JPH0412571A - 量子干渉トランジスタ - 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】 ［概要］ アハロノ７−ボーム効果（Ａｈａｒｏｎｏｖ−Ｂｏｈｍ
効果）を利用した量子干渉トランジスタに関し、 電子が非弾性散乱を受けることなく、高い干渉効果を得
られ、また干渉効果のＳ／Ｎ比を向上させる量子干渉ト
ランジスタを提供することを目的とし、 電子を注入するソース電極と、前記ソース電極で注入さ
れた電子が流れるチャンネル層と、前記チャネル層を流
れる電子を排出するドレイン電極と、前記チャンネル層
の側面に形成され、電子の流れを制御するゲート電極と
、前記チャンネル層の中央部に位置し、相互に平行に形
成され、前記チャンネル層の禁制帯幅より大きな禁制帯
幅を有し、前記チャンネル層を流れる電子を分岐する複
数のストライプとを有する量子干渉トランジスタにおい
て、前記複数のストライプは、各ストライブ間のピッチ
が前記複数のストライプの中心から遠ざかるにつれて短
くなるように形成され、前記複数のストライプの中心に
対応する位置に開口を有し、前記開口に到達した電子の
みを通過させるスリットが、前記ドレイン電極前面に形
成されたように構成する。

また、前記複数のストライプは、各ストライプ間のピッ
チが前記複数のストライプの中心から遠ざかるにつれて
長くなるように形成され、前記複数のストライプの中心
に対応する位置に開口を有し、前記開口に到達した電子
のみを通過させるスリットが、前記ドレイン電極前面に
形成されたように構成する。

［産業上の利用分野コ 本発明はアハロノフ・ボーム効果（Ａｈ　ａ　ｒ　。

ｎｏｖ−Ｂｏｈｍ効果）を利用した量子干渉トランジス
タに関する。

［従来の技術］ 最近、ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ又はＧａＡｓとｎ−ＡＪＧ
ａＡｓとのへテロ構造を使用して電子波の量子力学的な
干渉効果を利用しな、非常に高速がっ低消費電力の量子
干渉トランジスタが提案されている（特願平１−１５５
８７１号（平成元年６月２０日出願））。

第９図を用いてこの提案されている量子干渉トランジス
タについて説明する。

結晶面が（１００）から極めて僅かの角度ずれた面を表
面とするＧａＡｓオフ基板１０上に、ＧａＡｓバッファ
層６を介してｎ−ＧａＡｓコンタクト層４１が形成され
ている。

ｎ−Ｇ　ａＡ　ｓコンタクト層４１上に、ＧａＡｓチャ
ンネル層１の下半部１１が形成されている。

このＧａＡｓチャンネル層１の下半部１１上に、オフ基
板１０の面と平行で、相互に平行に一定の間隔を隔てて
、ＧａＡｓの禁制帯幅より大きな禁制帯幅を有するＡＪ
ＩＡｓの複数のストライプ２が形成されている。複数の
ストライプ２は、電子の通過経路数を増加し、それぞれ
の経路間に生じる電子波の位相差を重ね合わせることに
より、位相差が十分大きくなるようにして、干渉効果を
高めるために用いられる。

ＧａＡｓチャンネル層１の下半部１１の上に、複数のス
トライプ２を介してＧａＡｓチャンネル層１の上手部１
２が形成されている。ＧａＡｓチャンネル層１の上半部
１２上部に、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層３１を介してソ
ースｔ［ｉ３が形成されている。ｎ−ＧａＡｓコンタク
ト層４１上にはＳｉｎ、暎７か形成され、このｓ　ｓ　
（Ｌ２Ｍ　７のコンタクトホールにはドレイン電極４が
形成されている。ＧａＡｓチャンネル層１の側面の複数
のストライプ２の両側には、この複数のストライプ２を
挟んでゲート電極５が形成されている。

ソース電極３を接地しトレイン４に正の電圧を印加する
と、ソース電極３から注入された電子はＧａＡｓチャン
ネル層１を通ってドレイン電極４に達するが、途中にあ
る複数のストライプ２で分岐した後再び合流する。この
際に、一定のゲート電圧のもとで、複数の経路に流れる
電子波間に位相差が発生し、これらの干渉によってドレ
イン電極４に流れる電流は変化する。

第１０図は提案された量子干渉トランジスタで得られる
干渉曲線である。ｎ　　ＧａＡｓコンタクト層４１上で
の電子の強度分布を表したものである。複数のストライ
プ２で分岐したそれぞれの経路間の電子波に生じる位相
差によって干渉が起こり、それらが最終的に重ね合わさ
れた結果を示している。

次に、ゲート電圧を印加すると２つの経路に流れる電子
波間に位相差が発生する理由について、第１１図及び第
１２図を用いて説明する。

第１１図及び第１２図はＧａＡｓチャンネル層１におけ
るエネルギバンドを示す図である。Ｅ２はフェルミレベ
ル、Ｅｏは基底レベルである。ゲート電圧が印加されて
いないときには、ゲート下部のチャンネル層中での基底
レベルＥ。はフラットになっている（第１１図）、従っ
てＧａＡｓチャンネル層１を流れる電子波の波形は同図
に示すように一定である。負のゲート電圧によりＧａＡ
ｓチャンネル層１に電場が印加されると、基底レベルＥ
０は上昇し、ＧａＡｓチャンネル層１に流れる電子波の
波形は変調される（第１２図）。この作用によって複数
の経路に流れる電子波の間に位相差が発生することにな
る。

［発明が解決しようとする課題］ 素子の高密度化に伴い、素子面積が小さくなり、それぞ
れの経路間の電子波に生じる位相差が小さくなっても、
電子波が効率よく重ね合わされ、電子が非弾性散乱を受
けることなく、十分に高い干渉効果を得られることが必
要である。また、干渉効果のＳ／Ｎ比を向上させる必要
もある。

本発明の目的は、電子が非弾性散乱を受けることなく、
高い干渉効果を得られ、また干渉効果のＳ／Ｎ比を向上
させる量子干渉トランジスタを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、電子を注入するソース電極と、前記ソース
電極で注入された電子が流れるチャンネル層と、前記チ
ャネル層を流れる電子を排出するドレイン電極と、前記
チャンネル層の側面に形成され、電子の流れを制御する
ゲート電極と、前記チャンネル層の中央部に位置し、相
互に平行に形成され、前記チャンネル層の禁制帯幅より
大きな禁制帯幅を有し、前記チャンネル層を流れる電子
を分岐する複数のストライプとを有する量子干渉トラン
ジスタにおいて、前記複数のストライプは、各ストライ
１間のピッチが前記複数のストライプの中心から遠ざか
るにつれて短くなるように形成され、前記複数のストラ
イプの中心に対応する位置に開口を有し、前記開口に到
達した電子のみを通過させるスリットが、前記ドレイン
電極前面に形成されたことを特徴とする量子干渉トラン
ジスタによって達成される。

また、上記目的は、電子を注入するソース電極と、前記
ソース電極で注入された電子が流れるチャンネル層と、
前記チャネル層を流れる電子を排出するドレイン電極と
、前記チャンネル層の側面に形成され、電子の流れを制
御するゲート電極と、前記チャンネル層の中央部に位置
し、相互に平行に形成され、前記チャンネル層の禁制帯
幅より大きな禁制帯幅を有し、前記チャンネル層を流れ
る電子を分岐する複数のストライプとを有する量子干渉
トランジスタにおいて、前記複数のストライプは、各ス
トライプ間のピッチが前記複数のストライプの中心から
遠ざかるにつれて長くなるように形成され、前記複数の
ストライプの中心に対応する位置に開口を有し、前記開
口に到達した電子のみを通過させるスリットが、前記ド
レイン電極前面に形成されたことを特徴とする量子干渉
トランジスタによって達成される。

［作用］ 本発明によれば、電子が非弾性散乱を受けることなく、
高い干渉効果を得られ、また干渉効果のＳ／Ｎ比を向上
させることができる。

［実施例コ 本発明の第１の実施例による量子干渉トランジスタを第
１図及び第２図を用いて説明する。

第１図は本発明の第１の実施例による量子干渉トランジ
スタの断面図である。

結晶面が（Ｚｏｏ）面から極めて僅かの角度ずれた面を
表面とするＧａＡｓオフ基板１０上に、ＧａＡｓバッフ
ァ層６を介してｎ−ＧａＡｓコンタクト層４１が形成さ
れている。

ｎ−ＧａＡｓコンタクト層４１上に、ＧａＡｓチャンネ
ル層１の下半部１１が形成されている。

このＧａＡｓチャンネル層１の下半部１１上に、オフ基
板１０の面と平行に、電子波の進行に対してバリアとし
て機能する、ＧａＡｓの禁制帯幅より大きな禁制帯幅を
有するＡＪＡｓの複数のストライプ２が形成されている
。複数のストライプ２は、電子波を通過させる、例えば
５つのスリット２２を有する。各スリット２２の幅はす
べて等しく５０ｎｍである。スリット２２を形成するた
めの禁制帯幅の大きなＡｊＡｓのストライプ２の各々の
幅は、中心から遠ざかるにつれて徐々に狭くなるように
形成する。即ち、複数のストライプ２のピッチをストラ
イプの中心から遠ざかるにつれて短くなるように、スト
ライプの幅を形成したものである。本実施例では中心部
に形成されたストライプの幅は５Ｑｎｍ、最も外側に形
成されたストライプの幅は２５ｎｍである。

この複数のストライプ２上と複数のストライプ２相互間
とを含めて、ＧａＡｓチャンネル層１の下半部１１の上
に、ＧａＡｓチャンネル層１の上半部１２が形成されて
いる。

また、この複数のストライプ２から約１μｍ離れたｎ−
ＧａＡｓコンタクト層４１上に、ＡｊＡＳのゲート２１
が形成されている。ゲート２１の幅は４０ｎｍであり、
ｎ−ＧａＡｓコンタクト層４１上の干渉成分のうち、１
次以上の成分を力・ントし、０吹成分のみをドレイン電
極に導くために設けられている。

ＧａＡｓチャンネル層１の上半部１２上部に、ｎ−Ｇ　
ａ　Ａ　ｓコンタクト層３１を介してソース電極３が形
成されている。ｎ−ＧａＡｓコンタクト層４１にはドレ
イン電極４が形成され、ＧａＡｓチャンネル層１の側面
の複数のストライプ２の両側には、ゲート電極５が形成
されている。

ソース電極３を接地しドレイン４に正の電圧を印加する
と、電子はソース電！［！３を出てＧａＡｓチャンネル
層１を通ってトレイン電極４に達するが、途中にある複
数のストライプ２で分岐する。

スリット幅が等しく形成され、外側にいくに従いピッチ
が短くなる複数のストライプ２で分岐した電子は、その
後再び合流しゲート２１に到達する。

この際に、一定のゲート電圧のもとてそれぞれの経路に
流れる電子波間に位相差が発生し、干渉されて電子波が
効率よく重ね合わされる。ゲート２１によって、干渉成
分のうちＯ吹成分のみが通過させられ、この０吹成分に
よってドレイン電極４に流れる電流を高いダイナミック
レンジで変化させることができる。

本実施例の量子干渉トランジスタで得られる干渉曲線を
第２図に示す。提案された量子干渉トランジスタで得ら
れる干渉曲線に比して、０吹成分の面積が大きくなり干
渉効果が高められた。

本発明の第２の実施例による量子干渉トランジスタを第
３図乃至第５図を用いて説明する。

同図（ａ）は本発明の第２の実施例による量子干渉トラ
ンジスタの平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。

半絶縁性であって結晶面が（１００）のＧａＡＳ基板１
０上にアンドープＧａＡｓ層１が形成され、ＧａＡｓ層
１上部にドープ量ｌＸｌ０”ｃｍ３程度のＳｔがドープ
されたｎ−ＡＪ　ＧａＡｓ層８が形成されている。この
とき、ＧａＡｓ層１に２次元電子ガスが形成されている
。

この２次元電子ガスに対してバリアとして機能する複数
のストライプ２が形成されている。この複数のストライ
プ２は、ＧａＡｓ層１の２次元電子ガス形成領域までイ
オン注入を行い、ストライプ形成領域を高抵抗化するこ
とによって形成している。複数のストライプ２の下部に
ゲート２１が形成されている。

複数のストライプ２上面に絶縁１＜ｓｔｏ□）５１が形
成され、絶縁膜５１上部にゲート電極５が形成されてい
る。Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１０下面に絶縁膜５１が形成さ
れ、絶縁膜５１の下面にゲート電極５が形成されている
。

第４図及び第５図に他の方法によって形成された複数の
ストライプ２を有する量子干渉トランジスタの断面図を
示す。

第４図に示す量子干渉トランジスタの複数のストライプ
２は、ＧａＡｓ層１の２次元電子ガス形成領域までエツ
チングを行い、ストライプ形成領域に絶縁ＷＡ５１と同
じ材料を埋め込むことによって形成している。

第５図に示す量子干渉トランジスタの複数のストライプ
２は、ＧａＡｓ層１の２次元電子ガス形成領域までスト
ライプ形成領域を空乏化させるため、ストライプ形成領
域上部にショットキー電極１２を取り付けこの部分を空
乏化させることによって形成している。

これらの量子干渉トランジスタにおいても第１の実施例
の第２図に示すような干渉効果を得ることができる。

本発明の第３の実施例による量子干渉トランジスタを第
６図及び第７図を用いて説明する。

第６図は本発明の第３の実施例による量子干渉トランジ
スタの断面図である。第１図乃至第５図に示す量子干渉
トランジスタと同一の構成要素には同一の符号を付して
説明を省略または簡略にする。

本実施例は、第１の実施例の複数のストライプ２の構造
に変更を加え、干渉効果のＳ／Ｎ比を向上させたことを
特徴とするものである。

複数のストライプ２は、電子波を通過させる、例えば５
つのスリット２２を形成している。各スリット２２の幅
はすべて等しく５０ｎｍである。

ストライプ２の各々の幅は、中心から遠ざかるにつれて
か徐々に広くなるように形成する。即ち、複数のストラ
イプ２のピッチをストライプの中心から遠ざかるにつれ
て長くなるように、ストライプの幅を形成したものであ
る。本実施例では中心部に形成されたストライプの幅は
５０ｎｍ、ｆｉも外側に形成されたストライプの幅は１
１００ｎである。

ソース電極３を接地しドレイン４に正の電圧を印加する
と、電子はソース電極３を出てＧａＡｓチャンネル層１
を通ってトレイン電極４に達するが、途中にあ２る複数
のストライプ２で分岐する。

スリット幅が等しく形成され、外側にいくに従いピッチ
が長くなる複数のストライプ２で分岐した電子は、その
後再び合流しゲート２１に到達する。

この際に、一定のゲート電圧のもとてそれぞれの経路に
流れる電子波間に位相差が発生し、干渉されて電子波が
効率よく重ね合わされる。ゲート２１によって、干渉成
分のうちＯ次数分のみが通過させられ、この０吹成分に
よってドレイン電極４に流れる電流を高いＳ／Ｎ比で変
化させることができる。

本実施例の量子干渉トランジスタで得られる干渉曲線を
第７図に示す。提案された量子干渉トランジスタで得ら
れる干渉曲線に比して、０吹成分の面積はほとんど変わ
らないが、ピークの幅が狭くなっているので、Ｓ／Ｎ比
を高くすることができる。

本発明の第４の実施例による量子干渉トランジスタを第
８図を用いて説明する。同図（ａ）は本発明の第４の実
施例による量子干渉トランジスタの平面図、同図（ｂ）
はＡ−Ａ断面図である。第３図に示す量子干渉トランジ
スタと同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省
略または簡略にする。

本実施例は、第２の実施例の量子干渉トランジスタに用
いた複数のストライプ２の構造に変更を加え、干渉効果
のＳ／Ｎ比を向上させたことを特徴とするものである。

複数のストライプ２は、電子波を通過させる５つのスリ
ット２２を形成している。各スリット−２２の幅はすべ
て等しく５０ｎｍである。

ストライプ２の各々の幅は、中心から遠ざかるにつれて
か徐々に広くなるように形成する。即ち、複数のストラ
イプ２のピッチをストライプの中心から遠ざかるにつれ
て長くなるように、ストライプの幅を形成したものであ
る。本実施例では中心部に形成されたストライプの幅は
５０ｎｍ、ｆｉも外側に形成されたストライプの幅は１
１００ｎである。

本実施例においても、量子干渉トランジスタの複数のス
トライプ２の形成は、■ＧａＡｓ層１の２次元電子ガス
形成領域までイオン注入を行い、ストライプ形成領域を
高抵抗化する方法、■ＧａＡｓ層１の２次元電子ガス形
成領域までエツチングを行い、ストライプ形成領域に絶
縁膜５１と同じ材料を埋め込む方法、■ＧａＡｓ層１の
２次元電子ガス形成領域までストライプ形成領域を空乏
化させるため、ストライプ形成領域上部にショットキー
電極１２を取り付け、この部分を空乏化させる方法のい
ずれによっても形成することができる。

これらの量子干渉トランジスタにおいても第２の実施例
の第７図に示すような干渉効果、即ちＳ／Ｎ比の高い電
子強度を得ることができる。

［発明の効果〕 以上の通り、本発明によれば、電子が非弾性散乱を受け
ることなく、高い干渉効果を得られ、また干渉効果のＳ
／Ｎ比を向上させることができるので、素子の高密度化
に伴い、素子面積が小さくなり、それぞれの経路間の電
子波に生じる位相差が小さくなっても電子波が効率よく
重ね合わされ、電子が非弾性散乱を受けることなく、十
分に高い干渉効果を得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による量子干渉トランジ
スタの断面図、 第２図は本発明の第１の実施例による量子干渉トランジ
スタで得られる干渉曲線を示す図、第３図は本発明の第
２の実施例による量子干渉トランジスタを示す図、 第４図は本発明の第２の実施例による量子干渉トランジ
スタを示す図、 第５図は本発明の第２の実施例による量子干渉トランジ
スタを示す図、 第６図は本発明の第３の実施例による量子干渉トランジ
スタの断面図、 第７図は本発明の第３の実施例による量子干渉トランジ
スタで得られる干渉曲線を示す図、第８図は本発明の第
４の実施例による量子干渉トランジスタを示す図、 第９図は提案された量子干渉トランジスタを示す図、 第１０図は第９図の量子干渉トランジスタで得られる干
渉曲線を示す図、 第１１図はＧａＡｓチャンネル層におけるエネルギバン
ドを示す図、 第１２図はＧａＡｓチャンネル層におけるエネルギバン
ドを示す図 である。 図において、 １・・・ＧａＡｓチャンネル層 １１・・・下半部 １２・・・上手部 ２・・・ストライプ ２１・・・ゲート ２２・・・スリット ３・・・ソース電極 ３１・・・ｎ−ＧａＡｓコンタクト層 ４・・・ドレイン電極 ４１・・・ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓコンタクト層５・・・
ゲート１ｆ極 ５１・・・絶縁膜 ６・・・ＧａＡｓバッファ層 ７・・・５ｔＯ２ＷＡ ８−−−ｎ−Ａｊ　ＧａＡｓ層 １０・・・Ｇ　ａ　Ａ　ｓオフ基板 １２・・・ショットキー＄　［＋ 出願人　富　　士　　通　　株　　式　　会代理人　弁
理士　北　　野　　好 ０．０ ゲート中心からの距離 第１の実施例による量子干渉トランジスタで得られる干
渉曲線を示す図（ａ） （ｂ） 第４の実施例による量９−乎滲トランジスタを示す図第
８図 −〇　〇 寸− ＼ 騎Ｉ＋−浮藝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子を注入するソース電極と、前記ソース電極で注
   入された電子が流れるチャンネル層と、前記チャネル層
   を流れる電子を排出するドレイン電極と、前記チャンネ
   ル層の側面に形成され、電子の流れを制御するゲート電
   極と、前記チャンネル層の中央部に位置し、相互に平行
   に形成され、前記チャンネル層の禁制帯幅より大きな禁
   制帯幅を有し、前記チャンネル層を流れる電子を分岐す
   る複数のストライプとを有する量子干渉トランジスタに
   おいて、 前記複数のストライプは、各ストライプ間のピッチが前
   記複数のストライプの中心から遠ざかるにつれて短くな
   るように形成され、 前記複数のストライプの中心に対応する位置に開口を有
   し、前記開口に到達した電子のみを通過させるスリット
   が、前記ドレイン電極前面に形成されたこと を特徴とする量子干渉トランジスタ。 ２、電子を注入するソース電極と、前記ソース電極で注
   入された電子が流れるチャンネル層と、前記チャネル層
   を流れる電子を排出するドレイン電極と、前記チャンネ
   ル層の側面に形成され、電子の流れを制御するゲート電
   極と、前記チャンネル層の中央部に位置し、相互に平行
   に形成され、前記チャンネル層の禁制帯幅より大きな禁
   制帯幅を有し、前記チャンネル層を流れる電子を分岐す
   る複数のストライプとを有する量子干渉トランジスタに
   おいて、 前記複数のストライプは、各ストライプ間のピッチが前
   記複数のストライプの中心から遠ざかるにつれて長くな
   るように形成され、 前記複数のストライプの中心に対応する位置に開口を有
   し、前記開口に到達した電子のみを通過させるスリット
   が、前記ドレイン電極前面に形成されたこと を特徴とする量子干渉トランジスタ。