JP3381466B2 - 量子素子 - Google Patents
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Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、量子素子に関し、特
に、量子細線や量子箱（量子ドットとも呼ばれる）など
の量子構造を用いた量子素子に関する。
に、量子細線や量子箱（量子ドットとも呼ばれる）など
の量子構造を用いた量子素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体素子の微細化に伴い、空乏層を金
属配線を介して制御する従来の動作方式が近い将来限界
を迎えると考えられている。この微細化は単体素子の特
性の向上を求めたものでもあるが、それ以上に大規模集
積化のために行っているものであり、ＶＬＳＩとしての
性能を念頭に置く必要がある。半導体素子を超高密度に
集積化した場合には、金属配線が複雑に構成され、論理
ＩＣに限らず、メモリＩＣにとっても、配線遅延が最も
重要な問題として浮かび上がってきている。
属配線を介して制御する従来の動作方式が近い将来限界
を迎えると考えられている。この微細化は単体素子の特
性の向上を求めたものでもあるが、それ以上に大規模集
積化のために行っているものであり、ＶＬＳＩとしての
性能を念頭に置く必要がある。半導体素子を超高密度に
集積化した場合には、金属配線が複雑に構成され、論理
ＩＣに限らず、メモリＩＣにとっても、配線遅延が最も
重要な問題として浮かび上がってきている。
【０００３】ところで、電荷を移動させる半導体素子と
しては、従来より電荷結合素子（ＣＣＤ）がよく知られ
ており、超高集積のものがすでに実現され、実用化され
ている。
しては、従来より電荷結合素子（ＣＣＤ）がよく知られ
ており、超高集積のものがすでに実現され、実用化され
ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ＣＣＤにおいても、空乏層を金属配線を介して制御する
ことにより電荷を移動させており、多くの複雑な金属配
線が用いられている。このため、やはり配線遅延が重要
な問題として存在する。
ＣＣＤにおいても、空乏層を金属配線を介して制御する
ことにより電荷を移動させており、多くの複雑な金属配
線が用いられている。このため、やはり配線遅延が重要
な問題として存在する。
【０００５】このような背景の下に、金属配線によらず
に系を制御することができる素子が広く求められている
が、これまで報告例はないのが実情である。
に系を制御することができる素子が広く求められている
が、これまで報告例はないのが実情である。
【０００６】従って、この発明の目的は、金属配線を用
いることなく、光入力分布を時系列の電荷分布として読
み出すことができ、撮像素子として用いることができる
量子素子を提供することにある。
いることなく、光入力分布を時系列の電荷分布として読
み出すことができ、撮像素子として用いることができる
量子素子を提供することにある。
【０００７】
【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素子は、その延在方向に電荷が
移動することができる細線と、細線の一端から他端に向
かって前進するように細線の周囲を取り巻いて設けられ
た一次元量子箱アレーとを有し、細線の延在方向と交差
する面内の外部電場を印加し、その印加方向を上記面内
で回転させることにより細線に沿って電荷を移動させる
ようにした電荷移動チャネルと、電荷移動チャネルに隣
接して設けられた量子箱からなる受光部とを有すること
を特徴とするものである。
に、この発明による量子素子は、その延在方向に電荷が
移動することができる細線と、細線の一端から他端に向
かって前進するように細線の周囲を取り巻いて設けられ
た一次元量子箱アレーとを有し、細線の延在方向と交差
する面内の外部電場を印加し、その印加方向を上記面内
で回転させることにより細線に沿って電荷を移動させる
ようにした電荷移動チャネルと、電荷移動チャネルに隣
接して設けられた量子箱からなる受光部とを有すること
を特徴とするものである。
【０００８】この発明において、細線としては、電子を
一次元的に閉じ込めることができる量子細線や、電子を
零次元的に閉じ込めることができる量子箱をトンネル効
果により相互に結合するように互いに隣接して配列した
一次元量子箱アレーなどを用いることができる。
一次元的に閉じ込めることができる量子細線や、電子を
零次元的に閉じ込めることができる量子箱をトンネル効
果により相互に結合するように互いに隣接して配列した
一次元量子箱アレーなどを用いることができる。
【０００９】この発明において、受光部は、この受光部
と一次元量子箱アレーとの間の距離がこの受光部と細線
との間の距離よりも小さい位置に設けられる。
と一次元量子箱アレーとの間の距離がこの受光部と細線
との間の距離よりも小さい位置に設けられる。
【００１０】この発明においては、電荷移動チャネルか
ら受光部に向かう方向の外部電場を印加した状態で少な
くとも受光部を含む領域に光を照射することにより受光
部に電子−正孔対を生成し、その電子−正孔対のうちの
電子を細線に移動させて細線中に閉じ込め、外部電場を
上記面内で回転させることにより細線中に閉じ込められ
た電子を細線に沿って移動させる。ここで、受光部から
移動して細線中に閉じ込められた電子の分布は、入力情
報とすることができる。
ら受光部に向かう方向の外部電場を印加した状態で少な
くとも受光部を含む領域に光を照射することにより受光
部に電子−正孔対を生成し、その電子−正孔対のうちの
電子を細線に移動させて細線中に閉じ込め、外部電場を
上記面内で回転させることにより細線中に閉じ込められ
た電子を細線に沿って移動させる。ここで、受光部から
移動して細線中に閉じ込められた電子の分布は、入力情
報とすることができる。
【００１１】この発明においては、典型的には、受光部
に関して電荷移動チャネルと反対側の部分に細線とほぼ
平行に正孔保持チャネルが設けられる。
に関して電荷移動チャネルと反対側の部分に細線とほぼ
平行に正孔保持チャネルが設けられる。
【００１２】このように正孔保持チャネルが設けられる
場合には、電荷移動チャネルから正孔保持チャネルに向
かう方向の外部電場を印加した状態で少なくとも受光部
を含む領域に光を照射することにより受光部に電子−正
孔対を生成し、その電子−正孔対のうちの電子を細線に
移動させて細線中に閉じ込めるとともに、その電子−正
孔対のうちの正孔を正孔保持チャネルに移動させて正孔
保持チャネル中に閉じ込め、外部電場を上記面内で回転
させることにより細線中に閉じ込められた電子を細線に
沿って移動させる。ここで、受光部から移動して細線中
に閉じ込められた電子の分布は、入力情報とすることが
できる。また、このとき、この細線に沿っての電子の移
動に伴い、正孔保持チャネル中に閉じ込められた正孔も
この正孔保持チャネルに沿って移動する。
場合には、電荷移動チャネルから正孔保持チャネルに向
かう方向の外部電場を印加した状態で少なくとも受光部
を含む領域に光を照射することにより受光部に電子−正
孔対を生成し、その電子−正孔対のうちの電子を細線に
移動させて細線中に閉じ込めるとともに、その電子−正
孔対のうちの正孔を正孔保持チャネルに移動させて正孔
保持チャネル中に閉じ込め、外部電場を上記面内で回転
させることにより細線中に閉じ込められた電子を細線に
沿って移動させる。ここで、受光部から移動して細線中
に閉じ込められた電子の分布は、入力情報とすることが
できる。また、このとき、この細線に沿っての電子の移
動に伴い、正孔保持チャネル中に閉じ込められた正孔も
この正孔保持チャネルに沿って移動する。
【００１３】この発明においては、細線の一端および他
端にそれぞれ電極が設けられる。これらの電極のうちの
一方は電荷入力用であり、他方は電荷出力用である。
端にそれぞれ電極が設けられる。これらの電極のうちの
一方は電荷入力用であり、他方は電荷出力用である。
【００１４】この発明においては、典型的には、電荷移
動チャネルが複数互いに平行に並列配置される。
動チャネルが複数互いに平行に並列配置される。
【００１５】この発明においては、典型的には、円筒座
標系（ｒ、θ、ｚ）において、細線の中心軸をｚ軸上に
設置し、一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量
子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）と表示したと
き、θp ≠θq を満たす量子箱が存在する。
標系（ｒ、θ、ｚ）において、細線の中心軸をｚ軸上に
設置し、一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量
子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）と表示したと
き、θp ≠θq を満たす量子箱が存在する。
【００１６】この発明の一実施形態においては、円筒座
標系（ｒ、θ、ｚ）において、細線の中心軸をｚ軸上に
設置し、一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量
子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）と表示したと
き、方程式θn ＝ξｚn （ただし、ξは定数）で表され
る螺線上に一次元量子箱アレーが配置される。
標系（ｒ、θ、ｚ）において、細線の中心軸をｚ軸上に
設置し、一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量
子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）と表示したと
き、方程式θn ＝ξｚn （ただし、ξは定数）で表され
る螺線上に一次元量子箱アレーが配置される。
【００１７】ここで、特に、電荷移動チャネルが複数互
いに離れて平行に並列配置される場合、それぞれの細線
に関する定数ξの値は、細線間で同一または符号も含め
て異なる。
いに離れて平行に並列配置される場合、それぞれの細線
に関する定数ξの値は、細線間で同一または符号も含め
て異なる。
【００１８】この発明の他の一実施形態においては、円
筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、細線の中心軸をｚ軸
上に設置し、一次元量子箱アレーを構成する任意の一つ
の量子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）と表示した
とき、θn ＝ａ1 （０≦ｎ＜ｍ1 ）、θn ＝ａ2 （ｍ1
≦ｎ＜ｍ2 ）、…（ただし、ａ1 、ａ2 、…は定数）を
満たす量子箱が存在する。
筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、細線の中心軸をｚ軸
上に設置し、一次元量子箱アレーを構成する任意の一つ
の量子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）と表示した
とき、θn ＝ａ1 （０≦ｎ＜ｍ1 ）、θn ＝ａ2 （ｍ1
≦ｎ＜ｍ2 ）、…（ただし、ａ1 、ａ2 、…は定数）を
満たす量子箱が存在する。
【００１９】ここで、特に、電荷移動チャネルが複数互
いに離れて平行に並列配置される場合、それぞれの細線
に関する定数ａn の値は、細線間で同一または符号も含
めて異なる。
いに離れて平行に並列配置される場合、それぞれの細線
に関する定数ａn の値は、細線間で同一または符号も含
めて異なる。
【００２０】この発明においては、細線と一次元量子箱
アレーとの間に障壁層が設けられていても、設けられて
いなくてもよい。
アレーとの間に障壁層が設けられていても、設けられて
いなくてもよい。
【００２１】この発明において、量子細線および一次元
量子箱アレーを構成する量子箱は、典型的には、化合物
半導体ヘテロ接合により形成される。この化合物半導体
ヘテロ接合としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接
合、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合、ＩｎＡｓ／ＡｌＧ
ａＳｂヘテロ接合などを用いることができる。これらの
量子細線および一次元量子箱アレーを構成する量子箱は
また、半導体と絶縁体との接合により形成することもで
きる。この半導体と絶縁体との接合において、典型的に
は、半導体は一種または複数種のＩＶ族元素からなり、
絶縁体はＩＶ族元素と酸素との化合物からなる。一例を
挙げると、半導体はＳｉであり、絶縁体はＳｉＯ2 であ
る。二種類のＩＶ族元素からなる半導体の例としては、
例えばＳｉＣが挙げられる。
量子箱アレーを構成する量子箱は、典型的には、化合物
半導体ヘテロ接合により形成される。この化合物半導体
ヘテロ接合としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接
合、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合、ＩｎＡｓ／ＡｌＧ
ａＳｂヘテロ接合などを用いることができる。これらの
量子細線および一次元量子箱アレーを構成する量子箱は
また、半導体と絶縁体との接合により形成することもで
きる。この半導体と絶縁体との接合において、典型的に
は、半導体は一種または複数種のＩＶ族元素からなり、
絶縁体はＩＶ族元素と酸素との化合物からなる。一例を
挙げると、半導体はＳｉであり、絶縁体はＳｉＯ2 であ
る。二種類のＩＶ族元素からなる半導体の例としては、
例えばＳｉＣが挙げられる。
【００２２】この発明において、受光部を構成する量子
箱は、典型的には、いわゆるタイプＩＩの化合物半導体
ヘテロ接合、例えばＩｎＡｓ／ＡｌＳｂヘテロ接合によ
り形成される。
箱は、典型的には、いわゆるタイプＩＩの化合物半導体
ヘテロ接合、例えばＩｎＡｓ／ＡｌＳｂヘテロ接合によ
り形成される。
【００２３】
【作用】上述のように構成されたこの発明による量子素
子における電荷移動チャネルにおいて、細線と一次元量
子箱アレーとからなる系の電子密度が一次元量子箱アレ
ーを構成する量子箱一つ当たり一つの電子に対応する電
子密度よりも小さくなるようにしておく。この状態にお
いては、外部電場を印加しないときには、細線の量子状
態の方が量子箱の量子状態よりもエネルギーが低く、電
子は細線中に存在する。
子における電荷移動チャネルにおいて、細線と一次元量
子箱アレーとからなる系の電子密度が一次元量子箱アレ
ーを構成する量子箱一つ当たり一つの電子に対応する電
子密度よりも小さくなるようにしておく。この状態にお
いては、外部電場を印加しないときには、細線の量子状
態の方が量子箱の量子状態よりもエネルギーが低く、電
子は細線中に存在する。
【００２４】次に、細線の延在方向と交差する面内の外
部電場を印加すると、この細線の周囲を取り巻いて設け
られた一次元量子箱アレーのうちの外部電場の印加方向
と反対側の高電位の部分（以下この項において「第１の
部分」という。）に細線から電子が引き寄せられる。こ
の場合、一次元量子箱アレーを構成する量子箱間の間隔
や障壁の高さを適切に設定しておくことにより、この第
１の部分の量子箱にモット（Mott）絶縁体的に電子が分
布し、この第１の部分の量子箱に電子が局在するように
することができる。このとき、細線のうちのこの第１の
部分に対応する部分（以下この部分も「第１の部分」と
いう。）は、一次元量子箱アレーの第１の部分の量子箱
中の電子によるクーロンポテンシャルにより実効的に低
電位となる。従って、細線から一次元量子箱アレーに移
り切らなかった残りの電子があったとしても、それらは
細線の第１の部分の両側のより高電位の部分（以下この
項において「第２の部分」という。）に溜まる。
部電場を印加すると、この細線の周囲を取り巻いて設け
られた一次元量子箱アレーのうちの外部電場の印加方向
と反対側の高電位の部分（以下この項において「第１の
部分」という。）に細線から電子が引き寄せられる。こ
の場合、一次元量子箱アレーを構成する量子箱間の間隔
や障壁の高さを適切に設定しておくことにより、この第
１の部分の量子箱にモット（Mott）絶縁体的に電子が分
布し、この第１の部分の量子箱に電子が局在するように
することができる。このとき、細線のうちのこの第１の
部分に対応する部分（以下この部分も「第１の部分」と
いう。）は、一次元量子箱アレーの第１の部分の量子箱
中の電子によるクーロンポテンシャルにより実効的に低
電位となる。従って、細線から一次元量子箱アレーに移
り切らなかった残りの電子があったとしても、それらは
細線の第１の部分の両側のより高電位の部分（以下この
項において「第２の部分」という。）に溜まる。
【００２５】そこで、この状態で、何らかの方法で細線
と一次元量子箱アレーとからなる系に電子を生成する
と、この電子はこの系で最もエネルギーが低い細線の第
２の部分に溜まる。この場合、一次元量子箱アレーは、
細線の一端から他端に向かって前進するように細線の周
囲を取り巻いて設けられているので、細線には第１の部
分および第２の部分が交互に形成されることになるが、
この第１の部分には、一次元量子箱アレーの第１の部分
の量子箱中の電子によって電子に対する高いポテンシャ
ル障壁が存在しているので、第２の部分に溜まった余分
な電子、すなわち入力された電子は隣の第２の部分に移
ることができない。
と一次元量子箱アレーとからなる系に電子を生成する
と、この電子はこの系で最もエネルギーが低い細線の第
２の部分に溜まる。この場合、一次元量子箱アレーは、
細線の一端から他端に向かって前進するように細線の周
囲を取り巻いて設けられているので、細線には第１の部
分および第２の部分が交互に形成されることになるが、
この第１の部分には、一次元量子箱アレーの第１の部分
の量子箱中の電子によって電子に対する高いポテンシャ
ル障壁が存在しているので、第２の部分に溜まった余分
な電子、すなわち入力された電子は隣の第２の部分に移
ることができない。
【００２６】この状態で、外部電場の印加方向を細線の
延在方向と交差する面内で回転させる。すると、これに
伴い、電子に対して低エネルギーとなる量子箱が替わ
り、局在電子が存在する量子箱のある一次元量子箱アレ
ーの第１の部分は、細線の延在方向に移動する。そし
て、この移動に伴い、入力された電子が溜まっている細
線の第２の部分も細線の延在方向に移動する。すなわ
ち、外部電場の回転により、金属配線を用いることな
く、細線に沿って電荷を移動させることができることが
わかる。
延在方向と交差する面内で回転させる。すると、これに
伴い、電子に対して低エネルギーとなる量子箱が替わ
り、局在電子が存在する量子箱のある一次元量子箱アレ
ーの第１の部分は、細線の延在方向に移動する。そし
て、この移動に伴い、入力された電子が溜まっている細
線の第２の部分も細線の延在方向に移動する。すなわ
ち、外部電場の回転により、金属配線を用いることな
く、細線に沿って電荷を移動させることができることが
わかる。
【００２７】さて、この発明による量子素子において、
情報を入力するためには、電荷移動チャネルから受光部
に向かう方向の外部電場を印加した状態で少なくとも受
光部を含む領域に光を照射することによりこの受光部に
電子−正孔対を生成する。すると、この電子−正孔対の
うちの電子は、印加された外部電場によりこの外部電場
と逆の方向に加速されて電荷移動チャネルの細線に移動
し、この細線中に閉じ込められる。このようにして細線
中に閉じ込められた電子の分布は光入力分布に対応して
おり、入力情報となる。
情報を入力するためには、電荷移動チャネルから受光部
に向かう方向の外部電場を印加した状態で少なくとも受
光部を含む領域に光を照射することによりこの受光部に
電子−正孔対を生成する。すると、この電子−正孔対の
うちの電子は、印加された外部電場によりこの外部電場
と逆の方向に加速されて電荷移動チャネルの細線に移動
し、この細線中に閉じ込められる。このようにして細線
中に閉じ込められた電子の分布は光入力分布に対応して
おり、入力情報となる。
【００２８】次に、外部電場の印加方向をその面内で回
転させることにより、上述のようにして電荷移動チャネ
ルの細線に入力された電子分布をこの細線に沿って移動
させる。このとき、細線中に光による入力電子が存在す
る場合には、それがない場合に比べてより多くの電荷が
細線の他端に設けられる電荷出力用の電極において観測
されるため、この電極において時系列に沿った電荷を検
出することにより、細線に沿ったどの場所において電子
の入力があったのかを知ることができる。これによっ
て、光入力分布を知ることができ、撮像機能を得ること
ができる。
転させることにより、上述のようにして電荷移動チャネ
ルの細線に入力された電子分布をこの細線に沿って移動
させる。このとき、細線中に光による入力電子が存在す
る場合には、それがない場合に比べてより多くの電荷が
細線の他端に設けられる電荷出力用の電極において観測
されるため、この電極において時系列に沿った電荷を検
出することにより、細線に沿ったどの場所において電子
の入力があったのかを知ることができる。これによっ
て、光入力分布を知ることができ、撮像機能を得ること
ができる。
【００２９】また、正孔保持チャネルが設けられる場合
には、受光部に生成された電子−正孔対のうちの正孔
は、印加された外部電場の方向に加速されてこの正孔保
持チャネルに移動し、この正孔保持チャネル中に閉じ込
められる。この正孔保持チャネル中に閉じ込められた正
孔の分布は、電子−正孔間に働くクーロン引力により、
電荷移動チャネルの細線中に閉じ込められた電子の分布
の移動に伴い、この正孔保持チャネルに沿って移動す
る。従って、この正孔保持チャネルの出力端に電極を設
け、この電極において電荷の変化を検出することにより
光入力分布を知ることもできる。ここで、電荷移動チャ
ネルの細線に沿って移動する電子の電荷と、この電子の
移動に伴って正孔保持チャネルに沿って移動する正孔の
電荷とは、釣り合っており、全体として電気的に中性に
なっている。
には、受光部に生成された電子−正孔対のうちの正孔
は、印加された外部電場の方向に加速されてこの正孔保
持チャネルに移動し、この正孔保持チャネル中に閉じ込
められる。この正孔保持チャネル中に閉じ込められた正
孔の分布は、電子−正孔間に働くクーロン引力により、
電荷移動チャネルの細線中に閉じ込められた電子の分布
の移動に伴い、この正孔保持チャネルに沿って移動す
る。従って、この正孔保持チャネルの出力端に電極を設
け、この電極において電荷の変化を検出することにより
光入力分布を知ることもできる。ここで、電荷移動チャ
ネルの細線に沿って移動する電子の電荷と、この電子の
移動に伴って正孔保持チャネルに沿って移動する正孔の
電荷とは、釣り合っており、全体として電気的に中性に
なっている。
【００３０】なお、上述の外部電場による一次元量子箱
アレーの局部的な絶縁体化は、モット（Mott）−シュタ
ルク（Stark)効果を利用したものである。そこで、以下
にこのモット−シュタルク効果の概略を説明しておく。
アレーの局部的な絶縁体化は、モット（Mott）−シュタ
ルク（Stark)効果を利用したものである。そこで、以下
にこのモット−シュタルク効果の概略を説明しておく。
【００３１】まず最初に、金属−絶縁体相転移の一種で
あるモット転移（N. F. Mott, Philos. Mag. 6, 287(19
61) およびMetal-insulator transitions (Taylor & Fr
ancis Ltd, London, 1974)) をハバード（Hubbard)の描
像（J. Hubbard, Proc. Roy.Soc.(London), A276, 238
(1963), A277, 237(1963), A281, 401(1964)) で説明す
る。
あるモット転移（N. F. Mott, Philos. Mag. 6, 287(19
61) およびMetal-insulator transitions (Taylor & Fr
ancis Ltd, London, 1974)) をハバード（Hubbard)の描
像（J. Hubbard, Proc. Roy.Soc.(London), A276, 238
(1963), A277, 237(1963), A281, 401(1964)) で説明す
る。
【００３２】量子箱アレーの互いに隣接する量子箱間の
電子の動きやすさを表す物理量としてトランスファー・
エネルギーがあり、これをＴと書くことにする。このト
ランスファー・エネルギーＴは、電子間相互作用を考え
ないときには、バンド幅と考えてよい。また、一つの量
子箱に電子が二つ入ったときのクーロン・エネルギーを
オンサイト・クーロン・エネルギーと呼び、これをＵと
書くことにする。
電子の動きやすさを表す物理量としてトランスファー・
エネルギーがあり、これをＴと書くことにする。このト
ランスファー・エネルギーＴは、電子間相互作用を考え
ないときには、バンド幅と考えてよい。また、一つの量
子箱に電子が二つ入ったときのクーロン・エネルギーを
オンサイト・クーロン・エネルギーと呼び、これをＵと
書くことにする。
【００３３】このときの、一電子当たりに縮約されたエ
ネルギーバンド図は図２５Ａに示すようになる。この図
２５Ａにおける高エネルギー側のサブバンドをアッパー
・ハバード・バンド（ＵＨＢ）、低エネルギー側のサブ
バンドをローワー・ハバード・バンド（ＬＨＢ）と呼
ぶ。一つの量子箱当たり電子が一つ入った状態に対応す
るハーフ・フィルド（half-filled)の場合、ＬＨＢとＵ
ＨＢとが互いに分離しているとき、つまりＵが大きい
か、またはＴが小さいときは、ＬＨＢにのみ電子が詰ま
っていることになる（図２５Ｂ）。このときは、電子の
低エネルギー励起がギャップ（ハバード・ギャップ）を
有し、系は絶縁体的になる。一方、Ｕが小さいか、また
はＴが大きくなると、ＬＨＢとＵＨＢとは互いに重な
り、ＬＨＢの一部に空き状態が生じてその分の電子はＵ
ＨＢに入ることになる（図２５Ｃ）。この結果、系は半
金属的に振る舞うことになる。そして、この傾向がより
強くなれば、系は完全に金属的に振る舞うのである。
ネルギーバンド図は図２５Ａに示すようになる。この図
２５Ａにおける高エネルギー側のサブバンドをアッパー
・ハバード・バンド（ＵＨＢ）、低エネルギー側のサブ
バンドをローワー・ハバード・バンド（ＬＨＢ）と呼
ぶ。一つの量子箱当たり電子が一つ入った状態に対応す
るハーフ・フィルド（half-filled)の場合、ＬＨＢとＵ
ＨＢとが互いに分離しているとき、つまりＵが大きい
か、またはＴが小さいときは、ＬＨＢにのみ電子が詰ま
っていることになる（図２５Ｂ）。このときは、電子の
低エネルギー励起がギャップ（ハバード・ギャップ）を
有し、系は絶縁体的になる。一方、Ｕが小さいか、また
はＴが大きくなると、ＬＨＢとＵＨＢとは互いに重な
り、ＬＨＢの一部に空き状態が生じてその分の電子はＵ
ＨＢに入ることになる（図２５Ｃ）。この結果、系は半
金属的に振る舞うことになる。そして、この傾向がより
強くなれば、系は完全に金属的に振る舞うのである。
【００３４】量子箱を近接させて配列した一次元量子箱
アレーでは、量子箱を小さくすることにより、Ｕを大き
くすることができる。また、隣接量子箱間の間隔を大き
くしたり、量子箱間の障壁の高さを大きくすることによ
り、Ｔを小さくすることができる。従って、これらのＴ
およびＵの調節により、モット転移を起こさせることが
できることがわかる。
アレーでは、量子箱を小さくすることにより、Ｕを大き
くすることができる。また、隣接量子箱間の間隔を大き
くしたり、量子箱間の障壁の高さを大きくすることによ
り、Ｔを小さくすることができる。従って、これらのＴ
およびＵの調節により、モット転移を起こさせることが
できることがわかる。
【００３５】さて、いま、一次元量子箱アレーに一つの
量子箱当たり電子が一つ入っている場合、すなわちハー
フ・フィルドの場合を考える。この場合、量子箱間のト
ランスファー・エネルギーＴとオンサイト・クーロン・
エネルギーＵとの比η＝Ｔ／Ｕを外部電場を印加して変
化させることにより、モット転移を起こさせることがで
きる。これがモット−シュタルク効果である。
量子箱当たり電子が一つ入っている場合、すなわちハー
フ・フィルドの場合を考える。この場合、量子箱間のト
ランスファー・エネルギーＴとオンサイト・クーロン・
エネルギーＵとの比η＝Ｔ／Ｕを外部電場を印加して変
化させることにより、モット転移を起こさせることがで
きる。これがモット−シュタルク効果である。
【００３６】
【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。
照しながら説明する。
【００３７】この発明の一実施例による量子素子につい
て説明する前に、この量子素子に用いられる電荷移動素
子について説明する。
て説明する前に、この量子素子に用いられる電荷移動素
子について説明する。
【００３８】図１はこの電荷移動素子の第１の例を示
す。
す。
【００３９】図１に示すように、この電荷移動素子にお
いては、ｚ軸方向に細長い円柱状の量子細線ＱＷが延在
しており、この量子細線ＱＷの周囲を取り巻くように、
互いに隣接して配列された複数の球状の量子ドットＱＤ
からなる螺旋状の一次元量子ドットアレーがこの量子細
線ＱＷに隣接して設けられている。この場合、この一次
元量子ドットアレーを構成する量子ドットＱＤと量子細
線ＱＷとの間には障壁層が存在しているが、これらの量
子ドットＱＤと量子細線ＱＷとは、それらの間の障壁層
を介して電子がトンネル効果により移動することができ
る程度に近接している。また、ここでは、これらの量子
細線ＱＷおよび一次元量子ドットアレーからなる系の電
子密度は、一次元量子ドットアレーを構成する量子ドッ
トＱＤ一つ当たり電子が一つ入った状態、すなわちハー
フ・フィルドの状態に対応する電子密度よりも小さく抑
えられているものとする。
いては、ｚ軸方向に細長い円柱状の量子細線ＱＷが延在
しており、この量子細線ＱＷの周囲を取り巻くように、
互いに隣接して配列された複数の球状の量子ドットＱＤ
からなる螺旋状の一次元量子ドットアレーがこの量子細
線ＱＷに隣接して設けられている。この場合、この一次
元量子ドットアレーを構成する量子ドットＱＤと量子細
線ＱＷとの間には障壁層が存在しているが、これらの量
子ドットＱＤと量子細線ＱＷとは、それらの間の障壁層
を介して電子がトンネル効果により移動することができ
る程度に近接している。また、ここでは、これらの量子
細線ＱＷおよび一次元量子ドットアレーからなる系の電
子密度は、一次元量子ドットアレーを構成する量子ドッ
トＱＤ一つ当たり電子が一つ入った状態、すなわちハー
フ・フィルドの状態に対応する電子密度よりも小さく抑
えられているものとする。
【００４０】いま、この電荷移動素子に外部電場が印加
されていない場合を考える。この状態においては、量子
細線ＱＷの量子状態の方が量子ドットＱＤの量子状態よ
りもエネルギーが低いため、図２に示すように、電子
（ｅ- ）は量子細線ＱＷ中にのみ存在し、量子ドットＱ
Ｄ中には存在しない。
されていない場合を考える。この状態においては、量子
細線ＱＷの量子状態の方が量子ドットＱＤの量子状態よ
りもエネルギーが低いため、図２に示すように、電子
（ｅ- ）は量子細線ＱＷ中にのみ存在し、量子ドットＱ
Ｄ中には存在しない。
【００４１】次に、図３に示すように、この電荷移動素
子にｘ−ｙ面に平行な方向の外部電場Ｅを印加する場合
を考える。この外部電場Ｅを印加すると、螺旋状の一次
元量子ドットアレーのうちの外部電場Ｅの印加方向と反
対側の高電位の部分に、これに隣接する部分の量子細線
ＱＷから電子が引き寄せられる。ここでは、このように
して電子が引き寄せられた部分の一次元量子ドットアレ
ーおよびそれに対応する部分の量子細線ＱＷをＡ領域と
呼び、その他の部分の一次元量子ドットアレーおよびそ
れに対応する部分の量子細線ＱＷをＢ領域と呼ぶことに
する。
子にｘ−ｙ面に平行な方向の外部電場Ｅを印加する場合
を考える。この外部電場Ｅを印加すると、螺旋状の一次
元量子ドットアレーのうちの外部電場Ｅの印加方向と反
対側の高電位の部分に、これに隣接する部分の量子細線
ＱＷから電子が引き寄せられる。ここでは、このように
して電子が引き寄せられた部分の一次元量子ドットアレ
ーおよびそれに対応する部分の量子細線ＱＷをＡ領域と
呼び、その他の部分の一次元量子ドットアレーおよびそ
れに対応する部分の量子細線ＱＷをＢ領域と呼ぶことに
する。
【００４２】さて、螺旋状の一次元量子ドットアレー
は、それを構成する量子ドットＱＤ間の間隔が大きいか
（量子ドットＱＤ間の障壁の高さが０．５ｅＶ程度なら
ば、間隔５ｎｍ以上）、または量子ドットＱＤ間の障壁
高さが大きいときには、上述のように外部電場Ｅにより
この一次元量子ドットアレーのＡ領域に電子が引き寄せ
られると、モット絶縁体的に電子がこのＡ領域の各量子
ドットＱＤに分布し、従ってこのＡ領域の各量子ドット
ＱＤに電子が局在した状態をとることになる。このと
き、量子細線ＱＷのＡ領域の部分は、一次元量子ドット
アレーのＡ領域の量子ドットＱＤ中の電子によるクーロ
ンポテンシャルにより、量子細線ＱＷのＢ領域の部分に
比べて実効的に低電位になるため、量子細線ＱＷから量
子ドットＱＤに移り切らなかった電子が残されたとして
も、これらの電子はこの量子細線ＱＷのＢ領域の部分に
溜まっていることになる。
は、それを構成する量子ドットＱＤ間の間隔が大きいか
（量子ドットＱＤ間の障壁の高さが０．５ｅＶ程度なら
ば、間隔５ｎｍ以上）、または量子ドットＱＤ間の障壁
高さが大きいときには、上述のように外部電場Ｅにより
この一次元量子ドットアレーのＡ領域に電子が引き寄せ
られると、モット絶縁体的に電子がこのＡ領域の各量子
ドットＱＤに分布し、従ってこのＡ領域の各量子ドット
ＱＤに電子が局在した状態をとることになる。このと
き、量子細線ＱＷのＡ領域の部分は、一次元量子ドット
アレーのＡ領域の量子ドットＱＤ中の電子によるクーロ
ンポテンシャルにより、量子細線ＱＷのＢ領域の部分に
比べて実効的に低電位になるため、量子細線ＱＷから量
子ドットＱＤに移り切らなかった電子が残されたとして
も、これらの電子はこの量子細線ＱＷのＢ領域の部分に
溜まっていることになる。
【００４３】次に、この状態で、この電荷移動素子に以
下のようにして電子を入力する。
下のようにして電子を入力する。
【００４４】すなわち、電子を入力するためには、図４
に示すように、外部電場Ｅを印加した状態で、量子細線
ＱＷと一次元量子ドットアレーとからなる量子構造に例
えば光Ｌを照射することによって電子−正孔対を生成
し、このうち正孔は除去し、電子だけを残す。この残さ
れた電子は、この量子構造のうちで最もエネルギーが低
い、量子細線ＱＷのＢ領域に溜まる。
に示すように、外部電場Ｅを印加した状態で、量子細線
ＱＷと一次元量子ドットアレーとからなる量子構造に例
えば光Ｌを照射することによって電子−正孔対を生成
し、このうち正孔は除去し、電子だけを残す。この残さ
れた電子は、この量子構造のうちで最もエネルギーが低
い、量子細線ＱＷのＢ領域に溜まる。
【００４５】さて、この場合、一次元量子ドットアレー
は螺旋状であるので、図５に示すように、Ａ領域および
Ｂ領域は交互に形成される。量子細線ＱＷの各Ａ領域に
は、一次元量子ドットアレーのＡ領域の量子ドットＱＤ
中の局在電子によるポテンシャル障壁が存在するので、
量子細線ＱＷのＢ領域に溜まった余分な電子（この場合
は光Ｌの照射により生成された電子）は、隣のＢ領域に
移ることはできない。このようにして電子の入力が行わ
れる。
は螺旋状であるので、図５に示すように、Ａ領域および
Ｂ領域は交互に形成される。量子細線ＱＷの各Ａ領域に
は、一次元量子ドットアレーのＡ領域の量子ドットＱＤ
中の局在電子によるポテンシャル障壁が存在するので、
量子細線ＱＷのＢ領域に溜まった余分な電子（この場合
は光Ｌの照射により生成された電子）は、隣のＢ領域に
移ることはできない。このようにして電子の入力が行わ
れる。
【００４６】この電荷移動素子において電荷の移動は次
のようにして行うことができる。
のようにして行うことができる。
【００４７】いま、外部電場Ｅの印加方向をｘ−ｙ面内
で回転させることを考える。図６に示すように、外部電
場Ｅの印加方向をｘ−ｙ面内で回転させると、これに伴
い電子に対して低エネルギーとなる量子ドットＱＤが替
わっていき、局在電子が存在する量子ドットＱＤがある
Ａ領域はｚ軸方向に移動することになる。このとき、一
次元量子ドットアレーを構成する隣接する量子ドットＱ
Ｄ同士はトンネル効果により互いに結合しているので、
電子はこの一次元量子ドットアレー中をトンネル効果に
よって速やかに移動することができる。これは、結合量
子ドットアレーのモット絶縁体的量子状態を用いること
の利点である。
で回転させることを考える。図６に示すように、外部電
場Ｅの印加方向をｘ−ｙ面内で回転させると、これに伴
い電子に対して低エネルギーとなる量子ドットＱＤが替
わっていき、局在電子が存在する量子ドットＱＤがある
Ａ領域はｚ軸方向に移動することになる。このとき、一
次元量子ドットアレーを構成する隣接する量子ドットＱ
Ｄ同士はトンネル効果により互いに結合しているので、
電子はこの一次元量子ドットアレー中をトンネル効果に
よって速やかに移動することができる。これは、結合量
子ドットアレーのモット絶縁体的量子状態を用いること
の利点である。
【００４８】この一次元量子ドットアレーに沿った電子
の移動に伴い、量子細線ＱＷのうちの光Ｌの照射により
入力された電子が溜まっているＢ領域も、クーロン障壁
が存在するＡ領域とともに、ｚ軸方向に移動する。これ
によって、量子細線ＱＷに沿ってｚ軸方向に電子、すな
わち電荷が移動することになる。
の移動に伴い、量子細線ＱＷのうちの光Ｌの照射により
入力された電子が溜まっているＢ領域も、クーロン障壁
が存在するＡ領域とともに、ｚ軸方向に移動する。これ
によって、量子細線ＱＷに沿ってｚ軸方向に電子、すな
わち電荷が移動することになる。
【００４９】この場合、この電荷の移動方向は、この第
１の例においては、−ｚ方向から＋ｚ方向を見たときの
螺旋状の一次元量子ドットアレーの回転方向が時計方向
であるので、外部電場Ｅの回転方向が時計方向である場
合には＋ｚ方向であり、外部電場Ｅの回転方向が反時計
方向である場合には−ｚ方向である。一方、−ｚ方向か
ら＋ｚ方向を見たときの螺旋状の一次元量子ドットアレ
ーの回転方向が反時計方向であるときには、外部電場Ｅ
の回転方向が時計方向である場合には−ｚ方向であり、
外部電場Ｅの回転方向が反時計方向である場合には＋ｚ
方向である。また、外部電場Ｅの一回転により電荷が移
動する距離は、螺旋状の一次元量子ドットアレーのピッ
チと等しい。
１の例においては、−ｚ方向から＋ｚ方向を見たときの
螺旋状の一次元量子ドットアレーの回転方向が時計方向
であるので、外部電場Ｅの回転方向が時計方向である場
合には＋ｚ方向であり、外部電場Ｅの回転方向が反時計
方向である場合には−ｚ方向である。一方、−ｚ方向か
ら＋ｚ方向を見たときの螺旋状の一次元量子ドットアレ
ーの回転方向が反時計方向であるときには、外部電場Ｅ
の回転方向が時計方向である場合には−ｚ方向であり、
外部電場Ｅの回転方向が反時計方向である場合には＋ｚ
方向である。また、外部電場Ｅの一回転により電荷が移
動する距離は、螺旋状の一次元量子ドットアレーのピッ
チと等しい。
【００５０】以上のように、第１の例による電荷移動素
子によれば、ｚ軸方向に延在する量子細線ＱＷの周囲を
取り巻くように螺旋状の一次元量子ドットアレーを設
け、これらの量子細線ＱＷおよび一次元量子ドットアレ
ーからなる量子構造に対してｘ−ｙ面内の外部電場Ｅを
印加し、その印加方向をｘ−ｙ面内で回転させることに
より、金属配線を用いることなく、量子細線ＱＷに沿っ
て電荷を移動させることができる。
子によれば、ｚ軸方向に延在する量子細線ＱＷの周囲を
取り巻くように螺旋状の一次元量子ドットアレーを設
け、これらの量子細線ＱＷおよび一次元量子ドットアレ
ーからなる量子構造に対してｘ−ｙ面内の外部電場Ｅを
印加し、その印加方向をｘ−ｙ面内で回転させることに
より、金属配線を用いることなく、量子細線ＱＷに沿っ
て電荷を移動させることができる。
【００５１】図７は電荷移動素子の第２の例を示す。
【００５２】図７に示すように、この電荷移動素子は、
螺旋状の一次元量子ドットアレーが量子細線ＱＷの外周
面に接した状態、従ってこの一次元量子ドットアレーを
構成する量子ドットＱＤと量子細線ＱＷとの間に障壁層
が存在しない状態でこの量子細線ＱＷを取り巻くように
して設けられていることが、上述の第１の例による電荷
移動素子と異なる。
螺旋状の一次元量子ドットアレーが量子細線ＱＷの外周
面に接した状態、従ってこの一次元量子ドットアレーを
構成する量子ドットＱＤと量子細線ＱＷとの間に障壁層
が存在しない状態でこの量子細線ＱＷを取り巻くように
して設けられていることが、上述の第１の例による電荷
移動素子と異なる。
【００５３】この第２の例による電荷移動素子によって
も、第１の例による電荷移動素子と同様な利点を得るこ
とができる。
も、第１の例による電荷移動素子と同様な利点を得るこ
とができる。
【００５４】図８は電荷移動素子の第３の例を示す。
【００５５】図８に示すように、この電荷移動素子にお
いては、ｚ軸方向に細長い四角柱状の量子細線ＱＷが延
在しており、この量子細線ＱＷの周囲を取り巻くよう
に、互いに隣接する直方体状の量子ドットＱＤからなる
一次元量子ドットアレーがこの量子細線ＱＷに隣接して
設けられている。
いては、ｚ軸方向に細長い四角柱状の量子細線ＱＷが延
在しており、この量子細線ＱＷの周囲を取り巻くよう
に、互いに隣接する直方体状の量子ドットＱＤからなる
一次元量子ドットアレーがこの量子細線ＱＷに隣接して
設けられている。
【００５６】この場合、量子ドットＱＤの中心座標は、
量子細線ＱＷの延在方向をｚ軸とする円筒座標系（ｒ、
θ、ｚ）においては、θn ＝ａ1 （０≦ｎ＜ｍ1 ）、θ
n ＝ａ2 （ｍ1 ≦ｎ＜ｍ2 ）、…（ただし、ａ1 、
ａ2 、…は定数）を満たす。より具体的には、連続する
四つの量子ドットＱＤ毎に、θn ＝０°、θn ＝９０
°、θn ＝１８０°、θn ＝２７０°、θn ＝３６０°
（≡０°）のように、θn が９０°ずつ段階的に変化し
ている。
量子細線ＱＷの延在方向をｚ軸とする円筒座標系（ｒ、
θ、ｚ）においては、θn ＝ａ1 （０≦ｎ＜ｍ1 ）、θ
n ＝ａ2 （ｍ1 ≦ｎ＜ｍ2 ）、…（ただし、ａ1 、
ａ2 、…は定数）を満たす。より具体的には、連続する
四つの量子ドットＱＤ毎に、θn ＝０°、θn ＝９０
°、θn ＝１８０°、θn ＝２７０°、θn ＝３６０°
（≡０°）のように、θn が９０°ずつ段階的に変化し
ている。
【００５７】この第３の例による電荷移動素子によれ
ば、一次元量子ドットアレーが螺旋状ではなく、四つの
量子ドットＱＤ毎にθn が９０°ずつ変化するように量
子ドットＱＤが配列されたものであるため、電荷移動素
子の製造が容易であるという利点を有する。
ば、一次元量子ドットアレーが螺旋状ではなく、四つの
量子ドットＱＤ毎にθn が９０°ずつ変化するように量
子ドットＱＤが配列されたものであるため、電荷移動素
子の製造が容易であるという利点を有する。
【００５８】次に、電荷移動素子の第４の例について説
明する。この第４の例においては、電荷移動素子の具体
的な構造例について説明する。この第４の例による電荷
移動素子は、第３の例による電荷移動素子と同様な構成
を有するが、量子ドットＱＤが円柱状であること、およ
び、量子細線ＱＷに対する一次元量子ドットアレーの回
転の方向が逆であることが、第３の例による電荷移動素
子と異なる。
明する。この第４の例においては、電荷移動素子の具体
的な構造例について説明する。この第４の例による電荷
移動素子は、第３の例による電荷移動素子と同様な構成
を有するが、量子ドットＱＤが円柱状であること、およ
び、量子細線ＱＷに対する一次元量子ドットアレーの回
転の方向が逆であることが、第３の例による電荷移動素
子と異なる。
【００５９】図９〜図１８はこの第４の例による電荷移
動素子の製造方法を示す。
動素子の製造方法を示す。
【００６０】図９に示すように、まず、ＡｌＧａＡｓ基
板１上に例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法
によりＧａＡｓ層２をエピタキシャル成長させる。この
ＧａＡｓ層２の厚さは例えば１０ｎｍ程度とする。この
後、ＧａＡｓ層２上に例えば円形のレジストパターン３
を電子ビームリソグラフィー法により形成する。
板１上に例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法
によりＧａＡｓ層２をエピタキシャル成長させる。この
ＧａＡｓ層２の厚さは例えば１０ｎｍ程度とする。この
後、ＧａＡｓ層２上に例えば円形のレジストパターン３
を電子ビームリソグラフィー法により形成する。
【００６１】次に、このレジストパターン３をマスクと
してＧａＡｓ層２を例えば反応性イオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）法により基板表面に垂直な方向にエッチングす
る。このＲＩＥ法によるエッチングにおいては、反応ガ
スとして塩素系のガスを用いることにより、ＡｌＧａＡ
ｓ基板１をエッチングストップ層として用いてＧａＡｓ
層２のエッチングを選択的に行うことができる。これに
よって、図１０に示すように、ＧａＡｓ層２が円柱状に
パターニングされる。
してＧａＡｓ層２を例えば反応性イオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）法により基板表面に垂直な方向にエッチングす
る。このＲＩＥ法によるエッチングにおいては、反応ガ
スとして塩素系のガスを用いることにより、ＡｌＧａＡ
ｓ基板１をエッチングストップ層として用いてＧａＡｓ
層２のエッチングを選択的に行うことができる。これに
よって、図１０に示すように、ＧａＡｓ層２が円柱状に
パターニングされる。
【００６２】次に、図１１に示すように、例えばＭＯＣ
ＶＤ法によりＡｌＧａＡｓ層４をエピタキシャル成長さ
せることにより、上述のエッチングにより除去された部
分をこのＡｌＧａＡｓ層４により埋める。
ＶＤ法によりＡｌＧａＡｓ層４をエピタキシャル成長さ
せることにより、上述のエッチングにより除去された部
分をこのＡｌＧａＡｓ層４により埋める。
【００６３】次に、レジストパターン３を除去した後、
図１２に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により全面に
ＡｌＧａＡｓ層５をエピタキシャル成長させる。このＡ
ｌＧａＡｓ層５の厚さは例えば５ｎｍ程度とする。
図１２に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により全面に
ＡｌＧａＡｓ層５をエピタキシャル成長させる。このＡ
ｌＧａＡｓ層５の厚さは例えば５ｎｍ程度とする。
【００６４】次に、図１３に示すように、例えばＭＯＣ
ＶＤ法により全面にＧａＡｓ層６をエピタキシャル成長
させる。このＧａＡｓ層６の厚さは例えば１０ｎｍ程度
とする。この後、このＧａＡｓ層６上に円形および細線
状のレジストパターン７を電子ビームリソグラフィー法
により形成する。
ＶＤ法により全面にＧａＡｓ層６をエピタキシャル成長
させる。このＧａＡｓ層６の厚さは例えば１０ｎｍ程度
とする。この後、このＧａＡｓ層６上に円形および細線
状のレジストパターン７を電子ビームリソグラフィー法
により形成する。
【００６５】次に、このレジストパターン７をマスクと
してＧａＡｓ層６を例えばＲＩＥ法により基板表面に垂
直方向にエッチングする。このＲＩＥ法によるエッチン
グにおいては、反応ガスとして塩素系のガスを用いるこ
とにより、ＡｌＧａＡｓ層５をエッチングストップ層と
して用いてＧａＡｓ層６のエッチングを選択的に行うこ
とができる。これによって、図１４に示すように、Ｇａ
Ａｓ層６が円柱状および細線状にパターニングされる。
してＧａＡｓ層６を例えばＲＩＥ法により基板表面に垂
直方向にエッチングする。このＲＩＥ法によるエッチン
グにおいては、反応ガスとして塩素系のガスを用いるこ
とにより、ＡｌＧａＡｓ層５をエッチングストップ層と
して用いてＧａＡｓ層６のエッチングを選択的に行うこ
とができる。これによって、図１４に示すように、Ｇａ
Ａｓ層６が円柱状および細線状にパターニングされる。
【００６６】次に、図１５に示すように、例えばＭＯＣ
ＶＤ法によりＡｌＧａＡｓ層８をエピタキシャル成長さ
せることにより、上述のエッチングにより除去された部
分をこのＡｌＧａＡｓ層８により埋める。
ＶＤ法によりＡｌＧａＡｓ層８をエピタキシャル成長さ
せることにより、上述のエッチングにより除去された部
分をこのＡｌＧａＡｓ層８により埋める。
【００６７】次に、レジストパターン７を除去した後、
図１６に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により全面に
ＡｌＧａＡｓ層９およびＧａＡｓ層１０を順次エピタキ
シャル成長させる。このＡｌＧａＡｓ層９の厚さは例え
ば５ｎｍ程度、ＧａＡｓ層１０の厚さは例えば１０ｎｍ
程度とする。この後、ＧａＡｓ層１０上に例えば円形の
レジストパターン１１を電子ビームリソグラフィー法に
より形成する。
図１６に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により全面に
ＡｌＧａＡｓ層９およびＧａＡｓ層１０を順次エピタキ
シャル成長させる。このＡｌＧａＡｓ層９の厚さは例え
ば５ｎｍ程度、ＧａＡｓ層１０の厚さは例えば１０ｎｍ
程度とする。この後、ＧａＡｓ層１０上に例えば円形の
レジストパターン１１を電子ビームリソグラフィー法に
より形成する。
【００６８】次に、このレジストパターン１１をマスク
としてＧａＡｓ層１０を例えばＲＩＥ法により基板表面
に垂直方向にエッチングする。このＲＩＥ法によるエッ
チングにおいては、反応ガスとして塩素系のガスを用い
ることにより、ＡｌＧａＡｓ層９をエッチングストップ
層として用いてＧａＡｓ層１０のエッチングを選択的に
行うことができる。これによって、図１７に示すよう
に、ＧａＡｓ層１０が円柱状にパターニングされる。
としてＧａＡｓ層１０を例えばＲＩＥ法により基板表面
に垂直方向にエッチングする。このＲＩＥ法によるエッ
チングにおいては、反応ガスとして塩素系のガスを用い
ることにより、ＡｌＧａＡｓ層９をエッチングストップ
層として用いてＧａＡｓ層１０のエッチングを選択的に
行うことができる。これによって、図１７に示すよう
に、ＧａＡｓ層１０が円柱状にパターニングされる。
【００６９】次に、図１８に示すように、例えばＭＯＣ
ＶＤ法によりＡｌＧａＡｓ層１２をエピタキシャル成長
させることにより、上述のエッチングにより除去された
部分をこのＡｌＧａＡｓ層１２により埋めた後、レジス
トパターン１１を除去する。この後、例えばＭＯＣＶＤ
法により全面にＡｌＧａＡｓ層１３をエピタキシャル成
長させる。このＡｌＧａＡｓ層１３の厚さは例えば５０
ｎｍ程度とする。
ＶＤ法によりＡｌＧａＡｓ層１２をエピタキシャル成長
させることにより、上述のエッチングにより除去された
部分をこのＡｌＧａＡｓ層１２により埋めた後、レジス
トパターン１１を除去する。この後、例えばＭＯＣＶＤ
法により全面にＡｌＧａＡｓ層１３をエピタキシャル成
長させる。このＡｌＧａＡｓ層１３の厚さは例えば５０
ｎｍ程度とする。
【００７０】図１８において、円柱状のＧａＡｓ層２が
ＡｌＧａＡｓ基板１、ＡｌＧａＡｓ層４およびＡｌＧａ
Ａｓ層５により囲まれた構造により一段目の量子ドット
ＱＤが構成され、円柱状のＧａＡｓ層６がＡｌＧａＡｓ
層５、ＡｌＧａＡｓ層８およびＡｌＧａＡｓ層９により
囲まれた構造により二段目の量子ドットＱＤが構成さ
れ、円柱状のＧａＡｓ層１０がＡｌＧａＡｓ層９、Ａｌ
ＧａＡｓ層１２およびＡｌＧａＡｓ層１３により囲まれ
た構造により三段目の量子ドットＱＤが構成されてい
る。そして、これらの三段の量子ドットＱＤにより一次
元量子ドットアレーが構成されている。また、細長い四
角柱状のＧａＡｓ層６がＡｌＧａＡｓ層５、ＡｌＧａＡ
ｓ層８およびＡｌＧａＡｓ層９により囲まれた構造によ
り量子細線ＱＷが構成されている。
ＡｌＧａＡｓ基板１、ＡｌＧａＡｓ層４およびＡｌＧａ
Ａｓ層５により囲まれた構造により一段目の量子ドット
ＱＤが構成され、円柱状のＧａＡｓ層６がＡｌＧａＡｓ
層５、ＡｌＧａＡｓ層８およびＡｌＧａＡｓ層９により
囲まれた構造により二段目の量子ドットＱＤが構成さ
れ、円柱状のＧａＡｓ層１０がＡｌＧａＡｓ層９、Ａｌ
ＧａＡｓ層１２およびＡｌＧａＡｓ層１３により囲まれ
た構造により三段目の量子ドットＱＤが構成されてい
る。そして、これらの三段の量子ドットＱＤにより一次
元量子ドットアレーが構成されている。また、細長い四
角柱状のＧａＡｓ層６がＡｌＧａＡｓ層５、ＡｌＧａＡ
ｓ層８およびＡｌＧａＡｓ層９により囲まれた構造によ
り量子細線ＱＷが構成されている。
【００７１】以上のようにして、量子ドットＱＤが円柱
状であること、および、量子細線ＱＷに対する一次元量
子ドットアレーの回転の方向が逆であることが異なるこ
とを除いて、第３の例による電荷移動素子と同様な構造
を有する第４の例による電荷移動素子が容易に製造され
る。
状であること、および、量子細線ＱＷに対する一次元量
子ドットアレーの回転の方向が逆であることが異なるこ
とを除いて、第３の例による電荷移動素子と同様な構造
を有する第４の例による電荷移動素子が容易に製造され
る。
【００７２】なお、この第４の例においては、電荷移動
素子を構成する各層のエピタキシャル成長をＭＯＣＶＤ
法により行っているが、このエピタキシャル成長は、例
えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により行ってもよ
い。
素子を構成する各層のエピタキシャル成長をＭＯＣＶＤ
法により行っているが、このエピタキシャル成長は、例
えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により行ってもよ
い。
【００７３】上述の第１の例〜第４の例において詳述し
たように、図１９に示すように、一次元量子ドットアレ
ー（図示せず）によってその周囲が取り巻かれた一つの
量子細線ＱＷについて、ｘ−ｙ面内の外部電場Ｅの回転
によって、量子細線ＱＷに沿う方向、すなわちｚ軸方向
に電荷の並列移動が可能である。
たように、図１９に示すように、一次元量子ドットアレ
ー（図示せず）によってその周囲が取り巻かれた一つの
量子細線ＱＷについて、ｘ−ｙ面内の外部電場Ｅの回転
によって、量子細線ＱＷに沿う方向、すなわちｚ軸方向
に電荷の並列移動が可能である。
【００７４】そこで、次に、この一次元量子ドットアレ
ーにより取り巻かれた量子細線ＱＷを複数用いることに
より、超並列的な電荷移動を行うことが可能な第５の例
について説明する。
ーにより取り巻かれた量子細線ＱＷを複数用いることに
より、超並列的な電荷移動を行うことが可能な第５の例
について説明する。
【００７５】図２０はこの第５の例による電荷移動素子
を示す。
を示す。
【００７６】図２０に示すように、この第５の例による
電荷移動素子においては、図示省略した一次元量子ドッ
トアレーによってその周囲が取り巻かれたｚ軸方向に平
行な量子細線ＱＷが複数互いに離れてかつ互いに平行に
並列配置されている。
電荷移動素子においては、図示省略した一次元量子ドッ
トアレーによってその周囲が取り巻かれたｚ軸方向に平
行な量子細線ＱＷが複数互いに離れてかつ互いに平行に
並列配置されている。
【００７７】この第５の例においては、これらの量子細
線ＱＷに対してｘ−ｙ面内の外部電場Ｅを印加し、その
印加方向をｘ−ｙ面内で回転させることにより、各量子
細線ＱＷに沿って電荷を超並列的に移動させることがで
きる。この場合、これらの量子細線ＱＷのうちの任意の
量子細線ＱＷの周囲を取り巻く一次元量子ドットアレー
の回転の向きを他の量子細線ＱＷの周囲を取り巻く一次
元量子ドットアレーの回転の向きと逆にすることによ
り、ｘ−ｙ面内での外部電場Ｅの一方向の回転により、
前者の量子細線ＱＷに沿っての電荷の移動の方向と後者
の量子細線ＱＷに沿っての電荷の移動の方向とを互いに
逆にすることができる。また、例えば、一次元量子ドッ
トアレーが螺旋状である場合、そのピッチを量子細線Ｑ
Ｗ間で異ならせることによって、ｘ−ｙ面内での外部電
場Ｅの一回転当たりの電荷の移動距離を量子細線ＱＷ間
で変えることもできる。
線ＱＷに対してｘ−ｙ面内の外部電場Ｅを印加し、その
印加方向をｘ−ｙ面内で回転させることにより、各量子
細線ＱＷに沿って電荷を超並列的に移動させることがで
きる。この場合、これらの量子細線ＱＷのうちの任意の
量子細線ＱＷの周囲を取り巻く一次元量子ドットアレー
の回転の向きを他の量子細線ＱＷの周囲を取り巻く一次
元量子ドットアレーの回転の向きと逆にすることによ
り、ｘ−ｙ面内での外部電場Ｅの一方向の回転により、
前者の量子細線ＱＷに沿っての電荷の移動の方向と後者
の量子細線ＱＷに沿っての電荷の移動の方向とを互いに
逆にすることができる。また、例えば、一次元量子ドッ
トアレーが螺旋状である場合、そのピッチを量子細線Ｑ
Ｗ間で異ならせることによって、ｘ−ｙ面内での外部電
場Ｅの一回転当たりの電荷の移動距離を量子細線ＱＷ間
で変えることもできる。
【００７８】さて、この発明の一実施例においては、上
述のような電荷移動素子を複数用いて量子素子を構成す
る。ここでは、第１の例による電荷移動素子を用いるも
のとする。図２１にこの一実施例による量子素子の構成
を示す。
述のような電荷移動素子を複数用いて量子素子を構成す
る。ここでは、第１の例による電荷移動素子を用いるも
のとする。図２１にこの一実施例による量子素子の構成
を示す。
【００７９】図２１に示すように、この一実施例による
量子素子においては、ｚ軸方向に平行な量子細線ＱＷの
周囲が図示省略した一次元量子ドットアレーによって取
り巻かれた構造の電荷移動素子からなる電荷移動チャネ
ル２１が複数、互いに離れてかつ互いに平行に並列配置
されている。この電荷移動チャネル２１の数は、量子素
子の用途などに応じて決められる。量子細線ＱＷは、具
体的には、例えばＩｎＡｓからなる細線状の量子井戸部
の周囲が例えばＡｌＳｂからなる障壁層によって取り囲
まれた構造を有する。また、一次元量子ドットアレーを
構成する量子ドットも、例えばＩｎＡｓからなるドット
状の量子井戸部の周囲が例えばＡｌＳｂからなる障壁層
によって取り囲まれた構造を有する。
量子素子においては、ｚ軸方向に平行な量子細線ＱＷの
周囲が図示省略した一次元量子ドットアレーによって取
り巻かれた構造の電荷移動素子からなる電荷移動チャネ
ル２１が複数、互いに離れてかつ互いに平行に並列配置
されている。この電荷移動チャネル２１の数は、量子素
子の用途などに応じて決められる。量子細線ＱＷは、具
体的には、例えばＩｎＡｓからなる細線状の量子井戸部
の周囲が例えばＡｌＳｂからなる障壁層によって取り囲
まれた構造を有する。また、一次元量子ドットアレーを
構成する量子ドットも、例えばＩｎＡｓからなるドット
状の量子井戸部の周囲が例えばＡｌＳｂからなる障壁層
によって取り囲まれた構造を有する。
【００８０】各電荷移動チャネル２１の量子細線ＱＷの
一端には電極２２ｉが設けられ、他端には電極２２ｆが
設けられている。いま、図２１の＋ｚ方向に電荷（電
子）を移動させるとすると、電極２２ｉは電荷の入力に
用いられ、電極２２ｆは電荷の出力に用いられる。これ
らの電極２２ｉおよび電極２２ｆは、金属により形成さ
れる。
一端には電極２２ｉが設けられ、他端には電極２２ｆが
設けられている。いま、図２１の＋ｚ方向に電荷（電
子）を移動させるとすると、電極２２ｉは電荷の入力に
用いられ、電極２２ｆは電荷の出力に用いられる。これ
らの電極２２ｉおよび電極２２ｆは、金属により形成さ
れる。
【００８１】各電荷移動チャネル２１に隣接して量子ド
ットからなる受光部２３が配置されている。この場合、
この受光部２３は、この受光部２３と電荷移動チャネル
２１の一次元量子ドットアレーとの間の距離が、この受
光部２３と電荷移動チャネル２１の量子細線ＱＷとの間
の距離よりも小さくなる位置に設けられている（図２２
参照）。また、この受光部２３は、ｘ−ｙ面内での外部
電場Ｅの一回転当たりの電荷の移動距離と等しいピッチ
で量子細線ＱＷに沿って複数配置されている。この受光
部２３を構成する量子ドットは、例えばＩｎＡｓからな
るドット状の量子井戸部の周囲が例えばＡｌＳｂからな
る障壁層により取り囲まれた構造を有する。
ットからなる受光部２３が配置されている。この場合、
この受光部２３は、この受光部２３と電荷移動チャネル
２１の一次元量子ドットアレーとの間の距離が、この受
光部２３と電荷移動チャネル２１の量子細線ＱＷとの間
の距離よりも小さくなる位置に設けられている（図２２
参照）。また、この受光部２３は、ｘ−ｙ面内での外部
電場Ｅの一回転当たりの電荷の移動距離と等しいピッチ
で量子細線ＱＷに沿って複数配置されている。この受光
部２３を構成する量子ドットは、例えばＩｎＡｓからな
るドット状の量子井戸部の周囲が例えばＡｌＳｂからな
る障壁層により取り囲まれた構造を有する。
【００８２】さらに、各電荷移動チャネル２１に対し
て、受光部２３に関してこの電荷移動チャネル２１の反
対側の部分に、ｚ軸方向に平行、従って電荷移動チャネ
ル２１に平行な正孔保持チャネル２４が設けられてい
る。この正孔保持チャネル２４の一端にも電極２５ｉが
設けられ、他端には電極２５ｆが設けられている。この
正孔保持チャネル２４は、具体的には例えばＧａＳｂか
らなる細線状の量子井戸部の周囲が例えばＡｌＳｂから
なる障壁層によって取り囲まれた構造を有する。
て、受光部２３に関してこの電荷移動チャネル２１の反
対側の部分に、ｚ軸方向に平行、従って電荷移動チャネ
ル２１に平行な正孔保持チャネル２４が設けられてい
る。この正孔保持チャネル２４の一端にも電極２５ｉが
設けられ、他端には電極２５ｆが設けられている。この
正孔保持チャネル２４は、具体的には例えばＧａＳｂか
らなる細線状の量子井戸部の周囲が例えばＡｌＳｂから
なる障壁層によって取り囲まれた構造を有する。
【００８３】次に、上述のように構成されたこの一実施
例による量子素子の動作について説明する。ここでは、
ｘ−ｙ面内での外部電場Ｅの一回転当たりの電荷の移動
距離は、各電荷移動チャネル２１間で等しいものとす
る。また、この量子素子における各電荷移動チャネル２
１の動作に必要な電子は、ドーピングなどによってあら
かじめ供給されているものとする。
例による量子素子の動作について説明する。ここでは、
ｘ−ｙ面内での外部電場Ｅの一回転当たりの電荷の移動
距離は、各電荷移動チャネル２１間で等しいものとす
る。また、この量子素子における各電荷移動チャネル２
１の動作に必要な電子は、ドーピングなどによってあら
かじめ供給されているものとする。
【００８４】図２３Ａに、図２１のＡ−Ａ線に沿う方向
のエネルギーバンド図を示す。
のエネルギーバンド図を示す。
【００８５】まず、図２１に示す量子素子において、−
ｘ方向に外部電場Ｅを印加する。このとき、図２２に示
すように、この外部電場Ｅによって、受光部に隣接する
部分の電荷移動チャネルは電子不存在状態となってい
る。このときの図２１のＡ−Ａ線に沿う方向のエネルギ
ーバンド図を図２３Ｂに示す。この状況の下で、受光部
２３を含む領域に光を照射する。この光照射によって、
この受光部２３に電子−正孔対が生成される。この電子
−正孔対のうちの正孔（ｈ+ ）は、外部電場Ｅにより−
ｘ方向に加速されて正孔保持チャネル２４に移動し、そ
こに閉じ込められる。一方、この電子−正孔対のうちの
電子（ｅ- ）は、＋ｘ方向に加速されて電荷移動チャネ
ル２１の量子細線ＱＷに移動し、そこに閉じ込められ
る。このようにして量子細線ＱＷ中に閉じ込められた電
子が入力電子となる。ここで、以上のようにして量子細
線ＱＷ中に閉じ込められた入力電子の電荷と正孔保持チ
ャネル２１中に閉じ込められた正孔の電荷とは、釣り合
っており、全体として電気的に中性になっている。
ｘ方向に外部電場Ｅを印加する。このとき、図２２に示
すように、この外部電場Ｅによって、受光部に隣接する
部分の電荷移動チャネルは電子不存在状態となってい
る。このときの図２１のＡ−Ａ線に沿う方向のエネルギ
ーバンド図を図２３Ｂに示す。この状況の下で、受光部
２３を含む領域に光を照射する。この光照射によって、
この受光部２３に電子−正孔対が生成される。この電子
−正孔対のうちの正孔（ｈ+ ）は、外部電場Ｅにより−
ｘ方向に加速されて正孔保持チャネル２４に移動し、そ
こに閉じ込められる。一方、この電子−正孔対のうちの
電子（ｅ- ）は、＋ｘ方向に加速されて電荷移動チャネ
ル２１の量子細線ＱＷに移動し、そこに閉じ込められ
る。このようにして量子細線ＱＷ中に閉じ込められた電
子が入力電子となる。ここで、以上のようにして量子細
線ＱＷ中に閉じ込められた入力電子の電荷と正孔保持チ
ャネル２１中に閉じ込められた正孔の電荷とは、釣り合
っており、全体として電気的に中性になっている。
【００８６】以上のようにして入力電子分布を形成した
後、上述の電荷移動素子の原理に従って、電荷移動チャ
ネル２１に入力された電子を＋ｚ方向に移動させる。す
なわち、外部電場Ｅの印加方向をｘ−ｙ面内で回転させ
ることにより、各電荷移動チャネル２１にそれぞれ入力
された電子を、その量子細線ＱＷに沿って＋ｚ方向に移
動させる。このとき、電極２２ｆにおいて電荷の出力を
観測すると、光による入力電子がある場合には、それが
ない場合に比べてより多くの電荷の出力が観測される。
従って、この電極２２ｆにおいて時系列に沿った出力電
荷を観測することにより、電荷移動チャネル２１に沿っ
たどの場所で電子の入力があったのかを知ることができ
る。これによって、量子素子に対する光入力分布を知る
ことができ、撮像機能を得ることができる。これは、従
来のＣＣＤと同様であるが、受光部２３が量子ドットか
らなり、極めて微小である点が著しく異なる。
後、上述の電荷移動素子の原理に従って、電荷移動チャ
ネル２１に入力された電子を＋ｚ方向に移動させる。す
なわち、外部電場Ｅの印加方向をｘ−ｙ面内で回転させ
ることにより、各電荷移動チャネル２１にそれぞれ入力
された電子を、その量子細線ＱＷに沿って＋ｚ方向に移
動させる。このとき、電極２２ｆにおいて電荷の出力を
観測すると、光による入力電子がある場合には、それが
ない場合に比べてより多くの電荷の出力が観測される。
従って、この電極２２ｆにおいて時系列に沿った出力電
荷を観測することにより、電荷移動チャネル２１に沿っ
たどの場所で電子の入力があったのかを知ることができ
る。これによって、量子素子に対する光入力分布を知る
ことができ、撮像機能を得ることができる。これは、従
来のＣＣＤと同様であるが、受光部２３が量子ドットか
らなり、極めて微小である点が著しく異なる。
【００８７】また、この場合、上述のようにして電荷移
動素子の原理に従って電荷移動チャネル２１に沿って入
力電子分布が移動するのに伴い、この入力電子と電荷的
に釣り合っている正孔保持チャネル２４中の正孔分布
も、それらの電子−正孔間に働くクーロン引力により、
電荷移動チャネル２１中の電子分布と一緒になって移動
することになる。従って、この正孔保持チャネル２４の
電極２５ｆにおいて電荷の出力を観測し、電荷の変化を
検出することにより、光入力分布を知ることもできる。
動素子の原理に従って電荷移動チャネル２１に沿って入
力電子分布が移動するのに伴い、この入力電子と電荷的
に釣り合っている正孔保持チャネル２４中の正孔分布
も、それらの電子−正孔間に働くクーロン引力により、
電荷移動チャネル２１中の電子分布と一緒になって移動
することになる。従って、この正孔保持チャネル２４の
電極２５ｆにおいて電荷の出力を観測し、電荷の変化を
検出することにより、光入力分布を知ることもできる。
【００８８】以上のように、この一実施例による量子素
子によれば、電荷移動チャネル２１に隣接して量子ドッ
トからなる受光部２３が設けられていることにより、−
ｘ方向に外部電場Ｅを印加した状態で受光部２３に光を
照射したとき、その光入力分布に対応した電子分布を各
電荷移動チャネル２１に入力することができる。そし
て、外部電場Ｅをその印加面内で回転させることによ
り、このようにして各電荷移動チャネル２１に入力され
た電子分布を各電荷移動チャネル２１に沿って＋ｚ方向
に移動させ、その出力端に設けられた電極２２ｆから時
系列に沿って出力される電荷を観測することにより、入
力光分布を知ることができる。すなわち、この一実施例
による量子素子は、撮像素子として用いることができ
る。
子によれば、電荷移動チャネル２１に隣接して量子ドッ
トからなる受光部２３が設けられていることにより、−
ｘ方向に外部電場Ｅを印加した状態で受光部２３に光を
照射したとき、その光入力分布に対応した電子分布を各
電荷移動チャネル２１に入力することができる。そし
て、外部電場Ｅをその印加面内で回転させることによ
り、このようにして各電荷移動チャネル２１に入力され
た電子分布を各電荷移動チャネル２１に沿って＋ｚ方向
に移動させ、その出力端に設けられた電極２２ｆから時
系列に沿って出力される電荷を観測することにより、入
力光分布を知ることができる。すなわち、この一実施例
による量子素子は、撮像素子として用いることができ
る。
【００８９】さらに、この場合、受光部２３に関して電
荷移動チャネル２１と反対側の部分に正孔保持チャネル
２４が設けられているので、受光部２３からこの正孔保
持チャネル２４に移動してそこに閉じ込められた正孔
は、電荷移動チャネル２１に沿った入力電子分布の移動
に伴い、この正孔保持チャネル２１に沿って＋ｚ方向に
移動する。このため、この正孔保持チャネル２１の出力
端に設けられた電極２５ｆから時系列に沿って出力され
る電荷を観測することにより光入力分布を知ることもで
きる。
荷移動チャネル２１と反対側の部分に正孔保持チャネル
２４が設けられているので、受光部２３からこの正孔保
持チャネル２４に移動してそこに閉じ込められた正孔
は、電荷移動チャネル２１に沿った入力電子分布の移動
に伴い、この正孔保持チャネル２１に沿って＋ｚ方向に
移動する。このため、この正孔保持チャネル２１の出力
端に設けられた電極２５ｆから時系列に沿って出力され
る電荷を観測することにより光入力分布を知ることもで
きる。
【００９０】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。
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。
【００９１】例えば、上述の一実施例においては、量子
素子を構成する電荷移動チャネルとして第１の例による
電荷移動素子からなるものを用いているが、電荷移動素
子としては、例えば第２の例または第３の例による電荷
移動素子を用いてもよい。
素子を構成する電荷移動チャネルとして第１の例による
電荷移動素子からなるものを用いているが、電荷移動素
子としては、例えば第２の例または第３の例による電荷
移動素子を用いてもよい。
【００９２】
【発明の効果】以上説明したように、この発明による量
子素子によれば、その延在方向に電荷が移動することが
できる細線と、その細線の一端から他端に向かって前進
するようにその細線の周囲を取り巻いて設けられた一次
元量子箱アレーとを有し、その細線の延在方向と交差す
る面内の外部電場を印加し、その印加方向をその面内で
回転させるようにした電荷移動チャネルと、この電荷移
動チャネルに隣接して設けられた量子箱からなる受光部
とを有することにより、金属配線を用いることなく、光
入力分布を時系列の電荷分布として読み出すことがで
き、撮像素子として用いることができる。
子素子によれば、その延在方向に電荷が移動することが
できる細線と、その細線の一端から他端に向かって前進
するようにその細線の周囲を取り巻いて設けられた一次
元量子箱アレーとを有し、その細線の延在方向と交差す
る面内の外部電場を印加し、その印加方向をその面内で
回転させるようにした電荷移動チャネルと、この電荷移
動チャネルに隣接して設けられた量子箱からなる受光部
とを有することにより、金属配線を用いることなく、光
入力分布を時系列の電荷分布として読み出すことがで
き、撮像素子として用いることができる。
【図１】この発明の量子素子に用いられる第１の例によ
る電荷移動素子を示す略線図である。
る電荷移動素子を示す略線図である。
【図２】第１の例による電荷移動素子の動作を説明する
ための略線図である。
ための略線図である。
【図３】第１の例による電荷移動素子の動作を説明する
ための略線図である。
ための略線図である。
【図４】第１の例による電荷移動素子の動作を説明する
ための略線図である。
ための略線図である。
【図５】第１の例による電荷移動素子の動作を説明する
ための略線図である。
ための略線図である。
【図６】第１の例による電荷移動素子の動作を説明する
ための略線図である。
ための略線図である。
【図７】この発明の量子素子に用いられる第２の例によ
る電荷移動素子を示す略線図である。
る電荷移動素子を示す略線図である。
【図８】この発明の量子素子に用いられる第３の例によ
る電荷移動素子を示す略線図である。
る電荷移動素子を示す略線図である。
【図９】この発明の量子素子に用いられる第４の例によ
る電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図であ
る。
る電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図であ
る。
【図１０】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
明するための斜視図である。
【図１１】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
明するための斜視図である。
【図１２】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
明するための斜視図である。
【図１３】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
明するための斜視図である。
【図１４】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
明するための斜視図である。
【図１５】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
明するための斜視図である。
【図１６】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
明するための斜視図である。
【図１７】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
明するための斜視図である。
【図１８】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
明するための斜視図である。
【図１９】ｘ−ｙ面内での外部電場Ｅの回転による量子
細線ＱＷに沿っての電荷の移動を説明するための略線図
である。
細線ＱＷに沿っての電荷の移動を説明するための略線図
である。
【図２０】第５の例による電荷移動素子を示す略線図で
ある。
ある。
【図２１】この発明の一実施例による量子素子を示す略
線図である。
線図である。
【図２２】この発明の一実施例による量子素子の動作を
説明するための略線図である。
説明するための略線図である。
【図２３】この発明の一実施例による量子素子の動作を
説明するためのエネルギーバンド図である。
説明するためのエネルギーバンド図である。
【図２４】この発明の一実施例による量子素子の動作を
説明するための略線図である。
説明するための略線図である。
【図２５】モット−シュタルク効果を説明するための略
線図である。
線図である。
ＱＷ 量子細線
ＱＤ 量子ドット
１ ＡｌＧａＡｓ基板
２、６、１０ ＧａＡｓ層
３、７、１１ レジストパターン
４、５、８、９、１２、１３ ＡｌＧａＡｓ層
２１ 電荷移動チャネル
２２ｉ、２２ｆ、２５ｉ、２５ｆ 電極
２３ 受光部
２４ 正孔保持チャネル
Claims (19)
- 【請求項１】 その延在方向に電荷が移動することがで
きる細線と、上記細線の一端から他端に向かって前進す
るように上記細線の周囲を取り巻いて設けられた一次元
量子箱アレーとを有し、上記細線の延在方向と交差する
面内の外部電場を印加し、その印加方向を上記面内で回
転させることにより上記細線に沿って電荷を移動させる
ようにした電荷移動チャネルと、 上記電荷移動チャネルに隣接して設けられた量子箱から
なる受光部とを有することを特徴とする量子素子。 - 【請求項２】 上記受光部は上記受光部と上記一次元量
子箱アレーとの間の距離が上記受光部と上記細線との間
の距離よりも小さい位置に設けられていることを特徴と
する請求項１記載の量子素子。 - 【請求項３】 上記受光部を構成する上記量子箱はタイ
プＩＩの化合物半導体ヘテロ接合からなることを特徴と
する請求項１記載の量子素子。 - 【請求項４】 上記受光部に関して上記電荷移動チャネ
ルと反対側の部分に上記細線とほぼ平行に正孔保持チャ
ネルが設けられていることを特徴とする請求項１記載の
量子素子。 - 【請求項５】 上記電荷移動チャネルから上記受光部に
向かう方向の上記外部電場を印加した状態で少なくとも
上記受光部を含む領域に光を照射することにより上記受
光部に電子−正孔対を生成し、上記電子−正孔対のうち
の電子を上記細線に移動させて上記細線中に閉じ込め、
上記外部電場を上記面内で回転させることにより上記細
線中に閉じ込められた上記電子を上記細線に沿って移動
させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の量子
素子。 - 【請求項６】 上記電荷移動チャネルから上記正孔保持
チャネルに向かう方向の上記外部電場を印加した状態で
少なくとも上記受光部を含む領域に光を照射することに
より上記受光部に電子−正孔対を生成し、上記電子−正
孔対のうちの電子を上記細線に移動させて上記細線中に
閉じ込めるとともに、上記電子−正孔対のうちの正孔を
上記正孔保持チャネルに移動させて上記正孔保持チャネ
ル中に閉じ込め、上記外部電場を上記面内で回転させる
ことにより上記細線中に閉じ込められた上記電子を上記
細線に沿って移動させるようにしたことを特徴とする請
求項４記載の量子素子。 - 【請求項７】 上記細線中に閉じ込められた上記電子の
分布を入力情報とすることを特徴とする請求項５記載の
量子素子。 - 【請求項８】 上記細線中に閉じ込められた上記電子の
分布を入力情報とすることを特徴とする請求項６記載の
量子素子。 - 【請求項９】 上記細線の上記一端および上記他端にそ
れぞれ電極が設けられていることを特徴とする請求項１
記載の量子素子。 - 【請求項１０】 上記電荷移動チャネルが複数互いに平
行に並列配置されていることを特徴とする請求項１記載
の量子素子。 - 【請求項１１】 円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、
上記細線の中心軸をｚ軸上に設置し、上記一次元量子箱
アレーを構成する任意の一つの量子箱の中心座標を（ｒ
n 、θn 、ｚn ）と表示したとき、θp ≠θq を満たす
量子箱が存在することを特徴とする請求項１記載の量子
素子。 - 【請求項１２】 円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、
上記細線の中心軸をｚ軸上に設置し、上記一次元量子箱
アレーを構成する任意の一つの量子箱の中心座標を（ｒ
n 、θn 、ｚn ）と表示したとき、方程式θn ＝ξｚn
（ただし、ξは定数）で表される螺線上に上記一次元量
子箱アレーが配置されていることを特徴とする請求項１
１記載の量子素子。 - 【請求項１３】 円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、
上記細線の中心軸をｚ軸上に設置し、上記一次元量子箱
アレーを構成する任意の一つの量子箱の中心座標を（ｒ
n 、θn 、ｚn ）と表示したとき、θn ＝ａ1 （０≦ｎ
＜ｍ1 ）、θn ＝ａ2 （ｍ1 ≦ｎ＜ｍ2 ）、…（ただ
し、ａ1 、ａ2 、…は定数）を満たす量子箱が存在する
ことを特徴とする請求項１１記載の量子素子。 - 【請求項１４】 上記電荷移動チャネルが複数互いに平
行に並列配置されており、それぞれの上記電荷移動チャ
ネルの上記細線に関する上記定数ξの値は複数の上記細
線間で同一または符号も含めて異なることを特徴とする
請求項１２記載の量子素子。 - 【請求項１５】 上記電荷移動チャネルが複数互いに平
行に並列配置されており、それぞれの上記電荷移動チャ
ネルの上記細線に関する上記定数ａn の値は複数の上記
細線間で同一または符号も含めて異なることを特徴とす
る請求項１３記載の量子素子。 - 【請求項１６】 上記細線と上記一次元量子箱アレーと
の間に障壁層が設けられていることを特徴とする請求項
１記載の量子素子。 - 【請求項１７】 上記細線と上記一次元量子箱アレーと
の間に障壁層が設けられていないことを特徴とする請求
項１記載の量子素子。 - 【請求項１８】 上記細線は量子細線であることを特徴
とする請求項１記載の量子素子。 - 【請求項１９】 上記細線は一次元量子箱アレーである
ことを特徴とする請求項１記載の量子素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18095395A JP3381466B2 (ja) | 1995-06-23 | 1995-06-23 | 量子素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18095395A JP3381466B2 (ja) | 1995-06-23 | 1995-06-23 | 量子素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH098267A JPH098267A (ja) | 1997-01-10 |
| JP3381466B2 true JP3381466B2 (ja) | 2003-02-24 |
Family
ID=16092169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18095395A Expired - Fee Related JP3381466B2 (ja) | 1995-06-23 | 1995-06-23 | 量子素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3381466B2 (ja) |
-
1995
- 1995-06-23 JP JP18095395A patent/JP3381466B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH098267A (ja) | 1997-01-10 |
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