JP3748905B2 - 量子効果デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は量子効果デバイスに関する。特に本発明は、メソスコピック領域において動作し、動作に使用される電子波の単色化の必要がなく、しかも高温度領域（常温程度まで）において動作可能な量子効果デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在までに、ブラッグ反射や回折効果を利用する量子効果デバイス、Ａ−Ｂ効果型の量子効果デバイス、スタブ型の量子効果デバイス等、各種の量子効果デバイスが提案されている。これらの量子効果デバイスの動作原理には電子波の干渉、回折効果のいずれかが使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の量子効果デバイスのうちブラッグ反射や回折効果を利用する量子効果デバイスおいては非弾性散乱による位相破壊時間（位相緩和時間：phase breaking time ）内に感じる有効な周期的ポテンシャルの数が限られる。このため、位相破壊時間の長い極低温領域においてのみ良好な特性が期待される。
また、Ａ−Ｂ効果型の量子効果デバイスにおいては電子波の均等な分波が困難である。しかも、この量子効果デバイスのスイッチング特性はゲート入力に対して周期的に現れ、動作余裕度が小さい。
さらに、スタブ型の量子効果デバイス等、デバイスの形状による干渉効果を利用した量子効果デバイスにおいては動作の観測のために電子波の単色化が必要になる。このため、量子効果デバイスは極低温に冷却するなどの必要性を生じる。
本発明は、このような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、メソスコピック領域において動作し、動作に使用される電子波の単色化の必要がなく、しかも高温度領域で動作可能な量子効果デバイスの提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用】
請求項１に係る発明は、量子効果デバイスにおいて、キャリアが注入される第１領域と前記注入されたキャリアが放出される第２領域との間を連結する第１導波路と、前記第１導波路の中央部から分岐され、前記注入されたキャリアが放出される第３領域に連結された第２導波路と、前記第１導波路の第２導波路との分岐部分に構成され、ポテンシャル障壁を制御する制御領域と、を備えることを特徴とする。前記制御領域は、前記ポテンシャル障壁が低いときに前記第１導波路を通して第２領域からキャリアを放出し、前記ポテンシャル障壁が高いときに量子力学的反射によって前記第１導波路から第２導波路にキャリアを導き第３領域から前記キャリアを放出する。この構成により、第１に、量子効果デバイスにおいて、ゲートポテンシャル障壁による電子の量子力学的反射効果が使用されるので、動作に必要な可干渉距離が短くでき、高温領域での動作が実現できる。第２に、量子効果デバイスにおいて、電子波が単色である必要性がなくなるので、電子波の単色化のための付加的な構造がなくせる。また、極低温に冷却する必要がなくせる。さらに第３に、量子効果デバイスにおいて、第１導波路の第１領域と制御領域との間にポテンシャル障壁等、キャリアの流れを抑制する物体が存在しないので、動作電流が増加でき、次段デバイスのドライバビリティが向上できる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路に対して傾斜角度を有し前記第２導波路が分岐されることを特徴とする。この構成により、第１導波路に対して第２導波路が必ずしも直交しなくてもよいので、量子効果デバイスの基本的動作特性に影響を与えることなく量子効果デバイスのデザインルールの許容度が大きくできる。
【０００６】
請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路のキャリアが注入される側に鋭角の傾斜角度を有し前記第２導波路が分岐されることを特徴とする。この構成により、量子効果デバイスにおいては、第１導波路のキャリアが放出される側に鋭角の傾斜角度を有し第２導波路が分岐された場合に比べて制御領域にゼロバイアスを加えた時の電流分岐比が向上できる。
【０００７】
請求項４に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路に対して垂直方向に前記第２導波路が分岐されることを特徴とする。
【０００８】
請求項５に係る発明は、前記請求項２又は請求項４に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び前記第２導波路が同一の水平面に構成されることを特徴とする。この構成により、量子効果デバイスにおいては、半導体製造プロセスで形成される１つの結晶層に第１導波路及び第２導波路が形成できるので、第１導波路及び第２導波路においてキャリアの散乱が減少でき、キャリアのバリスティック特性が向上できる。
【０００９】
請求項６に係る発明は、前記請求項２又は請求項４に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び前記第２導波路が同一の垂直面に構成されることを特徴とする。
【００１０】
請求項７に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路の前記制御領域から第２領域までの領域を構成し、基板又は薄膜で形成される第１導波路体と、前記制御領域を構成し、前記第１導波路体上に形成される制御領域体と、前記第２導波路を構成し、前記制御領域体上に形成された第２導波路体と、前記第１導波路の前記第１領域から制御領域までの領域を構成し、前記第２導波路体上に形成される量子細線導波路体と、を備えたことを特徴とする。この構成により、第２導波路体に量子細線導波路体を接続する簡易な構造で、しかも第２導波路体に対して垂直方向に量子細線導波路体が引き出せるので、量子細線導波路構造を有する量子効果デバイスが簡易に実現できる。
【００１１】
請求項８に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路から前記第２導波路が複数本並列に分岐され、前記複数本の第２導波路の各分岐部分に各々独立にポテンシャル障壁を制御する制御領域が構成されることを特徴とする。この構成により、第１領域側の前段の分岐部分においてポテンシャル障壁による量子力学的反射で第２導波路に導かれずにポテンシャル障壁を超えたキャリアが後段の分岐部分において量子力学的反射で第２導波路に導かれるので、第３領域から放出される合計のキャリア量が増加できる。この結果、量子効果デバイスにおいては、電流分岐比が合計的には向上でき、ドライバビリティが向上できるので、低電圧動作が実現できる。
【００１２】
請求項９に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路、第２導波路が各々化合物半導体のヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガス系の電子移動層で構成されることを特徴とする。この構成により、化合物半導体においては製造プロセスがある程度確立されており、結晶欠陥がきわめて少ない良質なヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層においてキャリアの散乱が減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層が第１導波路及び第２導波路に使用されるので、高いキャリアのモビリティが得られる。すなわち、量子効果デバイスにおいてはバリスティックなキャリアが利用できる。
【００１３】
請求項１０に係る発明は、前記請求項９に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路、第２導波路が各々ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとのヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガス系の電子移動層で構成されることを特徴とする。この構成により、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓはいずれも化合物半導体のなかでも製造プロセスがかなり確立されており、結晶欠陥がきわめて少なく良質で安定なバンドギャップを有するヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層においてキャリアの散乱が減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層においては高いキャリアのモビリティが得られる。
【００１４】
請求項１１に係る発明は、前記請求項９に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路、第２導波路が各々ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとのヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガス系の電子移動層で構成されることを特徴とする。この構成により、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰはＧａＡｓ系と同様にいずれも化合物半導体のなかでも製造プロセスがかなり確立されており、結晶欠陥がきわめて少なく良質で安定なバンドギャップを有するヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層においてキャリアの散乱が減少できる。さらに、ＧａＡｓ系に比べて二次元電子ガス系の電子移動層においては高いキャリアのモビリティが得られる。
【００１５】
請求項１２に係る発明は、前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び第２導波路の周囲にショットキー接合構造又はＭＩＳ（Ｍetal Ｉnsulator Ｓemiconductor）容量構造が構成され、前記ショットキー接合構造又はＭＩＳ容量構造で形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の幅が各々決定されることを特徴とする。この構成により、物理的加工法で微小な凹凸が発生する加工ではなく、前記第１導波路、第２導波路の各々と滑らかな界面を構成する空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の幅が各々形成される。この結果、量子効果デバイスにおいては、前記第１導波路、第２導波路の各々でキャリアの散乱が減少できる。
【００１６】
請求項１３に係る発明は、前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、エッチングされた壁面に結晶損傷領域が発生するエッチングで前記第１導波路及び第２導波路の周囲が凹状部に形成され、前記凹状部の壁面に結晶損傷領域により形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の幅が各々決定されることを特徴とする。この構成により、前記凹状部の壁面に結晶損傷領域により形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の各々と滑らかな界面が構成されるので、量子効果デバイスにおいては前記第１導波路、第２導波路の各々でキャリアの散乱が減少できる。
【００１７】
請求項１４に係る発明は、前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び第２導波路の周囲に凹状部が形成され、前記凹状部には埋込み部材が充填されることを特徴とする。この構成により、前記凹状部の形成で前記第１導波路、第２導波路の各々の露出された側面が埋込み部材の充填でバルクに近い形で復元されるので、前記第１導波路、第２導波路の各々の側面部分の結晶表面準位が安定化され、前記第１導波路、第２導波路の各々で導電性が回復できる。埋込み部材として前記第１導波路、第２導波路のいずれかと同質の材料、例えば化合物半導体が使用される場合、さらに前記化合物半導体を埋込み部材として充填した後に結晶損傷領域が回復できるアニールが行われた場合には前記第１導波路、第２導波路の各々の導電性が回復する割合が向上できる。
【００１８】
請求項１５に係る発明は、前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び第２導波路の周囲に不純物導入で結晶損傷領域が形成され、前記結晶損傷領域で形成される空乏領域により前記第１導波路、第２導波路の幅が各々決定されることを特徴とする。この構成により、結晶損傷領域により形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の各々と滑らかな界面が構成されるので、量子効果デバイスにおいては前記第１導波路、第２導波路の各々でキャリアの散乱が減少できる。さらに、物理的加工法で前記第１導波路及び第２導波路の周囲を加工することなく不純物導入で結晶損傷領域を形成し前記第１導波路、第２導波路が各々形成されるので、量子効果デバイスにおいて表面の平坦化が促進できる。
【００１９】
請求項１６に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域の前記第１導波路と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺を含む三角形で構成されることを特徴とする。この構成により、第１導波路から第２導波路に通じる導波路の幅（分岐部分の導波路幅）が充分に確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で第１導波路から第２導波路にキャリアが流れ易くできる。この結果、量子効果デバイスにおいては電流分岐比が向上できる。
【００２０】
請求項１７に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域の前記第１導波路と重複する部分の形状が四角形で構成されることを特徴とする。この構成により、第１導波路の長さ方向に制御領域の長さが確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で第１導波路から第２導波路にキャリアを流す際のキャリアの突き抜けが減少できる。この結果、量子効果デバイスにおいては電流分岐比が向上できる。
【００２１】
請求項１８に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域の前記第１導波路と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺を含む台形で構成されることを特徴とする。この構成により、第１導波路から第２導波路に通じる導波路の幅が充分に確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で第１導波路から第２導波路にキャリアが流れ易くできる。さらに、第１導波路の長さ方向に制御領域の長さが確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で第１導波路から第２導波路にキャリアを流す際のキャリアの突き抜けが減少できる。この結果、量子効果デバイスにおいてはより一層電流分岐比が向上できる。
【００２２】
請求項１９に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項１６、請求項１７、請求項１８のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面が第１導波路内において前記第２導波路の幅内に配置されることを特徴とする。この構成により、ポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する電圧が制御領域に印加されることで第１導波路に流れるキャリアが第２導波路に導かれるので、量子効果デバイスにおいて電圧制御で電流変調特性が得られる。つまり、量子効果デバイスにおいてＭＥＳＦＥＴ（Ｍetal Ｓchottky Ｆield Ｅffect Ｔransistor ）の電圧電流特性に類似した電圧電流特性が得られる。
【００２３】
請求項２０に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項１７のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面が第１導波路内において前記第２導波路の幅外で前記第１導波路の第２領域側に配置されることを特徴とする。この構成により、量子効果デバイスにおいては、第１導波路と第２導波路との分岐部分を一旦通過したキャリアが前記制御領域で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面に達する。したがって、量子力学的反射面で反射され第２導波路に導かれるキャリアが存在するものの、制御領域で生成されるポテンシャル障壁を突き抜け第１導波路を直進し第２領域から放出される電子量が増加する。つまり、量子効果デバイスにおいては、スイッチング特性が得られるものの、ダイオード（Ｄiode）の電圧電流特性に類似した電圧電流特性が得られる。
【００２４】
請求項２１に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項３、請求項８、請求項９、請求項１９、請求項２０のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路の全長が１００ｎｍ以下のサイズに設定され、前記第１導波路の幅が１００ｎｍ以下のサイズに設定されることを特徴とする。この構成により、室温（約３００度Ｋ）以下の温度で動作可能なコヒーレント長の範囲内において量子効果デバイスが実現できる。
【００２５】
請求項２２に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項８、請求項９、請求項１６、請求項１７、請求項１８、請求項１９、請求項２０、請求項２１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域にはバリスティック（ballistic ）なキャリアが注入されることを特徴とする。この構成により、バリスティックなキャリアは高いエネルギを有し、キャリアの流れが速くできるので、量子効果デバイスにおいて動作速度が高速化できる。
【００２６】
請求項２３に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項８、請求項９、請求項１６、請求項１７、請求項１８、請求項１９、請求項２０、請求項２１、請求項２２のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路の第１領域から前記制御領域までの間に構成され、単一のポテンシャル障壁又は共鳴トンネル構造で形成されるキャリア注入領域を備え、前記キャリア注入領域はバリスティックなキャリアをトンネル注入により制御領域に注入することを特徴とする。この構成により、前記キャリア注入領域のポテンシャル障壁で低いエネルギを有するキャリアが排除され高いエネルギを有するバリスティックなキャリアがトンネル注入により制御領域に注入される。この結果、キャリアの流れが速くできるので、量子効果デバイスにおいて動作速度が高速化できる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例について、図面に基づき説明する。
【００２８】
実施例１
〈量子効果デバイスの第１基本構造及び動作原理〉
図１は本発明の実施例１に係る量子効果デバイスの第１基本構造を説明する平面図、図２はポテンシャルエネルギとの関係で表した基本構造モデル化図である。
【００２９】
図１及び図２に示すように、量子効果デバイス（量子効果素子）は電子導波路１、分岐電子導波路２、ソース領域（Ｓ）３、第１ドレイン領域（Ｄ１）４、第２ドレイン領域（Ｄ２）５、ゲート領域（制御領域）６及び電子注入領域（電子注入構造）１３を主体に構成される。
【００３０】
この量子効果デバイスは本実施例においてＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓを材料として構成される。前記電子導波路１、分岐電子導波路２は各々ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの間のヘテロ接合界面付近に生成される二次元電子ガス系の電子移動層によって形成される。電子（少数キャリア）の有効質量は０. ０６７ｍｅである。また、各領域の電極は極低温領域よりも高い温度領域に設定される。例えば量子効果デバイスは液体窒素温度で冷却され、各領域の電極は７７度Ｋの温度に設定される。
【００３１】
前記電子導波路１の一端はソース領域３に連結される。電子導波路１の他端は第１ドレイン領域４に連結される。この電子導波路１の中央部分は分岐され、分岐電子導波路２の一端が分岐された部分に連結される。分岐電子導波路２の他端は第２ドレイン領域５に連結される。本実施例の量子効果デバイスにおいては、分岐電子導波路２の中心軸が前記電子導波路１の中心軸に対して垂直の角度（９０度）をなして配置され（電子導波路１に対して分岐電子導波路２が垂直に分岐され）、Ｔ字型形状で構成される。
【００３２】
前記ゲート領域６は電子導波路１の分岐電子導波路２との分岐部分に構成される。このゲート領域６においては図２に示すように印加される電圧によってゲートポテンシャル障壁Ｇｐの制御が行える。ゲートポテンシャル障壁Ｇｐが低く制御された場合には、ソース領域３から電子注入領域１３を通して注入される電子流（電子波）１０がゲートポテンシャル障壁Ｇｐを越え、電子導波路１を通過電子流１１として伝達し第１ドレイン領域４から電子が放出される。また、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐが高く制御された場合には、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射によって注入された電子流１０が反射され、反射電子流１２として分岐電子導波路２を通して第２ドレイン領域５から電子が放出される。ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによって形成される量子力学的反射面ＧＦにおいては注入される電子流１０とのなす入射角、反射電子流１２とのなす反射角がいずれも４５度又は１３５度になる。
【００３３】
前記ゲート領域６の電子導波路１と重複する部分の形状はゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射面ＧＦを生成する傾斜辺６Ｆを含む三角形で構成される。前記ゲート領域６が三角形で構成された場合には電子導波路１から分岐電子導波路２に通じる導波路幅（分岐部分の導波路幅）が充分に確保できる。つまり、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に流れる電子流が流れ易くできるので、電流分岐比が向上できる。
【００３４】
さらに、前記ゲート領域６においては、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射面ＧＦが電子導波路１内において分岐電子導波路２の幅内に配置される。ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射面ＧＦを生成する電圧がゲート領域６に印加されることで分岐点において電子導波路１に流れる電子流１０が分岐電子導波路２に導かれるので、量子効果デバイスにおいては電圧制御で電流変調特性が得られる。
【００３５】
前記電子注入領域１３は電子導波路１においてソース領域３からゲート領域６までの間に構成される。電子注入領域１３は単一のポテンシャル障壁を利用して形成され、例えばポテンシャル障壁が０. １ｅＶに、幅Ｐｗが４ｎｍに各々設定される。電子注入領域１３においては、ポテンシャル障壁で低いエネルギを有する電子が排除され、高いエネルギを有するバリスティックな電子がトンネル注入により（トンネル電流として又は注入された電子流１０として）ゲート領域６に注入される。
【００３６】
量子効果デバイスのデバイス寸法が充分に小さいので、前記電子注入領域１３によりバリスティックな高エネルギの電子流１０がゲート領域６に注入できる。この結果、１０〜１００ｍｅＶの比較的高いエネルギの電子がソース領域３から注入された場合においてもゲート領域６における光学フォノンによる非弾性散乱、及び電子−電子間の非弾性散乱を受ける確率が小さい。したがって、電子波（電子流）がゲート領域６に渡ってコヒーレントであるように、温度制御などにより位相破壊時間を制御することによって（本実施例では位相破壊時間を１．０ｐｓｅｃに制御することによって）デバイスに流れる電子波（電子流）が制御できる。
【００３７】
本実施例の量子効果デバイスにおいては、例えば図２に示す電子導波路１の導波路長Ｌｔが４０ｎｍに、電子導波路１の導波路幅（ゲート領域６の幅）Ｌｗが１０ｎｍに、ゲート領域６の最大長さＬｇが１０ｎｍに各々設定される。量子効果デバイスが室温（約３００度Ｋ）において動作し得るコヒーレント長の範囲内にゲート長を設定するためには、電子導波路１の導波路長Ｌｔは１００ｎｍ以下に、電子導波路１の導波路幅Ｌｗは１００ｎｍ以下に各々設定される。なお、図２中、符号Ｂｐはバイアスポテンシャルである。
【００３８】
次に、前記量子効果デバイスの動作原理について説明する。
（１）量子効果デバイスのソース領域３から電子導波路１を通してゲート領域６に高いエネルギをもった電子が注入される。
（２）注入された電子（電子流１０）の一部は電子導波路１の分岐部分つまり分岐電子導波路２との交差部においてゲートポテンシャル障壁による量子力学的反射によって反射（屈折）される。
（３）このとき、ゲート領域６の最大長さＬｇが例えば１０ｎｍ程度の大きさに設定された場合には電子流１０はバリスティックな伝導が支配的になる。つまり、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐが低いときには電子導波路１から分岐電子導波路２へ進路を変える電子が少なく、電子の大半がゲートポテンシャル障壁Ｇｐを越え、通過電子流１１として第１ドレイン領域４から電子が放出される。
（４）また、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐを高めるにしたがって、電子導波路１から分岐電子導波路２へ進路を切り替える電子が増加する。つまり、電子導波路１に注入された電子流１０はゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射によって分岐電子導波路２側に反射され、反射電子流１２として第２ドレイン領域５から電子が放出される。
（５）さらに、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐが充分に高くなるとほとんどの電子が量子力学的反射で反射され、電子導波路１から分岐電子導波路２へ電子の進路が切り替わり、反射電子流１２として第２ドレイン領域５から電子が放出される。このとき、反射される電子数は飽和し、電流値も飽和する。
【００３９】
前記量子効果デバイスにおいてシミュレーションにより得られた電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を図３及び図４に示す。図３にはゲート領域６に印加される電圧（ゲート電圧）値に対するソース領域３−第２ドレイン領域５間電流（ソース−ドレイン間電流）値を示す。図４にはゲート領域６に印加される電圧値に対するソース領域３−第１ドレイン領域４間電流値を示す。
【００４０】
図３に示すように、量子効果デバイスにおいては、電圧の増加とともに量子力学的反射に起因して電流が増加する非線形領域と、電圧が増加しても電流が増加しない飽和領域とを有する特性が得られる。この点において、量子効果デバイスはＭＯＳＦＥＴ（Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor Ｆield Ｅffect Ｔransistor ）、ＭＥＳＦＥＴ等のスイッチング素子に近似する動作特性が得られる。
【００４１】
さらに、図４に示すように、量子効果デバイスにおいては、電圧の増加とともに電流が減少し、量子力学的に反射が行われている事実が確認できる。
【００４２】
図５は前記量子効果デバイスにおいてデバイス中の電流分布の一部のみを取り出した電流分布図である。なお、図５に示す矢印は電子の流れを表しており、電流の流れる方向は電子の流れと反対方向になる。
【００４３】
前記量子効果デバイスにおいてはＦ. Ｓols 等によるＱ. Ｍ. Ｔ（Ｑuantum Ｍodulated Ｔransistor ）型量子効果デバイスに構造が類似している。しかしながら、Ｑ. Ｍ. Ｔ型量子効果デバイスは分岐電子導波路２に相当する導波路の末端が空乏領域になっており電流が流れない構造の点及び動作原理が相違する点において前記量子効果デバイスとはまったく異なる。
【００４４】
このように、量子効果デバイスにおいては、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる電子の量子力学的反射効果が使用され、動作に必要な可干渉距離がゲート領域６の最大長さＬｇ程度、具体的には１０ｎｍ程度に短くできるので、かなりの高温領域（７７Ｋ以上）での動作が行える。
【００４５】
さらに、量子効果デバイスにおいては、電子波が単色である必要性もないので、電子波の単色化のための付加的な構造の必要性がない。
【００４６】
〈量子効果デバイスの第２基本構造及び動作原理〉
次に、量子効果デバイスの第２基本構造について図６を使用し説明する。図６はポテンシャルエネルギとの関係で表した基本構造モデル化図である。この第２基本構造の量子効果デバイスは動作電流が増加できる特徴を有する。
【００４７】
図６に示すように、量子効果デバイスにおいては前述の第１基本構造と基本的には同一の構造を有するが、電子導波路１のソース領域３側の電子注入領域１３が省略され、量子効果デバイスは簡易な構造で構成される。前記電子注入領域１３はポテンシャル障壁で形成され、トンネル効果でゲート領域６に電子（電子流１０）が注入されるが、電子注入領域１３が省略されると量子効果デバイスの動作電流が増加できる。つまり、この第２基本構造で形成される量子効果デバイスは動作電流が増加できるので、次段のデバイスの駆動能力（ドライバビリティ）が向上できる。また、量子効果デバイスにおいては次段デバイスの動作速度の高速化が図れる。
【００４８】
前記第２基本構造で形成される量子効果デバイスについて、シミュレーションにより得られた電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を図７に示す。図７にはゲート領域６に印加される電圧（ゲート電圧）値に対するソース領域３−第２ドレイン領域５間電流（ソース−ドレイン間電流）値を示す。第２基本構造で形成される量子効果デバイスにおいては前記第１基本構造で形成される量子効果デバイスの動作電流に対して動作電流が数十倍程度増加できる。
【００４９】
〈量子効果デバイスの動作特性改善〉
前述の第１基本構造で形成される量子効果デバイス、第２基本構造で形成される量子効果デバイスにおいては各々ゲート領域６に印加される電圧（ゲート電圧）が０Ｖにおいてもオフセット電流が存在する。このオフセット電流を減少する対策としては、デバイスの構造の各種寸法、注入する電子のエネルギ量（バイアス電圧）が各々最適化される。
【００５０】
前記第２基本構造で形成される量子効果デバイスにおいて、ゲート電圧を０Ｖとし、バイアス電圧の変化（注入される電子のエネルギの変化）に対する分岐電子導波路２を流れる電流／トータルの電流の電流比の変化を図８に示す。図８に示すように、バイアス電圧が増加していくと電流比が０. １５程度で飽和する傾向がみられる。また、バイアス電圧が減少し０Ｖになると電流比が０. ４に収束し、電流比は０. ５にならない。このような特性は量子力学的効果と考えられる。この電流比をより小さく制御することにより、量子効果デバイスにおいてオフセット電流が防止できる。
【００５１】
〈量子効果デバイスの具体的構造〉
図９は前記第２基本構造に基づいて形成された具体的な量子効果デバイスの平面図、図１０は断面図である。
【００５２】
図９及び図１０に示すように、量子効果デバイスにおいてはＧａＡｓ基板からなる半絶縁性基板２０が使用される。半絶縁性基板２０上にはノンドープＧａＡｓ２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ２２が順次積層される。ノンドープＧａＡｓ２１とｎ型ＡｌＧａＡｓ２２との間のヘテロ接合界面付近には二次元電子ガス系の電子移動層２３が形成される。この電子移動層２３は量子効果デバイスの電子導波路１及び分岐電子導波路２を構成する。
【００５３】
ＧａＡｓ系の化合物半導体の製造プロセスはある程度確立されており、結晶欠陥がきわめて少ない良質なヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層２３において電子の散乱が減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層２３が電子導波路１及び分岐電子導波路２に使用されるので高い電子のモビリティが得られ、量子効果デバイスにおいてはバリスティックな電子が利用できる。
【００５４】
特に化合物半導体のなかでもＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓはいずれも製造プロセスがかなり確立されており、結晶欠陥がきわめて少なく良質で安定なバンドギャップを有するヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層２３において電子の散乱がかなり減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層２３においては比較的高い電子のモビリティが得られる。
【００５５】
さらに、前記電子導波路１、分岐電子導波路２はいずれもノンドープＧａＡｓ２１とｎ型ＡｌＧａＡｓ２２との間のヘテロ接合界面近傍において二次元電子ガス系の電子移動層２３に形成され、電子導波路１及び分岐電子導波路２は同一の水平面に構成される。半導体製造プロセスで形成される良質な１つの結晶層つまりノンドープＧａＡｓ２１中に電子導波路１及び分岐電子導波路２が形成されるので、電子導波路１及び分岐電子導波路２においては電子の散乱が減少でき、電子のバリスティック特性が向上できる。
【００５６】
前記電子導波路１、分岐電子導波路２の周囲には各々ショットキー接合構造が構成される。詳細には電子導波路１の幅を決定する周囲に及び分岐電子導波路２の幅を決定する周囲において各々ショットキー接合構造が構成される。ショットキー接合構造はｎ型ＡｌＧａＡｓ２２及びこのｎ型ＡｌＧａＡｓ２２上に配置されたショットキー制御電極２４で構成される。ショットキー接合構造においてはｎ型ＡｌＧａＡｓ２２とショットキー制御電極２４との界面からｎ型ＡｌＧａＡｓ２２側に空乏領域２５が形成でき、この空乏領域２５が電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の幅を決定する。空乏領域２５においては、物理的加工法で微小な凹凸が発生する加工ではなく電子導波路１、分岐電子導波路２の各々（電子移動層２３）と滑らかな界面で接触し、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の幅が決定される。つまり、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々において電子の散乱が減少できる。
【００５７】
前記量子効果デバイスのソース領域３、第１ドレイン領域４、第２ドレイン領域５には各々オーミック電極（ソース電極、第１ドレイン電極及び第２ドレイン電極）２６が構成される。オーミック電極２６はｎ型ＡｌＧａＡｓ２２上に直接接触され、オーミック電極２６はｎ型ＡｌＧａＡｓ２２の表面から半絶縁性基板２０に達するコンタクト領域（半導体領域）２７に電気的に接続される。コンタクト領域２７は例えばイオン打込み法で不純物イオンを導入し導入された不純物イオンを活性化することにより形成される。
【００５８】
前記ゲート領域６はゲート電極（反射ゲート）２８で構成される。ゲート電極２８は電子導波路１の領域内（電子導波路１の領域上）においてｎ型ＡｌＧａＡｓ２２に直接接触させたショットキー制御電極で構成される。ゲート電極２８は電子導波路１の周囲においてショットキー制御電極２４上に引き出される。ゲート電極２８とショットキー制御電極２４との間においては絶縁層２９が形成され、両者間の絶縁分離がなされている。
【００５９】
前記ソース領域３と第２ドレイン領域５との間、第１ドレイン領域４と第２ドレイン領域５との間には各々アイソレーション領域３０が構成される。アイソレーション領域３０は半導体領域又は絶縁体で構成され、電子の漏れの原因になる導通経路（リークパス）をなくすことができる。
【００６０】
実施例２
本実施例２は量子効果デバイスにおいて電子導波路から傾斜角度をもって分岐電子導波路が分岐される本発明の第２実施例である。
【００６１】
図１１は本発明の実施例２に係る量子効果デバイスの平面図である。図１１に示すように、量子効果デバイスにおいては、電子導波路１から傾斜角度をもって分岐電子導波路２が分岐される。つまり、電子導波路１に対して分岐電子導波路２が必ずしも直交しなくてもよいので、量子効果デバイスの基本的動作特性に影響を与えることなく量子効果デバイスのデザインルールの許容度が大きくできる。
【００６２】
さらに、前記分岐電子導波路２はソース領域３側に（電子が注入される側に）９０度未満の鋭角の傾斜角度をもって電子導波路１から分岐される。このように構成される量子効果デバイスにおいては、電子導波路１の第１ドレイン領域４側に鋭角の傾斜角度をもって分岐電子導波路２が分岐された場合に比べてゲート領域６にゼロバイアスを加えた時の電流分岐比が向上できる。
【００６３】
実施例３
本実施例３は量子効果デバイスにおいて電子導波路及び分岐電子導波路が同一の垂直面に構成される本発明の第３実施例である。
【００６４】
図１２は本発明の実施例３に係る量子効果デバイスの斜視図である。図１２に示すように、量子効果デバイスにおいては電子導波路１及び分岐電子導波路２が同一の垂直面に構成される。つまり、垂直面として形成されたノンドープＧａＡｓ２１の両面がｎ型ＡｌＧａＡｓ２２で挟み込まれ、この挟み込まれたノンドープＧａＡｓ２１に二次元電子ガス系の電子移動層２３が形成され、この電子移動層２３で電子導波路１及び分岐電子導波路２が構成される。
【００６５】
ノンドープＧａＡｓ２１の膜厚が例えば１０ｎｍ程度に薄く設定される場合にはノンドープＧａＡｓ２１自体が二次元電子ガス系の電子移動層２３として機能する。半絶縁性基板２０上にノンドープＧａＡｓ２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ２２が順次積層される構造と異なり、ノンドープＧａＡｓ２１の両面がｎ型ＡｌＧａＡｓ２２で挟み込まれる特殊な構造においては電子導波路１の両側にゲート領域６が各々の配置でき、この両側のゲート領域６で電子流１０が制御できる。
【００６６】
実施例４
本実施例４は量子効果デバイスにおいて量子細線導波路構造が採用される本発明の第４実施例である。
【００６７】
図１３は本発明の実施例４に係る量子細線構造が採用される量子効果デバイスの斜視図である。図１３に示すように、量子細線構造が採用される量子効果デバイスは第１導波路体３１、制御領域体３２、第２導波路体３３及び量子細線導波路体３４で構成される。
【００６８】
第１導波路体３１は電子導波路１のゲート領域６から第１ドレイン領域４までの間の導波路を構成し、この第１導波路体３１は化合物半導体基板又は基板上に積層された化合物半導体薄膜で構成される。制御領域体３２はゲート領域６を構成し、制御領域体３２は第１導波路体３１上に形成される。第２導波路体３３は分岐電子導波路２を構成し、第２導波路体３３は制御領域体３２上に形成される。量子細線導波路体３４は電子導波路１のソース領域３からゲート領域６までの領域を構成し、量子細線導波路体３４は第２導波路体３３上に形成される。
【００６９】
このように第２導波路体３３に量子細線導波路体３４を接続する簡易な構造で、しかも第２導波路体３３に対して例えば垂直方向に量子細線導波路体３４としての線材を引き出す簡易な構造で形成できるので、量子細線構造を有する量子効果デバイスが簡易に実現できる。
【００７０】
実施例５
本実施例５は量子効果デバイスにおいて分岐電子導波路が複数本構成される本発明の第５実施例である。
【００７１】
図１４は本発明の実施例５に係る量子効果デバイスの平面図である。図１４に示すように、量子効果デバイスにおいては、電子導波路１から分岐電子導波路２が複数本の分岐電子導波路２Ａ、２Ｂ及び２Ｃとして並列に分岐され、この複数本の分岐電子導波路２Ａ、２Ｂ及び２Ｃの各分岐部分には共通に又は各々独立にポテンシャル障壁が制御できるゲート領域６Ａ、６Ｂ及び６Ｃが構成される。
【００７２】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、分岐電子導波路２Ａの分岐部分つまり電子導波路１のソース領域３側の前段の分岐部分においてポテンシャル障壁による量子力学的反射で分岐電子導波路２Ａに導かれずにポテンシャル障壁を超えた電子が後段の分岐部分において量子力学的反射で分岐電子導波路２Ｂに導かれる。同様に分岐電子導波路２Ｂの分岐部分においてポテンシャル障壁による量子力学的反射で分岐電子導波路２Ｂに導かれずにポテンシャル障壁を超えた電子が後段の分岐部分において量子力学的反射で分岐電子導波路２Ｃに導かれる。すなわち、第２ドレイン領域５から放出される合計の電子数が増加できるので、量子効果デバイスの電流分岐比が合計的には向上でき、ドライバビリティが向上できる。この結果、量子効果デバイスは低電圧動作を実現できる。
【００７３】
実施例６
本実施例６は量子効果デバイスの導波路に最適な材料について説明する本発明の第６実施例である。
図１５乃至図１８は各々本発明の実施例６に係る量子効果デバイスの導波路の断面図である。
量子効果デバイスにおいては、電子導波路１及び分岐電子導波路２がIII −Ｖ族化合物半導体のヘテロ接合界面近傍に形成される二次元電子ガス系の電子移動層２３で形成される。化合物半導体においては電子密度が適当な値に制御でき、結晶欠陥がきわめて少ない単結晶薄膜が形成できるので、量子効果デバイスの動作に必要な位相緩和時間、コヒーレント長がいずれも充分に確保できる。
【００７４】
一方、IV族半導体つまりシリコンにおいては液体窒素温度以上の高温度で動作させるのに必要充分なコヒーレント長が充分に確保できない。さらに、金属においては、電子密度が高く、電子間の非弾性衝突のレートが大きく、位相緩和時間が短く、しかもコヒーレント長が短いので、電子の波動性が利用される量子効果デバイスには不適当である。金属は量子効果デバイスに使用できないことはないが、液体ヘリウム温度以下の極低温での冷却が必要であり、実用的には金属は使用できない。金属においてはまた単結晶薄膜を形成することが難しく、多結晶若しくは非晶質状態では転位、結晶欠陥等が多発し、電子の散乱の要因になるので実用的には金属が使用できない。これらの理由からも量子効果デバイスには化合物半導体が使用される。
【００７５】
図１５に示す量子効果デバイスにおいてはＧａＡｓ（ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ薄膜）２１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ２２が使用される。二次元電子ガス系の電子移動層２３はＧａＡｓ２１とｎ型ＡｌＧａＡｓ２２との間のヘテロ接合界面近傍に形成され、この電子移動層２３で電子導波路１及び分岐電子導波路２が形成される。前述の実施例１において説明したようにＧａＡｓ系の化合物半導体の製造プロセスはかなり確立されており、高温動作環境下（液体窒素温度から室温までの温度範囲）においてバンドギャップの大きさ、モビリティの大きさ、結晶作成の容易さ等の点からＧａＡｓ系の化合物半導体は量子効果デバイスに最適である。
【００７６】
図１６に示す量子効果デバイスにおいてはＩｎＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ基板又はＩｎＧａＡｓ薄膜）３５及びｎ型ＩｎＰ３６が使用される。二次元電子ガス系の電子移動層２３はＩｎＧａＡｓ３５とｎ型ＩｎＰ３６との間のヘテロ接合界面近傍に形成され、この電子移動層２３で電子導波路１及び分岐電子導波路２が形成される。ＩｎＧａＡｓ３５及びｎ型ＩｎＰ３６で構成されるヘテロ接合においては格子整合する点やバンドギャップがＧａＡｓ系の化合物半導体と同様の関係にあるので、量子効果デバイスに最適な特性が得られる。つまり、ＩｎＧａＡｓ３５、ｎ型ＩｎＰ３６はいずれも製造プロセスがかなり確立されており、結晶欠陥がきわめて少なく良質で安定なバンドギャップを有するヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層２３において電子の散乱がかなり減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層２３においてはＧａＡｓ系の化合物半導体に比べて高い電子のモビリティが得られる。
【００７７】
図１７に示す量子効果デバイスにおいてはＩｎＰからなる半絶縁性基板３７上に順次積層されたノンドープＩｎＧａＡｓ３５及びｎ型ＩｎＰ３６が使用される。二次元電子ガス系の電子移動層２３はノンドープＩｎＧａＡｓ３５とｎ型ＩｎＰ３６との間のヘテロ接合界面近傍に形成され、この電子移動層２３で電子導波路１及び分岐電子導波路２が形成される。
【００７８】
図１８に示す量子効果デバイスにおいては前述の実施例３で説明した量子効果デバイスと同様にノンドープＩｎＧａＡｓ３５及びこのノンドープＩｎＧａＡｓ３５の両面を挟み込むｎ型ＩｎＰ３６が使用される。本実施例においては一方（図１８中、下側）のｎ型ＩｎＰ３６は基板として使用されるが、基本的にはｎ型ＩｎＰ３６は薄膜として形成してもよい。中間層のノンドープＩｎＧａＡｓ３５の膜厚が厚い場合、二次元電子ガス系の電子移動層２３はノンドープＩｎＧａＡｓ３５と上側のｎ型ＩｎＰ３６との間のヘテロ接合界面近傍に形成される。中間層のノンドープＩｎＧａＡｓ３５の膜厚が薄い場合、二次元電子ガス系の電子移動層２３は実質的にノンドープＩｎＧａＡｓ３５自体で形成される。
【００７９】
実施例７
本実施例７は量子効果デバイスの導波路幅を決定する最適な構造について説明する本発明の第７実施例である。
図１９乃至図２１は各々本発明の実施例７に係る量子効果デバイスの導波路の断面図である。
【００８０】
図１９に示す量子効果デバイスにおいては、電子導波路１及び分岐電子導波路２の周囲にＭＩＳ容量構造が構成される。詳細にはＭＩＳ容量構造は電子導波路１の両側及び分岐電子導波路２の両側に沿って配置され、ＭＩＳ容量構造で形成される空乏領域２５で電子移動層２３の幅が決定され、結果的に電子導波路１及び分岐電子導波路２の幅が決定される。本実施例においてはｎ型ＡｌＧａＡｓ２２上に絶縁層４１、容量電極４０が順次積層され、ＭＩＳ容量構造は前記容量電極４０、絶縁層４１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ２２（ノンドープＧａＡｓ２１を含む）で構成される。
【００８１】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、物理的加工法で微小な凹凸が発生する加工ではなく、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々と滑らかな界面を構成する空乏領域２５で電子導波路１、分岐電子導波路２の幅が各々形成される。この結果、量子効果デバイスにおいては電子導波路１、分岐電子導波路２の各々で電子の散乱が減少できる。
【００８２】
図２０に示す量子効果デバイスにおいては、電子導波路１、分岐電子導波路２の周囲が各々凹状部に形成され、電子導波路１及び分岐電子導波路２が凸状部（島領域）４３として構成される。凸状部４３の形成にはエッチングされた壁面に少なくとも結晶損傷領域（エッチングダメージ領域）が発生するエッチング、例えばプラズマエッチング、中性粒子ビームエッチング等が使用される。つまり、凸状部４３の壁面には結晶損傷領域により形成される空乏領域２５で電子導波路１、分岐電子導波路２の幅（電子移動層２３の幅）が各々決定される。
【００８３】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、前記凸状部４３の壁面に結晶損傷領域により形成される空乏領域２５で電子導波路１、分岐電子導波路２の各々と滑らかな界面が構成される。したがって、量子効果デバイスにおいては前記電子導波路１、分岐電子導波路２の各々で電子の散乱が減少できる。
【００８４】
図２１に示す量子効果デバイスにおいては、電子導波路１及び分岐電子導波路２の周囲に不純物４４Ａが導入され、結晶損傷領域４４が形成される。不純物４４Ａの導入にはイオン打込み法が使用される。結晶損傷領域４４が形成されると空乏領域２５が電子移動層２３側に形成され、電子導波路１、分岐電子導波路２の幅が各々決定される。
【００８５】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、結晶損傷領域４４により形成される空乏領域２５で電子導波路１、分岐電子導波路２の各々と滑らかな界面が構成される。したがって、量子効果デバイスにおいては電子導波路１、分岐電子導波路２の各々で電子の散乱が減少できる。さらに、物理的加工法で電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の周囲が加工されるのではなく不純物４４Ａの導入で結晶損傷領域４４を形成し電子導波路１、分岐電子導波路２が各々形成されるので、量子効果デバイスにおいて表面の平坦化が促進できる。
【００８６】
図２２及び図２３は各々本発明の実施例７に係る他の例を示す量子効果デバイスの導波路の断面図であり、図２２は量子効果デバイスのエッチング製造工程での断面図、図２３は埋込み製造工程での断面図である。
【００８７】
図２２に示す量子効果デバイスにおいては電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の周囲に凹状部が形成され、結果的に電子導波路１、分岐電子導波路２の各々が凸状部（島領域）４３として形成される。この凸状部４３の形成には例えばプラズマエッチング等の異方性エッチングが使用される。この後、図２３に示すように量子効果デバイスにおいては前記凹状部に埋込み部材４５が充填される。充填される埋込み部材４５には基本的に凸状部４３と同質の材料例えば化合物半導体が使用される。埋込み部材４５が充填された後には通常凸状部４３の少なくとも壁面の結晶の損傷が回復できるアニールが行われる。
【００８８】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、凹状部の形成で電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の露出された壁面が埋込み部材４５の充填でバルクに近い形で復元されるので、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の壁面部分の結晶表面準位が安定化され、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々で導電性が回復できる。埋込み部材４５として電子導波路１、分岐電子導波路２のいずれかと同質の材料例えば化合物半導体が使用され、さらに前記化合物半導体を埋込み部材４５として充填した後に結晶損傷領域が回復できるアニールが行われた場合には電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の導電性の回復する割合がより一層向上できる。
【００８９】
実施例８
本実施例８は量子効果デバイスにおいてゲート領域の他の構造を説明する本発明の第８実施例である。
図２４乃至図２６は各々本発明の実施例８に係る量子効果デバイスの導波路の平面図である。
【００９０】
図２４に示す量子効果デバイスにおいては、前述の実施例１に係る量子効果デバイスと同様にゲート領域６の電子導波路１と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺を含む三角形で構成される。しかし、図２４に示すゲート領域６のサイズが若干小さく、三角形というよりは台形に近い形状でゲート領域６が構成される。
【００９１】
このように構成される量子効果デバイスにおいては電子導波路１から分岐電子導波路２に通じる導波路の幅が充分に確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に電子が流れ易くできる。この結果、量子効果デバイスにおいては電流分岐比が向上できる。
【００９２】
図２５に示す量子効果デバイスにおいては、ゲート領域６の電子導波路１と重複する部分の形状が四角形で構成される。このように構成される量子効果デバイスにおいては、電子導波路１の長さ方向にゲート領域６の長さが確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に電子を流す際の電子の第１ドレイン領域４側への突き抜けが減少できる。この結果、量子効果デバイスにおいては電流分岐比が向上できる。
【００９３】
図２６に示す量子効果デバイスにおいては、ゲート領域６の電子導波路１と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺６Ｆを含む台形で構成される。このゲート領域６の台形の上辺に相当する部分は電子導波路１の長さ方向に所定長さを有する。このように構成される量子効果デバイスにおいては、前述の実施例１、図２４に各々示す量子効果デバイスと同様に電子導波路１から分岐電子導波路２に通じる導波路の幅が充分に確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に電子が流れ易くできる。さらに、電子導波路１の長さ方向にゲート領域６の長さが確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に電子を流す際の電子の第１ドレイン領域４側への突き抜けが減少できる。この結果、量子効果デバイスにおいてはより一層電流分岐比が向上できる。
【００９４】
実施例９
本実施例９は量子効果デバイスにおいてダイオード特性に類似した電圧電流特性が得られる本発明の第９実施例である。
【００９５】
図２７は本発明の実施例９に係る量子効果デバイスの基本構造を説明する基本構造の平面図、図２８はポテンシャルエネルギとの関係で表した基本構造モデル化図である。
【００９６】
図２７及び図２８に示す量子効果デバイスにおいては、ゲート領域６で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面ＧＦが電子導波路１内において分岐電子導波路２の幅外で前記電子導波路１の第１ドレイン領域４側に配置される。量子力学的反射面ＧＦは電子流１０の流れの方向に対して垂直な面に設定される。
【００９７】
前記量子効果デバイスにおいてシミュレーションにより得られた電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を図２９に示す。図２９にはゲート領域６に印加される電圧（ゲート電圧）値に対するソース領域３−第２ドレイン領域５間電流（ソース−ドレイン間電流）値を示す。図２９に示すように、量子効果デバイスにおいては、ゲート電圧が増加しても電流が増加しない領域と、ゲート電圧の増加とともに量子力学的反射に起因して電流が増加する非線形領域と、ゲート電圧が増加しても電流が増加しない飽和領域とを有する特性が得られる。ゲート電圧が低い領域においては、電子導波路１と分岐電子導波路２との分岐部分を一旦通過した電子がゲート領域６で生成されるポテンシャル障壁を突き抜ける確率が高くなり、第２ドレイン領域４から電子が放出されると考えられる。したがって、分岐電子導波路２に導かれる電子数が減少する。ソース−ドレイン間電流量が増加すれば単純に分岐電子導波路２に導かれる電子数が増加できる。
【００９８】
このように量子効果デバイスにおいては、電子導波路１と分岐電子導波路２との分岐部分を一旦通過した電子がゲート領域６で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面に達する。量子力学的反射面で反射され分岐電子導波路２に導かれる電子が存在するものの、ゲート領域６で生成されるポテンシャル障壁を突き抜け電子導波路１を直進し第１ドレイン領域４から放出される電子数が増加する。つまり、量子効果デバイスにおいては、スイッチング特性が得られるものの、ダイオード（Ｄiode）の電圧電流特性に類似した電圧電流特性が得られる。詳細にはＭＯＳＦＥＴやＭＥＳＦＥＴの電圧電流特性よりはダイオードの電圧電流特性に近い電圧電流特性が得られる。
【００９９】
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更できる。
【０１００】
例えば、本発明においては、前記実施例１乃至実施例９に係る量子効果デバイスのうち少なくとも２以上の特徴的事項を組み合わせた量子効果デバイスを構成することができる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る量子効果デバイスにおいては、第１に、ゲートポテンシャル障壁による電子の量子力学的反射効果が使用されるので、動作に必要な可干渉距離が短くでき、高温領域での動作が実現できる。
第２に、本発明に係る量子効果デバイスにおいては、電子波が単色である必要性がなくなる。
第３に、本発明に係る量子効果デバイスにおいては、動作電流が増加でき、次段デバイスのドライバビリティが向上できる。
第４に、本発明に係る量子効果デバイスにおいては、第１導波路の第１領域と制御領域との間にポテンシャル障壁によるキャリア注入領域が設けられたので、バリスティックなキャリアがトンネル注入により制御領域に注入でき、動作速度が高速化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る量子効果デバイスの第１基本構造の平面図である。
【図２】前記量子効果デバイスの基本構造モデル化図である。
【図３】前記量子効果デバイスの電圧−電流特性図である。
【図４】前記量子効果デバイスの電圧−電流特性図である。
【図５】前記量子効果デバイスのデバイス中の電流分布図である。
【図６】前記量子効果デバイスの第２基本構造の基本構造モデル化図である。
【図７】前記量子効果デバイスの電圧−電流特性図である。
【図８】前記量子効果デバイスのバイアス電圧と電流比との関係図である。
【図９】前記量子効果デバイスの具体的構造を示す平面図である。
【図１０】前記量子効果デバイスの具体的構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施例２に係る量子効果デバイスの平面図である。
【図１２】本発明の実施例３に係る量子効果デバイスの斜視図である。
【図１３】本発明の実施例４に係る量子効果デバイスの斜視図である。
【図１４】本発明の実施例５に係る量子効果デバイスの平面図である。
【図１５】本発明の実施例６に係る量子効果デバイスの断面図である。
【図１６】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図１７】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図１８】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図１９】本発明の実施例７に係る量子効果デバイスの断面図である。
【図２０】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図２１】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図２２】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図２３】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図２４】本発明の実施例８に係る量子効果デバイスの平面図である。
【図２５】前記量子効果デバイスの他の例を示す平面図である。
【図２６】前記量子効果デバイスの他の例を示す平面図である。
【図２７】本発明の実施例９に係る量子効果デバイスの平面図である。
【図２８】前記量子効果デバイスの基本構造モデル化図である。
【図２９】前記量子効果デバイスの電圧−電流特性図である。
【符号の説明】
１ 電子導波路
２、２Ａ〜２Ｃ 分岐電子導波路
３ ソース領域
４，５ ドレイン領域
６、６Ａ〜６Ｃ ゲート領域
１０，１１，１２ 電子流
１３ 電子注入領域
２０ 半絶縁性基板
２１ ＧａＡｓ
２２ ＡｌＧａＡｓ
２３ 電子移動層
２４、２８ ショットキー制御電極
２５ 空乏領域
２６ オーミック電極
２７ コンタクト領域
３１、３３ 導波路体
３２ 制御領域体
３４ 量子細線導波路体
４０ 容量電極
４１ 絶縁層
４３ 凸状部
４４ 結晶損傷領域
４５ 埋込み部材
【産業上の利用分野】
本発明は量子効果デバイスに関する。特に本発明は、メソスコピック領域において動作し、動作に使用される電子波の単色化の必要がなく、しかも高温度領域（常温程度まで）において動作可能な量子効果デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在までに、ブラッグ反射や回折効果を利用する量子効果デバイス、Ａ−Ｂ効果型の量子効果デバイス、スタブ型の量子効果デバイス等、各種の量子効果デバイスが提案されている。これらの量子効果デバイスの動作原理には電子波の干渉、回折効果のいずれかが使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の量子効果デバイスのうちブラッグ反射や回折効果を利用する量子効果デバイスおいては非弾性散乱による位相破壊時間（位相緩和時間：phase breaking time ）内に感じる有効な周期的ポテンシャルの数が限られる。このため、位相破壊時間の長い極低温領域においてのみ良好な特性が期待される。
また、Ａ−Ｂ効果型の量子効果デバイスにおいては電子波の均等な分波が困難である。しかも、この量子効果デバイスのスイッチング特性はゲート入力に対して周期的に現れ、動作余裕度が小さい。
さらに、スタブ型の量子効果デバイス等、デバイスの形状による干渉効果を利用した量子効果デバイスにおいては動作の観測のために電子波の単色化が必要になる。このため、量子効果デバイスは極低温に冷却するなどの必要性を生じる。
本発明は、このような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、メソスコピック領域において動作し、動作に使用される電子波の単色化の必要がなく、しかも高温度領域で動作可能な量子効果デバイスの提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段及び作用】
請求項１に係る発明は、量子効果デバイスにおいて、キャリアが注入される第１領域と前記注入されたキャリアが放出される第２領域との間を連結する第１導波路と、前記第１導波路の中央部から分岐され、前記注入されたキャリアが放出される第３領域に連結された第２導波路と、前記第１導波路の第２導波路との分岐部分に構成され、ポテンシャル障壁を制御する制御領域と、を備えることを特徴とする。前記制御領域は、前記ポテンシャル障壁が低いときに前記第１導波路を通して第２領域からキャリアを放出し、前記ポテンシャル障壁が高いときに量子力学的反射によって前記第１導波路から第２導波路にキャリアを導き第３領域から前記キャリアを放出する。この構成により、第１に、量子効果デバイスにおいて、ゲートポテンシャル障壁による電子の量子力学的反射効果が使用されるので、動作に必要な可干渉距離が短くでき、高温領域での動作が実現できる。第２に、量子効果デバイスにおいて、電子波が単色である必要性がなくなるので、電子波の単色化のための付加的な構造がなくせる。また、極低温に冷却する必要がなくせる。さらに第３に、量子効果デバイスにおいて、第１導波路の第１領域と制御領域との間にポテンシャル障壁等、キャリアの流れを抑制する物体が存在しないので、動作電流が増加でき、次段デバイスのドライバビリティが向上できる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路に対して傾斜角度を有し前記第２導波路が分岐されることを特徴とする。この構成により、第１導波路に対して第２導波路が必ずしも直交しなくてもよいので、量子効果デバイスの基本的動作特性に影響を与えることなく量子効果デバイスのデザインルールの許容度が大きくできる。
【０００６】
請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路のキャリアが注入される側に鋭角の傾斜角度を有し前記第２導波路が分岐されることを特徴とする。この構成により、量子効果デバイスにおいては、第１導波路のキャリアが放出される側に鋭角の傾斜角度を有し第２導波路が分岐された場合に比べて制御領域にゼロバイアスを加えた時の電流分岐比が向上できる。
【０００７】
請求項４に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路に対して垂直方向に前記第２導波路が分岐されることを特徴とする。
【０００８】
請求項５に係る発明は、前記請求項２又は請求項４に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び前記第２導波路が同一の水平面に構成されることを特徴とする。この構成により、量子効果デバイスにおいては、半導体製造プロセスで形成される１つの結晶層に第１導波路及び第２導波路が形成できるので、第１導波路及び第２導波路においてキャリアの散乱が減少でき、キャリアのバリスティック特性が向上できる。
【０００９】
請求項６に係る発明は、前記請求項２又は請求項４に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び前記第２導波路が同一の垂直面に構成されることを特徴とする。
【００１０】
請求項７に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路の前記制御領域から第２領域までの領域を構成し、基板又は薄膜で形成される第１導波路体と、前記制御領域を構成し、前記第１導波路体上に形成される制御領域体と、前記第２導波路を構成し、前記制御領域体上に形成された第２導波路体と、前記第１導波路の前記第１領域から制御領域までの領域を構成し、前記第２導波路体上に形成される量子細線導波路体と、を備えたことを特徴とする。この構成により、第２導波路体に量子細線導波路体を接続する簡易な構造で、しかも第２導波路体に対して垂直方向に量子細線導波路体が引き出せるので、量子細線導波路構造を有する量子効果デバイスが簡易に実現できる。
【００１１】
請求項８に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路から前記第２導波路が複数本並列に分岐され、前記複数本の第２導波路の各分岐部分に各々独立にポテンシャル障壁を制御する制御領域が構成されることを特徴とする。この構成により、第１領域側の前段の分岐部分においてポテンシャル障壁による量子力学的反射で第２導波路に導かれずにポテンシャル障壁を超えたキャリアが後段の分岐部分において量子力学的反射で第２導波路に導かれるので、第３領域から放出される合計のキャリア量が増加できる。この結果、量子効果デバイスにおいては、電流分岐比が合計的には向上でき、ドライバビリティが向上できるので、低電圧動作が実現できる。
【００１２】
請求項９に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路、第２導波路が各々化合物半導体のヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガス系の電子移動層で構成されることを特徴とする。この構成により、化合物半導体においては製造プロセスがある程度確立されており、結晶欠陥がきわめて少ない良質なヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層においてキャリアの散乱が減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層が第１導波路及び第２導波路に使用されるので、高いキャリアのモビリティが得られる。すなわち、量子効果デバイスにおいてはバリスティックなキャリアが利用できる。
【００１３】
請求項１０に係る発明は、前記請求項９に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路、第２導波路が各々ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとのヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガス系の電子移動層で構成されることを特徴とする。この構成により、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓはいずれも化合物半導体のなかでも製造プロセスがかなり確立されており、結晶欠陥がきわめて少なく良質で安定なバンドギャップを有するヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層においてキャリアの散乱が減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層においては高いキャリアのモビリティが得られる。
【００１４】
請求項１１に係る発明は、前記請求項９に記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路、第２導波路が各々ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとのヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガス系の電子移動層で構成されることを特徴とする。この構成により、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰはＧａＡｓ系と同様にいずれも化合物半導体のなかでも製造プロセスがかなり確立されており、結晶欠陥がきわめて少なく良質で安定なバンドギャップを有するヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層においてキャリアの散乱が減少できる。さらに、ＧａＡｓ系に比べて二次元電子ガス系の電子移動層においては高いキャリアのモビリティが得られる。
【００１５】
請求項１２に係る発明は、前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び第２導波路の周囲にショットキー接合構造又はＭＩＳ（Ｍetal Ｉnsulator Ｓemiconductor）容量構造が構成され、前記ショットキー接合構造又はＭＩＳ容量構造で形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の幅が各々決定されることを特徴とする。この構成により、物理的加工法で微小な凹凸が発生する加工ではなく、前記第１導波路、第２導波路の各々と滑らかな界面を構成する空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の幅が各々形成される。この結果、量子効果デバイスにおいては、前記第１導波路、第２導波路の各々でキャリアの散乱が減少できる。
【００１６】
請求項１３に係る発明は、前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、エッチングされた壁面に結晶損傷領域が発生するエッチングで前記第１導波路及び第２導波路の周囲が凹状部に形成され、前記凹状部の壁面に結晶損傷領域により形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の幅が各々決定されることを特徴とする。この構成により、前記凹状部の壁面に結晶損傷領域により形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の各々と滑らかな界面が構成されるので、量子効果デバイスにおいては前記第１導波路、第２導波路の各々でキャリアの散乱が減少できる。
【００１７】
請求項１４に係る発明は、前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び第２導波路の周囲に凹状部が形成され、前記凹状部には埋込み部材が充填されることを特徴とする。この構成により、前記凹状部の形成で前記第１導波路、第２導波路の各々の露出された側面が埋込み部材の充填でバルクに近い形で復元されるので、前記第１導波路、第２導波路の各々の側面部分の結晶表面準位が安定化され、前記第１導波路、第２導波路の各々で導電性が回復できる。埋込み部材として前記第１導波路、第２導波路のいずれかと同質の材料、例えば化合物半導体が使用される場合、さらに前記化合物半導体を埋込み部材として充填した後に結晶損傷領域が回復できるアニールが行われた場合には前記第１導波路、第２導波路の各々の導電性が回復する割合が向上できる。
【００１８】
請求項１５に係る発明は、前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路及び第２導波路の周囲に不純物導入で結晶損傷領域が形成され、前記結晶損傷領域で形成される空乏領域により前記第１導波路、第２導波路の幅が各々決定されることを特徴とする。この構成により、結晶損傷領域により形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の各々と滑らかな界面が構成されるので、量子効果デバイスにおいては前記第１導波路、第２導波路の各々でキャリアの散乱が減少できる。さらに、物理的加工法で前記第１導波路及び第２導波路の周囲を加工することなく不純物導入で結晶損傷領域を形成し前記第１導波路、第２導波路が各々形成されるので、量子効果デバイスにおいて表面の平坦化が促進できる。
【００１９】
請求項１６に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域の前記第１導波路と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺を含む三角形で構成されることを特徴とする。この構成により、第１導波路から第２導波路に通じる導波路の幅（分岐部分の導波路幅）が充分に確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で第１導波路から第２導波路にキャリアが流れ易くできる。この結果、量子効果デバイスにおいては電流分岐比が向上できる。
【００２０】
請求項１７に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域の前記第１導波路と重複する部分の形状が四角形で構成されることを特徴とする。この構成により、第１導波路の長さ方向に制御領域の長さが確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で第１導波路から第２導波路にキャリアを流す際のキャリアの突き抜けが減少できる。この結果、量子効果デバイスにおいては電流分岐比が向上できる。
【００２１】
請求項１８に係る発明は、前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域の前記第１導波路と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺を含む台形で構成されることを特徴とする。この構成により、第１導波路から第２導波路に通じる導波路の幅が充分に確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で第１導波路から第２導波路にキャリアが流れ易くできる。さらに、第１導波路の長さ方向に制御領域の長さが確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で第１導波路から第２導波路にキャリアを流す際のキャリアの突き抜けが減少できる。この結果、量子効果デバイスにおいてはより一層電流分岐比が向上できる。
【００２２】
請求項１９に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項１６、請求項１７、請求項１８のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面が第１導波路内において前記第２導波路の幅内に配置されることを特徴とする。この構成により、ポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する電圧が制御領域に印加されることで第１導波路に流れるキャリアが第２導波路に導かれるので、量子効果デバイスにおいて電圧制御で電流変調特性が得られる。つまり、量子効果デバイスにおいてＭＥＳＦＥＴ（Ｍetal Ｓchottky Ｆield Ｅffect Ｔransistor ）の電圧電流特性に類似した電圧電流特性が得られる。
【００２３】
請求項２０に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項１７のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面が第１導波路内において前記第２導波路の幅外で前記第１導波路の第２領域側に配置されることを特徴とする。この構成により、量子効果デバイスにおいては、第１導波路と第２導波路との分岐部分を一旦通過したキャリアが前記制御領域で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面に達する。したがって、量子力学的反射面で反射され第２導波路に導かれるキャリアが存在するものの、制御領域で生成されるポテンシャル障壁を突き抜け第１導波路を直進し第２領域から放出される電子量が増加する。つまり、量子効果デバイスにおいては、スイッチング特性が得られるものの、ダイオード（Ｄiode）の電圧電流特性に類似した電圧電流特性が得られる。
【００２４】
請求項２１に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項３、請求項８、請求項９、請求項１９、請求項２０のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路の全長が１００ｎｍ以下のサイズに設定され、前記第１導波路の幅が１００ｎｍ以下のサイズに設定されることを特徴とする。この構成により、室温（約３００度Ｋ）以下の温度で動作可能なコヒーレント長の範囲内において量子効果デバイスが実現できる。
【００２５】
請求項２２に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項８、請求項９、請求項１６、請求項１７、請求項１８、請求項１９、請求項２０、請求項２１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記制御領域にはバリスティック（ballistic ）なキャリアが注入されることを特徴とする。この構成により、バリスティックなキャリアは高いエネルギを有し、キャリアの流れが速くできるので、量子効果デバイスにおいて動作速度が高速化できる。
【００２６】
請求項２３に係る発明は、前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項８、請求項９、請求項１６、請求項１７、請求項１８、請求項１９、請求項２０、請求項２１、請求項２２のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、前記第１導波路の第１領域から前記制御領域までの間に構成され、単一のポテンシャル障壁又は共鳴トンネル構造で形成されるキャリア注入領域を備え、前記キャリア注入領域はバリスティックなキャリアをトンネル注入により制御領域に注入することを特徴とする。この構成により、前記キャリア注入領域のポテンシャル障壁で低いエネルギを有するキャリアが排除され高いエネルギを有するバリスティックなキャリアがトンネル注入により制御領域に注入される。この結果、キャリアの流れが速くできるので、量子効果デバイスにおいて動作速度が高速化できる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例について、図面に基づき説明する。
【００２８】
実施例１
〈量子効果デバイスの第１基本構造及び動作原理〉
図１は本発明の実施例１に係る量子効果デバイスの第１基本構造を説明する平面図、図２はポテンシャルエネルギとの関係で表した基本構造モデル化図である。
【００２９】
図１及び図２に示すように、量子効果デバイス（量子効果素子）は電子導波路１、分岐電子導波路２、ソース領域（Ｓ）３、第１ドレイン領域（Ｄ１）４、第２ドレイン領域（Ｄ２）５、ゲート領域（制御領域）６及び電子注入領域（電子注入構造）１３を主体に構成される。
【００３０】
この量子効果デバイスは本実施例においてＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓを材料として構成される。前記電子導波路１、分岐電子導波路２は各々ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの間のヘテロ接合界面付近に生成される二次元電子ガス系の電子移動層によって形成される。電子（少数キャリア）の有効質量は０. ０６７ｍｅである。また、各領域の電極は極低温領域よりも高い温度領域に設定される。例えば量子効果デバイスは液体窒素温度で冷却され、各領域の電極は７７度Ｋの温度に設定される。
【００３１】
前記電子導波路１の一端はソース領域３に連結される。電子導波路１の他端は第１ドレイン領域４に連結される。この電子導波路１の中央部分は分岐され、分岐電子導波路２の一端が分岐された部分に連結される。分岐電子導波路２の他端は第２ドレイン領域５に連結される。本実施例の量子効果デバイスにおいては、分岐電子導波路２の中心軸が前記電子導波路１の中心軸に対して垂直の角度（９０度）をなして配置され（電子導波路１に対して分岐電子導波路２が垂直に分岐され）、Ｔ字型形状で構成される。
【００３２】
前記ゲート領域６は電子導波路１の分岐電子導波路２との分岐部分に構成される。このゲート領域６においては図２に示すように印加される電圧によってゲートポテンシャル障壁Ｇｐの制御が行える。ゲートポテンシャル障壁Ｇｐが低く制御された場合には、ソース領域３から電子注入領域１３を通して注入される電子流（電子波）１０がゲートポテンシャル障壁Ｇｐを越え、電子導波路１を通過電子流１１として伝達し第１ドレイン領域４から電子が放出される。また、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐが高く制御された場合には、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射によって注入された電子流１０が反射され、反射電子流１２として分岐電子導波路２を通して第２ドレイン領域５から電子が放出される。ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによって形成される量子力学的反射面ＧＦにおいては注入される電子流１０とのなす入射角、反射電子流１２とのなす反射角がいずれも４５度又は１３５度になる。
【００３３】
前記ゲート領域６の電子導波路１と重複する部分の形状はゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射面ＧＦを生成する傾斜辺６Ｆを含む三角形で構成される。前記ゲート領域６が三角形で構成された場合には電子導波路１から分岐電子導波路２に通じる導波路幅（分岐部分の導波路幅）が充分に確保できる。つまり、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に流れる電子流が流れ易くできるので、電流分岐比が向上できる。
【００３４】
さらに、前記ゲート領域６においては、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射面ＧＦが電子導波路１内において分岐電子導波路２の幅内に配置される。ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射面ＧＦを生成する電圧がゲート領域６に印加されることで分岐点において電子導波路１に流れる電子流１０が分岐電子導波路２に導かれるので、量子効果デバイスにおいては電圧制御で電流変調特性が得られる。
【００３５】
前記電子注入領域１３は電子導波路１においてソース領域３からゲート領域６までの間に構成される。電子注入領域１３は単一のポテンシャル障壁を利用して形成され、例えばポテンシャル障壁が０. １ｅＶに、幅Ｐｗが４ｎｍに各々設定される。電子注入領域１３においては、ポテンシャル障壁で低いエネルギを有する電子が排除され、高いエネルギを有するバリスティックな電子がトンネル注入により（トンネル電流として又は注入された電子流１０として）ゲート領域６に注入される。
【００３６】
量子効果デバイスのデバイス寸法が充分に小さいので、前記電子注入領域１３によりバリスティックな高エネルギの電子流１０がゲート領域６に注入できる。この結果、１０〜１００ｍｅＶの比較的高いエネルギの電子がソース領域３から注入された場合においてもゲート領域６における光学フォノンによる非弾性散乱、及び電子−電子間の非弾性散乱を受ける確率が小さい。したがって、電子波（電子流）がゲート領域６に渡ってコヒーレントであるように、温度制御などにより位相破壊時間を制御することによって（本実施例では位相破壊時間を１．０ｐｓｅｃに制御することによって）デバイスに流れる電子波（電子流）が制御できる。
【００３７】
本実施例の量子効果デバイスにおいては、例えば図２に示す電子導波路１の導波路長Ｌｔが４０ｎｍに、電子導波路１の導波路幅（ゲート領域６の幅）Ｌｗが１０ｎｍに、ゲート領域６の最大長さＬｇが１０ｎｍに各々設定される。量子効果デバイスが室温（約３００度Ｋ）において動作し得るコヒーレント長の範囲内にゲート長を設定するためには、電子導波路１の導波路長Ｌｔは１００ｎｍ以下に、電子導波路１の導波路幅Ｌｗは１００ｎｍ以下に各々設定される。なお、図２中、符号Ｂｐはバイアスポテンシャルである。
【００３８】
次に、前記量子効果デバイスの動作原理について説明する。
（１）量子効果デバイスのソース領域３から電子導波路１を通してゲート領域６に高いエネルギをもった電子が注入される。
（２）注入された電子（電子流１０）の一部は電子導波路１の分岐部分つまり分岐電子導波路２との交差部においてゲートポテンシャル障壁による量子力学的反射によって反射（屈折）される。
（３）このとき、ゲート領域６の最大長さＬｇが例えば１０ｎｍ程度の大きさに設定された場合には電子流１０はバリスティックな伝導が支配的になる。つまり、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐが低いときには電子導波路１から分岐電子導波路２へ進路を変える電子が少なく、電子の大半がゲートポテンシャル障壁Ｇｐを越え、通過電子流１１として第１ドレイン領域４から電子が放出される。
（４）また、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐを高めるにしたがって、電子導波路１から分岐電子導波路２へ進路を切り替える電子が増加する。つまり、電子導波路１に注入された電子流１０はゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる量子力学的反射によって分岐電子導波路２側に反射され、反射電子流１２として第２ドレイン領域５から電子が放出される。
（５）さらに、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐが充分に高くなるとほとんどの電子が量子力学的反射で反射され、電子導波路１から分岐電子導波路２へ電子の進路が切り替わり、反射電子流１２として第２ドレイン領域５から電子が放出される。このとき、反射される電子数は飽和し、電流値も飽和する。
【００３９】
前記量子効果デバイスにおいてシミュレーションにより得られた電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を図３及び図４に示す。図３にはゲート領域６に印加される電圧（ゲート電圧）値に対するソース領域３−第２ドレイン領域５間電流（ソース−ドレイン間電流）値を示す。図４にはゲート領域６に印加される電圧値に対するソース領域３−第１ドレイン領域４間電流値を示す。
【００４０】
図３に示すように、量子効果デバイスにおいては、電圧の増加とともに量子力学的反射に起因して電流が増加する非線形領域と、電圧が増加しても電流が増加しない飽和領域とを有する特性が得られる。この点において、量子効果デバイスはＭＯＳＦＥＴ（Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor Ｆield Ｅffect Ｔransistor ）、ＭＥＳＦＥＴ等のスイッチング素子に近似する動作特性が得られる。
【００４１】
さらに、図４に示すように、量子効果デバイスにおいては、電圧の増加とともに電流が減少し、量子力学的に反射が行われている事実が確認できる。
【００４２】
図５は前記量子効果デバイスにおいてデバイス中の電流分布の一部のみを取り出した電流分布図である。なお、図５に示す矢印は電子の流れを表しており、電流の流れる方向は電子の流れと反対方向になる。
【００４３】
前記量子効果デバイスにおいてはＦ. Ｓols 等によるＱ. Ｍ. Ｔ（Ｑuantum Ｍodulated Ｔransistor ）型量子効果デバイスに構造が類似している。しかしながら、Ｑ. Ｍ. Ｔ型量子効果デバイスは分岐電子導波路２に相当する導波路の末端が空乏領域になっており電流が流れない構造の点及び動作原理が相違する点において前記量子効果デバイスとはまったく異なる。
【００４４】
このように、量子効果デバイスにおいては、ゲートポテンシャル障壁Ｇｐによる電子の量子力学的反射効果が使用され、動作に必要な可干渉距離がゲート領域６の最大長さＬｇ程度、具体的には１０ｎｍ程度に短くできるので、かなりの高温領域（７７Ｋ以上）での動作が行える。
【００４５】
さらに、量子効果デバイスにおいては、電子波が単色である必要性もないので、電子波の単色化のための付加的な構造の必要性がない。
【００４６】
〈量子効果デバイスの第２基本構造及び動作原理〉
次に、量子効果デバイスの第２基本構造について図６を使用し説明する。図６はポテンシャルエネルギとの関係で表した基本構造モデル化図である。この第２基本構造の量子効果デバイスは動作電流が増加できる特徴を有する。
【００４７】
図６に示すように、量子効果デバイスにおいては前述の第１基本構造と基本的には同一の構造を有するが、電子導波路１のソース領域３側の電子注入領域１３が省略され、量子効果デバイスは簡易な構造で構成される。前記電子注入領域１３はポテンシャル障壁で形成され、トンネル効果でゲート領域６に電子（電子流１０）が注入されるが、電子注入領域１３が省略されると量子効果デバイスの動作電流が増加できる。つまり、この第２基本構造で形成される量子効果デバイスは動作電流が増加できるので、次段のデバイスの駆動能力（ドライバビリティ）が向上できる。また、量子効果デバイスにおいては次段デバイスの動作速度の高速化が図れる。
【００４８】
前記第２基本構造で形成される量子効果デバイスについて、シミュレーションにより得られた電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を図７に示す。図７にはゲート領域６に印加される電圧（ゲート電圧）値に対するソース領域３−第２ドレイン領域５間電流（ソース−ドレイン間電流）値を示す。第２基本構造で形成される量子効果デバイスにおいては前記第１基本構造で形成される量子効果デバイスの動作電流に対して動作電流が数十倍程度増加できる。
【００４９】
〈量子効果デバイスの動作特性改善〉
前述の第１基本構造で形成される量子効果デバイス、第２基本構造で形成される量子効果デバイスにおいては各々ゲート領域６に印加される電圧（ゲート電圧）が０Ｖにおいてもオフセット電流が存在する。このオフセット電流を減少する対策としては、デバイスの構造の各種寸法、注入する電子のエネルギ量（バイアス電圧）が各々最適化される。
【００５０】
前記第２基本構造で形成される量子効果デバイスにおいて、ゲート電圧を０Ｖとし、バイアス電圧の変化（注入される電子のエネルギの変化）に対する分岐電子導波路２を流れる電流／トータルの電流の電流比の変化を図８に示す。図８に示すように、バイアス電圧が増加していくと電流比が０. １５程度で飽和する傾向がみられる。また、バイアス電圧が減少し０Ｖになると電流比が０. ４に収束し、電流比は０. ５にならない。このような特性は量子力学的効果と考えられる。この電流比をより小さく制御することにより、量子効果デバイスにおいてオフセット電流が防止できる。
【００５１】
〈量子効果デバイスの具体的構造〉
図９は前記第２基本構造に基づいて形成された具体的な量子効果デバイスの平面図、図１０は断面図である。
【００５２】
図９及び図１０に示すように、量子効果デバイスにおいてはＧａＡｓ基板からなる半絶縁性基板２０が使用される。半絶縁性基板２０上にはノンドープＧａＡｓ２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ２２が順次積層される。ノンドープＧａＡｓ２１とｎ型ＡｌＧａＡｓ２２との間のヘテロ接合界面付近には二次元電子ガス系の電子移動層２３が形成される。この電子移動層２３は量子効果デバイスの電子導波路１及び分岐電子導波路２を構成する。
【００５３】
ＧａＡｓ系の化合物半導体の製造プロセスはある程度確立されており、結晶欠陥がきわめて少ない良質なヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層２３において電子の散乱が減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層２３が電子導波路１及び分岐電子導波路２に使用されるので高い電子のモビリティが得られ、量子効果デバイスにおいてはバリスティックな電子が利用できる。
【００５４】
特に化合物半導体のなかでもＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓはいずれも製造プロセスがかなり確立されており、結晶欠陥がきわめて少なく良質で安定なバンドギャップを有するヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層２３において電子の散乱がかなり減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層２３においては比較的高い電子のモビリティが得られる。
【００５５】
さらに、前記電子導波路１、分岐電子導波路２はいずれもノンドープＧａＡｓ２１とｎ型ＡｌＧａＡｓ２２との間のヘテロ接合界面近傍において二次元電子ガス系の電子移動層２３に形成され、電子導波路１及び分岐電子導波路２は同一の水平面に構成される。半導体製造プロセスで形成される良質な１つの結晶層つまりノンドープＧａＡｓ２１中に電子導波路１及び分岐電子導波路２が形成されるので、電子導波路１及び分岐電子導波路２においては電子の散乱が減少でき、電子のバリスティック特性が向上できる。
【００５６】
前記電子導波路１、分岐電子導波路２の周囲には各々ショットキー接合構造が構成される。詳細には電子導波路１の幅を決定する周囲に及び分岐電子導波路２の幅を決定する周囲において各々ショットキー接合構造が構成される。ショットキー接合構造はｎ型ＡｌＧａＡｓ２２及びこのｎ型ＡｌＧａＡｓ２２上に配置されたショットキー制御電極２４で構成される。ショットキー接合構造においてはｎ型ＡｌＧａＡｓ２２とショットキー制御電極２４との界面からｎ型ＡｌＧａＡｓ２２側に空乏領域２５が形成でき、この空乏領域２５が電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の幅を決定する。空乏領域２５においては、物理的加工法で微小な凹凸が発生する加工ではなく電子導波路１、分岐電子導波路２の各々（電子移動層２３）と滑らかな界面で接触し、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の幅が決定される。つまり、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々において電子の散乱が減少できる。
【００５７】
前記量子効果デバイスのソース領域３、第１ドレイン領域４、第２ドレイン領域５には各々オーミック電極（ソース電極、第１ドレイン電極及び第２ドレイン電極）２６が構成される。オーミック電極２６はｎ型ＡｌＧａＡｓ２２上に直接接触され、オーミック電極２６はｎ型ＡｌＧａＡｓ２２の表面から半絶縁性基板２０に達するコンタクト領域（半導体領域）２７に電気的に接続される。コンタクト領域２７は例えばイオン打込み法で不純物イオンを導入し導入された不純物イオンを活性化することにより形成される。
【００５８】
前記ゲート領域６はゲート電極（反射ゲート）２８で構成される。ゲート電極２８は電子導波路１の領域内（電子導波路１の領域上）においてｎ型ＡｌＧａＡｓ２２に直接接触させたショットキー制御電極で構成される。ゲート電極２８は電子導波路１の周囲においてショットキー制御電極２４上に引き出される。ゲート電極２８とショットキー制御電極２４との間においては絶縁層２９が形成され、両者間の絶縁分離がなされている。
【００５９】
前記ソース領域３と第２ドレイン領域５との間、第１ドレイン領域４と第２ドレイン領域５との間には各々アイソレーション領域３０が構成される。アイソレーション領域３０は半導体領域又は絶縁体で構成され、電子の漏れの原因になる導通経路（リークパス）をなくすことができる。
【００６０】
実施例２
本実施例２は量子効果デバイスにおいて電子導波路から傾斜角度をもって分岐電子導波路が分岐される本発明の第２実施例である。
【００６１】
図１１は本発明の実施例２に係る量子効果デバイスの平面図である。図１１に示すように、量子効果デバイスにおいては、電子導波路１から傾斜角度をもって分岐電子導波路２が分岐される。つまり、電子導波路１に対して分岐電子導波路２が必ずしも直交しなくてもよいので、量子効果デバイスの基本的動作特性に影響を与えることなく量子効果デバイスのデザインルールの許容度が大きくできる。
【００６２】
さらに、前記分岐電子導波路２はソース領域３側に（電子が注入される側に）９０度未満の鋭角の傾斜角度をもって電子導波路１から分岐される。このように構成される量子効果デバイスにおいては、電子導波路１の第１ドレイン領域４側に鋭角の傾斜角度をもって分岐電子導波路２が分岐された場合に比べてゲート領域６にゼロバイアスを加えた時の電流分岐比が向上できる。
【００６３】
実施例３
本実施例３は量子効果デバイスにおいて電子導波路及び分岐電子導波路が同一の垂直面に構成される本発明の第３実施例である。
【００６４】
図１２は本発明の実施例３に係る量子効果デバイスの斜視図である。図１２に示すように、量子効果デバイスにおいては電子導波路１及び分岐電子導波路２が同一の垂直面に構成される。つまり、垂直面として形成されたノンドープＧａＡｓ２１の両面がｎ型ＡｌＧａＡｓ２２で挟み込まれ、この挟み込まれたノンドープＧａＡｓ２１に二次元電子ガス系の電子移動層２３が形成され、この電子移動層２３で電子導波路１及び分岐電子導波路２が構成される。
【００６５】
ノンドープＧａＡｓ２１の膜厚が例えば１０ｎｍ程度に薄く設定される場合にはノンドープＧａＡｓ２１自体が二次元電子ガス系の電子移動層２３として機能する。半絶縁性基板２０上にノンドープＧａＡｓ２１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ２２が順次積層される構造と異なり、ノンドープＧａＡｓ２１の両面がｎ型ＡｌＧａＡｓ２２で挟み込まれる特殊な構造においては電子導波路１の両側にゲート領域６が各々の配置でき、この両側のゲート領域６で電子流１０が制御できる。
【００６６】
実施例４
本実施例４は量子効果デバイスにおいて量子細線導波路構造が採用される本発明の第４実施例である。
【００６７】
図１３は本発明の実施例４に係る量子細線構造が採用される量子効果デバイスの斜視図である。図１３に示すように、量子細線構造が採用される量子効果デバイスは第１導波路体３１、制御領域体３２、第２導波路体３３及び量子細線導波路体３４で構成される。
【００６８】
第１導波路体３１は電子導波路１のゲート領域６から第１ドレイン領域４までの間の導波路を構成し、この第１導波路体３１は化合物半導体基板又は基板上に積層された化合物半導体薄膜で構成される。制御領域体３２はゲート領域６を構成し、制御領域体３２は第１導波路体３１上に形成される。第２導波路体３３は分岐電子導波路２を構成し、第２導波路体３３は制御領域体３２上に形成される。量子細線導波路体３４は電子導波路１のソース領域３からゲート領域６までの領域を構成し、量子細線導波路体３４は第２導波路体３３上に形成される。
【００６９】
このように第２導波路体３３に量子細線導波路体３４を接続する簡易な構造で、しかも第２導波路体３３に対して例えば垂直方向に量子細線導波路体３４としての線材を引き出す簡易な構造で形成できるので、量子細線構造を有する量子効果デバイスが簡易に実現できる。
【００７０】
実施例５
本実施例５は量子効果デバイスにおいて分岐電子導波路が複数本構成される本発明の第５実施例である。
【００７１】
図１４は本発明の実施例５に係る量子効果デバイスの平面図である。図１４に示すように、量子効果デバイスにおいては、電子導波路１から分岐電子導波路２が複数本の分岐電子導波路２Ａ、２Ｂ及び２Ｃとして並列に分岐され、この複数本の分岐電子導波路２Ａ、２Ｂ及び２Ｃの各分岐部分には共通に又は各々独立にポテンシャル障壁が制御できるゲート領域６Ａ、６Ｂ及び６Ｃが構成される。
【００７２】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、分岐電子導波路２Ａの分岐部分つまり電子導波路１のソース領域３側の前段の分岐部分においてポテンシャル障壁による量子力学的反射で分岐電子導波路２Ａに導かれずにポテンシャル障壁を超えた電子が後段の分岐部分において量子力学的反射で分岐電子導波路２Ｂに導かれる。同様に分岐電子導波路２Ｂの分岐部分においてポテンシャル障壁による量子力学的反射で分岐電子導波路２Ｂに導かれずにポテンシャル障壁を超えた電子が後段の分岐部分において量子力学的反射で分岐電子導波路２Ｃに導かれる。すなわち、第２ドレイン領域５から放出される合計の電子数が増加できるので、量子効果デバイスの電流分岐比が合計的には向上でき、ドライバビリティが向上できる。この結果、量子効果デバイスは低電圧動作を実現できる。
【００７３】
実施例６
本実施例６は量子効果デバイスの導波路に最適な材料について説明する本発明の第６実施例である。
図１５乃至図１８は各々本発明の実施例６に係る量子効果デバイスの導波路の断面図である。
量子効果デバイスにおいては、電子導波路１及び分岐電子導波路２がIII −Ｖ族化合物半導体のヘテロ接合界面近傍に形成される二次元電子ガス系の電子移動層２３で形成される。化合物半導体においては電子密度が適当な値に制御でき、結晶欠陥がきわめて少ない単結晶薄膜が形成できるので、量子効果デバイスの動作に必要な位相緩和時間、コヒーレント長がいずれも充分に確保できる。
【００７４】
一方、IV族半導体つまりシリコンにおいては液体窒素温度以上の高温度で動作させるのに必要充分なコヒーレント長が充分に確保できない。さらに、金属においては、電子密度が高く、電子間の非弾性衝突のレートが大きく、位相緩和時間が短く、しかもコヒーレント長が短いので、電子の波動性が利用される量子効果デバイスには不適当である。金属は量子効果デバイスに使用できないことはないが、液体ヘリウム温度以下の極低温での冷却が必要であり、実用的には金属は使用できない。金属においてはまた単結晶薄膜を形成することが難しく、多結晶若しくは非晶質状態では転位、結晶欠陥等が多発し、電子の散乱の要因になるので実用的には金属が使用できない。これらの理由からも量子効果デバイスには化合物半導体が使用される。
【００７５】
図１５に示す量子効果デバイスにおいてはＧａＡｓ（ＧａＡｓ基板又はＧａＡｓ薄膜）２１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ２２が使用される。二次元電子ガス系の電子移動層２３はＧａＡｓ２１とｎ型ＡｌＧａＡｓ２２との間のヘテロ接合界面近傍に形成され、この電子移動層２３で電子導波路１及び分岐電子導波路２が形成される。前述の実施例１において説明したようにＧａＡｓ系の化合物半導体の製造プロセスはかなり確立されており、高温動作環境下（液体窒素温度から室温までの温度範囲）においてバンドギャップの大きさ、モビリティの大きさ、結晶作成の容易さ等の点からＧａＡｓ系の化合物半導体は量子効果デバイスに最適である。
【００７６】
図１６に示す量子効果デバイスにおいてはＩｎＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ基板又はＩｎＧａＡｓ薄膜）３５及びｎ型ＩｎＰ３６が使用される。二次元電子ガス系の電子移動層２３はＩｎＧａＡｓ３５とｎ型ＩｎＰ３６との間のヘテロ接合界面近傍に形成され、この電子移動層２３で電子導波路１及び分岐電子導波路２が形成される。ＩｎＧａＡｓ３５及びｎ型ＩｎＰ３６で構成されるヘテロ接合においては格子整合する点やバンドギャップがＧａＡｓ系の化合物半導体と同様の関係にあるので、量子効果デバイスに最適な特性が得られる。つまり、ＩｎＧａＡｓ３５、ｎ型ＩｎＰ３６はいずれも製造プロセスがかなり確立されており、結晶欠陥がきわめて少なく良質で安定なバンドギャップを有するヘテロ接合界面が形成できるので、二次元電子ガス系の電子移動層２３において電子の散乱がかなり減少できる。さらに、二次元電子ガス系の電子移動層２３においてはＧａＡｓ系の化合物半導体に比べて高い電子のモビリティが得られる。
【００７７】
図１７に示す量子効果デバイスにおいてはＩｎＰからなる半絶縁性基板３７上に順次積層されたノンドープＩｎＧａＡｓ３５及びｎ型ＩｎＰ３６が使用される。二次元電子ガス系の電子移動層２３はノンドープＩｎＧａＡｓ３５とｎ型ＩｎＰ３６との間のヘテロ接合界面近傍に形成され、この電子移動層２３で電子導波路１及び分岐電子導波路２が形成される。
【００７８】
図１８に示す量子効果デバイスにおいては前述の実施例３で説明した量子効果デバイスと同様にノンドープＩｎＧａＡｓ３５及びこのノンドープＩｎＧａＡｓ３５の両面を挟み込むｎ型ＩｎＰ３６が使用される。本実施例においては一方（図１８中、下側）のｎ型ＩｎＰ３６は基板として使用されるが、基本的にはｎ型ＩｎＰ３６は薄膜として形成してもよい。中間層のノンドープＩｎＧａＡｓ３５の膜厚が厚い場合、二次元電子ガス系の電子移動層２３はノンドープＩｎＧａＡｓ３５と上側のｎ型ＩｎＰ３６との間のヘテロ接合界面近傍に形成される。中間層のノンドープＩｎＧａＡｓ３５の膜厚が薄い場合、二次元電子ガス系の電子移動層２３は実質的にノンドープＩｎＧａＡｓ３５自体で形成される。
【００７９】
実施例７
本実施例７は量子効果デバイスの導波路幅を決定する最適な構造について説明する本発明の第７実施例である。
図１９乃至図２１は各々本発明の実施例７に係る量子効果デバイスの導波路の断面図である。
【００８０】
図１９に示す量子効果デバイスにおいては、電子導波路１及び分岐電子導波路２の周囲にＭＩＳ容量構造が構成される。詳細にはＭＩＳ容量構造は電子導波路１の両側及び分岐電子導波路２の両側に沿って配置され、ＭＩＳ容量構造で形成される空乏領域２５で電子移動層２３の幅が決定され、結果的に電子導波路１及び分岐電子導波路２の幅が決定される。本実施例においてはｎ型ＡｌＧａＡｓ２２上に絶縁層４１、容量電極４０が順次積層され、ＭＩＳ容量構造は前記容量電極４０、絶縁層４１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ２２（ノンドープＧａＡｓ２１を含む）で構成される。
【００８１】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、物理的加工法で微小な凹凸が発生する加工ではなく、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々と滑らかな界面を構成する空乏領域２５で電子導波路１、分岐電子導波路２の幅が各々形成される。この結果、量子効果デバイスにおいては電子導波路１、分岐電子導波路２の各々で電子の散乱が減少できる。
【００８２】
図２０に示す量子効果デバイスにおいては、電子導波路１、分岐電子導波路２の周囲が各々凹状部に形成され、電子導波路１及び分岐電子導波路２が凸状部（島領域）４３として構成される。凸状部４３の形成にはエッチングされた壁面に少なくとも結晶損傷領域（エッチングダメージ領域）が発生するエッチング、例えばプラズマエッチング、中性粒子ビームエッチング等が使用される。つまり、凸状部４３の壁面には結晶損傷領域により形成される空乏領域２５で電子導波路１、分岐電子導波路２の幅（電子移動層２３の幅）が各々決定される。
【００８３】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、前記凸状部４３の壁面に結晶損傷領域により形成される空乏領域２５で電子導波路１、分岐電子導波路２の各々と滑らかな界面が構成される。したがって、量子効果デバイスにおいては前記電子導波路１、分岐電子導波路２の各々で電子の散乱が減少できる。
【００８４】
図２１に示す量子効果デバイスにおいては、電子導波路１及び分岐電子導波路２の周囲に不純物４４Ａが導入され、結晶損傷領域４４が形成される。不純物４４Ａの導入にはイオン打込み法が使用される。結晶損傷領域４４が形成されると空乏領域２５が電子移動層２３側に形成され、電子導波路１、分岐電子導波路２の幅が各々決定される。
【００８５】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、結晶損傷領域４４により形成される空乏領域２５で電子導波路１、分岐電子導波路２の各々と滑らかな界面が構成される。したがって、量子効果デバイスにおいては電子導波路１、分岐電子導波路２の各々で電子の散乱が減少できる。さらに、物理的加工法で電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の周囲が加工されるのではなく不純物４４Ａの導入で結晶損傷領域４４を形成し電子導波路１、分岐電子導波路２が各々形成されるので、量子効果デバイスにおいて表面の平坦化が促進できる。
【００８６】
図２２及び図２３は各々本発明の実施例７に係る他の例を示す量子効果デバイスの導波路の断面図であり、図２２は量子効果デバイスのエッチング製造工程での断面図、図２３は埋込み製造工程での断面図である。
【００８７】
図２２に示す量子効果デバイスにおいては電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の周囲に凹状部が形成され、結果的に電子導波路１、分岐電子導波路２の各々が凸状部（島領域）４３として形成される。この凸状部４３の形成には例えばプラズマエッチング等の異方性エッチングが使用される。この後、図２３に示すように量子効果デバイスにおいては前記凹状部に埋込み部材４５が充填される。充填される埋込み部材４５には基本的に凸状部４３と同質の材料例えば化合物半導体が使用される。埋込み部材４５が充填された後には通常凸状部４３の少なくとも壁面の結晶の損傷が回復できるアニールが行われる。
【００８８】
このように構成される量子効果デバイスにおいては、凹状部の形成で電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の露出された壁面が埋込み部材４５の充填でバルクに近い形で復元されるので、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の壁面部分の結晶表面準位が安定化され、電子導波路１、分岐電子導波路２の各々で導電性が回復できる。埋込み部材４５として電子導波路１、分岐電子導波路２のいずれかと同質の材料例えば化合物半導体が使用され、さらに前記化合物半導体を埋込み部材４５として充填した後に結晶損傷領域が回復できるアニールが行われた場合には電子導波路１、分岐電子導波路２の各々の導電性の回復する割合がより一層向上できる。
【００８９】
実施例８
本実施例８は量子効果デバイスにおいてゲート領域の他の構造を説明する本発明の第８実施例である。
図２４乃至図２６は各々本発明の実施例８に係る量子効果デバイスの導波路の平面図である。
【００９０】
図２４に示す量子効果デバイスにおいては、前述の実施例１に係る量子効果デバイスと同様にゲート領域６の電子導波路１と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺を含む三角形で構成される。しかし、図２４に示すゲート領域６のサイズが若干小さく、三角形というよりは台形に近い形状でゲート領域６が構成される。
【００９１】
このように構成される量子効果デバイスにおいては電子導波路１から分岐電子導波路２に通じる導波路の幅が充分に確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に電子が流れ易くできる。この結果、量子効果デバイスにおいては電流分岐比が向上できる。
【００９２】
図２５に示す量子効果デバイスにおいては、ゲート領域６の電子導波路１と重複する部分の形状が四角形で構成される。このように構成される量子効果デバイスにおいては、電子導波路１の長さ方向にゲート領域６の長さが確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に電子を流す際の電子の第１ドレイン領域４側への突き抜けが減少できる。この結果、量子効果デバイスにおいては電流分岐比が向上できる。
【００９３】
図２６に示す量子効果デバイスにおいては、ゲート領域６の電子導波路１と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺６Ｆを含む台形で構成される。このゲート領域６の台形の上辺に相当する部分は電子導波路１の長さ方向に所定長さを有する。このように構成される量子効果デバイスにおいては、前述の実施例１、図２４に各々示す量子効果デバイスと同様に電子導波路１から分岐電子導波路２に通じる導波路の幅が充分に確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に電子が流れ易くできる。さらに、電子導波路１の長さ方向にゲート領域６の長さが確保できるので、ポテンシャル障壁による量子力学的反射で電子導波路１から分岐電子導波路２に電子を流す際の電子の第１ドレイン領域４側への突き抜けが減少できる。この結果、量子効果デバイスにおいてはより一層電流分岐比が向上できる。
【００９４】
実施例９
本実施例９は量子効果デバイスにおいてダイオード特性に類似した電圧電流特性が得られる本発明の第９実施例である。
【００９５】
図２７は本発明の実施例９に係る量子効果デバイスの基本構造を説明する基本構造の平面図、図２８はポテンシャルエネルギとの関係で表した基本構造モデル化図である。
【００９６】
図２７及び図２８に示す量子効果デバイスにおいては、ゲート領域６で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面ＧＦが電子導波路１内において分岐電子導波路２の幅外で前記電子導波路１の第１ドレイン領域４側に配置される。量子力学的反射面ＧＦは電子流１０の流れの方向に対して垂直な面に設定される。
【００９７】
前記量子効果デバイスにおいてシミュレーションにより得られた電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を図２９に示す。図２９にはゲート領域６に印加される電圧（ゲート電圧）値に対するソース領域３−第２ドレイン領域５間電流（ソース−ドレイン間電流）値を示す。図２９に示すように、量子効果デバイスにおいては、ゲート電圧が増加しても電流が増加しない領域と、ゲート電圧の増加とともに量子力学的反射に起因して電流が増加する非線形領域と、ゲート電圧が増加しても電流が増加しない飽和領域とを有する特性が得られる。ゲート電圧が低い領域においては、電子導波路１と分岐電子導波路２との分岐部分を一旦通過した電子がゲート領域６で生成されるポテンシャル障壁を突き抜ける確率が高くなり、第２ドレイン領域４から電子が放出されると考えられる。したがって、分岐電子導波路２に導かれる電子数が減少する。ソース−ドレイン間電流量が増加すれば単純に分岐電子導波路２に導かれる電子数が増加できる。
【００９８】
このように量子効果デバイスにおいては、電子導波路１と分岐電子導波路２との分岐部分を一旦通過した電子がゲート領域６で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面に達する。量子力学的反射面で反射され分岐電子導波路２に導かれる電子が存在するものの、ゲート領域６で生成されるポテンシャル障壁を突き抜け電子導波路１を直進し第１ドレイン領域４から放出される電子数が増加する。つまり、量子効果デバイスにおいては、スイッチング特性が得られるものの、ダイオード（Ｄiode）の電圧電流特性に類似した電圧電流特性が得られる。詳細にはＭＯＳＦＥＴやＭＥＳＦＥＴの電圧電流特性よりはダイオードの電圧電流特性に近い電圧電流特性が得られる。
【００９９】
なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更できる。
【０１００】
例えば、本発明においては、前記実施例１乃至実施例９に係る量子効果デバイスのうち少なくとも２以上の特徴的事項を組み合わせた量子効果デバイスを構成することができる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る量子効果デバイスにおいては、第１に、ゲートポテンシャル障壁による電子の量子力学的反射効果が使用されるので、動作に必要な可干渉距離が短くでき、高温領域での動作が実現できる。
第２に、本発明に係る量子効果デバイスにおいては、電子波が単色である必要性がなくなる。
第３に、本発明に係る量子効果デバイスにおいては、動作電流が増加でき、次段デバイスのドライバビリティが向上できる。
第４に、本発明に係る量子効果デバイスにおいては、第１導波路の第１領域と制御領域との間にポテンシャル障壁によるキャリア注入領域が設けられたので、バリスティックなキャリアがトンネル注入により制御領域に注入でき、動作速度が高速化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る量子効果デバイスの第１基本構造の平面図である。
【図２】前記量子効果デバイスの基本構造モデル化図である。
【図３】前記量子効果デバイスの電圧−電流特性図である。
【図４】前記量子効果デバイスの電圧−電流特性図である。
【図５】前記量子効果デバイスのデバイス中の電流分布図である。
【図６】前記量子効果デバイスの第２基本構造の基本構造モデル化図である。
【図７】前記量子効果デバイスの電圧−電流特性図である。
【図８】前記量子効果デバイスのバイアス電圧と電流比との関係図である。
【図９】前記量子効果デバイスの具体的構造を示す平面図である。
【図１０】前記量子効果デバイスの具体的構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施例２に係る量子効果デバイスの平面図である。
【図１２】本発明の実施例３に係る量子効果デバイスの斜視図である。
【図１３】本発明の実施例４に係る量子効果デバイスの斜視図である。
【図１４】本発明の実施例５に係る量子効果デバイスの平面図である。
【図１５】本発明の実施例６に係る量子効果デバイスの断面図である。
【図１６】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図１７】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図１８】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図１９】本発明の実施例７に係る量子効果デバイスの断面図である。
【図２０】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図２１】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図２２】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図２３】前記量子効果デバイスの他の例を示す断面図である。
【図２４】本発明の実施例８に係る量子効果デバイスの平面図である。
【図２５】前記量子効果デバイスの他の例を示す平面図である。
【図２６】前記量子効果デバイスの他の例を示す平面図である。
【図２７】本発明の実施例９に係る量子効果デバイスの平面図である。
【図２８】前記量子効果デバイスの基本構造モデル化図である。
【図２９】前記量子効果デバイスの電圧−電流特性図である。
【符号の説明】
１ 電子導波路
２、２Ａ〜２Ｃ 分岐電子導波路
３ ソース領域
４，５ ドレイン領域
６、６Ａ〜６Ｃ ゲート領域
１０，１１，１２ 電子流
１３ 電子注入領域
２０ 半絶縁性基板
２１ ＧａＡｓ
２２ ＡｌＧａＡｓ
２３ 電子移動層
２４、２８ ショットキー制御電極
２５ 空乏領域
２６ オーミック電極
２７ コンタクト領域
３１、３３ 導波路体
３２ 制御領域体
３４ 量子細線導波路体
４０ 容量電極
４１ 絶縁層
４３ 凸状部
４４ 結晶損傷領域
４５ 埋込み部材
Claims (23)
- 下記構成（１）乃至構成（３）を具備したことを特徴とする量子効果デバイス。
（１）キャリアが注入される第１領域と前記注入されたキャリアが放出される第２領域との間を連結する第１導波路。
（２）前記第１導波路の中央部から分岐され、前記注入されたキャリアが放出される第３領域に連結された第２導波路。
（３）前記第１導波路の第２導波路との分岐部分に構成され、ポテンシャル障壁を制御する制御領域。前記制御領域は、前記ポテンシャル障壁が低いときに前記第１導波路を通して第２領域からキャリアを放出し、前記ポテンシャル障壁が高いときに量子力学的反射によって前記第１導波路から第２導波路にキャリアを導き第３領域から前記キャリアを放出する。 - 前記請求項１に記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路に対して傾斜角度を有し前記第２導波路が分岐されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１又は請求項２に記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路のキャリアが注入される側に鋭角の傾斜角度を有し前記第２導波路が分岐されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１又は請求項２に記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路に対して垂直に前記第２導波路が分岐されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項２又は請求項４に記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路及び前記第２導波路は同一の水平面に構成されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項２又は請求項４に記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路及び前記第２導波路は同一の垂直面に構成されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路の前記制御領域から第２領域までの領域を構成し、基板又は薄膜で形成される第１導波路体と、
前記制御領域を構成し、前記第１導波路体上に形成される制御領域体と、
前記第２導波路を構成し、前記制御領域体上に形成された第２導波路体と、
前記第１導波路の前記第１領域から制御領域までの領域を構成し、前記第２導波路体上に形成される量子細線導波路体と、
を備えたことを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路から前記第２導波路が複数本並列に分岐され、
前記複数本の第２導波路の各分岐部分に各々独立にポテンシャル障壁を制御する制御領域が構成されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路、第２導波路が各々化合物半導体のヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガス系の電子移動層で構成されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項９に記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路、第２導波路が各々ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとのヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガス系の電子移動層で構成されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項９に記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路、第２導波路が各々ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとのヘテロ接合の界面に形成される二次元電子ガス系の電子移動層で構成されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路、第２導波路の周囲にショットキー接合構造又はＭＩＳ（Ｍetal Ｉnsulator Ｓemiconductor）容量構造が構成され、前記ショットキー接合構造又はＭＩＳ容量構造で形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の幅が各々決定されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
エッチングされた壁面に結晶損傷領域が発生するエッチングで前記第１導波路及び第２導波路の周囲が凹状部に形成され、前記凹状部の壁面に結晶損傷領域により形成される空乏領域で前記第１導波路、第２導波路の幅が各々決定されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路及び第２導波路の周囲に凹状部が形成され、
前記凹状部には埋込み部材が充填されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路及び第２導波路の周囲に不純物導入で結晶損傷領域が形成され、前記結晶損傷領域で形成される空乏領域により前記第１導波路、第２導波路の幅が各々決定されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記制御領域の前記第１導波路と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺を含む三角形で構成されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記制御領域の前記第１導波路と重複する部分の形状が四角形で構成されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記制御領域の前記第１導波路と重複する部分の形状がポテンシャル障壁による量子力学的反射面を生成する傾斜辺を含む台形で構成されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項１６、請求項１７、請求項１８のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記制御領域で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面が第１導波路内において前記第２導波路の幅内に配置されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項１７のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記制御領域で生成されるポテンシャル障壁による量子力学的反射面が第１導波路内において前記第２導波路の幅外で前記第１導波路の第２領域側に配置されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項８、請求項９、請求項１９、請求項２０のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路の全長が１００ｎｍ以下のサイズに設定され、
前記第１導波路の幅が１００ｎｍ以下のサイズに設定されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項８、請求項９、請求項１６、請求項１７、請求項１８、請求項１９、請求項２０、請求項２１のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記制御領域にはバリスティック（ballistic ）なキャリアが注入されることを特徴とする量子効果デバイス。 - 前記請求項１、請求項２、請求項４、請求項８、請求項９、請求項１６、請求項１７、請求項１８、請求項１９、請求項２０、請求項２１、請求項２２のいずれかに記載される量子効果デバイスにおいて、
前記第１導波路の第１領域から前記制御領域までの間に構成され、単一のポテンシャル障壁又は共鳴トンネル構造で形成されるキャリア注入領域を備え、
前記キャリア注入領域はバリスティックなキャリアをトンネル注入により制御領域に注入することを特徴とする量子効果デバイス。
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