JP3307007B2 - Quantum box assembly and operation method of quantum box assembly - Google Patents

Quantum box assembly and operation method of quantum box assembly

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JP3307007B2
JP3307007B2 JP17477493A JP17477493A JP3307007B2 JP 3307007 B2 JP3307007 B2 JP 3307007B2 JP 17477493 A JP17477493 A JP 17477493A JP 17477493 A JP17477493 A JP 17477493A JP 3307007 B2 JP3307007 B2 JP 3307007B2
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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】この発明は、量子箱集合素子およ
び量子箱集合素子の動作方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION This invention, Oyo quantum box set element
And an operation method of the quantum box assembly device .

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、量子波エレクトロニクスにおいて
は、電子のド・ブロイ波長と同程度の断面寸法を有する
極微箱構造、すなわちいわゆる量子箱が注目されてお
り、この量子箱内に閉じ込められた0次元電子が示す量
子効果に大きな関心がもたれている。
2. Description of the Related Art In recent years, in quantum wave electronics, a micro-box structure having a cross-sectional dimension comparable to the de Broglie wavelength of electrons, that is, a so-called quantum box, has been attracting attention. There is great interest in the quantum effects exhibited by two-dimensional electrons.

【0003】量子箱集合素子はこのような量子箱を複数
組み合わせたものであり、これらの量子箱の間で電子の
量子力学的トンネリングを起こさせて電子分布を変化さ
せることにより情報処理を行おうとするものである。
[0003] A quantum box assembly element is a combination of a plurality of such quantum boxes, and attempts to perform information processing by causing quantum mechanical tunneling of electrons between these quantum boxes to change the electron distribution. Is what you do.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上述のように複数の量
子箱間で電子を量子力学的トンネリングにより伝導させ
ることにより情報処理を行う場合、これらの量子箱間の
トンネル結合の強度を変調することができれば、多様な
情報処理を行うことが可能である。
As described above, when information processing is performed by conducting electrons between a plurality of quantum boxes by quantum mechanical tunneling, the intensity of tunnel coupling between these quantum boxes must be modulated. If it is possible, it is possible to perform various information processing.

【0005】このトンネル結合の強度は量子箱間での電
子のトンネル透過率(またはトンネル確率)によって決
まるが、このトンネル透過率を決める要素としては、量
子箱間の相対距離、量子箱間の障壁高さ、量子箱内の電
子の有効質量などがある。しかしながら、量子箱を形成
する材料を決めれば有効質量を変えることは不可能であ
り、量子箱をヘテロ接合で形成すれば相対距離を変える
ことも難しい。残る方法は量子箱間の障壁高さを変える
ことであるが、これを実際に行うことは従来は困難であ
った。
[0005] The strength of the tunnel coupling is determined by the tunnel transmittance (or tunnel probability) of electrons between quantum boxes. The factors that determine the tunnel transmittance are the relative distance between quantum boxes and the barrier between quantum boxes. Height, effective mass of electrons in the quantum box, etc. However, it is impossible to change the effective mass if the material forming the quantum box is determined, and it is difficult to change the relative distance if the quantum box is formed by a heterojunction. The remaining method is to change the height of the barrier between quantum boxes, but it has been difficult to do this in the past.

【0006】従って、この発明の目的は、制御電極を用
いて量子箱に電場を印加することにより量子箱間のトン
ネル結合の強度を変調することができる量子箱集合素子
および量子箱集合素子の動作方法を提供することにあ
る。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a quantum box assembly element capable of modulating the intensity of tunnel coupling between quantum boxes by applying an electric field to the quantum boxes using a control electrode.
And an operation method of the quantum box assembly element .

【0007】この発明の他の目的は、構造が単純で製造
が容易な量子箱集合素子を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a quantum box assembly element having a simple structure and easy manufacture.

【0008】この発明のさらに他の目的は、光入力およ
び光出力が可能な量子箱集合素子および量子箱集合素子
の動作方法を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a quantum box assembly element and a quantum box assembly element capable of inputting and outputting light .
An operation method of the present invention is provided.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明による量子箱集合素子は、一面内に配置さ
れた複数の量子箱(QD)と、複数の量子箱(QD)に
対して間隔をおいて設けられ、量子箱(QD)に対応す
る部分に開口(4a)を有するかまたは透明材料により
形成された制御電極(4)とを有し、制御電極(4)を
量子箱(QD)に対して第1の負の電位にバイアスして
上記面に垂直な方向に電場を印加した状態で、量子箱
(QD)の電子−正孔対生成エネルギーに共鳴する波長
の光を、開口(4a)を通してまたは制御電極(4)を
透過させて、選択された量子箱(QD)に照射すること
により入力を行い、 制御電極(4)を量子箱(QD)に
対して第1の負の電位よりも低い第2の負の電位にバイ
アスして上記面に垂直な方向に電場を印加することによ
り複数の量子箱(QD)間の結合の強度を増加させ、複
数の量子箱(QD)間で電子を伝導させることにより情
報処理を行い、その後制御電極(4)に対するバイアス
電圧を実質的に除去し、 制御電極(4)を量子箱(Q
D)に対して正の電位にバイアスして上記面に垂直な方
向に電場を印加することにより電子−正孔再結合による
発光を起こさせることにより出力を行うようにしたもの
である。また、この発明による量子箱集合素子の動作方
法は、 一面内に配置された複数の量子箱(QD)と、
数の量子箱(QD)に対して間隔をおいて設けられ、量
子箱(QD)に対応する部分に開口(4a)を有するか
または透明材料により形成された制御電極(4)とを有
する量子箱集合素子の動作方法であって、 制御電極
(4)を量子箱(QD)に対して第1の負の電位にバイ
アスして上記面に垂直な方向に電場を印加した状態で、
量子箱(QD)の電子−正孔対生成エネルギーに共鳴す
る波長の光を、開口(4a)を通してまたは制御電極
(4)を透過させて、選択された量子箱(QD)に照射
することにより入力を行い、 制御電極(4)を量子箱
(QD)に対して第1の負の電位よりも低い第2の負
電位にバイアスして上記面に垂直な方向に電場を印加す
ることにより複数の量子箱(QD)間の結合の強度を増
加させ、複数の量子箱(QD)間で電子を伝導させるこ
とにより情報処理を行い、その後制御電極(4)に対す
るバイアス電圧を実質的に除去し、 制御電極(4)を量
子箱(QD)に対して正の電位にバイアスして上記面に
垂直な方向に電場を印加することにより電子−正孔再結
合による発光を起こさせることにより出力を行うように
したものである。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, a quantum box assembly according to the present invention comprises a plurality of quantum boxes (QDs) arranged on one surface and a plurality of quantum boxes (QDs). Are provided at intervals and correspond to quantum boxes (QDs).
Having an opening (4a) at the part where
And a forming a control electrode (4), the control electrode (4)
Bias the quantum box (QD) to the first negative potential
With the electric field applied in the direction perpendicular to the above plane, the quantum box
Wavelength that resonates with the electron-hole pair generation energy of (QD)
Light through the aperture (4a) or the control electrode (4).
Transmitting and irradiating the selected quantum box (QD)
And input the control electrode (4) to the quantum box (QD).
On the other hand, to a second negative potential lower than the first negative potential.
And apply an electric field in a direction perpendicular to the above plane.
Increase the strength of the coupling between multiple quantum boxes (QDs)
By conducting electrons between a number of quantum boxes (QDs),
Information processing, and then bias the control electrode (4).
The voltage is substantially removed and the control electrode (4) is placed in the quantum box (Q
D) bias to a positive potential with respect to
Due to electron-hole recombination by applying an electric field
Output is performed by causing light emission . Also, the operation method of the quantum box assembly device according to the present invention
Law, a plurality of quantum boxes arranged in one plane (QD), double
Spaced apart for a number of quantum boxes (QDs)
Whether there is an opening (4a) in the part corresponding to the child box (QD)
Or a control electrode (4) formed of a transparent material.
A method of operating a quantum box set element, the control electrodes
(4) Bypass the quantum box (QD) to the first negative potential.
In a state where an electric field is applied in a direction perpendicular to the above surface,
Resonates with the electron-hole pair generation energy of the quantum box (QD)
Light of different wavelengths through the aperture (4a) or the control electrode
Transmit through (4) and irradiate selected quantum box (QD)
And input the control electrode (4) to the quantum box.
(QD) first negative second negative lower than the potential with respect to
Apply an electric field in a direction perpendicular to the above plane by biasing it to a potential.
To increase the strength of coupling between multiple quantum boxes (QDs)
To conduct electrons between multiple quantum boxes (QDs).
, And then process information for the control electrode (4).
And the control electrode (4) is removed.
Bias to a positive potential with respect to the child box (QD)
Electron-hole recombination by applying electric field in vertical direction
So that light is output by causing
It was done.

【0010】[0010]

【0011】[0011]

【0012】この発明による量子箱集合素子の好適な一
実施形態において、量子箱(QD)は、タイプIIのヘ
テロ接合超格子により形成される。具体的には、量子箱
(QD)は、例えば、InAsから成る井戸層(3)が
AlGaSbから成る障壁層(2)で囲まれた構造を有
する。
In a preferred embodiment of the quantum box assembly according to the present invention, the quantum box (QD) is formed by a type II heterojunction superlattice. Specifically, the quantum box (QD) has a structure in which, for example, a well layer (3) made of InAs is surrounded by a barrier layer (2) made of AlGaSb.

【0013】[0013]

【作用】いま、図15に示すように、複数の量子箱がx
−y面内に互いに近接して周期的に配置されている場合
を考える。この場合、この周期構造により、図16Aに
示すように、x方向およびy方向にサブバンドが形成さ
れる。ここで、図15のz軸方向に電場を印加すると、
量子箱におけるz軸方向の電子の量子閉じ込めが強くな
り、量子箱における電子の基底エネルギーは上昇する。
このとき、x−y面内の量子箱間の実効的な障壁高さが
減少するので、x−y面内での量子箱間のトンネル結合
が強くなってサブバンド幅が増加する(図16B)。こ
のような互いに近接して配置された複数の量子箱間のト
ンネル結合の強度の変調は、量子箱が周期的に配置され
た場合のみならず、量子箱が非周期的に配置された場合
でも同様に可能である。
Now, as shown in FIG. 15, a plurality of quantum boxes have x
Consider a case in which they are periodically arranged close to each other in the −y plane. In this case, due to this periodic structure, as shown in FIG. 16A, subbands are formed in the x direction and the y direction. Here, when an electric field is applied in the z-axis direction in FIG.
The quantum confinement of electrons in the z-axis direction in the quantum box becomes stronger, and the ground energy of the electrons in the quantum box increases.
At this time, the effective barrier height between the quantum boxes in the xy plane decreases, so that the tunnel coupling between the quantum boxes in the xy plane increases and the sub-band width increases (FIG. 16B). ). Such modulation of the intensity of the tunnel coupling between a plurality of quantum boxes arranged close to each other is not only performed when the quantum boxes are periodically arranged, but also when the quantum boxes are aperiodically arranged. It is equally possible.

【0014】以上のことからわかるように、上述のよう
に構成されたこの発明による量子箱集合素子によれば、
制御電極(4)を用いて複数の量子箱(QD)に電場を
印加することにより量子箱(QD)におけるこの電場の
印加方向の電子の量子閉じ込めの強さを変調し、それに
よって量子箱(QD)間の障壁高さを実効的に変えるこ
とにより、量子箱(QD)間のトンネル結合の強度を変
調することができる。また、この量子箱集合素子は、一
段だけの量子箱(QD)を用いていることから、構造が
単純であり、従って製造が容易である。さらに、この量
子箱集合素子は、光照射により量子箱(QD)に電子を
入力し、電子−正孔再結合による発光により出力を行う
ことができ、光入力および光出力が可能である。
As can be seen from the above, according to the quantum box assembly according to the present invention configured as described above,
By applying an electric field to the plurality of quantum boxes (QDs) using the control electrode (4), the intensity of quantum confinement of electrons in the direction of application of the electric field in the quantum boxes (QD) is modulated, whereby the quantum box (QD) is modulated. By effectively changing the barrier height between the QDs, the strength of the tunnel coupling between the quantum boxes (QDs) can be modulated. Moreover, since this quantum box assembly element uses only one quantum box (QD), its structure is simple, and therefore, its manufacture is easy. Further, this quantum box assembly element can input electrons to the quantum box (QD) by light irradiation, and can perform output by light emission by electron-hole recombination, and can perform light input and light output.

【0015】[0015]

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照しながら説明する。なお、この実施例においては、量
子箱のことを量子ドットと呼び、この量子ドットを複数
組み合わせた素子を量子ドット集合素子と呼ぶ。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, a quantum box is called a quantum dot, and an element obtained by combining a plurality of quantum dots is called a quantum dot aggregate element.

【0016】図1はこの実施例による量子ドット集合素
子を示す。図1に示すように、この実施例による量子ド
ット集合素子においては、例えばp型GaSb基板1上
に障壁層としてのi型AlGaSb層2が形成され、こ
のi型AlGaSb層2内に井戸層としての箱状のi型
InAs層3がx−y面内に二次元アレー状に埋め込ま
れている。そして、この井戸層としてのi型InAs層
3が障壁層としてのi型AlGaSb層2で囲まれた構
造によりそれぞれの量子ドットQDが形成され、これら
の量子ドットQDがx−y面内に二次元アレー状に形成
されている。この場合、この量子ドットQDを構成する
AlGaSb/InAsヘテロ接合はタイプIIの超格
子である。
FIG. 1 shows a quantum dot assembly according to this embodiment. As shown in FIG. 1, in the quantum dot integrated device according to this embodiment, for example, an i-type AlGaSb layer 2 as a barrier layer is formed on a p-type GaSb substrate 1, and a well layer is formed in the i-type AlGaSb layer 2. Is embedded in a two-dimensional array in the xy plane. Each quantum dot QD is formed by a structure in which the i-type InAs layer 3 serving as a well layer is surrounded by the i-type AlGaSb layer 2 serving as a barrier layer, and these quantum dots QD are formed in an xy plane. It is formed in a dimensional array. In this case, the AlGaSb / InAs heterojunction constituting the quantum dot QD is a type II superlattice.

【0017】また、障壁層としてのi型AlGaSb層
2上には金属から成る電極4が形成されている。この電
極4は、量子ドットQDに対応する部分にそれぞれ開口
4aを有する。さらに、図示は省略するが、p型GaS
b基板1の裏面には電極がオーミックコンタクトしてい
る。そして、このp型GaSb基板1の裏面に形成され
た電極とi型AlGaSb層2上に形成された電極4と
の間の電位差により、図1の縦方向、すなわちz軸方向
に電場を印加することができるようになっている。
An electrode 4 made of metal is formed on the i-type AlGaSb layer 2 as a barrier layer. The electrode 4 has openings 4a at portions corresponding to the quantum dots QD. Further, although not shown, p-type GaS
An electrode is in ohmic contact with the back surface of the b substrate 1. Then, an electric field is applied in the vertical direction of FIG. 1, that is, in the z-axis direction due to a potential difference between the electrode formed on the back surface of the p-type GaSb substrate 1 and the electrode 4 formed on the i-type AlGaSb layer 2. You can do it.

【0018】図1の線α−αに沿う方向および線β−β
に沿う方向のエネルギーバンド図をそれぞれ図2および
図3に示す。図2および図3において、Ec は伝導帯の
下端のエネルギー、Ev は価電子帯の上端のエネルギ
ー、E0 は量子ドットQDの電子の基底エネルギーを示
す。
The direction along the line α-α and the line β-β in FIG.
2 and FIG. 3 show energy band diagrams in the directions along. 2 and FIG. 3, E c is the energy, E v at the lower end of the conduction band at the upper end of the energy of the valence band, E 0 denotes the ground energy of electrons in the quantum dots QD.

【0019】図2からわかるように、この場合、図1の
線α−αに沿う方向、すなわち隣接する量子ドットQD
間を結ぶ方向のAlGaSb/InAsヘテロ接合にお
けるポテンシャル障壁の高さは非常に大きくなってお
り、従ってこの状態における量子ドットQD間のトンネ
ル結合は非常に弱い。このとき、量子ドットQD間では
トンネリングによる電子の伝導は許されない。なお、A
lGaSb/InAsヘテロ接合におけるポテンシャル
障壁の高さは、AlGaSbのAlとGaとの組成比を
変えることにより調節することができ、具体的には例え
ば1.5eV程度にすることができる。
As can be seen from FIG. 2, in this case, the direction along the line α-α in FIG.
The height of the potential barrier in the AlGaSb / InAs heterojunction in the connecting direction is very large, and thus the tunnel coupling between the quantum dots QD in this state is very weak. At this time, electron conduction by tunneling is not allowed between the quantum dots QD. Note that A
The height of the potential barrier in the lGaSb / InAs heterojunction can be adjusted by changing the composition ratio of Al to Ga in AlGaSb, and specifically, can be set to, for example, about 1.5 eV.

【0020】次に、上述のように構成されたこの実施例
による量子ドット集合素子の動作原理について説明す
る。なお、ここでは、p型GaSb基板1の裏面に形成
された電極を接地し(0V)、i型AlGaSb層2上
に形成された電極4を電位φにバイアスするものとす
る。
Next, the principle of operation of the quantum dot integrated device according to this embodiment configured as described above will be described. Here, it is assumed that the electrode formed on the back surface of the p-type GaSb substrate 1 is grounded (0 V), and the electrode 4 formed on the i-type AlGaSb layer 2 is biased to the potential φ.

【0021】まず、入力時には、電極4を小さな負の電
位φにバイアスする。このときの図1の線β−βに沿う
方向のエネルギーバンドは、図4に示すように、少し傾
斜する。次に、この状態で、入力すべき情報に応じて選
択された量子ドットQDに対し、電極4の開口4aを通
して、量子ドットQDの電子−正孔対生成エネルギーに
共鳴する波長の単色光、すなわち hν=E0 −H0 を満足する振動数νを有する単色光を照射し、それによ
ってこの量子ドットQD中に電子(e- )−正孔
(h+ )対を生成する。ただし、H0 はInAsの価電
子帯の上端のエネルギー、hはプランク定数である。こ
の単色光の照射は、具体的には、例えばスポット径を十
分に小さくしたレーザー光を用いて行うことができる。
First, at the time of input, the electrode 4 is biased to a small negative potential φ. At this time, the energy band in the direction along the line β-β in FIG. 1 is slightly inclined as shown in FIG. Next, in this state, for the quantum dot QD selected according to the information to be input, through the opening 4a of the electrode 4, monochromatic light having a wavelength that resonates with the electron-hole pair generation energy of the quantum dot QD, that is, Irradiate monochromatic light having a frequency ν satisfying hν = E 0 −H 0 , thereby generating an electron (e ) -hole (h + ) pair in the quantum dot QD. Here, H 0 is the energy at the upper end of the valence band of InAs, and h is Planck's constant. Specifically, the irradiation with the monochromatic light can be performed using, for example, a laser beam having a sufficiently small spot diameter.

【0022】この場合、この光照射により生成された電
子−正孔対のうちの正孔にとっては量子ドットQDの外
部、すなわちi型AlGaSb層2中の方がエネルギー
的に低く、しかも電極4の電位φによる電場が印加され
ているため、この正孔は、図5に示すように、速やかに
電極4側に引かれてこの電極4中に吸い込まれる。この
結果、量子ドットQD内には電子のみが残される。
In this case, for the holes of the electron-hole pairs generated by the light irradiation, the energy outside the quantum dot QD, that is, in the i-type AlGaSb layer 2 is lower, and the electrode 4 Since an electric field due to the potential φ is applied, the holes are quickly drawn toward the electrode 4 and sucked into the electrode 4 as shown in FIG. As a result, only electrons remain in the quantum dot QD.

【0023】この段階では、この量子ドットQD内に残
された電子は、そのままこの量子ドットQD内に留まっ
ている。これは、この段階での電極4の電位φが小さい
ことにより、量子ドットQD間のトンネル結合の強度が
小さいためである。
At this stage, the electrons left in the quantum dot QD remain in the quantum dot QD. This is because the strength of the tunnel coupling between the quantum dots QD is small due to the small potential φ of the electrode 4 at this stage.

【0024】このようにして、光照射を行った量子ドッ
トQD中に電子を保持しながら、入力すべき情報に応じ
て選択されたすべての量子ドットQDに対して光照射を
行って入力を行うことにより、初期電子分布を入力する
ことができる。
In this way, all the quantum dots QD selected in accordance with the information to be input are irradiated with light, and input is performed, while holding the electrons in the irradiated quantum dots QD. Thereby, the initial electron distribution can be input.

【0025】上述のようにして二次元アレー状に配置さ
れた量子ドットQDへの初期電子分布の入力を終了した
ら、電極4を大きな負の電位φにバイアスする。この結
果、図1の線β−βに沿う方向のエネルギーバンドは、
図6に示すように、大きく傾斜する。このとき、量子ド
ットQD内でのz軸方向の電子の量子閉じ込めの強さが
減少し、量子ドットQD間の結合の強度が増加するの
で、電子は量子ドットQD間をトンネリングにより伝導
し、これによって二次元アレー状に配置された量子ドッ
トQDにおける電子分布の経時変化が起こる。この電子
の伝導は量子ドットQDの配置に従って起こり、電子分
布が時間とともに変化することにより情報処理が行われ
る。
When the input of the initial electron distribution to the quantum dots QD arranged in a two-dimensional array as described above is completed, the electrode 4 is biased to a large negative potential φ. As a result, the energy band in the direction along the line β-β in FIG.
As shown in FIG. At this time, the strength of quantum confinement of electrons in the z-axis direction in the quantum dot QD decreases, and the strength of coupling between the quantum dots QD increases, so that the electrons conduct between the quantum dots QD by tunneling. This causes a time-dependent change in the electron distribution in the quantum dots QD arranged in a two-dimensional array. This electron conduction occurs according to the arrangement of the quantum dots QD, and information processing is performed by changing the electron distribution with time.

【0026】必要な時間が経過した後、電極4の電位φ
を0にする。これによって、図1の線β−βに沿う方向
のエネルギーバンドは、図7に示すように、元に戻る。
そして、このとき、量子ドットQD間の結合は再び弱く
なり、従って量子ドットQD間での電子の伝導は起こら
なくなる。この時点での二次元アレー状に配置された量
子ドットQDにおける電子分布が出力情報となる。
After the necessary time has elapsed, the potential φ of the electrode 4
To 0. Thereby, the energy band in the direction along the line β-β in FIG. 1 returns to the original state as shown in FIG.
Then, at this time, the coupling between the quantum dots QD is weakened again, so that the conduction of electrons between the quantum dots QD does not occur. At this point, the electron distribution in the quantum dots QD arranged in a two-dimensional array becomes output information.

【0027】次に、出力時には、電極4を正の電位φに
バイアスする。このとき、図1の線β−βに沿う方向の
エネルギーバンドは、図8に示すように、入力時および
情報処理時とは逆方向に傾斜する。このときには、図9
に示すように、電極4からこの電極4が接しているi型
AlGaSb層2中に正孔が注入される。そして、この
正孔が量子ドットQD中の電子と再結合して発光(h
ν)が起きる。従って、この発光を空間分解して検出す
ることにより量子ドット集合素子における最終的な電子
分布を知ることができ、これによって出力情報を得るこ
とができる。
Next, at the time of output, the electrode 4 is biased to a positive potential φ. At this time, the energy band in the direction along the line β-β in FIG. 1 is inclined in a direction opposite to that at the time of input and at the time of information processing, as shown in FIG. At this time, FIG.
As shown in (1), holes are injected from the electrode 4 into the i-type AlGaSb layer 2 in contact with the electrode 4. Then, the holes recombine with the electrons in the quantum dot QD to emit light (h
ν) occurs. Therefore, the final electron distribution in the quantum dot aggregate element can be known by spatially resolving and detecting this light emission, whereby output information can be obtained.

【0028】以上のようなこの実施例による量子ドット
集合素子の動作は、次のように要約することができる。
すなわち、レーザー光などの照射により入力した電子分
布f(x、y)が経時変化でg(x、y)に変わったと
すれば、この終状態の電子分布g(x、y)自身を読み
出すことができるので、結局、 f(x、y)→g(x、y) の処理を行うことができることになる。
The operation of the quantum dot integrated device according to this embodiment as described above can be summarized as follows.
That is, if the electron distribution f (x, y) input by irradiation with laser light or the like is changed to g (x, y) with the passage of time, the electron distribution g (x, y) in the final state is read. Therefore, the processing of f (x, y) → g (x, y) can be performed after all.

【0029】次に、この実施例による量子ドット集合素
子の製造方法について説明する。まず、図10に示すよ
うに、p型GaSb基板1上に、例えば有機金属化学気
相成長(MOCVD)法により、i型AlGaSb層2
a、i型InAs層3およびi型AlGaSb層2bを
順次エピタキシャル成長させる。
Next, a method of manufacturing the quantum dot integrated device according to this embodiment will be described. First, as shown in FIG. 10, an i-type AlGaSb layer 2 is formed on a p-type GaSb substrate 1 by, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.
a, the i-type InAs layer 3 and the i-type AlGaSb layer 2b are sequentially epitaxially grown.

【0030】次に、例えばCVD法によりi型AlGa
Sb層2b上にSiO2 膜5を形成した後、このSiO
2 膜5をリソグラフィーおよびエッチングにより、量子
ドットQDに対応した形状にパターニングする。なお、
このSiO2 膜5のパターニング用のレジストパターン
の形成は、例えば、電子ビーム照射装置の真空排気され
た試料室内において所定の原料ガス雰囲気中でi型Al
GaSb層2b上にスポット径を十分に小さく絞った電
子ビームを選択的に照射してこの照射部に原料ガスの分
解生成物を堆積させることにより行われる。
Next, for example, an i-type AlGa
After forming the SiO 2 film 5 on the Sb layer 2b,
The two films 5 are patterned into a shape corresponding to the quantum dots QD by lithography and etching. In addition,
The formation of the resist pattern for patterning the SiO 2 film 5 is carried out, for example, by using an i-type Al
This is performed by selectively irradiating the GaSb layer 2b with an electron beam having a sufficiently small spot diameter and depositing a decomposition product of a source gas on the irradiated portion.

【0031】次に、このようにして形成されたSiO2
膜5をマスクとして、例えば反応性イオンエッチング
(RIE)法のような異方性のドライエッチング法によ
り、i型AlGaSb層2bおよびi型InAs層3を
基板表面と垂直方向に順次エッチングする。このエッチ
ングは、i型InAs層3が互いに完全に分離するよう
に、オーバーエッチング気味に行う。このようにして、
図11に示すように、i型InAs層3およびi型Al
GaSb層2bが四角柱状の形状にパターニングされ
る。
Next, the SiO 2 thus formed is formed.
Using the film 5 as a mask, the i-type AlGaSb layer 2b and the i-type InAs layer 3 are sequentially etched in a direction perpendicular to the substrate surface by an anisotropic dry etching method such as a reactive ion etching (RIE) method. This etching is slightly over-etched so that the i-type InAs layers 3 are completely separated from each other. In this way,
As shown in FIG. 11, the i-type InAs layer 3 and the i-type Al
The GaSb layer 2b is patterned into a quadrangular prism shape.

【0032】次に、図12に示すように、SiO2 膜5
をマスクとして例えばMOCVD法によりi型AlGa
Sb層2cを選択エピタキシャル成長させて、四角柱状
のi型InAs層3およびi型AlGaSb層2bの間
の部分を埋める。ここで、四角柱状のi型InAs層3
およびi型AlGaSb層2bの間の部分のこのi型A
lGaSb層2cの厚さは、例えば、これらのi型In
As層3およびi型AlGaSb層2bの合計の厚さよ
りも小さく選ばれる。
[0032] Next, as shown in FIG. 12, SiO 2 film 5
Is used as a mask to form an i-type AlGa
The Sb layer 2c is selectively epitaxially grown to fill a portion between the quadrangular prism-shaped i-type InAs layer 3 and the i-type AlGaSb layer 2b. Here, a quadrangular prism-shaped i-type InAs layer 3 is formed.
And the i-type A in the portion between the i-type AlGaSb layer 2b and
The thickness of the lGaSb layer 2c is, for example,
The thickness is selected to be smaller than the total thickness of the As layer 3 and the i-type AlGaSb layer 2b.

【0033】次に、図13に示すように、基板表面に対
して垂直な方向から例えばAlを真空蒸着することによ
り、Al膜6を形成する。この場合、このAl膜6の厚
さをSiO2 膜5の厚さに対して十分に小さく選ぶこと
によって、SiO2 膜5上のAl膜6とSiO2 膜5以
外の部分の表面に形成されたAl膜6とは、SiO2
5による段差により、互いに分離される。
Next, as shown in FIG. 13, for example, Al is vacuum-deposited from a direction perpendicular to the substrate surface to form an Al film 6. In this case, by choosing a sufficiently small thickness of the Al film 6 of the thickness of the SiO 2 film 5 is formed on the surface of the Al film 6 and the SiO 2 film 5 other than the portion on the SiO 2 film 5 The Al film 6 is separated from the Al film 6 by a step due to the SiO 2 film 5.

【0034】この後、SiO2 膜5をウエットエッチン
グし、このSiO2 膜5上のAl膜6を除去する(リフ
トオフ)。以上のようにして、図14に示すように、図
1に示す量子ドット集合素子と実質的に同一の構造の量
子ドット集合素子が完成される。
Thereafter, the SiO 2 film 5 is wet-etched to remove the Al film 6 on the SiO 2 film 5 (lift-off). As described above, as shown in FIG. 14, a quantum dot aggregate element having substantially the same structure as the quantum dot aggregate element shown in FIG. 1 is completed.

【0035】以上のように、この実施例による量子ドッ
ト集合素子によれば、二次元アレー状に配置された量子
ドットQDを一段設け、その上に電極4を設けた構造と
していることから、この電極4を用いて、二次元アレー
状に配置された量子ドットQDに対してそれらの配列面
に垂直な方向、すなわちz軸方向に電場を印加すること
により、この配列面内におけるこれらの量子ドットQD
間の結合の強度を変調することができる。このため、こ
の実施例による量子ドット集合素子によれば、これを利
用して多様な情報処理を行うことができる。また、この
実施例による量子ドット集合素子は単純な構造であるこ
とにより、製造が容易である。さらに、この実施例によ
る量子ドット集合素子は、光入力および光出力が可能で
ある。
As described above, according to the quantum dot aggregation device of this embodiment, the quantum dots QD arranged in a two-dimensional array are provided in one stage, and the electrode 4 is provided thereon. By using the electrode 4 to apply an electric field to the quantum dots QD arranged in a two-dimensional array in a direction perpendicular to their arrangement plane, that is, in the z-axis direction, these quantum dots in this arrangement plane QD
The strength of the coupling between them can be modulated. For this reason, according to the quantum dot collective element according to this embodiment, various information processing can be performed using the quantum dot collective element. Further, the quantum dot integrated device according to this embodiment has a simple structure, and thus is easy to manufacture. Further, the quantum dot aggregation device according to this embodiment is capable of optical input and optical output.

【0036】以上、この発明の一実施例について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。
As described above, one embodiment of the present invention has been specifically described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. .

【0037】例えば、上述の実施例においては、光に対
して不透明な金属により電極4を形成しているため、量
子ドットQDに光を照射するためにはこの量子ドットQ
Dに対応する部分の電極4にあらかじめ開口4aを形成
しておく必要があるが、この電極4を例えばITO(In
dium-Tin Oxide)のような透明電極材料により形成する
ことにより、電極4に開口4aを形成する必要はなくな
る。
For example, in the above embodiment, since the electrode 4 is formed of a metal which is opaque to light, in order to irradiate the quantum dot QD with light, the quantum dot Q
It is necessary to previously form an opening 4a in the portion of the electrode 4 corresponding to D.
By using a transparent electrode material such as dium-tin oxide, it is not necessary to form the opening 4a in the electrode 4.

【0038】また、上述の実施例において説明した量子
ドット集合素子の製造方法は一例に過ぎず、他の製造方
法を用いてもよいことは言うまでもない。
The method of manufacturing the quantum dot element described in the above embodiment is merely an example, and it goes without saying that another manufacturing method may be used.

【0039】さらに、上述の実施例においては、量子ド
ット集合素子の材料としてAlGaSb、InAsおよ
びGaSbを用いているが、この量子ドット集合素子、
より一般的には量子箱集合素子の材料としてはこれら以
外の半導体材料を用いてもよい。
Further, in the above-described embodiment, AlGaSb, InAs and GaSb are used as the material of the quantum dot aggregate element.
More generally, semiconductor materials other than these may be used as the material of the quantum box assembly element.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
制御電極を用いて複数の量子箱に電場を印加することに
より複数の量子箱間のトンネル結合の強度を変調するこ
とができ、構造が単純であるために製造が容易であり、
しかも光入力および光出力が可能な量子箱集合素子を実
現することができる。
As described above, according to the present invention,
By applying an electric field to a plurality of quantum boxes using a control electrode, the intensity of tunnel coupling between the plurality of quantum boxes can be modulated.Since the structure is simple, manufacturing is easy.
Moreover, it is possible to realize a quantum box assembly element capable of optical input and optical output.

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

【図1】この発明の一実施例による量子ドット集合素子
を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a quantum dot aggregation device according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の線α−αに沿う方向のエネルギーバンド
図である。
FIG. 2 is an energy band diagram in a direction along a line α-α in FIG.

【図3】図1の線β−βに沿う方向のエネルギーバンド
図である。
FIG. 3 is an energy band diagram in a direction along a line β-β in FIG. 1;

【図4】図1に示す量子ドット集合素子の入力方法を説
明するためのエネルギーバンド図である。
FIG. 4 is an energy band diagram for explaining an input method of the quantum dot aggregation device shown in FIG.

【図5】図1に示す量子ドット集合素子の入力方法を説
明するためのエネルギーバンド図である。
FIG. 5 is an energy band diagram for explaining an input method of the quantum dot aggregate element shown in FIG.

【図6】図1に示す量子ドット集合素子の情報処理時の
エネルギーバンド図である。
FIG. 6 is an energy band diagram of the quantum dot integrated device shown in FIG. 1 during information processing.

【図7】図1に示す量子ドット集合素子の情報処理後出
力前のエネルギーバンド図である。
FIG. 7 is an energy band diagram of the quantum dot aggregate element shown in FIG. 1 after information processing and before output.

【図8】図1に示す量子ドット集合素子の出力方法を説
明するためのエネルギーバンド図である。
FIG. 8 is an energy band diagram for explaining an output method of the quantum dot aggregate element shown in FIG.

【図9】図1に示す量子ドット集合素子の出力方法を説
明するためのエネルギーバンド図である。
FIG. 9 is an energy band diagram for explaining an output method of the quantum dot aggregate element shown in FIG.

【図10】図1に示す量子ドット集合素子と実質的に同
一の構造の量子ドット集合素子の製造方法を説明するた
めの斜視図である。
FIG. 10 is a perspective view for explaining a method of manufacturing a quantum dot aggregate element having substantially the same structure as the quantum dot aggregate element shown in FIG.

【図11】図1に示す量子ドット集合素子と実質的に同
一の構造の量子ドット集合素子の製造方法を説明するた
めの斜視図である。
FIG. 11 is a perspective view for explaining a method of manufacturing a quantum dot aggregate element having substantially the same structure as the quantum dot aggregate element shown in FIG.

【図12】図1に示す量子ドット集合素子と実質的に同
一の構造の量子ドット集合素子の製造方法を説明するた
めの斜視図である。
FIG. 12 is a perspective view for explaining a method of manufacturing a quantum dot aggregate element having substantially the same structure as the quantum dot aggregate element shown in FIG.

【図13】図1に示す量子ドット集合素子と実質的に同
一の構造の量子ドット集合素子の製造方法を説明するた
めの斜視図である。
FIG. 13 is a perspective view for explaining a method of manufacturing a quantum dot aggregate element having substantially the same structure as the quantum dot aggregate element shown in FIG.

【図14】図1に示す量子ドット集合素子と実質的に同
一の構造の量子ドット集合素子の製造方法を説明するた
めの斜視図である。
FIG. 14 is a perspective view for explaining a method of manufacturing a quantum dot aggregate element having substantially the same structure as the quantum dot aggregate element shown in FIG.

【図15】複数の量子箱を互いに近接して周期的に配置
した量子箱の二次元アレーを示す略線図である。
FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a two-dimensional array of quantum boxes in which a plurality of quantum boxes are periodically arranged close to each other.

【図16】図15に示す量子箱の二次元アレーにおける
サブバンドの変調を説明するためのエネルギーバンド図
である。
16 is an energy band diagram for explaining subband modulation in the two-dimensional array of the quantum box shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 p型GaSb基板 2、2a、2b、2c i型AlGaSb層 3 i型InAs層 4 電極 4a 開口 1 p-type GaSb substrate 2, 2a, 2b, 2ci i-type AlGaSb layer 3 i-type InAs layer 4 electrode 4a opening

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 一面内に配置された複数の量子箱と、 上記複数の量子箱に対して間隔をおいて設けられ、上記
量子箱に対応する部分に開口を有するかまたは透明材料
により形成された制御電極とを有し、上記制御電極を上記量子箱に対して第1の負の電位にバ
イアスして上記面に垂直な方向に電場を印加した状態
で、上記量子箱の電子−正孔対生成エネルギーに共鳴す
る波長の光を、上記開口を通してまたは上記制御電極を
透過させて、選択された上記量子箱に照射することによ
り入力を行い、 上記制御電極を上記量子箱に対して上記第1の負の電位
よりも低い第2の負の電位にバイアスして上記面に垂直
な方向に電場を印加することにより上記複数の量子箱間
の結合の強度を増加させ、上記複数の量子箱間で電子を
伝導させることにより情報処理を行い、その後上記制御
電極に対するバイアス電圧を実質的に除去し、 上記制御電極を上記量子箱に対して正の電位にバイアス
して上記面に垂直な方向に電場を印加することにより電
子−正孔再結合による発光を起こさせることにより出力
を行うようにした 量子箱集合素子。
1. A plurality of quantum boxes arranged in one plane, provided at a distance from the said plurality of quantum boxes, the
Opening or transparent material corresponding to quantum box
And a control electrode formed at a first negative potential with respect to the quantum box.
State with an electric field applied in the direction perpendicular to the above plane
Resonates with the electron-hole pair generation energy of the quantum box.
Through the aperture or through the control electrode.
By transmitting and irradiating the selected quantum box
And the control electrode is connected to the first negative potential with respect to the quantum box.
Bias to a second negative potential lower than
By applying an electric field in various directions,
Increase the strength of the bond between
Performs information processing by conducting, and then controls
The bias voltage to the electrode is substantially removed, and the control electrode is biased to a positive potential with respect to the quantum box.
And apply an electric field in a direction perpendicular to the above plane.
Output by emitting light due to electron-hole recombination
Quantum box assembly element that performs
【請求項2】 上記量子箱はタイプIIのヘテロ接合超
格子により形成されていることを特徴とする請求項1
載の量子箱集合素子。
2. The quantum box is a type II heterojunction super-junction.
2. The quantum box assembly according to claim 1, wherein the device is formed by a lattice .
【請求項3】 上記量子箱はInAsから成る井戸層が
AlGaSbから成る障壁層で囲まれた構造を有するこ
とを特徴とする請求項1記載の量子箱集合素子。
3. The quantum box has a well layer made of InAs.
It has a structure surrounded by a barrier layer made of AlGaSb.
The quantum box assembly device according to claim 1, wherein:
【請求項4】 一面内に配置された複数の量子箱と、 上記複数の量子箱に対して間隔をおいて設けられ、上記
量子箱に対応する部分に開口を有するかまたは透明材料
により形成された制御電極とを有する量子箱集合素子の
動作方法であって、 上記制御電極を上記量子箱に対して第1の負の電位にバ
イアスして上記面に垂直な方向に電場を印加した状態
で、上記量子箱の電子−正孔対生成エネルギーに共鳴す
る波長の光を、上記開口を通してまたは上記制御電極を
透過させて、選択された上記量子箱に照射することによ
り入力を行い、 上記制御電極を上記量子箱に対して上記第1の負の電位
よりも低い第2の負の電位にバイアスして上記面に垂直
な方向に電場を印加することにより上記複数の量子箱間
の結合の強度を増加させ、上記複数の量子箱間で電子を
伝導させることにより情報処理を行い、その後上記制御
電極に対するバイアス電圧を実質的に除去し、 上記制御電極を上記量子箱に対して正の電位にバイアス
して上記面に垂直な方向に電場を印加することにより電
子−正孔再結合による発光を起こさせることにより出力
を行うようにした量子箱集合素子の動作方法。
4. A plurality of quantum boxes arranged in one plane and a plurality of quantum boxes are provided at intervals with respect to the plurality of quantum boxes.
Opening or transparent material corresponding to quantum box
Of a quantum box assembly having a control electrode formed by
An operation method, comprising : controlling the control electrode to a first negative potential with respect to the quantum box.
State with an electric field applied in the direction perpendicular to the above plane
Resonates with the electron-hole pair generation energy of the quantum box.
Through the aperture or through the control electrode.
By transmitting and irradiating the selected quantum box
And the control electrode is connected to the first negative potential with respect to the quantum box.
Bias to a second negative potential lower than
By applying an electric field in various directions,
Increase the strength of the bond between
Performs information processing by conducting, and then controls
The bias voltage to the electrode is substantially removed, and the control electrode is biased to a positive potential with respect to the quantum box.
And apply an electric field in a direction perpendicular to the above plane.
Output by emitting light due to electron-hole recombination
The operation method of the quantum box collective element configured to perform the operation.
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