JP3435793B2 - Quantum device - Google Patents
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-
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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、量子素子に関し、特
に、量子箱（量子ドットとも呼ばれる）を用いた量子素
子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quantum device, and more particularly to a quantum device using a quantum box (also called a quantum dot).
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、量子力学的トンネル効果を利用し
た半導体素子の研究が盛んに行われている。その典型的
な例を挙げると、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合を
用いた共鳴トンネルダイオードや共鳴トンネル型ホット
エレクトロントランジスタ（ＲＨＥＴ）などである。2. Description of the Related Art In recent years, active research has been conducted on semiconductor devices utilizing the quantum mechanical tunnel effect. Typical examples thereof are a resonance tunnel diode and a resonance tunnel type hot electron transistor (RHET) using a GaAs / AlGaAs heterojunction.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の量子力学的トンネル効果を利用した半導体素子に
おいては、トンネル効果は障壁高さや障壁幅により強い
影響を受けるため、それらの制御を精密に行わなければ
ならない。このため、従来の量子力学的トンネル効果を
利用した半導体素子は製造が難しく、また、この半導体
素子を集積化する場合に大きな困難を生じるという問題
があった。However, in the above-mentioned conventional semiconductor device utilizing the quantum mechanical tunnel effect, the tunnel effect is strongly influenced by the barrier height and the barrier width, and therefore the control thereof is performed precisely. There must be. Therefore, there is a problem that a conventional semiconductor device utilizing the quantum mechanical tunnel effect is difficult to manufacture, and that when the semiconductor device is integrated, great difficulty occurs.
【０００４】したがって、この発明の目的は、新原理に
基づく多体量子力学的トンネル効果を利用していること
により、従来の量子力学的トンネル効果を利用した半導
体素子に比べて製造や集積化が容易な量子素子を提供す
ることにある。Therefore, the object of the present invention is to use the many-body quantum mechanical tunnel effect based on the new principle, so that it can be manufactured and integrated as compared with the conventional semiconductor device utilizing the quantum mechanical tunnel effect. It is to provide an easy quantum device.
【０００５】この発明の他の目的は、トンネル障壁の存
在／非存在を外部電場により制御することができる量子
素子を提供することにある。Another object of the present invention is to provide a quantum device capable of controlling the presence / absence of a tunnel barrier by an external electric field.
【０００６】この発明のさらに他の目的は、トンネル障
壁領域と伝導領域とを外部電場により交換することがで
きる量子素子を提供することにある。Still another object of the present invention is to provide a quantum device capable of exchanging a tunnel barrier region and a conduction region with an external electric field.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】まず、金属−絶縁体相転
移の一種であるモット（Mott）転移（N. F. Mott, Phil
os. Mag. 6, 287(1961) およびMetal-insulator transi
tions (Taylor & Francis 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。[Means for Solving the Problems] First, a Mott transition (NF Mott, Phil)
os. Mag. 6, 287 (1961) and Metal-insulator transi
tions (Taylor & Francis Ltd, London, 1974)) Hubbard, Proc. Roy. Soc.
(London), A276, 238 (1963), A277, 237 (1963), A281,
401 (1964)).
【０００８】隣り合うサイト（遷移金属のような結晶に
おいては原子、量子ドットアレーにおいては量子ドッ
ト）間の電子の動き易さを表すトランスファー・エネル
ギーＴ（後に詳細に説明する）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、一つのサ
イト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Ｕと書くことにす
る。The transfer energy T (which will be described later in detail) representing the easiness of movement of electrons between adjacent sites (atoms in a crystal such as a transition metal, and quantum dots in a quantum dot array) is a mutual energy between electrons. When not considering the action, it may be considered as the bandwidth. We also write the Coulomb energy when two electrons enter one site as on-site Coulomb energy U.
【０００９】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１２Ａに示すようになる。この図
１２Ａ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。一つのサイト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１２Ｂ）。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１２Ｃ）。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。The energy band diagram contracted per electron at this time is as shown in FIG. 12A. The sub-band on the high energy side in FIG. 12A is called the upper Hubbard band (UHB), and the sub-band on the low energy side is called the lower Hubbard band (LHB). In the case of half-filled, which corresponds to the state of one electron per site, LHB and U
When HB and HB are separated from each other, that is, when U is large or T is small, only LHB is filled with electrons (FIG. 12B). At this time, low energy excitation of electrons has a gap (Hubbard gap), and the system becomes an insulator. On the other hand, when U is small or T is large, LHB and UHB overlap with each other, and a vacant state occurs in a part of LHB, and electrons corresponding to UHB
You will enter HB (Fig. 12C). As a result, the system behaves like a semi-metal. And if this tendency becomes stronger, the system behaves completely metallic.
【００１０】量子ドットを近接させて配列した量子ドッ
トアレーでは、量子ドット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、隣接量子ドット間の
間隔を大きくすることにより、Ｔを小さくすることがで
きる。したがって、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。In a quantum dot array in which quantum dots are arranged close to each other, U
Can be increased. Also, T can be reduced by increasing the interval between adjacent quantum dots. Therefore, regulation of T and U can cause Mott transition.
【００１１】さて、今、一例として三つの量子ドットア
レーが順次接して配列された系を考える。この場合、各
量子ドットアレーのＴおよびＵの適切な調節により、一
つ目の量子ドットアレーおよび三つ目の量子ドットアレ
ーはそれぞれ金属相、二つ目の量子ドットアレーはハバ
ードギャップによる絶縁体相となるようにすることがで
きる。このとき、金属相である一つ目の量子ドットアレ
ーから同じく金属相である三つ目の量子ドットアレーに
電子を移動させようとすると、絶縁体相である二つ目の
量子ドットアレーのハバードギャップがそれを阻もうと
するが、量子力学的トンネル効果によって伝導が生じる
（これをハバードギャップトンネリングと呼ぶ）。つま
り、この場合、電子間クーロン相互作用による多体効果
に起因するハバードギャップを介して、多体トンネル現
象が起きる（金属相においても、電荷励起は多体系の集
団励起である）。したがって、例えば、このような障壁
としての絶縁体相を互いに隣接して二つ設ければ、共鳴
トンネル効果が見られ、共鳴トンネルダイオードを実現
することができる。なお、ここで言う「多体効果」と
は、主として、多電子系の振る舞いを特徴づける効果の
中で電子間相互作用に起因するものを意味するものとす
る。Now, as an example, consider a system in which three quantum dot arrays are arranged in contact with one another. In this case, by appropriately adjusting T and U of each quantum dot array, the first quantum dot array and the third quantum dot array are each a metallic phase, and the second quantum dot array is an insulator by a Hubbard gap. Can be in phase. At this time, when an electron is transferred from the first quantum dot array, which is a metal phase, to the third quantum dot array, which is also a metal phase, the Hubbard of the second quantum dot array, which is an insulator phase, is transferred. The gap tries to prevent it, but quantum mechanical tunneling causes conduction (this is called Hubbard gap tunneling). That is, in this case, a many-body tunnel phenomenon occurs through the Hubbard gap resulting from the many-body effect due to the Coulomb interaction between electrons (even in the metal phase, charge excitation is collective excitation of many systems). Therefore, for example, if two insulating phases as such barriers are provided adjacent to each other, a resonant tunnel effect can be seen and a resonant tunnel diode can be realized. The "many-body effect" here mainly means an effect that characterizes the behavior of a multi-electron system, which is caused by an interaction between electrons.
【００１２】上記の電子間クーロン相互作用は電子間距
離に反比例し、量子ドットアレーの場合、Ｕはドット径
に反比例する。この電子間クーロン相互作用は、指数関
数的に変化する量と違い、変化がべき的であるので、量
子ドットの大きさの揺らぎに対して、あまり敏感ではな
い。したがって、この効果を利用するときに厳しい均質
性は要求されないので、このようなデバイスの作製は比
較的容易である。The above Coulomb interaction between electrons is inversely proportional to the distance between electrons, and in the case of a quantum dot array, U is inversely proportional to the dot diameter. This Coulomb interaction between electrons is not sensitive to fluctuations in the size of the quantum dot because it changes exponentially, unlike the amount that changes exponentially. Therefore, fabrication of such a device is relatively easy, as no strict homogeneity is required when exploiting this effect.
【００１３】次に、モット−シュタルク（Mott-Stark）
効果について説明する。今、量子ドットアレーに一つの
量子ドット当たり電子が一つ入っている場合（ハーフ・
フィルドの場合）を考える。この場合、量子ドット間の
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、この電子系の電気伝導度を劇的
に変化させ、モット金属−絶縁体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。Next, Mott-Stark
The effect will be described. Now, if the quantum dot array contains one electron per quantum dot (half
(For the field). In this case, by changing the ratio η = T / U of the transfer energy T between the quantum dots and the on-site Coulomb energy U by applying an external electric field, the electric conductivity of this electron system is dramatically changed. Can be changed to cause a Mott metal-insulator transition. This is the Mott-Stark effect.
【００１４】このモット−シュタルク効果は、量子ドッ
トアレーの量子ドットが外部電場の印加方向に対して非
対称性を有する場合に、効果的に現れる。したがって、
例えば、非対称性を有する量子ドットを配列した量子ド
ットアレーから成る第１の領域と、非対称性を有さない
（対称な）量子ドットを配列した量子ドットアレーから
成る第２の領域とを設けると、一様な外部電場の印加に
対して、第１の領域においてはモット−シュタルク効果
が現れるが、第２の領域においてはモット−シュタルク
効果が現れないという状況を実現することができる。ま
た、第１の方向に対して非対称性を有する量子ドットを
配列した量子ドットアレーから成る第１の領域と、第１
の方向と逆の第２の方向に対して非対称性を有する量子
ドットを配列した量子ドットアレーから成る第２の領域
とを設けると、例えば、第１の方向に外部電場を印加し
た場合にはモット−シュタルク効果により第１の領域は
モット絶縁体化し、第２の領域は金属相となり、一方、
第２の方向に外部電場を印加した場合にはモット−シュ
タルク効果により第１の領域は金属相になり、第２の領
域はモット絶縁体化するようにすることができる。すな
わち、外部電場の印加方向を反転させることにより、ト
ンネル障壁領域と伝導領域とを交換することができる。
この発明は、本発明者による上記検討に基づいて案出さ
れたものである。The Mott-Stark effect effectively appears when the quantum dots of the quantum dot array have asymmetry with respect to the direction of application of the external electric field. Therefore,
For example, when a first region including a quantum dot array in which quantum dots having asymmetry are arranged and a second region including a quantum dot array in which non-asymmetric (symmetrical) quantum dots are arranged are provided. It is possible to realize a situation in which the Mott-Stark effect appears in the first region but the Mott-Stark effect does not appear in the second region when a uniform external electric field is applied. In addition, a first region including a quantum dot array in which quantum dots having an asymmetry with respect to a first direction are arrayed,
And a second region composed of a quantum dot array in which quantum dots having an asymmetry with respect to a second direction opposite to the direction are provided, for example, when an external electric field is applied in the first direction, Due to the Mott-Stark effect, the first region becomes a Mott insulator and the second region becomes a metallic phase, while
When an external electric field is applied in the second direction, the first region becomes a metallic phase and the second region becomes a Mott insulator due to the Mott-Stark effect. That is, the tunnel barrier region and the conduction region can be exchanged by reversing the application direction of the external electric field.
The present invention has been devised based on the above examination by the present inventor.
【００１５】すなわち、上記目的を達成するために、こ
の発明の第１の発明による量子素子は、一面内に互いに
隣接して配列された複数の量子箱（ＱＤ）から成り、複
数の量子箱（ＱＤ）が上記面と直交する方向に対して非
対称性を有する第１の領域（Ｉ）と、上記面内に互いに
隣接して配列された複数の量子箱（ＱＤ）から成り、複
数の量子箱（ＱＤ）が上記面と直交する方向に対して非
対称性を有さない第２の領域（ＩＩ）とを有し、第１の
領域（Ｉ）と第２の領域（ＩＩ）とが互いに接して配置
されていることを特徴とするものである。That is, to achieve the above object, the quantum device according to the first invention of the present invention comprises a plurality of quantum boxes (QD) arranged adjacent to each other in one plane, and a plurality of quantum boxes ( QD) comprises a first region (I) having an asymmetry with respect to a direction orthogonal to the plane, and a plurality of quantum boxes (QD) arranged adjacent to each other in the plane. (QD) has a second region (II) having no asymmetry with respect to a direction orthogonal to the plane, and the first region (I) and the second region (II) are in contact with each other. It is characterized by being arranged as.
【００１６】第１の発明による量子素子においては、典
型的には、少なくとも、一つの第２の領域（ＩＩ）と一
つの第１の領域（Ｉ）と他の一つの第２の領域（ＩＩ）
とが順次接して配置される。In the quantum device according to the first invention, typically, at least one second region (II), one first region (I) and another second region (II). )
And are arranged in contact with each other.
【００１７】第１の発明による量子素子の一実施形態に
おいては、第２の領域（ＩＩ）と第１の領域（Ｉ）とが
交互にかつ互いに接して配置されている多重接合構造を
有する。An embodiment of the quantum device according to the first invention has a multiple junction structure in which second regions (II) and first regions (I) are arranged alternately and in contact with each other.
【００１８】第１の発明による量子素子の好適な一実施
形態においては、上記方向に外部電場を印加するための
電極（３、４）が複数の量子箱（ＱＤ）に隣接して設け
られる。そして、上記方向に外部電場を印加することに
よりモット−シュタルク効果によって第１の領域（Ｉ）
に形成されるハバードギャップをトンネル障壁として用
いる。In a preferred embodiment of the quantum device according to the first invention, electrodes (3, 4) for applying an external electric field in the above direction are provided adjacent to a plurality of quantum boxes (QD). Then, by applying an external electric field in the above direction, the first region (I) is generated by the Mott-Stark effect.
The Hubbard gap formed in the above is used as a tunnel barrier.
【００１９】第１の発明による量子素子の好適な一実施
形態においては、量子箱（ＱＤ）が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／ＡｌＧａＳｂヘテロ
接合などを用いることができる。この量子箱（ＱＤ）
は、典型的には錐状の形状、具体的には、三角錐、四角
錐、正四面体または円錐の形状を有するほか、三角錐、
四角錐、正四面体または円錐の頂部を切除した形状を有
する。また、この量子箱（ＱＤ）は、典型的には、有機
金属化学気相成長法によりエピタキシャル成長された化
合物半導体層により形成される。In a preferred embodiment of the quantum device according to the first invention, the quantum box (QD) is formed by a compound semiconductor heterojunction. This compound semiconductor heterojunction includes GaAs / AlGaAs heterojunction, GaAs
/ AlAs heterojunction, InAs / AlGaSb heterojunction, etc. can be used. This quantum box (QD)
Has a typical pyramidal shape, specifically, a triangular pyramid, a quadrangular pyramid, a regular tetrahedron or a conical shape.
It has a shape in which the top of a quadrangular pyramid, a regular tetrahedron or a cone is cut off. Further, this quantum box (QD) is typically formed by a compound semiconductor layer epitaxially grown by a metal organic chemical vapor deposition method.
【００２０】この発明の第２の発明による量子素子によ
れば、一面内に互いに隣接して配列された複数の量子箱
（ＱＤ）から成り、複数の量子箱（ＱＤ）が上記面と直
交する第１の方向に対して非対称性を有する第１の領域
（ＩＩＩ）と、上記面内に互いに隣接して配列された複
数の量子箱（ＱＤ）から成り、複数の量子箱（ＱＤ）が
第１の方向と逆の第２の方向に対して非対称性を有する
第２の領域（ＩＶ）とを有し、第１の領域（ＩＩＩ）と
第２の領域（ＩＶ）とが互いに接して配置されているこ
とを特徴とするものである。According to the second aspect of the present invention, the quantum device comprises a plurality of quantum boxes (QD) arranged adjacent to each other in one plane, and the plurality of quantum boxes (QD) are orthogonal to the plane. A first region (III) having asymmetry with respect to a first direction and a plurality of quantum boxes (QD) arranged adjacent to each other in the plane, and the plurality of quantum boxes (QD) are A second region (IV) having an asymmetry with respect to a second direction opposite to the first direction, and the first region (III) and the second region (IV) are arranged in contact with each other. It is characterized by being.
【００２１】第２の発明による量子素子の一実施形態に
おいては、第１の領域（ＩＩＩ）と第２の領域（ＩＶ）
とが交互にかつ互いに接して配置されている多重接合構
造を有する。In one embodiment of the quantum device according to the second invention, the first region (III) and the second region (IV) are provided.
And a multi-junction structure in which and are arranged alternately and in contact with each other.
【００２２】第２の発明による量子素子の好適な一実施
形態においては、第１の方向または第２の方向に外部電
場を印加するための電極（３、４）が複数の量子箱（Ｑ
Ｄ）に隣接して設けられる。そして、外部電場を印加す
ることによりモット−シュタルク効果によって第１の領
域（ＩＩＩ）にハバードギャップが形成される場合には
第１の領域（ＩＩＩ）および第２の領域（ＩＶ）をそれ
ぞれトンネル障壁領域および伝導領域として用い、外部
電場を印加することによりモット−シュタルク効果によ
って第２の領域（ＩＶ）にハバードギャップが形成され
る場合には第１の領域（ＩＩＩ）および第２の領域（Ｉ
Ｖ）をそれぞれ伝導領域およびトンネル障壁領域として
用いる。In a preferred embodiment of the quantum device according to the second invention, the electrodes (3, 4) for applying an external electric field in the first direction or the second direction have a plurality of quantum boxes (Q).
It is provided adjacent to D). Then, when a Hubbard gap is formed in the first region (III) by the Mott-Stark effect by applying an external electric field, the first region (III) and the second region (IV) are tunnel barriers respectively. The first region (III) and the second region (I) when the Hubbard gap is formed in the second region (IV) by the Mott-Stark effect by applying an external electric field.
V) are used as the conduction region and the tunnel barrier region, respectively.
【００２３】第２の発明による量子素子の好適な一実施
形態においては、量子箱（ＱＤ）が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／ＡｌＧａＳｂヘテロ
接合などを用いることができる。この量子箱（ＱＤ）
は、典型的には錐状の形状、具体的には、三角錐、四角
錐、正四面体または円錐の形状を有するほか、三角錐、
四角錐、正四面体または円錐の頂部を切除した形状を有
する。また、この量子箱（ＱＤ）は、典型的には、有機
金属化学気相成長法によりエピタキシャル成長された化
合物半導体層により形成される。In a preferred embodiment of the quantum device according to the second invention, the quantum box (QD) is formed by a compound semiconductor heterojunction. This compound semiconductor heterojunction includes GaAs / AlGaAs heterojunction, GaAs
/ AlAs heterojunction, InAs / AlGaSb heterojunction, etc. can be used. This quantum box (QD)
Has a typical pyramidal shape, specifically, a triangular pyramid, a quadrangular pyramid, a regular tetrahedron or a conical shape.
It has a shape in which the top of a quadrangular pyramid, a regular tetrahedron or a cone is cut off. Further, this quantum box (QD) is typically formed by a compound semiconductor layer epitaxially grown by a metal organic chemical vapor deposition method.
【００２４】ここで、先に言及した「トランスファー・
エネルギー」の物理的意味について詳細に説明する。Here, the above-mentioned "transfer
The physical meaning of "energy" will be described in detail.
【００２５】今、中心座標が（ｒx 、ｒy ）の量子箱１
と中心座標が（−ｒx 、−ｒy ）の量子箱２との二つの
量子箱から成る量子箱結合系を考える。そして、この量
子箱結合系における電子のダイナミックスを、孤立した
水素原子の電子状態の厳密解から水素分子イオン（Ｈ2
+ ）の電子状態を考える場合の有効な近似法として知ら
れているＬＣＡＯ（Linear Combination of Atomic Orb
itals)近似に基づいて考察する。Now, the quantum box 1 whose center coordinates are (r x , r y )
Considered center coordinates (-r x, -r y) quantum boxes binding system consisting of two quantum boxes and quantum box 2. Then, the dynamics of electrons in this quantum box coupled system can be calculated from the exact solution of the electronic state of the isolated hydrogen atom to the hydrogen molecular ion (H 2
LCAO, which is known as an effective approximation of when considering the electronic states of +) (Linear Combination of Atomic Orb
Itals) Consider based on the approximation.
【００２６】このＬＣＡＯ近似で考えると、最初は孤立
していた量子箱１および量子箱２が互いに接近したとき
には、量子箱１の電子の基底状態｜１〉および量子箱２
の電子の基底状態｜２〉のエネルギー準位Ｅ0 に幅２Δ
Ｅの分裂が起こり、結合状態と反結合状態との二状態が
得られる。これらの結合状態および反結合状態のエネル
ギーおよび波動関数は次のように表される。Considering this LCAO approximation, when the quantum boxes 1 and 2 that were initially isolated approach each other, the ground state | 1> of the electrons in the quantum box 1 and the quantum box 2
Width of the energy level E 0 of the ground state | 2> of the electron
Splitting of E occurs, and two states, a bound state and an anti-bound state, are obtained. The energies and wave functions of these bound and anti-bound states are expressed as follows.
【００２７】[0027]
【数１】 [Equation 1]
【数２】
ここで、ΔＥがトランスファー・エネルギーと呼ばれ、
後述のように量子箱間の電子のトンネル時間τの目安と
なるものである。[Equation 2] Where ΔE is called transfer energy,
As described later, it is a measure of the electron tunneling time τ between the quantum boxes.
【００２８】この量子箱結合系のハミルトニアンをThe Hamiltonian of this quantum box coupled system is
【数３】 と書くと、[Equation 3] Is written,
【数４】
は、次式で示されるようにこのハミルトニアンの固有状
態となっている。[Equation 4] Is an eigenstate of this Hamiltonian as shown in the following equation.
【数５】 [Equation 5]
【００２９】さて、今、例えば量子箱１に電子が局在し
ているとすると、この状態はNow, assuming that the electrons are localized in the quantum box 1, for example, this state
【数６】
と書くことができる。この状態からシュレーディンガー
方程式によって時間発展させると、時刻ｔにおける状態
は[Equation 6] Can be written. When this state is time-developed by the Schrodinger equation, the state at time t is
【数７】 となる。[Equation 7] Becomes
【００３０】これより、From this,
【数８】
を満たす時刻ｔになると、量子箱１に局在していた電子
は量子箱２に到達していることがわかる。従って、この
ＬＣＡＯ近似の範囲で、量子箱１から量子箱２への電子
のトンネル時間τを[Equation 8] It can be seen that at time t that satisfies, the electrons localized in the quantum box 1 reach the quantum box 2. Therefore, within this LCAO approximation range, the electron tunneling time τ from quantum box 1 to quantum box 2 is
【数９】 と考えることができる。[Equation 9] Can be considered.
【００３１】このトンネル時間τは、より一般的には、More generally, this tunnel time τ is
【数１０】 と書くことができる。[Equation 10] Can be written.
【００３２】以上より、量子箱結合系における電子のダ
イナミックスを最も単純化すれば、量子箱間のトランス
ファー・エネルギーΔＥの大きさに依存するトンネリン
グにより電子は運動することになる。From the above, if the dynamics of electrons in the quantum box coupled system are simplified, the electrons will move by tunneling depending on the magnitude of the transfer energy ΔE between the quantum boxes.
【００３３】次に、ＬＣＡＯ近似の範囲内でのトランス
ファー・エネルギーΔＥの表式を求める。Next, the expression of the transfer energy ΔE within the range of LCAO approximation will be obtained.
【００３４】今、一辺の長さが２ｄの単独の正方形量子
箱を考えると、そのポテンシャルエネルギーはConsidering now a single square quantum box with a side length of 2d, its potential energy is
【数１１】
である。従って、運動エネルギーをＫと書けば、この系
のハミルトニアンは[Equation 11] Is. Therefore, if we write the kinetic energy as K, the Hamiltonian of this system is
【数１２】 である。このハミルトニアンの基底状態を[Equation 12] Is. This Hamiltonian ground state
【数１３】 とし、そのエネルギーをＥ0 とすれば、[Equation 13] And its energy is E 0 ,
【数１４】 が成り立つ。[Equation 14] Holds.
【００３５】これに対し、二つの正方形量子箱からなる
量子箱結合系のハミルトニアンは、次式のように書くこ
とができる。On the other hand, the Hamiltonian of a quantum box coupled system consisting of two square quantum boxes can be written as the following equation.
【００３６】[0036]
【数１５】
ただし、一方の量子箱の中心座標および他方の量子箱の
中心座標をすでに述べたように書くと、[Equation 15] However, if the center coordinates of one quantum box and the center coordinates of the other quantum box are written as described above,
【数１６】 である。[Equation 16] Is.
【００３７】一方、(10)式で示される単独正方形量子箱
のハミルトニアンの基底状態の波動関数はOn the other hand, the wave function of the Hamiltonian ground state of the single square quantum box expressed by equation (10) is
【数１７】 であるが、[Equation 17] In Although,
【数１８】 はそれぞれ、[Equation 18] Respectively
【数１９】 を満たしている。[Formula 19] Meets
【００３８】以上の準備ができたところで、(12)式で示
される量子箱結合系のハミルトニアンのエネルギー固有
値を、(15)式で示される単独正方形量子箱の固有状態の
張る二次元部分空間上で求める。この(15)式で示される
二つの固有状態は直交していないので、まず直交基底を
構成すると、これは例えば以下のようになる。When the above preparation is completed, the energy eigenvalue of the Hamiltonian of the coupled quantum box system shown in Eq. (12) can be calculated on the two-dimensional subspace in which the eigenstates of the single square quantum box shown in Eq. Ask in. Since the two eigenstates shown in Eq. (15) are not orthogonal, if an orthogonal basis is first constructed, this will be as follows, for example.
【００３９】[0039]
【数２０】 [Equation 20]
【００４０】この直交基底でハミルトニアン行列要素を
計算すると、When the Hamiltonian matrix elements are calculated with this orthogonal basis,
【数２１】 [Equation 21]
【数２２】 [Equation 22]
【数２３】 [Equation 23]
【数２４】
となる。ただし、これらの行列要素の計算においては、
(16)式および次の式を用いた。[Equation 24] Becomes However, in the calculation of these matrix elements,
Equation (16) and the following equation were used.
【００４１】[0041]
【数２５】 [Equation 25]
【００４２】(20)式および(21)式からわかるようにハミ
ルトニアン行列の非対角要素は０であるので、このハミ
ルトニアン行列は実は対角化されている。従って、エネ
ルギー固有値はAs can be seen from the equations (20) and (21), since the non-diagonal elements of the Hamiltonian matrix are 0, this Hamiltonian matrix is actually diagonalized. Therefore, the energy eigenvalue is
【数２６】 であり、その固有ベクトルがそれぞれ、[Equation 26] And their eigenvectors are
【数２７】 となっている。[Equation 27] Has become.
【００４３】(18)式および(19)式の中で、波動関数の局
在性より、In equations (18) and (19), from the localization of the wave function,
【数２８】 が言えるので、エネルギーとして[Equation 28] As energy,
【数２９】 のように考えることができる。[Equation 29] Can be thought of as.
【００４４】すでに述べたように、上記のトランスファ
ー・エネルギー（ΔＥまたはＴ）が小さい場合には、電
子は各量子箱に局在し、量子箱間のトンネリングによる
電子の運動は抑制される。As described above, when the transfer energy (ΔE or T) is small, the electrons are localized in each quantum box, and the electron motion due to tunneling between quantum boxes is suppressed.
【００４５】[0045]
【作用】この発明の第１の発明による量子素子におい
て、一例として、二つの第１の領域の間に第２の領域が
はさまれている場合を考える。この場合、外部電場を印
加しないときに第１の領域および第２の領域とも金属相
になるように、これらの第１の領域および第２の領域を
構成する量子箱を設計しておく。今、量子箱の配列面と
直交する方向に外部電場を印加すると、この方向に対し
て量子箱が非対称性を有する第１の領域はモット−シュ
タルク効果によりモット金属−絶縁体相転移を起こして
絶縁体相となり、この絶縁体相となった第１の領域にハ
バードギャップが形成される。一方、量子箱の配列面と
直交する方向に対して量子箱が非対称性を有さない第２
の領域においてはモット−シュタルク効果が現れず、し
たがってこの第２の領域は金属相のままに保たれる。こ
れによって、二つの金属相の間にハバードギャップ、換
言すればトンネル障壁がはさまれた構造が実現される。
このように、この第１の発明による量子素子によれば、
外部電場の印加の有無により、トンネル障壁の存在／非
存在を制御することができる。また、この場合、障壁高
さや障壁幅により強く影響を受ける従来の量子力学的ト
ンネル効果ではなく、電子間クーロン相互作用による多
体効果に起因するハバードギャップを介した多体量子力
学的トンネル効果を利用していることにより、量子箱の
作製に厳しい均一性が要求されず、このためこの第１の
発明による量子素子は従来の量子力学的トンネル効果を
利用した半導体素子に比べて製造や集積化が容易であ
る。In the quantum device according to the first aspect of the present invention, a case where the second region is sandwiched between two first regions will be considered as an example. In this case, the quantum boxes forming the first region and the second region are designed so that both the first region and the second region are in the metal phase when the external electric field is not applied. Now, when an external electric field is applied in the direction orthogonal to the array surface of the quantum boxes, the first region where the quantum boxes have asymmetry with respect to this direction causes a Mott metal-insulator phase transition due to the Mott-Stark effect. It becomes an insulator phase, and a Hubbard gap is formed in the first region that has become the insulator phase. On the other hand, if the quantum boxes do not have asymmetry in the direction orthogonal to the array plane of the quantum boxes,
The Mott-Stark effect does not appear in the region (1) and therefore this second region remains in the metallic phase. This realizes a structure in which a Hubbard gap, in other words, a tunnel barrier, is sandwiched between two metal phases.
Thus, according to the quantum device of the first invention,
The presence / absence of a tunnel barrier can be controlled by the presence / absence of an external electric field. In this case, instead of the conventional quantum mechanical tunneling effect that is strongly affected by the barrier height and barrier width, the many-body quantum mechanical tunneling effect via the Hubbard gap caused by the many-body effect due to Coulomb interaction between electrons is considered. Since the quantum box is used, strict uniformity is not required for manufacturing the quantum box. Therefore, the quantum device according to the first aspect of the invention is manufactured and integrated as compared with the conventional semiconductor device using the quantum mechanical tunnel effect. Is easy.
【００４６】この発明の第２の発明による量子素子にお
いて、一例として、第１の領域と第２の領域とが交互に
かつ互いに接して配置されている場合を考える。ここ
で、例えば、第１の方向に外部電場を印加したときには
モット−シュタルク効果によって第１の領域が絶縁体
相、すなわちトンネル障壁領域となり、第２の領域が金
属相、すなわち伝導領域となり、第２の方向に外部電場
を印加したときにはモット−シュタルク効果によって第
１の領域が金属相、すなわち伝導領域となり、第２の領
域が絶縁体相、すなわちトンネル障壁領域となるよう
に、これらの第１の領域および第２の領域を構成する量
子箱を設計しておく。これによって、外部電場の印加方
向を反転させることにより、第１の領域と第２の領域と
の間で、トンネル障壁領域と伝導領域とを交換すること
ができる。また、この場合、障壁高さや障壁幅により強
く影響を受ける従来の量子力学的トンネル効果ではな
く、電子間クーロン相互作用による多体効果に起因する
ハバードギャップを介した多体量子力学的トンネル効果
を利用していることにより、量子箱の作製に厳しい均一
性が要求されず、このためこの第２の発明による量子素
子は従来の量子力学的トンネル効果を利用した半導体素
子に比べて製造や集積化が容易である。In the quantum device according to the second aspect of the present invention, as an example, consider the case where the first regions and the second regions are arranged alternately and in contact with each other. Here, for example, when an external electric field is applied in the first direction, due to the Mott-Stark effect, the first region becomes an insulator phase, that is, a tunnel barrier region, and the second region becomes a metal phase, that is, a conduction region. When an external electric field is applied in the direction of 2, the first region becomes the metal phase, that is, the conduction region, and the second region becomes the insulator phase, that is, the tunnel barrier region by the Mott-Stark effect. Quantum boxes that configure the region and the second region are designed. Thereby, the tunnel barrier region and the conduction region can be exchanged between the first region and the second region by reversing the application direction of the external electric field. In this case, instead of the conventional quantum mechanical tunneling effect that is strongly affected by the barrier height and barrier width, the many-body quantum mechanical tunneling effect via the Hubbard gap caused by the many-body effect due to Coulomb interaction between electrons is considered. Since the quantum box is used, strict uniformity is not required for manufacturing the quantum box. Therefore, the quantum device according to the second aspect of the invention is manufactured and integrated as compared with the conventional semiconductor device using the quantum mechanical tunnel effect. Is easy.
【００４７】[0047]
【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一
または対応する部分には同一の符号を付す。図１はこの
発明の第１実施例による量子素子を示す断面図、図２は
この第１実施例による量子素子における量子ドットアレ
ーから成る領域の一部を示す斜視図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals. FIG. 1 is a sectional view showing a quantum device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a part of a region consisting of a quantum dot array in the quantum device according to the first embodiment.
【００４８】図１および図２に示すように、この第１実
施例による量子素子においては、量子井戸部としての四
面体状のＧａＡｓ層１が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層
２により囲まれた構造のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ
接合による量子ドットＱＤが一平面、すなわちｘ−ｙ面
内に互いに隣接して二次元的に配列された量子ドットア
レーから成る領域Ｉと、量子井戸部としての四角柱状の
ＧａＡｓ層１が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２により
囲まれた構造のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合によ
る量子ドットＱＤがｘ−ｙ面内に互いに隣接して二次元
的に配列された量子ドットアレーから成る領域ＩＩとが
交互にかつ互いに接して配置されて多重接合構造が形成
されている。そして、これらの領域ＩおよびＩＩを上下
からはさみ込むように、電極３および４が設けられてい
る。なお、図１においては、領域Ｉの数が２、領域ＩＩ
の数が３である場合が図示されている。As shown in FIGS. 1 and 2, in the quantum device according to the first embodiment, a tetrahedral GaAs layer 1 as a quantum well portion is surrounded by an AlGaAs layer 2 as a barrier layer. GaAs / AlGaAs heterojunction quantum dots QD are arranged in a plane, that is, a region I composed of a quantum dot array that is two-dimensionally arranged adjacent to each other in the xy plane, and a square columnar GaAs layer as a quantum well portion. A region II composed of a quantum dot array in which quantum dots QD formed by a GaAs / AlGaAs heterojunction 1 of which 1 is surrounded by an AlGaAs layer 2 as a barrier layer are two-dimensionally arranged adjacent to each other in the xy plane. Are arranged alternately and in contact with each other to form a multi-junction structure. Then, electrodes 3 and 4 are provided so as to sandwich these regions I and II from above and below. Note that in FIG. 1, the number of regions I is 2, and the number of regions II is 2.
It is shown that the number of is three.
【００４９】この場合、領域Ｉを構成する四面体状の量
子ドットＱＤは、その配列面、すなわちｘ−ｙ面に垂直
なｚ軸方向に対して形状非対称性を有している。ここ
で、ｘ−ｙ面に平行に切断したときの各量子ドットＱＤ
の断面積は、ｚ軸の正方向に単調に減少している。そし
て、隣接する量子ドットＱＤ間の間隔は、ｚ軸の正方向
に単調に増加している。これに対して、領域ＩＩを構成
する四角柱状の量子ドットＱＤは、ｚ軸方向に対して対
称な形状となっており、形状非対称性を有していない。In this case, the tetrahedral quantum dots QD forming the region I have a shape asymmetry with respect to the arrangement plane, that is, the z-axis direction perpendicular to the xy plane. Here, each quantum dot QD when cut parallel to the xy plane
The cross-sectional area of is monotonically decreasing in the positive direction of the z-axis. The interval between the adjacent quantum dots QD monotonically increases in the positive direction of the z axis. On the other hand, the square column-shaped quantum dots QD forming the region II have a shape symmetrical with respect to the z-axis direction and do not have shape asymmetry.
【００５０】また、領域ＩおよびＩＩの量子ドットアレ
ーを構成する量子ドットＱＤ間の間隔は、ｚ軸方向に外
部電場を印加しないときにこれらの領域ＩおよびＩＩが
いずれも金属相となるように十分に小さく選ばれてお
り、具体的には、量子ドットＱＤの大きさが例えば１０
ｎｍ程度である場合、量子ドットＱＤ間の間隔は例えば
５ｎｍ程度に選ばれる。The spacing between the quantum dots QD forming the quantum dot array in regions I and II is such that both regions I and II are in the metallic phase when no external electric field is applied in the z-axis direction. It is selected to be sufficiently small, and specifically, the size of the quantum dot QD is, for example, 10
When it is about nm, the interval between the quantum dots QD is selected to be about 5 nm, for example.
【００５１】次に、上述のように構成されたこの第１実
施例による量子素子の動作原理について説明する。上述
のように、ｚ軸方向に外部電場を印加しないとき、この
第１実施例による量子素子の領域ＩおよびＩＩはいずれ
も金属相となっており、このときのエネルギーバンド図
は図３に示すようになっている。Next, the operating principle of the quantum device according to the first embodiment constructed as described above will be explained. As described above, when no external electric field is applied in the z-axis direction, the regions I and II of the quantum device according to the first embodiment are both metal phases, and the energy band diagram at this time is shown in FIG. It is like this.
【００５２】次に、電極３の電位をもう一方の電極４の
電位よりも低くすることにより、具体的には例えば電極
３を接地し、電極４に正電圧を印加することにより、ｚ
軸の負方向に一様な外部電場を印加する。すると、領域
Ｉの量子ドットアレーを構成する四面体状の各量子ドッ
トＱＤ内の電子は、ｚ軸の正方向に力を受け、図１にお
ける各量子ドットＱＤの上部、すなわち四面体の頂部に
押しやられる。換言すれば、各量子ドットＱＤ内の電子
の波動関数は、ｚ軸の正側に偏って分布する。このと
き、隣接する量子ドットＱＤ間の間隔は実効的に増加す
る。この結果、この領域Ｉは、モット−シュタルク効果
によってモット金属−絶縁体転移を起こして絶縁体相と
なる。一方、領域ＩＩの量子ドットアレーを構成する四
角柱状の各量子ドットＱＤ内の電子も同様にｚ軸の正方
向に力を受け、その上部に押しやられるが、それによっ
て隣接する量子ドットＱＤ間の間隔は何ら変化しないた
め、この領域ＩＩは金属相のままに保たれる。このよう
にｚ軸の負方向に外部電場を印加したときのこの第１実
施例による量子素子のエネルギーバンド図は図４に示す
ようになっており、金属相である領域ＩＩの間に絶縁体
相である領域Ｉのハバードギャップが存在する構造とな
っている。そして、このとき、この領域Ｉのハバードギ
ャップを介した多体量子力学的トンネル効果、すなわち
ハバードギャップトンネリングが見られるのである。Next, by making the potential of the electrode 3 lower than the potential of the other electrode 4, specifically, for example, the electrode 3 is grounded and a positive voltage is applied to the electrode 4, so that z
A uniform external electric field is applied in the negative direction of the axis. Then, the electrons in each tetrahedron-shaped quantum dot QD forming the quantum dot array in the region I receive a force in the positive direction of the z-axis, and are applied to the upper part of each quantum dot QD in FIG. 1, that is, the top part of the tetrahedron. Be pushed away. In other words, the wave function of the electron in each quantum dot QD is distributed biased to the positive side of the z axis. At this time, the interval between the adjacent quantum dots QD effectively increases. As a result, this region I undergoes a Mott metal-insulator transition due to the Mott-Stark effect and becomes an insulator phase. On the other hand, the electrons in each quantum dot QD in the shape of a quadrangular prism that constitutes the quantum dot array in the region II are similarly subjected to a force in the positive direction of the z-axis and are pushed to the upper part thereof, which causes a space between the adjacent quantum dots QD. Since the spacing does not change at all, this region II remains in the metallic phase. The energy band diagram of the quantum device according to the first embodiment when an external electric field is applied in the negative direction of the z-axis is shown in FIG. The structure has a Hubbard gap of the region I, which is a phase. Then, at this time, the many-body quantum mechanical tunnel effect via the Hubbard gap in the region I, that is, the Hubbard gap tunneling is observed.
【００５３】上述のように構成されたこの第１実施例に
よる量子素子は、例えば次のようにして製造することが
できる。すなわち、まず、図５Ａに示すように、電極３
として例えばｎ型ＧａＡｓ基板を用い、このｎ型ＧａＡ
ｓ基板から成る電極３上に例えば有機金属化学気相成長
（ＭＯＣＶＤ）法により所定厚さのＡｌＧａＡｓ層２ａ
をエピタキシャル成長させる。次に、このＡｌＧａＡｓ
層２ａ上に例えばＣＶＤ法により例えばＳｉＯ2 膜５を
形成した後、このＳｉＯ2 膜５をエッチングによりパタ
ーニングして、領域ＩＩに対応する部分の上のＳｉＯ2
膜５を除去するとともに、領域Ｉに対応する部分の上の
ＳｉＯ2 膜５に正三角形状の開口５ａを二次元アレー状
に形成する。次に、再びＭＯＣＶＤ法により全面にＧａ
Ａｓをエピタキシャル成長させる。これによって、図５
Ｂに示すように、領域Ｉに対応する部分の上のＳｉＯ2
膜５の開口５ａの部分のＡｌＧａＡｓ層２ａ上にはＧａ
Ａｓ層１が四面体形状に選択的にエピタキシャル成長
し、領域ＩＩに対応する部分のＡｌＧａＡｓ層２ａ上に
はＧａＡｓ層１が一様にエピタキシャル成長する。次
に、ＳｉＯ2 膜５をエッチング除去した後、図５Ｃに示
すように、領域ＩＩに対応する部分のＧａＡｓ層１をエ
ッチングにより量子井戸部の形状にパターニングする。
次に、図５Ｄに示すように、再びＭＯＣＶＤ法により全
面にＡｌＧａＡｓ層２ｂをエピタキシャル成長させる。
この後、このＡｌＧａＡｓ層２ｂ上に例えば真空蒸着法
により例えば金属膜から成る電極４を形成する。これに
よって、図１および図２に示すように、目的とする量子
素子が完成される。The quantum device according to the first embodiment configured as described above can be manufactured, for example, as follows. That is, first, as shown in FIG.
For example, an n-type GaAs substrate is used as the n-type GaA
An AlGaAs layer 2a having a predetermined thickness is formed on the electrode 3 made of an s substrate by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
Are grown epitaxially. Next, this AlGaAs
After forming the SiO 2 film 5 by, for example, on the layer 2a for example, CVD, the SiO 2 film 5 is patterned by etching, SiO 2 on the portion corresponding to the region II
The film 5 is removed, and at the same time, a regular triangular opening 5a is formed in a two-dimensional array on the SiO 2 film 5 on the portion corresponding to the region I. Next, again using MOCVD, the entire surface is Ga
As is epitaxially grown. As a result, FIG.
As shown in B, SiO 2 on the portion corresponding to the region I
Ga is formed on the AlGaAs layer 2a in the opening 5a of the film 5.
The As layer 1 is selectively epitaxially grown in a tetrahedral shape, and the GaAs layer 1 is uniformly epitaxially grown on the AlGaAs layer 2a in the portion corresponding to the region II. Next, after removing the SiO 2 film 5 by etching, as shown in FIG. 5C, the GaAs layer 1 in a portion corresponding to the region II is patterned into a shape of a quantum well portion by etching.
Next, as shown in FIG. 5D, the AlGaAs layer 2b is epitaxially grown again on the entire surface by the MOCVD method.
After that, the electrode 4 made of, for example, a metal film is formed on the AlGaAs layer 2b by, for example, a vacuum evaporation method. As a result, the target quantum device is completed as shown in FIGS.
【００５４】以上のように、この第１実施例による量子
素子によれば、ｚ軸方向に対して形状非対称性を有する
四面体状の量子ドットＱＤがｘ−ｙ面内に配列された量
子ドットアレーから成る領域Ｉと、ｚ軸方向に対して形
状非対称性を有さない四角柱状の量子ドットＱＤが配列
された量子ドットアレーから成る領域ＩＩとが交互にか
つ互いに接して配置されており、ｚ軸方向に外部電場を
印加しないときには領域ＩおよびＩＩはいずれも金属相
であるが、ｚ軸の負方向に外部電場を印加したときには
領域Ｉがモット−シュタルク効果によりモット金属−絶
縁体転移を起こして絶縁体相となるようにすることがで
きる。すなわち、この第１実施例による量子素子によれ
ば、ｚ軸方向の外部電場の印加の有無により、領域Ｉに
おけるトンネル障壁の存在／非存在を制御することがで
きる。そして、領域Ｉにトンネル障壁が存在するときに
は、この第１実施例による量子素子は、トンネル効果素
子として使用することができる。この場合、絶縁体相で
ある領域Ｉのハバードギャップを介した多体量子力学的
トンネル効果を利用しているので、量子ドットＱＤの作
製に厳しい均質性が要求されず、したがってその製造や
集積化は比較的容易である。As described above, according to the quantum device of the first embodiment, the tetrahedral quantum dots QD having the shape asymmetry with respect to the z-axis direction are arranged in the xy plane. Regions I made of an array and regions II made of a quantum dot array in which square-shaped quantum dots QD having no shape asymmetry with respect to the z-axis direction are arranged alternately and in contact with each other, When no external electric field is applied in the z-axis direction, both regions I and II are metallic phases, but when an external electric field is applied in the negative z-axis direction, region I undergoes a Mott metal-insulator transition due to the Mott-Stark effect. It can be awakened to become an insulator phase. That is, according to the quantum device of the first embodiment, the presence / absence of the tunnel barrier in the region I can be controlled by the presence / absence of application of the external electric field in the z-axis direction. When the tunnel barrier exists in the region I, the quantum device according to the first embodiment can be used as a tunnel effect device. In this case, since the many-body quantum mechanical tunnel effect via the Hubbard gap in the region I, which is an insulator phase, is used, strict homogeneity is not required for the production of the quantum dot QD, and therefore its production and integration are not required. Is relatively easy.
【００５５】図６はこの発明の第２実施例による量子素
子を示す断面図、図７はこの第２実施例による量子素子
における量子ドットアレーから成る領域の一部を示す斜
視図である。FIG. 6 is a sectional view showing a quantum device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a perspective view showing a part of a region formed of a quantum dot array in the quantum device according to the second embodiment.
【００５６】図６および図７に示すように、この第２実
施例による量子素子においては、量子井戸部としての四
面体状のＧａＡｓ層１が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層
２により囲まれた構造のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ
接合による量子ドットＱＤが一平面、すなわちｘ−ｙ面
内に互いに隣接して二次元的に配列された量子ドットア
レーから成る領域ＩＩＩと、量子井戸部としての四面体
状のＧａＡｓ層１が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２に
より囲まれた構造のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合
による量子ドットＱＤがｘ−ｙ面内に互いに隣接して二
次元的に配列された量子ドットアレーから成る領域ＩＶ
とが交互にかつ互いに接して配置されて多重接合構造が
形成されている。そして、これらの領域ＩＩＩおよびＩ
Ｖを上下からはさみ込むように、電極３および４が設け
られている。なお、図６においては、領域ＩＩＩの数が
３、領域ＩＶの数が２である場合が図示されている。As shown in FIGS. 6 and 7, in the quantum device according to the second embodiment, the tetrahedral GaAs layer 1 as the quantum well portion is surrounded by the AlGaAs layer 2 as the barrier layer. A region III composed of quantum dot arrays in which GaAs / AlGaAs heterojunction quantum dots QD are two-dimensionally arranged adjacent to each other in one plane, that is, an xy plane, and tetrahedral GaAs as a quantum well portion. Region IV consisting of a quantum dot array in which quantum dots QD by a GaAs / AlGaAs heterojunction having a structure in which layer 1 is surrounded by AlGaAs layer 2 as a barrier layer are two-dimensionally arranged adjacent to each other in the xy plane.
And are arranged alternately and in contact with each other to form a multi-junction structure. And these regions III and I
Electrodes 3 and 4 are provided so as to sandwich V from above and below. Note that FIG. 6 illustrates the case where the number of regions III is 3 and the number of regions IV is 2.
【００５７】この場合、領域ＩＩＩおよびＩＶを構成す
る量子ドットＱＤはいずれもその配列面、すなわちｘ−
ｙ面に垂直なｚ軸方向に対して非対称性を有している
が、領域ＩＩＩを構成する四面体状の量子ドットＱＤ
は、その一頂点がｚ軸の負方向を向いており、この頂点
と対向する底面がｚ軸の正方向側にあるのに対して、領
域ＩＶを構成する四面体状の量子ドットＱＤは、その一
頂点がｚ軸の正方向を向いており、この頂点と対向する
底面がｚ軸の負方向側にある。すなわち、領域ＩＩＩを
構成する量子ドットＱＤの非対称性と領域ＩＶを構成す
る量子ドットＱＤの非対称性とは互いに反転させた関係
にある。In this case, the quantum dots QD forming the regions III and IV are both arranged on the array surface, that is, x-.
A tetrahedral quantum dot QD which has asymmetry with respect to the z-axis direction perpendicular to the y-plane but constitutes the region III.
Has one apex facing in the negative direction of the z-axis, and the bottom face facing this apex is on the positive side of the z-axis, while the tetrahedral quantum dots QD forming the region IV are One of the vertices faces the positive direction of the z-axis, and the bottom face facing this vertex is on the negative side of the z-axis. That is, the asymmetry of the quantum dots QD forming the area III and the asymmetry of the quantum dots QD forming the area IV are in a relationship of being inverted from each other.
【００５８】そして、領域ＩＩＩを構成する量子ドット
ＱＤをｘ−ｙ面に平行に切断したときの断面積はｚ軸の
正方向に単調に増加しており、隣接する量子ドットＱＤ
間の間隔はｚ軸の正方向に単調に減少している。これに
対して、領域ＩＶを構成する量子ドットＱＤをｘ−ｙ面
に平行に切断したときの断面積はｚ軸の正方向に単調に
減少しており、隣接する量子ドットＱＤ間の間隔はｚ軸
の正方向に単調に増加している。The cross-sectional area of the quantum dots QD forming the region III when cut in parallel with the xy plane monotonically increases in the positive direction of the z-axis, and the adjacent quantum dots QD
The interval between them decreases monotonically in the positive direction of the z-axis. On the other hand, when the quantum dots QD forming the region IV are cut parallel to the xy plane, the cross-sectional area monotonically decreases in the positive direction of the z axis, and the interval between the adjacent quantum dots QD is It increases monotonically in the positive direction of the z-axis.
【００５９】また、この場合、領域ＩＩＩの量子ドット
アレーを構成する量子ドットＱＤ間の間隔は、ｚ軸の負
方向に外部電場を印加したときにこの領域ＩＩＩが金属
相となるように十分に小さく選ばれており、具体的に
は、量子ドットＱＤの大きさが例えば１０ｎｍ程度であ
る場合、量子ドットＱＤ間の間隔は例えば５ｎｍ程度に
選ばれる。一方、領域ＩＶの量子ドットアレーを構成す
る量子ドットＱＤ間の間隔は、ｚ軸の正方向に外部電場
を印加したときにこの領域ＩＶが金属相となるように十
分に小さく選ばれており、具体的には、量子ドットＱＤ
の大きさが例えば１０ｎｍ程度である場合、量子ドット
ＱＤ間の間隔は例えば５ｎｍ程度に選ばれる。In this case, the spacing between the quantum dots QD forming the quantum dot array in the region III is sufficient so that the region III becomes a metal phase when an external electric field is applied in the negative direction of the z axis. It is selected to be small, and specifically, when the size of the quantum dots QD is, for example, about 10 nm, the interval between the quantum dots QD is selected to be, for example, about 5 nm. On the other hand, the interval between the quantum dots QD forming the quantum dot array in the region IV is selected to be sufficiently small so that the region IV becomes a metal phase when an external electric field is applied in the positive direction of the z axis, Specifically, the quantum dot QD
Is about 10 nm, the spacing between the quantum dots QD is selected to be about 5 nm.
【００６０】次に、上述のように構成されたこの第２実
施例による量子素子の動作原理について説明する。ま
ず、電極３の電位をもう一方の電極４の電位よりも高く
することにより、具体的には例えば電極３を接地し、電
極４に負電圧を印加することにより、ｚ軸の正方向に外
部電場を印加する。すると、領域ＩＩＩの量子ドットア
レーを構成する四面体状の各量子ドットＱＤ内の電子
は、ｚ軸の負方向に力を受け、図６における各量子ドッ
トＱＤの下部、すなわち四面体の頂部に押しやられる。
換言すれば、各量子ドットＱＤ内の電子の波動関数は、
ｚ軸の負側に偏って分布する。このとき、隣接する量子
ドットＱＤ間の間隔は実効的に増加する。この結果、こ
の領域ＩＩＩは、モット−シュタルク効果によってモッ
ト金属−絶縁体転移を起こして絶縁体相となり、トンネ
ル障壁領域として振る舞う。一方、領域ＩＶの量子ドッ
トアレーを構成する四面体状の各量子ドットＱＤ内の電
子は、ｚ軸の負方向に力を受け、図６における各量子ド
ットＱＤの下部、すなわち四面体の底部に押しやられ
る。換言すれば、各量子ドットＱＤ内の電子の波動関数
は、ｚ軸の負側に偏って分布する。このとき、隣接する
量子ドットＱＤ間の間隔は実効的に減少する。この結
果、この領域ＩＶは、モット−シュタルク効果によって
モット金属−絶縁体転移を起こして金属相となり、伝導
領域として振る舞う。そして、このように絶縁体相でト
ンネル障壁領域として振る舞う領域ＩＩＩと金属相で伝
導領域として振る舞う領域ＶＩとにより超格子が構成さ
れている。このようにｚ軸の正方向に外部電場を印加し
たときのこの第２実施例による量子素子のエネルギーバ
ンド図は、図８に示すようになっている。Next, the operating principle of the quantum device according to the second embodiment constructed as described above will be explained. First, the potential of the electrode 3 is made higher than the potential of the other electrode 4, specifically, for example, the electrode 3 is grounded, and a negative voltage is applied to the electrode 4 to positively move the z-axis to the outside. Apply an electric field. Then, the electrons in each tetrahedron-shaped quantum dot QD forming the quantum dot array in the region III receive a force in the negative direction of the z-axis, and are applied to the bottom of each quantum dot QD in FIG. 6, that is, the top of the tetrahedron. Be pushed away.
In other words, the wave function of the electron in each quantum dot QD is
The distribution is biased to the negative side of the z axis. At this time, the interval between the adjacent quantum dots QD effectively increases. As a result, the region III causes a Mott metal-insulator transition due to the Mott-Stark effect to become an insulator phase, and acts as a tunnel barrier region. On the other hand, the electrons in each tetrahedron-shaped quantum dot QD forming the quantum dot array in the region IV receive a force in the negative direction of the z-axis, and are applied to the bottom of each quantum dot QD in FIG. 6, that is, the bottom of the tetrahedron. Be pushed away. In other words, the wave function of the electron in each quantum dot QD is distributed biased to the negative side of the z axis. At this time, the interval between the adjacent quantum dots QD effectively decreases. As a result, the region IV causes a Mott metal-insulator transition due to the Mott-Stark effect to become a metal phase, and acts as a conduction region. In this way, the superlattice is constituted by the region III that behaves as a tunnel barrier region in the insulator phase and the region VI that behaves as a conduction region in the metal phase. An energy band diagram of the quantum device according to the second embodiment when an external electric field is applied in the positive direction of the z-axis is shown in FIG.
【００６１】次に、外部電場の印加方向を反転させる。
すなわち、電極３の電位をもう一方の電極４の電位より
も低くすることにより、具体的には例えば電極３を接地
し、電極４に正電圧を印加することにより、ｚ軸の負方
向に外部電場を印加する。すると、領域ＩＩＩの量子ド
ットアレーを構成する四面体状の各量子ドットＱＤ内の
電子は、ｚ軸の正方向に力を受け、図６における各量子
ドットＱＤの上部、すなわち四面体の底部に押しやられ
る。換言すれば、各量子ドットＱＤ内の電子の波動関数
は、ｚ軸の正側に偏って分布する。このとき、隣接する
量子ドットＱＤ間の間隔は実効的に減少する。この結
果、この領域ＩＩＩは、モット−シュタルク効果によっ
てモット金属−絶縁体転移を起こして金属相となり、伝
導領域として振る舞う。一方、領域ＩＶの量子ドットア
レーを構成する四面体状の各量子ドットＱＤ内の電子
は、ｚ軸の正方向に力を受け、図６における各量子ドッ
トＱＤの上部、すなわち四面体の頂部に押しやられる。
換言すれば、各量子ドットＱＤ内の電子の波動関数は、
ｚ軸の正側に偏って分布する。このとき、隣接する量子
ドットＱＤ間の間隔は実効的に増加する。この結果、こ
の領域ＩＶは、モット−シュタルク効果によってモット
金属−絶縁体転移を起こして絶縁体相となり、トンネル
障壁領域として振る舞う。そして、このように金属相で
伝導領域として振る舞う領域ＩＩＩと絶縁体相でトンネ
ル障壁領域として振る舞う領域ＶＩとにより超格子が構
成されている。このようにｚ軸の負方向に外部電場を印
加したときのこの第２実施例による量子素子のエネルギ
ーバンド図は、図９に示すようになっている。Next, the application direction of the external electric field is reversed.
That is, by making the potential of the electrode 3 lower than the potential of the other electrode 4, specifically, for example, the electrode 3 is grounded and a positive voltage is applied to the electrode 4, so that the negative direction of the z-axis is reduced to the outside. Apply an electric field. Then, the electrons in each tetrahedron-shaped quantum dot QD forming the quantum dot array in the region III receive a force in the positive direction of the z axis, and are applied to the top of each quantum dot QD in FIG. 6, that is, the bottom of the tetrahedron. Be pushed away. In other words, the wave function of the electron in each quantum dot QD is distributed biased to the positive side of the z axis. At this time, the interval between the adjacent quantum dots QD effectively decreases. As a result, the region III undergoes a Mott metal-insulator transition due to the Mott-Stark effect to become a metal phase, and acts as a conduction region. On the other hand, the electrons in each tetrahedron-shaped quantum dot QD forming the quantum dot array in the region IV receive a force in the positive direction of the z axis, and are applied to the upper part of each quantum dot QD in FIG. 6, that is, the top part of the tetrahedron. Be pushed away.
In other words, the wave function of the electron in each quantum dot QD is
The distribution is biased to the positive side of the z axis. At this time, the interval between the adjacent quantum dots QD effectively increases. As a result, this region IV causes a Mott metal-insulator transition due to the Mott-Stark effect to become an insulator phase, and acts as a tunnel barrier region. In this way, the superlattice is constituted by the region III that behaves as a conduction region in the metal phase and the region VI that behaves as a tunnel barrier region in the insulator phase. An energy band diagram of the quantum device according to the second embodiment when an external electric field is applied in the negative direction of the z-axis is shown in FIG.
【００６２】以上のように、ｚ軸の正方向に外部電場を
印加したときには、領域ＩＩＩは絶縁体相となってトン
ネル障壁領域となり、また領域ＩＶは金属相となって伝
導領域となり、一方、ｚ軸の負方向に外部電場を印加し
たときには、領域ＩＩＩは金属相となって伝導領域とな
り、また領域ＩＶは絶縁体相となってトンネル障壁領域
となる。すなわち、外部電場の印加方向を反転させるこ
とにより、領域ＩＩＩと領域ＩＶとの間でトンネル障壁
領域と伝導領域とを交換することができる。これをまと
めると、次表に示すようになる。As described above, when an external electric field is applied in the positive direction of the z-axis, the region III becomes an insulator phase and becomes a tunnel barrier region, and the region IV becomes a metal phase and becomes a conduction region. When an external electric field is applied in the negative direction of the z axis, the region III becomes a metal phase and becomes a conduction region, and the region IV becomes an insulator phase and becomes a tunnel barrier region. That is, by reversing the application direction of the external electric field, the tunnel barrier region and the conduction region can be exchanged between the region III and the region IV. This is summarized in the table below.
【００６３】 ───────────────────────────── 印加電場方向 ｚ軸の正方向 ｚ軸の負方向 ───────────────────────────── 領域ＩＩＩ トンネル障壁領域 伝導領域 領域ＩＶ 伝導領域 トンネル障壁領域 ─────────────────────────────[0063] ───────────────────────────── Applied electric field direction Positive z-axis direction Negative z-axis direction ───────────────────────────── Region III Tunnel barrier region Conduction region Region IV Conduction region Tunnel barrier region ─────────────────────────────
【００６４】上述のように構成されたこの第２実施例に
よる量子素子は、例えば次のようにして製造することが
できる。すなわち、まず、図１０Ａに示すように、電極
３として例えばｎ型ＧａＡｓ基板を用い、このｎ型Ｇａ
Ａｓ基板から成る電極３上に例えばＭＯＣＶＤ法により
所定厚さのＡｌＧａＡｓ層２ａをエピタキシャル成長さ
せた後、領域ＩＶに対応する部分におけるこのＡｌＧａ
Ａｓ層２ａを所定深さまでエッチングする。次に、図１
０Ｂに示すように、領域ＩＶに対応する部分におけるＡ
ｌＧａＡｓ層２ａ上に例えば正三角形状の開口５ａが二
次元アレー状に形成されたＳｉＯ2 膜５を形成するとと
もに、領域ＩＩＩに対応する部分におけるＡｌＧａＡｓ
層２ａに例えば四面体状の穴Ｈを二次元アレー状に形成
する。次に、再びＭＯＣＶＤ法により全面にＧａＡｓを
エピタキシャル成長させる。これによって、図１０Ｃに
示すように、領域ＩＶに対応する部分におけるＳｉＯ2
膜５の開口５ａの部分のＡｌＧａＡｓ層２ａ上にＧａＡ
ｓ層１が四面体状に選択的にエピタキシャル成長すると
ともに、領域ＩＩＩに対応する部分におけるＡｌＧａＡ
ｓ層２ａの穴Ｈの内部にＧａＡｓ層１がエピタキシャル
成長する。次に、ＳｉＯ2 膜５をエッチング除去した
後、図１０Ｄに示すように、ＭＯＣＶＤ法により全面に
ＡｌＧａＡｓ層２ｂをエピタキシャル成長させる。この
後、このＡｌＧａＡｓ層２ｂ上に例えば真空蒸着法によ
り例えば金属膜から成る電極４を形成する。これによっ
て、図６および図７に示すように、目的とする量子素子
が完成される。The quantum device according to the second embodiment constructed as described above can be manufactured, for example, as follows. That is, first, as shown in FIG. 10A, for example, an n-type GaAs substrate is used as the electrode 3, and this n-type Ga is used.
After the AlGaAs layer 2a having a predetermined thickness is epitaxially grown on the electrode 3 made of an As substrate by, for example, the MOCVD method, the AlGa in the portion corresponding to the region IV is grown.
The As layer 2a is etched to a predetermined depth. Next, FIG.
As shown in 0B, A in the portion corresponding to region IV
A SiO 2 film 5 having, for example, equilateral triangular openings 5a formed in a two-dimensional array is formed on the 1GaAs layer 2a, and AlGaAs in a portion corresponding to the region III is formed.
For example, tetrahedral holes H are formed in the layer 2a in a two-dimensional array. Next, GaAs is epitaxially grown on the entire surface by MOCVD again. As a result, as shown in FIG. 10C, the SiO 2 in the portion corresponding to the region IV is changed.
GaA is formed on the AlGaAs layer 2a in the opening 5a of the film 5.
The s layer 1 is selectively epitaxially grown in a tetrahedron shape, and AlGaA in a portion corresponding to the region III is formed.
The GaAs layer 1 is epitaxially grown inside the hole H of the s layer 2a. Next, after removing the SiO 2 film 5 by etching, an AlGaAs layer 2b is epitaxially grown on the entire surface by MOCVD, as shown in FIG. 10D. After that, the electrode 4 made of, for example, a metal film is formed on the AlGaAs layer 2b by, for example, a vacuum evaporation method. As a result, the target quantum device is completed as shown in FIGS. 6 and 7.
【００６５】以上のように、この第２実施例による量子
素子によれば、ｚ軸方向に対して形状非対称性を有する
四面体状の量子ドットＱＤがｘ−ｙ面内に配列された量
子ドットアレーから成る領域ＩＩＩと、この領域ＩＩＩ
の量子ドットＱＤと反転した形状非対称性を有する四面
体状の量子ドットＱＤが配列された量子ドットアレーか
ら成る領域ＩＶとが交互にかつ互いに接して配置され、
ｚ軸の正方向に外部電場を印加したときには領域ＩＩＩ
およびＩＶがそれぞれトンネル障壁領域および伝導領域
となり、ｚ軸の負方向に外部電場を印加したときには領
域ＩＩＩおよびＩＶがそれぞれ伝導領域およびトンネル
障壁領域となる。すなわち、外部電場の印加方向を反転
させることにより、領域ＩＩＩと領域ＩＶとの間でトン
ネル障壁領域と伝導領域とを交換することができる。こ
の場合、絶縁体相となっている領域の量子ドットアレー
のハバードギャップを介した多体量子力学的トンネル効
果を利用しているので、量子ドットＱＤの作製に厳しい
均質性が要求されず、したがってこの第２実施例による
量子素子の製造や集積化は比較的容易である。As described above, according to the quantum device of the second embodiment, the tetrahedral quantum dots QD having shape asymmetry with respect to the z-axis direction are arranged in the xy plane. Region III consisting of arrays and this region III
Of the quantum dots QD and a region IV composed of a quantum dot array in which the tetrahedral quantum dots QD having inverted shape asymmetry are arranged alternately and in contact with each other,
When an external electric field is applied in the positive direction of the z-axis, the region III
And IV become the tunnel barrier region and the conduction region, respectively, and when an external electric field is applied in the negative direction of the z-axis, the regions III and IV become the conduction region and the tunnel barrier region, respectively. That is, by reversing the application direction of the external electric field, the tunnel barrier region and the conduction region can be exchanged between the region III and the region IV. In this case, since the multi-body quantum mechanical tunnel effect via the Hubbard gap of the quantum dot array in the region of the insulator phase is used, strict homogeneity is not required for the production of the quantum dot QD, and It is relatively easy to manufacture and integrate the quantum device according to the second embodiment.
【００６６】以上、この発明の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。The embodiments of the present invention have been specifically described above, but the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.
【００６７】例えば、上述の第２実施例による量子素子
において用いた、量子ドットＱＤがｚ軸方向に互いに反
転した形状非対称性を有する領域ＩＩＩおよびＩＶに、
第１実施例による量子素子において用いた、量子ドット
ＱＤがｚ軸方向に形状非対称性を有さない領域ＩＩを複
合させて量子素子を構成してもよい。その一例を図１１
に示す。For example, in the regions III and IV in which the quantum dots QD used in the above-described quantum device according to the second embodiment have shape asymmetry in which they are mutually inverted in the z-axis direction,
The quantum element may be configured by compounding the region II in which the quantum dot QD has no shape asymmetry in the z-axis direction, which is used in the quantum element according to the first embodiment. An example is shown in FIG.
Shown in.
【００６８】また、上述の第１実施例および第２実施例
においては、量子ドットが二次元的に配列された二次元
の量子ドットアレーを用いた場合について説明したが、
この発明は、量子ドットが一次元的または三次元的に配
列された一次元または三次元の量子ドットアレーを用い
る場合にも、同様に適用することが可能である。Further, in the above-mentioned first and second embodiments, the case where the two-dimensional quantum dot array in which the quantum dots are two-dimensionally arranged is used has been described.
The present invention can be similarly applied to the case of using a one-dimensional or three-dimensional quantum dot array in which quantum dots are arranged one-dimensionally or three-dimensionally.
【００６９】なお、上述の第１実施例および第２実施例
による量子素子においては、形状非対称性を有する量子
ドットＱＤを用いたが、組成的な非対称性を有する量子
ドットＱＤを用いるようにしてもよい。具体的には、例
えば、障壁層としてＡｌＡｓ層を、量子井戸部としてＡ
ｌx Ｇａ1-x Ａｓ層を用い、このＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層
のＡｌ組成比ｘを量子ドットの配列面に垂直なｚ軸方向
に変化させるようにしてもよい。この場合には、このＡ
ｌ組成比ｘの変化に伴い、量子ドットＱＤにおける量子
閉じ込めの障壁高さがｚ軸方向に変化し、ｚ軸方向に対
して量子閉じ込めの障壁高さに非対称性が生じる。Although the quantum dots QD having the shape asymmetry were used in the quantum devices according to the first and second embodiments, the quantum dots QD having the compositional asymmetry were used. Good. Specifically, for example, an AlAs layer is used as the barrier layer and A is used as the quantum well portion.
It is also possible to use an l x Ga 1-x As layer and change the Al composition ratio x of this Al x Ga 1-x As layer in the z-axis direction perpendicular to the array surface of the quantum dots. In this case, this A
As the l composition ratio x changes, the quantum confinement barrier height in the quantum dot QD changes in the z-axis direction, and the quantum confinement barrier height becomes asymmetric with respect to the z-axis direction.
【００７０】[0070]
【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、トンネル障壁の存在／非存在を外部電
場により制御することができ、また、新原理に基づく多
体量子力学的トンネル効果を利用していることにより、
従来の量子力学的トンネル効果を利用した半導体素子に
比べて製造や集積化が容易である。この発明による量子
素子によれば、トンネル障壁領域と伝導領域とを外部電
場により交換することができ、また、新原理に基づく多
体量子力学的トンネル効果を利用していることにより、
従来の量子力学的トンネル効果を利用した半導体素子に
比べて製造や集積化が容易である。As described above, according to the quantum device of the present invention, the presence / absence of the tunnel barrier can be controlled by the external electric field, and the multi-body quantum mechanical tunnel effect based on the new principle can be obtained. By using
It is easier to manufacture and integrate as compared with the conventional semiconductor device using the quantum mechanical tunnel effect. According to the quantum device of the present invention, the tunnel barrier region and the conduction region can be exchanged with each other by an external electric field, and by utilizing the many-body quantum mechanical tunnel effect based on the new principle,
It is easier to manufacture and integrate as compared with the conventional semiconductor device using the quantum mechanical tunnel effect.
【図１】この発明の第１実施例による量子素子を示す断
面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a quantum device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】この発明の第１実施例による量子素子における
量子ドットアレーから成る領域の一部を示す斜視図であ
る。FIG. 2 is a perspective view showing a part of a region formed by a quantum dot array in the quantum device according to the first embodiment of the present invention.
【図３】この発明の第１実施例による量子素子のｚ軸方
向の外部電場を印加しないときのエネルギーバンド図で
ある。FIG. 3 is an energy band diagram of the quantum device according to the first embodiment of the present invention when an external electric field in the z-axis direction is not applied.
【図４】この発明の第１実施例による量子素子のｚ軸方
向の外部電場を印加したときのエネルギーバンド図であ
る。FIG. 4 is an energy band diagram of the quantum device according to the first embodiment of the present invention when an external electric field in the z-axis direction is applied.
【図５】この発明の第１実施例による量子素子の製造方
法を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the quantum element according to the first embodiment of the present invention.
【図６】この発明の第２実施例による量子素子を示す断
面図である。FIG. 6 is a sectional view showing a quantum device according to a second embodiment of the present invention.
【図７】この発明の第２実施例による量子素子における
量子ドットアレーから成る領域の一部を示す斜視図であ
る。FIG. 7 is a perspective view showing a part of a region composed of a quantum dot array in a quantum device according to a second embodiment of the present invention.
【図８】この発明の第２実施例による量子素子のｚ軸の
正方向の外部電場を印加したときのエネルギーバンド図
である。FIG. 8 is an energy band diagram of the quantum device according to the second embodiment of the present invention when an external electric field in the positive direction of the z-axis is applied.
【図９】この発明の第２実施例による量子素子のｚ軸の
負方向の外部電場を印加したときのエネルギーバンド図
である。FIG. 9 is an energy band diagram when an external electric field in the negative direction of the z axis is applied to the quantum device according to the second embodiment of the present invention.
【図１０】この発明の第２実施例による量子素子の製造
方法を説明するための断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the quantum element according to the second embodiment of the present invention.
【図１１】この発明の他の実施例による量子素子を説明
するための斜視図である。FIG. 11 is a perspective view illustrating a quantum device according to another embodiment of the present invention.
【図１２】この発明の原理を説明するための略線図であ
る。FIG. 12 is a schematic diagram for explaining the principle of the present invention.
１ ＧａＡｓ層 ２ ＡｌＧａＡｓ層 ３、４ 電極 ＱＤ 量子ドット Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ 領域 1 GaAs layer 2 AlGaAs layer 3, 4 electrodes QD quantum dot I, II, III, IV regions
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−221392（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−122486（ＪＰ，Ａ) Ａｋｉｒａ ＳＵＧＩＭＵＲＡ，”Ｐ ｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｍａｇｎ ｅｔｉｃ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｓｔａｔｅ ｓ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｓｙｓｔｅ ｍ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａ ｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ ｃｓ，1990年12月，Ｐａｒｔ２，Ｖｏ ｌ．29，Ｎｏ．12，ｐｐ．Ｌ2463−Ｌ 2465 Ａ．Ａｌａｎ Ｍｉｄｄｌｅｔｏｎ, Ｎｅｄ Ｓ．Ｗｉｎｇｒｅｅｎ，”Ｃｏ ｌｌｅｃｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ Ａｒｒａｙｓ ｏｆ Ｓｍａｌ ｌ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｄｏｔｓ”，Ｐ ｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔ ｔｅｒｓ，1993年11月 ８日，Ｖｏｌ. 71，Ｎｏ．19，ｐｐ．3198−3201 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 29/06 H01L 29/66 H01L 29/778 H01L 29/80 - 29/812 Ｗｅｂ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-7-221392 (JP, A) JP-A-7-122486 (JP, A) Akira SUGIMURA, “Possible of Magnetic Ordered State in in Semiconductor Quartdactuduct System ", Japane Journal of Applied Physics, December 1990, Part 2, Vol. 29, No. 12, pp. L2463-L2465 A. Alan Middleton, Ned S. Winggreen, "Collective Transport in Arrays of Small Metallic Dots", Physical Review Letters, November 8, 1993, Vol. 71, No. 19, pp. 3198-3201 (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/06 H01L 29/66 H01L 29/778 H01L 29/80-29/812 Web of Science
Claims (19)
の量子箱から成り、上記複数の量子箱が上記面と直交す
る方向に対して非対称性を有する第１の領域と、 上記面内に互いに隣接して配列された複数の量子箱から
成り、上記複数の量子箱が上記面と直交する方向に対し
て非対称性を有さない第２の領域とを有し、 上記第１の領域と上記第２の領域とが互いに接して配置
されていることを特徴とする量子素子。1. A first region comprising a plurality of quantum boxes arranged adjacent to each other in one plane, wherein the plurality of quantum boxes have asymmetry with respect to a direction orthogonal to the plane, and the in-plane A plurality of quantum boxes arranged adjacent to each other, the plurality of quantum boxes having a second region having no asymmetry with respect to a direction orthogonal to the plane, and the first region. And the second region are arranged so as to be in contact with each other.
つの上記第１の領域と他の一つの上記第２の領域とが順
次接して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。2. The at least one second region, the one first region, and the other one of the second regions are sequentially arranged in contact with each other. Quantum device.
互にかつ互いに接して配置されている多重接合構造を有
することを特徴とする請求項１記載の量子素子。3. The quantum device according to claim 1, having a multi-junction structure in which the second regions and the first regions are arranged alternately and in contact with each other.
極が上記複数の量子箱に隣接して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。4. The method of claim 1 Symbol placement of the quantum device electrodes for applying an external electric field to the direction, characterized in that provided adjacent to the plurality of quantum boxes.
ト−シュタルク効果によって上記第１の領域に形成され
るハバードギャップをトンネル障壁として用いるように
したことを特徴とする請求項４記載の量子素子。5. The quantum device according to claim 4, wherein the Hubbard gap formed in the first region by the Mott-Stark effect by applying the external electric field is used as a tunnel barrier.
より形成されていることを特徴とする請求項１記載の量
子素子。6. The method of claim 1 Symbol placement of the quantum device, characterized in that said quantum boxes are formed by a compound semiconductor heterojunction.
特徴とする請求項１記載の量子素子。7. The method of claim 1 Symbol placement of the quantum device the quantum boxes and having a conical shape.
または円錐の形状を有することを特徴とする請求項１記
載の量子素子。8. The quantum boxes triangular pyramid, quadrangular pyramid, claim 1 Symbol <br/> placing the quantum device characterized by having a tetrahedral or conical shape.
または円錐の頂部を切除した形状を有することを特徴と
する請求項１記載の量子素子。9. The quantum boxes triangular pyramid, quadrangular pyramid, claim 1 Symbol placement of the quantum device and having a cut shape of the top of the tetrahedron or cone.
によりエピタキシャル成長された化合物半導体層により
形成されたものであることを特徴とする請求項７記載の
量子素子。10. The method of claim 7 Symbol mounting the quantum device, wherein said quantum boxes are those formed by the compound semiconductor layer epitaxially grown by metal organic chemical vapor deposition.
数の量子箱から成り、上記複数の量子箱が上記面と直交
する第１の方向に対して非対称性を有する第１の領域
と、 上記面内に互いに隣接して配列された複数の量子箱から
成り、上記複数の量子箱が上記第１の方向と逆の第２の
方向に対して非対称性を有する第２の領域とを有し、 上記第１の領域と上記第２の領域とが互いに接して配置
されていることを特徴とする量子素子。11. A first region comprising a plurality of quantum boxes arranged adjacent to each other in a plane, wherein the plurality of quantum boxes have asymmetry with respect to a first direction orthogonal to the plane. A plurality of quantum boxes arranged adjacent to each other in the plane, the plurality of quantum boxes having a second region having an asymmetry with respect to a second direction opposite to the first direction. A quantum element, wherein the first region and the second region are arranged in contact with each other.
交互にかつ互いに接して配置されている多重接合構造を
有することを特徴とする請求項１１記載の量子素子。12. The quantum device according to claim 11, having a multi-junction structure in which the first regions and the second regions are arranged alternately and in contact with each other.
に外部電場を印加するための電極が上記複数の量子箱に
隣接して設けられていることを特徴とする請求項１１記
載の量子素子。13. The electrode according to claim 11, wherein an electrode for applying an external electric field in the first direction or the second direction is provided adjacent to the plurality of quantum boxes. /> Quantum device listed.
ット−シュタルク効果によって上記第１の領域にハバー
ドギャップが形成される場合には上記第１の領域および
上記第２の領域をそれぞれトンネル障壁領域および伝導
領域として用い、上記外部電場を印加することによりモ
ット−シュタルク効果によって上記第２の領域にハバー
ドギャップが形成される場合には上記第１の領域および
上記第２の領域をそれぞれ伝導領域およびトンネル障壁
領域として用いるようにしたことを特徴とする請求項１
３記載の量子素子。14. When the Hubbard gap is formed in the first region by the Mott-Stark effect by applying the external electric field, the first region and the second region are respectively formed as a tunnel barrier region and a tunnel barrier region. When the Hubbard gap is formed in the second region due to the Mott-Stark effect when used as a conduction region and applying the external electric field, the first region and the second region are used as a conduction region and a tunnel, respectively. 2. The device is used as a barrier region.
3. The quantum device according to 3.
により形成されていることを特徴とする請求項１１記載
の量子素子。15. The method of claim 11 Symbol mounting the quantum device, characterized in that said quantum boxes are formed by a compound semiconductor heterojunction.
を特徴とする請求項１１記載の量子素子。16. A method according to claim 11 Symbol mounting the quantum device the quantum boxes and having a conical shape.
体または円錐の形状を有することを特徴とする請求項１
１記載の量子素子。17. The quantum boxes triangular pyramid, quadrangular pyramid, claim 1, characterized in that it has a regular tetrahedron or a cone shape
1 Symbol placement of quantum element.
体または円錐の頂部を切除した形状を有することを特徴
とする請求項１１記載の量子素子。18. The quantum boxes triangular pyramid, quadrangular pyramid, claim 11 Symbol mounting the quantum device characterized by having a regular tetrahedron or a cone shape formed by cutting the top of the.
によりエピタキシャル成長された化合物半導体層により
形成されたものであることを特徴とする請求項１６記載
の量子素子。19. The method of claim 16 Symbol mounting the quantum device, wherein said quantum boxes are those formed by the compound semiconductor layer epitaxially grown by metal organic chemical vapor deposition.
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|---|---|---|---|
| JP7972594A JP3435793B2 (en) | 1994-03-25 | 1994-03-25 | Quantum device |
| US08/784,411 US5831294A (en) | 1993-09-30 | 1997-01-16 | Quantum box structure and carrier conductivity modulating device |
| US09/033,465 US6020605A (en) | 1993-09-30 | 1998-03-02 | Quantum box structure and carrier conductivity modulating device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7972594A JP3435793B2 (en) | 1994-03-25 | 1994-03-25 | Quantum device |
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- 1994-03-25 JP JP7972594A patent/JP3435793B2/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
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|---|
| Ａ．Ａｌａｎ Ｍｉｄｄｌｅｔｏｎ，Ｎｅｄ Ｓ．Ｗｉｎｇｒｅｅｎ，"Ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ Ａｒｒａｙｓ ｏｆ Ｓｍａｌｌ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｄｏｔｓ"，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９３年１１月 ８日，Ｖｏｌ．７１，Ｎｏ．１９，ｐｐ．３１９８−３２０１ |
| Ａｋｉｒａ ＳＵＧＩＭＵＲＡ，"Ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｓｙｓｔｅｍ"，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９０年１２月，Ｐａｒｔ２，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１２，ｐｐ．Ｌ２４６３−Ｌ２４６５ |
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