JPH05218529A - 量子導波器電子スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 単一モード導波器であることを必要としない
量子導波器電子スイッチを提供する。 【構成】 電子は、電圧源１５により入射及び出力電子
導波器の中を通って駆動される。基板１の上に配設され
た電極１０，１１は、出力電子導波器７，８を横切る電
界Ｅを発生し、それらの出力電子導波器の間に電位差を
生ずる。電子散乱がなく、電子がバリスティックに輸送
される場合には、この電位差は出力電子導波器７，８の
間に移送の不整合を生ずる。偶パリティを有する入射電
子の波動関数Ψは、最低のエネルギ・ポテンシャルを有
する出力電子導波器７，８の中の準偶電子波動関数にス
イッチされる。電子の輸送がバリスティックでなく、電
子がある程度散乱する場合には、スイッチングは、入射
電子がより低いエネルギ・レベルへ緩和された状態で行
われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板により支持された
電子導波器と、前記電子導波器の近くに配置され、か
つ、前記電子導波器を横切る方向の電界を発生する作用
をする電極と、前記電子導波器の両端部に配設された電
子溜めとを有し、更に前記電子導波器の横方向の広がり
は、前記電子導波器の中の電子の波動関数に対する波長
と同程度の大きさを有する量子導波器電子スイッチに関
する。

【０００２】

【従来の技術】電荷の輸送が電荷キャリアのドリフトお
よび拡散によって行われるという事実に、マイクロ電子
部品を含む従来の電子部品の機能は基いている。このこ
とは前記部品の動作速度を限定する。現在の技術をディ
ジタル応用分 に適用する時、少なくとも多重化のよう
な、さらに複雑な機能の場合、約５ギガビット／秒の上
限が存在する。けれども、これより遙かに高いビット速
度を、光学送信装置の個別部品において得ることができ
る。例えば、１００ギガビット／秒のビット速度が検出
器で得られており、そして４０ギガビット／秒のビット
速度が変調器で得られている。けれども、極めて高速
で、かつ、その制御に殆んどエネルギ入力を必要としな
い電子部品が、電子の波動性を用いることによって得る
ことができる。これらの高速電子部品は、電子の平均自
由行程と同じ程度の大きさの寸法を有する。電子の平均
自由行程は、波動関数を使っていえば、電子の波動関数
のコヒーレンスの長さに対応する。この場合には、電荷
の輸送は、本質的に、電子のバリスティックな輸送によ
って行われる。すなわち、電子が部品により散乱される
ことなく運動する際の電荷の輸送により行われる。「メ
ソスコピック」という用語は、すべての方向における部
品の寸法がこのコヒーレンスの長よりも小さいか、ある
いは同程度であることを表示するために、この寸法を有
する部品に対して用いられるようになった。

【０００３】メソスコピック部品のいくつかが、特許に
および技術文献に開示されている。日本特許出願第６３
−９３１６１号は、ヒ化ガリウムで構成されたマッハ・
ツェンダ干渉計の形式の部品を開示している。この干渉
計は２個の電子溜めを有し、これらの電子溜の間に２個
の電子導波器が配置されている。電子導波器の中を移動
する電子の波動関数は、電界または磁界によって影響を
受ける。この電界または磁界による影響は、波動関数の
間に移送変化を起こさせるという態様で生じる。波動関
数はこのように相互に干渉することができる。例えば、
相互の干渉により波動関数が消滅することが起きる。

【０００４】同様なメソスコピック干渉計は、欧州特許
出願ＥＰ０ ３５７ ２４８号に開示されている。けれ
ども、この干渉計は、電子の波動関数の作用に対する帯
域フィルタを有する。この帯域フィルタは電子の速度領
域を制限し、それにより、この干渉計の変調の深さの増
大が制限される。

【０００５】量子干渉計トランジスタは、スプリヨ・ダ
ッタによる会議寄稿論文「量子干渉計トランジスタ」に
開示されている。この寄稿論文は、「固体装置及び材
料」に関する１９８８年東京の第２０回国際会議４９１
−４９４頁の拡大された要約の中で発表されている。こ
のトランジスタは外部的には電界効果トランジスタと似
ているが、このトランジスタの動作は、２個の並行する
電子導波器の中の電子の波動関数の間の干渉に基づいて
いる。このトランジスタは、電子導波器の中に電界を発
生させて電子の波動関数に影響を与えるように働く電極
によって制御される。

【０００６】量子干渉計方向性結合器は、エヌ、塚田ら
の論文「新規な電子波結合装置の提案」、応用物理、論
文集、第５６（２５）巻、１９９０年６月１８日、２５
２７−２５２９頁の記事に開示されている。この方向性
結合器は２個の電子導波器を有する。これらの電子導波
器のおのおのは入力と出力を有し、この入力と出力とは
いずれも、それぞれの電子溜めに接続される。これらの
電子導波器は相互作用領域の中で並行に接続され、互い
に作用し合う。この方向性結合器は、相互作用領域の中
に設けられた電極により制御される。

【０００７】前記公知の部品の機能は、分離した別々の
電子導波器からの電子波動関数の間の干渉に基づくか、
あるいは分離した別々の電子導波器の電子波動関数の間
の結合に基づく。良好な機能を得るために、電子導波器
は単一モード導波器であることが必要である。この単一
モード導波器の横方向の大きさは、用いられる材料のバ
ンドギャップにより、例えば、５０オングストロームな
いし１００オングストロームである。これらの部品の場
合、良好な機能を得るためには、また、単一の電子速度
が要求されるか、別の観点から見れば、電子波動関数に
対する単一の波長が要求される。この要求は達成するこ
とが困難である。前記部品は、また、例えば、前記スプ
リヨ・ダッタの文献の図１ｂに示されているように、入
力信号の強度と共に周期的に変化する出力信号を有す
る。このことは、制御信号の精度に対する要求を与え
る。前記部品の中のある部品はまた、別の欠点を有す
る。これらの欠点の中の１つは、量子干渉計方向性結合
器の製造の際に問題となる欠点である。この方向性結合
器の物理的な長さは結合長に等しくあるべきである。こ
のことは、この方向性結合器の製造を、現在の技術では
ほとんど不可能にするような、製造の際における非常に
高い精度を要求する。

【０００８】集積化光学装置の分野では、前記部品に対
応する部品が用いられる。例えば、光学的方向性結合器
およびマッハ・ツェンダ干渉計が用いられる。分岐した
光導波器を有する光学スイッチ、いわゆる、光ディジタ
ル・スイッチが知られている。この光ディジタル・スイ
ッチの作用は、光波の単一モード伝播に基づいている。
しかし、この作用は、分離した伝播モードの間の干渉に
基づいていない。メゾスコピック部品は、いくつかの点
で、明らかに、光電気部品とは異なる。メゾスコピック
部品の大きさは、光電気部品よりも、数桁小さい。例え
ば、１００−１０００μｍの長さと比べて、１μｍの長
さを有する。したがって、導波器の横断面の寸法は、そ
れぞれ、５０オングストロームおよび１μｍである。メ
ゾスコピック部品の場合、制御されるのは電流または電
子であり、光または光子ではない。そして、メゾスコピ
ック部品を制御する信号の大きさは、光電気部品を制御
する信号の大きさよりも数桁小さい。量子力学の用語で
言えば、１つの相違点は、メゾスコピック部品ではフェ
ルミ粒子が制御されるが、光学部品の場合のようにボー
ズ粒子が制御されるのではないことである。

【０００９】

【問題を解決するための手段】本発明は、分岐した電子
導波器を有し、かつ、ディジタル応答を行うことができ
る導波器量子電子スイッチに関する。これらの導波器
は、電子を輸送する材料の中に、電位の低下部を有す
る。このスイッチは、少なくとも１個の入力と、少なく
とも２個の出力とを有する。これらの入力と出力との間
で、入射電子がスイッチされる。電子が完全にバリステ
ィックに輸送される場合には、入射電子のスイッチング
は、電界を加えることにより生じる電子波動関数の位相
の不整合によって実行される。電子がある程度の散乱を
受ける場合、したがって、電子の輸送が完全にはバリス
ティックでない場合には、スイッチング作用は、出力電
子導波器に対する電位の低下部の外部電界による変位に
基づいて行われる。この場合、散乱されるこれらの電子
は、最低の電位を有する出力電子導波器を優先的に通過
する。このスイッチは、電子エネルギを比較的大きく変
えることができ、制御信号の強度を大幅に変化させるこ
とができる。電子導波器は、横方向に単一モード導波器
である必要はなく、導波器は横断面内で比較的大きな寸
法を有することができる。特に、一定程度の電子散乱が
Ｙ分枝の中で許容される場合にあてはまる。製造の精度
に関する要求は限定されている。本発明のスイッチは、
前記光ディジタル・スイッチの電子的ないしメゾスコピ
ックな均等物であると言うことができる。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を添付図面を参照して説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例の量子導波器スイッ
チを示す。ＧａＡｌＡｓ（ヒ化ガリウム・アリミニュウ
ム）で作成された基板１は、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）
で作成された電子導波器２を支持する。これらの導波器
は隠れて見えないので、図面には点線で示されている。
電子導波器２は、電気的に互いに絶縁された電子溜め
３，４および５の間に配設される。それらの電子溜め
は、例えば、ＧａＡｓで作成することができる。電子導
波器２は分岐した形態で配置され、入射電子導波器６
と、２個の出力導波器７および８とを含んでいる。入射
電子導波器６は電子溜め３に接続され、そして出力電子
導波器７および８は、それぞれ、電子溜め４および５に
接続される。これらの２個の出力導波器は、絶縁材料で
作成された領域４ａによって相互に分離される。入射電
子導波器６は、接続領域９で出力電子導波器７および８
に接続される。このスイッチは、電界Ｅを生ずる機能を
有する電極１０および１１を含む。電極１０および１１
によって生ずる電界は、接続領域９と、出力電子導波器
７および８との両方を通過する。これらの電極は、接続
導線１２により電気的に接続されている。電子溜め３，
４および５は、電圧源１５に接続される。図面に概略的
に示されているように、電圧源１５は電子を電子導波器
２を通して駆動する。したがって、電子導波器２の中で
前記電界Ｅを受けている電子を駆動する電界が存在す
る。電界Ｅは、出力電子導波器７および８と、スイッチ
ングが起きる接続領域９とに影響を与える。電子溜め３
から入射電子導波器６を通って送られる電子流はスイッ
チングされ、２個の出力電子導波器７または８のいづれ
か１つに進む。この機能は下記でより詳細に説明される
であろう。

【００１１】図２は、このスイッチの線Ａ−Ａに沿った
横断面図である。基板１は、導波器２を保持する底部層
１３と、導波器を覆う上部層１４とを有する。上部層１
４は電極１０および１１を有する。電極１０および１１
は、導波器２の中に電界Ｅを生ずる。

【００１２】前記のように、本発明のスイッチの電子導
波器２は、単一モード導波器である必要はない。通常、
このことは正しく、かつ、電子の散乱が許容される実施
例の場合には特にあてはまる。本発明のこの実施例が以
下に説明される。この実施の場合には、電子導波器は比
較的大きな幅Ｂ有し、例えば、１０００オングストロー
ムに達する幅を有する。このことは、列挙された材料の
組合わせのＧａＡｓおよびＧａＡｌＡｓの場合に適用さ
れる。単一モード動作の場合、幅Ｂは、電荷キャリアの
閉じ込めか達成される態様に依存して、例えば、５０−
５００オングストロームの範囲内にあることが必要であ
る。この場合、基板１と電子導波器２との間のバンドギ
ャップの不連続が大きければ大きいほど、単一モード動
作に対し導波器の許容される横断面寸法は小さくなる。
高いアルミニューム濃度を有するＧａＡｌＡｓと、Ｇａ
Ａｓとの前記の組合わせの場合、横断面の寸法は約５０
×５０オングストロームである。このスイッチは、電子
導波器２の縦方向に長さＬ１を有する。長さＬ１の大き
さは５００−２０００オングストロームの範囲の内にあ
る。その下限は、スイッチの動作電圧が限定されるとい
う事実によって支配される。それは、妨害の小さい良好
なスイッチング機能が要望されるからである。その上限
は、室温における電子の波動関数のコヒーレンスの長さ
に対応する。もしこのスイッチ装置が冷却されるなら
ば、例えば、１μｍまたはそれ以上の大きなコヒーレン
スの長さを利用することができる。図１に例示されたス
イッチの場合、電子導波器２の幅Ｂは５０オングストロ
ームであり、長さＬ１は２０００オングストロームであ
る。２個の出力電子導波器７および８の間の角度αは約
６０度であり、このことは、出力電子導波器７および８
の端部の間の距離Ｌ２が、Ｌ２＝１０００オングストロ
ームであることに対応する。電圧源１５の動作電圧は約
１５ボルトである。

【００１３】輸送される電子がある程度の散乱を受け、
したがって、電子の輸送は完全にはバリスティックでな
い場合について、図３ａおよび図３ｂを参照して、本発
明のスイッチの動作モードを説明する。電子導波器２
は、また、いくつかの伝播モードを有する。このスイッ
チの半導体材料は、周知の方式で、価電子バンドおよび
伝導電子バンドの分離したエネルギ・バンドを有する。
図３ａの線Ｃは、これらのバンドの間のエネルギ差Ｅ
ｇ、すなわち、エネルギ・ギャップを示す。図３ａの座
標Ｘは、図２に示された電子導波器７および８を横断す
る横方向の距離を示す。電界がない状態では、ＧａＡｓ
電子導波器２の伝導電子バンドの底は、エネルギ・レベ
ルＥｇｌにある。エネルギ・レベルＥｇｌは、ＧａＡｌ
Ａｓ層１３，１４の対応するエネルギ・レベルＥｇ２よ
り低いレベルにある。例示された実施例の選定された材
料では、このエネルギ・レベルの差はＥｇ２−Ｅｇ１＝
０．３ｅＶである。導波器のエネルギ・ギャップが小さ
いことによって生ずる電位の低下部により、導波器２の
中の電子が基板の中に広がることが防止される。電位の
低下部は、図３ａおよび図３ｂの中で、出力電子導波器
７および８に対して示されている。電界Ｅはスイッチの
材料に影響を及ぼし、そして図３ｂの線Ｄで示されてい
るように、エネルギ・レベルを変位させる。電界Ｅが図
２に示された方向に加えられた場合、出力電子導波器７
の伝導電子バンドのバンド端部Ｅ３は、出力電子導波器
８のバンド端部Ｅ４よりも高いエネルギ・レベルに変位
する。上記のように、電子が導波器２の中を移動する
際、ある程度の散乱を受ける場合を考える。この場合に
は、電子が入射電子導波器６および接続領域９を通って
移動する時、入射エネルギ・レベルからさらに低いエネ
ルギ・レベルへ緩和されるであろう。これらの電子は、
電極１０および１１によって制御される最低の電位を有
する出力電子導波器を通って、すなわち、例示された実
施例では出力電子導波器８を通って、進行する確立がよ
り高いであろう。電界Ｅが十分強い時、入射電子導波器
６から入射する 的にすべての電子が、出力導波器８を
通って出力されるであろう。

【００１４】図４ａおよび図４ｂにおいては、電子の輸
送が完全にバリスティックである場合について説明す
る。この場合、１個以上の伝播モードが電子導波器２の
中で許容される。以下には、単一モードの場合について
説明される。電界Ｅがない場合、入射導波器６の中の電
子の波動関数Ψは、図１により、２個の出力導波器７お
よび８の中の２つの等しいそれぞれの電子波動関数Ψ₁
およびΨ₂ に分割される。このことは、平均的に等しい
数の電子が、２個の電子導波器で検出されることを意味
する。これら２個の電子導波器の電位は、図４ａの線Ｆ
によって与えられる。図４ａには、電子の波動関数もま
た概略的に示されている。電界Ｅが加えられる時、図４
ｂの線Ｇで示されているように、電位が変化する。２個
の出力電子導波器７および８の電子の波動関数Ψ₁ およ
びΨ₂ は、全く同じ全エネルギ・レベルＥ５を有する。
それは、電子の輸送がバリスティックであるからであ
る。このとき、スイッチングは次のようにして起きる。
関係式

【数１】 による波動ベクトルｋ_z が、ｚ方向に伝播する電子の力
積ｐ_z に対して割り当てられる。この波動ベクトルｋ_z
は、波動関数の伝播方向において、２個の電子導波器７
および８の中で異なる値を有する。これらのベクトル
は、下記の関係式で示されるように相違する。

【数２】

【００１５】この関係式において、ｍ^* は電子の有効質
量であり、

【数３】 （ｈはプランク定数）であり、およびΔＶは図４ｂに示
された電位差である。ｋ _z ベクトルの大きさの差は、出
力電子導波器７および８の間の移送の不整合の大きさの
程度を表わす。前記のように、電子導波器６の中の入射
電子の波動関数Ψはただ１つの伝播モードを有する。す
なわち、許容される伝播モードだけを有する。この伝播
モードは、空間的次元において、偶パリティを有する。
電子波動関数Ψは電子導波器２の中でそのパリティを保
持しようとし、電子導波器７または８のなかの最低の電
位を有する電子導波器の中の準偶電子波動関数Ψ₁ また
はΨ ₂ に結合する。波動関数の間のこの結合は、本質的
に、接続領域９の中で起こり、スイッチングは、電位差
ΔＶが大きい程、すなわち、電界Ｅが強い程、より顕著
になる。これらのスイッチングの性質は、下記の図５に
ついてさらに詳細に説明する。電子波動関数のモードの
間のスイッチングは、入射電子のエネルギにはほとんど
関係なく、このスイッチは、入射電子の幅広いエネルギ
・スペクトルに対して動作する。

【００１６】前記２つの動作の場合、電子波は、出力電
子導波器７または８の中で電子に対して最低の電位を有
する１つの出力電子導波器へスイッチされる。しかしな
がら、前記の２つの異なる動作の場合については、スイ
ッチングが異なった理由で行われていることに注意しな
くてはならない。電子が散乱を受ける第１の場合には、
電子のエネルギは保存されなく、エネルギ的な理由で、
電子流は最低電位の導波器の中へ流れ込む。電子が散乱
を受けなく、電子の輸送が完全にバリスティックである
第２の場合には、スイッチングは、電子波動関数Ψに対
する純粋な波動伝播の問題であると考えられる。この波
動関数のパリティは保存され、電子導波器２の中の電子
波動関数に対し、１個以上の伝播モードが許容される。
この２つの動作の場合の間の境界は、実際には明確では
なく、１個の同一のスイッチの中で両方の場合の動作が
同時に起こることが可能である。

【００１７】図１および図２に示された実施例の場合、
導波器２と基板１とは互いに、異なる材料で作成され
る。しかしながら、電界により、基板の中に電子導波器
の境界を画定することもまた可能である。この場合に
は、電子波動関数に対し単一モード導波器または多重モ
ード導波器が得られるように、電界の影響により電子導
波器の幅を定めることができる。

【００１８】電子がバリスティック的に輸送されるとい
う第２の場合の動作では、スイッチの中でエネルギの散
逸は起こらない。電子が広がるという第１の場合の動作
では、スイッチの中である小量量の熱の発生が起こり、
このことは下記の理由で好ましくない。メゾスコピック
部品は極めて小さく、そして多数個のこのような部品を
１つの共通基板の上に集積することが可能である。限定
された体積の中で、かなりの量のエネルギが発生するこ
とがあり得る。そのため、これらの部品を冷却すること
が必要になる。

【００１９】図５は、本発明の単一モードの伝播の場合
の入力・出力特性を示すコンピュータを用いたシミュレ
ーションによる特性図である。入力信号は電極１０およ
び１１による電界Ｅである。この電界Ｅが図の横軸に目
盛ってある。入射電子の波動関数ΨはパワーＰ０を有す
る。このパワーは分割され、パワーＰ１およびＰ２を有
する電子波動関数Ψ１およびΨ２として、それぞれ出力
電子導波器７および８から送り出される。これらのパワ
ーは、それぞれの電子波動関数の大きさの２乗で表わさ
れる。図５では、パワーＰ０は１．０に正規化されて図
の縦軸上に与えられている。パワーＰ１およびＰ２の特
性は、図中の曲線で与えられる。曲線Ｒは、分岐点で反
射されるエネルギを表わす。この図から分かるように、
入力信号Ｅの大きさが所定の値を越える時、この図では
約０．５Ｖ／μｍの値を越える時、出力信号として０ま
たは１が得られるため、このスイッチはディジタルであ
る。この値は、図１に示されたスイッチの電極１０およ
び１１の間の約０．１０Ｖの電位差に対応する。

【００２０】図１および図２に示された本発明の部品が
作成される方法について説明する。図２に示された平ら
な層１３および１４は、半導体材料のエピタクシャル成
長により作成することができる。この技術は十分に確立
されており、この技術を用いて、導波器２に対し、例え
ば厚さ５０オングストロームの層を成長させることがで
きる。この厚さの半導体の層は、例えば、いわゆる量子
井戸レーザにおいて見られ、また、この種類のレーザに
基く他の光学部品においても見られる。電子波動関数を
閉じ込めるための導波器の横方向の閉じ込めについて
は、種々の方法が知られているけれども、ある程度の困
難を伴う。

【００２１】Ｍ．ノトミらは、応用物理、論文集、第５
８巻、１９９１年７２０頁、以下の記事の中で、層エッ
チングおよび再成長法を開示している。この方法を用い
て、図２に示されたスイッチを作成することができる。
この場合には、電子導波器７および８は、いわゆるメサ
・エッチング法と呼ばれるエッチング法によって形成さ
れ、層１４は再成長層である。

【００２２】Ｎ．ダグリらは、その記事、「電子波方向
性結合器とその解析」、応用物理学会誌、第６９巻、１
９９１年１月、１０４７頁において、電界による電子導
波器の閉じ込めの方法を開示している。

【００２３】Ｐ．Ｍ．ペトロフの論文、「２次元および
３次元の閉じ込めの構成についての新しいアプローチ：
処理と特性」、スーパーラテイスおよびマイクロストラ
クチャ誌、第８巻、第１号、３５−３９頁、１９９０
年、カリフォルニア大学、サンタ・バーバラ、の中で
は、量子導波器の原子的成長が開示されている。

【００２４】歪みにより誘起された閉じ込めを、電子導
波器に利用することもまた可能である。

【００２５】電子導波器については、導波器が狭くなれ
ばなる程、導波器が多重モード導波器になることなく、
許容し得る横方向電位ステップはますます大きくなると
いうことが言える。その反対に、なにか実際的な理由、
またはその他の理由により、導波器の幅を大きくしなけ
ればならない時、例えば、幅を５０nmより大きくしなけ
ればならない時、電子導波器が単一モード導波器である
ためには、電位ステップは小さいことが必要である。し
たがって、電荷キャリヤが電子導波器から散乱すること
を防止するためには、スイッチ装置を低い温度に保つこ
とが必要である。

【００２６】図６および図７は、本発明の第２の実施例
を示す。この実施例は、ＩｎＰ（リン化インジウム）で
作成された基板２１を含み、ＩｎＧａＡｓＰ（リン化イ
ンジウム・ガリウム・ヒ素）の電子導波器２２を有す
る。電子導波器２２は隠れて見えないので、図６には点
線で示されている。電子導波器２２は入射電子導波器２
３を有する。入射電子導波器２３は、その１つの端部は
電子溜め２４に接続され、他の端部は接続領域２５に接
続されている。この接続領域２５には、３個の出力電子
導波器２６，２７および２８が接続される。これらの出
力電子導波器２６，２７および２８は、分岐した形態で
配置され、それぞれ、電子溜め２９、３０および３１に
接続される。これらの電子溜めは、互いに電気的に絶縁
されている。図示されていない電圧源により、電子は、
電子溜め２４から電子導波器２２を通り、電子溜め２
９，３０および３１に駆動される。入射電子導波器２３
の中の電子は、図７に示された電極３２，３３，３４お
よび３５により、出力電子導波器２６，２７または２８
の中の１つの出力電子導波器にスイッチされる。図７
は、図６に示されたスイッチの線Ｎ−Ｎに沿っての横断
面図である。基板２１は底部層３６を有し、この底部層
３６の上に、導波器２２が設けられる。これらの導波器
は、電極３２，３３および３４を支持する上部層３７に
よって覆われる。電極３５は、底部層３６の下側表面に
取り付けられる。電源（図示されていない）が電極３５
と電極３２、３３および３４との間に接続され、電界Ｅ
１を発生する。この図では、電界Ｅ１は、電極３２と電
極３５との間に存在するように示されている。電界Ｅ１
は、出力電子導波器２６，２７および２８の電位を変
え、電子導波器２２の中の電子流を制御する。この制御
は、前記の図１−図５で説明された方式に反応する方式
で実行される。

【００２７】図８を参照して、本発明の第３の実施例を
簡単に説明する。この実施例では、基板４１は、電子導
波器４２と電子溜め４３〜４６とを有する。電子導波器
は、２個の入射電子導波器４７および４８を含む。入射
電子導波器４７および４８は、それぞれ、電子溜め４３
および４４に接続される。電子導波器４７および４８
は、共通の接続領域４９に接続される。接続領域４９に
はまた、２個の出力電子導波器５０および５１が接続さ
れる。これらの２個の出力電子導波器５０および５１は
フォーク乗に分岐し、それぞれ電子溜め４５および４６
に接続される。基板４１の上側表面に、電極５３〜５６
が載置される。これらの電極により、それぞれ、電界Ｅ
１１およびＥ２１が発生される。入射電子導波器４７ま
たは４８のいずれかから入射した電子は、電極５３〜５
６により、出力電子導波器５０および５１の間でスイッ
チされる。図８に示されたスイッチは、全体的には、図
１に示されたスイッチと同じように構成され、前記スイ
ッチと同じように動作する。これら２つの実施例の唯一
の違いは、図８の実施例は２個の入力を有することであ
る。電界Ｅ１１は、入射電子導波器４７と４８の間に非
対称を生ずる。この非対称は、例えば、入射電子導波器
４７および４８に異なる幅を与えることにより、入力側
に永久的に存在させることができる。

【００２８】前記スイッチは半導体材料で作成すること
ができる。しかしながら、他の材料、例えば、導電性の
高分子材料で、このスイッチを作成することもまた可能
である。

【発明の効果】メゾスコピック部品は従来の部品よりも
いくつかの利点を有するが、とりわけ、メゾスコピック
部品の制御信号は小さくてよいという利点を有する。こ
れらの部品は小さい量のエネルギを発生するだけで、例
えば、数ｅＶのエネルギを発生するだけで、スイッチン
グを行うことができる。このエネルギ発生量は、これま
でに知られている最も進んだ従来の電子部品の室温にお
ける値の１０００ｅＶと比較される。さらに、電子のバ
リスティック輸送の場合、極めて高速の部品が得られ、
ＴＨｚ領域のスイッチングも達成可能になるであろう。
本発明のスイッチは、また、従来のメゾスコピック部品
以上の利点を有する。以上説明されたように、本発明の
スイッチはディジタルであり、広いエネルギ領域内の電
子をスイッチする機能を有する。更に、このスイッチは
単一モード導波器であることを必要としない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のスイッチの平面図であ
る。

【図２】図１に図示のスイッチの断面図である。

【図３】ａは、制御信号が加えられていない場合のスイ
ッチのエネルギ・レベル図である。ｂは、制御信号が加
えられている場合のスイッチのエネルギ・レベル図であ
る。

【図４】ａは、制御信号が加えられていない場合、単一
モード伝播状態にあるスイッチのエネルギ・レベル図で
ある。ｂは、制御信号が加えられている場合、単一モー
ド伝播状態にあるスイッチのエネルギ・レベル図であ
る。

【図５】スイッチの入力・出力の関係を示す特性図であ
る。

【図６】本発明の第２の実施例のスイッチの平面図であ
る。

【図７】図６に図示のスイッチの断面図である。

【図８】本発明の第３の実施例のスイッチの平面図であ
る。

【符号の説明】

１，２１ 基板 ２，２２，４２ 電子導波器 ６，２３，４７，４８ 入射電子導波器 ７，８，２６，２７，２８，５０，５１ 出力電子導波
器 ９，２５，４９ 接続領域 ３，４，５，２４，２９，３０，３１，４３，４４，４
５，４６ 電子溜め １０，１１，３２，３３，３４，３５ 電極

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板により支持された電子導波器と、 前記電子導波機の近くに配置され、かつ、前記電子導波
   器を横切る方向の電界を発生する作用をする電極と、 前記電子導波器の両端部に配設された電子溜めとを有
   し、更に前記電子導波器の横方向の広がりは、前記電子
   導波器の中の電子の波動関数の波長と同程度の大きさを
   有する量子導波器電子スイッチであって、 前記電子導波器（２；２２；４２）は分岐した形態で配
   設され、かつ、接続領域（９；２５；４９）において、
   少なくとも２個の出力電子導波器（７，８；２６，２
   ７，２８；５０，５１）と接続された少なくとも１個の
   入射電子導波器（６；２３；４７，４８）を有すること
   と、 前記電子導波器（２；２２；４２）はそれぞれの中の電
   子の波動関数（Ψ）のコヒーレンスの長さと高々同程度
   の縦方向の長さ（Ｌ１）を有することと、 前記入射電子導波器および前記出力電子導波器（６，
   ７，８；２３，２６，２７，２８；４７，４８，５０，
   ５１）のおのおのは、互いに電気的に絶縁された前記電
   子溜め（３，４，５；２４，２９，３０，３１；４３，
   ４４，４５，４６）の中の１つの電子溜めに対してそれ
   ぞれ接続されていることと、 前記電極（１０，１１；３２，３３，３４，３５）は少
   なくとも前記出力電子導波器（７，８；２６，２７，２
   ８；５０，５１）の近傍に配置されており、更に前記電
   子導波器（２；２２；４２）の中の電子の波動関数
   （Ψ）が単一モード伝播および多重モード伝播のいずれ
   か一方を示す時、前記電界（Ｅ；Ｅ１；Ｅ２１）は、前
   記出力電子導波器（７，８；２６，２７，２８；５０，
   ５１）の中の少なくとも１つの出力電子導波器を横切る
   ことにより、前記電子の波動関数（Ψ）に位相の不整合
   が生じ、そのため前記入射電子導波器（６；２３；４
   ７，４８）の中の電子は、最低のエネルギ・ポテンシャ
   ルを有する前記出力電子導波器（７，８；２６，２７，
   ２８；５０，５１）にスイッチされることと、 を特徴とする量子導波器電子スイッチ。
2. 【請求項２】 基板により支持された電子導波器と、 前記電子導波器の近くに配置され、かつ、前記電子導波
   器を横切る方向の電界を発生する作用をする電極と、 前記電子導波器の両端部に配設された電子溜めとを有
   し、更に前記電子導波器の横方向の拡がりは、前記電子
   導波器の中の電子の波動関数の波長と同程度の大きさを
   有する量子導波器電子スイッチであって、 前記電子導波器（２；２２；４２）は分岐した形態で配
   設され、かつ、接続領域（９；２５；４９）において、
   少なくとも２個の出力電子導波器（７，８；２６，２
   ７，２８；５０，５１）と接続された少なくとも１個の
   入射電子導波器（６；２３；４７，４８）を有すること
   と、 前記入射電子導波器および前記出力電子導波器（６，
   ７，８；２３，２６，２７，２８；４７，４８，５０，
   ５１）のおのおのは、互いに電気的に絶縁された前記電
   子溜め（３，４，５；２４，２９，３０，３１）の中の
   １つの電子溜めに対してそれぞれ接続されていること
   と、 前記電極（１０，１１；３２，３３，３４，３５；５
   ５，５６）は少なくとも前記出力電子導波器（７，８；
   ２６，２７，２８；５０，５１）の近傍に配置されてお
   り、更に前記電子の波動関数（Ψ）が本質的に多重モー
   ド伝播を示す時、電界（Ｅ；Ｅ１；Ｅ２１）は前記出力
   電子導波器（７，８；２６，２７，２８；５０，５１）
   の中の少なくとも１つの出力電子導波器を横切ることに
   より前記電子導波器（２）のバンドギャップ・レベル
   （Ｅｇ１、Ｅｇ２、Ｅ３、Ｅ４）を変位させ、そのため
   前記入射電子導波器（６；２３；４７，４８）の中にお
   いて電子が有する入力エネルギ・レベルはより低いエネ
   ルギ・レベルに低下し、それにより、前記電子は最低の
   エネルギ・ポテンシャルを有する前記出力電子導波器
   （７，８；２６，２７，２８；５０，５１）にスイッチ
   されることと、 を特徴とする量子導波器電子スイッチ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載された量
   子導波器電子スイッチであって、少なくとも２個の入射
   電子導波器（４７，４８）を有することを特徴とする量
   子導波器電子スイッチ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載された量子導波器電子ス
   イッチにおいて、前記入射電子導波器（４７，４８）の
   中の１つの入射電子導波器は、その他の入射電子導波器
   よりも大きい横方向の拡がりを有することを特徴とする
   量子導波器電子スイッチ。
5. 【請求項５】 請求項１、請求項２、請求項３または請
   求項４に記載された量子導波器電子スイッチにおいて、
   前記電極（１０，１１；５３，５４，５５，５６）は、
   前記基板（１；４１）の一方の側の面上に配設され、か
   つ、分岐した形態で配設された前記電子導波器（２；４
   ７，４８，５０，５１）の近傍に配置されていることを
   特徴とする量子導波器電子スイッチ。
6. 【請求項６】 請求項１、請求項２、請求項３または請
   求項４に記載された量子導波器電子スイッチにおいて、
   前記電極（３２，３３，３４，３５）は、前記基板２１
   の両方の側の面上に配設され、かつ、前記出力電子導波
   器（２６，２７，２８）の中の少なくとも１つの出力電
   子導波器の近傍に配置されていることを特徴とする量子
   導波器電子スイッチ。
7. 【請求項７】 請求項１、または請求項２に記載された
   量子導波器電子スイッチであって、１個の前記入射電子
   導波器６および２個の前記出力電子導波器（７，８）を
   有し、更に前記電極（１０，１１）は、前記基板（１）
   の一方の側の面上に配設され、かつ、前記出力電子導波
   器（７，８）の近傍にそれぞれ配置されていることを特
   徴とする量子導波器電子スイッチ。