JPH04229656A - 量子波屈折デバイス - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は量子効果デバイスに関し
、電子波等の量子波の屈折を利用して動作する量子波屈
折デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】バイポーラトランジスタやＭＯＳトラン
ジスタは信号増幅・スイッチ用素子としてＬＳＩに汎用
されている。また、化合物半導体材料の高電子移動度を
利用するＨＥＭＴやＭＥＳＦＥＴは高速動作をその特徴
とし、マイクロ波帯域で動作する種々の集積回路に使用
される。

【０００３】これらのデバイスの高速性能を十分に引き
出すべく高集積密度の集積回路を製作する努力が払われ
ている。かかる努力により、半導体ウエハに１μｍ以下
のパターン幅を有するデバイスパターンを書くサブミク
ロンパターンニング技術が発展した。サブミクロンパタ
ーンニング技術の進歩により、今や２、３ミクロン以下
の大きさの半導体デバイスを作ることが出来る。

【０００４】かかるサブミクロンデバイスでは、動作速
度向上のため集積密度は増大したが、電子の量子力学的
な量子波としての振る舞いが顕在化して、電子が粒子と
して振る舞うことを動作原理とするバイポーラ・ＭＯＳ
等の従来のデバイスでは、その動作が電子波の屈折や干
渉等により、阻害されることが予想される。

【０００５】一方、電子の量子波としての性質を動作の
基礎におく電子波デバイスとよばれるデバイスが提案さ
れている。電子波デバイスでは電子の量子波、即ち電子
波が積極的にデバイス動作に利用されるので、電子波デ
バイスは従来の半導体デバイスで問題となる微細化の限
界問題から解放される。事実、電子波デバイスは理論的
には限界なしで小型化でき、集積密度、動作速度等に関
し、従来の半導体デバイスより優れた性能をもたらすこ
とが予想される。

【０００６】電子波デバイスの一例として、本出願人は
、特願平２−２４０４０号で電子波干渉トランジスタを
提案した。

【０００７】図２２（Ａ）乃至（Ｃ）に前記電子波干渉
トランジスタを示す。この先行技術のデバイスは入射電
子波を２つの電子波に分割する一対の量子ポイントコン
タクトを有し、電子波は各量子ポイントコンタクトを通
過する際に位相シフトされる。再度合体すると電子波は
互いに干渉し出力電流を生成する。ここで、「量子ポイ
ントコンタクト」とは、２次元電子ガスを形成する第１
の領域と２次元電子ガスを形成する第２の領域とを分離
する障壁中に、両領域中の電子ガスを接続するように１
次元に閉じ込められた電子の通路領域をいう。量子ポイ
ントコンタクトは幾つかの離散的な量子レベルを包含し
、電子の弾性又は非弾性散乱長と略等しいかそれ以下の
限定された長さを有する。

【０００８】電子波は量子ポイントコンタクトに入射す
ると量子ポイントコンタクトに形成された量子レベルに
対応した位相にシフトを受ける。先行技術の電子波デバ
イスは各量子ポイントコンタクトの量子レベルを制御し
て電子波の相互の位相差を制御する。該デバイスは２つ
の電子波が強め合うように干渉するとオンになり、弱め
合うように干渉するとオフになる。

【０００９】図２２（Ａ）及び（Ｂ）を参照するに、先
行技術の電子波デバイスは、内部に２次元電子ガスが形
成された積層半導体構造体５０上に形成される。積層半
導体構造体５０は、通常、ｎ＋　型ＡｌＧａＡｓドープ
電子供給層５１と、非ドープＧａＡｓチャネル層５３と
、その中間の非ドープＡｌＧａＡｓスペーサ層５２を有
する。この構造では、前述の２次元電子ガスは、ＨＥＭ
Ｔ構造に見られるような、広いバンドギャップを有する
ＡｌＧａＡｓ層と狭いバンドギャップＧａＡｓとのヘテ
ロ接合によりチャネル層５３の上側の境界に沿って形成
される。

【００１０】通常のＨＥＭＴと同様に、ソース電極５５
とドレイン電極５６が、ドープされたＡｌＧａＡｓ層５
１上に設けられ、ＡｌＧａＡｓ層５１とオーミックコン
タクトする。ソース電極５５は電子を２次元電子ガスに
注入し、ドレイン電極５６は２次元電子ガスから電子を
回収する。層５１上の、ソース電極５５とドレイン電極
５６との間の領域にはショットキー電極５７及び５８が
所定ギャップ離間して設けられ、ソース電極からドレイ
ン電極への電子の流れを遮断する。また、別のショット
キー電極６５が電極５７及び５８間のギャップに対応し
て設けられる。この構造では、電極５７及び６５間と電
極５８及び６５間で一対の電子通路が形成されるが、電
子の流れの方向から見ると、電極５７、５８及び６５下
に形成された空乏層領域６１、６２及び６３により、電
子の通路は、図２２（Ｂ）に示すように、横方向に閉じ
込められることが分かる。これにより、通路幅が電子波
のドブロイ波長よりも小さくなると各通路で離散的な量
子レベルが生じる。更に、各電極５７、５８及び６５は
電子波の伝播方向に、電子の弾性又は非弾性散乱長より
も小さい、典型的には１−２μｍ又はそれ以下の厚さを
有する。すなわち、これらの通路は前に定義した量子ポ
イントコンタクトを形成する。

【００１１】単一電子がソース電極５５に注入されると
、電子波Ｗ０によって表現される電子は図２２（Ｃ）の
ような電子波Ｗ１及びＷ２として量子ポイントコンタク
トを通過する。なお、電子波Ｗ１及びＷ２は各チャネル
を通過する電子の確率を示す。量子ポイントコンタクト
を通過すると電子波Ｗ１及びＷ２は前述したように相互
に合体・干渉する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、先行技術のデ
バイスは以下の課題を有する。即ち、注入される電子の
エネルギーレベルの変動に伴い、特に多数の電子が連続
的に量子ポイントコンタクトに注入された時に、干渉の
効果が不明瞭となってしまう。かかる電子のエネルギー
レベルの変動は、例えば熱的励起等により電子がエネル
ギーと運動量をフォノンと交換するような場合に容易に
生じる。

【００１３】そこで、本発明は、上記課題を解決するた
め、電子波の屈折をスイッチング動作に利用した新規且
つ有用な電子波デバイスを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み、本発明
の電子波デバイスを、キャリアを平面的に閉じ込めて２
次元キャリアガスの状態で移送する媒体（１００）と、
該媒体上に設けられ、前記キャリアを前記２次元キャリ
アガスに注入するエミッタ電極手段（１２０、１２１）
と、前記媒体上に設けられ、前記エミッタ手段から、２
次元キャリアガスを介してキャリアを回収するコレクタ
電極手段（１２２、２１６）とを有し、キャリアの流れ
を制御電圧信号に応じてオンオフする量子波屈折デバイ
スにおいて、前記媒体上、エミッタ電極手段とコレクタ
電極手段との間に設けられ、入射するキャリアを量子波
（Ｗ１　、Ｗ２）として、所定方向に放射し、キャリア
の経路に沿った長さ（Ｌ）が前記２次元キャリアガス内
のキャリアの弾性及び非弾性散乱長と略等しいかそれよ
り小さいことによって特徴づけられる第１の量子ポイン
トコンタクト（１２８’、２１２ｃ’）と、前記媒体上
、第１の量子ポイントコンタクトとコレクタ電極手段と
の間に設けられ、入射するキャリアを量子波（Ｗ１　、
Ｗ２　）として、所定方向に放射し、キャリアの経路に
沿った長さ（Ｌ）が、前記２次元キャリアガス内のキャ
リアの弾性及び非弾性散乱長と略等しいかそれより小さ
いことによって特徴づけられる第２の量子ポイントコン
タクト（１３２ａ’、１３２ｂ’、２１５ｃ’）と、前
記第１の量子ポイントコンタクトによって生成された前
記キャリアの量子波を遮断するように、前記媒体上、第
１及び第２の量子ポイントコンタクトの間に設けられ、
前記制御電圧信号を印加されて該制御電圧信号に応答し
て、前記制御電圧が第１の電圧レベルの時に前記量子波
が前記第２の量子ポイントコンタクトに命中し、前記制
御電圧が第１の電圧レベルとは異なる第２の電圧レベル
の時に前記量子波が前記第２の量子ポイントコンタクト
より逸れるように前記キャリアの量子波を屈折させる屈
折手段（１３４、２１３）とを有する構成とした。

【００１５】

【作用】本発明によれば、量子ポイントコンタクトによ
って指向性のある電子波を形成し、その方向を屈折させ
るため、デバイスの信頼性あるスイッチング動作が得ら
れる。電子波は、電子波が通過する際に、印加される制
御電圧に応答する屈折構造により誘起されるポテンシャ
ル上で偏向を受ける。屈折構造を制御することによりデ
バイスがオンの時、電子波が屈折して第２の障壁構造に
形成されるキャリアの通路に命中し、コレクタ出力が得
られるようにできる。デバイスがオフの時は、電子波は
通路を逸れ、コレクタ出力が得られない。これによって
、信頼性あるスイッチングが極めて高速で達成できる。

【００１６】

【実施例】まず、本発明の原理を図１（Ａ）及び（Ｂ）
と図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明する。図１（Ａ
）及び図２（Ａ）は２次元電子ガスが形成される構造の
平面図を示す。

【００１７】図１（Ａ）に電子波の通路として一対の細
長い空乏層領域２６ａ及び２６ｂ間に形成される量子ポ
イントコンタクト２８を示す。ポイントコンタクト２８
中には離散的な量子レベルＥ０　　及びＥ１　が形成さ
れている。ここで、細長い空乏層領域２６ａ及び２６ｂ
はｘ軸方向に整列して電子を排除する。すなわち、図面
に平行上に平面で形成される２次元電子ガスは空乏層領
域２６ａ及び２６ｂにより遮断される。既述の如く、量
子ポイントコンタクト２８は、量子ポイントコンタクト
２８中に電子の離散的な量子レベルＥ０　、Ｅ１　、・
・・を形成するように十分に小さい幅Ｗを有する。

【００１８】図１（Ｂ）は量子ポイントコンタクト２８
のバンド図で、前記量子レベルＥ０　、Ｅ１　（Ｅ０　
＜Ｅ１　）とそれに対応する波関数Ψ０　とΨ１　を示
す。

【００１９】量子レベルＥ０　は基底レベルに対応し、
このレベルＥ０　に対応する波動関数Ψ０　は波関数の
正負が変化する節点を含まない。かかるパターンの波動
関数はエネルギーＥ０　を有する電子波の運動量に横成
分を含まず、このモードの電子波は量子ポイントコンタ
クト２８から図１（Ａ）のＷ１で示す方向に直すぐに射
出されることを示す。例えば、フェルミレベルに対応す
るエネルギーＥＦ　’を有する電子波が量子ポイントコ
ンタクト２８に入射すると、電子波はｘ軸方向にのみ波
動ベクトル

【００２０】

【数１】

【００２１】を有する。ここで、ｍは電子の質量を示し
、

【００２２】

【数２】

【００２３】はプランク定数を２πで割った値を示す。

【００２４】一方、高いモードに対応する波動関数Ψ１
　はかかる節点を有するので電子波の運動量に横成分波
が現れる。例えば、フェルミレベルに対応するエネルギ
ーＥＦ　を有する電子波が量子ポイントコンタクト２８
に入射すると、電子波は空乏層領域２６ａ及び２６ｂと
平行なｘ軸方向に波動ベクトル

【００２５】

【数３】

【００２６】を、また、ｙ軸方向に波動ベクトル

【００
２７】

【数４】

【００２８】を有する。よって、電子波は量子ポイント
コンタクト２８から波動ベクトルｋＸ　とｋＹ　の和に
対応した方向Ｗ２に射出される。なお、Ｗ２の方向はＹ
軸に関して対称に２つ存在し、電子波は量子ポイントコ
ンタクト２８から図１（Ａ）に示すように鋭い指向性で
Ｗ２方向に伝播する。一旦飛び出すと、電子波の波動ベ
クトルの大きさは元の大きさｋＦ　に戻る。そこで、電
子を検出する仮想スクリーンを図のように設けると、モ
ードＥ０　の電子波に対応するパターンＷ１に、モード
Ｅ１　に対応する電子波Ｗ２を加えた電子波パターンが
観測されるはずである。

【００２９】図２（Ａ）は量子ポイントコンタクトで生
成された前記放射パターンの電子波を利用する電子波デ
バイスの原理を示す。同図は２次元電子ガスが図面に平
行な平面で形成された場合の平面図を示している。

【００３０】この電子波デバイスでは、空乏層領域２６
ａ及び２６ｂが第１の障壁構造２６を形成し、一方、第
２の障壁構造３０が、Ｘ軸方向に整列した細長い空乏層
領域３０ａ，３０ｂ及び３０ｃにより形成される。第２
の障壁構造３０では、電子の通路３２ａ及び３２ｂが夫
々空乏層領域３０ａと３０ｂ及び３０ｂと３０ｃとの間
に形成されている。図のように、空乏層領域２６ａ及び
２６ｂは空乏層領域３０ａ，３０ｂ及び３０ｃに対向し
て形成され、さらに、屈折構造３４が第１及び第２の障
壁構造間に設けられる。この屈折構造３４は、図２（Ｂ
）に示すように変形ポテンシャルレベルを誘起して、電
子波、特に斜めに入射する電子波Ｗ２を屈折させる。

【００３１】図２（Ｂ）は屈折構造３４より誘起される
ポテンシャルＥφを示す。同図は電子波Ｗ１のパスに沿
って切断したエネルギー横断面図を示す。同図に示すよ
うに、構造３４に対応する伝導帯ＥＣ　にエネルギーＥ
φを持つポテンシャルの山が形成され、かかるエネルギ
ーの山はフェルミエネルギーＥＦ　を持つ構造３４に入
射する電子波の波動ベクトルを

【００３２】

【数５】

【００３３】のように変化させる。

【００３４】エネルギーレベルＥφを制御することで構
造３４を通過する電子波の波動ベクトルｋＦ　’を調節
できる。構造３４から出射されると、電子波は元の波動
ベクトルｋＦ　を回復する。

【００３５】フェルミエネルギーＥＦ　を有し、伝播方
向に波動ベクトルｋＦ　を持つ電子波Ｗ２が構造３４に
斜めに入射する場合に注目すると、波動ベクトルのｙ成
分ｋＦＹは前記電子波の変化を受け、それに伴い、丁度
光が高速度の媒体に入射した場合と同様に、電子波の速
度が変化する。一方、波動ベクトルのＸ成分ｋＦＸは影
響を受けず、電子波Ｗ２は光の屈折と同様に屈折される
。エネルギーレベルＥφを制御することで構造３４の「
屈折率」は所望に調節でき、電子波Ｗ２の経路は図２（
Ａ）の破線に示すように変化する。これにより、電子波
Ｗ２のパスは屈折率に基づき元の経路に平行にシフトす
る。

【００３６】エネルギーレベルＥφが適当に選択される
と、電子波Ｗ２は通路３２ａ及び３２ｂの一方又は双方
を通過し、電子波Ｗ２に対応する電流が検出される。こ
の状態は電子波のオン状態に相当する。一方、エネルギ
ーレベルＥφを電子波Ｗ２が第２の障壁構造３０でブロ
ックされるよう設定すると、デバイスはオフになり出力
電流は生成されない。

【００３７】次に、量子ポイントコンタクトに対応する
指向性放射パターンを示す実験について図３乃至図７を
参照して説明する。

【００３８】図３に実験に使用されたデバイスの平面図
を示す。デバイスは、ヘテロ接合を形成する変調ドープ
構造を有し、ＭＢＥ成長されたＧａＡｌ／ＡｌＧａＡｌ
よりなる積層半導体構造体上に構築される。より詳細に
は、積層半導体構造体は、非ドープＧａＡｓチャネル層
と、ＧａＡｓチャネル層上に成長された厚さ２０ｎｍの
非ドープＡｌ０．３　Ｇａ０．７　Ａｓスペーサ層、及
びその上に厚さ５０ｎｍで成長さたｎ形Ａｌ０．３　Ｇ
ａ０．７　層よりなり、このＡｌＧａＡｓ層はキャリア
濃度１．４×１０１８ｃｍ−３を有する。さらに、ドー
プされたＡｌＧａＡｓ層の上にはｎ型ＧａＡｓキャップ
層が、厚さ５０ｎｍで成長される。ＧａＡｓキャップ層
のキャリア密度は１．４×１０１８ｃｍ−３である。こ
の積層半導体構造体では、２次元電子ガスがキャリア濃
度３．５×１０１１ｃｍ−２で形成される。２次元電子
ガスの移動度は１．２°Ｋで３×１０５　ｃｍ２　／Ｖ
・ｓであり、平均自由行程は１μｍを超える。平均自由
行程の長さ内は電子は散乱を受けず、直進的に移動する
。この様にして形成された２次元電子ガスの電子はフェ
ルミ波長４２ｎｍを有する。図３にｎ型ＡｌＧａＡｓ層
の表面を示す。

【００３９】ｎ型ＡｌＧａＡｓ層の表面には、エミッタ
電極３１とコレクタ電極３２とが、夫々オーミックコン
タクトして設けられる。さらに、細長いショットキー電
極３３ａと３３ｂとを有する第１の障壁構造３３が、電
極３ａと３３ｂがＸ軸方向と整列するように形成される
。ショットキー電極３３ａと３３ｂに対応して、空乏層
領域３３ａ’及び３３ｂ’が、図１（Ａ）の空乏層領域
２６ａ及び２６ｂと同様に形成される。ショットキー電
極３３ａと３３ｂ間には幅ｂのギャップ３３ｃが形成さ
れ、ギャップ３３ｃに対応して電子の通路３３ｃ’が形
成される。

【００４０】ショットキー電極３３ａと３３ｂとは、２
次元電子ガスに平行な平面内で、エミッタ及びコレクタ
電極３１及び３２を結ぶ方向に、２次元電子ガスの電子
の弾性又は非弾性散乱長より小さい大きさｄを有する。 本実験では、ｄを０．１μｍとした。一方、ギャップ３
３ｃの幅ｂは０．４μｍとした。これにより、通路３３
ｃ’は量子ポイントコンタクトを形成する。空乏層領域
３３ａ’及び３３ｂ’の広がりは、ショットキー電極３
３ａと３３ｂに印加される制御電圧に応答して制御され
る。また、これらの空乏層領域の広がりに対応して量子
ポイントコンタクト３３ｃ’の大きさも変化する。第１
の障壁構造３３はエミッタ電極３１から距離ｓ離れて設
けられ、実験では距離ｓを１０μｍとした。

【００４１】第１の障壁構造３３とコレクタ電極３４と
の間には、ｘ軸方向に整列した細長いショットキー電極
３４ａと３４ｂを有する第２の障壁構造３４が設けられ
ている。ショットキー電極３４ａ及び３４ｂ間にはギャ
ップ３４ｃが形成される。ショットキー電極３４ａ及び
３４ｂの大きさ、及びギャップ３４ｃの大きさは、いず
れも第１の障壁構造３３のそれに等しい。これによって
、空乏層領域３４ａ’及び３４ｂ’がショットキー電極
３４ａ及び３４ｂに対応して、第１の障壁構造３３の場
合と同様に形成される。第１の障壁構造及び第２の障壁
構造は互いに距離ｔ離間して配置され、実験では距離ｔ
を１μｍとした。

【００４２】第１及び第２の障壁構造３３及び３４間に
、ベース電極３５がｎ＋　型ＧａＡｓコンタクト層にオ
ーミックコンタクトして設けられる。ベース電極３５を
所定のバイアス電圧でバイアスすることにより、電子は
、第１の障壁構造３３をへだてて２次元電子ガスに誘起
されたポテンシャル差により、量子ポイントコンタクト
３３ｃ’内に導入される。さらに、ベース電極３５は、
量子ポイントコンタクト３３ｃ’を介して第１及び第２
の障壁構造間の領域に導入されたものの、量子ポイント
コンタクト３４ｃ’から出射しなかった電子を回収する
ためにも使用される。

【００４３】以下では、量子ポイントコンタクト３３ｃ
’から出射した電子波の放射パターンを評価するため、
電子波の回折パターンをフラウンホーファー回折の理論
にもとづいて計算する。図４は座標とパラメータを定義
する図であるが、この図４より、任意の点Ｐでの電子波
の微分振幅ｄＵｓへの通路３３ｃ’の線素ｄｓの寄与は
， 　　　　　　ｄＵｓ＝Ａ・ｄｓ／Ｌ・ｓｉｎ〔ωｔ−ｋ
Ｆ　（ｘ＋Δ）〕　　　　　　（１）で表されることが
わかる。ここで、図４に示すように、Ａは定数、Ｌは量
子ポイントコンタクト３３ｃ’内の原点ＯとＰとの距離
、ｋＦ　は２次元電子ガスの電子のフェルミ波ベクトル
、Δは経路ＬとＬ’の経路長１差を示す。経路Ｌは線素
ｄｓと点Ｐとの差を示し、経路Ｌ’は原点Ｏと点Ｐとの
差を示す。初等幾何より、Δ＝ｓ・ｓｉｎθとなること
がわかる。ただし、θは原点Ｏから見た点Ｐの極座標（
Ｌ、θ）形における角度座標である。 通路３３ｃの幅ｂにわたって微分振幅ｄＵｓを積分する
と電子波の任意の点Ｐにおける強度分布が以下のように
得られる。

【００４４】

【数６】

【００４５】 　　ここで、パラメータＡは図１（Ａ）のモードＷ１に
対しては、　　　　　　　　　　Ａ＝ａ・ｃｏｓ（π／
ｂ・ｓ）、ａ＝ｃｏｎｓｔａｎｔ，　　（３）となり、
モードＷ２に対しては、 　　　　　　　　Ａ＝ａ・ｓｉｎ（２π／ｂ・ｓ）、ａ
＝ｃｏｎｓｔａｎｔ，　　（４）となる。図１（Ｂ）の
波動関数Ψ０　及びΨ１　を参照。

【００４６】式（２）より、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示
す電子波の回折パターンが第２の障壁構造３４上に現れ
ると予測される。なお、図５（Ａ）は電子波Ｗ１の予測
パターンを示し、図３（Ｂ）は電子波Ｗ１及びＷ２を重
ね合わせた予測パターンを示す。図５（Ａ）と（Ｂ）と
の回折パターンの相違は式（２）のパラメータＡの相違
に基づく。

【００４７】予測される電子波の回折を検出又は検証す
るため本実験では磁界Ｔを２次元電子ガスに垂直に通過
するようにデバイスに印加した。その際、電子波は電子
に作用するローレンツ力によりカーブし、磁界の大きさ
を適当に調節すると、通路３４ｃ’から出射した電子を
点Ｐ０　で検出できる。本実験では、磁界強度Ｔを連続
的に変化させて回折パターンを観察した。

【００４８】図６（Ａ）及び（Ｂ）は図３のデバイスを
使用することによって行った実験結果を示す。実験では
、ゲート電圧−０．２８Ｖ及び−０．１９５Ｖを電子波
Ｗ１の形成、及び電子波Ｗ１とＷ２の形式に対応して、
ショットキー電極３３ａ及び３３ｂに印加される。 なお、これらのゲート電圧の選択の根拠については後述
する。また、電子波を量子ポイントコンタクト３３ｃ’
に導入するために、バイアス電圧３０μＶをエミッタ及
びベース電極間に印加した。測定は、磁界Ｔの強さＢを
−０．２テスラから＋０．２テスラまで温度０．３５°
Ｋの下で変化させながら行った。磁界Ｔの強さＢは以下
の式によって屈折角θに変換される。

【００４９】 　　　　　　　　　　　　　　　　ｋ・ｓ・ｓｉｎθ＝
πｅ／ｈ・Ｂ・ｓ・ｔ　　　　　　　　　　（５）ここ
で、ｔは図３で定義される第１及び第２の障壁構造３３
及び３４間の距離を示す。

【００５０】図６（Ａ）より明らかなように、量子ポイ
ントコンタクト３４ｃ’を出射してコレクタ電極３２で
検出される電流には一つのピークＰ０　があるのが確認
された。先の説明より、このピークＰ０　は図５（Ａ）
の電子波Ｗ１のピークに対応するものと考えられる。特
に、図６（Ａ）のパターンは、空乏層領域３３ａ’及び
３３ｂ’により２次元電子ガス内に形成された量子ポイ
ントコンタクト３３ｃ’の幅ｂが９０ｎｍの時の電子波
Ｗ１の回折パターンに略一致する。

【００５１】図６（Ｂ）のパターンには２つのピークＰ
−１とＰ１が観測された。このパターンは、電子波Ｗ１
及びＷ２が重ね合った図５（Ｂ）の計算されたパターン
に対応すると考えられる。図６（Ｂ）のパターンは通路
の幅ｂが１５０ｎｍの場合の計算された回折パターンに
略一致する。

【００５２】図７は０．３５°Ｋで同一のベースエミッ
タバイアス電圧を印加しながら測定した図３のデバイス
のコンダクタンスを示す。この実験では、磁界は印加し
ていない。コンダクタンスはショットキー電極３３ａ及
び３３ｂに印加されるゲート電圧を変化させながら測定
した。

【００５３】図７より明らかなように、コンダクタンス
はゲート電圧に伴って階段状に変化する。しかも、第１
のステップはコンダクタンス２ｅ２　／ｈに対応し、第
２のステップはコンダクタンス２×２ｅ２　／ｈに対応
し、第３のステップはコンダクタンス３×２ｅ２　／ｈ
に対応する。この量子化の関係は明らかに電子が図３の
デバイスの離散的なエネルギーレベルを有する量子波と
して振る舞うことを示している。特に、第１のステップ
に相当してゲート電圧を−０．２８Ｖにすることによっ
て、基底状態Ｅ０　に対応する電子波Ｗ１を観測できる
。一方、ゲート電圧を図７の第２のステップに対応する
−０．１９５Ｖにすると、量子状態Ｅ１　に対応する電
子波Ｗ２を観測できる。

【００５４】回折パターンの観測の際に使用した前記ゲ
ート電圧の値−０．２８Ｖ又は−０．１９５Ｖは、図７
の観測に基づき選択されたものである。特に、ゲート電
圧を−０．２８Ｖにすると、量子ポイントコンタクト３
３ｃ’の大きさｂに対応する図７の幅Ｗは狭くなり、量
子レベルＥ０　及びＥ１　のエネルギーギャップは増加
する。これにより、量子レベルＥ１　のエネルギーは通
路３３ｃ’に入来する２次元電子ガスのフェルミエネル
ギーＥＦ　を超え、入来する電子はモードＷ１だけをと
る。この状態は入来する電子が、エネルギーＥ０　の図
１（Ｂ）のフェルミレベルＥＦ　’を有する場合と同等
である。一方、ゲート電圧を−０．１９５Ｖとして前の
ゲート電圧−０．２８Ｖよりも絶対値を小さくすると、
図１（Ｂ）の幅Ｗは増加し、量子レベルＥ０　とＥ１　
間のエネルギーギャップは減少する。この場合、フェル
ミエネルギーＥＦ　は量子レベルＥ１　のエネルギーを
超えて電子波は２つのモードＷ１及びＷ２を採る。これ
に対応して、前記の２つのピークＰ−１及びＰ１　が図
６（Ｂ）のように観測される。

【００５５】要約すると、前記実験は明らかに電子が量
子ポイントコンタクト内で量子波をして振る舞い、鋭い
指向性をもって飛び出すことを示している。特に、量子
ポイントコンタクトの基底レベルＥ０　に対応する電子
波Ｗ１は量子ポイントコンタクトが形成される障壁構造
に垂直な方向に直進し、光ビームのように伝播する。一
方、電子波Ｗ２は障壁構造に傾いた方向に、やはり光ビ
ームのように出射する。以上、本発明はデバイスのオン
オフが量子ポイントコンタクトによって生成される電子
波ビームの屈折に応答して達成される電子波デバイスを
提供する。

【００５６】図８は本発明の第１実施例を示す平面図で
ある。図９（Ａ）乃至（Ｃ）は図４の各縦断面図である
。

【００５７】図８の構造を説明する前に図９（Ａ）乃至
（Ｃ）の横断面図を参照する。図９（Ａ）乃至（Ｃ）を
参照するに、図８の電子波デバイスは、半絶縁ＧａＡｓ
基板１１０と、基板１１０に厚さ５００ｎｍでエピタキ
シャル成長した非ドープＧａＡｓ活性層１１２とを有す
る積層半導体構造体１００上に形成される。さらに、活
性層１１２上には１．４×１０１８ｃｍ−３のキャリア
濃度でドープしたｎ型ＡｌＧａＡｓ層１１４が厚さ４５
ｎｍで成長される。活性層１１２とドープ層１１４とは
ＭＢＥプロセスで成長される。更に、ｎ型ＧａＡｓより
なるコンタクト層がｎ型ＡｌＧａＡｓ層１１４上に形成
され、構造体１００は通常のＨＥＭＴ構造を形成する。

【００５８】ドープ層１１４はコンタクト層１１８と共
に、図８に示すようにパターニングされ、その際２次元
電子ガスは活性層１１２とドープ層１１４間の境界面に
、パターニングされたドープ層１１４に対応するように
形成される。図８のドープ層１１４の外側の領域には活
性層１１２が露出されるが、この部分に対応する活性層
は酸素等の深い準位の不純物をイオン注入することによ
り不活性化される。

【００５９】図８を参照するに、エミッタ電極１２０と
コレクタ電極１２２はパターニングされたコンタクト層
１１８に設けられてオーミックコンタクトを形成する。 更に、図示したように、ショットキー電極１２６ａ、１
２６ｂ及び１２６ｃよりなる第１の障壁構造１２６がＡ
ｌＧａＡｓ層１１４上に設けられる。その際、ギャップ
１２８がショットキー電極１２６ａと１２６ｂ間に、幅
Ｗで形成される。図９（Ｃ）を参照。なお、図９（Ｃ）
は線５Ｃ−５Ｃの横断面図である。

【００６０】各ショットキー電極１２６ａと１２６ｂは
夫々厚さ３０ｎｍ、５０ｎｍ及び２００ｎｍを有する積
層構造Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを有し、２次元電子ガスに平行
な平面上で、エミッタ及びコレクタ電極１２０及び１２
２を結ぶ方向に、大きさｄを有する。大きさｄは２次元
電子ガスの電子の弾性又は非弾性散乱長以下の、約０．
１μｍの大きさを有する。一方、幅Ｗは前記実験より典
型的に約０．４μｍとした。これにより、２次元電子ガ
ス中にギャップ１２８に対応して量子ポイントコンタク
ト１２８’が形成される。ショットキー電極１２６ａと
１２６ｂはｎ型ＡｌＧａＡｓ層１１４の外側の領域に、
夫々ゲート電極を印加するためのコンタクトパッド１２
６ａ’及び１２６ｂ’を有する。

【００６１】障壁構造１２６の大きさｄは前述の０．１
μｍに限定されず、電子の弾性及び非弾性散乱長以下で
、しかも電子に対して効果的は障壁として機能する限り
、大きさは問わない。同様に、幅Ｗも０．４μｍに限定
されず、ギャップ１２８に対応する活性層１１２が量子
井戸を形成する限り、その大きさは問わない。更に、量
子井戸の実効的な幅はコンタクトパッド１２６ａ’及び
１２６ｂ’に印加されるゲート電圧に対応して所望に調
節できる。

【００６２】コレクタ電極１２２付近には、ショットキ
ー電極１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃを有する第２の
障壁構造１３０が設けられる。各ショットキー電極は第
１の障壁構造のそれらと実質的に同一構造・大きさを有
する。その際、ギャップ１３２ａ及び１３２ｂが電極１
３０ａ及び１３０ｂ間と電極１３０ｂ及び１３０ｃ間に
夫々形成される。これらのギャップ１３２ａ及び１３２
ｂはギャップ１２８の幅Ｗと実質的に同一な幅Ｗを有す
る。これによって、ギャップ１２８下に形成された量子
ポイントコンタクトの場合と同様に、一対の量子ポイン
トコンタクト１３２ａ’及び１３２ｂ’が夫々ギャップ
１３２ａ及び１３２ｂに対応して２次元電子ガスに形成
され、電子はかかる量子ポイントコンタクトより出射す
ることが可能となる。なお、図９（Ａ）は５Ａ−５Ａ線
の横断面図である。ギャップ１３２ａ及び１３２ｂに対
応する量子ポイントコンタクト実際の大きさは電極１３
０ａ及び１３０ｂ間に印加される制御電圧に応じて調節
できる。

【００６３】障壁構造１２６及び１３０間には、更に、
第１及び第２の障壁構造１２６及び１３０に平行に延在
する別のショットキー電極１３４がｎ型ＡｌＧａＡｓ層
１１４上にショットキー接触して設けられる。ショット
キー電極１３４は他のショットキー電極と同様に積層構
造Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを有し、図８に示すデバイスのエミ
ッタ１２０及びコレクタ１２２電極を結ぶ方向に大きさ
Ｌｇを有する。ショットキー電極１３４は接合パッド領
域１３４’を有し、接合パッド領域１３４’に印加され
る制御電圧に応答して図２（Ｂ）のポテンシャルＥφを
誘起する。これによって、電子波は電極１３４下の領域
を通過して波動ベクトル変化と速度変化とを受け、屈折
する。なお、図９（Ｂ）は５Ｂ−５Ｂ線に沿ったショッ
トキー電極１３４の横断面図である。

【００６４】更に、一対のベース電極１２４が第２の障
壁構造１３０及びショットキー電極１３４との間でコン
タクト層１１８上に設けられ、障壁構造１３０を横切っ
てエミッタ電極１２２とベース電極１２４間で所望のバ
イアス電圧を印加する。ベース電極１２４はエミッタ電
極１２０及びコレクタ電極１２２を結ぶ仮想中心線Ｃに
対して略対称に設けられ、パターニングされたコンタク
ト層１１８の側端部に近接・配置される。

【００６５】図１０は所望のデバイス動作を得るための
第１及び第２の障壁構造におけるショットキー電極を配
置の様子を示す。

【００６６】図８と本質的に同一構造を有する図１０を
参照するに、ギャップ１３２ａ及び１３２ｂは、ギャッ
プ１２８の中心Ｏを通りエミッタ及びコレクタ電極を結
ぶ仮想中心線Ｃに対して対称に設けられる。この仮想中
心線Ｃは基底状態の電子波Ｗ１の通路に略一致する。図
１０に示すように、ギャップ１３２ａ及び１３２ｂは中
心線Ｃに対称に設けられ、中心線Ｃとギャップ１３２ａ
又は１３２ｂ間の距離Ｄは等しい。

【００６７】距離Ｄは、電子波デバイスが第１の論理状
態にある場合に第２のモードの電子波がショットキー電
極によって誘起されたポテンシャルを通過した後に、ギ
ャップ１３２ａ又は１３２ｂ下の量子ポイントコンタク
ト１３２ａ’又は１３２ｂ’に入射するように決められ
る。例えば、距離Ｄは、制御電圧をショットキー電極１
３４に印加しない時に、電子波Ｗ２が量子ポイントコン
タクト１２８’から出た後に量子ポイントコンタクト１
３２ａ’又は１３２ｂ’に直線的に入射するように決め
られる。この場合、距離ＤはＤ＝ｔ・ｔａｎθで決定さ
れる。

【００６８】ギャップ１３２ａ及び１３２ｂの幅は、制
御電圧をショットキー電極１３４に印加した時に、電子
波Ｗ２が量子ポイントコンタクト１３２ａ’又は１３２
ｂ’を確実に外れるように設置される。図１１はショッ
トキー電極１３４に生じる電子波の屈折を示す。

【００６９】図１１を参照するに、ショットキー電極１
３４下の領域に直角に入来する電子波Ｗ１の波動ベクト
ルはｋＹ　からｋＹ　’に変化する。出射すると、電子
波Ｗ１の波動ベクトルは元の値ｋＹ　に戻る。電子波Ｗ
１はｘ軸方向に波番号成分を持たないので屈折は電子波
Ｗ１では生じない。

【００７０】一方、電子波Ｗ２はショットキー電極１３
４下の領域に傾斜した入来するので、波動ベクトルのｙ
成分だけがｋＹ　からｋＹ　’に変化し、ｘ成分ｋＸ　
は変化しない。波動ベクトルの変化は波の速度変化に対
応し電子波Ｗ２は図１１に示すように光波の如く屈折す
る。屈折角θ’は波動ベクトルｋＸ　に対する波動ベク
トルｋＹ　’の比により決定され、波動ベクトルｋＹ　
’はショットキー電極１３４に印加される制御電圧によ
り決定される。ショットキー電極１３４下の領域から出
射すると電子波Ｗ２は元の波動ベクトルｋＹ　を回復、
電子波Ｗ２は元の経路に平行に、但し図１１に示すよう
に横オフセットδを伴って伝播する。

【００７１】上記の波動ベクトルｋＸ　とｋＹ　との関
係で表現される電子波Ｗ２の屈折は電子密度ｎとｎ’で
も表現できる。ここで、電子密度ｎはショットキー電極
１３４下を除く部分の２次元電子ガス中の電子密度に対
応し、電子密度ｎ’はショットキー電極１３４下にある
２次元電子ガス中の電子密度に対応する。

【００７２】３次元波動ベクトル空間ｋＸ　，ｋＹ　及
びｋＺ　を示す図１２を参照するに、ｘ−ｙ平面上の２
次元電子ガスのとり得る状態は、ｋＺ　＝０の面内の半
径ｋＦ　円内に閉じ込められる。円内に、一端の長さが
Ｌの周期境界条件を考えると、電子の全数Ｎは、 Ｎ＝２πｋＦ　／（２π／Ｌ）２　　　　　　　　　　
　　　　　（６）で表現される。

【００７３】一方、量Ｎは状態密度ρ（Ｅ）を用いて、

【００７４】

【数７】

【００７５】で与えられる。したがって、以下の関係が
導かれる。

【００７６】

【数８】

【００７７】式（８）を微分すると、

【００７８】

【数９】

【００７９】となる。ｍ＊は電子の有効質量で、周知な
ように、

【００８０】

【数１０】

【００８１】で表される。式（８）を用いると、フェル
ミエネルギーＥＦ　は電子密度ｎにより、次のように表
現できる。

【００８２】

【数１１】

【００８３】なお、ｎはｎ＝Ｎ／Ｌ２　で与えられる。

【００８４】明らかに電子密度ｎは図１２の円の面積に
比例し、従って波動ベクトルｋＦ　の大きに比例する。 ここで、ｋＦ　は 　　ｋＦ　２　＝ｋＸ　２　＋ｋｙ　２　　　　　　　
　　　　　　　　　　（１１）で与えられる。

【００８５】フェルミエネルギーＥＦ　を持つ電子波が
ポテンシャルの変化した領域を通過すると、フェルミエ
ネルギーＥＦ　は電子波の全エネルギーを保存するよう
に変化し、電子密度は以下の関係によりｎからｎ’に変
化する。

【００８６】 　　　　　　　　　　　　（ｋＸ　２　＋ｋｙ　２　）
：（ｋＸ　２　＋ｋｙ　’２）＝ｎ：ｎ’　　（１２）
図１１の初等幾何より入射角θはｋＸ　とｋＹ　で以下
のように表される。

【００８７】 　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｉｎθ＝ｋＸ　／
（ｋＸ　２　＋ｋｙ　２　）１／２　　　　　　　　　
（１３）　　同様に、 　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｉｎθ’＝ｋＸ　
／（ｋＸ　２　＋ｋｙ　’２）１／２　　　　　　　（
１４）式（１３）と（１４）により、媒体の屈折率を電
子密度ｎ及びｎ’として、有名な屈折の式が導かれる。

【００８８】 　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｉｎθ／ｓｉｎθ
’＝（ｎ／ｎ’）１／２　　　　　　　　　（１５）図
１１に戻って、オフセットδの大きさは幾何的に入射角
θ、θ’及びショットキー電極１３４の大きさＬｇで決
定される。入射角θ’を一定とすると、大きさＬｇが大
きいほどオフセットδは大きく、大きさＬｇを一定とす
ると制御電圧によりオフセットδを調節できる。

【００８９】電子波デバイスのオンオフするためには、
ショットキー電極１３４に制御電圧が印加されている時
に量子ポイントコンタクト１３２ａ’及び１３２ｂ’か
ら電子ビームＷ２が逸れるように電子ビームＷ２をシフ
ト又は移動させることが必要である。このため、ギャッ
プ１３２ａ及び１３２ｂ下の量子ポイントコンタクト１
３２ａ’及び１３２ｂ’の幅Ｗは制御電圧によって生じ
るオフセットδよりも十分小さくなければならない。一
般に、ギャップ１３２ａ及び１３２ｂの幅Ｗはギャップ
１２８の幅に略等しい。量子ポイントコンタクト１３２
ａ’及び１３２ｂ’の大きさを、ショットキー電極１３
０ａ及び１３０ｃに制御電圧を印加することで小さくす
ると、デバイスの感度は向上する。一方、量子ポイント
コンタクト１３２ａ’及び１３２ｂ’の大きさを余りに
小さくすると量子ポイントコンタクト内で形成される量
子状態のエネルギーレベルが増加して量子ポイントコン
タクトによって電子波が反射する危険がある。望ましい
実施例ではギャップ１３２ａ及び１３２ｂの幅Ｗはギャ
ップ１２８の幅に略等しくされ、ショットキー電極１２
６ａ及び１２６ｂに印加されるのと等しいバイアス電圧
をショットキー電極１３２ａ及び１３２ｂに印加する。

【００９０】また、電子波デバイスが、ショットキー電
極１３４への制御電圧がゼロの場合にオンするように設
計する場合には、図１０の距離Ｄは以下の式によって決
定される。

【００９１】 　　　　　　　　　　　　　　Ｄ＝（ｔ−Ｌｇ）・ｔａ
ｎθ＋Ｌｇ・ｔａｎθ　　　　　　（１６）図１３は図
１０の第１及び第２の障壁構造１２６及び１３０を有す
る領域の構造の拡大図である。図１３から式（１６）は
明らかであるので説明は省略する。

【００９２】次に、図１０のデバイスの動作を説明する
。

【００９３】図１０を参照するに、エミッタ電極１２０
は接地され、約３０μＶのバイアス電圧ＶＢＥがエミッ
タ電極１２０とベース電極１２４に印加されている。こ
れにより、ポテンシャル差が障壁構造１２６を横切って
２次元電子ガス中に誘起される。

【００９４】量子ポイントコンタクトを形成するには、
上記実験結果から、入射電子波Ｗ２のエネルギーＥＦ　
が量子ポイントコンタクト１２８内に形成された量子レ
ベルＥ１　（図１（Ｂ）参照）より高く、より高い量子
レベルＥ２　よりも低くなるように−０．１９５Ｖのゲ
ート電圧Ｖｉを印加すればよい。これによって電子波Ｗ
２は、障壁１２６のベース電極１２４が設けられた側に
注入されて前記波動ベクトルｋｘ　及びｋＹ　をもって
２次元電子ガス中を直進的に伝播する。

【００９５】電子波Ｗ２は、その後、ポテンシャルの山
Ｅφを制御電圧Ｖｇに応じて形成するショットキー電極
１３４下の領域を通過して、屈折する。電極１３４下の
領域通過後、電子波Ｗ２は、類似の量子状態がゲートバ
イアス電圧Ｖｄ（−０．１９５Ｖ）に応じて形成される
量子ポイントコンタクト１３０ａ’又は１３０ｂ’を通
過して、コレクタ電極１２２の設けられている側から出
射する。コレクタ電極はコレクタ電圧ＶＣＥ（３０μＶ
）によってバイアスされる。すなわち、ベース電極１３
４とコネクタ電極１２２の間のバイアスはゼロとなり、
障壁構造１３０の両側で２次元電子ガスのポテンシャル
差はゼロとなる。電子波Ｗ２は量子レベルＥ０　及びＥ
１　以上のエネルギーを有し、電子波Ｗ２は自由に量子
ポイントコンタクトを通過する。電極１３４の寸法Ｌｇ
が０．１μｍの場合、電極１３４により誘起されるポテ
ンシャルＥφの高さは典型的に、０−５０ｍｅＶの範囲
で変化される。

【００９６】次に、第１実施例の電子波デバイスを製造
する工程を簡単に説明する。

【００９７】図８のデバイスの５Ａ−５Ａ線での横断面
図を示す図１４（Ａ）を参照するに、基板１１０、Ｇａ
Ａｓ活性層１１２及びドープＡｌＧａＡｓ層１１４を有
する積層半導体構造体上に電子ビームレジスト１５０を
堆積し、集束電子ビームを照射後、図１４（Ｂ）に示す
ようにパターニングする。これによって、パターン１５
０ａ乃至１５０ｃが電子ビームレジスト層１５０中に形
成される。同様なパターニングは、ショットキー電極１
２６ａ、１２６及び１３４に対応しても行われる。集束
電子ビームを使うことにより図４で既述した０．１μｍ
の大きさｄと０．４μｍの幅Ｗの電極が精度よくパター
ニングできる。

【００９８】次に、図１４（Ｂ）の段階で、ショットキ
ー電極１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃ及びショットキ
ー電極がチタン、合金及び金の積層及びこれに続くリフ
トオフにより形成される。これにより、図１４（Ｃ）の
構造を得る。

【００９９】次に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１８を
図１４（Ｃ）の構造上、堆積し、層１１８にエッチバッ
ク処理を施して電極１３０ａ−１３０ｃを露出させる。 更に、ベース電極１２４等のオーミック電極を配し、図
１４（Ｄ）に示す構造を得る。

【０１００】前記第１実施例では電子波Ｗ１は電子波デ
バイスの動作には使用されない。事実、図５（Ｂ）及び
図６（Ｂ）の実験結果より明らかなように電子波Ｗ１は
電子波Ｗ２と共に形成される。図１（Ｂ）を参照して説
明したように、電子波Ｗ１は量子状態Ｅ０　とフェルミ
エネルギーＥＦ　のエネルギーレベルを設定することで
単独に誘起できるが、電子波Ｗ２だけの形成は不可能で
ある。よって、電子波Ｗ１をオンオフ動作に使用できれ
ば第１実施例よりも高い出力電力を持つ更に効率的な電
子波デバイスが得られると考えられる。

【０１０１】図１５に第１モードの電子波Ｗをデバイス
のスイッチング動作に用いた本発明第２実施例を示す。

【０１０２】図１５を参照するに、第２実施例の電子波
デバイスは、第１実施例同様、積層半導体構造体１００
上に形成される。積層半導体構造体１００は、パターニ
ングされたｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１８とオーミッ
クコンタクトしたエミッタ電極２１１及びコレクタ電極
２１６を有する。また一対の障壁構造２１２及び２１５
が互いに対向して形成され、パターニングされたｎ型Ｇ
ａＡｓ層１１４とショットキー接触する。これによって
第１及び第２の障壁構造２１２及び２１５はギャップ２
１２ｃ及び２１５ｃを除きエミッタ及びコレクタ電極間
の電子の流れを遮断する。なお、ギャップ２１２ｃ及び
２１５ｃは夫々障壁構造２１２及び２１５内に形成され
る。

【０１０３】第１の障壁構造２１２はｎ型ＧａＡｓ層１
１４に直接形成された一対のショットキー電極２１２ａ
及び２１２ｂと前記ギャップ２１２ｃとを有する。ショ
ットキー電極２１２ａと２１２ｂ、及びショットキー電
極２１５ａと２１５ｂとは、何れもｘ軸方向に整列し、
その際第１の障壁構造２１２及び第２の障壁構造２１５
は互いに距離ｔ（３μｍ）離間して平行に延在する。ギ
ャップ２１２ｃと２１５ｃは最狭部で約０．２μｍの幅
Ｗを有する。典型的にギャップは最外部で約０．４μｍ
の幅を有する。これにより、量子ポイントコンタクト２
１２ｃ’がギャップ２１２ｃに対応して形成され、さら
に量子ポイントコンタクト２１５ｃ’がギャップ２１５
ｃに対応して形成される。量子ポイントコンタクト２１
２ｃ’は、第１実施例の量子ポイントコンタクト１２８
’と同様の所定の波動ベクトルを有する電子波を注入す
る注入器として作用する。また、量子ポイントコンタク
ト２１５ｃ’は電子波のでる量子ポイントコンタクト１
３２ａ’及び１３２ｂ’と同様の検出器として作用する
。

【０１０４】第１及び第２の障壁構造２１２及び２１５
間には電極２１３が量子ポイントコンタクト２１２ｃ’
から２１５ｃ’に伝播する電子波の経路を横切るように
、ショットキー電極２１３が、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１１
４上に配設される。ショットキー電極２１３は電極２１
５ａ近傍に電極２１５ａと平行に配設された第１の部分
２１３ａを、また電極２１２ｂ近傍に、電極２１２ｂと
平行に配設された第２の部分を、また更に第１と第２の
部分２１３ａ及び２１３ｂを接続し、第１及び第２の障
壁構造２１２及び２１５の方向に約４５度傾斜して延在
する第３の部分２１３ｃよりなる。ショットキー電極２
１３は部分１２３ｃに対応して約０．３μｍとされた幅
Ｌｇを有する。

【０１０５】更に、障壁構造２１２のショットキー電極
２１２ａと第１の部分２１３ａとの間の部分に対応して
ベース電極２１４ａが、コンタクト層１１８とオーミッ
クコンタクトするように設けられる。同様に、ベース電
極２１４ｂも、電極２１３ｂ及び２１５ｂ間に設けられ
てコンタクト層１１８とオーミックコンタクトする。図
１５は第１実施例の図９（Ａ）乃至（Ｃ）の横断面より
容易に得られるので重複説明は省略する。

【０１０６】図１６に本発明の原理を示す。本実施例で
は、第１の障壁構造２１２は構造２２１２に垂直に伝播
する電子波Ｗ１を形成するが、電子波Ｗ２が形成されな
いようにバイアスされる。生成された電子波Ｗ１は電極
部２１３ｃと斜めに交差するパスに沿って伝播し、電極
部２１３ｃ下の領域の通路で屈折する。これにより、屈
折角θ’、及びθ”等の電子波Ｗ１ａ及びＷ１ｂが生成
される。同図のように、電極２１３ｃに制御電圧を印加
しないと屈折は起こらず、電子波Ｗ１ｃが生成する。本
実施例によれば、強い電子波Ｗ１が得られるのでスイッ
チング動作時のＳ／Ｎ比が向上する。図１（Ｂ）の量子
レベル及びフェルミエネルギーＥＦ　間のエネルギーギ
ャップを適当に決めれば全入射電子波を電子波Ｗ１の生
成に使用できる。

【０１０７】図１７は図１５のデバイスのバイアスを示
す。

【０１０８】図１７を参照するに、エミッタ電極２１１
は接地され、コレクタ電極２１６には正のコレクタ電圧
ＶＣＥが印加される。更に負のバイアス電圧Ｖｉがショ
ットキー電極２１２ａ及び２１２ｂに印加され、負のバ
イアス電圧Ｖｄ　がショットキー電極１２５ａ及び２１
５ｂに印加され、正のバイアス電圧ＶＢＥがベース電極
２１４ａに印加される。更に負の制御電圧Ｖｇ　がショ
ットキー電極２１３に印加される。これにより、基底モ
ードの電子波Ｗ１がギャップ２１２ｃ下の量子ポイント
コンタクトで生成され、ショットキー電極２１３により
屈折する。このように屈折した電子波Ｗ１は、電子波Ｗ
１ａとして、ギャップ１２５ｃ下の量子ポイントコンタ
クトを通ってコレクタ電極２１６に出射する。一方、シ
ョットキー電極２１３がバイアスされないと、電子波Ｗ
１は直進してギャップ下の量子ポイントコンタクトには
入射できず、コレクタ電極２１６で出力が得られない。 量子ポイントコンタクトを逸れた電子はベース電極２１
４ａにより吸収される。

【０１０９】図１８は図１７のデバイスで制御電圧Ｖｇ
　を変えて測定した実験結果を示す。この時、コレクタ
電圧ＶＣＥは１０μＶ、ベース電圧ＶＢＥは１０μＶ、
ゲートバイアス電圧Ｖｉは−０．９３Ｖ、ゲートバイア
ス電圧Ｖｄ　は−１．４２Ｖ、ギャップ２１２ｃの幅Ｗ
は１．７μｍ、温度は０．３°Ｋであった。実験より制
御電圧Ｖｇ　が−０．３Ｖの時に強度ピークＰが生じる
のが確認された。以上の結果は、電子ビームＷ１の屈折
を明瞭に示す。

【０１１０】以上の動作では、第１の障壁構造２１２を
、エミッタ電極２１１から注入される電子のフェルミエ
ネルギーＥＦ　が基底状態Ｅ０　以上だが第１の量子状
態Ｅ１　以下となるようにバイアスする。これにより、
モードＷ１の電子波だけが量子ポイントコンタクト２１
２ｃ’で生成されて該電子波Ｗ１がショットキー電極２
１３によるポテンシャルで屈折される。第２の障壁構造
２１５は量子ポイントコンタクトの大きさを適当に狭く
することで所望の感度を得ることができる。既述したよ
うに、本実施例では、電圧−０．９３Ｖが第１の障壁構
造２１２を形成するショットキー電極に印加されて電圧
−１．４２Ｖが第２の障壁構造２１５を形成するショッ
トキー電極に印加される。この場合、第１及び第２の障
壁構造を隔てて、２次元電子ガス中にエミッタ−ベース
電圧及びベース−コレクタバイアス電圧に対応したレベ
ル差が生じる。なお、ショットキー電極２１３に印加さ
れる電圧Ｖｇ　は０．５−０Ｖの範囲内とする。

【０１１１】次に、本発明の第３実施例を図１９（Ａ）
及び（Ｂ）を参照して説明する。本実施例では、電子波
デバイスを形成される積層半導体構造体１００は、図９
（Ａ）乃至（Ｃ）を参照して既述したものと同一である
ので、横断面図については重複説明しない。

【０１１２】デバイスの平面図を示した図１９（Ａ）を
参照するに、エミッタ電極２１１に対応するエミッタ電
極３１１は、積層半導体構造体１００中のコンタクト層
１１８の上側主面に設けられ、第２実施例の第１の障壁
構造２１２に対応する第１の障壁構造３１２が、エミッ
タ電極から２次元電子ガスに供給される電子の流れを遮
断するように設けられる。第１及び第２実施例同様に、
第１の障壁構造はコンタクト層１１８下のｎ型ＡｌＧａ
Ａｓ層１１４とショットキーコンタクトする一対のショ
ットキー電極３１２ａ及び３１２ｂとギャップ３１２ｃ
を有する。これにより、量子ポイントコンタクト３１２
ｃ’が、前記実施例同様２次元電子ガス中に、ギャップ
３１２ｃに対応して形成される。

【０１１３】第１の障壁構造の、コレクタ電極３１１か
ら離れた側には、ショットキー電極２１３に対応するシ
ョットキー電極３１３が形成されて、ギャップ３１２ｃ
下の量子ポイントコンタクト３１２ｃ’から出射した電
子波を屈折させる。更に、量子ポイントコンタクト３１
２ｃ’に電子を注入して電子波Ｗ１を形成すべく、ベー
ス電極３１４ａ及び３１４ｂが第２実施例のベース電極
２１４ａ及び２１４ｂ と同じく、コンタクト層１１８とオーミックコンタクト
するように設けられる。本実施例では、第２の障壁構造
２１５に対応する第２の障壁構造３１５は、一対のショ
ットキー電極３５１ａ及び３５１ｂの他と、電極３１５
ａ及び３１５ｂ間に配設された複数のショットキー電極
片３１７ａ−３１７ｃから形成される。これにより、複
数のギャップ３１６ａ−３１６ｄがショットキー電極間
に形成され、これと対応して複数のコレクタ電極３１８
ａ−３１８ｄがコンタクト層１１８の上側主面上に形成
される。また、これに対応して複数の量子ポイントコン
タクト３１６ａ’−３１６ｄ’が形成される。

【０１１４】次に、図１９（Ａ）のデバイスの動作を説
明する。

【０１１５】本実施例では、第１及び第２の障壁構造３
１２及び３１５は第２実施例同様にバイアスされて電極
３１３に印加される制御電圧Ｖｇ　が変化する。これに
より、電子波Ｗ１が前記実施例同様電極３１３のポテン
シャルで屈折し、コレクタ電極３１８ａ−３１８ｄが図
１９（Ｂ）に示すようにコレクタ電流ＩＣ１−ＩＣ４を
検出する。　　コレクタ電極３１８ａ−３１８ｄは各コ
レクタ電極によって異なる制御電圧に応じてコレクタ電
流を検出する。例えば、制御電圧Ｖｄ　が電極３１３に
印加されない場合、ギャップ３１２ｃ下の量子ポイント
コンタクトで生成された電子波Ｗ１は直進しコレクタ電
極３１８ａでコレクタ電流ＩＣ１として検出される。一
方、制御電圧Ｖｄ　がＶｇ１まで増加すると、電子波Ｗ
１は、第２の障壁構造３１５内のギャップ下の量子ポイ
ントコンタクトを通過して屈折し、コレクタ電極３１８
ｂでコレクタ電流ＩＣ２として検出される。同様に、制
御電圧Ｖｄ　がＶｇ２まで増加すると、コレクタ電極３
１８ｃは電子波をコレクタ電流Ｉｃ３として検出する。 更に、制御電圧Ｖｇ　がＶｇ３まで増加すると、コレク
タ電極３１８ｄが電流Ｉｃ４として検出する。これによ
り、第３実施例のデバイスは高速選択スイッチとして動
作する。かかるデバイスは入力アナログ信号が制御電圧
Ｖｇ　として使用された場合等に高速ＡＤ変換器に使用
できる。言うまでもなく、第２の障壁構造３１５に形成
されるギャップ数は４つに限定されない。

【０１１６】図２０（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第４実
施例を示す。同図において同一符号は同一部材を示すの
で、その重複説明は省略する。

【０１１７】本実施例の第１の障壁構造３１２は等距離
ｄ離間した複数のショットキー電極片３１９ａ，３１９
ｂ、・・・３１９（ｉ＋１）をショットキー電極３１２
ａ及び３１２ｂ間に有する。これにより、複数の量子ポ
イントコンタクト３１２’が障壁構造３１２のショット
キー電極間のギャップに対応して形成される。第１の障
壁構造３１２に対応して、本実施例の第２の障壁構造３
１５も等距離ｄ離間した複数のショットキー電極片３１
７ａ、３１７ｂ、・・・３１７（ｉ＋１）を有する。こ
れにより、複数の量子ポイントコンタクト３１５’が第
２の障壁構造３１５のショットキー電極間のギャップに
対応して形成される。エミッタ及びコレクタ電極３１１
及び３１５は、第１の障壁構造３１２下の各量子ポイン
トコンタクトに電子を注入するのに幅ｌと第２の障壁構
造３１５下の量子ポイントコンタクトを通過するのに十
分な幅ｌ’を夫々有する。

【０１１８】かかる構造では、モードＷ１の電子波全て
が第１の障壁構造３１２下の量子ポイントコンタクト３
１２’から出射される。これらの電子波は位相同期して
コレクタ電極３１６に直進する擬似平面電子波を形成す
る。擬似平面電子波を形成する各電子波Ｗ１は電極３１
３で屈折して複数の電子波または電子線が平行に偏向す
る。

【０１１９】図２０（Ｂ）は図（Ａ）のデバイスで形成
される擬似平面電子波の屈折を示す。

【０１２０】図２０（Ｂ）を参照するに、擬似平面電子
波は位置１、２、３、・・・に沿って動く波面を有し、
第１の障壁構造３１２下で形成される各量子ポイントコ
ンタクトから出射される複数の電子波ビーム３２０ａ、
３２０ｂ，３２０ｃ、・・・より形成される。ここで、
電子ビーム３２０ｃは電極３１３下の領域に先ず入射し
て屈折する。屈折後、ビーム３２０ｃは元の方向に平行
だが横オフセットδして出射される。電極３１３下の領
域からビーム３２０ｃが出る間、ビーム３２０ｂがビー
ム３２０ｃと同様に屈折する。なお、出射の際、ビーム
３２０ｂは元の伝播方向と平行に横に距離δシフトされ
る。言い換えれば、ビーム３２０ｂ及び３２０ｃは屈折
後も元の伝播方向に平行に伝播するが元のパスとは横に
δシフトしている。ビーム３２０ａも同様に屈折する。 　　擬似平面電子波が第２の障壁構造３１５に屈折後に
入射する際、平面電子波は、その成分ビーム３２０ａ、
３２０ｂ、・・・がショットキー電極片３１７ａ−３１
７（ｉ＋１）下の空乏層に入射すると出射される。一方
、シフトδの量を距離ｄとすると、各ビームはショット
キー電極片間で形成される量子ポイントコンタクトに入
射・通過する。これにより、図２０（Ｃ）に示す出力特
性が得られ、コレクタ電流ＩＣが複数の離散的な制御電
圧Ｖｇ　に対応して検出される。本実施例によれば、コ
レクタ電極３１６により検出される出力電流を増加でき
る。

【０１２１】図２１（Ａ）は本発明の第５実施例を示す
。前記実施例同様、同一符号は同一部材を示し、重複説
明は省略する。

【０１２２】本実施例では、第１の障壁構造３１２は、
電極３１２が複数のショットキー電極片３１９ａ、３１
９ｂ、・・・をショットキー電極３１２ａ及び３１２ｂ
間に有する前記実施例と同様に配置される。これにより
、複数の隣接量子ポイントコンタクトがショットキー電
極片間のギャップ下で形成される。一方、第２の障壁構
造３１５は一のギャップ３１５ｃを持つショットキー電
極３１５ａ及び３１５ｂより形成される。ギャップ３１
５ｃに対応して量子ポイントコンタクト３１５ｃ’は第
１及び第２実施例と同様に形成される。

【０１２３】本実施例では、前記実施例同様の擬似平面
電子波が第１の障壁構造３１２下の複数の量子ポイント
コンタクトから出射される複数の電子波ビームより形成
され、そのビームの一つは量子ポイントコンタクト３１
５ｃ’に電極３１３による屈折後に入射する。特に、制
御電圧Ｖｇ　を除々に増加すると、電子波ビームは交互
に量子ポイントコンタクト３１５ｃ’に入射して図２１
（Ｂ）に示す出力特性が得られる。

【０１２４】電極２１３ｃは第１及び第２の障壁構造２
１２及び２１５に平行な第１の端２１３−１及び第１及
び第２の障壁構造に傾斜して延在する第２の端２１３−
２によって定義される。かかる構造でも電子波Ｗ１の所
望の屈折が得られる。検出器側の量子ポイントコンタク
ト２１５ｃの位置は単純光学により式（１５）　を用い
て決定される。

【０１２５】以上、本発明の実施例を説明したが、これ
に限定されず、本発明はその要旨の範囲内で種々の変形
及び変更が可能である。

【０１２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電子波の屈折量を制御して、高速かつ確実にオンオフす
る電子波デバイスを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ），（Ｂ）は本発明の原理説明図である。

【図２】（Ａ），（Ｂ）は本発明の別の原理説明図であ
る。

【図３】本発明の基礎となる実験を説明する図である。

【図４】本発明の基礎となる実験を説明する図である。

【図５】本発明の基礎となる実験を説明する別の図であ
る。

【図６】本発明の基礎となる実験を説明する別の図であ
る。

【図７】本発明の基礎となる実験を説明する別の図であ
る。

【図８】本発明の第１実施例を示す平面図である。

【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は幾つかの横断面図に沿った図
８のデバイスの積層構造を示す図である。

【図１０】デバイスの動作に必要なバイアスと、本発明
のデバイスのパラメータを定義する、図８に類似の平面
図である。

【図１１】デバイスの電子波の屈折を説明する、図８又
は図１０のデバイスの部分拡大図である。

【図１２】図１０のデバイス内の電子波の屈折の原理を
説明する図である。

【図１３】第１実施例の変形を示す拡大図である。

【図１４】（Ａ）〜（Ｄ）は第１実施例のデバイスの製
造工程を示す図である。

【図１５】本発明の第２実施例を示す平面図である。

【図１６】第２実施例の原理を説明する、図１５図の部
分拡大図である。

【図１７】図１５のデバイスのバイアスを示す、図１５
に類似する図である。

【図１８】図１７のデバイスの動作の一例を説明するグ
ラフである。

【図１９】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第３実施例の平
面図及び動作の特徴を示す図である。

【図２０】（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第４実施例を説明
する図である。

【図２１】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の第５実施例を説
明する図である。

【図２２】（Ａ）〜（Ｃ）は、量子波の干渉に応答して
オンオフする従来の電子波デバイスを説明する図である
。

【符号の説明】

２６、３３　　第１の障壁構造 ２６ａ、２６ｂ、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３３ａ’、
３３ｂ’、３４ａ’、３４ｂ’　　空乏層２８　　量子
ポイントコンタクト ３０　　第２の障壁構造 ３１　　エミッタ電極 ３２　　コレクタ電極 ３２ａ、３２ｂ　　通路 ３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ　　ショットキー電極
３３ｃ、３４ｃ　　ギャップ ３３ｃ’　　通路（量子ポイントコンタクト）３４　　
屈折構造 ３４ｃ’　　量子ポイントコンタクト ３５　　ベース電極 ５０　　半導体構造体 ５１　　ｎ型ＡｌＧａＡｓ層 ５２　　ＡｌＧａＡｓスペーサ層 ５３　　ＧａＡｓチャネル層 ５５　　ソース電極 ５６　　ドレイン電極 ５７、５８、６５　　ショットキー電極６１、６２、６
３　　空乏層 １００　　半導体構造体 １１０　　ＧａＡｓ基板 １１２　　ＧａＡｓ活性層 １１４　　ｎ型ＡｌＧａＡｓ層 １１８　　コンタクト層 １２０、２１１、３１１　　エミッタ電極１２２、２１
６、３１８ａ、３１８ｂ、３１８ｃ、３１８ｄ　　コレ
クタ電極 １２４、１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１３０ａ、１
３０ｂ、１３０ｃ、１３４、２１２ａ、２１２ｂ、２１
５ａ、２１５ｂ、２１３、３１３、３１５ａ、３１５ｂ
　　ショットキー電極 １２６、２１２、３１２　　第１の障壁構造１２６ａ’
、１２６ｂ’、１３０ａ、１３０ｂ　　コンタクトパッ
ド １２８、１３２ａ、１３２ｂ、２１２ｃ、２１５ｃ、３
１２ｃ、３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｃ、３１６ｄ　　
ギャップ １２８’、１３２ａ’、１３２ｂ’、２１２ｃ’、２１
５ｃ’、３１２ｃ’、３１６ａ’、３１６ｂ’、３１６
ｃ’、３１６ｄ’　　量子ポイントコンタクト１３０、
２１５、３１５　　第２の障壁構造１３４、２１４ａ、
２１４ｂ、３１４ａ、３１４ｂ　　ベース電極 １３４’　　パッド領域 １５０　　電子ビームレジスト層 １５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ　　パターン２１３ａ　
　第１の部分 ２１３ｂ　　第２の部分 ２１３ｃ　　第３の部分 ３１７ａ、３１７ｂ、３１７ｃ、３１９ａ、３１９ｂ　
　ショットキー電極片 ３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ　　線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　キャリアを平面的に閉じ込めて２次元
   キャリアガスの状態で移送する媒体（１００）と、該媒
   体上に設けられ、前記キャリアを前記２次元キャリアガ
   スに注入するエミッタ電極手段（１２０、１２１）と、
   前記媒体上に設けられ、前記エミッタ手段から、２次元
   キャリアガスを介してキャリアを回収するコレクタ電極
   手段（１２２、２１６）とを有し、キャリアの流れを制
   御電圧信号に応じてオンオフする量子波屈折デバイスに
   おいて、前記媒体上、エミッタ電極手段とコレクタ電極
   手段との間に設けられ、入射するキャリアを量子波（Ｗ
   １、Ｗ２　）として、所定方向に放射し、キャリアの経
   路に沿った長さ（Ｌ）が前記２次元キャリアガス内のキ
   ャリアの弾性及び非弾性散乱長と略等しいかそれより小
   さい第１の量子ポイントコンタクト（１２８’、２１２
   ｃ’）と、前記媒体上、第１の量子ポイントコンタクト
   とコレクタ電極手段との間に設けられ、入射するキャリ
   アを量子波（Ｗ１　、Ｗ２　）として、所定方向に放射
   し、キャリアの経路に沿った長さ（Ｌ）が、前記２次元
   キャリアガス内のキャリアの弾性及び非弾性散乱長と略
   等しいかそれより小さい第２の量子ポイントコンタクト
   （１３２ａ’、１３２ｂ’、２１５ｃ’）と、前記第１
   の量子ポイントコンタクトによって生成された前記キャ
   リアの量子波を遮断するように、前記媒体上、第１及び
   第２の量子ポイントコンタクトの間に設けられ、前記制
   御電圧信号を印加されて該制御電圧信号に応答して、前
   記制御電圧が第１の電圧レベルの時に前記量子波が前記
   第２の量子ポイントコンタクトに命中し、前記制御電圧
   が第１の電圧レベルとは異なる第２の電圧レベルの時に
   前記量子波が前記第２の量子ポイントコンタクトより逸
   れるように前記キャリアの量子波を屈折させる屈折手段
   （１３４、２１３）とを有することを特徴とする量子波
   屈折デバイス。
2. 【請求項２】　　更に、前記エミッタ電極手段及び前記
   コレクタ電極手段間の前記媒体（１００）上に前記第１
   の量子ポイントコンタクトをはさんで設けられ、前記キ
   ャリアを排除することにより、２次元キャリアガスを遮
   断して前記２次元キャリアガスに沿って生じる前記エミ
   ッタ電極手段から前記コレクタ電極手段へのキャリアの
   流れを遮断する第１の障壁手段（１２６、２１２）と、
   前記媒体（１００）上に前記第２の量子ポイントコンタ
   クトをはさんで、前記第１の障壁手段と離間するように
   設けられ、前記キャリアを排除することにより２次元キ
   ャリアガスを遮断して、前記２次元キャリアガスに沿っ
   て生じる前記エミッタ電極手段から前記コレクタ電極手
   段へのキャリアの流れを遮断する第２の障壁手段（１３
   ０、２１５）とを有し、前記第１及び第２の障壁手段（
   １２６、１３０；２１２、２１５）は前記２次元キャリ
   アガスの平面に垂直な方向からみて実質的に互いに平行
   に延在することを特徴とする請求項１記載の量子波屈折
   デバイス。
3. 【請求項３】　　前記屈折手段（１３４）は、前記２次
   元キャリアガスの平面に垂直にみて、前記第１及び第２
   の障壁手段（１２６、１３０）に実質的に平行に延在す
   ることを特徴とする請求項２記載の量子波屈折デバイス
   。
4. 【請求項４】　　前記第１の量子ポイントコンタクト（
   １２８’）に対して同一距離になるように、一対の第２
   の量子ポイントコンタクト（１３２ａ’，１３２ｂ’）
   を設けられたことを特徴とする請求項３記載の量子波屈
   折デバイス。
5. 【請求項５】　　前記屈折手段（２１３ｃ）は少なくと
   も、前記２次元キャリアガスの平面に垂直にみて前記第
   １及び第２の障壁手段（２１３、２１５）に傾斜して延
   在する縁部（２１３−２）を有する請求項２記載の量子
   波屈折デバイス。