JPH0431194B2 - - Google Patents

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JPH0431194B2
JPH0431194B2 JP60081516A JP8151685A JPH0431194B2 JP H0431194 B2 JPH0431194 B2 JP H0431194B2 JP 60081516 A JP60081516 A JP 60081516A JP 8151685 A JP8151685 A JP 8151685A JP H0431194 B2 JPH0431194 B2 JP H0431194B2
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/775—Field effect transistors with one dimensional charge carrier gas channel, e.g. quantum wire FET
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Description

【発明の詳細な説明】 Ａ 産業上の利用分野 本発明は、電気的信号装置に係り、更に具体的
に云えば、極めて小さな物理的空間しか必要とせ
ず、極めて少しのエネルギしか消費しない信号干
渉構造体に係る。
Ｂ 開示の概要 本発明による信号干渉構造体は、禁止帯の幅の
不連続性を有する半導体材料内のヘテロ接合（異
質接合）に沿つて形成され、第１と第２の分岐路
を有する導電路を設けることによつて得られる。
上記禁止帯の幅の不連続性により電位の井戸が生
じ、上記分岐導電路の１つに加えられた電界によ
つて、上記ヘテロ接合に於ける電子波等のキヤリ
ア波が局部的に影響される。
Ｃ 従来安定 今日、関心を持たれている、小さな空間しか必
要とせず、少しのエネルギしか消費しない、或る
スイツチング構造体は、別個の対向する半円形の
径路を通る交流信号を用いており、その交流信号
は一方の径路に於ける磁界により影響される。そ
の磁界は、強め合うような干渉又は弱め合うよう
な干渉を充分に生ぜしめるために、２つの径路に
於ける電流の位相関係を変化させるように働く。
そのような構造体については、フイジカル・レビ
ユー・レターズ、52、No.２、1984年１月、第129
頁に於て記載されている。
しかしながら、制御のために磁界を用いること
は、インピーダンス及び応答時間に関する問題に
より、限界を有する。
Ｄ 発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、極めて小さな物理的空間しか
必要とせず、極めて少しのエネルギしか消費しな
い信号干渉構造体を提供することである。
Ｅ 問題点を解決するための手段 本発明は、第１の禁止帯の幅を有する第１半導
体領域、及び上記第１半導体領域とエピタキシヤ
ルに接して該領域とヘテロ接合を形成する、より
小さい第２の禁止帯の幅を有する第２半導体領域
を有している半導体材料と；上記半導体材料内の
上記ヘテロ接合に沿つて形成されており、上記ヘ
テロ接合で形成された電位の井戸に於けるキヤリ
アの平均自由行程の数倍程度以下の長さを有する
分岐導電路を有している導電路と；上記分岐導電
路の１つのヘテロ接合に局部的電界を加えるため
の電界付与手段とを有する；信号干渉構造体を提
供する。
本発明は、強め合うような干渉又は弱め合うよ
うな干渉をキヤリア信号に与えるために、半導体
材料内のヘテロ接合の界面に隣接する電位の井戸
に於ける電子等のキヤリアの電界に対する応答性
を利用し、上記ヘテロ接合に隣接する分岐された
導電路を用いている。
解り易くするために、本発明の説明においてヘ
テロ接合は例えば、GaAsとGa1-xAlxAsとの界面
であり、キヤリアは電子であるものとするが、他
の材料、構造、及びキヤリアとして正孔も用い得
ることは、当業者に明かである。
ヘテロ接合を有する半導体材料に於て、該ヘテ
ロ接合の界面に於ける電位の井戸の電子は、波の
性質を有し、比較的長い距離に亘つて実質的に何
ら位相の損失を生じない。これは、用いられてい
る構造体の寸法が、散乱現象に関連する電子の平
均自由行程の数倍程度以下であることによつて生
じる。その平均自由行程は、GaAsとACa1-xAlx
Asとのヘテロ接合の或るものに於ては、10μmの
オーダーである。本発明の構造体は、電子の散乱
のための平均自由行程よりも小さい寸法であるこ
とが好ましい。
本発明の好ましいヘテロ接合に於ては、電子の
長い平均自由行程を有する半導体領域の表面に、
上記平均自由行程の数倍程度以下の長さの分岐路
のパターンを有する導電路を配置して、ヘテロ接
合を半導体材料内に設け、電子波の波長を変化さ
せるために１つの分岐導電路の一部に電界を加え
て、上記導電路を通過する信号に強め合うような
干渉又は弱め合うような干渉を生ぜしめる。
本発明の好ましい実施例における構造体は、ヘ
テロ接合に隣接する電位の井戸に於て波の形で進
行する電子を用いている。
ヘテロ接合に隣接する高移動度の電子の概念
は、HEMT装置として知られており、IEEEスク
トルム、1984年２月、第28頁に於て記載されてい
る。それらの装置に於ては、移動度を増して、
Ga1-xAlxAsとの界面に近いGaAsに於ける導電層
に電子を供給するように、ドーピングが行われて
いる。
Ｆ 実施例 第１図は、一般的な機能関係に於ける、本発明
の構造体の素子の一実施例を示す概略図である。
第１図に於て、ドープされたGaAsの障壁層１
が示されており、基盤は示されていない。ドープ
されたGaAs層１上に、ドープされていない
GaAs層２がエピタキシヤルに設けられている。
層２は、異なる半導体であるGa1-xAlxAsの領域
４とエピタキシヤルに接して該領域とヘテロ接合
３を形成している。Ga1-xAlxAs領域４は、ドー
プされていない層５及び高濃度にドープされた層
６を有している。層５及び６は、導電路７の形状
でしか存在しない。ヘテロ接合に於ける半導体材
料は、表面から遠い方のヘテロ接合の界面の側の
材料に電位の井戸が存在するような特性を有して
いる。電位の井戸は、当技術分野に於てしばしば
電子の気体と呼ばれるキヤリア濃度を有してい
る。導電路７は、入力接点８、対向する半円形の
分岐導電路９及び１０、並びに出力接点１１を有
する。それらの分岐導電路が占める領域に亘る距
離は半導体材料に於ける電子の平均自由行程より
も小さいことが好ましい。断面寸法Ｌを有する制
御電極即ち電極１２が電界付与手段として一方の
分岐導電路９に跨つて配置されており、接点８に
関して電圧信号を電極１２に加えることにより、
ヘテロ接合３に垂直な電界が加えられる。
入力接点８に信号が加えられる第１図の構造体
は、制御電極１２に電圧信号を加えることにより
電界が加えられ、且つ入力接点８と出力接点１１
との間にドレイン電圧が加えられたとき、出力接
点１１に於ける電流に強め合うような干渉又は弱
め合うような干渉を生じる。
第２図は、第１図の線Ａ−A′に於ける構造体
のエネルギを示す図である。第２図に於て、構造
体のエネルギ帯は、第１図に於て参照番号により
示されている領域について示されている。金属電
極は制御電極即ちゲート電極１２である。Ga1-x
AlxAs領域４は、n+型に高濃度にドープされた層
６、及びヘテロ接合３に隣接するドープされてい
ない層５を有する。ヘテロ接合３に於けるドープ
されていないGaAs層２は、ドープされたGaAs
障壁層１により基板（図示せず）から分離されて
いる。
異なる禁止帯の幅を有する半導体領域の間、即
ちドープされていないGa1-xAlxAs層５とドープ
されていないGaAs層２との間のヘテロ接合３
は、伝導帯の不連続性により、電子の気体１４を
含む電位の井戸１３が生じるようなエネルギ帯構
造を有している。
上記構造体によれば、電位の井戸に関するフエ
ルミ・エネルギ・レベルを変化させるように働く
制御電極即ちゲート電極１２に電圧信号を加える
ことにより電界を加えることによつて、電子の気
体の濃度及び電子の気体の波としての振舞を制御
することができる。
製造に於て、導電路７は、第１図に示されてい
る如くGaAs層２から突出するようにGa1-xAlxAs
領域４をサメ型構造にエツチングすることによ
り、又はループ構造体の外側の全てのGaAsが非
晶質になるように、Ga1-xAlxAs領域を経てGaAs
領域中に硼素をイオン注入することにより、形成
してもよい。
第３図は、制御電極１２に電圧信号を加えるこ
とにより加えられる電界の効果を、導電路７の入
力接点８に信号が加えられ、干渉する電子波によ
る電流が出力接点１１に於て感知される条件に於
て示している。
第１図乃至第３図に示されている本実施例の構
造体に於ては、電位の井戸に於ける電子の数、従
つてフエルミ・エネルギ・レベルを変化させるこ
とができるので、伝播ベクトル及び進行している
電子波の波長に変化が生じ、その変化が分岐導電
路に於て局部的に生じたとき、影響を受けていな
い分岐導電路の電子波に関して強め合うような干
渉又は弱め合うような干渉が生じる。
第３図に於て、入力接点８から半円形の分岐導
電路１０を経て出力接点１１へと進行する電子波
は、出力接点１１に於ても入力接点８と同じまま
であるが、電圧信号が制御電極１２に加えられて
電界が存在している半円形の分岐導電路９を経て
進行する電子波は、電極１２の下で寸法Ｌに沿つ
て局部的に影響され、その結果、分岐導電路９及
び１０を流れる電流の間に強め合うような干渉又
は弱め合うような干渉が生じる。弱め合うような
干渉の場合は、電流は相互に打消し合い、出力接
点１１に於て信号は生じない。
上述した実施例を以下に更に詳しく説明する。
第１図に示されている構造体は、ドープされて
いないGaAs層２及びシリコンを1017原子／cm3の
濃度にドープされたGaAs層１、並びにドープさ
れていないGa0.35Al0.65As層５及びシリコンを
1017原子／cm3の濃度にドープされたGa0.35Al0.65
As層６を有している。典型的には、層５は300Å
の厚さを有し、層６は100Åの厚さを有する。等
しい長さを有する半円形の分岐導電路９及び１０
の距離は各々10μmよりも短い。制御電極１２の
寸法Ｌは、約2000Åである。
第３図に於て、干渉を生ぜしめるためには、電
界の存在の下で位相シフトが生じるべきであり、
それは次に示す式１により示される。
（式１） Ｌ（１／λ1−１／λ2＝ｎ （強め合うような干渉の場合） 又は ＝ｎ＋１／２ （弱め合うような干渉の場合） 上記式に於て、 Ｌ＝第１図及び第３図のゲート電極の下の導電
路の長さ。
λ1＝分岐導電路１０及びゲート電極１２の下以
外の分岐導電路９の領域のフエルミ面に於け
る波長。
λ2＝ゲート電極１２の下の分岐導電路９のフエ
ルミ面に於ける波長。
ｎ＝整数。
である。
電子のフエルミ・エネルギは、次の式２によつ
て表わされる。
（式２） EF＝ｈ／／2KF 2／2m＝ｈ／／2（2π）2／2
mλF 2 上記式に於て、 kF及びλF＝フエルミ面に於ける波動ベクトル及
び波長。
ｍ＝電子の有効質量。
ｈ＝プランク定数を2πで割つた値。
である。
或る特定例について調べるために、分岐導電路
１０又はゲート電極１２の下以外の分岐導電路９
に於けるキヤリア濃度Nsが８×1011cm-2であり、
Ｌ＝2000Åであると仮定すると、次の式３を用い
て、波長λ1が決定される。
（式３） λF＝250（1012／Ns）１／２ 上記式に於て、Ns＝８×1011cm-2の場合、λ1＝
280Åである。
弱め合うような干渉を生ぜしめるためには、式
１を用いて変換することにより、ゲート電極１２
の下の波長λ2を次の式４に変えねばならない。
（式４〕 λ2＝Ｌ／（Ｌ／λ1±１／２） 上記式に於て、＋は、強め合う場合のピークに
隣接する２つの弱め合うような干渉の条件に対応
する。これらの条件に於ては、＋又は−の符合の
場合、各々λ2＝262Å又は305Åである。
ゲート電極１２の下に於ける新しいNsの値は、
式３から計算することができ、各々9.1×1011cm-2
又は6.7×1011cm-2である。従つて、1.1×1011cm-2
のNsの増か又は1.3×1011cm-2の減少は、装置を
強め合うような干渉から弱め合うような干渉に変
化させることができる。Ga1-xAlxAs領域の厚さ
が400Åであると仮定すると、＋0.064V又−
0.075Vの電圧Vgが各々干渉の状態を変化させる。
そのような装置の利得を計算するためには、完
全な干渉が達成される程度を知らねばならない。
干渉が完全であれば、伝達Ｔは、強め合うような
干渉の場合には１であり、弱め合うような干渉の
場合には零である。何らかの散乱があれば、両方
を0.5に近付ける。
Ｔが完全な干渉よりも小さい0.9及び0.1の値で
ある場合には、IBMジヤーナル・オブ・リサー
チ・アンド・デイベロツプメント、1957年７月、
第223頁に於て記載されているランダウア
（Landauer）の式を用いて、装置の抵抗Ｒを決定
することができる。
（式５） Ｒ＝πｈ／／／e2 （１−Ｔ）／Ｔ 強め合うような干渉又は弱め合うような干渉に
於ては、Ｒは各々1.4×103Ω又は1.1×105Ωであ
る。第１図に於ける素子１０及び７の間にドレン
電圧VDが加えられると、電流IDはVD／Ｒになる。
VD＝0.1V及びＲ＝1.4×103Ω又はＲ＝1.1×105
Ωである場合、約0.07Vのゲート電圧Vgの変化に
対して、電流は７×10-5A又は９×10-7Aになる。
これは、約１ミリジーメンスの相互コンダクタン
スを表わす。より大きい又は小さい利得は、Ｌを
変え、Ga1-xAlxAs領域の厚さを変え、Ｔを変え、
又はVDを変えることによつて得られる。
上記の分析は近似的にしか行われず、式５は１
次元の状態に関するものであるが、原理は明白で
ある。
温度が低い程、より容易に長い平均自由行程を
得ることができる。
位相のシフトが2πラジアンである場合には、
式１に於てｎは１だけ変化し、コンダクタンスが
最大値から最小値に変り、そのような状態は周波
数倍増器に関する根拠を与える。
複数の分岐導電路に包含されるヘテロ接合に於
ける電位の井戸にキヤリアを供給し、それからフ
エルミ・レベルを移動させてキヤリアの波の振舞
を変化させる上記原理から、本発明の構造体に多
くの変形が可能であることは当業界に明かであ
る。例えば、周波数変調及び論理回路のために別
個の径路に於て複数のゲートを用いることができ
る。更に、分岐路又はループの周囲に、接点８及
び１１の如き、２つ又はそれ以上の接点を異なる
空間位置に配置することにより、当技術分野に於
てサーキユレータとして周知の装置を得ることが
できる。
Ｇ 発明の効果 本発明によれば、極めて小さな物理的空間しか
必要とせず、極めて少しのエネルギしか消費しな
い信号干渉構造体が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の構造体の１例を示す概略図、
第２図は本発明の原理を示すために第１図の構造
体に関連して示されているエネルギ図、第３図は
第１図及び第２図の構造体に於ける進行する電子
波を示す概略図である。 １……シリコンをドープそれたGaAs層（障壁
層）、２……ドープされていないGaAs層（エピ
タキシヤル層）、３……ヘテロ接合、４……
Ga1-xAlxAs領域（５＋６）、５……ドープされて
いないGa1-xAlxAs層、６……シリコンを高濃度
にドープされたGa1-xAlxAs層、７……導電路、
８……入力接点、９，１０……対向する半円形の
分岐導電路、１１……出力接点、１２……制御電
極即ちゲート電極、１３……電位の井戸、１４…
…電子の気体。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに異なる禁止帯の幅を有する第１半導体
    領域と第２半導体領域とをエピタキシヤルに接合
    させてヘテロ接合を形成した半導体材料で当該ヘ
    テロ接合に沿つた導電路を形成し、 上記導電路の長さ方向の中央部を分岐させて上
    記ヘテロ接合により形成された電位の井戸内にお
    けるキヤリアの平均自由行程の数倍程度以下の長
    さを有する第１と第２の分岐導電路とし、 上記第１と第２の分岐導電路のうちの一方に対
    し当該分岐導電路が包含する電位の井戸に局部的
    に電界を与えて当該電位の井戸部を通過するキヤ
    リア波の波長を変化させる電界付与手段を設けた
    ことを特徴とする信号干渉構造体。 ２ 第１半導体領域がGa1-xAlxAsより成り、第
    ２半導体領域がGaAsより成る、特許請求の範囲
    第１項に記載の信号干渉構造体。
JP60081516A 1984-06-29 1985-04-18 信号干渉構造体 Granted JPS6118182A (ja)

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US06/626,499 US4550330A (en) 1984-06-29 1984-06-29 Semiconductor interferometer
US626499 1990-12-12

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Publication Number Publication Date
JPS6118182A JPS6118182A (ja) 1986-01-27
JPH0431194B2 true JPH0431194B2 (ja) 1992-05-25

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JP (1) JPS6118182A (ja)
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