JP3455987B2 - 量子箱集合素子および情報処理方法 - Google Patents

量子箱集合素子および情報処理方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、量子箱集合素子およ
び情報処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、量子波エレクトロニクスにおいて
は、電子のド・ブロイ波長と同程度の断面寸法を有する
極微箱構造、すなわちいわゆる量子箱が注目されてお
り、この量子箱内に閉じ込められた0次元電子が示す量
子効果に大きな関心がもたれている。
【0003】量子箱集合素子はこのような量子箱を複数
組み合わせたものであり、これらの量子箱の間で電子の
量子力学的トンネリングを起こさせて電子分布を変化さ
せることにより情報処理を行うことが考えられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、これま
での量子箱集合素子は、量子箱間で電子を伝導させるこ
とにより情報処理を行うものであるが、もし電子ととも
に正孔も量子箱間を伝導させて情報処理に関与させるこ
とが可能であれば、量子箱集合素子の設計の自由度を高
くすることが可能である。しかしながら、単に電子およ
び正孔を伝導させると、伝導中に電子−正孔再結合が起
きることにより伝導にあずかる電子および正孔が減少
し、動作上不都合が生じてしまうという問題がある。
【0005】従って、この発明の目的は、伝導中に再結
合を起こすことなく電子および正孔をそれぞれ伝導させ
ることにより情報処理を行うことができ、設計の自由度
が高い量子箱集合素子および情報処理方法を提供するこ
とにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の第1の発明による量子箱集合素子は、第
1の面内に設けられた複数の第1の量子箱(QD 1 )で
あってそれらの間で電子の伝導が許されるものと、第2
の面内に複数の第1の量子箱(QD1 )に対応して設け
られた複数の第2の量子箱(QD 2 )であってそれらの
間で電子および正孔の伝導が実質的に許されないもの
と、第3の面内に複数の第2の量子箱(QD2 )に対応
して設けられた複数の第3の量子箱(QD 3 )であって
それらの間で正孔の伝導が許されるものとを有し、 複数
の第1の量子箱(QD 1 )側が複数の第3の量子箱(Q
3 )側よりも高い電位になるようにバイアス電圧を印
加した状態で、光照射により選択された第2の量子箱
(QD 2 )に電子−正孔対を生成することにより初期電
子分布および初期正孔分布の入力を行い、 バイアス電圧
を大きくして光照射により選択された第2の量子箱(Q
2 )中に対生成された電子および正孔をそれぞれ対応
する第1の量子箱(QD 1 )および第3の量子箱(QD
3 )に移動させることにより初期電子分布および初期正
孔分布をそれぞれ複数の第1の量子箱(QD 1 )および
複数の第3の量子箱(QD 3 )に転写し、その後、複数
の第1の量子箱(QD 1 )間で電子を伝導させるととも
に、複数の第3の量子箱(QD 3 )間で正孔を伝導させ
ることにより情報処理を行い、 バイアス電圧を実質的に
除去することにより複数の第1の量子箱(QD 1 )中の
電子および複数の第3の量子箱(QD 3 )中の正孔を複
数の第2の量子箱(QD 2 )中に移動させ、それぞれの
第2の量子箱(QD 2 )からの電子−正孔再結合による
発光を観測して発光強度分布を得ることにより出力を行
うようにしたことを特徴とするものである。
【0007】この発明の第2の発明による量子箱集合素
子は、この発明の第1の発明による量子箱集合素子にお
いて、第1の量子箱(QD1 )、第2の量子箱(Q
2 )および第3の量子箱(QD3 )はタイプIのヘテ
ロ接合超格子により形成されていることを特徴とするも
のである。
【0008】この発明の第3の発明による量子箱集合素
子は、この発明の第1の発明または第2の発明による量
子箱集合素子において、複数の第1の量子箱(QD1
側が複数の第3の量子箱(QD3 )側よりも高い電位に
なるようにバイアス電圧を印加した状態で、第2の量子
箱(QD2 )の電子−正孔対生成エネルギーに共鳴する
波長の光を選択された第2の量子箱(QD2 )に照射し
て電子−正孔対を生成することにより初期電子分布およ
び初期正孔分布の入力を行い、バイアス電圧を大きくし
て光の入射により選択された第2の量子箱(QD2 )中
に対生成された電子および正孔をそれぞれ対応する第1
の量子箱(QD1 )および第3の量子箱(QD3 )に移
動させることにより初期電子分布および初期正孔分布を
それぞれ複数の第1の量子箱(QD1 )および複数の第
3の量子箱(QD3 )に転写し、その後、複数の第1の
量子箱(QD1 )間で電子を伝導させるとともに、複数
の第3の量子箱(QD3 )間で正孔を伝導させることに
より情報処理を行い、バイアス電圧を実質的に除去する
ことにより複数の第1の量子箱(QD1 )中の電子およ
び複数の第3の量子箱(QD3 )中の正孔を複数の第2
の量子箱(QD2 )中に移動させ、それぞれの第2の量
子箱(QD2 )からの電子−正孔再結合による発光を観
測して発光強度分布を得ることにより出力を行うように
したことを特徴とするものである。この発明の第4の発
明による情報処理方法は、第1の面内に、複数の第1の
量子箱であってそれらの間で電子の伝導が許されるもの
を設け、複数の第1の量子箱に対応して第2の面内に、
複数の第2の量子箱であってそれらの間で電子および正
孔の伝導が実質的に許されないものを設け、複数の第2
の量子箱に対応して第3の面内に、複数の第3の量子箱
であってそれらの間で正孔の伝導が許されるものを設
け、複数の第1の量子箱側が複数の第3の量子箱側より
も高い電位になるようにバイアス電圧を印加し、光照射
により選択された第2の量子箱電子−正孔対を生成
し、バイアス電圧を大きくして、光照射により選択され
た第2の量子箱中に対生成された電子および正孔をそれ
ぞれ対応する第1の量子箱および第3の量子箱に移動さ
せ、複数の第1の量子箱間で電子を伝導させるととも
に、複数の第3の量子箱間で正孔を伝導させ、バイアス
電圧を実質的に除去して、複数の第1の量子箱中の電子
および複数の第3の量子箱中の正孔を複数の第2の量子
箱中に移動させ、それぞれの第2の量子箱からの電子−
正孔再結合による発光を観測して発光強度分布を得るこ
とを特徴とするものである。この発明の第5の発明によ
る情報処理方法は、第1の面内に複数の第1の量子箱を
有し、第2の面内に複数の第1の量子箱に対応した複数
の第2の量子箱を有し、第3の面内に複数の第2の量子
箱に対応した複数の第3の量子箱を有する半導体構造を
設け、光照射により選択された第2の量子箱に少なくと
も一対の電子および正孔を生成し、複数の第1の量子箱
側が複数の第3の量子箱側よりも高い電位になるように
バイアス電圧を印加することにより第1の量子箱に少な
くとも一つの電子を移動させ、第3の量子箱に少なくと
も一つの正孔を移動させ、第3の面内の量子箱間を少な
くとも一つの正孔を移動させ、第1の面内の量子箱間を
少なくとも一つの電子を移動させ、バイアス電圧を実質
的に除去して、少なくとも一つの電子および少なくとも
一つの正孔を第2の量子箱に戻し、少なくとも一対の電
子および正孔を結合させて情報信号を生成することを特
徴とするものである。
【0009】
【作用】上述のように構成された第1の発明による量子
箱集合素子によれば、光の照射などにより選択された第
2の量子箱(QD2 )中に対生成された電子および正孔
をそれぞれ対応する第1の量子箱(QD1 )および第3
の量子箱(QD3 )に移動させ、これらの電子および正
孔をそれぞれ複数の第1の量子箱(QD1 )間および複
数の第3の量子箱(QD3 )間で伝導させることによ
り、これらの複数の第1の量子箱(QD1 )および複数
の第3の量子箱(QD3 )の配置に応じた情報処理を行
うことができる。このように情報処理に電子および正孔
を関与させることができることにより、量子箱集合素子
の設計の自由度を高くすることができる。
【0010】上述のように構成された第2の発明による
量子箱集合素子によれば、ヘテロエピタキシャル成長に
より容易に形成可能なAlGaAs/GaAsヘテロ接
合などのタイプIのヘテロ接合超格子により第1の量子
箱(QD1 )、第2の量子箱(QD2 )および第3の量
子箱(QD3 )が形成されることから、量子箱集合素子
の製造を容易に行うことができる。
【0011】上述のように構成された第3の発明による
量子箱集合素子によれば、第2の量子箱(QD2 )に光
を照射して電子−正孔対を生成することにより情報の入
力を行い、第2の量子箱(QD2 )に対応する第1の量
子箱(QD1 )から注入される電子および対応する第3
の量子箱(QD3 )から注入される正孔の再結合による
発光により情報の出力を行う光入力および光出力の量子
箱集合素子を実現することができる。上述のように構成
された第4および第5の発明による情報処理方法によれ
ば、上述のような量子箱集合素子を利用して情報処理を
行うことができる。
【0012】
【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。
【0013】なお、この一実施例においては、一般に1
個以上の電子を収容可能な量子箱のうち電子を1個だけ
収容可能なものを特に量子ドットと呼び、この量子ドッ
トを複数組み合わせた素子を量子ドット集合素子と呼
ぶ。
【0014】図1はこの発明の一実施例による量子ドッ
ト集合素子を示す。
【0015】図1に示すように、この一実施例による量
子ドット集合素子においては、半絶縁性GaAs基板1
の上にバイアス電圧印加用の電極として用いられるn型
GaAs層2が形成され、その上に障壁層としてのAl
As層3が形成されている。このAlAs層3の上に
は、井戸層としての複数の箱状のGaAs層4がx−y
面に平行な面内に所定の配列パターンでアレイ状に形成
され、これらのGaAs層4の間の部分に障壁層として
のAlGaAs層5が埋め込まれている。これらのGa
As層4およびAlGaAs層5の上には障壁層として
のAlAs層6が形成されている。このAlAs層6の
うちのGaAs層4に対応する部分には、井戸層として
の箱状のGaAs層7が埋め込まれている。さらに、A
lAs層6の上には、井戸層としての箱状のGaAs層
8がGaAs層7に対応してアレイ状に形成され、これ
らのGaAs層8の間の部分に障壁層としてのAlGa
As層9が埋め込まれている。そして、これらのGaA
s層8およびAlGaAs層9の上には、障壁層として
のAlAs層10が形成されている。
【0016】この場合、基板表面に平行な方向、すなわ
ちx方向およびy方向に関してGaAs層4、GaAs
層7およびGaAs層8の幅は互いに同一であるが、基
板表面に垂直な方向、すなわちz方向に関してはGaA
s層7の幅の方がGaAs層4およびGaAs層8の幅
よりも大きくなっている。ここでは、基板表面に垂直な
方向、すなわちz方向のGaAs層4およびGaAs層
8の幅は互いに同一に選ばれている。
【0017】この一実施例においては、井戸層としての
GaAs層8が障壁層としてのAlAs層6、AlGa
As層9およびAlAs層10で囲まれた構造により図
1中上段、すなわち一段目の量子ドットQD1 が形成さ
れている。後述のように、この一段目の量子ドットQD
1 のアレイは情報処理のための電子の伝導に用いられ
る。また、井戸層としてのGaAs層7が障壁層として
AlAs層6で囲まれた構造により図1中中段、すなわ
ち二段目の量子ドットQD2 が形成されている。この二
段目の量子ドットQD2 は、一段目の量子ドットQD1
に対応した位置に形成されている。後述のように、この
二段目の量子ドットQD2 のアレイは光の照射による情
報の入力に用いられる。さらに、井戸層としてのGaA
s層4が障壁層としてのAlAs層3、AlGaAs層
5およびAlAs層6で囲まれた構造により図1中下
段、すなわち三段目の量子ドットQD3 が形成されてい
る。後述のように、この三段目の量子ドットQD3 のア
レイは情報処理のための正孔の伝導に用いられる。
【0018】この場合、一段目の量子ドットQD1 、二
段目の量子ドットQD2 および三段目の量子ドットQD
3 を構成するAlGaAs/GaAsヘテロ接合および
AlAs/GaAsヘテロ接合は、いずれもタイプIの
ヘテロ接合超格子である。
【0019】なお、図示は省略するが、AlAs層10
の上にはバイアス電圧印加用の電極が形成される。この
電極は、金属や、例えばITO(Indium-Tin Oxide)の
ような透明電極材料により形成される。この電極を金属
により形成する場合には、二段目の量子ドットQD2
の後述の入力用の光の入射を可能とするために、この電
極のうちの二段目の量子ドットQD2 に対応する部分に
あらかじめ開口が形成される。
【0020】図1の線αに沿う方向および線γに沿う方
向のエネルギーバンド図を図2に示す。図2中のEc
よびEv はそれぞれ伝導帯の下端のエネルギーおよび価
電子帯の上端のエネルギーを示す(以下同様)。図2か
らわかるように、この場合、図1の線αに沿う方向、す
なわち隣接する一段目の量子ドットQD1 間を結ぶ方向
および図1の線γに沿う方向、すなわち隣接する三段目
の量子ドットQD3 間を結ぶ方向のAlGaAs/Ga
Asヘテロ接合におけるポテンシャル障壁の高さはかな
り小さく、従って一段目の量子ドットQD1 間および三
段目の量子ドットQD3 間の結合の強さは強い。そし
て、これらの一段目の量子ドットQD1 間および三段目
の量子ドットQD3 間ではトンネリングによる電子また
は正孔の伝導が許される。なお、図2において、第1の
量子ドットQD1 の電子の基底状態に対応する量子準位
を伝導帯中の破線で示し、第1の量子ドットQD1 の正
孔の基底状態に対応する量子準位を価電子帯中の破線で
示した(以下同様)。
【0021】図1の線βに沿う方向のエネルギーバンド
図を図3に示す。図3からわかるように、図1の線βに
沿う方向、すなわち隣接する二段目の量子ドットQD2
間を結ぶ方向のAlAs/GaAsヘテロ接合における
ポテンシャル障壁の高さは、AlGaAs/GaAsヘ
テロ接合におけるポテンシャル障壁の高さに比べてかな
り大きくなっており、従って二段目の量子ドットQD2
間の結合の強さは非常に弱い。このため、二段目の量子
ドットQD2 間では、トンネリングによる電子または正
孔の伝導は実質的に許されない。
【0022】図1の線δに沿う方向のエネルギーバンド
図を図4に示す。図4からわかるように、この場合、二
段目の量子ドットQD2 の電子の基底状態のエネルギー
は、一段目の量子ドットQD1 および三段目の量子ドッ
トQD3 の電子の基底状態のエネルギーよりも低くなっ
ている。同様に、二段目の量子ドットQD2 の正孔の基
底状態のエネルギーは、一段目の量子ドットQD1 およ
び三段目の量子ドットQD3 の正孔の基底状態のエネル
ギーよりも低くなっている。これは、すでに述べたよう
に、線δに沿う方向に関して、二段目の量子ドットQD
2 の寸法は一段目の量子ドットQD1 および三段目の量
子ドットQD3 の寸法に比べて大きいためである。
【0023】次に、上述のように構成されたこの一実施
例による量子ドット集合素子の動作原理について説明す
る。
【0024】まず、入力時には、n型GaAs層2とA
lAs層10上の電極(図示せず)との間に、この電極
の電位がn型GaAs層2の電位よりも少し高くなるよ
うなバイアス電圧を印加する。このときの図1の線δに
沿う方向のエネルギーバンドは、図5に示すように少し
傾斜する。次に、この状態で、図6に示すように、入力
すべき情報に応じて選択された二段目の量子ドットQD
2 に対し、この二段目の量子ドットQD2 の電子−正孔
対生成エネルギーに共鳴する波長の単色光を照射し、こ
の量子ドットQD2 中に電子(e- )−正孔(h+ )対
を生成する。図6から明らかなように、この単色光の光
子エネルギーでは、一段目の量子ドットQD1 および三
段目の量子ドットQD3 中に電子−正孔対は生成されな
い。従って、この単色光の照射により、量子ドットQD
2 中だけに電子−正孔対が生成される。なお、この単色
光の照射は、具体的には、例えばスポット径を十分に小
さくしたレーザー光を用いて行うことができる。
【0025】この場合、この光照射により量子ドットQ
2 中に対生成された電子および正孔はいずれも、この
量子ドットQD2 の障壁層であるAlAs層6による高
いポテンシャル障壁により、この量子ドットQD2 の外
に移動することができない。また、上述のバイアス電圧
によるz方向の電界によりこの量子ドットQD2 中の電
子および正孔は空間的に分離されているため、光照射に
より対生成された電子および正孔の再結合率は低い。
【0026】以上のようにして、例えばレーザー光のよ
うな単色光の走査により、選択された二段目の量子ドッ
トQD2 中に電子−正孔対を生成することにより、初期
電子分布および初期正孔分布の入力を行う。これらの初
期電子分布および初期正孔分布は互いに同一である。こ
こでは、これらの初期電子分布および初期正孔分布をf
(x、y)と表す。
【0027】上述のようにして二段目の量子ドットQD
2 のアレイへの初期電子分布および初期正孔分布f
(x、y)の入力を終了した後、n型GaAs層2とA
lAs層10上の電極との間に印加する上述のバイアス
電圧を大きくする。この結果、図1の線δに沿う方向の
エネルギーバンドは、図7に示すように大きく傾斜す
る。ここで、バイアス電圧によるz方向の電界により、
一段目の量子ドットQD1 の伝導帯の電子の基底状態に
対応する量子準位が二段目の量子ドットQD2 の伝導帯
の電子の基底状態に対応する量子準位よりも低くなると
ともに、三段目の量子ドットQD3 の価電子帯の正孔の
基底状態に対応する量子準位が二段目の量子ドットQD
2 の価電子帯の正孔の基底状態に対応する量子準位より
も低くなったとする。すると、二段目の量子ドットQD
2 中の電子は対応する一段目の量子ドットQD1 に一斉
に遷移するとともに、二段目の量子ドットQD2 中の正
孔は対応する三段目の量子ドットQD3 に一斉に遷移す
る。
【0028】以上のようにして一段目の量子ドットQD
1 に移動した電子は、すでに述べたようにこれらの量子
ドットQD1 間のポテンシャル障壁の高さが小さいこと
により、これらの量子ドットQD1 間をトンネリングに
より伝導する。この電子の伝導は、この量子ドットQD
1 の配置に従って起こる。同様に、三段目の量子ドット
QD3 に移動した正孔は、すでに述べたようにこれらの
量子ドットQD3 間のポテンシャル障壁の高さが小さい
ことにより、これらの量子ドットQD3 間をトンネリン
グにより伝導する。この正孔の伝導は、この量子ドット
QD3 の配置に従って起こる。
【0029】この場合、電子と正孔とは少なくとも有効
質量が互いに異なり、また電子に対する量子ドットQD
1 間のトンネル障壁の高さと正孔に対する量子ドットQ
3間のトンネル障壁の高さとは互いに異なるので、一
段目の量子ドットQD1 のアレイにおける電子の分布と
三段目の量子ドットQD3 のアレイにおける正孔の分布
とは互いに異なる時間変化をする。このため、初期電子
分布f(x、y)が f(x、y)→g(x、y) と変化し、初期正孔分布f(x、y)が f(x、y)→h(x、y) と変化したならば、g(x、y)≠h(x、y)であ
る。以上が一段目の量子ドットQD1 のアレイにおける
電子の伝導および三段目の量子ドットQD3 のアレイに
おける正孔の伝導による情報処理である。
【0030】次に、出力時には、n型GaAs層2とA
lAs層10上の電極との間のバイアス電圧を0にす
る。このとき、図1の線δに沿う方向のエネルギーバン
ドは図8に示すようになる。この結果、図8に示すよう
に、一段目の量子ドットQD1の伝導帯の電子の基底状
態に対応する量子準位が二段目の量子ドットQD2 の伝
導帯の電子の基底状態に対応する量子準位よりも再び高
くなるとともに、三段目の量子ドットQD3 の価電子帯
の正孔の基底状態に対応する量子準位が二段目の量子ド
ットQD2 の価電子帯の正孔の基底状態に対応する量子
準位よりも再び高くなる。これによって、一段目の量子
ドットQD1 中の電子は対応する二段目の量子ドットQ
2 に一斉に遷移するとともに、三段目の量子ドットQ
3 中の正孔は対応する二段目の量子ドットQD2 に一
斉に遷移する。この結果、電子および正孔が共存する量
子ドットQD2 では電子−正孔再結合が生じて、図8に
示すように、発光(hν)が起きる。この場合の発光強
度分布は、出力直前の一段目の量子ドットQD1 のアレ
イにおける電子の分布g(x、y)と三段目の量子ドッ
トQD3 のアレイにおける正孔の分布h(x、y)との
積で表される。すなわち、発光強度分布は g(x、y)h(x、y) である。これを出力情報とすることができる。
【0031】以上のようにして、入力分布f(x、y)
から出力分布g(x、y)h(x、y)を得ることがで
きる。
【0032】このように、この一実施例によれば、二段
目の量子ドットQD2 のアレイへの光の照射により入力
を行い、一段目の量子ドットQD1 のアレイにおける電
子の伝導および三段目の量子ドットQD3 のアレイにお
ける正孔の伝導により情報処理を行い、二段目の量子ド
ットQD2 のアレイからの発光により出力を行う量子ド
ット集合素子を実現することができる。この量子ドット
集合素子は、情報処理に電子および正孔が関与している
ことから、設計の自由度が高い。
【0033】次に、上述のように構成されたこの一実施
例による量子ドット集合素子の製造方法について説明す
る。
【0034】まず、図9に示すように、半絶縁性GaA
s基板1上に、例えば有機金属化学気相成長(MOCV
D)法により、n型GaAs層2、AlAs層3、Ga
As層4、AlAs層6a、GaAs層7、AlAs層
6b、GaAs層8およびAlAs層10aを順次エピ
タキシャル成長させる。なお、n型GaAs層2の厚さ
は例えば1000nm程度、AlAs層3の厚さは例え
ば100nm程度である。
【0035】次に、図10に示すように、AlAs層1
0a上に一段目の量子ドットQD1、二段目の量子ドッ
トQD2 および三段目の量子ドットQD3 に対応した形
状のレジストパターン11を形成する。このレジストパ
ターン11の形成は、例えば、電子ビーム照射装置の真
空排気された試料室内において所定の原料ガス雰囲気中
でAlAs層10a上に、スポット径を十分に小さく絞
った電子ビームを選択的に照射してこの照射部に原料ガ
スの分解生成物を堆積させることにより行われる。
【0036】次に、このようにして形成されたレジスト
パターン11をマスクとして、例えば反応性イオンエッ
チング(RIE)法のような異方性のドライエッチング
法により、AlAs層10a、GaAs層8、AlAs
層6b、GaAs層7、AlAs層6aおよびGaAs
層4を基板表面と垂直方向に順次エッチングする。この
エッチングは、GaAs層4が互いに完全に分離するよ
うに、オーバーエッチング気味に行う。このようにし
て、図11に示すように、GaAs層4、AlAs層6
a、GaAs層7、AlAs層6b、GaAs層8およ
びAlAs層10aが四角柱状にパターニングされる。
【0037】次に、図12に示すように、例えばMOC
VD法により、基板表面に垂直な側壁上に成長が起きな
い条件で、AlGaAs層5、AlAs層6c、AlG
aAs層9およびAlAs層10bを順次エピタキシャ
ル成長させて、四角柱状のGaAs層4、AlAs層6
a、GaAs層7、AlAs層6b、GaAs層8およ
びAlAs層10aの間の部分を埋める。
【0038】この後、AlAs層10a、10b上に図
示省略した電極を形成する。
【0039】以上のようにして、図1に示す量子ドット
集合素子が完成される。
【0040】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。
【0041】例えば、上述の一実施例において説明した
量子ドット集合素子の製造方法は一例に過ぎず、他の製
造方法を用いてもよいことは言うまでもない。
【0042】さらに、上述の一実施例においては、量子
ドット集合素子の材料としてAlGaAs、AlAsお
よびGaAsを用いているが、この量子ドット集合素
子、より一般的には量子箱集合素子の材料としてはこれ
ら以外の半導体材料を用いてもよい。
【0043】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
光照射により情報の入力を行い、この光照射により対生
成された電子および正孔を互いに異なる面内に設けられ
た量子箱のアレイにおいてトンネリングによりそれぞれ
伝導させることにより所望の情報処理を行い、発光によ
り情報の出力を行うことができる、設計の自由度が高い
量子箱集合素子を実現することができる。また、このよ
うな量子箱集合素子を利用した情報処理方法を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例による量子ドット集合素子
を示す斜視図である。
【図2】図1の線αに沿う方向および図1の線γに沿う
方向のエネルギーバンド図である。
【図3】図1の線βに沿う方向のエネルギーバンド図で
ある。
【図4】図1の線δに沿う方向のエネルギーバンド図で
ある。
【図5】図1に示す量子ドット集合素子の入力方法を説
明するためのエネルギーバンド図である。
【図6】図1に示す量子ドット集合素子の入力方法を説
明するためのエネルギーバンド図である。
【図7】図1に示す量子ドット集合素子の入力後情報処
理前の動作を説明するためのエネルギーバンド図であ
る。
【図8】図1に示す量子ドット集合素子の出力方法を説
明するためのエネルギーバンド図である。
【図9】図1に示す量子ドット集合素子の製造方法を説
明するための斜視図である。
【図10】図1に示す量子ドット集合素子の製造方法を
説明するための斜視図である。
【図11】図1に示す量子ドット集合素子の製造方法を
説明するための斜視図である。
【図12】図1に示す量子ドット集合素子の製造方法を
説明するための斜視図である。
【符号の説明】
1 半絶縁性GaAs基板 2 n型GaAs層 3、6、10 AlAs層 4、7、8 GaAs層 5、9 AlGaAs層

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の面内に設けられた複数の第1の量
    子箱であってそれらの間で電子の伝導が許されるもの
    と、 第2の面内に上記複数の第1の量子箱に対応して設けら
    れた複数の第2の量子箱であってそれらの間で電子およ
    び正孔の伝導が実質的に許されないものと、 第3の面内に上記複数の第2の量子箱に対応して設けら
    れた複数の第3の量子箱であってそれらの間で正孔の伝
    導が許されるものとを有し、 上記複数の第1の量子箱側が上記複数の第3の量子箱側
    よりも高い電位になるようにバイアス電圧を印加した状
    態で、光照射により選択された上記第2の量子箱に電子
    −正孔対を生成することにより初期電子分布および初期
    正孔分布の入力を行い、 上記バイアス電圧を大きくして上記光照射により上記選
    択された上記第2の量子箱中に対生成された電子および
    正孔をそれぞれ対応する上記第1の量子箱および上記第
    3の量子箱に移動させることにより上記初期電子分布お
    よび上記初期正孔分布をそれぞれ上記複数の第1の量子
    箱および上記複数の第3の量子箱に転写し、その後、上
    記複数の第1の量子箱間で上記電子を伝導させるととも
    に、上記複数の第3の量子箱間で上記正孔を伝導させる
    ことにより情報処理を行い、 上記バイアス電圧を実質的に除去することにより上記複
    数の第1の量子箱中の電子および上記複数の第3の量子
    箱中の正孔を上記複数の第2の量子箱中に移動させ、そ
    れぞれの上記第2の量子箱からの電子−正孔再結合によ
    る発光を観測して発光強度分布を得ることにより出力を
    行うようにした ことを特徴とする量子箱集合素子。
  2. 【請求項2】 上記第1の量子箱、上記第2の量子箱お
    よび上記第3の量子箱はタイプIのヘテロ接合超格子に
    より形成されていることを特徴とする請求項1記載の量
    子箱集合素子。
  3. 【請求項3】 上記複数の第1の量子箱側が上記複数の
    第3の量子箱側よりも高い電位になるようにバイアス電
    圧を印加した状態で、上記第2の量子箱の電子−正孔対
    生成エネルギーに共鳴する波長の光を選択された上記第
    2の量子箱に照射して電子−正孔対を生成することによ
    り初期電子分布および初期正孔分布の入力を行い、 上記バイアス電圧を大きくして上記光の入射により上記
    選択された上記第2の量子箱中に対生成された電子およ
    び正孔をそれぞれ対応する上記第1の量子箱および上記
    第3の量子箱に移動させることにより上記初期電子分布
    および上記初期正孔分布をそれぞれ上記複数の第1の量
    子箱および上記複数の第3の量子箱に転写し、その後、
    上記複数の第1の量子箱間で上記電子を伝導させるとと
    もに、上記複数の第3の量子箱間で上記正孔を伝導させ
    ることにより情報処理を行い、 上記バイアス電圧を実質的に除去することにより上記複
    数の第1の量子箱中の電子および上記複数の第3の量子
    箱中の正孔を上記複数の第2の量子箱中に移動させ、そ
    れぞれの上記第2の量子箱からの電子−正孔再結合によ
    る発光を観測して発光強度分布を得ることにより出力を
    行うようにしたことを特徴とする請求項1または2記載
    の量子箱集合素子。
  4. 【請求項4】 第1の面内に、複数の第1の量子箱であ
    ってそれらの間で電子の伝導が許されるものを設け、 上記複数の第1の量子箱に対応して第2の面内に、複数
    の第2の量子箱であってそれらの間で電子および正孔の
    伝導が実質的に許されないものを設け、 上記複数の第2の量子箱に対応して第3の面内に、複数
    の第3の量子箱であってそれらの間で正孔の伝導が許さ
    れるものを設け、 上記複数の第1の量子箱側が上記複数の第3の量子箱側
    よりも高い電位になるようにバイアス電圧を印加し、光照射により 選択された上記第2の量子箱電子−正孔
    対を生成し、 上記バイアス電圧を大きくして、上記光照射により上記
    選択された上記第2の量子箱中に対生成された電子およ
    び正孔をそれぞれ対応する上記第1の量子箱および上記
    第3の量子箱に移動させ、 上記複数の第1の量子箱間で上記電子を伝導させるとと
    もに、上記複数の第3の量子箱間で正孔を伝導させ、 上記バイアス電圧を実質的に除去して、上記複数の第1
    の量子箱中の電子および上記複数の第3の量子箱中の正
    孔を上記複数の第2の量子箱中に移動させ、 それぞれの上記第2の量子箱からの電子−正孔再結合に
    よる発光を観測して発光強度分布を得ることを特徴とす
    る情報処理方法。
  5. 【請求項5】 第1の面内に複数の第1の量子箱を有
    し、第2の面内に上記複数の第1の量子箱に対応した複
    数の第2の量子箱を有し、第3の面内に上記複数の第2
    の量子箱に対応した複数の第3の量子箱を有する半導体
    構造を設け、光照射により 選択された上記第2の量子箱に少なくとも
    一対の電子および正孔を生成し、上記複数の第1の量子箱側が上記複数の第3の量子箱側
    よりも高い電位になるようにバイアス電圧を印加するこ
    とにより 上記第1の量子箱に少なくとも一つの電子を移
    動させ、上記第3の量子箱に少なくとも一つの正孔を移
    動させ、 上記第3の面内の量子箱間を少なくとも一つの正孔を移
    動させ、上記第1の面内の量子箱間を少なくとも一つの
    電子を移動させ、上記バイアス電圧を実質的に除去して、 少なくとも一つ
    の電子および少なくとも一つの正孔を上記第2の量子箱
    に戻し、少なくとも一対の電子および正孔を結合させて
    情報信号を生成することを特徴とする情報処理方法。
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