８のサブバンドのエネルギ準位Ｅａ、Ｅｂ
であり、ここで言う光シュタルク効果はサブバンド間仮
想遷移による光シュタルク効果と呼ぶべきものである。

【００５８】今、電界ベクトルの強度εの光を当てる
と、夫々のサブバンドの準位はＥａ→Ｅａ−（ｅμε）２／δ Ｅｂ→Ｅｂ＋（ｅμε）２／δ の様にシフトする。ここで、ｅは電子の素電荷量、μは
エネルギ準位Ｅａの状態からエネルギ準位Ｅｂの状態へ
の遷移の双極子モーメントの長さ、δはエネルギ準位の
間隔と光子エネルギとの差（離調エネルギ）である。

【００５９】本実施例では、サブバンドの量子準位のシ
フト量が井戸５６、５８で異なる様にして位相差を生じ
る様にしているのである。その為には、光子エネルギは
２つの井戸６５、５８に共通であるから、井戸５６、５
８でのサブバンド間隔又はμを異なる様にすればよい。
最も簡単な方法は井戸層５６、５８の厚さを異ならせる
ことである。本実施例では、一方の井戸層５６又は５８
のサブバンド間エネルギよりは大きく、他方の井戸層５
８又は５６のそれよりは小さい光子エネルギを有する光
を井戸層５６、５８の所に導波して励起する方法をとっ
ている。これにより、前者の井戸層では最低エネルギレ
ベルがフェルミレベルＥ_Fに近付き（サブバンド間エネ
ルギは小さくなって最低エネルギレベルは上に上がるの
でＥ_Fに近付く）、後者の井戸層では最低エネルギレベ
ルがフェルミレベルＥ_Fから離れる（サブバンド間エネ
ルギは大きくなって最低エネルギレベルは下に下がるの
でＥ_Fから離れる）。

【００６０】この時、このエネルギシフト量をΔＥとす
ると位相差Δθは次の様になる。	θ＝ｍΔＥ/ｈ^２
・（１／ｋ＋１／ｋ′）ｌここで、ｈはプランク定数、
ｍは電子の質量、ｋ、ｋ′は電子波の波数ベクトル、ｌ
はゲート６５と６７間の距離である。エネルギシフト量
ΔＥは光の強度に比例するので、光の強度Ｉとソース６
４、ドレイン６８間電流ＩS→Dの関係は図１７の様にな
る。初期位相はゲート６５、６６、６７の電圧を僅かに
変調することでゼロにすることができる。

【００６１】図１８は量子干渉素子の更なる他の第５実
施例を示す。この例では、異なる電子波導波路ペア５
６、５８；７４，７６が２つある。例えば、ＡｌＡｓ層
７３を挟む電子波導波路５６、７４が同じ構造で、井戸
層５８のサブバンド間エネルギはこれらの井戸層５６、
７４のサブバンド間エネルギよりも小さく、井戸層７６
はそれら５６、７４のサブバンド間エネルギよりも大き
いとすると、電子波導波路５６、７４を実励起する波長
（光子エネルギ）を除き、本実施例を駆動できる波長範
囲が２倍程度広げられる。即ち、電子波導波路５６、７
４のサブバンド間エネルギよりも若干大きい値と若干小
さい値の間の波長（光子エネルギ）範囲の光が用いられ
て、ソース６４、ドレイン６８間電流を変調することが
できる。

【００６２】その他の構成は、図１８ではゲート電極６
６が無くそしてゲート電極６５、６７に負の電圧を印加
する為の電圧源７８、７９が設けられていることを除い
て、図１５の実施例と同じである。動作原理は基本的に
前の実施例と同じである。分離された電子波に位相差を
発生させる為に、光によるサブバンド間の仮想的な励起
を利用するので、サブピコ秒の超高速応答が可能とな
る。

【００６３】図１９は量子干渉素子の更なる第６実施例
を示す。この実施例では２つの量子井戸が電子波チャネ
ルとして用いられ、基本的には本素子は量子井戸を電子
波チャンネルとした変調ドープＦＥＴ構造である。本実
施例においては、図１９（ａ）に示す様に、２つの量子
井戸は夫々厚さ７０ÅのＧａＡｓ８１と５０ÅのＧａＡ
ｓ８２のウェル層から成り、その間のバリア層はＧａ
_0.7Ａ１_0.3Ａｓ層８３で構成されている。ウェル層８
１、８２の外側のバリア層であるｎ−Ｇａ_0.7Ａ１_0.3Ａ
ｓ層８４、８５は、ウェル層８１、８２に接している１
００Åの部分はノンドープで他の部分はＳｉが２×１０
¹⁸ｃｍ^-3ドーピングされて変調ドープが施されている。

【００６４】ソース電極部８６とドレイン電極部８７
は、蒸着されたＡｕＧｅ／Ａｕ薄膜を熱拡散して形成さ
れている。ソース電極部８６とドレイン電極部８７の間
には２つのウェル層８１、８２を挟む様にゲート電極
（ゲート８８ａとバックゲート８８ｂ）が形成され、バ
ックゲート８８ｂは半絶縁性ＧａＡｓ基板８９とバリア
層８５の接合面に形成されている。

【００６５】ウェル層８１、８２から成る電子波チャン
ネルはｙ方向（紙面垂直方向）に電子が閉じ込められる
構造を有し、ソース電極部８６及びドレイン電極部８７
においては、図１９（ｂ）、（ｄ）に示す様に、２つの
量子井戸８１、８２に局在化している波動関数φ₁、φ₂
は夫々独立である（デカップリングしている）。また、
これらの電極部８６、８７では、フェルミレベルが第１
サブバンド準位Ｅ₁と第２サブバンド準位Ｅ₂の中間に来
る様になっている。これは、ソース及びドレイン電極部
８６、８７のドーピング量でフェルミレベルを制御する
ことで行なう。

【００６６】一方、、ゲート電極では、ゲート８８ａと
バックゲート８８ｂの間に電圧が印加されていて、丁
度、２つの量子井戸８１、８２の準位Ｅ₁、Ｅ₂が略一致
する様に電圧が調整されている（図１９（ｃ））。

【００６７】今、ソース８６・ドレイン８７間にＶ_SDな
る電圧（通常数ｍＶ）を印加したとすると、ソース８６
からは７０Åのウェル８１に波動関数φ₁が局在化した
電子波がゲート８８ａの方向に向かって放出される（電
子波は低い第１サブバンド準位をとってカップリングし
ている）。ゲート８８ａ、８８ｂでは２つの量子井戸８
１、８２の量子準位Ｅ₁、Ｅ₂が略一致している為に（こ
の様にゲート８８ａ・バックゲート８８ｂ間に電圧が印
加されている）、２つの量子井戸８１、８２間で電子波
のトンネリング確率が増える。この構造では、２つの井
戸８１、８２に（特に下部の井戸８２）適当な電圧が確
実に印加される様にバックゲート８８ｂが必要とされ
る。

【００６８】こうして、ゲート部８８ａ、８８ｂでは波
動関数の形は、詳しくは、図２０の様になっている。つ
まり、一番目の量子準位Ｅ₁の波動関数φ₁は偶関数に近
い形となり、２番目の量子準位Ｅ₂の波動関数φ₂は奇関
数に近い形となる。また、夫々の準位Ｅ₁、Ｅ₂は両井戸
８１、８２の結合の強さに応じた量だけエネルギ差（△
Ｅ）を持っている。△Ｅは両井戸８１、８２の間のバリ
ア８３の高さ（エネルギの）や幅を変えることにより調
整可能である。本実施例では、バリア８３は上記の如く
厚さ３５ÅのＡ１_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから成る。

【００６９】ゲート部８８ａ、８８ｂでフェルミ準位が
Ｅ_F、第１サブバンド準位、第２サブバンド準位のエネ
ルギが夫々Ｅ₁、Ｅ₂であるとし、図１９でｙ方向に電子
が運動エネルギを持っていないとすると、第１サブバン
ド準位、第２サブバンド準位のｚ方向への波数は、夫
々、ｋ_z1＝１／（ｈ／２π）・｛２ｍ* （Ｅ_F−Ｅ₁）｝^1/2 ｋ_z2＝１／（ｈ／２π）・｛２ｍ* （Ｅ_F−Ｅ₂）｝^1/2 と表せる（但し、ｍ* は電子の有効質量、ｈはプランク
定数）。

【００７０】ここで、２つの量子井戸８１、８２での電
子の存在確率は、夫々１、２次サブバンド準位の波動関
数をφ₁（ｘ）、φ₂（ｘ）とすれば、｜φ（ｘ，ｚ）｜²＝１／２・｜φ₁（ｘ）ｅ^ik1z＋φ₂（ｘ）ｅ^ik2z｜² と近似的に表すことが出来る。

【００７１】上式から分かる様に、ｅ^ik1zとｅ^ik2zが一
致した時、｜φ（ｘ，ｚ）｜²＝１／２・｜φ₁＋φ₂｜² となる。つまり、図２０から分かる様に、２つの波動関
数がプラスとなる部分である７０Åの厚さウェル８１に
電子波の存在確率が高くなる。

【００７２】一方、ｅ^ik1z ＝ｅ^-ik2z（つまり、位相が
反転している）のとき、｜φ（ｘ，ｚ）｜²＝１／２・｜φ₁− φ₂｜² となって、今度は、厚さ５０Åのウェル８２にほぼ全て
の波動関数が局在化する。

【００７３】この様に、５０Å厚のウェル８２と７０Å
厚のウェル８１に交互に局在化しながら電子波がゲート
領域８８ａ，８８ｂを適過した後は、再び、印加電界が
小さくなって両井戸８１、８２はデカップリングする様
になる。よって、７０Å厚のウェル８１に波動関数の局
在化した１次サブバンド準位Ｅ₁か、５０Å厚のウェル
８２に波動関数の局在化した２次サブバンド準位Ｅ₂か
に、ゲート領域の長さＬ_G 及び両井戸８１、８２のカッ
プリングの強さ（つまり、ｋ₁とｋ₂の差であり、バリア
８３の形態、ゲート８８ａとバックゲート８８ａ間の電
圧により支配される）に応じて、分かれることになる。

【００７４】ところが、ドレイン電極８７においては、
２次準位Ｅ₂はフェミレベルより高いエネルギを持って
いるので（図１９（ｄ）参照）、２次準位にカップリン
グした電子は全部反射される。以上の如きメカニズム
で、ソース８６・ドレイン８７間のコンダクタンスは、
電子波がドレイン８７で反射される量に応じて変調を受
けることになる。

【００７５】図２１は、ゲート電圧（Ｖ _DBG−Ｖ_DG）に
応じてソース８６・ドレイン８７間のコンダクタンスが
変化する様子を示す。ここで示す様に、本実施例では、
ゲート８８ａ、８８ｂに印加する電圧を数ｍＶ変化させ
るだけでコンダクタンスを大きく変化させられる。

【００７６】図２２（ａ）は本発明の量子干渉素子の更
なる実施例を示す構成図である。図１９の実施例と異な
るところは、電子波のフィルタリング（第１サブバンド
Ｅ₁のみにカップルした電子波を放出したり、第１サブ
バンドのカップルした電子波だけをドレイン８７側に流
すこと）を、ソース８６やドレイン電極８７で行うので
はなく、サブゲート１（９５ａ）及びサブゲート２（９
５ｂ）を逆バイアスすることにより、図２２（ｂ）で示
す様にフェミレベルＥ_Fを第１準位Ｅ₁と第２準位Ｅ₂の
中間に設定することで行っている。

【００７７】また、２つの量子井戸８１、８２の間の結
合度を微調するゲートが、ゲート１（９６ａ）とゲート
２（９６ｂ）に分かれている。このゲート１（９６ａ）
及びゲート２（９６ｂ）により、夫々、僅かに、２つの
量子井戸の準位が一致している電圧から順バイアス及び
逆バイアス側にずれた電圧が印加されていて、このとき
の量子井戸８１、８２のポテンシャル形状は図２２
（ｃ）、（ｂ）の様になっている。この結果、本実施例
では、サブゲート１、２（９５ａ）、（９５ｂ）では、
夫々、片方のウェル（ゲートに近い方のウェルで上側の
ウェル８１）に波動関数が局在した最低次準位のみに電
子波が伝搬可能となる。

【００７８】つまり、ソース８６及びドレイン８７とサ
ブゲート電極１、２（９５ａ）、（９５ｂ）を設けたこ
とにより、図１９の実施例に見られる様に、ソース８６
及びドレイン８７のドーピングによってフェルミ準位Ｅ
_Fを調節するのではなく、サブゲート９５ａ、９５ｂに
印加する逆バイアス電圧によって、フェルミレベルを調
節している。従って、第１及び第２サブバンドＥ₁、Ｅ₂
のエネルギレベルを全体として上下することでフェルミ
レベルＥ_Fを１次準位Ｅ₁と２次準位Ｅ₂の間に設定する
ので、このことがより簡単になる。

【００７９】次に、ゲート電極を２つに（ゲート１（９
６ａ）、ゲート２（９６ｂ））分割したことの利点を述
べる。

【００８０】一般に、方向性結合器型の電子波干渉トラ
ンジスタでは、結合前の２つの電子波チャンネル中の電
子波のｚ方向への波数をβ₁、β₂として、△β＝β₁−
β₂とすれば、図２３の様に、模式的に方向性結合器を
表わす。ポート１から入射した電子波が全てポート３に
出射する状態（丸印をつけた＝状態と表す）と、ポート
１から入射した電子波が全てポート４に出射する状態
（丸印を付けたｘ状態と表す）は、△βの大きさや結合
領域の長さＬ、結合係数κによって決定される。

【００８１】結合モード方程式の解によれば、丸印を付
けたｘ状態は、 κＬ＝（２ν＋１）π／２（νは整数） △β＝０のとき達成され、丸印をつけた＝状態は｛Ｌ／（π／２κ）｝²＋（△βＬ／π）²＝（２ν）² であるときに達成される。

【００８２】従って、図１９の様な構成においては、１
００％の電子波干渉電流のスイッチングを行なう為に
は、△β＝０且つＬ＝π／２κ・（２ν＋１）となる様
な素子構造を作らなければならなく、△β＝０は素子に
印加する電圧を微調することによって達成できるが、こ
の時、結合領域の長さＬが上記の値に正確になること
は、素子寸法（Ｌ≒１μｍ）を考えると達成不可能であ
る。図２１に示す如く、ゲート電圧に対するコンダクタ
ンスが完全にゼロになっていないのはこの為である。

【００８３】これに対して、図２２の実施例では、ゲー
ト１、２（９６ａ）、（９６ｂ）に印加する電圧を調整
して、ゲート１（９６ａ）の領域では△βが正（又は
負）、ゲート２（９６ｂ）の領域ではが負（又は正）と
なる様にし、且つ両者の絶対値が等しくなる様にする。
この調整は、図２２の構造では可能である。

【００８４】この時、結合モード方程式から丸印を付け
たｘ状態となるのは、 κ²／｛κ²＋（△β／２）²｝・ｓｉｎ²［Ｌ／２・｛κ²＋（△β／２）²｝^1/2 ］＝１／２の時である。この式より、図２２の実施例の如き構造で
は、△βを調整することにより、Ｌがπ／２κ（完全結
合長）より大きい素子寸法であれば必ず丸印を付けたｘ
状態が達成される。この寸法は容易に実現できるもので
ある。

【００８５】また、丸印の付いた＝状態となるのは、｛Ｌ／（π／２κ）｝²＋（△βＬ／π）²＝（４ν）² の時であり、この状態も△βを調整することにより必ず
達成される。つまり、図２２の実施例では、△βの大き
さを変えることで量子干渉電流の１００％の変調が達成
されることになる。

【００８６】図２４はゲート１、２（９６ａ）、（９６
ｂ）に印加する電圧とソース８６・ドレイン８７間のコ
ンダクタンスの関係を示した図であり、この実施例にお
いては、コンダクタンスを殆ど完全に０にすることがで
きる。

【００８７】以上の実施例によれば、量子井戸間の結合
の度合いを井戸面に垂直な方向に印加した電界ないし静
電ポテンシャルで制御することで方向性結合器型の電子
波チャネルを構成しているので、電子波のコヒーレンス
の保存や作製上の点で優れると共に、電界効果型トラン
ジスタとして動作させる場合にゲートに印加する電圧を
僅か(ほぼｍＶオーダー)に変化させることでソース・ド
レイン電流を大きく変えられる量子干渉素子が実現され
る。

【００８８】上記実施例ではＧａＡｓなどの材料を用い
たが、ＩＩＩ−Ｖ族の他の材料やＩＩ−ＶＩ族の材料
（ＣｄＴｅなど）も同様に用いられる。

【００８９】上記量子干渉素子は高速電流変調器として
用いられる。図２５は、図１５、図１８などの実施例を
光ゲートトランジスタに適用した例を示すブロック図で
ある。図２５において、符号１５８はこのようなデバイ
スである。このデバイス１５８の電極間には、電源１５
９によって電圧が印加されている。このデバイス１５８
には半導体レーザなどのレーザ光源１６１よりゲート光
Ｌ_Gが照射される。この光Ｌ_Gをレーザ駆動回路１６０か
らレーザ光源１６１に供給する電流ｉ_Gで変調すること
によって、デバイス１５８のドレイン電流ｉ_Dが変調さ
れる。ゲート光Ｌ_Gをパルス幅１ｐｓ以下のパルス光と
すると、ドレイン電流ｉ_Dをこの速度で変調することが
でき、高速な電流変調器を実現することができる。

【００９０】図２６は、本発明の半導体装置を光通信シ
ステムの光検出器として用いた例を説明するブロック図
である。図２６において、符号１６６は光信号を伝送す
る光ファイバーである。この光ファイバー１６６には、
光ノード１６７₁，１６７₂，・・・，１６７_nを夫々介
して、複数のターミナル１６８₁，１６８₂，・・・，１
６８_nが接続されている。夫々のターミナルには、キー
ボード、表示素子などを有する端末装置１６９₁，１６
９₂，・・・，１６９_nが接続されている。

【００９１】各ターミナルは、変調回路１６３及びレー
ザ光源１６２から成る光信号送信機を有している。ま
た、各ターミナルは、光検出器１８０及び復調回路１８
１から成る光信号受信機を有している。これら送信機及
び受信機は、端末装置１６９₁からの指令に基づいて制
御回路１６４によって制御される。前記光検出器１８０
として、図１５で説明した様な本発明の電子波干渉デバ
イスを好適に用いることができる。

【００９２】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、電
子分岐又は合流部を形成するのに曲がった電子波導波路
構造やリング状構造とする必要のない電子波合流ないし
分岐素子や量子干渉素子が実現できる。そこでは、例え
ば、直線的な２重量子井戸構造において、波動関数の形
状やフェルミレベルに対するサブバンドレベルを電界で
制御してしている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子波合流素子の実施例のバンド構造
を示す図である。

【図２】図１の実施例の構造を示す図である。

【図３】図１の実施例における電子波伝搬方向に沿った
第１及び第２サブバンドのエネルギーレベル変化を示す
図である。

【図４】本発明の電子波分岐素子の実施例の構造を示す
図である。

【図５】図４の実施例における電子波伝搬方向に沿った
第１及び第２サブバンドのエネルギーレベル変化を示す
図である。

【図６】電極間距離と電子波分岐比との関係を示す図で
ある。

【図７】本発明の量子干渉素子の実施例の構造を示す図
である。

【図８】図７の実施例における第１及び第２サブバンド
と波動関数との変化の様子を示す図である。

【図９】図７の実施例の構造を示す斜視図である。

【図１０】ゲート電圧Ｖ_Gと信号との関係を示す図であ
る。

【図１１】ゲート電圧Ｖ_Gと干渉電流との関係を示す図
である。

【図１２】本発明の量子干渉素子の他の実施例の構造を
示す斜視図である。

【図１３】図１２の実施例の干渉電流と信号との関係を
示す図である。

【図１４】本発明の量子干渉素子の実施例のバンド構造
を示す図である。

【図１５】図１４の実施例の構造を示す図である。

【図１６】図１５の実施例における電子波伝搬方向に沿
った第１及び第２サブバンドのエネルギーレベル変化を
示す図である。

【図１７】図１５の実施例の光強度と干渉電流との関係
を示す図である。

【図１８】本発明の量子干渉素子の他の実施例の構造を
示す図である。

【図１９】本発明の量子干渉素子の他の実施例の構造及
び波動関数の様子を示す図である。

【図２０】図１９の実施例のゲート領域における波動関
数を示す拡大図である。

【図２１】図１９の実施例のゲート電圧とコンダクタン
スの関係を示す図である。

【図２２】本発明の量子干渉素子の他の実施例の構造及
び波動関数の様子を示す図である。

【図２３】方向性結合器型の電子波干渉トランジスタの
特性を説明する図である。

【図２４】図２２の実施例の２つのゲートの電圧とコン
ダクタンスとの関係を示す図である。

【図２５】本発明の量子干渉素子が光ゲートトランジス
タとして用いられている例を示すブロック図である。

【図２６】本発明の量子干渉素子が光検出器として用い
られている光通信システムの例を示すブロック図であ
る。

【図２７】従来の量子干渉素子を示す断面図である。

【図２８】従来の方向性結合器型の干渉素子を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１，５１
バッファ２
ｉ−ＡｌＧａＡｓ層３，９，５４，６０
ｎ−ＡｌＧａＡｓ４，８，５５，５９
スペーサ層５，７，２１，２２，５６，５８，７４，７６，８１，
８２井戸層６，２３，５７，７５，８３，８４，８５
バリア層１０，６３
ｎ−ＧａＡｓ層１１，２４，６４，８６
ソース電極１２，１８，２６，６５，６６，６７
ゲート電極１３，２５，６８，８７
ドレイン電極１４，２７，２８，７２
ＡｕＧｅ拡散部１５，１６，１７，７０，７８，７９
電源２９，３０Ａ
ｌＧａＡｓ層を含む層３２
リッジ部４２
電磁石５２，６２
ｉ−ＡｌＡｓ５３，６１
グレーディド層７１
光導波部分７３
ＡｌＡｓ８８ａ
ゲート８８ｂ
バックゲート８９
基板９５ａ
サブゲート１９５ｂ
サブゲート２９６ａ
ゲート１９６ｂ
ゲート２１５８
半導体装置１５９
電源１６０
レーザ駆動回路１６１，１６２
レーザ光源１６３
変調回路１６４
制御回路１６６
光ファイバ１６７ｎ
光ノード１６８ｎ
ターミナル１６９ｎ
端末装置１８０
光検出器１８１
復調回路

フロントページの続き (31)優先権主張番号特願平2−253012 (32)優先日平成２年９月21日(1990．9．21) (33)優先権主張国日本（ＪＰ） (56)参考文献特開昭63−93161（ＪＰ，Ａ) 特開平１−129477（ＪＰ，Ａ) 特開平３−129881（ＪＰ，Ａ) 特開平３−263875（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/337 H01L 21/338 H01L 27/095 H01L 29/778 H01L 29/80 - 29/812

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子波を量子構造導波路に閉じ込められた
複数の電子波に分岐し、以下のものを有することを特徴
とする電子波分岐素子：夫々、少なくとも１つの量子レベルを有する複数の量子
構造導波路；及び該量子構造導波路に電圧を印加する為
の手段；ここで、量子レベルは、印加電圧を制御することで変化
させられ、それにより電子波を分岐する為に低い準位と
高い準位の両方の量子レベルがフェルミレベルより低く
される。
【請求項２】前記量子構造導波路は直線的に形成され
た導波路から成り、前記電圧印加手段は、前記量子構造
導波路に順方向バイアス電圧を印加する為のゲート電極
から成る請求項１記載の電子波分岐素子。
【請求項３】量子構造導波路に閉じ込められた複数の電
子波を１つの電子波に合流し、以下ものを有することを
特徴とする電子波合流素子：夫々、少なくとも１つの量子レベルを有する複数の量子
構造導波路；及び該量子構造導波路に電圧を印加する為
の手段；ここで、量子レベルは、印加電圧を制御することで変化
させられ、それにより電子波を合流する為に高い準位の
量子レベルはフェルミレベルより高くされ低い準位の量
子レベルはフェルミレベルより低くされる。
【請求項４】前記量子構造導波路は直線的に形成され
た導波路から成り、前記電圧印加手段は、前記量子構造
導波路に逆方向バイアス電圧を印加する為のゲート電極
から成る請求項３記載の電子波分岐素子。
【請求項５】以下のものを有することを特徴とする電子
波合流／分岐素子：夫々、少なくとも１つの量子レベルを有する直線的に形
成された複数の量子構造導波路；１つの電子波が前記量子構造導波路に閉じ込められた複
数の電子波に分岐される分岐部を形成するべく、該導波
路に順方向バイアス電圧を印加する為の手段；及び前記
量子構造導波路に閉じ込められた複数の電子波が１つの
電子波に合流される合流部を形成するべく、該導波路に
逆方向バイアス電圧を印加する為の手段。
【請求項６】以下のものを有することを特徴とする量子
干渉素子：夫々、少なくとも１つの量子レベルを有する直線的に形
成された複数の量子構造導波路；及び１つの電子波が前
記量子構造導波路に閉じ込められた複数の電子波に分岐
される分岐部を形成するべく、該複数の量子構造導波路
の第1サブバンド及び第2サブバンドが共にフェルミレベ
ルよりも低いエネルギーになるように該導波路に順方向
バイアス電圧を印加する為の手段；ここで、印加される順方向バイアス電圧は変調されて、
アハロノフ−ボーム効果により分岐電子波間に、変調す
る位相差が生じさせられ、それにより前記分岐部の下流
で形成される電子波の干渉電流が変調される。
【請求項７】前記順方向バイアス電圧は所定値とゼロ
との間で変調される請求項６記載の量子干渉素子。
【請求項８】前記順方向バイアス電圧は所定値のまわ
りで変調される請求項６記載の量子干渉素子。
【請求項９】以下のものを有することを特徴とする量
子干渉素子：夫々、少なくとも１つの量子レベルを有す
る直線的に形成された複数の量子構造導波路；１つの電
子波が前記量子構造導波路に閉じ込められた複数の電子
波に分岐される分岐部を形成するべく、該導波路に一定
の順方向バイアス電圧を印加する為の手段；及び前記量
子構造導波路に磁束を印加する為の手段；ここで、印加
される磁束は変調されて、アハロノフ−ボーム効果によ
り分岐電子波間に、変調する位相差が生じさせられ、そ
れにより前記分岐部の下流で形成される電子波の干渉電
流が変調される。
【請求項１０】前記順方向バイアス電圧の方向は前記
量子構造導波路で画成される平面に対して垂直であり、
前記磁束の方向は前記量子構造導波路で画成される平面
に平行である請求項９記載の量子干渉素子。
【請求項１１】以下のものを有することを特徴とする量
子干渉素子：夫々、少なくとも１つの量子レベルを有する直線的に形
成された複数の量子構造導波路；１つの電子波が前記量子構造導波路に閉じ込められた複
数の電子波に分岐される分岐部を形成するべく、該導波
路に順方向バイアス電圧を印加する為の手段；及び前記
分岐部に光を導く為の手段；ここで、導波される光は変
調されて、分岐電子波間に、光シュタルクシフトによる
量子準位の変化により変調する位相差が生じさせられ、
それにより前記分岐部の下流で形成される電子波の干渉
電流が変調される。
【請求項１２】前記光の光子エネルギーは量子レベル
間のエネルギーから離調され、前記光の電界方向は前記
量子構造導波路で画成される平面に対して垂直である請
求項１１記載の量子干渉素子。
【請求項１３】前記量子構造導波路は一対設けられて
いる請求項１１記載の量子干渉素子。
【請求項１４】前記量子構造導波路は２対設けられて
いる請求項１１記載の量子干渉素子。
【請求項１５】前記量子構造導波路は、非対称２重量
子井戸構造を構成すべく、異なる井戸から成り、該量子
井戸の、前記電圧印加手段から遠い方のものは、前記電
圧印加手段に近い方のものより小さい厚さを有する請求
項１１記載の量子干渉素子。
【請求項１６】以下のものを有することを特徴とする量
子干渉素子：夫々、少なくとも１つの量子レベルを有する直線的に形
成された複数の量子構造導波路；前記量子構造導波路に電子波を注入する為のソース電極
手段；前記量子構造導波路から電子波を受入する為のドレイン
電極手段；及び前記量子構造導波路に電界を印加する為
のゲート電極手段；ここで、前記量子構造導波路の一部
は前記ゲート電極手段の下にあり、そして該ゲート電極
手段は前記ソース電極手段とドレイン電極手段との間に
配置され、該ゲート電極手段の下で前記複数の量子構造
導波路の第1サブバンド及び第2サブバンドが共にフェル
ミレベルよりも低いエネルギーになるようにするか、あ
るいは第1サブバンドはフェルミレベルよりも低く、且
つ第2サブバンドはフェルミレベルよりも高くなるよう
にし、前記量子構造導波路の一部のカップリングの程度
が変化させられる。
【請求項１７】前記量子構造導波路がカップリングし
た前記一部の長さＬ_Gが、以下の関係を満たす請求項１
６記載の量子干渉素子：Ｌ_G≧π／（２κ）ここでκは前記量子構造導波路の結合係数である。
【請求項１８】前記ゲート電極手段はゲートとバック
ゲートを有し、前記量子構造導波路は該ゲートとバック
ゲートとの間に配設されている請求項１６記載の量子干
渉素子。
【請求項１９】前記ゲート電極手段は、電子波伝搬方
向に沿って隔たった第１ゲートと第２ゲートを有し、前
記第１ゲートと第２ゲートは独立にバイアスされる請求
項１６記載の量子干渉素子。
【請求項２０】前記ソース電極手段とゲート電極手段
との間にサブゲートが設けられ、該サブゲートは、所定
エネルギーレベルを持つ電子波のみを選択的に透過させ
る請求項１６記載の量子干渉素子。
【請求項２１】前記ドレイン電極手段とゲート電極手
段との間にサブゲートが設けられ、該サブゲートは、所
定エネルギーレベルを持つ電子波のみを選択的に反射さ
せる請求項１６記載の量子干渉素子。
【請求項２２】前記量子構造導波路は２つの接近した
量子細線から成る請求項１６記載の量子干渉素子。