JP3149975B2

JP3149975B2 - 電子波干渉素子及び干渉電流変調方法

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Publication number: JP3149975B2
Application number: JP28710291A
Authority: JP
Inventors: 仁織田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-10-08
Filing date: 1991-10-07
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH0513779A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子波を伝搬する連続
的に形成された平面を貫いて延びる空乏層を利用して、
低電圧で高速なスイッチングなどが可能となる構成を有
したり、高感度な光検出ができる等の機能を有する電子
波干渉素子、こうした電子波干渉素子で干渉電流を変調
する方法、更には、電子波を分岐及び／又は合流する素
子及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、情報化社会の進展に伴って、大容
量の情報を高速に入力し処理し伝送し、更に蓄積するな
どという機能が、演算プロセッサーや光を用いた通信シ
ステムやメモリーシステムなどに要求されている。これ
らの為の重要な要素デバイスとして、スイッチング素子
や光検出器などが挙げられる。

【０００３】従来、この様なスイッチング素子である量
子波干渉トランジスタの基本構造は、両端で接合された
２つの電子波チャネルから成り、一方の端から入射した
電子はもう一端から出射する。２つのチャネルを進行す
る電子波間の位相差は外場（電場または磁場）によって
制御され、位相差は出射端において干渉の程度を変化さ
せ、その結果、干渉電流のコンダクタタンスを変化させ
る。これがトランジスタ動作を実現する。

【０００４】図１１は磁場Ｂによって干渉電流を制御す
る量子干渉素子の例である。このデバイスを動作させる
には、干渉を起こす２つのチャネル１０１と１０２間の
位相差が、２つのチャネル１０１と１０２が囲む面積を
貫く磁束に比例することを利用する。これはアハロノフ
−ボーム効果に依る。左端（ソース側アーム１０３）か
ら入射した電子波は位相が揃った状態にあるが、２つの
チャネル１０１と１０２を伝搬する電子波に分かれると
磁束に比例した位相差が生ずる。

【０００５】磁場を２つのチャネル１０１，１０２間の
位相差がπの奇数倍だけ生じるように印加すると、右端
（ドレイン側アーム１０４）で干渉した電子波はエネル
ギー的に高い状態となってしまい反射される。これに対
し、磁場による位相差が２πの整数倍であればドレイン
側アーム１０４を通過することができ、入力電流と同じ
出力電流が得られる。従って、入射側（ドレイン）での
透過係数｜Ｔ｜²は、｜Ｔ｜²＝ｃｏｓ²｛ｅ／（ｈ／２
π）・Ａ／２・Ｂ）・・・（１）と表わされる。ここ
で、ｅおよびｈはそれぞれ電子の素電荷およびプランク
定数である。ＡおよびＢはそれぞれ２つのチャネル１０
１、１０２が囲む面積、および外部磁場の大きさであ
る。この（１）式よりコンダクタンスは図１２のように
磁場Ｂの周期関数となり、磁場を変調して０から１００
％の範囲で干渉電流を制御できることが分かる。

【０００６】次に、電場によって干渉電流を制御する他
の従来例について説明する。Ｐｕｒｄｕｅ大学のＤａｔ
ｔａらは図１３に示すような電界制御型量子干渉デバイ
スの構造を提案した（Ｓ．Ｄａｔｔａ他；Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４８（１９８６）４８７）。２つの
ＧａＡｓ量子井戸層１１１、１１２がＡｌＧａＡｓ障壁
層１１３を介して積層されている。障壁層１１３は両端
において薄くなっているので、井戸層１１１，１１２間
にはかなりのトンネリングが存在する。しかし、中央部
においては障壁層１１３を厚くして、ほとんどトンネリ
ングはない構造となっている。この中央部にはゲート電
極１１４により電圧を印加することができ、２つのチャ
ネル１１１，１１２間にΔＶなる電位差をつけることが
できる。その結果、２つのチャネル１１１，１１２を通
る電子波の波数ベクトルｋ₁，ｋ₂の間には、ｋ₁−ｋ₂＝ｅΔＶ／（ｈ／２π）ｖ・・・（２）なる差が生じ、（１）式と同様に透過係数は、｜Ｔ｜²＝ｃｏｓ²｛ｅΔＶτ_t／２（ｈ／２π）｝・・・（３）で与えられる。ここでτ_t＝Ｌ／ｖは電子が中央部のチ
ャネル１１１、１１２（図１３でｘ＝０からｘ＝Ｌで示
す部分）を通過するのに要する時間で、ｖは電子の速度
である。この様に電場によっても干渉電流を制御するこ
とができる。

【０００７】しかし、上に述べた２種類の干渉デバイス
にはそれぞれ次に示すような問題点がある。

【０００８】まず、磁場によって干渉電流を制御するも
のは、（１）式から分かるように位相差が磁場Ｂと面積
Ａにのみ依存するので、非常に大きな変調振幅を得るこ
とができる反面、干渉波の高速変調が難しいという欠点
を持っている。なぜなら、磁場Ｂを変調するためには電
磁石を用いる必要があり、これに変調電流を流さなけれ
ばならないからである。高周波になるほど電磁石コイル
のインピーダンスが大きくなり過ぎ十分な電流を流せな
くなってしまう。数１０ＭＨｚが上限周波数と考えら
れ、ＧＨｚ以上の変調を必要とするシステムには使うこ
とができない。

【０００９】次に、電場によって干渉電流を制御するも
のの問題点は、変調振幅を大きく取れないということで
ある。（３）式から分かるように、変調の度合いは電子
が中央部のチャネルを通過する時間に依存する。現在の
微細加工技術ではすべての電子の速度が揃ったような量
子細線構造を作るのは困難で、必ず電子速度はある分布
を持つことになる。その結果、干渉に寄与する電子の割
合が少なくなりコンダクタンスの変調の度合いも図１４
に示すように不完全なものとなってしまう。

【００１０】更に、上記２種類のデバイスに共通した問
題点として、作成上の困難性が上げられる。図１１にお
いてチャネル１０１，１０２の幅は０．５μｍ以下、チ
ャネル長は非弾性散乱長（数μｍ）以下にしなければな
らない。また、図１３のような構造を作るためには再成
長が必要となる。まず２つの井戸層１１１、１１２の間
にあるＡｌＧａＡｓ障壁層１１３まで分子ビームエピタ
キシー（ＭＢＥ）法または有機金属気相成長（ＭＯＣＶ
Ｄ）法で成長した後、ウェハを大気中に取り出し障壁層
１１３に厚い部分と薄い部分を形成する為にエッチング
を行なう。この時、表面酸化や不純物の吸着が避けられ
ない。この上に成長させられたＧａＡｓ量子井戸１１１
は荒れたヘテロ界面を有し多くの不純物や欠陥を含む。
従って、この中を走行する電子は散乱され位相を乱され
るため、干渉電流のオン／オフ比、変調振幅また検出性
能は小さくなってしまう。

【００１１】この様に、これらのデバイスを作成するた
めには高度な微細加工および成長技術を必要とし、歩止
まりが非常に低くなることが予想される。

【００１２】次に、従来、この様な光通信システムや光
メモリシステムにおいて、半導体型光検出器としてｐｉ
ｎ型やアバランシェ型更には光導電型などが開発されて
いる。

【００１３】この中で、光導電型光検出器は、図１５に
示す様に、光（フォトンエネルギーをｈνで示す）によ
って発生したキャリアが膜面に平行方向に流れる構造で
ある為、他のデバイスとの集積化に適していると言うメ
リットを持つ。図１５において、１２１は半絶縁性Ｇａ
Ａｓ基板、１２２はノンドープＧａＡｓ層（膜厚２μ
ｍ）、１２３はスペーサ層であるノンドープＡｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ａｓ層（膜厚８０Å）、１２４は電子供給層であ
るｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ（膜厚６００Å）、１２５は
層１２２と層１２３の間のヘテロ界面に形成された２次
元電子ガス、１２６はＧｅ−Ａｕ電極である。

【００１４】ここで、特に、断面を図１６に示す様なソ
ース電極１３２とドレイン電極１３３との中間にゲート
電極１３１を付けたＦＥＴ型光検出器は、ゲート電極１
３１に負の電圧を印加してピンチオフ状態にしておくこ
とで暗電流を小さく出来るという特長を持っている。図
１６において、１３５は空乏層、１３４は半絶縁性Ｇａ
Ａｓ基板、１３６はｎ型ＧａＡｓ層（不純物濃度ｎ〜１
０¹⁷ｃｍ^-3、層厚ｄ〜０．３μｍ）である。この図１６
に沿って、ＦＥＴ型光検出器の動作原理を説明する。

【００１５】ピンチオフ状態のＦＥＴのゲート電極１３
１とドレイン電極１３３の間に光（ｈνで示す）を照射
する。発生した光キャリアｉ_pはゲート電流Δｉ_Gとなっ
てゲート抵抗Ｒ_Gを流れる。その結果、ゲート電圧はＲ_G
・Δｉ_Gだけ小さくなる為（絶対値で）、空乏層１３５
が縮みピンチオフ状態が破れ、開いたチャネルを通して
ドレイン電流Δｉ_Dが流れる。従って、コンダクタンス
をｇ_mとすると光照射によって変化するドレイン電流Δ
ｉ_Dは次の様に与えられる。 Δｉ_D＝（１＋ｇ_m・Ｒ_G）・Δｉ_G・・・（１）即ち、光電流Δｉ_Gと空乏層１３５の縮みによるドレイ
ン電流ｇ_m・Ｒ_G・Δｉ_Gとの和で与えられる。この様
に、ＦＥＴ型光検出器は内部に増幅作用を持って大きな
外部量子効果（入射光強度に対するドレイン電流の比）
がとれることが特徴である。

【００１６】しかし、上記従来例には次の様な問題点が
ある。即ち、暗電流を小さくする為に動作点をピンチオ
フ状態に設定しなければならないことである。このピン
チオフが浅すぎると暗電流が大きくなりすぎて都合が悪
いし、深すぎると光を入れてもピンチオフが解けず光電
流が得られないという不都合がある。従って、Ｓ／Ｎが
最も高くなる様にゲート電圧を設定する必要があり、マ
ージンが非常に狭いことになる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】よって、本発明の第１
の目的は、上記の課題に鑑み、変調速度及び振幅が大き
く更に良好な性能の構造を容易に形成できる電子波干渉
素子を提供することにある。

【００１８】本発明の第２の目的は、上記の課題に鑑
み、動作点が広く且つ上記ＦＥＴ型より更に大きな光電
流のとれる電子波干渉電流を用いた光検出器などの電子
波干渉素子を与えるものである。

【００１９】本発明の第３の目的は、上記の課題に鑑
み、上記ＦＥＴ型より簡単に達成できる構成及び過程を
有する電子波分岐及び／又は合流素子及び方法を与える
ものである。

【００２０】本発明の第４の目的は、上記の課題に鑑
み、上記の構成を有する電子波干渉素子を使って干渉電
流を変調する方法を与えるものである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、第１に、ＦＥＴ構造を有する電子波干渉素子にお
いて、電子を注入する為のソース電極と、電子を取り出
す為のドレイン電極と、該ソース電極から該ドレイン電
極へと電子を伝搬させるチャネル手段と、該ソース電極
と該ドレイン電極との間の該チャネル手段の途中に設け
られ該チャネル手段の途中において空乏層を形成するこ
とによって該チャネル手段を複数のチャネルに分割する
ゲート電極と、該空乏層の大きさを変化させて前記複数
のチャネルで囲まれる面積を変化させるための光を照射
する手段とを有する。

【００２２】上記目的を達成する本発明は、第２に、
電子波干渉素子において、電子を注入する為の注入手段
と、電子を引き出す為の引き出し手段と、電子を伝搬さ
せる連続的に形成された平面構造を有し、該注入手段か
ら該引き出し手段へと電子を伝搬させる為のチャネル手
段と、該注入手段と該引き出し手段との間の該チャネル
手段の途中における該連続的に形成された平面を貫いて
空乏層を延ばし、それにより該チャネル手段の途中にお
いて該チャネル手段を複数のチャネルに分割する手段
と、該空乏層の大きさを変化させて前記複数のチャネル
で囲まれる面積を変化させるための光を照射する手段と
を有する。

【００２３】上記目的を達成する本発明において、更
に、前記チャネル手段の途中に磁界を印加するための手
段を有する。この電子波干渉素子において、チャネル手
段の途中に磁界を印加することにより、アハラノフ−ボ
ーム効果による変調をかけることができる。この場合、
磁界は変調する必要がないので、一定の磁界を用いるこ
とができる。

【００２４】上記目的を達成する本発明は、更に、電
子を注入する為のソース電極と、電子を取り出す為のド
レイン電極と、該ソース電極から該ドレイン電極へと電
子を伝播させるチャネル手段と、該ソース電極と該ドレ
イン電極との間の該チャネル手段の途中に設けられ該チ
ャネル手段の途中において空乏層を形成することによっ
て該チャネル手段を複数のチャネルに分割するゲート電
極とを有する電子波干渉素子での干渉電流を変調するた
めの方法であって、前記チャネル手段の途中に磁界を印
加する過程と、前記空乏層の大きさを変化させて前記複
数のチャネルで囲まれる面積を変化させるために変調光
を照射する過程とを有する。

【００２５】上記目的を達成する本発明は、更に、電子
を注入するための注入手段と、電子を引き出すための引
き出し手段と、電子を伝搬させる連続的に形成された平
面構造を有し、該注入手段から該引き出し手段へと電子
を伝搬させるためのチャネル手段と、該注入手段と該引
き出し手段との間の該チャネル手段の途中において該連
続的に形成された平面を貫いて空乏層を延ばし、それに
より該チャネル手段の途中において該チャネル手段を複
数のチャネルに分割する手段とを有する電子波干渉素子
での干渉電流を変調するための方法であって、前記チャ
ネル手段の途中に磁界を印加する過程と、前記空乏層の
大きさを変化させて前記複数のチャネルで囲まれる面積
を変化させるために変調光を照射する過程とを有する。
また、FET構造を有する電子波干渉素子において、電子
を注入する為のソース電極と、電子を取り出す為のドレ
イン電極と、該ソース電極から該ドレイン電極へと電子
を伝播させるチャネル手段と、該ソース電極と該ドレイ
ン電極との間の該チャネル手段の途中に設けられ該チャ
ネル手段の途中における空乏層を延ばすことによって該
チャネル手段を二重連結のチャネルに分割する電極であ
って、電子の伝搬方向に垂直な方向の幅が該チャネル手
段よりも狭いゲート電極と、該チャネル手段の途中に一
定の磁場を印加する手段と、該空乏層の大きさを変化さ
せて前記複数のチャネルで囲まれる面積を変化させるた
めの光を照射する手段とを有する電子波干渉素子であ
る。

【００２６】

【実施例】図１および図２は参考例を説明するものであ
る。図１はデバイスを上から見たもので、ソース電極２
とドレイン電極３を結ぶように細長い電子波チャネル部
１が存在する。電極部２、３はＡｕ／Ｇｅで形成され、
電極部２、３とチャネル部１以外は水素イオンが注入さ
れ高抵抗領域４となっており、電子波はチャネル部１内
にのみ閉じ込められて走行する。ここでイオン注入の代
わりにウエットエッチングやＲＩＥ（反応性イオンエッ
チング）によってチャネル１を形成することも当然なが
ら可能である。チャネル部１の中央には途中のみ電子波
を２分するようにゲート電極５を付け、逆バイアスを印
加する。外部磁場Ｂを図の方向に印加すると２分された
チャネル１ａ、１ｂを走行する電子波間に位相差が生じ
ドレイン電極３側で干渉が起きる。

【００２７】図２はデバイスのＡ−Ａ′断面図（ａ）、
および２つのチャネル１ａ、１ｂとその間の部分のエネ
ルギーバンド（ｂ）を示したものである。２つのチャネ
ル１ａ、１ｂの間の部分の伝導帯の最下端レベルはフェ
ルミレベルＥ_fより相当上にあり、電子波はここを伝搬
できない。

【００２８】図２（ａ）において、半絶縁性ＧａＡｓ基
板（不図示）上にφ−ＧａＡｓ１１を２μｍ成膜した
後、スペーサー層であるφ−ＡｌＧａＡｓ１２を５０
Å、電子供給層であるｎ−ＡｌＧａＡｓ１３を５００
Å、順次、成膜し、Ａｌのゲート電極５を付ける。電子
供給層１３のＳｉドープ量Ｎ_dを１０¹⁷から１０¹⁸ｃｍ
^-3とすると、電子がイオン化されて掃き出されφ−Ｇａ
Ａｓ膜１１とφ−ＡｌＧａＡｓ膜１２との界面（スペー
サ層１２の伝導帯のエネルギレベルが急激に落ち込んだ
ところ）に１０¹¹ｃｍ^-2程度の密度の２次元電子ガス１
４として存在する。ゲート電極５に負のバイアス電圧Ｖ
を印加したとき、その下に空乏層１５が延びる。伸びの
深さｄは、ｄ＝（２ε_sＶ／ｅＮ_d）^1/2・・・（５）で与えられる。ここでε_sは誘電率である。Ｖ＝５Ｖ、
Ｎ_d＝１０¹⁸ｃｍ^-3とするとｄ＝８５０Åとなり、ヘテ
ロ界面以下にまで空乏層１５が延びていることが分かる
（電子供給層１３とスペ−サ層１２を合わせた厚さは５
５０Å）。この時のエネルギーバンドは図２（ｂ）に示
すようになり、チャネル１が電子の走行方向に直交する
方向にチャネル１ａ、１ｂに２分され量子干渉デバイス
の構造となっていることが分かる。

【００２９】この構造に静磁場Ｂを図示方向に印加した
状態でゲート電圧をΔＶだけ変化させる。そのときの空
乏層１５の幅の変化量Δｄは次のように与えられる： Δｄ＝ｄ（ΔＶ／２Ｖ）・・・（６）図２から分かるように、ゲート電圧を変化させると空乏
層１５幅が変化し、（１）式における面積Ａが変化する
ことになる。面積の変化量をΔＡとすると透過係数｜Ｔ
｜²は｜Ｔ｜²＝ｃｏｓ²｛ｅ／（ｈ／２π）・Ａ／２・Ｂ（１＋ΔＡ／Ａ）｝・・・（７）となる。ここで、（７）式から面積の変化は磁界が（１
＋ΔＡ／Ａ）倍されたことと等価であることが分かる。
したがって、ゲート電圧の変調によって磁界変調型量子
干渉デバイスと同様に大きな変調振幅を得ることができ
る。

【００３０】ここで、ゲート電極５に電圧Ｖを印加した
とき空乏層１５が２次元電子ガス１４の存在する面を切
る断面を図３のように簡単化して、Ａ＝Ｌ×１の矩形と
する。ゲート電圧をΔＶだけ変化させたときの面積Ａの
変化分は ΔＡ＝（Ｌ＋２Δｄ）（ｌ＋２Δｄ）−Ｌｌ≒２（Ｌ＋ｌ）Δｄとなる。

【００３１】ここで、ゲート電圧を５Ｖ印加したときＡ
＝１×０．５μｍ²とすると、静磁場Ｂ₀を５．０３２ｋ
Ｇ加えると、（７）式から透過係数は図４のように零と
なる。これが１となるゲート電圧の変化分ΔＶを（６）
および（７）式から求めるとΔＶ／Ｖ＝２％となる。即
ち、１００ｍＶで１００％の変調が可能となる。

【００３２】上記参考例では、平坦な層構造にゲート
電圧を印加するのみで複数の電子波チャネルを形成でき
るので作製が容易である。また、ゲート電圧を変化させ
て複数の電子波チャネルを横切る磁束量を変化できるの
で、１００％の変調で高速度のスイッチングが可能とな
る。構造は従来からのＭＥＳ−ＦＥＴと同じであるの
で、この点からも更に作製が容易となる。

【００３３】本発明は上記参考例を更に改良したものに
係る。図５、６及び７は本発明の第１実施例を示す。第
１実施例は、電子波干渉電流が光で変化させられる光検
出器として構成されている。基本的動作原理は参考例と
同じである。

【００３４】構造としては、平面図である図５に示す様
に、ＦＥＴと同じソース２１、ゲート２２、ドレイン２
３の３電極構成である。普通のＦＥＴと異なるところ
は、ゲート電極２２下の空乏層２４（図５のＡ−Ａ′断
面図である図６参照）がチャネル２５をｏｎ／ｏｆｆす
るのではなく、単連結のチャネル２５を２重連結のチャ
ネル２６ａ、２６ｂ（図５のＡ−Ａ′方向に直角な方向
の断面に関するエネルギーバンド図である図７参照）に
するところである。即ち、図５のゲート電極２２に負の
電圧を印加すると、図６の様にその下に空乏層２４が延
び単連結のチャネル２５の中に電子の存在しない領域
（穴）ができて２重連結のチャネル構造となる。

【００３５】２重連結構造の電子波チャネル２６ａ、
２６ｂに外部磁場Ｂを印加すると、チャネル２６ａ、２
６ｂを通る電子波間の磁場の大きさＢと２つのチャネル
が囲む面積Ａに依存して２つの電子波間に位相差が生じ
る。コンダクタンス即ち透逼係数の変化は、参考例と同
じであり（１）式に依存する。

【００３６】上記の構造に、図６、図７に示す様に、バ
ンドギャップＥ_c−Ｅ_vよりエネルギーの大きな光（光子
エネルギー：ｈν）を照射する。発生した光キャリアの
うち正孔がゲート電極２２の方に引き付けられ光電流Δ
ｉ_Gとなる。光電流はゲート２２から流れ出しゲート抵
抗Ｒ_Gによって電圧降下ΔＶを引き起こす。その結果、
空乏層２４が点線の様に縮み（１）式の面積Ａが小さく
なり、透過係数即ちドレイン電流が変化する。これは、
光によってドレイン電流が変化させられることを表わし
ており、光検出器になっていることが分かる。光によっ
て、ドレイン電流をスイッチングないし変調することを
利用してもよい。

【００３７】図５において、円形のチャネル部２５が、
水素イオン注入等の手段により回りに高抵抗領域２８を
形成することで、ソース電極２１とドレイン電極２３の
間に形成されている。ここで、イオン注入の代わりにウ
エットエッチングやＲＩＥ（反応性イオンエッチング）
によってチャネル２５を形成することも当然可能であ
る。ゲート電極２２はチャネル部２５の中央部に形成さ
れ、電子波を途中においてのみ２つの電子波に分割す
る。

【００３８】ソース電極２１とドレイン電極２３との距
離は、電子波の位相を乱す様な散乱（非弾性散乱）が無
い程度に設定されなければならない。本実施例の様に、
低温でＧａＡｓ層３１とＡｌＧａＡｓ層３２の間のヘテ
ロ界面（スペーサ層３２の伝導帯のエネルギレベルが急
激に落ち込んだところ）における２次元電子ガス３０を
使う場合は１０μｍ程度まで長くとることができる。

【００３９】図６において、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図
示されていない）上にφ−ＧａＡｓ３１を２μｍ成膜し
た後、スペーサ層であるφ−ＡｌＧａＡｓ３２を厚さ５
０Å、電子供給層であるｎ−ＡｌＧａＡｓ３３を厚さ５
００Å、順次、成膜し、その上にショットキー接合した
ＩＴＯ（インジウムと錫の酸化物）の透明ゲート電極２
２を付ける。電子供給層３３のＳｉドープ量Ｎ_dを１０
¹⁷〜１０¹⁸ｃｍ^-3とすると電子がイオン化されて掃き出
され、これは、前述した様に、φ−ＧａＡｓ膜３１とφ
−ＡｌＧａＡｓ膜３２との界面に１０¹¹ｃｍ^-2程度の密
度の２次元電子ガス３０として存在する。次に、ソース
２１及びドレイン電極２３は、Ａｕ／Ｇｅ膜を形成した
後、４００°Ｃ程度で熱処理することによってｎ⁺拡散
領域３６、３７をその下に作る。

【００４０】本実施例の作用を説明する。ゲート電極
２２に負のバイアス電圧Ｖを印加したとき、その下に空
乏層２４が延びる。伸びの深さｄは参考例で述べた
（５）式により与えられる。バイアス電圧Ｖ＝５Ｖ、Ｓ
ｉドープ量Ｎ_d＝１０¹⁸ｃｍ^-3とすると空乏層２４の深
さｄ＝８５０Åとなり、ヘテロ界面以下にまで空乏層２
４が延びていることが分かる（電子供給層３３とスペー
サ層３２を合わせた厚さは５５０Åであるから）。この
時のエネルギーバンドは図７に示すようになり、チャネ
ル２６ａ、２６ｂが電子の走行方向に直交する方向（紙
面垂直方向）に関して２分され量子干渉デバイスの構造
となっていることが分かる。

【００４１】この構造にＧａＡｓ膜３１のエネルギーギ
ャップよりも大きなエネルギーｈνを持つ波長の光（例
えば、波長０．８μｍ）を照射すると、前記した様にゲ
ート抵抗Ｒ_Gにゲート電流Δｉ_Gが流れΔＶ＝Ｒ_G・Δｉ_G
なる電圧降下が起きる。その時の空乏層２４の深さない
し半径の変化量Δｄは（６）式で与えられる。

【００４２】従って、光の当っていない時、空乏層２４
が電子波チャネル２５に開ける「穴」の面積Ａを図７の
様にＡ＝πｒ²とすると、光の当った時に空乏層２４が
Δｄだけ縮むことによって生じる２つのチャネル２６
ａ、２６ｂの囲む面積変化率ΔＡ／Ａは ΔＡ／Ａ＝２Δｄ／ｒ・・・（５）と与えられる。このとき透過係数｜Ｔ｜²は、｜Ｔ｜²＝ｃｏｓ²｛ｅ／（ｈ／２π）・Ａ／２・Ｂ（１−ΔＡ／Ａ）｝・・・（９）となる。

【００４３】ここで、（９）式から面積Ａの変化は、磁
界Ｂが（１−ΔＡ／Ａ）倍されたことと等価であること
が分かる。従って、光が当っていない時の外部磁場を、
丁度、干渉電流がゼロとなる値Ｂ₀に設定しておき、光
が当った時に空乏層２４幅が縮小して、等価磁場Ｂ
₀（１−ΔＡ／Ａ）が、干渉電流の最大となる値になる
様に設定すれば、大きな出力を得ることができる。

【００４４】例えば、図７において、空乏層２４が２次
元電子ガス３０の存在する面を切る半径を０．５μｍ
（Ａ＝０．７８５μｍ²）とし、外部磁場Ｂ₀を５２８０
Ｇとすると、（１）式より透過係数｜Ｔ｜²はゼロとな
る。この組み合わせを暗状態での動作点とすると、光を
照射した時に透過係数が１となる面積変化率ΔＡ／Ａは
０．５％となる。

【００４５】（６）式及び（８）式からゲート電圧Ｖ＝
５Ｖ、空乏層２４の深さないし半径ｄ＝８５０Å、ΔＡ
／Ａ＝０．５％とするとゲート電圧の変化はΔＶ＝１４
７ｍＶとなる。ゲート抵抗Ｒ_Gを５０Ω、内部量子効率
（入射光強度に対するゲート電流の比）を０．５Ａ／Ｗ
と見積もると入射光強度は５．９ｍＷとなる。即ち、こ
の強度の光を入れると干渉電流を１００％変調できるこ
とが分かる。もちろん、光強度が異なる時は、また別の
磁場Ｂ₀とゲート電圧Ｖの組み合わせを動作点に設定す
れば最適化される。

【００４６】上記した様に、本実施例の光検出器は、
外部磁場とゲート電圧のいろいろな組み合わせにより動
作点を設定することができる。即ち、光が当っていない
時に（１）式で与えられる透過率がゼロとなり、且つ検
出しようとしている光強度に対応して干渉電流が最大と
なる様に動作点を設定することができる。また、光電流
そのものを検出するのではなく電子波干渉電流を検出す
るので、大きな出力を得ることができる。本実施例は本
質的に参考例と同じ利点を有する。

【００４７】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。

【００４８】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９は、図５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９におい
て、符号５８はこのようなデバイスである。このデバイ
ス５８の電極間には、電源５９によって電圧が印加され
ている。このデバイス５８には半導体レーザなどのレー
ザ光源６１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６０からレーザ光源６１に供給する電流
ｉで変調することによって、デバイス５８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。図９では、磁石５０により静磁場Ｂがデバイス
５８に印加されている。

【００４９】図１０は、本発明の図５の実施例の半導体
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１０において、符号６６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
６６には、光ノード６７₁，６７₂，・・・，６７_nを夫
々介して、複数のターミナル６８₁，６８₂，・・・，６
８_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６９₁，６９₂，・
・・，６９_nが接続されている。各ターミナルは、変調
回路６３及びレーザ光源６２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８０及び復
調回路８１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６９₁からの指令に基づ
いて制御回路６４によって制御される。

【００５０】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明の光検出器な
どとして用いられる電子波干渉デバイスによれば、単一
チャネルを有しそれに隣接してゲート電極を有するＦＥ
Ｔ型になっており、ゲート電極に電圧を印加することに
よってゲート電極下に空乏層を延ばしてチャネルを２つ
のチャネルに分離し、且つ光照射によって２つのチャネ
ルが囲む面積を変化させることにより電子波干渉電流を
制御するものなので、応答性が速く出力が大きいという
特長を持つ。また、構造的には従来のＭＥＳ−ＦＥＴと
同じである構造とし得るから、他の光デバイスや電子デ
バイスとの集積化に適しており、作製も容易である。よ
って、光通信や光メモリなどの情報処理の為の有用なデ
バイスになることが期待される。

【００５１】また、以上説明した様に、本発明によれ
ば、電圧によって複数の電子波チャネルを形成するので
作製容易となり、また、この際、電圧を変化させて複数
の電子波チャネルを横切る磁束量を変化させるようにす
れば非常に高速なスイッチングと同時に１００％の変調
が可能となる。作製容易であることは、構造的に従来の
ＭＥＳ−ＦＥＴと同じである構造とし得るからでもあ
る。よって、将来の情報処理の為の有用なデバイスとし
て期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の参考例を上から見た図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）は夫々図１のＡ−Ａ′断面図お
よびそのエネルギバンド図である。

【図３】ゲート電極に印加する電圧を変化させたときに
空乏層が２次元電子ガスの存在する面を切る断面の変化
の様子を示す図である。

【図４】参考例の透過係数とゲート電圧の関係を示す
図。

【図５】本発明の第１実施例を上から見た概略図であ
る。

【図６】図５のＡ―Ａ′断面図である。

【図７】図５の実施例のエネルギバンド図である。

【図８】第１実施例の電子波干渉デバイスの透過係数の
磁場依存性を示す図である。

【図９】本発明の量子干渉素子が光ゲートトランジスタ
として使用される例を示すブロック図である。

【図１０】本発明の量子干渉素子が光検出器として使用
される光通信システムの例を示すブロック図である。

【図１１】第１の従来例を示す図である。

【図１２】第１の従来例のコンダクタンスと磁場の関係
を示す図である。

【図１３】第２の従来例を示す図である。

【図１４】第２の従来例の透過係数とチャネル間の電位
差の関係を示す図である。

【図１５】光導電型光検出器の従来例を示す図である。

【図１６】ＦＥＴ型光検出器の従来例の動作原理を説明
する図である。

【符号の説明】

１、２５・・・・・電子波チャネル部１ａ、１ｂ、２６ａ、２６ｂ・・・・・複数のチャネル２、２１・・・・・ソース電極３、２３・・・・・ドレイン電極３ａ、３ｂ・・・・・複数のチャネル４、２８・・・・・高抵抗領域５、２２・・・・・ゲー卜電極１１、３１・・・・・ノンドープＧａＡｓ１２、３２・・・・・スペーサ層１３、３３・・・・・電子供給層１４、３０・・・・・２次元電子ガス１５・・・・・空乏層３６、３７・・・・・ｎ⁺拡散領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 29/778 Ｈ０４Ｂ 9/00 Ｙ 29/812 Ｈ０４Ｂ 10/04 10/06 10/14 10/26 10/28 (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】FET構造を有する電子波干渉素子におい
て、電子を注入する為のソース電極と、電子を取り出す
為のドレイン電極と、該ソース電極から該ドレイン電極
へと電子を伝播させるチャネル手段と、該ソース電極と
該ドレイン電極との間の該チャネル手段の途中に設けら
れ該チャネル手段の途中において空乏層を形成すること
によって該チャネル手段を複数のチャネルに分割するゲ
ート電極と、該空乏層の大きさを変化させて前記複数の
チャネルで囲まれる面積を変化させるための光を照射す
る手段と、前記チャネル手段の途中に磁界を印加するた
めの手段とを有することを特徴とする電子波干渉素子。
【請求項２】以下のものを有することを特徴とする電子
波干渉素子：電子を注入するための注入手段；電子を引き出すための引き出し手段；電子を伝搬させる連続的に形成された平面構造を有し、
該注入手段から該引き出し手段へと電子を伝搬させるた
めのチャネル手段；該注入手段と該引き出し手段との間の該チャネル手段の
途中において該連続的に形成された平面を貫いて空乏層
を延ばし、それにより該チャネル手段の途中において該
チャネル手段を複数のチャネルに分割する手段；該空乏層の大きさを変化させて前記複数のチャネルで囲
まれる面積を変化させるための光を照射する手段；及び
前記チャネル手段の途中に磁界を印加するための手段。
【請求項３】電子を注入する為のソース電極と、電子を
取り出す為のドレイン電極と、該ソース電極から該ドレ
イン電極へと電子を伝播させるチャネル手段と、該ソー
ス電極と該ドレイン電極との間の該チャネル手段の途中
に設けられ該チャネル手段の途中において空乏層を形成
することによって該チャネル手段を複数のチャネルに分
割するゲート電極とを有する電子波干渉素子での干渉電
流を変調するための方法であって、以下の過程を有する
ことを特徴とする干渉電流変調方法：前記チャネル手段の途中に磁界を印加する過程；及び前
記空乏層の大きさを変化させて前記複数のチャネルで囲
まれる面積を変化させるために変調光を照射する過程。
【請求項４】電子を注入するための注入手段と、電子を
引き出すための引き出し手段と、電子を伝搬させる連続
的に形成された平面構造を有し、該注入手段から該引き
出し手段へと電子を伝搬させるためのチャネル手段と、
該注入手段と該引き出し手段との間の該チャネル手段の
途中において該連続的に形成された平面を貫いて空乏層
を延ばし、それにより該チャネル手段の途中において該
チャネル手段を複数のチャネルに分割する手段とを有す
る電子波干渉素子での干渉電流を変調するための方法で
あって、以下の過程を有することを特徴とする干渉電流
変調方法：前記チャネル手段の途中に磁界を印加する過程；及び前
記空乏層の大きさを変化させて前記複数のチャネルで囲
まれる面積を変化させるために変調光を照射する過程。
【請求項５】FET構造を有する電子波干渉素子におい
て、電子を注入する為のソース電極と、電子を取り出す
為のドレイン電極と、該ソース電極から該ドレイン電極
へと電子を伝播させるチャネル手段と、該ソース電極と
該ドレイン電極との間の該チャネル手段の途中に設けら
れ該チャネル手段の途中における空乏層を延ばすことに
よって該チャネル手段を二重連結のチャネルに分割する
電極であって、電子の伝搬方向に垂直な方向の幅が該チ
ャネル手段よりも狭いゲート電極と、該チャネル手段の
途中に一定の磁場を印加する手段と、該空乏層の大きさ
を変化させて前記複数のチャネルで囲まれる面積を変化
させるための光を照射する手段とを有することを特徴と
する電子波干渉素子。