JPH02130964A - 電子波干渉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は大きな相互コンダクタンスをもち、高周波動作
・超高速スイッチング動作の可能であり、かつ周波数逓
倍などのアナログ素子として動作可能な電子波干渉装置
に関するものである。

［従来技術］ 高品質結晶成長技術、微細加工技術の進展とともにバイ
ポーラ及び電界効果トランジスタなど従来の半導体装置
の微細化による高性能化にはめざましいものがある。し
かしながら１粒子としての膨大な数の電子が統計的にふ
るまうことを利用して作用するこの種の装置では動作原
理的に微細化による高性能化には限界がある。一方、微
細構造化に伴い半導体中での電子の波動性が顕著に呪わ
れ、理論的・実験的にもその性質が徐々に明らかになり
つつある。その中で、電子の波動性を直接利用すること
により高性能な素子を実現しようとする試みがある。そ
の代表例としては共鳴トンネリング素子があるが、この
素子では三端子素子化が困難など本質的な問題点がある
。

さらに最近になってリング状の極微細構造物における電
子波の干渉によるコンダクタンス変化を利用する素子が
提案されている（例えば、エスダッタほか、アプライド
　フィジックス　レターＳ、ＤＡＴＴＡほか、　ＡＰＰ
ＬＩＥＤ　Ｐ）ＩＹｓＩｃｓ　ＬＥＴＴＥＲＶｏｌ、４
８゜ｐ、４８７．１９８６）、リングに入出力端子を結
合し、−端から伝搬した電子波を分岐して２つの経路を
伝搬せしめ他端で合成する構造とし、磁場または電場で
前記２つの経路の分岐波に位相差を発生させる。それに
より素子のコンダクタンスを変調し三端子動作を可能と
している。この種素子は、相互コンダクタンス１００８
／■―と従来素子の２桁以上、スイッチング速度として
ピコ秒（ｐｓ）オーダーの性能を発揮できるものであり
、さらに小型低消費電力という大きな特徴がある。しか
しながら、従来提案されている装置においてはしきい値
特性に対応する入力信号に対するコンダクタンス変化を
考えると理想状層でも第６図に示すような余弦関数状の
変化しか得られない、この場合、安定動作範囲が狭く、
すなわち動作点が少し変動してもコンダクタンス特性に
変化が起こる。このためこの装置を多段接続した系にお
いて負荷抵抗の微少な変化、あるいは電源電流の変動、
あるいはＯＦＦ状態でのリーク電流などの要因により動
作点がずれた場合を想定すると、−段目の動作点のずれ
がそのまま２段目の動作点のずれとして伝わり、しかも
そのずれは段数の増加とともに増大する傾向となる。こ
のため、多段接続したとき後方の段では論理のＩＩ　Ｏ
ｌｊ　　　“１”の判断すらできなくなる。

すなわちこのような特性を持つ従来装置の場合。

十分なスイッチング比を確保することが困難であり論理
素子としては使えないという大きな欠点を有していた。

［発明が解決しようとする課１１１１］以上に述べたよ
うに従来技術においては、電子波干渉装置として十分な
スイッチング比を確保することが困難、すなわち優れた
しきい値特性を得ることが困難で、その解決を要する課
題があった。

本発明はリーク電流、電源電流（ｆｆｉ圧）変動、負荷
抵抗変動等による特性変動時においても正常動作を可能
とする優れたしきい値特性を有する電子波干渉装置を実
現することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため本発明では、２個の経路（ブ
ランチ）だけではなく、３個以上のブランチに電子波を
伝搬させ、各々のブランチに伝搬する電子波の振幅と位
相を制御することにより、コンダクタンス特性の干渉特
性を制御するものである。すなわち。

１、電子波干渉装置において、電子の弾性散乱長・非弾
性散乱長に比べ小さい寸法を持つ極微細線、いわゆる量
子細線を有し、かつ該量子細線の第一の分岐点において
複数個のブランチの量子細線構造物に分岐させ、各ブラ
ンチは第二の分岐（結合）点において再び結合され一つ
の量子細線を形成させ、上記第一および第二の分岐点の
量子細線をそれぞれ電子波の入力、出力とする構成と、
上記ブランチを伝搬する電子波の位相変化量を制御する
手段とを備えさせることとした。

これには第１図が対応する。

２、上記第１項の装置において、その構成におけるブラ
ンチの幅や波動のブランチへの入射角度や細線部とその
外側の部分とのポテンシャルバリアの高さを変えてブラ
ンチを伝搬する電子波の透過係数を変え、上記第１項の
ブランチを伝搬する電子波の位相変化量を制御する手段
には互いに隣合うペアのブランチで作る複数個のループ
の各々に所定の磁場を印加する手段を備えることとした
。

これには例えば第４図が対応する。

３、あるいは上記第１項の装置において、その構成にお
けるブランチの幅や波動のブランチへの入射角度や細線
部とその外側の部分とのポテンシャルバリアの高さを変
えてブランチを伝搬する電子波の透過係数を変え、上記
第１項のブランチを伝搬する電子波の位相変化量を制御
する手段にはブランチに所定の電場を印加する手段を備
えることとした。

これには第５図が対応する。

［作　用］ 本発明では、２個だけでなく３個以上のブランチに電子
波を伝搬させ、各々に伝搬する電子波の振幅と位相を制
御することによりコンダクタンスの干渉特性を制御する
ものであるが、ブランチの数を増やすことは設計の自由
度を増やすことに対応し良好なしきい値特性を実現する
ことを可能にするものである。また素子のしきい値特性
を決めるコンダクタンス変化特性は異なる振幅・位相を
持つ波の和によって決まる。すなわち加える波の個数が
ブランチの数、振幅が各ブランチの透過係数、位相（遅
延）が各ブランチでの位相変化量に対応する。これをフ
ーリエ級数で考えるとコンダクタンスは周波数スペクト
ルに対応する。このことは本発明装置ではしきい値特性
をディジタルフィルタ同様の設計手法のもとに合成でき
ることを示している。

すなわち上記手段の第１項は上記の加える波の個数や振
幅や位相に対応するブランチの数やブランチの透過係数
やブランチの位相変化量を与えるものであるが、このこ
とが良好なしきい値を得るようなコンダクタンスの変化
特性を得ることを可能にする。

上記手段の第２及び第３項は以上のようなコンダクタン
スの変化特性を得るためのブランチの透過係数の制御手
段と位相変化量の制御手段を与えるものである。

このような新しい着想をもとに構成した本発明装置によ
るとわずか３個のブランチの場合でも特性変動に対して
安定な動作を保証したしきい値特性を実現することが可
能になる。

［実施例］ 第１図は本発明装置の一実施例である。この例は本発明
の効果を定量的に説明するための最も簡単な例として取
り上げたもので、分岐するブランチの数が３つの例であ
る１図中Ｓはソース電極、Ｄはドレイン電極、Ｐｌ、Ｂ
２は量子細線、Ｊｌ。

Ｊ２は分岐部、Ｂ１．Ｂ２．Ｂ３は量子細線よりなるブ
ランチ構造物であり各々の長さはほぼ等しいとする。さ
らにこの例ではブランチＢ１とＢ３は線幅も同一である
と仮定する。ＬＬ、Ｂ２はそれぞれブランチＢ１．Ｂ２
及びＢ２、Ｂ３によって構成されるループであり、２つ
のループの形状はほぼ等しいものであり、そこに鎖交す
る入力信号である外部磁束の大きさもほぼ等しくなる構
造とする。

図に示した通り１本発明装置はソース電極及びドレイン
電極に接続された量子細線、それぞれＰｌ及びＢ２．の
一端Ｊ１及びＪ２を分岐点として量子細線からなる複数
個のブランチを接続した構造、すなわち−本の量子細線
から複数個の量子細線に分岐し、再度−本の量子細線に
集結した構造を有する。従来例と対比して考えると本発
明の実施例は複数個のリングを並列に接続した構造を持
つものと言うことができる。

上記量子細線は原理上、導電性を有する材料であればよ
い、すなわち金属・半金属・半導体の何れで構成しても
よい、しかし寸法は電子の弾性散乱・非弾性散乱長に比
べ十分に小さいことが必要である。金属・半金属を用い
る場合、弾性・非弾性散乱長が短く、また電子密度が大
きいことから電子波の波長（フェルミ波長λＦ）も短く
、極めて微細な寸法の構造体を形成する必要が生じる。

一方、半導体材料では電子密度をほぼ絶縁体から半金属
まで変えられること、さらい近年発展してきた結晶成長
技術を用いると、高移動度で散乱長の長い材料が得られ
、また微細領域に伝導電子を閉じ込めた系が実現可能と
なった。これにより現状の加工技術の範囲でも電子波の
可干渉距離以下の構造物を実現できるようになった。こ
の理由から本発明装置は半導体材料を用いることが適し
ているといえる。議論を簡単化するため、ここでは量子
細線及び細線構造体は例えばＭＧ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ
　ａＡｓのいわゆる２次元電子ガスをもつ材料をともに
形成した一次元伝導性をもつ量子細線を仮定する。この
構造物の製造法は本発明の請求の範囲にないことから、
その詳細は省略するが、例えば２次元電子系のへテロ構
造膜をエツチングや集束ビーム照射等により細線に加工
し伝導チャネルのみ図の構造体のようにする。あるいは
選択成長により構造体を作りつけるなど種々の方法が可
能である。

スイッチング素子としての基本動作はループＬ１及びＢ
２に入力信号に対応する磁場を鎖交ぜしめ、それにとも
なってソースドレイン間のコンダクタンスが変調される
ことを利用する。なお、基本的には分岐部での波動の反
射・透過を考慮して干渉特性を論議する必要があるが、
理解を容易にするためにここでは分岐部では反射がない
という理想的な場合について論じる。このような仮定を
おいても本発明装置における本質的な特性には大きな差
異は生じない。

ソース電極から侵入した電子波は細線Ｐ１を通り分岐部
Ｊ１に達する０分岐部Ｊ１では構造から決まる散乱確率
を持って各ブランチに侵入する（Ｂｌと８３は同一構造
を持つことから同一の確率を持つ、また、Ｂ２の細線の
幅がＢ１のそれのａ倍とするとＢ１方向に伝搬するエネ
ルギ成分のａ倍にほぼ比例した成分をもつ波動がＢ２各
ブランチに伝搬する）、各ブランチを伝搬した波動はＪ
２まで伝搬し細線Ｐ２に侵入しそこで異なるブランチを
経由してきた電子波と合成され干渉する。

ところで、各ブランチに侵入した波動はループに鎖交す
る磁場の効果によって位相変化を受ける。

この位相変化量は各ブランチに沿って求めた磁場による
ベクトルポテンシャルの線積分に比例する値を持つ、従
って上記の構造のもとではブランチＢ１におけるＪｌか
らＪ２に伝搬する電子波の磁場に伴う位相変化量をθと
すると、ブランチ１及び３の長さ及びループ１及び２の
形状が同一なこと、積分路を考えたときの磁場の極性が
逆となることから明、らかなとおり、ブランチＢ３にお
いて同様にＪｌからＪ２に伝搬する電子波の位相変化量
は一〇となる。一方ブランチ２に沿って積分路をとると
零となることから、ブランチ２を経由してＪｌからＪ２
に進行する波動の磁場による位相変化量は零となる。す
なわちソースから８１を経由してＪ２を通過した波動成
分は、伝搬長をり。

位相定数をｋとすれば、 ｅｘｐｊ（ｋ　Ｌ十〇）となり、 Ｂ２を経由した波動成分は ａ　′ｅｘｐｊ　（ｋ　Ｌ） Ｂ３を経由した波動成分は ｅｘｐｊ（ｋ　Ｌ　−０） となる、また合成された波動は、 ｅｘｐ（ｊ　ｋ　Ｌ　）（ａｘｐ（ｊθ）＋ａ＋ｅｘｐ
（−ｊθ））（１）となり、ソースドレイン間の透過確
率ＴはＴ＝（ａ＋２ｃｏｇｏ）”／（ａ＋２）”　　　
　　　　（２）となる、コンダクタンスはほぼＴに比例
することから式（２）はコンダクタンスそのものを表わ
す量と考えることができる。

式（１）から分かるようにＪ２で合成される波動はフー
リエ級数となっている。すなわち１級数の項数がブラン
チの数、振幅が各ブランチの透過係数１位相（遅延）が
各ブランチでの位相変化量と考えるとコンダクタンスは
澗波数スペクトルに対応する。このことは、逆に所望の
特性を持つ素子の構造を設計的手法により決定すること
ができる。すなわち、所望のコンダクタンス変化に対応
するフーリエ級数をフーリエ変換などによって求め、そ
れに対応するようにブランチの数、振幅、位相に対応す
るように素子の構造を決定することによって実現するこ
とが可能である。コンダクタンス特性からそれに最も近
似するフーリエ級数を求める手法はディジタルフィルタ
等の設計手法をそのまま流用することにより可能となる
ことからここでは詳細説明は省略する０問題は求めたフ
ーリエ級数をどのように実現するかである。そのために
は以下の方法をとればよい。

１）振幅項：細線ＰとブランチＢｉの結合の強さは素子
形状を変えることによって、例えば細線構造物の幅、波
動の構造物への入射角度、細線部とその外側の部分のポ
テンシャルバリアの高さなどを変えるなどにより自在に
制御できる。なお、フーリエ級数において負または虚数
を係数とする項を実現する方法は位相項の実現手段のと
ころで記述する。

２）位相項：前述のとおり各ブランチでの位相変化量は
ブランチが構成するループに鎖交する磁場のベクトルポ
テンシャルのブランチに沿って求めた積分値に比例する
。従って、いま簡単のため、ブランチの断面積がすべて
等しく、また一つのループ内での磁場分布が均一である
とすると、第２図に示すとおり、２個のループＬｉ、Ｌ
ｉ−１の構成要素となるブランチＢｉでの位相変化量は
ループＬｉ及びＬｉ−１に鎖交する磁場の差分の磁場に
比例した量となる。この関係より各ループに入力信号に
応じ実効的にどれだけの比率の磁場を鎖交させるべきか
が容易に決定できるのである。

なお、負（あるいは虚数）の振幅項の実現はバイアス的
な磁場をループに鎖交させることにより実現可能となる
。

第３図は本発明装置の磁場に対するコンダクタンス変化
を示す特性図の一例である。この場合。

周波数特性に対応するコンダクタンス特性をいわゆるレ
イズドコサイン特性すなわち余弦関数の自乗特性とする
場合であり、これを実現するには、Ｂ１ブランチとＢ２
ブランチの振幅透過効率の比を１：２とすればよい、第
６図の従来例と比較すると明らかなとおり、この特性で
は１１１　ｎ状態を示す入力信号の変動許容範囲はきわ
めて広い０本装置を直列負荷（バイアス信号線または素
子と接地面との接続線を次段の制御線として利用する負
荷の取り出し方）として用いることを考えると。

前段よりの入力信号により大きな抵抗すなわち１１１　
Ｐ１状態にある場合、負荷抵抗等の変動により動作点が
大きく変動しても素子の抵抗は依然太きな値となり、従
って素子には微小電流しか流れない、このことは次段の
ｇｔ　Ｏｐｔ動作点からの変動が微小とすることができ
ることである。一方パ０”状態の時には前段からのリー
ク電流は上記のように小さなことから動作点はしきい値
特性のピーク点からほとんどずれることがなく、従って
大きな電流が素子に流れることになる（すなわち次段の
入力として大きな振幅の信号をフィードできることにな
る）、この場合多段接続した場合にもある段で比較的大
きな動作点の変動があっても次の段の動作点“１′″近
傍の平坦特性によって緩和されそれ以降の段にはほとん
ど影響を及ぼさないようにできる。

上記の説明では各ループに入力信号として所定の比率の
磁場を鎖交させることで本発明装置の動作を行なわしめ
るものとして説明を加えた。磁場の鎖交法としては特に
限定するものではないが。

最も簡単な方法としては次に述べる実施例のように各ブ
ランチの上部に磁気的な制御線を配する方法がある。第
４図はこのような方法による本発明の実施例を示す。

第４図中Ｃは制御線であり、他の部分は第一の実施例と
同一である。この実施例は第一の実施例における入力信
号の印加手段として量子ｍｔｓの上に制御線を配しこれ
に入力信号に対応した電流を印加することによって磁場
を発生せしめこれをループＬ１及びＢ２に均等に鎖交す
るようにしたものである。磁場の印加法が具体化された
のみで基本動作及び得られる効果は第１図の実施例であ
るので詳細説明は省略する。

第５図は本発明の他の実施例である。図中、Ｇ１、Ｇ２
はゲート電極である。この実施例は磁気的な入力手段で
はなく電場による入力手段を用いて各ブランチを進行す
る電子波の波数を変調しようとするものである。この実
施例では第１図の実施例におけるブランチＢ１にゲート
電極Ｇ１、Ｂ２にゲート電極Ｇ２を付加した構造を持つ
、磁気結合型の場合にはループに磁場を鎖交ぜしめそれ
によって各ブランチでの位相変化を起こしたのに対し、
この実施例では以下に示す動作を通して各ブランチでの
位相変化を起こさせる。すなわち、ゲート電極に電圧を
印加することによって細線のチャンネル部に電場を作用
させると、チャンネル部のポテンシャルエネルギが変調
される。進行する波動はエネルギ保存則によりポテンシ
ャルエネルギの変化分だけ運動エネルギが変化すること
になる。一方電子の運動エネルギと電子波の波長の平方
には反比例の関係があることから、長さＬの細線全体に
ΔＥの電場を作用させると、線路を伝搬する電子波は ΔｋＬ＝ΔＥ　ｍ　”　Ｌ　／　’％　”　ｋの大きさ
の位相変化を受けることになる。

ここでｍｌは電子の有効質量、１はブランク定数である
。

本実施例は上記の磁気結合形の素子とは動作上入力信号
が磁場から電場に変化したのみで入力信号に伴いブラン
チでの位相変化の違いから生じる干渉特性を利用すると
いう点では共通していることから動作の詳細説明は省略
する。なお１本実施例の場合走行する電子波の波数分布
により干渉特性の上に若干の乱れが生じることになるが
特性上でもほぼ上記の磁気結合形の素子と類似のものと
なることは言うまでもない。

この場合フーリエ級数項に対応付けた構造の決定法は。

１）振幅項二磁気結合形の実施例同様細線の構造などに
より行なう。

２）位相項：はぼ全てのブランチに印加する電界を均一
としてゲート電極の長さを変える。あるいは、はぼ同程
度のゲート長とし位相変化に応じて電界強度（従ってゲ
ートへの印加電圧）を変える。

さらにはそれら手段の組合わせ等により容易に決定でき
る。なお、この場合、負の振幅項はバイアス的なゲート
電界を印加することにより実現可能となる。

なお、上記実施例ではブランチの長さはほぼ等しいもの
とした。この条件はスイッチング比を大きく取るための
重要な条件である。仮にこの条件が崩れたと仮定すると
、ソースから伝搬してきた電子波に波数の分布が生じる
と、ブランチの長さの差の分だけ伝搬する際の位相変化
が波数によって異なる結果、コンダクタンス特性が劣化
する。

上記実施例では細線は１次元伝導性（すなわち電子は伝
搬方向にはエネルギ分布をもつが、それ以外の方向には
量子化された一つのエネルギレベルを持ち伝搬する）を
もつものとして説明を加えたが２次元伝導性を持つ場合
であってもほぼ同様の特性を持つことは言うまでもない
。

［効　果コ 以上説明したように本発明によるとリーク電流。

電源電流（電圧）変動、負荷抵抗変動等による特性変動
時においても正常動作を可能とする優れたしきい値特性
を有する電子波干渉装置を実現できるという大きな利点
が生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例、第２図はブランチにおける
磁場による位相変化を説明するための図、第３図は本発
明装置のしきい値特性例、第４図は磁気的な入力手段を
含む実施例、第５図は電場制御形の本発明装置の実施例
、第６図は従来例のコンダクタンス特性図である。 Ｓ・・・ソース電極　　　　Ｄ・・・ドレイン電極Ｐ１
、Ｂ２・・・量子細線 Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３・・・量子細線ブランチＪ１．Ｊ２・
・・分岐点　　Ｃ・・・制御線Ｇ１、Ｇ２・・・ゲート
電極 特許出願人　日本電信電話株式会社 代理人弁理士　　、中　村　純之助 Ｌ、、　Ｌ、−）Ｌ、−ゲ Ｒ１ 量ブー殊ブラ〉チ １３イ°τ−クイｉ；Ｆ目身１θと〉−下しく功−１−
ノ１シンＬ第 図 １中−りｆＺｆ　メ１−ヒ （Ｑ） 第４図 第３図 （ａ） Ｇ４．　Ｇｚ　−−−ｒ”ニドｔ’ａ＝Ｇ。 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子波の干渉を利用して所要のコンダクタンス特性
   を得るための電子波干渉装置として、電子の弾性散乱長
   ・非弾性散乱長に比べ小さい寸法を持つ極微細線、いわ
   ゆる量子細線を有し、かつ該量子細線の第一の分岐点に
   おいて複数個のブランチの量子細線構造物に分岐させ、
   各ブランチは第二の分岐（結合）点において再び結合さ
   れ一つの量子細線を形成させ、上記第一および第二の分
   岐点の量子細線をそれぞれ電子波の入力、出力とする構
   成と、上記ブランチを伝搬する電子波の位相変化量を制
   御する手段とを備えることを特徴とする電子波干渉装置
   。 ２、上記の構成においてブランチの幅や波動のブランチ
   への入射角度や細線部とその外側の部分とのポテンシャ
   ルバリアの高さを変えてブランチを伝搬する電子波の透
   過係数を変え、上記ブランチを伝搬する電子波の位相変
   化量を制御する手段は互いに隣合うペアのブランチで作
   る複数個のループの各々に所定の磁場を印加する手段で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子
   波干渉装置。 ３、上記の構成においてブランチの幅や波動のブランチ
   への入射角度や細線部とその外側の部分とのポテンシャ
   ルバリアの高さを変えてブランチを伝搬する電子波の透
   過係数を変え、上記ブランチを伝搬する電子波の位相変
   化量を制御する手段はブランチに所定の電場を印加する
   手段であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の電子波干渉装置。