JPH05503608A - Solid state quantum mechanical electron and hole wave devices - Google Patents

Solid state quantum mechanical electron and hole wave devices

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JPH05503608A JP50046090A JP50046090A JPH05503608A JP H05503608 A JPH05503608 A JP H05503608A JP 50046090 A JP50046090 A JP 50046090A JP 50046090 A JP50046090 A JP 50046090A JP H05503608 A JPH05503608 A JP H05503608A
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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。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 ソリッドステート量子力学的電子及び正孔波デバイスl豆立11 本発明は、ソリッドステート量子力学的電子及び正孔波デバイス及びそれらの製 造方法に関し、とりわけ(a)ソリッドステート量子力学的電子及び正孔波デバ イス、例えば低域フィルタ、高域フィルタ、狭帯域及び広帯域ノツチフィルタ、 狭帯域及び広帯域バンドパスフィルタならびにインピーダンス変成器(これらに 限定はされない): (b)バイアス式半導体超格子構造、例えば弾道トランジ スタにおける熱電子エミ・νりとして作用することができる、例えば同調性バイ アス式電子波干渉フィルタ/エミッタ(これらに限定はされない):さらに(c )半導体量子井戸電子及び正孔導波管(ウェーブガイド)に関する。[Detailed description of the invention] Solid-state quantum-mechanical electron and hole wave device l Mamatachi 11 The present invention relates to solid state quantum mechanical electron and hole wave devices and their fabrication. (a) solid-state quantum mechanical electron and hole wave devices; devices, such as low-pass filters, high-pass filters, narrowband and wideband notch filters, Narrowband and wideband bandpass filters and impedance transformers (these include (without limitation): (b) Biased semiconductor superlattice structure, e.g. ballistic transistor For example, a tunable bias can act as a thermionic emitter in the star. As-type electronic wave interference filter/emitter (including but not limited to): and (c ) Regarding semiconductor quantum well electron and hole waveguides.

半導体成長技術における最近の進歩、とりわけ分子線エピタキシー(MBE)及 び有機金属気相成長法° (MOCVD)により、当業者は、正確な単原子層組 成制御を有する多層超格子構造を成長させることができるようになった0例久ば 狭域及び広域のバンドギャップ半導体材料、例えばGaAs及びGa+−11A IIIAsが連続的に成長した層が製造され、広く使用されて多重量子井戸構造 をもたらしてきた。実際、これらの超格子構造を、共振トンネル現象を示す超格 子/多重量子井戸デバイスに使用することに関する・引例が先行技術に存在する 。具体的には、このようなデバイスにおいては、超格子は、狭域及び広域のバン ドギャップ半導体材料の連続層をエピタキシャル成長させることによって形成さ れ、これらのデバイスの材料及び層幅は、隣接する井戸中の空間量子化効果から 生じる量子状態が結合するように選択される。さらに、このようなデバイスにお いては、これらの結合状態の相互作用は、電荷キャリヤがトンネル現象を示すこ とができる許容エネルギーのミニバンドの形成に通じる。Recent advances in semiconductor growth technology, particularly molecular beam epitaxy (MBE) and and metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), one skilled in the art can produce precise monolayer compositions. It has been a long time since we were able to grow a multilayer superlattice structure with controlled composition. Narrow and wide bandgap semiconductor materials such as GaAs and Ga+-11A Sequentially grown layers of IIIAs are manufactured and widely used in multi-quantum well structures. has brought about In fact, these superlattice structures can be transformed into superlattice structures exhibiting resonant tunneling. There are references in the prior art for use in quantum/multiple quantum well devices. . Specifically, in such devices, superlattices can be formed by epitaxially growing successive layers of gap semiconductor material. The materials and layer widths of these devices are limited by spatial quantization effects in adjacent wells. The resulting quantum states are selected to be coupled. Furthermore, such devices In this case, the interaction of these bonded states is such that charge carriers exhibit tunneling phenomena. This leads to the formation of mini-bands of allowable energy.

先行技術において開示された上述の共振トンネル現象を示す超格子デバイスの大 部分は、単量子井戸二障M構造を含む0例えばJa 、 J、 A 1. Ph  s、 26゜L1332 (1987)におけるT、 Inata、 S、  Muto 、 Y。The size of the superlattice device exhibiting the above-mentioned resonant tunneling phenomenon disclosed in the prior art For example, Ja, J, A1. Ph s, T in 26°L1332 (1987), Inata, S, Muto, Y.

Nakata、 S、 5asa 、 T、 Fujii及びS、 Hiyam izuによる記事;七」1工」九gr、 Lett、、 49.158(198 6)における’ M、 A、 Reed、 J、 W、 Lee及びH−L、  Tsaiによる記事:ならびにA 1. Ph s、 tett、、 52.1 442 (1988)におけるS、 Y、 Chou及びJ、 S、 Harr isによる記事を参照するとよい、そのようなデバイスは、高周波数マイクロ波 発振器として相当に興味深いものである1例えばA 1. Ph s、 Let t、、43.588 (1983) ニお+tルT、C。Nakata, S. 5asa, T. Fujii and S. Hiyam Article by izu; 'M, A, Reed, J, W, Lee and H-L in 6) Article by Tsai: and A1. Ph s, tett, 52.1 442 (1988), S., Y., Chou and J., S., Harr. Such a device is a high frequency microwave 1, which is quite interesting as an oscillator, for example A1. Ph s, Let t,, 43.588 (1983) Nio + T, C.

L、G、5aliner 、L D、Goodhue 、P、E、Tannew ald、C,D、 Parker及びり、 D、 Peckによる記事:ならび に釦f工」捜1−は2よ、50.333 (1’987)におけるTClL、  G、 5ollner 、 E、 R,Brown 、 W、 D、 Good hue及びH,Q、 Leeによる記事を参照するとよい、しかし、最近では、 3つの井戸及び4つの障壁からなる多重層構造を通過する共振トンネル現象がG aAs層 AlGaAs材料系において実証された0例えばA 1. Ph s 、 Lett、。L, G, 5aliner, L D, Goodhue, P, E, Tannew Articles by ald, C, D, Parker, and Peck: and ``Ni Button F Engineering'' Search 1- is 2, TCIL in 50.333 (1'987), G, 5ollner, E, R, Brown, W, D, Good See the article by Hue and H.Q. Lee, but recently: The resonant tunneling phenomenon that passes through a multilayer structure consisting of three wells and four barriers is aAs layer 0 e.g. A1. demonstrated in the AlGaAs material system. Ph s , Lett.

52、132 (1988)におけるC、 J、 Summers 、 K、  FBrennan 、 A、 Torabi及びH,M、 Harrisによる 記事を参照するとよい、さらに、これらの構造は、電場発光デバイス、光検出器 及び高速度弾道トランジスタの高エネルギーインジェクタとして潜在的な用途が ある。C, J, Summers, K, in 52, 132 (1988) by F. Brennan, A. Torabi and H. M. Harris. In addition, these structures can be used in electroluminescent devices, photodetectors, etc. and potential applications as high-energy injectors for high-velocity ballistic transistors. be.

例えばA 1. Ph s、 Lett、、 48.806 (1986)にお けるC、 J、 Summers及びに、 F、 Brennanによる記事: ム江皿−ヱML、 61.5410 (1987)におけるに、 FBrenn an及びC,J、 Summersによる記事;ならびに’ rEEE J、  Quantum Electron、 QE−23,320(1987)におけ るに、 F、 Brennan及びC,J、 Summersによる記事を参照 するとよい。For example, A1. In Ph.s., Lett., 48.806 (1986) Article by C. J. Summers and F. Brennan: In Muesara-eML, 61.5410 (1987), FBrenn Article by an and C, J, Summers; and’ rEEE J, In Quantum Electron, QE-23, 320 (1987) See article by Brennan, F. and Summers, C.J. It's good to do that.

上述したものに加えて、次のような先行技術の委考文献、すなわち、Elect ronics Letters、 Vol、 21゜No、 19.882 ( 1985)におけるT、 Nakagawa 、 H。In addition to the above, the following prior art reference documents, namely Elect ronics Letters, Vol, 21°No, 19.882 ( T, Nakagawa, H. (1985).

Imamoto 、 T、 Sakamoto 、 T、 Kojima 、  K、 0hta及びN、 J、 Kawaiによる記事ならびに、銃と回土匹匹 朋and Microstructures、 Academic Press  Inc、、 Vol。Imamoto, T, Sakamoto, T, Kojima, Articles by K, 0hta and N, J, Kawai, as well as Guns and Retrospectives Tomo and Microstructures, Academic Press Inc., Vol.

1 、 No、2 、1985. I)L 187〜192におけるr Des ignPrinciples for CHIRP 5uperlattice s DevicesJ と題する、T、 Nakagava 、 N、 J、  Kawai及びに、 0htaによる記事があり、これらは、負差抵抗効果をも たらすか、低透過率遮断性接点として作用するために、超格子を使用して、障壁 高さを越える電荷キャリヤエネルギーでミニバンド及び禁止エネルギー帯を得る ことを開示している。上述したものにさらに加えて、現在、当技術においては高 速度演算を示すデバイスを得ることに大きな関心が示されている。具体的には、 半導体デバイスの速度に影響する主な要因は、入力端子から出力端子までの電子 の走行時間である。もし散乱現象をなんら伴わずに、すなわち「弾道状」又は「 無衝突性」の動きによって半導体を通過する電子を得ること・ができるならば、 走行時間が最短縮され、デバイス中のポテンシャル速度が最大限になるというこ とが予期される。半導体材料中を弾道動する可能性は、最近、GaAs中での実 験結果によって提供された。この結果は、江j!L正胚、1988. pp、1 3〜16のr Ba1listicElectrons and )Ioles  0bserved in a Sem1conductorJと題する、M、  He1lbluI11による先行技術ではない記事に開示されたものである。1, No. 2, 1985. I) r Des in L 187-192 ignPrinciples for CHIRP 5uperlattice T, Nakagava, N, J, entitled s DevicesJ. There are articles by Kawai and 0hta, which also discuss the negative differential resistance effect. barrier by using the superlattice to act as a barrier or low-permeability barrier contact. Obtaining mini-bands and forbidden energy bands with charge carrier energy exceeding the height This is disclosed. In addition to the above, there are currently high Significant interest has been expressed in obtaining devices that exhibit speed computation. in particular, The main factor that affects the speed of semiconductor devices is the electron flow from the input terminal to the output terminal. This is the running time. If there is no scattering phenomenon involved, i.e. "ballistic" or " If it is possible to get electrons to pass through a semiconductor by "collisionless" movement, This means that the running time is minimized and the potential speed in the device is maximized. is expected. The possibility of ballistic movement in semiconductor materials has recently been demonstrated in practice in GaAs. provided by the experimental results. This result is Ej! L positive embryo, 1988. pp, 1 3-16 r Ba1listic Electrons and) Ioles 0bserved in a Sem1conductorJ, M, This is disclosed in a non-prior art article by He1lblueI11.

そのようなものとして、横行すべき区域の長さが電子の平均自由行程(mfpl と同じオーダであるとき、電子がかなり大きな割合でそこを弾道状に横行するこ とが予期される0例えば、ケイ素中のmfpは100オングストローム(Al  のオーダであるが、GaAs中の電子についてのmfpはそのほぼ10倍の大き さである。As such, the length of the area to be traversed is the mean free path of the electron (mfpl When the order of magnitude is the same as that of For example, the mfp in silicon is 100 angstroms (Al , but the mfp for electrons in GaAs is approximately 10 times larger. It is.

そのような弾道電子デバイスを製造する有用性を調査する興味において、GaA s層を二枚のAlGaAs合金層の間に挟み込む、先行記述における実験が紀さ れている。 AlGaAsは、GaAsと同じ格子定数を有し、その結果、その 上にエピタキシャル成長することができるため、このような実験に用いるには適 当な材料であると報告されている。それに加え、さらに別の実験報告は、弾道状 の正孔の動きは、GaAs中においても、電子の動きに生じるものよりも低い割 合でではあるが。In an interest to investigate the utility of fabricating such ballistic electronic devices, GaA The experiment described in the previous paper, in which the s-layer was sandwiched between two AlGaAs alloy layers, was It is. AlGaAs has the same lattice constant as GaAs, and as a result its It is suitable for use in such experiments because it can be epitaxially grown on It is reported that it is a suitable material. In addition, further experimental reports show that ballistic Even in GaAs, the movement of holes is lower than that caused by the movement of electrons. In case.

・GaAsの価電子帯の特異な帯構造のために、生じるということを示した。- It was shown that this occurs due to the unique band structure of the valence band of GaAs.

上記を鑑みると、電子及び/又は正孔フィルタデバイス、例久ば低域フィルタ、 高域フィルタ、ノツチフィルタ及びバンドパスフィルタが当技術においてめられ ている。これらは、エネルギー選択性を必要とする固体デバイス、例えばこれら のデバイスにおいて高エネルギー電子インジェクタとして作用することができる 電場発光デバイス、光検出器、弾道トランジスタ及びフィルタ/エミッタ構造な らびに集積光学デバイスに相当するものを製造することに使用するための電子又 は正孔導波管デバイスの製造に用いることができる。In view of the above, electron and/or hole filter devices, such as low-pass filters, High-pass filters, notch filters and band-pass filters are commonly used in the art. ing. These are useful for solid-state devices that require energy selectivity, e.g. can act as a high-energy electron injector in devices such as electroluminescent devices, photodetectors, ballistic transistors and filter/emitter structures. and electronic or electronic devices for use in manufacturing equivalent integrated optical devices. can be used to fabricate hole waveguide devices.

光旦JJ」! 本発明の実施態様は、先行技術における上記の必要性を満たすものであり、3種 の実施態様、すなわち(1)無バイアス式デバイス: (2)バイアス式デバイ ス;及び(3)導波管に関している。Kotan JJ”! Embodiments of the present invention satisfy the above needs in the prior art and provide three types of Embodiments of (1) unbiased device: (2) biased device and (3) relating to waveguides.

1.バイアス式デバイス 本発明の実施態様は、とりわけエネルギー選択性を示すことができるソリッドス テート量子力学的電子及び正孔波デバイスを提供することにより、当技術におけ る上記の必要性を満たす、具体的には、本発明の実・施態様は、固体の、低域フ ィルタ;高域フィルタ、狭帯域及び広帯域のノツチフィルタ:狭域及び広域のバ ンドパスフィルタ:光学反射防止膜に相当するインピーダンス変成器:ならびに 鏡に相当する高反射率デバイスを含む0本発明の実施態様は、電子がほぼ弾道状 に移動することを支援する材料からなる多層超格子構造を含む、電子が相当する ポテンシャルエネルギー障壁を上回るエネルギーをもってそのような構造中に注 入されるとき、その構造は、誘電膜中の電磁波伝搬において生じるものとまった く類似した電子干渉効果を発揮する。これらの実施態様は、本発明の方法にした がって、電子運動エネルギーと電子有効質量の積の平方根に比例する、位相量に ついての第1の固体屈折率を用いることによって、さらに、電子運動エネルギー を電子有効質量で割った値の平方根に比例する、振幅量についての第2の固体屈 折率を用いることによって設計される。これらの屈折率は、量子力学的電子波と 電磁光学波との間で完全に相似しており、このとき、電子の波数ベクトル k = (2rs” fE−V) j””/l+ (1)は、光学波数ベクトル に相似し、電子波振幅屈折率ns(振幅) Q: [fE−Vl/a”] ”’ ″ (2)は、光学屈折率に相似している。これらの屈折率は、・境界での屈折 率及び透過率をめる式に用いられる。1. Biased device Embodiments of the present invention provide a solid solution capable of exhibiting energy selectivity, among other things. by providing Tate quantum mechanical electron and hole wave devices. Specifically, embodiments of the present invention meet the above-mentioned needs for solid-state, low-frequency filters. Filter; high-pass filter, narrowband and wideband notch filter: narrowband and wideband notch filter; Impedance transformer equivalent to optical anti-reflection coating: and Embodiments of the present invention that include high reflectivity devices that correspond to mirrors provide a means for the electrons to be substantially ballistic. Contains a multilayer superlattice structure consisting of materials that help electrons move to into such a structure with energy exceeding the potential energy barrier. When inserted into the dielectric film, the structure is similar to that which occurs during electromagnetic wave propagation in the dielectric film. It exhibits similar electronic interference effects. These embodiments are based on the method of the invention. Therefore, the phase quantity is proportional to the square root of the product of the electron kinetic energy and the electron effective mass. Furthermore, by using the first solid refractive index of The second solid curve with respect to the amplitude is proportional to the square root of the electron effective mass divided by the electron effective mass. It is designed by using the refractive index. These refractive indices are related to quantum mechanical electron waves and It is completely similar to the electromagnetic optical wave, and in this case, the wave number vector of the electron k = (2rs” fE-V) j””/l+ (1) is the optical wave vector Similar to, the electron wave amplitude refractive index ns (amplitude) Q: [fE-Vl/a"]"' '' (2) is similar to the optical refractive index.These refractive indices are: - refraction at the boundary It is used in the formula to calculate the rate and transmittance.

この式は、既存の光学干渉フィルタ設計を本発明の半導体デバイス用の設計へと 変成する方法を提供する電磁設計の当業者には周知である1例えば、光学量と固 体量との間のこれらの写像を用いて、周知の光学設計を、バターワース・チェビ シェフ楕円関数又は他の周知のフィルタ特性を有する、相当するソリッドステー トフィルタデバイス用の設計へと変成してもよい6特に、本発明の固体電子波デ バイスの1つの実施態様は、AlGaAsとGaAsとの合金から製造されるフ ァプリーベロ光学干渉フィルタの固体相当物を含む、さらに、本発明のソリッド ステートフィルタデバイスは、それらの速度を増大するために、トランジスタ構 造中に一体に組み込むことができる。This equation converts existing optical interference filter designs into designs for semiconductor devices of the present invention. For example, optical quantities and fixed Using these mappings between A corresponding solid state with Sheff elliptic function or other well-known filter characteristics In particular, the solid-state electron wave device of the present invention may be transformed into a design for a filter device. One embodiment of the vise is made from an alloy of AlGaAs and GaAs. Additionally, solids of the present invention include solid-state equivalents of Apple-Bello optical interference filters. State filter devices use transistor structures to increase their speed. It can be integrated during construction.

電磁光学波と量子力学的電子波との間の写像の有用性は、固体材料中を電子が弾 道状に移動すること、すなわち電子が、結晶完全性からの逸脱によって散乱する ことなく、固体材料中を移動することに依存する。The usefulness of mapping between electromagnetic optical waves and quantum mechanical electron waves is due to the fact that electrons bounce through solid materials. moving in a path, i.e. electrons are scattered due to deviations from crystalline perfection relies on moving through solid materials without

弾道状に動く電子は、固体材料中のポテンシャル障壁を上回るエネルギーを有し 、量子力学的平面波挙動を示す、さらに、これらの平面波がデバイス中にそれら の位相を維持するため、これらの干渉性波は、誘電体中を移動する電磁波の挙動 に類似した方法で屈折、反°射、干渉、回折する。半導体のドーピングは本発明 の実施態様には重要ではないが、材料中での散乱を避けるために、デバイス中の 活性区域においてはドーピングを避けることが好ましい、ドーピングを施さなけ れば本発明のデバイスの製造がいっそう容易になるため、これは本発明のデバイ スについてさらなる利、4.を提供する。Ballistically moving electrons have energy that exceeds the potential barrier in solid materials. , exhibiting quantum mechanical plane wave behavior, and furthermore, these plane waves are These coherent waves follow the behavior of electromagnetic waves traveling in a dielectric to maintain the phase of refraction, reflection, interference, and diffraction in a manner similar to that of Semiconductor doping is the invention Although not critical to the implementation, to avoid scattering in the material, It is preferable to avoid doping in the active area; doping must be applied. This is because the device of the present invention is easier to manufacture if Additional benefits regarding the service, 4. I will provide a.

ポテンシャル障壁を上回るエネルギーをもっての電子波伝搬は、半導体中の量子 力学的電子波と誘電体中の電磁光学波との間の写像によって数学的に記述するこ とができるが、例えば半導体超格子干渉フィルタ設計は、単に、光学薄膜フィル タ設計を模写したものであることはできない、理由は、実現することができる光 学設計は、元来、利用しつる材料の屈折率によって制限されるが、相当する半導 体デバイス、例λば超格子干渉フィルタの設計は、次のような事実、すなわち( a)超格子構造中の層の厚さが単分子層厚さの整の倍数に限られること、そして (b)電荷キャリヤが実質的に無衝突で移動する必要性が材料の使用可能な組成 範囲を限定することによって制限されるからである。無衝突で移動する必要性が 間接バンドギャップを有する材料組成物の使用を妨げることがしばしばであるた め、この後者の制限が生じる。それにもかかねら°ず、当業者には明白であるは ずであるが、どの設計が物理的に実現可能であるかを決定する試行錯誤方法を用 いてもよい、しかし、詳細な説明に記載する本発明の方法の好ましい実施態様は 、適切な物理的制限を満たす超格子構造を決定する体系的方法を含む。Electron wave propagation with energy exceeding the potential barrier is caused by quantum It can be described mathematically by a mapping between mechanical electron waves and electromagnetic optical waves in dielectric materials. However, for example, a semiconductor superlattice interference filter design is simply an optical thin film filter design. It cannot be a copy of the data design, because the light that can be realized Although scientific design is originally limited by the refractive index of the material used, The design of a superlattice interference filter, e.g. λ, depends on the following facts, namely ( a) the thickness of the layers in the superlattice structure is limited to an integral multiple of the monolayer thickness, and (b) the need for substantially collision-free movement of charge carriers in the usable composition of the material; This is because it is limited by limiting the range. The need to move without collision as it often precludes the use of material compositions with indirect band gaps. Therefore, this latter limitation arises. Nevertheless, it is obvious to a person skilled in the art that However, using trial and error methods to determine which designs are physically feasible. However, preferred embodiments of the method of the invention described in the detailed description include , including a systematic method for determining superlattice structures that satisfy appropriate physical constraints.

バイアス デバイス 本発明の実施態様は、例えば弾道トランジスタの熱電子エミッタとして作用する ことができるバイアス式半導体超格子同調性電子干渉フィルタ/エミッタを提供 することにより、当技術における上記の必要性を満たす。特に、本発明の1つの 実施態様は、超格子ポテンシャル障壁を上回る電子エネルギーをもってほぼ弾道 状に伝搬する電子波に対するエネルギー選択性を示すバイアス式半導体超格子フ ィルタ/エミッタを含む、さらに、バイアス式超格子構造の層は、各層が厚さに おいて電子波長の4分の1又は2分の1の倍数であり、量子井戸障壁の幅が放出 の方向において調節されて所望のエネルギー選択性を得るところの、高い電子屈 折率と低い電子屈折率とを交互に含む。Bias device Embodiments of the invention serve as thermionic emitters of ballistic transistors, for example. Provides a biased semiconductor superlattice tunable electronic interference filter/emitter that can thereby satisfying the above needs in the art. In particular, one of the invention Embodiments provide near-ballistic energy with electron energy above the superlattice potential barrier. A biased semiconductor superlattice film exhibiting energy selectivity for electron waves propagating in Furthermore, the layers of the biased superlattice structure, including the filter/emitter, are is a multiple of one-quarter or one-half of the electron wavelength, and the width of the quantum well barrier is a multiple of one-quarter or one-half of the electron wavelength. High electron refractive index, which is adjusted in the direction of the Alternating refractive index and low electronic refractive index.

本発明のバイアス式半導体超格子フィルタ/エミッタは1本発明の方法にしたが って、既存の光学干渉フィルタ設計法によって決定される光学薄膜干渉フィルタ 設計を、無バイアス式デバイスに関して上述した・ような本発明の半導体デバイ スへと変成することによって構成される。しかし、このバイアス式デバイスの場 合、上記の式(1)及び(2)のVは、バイアスが印加されるため、半導体材料 中の位置の関数である。The bias type semiconductor superlattice filter/emitter of the present invention is obtained by using the method of the present invention. Therefore, the optical thin film interference filter determined by the existing optical interference filter design method The design can be applied to a semiconductor device of the present invention as described above with respect to an unbiased device. It is formed by metamorphosing into However, this bias type device In this case, V in the above equations (1) and (2) is It is a function of the position inside.

導」E貢 本発明の実施態様は、半導体量子井戸電子又は正孔スラブ導波管を提供すること により、当技術における上記の必要性を満たす0例えば、そのような電子導波管 は、高速度回路において、また電子又は正孔導波集積回路中の中心部品として有 用であるはずである。具体的には、電子スラブ導波管は、半導体層が実質的に弾 道状の移動を電子にもたらし、半導体層の厚さ及び組成が本発明の方法にしたが って決定されてポテンシャル井戸を提供するところの、半導体基板層、半導体膜 層及び半導体カバ一層からなる。``Guidance'' E Tribute Embodiments of the invention provide semiconductor quantum well electron or hole slab waveguides. For example, such an electronic waveguide satisfies the above needs in the art by are useful in high-speed circuits and as central components in electron or hole waveguide integrated circuits. It should be for use. Specifically, electronic slab waveguides have semiconductor layers that are substantially elastic. When the thickness and composition of the semiconductor layer is changed according to the method of the present invention, The semiconductor substrate layer, the semiconductor film that provides the potential well layer and a semiconductor cover layer.

特に、本発明によると、井戸中の電子エネルギーに対して、また基板層及びカバ 一層の各ポテンシャルエネルギー障壁の一方又は両方を上回る電子エネルギーに 対して、電子導波管モードがそれぞれ存在する。さらに、分散のために低い方の エネルギーしか遮断しない電磁導波の挙動とは対照的に、各電子導波管モードは 、高い方のエネルギーをも遮断して電子波を屈折さ・せて基板層及び/又はカバ 一層の中に入れる。In particular, according to the invention, the electron energy in the well and the substrate layer and cover The electron energy that exceeds one or both of each potential energy barrier in the layer On the other hand, there are electronic waveguide modes. Furthermore, due to dispersion, the lower In contrast to the behavior of electromagnetic waveguides, which only block energy, each electronic waveguide mode , the substrate layer and/or cover also blocks higher energies and refracts the electron waves. Put it in one layer.

区i匹!星皇旦j 本発明は、下記の詳細な説明を添付の図面と関連させながら検討することによっ て完全に理解することができる。i ward! star emperor j The invention will be apparent from the following detailed description when considered in conjunction with the accompanying drawings. can be completely understood.

第1図は、本発明によって製造される電子超格子干渉フィルタを図式的に示すも のであり;第2図は、第1図の電子超格子干渉フィルタのエネルギーレベル図及 び材料組成を図式的に示すものであり; 第3図は、第1図の電子超格子干渉フィルタの光学的相当物である光学薄膜干渉 フィルタの屈折率図を図式的に示すものであり; 第4図は、第1図の電子超格子干渉フィルタの透過率を図式的に示すものであり : 第5図は、本発明によって製造されたバイアス式電子波超格子干渉フィルタ/エ ミッタのエネルギーレベル図及び材料組成を図式的に示すものであり。FIG. 1 schematically shows an electronic superlattice interference filter manufactured according to the present invention. Figure 2 shows the energy level diagram and diagram of the electron superlattice interference filter in Figure 1. diagrammatically depict the material composition; Figure 3 shows an optical thin film interference filter that is the optical equivalent of the electron superlattice interference filter in Figure 1. It schematically shows a refractive index diagram of a filter; Figure 4 schematically shows the transmittance of the electron superlattice interference filter shown in Figure 1. : FIG. 5 shows a bias type electronic wave superlattice interference filter/element manufactured according to the present invention. This diagram schematically shows the energy level diagram and material composition of the mitter.

第6図は、第5図の電子超格子干渉フィルタの透過率を図式的に示すものであり : 第7図は、本発明によって製造された非対称的量子井戸スラブ導波管のエネルギ ーレベル図及び材料組成を図式的に示すものであり: ゛ 第8図は、電子導波モード伝搬定数を総電子エネルギーの関数としてプロッ トしたものであり、Gao、 asAlo、 +sAS基板層、GaAs膜層及 びGao、 ?1llAIO,1oAs力バ一層からなる量子井戸スラブ導波管 についての減衰モード、導波モード、基板モード及び放射モードの領域を、多様 な膜層厚さについての基本モードM0のモード分散曲線とともに示し; 第9図は、10単原子層分の厚さのGaAs膜層を有するGaAlAs材料系か らなるスラブ導波管のM0モードについての波動関数Uvを多様な電子エネルギ ーについてプロットしたものである。Figure 6 schematically shows the transmittance of the electron superlattice interference filter shown in Figure 5. : FIG. 7 shows the energy distribution of the asymmetric quantum well slab waveguide fabricated according to the present invention. – It graphically shows the level diagram and material composition: ゛ Figure 8 plots the electron guided mode propagation constant as a function of total electron energy. Gao, asAlo, +sAS substrate layer, GaAs film layer and Bi Gao? Quantum well slab waveguide consisting of 1llAIO, 1oAs power layer Diverse attenuation mode, waveguide mode, substrate mode and radiation mode regions for is shown along with the mode dispersion curve of the fundamental mode M0 for the film layer thickness; Figure 9 shows a GaAlAs material system with a GaAs film layer as thick as 10 monoatomic layers. The wave function Uv for the M0 mode of the slab waveguide with various electron energies This is a plot of .

理解を容易にするため、各図面に共通な要素を指定する際には同一の符号を用い た。For ease of understanding, the same symbols are used to designate elements common to each drawing. Ta.

毘旦皇且旦 以下、本発明を(1)無バイアス式デバイス、(2)バイアス式デバイス、及び (3)導波管の3つの部類に属する実施態様により詳細に説明する。Emperor Bidan and Emperor Hereinafter, the present invention will be described as (1) a non-biased device, (2) a biased device, and (3) Embodiments belonging to three categories of waveguides will be explained in more detail.

無バイアス デバイス 第1図は、本発明に従い製作された電子波超格子干渉フィルタ100を図式的に 示したものである。本発明によるこの干渉フィルタ100は、超格子120の層 101〜109、入力M131及び出力層132を構成する材料のポテンシャル 障壁の高さより大きい特・定の入射電子運動エネルギーのための狭帯域透過フィ ルタをなしている。以下に詳細に説明するように、眉101〜109の厚さ及び 9101〜109をなす材料のポテンシャル障壁の組成及び高さは、本発明の方 法によれば、半導体中の量子力学的電子波と誘電体中の電磁光波との間の写像を 用いることにより決定される0本発明の方法によれば、この写像を用いて既存の 薄膜光学設計技術及び既存の光学設計を、相当するソリッドステート量子力学的 電子波デバイス設計することに応用することができるため、好都合である。Non-bias device FIG. 1 schematically shows an electronic superlattice interference filter 100 manufactured according to the present invention. This is what is shown. This interference filter 100 according to the invention comprises a layer of superlattice 120. 101 to 109, the potential of the material forming the input M131 and the output layer 132 Narrowband transmission filter for a specific incident electron kinetic energy greater than the barrier height It is a ruta. As explained in detail below, the thickness of eyebrows 101-109 and The composition and height of the potential barrier of the materials forming 9101 to 109 are according to the present invention. According to the law, the mapping between quantum mechanical electron waves in a semiconductor and electromagnetic light waves in a dielectric is According to the method of the present invention, this mapping is used to determine the existing Thin-film optical design techniques and existing optical designs can be combined with solid-state quantum mechanical equivalents. This is advantageous because it can be applied to designing electronic wave devices.

第2図は、第1図の電子波超格子干渉フィルタ100のエネルギーレベル図及び 材料組成を表したものである。第2図に示すように、入力層131及び出力N1 32は、各々Gao、 5J1o、 +JSよりなる。超格子120は、4分の 1波長GaAs層101.4分の1波長Gao、 5sAlo4sAs層102 .4分の1波長GaAs層103.4分の1波長Gao、 5sA1o、 aJ s層104、半波長GaAs層105.4分の1波長Gao、 1sA1o、  4IAS層106.4分の1波長GaAs層l○7.4分の1波長Gao、 5 sAlo、 411AS 108、及び4分の1波長GaAsJW109よりな る。4分の1波長及び半波長という用語は、下記に定義する。さらに、第1図の 干渉フィルタL00t:I)場合、層101.103.107及び109・は、 各々6層のGaAs単原子層からなり、従ってその厚さは16.9599Aであ る。これに対して層102.104.106.及び、108は、各々9層のGa o、 5sAlo、 asAsの単分子層からなり、従って厚さは25.439 8Aである。この実施例においては、GaAs及びGao、 5iAlo、 4 sAsの単原子層はいずれも2.82665Aの厚さを有するものと仮定する。FIG. 2 shows an energy level diagram and an energy level diagram of the electron wave superlattice interference filter 100 of FIG. This shows the material composition. As shown in FIG. 2, the input layer 131 and the output N1 32 consists of Gao, 5J1o, and +JS, respectively. The superlattice 120 has a quarter 1 wavelength GaAs layer 101. 1/4 wavelength Gao, 5sAlo4sAs layer 102 .. Quarter wavelength GaAs layer 103. Quarter wavelength Gao, 5sA1o, aJ s layer 104, half wavelength GaAs layer 105. quarter wavelength Gao, 1sA1o, 4IAS layer 106.1/4 wavelength GaAs layer l○7.1/4 wavelength Gao, 5 sAlo, 411AS 108, and quarter wavelength GaAs JW109. Ru. The terms quarter wavelength and half wavelength are defined below. Furthermore, in Figure 1 For the interference filter L00t:I), the layers 101.103.107 and 109. Each layer consists of 6 GaAs monolayers, so its thickness is 16.9599A. Ru. On the other hand, layers 102.104.106. and 108 each have nine layers of Ga. It consists of a monolayer of o, 5sAlo, and asAs, so the thickness is 25.439 It is 8A. In this example, GaAs and Gao, 5iAlo, 4 Assume that each monolayer of sAs has a thickness of 2.82665A.

また、第1図のフィルタ100において、層105の厚さは、層101の厚さの 2倍になっている。In addition, in the filter 100 of FIG. 1, the thickness of the layer 105 is equal to It's doubled.

第4図は、第1図の電子波超格子干渉フィルタ100の透過率を図式的に表した ものである。FIG. 4 schematically represents the transmittance of the electron wave superlattice interference filter 100 shown in FIG. It is something.

Gao、 5sAl。4sAs層131に入力される電子の運動エネルギーとの 関連において以下に説明する方法により定めた通過電子運動エネルギーは、0. 139eVであり、通過帯域は、O,QO3eVの半値全幅(FWHM)を有し 、その通過帯域は、通過電子運動エネルギーのわずか2.2%である。さらに、 本発明の干渉フィルタは、好都合にもほぼ100%に等しい最大透過度を呈する ことに注目することが重要である。Gao, 5sAl. The kinetic energy of electrons input to the 4sAs layer 131 is The passing electron kinetic energy, determined by the method described below in connection, is 0. 139eV, and the passband has a full width at half maximum (FWHM) of O,QO3eV. , its passband is only 2.2% of the passing electron kinetic energy. moreover, The interference filter of the invention advantageously exhibits a maximum transmission nearly equal to 100%. It is important to pay attention to this.

以下、半導体材料における量子力学的電子波と誘電体における電磁光波の間の定 量的写像を用いた本発明の方法について説明する。この写像は、以下に説明す・ るように、既存の光学設計方法及び既存の光学設計を類似のソリッドステートデ バイス用の方法及び設計に変換するために用いられる6本発明の方法によれば、 写像は、(1)電子の有効質量と電子の運動エネルギーとの積の平方根、すなわ ち[m”(E −Vll””に比例する「電子波位相屈折率」n、(位相)を用 いることにより光路差に依存する光位相効果を写像し、(2)運動エネルギーと 荷動質量との比の平方根、すなわち[(E −V)/m’l ”、、’に比例す る[電子波振幅屈折率J n。Below, we will discuss the constants between quantum mechanical electron waves in semiconductor materials and electromagnetic light waves in dielectric materials. The method of the present invention using quantitative mapping will be explained. This mapping is explained below. existing optical design methods and existing optical designs to similar solid-state devices. According to the method of the present invention used for converting into a method and design for a device, The mapping is (1) the square root of the product of the effective mass of the electron and the kinetic energy of the electron, that is, Using the "electronic wave phase refractive index" n, (phase) which is proportional to [m''(E - Vll'') By mapping the optical phase effect that depends on the optical path difference, (2) kinetic energy and It is proportional to the square root of the ratio to the loaded mass, that is, [(E − V)/m’l”,,’ [electron wave amplitude refractive index Jn.

(振幅)を用いて透過率及び反射率のような光振幅効果を写像することを含む。(amplitude) to map optical amplitude effects such as transmittance and reflectance.

この写像は、半導体中の量子力学的電子波と誘電体中の電磁光波は、互いに極め て類似した透過、反射、干渉、及び回折特性を示すという知見を利用したもので ある。その結果、既存の光デバイス設計に相当する電子及び正孔波デバイスが得 られることになる。この写像は、下記を認識することにより導き出される二(a )ポテンシャルエネルギー境界にまたがる量子波動関数の連続性は、誘電体間の 境界にまたがる電界の接線方向成分の連続性に類似し、(b)ポテンシャルエネ ルギー境界に垂直な電子の確率の流れの保存は、誘電体間の境界に垂直なパワー フローの保存に類似している。本発明の方法の写像は、既存の光学設計方法°及 び既存の光学設計を用いる場合には、下記のように言い換えることができる。( 1)光波数ベクトルの代わりに電子波動ベクトルk = [2m”(E −V) ]””/fiを用い: (2)境界における反射率及び透過率に関する式におけ る光屈折率の代わりに電子波振幅屈折率[(E −V)/+Il”l”’を用い る。This mapping shows that quantum mechanical electron waves in a semiconductor and electromagnetic light waves in a dielectric are mutually exclusive. This method takes advantage of the knowledge that be. The result is an electron and hole wave device that is comparable to existing optical device designs. It will be done. This mapping is derived by recognizing the following: ) The continuity of the quantum wave function across the potential energy boundary is Similar to the continuity of the tangential component of the electric field across the boundary, (b) the potential energy The conservation of the probability flow of electrons perpendicular to the energy boundary is the power perpendicular to the boundary between dielectrics. Similar to saving flows. The mapping of the method of the present invention is similar to that of existing optical design methods. When using an existing optical design, it can be rephrased as follows. ( 1) Electron wave vector k = [2m” (E - V) instead of optical wave vector ]””/fi: (2) In the equation for reflectance and transmittance at the boundary, Instead of the optical refractive index, the electron wave amplitude refractive index [(E − V)/+Il"l"' is used. Ru.

ここで重要なのは、上記の写像は半導体材料における電子波の場合に適用され、 その場合は下記の2つの事実に依存するということである。すなわち(1)電子 は半導体材料中のポテンシャル障壁を上回るエネルギーを持ち(第2図の電子エ ネルギーEに注意)、(2)電子は半導体材料中で弾道運動又は無衝突運動を示 す。さらに本発明の方法の写像に関する下記の重要な要素に注意する必要がある 。すなわち(1)電磁光波は偏光性があり、振幅効果に関する写像は次元性を有 する1つのパラメータであるが、電子波に関する透過率及び反射率の式には電子 波の振幅屈折率の無次元の比のみが現れるので、矛盾があるとは思われず、(2 )位相効果及び振幅効果電子波の屈折率は、「正常な」分散を示し、すなわち、 これらの屈折率は、波長が小さくなるにつれて、あるいはエネルギーが増大する につれて大きくなり、(3)半導体材料は、(a)E対にすなわちエネルギー対 運動量に関して非・放物的帯構造を持つかもしれないし、また(b)材料中の特 定の電子波伝搬方向によって変化する帯構造を持つかもしれないが、これらの効 果は、エネルギー従属性の異方性有効質量1を用いることにより本発明の方法に 組み込むことができる。このように、許容波数ベクトル表面は異方性の存在下に おいてはもはや球面ではなくなるとしても、ここに述べる本発明の設計方法はす べて、エネルギー従属性の異方性有効質量が分析に用いられるならば、なおも適 用可能である。Importantly, the above mapping applies to the case of electron waves in semiconductor materials, In that case, it depends on the following two facts. That is, (1) electron has an energy that exceeds the potential barrier in the semiconductor material (electronic energy in Figure 2). (note energy E), (2) Electrons exhibit ballistic or collisionless motion in semiconductor materials. vinegar. Furthermore, it is necessary to note the following important factors regarding the mapping of the method of the invention: . In other words, (1) electromagnetic light waves have polarization, and the mapping related to the amplitude effect has dimensionality. However, the equations for transmittance and reflectance regarding electron waves include electron Since only the dimensionless ratio of the wave amplitude refractive index appears, there does not seem to be any contradiction, and (2 ) Phase effect and amplitude effect The refractive index of an electronic wave exhibits a "normal" dispersion, i.e. These refractive indices increase with decreasing wavelength or increasing energy. (3) The semiconductor material becomes (a) E pair, that is, energy pair. may have a non-parabolic band structure with respect to momentum, and (b) may have a band structure that changes depending on the fixed electron wave propagation direction, but these effects The result is that by using an energy-dependent anisotropic effective mass 1, the method of the invention can be incorporated. Thus, the allowable wavevector surface is Even if the surface is no longer spherical, the design method of the present invention described here However, if an energy-dependent anisotropic effective mass is used in the analysis, it is still applicable. Available for use.

上記の知見に照らして、本発明による電子波超格子デバイス、例久ば干渉フィル タは、薄膜光学干渉フィルタと共通の特性を有するということが確認された。In light of the above findings, we have proposed an electronic wave superlattice device according to the present invention, for example an interference filter. It was confirmed that the filter has characteristics common to thin film optical interference filters.

従って、これらの光学フィルタのい(つかの主要特性について考察し、その中で 本発明の電子波超格子干渉フィルタの特性を併せて考察することが有用である。Therefore, we will discuss some of the main characteristics of these optical filters, and It is useful to also consider the characteristics of the electron wave superlattice interference filter of the present invention.

簡単な形の狭帯域光学干渉フィルタとしては、ファプリーペロフィルタがある。A simple form of narrowband optical interference filter is the Fapley-Perot filter.

このフィルタは、光学関係の文献ではしばしば「スペーサ」と呼ばれる、反射鏡 の間にはさまれた半波長1からなる。全誘電体ファプリーペロフィルタの場合は 、Hと呼ばれる高屈折率の4分の1波長屡とLと呼ばれる低屈折率の4分の1波 長層を重ねたものよりなる。この種のフィルタの・帯域のFWHMは、眉間の境 界の反射率を増大することにより小さくすることができる。これは、高い屈折率 nHと低い屈折率nLとの比を増大することによって達成することが可能である 。さらに、暦数が一定の場合、フィルタの外側の境界上に高屈折率のNHがある 場合に、反射率がより高くなる。フィルタの中心の半波長共振1は、高い屈折率 nイを有する材料でも、低い屈折率nLを有する材料であってもよい。このよう に基本的に2種類の全誘電体ファプリーペロ干渉フィルタがある。光学関係の文 献においては、これらのフィルタは、H及びLをそれぞれ高屈折率材料及び低屈 折率材料の4分の1波長層として、またNを、角かっこ中に示される1対形の反 復数として記号的にそれぞれ[HL] NHH[LH] ’及びH[LH] ′ 4LL [HL]>NHで表される。This filter is a reflective mirror often called a "spacer" in the optical literature. It consists of half wavelength 1 sandwiched between. In the case of an all-dielectric Fabry-Perot filter, , a quarter wavelength wave with a high refractive index called H and a quarter wavelength wave with a low refractive index called L. Consists of long layers. The FWHM of this type of filter's band is the line between the eyebrows. This can be reduced by increasing the reflectance of the field. This is a high refractive index This can be achieved by increasing the ratio of nH to the lower refractive index nL . Furthermore, for a constant calendar number, there is a high-index NH on the outer boundary of the filter. In this case, the reflectance is higher. The central half-wavelength resonance 1 of the filter has a high refractive index It may be a material having a low refractive index nL or a material having a low refractive index nL. like this There are basically two types of all-dielectric Fapley-Perot interference filters. Sentences related to optics In the literature, these filters have H and L made of high and low refractive index materials, respectively. As a quarter-wave layer of refractive index material, and N as a pair of opposites shown in square brackets. Symbolically as repeating numbers [HL] NHH[LH]' and H[LH]' 4LL [HL]>NH.

全誘電体干渉フィルタにおいては、その他以下に述べるような重要な特性があり 、これらの特性は当技術分野における当業者にとっては周知であり、本発明の方 法においては、これらと類似の本発明のソリッドステート電子波フィルタにも適 用可能である。All-dielectric interference filters have other important characteristics as described below. , these characteristics are well known to those skilled in the art, and are useful in the present invention. In the method, the solid-state electronic wave filter of the present invention similar to these is also applicable. Available for use.

(CHI)フィルタの最大透過率は100%である;(CH2)最大透過率は、 (a)スペーサMの厚さがその材料中で測定して半波長となるような波長、及び (b)反射層の厚さがそれらの材料中で測定して4分′の1波長となるような波 長で生じる(以下このような波長を通過波長と称す); (CH3)FWHM及 びフィネスは、周囲の4分の1波長層の数によって調節され、すなわち、4分の 1波長部分が付加される毎にFWHMは減少し、フィネスは太き(なる;(CH 4)透過率特性を、フィルタを囲む材料中で測定して、波長の逆数の関数として プロットすると、透過率特性は通過波長に関して対称性を示す;(CH3)全て の眉の厚さが比例的に変化すると、波長の逆数の関数としてプロットした透過率 特性の単純移動が生じる。(CH6)全ての層の厚さが奇数倍になると通過帯域 は、最初の通過波長で発生し、FWHMは小さくなる; (CH7)フィルタへ の入射角が大きくなるにつれて、通過波長はより短い波長に同調する; (CH 3)透過率特性は、層の反射率及び厚さの変動に対しては比較的その影響が小さ い;(CH9)の正常な分散は、FWHMを狭くする;(CHIO)側波帯は通 過帯域の両側に必ず発生するので、フィルタは、限定された範囲に対してのみ有 効である。(CHI) The maximum transmittance of the filter is 100%; (CH2) The maximum transmittance is (a) a wavelength such that the thickness of the spacer M is half a wavelength measured in the material; (b) Waves such that the thickness of the reflective layer is one quarter' wavelength measured in those materials. (CH3) FWHM and The finesse and finesse are adjusted by the number of surrounding quarter-wave layers, i.e. Each time one wavelength portion is added, the FWHM decreases and the finesse becomes thicker (CH 4) Transmittance characteristics are measured in the material surrounding the filter as a function of reciprocal wavelength. When plotted, the transmittance characteristics show symmetry with respect to the wavelength passed; (CH3) all Transmittance plotted as a function of reciprocal wavelength as the eyebrow thickness varies proportionally A simple transfer of properties occurs. (CH6) When the thickness of all layers increases by an odd number, the passband occurs at the first passing wavelength, and the FWHM becomes small; (CH7) to the filter As the angle of incidence of increases, the transmitted wavelength tunes to shorter wavelengths; (CH 3) Transmittance characteristics are relatively unaffected by changes in layer reflectance and thickness. normal dispersion of (CH9) narrows the FWHM; (CHIO) sidebands are They always occur on both sides of the overband, so the filter is only useful for a limited range. It is effective.

ここで、この種のフィルタに言及する際に用いられる当業者に周知の特殊な専門 用語について説明する。Here, the special technicalities well known to those skilled in the art that are used when referring to filters of this type are: Explain terminology.

(1)通過波長の下側でこれに最も近い通過帯域ビー・りから通過波長の上側で これに最も近い通過帯域ピークまでの範囲を自由スペクトル範囲、FSRと称す る; (2)フィネスとは、FSR/FWHMに等しい;(3)分解能は、通過 波長をFWHMの2分の1で割った値に等しい。(1) Below the passing wavelength, the closest passband beam to this is above the passing wavelength. The range to the passband peak closest to this is called the free spectral range, FSR. (2) Finesse is equal to FSR/FWHM; (3) Resolution is It is equal to the wavelength divided by half the FWHM.

上記の写像を用いることにより、多境界半導体超格子系の特性を定めることがで きる。これは、付録Iに示すように、電磁気宇の分野で広く用いられている連鎖 行列法を用い、光波数ベクトルの位相量に本発明の写像によって得られる電子波 動ベクトルを代入し、かつ境界における反射率及び透過率に関する式中の屈折率 に本発明の写像によって得られる電子波振幅屈折率を代入することによって行わ れる。By using the above mapping, we can determine the properties of a multiboundary semiconductor superlattice system. Wear. This is a chain widely used in the field of electromagnetism, as shown in Appendix I. Using the matrix method, the electron wave obtained by the mapping of the present invention to the phase amount of the optical wave number vector is Substituting the motion vector and the refractive index in the formula for reflectance and transmittance at the boundary This is done by substituting the electron wave amplitude refractive index obtained by the mapping of the present invention into It will be done.

下記の例は、光学設計をどのようにしてソリッドステート設計に変換するかを示 す。この例においては、G、 Hass及びR,E、 Thun編のr Phy sics of ThinFilmsJ (vol、5)と称する書籍 (Ac ademic Press。The example below shows how to convert an optical design to a solid-state design. vinegar. In this example, r Phy edited by G, Hass and R, E, Thun. A book called sics of ThinFilmsJ (vol. 5) (Ac academic Press.

ニューヨーク、1969年版)の47ページから始まる章に記載されたA、 T helenによる光学的薄膜設計が電子波フィルタの設計に変換されている。こ の光学設計は、設計通過波長の2.2%のFWHM帯域を示す11層構造である 。光学的薄膜設計の記号法においては、光学フィルタは1.OHL HHLHL HL L’H1,0と表される。A, T listed in the chapter starting from page 47 of New York, 1969 edition) Helen's optical thin film design has been translated into an electronic wave filter design. child The optical design is an 11-layer structure that exhibits a FWHM band of 2.2% of the design passing wavelength. . In the notation of optical thin film design, optical filters are defined as: 1. OHL HHLHL HL is expressed as L'H1,0.

・ここで1.0は入力領域及び出力領域の空気を示し、Hは高屈折率(媒体中で 測定して)の4分の1波長の厚さの層を示し、Lは、低屈折率(媒体中で測定し て)の4分の1波長の厚さを示す。従って、HHという表記は、高屈折率の半波 長厚さの層を意味する。この光学設計の場合、nH=4.0、nL=1.35、 nL=1.83である。1.00μmの通過波長の場合について、光学フィルタ 各層の物理的厚さが表■に掲げられている。・Here, 1.0 indicates air in the input region and output region, and H indicates high refractive index (in the medium denotes a layer with a thickness of a quarter wavelength (as measured), and L is the layer with a low refractive index (as measured in the medium) ) indicates the thickness of a quarter wavelength. Therefore, the notation HH means a half wave with a high refractive index. means a layer of long thickness. For this optical design, nH=4.0, nL=1.35, nL=1.83. For the case of a passing wavelength of 1.00 μm, the optical filter The physical thickness of each layer is listed in Table ■.

これに相当する電子波超格子フィルタの設計は、上記の本発明の写像により以下 に説明するようにして得ることができる。まず第1に、m=oの入力領域におけ る電子の通過運動エネルギー(E−V、)を人力領域における所望の電子波通過 波長18me、oとの関連において次の方程式から51゛算する: (E −Vol −h272motan、ofi+ただし、m0°は人力領域又 は、m=oの領域についての電子の有効質量である1次に、贋mの量[(E − V、/m、、”]″″を同じ層のn、、、(a幅)に変換するための倍率りを下 記の方程式から計算する:D ”−no/[fE −Vol/ffl。”]1/ 2f21・ただし、noは光学設計の人力領域(m=o)の屈折率である。第3 には、各m番目の層について(E−Vm )の必要値を下記方程式からめる:た だし、口、はm番目の領域についての光学設計における屈折率であり、m、°は m番目の領域についての電子の有効質量である。第4には、m番目の1の物理的 厚さを次式により与える電子波位相屈折率を用いて、4分の1波長層の厚さをz 1算する: dra−h/(25/2[u、”(E −1/、l 11/21 (’ン次に、 この手順をたどりながら、光学的薄膜干渉フィルタ設計を電子波干渉フィルタ設 計に変換する。The design of an electronic wave superlattice filter corresponding to this is as follows based on the above mapping of the present invention. can be obtained as explained in . First of all, in the input region of m=o The electron passing kinetic energy (E-V) can be calculated using the desired electron wave passing Calculate 51゛ from the following equation in relation to the wavelength 18me, o: (E -Vol -h272motan,ofi+However, m0° is the human power range or is the effective mass of the electron for the region m=o, and the amount of counterfeit m [(E − Lower the magnification to convert V,/m, ``]'''' to n, , (a width) of the same layer. Calculate from the following equation: D"-no/[fE-Vol/ffl."]1/ 2f21. However, no is the refractive index in the manual range of optical design (m=o). Third For each mth layer, calculate the required value of (E-Vm) using the following equation: However, , is the refractive index in the optical design for the m-th region, and m, ° is is the effective mass of electrons for the mth region. Fourth, the mth 1 physical Using the electron wave phase refractive index whose thickness is given by the following formula, the thickness of the quarter wavelength layer is z Count by 1: dra-h/(25/2[u,”(E-1/,l 11/21(’n) Next, Follow these steps to convert optical thin film interference filter design to electronic wave interference filter design. Convert to meter.

このソリッドステートフィルタの通過波長を100Aとした場合に得られる運動 エネルギー(E−■)及び厚さの値を表11に示す。ただし、この例においては 簡単化のために、電子の有効質量は全ての層における自由電子の質量であると見 なす。The motion obtained when the passing wavelength of this solid state filter is 100A The energy (E-■) and thickness values are shown in Table 11. However, in this example For simplicity, the effective mass of an electron is considered to be the mass of free electrons in all layers. Eggplant.

計算でめた厚さが半導体超格子の適切で実用的な製造という点から小さ過ぎるか 、または厚さが単分子層の厚さより小さい場合は、全ての層の厚さを奇数倍に厚 くすることができる。これによって、前に光学子゛渉フィルタの場合について説 明したのと全く同様に、ソリッドステートフィルタのFWHMが同じ奇数倍だけ 小さくなり、その結果このソリッドステートフィルタは、より狭帯域のフィルタ となる。例えば上記の干渉フィルタ設計の場合、ソリッドステート層の厚さを3 倍または51gに増やすと、FWHMは、通過帯域波長の2.2%から通過波長 の0.73%又は0.44%に各々減少する。しかしながら、フィルタのフィネ ス、すなわち阻止帯域幅対通過帯域幅の比も、より大きい厚さが選択されると、 小さくなる。Is the calculated thickness too small for appropriate and practical fabrication of semiconductor superlattices? , or if the thickness is less than the monolayer thickness, all layers are multiplied by an odd number of thicknesses. can be reduced. This allows us to discuss the case of optical interference filters earlier. Exactly as explained above, if the FWHM of the solid state filter is the same odd number As a result, this solid-state filter is a more narrowband filter. becomes. For example, for the interference filter design above, the thickness of the solid-state layer is 3 By doubling or increasing to 51g, the FWHM increases from 2.2% of the passband wavelength to of 0.73% and 0.44%, respectively. However, the fineness of the filter The ratio of stopband to passbandwidth also decreases when a larger thickness is chosen. becomes smaller.

さらに、光学的薄膜干渉フィルタと全く同様に、本発明の電子超格子干渉フィル タは、直角入射から入射角を増加させるように単にフィルタを機械的に回転させ るだけで、より低い通過波長、従ってより高いエネルギーに対して連続的に同調 させることができる。Furthermore, just like the optical thin film interference filter, the electronic superlattice interference filter of the present invention simply rotate the filter mechanically to increase the angle of incidence from normal incidence. Continuously tuned to lower passing wavelengths and therefore higher energies can be done.

上述の方法を用いて第1図に示す本発明のフィルタ100を設計した。特に、第 3図は、第1図のソリッドステートフィルタ100に相当する類似の光学干渉フ ィルタの設計を示す。前述したように、フィルタ100は、GaAsとGao、  1iAlo4sAsの層で形成された超格子100よりなり、超格子100は 、Gao、 5iA1o、 46Asの入力層131及び出力層132により囲 まれている。フィルタ100の設計に用いられる有効質量゛は、従来技術の文献 からめたもので、m’ (GaAs) =0.067m、であり、m責Gao、  wsAla、 411AS) =0.10435moである(ただし、moは 自由電子の質量である)。用いた伝導帯エツジエネルギーは、v(GaAs)= 0.0000eV及びV(Gao、1sAlo4sAS) =0.3479eV であり、またGaAs及びGao、 5sA1o4sAsの単分子層厚さはいず れも2.82665Aとした。その結果、これらの材料の場合、6層のGaAs (d+=16.9599A)の単分子層及び9層のGao、5sA104!As (di = 25 、4398 A)の単分子層はいづれも、周囲のGao、  gsAl。GaAs層で測定して、101.652Aの電子波長又は0.139 456eVの電子運動エネルギーにおける4分の1波長1と密接な一致を示す。The method described above was used to design the filter 100 of the present invention shown in FIG. In particular, the FIG. 3 shows a similar optical interference filter corresponding to the solid state filter 100 of FIG. The design of the filter is shown. As mentioned above, the filter 100 is made of GaAs, Gao, It consists of a superlattice 100 formed of a layer of 1iAlo4sAs, and the superlattice 100 is , Gao, 5iA1o, surrounded by the input layer 131 and output layer 132 of 46As. It is rare. The effective mass used in the design of filter 100 is For the entangled one, m' (GaAs) = 0.067 m, and m responsible Gao, wsAla, 411AS) = 0.10435mo (however, mo is is the mass of a free electron). The conduction band edge energy used is v(GaAs)= 0.0000eV and V (Gao, 1sAlo4sAS) = 0.3479eV , and the monomolecular layer thickness of GaAs, Gao, and 5sA1o4sAs is It was also set to 2.82665A. As a result, for these materials, six layers of GaAs (d+=16.9599A) monolayer and 9 layers of Gao, 5sA104! As The monolayer of (di = 25, 4398A) is surrounded by Gao, gsAl. Electron wavelength of 101.652 A or 0.139 as measured in the GaAs layer It shows a close agreement with quarter wavelength 1 at an electron kinetic energy of 456 eV.

上記の本発明の構造は、例えば分子線エピタキシーのような当業者にとって周知 の技術を用いて組み立てることができる。さらに、本発明によれば、例えば上記 の例におけるGa対A1の比のように材料の組成を適切に選択することによって 通過運動エネルギーを変えることができる。従って、指定された通過運動エネル ギーを得るための設計手順は次のようになる。(1)Fl−8G、H型の材料系 について、材料の単分子層を表す整数が、材料中で測定して、通過運動エネルギ ー・ (E−V)における4分の1の波長に等しくなるようなXの値をめ; ( 2)各境界における反射率が最大となるように、できる限り隔たったXの値を選 択しく例えば、上記の例においては、これはx=0及び0.45を選択すること により達成される); (3)すると、光学系におけるように、材料を交互に層 をなす形態の4分の1波長層の間に半波長層をサンドイッチ状に設けることによ り基本通過帯域フィルタを形成することができる(FWHM及びフィネスは、周 囲の4分の1波長層の数によって調節される。すなわち、4分の1波長の部分を 付加する毎にFWHMは減少し、フィネスは増加する)。当業者にとっては、本 発明の超格子デバイスを、例えば第1図に示すような形態のデバイス(2種類の 異なる材料のみからなる層がら形成された超格子からなる)の他、多様な材料組 成を有する層で構成することが可能であるということは明白であろう。3種類以 上の材料の層を用いた設計は、特殊な光学薄膜デバイスに相当するソリッドステ ートデバイスを製造する必要性から必要になる場合がある。The structure of the invention described above is well known to those skilled in the art, e.g. by molecular beam epitaxy. It can be assembled using this technique. Furthermore, according to the present invention, for example, the above By appropriate selection of the material composition, such as the ratio of Ga to A1 in the example of The passing kinetic energy can be changed. Therefore, the specified passing kinetic energy The design procedure for obtaining energy is as follows. (1) Fl-8G, H type material system For , an integer representing a monolayer of material is measured in the material and passes through kinetic energy. - Find a value of X that is equal to 1/4 wavelength at (E-V); ( 2) Select values of X that are as far apart as possible so that the reflectance at each boundary is maximized. For example, in the example above, this would be choosing x=0 and 0.45. (3) Then, as in optical systems, materials are layered in alternating layers. By sandwiching a half-wavelength layer between quarter-wavelength layers in the form of can form an elementary passband filter (FWHM and finesse are is adjusted by the number of quarter-wave layers in the envelope. In other words, the 1/4 wavelength part (FWHM decreases and finesse increases with each addition). For those skilled in the art, the book The superlattice device of the invention can be used, for example, as shown in FIG. (consisting of a superlattice formed from layers consisting only of different materials), as well as various material combinations. It will be obvious that it is possible to construct the layer with the following structure. 3 types or more The design with the upper layer of material is a solid-steel equivalent of a specialized optical thin-film device. may be required due to the need to manufacture smart devices.

本発明に従いソリッドステートデバイスを設計する際には、特定のフィルタ設計 で必要となる4分の1波長眉及び半波長層が得られるような適切な材料組成を・ 試行錯誤によって選択することができる。しかしながら、各特定の場合にこのよ うな組成を選択するための体系的な方法が得られる本発明の方法の好ましい実施 態様を説明する。ここで、F、、G、Hの形態の合金の連続的な組を形成する材 料系について考えて見る。使用可能な組成の範囲は、例えばOからXsawまで のXの範囲によって決定される。これが生じる理由は、Ga+□AI++Asの 場合に見られるように、直接エネルギーバンドギャップ材料から間接エネルギー バンドギャップ材料へX、1.においで遷移が起こるかも知れないからである。When designing a solid-state device in accordance with the present invention, a specific filter design An appropriate material composition is required to obtain the required quarter-wavelength and half-wavelength layers. The selection can be made by trial and error. However, in each particular case this A preferred implementation of the method of the invention provides a systematic method for selecting such compositions. The aspect will be explained. Here, the materials forming a continuous set of alloys of the form F, , G, H Think about the fee system. The usable composition range is e.g. from O to Xsaw is determined by the range of X. The reason why this occurs is that Ga+□AI++As Indirect energy from direct energy bandgap materials as seen in the case To band gap materials, 1. This is because a transition may occur due to smell.

原則的に間接バンドギャップ材オー1を用いてはならないという決まりはないが 、直接バンドギャップ材料と間接バンドギャップ材料の間の遷移又は2つの間接 バンドギャップ材料の間の遷移が運動量の変化を必要とする場合は、間接バンド ギャップ材料を用いることはできない。それは、実質的に無衝突運動において生 じる波動効果を扱うためである。In principle, there is no rule that says indirect bandgap material O1 must not be used. , a transition between a direct bandgap material and an indirect bandgap material or two indirect If the transition between bandgap materials requires a change in momentum, the indirect band Gap materials cannot be used. It occurs in virtually collisionless motion. This is to deal with the wave effect that causes

ここで、材料組成を選択するための体系的方法を考察するのに、ソリッドステー ト電子波フィルタが下記の3種類の材料から構成されるものと仮定する。Here we consider a systematic method for selecting material compositions for solid-state materials. It is assumed that the electron wave filter is composed of the following three types of materials.

(1)超格子を囲むi=0領域の材享4は組成X0を有する。(2)2材料超格 子の高屈折率領域であるi=1領域の材料は組成×1を有する; (3)2材料 ゛超格子の低屈折率領域であるi=2領域の材料は組成x2を有する。i=1領 域及びi=2領域の単分子層の厚さはそれぞれrl及びr2である。これら3つ の領域における電子のポテンシャルエネルギーは、当技術分野において周知のよ うに、次式によって与えられる: VL −daLEo−^XL i−0,1, 2+5まただし、delEeは伝導帯エツジのエネルギー変化であり、Aは定数 である。さらに、これら3種類の領域における電子の有効質量は、次式によって 与えられるということも当技術分野において周知であるm −(B ap cx llmo iwo、1.2 (6ンここで、B及びCは定数であり、maは自由 電子の質量である。i番目の領域における電子連動エネルギーは、(E−V + )=b”72m+”laml”である。フ、イルタが通過させる全電子エネルギ ーをE、を表す、このよう蹟して、各領域において測定される通過運動エネルギ ーは、次式で与えられる: Ep−V4− h2/2+n白1afflp)11−0.1.2 +7まただし 、(lame) lは、i番目の領域において測定される通過波長である。超格 子を囲む材料中において測定されるフィルタの全通過連動エネルギーは、Ep− V、である。これは、ユーザーにより指定される通過運動エネルギーであり、従 って、この設M1手順における出発点である。上記方程式を用い、通過波長をめ て解くと、次式が得られる: 、2 (lawpl、 −h/12m(1[−^C×、÷(CEp−^Blx1+ B Ep]11/2i−0山2(8)超格子層の厚さを、i・1.2についてd、で 表す。これらの厚さは、単分子層の厚さriの整数倍でなければならない。さら に、これらの厚さは、これらの領域において測定される4分の1の波長の奇数1 gでなければならない。これらの制約は、次式によって表すことができる。(1) The material 4 in the i=0 region surrounding the superlattice has a composition X0. (2) Two-material supercase The material in the i=1 region, which is the child's high refractive index region, has a composition x 1; (3) 2 materials ``The material of the i=2 region, which is the low refractive index region of the superlattice, has a composition x2. i=1 territory The monolayer thicknesses of the region and i=2 region are rl and r2, respectively. these three The potential energy of an electron in the region of is given by the following formula: VL-daLEo-^XLi-0,1, 2+5 However, delEe is the energy change of the conduction band edge, and A is a constant It is. Furthermore, the effective mass of electrons in these three types of regions is calculated by the following equation: It is also well known in the art that m − (B ap cx llmo iwo, 1.2 (6) where B and C are constants and ma is free It is the mass of an electron. The electron interlocking energy in the i-th region is (EV + )=b"72m+"laml".F, total electron energy passed by filter - represents the passing kinetic energy measured in each region. - is given by: Ep-V4-h2/2+n white 1affflp) 11-0.1.2 +7 madashi , (lame) l is the passing wavelength measured in the i-th region. Super case The total pass coupled energy of the filter, measured in the material surrounding the filter, is Ep- V. This is the passing kinetic energy specified by the user and This is the starting point for this M1 procedure. Using the above equation, find the passing wavelength. Solving, we get the following equation: ,2 (lawpl, -h/12m(1[-^C×, ÷(CEp-^Blx1+B Ep] 11/2i-0 mountain 2(8) The thickness of the superlattice layer is d for i・1.2. represent. These thicknesses must be integral multiples of the monolayer thickness ri. Sara , these thicknesses are equal to the odd number of quarter wavelengths measured in these regions. Must be g. These constraints can be expressed by the following equation.

’i −Plrl −f2ql−11(lalllpH/4 i−1,2(9ま ただし、plはi番目の領域における単分子層の数を表す整数であり、qlは正 の整数1,2,3.、、。'i-Plrl-f2ql-11(lalllpH/4 i-1,2(9 ma However, pl is an integer representing the number of monolayers in the i-th region, and ql is a positive number. integers 1, 2, 3. ,,.

、である。上記の2つの方程式を用いて、組成X、に関する下記の二次方程式が 得られる: ゛ この方程式は、二次方程式の周知の解法よって解くことができる。超格子干 渉フィルタを設計するためには、0からXsawまでの範囲においてX、の解が 少なくとも2つなければならない。この範囲内におけるXlの最小値がX+、す なわち高屈折率材料の組成となる。このX、が得られるp、の値がp+、すなわ ち4分の1波長層を作るのに用いられる前述の種類1の材料の単分子層の数とな る。同様に、この範囲中のxlの最大値がX z 、すなわち低屈折率材料の組 成となる。x2が得られるp、の値が1)i、すなわち4分の1波長贋を作るの に用いられる前述の種類2の材料の単分子層の数となる。, is. Using the above two equations, the following quadratic equation for the composition can get: ゛゛ This equation can be solved by the well-known method of solving quadratic equations. super lattice dry In order to design a filter, the solution for X in the range from 0 to Xsaw must be There must be at least two. The minimum value of Xl within this range is X+, In other words, the composition is a high refractive index material. The value of p for which this X is obtained is p+, that is, is the number of monolayers of the above-mentioned type 1 material used to make the quarter-wave layer. Ru. Similarly, the maximum value of xl in this range is Xz, that is, the set of low refractive index materials. Becomes. The value of p that yields x2 is 1) i, that is, making a quarter-wavelength fake. The number of monolayers of the above-mentioned type 2 material used in

最も広い範囲の解が得られるように、voは。vo to give the widest range of solutions.

■□、に設定される。次に、指定された通過運動エネルギー(E−V、)につい て、E、の値を決定する。■□, is set. Next, for the specified passing kinetic energy (E-V,) Then, determine the value of E.

さらに、フィルタの全体の厚さをできるだけ小さくするために、q、は最初基本 単位に設定する。次に、0からX、□までの範囲内で正の実根が全て得られるま で、上記二次法方程式をp+ =1.2,3.、、。Furthermore, in order to make the overall thickness of the filter as small as possible, q is initially Set to unit. Next, until all positive real roots within the range from 0 to X, □ are obtained, Then, the above quadratic method equation is converted to p+ = 1.2, 3. ,,.

について繰り返し評価する。正の実根が1つしか得られないか、または全く得ら れない場合は、上記の手順をパラメータを変λで最初から繰り返さなければなら ない。ここで変え得る量は、整数Qi、E、を変化さ・せる周囲材料の組成xo 、及びrlを変化させる結晶学的成長方向である。Evaluate repeatedly. Only one or no positive root is obtained. If not, the above steps must be repeated from the beginning with the parameters changed to λ. do not have. The amount that can be changed here is the composition xo of the surrounding material that changes the integer Qi, E. , and the crystallographic growth direction that changes rl.

上記のようにしてX+、p+、Xit及びp2をめたならば、フィルタの他のパ ラメータを計算することができる。ポテンシャルエネルギー■1、有効質量m、 ・、電子波数ベクトルの大きさに5、及び電子波振幅屈折率no(振幅)1は、 各種の領域について上記方程式に従い計算することができる。Once you have determined X+, p+, Xit and p2 as above, the other parameters of the filter parameter can be calculated. Potential energy ■1, effective mass m, ・, the magnitude of the electron wave vector is 5, and the electron wave amplitude refractive index no (amplitude) is 1, Calculations can be made for various regions according to the above equation.

例えば、Ga (−x A l x A sの材料系の場合における次の例を考 察してみよう。これは、これらの合金に関しては全ての組成が格子整合されてい るので、好都合な材料系である。[100]方向沿いの成長については、単分子 層の厚さは、r = r + = r x = 2 、282665Aである。For example, consider the following example in the case of the material system Ga (-x A l x A s). Let's take a look. This is because all compositions are lattice matched for these alloys. This is a convenient material system. For growth along the [100] direction, a single molecule The thickness of the layer is r=r+=rx=2, 282665A.

この材料は、Xが0.45以下の場合、直接ギャップ半導体であり、その結果こ れば使用可能な組成範囲であるということを表している。さらに、Ga+−JI llAsの場合、A=0.77314eV、B=0.067、C=0.083で ある。This material is a direct gap semiconductor when X is less than or equal to 0.45, so that If so, it means that the composition is within the usable composition range. Furthermore, Ga+-JI In the case of llAs, A=0.77314eV, B=0.067, C=0.083 be.

−例を示すと、高速弾道トランジスタのエミッタ用に有用であるように、通過運 動エネルギーが0.20eVのGa1−xAlxAs超格子干渉フィルタを設計 するには、次のような計算が行われる。まず、XO=X□g =Q、45とする 。従って、Vo=’0.347913となり、E、−Vc=0.20eVである から、E、=0.547913eVとなる。- To give an example: Design of Ga1-xAlxAs superlattice interference filter with dynamic energy of 0.20eV To do so, the following calculations are performed: First, let XO=X□g=Q, 45 . Therefore, Vo = '0.347913, and E, -Vc = 0.20eV. Therefore, E,=0.547913eV.

q l=1として、O−0,45の範囲の全ての正の実根が見つかるまで、p+  =1.2,3.、、につぃて組成X、を計算する。この例の場合、2つの実根 、すなわちp、;6に対応するX、=Q、3984とP。q As l=1, p+ until all positive real roots in the range O-0,45 are found. =1.2,3. , , calculate the composition X. In this example, two real roots , i.e., X,=Q, 3984 and P corresponding to p, ;6.

=7に対応するx、=0.2063がある。小さいほうのX、の値をX+で表し 、大きいほうの値をX2で表す。Gaa、 79Alo、 z+Asの4分の1 波長層の厚さは、d + = p 、r= 19 、7866 Aで、7層の単 分子層からなる。Gao、 s。A1゜4゜Asの4分の1波長1の厚さは、d 2=p2r=16.9599Aであり、6層の単分子層からなる。3つの領域に おける電子の有効質量は、mo”=o、10435m0.m、”=0.0841 26mo 、m=”=0.10100O7と計算される。3つの領域における通 過運動エネルギーは、E、−V。=0.2000eV、E、−V、=0.388 4eV、E p −V a = 0 、 2399 e Vとなる。周囲のi= O領域に正規化された電子波振幅屈折率は、no(振幅)、=1.000000 .n、(振幅)、=1.552027、ne (振幅)* =1.118372 となる。[HL] ”HH[LH] ”の形の13層のファプリーベロ干渉フィ ルタの場合、これらの計算による材料特性に・よって、Q、20eVの通過帯域 と15.4meVのFWHMを有するフィルタが得られる。There is x, =0.2063, which corresponds to =7. The smaller value of X is expressed as X+ , the larger value is expressed as X2. Gaa, 79Alo, 1/4 of z+As The thickness of the wavelength layer is d + = p, r = 19, 7866 A, and the thickness is 7 layers. Consists of molecular layers. Gao, s. The thickness of quarter wavelength 1 of A1゜4゜As is d 2=p2r=16.9599A and consists of 6 monolayers. into three areas The effective mass of the electron at is mo"=o, 10435m0.m,"=0.0841 26mo , m=”=0.10100O7. The hyperkinetic energy is E, -V. =0.2000eV, E, -V, =0.388 4eV, Ep-Va=0, 2399eV. Surrounding i= The electron wave amplitude refractive index normalized to the O region is no (amplitude), = 1.000000 .. n, (amplitude), = 1.552027, ne (amplitude) * = 1.118372 becomes. [HL] 13-layer Fapley-Bello interference filter in the form of “HH[LH]” In the case of the router, these calculated material properties yield a passband of Q, 20 eV. A filter with a FWHM of 15.4 meV is obtained.

上記の手順を繰り返すことによって、弾道のトランジスタにおいて潜在的に最も 有用であろうと考えられるエネルギーの範囲である0、14eVから0゜20e Vまでの通過運動エネルギーについてGa+−JlxAs超格子フィルタを設計 した。6〜10層の単分子層の厚さの場合の正の実根を表mに示す。実根は、O から0.45までの範囲内になければならない。By repeating the above steps, the most potential in ballistic transistors Energy range considered to be useful from 0.14eV to 0°20e Design a Ga+-JlxAs superlattice filter for passing kinetic energy up to V did. The positive real roots for thicknesses of 6 to 10 monolayers are shown in Table m. The real root is O must be within the range from 0.45 to 0.45.

このエネルギー範囲の0.14eVの下端においては、基本的に4つの実根があ る。また、このエネルギー範囲の0.20eVの上端では、2つの実根がある。At the lower end of this energy range of 0.14 eV, there are essentially four real roots. Ru. There are also two real roots at the 0.20 eV upper end of this energy range.

半導体超格子干渉フィルタの設計にかなりの柔軟性がある。例えば、4分の1の 波長の他の奇数倍数としては、q+ =2.3,4.、、、を用いることが可能 であり、周囲の材料を変えて、voを変えることができ、また他の結晶学的成長 方向を用いてr、を変えることができる。There is considerable flexibility in the design of semiconductor superlattice interference filters. For example, a quarter of Other odd multiples of wavelength include q+=2.3, 4. , , can be used , and by changing the surrounding material, the vo can be changed, and other crystallographic growth The direction can be used to change r.

当業者にとっては、本発明の教示から逸脱することな(さらに他の実施態様を構 成することが可能なことは明らかであろう。例えば、電子波デバイスと同様に、 多種多様な正孔波デバイスを提供することも、本・発明の範囲に含まれる。さら に、本発明の範囲内において、電磁光波デバイスに類似した、ポテンシャル障壁 より高い電子波又は正孔波伝搬を用いた多種多様な電子波又は正孔波デバイスを 製造することも可能である。さらに、本発明の方法によれば、このようなデバイ スを、光学設計を決定するための既存の方法を用い、かつ前述の本発明の写像を 用いることによって製造することができる。より具体的には、このようなデバイ スとしては、低域フィルタ、高域フィルタ、ノツチフィルタ(狭帯域及び広帯域 )、帯域フィルタ(狭帯域及び広帯域)、インピーダンス変成器(反射防止、デ バイス)、及び高反射面(鏡)等がある。さらに、これらのフィルタは、当技術 分野において周知のパターウォース特性(最大限に平坦)、チェビシェフ特性、 楕円関数特性、又はその他の特性を有することも可能である。さらに、本発明の デバイスは、電場発光デバイス、光検出器、及び弾道トランジスタのようなあら ゆる種類のデバイス用の単一エネルギー電子供給源として用いることもできる。It will be apparent to those skilled in the art that other embodiments can be constructed without departing from the teachings of the present invention. It is clear that it is possible to do so. For example, similar to electronic wave devices, It is also within the scope of the present invention to provide a wide variety of hole wave devices. Sara Within the scope of the invention, potential barriers similar to electromagnetic light wave devices are used. A wide variety of electron wave or hole wave devices using higher electron wave or hole wave propagation It is also possible to manufacture. Furthermore, according to the method of the present invention, such devices using existing methods for determining optical design and using the mapping of the present invention described above. It can be manufactured by using More specifically, such devices Examples of filters include low-pass filters, high-pass filters, and notch filters (narrowband and wideband filters). ), bandpass filters (narrowband and wideband), impedance transformers (antireflection, vice), and highly reflective surfaces (mirrors). Furthermore, these filters Putterworth characteristics (maximum flatness), Chebyshev characteristics well known in the field, It is also possible to have elliptic function properties or other properties. Furthermore, the present invention Devices include conventional devices such as electroluminescent devices, photodetectors, and ballistic transistors. It can also be used as a source of monoenergetic electrons for all types of devices.

さらに、本発明のデバイスは、電子分光計、電子リソグラフィー、及び水晶の折 分析用に自由空間電子ビームを制御し、整形し、ろ波するための補助として用い ることも可能である。Additionally, the device of the invention is useful for electronic spectroscopy, electronic lithography, and crystal folding. Used as an aid to control, shape, and filter free-space electron beams for analysis It is also possible to

“ 上記の他、本発明によれば、例えば、上記の方法により全反射を得るために 設計された超格子の間にサンドイッチ状に挟まれた半導体層に電子又は正孔を注 入することによってそれらの電子又は正孔を導くことができる。“In addition to the above, according to the present invention, for example, in order to obtain total internal reflection by the above method, Electrons or holes are injected into the semiconductor layer sandwiched between the designed superlattices. These electrons or holes can be guided by entering the electrons or holes.

専門用語に関しては、電子エネルギーがポテンシャル障壁より高いという場合、 それが、第2図に示すように、伝導帯より高いエネルギーを指すということは当 業者にとって明らかであろう。さらに、これを正孔についていう場合は、価電子 帯より低いエネルギーを指すということも当業者には明白であろう。Regarding terminology, if the electron energy is higher than the potential barrier, then It is natural that it refers to energy higher than the conduction band, as shown in Figure 2. This will be obvious to businesses. Furthermore, when referring to holes, valence electrons It will also be clear to those skilled in the art that it refers to energies lower than the band.

バイアス デバイス 図5は、本発明に従い製作された電圧バイアス式電子超格子干渉フィルタ/エミ ッタ100の材料組成のエネルギーレベル図を図式的に示す。このフィルタ/エ ミッタ100は、M枚の層2001〜2oo11よりなる。これらの層2001 〜200.は、バルク半導体層1100+及び1100.にょって囲まれ、フィ ルタ/エミッタ100 i、:は、M2ooIと2ooMの間に電圧源(図示省 略)を設けることによって所定のバイアスポテンシャルVい□/qが印加される 。qは電子の電荷である。Bias device Figure 5 shows a voltage biased electronic superlattice interference filter/emitter fabricated according to the present invention. 2 schematically shows an energy level diagram of the material composition of the cutter 100; FIG. This filter/effect The transmitter 100 consists of M layers 2001 to 2oo11. These layers 2001 ~200. are bulk semiconductor layers 1100+ and 1100. Surrounded by Nyota, Fi Router/emitter 100i: is a voltage source (not shown) between M2ooI and 2ooM. ), a predetermined bias potential V□/q is applied. . q is the charge of the electron.

図5に示すように、フィルタ/エミッタ1o○には層1100+から電子250 が注入される。さらに、通過(帯域)エネルギーE、(帯域エネルギーE、は層 200I〜200.のポテンシャル障壁より高い)を中心とする狭いスペクトル 帯の運動エネルギー(KE)、、を持っ電子のみがフィルタ/エミッタ・100 を通過して1111002中に放出される。As shown in FIG. 5, the filter/emitter 1o○ contains 250 electrons from the layer 1100+. is injected. Furthermore, the passing (band) energy E, (band energy E, is the layer 200I~200. a narrow spectrum centered at Only electrons with band kinetic energy (KE) are filter/emitter 100 and is released into 1111002.

またさらに、これらの電子は、入力運動エネルギー(KE)、fiより大きい出 力運動エネルギー(KE)。、で層1100□中に放出される。Furthermore, these electrons have an output kinetic energy (KE) greater than the input kinetic energy (KE), fi. force kinetic energy (KE). , is released into the layer 1100□.

本発明によると、(KE)。ut > (KE) 、、、であるため、本発明の フィルタ/エミッタ100によれば、(KE) Inの入射運動エネルギーを持 つ電子用のエミッタ機能が得られる。容易に理解できるように、入力運動エネル ギーより高い運動エネルギーでの本発明のデバイスからの電子の放出は、バイア スポテンシャルVb、−/qを、その印加により生じるバイアスポテンシャルエ ネルギー■、□によってフィルタ特性が影響され、決定されるフィルタに印加す ることにより達成される。言い換えると、フィルタ/エミッタ100は、特定の 入射運動エネルギーを持ち、超格子の層200、〜20011をなす材料のポテ ンシャル障壁の高さより大きい全エネルギーを有する電子用の狭帯域透過フィル タ/エミッタを与えるものである。According to the invention, (KE). Since ut > (KE), ,, the present invention According to the filter/emitter 100, (KE) has an incident kinetic energy of In. An emitter function for electrons can be obtained. For easy understanding, the input kinetic energy The emission of electrons from the device of the present invention with kinetic energies higher than bias potential Vb, -/q caused by its application. The filter characteristics are affected by the energy ■ and □, and the This is achieved by In other words, the filter/emitter 100 A pot of material that has incident kinetic energy and forms layers 200 to 20011 of the superlattice. Narrowband transmission filter for electrons with total energy greater than the height of the mechanical barrier It provides a data/emitter.

以下詳細に説明するように、層200.〜200゜の厚さ、これらの層200. 〜200工をなす材料の組成、及び層2001〜200Ilのポテンシャル障壁 の高さは、本発明の方法によれば、前述の半導体中の量子力学的電子波と誘電体 中の電磁光波との間の写像・を用いて決定される0本発明の方法は、この写像を 用いて、既存の光学フィルタ設計技術を用いて設計された薄膜光学設計を類似の ソリッドステートの量子力学的電子波フィルタ/エミッタデバイスの設計に応用 するため、好都合である。As described in detail below, layer 200. ~200° thick, these layers 200. Composition of materials forming ~200 layers and potential barrier of layers 2001-200Il According to the method of the present invention, the height of the quantum mechanical electron wave in the semiconductor and the dielectric The method of the present invention determines this mapping using the mapping between the electromagnetic light waves in Using existing optical filter design techniques, thin-film optical designs designed using similar Application to the design of solid-state quantum mechanical electron wave filter/emitter devices Therefore, it is convenient.

本発明のフィルタ/エミッタ100の基本的構造は、上記の「無バイアス式デバ イス」に関する節で説明したような無バイアス式超格子電子波干渉フィルタの構 造と同じである。具体的には、例えば前述の狭帯域光学干渉ファプリーベロフィ ルタのような、電子の4分の1波長の奇数倍と偶数倍の連続した層からなる格子 電子波干渉フィルタを、光学フィルタとの類似性によってめる。The basic structure of the filter/emitter 100 of the present invention is based on the above-mentioned “unbiased device”. The structure of an unbiased superlattice electron interference filter as described in the section on It is the same as the construction. Specifically, for example, the above-mentioned narrowband optical interference A lattice consisting of successive layers of odd and even times of a quarter wavelength of electrons, such as a ruther. Electron wave interference filters can be viewed by analogy with optical filters.

さらに、図5に示すように、j番目の障壁又は量子井戸はd、で示す厚さを有し 、ゼロバイアスでばVJで示すポテンシャルエネルギーを有する。ここで、本発 明のこの実施態様の動作を理解し易(するために、次のように仮定する(これら の仮定は本発明を限定するものではない): (a)周囲のN200.及び20 0、は同じゼロバイアスのポテンシャルエネルギー■。を持つよう選択される;  (b)層2oO3〜200Mは、交互に例えばV、のような低いポテンシャル エネルギーと例えば■2のような高いボテン・シャルエネルギーを持つように選 択される。このように特定の値を選択した結果、及びn、が(E−V)すなわち 電子の運動エネルギーの平方根に比例することを示す前述の方程式(2)のマツ ピングによって、層200、〜200Mは交互に高い屈折率と低い屈折率を有す る。Furthermore, as shown in FIG. 5, the j-th barrier or quantum well has a thickness denoted by d, , at zero bias, it has potential energy indicated by VJ. Here, the main To make it easier to understand the operation of this implementation, we will make the following assumptions (these (the assumption of N200 . does not limit the invention): (a) the surrounding N200. and 20 0 is the potential energy of the same zero bias■. selected to have; (b) The layers 2oO3~200M are alternately coated with a low potential such as V, energy and high potential energy such as ■2. selected. The result of choosing a particular value in this way, and n, is (EV) or The above equation (2) shows that the kinetic energy of the electron is proportional to the square root of the kinetic energy of the electron. By pinging, layers 200, ~200M have alternating high and low refractive indices. Ru.

図5に示す本発明の実施態様においては、フィルタ/エミッタ100に所定のバ イアスポテンシャル■1.8を印加すると、層2001〜200..は反射器R 1を形成し、その反射器R1においては、各層は各々の層中で帯域エネルギーE 、で測定して電子の波長の4分の1の厚さを有し、また層200□、1は、その 層中で帯域エネルギーE2で測定して電子の波長の2分の1の厚さを有し、層2 0OR,。2〜200.は、その層中で帯域エネルギーE、で測定して電子の波 長の4分の1の厚さを有する。さらに、ある層の電子の波長は、前述の方程式( 1)によってめられ、次式によって与えられる: 電子の波長= 2TTfi/[2♂(E −Vl11/2(sコ)図5に示す本 発明の実施態様は、F、、G、Hの形の合金の連続集合よりなる材料系で形成さ れる。一般に、このような材料系は、例えばO≦X≦Xmawの範囲で表される ような限定された使用可能組成範囲を有す′る。これは、G41−3(AlxA s材料系でx=0.45の時に起きるような直接エネルギーギャップから間接エ ネルギーギャップへの遷移がX□、で起こり得るためである。In the embodiment of the invention shown in FIG. When applying the potential ■1.8, the layers 2001 to 200. .. is reflector R 1 and in its reflector R1, each layer has a band energy E in each layer. , and the layer 200□,1 has a thickness of one-fourth the wavelength of the electron, measured at layer 2 with a thickness of one-half the wavelength of the electrons measured at band energy E2 in the layer; 0OR,. 2-200. is the electron wave measured with band energy E, in that layer. It has a thickness of one quarter of its length. Furthermore, the wavelength of electrons in a layer can be determined by the equation ( 1) and given by the following equation: Wavelength of electron = 2TTfi/[2♂(E-Vl11/2(sco)) Book shown in Figure 5 Embodiments of the invention are formed of a material system consisting of a continuous collection of alloys of the form F, G, H. It will be done. Generally, such a material system is expressed in the range O≦X≦Xmaw, for example. It has a limited usable composition range. This is G41-3 (AlxA The indirect energy from the direct energy gap, such as occurs when x = 0.45 in the s material system, This is because a transition to an energy gap can occur at X□.

さらに、図5に示す本発明の実施態様においては、フィルタへ/エミッタ100 を囲む層11001及びよりなる。当業者には周知のように、Fl−オG、Hか らなる材料の層中の電子ポテンシャルエネルギーは次式により与えられる: Vj−dalEc −AXj(N4) ここで、delEcは材料中の伝導帯エツジのエネルギーの変化を示し、Aは定 数である。方程式(N4)によれば、本発明の実施態様を製造する場合の所与の 材料系についてのポテンシャルエネルギーの範囲は、O≦V≦V□、により与え られる。このポテンシャルエネルギーの使用可能範囲は、図5に所与の材料系の ゼロの電子ポテンシャルエネルギーを表すMIlj50とその所与の材料系のV 31.の電子ポテンシャルエネルギーを表すM[170との間のポテンシャルエ ネルギーの広がりによって示されている。Additionally, in the embodiment of the invention shown in FIG. It consists of a layer 11001 surrounding the. As is well known to those skilled in the art, Fl-oG, H The electron potential energy in a layer of material is given by: Vj-dalEc-AXj(N4) Here, delEc indicates the change in the energy of the conduction band edge in the material, and A is the constant It is a number. According to equation (N4), a given The potential energy range for a material system is given by O≦V≦V□. It will be done. The usable range of this potential energy is shown in Figure 5 for a given material system. MIlj50 representing zero electron potential energy and its V for a given material system 31. The potential energy between M[170 representing the electron potential energy of indicated by the spread of energy.

さらに、フィルタ/エミッタlOOが物理的に実現可能であるためには、200 .〜200.の各層の厚°さd、は、各層の材料組成の単原子層の厚さr、の整 数倍p、でなければならない。Furthermore, for the filter/emitter lOO to be physically realizable, the 200 .. ~200. The thickness d of each layer in is the uniformity of the monoatomic layer thickness r of the material composition of each layer. It must be several times p.

本発明の実施態様を得るための本発明の方法は、その第1ステツプとして、上記 の無バイアス式デバイスに関する節で開示したような適切な無バイアス式超格子 電子波干渉フィルタを選択することよりなる。具体なる9眉フイルタ、すなわち M=9の干渉フィルタが開示されている。ここでは、本発明の方法の残るステッ プにより、本発明の実施態様がいかにして設計され、具体的な材料組成及び屡の 厚さが決定されるかについて説明する。特に、ここに開示する本発明のフィルタ /エミッタ100の実施態様は、0.10eVの入力運動エネルギー(すなわち KE、n=0.10eV)を持つ電子をろ彼し、0.20eVの運動エネルギー (すなわちKEout =0.20eV)をもってそれらを放出する。この場合 、Vゎ0.は出力運動エネルギーと入力運動エネルギーとの差に等しい、すなわ ち出力運動エネルギー(KE)。utはVゎ1.、+(KE)、nに等しいため 、■01.は0.10eVに等しい。The method of the present invention for obtaining embodiments of the present invention comprises, as a first step, A suitable unbiased superlattice as disclosed in the section on unbiased devices in It consists of selecting an electronic wave interference filter. The specific 9-eyebrow filter, i.e. An M=9 interference filter is disclosed. Here, we will explain the remaining steps of the method of the invention. Depends on how embodiments of the present invention are designed, the specific material composition and often How the thickness is determined will be explained. In particular, the filter of the invention disclosed herein / emitter 100 embodiment has an input kinetic energy of 0.10 eV (i.e. KE, n = 0.10eV), with a kinetic energy of 0.20eV (i.e., KEout = 0.20 eV). in this case ,Vゎ0. is equal to the difference between the output kinetic energy and the input kinetic energy, i.e. Output kinetic energy (KE). ut is V1. , +(KE), since it is equal to n ,■01. is equal to 0.10eV.

光学的薄膜設計の表記法においては、Hは高屈折率(媒体中で測定して)の4分 の1波長厚さの眉を示し、Lは低屈折率(媒体中で測定して)の4分の1波長厚 さの層を示す。従って、記号HHは高屈折率の半波長厚さの層を意味する。ここ で開示した本発明のフィルタ/エミッタ100の実施態様は、下記の9Nで構成 されている: (1)層lは高屈折率の4分の1波長層(H)であり; (2) 層2は低屈折率の4分の1波長層(L)であり; (3)層3は高屈折率の4分 の1波長層(H)であり; (4)層4は低屈折率の4分の1波長層(L)であ り; (5)層5は高屈折率の半波長層(HH)であり: (6)層6は低屈折 率の4分の1波長層(L)であり: (7)層7は高屈折率の4分の1波長層( H)であり; (8)屡8は低屈折率の4分の1波長層(L)であり; (9) 層9は高屈折率の4分の1波長層(H)である。In optical thin film design notation, H is the fourth quarter of the high refractive index (as measured in the medium). , and L is the quarter-wavelength thickness of the low refractive index (as measured in the medium). Indicates the layer of sa. The symbol HH therefore means a half-wavelength thick layer of high refractive index. here An embodiment of the filter/emitter 100 of the present invention disclosed in (1) Layer l is a quarter wavelength layer (H) with a high refractive index; (2) Layer 2 is a quarter wavelength layer (L) with a low refractive index; (3) Layer 3 is a quarter wavelength layer with a high refractive index. (4) Layer 4 is a quarter wavelength layer (L) with a low refractive index. (5) Layer 5 is a high refractive index half-wave layer (HH); (6) Layer 6 is a low refractive index layer; (7) Layer 7 is a quarter wavelength layer (L) with a high refractive index. H); (8) Part 8 is a quarter wavelength layer (L) with a low refractive index; (9) Layer 9 is a high refractive index quarter wavelength layer (H).

ここで、本発明の設計方法について説明する。まず、いかにして所与の電子の通 過エネルギーE、における電子の波長の4分の1の倍数である半導体層の厚さが 決定されるかについて説明する。フィルタ/エミッタ100のj番目の贋の厚さ を通過エネルギーEI、における電子の波長の4分の1とするためには、j番目 の層への入力境界、すなわち図5のz J−、とj番目の贋の出力境界、すなわ ち図5のZ、との間の電子波の位相差は、(2qJ 1)l l/2によって与 ′えられる11/2の奇数倍でなければならない。この条件は次式で表される: j番目の層中のポテンシャルエネルギーVJ(Z)は次式で与えられる: vj(zl = Vbla、(1−z/Ll + Vl ([16+ただし、L は超格子100の全長、q、は正の整数である。Here, the design method of the present invention will be explained. First, how can a given electronic The thickness of the semiconductor layer, which is a multiple of a quarter of the wavelength of the electron at superenergy E, is Explain how it is determined. Thickness of the jth counterfeit of filter/emitter 100 In order to make 1/4 of the wavelength of the electron at the passing energy EI, the jth The input boundary to the layer, i.e., z J−, in Fig. 5, and the output boundary of the j-th fake, i.e. In other words, the phase difference of the electron wave between Z in Fig. 5 is given by (2qJ 1)l ' must be an odd multiple of 11/2. This condition is expressed as: The potential energy VJ(Z) in the jth layer is given by: vj (zl = Vbla, (1-z/Ll + Vl ([16 + However, L is the total length of the superlattice 100, and q is a positive integer.

フィルタ/エミッタ100の通過エネルギーは次式%式%: (]) ただし、(KE)、、は入力層1100+における通過運動エネルギーである。The energy passed through the filter/emitter 100 is calculated using the following formula: (]) However, (KE), , is the passing kinetic energy in the input layer 1100+.

j番目の層の有効質量は次式で与えられる=杓−(B + CXj神。 (B8 ) ただし、B及びCは定数、moは自由電子の質量である。The effective mass of the j-th layer is given by the following formula: ) However, B and C are constants, and mo is the mass of free electrons.

V、=Ax、を用いることにより、次の「4分の1波長」条件を得る: この方程式(B9)を解いてj番目の層の組成X。By using V, =Ax, we obtain the following "quarter wavelength" condition: Solve this equation (B9) to find the composition X of the j-th layer.

を決定する。Determine.

それには、 (1)iを本発明のフィルタ/エミッタ100をなす材料の単原子層の数を示す 指数とする;(2)iJが、本発明のフィルタ/エミッタ100のj番目の層の 最右端の単原子層の数を示すものとする; (3)i−が、本発明のフィルタ/エミッタ100中の単原子層の総数を示すも のとする。For that, (1) i represents the number of monoatomic layers of the material forming the filter/emitter 100 of the present invention. (2) iJ is the j-th layer of the filter/emitter 100 of the present invention; shall indicate the number of the rightmost monolayer; (3) where i- indicates the total number of monoatomic layers in the filter/emitter 100 of the present invention; To be.

この表記法を用いることにより: (1)j番目の贋の厚さは、d j = pJ r Jによって与えられる。p J=L J I J −+はj番目の層中の単原子層の数であり、r、はj番目 の贋の材料組成X。By using this notation: (1) The thickness of the j-th fake is given by dj=pJrJ. p J=L J I J −+ is the number of monoatomic layers in the j-th layer, and r is the number of monoatomic layers in the j-th layer. The material composition of the counterfeit X.

の単原子層の厚さである; (2)本発明のフィルタ/エミッタ100の全厚さは、L=pyrJの和により 与えられる。これは、r、が全での層について同じ値rである材料系においては lurに等しい; (3)本発明のフィルタ/エミッタ100に沿ってそ°の一端からj番目の層の 初めまでの距離は、r、が全で同じ場合、ZJ−1= N’−’ / iJ*’ して与えられる; (4)本発明のフィルタ/エミッタ100に沿ってその一端からj番目の層の終 りまでの距離は、r、が全で同じ場合、z、及びZ、= (iJ’ /iJ*L で与えられる。is the monoatomic layer thickness of; (2) The total thickness of the filter/emitter 100 of the present invention is determined by the sum of L=pyrJ. Given. This means that in a material system where r is the same value r for all layers, Equals lur; (3) the jth layer from one end along the filter/emitter 100 of the present invention; The distance to the beginning is ZJ-1=N'-'/iJ*' if r is the same for all given as; (4) the end of the jth layer from one end along the filter/emitter 100 of the present invention; If all r is the same, the distance to is given by

この表記法によって説明すると、本発明の方法は下記のステップをよりなる:  (1)第1の層について、10を○に等しいものとし、かつj:0と設定する。Described using this notation, the method of the invention consists of the following steps: (1) For the first layer, let 10 equal ○ and set j:0.

(2)jの次の値について11の値を1だけ増し、例えばi、=1とする。4分 の1波長層については、qlを1に等しく設定し、半波長層についてはπ/2の 代わりにπを用いる。ただしく2qJ−1)はj番目の層の4分の1波長の数で ある。(2) For the next value of j, increase the value of 11 by 1, for example, set i,=1. 4 minutes For the one-wavelength layer, set ql equal to 1, and for the half-wavelength layer, set ql equal to π/2. Use π instead. Here, 2qJ-1) is the number of quarter wavelengths in the j-th layer. be.

(3)j、前にめたf J−+の値、及びiJの設定値を用いて、Xlをめて上 記方程式(B9)を解く。(3) Using j, the previously set value of f J-+, and the setting value of iJ, set Xl and raise it. Solve equation (B9).

X、はj番目の層の組成である。高電子屈折率層について、0に最も近いX、の 正の実数値を選択し、低電子屈折率層については、直接バンドギャップから間接 バンドギャップへの遷移が起こる値に最も近くかつこれより小さいx、の実数値 を選択する。例えば、この値は、GaAlAs材料系の場合、0.45である。X, is the composition of the jth layer. For the high electronic refractive index layer, the value of X, which is closest to 0, is Choose a positive real value and for the low electronic refractive index layer, directly bandgap to indirect Real value of x, closest to and less than the value at which the transition to the bandgap occurs Select. For example, this value is 0.45 for the GaAlAs material system.

さらに多くの層についてこの処理が必要であれば、ステップ2に戻り、そうでな い場合は、ステップ4に進む。If you need to do this for more layers, return to step 2; If not, proceed to step 4.

(4)最後のステップが完了した後、決定した単原子層の総数が、単原子層の最 初の予測値i、より大きいか、あるいは小さい場合は、最初の予測値を修正して 、ステップ1に戻り、再度やり直さなければならな最もゼロに近いX工の値に相 当する最後の贋の最適厚さが、設計に用いたiMの最初の予測値に自然に適合す る、本発明のフィルタ/エミッタ100の全厚さとなるまで、上記のプロセスを 繰り返す。(4) After the last step is completed, the total number of monolayers determined is the maximum number of monolayers. If the first predicted value i is larger or smaller than the first predicted value, then modify the first predicted value. , corresponding to the value of The optimal thickness of the last counterfeit that corresponds naturally matches the initial predicted value of iM used in the design. The above process is repeated until the total thickness of the filter/emitter 100 of the present invention is achieved. repeat.

われわれは、本発明のフィルタ/エミッタ100の設計に本発明の方法を適用し た。上に述べたように、この実施態様において、!200.〜200Il並びに 周囲の層1100.及び11002はGa+ −xAIJs材料系で形成されて いる。これは、これらの合金に関しては全ての組成が格子整合されており、[1 001方向沿いの成長については、単原子層の厚さが同じ、すなわちr、=r= 2.282665Aであるため、好都合な材料系である。また、Xが0645以 下の場合、この材料系における組成は、直接ギャップ半導体であり、その結果、 これは使用可能な組成範囲を示す。さらに、Ga+−JIJsにおいては、A= 0.77314e・V、B=0.067、C=0.083である。さらにこの実 施態様においては、同じ組成、すなわちx0=0.45のGao、 5sA1o 、 a@Asよりなる周囲層1100゜及び11002を使用する。We apply the inventive method to the design of the inventive filter/emitter 100. Ta. As mentioned above, in this embodiment,! 200. ~200Il and Surrounding layer 1100. and 11002 are made of Ga+-xAIJs material system. There is. This is because all compositions are lattice matched for these alloys, and [1 For growth along the 001 direction, the monolayer thickness is the same, i.e. r,=r= 2.282665A, it is a convenient material system. Also, if X is 0645 or more In the case below, the composition in this material system is a direct gap semiconductor, resulting in This indicates the usable composition range. Furthermore, in Ga+-JIJs, A= 0.77314e·V, B=0.067, and C=0.083. Furthermore, this fruit In an embodiment, Gao with the same composition, i.e. x0=0.45, 5sA1o , a@As surrounding layers 1100° and 11002 are used.

高速弾道トランジスタにおけるエミッタとして有用である、0.10eVの入力 運動エネルギー及び0.20eVの8カ運動エネルギーを持つGa+ −Jlx As系のフィルタ/エミッタ100の9N実施態様の設計を、表B−Aに掲げる 。フィルタ/エミッタ100の設計に用いる有効質量は、先行技術の文献より得 たもので、m ’(GaAs) = 0.067.m o 、及びm”(Gao 、1sA1o、4aAS) = 0 、 10435moとした。0.10 eV input, useful as emitter in fast ballistic transistors Ga+ -Jlx with kinetic energy and 0.20eV kinetic energy The design of a 9N implementation of As-based filter/emitter 100 is listed in Table B-A. . The effective masses used in the design of filter/emitter 100 are obtained from prior art documents. m'(GaAs) = 0.067. m o and m”(Gao , 1sA1o, 4aAS) = 0, 10435mo.

moは自由電子の質量である。また、使用した伝導帯エツジエネルギーは、V  (GaAs) =0.0OOOeV及びV (Gao、5sA1o4sAS)  = 0 、3479 e Vであった。この設計においては、本発明のフィルタ /エミッタ100の全厚さは、単原子fi71枚の厚さであり、L=20.06 92nmの長さに相当する。このことは、本発明のフィルタ/エミッタ100の このような実施態様の長さは、弾道性半導体材料の1贋から形成することができ るほど十分に短いということを示す。mo is the mass of free electrons. Also, the conduction band edge energy used is V (GaAs) = 0.0OOOeV and V (Gao, 5sA1o4sAS) = 0, 3479eV. In this design, the filter of the present invention /The total thickness of the emitter 100 is the thickness of 71 monoatomic fi, L=20.06 This corresponds to a length of 92 nm. This means that the filter/emitter 100 of the present invention A length of such an embodiment can be formed from a single piece of ballistic semiconductor material. This shows that the length is short enough to

上記の本発明の方法を検証するため、表B−Aに示すバイアス式超格子設計につ いての電子流透過率を計算した。バイアスは線形ポテンシャル減少をもたらすの で、フィルタ/エミッタ100の1中における電子波動関数は、エアリ−関数A i(ρ)と余エアリー関数Bi(ρ)の線形結合として表すことができる。ただ し、新規な変数ρ、は、j番目の層中において次式により定義される: )ya、 −(2+a”、vbla、742t、)1/3(z+(z−vbla 、−Vl)L/Vb1.、l +9101図5に示すM枚の層を積層したものの 場合、電子透過率T、は、次の係数に電子振幅透過率の2乗を掛けることにより 得られる: [+E −Vo−vbiasl/”o11/2/[+’ −v01/M”M+l ]1/2(alxlT、は、表B−Aに記載したバイアス式超格子設計の場合に ついて図6に示されている。■。、ワ、=0.1oeVの設計バイアス、すなわ ち曲線300においては、デバイスは(KE)、u、=0.20eVの電子を出 力層1100□中へ放出する。半値全幅(FWHM)は、30.7meV、すな わち中心エネルギーの15.35%である。In order to verify the above method of the present invention, the biased superlattice design shown in Table B-A was used. The electron flow transmittance was calculated. Does the bias result in a linear potential decrease? Then, the electron wave function in one of the filter/emitters 100 is the Airy function A It can be expressed as a linear combination of i(ρ) and residual Airy function Bi(ρ). just Then, the new variable ρ is defined in the j-th layer by: )ya, -(2+a",vbla,742t,)1/3(z+(z-vbla , -Vl)L/Vb1. , l+9101M layers shown in Figure 5 are laminated. In the case, the electron transmittance T, can be obtained by multiplying the following coefficient by the square of the electron amplitude transmittance: can get: [+E -Vo-vbiasl/”o11/2/[+’-v01/M”M+l ]1/2(alxlT, is for the biased superlattice design listed in Table B-A. This is shown in FIG. ■. , wa, = 0.1 oeV design bias, i.e. For curve 300, the device emits electrons at (KE), u, = 0.20 eV. Release into the force layer 1100□. The full width at half maximum (FWHM) is 30.7 meV, That is, it is 15.35% of the central energy.

さらに、本発明のフィルタ/エミッタ100からの出力運動エネルギーは、連続 同調可能、すなわち、曲線のピークをずらすことができ、しかも曲線ばろ波機能 をもたらす形状を維持する。特に、出力運動エネルギーのピークは、本発明のフ ィルタ/エミッタ100・ に印加されるバイアスポテンシャルエネルギーV  I、i m *を変えることにより移動させることができる。HH共振層は、電 子の光路長で測定してデバイスの中心にあるため、出力運動エネルギーのピーク の移動は、バイアスポテンシャルエネルギーの変化の2分の1に等しい。すなわ ち、バイアスポテンシャルエネルギーが50meVだけ変化すると、出力運動エ ネルギーのピークは25meVだけ変化する。従って、図6に示すように、±5 0meVのV Ili□の変化に対して、曲線301及び302は、出力運動エ ネルギーのピーク・が±25meVだけ変化するということを示している。しか し、曲線が異なると透過率が異なるということに注意する。この連続同調可能と いう特性は、本発明のフィルタ/エミッタの実施態様に対して、その柔軟性は別 として、所定の設計と厳密に一致することからは逸脱する出力特性をもって組み 立てられた実施態様を同調させるようバイアスポテンシャルエネルギーを変える ことができるという点で、相当の長所をもたらす。Furthermore, the output kinetic energy from the filter/emitter 100 of the present invention is continuous. Tunable, i.e. the peak of the curve can be shifted, and curve filtering function Brings maintain shape. In particular, the peak of the output kinetic energy is Bias potential energy V applied to filter/emitter 100 It can be moved by changing I, im *. The HH resonance layer Since the peak of the output kinetic energy is at the center of the device as measured by the optical path length of the The movement of is equal to one-half the change in bias potential energy. Sunawa Therefore, when the bias potential energy changes by 50 meV, the output kinetic energy changes. The energy peak changes by 25 meV. Therefore, as shown in Figure 6, ±5 For a change in V Ili□ of 0 meV, curves 301 and 302 show that the output motion This shows that the peak energy changes by ±25 meV. deer However, note that different curves have different transmittances. This continuous tunable The characteristics of As a result, an assembly with output characteristics that deviate from closely matching a given design Vary the bias potential energy to synchronize the built embodiment It offers considerable advantages in that it can be

前述の無バイアス式デバイスに関する節で説明した全誘電体光学干渉フィルタの い(つかの重要な特性は、本発明のソリッドステート電子波フィルタ/エミッタ 、すなわち、(CH2); (CH3);(CH4); (CH3); (CH 6); (CH7);(CH3); (CH9):及び(CHIO)にも当ては まる。The all-dielectric optical interference filter described in the section on unbiased devices above. (Some important characteristics are that the solid-state electronic wave filter/emitter of the present invention , that is, (CH2); (CH3); (CH4); (CH3); (CH 6); (CH7); (CH3); (CH9): and (CHIO) also apply. circle.

本発明の超格子デバイスを種々異なる材料組成を持つ層で形成することが可能な ことは、当業者にとって明らかであろう。さらに、例えば図5の層200、及び 200Mに電極を設け、これらの電極間に電源を接続することによりバイアス電 圧V b l a mを本発明のフィルタ/エミッタに印加する仕方は当業者に とって周知である。It is possible to form the superlattice device of the present invention with layers having different material compositions. This will be clear to those skilled in the art. Further, for example, layer 200 of FIG. By providing electrodes at 200M and connecting a power supply between these electrodes, a bias voltage can be generated. It will be apparent to those skilled in the art how to apply the pressure Vblam to the filter/emitter of the present invention. It is very well known.

本願の開示内容から逸脱することな(本発明の他の実施例を作ることが可能なこ とは、当業者にとって明らかであろう。例えば、多種多様な正孔波デバイス及び 電子波デバイスを提供することも本発明の範囲に含まれる。さらに、本発明の範 囲内において、多種多様な電子波または正孔波フィルタ/エミッタ・デバイスを 作ることができる。さらに、このような本発明のデバイスを用いて電場発光デバ イス、光検出器、及び弾道トランジスタのようなあらゆる種類のデバイス用の熱 電子エミッタとして用いる狭帯域半導体超格子干渉フィルタ/エミッタを得るこ とも可能である。さらに、このような本発明のデバイスは、電子分光計、電子リ ソグラフィー及び結晶の電子回折分析等のために・自由空間電子ビームを制御し 、整形し、ろ波するための補助手段として用いることもできる。It is understood that other embodiments of the invention may be made without departing from the disclosure of this application. will be clear to those skilled in the art. For example, a wide variety of hole wave devices and It is also within the scope of the present invention to provide an electronic wave device. Furthermore, the scope of the present invention A wide variety of electron wave or hole wave filter/emitter devices can be used within the can be made. Furthermore, an electroluminescent device can be produced using such a device of the present invention. Thermal for all kinds of devices like chairs, photodetectors, and ballistic transistors Obtaining a narrowband semiconductor superlattice interference filter/emitter for use as an electron emitter Both are possible. Furthermore, such a device of the invention can be used in electronic spectrometers, electronic Controlling free-space electron beams for lithography and electron diffraction analysis of crystals, etc. It can also be used as an auxiliary means for , shaping and filtering.

無バイアス式デバイス、バイアス式デバイス共、本発明の実施例がどの程度設計 に合致するかは、デバイスを形成する材料中で行なわれる弾道運動の量によつ、 て決まるということに留意することが重要である。このことは、材料中の電子の 移動がほぼ弾道運動であるならば、本発明のデバイスの動作態様がより所望の設 計特性に近似したものとなるということを意味する。To what extent are the embodiments of the present invention designed for both non-biased devices and biased devices? The degree of ballistic movement that occurs in the material forming the device depends on It is important to note that This means that the electrons in the material If the movement is approximately ballistic, the mode of operation of the device of the invention becomes more desirable. This means that the characteristics will be similar to those of the meter.

しかしながら、本発明のデバイスは、電子の移動がそれほど弾道的でなくても、 劣化した態様で設計特性に従い動作する、すなわち性能が「ゆっ(す」劣化する ということに留意することも重要である。それはともかく、当業者であれば、現 在の分子線エピタキシー(MBE)および金属有機化学気相蒸着(MOCVD) の製造技術を用いることにより、精密な単分子層組成管理及びほぼ弾道性の電子 移動が確保される材料によって多層超格子構造を成長させることができる。さら に、半導体のドーピングは本発明の実施例にとっては重要な要素ではなく、材料 内での散乱を避けるため、デバイスの活性領域内におけるドーピングは行なわな い方が好ましい。このことは、ドーピングしないことによってより製造が容易に なるから、本発明のデバイスのもう一つの長所をなす。However, the device of the present invention can be used even if the electron movement is not very ballistic. Operates according to design characteristics in a degraded manner, i.e. performance degrades slowly It is also important to keep this in mind. Regardless, if you are a person skilled in the art, Current molecular beam epitaxy (MBE) and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) By using manufacturing technology, precise monolayer composition control and near-ballistic electron Multilayer superlattice structures can be grown with materials that ensure mobility. Sara However, doping of the semiconductor is not a critical factor for embodiments of the present invention; Doping within the active region of the device is avoided to avoid scattering within the device. It is preferable. This makes manufacturing easier by not doping. This is another advantage of the device of the present invention.

原則的には間接バンドギャップ材料を使用してはならないということはないが、 直接バンドギャップ材料と間接バンドギャップ材料との間、あるいは2つの間接 バンドギャップ材料の間の遷移に運動量の変化が必要な時は、間接バンドギャッ プ材を用いることはできない。これは、本願発明においてはほぼ無衝突の運動に おいて生じる波の効果を扱うためである。In principle, there is no prohibition against using indirect bandgap materials, but between a direct bandgap material and an indirect bandgap material, or between two indirect bandgap materials. When transitions between bandgap materials require a change in momentum, indirect bandgap It is not possible to use plastic. In the present invention, this results in almost collisionless motion. This is to deal with the effects of waves that occur in

無バイアスの場合における半導体超格子干渉フィルタ及びバイアス式の場合にお けるフィルタ/エミッタは、これらに相当する薄膜光学フィルタと同様、設計組 成値からの変動の影響を比較的受は難い。さらに、(1)半導体材料は、(a) E対k、すなわちエネルギー対運動量に関して非放物バンド構造を有する場合が あり、また、(b)材料中の特定の電子波伝播方向によって変化するバンド構造 、すなわち異方性エネルギー・バンド構造を持つ場合があるが、これらの効果が 存在する場合は、エネルギー従属性の異方性有効質量m°を用いて、これらの効 果を本発明の設計方法に組み込むことができる。このように、許容波動ベクトル 表面は、異方性の存在下においては球面でなくなるが、エネルギー従属性の異方 性有効質量を分析に用いるのであれば、本発明の設計方法は全て有効性を保持・ する。Semiconductor superlattice interference filter in the case of no bias and in the case of bias type These filters/emitters, like their thin-film optical filter counterparts, require a design assembly. It is relatively unaffected by fluctuations from the closing price. Furthermore, (1) the semiconductor material is (a) A case with a non-parabolic band structure in terms of E vs k, i.e. energy vs momentum. (b) Band structure that changes depending on the specific direction of electron wave propagation in the material , that is, it may have an anisotropic energy band structure, but these effects If present, these effects can be calculated using the energy-dependent anisotropic effective mass m°. The results can be incorporated into the design method of the present invention. In this way, the allowable wave vector The surface ceases to be spherical in the presence of anisotropy, but energy-dependent anisotropy If the effective mass is used for analysis, all of the design methods of the present invention maintain effectiveness. do.

最後に、無バイアス式デバイス及びバイアス式デバイス共、本発明の実施例の製 造に用いる適切なソリッドステート材料としては、とりわけ■〜V族の元素及び ■〜■族の元素の2成分組成、3成分組成及び4成分組成のような半導体材料( これらに限定されるものではない)があるということは当業者にとって明白であ ろう。Finally, both non-biased and biased devices are suitable for fabrication of embodiments of the present invention. Suitable solid-state materials for use in construction include, inter alia, elements of groups Semiconductor materials such as binary, ternary and quaternary compositions of elements in groups ■~■ It is clear to a person skilled in the art that there are Dew.

l丘1 図7は、非対称性量子井戸スラブ導波管2100のエネルギー準位図及び構造を 示す。本願においては、本発明のこの実施例を下記の表記法を用いて説明する: (a)1!!2200をサブストレート1NS、層2201をフィルム層f、層 2202を被覆層とそれぞれ称する; (b)矢印2100で示す導波管の層2200〜2202の表面に直交する方向 をXWで表わす;(c)層2201、すなわちフィルムNf中の量子井戸の底に おける電子のポテンシャル・エネルギーを■、で表わす; (d)贋2200、すなわちサブストレート層S、及びM2202、すなわち被 覆層Cに付随する電子のポテンシャル・エネルギー障壁をそれぞれ■、及び■。l hill 1 FIG. 7 shows the energy level diagram and structure of the asymmetric quantum well slab waveguide 2100. show. In this application, this embodiment of the invention is described using the following notation: (a)1! ! 2200 is the substrate 1NS, layer 2201 is the film layer f, layer 2202 is referred to as a covering layer; (b) Direction perpendicular to the surfaces of the waveguide layers 2200 to 2202 indicated by arrow 2100 is denoted by XW; (c) layer 2201, i.e. at the bottom of the quantum well in the film Nf; The potential energy of the electron at is represented by ■; (d) Counterfeit 2200, i.e., substrate layer S, and M2202, i.e., substrate layer S; The potential energy barrier of electrons associated with the covering layer C are ■ and ■, respectively.

で表わす: (e) N2200〜2202はF 、−x G x Hの形の材料系の材料で 構成されており、これらのl112200〜2202、すなわちサブストレート 層S、フィルム層f、及び被覆層Cの材料組成をそれぞれX、、X、、及びXc で表わす; (f)矢印2110で示す誘導モード伝搬方向をzwで表わす; (g)導波管の層2201、すなわち膜層fの厚さをdとする; (h)電子誘導波をなす2つの平面波成分の入射角をジグザク角0で表わす: (i)層2200〜2202のいずれかにおける電子の波数ベクトルの大きさは に+ = [2m”。Expressed as: (e) N2200 to 2202 are materials in the form of F, -x, G, x H. These l112200-2202, i.e. substrate The material compositions of layer S, film layer f, and coating layer C are X, , X, and Xc, respectively. Represented by; (f) The guided mode propagation direction shown by arrow 2110 is represented by zw; (g) Let d be the thickness of the waveguide layer 2201, that is, the film layer f; (h) Express the incident angle of the two plane wave components forming the electronically guided wave as a zigzag angle of 0: (i) The size of the electron wave vector in any of layers 2200 to 2202 is To + = [2m”.

(E−V、)] ’/” /hで与えられる。ただし、i if、基板aS、す なわち@2200、膜Nf、すなわちM2201.及び被覆IWc、すなわち層 22o2にそれぞれ対応してi=s、f、c、m”lは電子の有効質量、Vlは 電子のポテンシャルエネルギー、Eは総運動エネルギーである。(EV,)]’/”/h. However, i if, substrate aS, all ie @2200, membrane Nf, ie M2201. and coating IWc, i.e. layer Corresponding to 22o2, i=s, f, c, m''l are the effective masses of the electrons, and Vl is The potential energy of the electron, E is the total kinetic energy.

より詳しく言うと、以下の説明においては、層22oO〜2202はGa+−X AIIIASの材料系より選択さ・れる材料で構成されており、導波管2100 の12200〜2202中の電子ポテンシャルエネルギー、すなわちV、、V、 、及びveは伝導帯エツジによって次式により与えられる。More specifically, in the following description, layers 22oO to 2202 are Ga+-X The waveguide 2100 is made of materials selected from the AIIIAS material system. The electron potential energy between 12200 and 2202 of V, , V, , and ve are given by the following equation by the conduction band edge.

V、=AX+ i=s、f、c 、(S3)さらに、導波管2100の層220 0〜22o2中の電子の有効質量は次式によって与えられる=m” = (B+ Cx+)m、、 i=s、f、c (S4)ただし、moは自由電子の質量であ る。V, = AX + i = s, f, c, (S3) Furthermore, the layer 220 of the waveguide 2100 The effective mass of electrons in 0 to 22o2 is given by the following formula = m” = (B+ Cx+)m,, i=s, f, c (S4) where mo is the mass of the free electron Ru.

本発明のスラブ導波管の特定実施例の説明に先立って、本発明のスラブ導波管2 100の動作を定性的に説明する。この説明により本発明の方法をより良く理解 することが可能になると考えられる。さらに、本発明で用いられる臨界角の概念 を理解することによってスラブ導波管2100動作態様をより良く理解すること ができる。Before explaining specific embodiments of the slab waveguide of the present invention, the slab waveguide 2 of the present invention The operation of 100 will be explained qualitatively. This explanation will help you better understand the method of the invention It is thought that it will be possible to do so. Furthermore, the concept of critical angle used in the present invention To better understand how the slab waveguide 2100 operates by understanding Can be done.

特に、2つの層間の境界に平行な電子の波数ベクトルの成分が反射及び屈折の前 後において同じになるようにする、すなわち2つの眉間の境界沿いの透過電子波 及び反射電子波の位相が入射電子波の位相と同じなるようにすることによって、 電子波においてスネルの法則と同等の法則を本発明のスラブ導波管2100に関 連した形で得ることができる。この法則によれば、全内部反射の開始点は、入射 角、すなわち上に定義したジグザグ角が臨界角に等しい時に生じる。臨界角は( a)層2200と2201との間の境界、すなわちi=sである。In particular, the component of the electron wavevector parallel to the boundary between the two layers is Make it the same later, i.e. the transmitted electron wave along the border between the two eyebrows and by making the phase of the reflected electron wave the same as the phase of the incident electron wave, A law equivalent to Snell's law for electronic waves is applied to the slab waveguide 2100 of the present invention. It can be obtained in continuous form. According to this law, the starting point of total internal reflection is the incident This occurs when the angle, ie the zigzag angle defined above, is equal to the critical angle. The critical angle is ( a) The boundary between layers 2200 and 2201, i.e., i=s.

(b)112201と2202との間の境界、すなわち膜層fと被覆NOとの間 の境界の臨界角についてはi=cである。(b) The boundary between 112201 and 2202, i.e. between the membrane layer f and the coating NO For the critical angle of the boundary, i=c.

(c)E+t= (m”+V+ −m’tVr)/ (m”t−m”r)これは 、物理的に下記のように解釈することができる。θ Ifより大きい角度で境界 に入射する電子波は、その境界の反対側の層が無限に厚い場合、全反射される。(c) E+t=(m”+V+-m’tVr)/(m”t-m”r)This is , which can be physically interpreted as follows. Boundary at an angle greater than θ If An incident electron wave will be totally reflected if the layer on the opposite side of the boundary is infinitely thick.

従って、定常状態においては、例えば無限に厚い基板層または無限に厚い被覆層 に入射する膜層からの入射電子流は、膜層中へ反射し返される。ここで興味深い ことには、電子波の運動エネルギーがO以下、すなわち(E−V、)≦0である と、直角入射を含む全ての入射角で全内部反射が起こり得る。これは、屈折率が Oにならないために直角入射での全内部反射が絶対に起らない電磁波の場合とは 異なる。Therefore, in steady state, for example an infinitely thick substrate layer or an infinitely thick coating layer. An incident electron stream from the membrane layer that is incident on the membrane layer is reflected back into the membrane layer. interesting here In particular, the kinetic energy of the electron wave is less than or equal to O, i.e. (EV,)≦0. , total internal reflection can occur at all angles of incidence, including normal incidence. This means that the refractive index is What is the case of electromagnetic waves in which total internal reflection at normal incidence never occurs because it does not become O? different.

・ 図8は、スラブ導波管2100のサブストレート層2200がG a a、  siA 42 o、 +sA Sよりなり、膜@2201がGaAsよりなり 、被覆層がG ao、t。Aβ。3゜Asよりなる場合において、電子の伝搬定 数を総電子エネルギーに対してプロットしたグラフである。無限厚さの媒体の場 合、電子の伝搬(E−V、)’/” /h、ただし、iは基板層S、すなわち層 2200、膜層f、すなわち層2201、及びカバ一層C1すなわち層2202 に各々対応してi=s、f、cである。図8において: (a)曲$1500は、基板層S、すなわち層2200についてす、をプロット した曲線である;(b)曲線501は膜層f、すなわち層2201についてす、 をプロットした曲線である; (c)曲線502はカバ一層C1すなわち@2202についてす、をプロットし たものである。図8に示す曲線500〜502より得られる情報の意味は下記の 通りである。所与の電子エネルギーEに対して、誘導モードの伝搬定数はす、よ り太き(なることはできない、その結果、曲線501の左側の領域600は減衰 モードまたは非物理モードに相当し、この電子導波管における許容誘導モードは 、曲線501の右側になければならない。しかしながら、許容誘導モードは、ジ グザグ角はカバー眉−膜1間境界における臨界角θ′。、及び基板層−膜層間境 界における臨界角θ′、。- In FIG. 8, the substrate layer 2200 of the slab waveguide 2100 is G a a, siA 42 o, +sA S, film @2201 is made of GaAs , the coating layer is G ao,t. Aβ. In the case of 3°As, the electron propagation constant Figure 2 is a graph plotting the number against the total electron energy. field of infinitely thick medium In this case, the electron propagation (E-V,)’/”/h, where i is the substrate layer S, i.e., the layer 2200, a membrane layer f, i.e., layer 2201, and a cover layer C1, i.e., layer 2202. i=s, f, and c, respectively. In Figure 8: (a) The song $1500 is about the substrate layer S, i.e. layer 2200, plotted. (b) The curve 501 is for the film layer f, that is, the layer 2201; is a curve plotted with; (c) The curve 502 is for the cover layer C1, i.e. @2202. It is something that The meaning of the information obtained from the curves 500 to 502 shown in FIG. 8 is as follows. That's right. For a given electron energy E, the propagation constant of the guided mode is As a result, the region 600 to the left of the curve 501 is attenuated. mode or non-physical mode, and the allowable guided modes in this electronic waveguide are , must be on the right side of curve 501. However, the permissible guidance mode is The gzag angle is the critical angle θ' at the boundary between the cover eyebrow and the membrane 1. , and the substrate layer-film layer interface The critical angle θ′ at the field.

より太き(なければならないという条件を満たさなければならない。すなわち、 ジグザグ角及び図8の総エネルギーの範囲はθ>wax [θ ef+ θ′、 f]という条件を満足しなければならない。この結果、許容誘導モードは曲線5 00の左側の領域601内になければならない。The condition that it must be thicker must be met, i.e. The range of zigzag angle and total energy in FIG. 8 is θ>wax [θ ef + θ′, f] must be satisfied. As a result, the allowable induction mode is curve 5 It must be within the area 601 to the left of 00.

次に、本発明のスラブ導波管2100に関連するカットオフ現象について定性的 に説明する。電子の誘導波は電子のエネルギーを減少させることによってカット オフすることができ、このカットオフが起こるエネルギーを下限エネルギー・カ ットオフと称する。Next, we will qualitatively explain the cutoff phenomenon related to the slab waveguide 2100 of the present invention. Explain. Electron guided waves are cut by reducing the electron energy can be cut off, and the energy at which this cutoff occurs is set as the lower limit energy cap. This is called cut-off.

電子波の平面波成分のジグザグ角は、エネルギーの減少につれて減少し、ジグザ ク角θ=0になると、下限エネルギー・カットオフが起こる。誘導モードのv番 目の伝搬定数bv (vば0から始まる整数)は次式によって与久られる: bV−[2♂【(E −v)74211/2sine (56)この結果、下限 エネルギー・カットオフはす、=0の時起こる。この点において、波動函数は膜 層f、すなわち層2201中では正弦函数であり、基板層・S、すなわち層22 00、及びカバ一層C1すなわち層2202中では指数函数的に衰微する。この 意味において、下限エネルギー・カットオフは有限伝導壁を有する中空金属導波 管における電磁波の誘電モードのカットオフに類似している。このような中空金 属導波、管においては、N磁的誘電液の平面波成分は、導波管の境界へ直角入射 する所では前後に反射を繰返す。The zigzag angle of the plane wave component of the electron wave decreases as the energy decreases, and the zigzag angle When the angle θ=0, a lower energy cutoff occurs. Induction mode v number The propagation constant bv of the eye (where v is an integer starting from 0) is given by the following formula: bV-[2♂[(E-v)74211/2sine (56) As a result, the lower limit Energy cutoff occurs when =0. In this respect, the wave function is In the layer f, that is, the layer 2201, it is a sine function, and in the substrate layer S, that is, the layer 22 00 and the cover layer C1, that is, the layer 2202, decays exponentially. this In the sense, the lower energy cutoff is a hollow metal waveguide with finite conducting walls. It is similar to the cutoff of the dielectric mode of electromagnetic waves in a tube. hollow gold like this In waveguides, the plane wave component of the N magnetic dielectric liquid is incident at right angles to the boundary of the waveguide. Wherever it does, it repeats reflections back and forth.

誘導モードの電子エネルギーが増加すると、上限エネルギー・カットオフが起こ る。上限エネルギー・カットオフは下記の3つの形態で起こり得る。(1)基板 層の屈折率がカバ一層の屈折率より大きい場合における電磁波の非対象誘電体導 波管のカットオフに類似した図8の領域602におけるサブストレート・モード に対するカットオフ; (2)基板層とカバ一層の屈折率が等しい電磁非対称誘 電体導波管におけるカットオフに類似した図8の領域603における放射モード に対するカットオフ: (3)カバ一層の屈折率が基板層の屈折率より大きい電 磁非対称誘電体導波管におけるカットオフに類似した被覆モードにおけるカット オフ、本発明のスラブ導波管2100で起こる上限エネルギー・カットオフの種 類は、伝搬定数す、、b、およびbeの交わりによって決まる。詳しく言うと、 b、とOrの交わりは次式で与えれるエネルギーE、tで起こる: Esf ” ’−sVg −”【vf)/(+a”、−♂【) (S))このエ ネルギーの点では、膜層f、すなわち層2201と基板層S、すなわち層220 0の電子波位相屈折率が等しく、このエネルギーになると、本発明のスラブ導波 管2100は、その壁に沿ったすれすれの入射であっても、もはや電子派を誘導 することはできなくなる。このエネルギーE、、は、基板層−膜層間境界の臨海 角θ’、、=90°と等価である。 ゛同様に、bfとbcの交わりは、次式に より与えられるエネルギーE atで起こる: ”cf −(ゞCvC−m”ev、l/(ゞ。−Ill”、 (581このエネ ルギーにおいては、膜層f、すなわち層2201とカバ一層C1すなわち層22 02の電子波位相屈折率が等しい、このエネルギーE ctは、カバー眉−膜眉 間境界の臨海角θ’c、=90°と等価である。As the electron energy of the guided mode increases, an upper energy cutoff occurs. Ru. The upper energy cutoff can occur in three forms: (1) Substrate Asymmetric dielectric conduction of electromagnetic waves when the refractive index of the layer is larger than the refractive index of the single cover layer Substrate mode in region 602 of FIG. 8 similar to the cutoff of a wave tube. (2) Electromagnetic asymmetric conductor with the same refractive index of the substrate layer and the cover layer; Radiation mode in region 603 of FIG. 8 similar to cutoff in electric waveguide Cutoff for: (3) When the refractive index of the cover layer is larger than the refractive index of the substrate layer, Cuts in sheathing modes similar to cutoffs in magnetically asymmetric dielectric waveguides OFF, the type of upper energy cutoff that occurs in the slab waveguide 2100 of the present invention. The class is determined by the intersection of the propagation constants s, b, and be. To be more specific, The intersection of b and Or occurs at energies E and t given by the following equation: Esf ’-sVg -”[vf)/(+a”,-♂[) (S))This E In terms of energy, the film layer f, i.e. layer 2201 and the substrate layer S, i.e. layer 220 When the electron wave phase refractive index of 0 is equal and reaches this energy, the slab waveguide of the present invention Tube 2100 no longer induces electron beams even at grazing incidence along its walls. will no longer be able to do so. This energy E, is the critical energy at the boundary between the substrate layer and the film layer. It is equivalent to the angle θ', ,=90°.゛Similarly, the intersection of bf and bc is given by the following formula Occurs with energy E at given by: “cf -(ゞCvC-m”ev, l/(ゞ.-Ill”, (581 This energy In the Lugi, the membrane layer f, i.e., layer 2201, and the cover layer C1, i.e., layer 22. The electron wave phase refractive index of 02 is equal, this energy Ect is This is equivalent to the critical angle θ'c of the boundary between the two areas, =90°.

同様に、blとbcの交わりは、次式により与えられるエネルギーE C1lで 起こる: このエネルギーにおいては、基板ms、すなわち層2200とカバ一層C1すな わち2202の電子波位相屈折率が等しい。Similarly, the intersection of bl and bc is the energy E C1l given by the following equation. happen: At this energy, the substrate ms, layer 2200 and the cover layer C1 That is, the electron wave phase refractive indexes of 2202 are equal.

゛ 一般に、どの種類の上限エネルギー・カットオフが起こるかは、材料パラメ ータによって決まる。特に、図8に示す実施例においては、曲線500としてプ ロットしたblは曲線502としてプロットしたbeより低いエネルギーで現わ れるので、上限エネルギー・カットオフは基板・モードに対するカットオフであ る。゛ In general, the type of upper energy cutoff that occurs depends on the material parameters. Depends on the data. In particular, in the embodiment shown in FIG. The plotted bl appears at lower energy than the be plotted as curve 502. Therefore, the upper energy cutoff is the cutoff for the substrate mode. Ru.

要するに、電子誘導モードで電子エネルギーが増加すると、ジグザグ角θも増加 する。さらにジグザグ角θが臨界角θ gtに達すると、電子誘導波は、基板層 S、すなわちM2200中で指数函数的に減衰するのではなく、この層中へ屈折 し始める。そして、ジグザグ角θが臨界角θ′1.に等しくなるエネルギーより 大きな電子エネルギーの場合は、電子波は基板層Sと共に膜層f中をも伝わる。In short, when the electron energy increases in the electron induction mode, the zigzag angle θ also increases do. Furthermore, when the zigzag angle θ reaches the critical angle θ gt, the electronic guided wave S, i.e., rather than decaying exponentially in M2200, refraction into this layer Begin to. Then, the zigzag angle θ is the critical angle θ′1. From the energy equal to In the case of large electron energy, the electron wave propagates through the substrate layer S as well as through the film layer f.

この状態を基板・モードと称する。最後に、ジグザグ角が臨界角θ efに達す るよう電子エネルギーをさらに増大させると、電子波はカバ一層C1すなわち層 2202及び基板層S中へ屈折し始める。この点では、電子波は3つの層、すな わち2200〜2202の全ての層中を伝わる状態となり、この状態を放射モー ドと称する。さらに、これとは異なる材料パラメータの組においては、電子エネ ルギーが増加するにつれて、電子波がカバ一層C中に屈折することが起こり得、 その状態を被覆モードを称する。This state is called substrate mode. Finally, the zigzag angle reaches the critical angle θ ef When the electron energy is further increased to 2202 and begins to refract into the substrate layer S. In this respect, electron waves are divided into three layers: In other words, it becomes a state where it propagates through all the layers from 2200 to 2202, and this state is called a radiation mode. It is called de. Furthermore, for a different set of material parameters, the electronic energy As the energy increases, it may occur that the electron waves are refracted into the cover layer C, This state is called coating mode.

以下、本発明のスラブ導波管2100の特定実施例における厚さ及び組成を決定 するのに用いられる方法について説明する。The thickness and composition of a specific embodiment of the slab waveguide 2100 of the present invention are determined below. The methods used to do this are described below.

前に述べたように、層2200〜2202中における電子波の電子波数ベクトル 及び電子波位相屈折率ns(振幅)は前述の方程式(1)及び(2)によって与 えらえる。さらに、2次元(X、、Z、)量子井戸誘導電子波の波動函数は、2 一方向の正弦波従属性を有し、次式により表わされる: UV(x、、z、l+υy (N)axp (j bvzwr (S 101こ こで、bvは誘導モード伝搬定数である。As mentioned earlier, the electronic wave vector of the electron waves in layers 2200-2202 and the electron wave phase refractive index ns (amplitude) are given by equations (1) and (2) above. Select. Furthermore, the wave function of the two-dimensional (X, , Z,) quantum well-induced electron wave is 2 It has a unidirectional sinusoidal dependence and is expressed by: UV(x,,z,l+υy(N)axp(jbvzwr(S101) Here, bv is a guided mode propagation constant.

方程式(S10)を用いると、シュレディンガーの時間位i彼動方程式は下記の ように表わされる:d2tJV(x、l/dx、’ + 12in”イh21[ E、−V(X、l]−b、、’IU、(x、l −0(5111従って、誘導モ ードの場合、基板層、すなわち層2200の波動函数振幅は次式により与えられ る:’vs(Xw’ −4^、sxp (gll〜l (5121膜層f、すな わち層2201の波動函数振幅は次式により与えられる: ’vf(xwl−^tlaxP (j ’ (Kv’+^、axp(−jkfx 、) (5131また、カバ一層C1すなわち層2202の波動函数・ 振幅は 次式により与えらえる: 11vc(〜)−^caXP(−9o[Xv−dll (514まただし、下記 条件を満たすものとする:膜層f、すなわちM2201中の誘導モードの分散方 程式は、U及び(1/m’ )(du/dx)がカバ一層−膜層境界及び基板層 −膜層境界にまたがって連続であるという境界条件を用いることによりめられる 。この膜層fの誘導モードの分散方程式は次式で表わされる:kfd−ヒan  [+q、/m lll/+kf/♂f1まただし、■は整数のモード番号である 。また、誘導電子波をMrで表わすものとする。Using equation (S10), Schrödinger's time position i-dynamic equation is as follows: It is expressed as: d2tJV(x, l/dx,'+12in''ih21[ E, -V(X,l]-b,,'IU,(x,l -0(5111 Therefore, the induction mode For the case of the board, the wave function amplitude of the substrate layer, i.e. layer 2200, is given by: :'vs (Xw' -4^, sxp (gll ~ l (5121 membrane layer f, That is, the wave function amplitude of layer 2201 is given by the following equation: 'vf(xwl-^tlaxP (j') (Kv'+^, axp(-jkfx , ) (5131 Also, the wave function/amplitude of the cover layer C1, that is, the layer 2202 is Given by: 11vc(~)-^caXP(-9o[Xv-dll (514 but below) Assume that the condition is satisfied: How the guided mode is distributed in the film layer f, that is, M2201 The equation is, U and (1/m') (du/dx) are the cover layer-film layer boundary and substrate layer. - Determined by using the boundary condition of continuity across the membrane layer boundary. . The dispersion equation of the guided mode of this film layer f is expressed by the following equation: kfd-Hian [+q, /mllll/+kf/♂f1, where ■ is an integer mode number . Further, the guided electron wave is expressed as Mr.

エネルギーカットオフ 上述したように、導波モードMVに対する下限エネルギーカットオフは、電子エ ネルギーが低下して導波伝搬定数bvが0となり、その結果、モードがもはや伝 搬しないときに生じる。第8図は、これが、スラブ導波管2100の下限カット オフエネルギーを下回る電子エネルギーに対してのみ1.すなわちE<V、の場 合にのみ生じるということを示す。energy cutoff As mentioned above, the lower limit energy cutoff for waveguide mode MV is The energy decreases and the waveguide propagation constant bv becomes 0, so that the mode no longer propagates. Occurs when not transported. Figure 8 shows that this is the lower limit cut of the slab waveguide 2100. 1 only for electron energies below the off-energy. In other words, if E<V, This shows that this occurs only when

下限エネルギーカットオフが生じる際の電子エネルギーばE Le6と定められ 、下限エネルギーカットオフの条件は、by=0を分散式(S16)に代入する ことによって決定される。その結果、下限エネルギーカットオフの条件は、Mv モードに相当するE L+、oをめて下記の超越式を解くことによって決定され る。The electron energy when the lower limit energy cutoff occurs is determined as E Le6. , the lower limit energy cutoff condition is by substituting by=0 into the dispersion equation (S16) Determined by As a result, the lower energy cutoff condition is Mv It is determined by solving the following transcendental equation with E L + and o corresponding to the mode. Ru.

− ”” ” fCvc −”LCo)/lll11c(ELco−vf目1/ 2− vTT (s171エネルギーカットオフ 詳述したように、導−電子波Mvに対する上限エネルギーカットオフは、電子エ ネルギーが増大して全内部反射が例えば基板−腹1間の境界においてもはや生じ ないときに生じることができる。したがって、上限エネルギーカットオフを介し て電子エネルギーが増大するにつれ、電子波は屈折されて基板の中に入る。すな わち、上限エネルギーカットオフを介して電子エネルギーが増大するにつれ、基 板中の電子波動関数振幅は、減衰、すなわち指数函数的に衰微する状態から伝搬 、すなわち正弦状態に変化する。これは、スラブ導波管2100の下限カットオ フエネルギーを上回る電子エネルギーに対してのみ、すなわちE>V、の場合゛ にのみ生じることができる。その結果、モードは基板の中へと「漏れる」のであ る。上限エネルギーカットオフが生じる際の電子エネルギーはE ucaと定め られ、土曜エネルギーカットオ〕の条件は、g、二〇を分散式(S16)に代入 することによって決定される。その結果、基板モードに対してカットオフする上 限エネルギーカットオフの条件は、Mvモードに相当するE ucoをめて下記 の超越式を解くことによって決定される。−”” ” fCvc -”LCo)/lll11c(ELco-vfth 1/ 2- vTT (s171 energy cutoff As explained in detail, the upper limit energy cutoff for the conductive electron wave Mv is The energy increases so that total internal reflection no longer occurs, for example at the substrate-antinode interface. It can occur when there is no Therefore, through the upper energy cutoff As the electron energy increases, the electron wave is refracted and enters the substrate. sand That is, as the electron energy increases through the upper energy cutoff, the fundamental The amplitude of the electronic wave function in the plate propagates from a state where it decays exponentially. , that is, it changes to a sine state. This is the lower cutoff of the slab waveguide 2100. Only for electron energy exceeding the f energy, that is, when E>V, can only occur in As a result, modes “leak” into the substrate. Ru. The electron energy when the upper limit energy cutoff occurs is defined as Euca. The conditions for [Saturday energy cut-off] are as follows: Substituting g, 20 into the dispersion formula (S16) determined by As a result, the upper cutoff for the substrate mode The conditions for the limited energy cutoff are as follows, including E uco, which corresponds to Mv mode. It is determined by solving the transcendental equation.

(2〔♂svs −”evf −’♂5−♂r l EUc。]l d/4モー ドが に われる7、のエネルギー贋組成及びポテンシャルエネルギーを一定と すると、導波管の厚さdが増大するにつれ、すなわちMf又は層2201の厚さ dが増大するにつれ、導波モードMvはまず、エネルギーE=Vsの時点で伝搬 を開始する。このエネルギーは、下限エネルギーカットオフの場合のカットオフ エネルギーの可能な限り高い値及び上限エネルギーカットオフの場合のカットオ フエネルギーの可能な限り低い値に相当する。E=V、を分散式(S16)4こ 代入すると、モードMvが伝搬を開始する際の厚さdが、 d−(4/2+m’、(V、−Vf)] l”(tan [+s 、(VC−V 、l/♂c(vs−Vf) ] ”2+ vnl (SL91として得られる。(2 [♂svs -”evf -’♂5-♂r l EUc.]l d/4 mode Assuming that the energy composition and potential energy of 7, which is Then, as the waveguide thickness d increases, i.e. Mf or the thickness of layer 2201 As d increases, the guided mode Mv first propagates at energy E=Vs. Start. This energy is the cutoff for the lower energy cutoff. Cutoff for the highest possible value of energy and upper energy cutoff corresponds to the lowest possible value of energy. E=V, using the dispersion formula (S16) 4 times By substituting, the thickness d when the mode Mv starts propagating becomes d-(4/2+m', (V, -Vf)] l"(tan [+s), (VC-V , l/♂c(vs-Vf)] 2+vnl (obtained as SL91).

また、V番目のモードを含むモードのみを支援する導波管を製造する厚さの範囲 は、次の式によって得られる。Also, the range of thicknesses that produce waveguides that support only modes that include the Vth mode is obtained by the following formula.

K1* [K2+ VTT]< d< K1会[K2 ÷(v + IITTI  (’201したがって、V=Oとして方程式(S20)を用い、最低モード、 すなわちMoのみが導波されるように層2201の厚さ範囲を決定することがで きる。このことから容易に理解されるように、電磁非対称誘電スラブ導波管につ いては、いかなるモードが伝搬する際にも必要とされる最低のモードが存在する 。K1 * [K2 + VTT] < d < K1 meeting [K2 ÷ (v + IITTI ('201 Therefore, using equation (S20) as V=O, the lowest mode, In other words, the thickness range of the layer 2201 can be determined so that only Mo is guided. Wear. As can be easily understood from this, regarding electromagnetic asymmetric dielectric slab waveguides, There is a minimum mode required for any mode to propagate. .

第8図においては、曲4!2300〜2302は、モード分散曲線、すなわち最 低電子導波モードM0についての伝搬定数b0を、本発明のスラブ導波管210 0の具体的な実施態様についての全電子エネルギーの関数としてプロットしたも のである。具体的には、(a)層2200、すなわち基板層Sは、’cao、  *5Alo、 +sASからなり、すなわちXI =Q、15であり; (b) 層2201、すなわち膜層fは、GaAsからなり、すなわちx、二〇であり;  (C)層2202すなわちカバ一層Cは、Gao、 t。A1゜、。Asから なり。In Figure 8, songs 4!2300-2302 are the mode dispersion curves The propagation constant b0 for the low electron waveguide mode M0 is determined by the slab waveguide 210 of the present invention. Plotted as a function of total electron energy for specific embodiments of It is. Specifically, the (a) layer 2200, that is, the substrate layer S, is composed of 'cao, *5Alo, +sAS, that is, XI = Q, 15; (b) The layer 2201, ie, the film layer f, is made of GaAs, ie, x, 20; (C) Layer 2202, that is, the cover layer C is Gao, t. A1゜. From As Become.

すなわちX。=0.30である。われわれは、A=、0.7331eVとして方 程式(S3)を使用し、伝導帯不連続性がエネルギーギャップ変化の約60%で あるとして、層2200についてはVm=0.115971eV、層2201に ついてはV、=0.0OOOeV、そして層2202については■。That is, X. =0.30. We set A=,0.7331eV. Using equation (S3), we find that the conduction band discontinuity is about 60% of the energy gap change. Assuming that Vm=0.115971eV for layer 2200 and Vm=0.115971eV for layer 2201, For that, V, = 0.000eV, and for layer 2202, ■.

=0.231942eVであると決定した。それに加え、B=O1067及びC =0.083として方程式(S4)を使用して、層2200についてはm0□= 0.07945m、、層2201についてはm”t=0.067mo、そして眉 2202についてはm ” e =0.0919moであると決定した。それに 加え、この実施態様の場合、われわれは眉の成長が[100]方向沿いであると 定め、その結果、導波管2100の材料の各単原子層は0.28267no+の 厚さを有するものとなる。=0.231942eV. In addition, B=O1067 and C Using equation (S4) as =0.083, for layer 2200 m0□= 0.07945m, m”t=0.067mo for layer 2201, and eyebrow For 2202, it was determined that m''e = 0.0919mo. Additionally, in this embodiment, we assume that the eyebrow growth is along the [100] direction. , so that each monoatomic layer of material of waveguide 2100 has 0.28267no+ It becomes thick.

われわれは、方程式(S19)を用い、膜層fか単原子層6枚分の厚さdを有す るときに基本モードM0が伝搬を開始するということを見いだした。さらに、再 び方程式(S 19)を用い、次のモードM、が単原子層31枚の厚さにおいて 伝搬を開始するということを見いだした。その結果、この実施態様の場合、スラ ブ導波管2100は、単原子N5〜30枚の厚さを有するGaAs層2201に 対して単一モード導波管として作用する。第8図に示す曲線2300〜2302 は、膜層fの多様な厚さdについての全電子エネルギーの関数としてのboをめ て分散式(S16)を解いたものである。具体的には、(a)曲線2300は、  GaAsの単原子層10枚の厚さを有する(すなわちd=2.82665nm )膜11f、すなわち層2201に対応し; (b)曲線2301は、GaAs の単原子層20枚の厚さくすなわちd=5.6533nm)に対応し;(c)曲 !2302は、GaAsの単原子層30枚の厚さくすなわちd=8.47995 nm)に対応する。第8図から容易に理解されるように、膜Nf、すなわち層2 201の厚さが増大するにつれ、モード分散曲線2300〜2302は左上限向 に移動する。さらに、膜層fの厚さdが増大するにつれ、下限エネルギーカット オフが低下し、すなわち曲線2301が曲線2300の場合よりも低いエネルギ ーにおいてエネルギー軸と交わり、上限エネルギーカットオフが増大し、すなわ ち曲、!I!2301が曲afA 2300の場合より・も高いエネルギーにお いて曲AIl 500と交わる。単原子1110枚の厚さにおいてさえ、導波モ ード、例えばMoは、いずれのポテンシャル障壁をも上回るエネルギーにおいて 、すなわちE>V、及びE>VCにおいて、伝搬することができる。これは、曲 線2300がvc及びV、のいずれをも上回るエネルギーの地点において曲線5 00と交わるという事実によって理解される。We use equation (S19) to determine that the film layer f has a thickness d equal to six monoatomic layers. It was found that the fundamental mode M0 starts propagating when Furthermore, again Using equation (S19), the following mode M is expressed as follows at a thickness of 31 monoatomic layers: It was discovered that propagation begins. As a result, in this embodiment, the slug The waveguide 2100 is made of a GaAs layer 2201 having a thickness of N5 to 30 monoatomic layers. It acts as a single mode waveguide. Curves 2300 to 2302 shown in FIG. is the value of bo as a function of the total electron energy for various thicknesses d of the film layer f. This is the result of solving the dispersion equation (S16). Specifically, (a) curve 2300 is It has a thickness of 10 monoatomic layers of GaAs (i.e. d=2.82665 nm ) corresponds to the film 11f, that is, the layer 2201; (b) the curve 2301 corresponds to the GaAs (c) curve ! 2302 is the thickness of 30 monoatomic layers of GaAs, that is, d=8.47995 nm). As can be easily understood from FIG. As the thickness of 201 increases, the mode dispersion curves 2300-2302 shift toward the left upper limit. Move to. Furthermore, as the thickness d of the film layer f increases, the lower limit energy cut off is reduced, i.e. curve 2301 has lower energy than curve 2300. intersects the energy axis at -, the upper energy cutoff increases, i.e. Chi song! I! 2301 has a higher energy than the song afA 2300. It intersects with the song AIl 500. Even at a thickness of 1110 single atoms, the waveguide module for example Mo at energies above any potential barrier. , that is, E>V and E>VC, propagation is possible. This is a song At the point where the energy of line 2300 exceeds both vc and V, curve 5 This is understood by the fact that it intersects with 00.

上限エネルギーカットオフのエネルギーE l1co 、すなわち方程式(S1 8)から決定され、第8図のM0曲線2300〜2302と曲線500との交差 点に相当する、基板モードに対するカットオフと、下限エネルギーカットオフの エネルギーELc6、すなわち方程式(S17)から決定され、M0曲線230 0〜2302とエネルギー軸との交差点に相当する、bv=0でのカットオフと の間のエネルギー差異ΔEを、曲線2300〜2302の厚さについて表S−I に掲げる。The energy E l1co of the upper limit energy cutoff, that is, the equation (S1 8), and the intersection of the M0 curves 2300 to 2302 and the curve 500 in FIG. The cutoff for the substrate mode and the lower limit energy cutoff corresponding to the point Energy ELc6, determined from equation (S17), M0 curve 230 The cutoff at bv = 0, which corresponds to the intersection of 0 to 2302 and the energy axis, The energy difference ΔE between Listed below.

江凱皿!ヱl 対称をなす、すなわちVc=V、である本発明のスラブ導波管2100の実施態 様においては、基板分散的!!b、とカバー分散曲線bcとは、基板分散曲線b  @ :[2m、″(E−V、)l””/hであり、カバー分散曲線be=[2 mc責E−VC)] ””/hである地点において一致する。この場合、下限エ ネルギーカットオフは、電子エネルギーが減少して伝搬定数bVが0になる、す なわちbv二〇であるときに再び生じる。これは、電子エネルギーが低い方の障 壁エネルギーを下回る場合、すなわちE<V、=Veの場合にのみ生じることが できる。b v ” Oである場合、ジグザグ角θはまた0に等しく、導波の平 面波成分は前後に反射されて導波管の境界に対して直入射する。Jiang Kai plate! Elle Embodiments of the slab waveguide 2100 of the present invention that are symmetrical, i.e., Vc = V. In this case, the substrate is distributed! ! b, and the cover dispersion curve bc are the substrate dispersion curve b @: [2m, ″(EV,)l″″/h, and the cover dispersion curve be=[2 mc Responsibility E-VC)] ""/h match at a certain point. In this case, the lower limit The energy cutoff is the point at which the electron energy decreases and the propagation constant bV becomes 0. That is, it occurs again when BV20. This is due to the lower electron energy barrier. This can only occur when the wall energy is below, i.e. when E<V, = Ve. can. If b v   O, then the zigzag angle θ is also equal to 0 and the waveguide flat The surface wave component is reflected back and forth and is directly incident on the boundary of the waveguide.

対称的導波管の場合、上限エネルギーカットオフは、エネルギーが増大し、導波 モードが放射モードになるときに生じる。上限エネルギーカットオフにおいては 、全内部反射は、基板−膜間の境界及びカバー−膜間の境界のいずれにおいても 生じない。そして電子波は屈折されて基板層S、すなわち1112200及びカ バ一層C1すなわち層2202のいずれの中にも入る。上限エネルギーカットオ フを介して電子エネルギーが増大するにつれ、基板層S、すなわち層2200及 びカバ一層C1すなわち眉22o2の中の電子波動関数振幅は、減衰状態から伝 搬状態に変化する。これは、電子エネルギーが障壁エネルギーを上回る場合、す なわちE>V、=Vcの場合にのみ生じることができる。g、:gc=Qの場合 、モードは基板・層S、すなわち層2200及びカバーNc、すなわち層220 2の中に漏れる。これは、対称的誘電スラブ導波管中の電磁導波モードのカット オフに類似している。この種のカットオフは、ジグザグ角が基板−膜間の臨界角 及びカバー−膜間の臨界角の両方と同時に等しくなったときに生じる。For symmetric waveguides, the upper energy cutoff means that the energy increases and the waveguide This occurs when the mode becomes a radiation mode. At the upper energy cutoff , total internal reflection occurs at both the substrate-film interface and the cover-film interface. Does not occur. Then, the electron wave is refracted to the substrate layer S, that is, the 1112200 and the 2202. Upper limit energy cutoff As the electron energy increases through the substrate layer S, i.e. layers 2200 and The amplitude of the electronic wave function in the layer C1 of the cover 22o2 changes from the attenuated state. Changes to transport state. This is true if the electron energy exceeds the barrier energy. That is, it can only occur if E>V, =Vc. g,: If gc=Q , the mode is substrate/layer S, i.e., layer 2200 and cover Nc, i.e., layer 220. It leaks into 2. This is the cutting of electromagnetic waveguide modes in symmetric dielectric slab waveguides. Similar to off. For this type of cutoff, the zigzag angle is the critical angle between the substrate and the film. and the critical angle between the cover and the membrane are both simultaneously equal.

電子導波MVは、電子エネルギーE=V、=Vcの場合に初めて現われる。この 結果、電子導波M、は、膜層f、すなわち層2201の厚さdの値が、d −m TT/+2m”(+vs−Vf) ]1/2(S21)にまで増大したときに初 めて伝搬を開始する。Electron guided wave MV appears for the first time when electron energy E=V,=Vc. this As a result, the electron waveguide M is such that the thickness d of the film layer f, that is, the layer 2201, is d - m TT/+2m” (+vs-Vf)] 1/2 (S21) and start propagation.

また、方程式(S20)から、最低オーダ、すなわちv=0であるモード■。の みを支援する導波管を製造する厚さの範囲は、次の式によって得られる。Also, from equation (S20), mode ■ is the lowest order, that is, v=0. of The range of thicknesses in which to fabricate waveguides that support waveguides is given by the equation:

o < a </+■/(2m”、(vs−Vfll”/2 (szz)方程式 (S22)から理解することができるように、対称的電子スラブ導波管は、最低 オーダのモードが伝搬するために必要とされる最低厚さが存在しない、すなわち 、いかなる厚さもM0モードを支援するという点において、t6ii対称スラブ 導波管に類似している。しかし、非常に薄い電子スラブ導波管の場合、波動関数 の指数函数的に衰微する末尾は、基板層及びカバ一層の中のはるか奥まで伸びる かもしれない。o < a </+■/(2m”, (vs-Vfll”/2 (szz) equation As can be understood from (S22), the symmetric electron slab waveguide has a minimum There is no minimum thickness required for a mode of the order to propagate, i.e. , t6ii symmetric slab in that any thickness supports the M0 mode. Similar to a waveguide. However, for very thin electron slab waveguides, the wavefunction The exponentially decaying tail extends far into the substrate and cover layers. Maybe.

第9図は、単原子層10枚の厚さのGaAs膜層f、すなわち層2201のM。FIG. 9 shows a GaAs film layer f having a thickness of 10 monoatomic layers, that is, M of layer 2201.

モードについての波動関数Uvを多様な電子エネルギーについて図式的に示すも のである。図中、曲線401は、(a)b=oカットオ電子エネルギーy、<E X <Veに対応し; (C)電子エネルギーVe<Ej <Eue、に対応し ; (d)電子エネルギーE 4 ” E U c oに対応し;そして(e) 電子エネルギーE、>Eucoに対応する1曲線401〜404は、これらの範 囲の電子エネルギーにおける導波モードの挙動を表し、曲線405は、上限カッ トオフエネルギーを上回るエネルギーについての波動関数を示して基板モードの 挙動を表す。The wave function Uv for the mode is shown diagrammatically for various electron energies. It is. In the figure, a curve 401 shows (a) b=o cutoff electron energy y, <E Corresponds to X<Ve; (C) Corresponds to electron energy Ve<Ej<Eue. ; (d) corresponds to the electron energy E 4” E U c o; and (e) One curve 401 to 404 corresponding to electron energy E, >Euco falls within these ranges. The curve 405 represents the behavior of the waveguide mode at an electron energy of Show the wave function for energies above the to-off energy to determine the substrate mode. Represents behavior.

明らかにも、当業者は、本発明の教示から逸脱することなく、本発明のさらなる 実施態様を成し得るということを認識する。例えば、電子スラブ導波管だけでな く、正孔スラブ導波管を提供することも本発明の精神の範囲内である。Obviously, those skilled in the art will appreciate that further modifications of the invention can be made without departing from the teachings of the invention. It is recognized that implementations may vary. For example, not only electronic slab waveguides It is also within the spirit of the invention to provide a hole slab waveguide.

専門用語については、ポテンシャル障壁を上回る電子エネルギーという場合、第 7図に示す伝導帯を超えるエネルギーを指すということが当業者には明白である はずである。さらに、正孔についての同様な言及が価電子帯を下回るエネルギー を指すということが画業・者には明白であるはずである。Regarding technical terminology, when we talk about electron energy exceeding the potential barrier, It is clear to those skilled in the art that this refers to energy exceeding the conduction band shown in Figure 7. It should be. Furthermore, a similar mention of holes can be found at energies below the valence band. It should be obvious to those in the painting industry that this refers to

さらに、電子及び/又は正孔をスラブ導波管の膜層中に注入する方法は当業者に 周知である。Additionally, methods for injecting electrons and/or holes into the membrane layers of a slab waveguide are within the skill of those skilled in the art. It is well known.

またさらに、本発明の実施態様は、膜層がほぼ弾道状の材料からなり、基板層及 び/又はカバ一層がそうではないように構成してもよいということが当業者に明 白となるはずである。しかし、そのような実施態様においては、基板層及び/又 はカバ一層のドーピングを小程度にし、これらの層における損失がドーピングに よって過剰にならないようにすることが有利である、う。Still further, embodiments of the present invention provide a method in which the membrane layer is comprised of a substantially ballistic material, and the substrate layer and It will be clear to those skilled in the art that the cover layer and/or cover layer may be configured otherwise. It should be white. However, in such embodiments, the substrate layer and/or The doping of the cover layers is small, and the losses in these layers account for the doping. Therefore, it is advantageous to avoid overdoing it.

さらにまた、基板層の厚さ及びカバ一層の厚さは、実質的にいかなる数値であっ てもよいということが当業者には明白となるはずである。しかし、実際には、こ れらの贋の厚さは、膜層中の導波の指数の上の末尾を支援するに十分な大きさで なければならない0通常そのような厚さは、膜層の厚さよりもかなり薄いもので あり、一般には、基板層及び/又はカバ一層を構成する材料の単原子層を数枚合 わせた程度であろう。実際には、基板層は通常、その上で成長するか、その上に 沈積される膜よりもかなり厚いため、基板層の厚さは関係しないものである。物 理的には、これらの必要条件は、膜層中の導波が1例えばカバー1の上に境界が 存在することを「感知」することはないという必要条件を定めるものとして理解 される。Furthermore, the thickness of the substrate layer and the thickness of the cover layer can be substantially any numerical value. It should be clear to those skilled in the art that this may be the case. However, in reality, this The thickness of these fakes is large enough to support the upper tail of the waveguiding index in the membrane layer. Normally such thickness will be much less than the thickness of the membrane layer. Generally, several monoatomic layers of the material constituting the substrate layer and/or cover layer are combined. It's probably just a little bit. In practice, the substrate layer is typically grown on or The thickness of the substrate layer is not relevant since it is significantly thicker than the film being deposited. thing In theory, these requirements mean that the waveguiding in the membrane layer 1 has a boundary on top of the cover 1, for example. Understood as establishing the necessary condition that the existence cannot be "sensed" be done.

最後に、hはブランク定数であり、hはブランク定数を2πで割ったものであり 、本発明の実施態様を構成することに使用される適当な固定材料には、半導体材 料、例えば(限定はされない)、とりわけm−V族元素及び■〜■族元素の2成 分系、3成分系及び4成分系の組成物があるということが当業者に明白となるは ずである。Finally, h is the blank constant, and h is the blank constant divided by 2π. , suitable fastening materials used in constructing embodiments of the present invention include semiconductor materials. materials, such as (but not limited to) binary compounds of group m-V elements and group elements It will be obvious to those skilled in the art that there are split, three-component and four-component compositions. It is.

屈折率 厚さくAl 入力域 1.00 ・ 区域1(旧 4.00 625.000区域2 (Ll 1.35 1851. 852区域3 (L’l 1.83 1366.120出力域 1.00 ・ 運動エネルギー(eVl 厚さfAl 入力域 0.015037 区域l(旧区域 0.240592 6.25000区域2 fLl o。02 7405 18.51852区域3 fL’l 0.050357 13.66 120出力域 0.015037 に皿 0、+40 0.0015 0.2902 0.3923 0.4513 0. 48980.145 0.0278 0.2996 0.4004 0.458 8 0.49700.150 0.0502 0.3088 G、4084 0 .4663 0.50420.160 0.08g5 0.3272 0.42 44 0.4813 0.51870.165 0.1057 0.3363  0.4324 0.4888 0.52590.170 0.1219 0.3 453 0.4403 0.4963 0.53310.175 0.1373  0.3543 0.4482 0.5037 0.54030.180 0. 1520 0.3632 0.4561 0.5112 0.54750.18 5 0.1662 0.3721 0.4640 0.5186 0.5547 ・ 0.190 0.1800 0.3809 0.4718 0.5260  0.56190.195 0.1933 0.3897 0.4797 0.5 334 0.56900.200 0.2063 0.3984 0.4875  0.5408 0.5762表B−A I H0770,22220,17180,08542L 7 16 9 0. 4151 0.32G9 0.10153 H’ 16 23 7 0.266 3 0.2059 0.08914 L 23 32 9 0.4493 0. 3473 0.10435 HH3244120,06390,0494ロ、0 7236 L 44 52 8 0.4364 0.3374 0.10327  H525860,14420,11150,07908L 58 65 7  0.3748 0.2898 0.09!l119 H657160,1951 0,15080,0832及jユニ上 導波管膜厚さくGaAs1 d (nm) 2.8267 5.6533 8.4800d(単原子層) 1 0 20 30 付」L工 以下の記述は、電磁光学波デバイスの設計を、ソリッドステート量子力学的電子 波デバイスの設計の中に写像する方法を説明する。Refractive index Thick Al Input range 1.00・ Area 1 (formerly 4.00 625.000 Area 2 (Ll 1.35 1851. 852 area 3 (L’l 1.83 1366.120 output area 1.00・ Kinetic energy (eVl thickness fAl Input area 0.015037 Area l (old area 0.240592 6.25000 area 2 fLl o.02 7405 18.51852 Area 3 fL’l 0.050357 13.66 120 output range 0.015037 on a plate 0, +40 0.0015 0.2902 0.3923 0.4513 0. 48980.145 0.0278 0.2996 0.4004 0.458 8 0.49700.150 0.0502 0.3088 G, 4084 0 .. 4663 0.50420.160 0.08g5 0.3272 0.42 44 0.4813 0.51870.165 0.1057 0.3363 0.4324 0.4888 0.52590.170 0.1219 0.3 453 0.4403 0.4963 0.53310.175 0.1373 0.3543 0.4482 0.5037 0.54030.180 0. 1520 0.3632 0.4561 0.5112 0.54750.18 5 0.1662 0.3721 0.4640 0.5186 0.5547 ・0.190 0.1800 0.3809 0.4718 0.5260 0.56190.195 0.1933 0.3897 0.4797 0.5 334 0.56900.200 0.2063 0.3984 0.4875 0.5408 0.5762 Table B-A I H0770, 22220, 17180, 08542L 7 16 9 0. 4151 0.32G9 0.10153 H’ 16 23 7 0.266 3 0.2059 0.08914 L 23 32 9 0.4493 0. 3473 0.10435 HH3244120,06390,0494ro, 0 7236 L 44 52 8 0.4364 0.3374 0.10327 H525860, 14420, 11150, 07908L 58 65 7 0.3748 0.2898 0.09! l119 H657160, 1951 0,15080,0832 and juni top Waveguide film thickness: GaAs1 d (nm) 2.8267 5.6533 8.4800d (monoatomic layer) 1 0 20 30 With "L" The following description describes the design of electromagnetic-optical wave devices using solid-state quantum mechanical electronics. We explain how to map waves into the design of devices.

上述した量子力学的電子波と電磁光学波との間で本発明の写像を使用して、本発 明にしたがって、電磁気法で使用される技術、特に、当業者には周知である連鎖 行列設計法を干渉フィルタなどのデバイスを設計することに直接適用することに より、多数の境界からなるソリッドステート超格子系を決定することができる。The present invention uses the mapping of the present invention between the quantum mechanical electron wave and the electromagnetic optical wave described above. According to the description, the techniques used in electromagnetic methods, in particular the chain Directly applying matrix design methods to designing devices such as interference filters Therefore, a solid-state superlattice system consisting of many boundaries can be determined.

これを行なう方法は以下に記すとおりである6M枚の層からなる固体超格子構造 を想定する。この固体超格子構造は、その−面において、層Oとして表す入力媒 体と境界を接し、もう−面においては、層M+1として表す出力媒体と境界を接 している。超格子のM−1層においては、正の方向に移動し、層mに入射する電 子波の振幅をUll、と定める1M−1層においては、負の方向に移動し、層m から反射される電子波の振幅をU r、aと定める。これらの複合波振幅は、層 mと層M+1との境界に入射し、そこから反射される相当する振幅U 1.Ml l及びU7.ワ、lとして、次のように表すこともできる。The method for doing this is described below using a solid superlattice structure consisting of 6M layers. Assume that This solid superlattice structure has an input medium, denoted as layer O, in its -plane. The other side is bounded by the output medium represented as layer M+1. are doing. In the M-1 layer of the superlattice, the electric current moving in the positive direction and incident on layer m In the 1M-1 layer where the amplitude of the child wave is defined as Ull, it moves in the negative direction and the layer m The amplitude of the electron wave reflected from is defined as Ur,a. These complex wave amplitudes are The corresponding amplitude U1.m incident on the boundary of layer M+1 and reflected from there. Ml l and U7. It can also be expressed as follows as w and l.

(へニー1): ただし、to、は層m−1と層mとの境界面の振幅透過率であり、ra、r−は 該境界面の振幅反射率であり、1(0,は層n1中の電子波数ベクトルの大きさ であり、d、は層「nの厚さであり、@7は層m中の波数ベタ1−ル方向の角度 である0M枚の層からなる超格子の場合出力FjM+1中の全正規化透過電子波 振幅U t、Mll及び人力層O中の全正規化反射電子波振幅U r、oは、M 枚の層のそれぞれ及び出力層の一つについて式AI−1のMll形の和をすべて 連鎖乗算することによってめられる。結果は次のとおりである。(Henny 1): However, to, is the amplitude transmittance of the interface between layer m-1 and layer m, and ra, r- are is the amplitude reflectance of the boundary surface, 1 (0, is the magnitude of the electron wave vector in layer n1 , d is the thickness of layer n, and @7 is the angle in the wavenumber bevel direction in layer m. In the case of a superlattice consisting of 0M layers, the total normalized transmitted electron wave in the output FjM+1 is The amplitude U t, Mll and the total normalized reflected electron wave amplitude U r, o in the human layer O are M For each of the layers and one of the output layers, all the sums of the Mll form of equation AI-1 are It is determined by chain multiplication. The results are as follows.

そして、これを直接解き、電子波振幅透過率U t、v*1及び電子波振幅反射 率tJr、oをめることができる。Then, solve this directly and calculate the electron wave amplitude transmittance Ut, v*1 and the electron wave amplitude reflection. The rate tJr,o can be calculated.

° 式Ar−1及びAI−2の形態の式は、薄膜光学塗膜及びフィルタの設計に 長年にわたって広く使用されてきた。処理されるタイプのデバイスであって、そ のための設Δlが幅広く存在するものには、 (些、域フィルタ、高域フィルタ 、ノツチフィルタ(狭帯域及び広帯域)、インピーダンス変成器(反射防止塗膜 )及び高反射率面(誘電性鏡)がある。° Formulas in the form of formulas Ar-1 and AI-2 are useful in the design of thin optical coatings and filters. It has been widely used for many years. The type of device being processed and If there is a wide range of settings Δl for , notch filters (narrowband and wideband), impedance transformers (anti-reflection coating) ) and high reflectivity surfaces (dielectric mirrors).

電子超格子干渉フィルタ 電子運動エネルギーj−v(eV) FIG、 5 出力運動エネルギー ρτノ。、/ /eV)距@ x、(nm) FIG、 9 伝比定数 7nmノ 国際調査報告 ll11#+−+IIA師−−−−にズlδ891052りElectronic superlattice interference filter Electron kinetic energy j-v (eV) FIG. 5 Output kinetic energy ρτノ. , / / eV) distance @ x, (nm) FIG.9 Transfer constant 7nm international search report ll11#+-+IIA teacher----Nizlδ891052

Claims (41)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.超格子構造を含む電子波半導体デバイスであって、 該超格子構造が、超格子のボテンシャルエネルギー障壁を上回るエネルギーをも って電子がほぼ弾道状に移動することを支援することを特徴とするデバイス。1. An electronic wave semiconductor device including a superlattice structure, The superlattice structure also has energy exceeding the potential energy barrier of the superlattice. A device that supports electrons to move almost ballistically. 2.超格子構造が、超格子のボテンシャルエネルギー障壁を上回る運動エネルギ ーを有する電子に対して運動エネルギー選択性を示す請求の範囲第1項記載のデ バイス。2. The superlattice structure has a kinetic energy that exceeds the potential energy barrier of the superlattice. The device according to claim 1, which exhibits kinetic energy selectivity for electrons having Vice. 3.超格子構造が、超格子のボテンシャルエネルギー障壁を上回る運動エネルギ ーを有する電子に対して所定の透過率及び反射率を示す請求の範囲第1項記載の デバイス。3. The superlattice structure has a kinetic energy that exceeds the potential energy barrier of the superlattice. The method according to claim 1, which exhibits a predetermined transmittance and reflectance for electrons having - device. 4.所定の透過率及び反射率を有する超格子構造の材料の各層の厚さ及び組成が 、光学波薄膜デバイス中の電磁光学波に対して所定の透過率及び反射率を示す、 誘電材料からなる光学波薄膜デバイスとの類似によって決定される請求の範囲第 3項記載のデバイス。4. The thickness and composition of each layer of superlattice-structured material with predetermined transmittance and reflectance are , exhibiting predetermined transmittance and reflectance for electromagnetic optical waves in the optical wave thin film device; Claim No. 1 determined by analogy with optical wave thin film devices made of dielectric materials. The device according to item 3. 5.超格子構造が、半導体材料の多数の層を所定に構成したものであって、その 各層がその層の材料中の電子波4分の1波長の所定数にほぼ等しい厚さを有する ものを含む請求の範囲第3項記載のデバイス。5. A superlattice structure is a predetermined arrangement of many layers of semiconductor material; Each layer has a thickness approximately equal to a predetermined number of quarter wavelengths of electron waves in the material of that layer. 4. A device according to claim 3, comprising: 6.超格子構造が、 第一の半導体材料の多数の層であって、その各層がその材料中の電子波4分の1 波長の所定数分にほぼ等しい厚さを有するものと、 第二の半導体材料の多数の層であって、その各層がその材料中の電子波4分の1 波長の所定数分にほぼ等しい厚さを有するものと を所定に構成したものを含む請求の範囲第5項記載のデバイス。6. The superlattice structure is a plurality of layers of a first semiconductor material, each layer containing one quarter of the electron wave in the material; having a thickness approximately equal to a predetermined number of wavelengths; a number of layers of a second semiconductor material, each layer containing one quarter of the electron wave in the material; having a thickness approximately equal to a predetermined number of wavelengths; 6. The device according to claim 5, comprising a predetermined configuration. 7.半導体材料が、2成分系、3成分系又は4成分系の半導体組成物である請求 の範囲第5項記載のデバイス。7. Claims that the semiconductor material is a two-component, three-component, or four-component semiconductor composition The device according to item 5. 8.超格子構造が、所定の高さの伝導帯を有する半導体材料によって包囲されて いる請求の範囲第5項記載のデバイス。8. A superlattice structure is surrounded by a semiconductor material with a conduction band of a predetermined height. 6. The device according to claim 5. 9.電子を導波するための、半導体層を含む電子波半導体デバイスであって、 半導体層が、その超格子のボテンシャルエネルギー障壁を上回るエネルギーをも って電子がほぼ弾道状に移動することを支援し、電子を完全に反射する少なくと も一つの超格子構造によって包囲されていることを特徴とするデバイス。9. An electronic wave semiconductor device comprising a semiconductor layer for waveguiding electrons, the device comprising: The semiconductor layer also has energy that exceeds the potential energy barrier of its superlattice. at least one that completely reflects the electrons. A device characterized in that a superlattice structure is also surrounded by one superlattice structure. 10.超格子のボテンシャルエネルギー障壁を上回るエネルギーをもって電子が ほぼ弾道状に移動することを支援する超格子構造を含む電子波半導体デバイスを 製造するための、 所定数の半導体材料の層からなるエピタキシャル超格子構造を形成する段階を含 む製法であって、パラメータが光学設計法にしたがって決定される電磁光学波デ バイス設計を利用して、光学位相の屈折率を、電子運動エネルギーと電子有効質 量の積の平方根に比例する位相量についての第一の固体屈折率の中に写像し、光 学振幅の屈折率を、電子運動エネルギーを電子有効質量で割ったものの平方根に 比例する振幅量についての第二の固体屈折率の中に写像することによって光学デ バイス設計のパラメータを超格子構造の各層の厚さ及び組成へと変換することに より、各層の厚さ及び組成を選択することを特徴とする方法。10. Electrons with energy exceeding the potential energy barrier of the superlattice An electronic wave semiconductor device containing a superlattice structure that supports near-ballistic movement for manufacturing, forming an epitaxial superlattice structure consisting of a predetermined number of layers of semiconductor material; A manufacturing method that uses electromagnetic optical wave design, the parameters of which are determined according to an optical design method. By using a vise design, the refractive index of the optical phase can be adjusted to the electron kinetic energy and electron effective quality. Mapping into the first solid refractive index for a phase quantity proportional to the square root of the product of the quantities, the light The refractive index of the optical amplitude is the square root of the electron kinetic energy divided by the electron effective mass. Optical data by mapping into a second solid refractive index for proportional amplitude quantities. Converting the device design parameters into the thickness and composition of each layer of the superlattice structure A method characterized by selecting the thickness and composition of each layer. 11.変換によって得られる少なくとも1つの厚さが層の材料の単層の厚さの整 数とほぼ等しくなるまで、その厚さを電子波4分の1波長の奇数整数倍において 変更する請求の範囲第10項記載の方法。11. At least one thickness obtained by the transformation is an adjustment of the thickness of a monolayer of the material of the layer. The thickness is multiplied by an odd integer multiple of the quarter wavelength of the electron wave until it becomes approximately equal to the number. 11. The method according to claim 10, wherein the method is modified. 12.直接バンドギャップ材料組成物を得るために、少なくとも1つの組成を変 更する請求の範囲第10項記載の方法。12. At least one composition is changed to obtain a direct bandgap material composition. 11. The method of claim 10 further comprising: 13.超格子構造が第1の材料A1−xBxC及び第2の材料A1−yByCか らなり、 材料中の伝導帯の高さがx及びyにほぼ正比例し、すなわちそれぞれV1=Ax 及びV2=Ayであり;材料中の有効電子質量がx及びyにほぼ線状に関係し、 すなわちそれぞれm*1=(B+Cxi)m0及びm*1=(B+CXi)m0 であり; X及びyを以下の方程式 ▲数式、化学式、表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ (ただし、Epは、超格子に入射する電子のエネルギーであり、hはブランク定 数であり、m0は自由電子質量であり、r1及びr2は、単原子層の厚さの整数 倍でなければならない超格子層の厚さであり、q1及びq2がそれぞれ1から始 まる整数である場合、d1=P1r1及びd2=p2r2である)の平方根から 決定する請求の範囲第10項記数の方法。13. Is the superlattice structure of the first material A1-xBxC and the second material A1-yByC? Ranari, The height of the conduction band in the material is approximately directly proportional to x and y, i.e. V1 = Ax and V2=Ay; the effective electron mass in the material is approximately linearly related to x and y; That is, m*1=(B+Cxi)m0 and m*1=(B+CXi)m0, respectively. And; Let X and y be the following equation ▲Contains mathematical formulas, chemical formulas, tables, etc.▼ ▲Contains mathematical formulas, chemical formulas, tables, etc.▼ (However, Ep is the energy of the electron incident on the superlattice, and h is the blank constant. where m0 is the free electron mass and r1 and r2 are integers of the monolayer thickness. is the thickness of the superlattice layer that must be doubled, and q1 and q2 each start from 1. If it is a whole integer, then d1=P1r1 and d2=p2r2) from the square root of The method of claim 10 for determining. 14.超格子構造を含む正孔波半導体デバイスであって、 超格子構造が、超格子のボテンシャルエネルギー障壁を上回るエネルギーをもっ て正孔がほぼ弾道状に移動することを支援することを特徴とするデバイス。14. A hole wave semiconductor device including a superlattice structure, The superlattice structure has energy exceeding the potential energy barrier of the superlattice. A device characterized in that it assists holes to move almost ballistically. 15.所定のバイアスボテンシャルエネルギーを超格子構造に印加して所定の運 動エネルギーの電子をろ波する手段をさらに含む請求の範囲第1項記載のデバイ ス。15. A predetermined behavior is achieved by applying a predetermined bias potential energy to the superlattice structure. The device of claim 1 further comprising means for filtering dynamically energetic electrons. vinegar. 16.超格子構造が、半導体材料の多数の層を所定に構成したものあって、その 各層がバイアス下にあるその層の材料中の電子波4分の1波長の所定数にほぼ等 しい厚さを有するものを含む請求の範囲第15項記載のデバイス。16. A superlattice structure is a structure made up of many layers of semiconductor material in a predetermined manner. Each layer is approximately equal to a predetermined number of quarter wavelengths of electron waves in the material of that layer under bias. 16. The device of claim 15, including one having a new thickness. 17.超格子構造が第1の反射体、スペーサ及び第2の反反射体を含み: 第1の反射体が、所定数の層の対であって、各層がバイアス下の層の材料中の電 子波4分の1波長の所定数分にほぼ等しい厚さを有するものを含み;スペーサが 、バイアス下の層を構成する材料中の電子波4分の1波長の所定数分にほぼ等し い厚さを有する層を含み; 第2の反射体が、所定数の層の対であって、各層がバイアス下の層の材料中の電 子波4分の1波長の所定数分にほぼ等しい厚さを有するものを含む請求の範囲第 16記載のデバイス。17. The superlattice structure includes a first reflector, a spacer and a second anti-reflector: The first reflector comprises a predetermined number of layer pairs, each layer being under a bias to Including those having a thickness approximately equal to a predetermined number of quarter wavelengths of the subwave; , approximately equal to a predetermined number of quarter wavelengths of electron waves in the material constituting the layer under bias. comprising a layer having a large thickness; The second reflector comprises a predetermined number of layer pairs, each layer being biased to Claim No. 1 having a thickness approximately equal to a predetermined number of quarter wavelengths of subwaves 16. The device according to 16. 18.第1の反射体の各対の層が異なる電子波振幅屈折率を示し、 第2の反射体の各対の層が異なる電子波振幅屈折率を示す請求の範囲第17項記 載のデバイス。18. each pair of layers of the first reflector exhibits a different electron wave amplitude refractive index; Claim 17: Each pair of layers of the second reflector has a different electron wave amplitude refractive index. device. 19.デバイスの第1端からデバイスの第2端に進むにつれ、より高い屈折率の 層により低い屈折率の層が続くように第1の反射体の各対の層における層が構成 され; 第1端から第2端に進むにつれ、より低い屈折率の層により高い屈折率の層が続 くように第2の反射体の各対の層における層が構成され; スペーサがより高い屈折率の層からなる請求の範囲第18項記載のデバイス。19. As we proceed from the first end of the device to the second end of the device, the The layers in each pair of layers of the first reflector are configured such that the layer is followed by a layer of lower refractive index. is; As we proceed from the first end to the second end, lower refractive index layers are followed by higher refractive index layers. The layers in each pair of layers of the second reflector are configured such that; 19. The device of claim 18, wherein the spacer comprises a higher refractive index layer. 20.デバイスの第1端からデバイスの第2端に進むにつれ、より低い屈折率の 層により高い屈折率の層が続くように第1の反射体の各対の層における層が構成 され; 第1端から第2端に進むにつれ、より高い屈折率の層により低い屈折率の層が続 くように第2の反射体の各対の層における層が構成され; スペーサがより低い屈折率の層からなり;第1のより高い屈折率の層が第1の反 射体の前に配置され、第2のより高い屈折率の層が第2の反射体の後に配置され ている請求の範囲第18項記載のデバイス。20. As we proceed from the first end of the device to the second end of the device, the lower refractive index The layers in each pair of layers of the first reflector are configured such that the layer is followed by a layer of higher refractive index. is; As we proceed from the first end to the second end, higher refractive index layers are followed by lower refractive index layers. The layers in each pair of layers of the second reflector are configured such that; the spacer comprises a lower refractive index layer; a first higher refractive index layer a second higher refractive index layer is placed in front of the projector and a second higher refractive index layer is placed after the second reflector. 19. The device of claim 18, wherein: 21.超格子構造が第1の半導体材料及び第2の半導体材料からなり、 超格子構造が所定の高さの伝導帯を有する半導体材料によって包囲されている請 求の範囲第15項記載のデバイス。21. the superlattice structure consists of a first semiconductor material and a second semiconductor material, A superlattice structure is surrounded by a semiconductor material with a conduction band of a given height. The device according to claim 15. 22.第1及び第2の半導体材料がIII〜V族元素又はII〜VI族元素の2 成分系、3成分系又は4成分系の半導体組成物である請求の範囲第21項記載の デバイス。22. The first and second semiconductor materials are group III to V elements or group II to VI elements. Claim 21, which is a component-based, ternary-component, or quaternary-component semiconductor composition device. 23.超格子構造の層が高電子屈折率の層と低電子屈折率の層とを交互に含み、 各層がバイアス下の層の材料中の電子波4分の1波長の所定数分にほぼ等しい厚 さを有し; 超格子構造の量子井戸障壁の幅が電子放出の方向においてあらかじめ定められて 所定の運動エネルギーをろ波する請求の範囲第15項記載のデバイス。23. The layers of the superlattice structure alternately include layers with a high electronic refractive index and layers with a low electronic refractive index, Each layer has a thickness approximately equal to a predetermined number of quarter wavelengths of electron waves in the material of the layer under bias. Has a certain quality; The width of the quantum well barrier in the superlattice structure is predetermined in the direction of electron emission. 16. The device of claim 15 for filtering predetermined kinetic energy. 24.所定のバイアスボテンシャルエネルギーを超格子構造に印加して所定の運 動エネルギーの電子をろ波する手段をさらに含む請求の範囲第15項記載のデバ イス。24. A predetermined behavior is achieved by applying a predetermined bias potential energy to the superlattice structure. 16. The device of claim 15 further comprising means for filtering dynamic energy electrons. chair. 25.超格子のボテンシャルエネルギー障壁を上回るエネルギーをもって電子が ほぼ弾道状に移動することを支援する超格子構造を含むバイアス式電子波半導体 フィルタ/エミッタを製造するための、所定数の半導体材料の層からなるエピタ キシャル超格子構造を形成する段階を含む製法であって、パラメータが光学設計 法にしたがって決定される電磁光学波デバイス設計を初期の推定として利用する 反復方法にしたがって、光学位相の屈折率を、電子運動エネルギーと電子有効質 量の積の平方根に比例する位相量についての第1の固体屈折率の中に写像し、光 学振幅の屈折率を、電子運動エネルギーを電子有効質量で割ったものの平方根に 比例する振幅量についての第2の固体屈折率の中に写像することによって光学デ バイス設計のパラメータを超格子構造の各層の厚さ及び組成へと変換することに より、各層の厚さ及び組成を決定することを特徴とする方法。25. Electrons with energy exceeding the potential energy barrier of the superlattice Biased electronic wave semiconductor containing a superlattice structure that supports near-ballistic movement Epitaphrase consisting of a predetermined number of layers of semiconductor material for producing filters/emitters The manufacturing method includes a step of forming a axial superlattice structure, and the parameters are based on optical design. Use the electromagnetic optical wave device design determined according to the law as an initial estimate According to the iterative method, the refractive index of the optical phase can be expressed as the electron kinetic energy and the electron effective quality. The light is mapped into the first solid refractive index for a phase quantity proportional to the square root of the product of the quantities. The refractive index of the optical amplitude is the square root of the electron kinetic energy divided by the electron effective mass. Optical data by mapping into a second solid refractive index for proportional amplitude quantities. Converting the device design parameters into the thickness and composition of each layer of the superlattice structure A method characterized in that determining the thickness and composition of each layer. 26.反復方法が、バイアスの下の超格子構造の少なくとも1つの層の波長を反 復の各段階で測定し、その層の材料の単原子層の厚さの整数にほぼ一致するバイ アス下の層の厚さを求めることにより、その超格子構造の厚さを決定することを さらに含む請求の範囲第25項記載の方法。26. The iterative method reflects the wavelength of at least one layer of the superlattice structure under a bias. At each step of the process, we measure a bilayer that approximately corresponds to an integer monolayer thickness of the material in that layer. The thickness of the superlattice structure can be determined by determining the thickness of the layer under the ass. 26. The method of claim 25, further comprising: 27.反復方法が、少なくとも1つの厚さが層の材料の単層の厚さの整数とほぼ 一致するまで、その厚さを4分の1波長の奇数整数倍において変更することをさ らに含む請求の範囲第26項記載の方法。27. The iterative method is such that the thickness of at least one layer is approximately an integer of the thickness of a monolayer of the material of the layer. Try changing the thickness in odd integer multiples of a quarter wavelength until they match. 27. The method of claim 26, comprising: 28.反復方法が、少なくとも1つの層の材料の組成を変更して直接バンドギャ ップ材料組成物に備えることをさらに含む請求の範囲第27項記載の方法。28. The iterative method changes the composition of the material of at least one layer to directly form the bandgap. 28. The method of claim 27, further comprising providing a cup material composition. 29.(a)超格子構造の層がA1−xBxC形態の材料からなり; (b)j番目の層の伝導帯の高さがxjにほぼ正比例し、すなわちVj=Axj であり; (c)材料中の有効電子質量がxjにほぼ線状に関係し、すなわちm*j=(B +Cxj)m0であり;(d)バイアス下の層が、遅効エネルギー(KE)in をもってフィルタ/エミッタに入る電子4分の1波長の倍数に相当する厚さを有 する際の条件が、下記の方程式 ▲数式、化学式、表等があります▼ (ただし、Lは超格子構造の厚さであり、Zj−1は、超格子構造の開始から測 定したj番目の層の開始までの距離であり、Zjは、超格子構造の開始からま番 目の層の終了までの距離であり、Vbissはバイアスポテンシャルエネルギー であり、qjは整数であり、hはブランク定数を2πで割ったものであり、m0 は自由電子質量であり、V0は、超格子構造の入口に隣接する材料に対する伝導 帯の高さである)によって与えられる請求の範囲第27項記載の方法。29. (a) the layer of superlattice structure is made of material of the form A1-xBxC; (b) The conduction band height of the j-th layer is approximately directly proportional to xj, i.e. Vj = Axj And; (c) The effective electron mass in the material is approximately linearly related to xj, i.e. m*j=(B +Cxj)m0; (d) the layer under bias has a slow energy (KE)in has a thickness corresponding to a multiple of a quarter wavelength of electrons entering the filter/emitter with The conditions for doing this are the following equation ▲Contains mathematical formulas, chemical formulas, tables, etc.▼ (where L is the thickness of the superlattice structure and Zj-1 is the thickness measured from the beginning of the superlattice structure. Zj is the distance from the start of the superlattice structure to the start of the jth layer. is the distance to the end of the eye layer, and Vbiss is the bias potential energy , qj is an integer, h is the blank constant divided by 2π, and m0 is the free electron mass and V0 is the conduction to the material adjacent to the entrance of the superlattice structure. 28. The method of claim 27, wherein the height of the band is 30.半導体基板層;半導体基板層に隣接した半導体膜層;及び半導体膜層に隣 接した半導体カバー層を含む電子導波管であって、 半導体基板層のうち半導体膜層に隣接した部分、半導体膜層及び、半導体カバー 層のうち半導体膜層に隣接した部分が、ほぼ弾道状の電子移動をもたらし;半導 体膜層の厚さ及び半導体層の組成があらかじめ定められて電位井戸を提供し、そ の結果、電位井戸中の電子エネルギーに対して、あるいは、半導体基板層及び半 導体カバー層の各ボテンシャルエネルギー障壁のいずれか又は両方を上回る電子 エネルギーに対して電子導波管モードが存在することを特徴とする電子導波管。30. a semiconductor substrate layer; a semiconductor film layer adjacent to the semiconductor substrate layer; and a semiconductor film layer adjacent to the semiconductor film layer; An electronic waveguide comprising an abutting semiconductor cover layer, A portion of the semiconductor substrate layer adjacent to the semiconductor film layer, the semiconductor film layer, and the semiconductor cover The portion of the layer adjacent to the semiconductor film layer provides nearly ballistic electron transfer; The thickness of the body membrane layer and the composition of the semiconductor layer are predetermined to provide a potential well; As a result, the electron energy in the potential well or the semiconductor substrate layer and Electrons exceeding either or both of the potential energy barriers of the conductor cover layer An electronic waveguide characterized by the existence of an electronic waveguide mode for energy. 31.半導体カバー層に対する電子ボテンシャルエネルギー障壁の高さと半導体 デバイスの半導体基板層とが実質的に同じである請求の範囲第30項記載の導波 管。31. Height of electronic potential energy barrier to semiconductor cover layer and semiconductor 31. The waveguide of claim 30, wherein the semiconductor substrate layers of the device are substantially the same. tube. 32.半導体デバイスの半導体カバー層と半導体基板層とが同じ材料からなる請 求の範囲第31項記載の導波管。32. The semiconductor cover layer and the semiconductor substrate layer of a semiconductor device are made of the same material. The waveguide according to item 31. 33.半導体カバー層、半導体膜層及び半導体基板層が、Ga1−xAlxAs 形態の組成物から構成される請求の範囲第30項記載の導波管。33. The semiconductor cover layer, the semiconductor film layer, and the semiconductor substrate layer are made of Ga1-xAlxAs. 31. The waveguide of claim 30, comprising a composition of the form. 34.半導体膜層がGaAsからなる請求の範囲第33項記載の導波管。34. 34. The waveguide according to claim 33, wherein the semiconductor film layer is made of GaAs. 35.少なくともv番目の電子導波管モード(vは整数である)が伝搬し、dが ▲数式、化学式、表等があります▼ (ただし、m*c、m*f及びm*sは、それぞれ、半導体カバー層、半導体膜 層及び半導体基板層の中の電子有効質量であり、Vc、Vf及びVsは、それぞ れ、半導体カバー層、半導体膜層及び半導体基板層に関連する電子ボテンシャル エネルギー障壁の高さであり、hはブランク定数を2πで割ったものである)に ほぼ等しいか、あるいは、それを上回るように半導体膜層の厚さdが決定される 請求の範囲第30項記載の導波管。35. At least the vth electronic waveguide mode (v is an integer) propagates, and d ▲Contains mathematical formulas, chemical formulas, tables, etc.▼ (However, m*c, m*f and m*s are semiconductor cover layer, semiconductor film, respectively. are the effective masses of electrons in the layer and the semiconductor substrate layer, and Vc, Vf and Vs are respectively electronic vocatives related to the semiconductor cover layer, semiconductor film layer and semiconductor substrate layer. is the height of the energy barrier, where h is the blank constant divided by 2π). The thickness d of the semiconductor film layer is determined to be approximately equal to or greater than that. The waveguide according to claim 30. 36.導波管がv番目のモードを越えないモードのみを支援し、K1*[K2+ vΠ]<d<K1*[K2+(v+1)Π](ただし、K1=h/[2m*f( Vs−Vf)]1/2K2=tan−1[m*f(Vc−Vs)/m*c(Vs −Vf)]1/2である請求の範囲第35項記載の導波管。36. The waveguide only supports modes that do not exceed the vth mode, K1*[K2+ vΠ]<d<K1*[K2+(v+1)Π] (where K1=h/[2m*f( Vs-Vf)]1/2K2=tan-1[m*f(Vc-Vs)/m*c(Vs -Vf)]1/2. 37.少なくともv番目の電子導波管モード(vは整数である)が伝搬し、dが d=vhΠ/[2m*f(Vs−Vf)]1/2(ただし、m*c、m*f及び m*sは、それぞれ、半導体カバー層、半導体膜層及び半導体基板層の中の電子 有効質量であり、Vc、Vf及びVsは、それぞれ、半導体カバー層、半導体膜 層及び半導体基板層に関連する電子ボテンシャルエネルギー障壁の高さであり、 hはブランク定数を2πで割ったものである)にほぼ等しいか、あるいは、それ を上回るように半導体膜層の厚さdが決定される請求の範囲第31項記載の導波 管。37. At least the vth electronic waveguide mode (v is an integer) propagates, and d d=vhΠ/[2m*f(Vs-Vf)]1/2 (however, m*c, m*f and m*s are the electrons in the semiconductor cover layer, semiconductor film layer, and semiconductor substrate layer, respectively. Vc, Vf and Vs are the effective masses of the semiconductor cover layer and the semiconductor film, respectively. is the height of the electronic potential energy barrier associated with the layer and the semiconductor substrate layer; h is the blank constant divided by 2π), or The waveguide according to claim 31, wherein the thickness d of the semiconductor film layer is determined so as to exceed tube. 38.導波管が最低オーダのモード、すなわちv=0のみを支援し、 0<d<hΠ/[2m*f(Vs−Vf)]1/2である請求の範囲第37項記 載の導波管。38. the waveguide supports only the lowest order mode, i.e. v=0; Claim 37, where 0<d<hΠ/[2m*f(Vs-Vf)]1/2. mounted waveguide. 39.半導体材料がII〜VI族元素のIII〜V族元素の2成分系、3成分系 又は4成分系の半導体組成物である請求の範囲第30項記載のデバイス。39. Semiconductor material is a binary or ternary system of group II to VI elements or group III to V elements. 31. The device according to claim 30, which is a four-component semiconductor composition. 40.半導体基板層;半導体基板層に隣接した半導体膜層;及び半導体膜層に隣 接した半導体カバー層を含む電子導波管であって、 半導体膜層がほぼ弾道状の電子移動をもたらし;半導体膜層の厚さ及び半導体層 の組成があらかじめ定められて電位井戸を提供し、その結果、電位井戸中の電子 エネルギーに対して、あるいは、半導体基板層及び半導体カバー層の各ボテンシ ャルエネルギー障壁のいずれか又は両方を上回る電子エネルギーに対して電子導 波管モードが存在することを特徴とする電子導波管。40. a semiconductor substrate layer; a semiconductor film layer adjacent to the semiconductor substrate layer; and a semiconductor film layer adjacent to the semiconductor film layer; An electronic waveguide comprising an abutting semiconductor cover layer, The semiconductor film layer provides nearly ballistic electron transfer; the thickness of the semiconductor film layer and the semiconductor layer provides a potential well with a predetermined composition such that the electrons in the potential well energy or each potency of the semiconductor substrate layer and semiconductor cover layer. electron conductivity for electron energies exceeding either or both of the physical energy barriers. An electronic waveguide characterized by the existence of a wave tube mode. 41.半導体基板層:半導体基板層に隣接した半導体膜層;及び半導体膜層に隣 接した半導体カバー層を含む正孔導波管であって、 半導体基板層のうち半導体膜層に隣接した部分、半導体膜層及び、半導体カバー 層のうち半導体膜層に隣接した部分が、ほぼ弾道状の正孔移動をもたらし;半導 体膜層の厚さ及び半導体層の組成があらかじめ定められて電位井戸を提供し、そ の結果、電位井戸中の正孔エネルギーに対して、あるいは、半導体基板層及び半 導体カバー層の各ボテンシャルエネルギー障壁のいずれか又は両方を上回る正孔 エネルギーに対して正孔導波管モードが存在することを特徴とする正孔導波管。41. Semiconductor substrate layer: a semiconductor film layer adjacent to a semiconductor substrate layer; and a semiconductor film layer adjacent to a semiconductor film layer; A hole waveguide including a semiconductor cover layer in contact with the hole waveguide, the hole waveguide comprising: A portion of the semiconductor substrate layer adjacent to the semiconductor film layer, the semiconductor film layer, and the semiconductor cover The portion of the layer adjacent to the semiconductor film layer provides approximately ballistic hole movement; The thickness of the body membrane layer and the composition of the semiconductor layer are predetermined to provide a potential well; As a result, the hole energy in the potential well or the semiconductor substrate layer and half Holes exceeding either or both of the potential energy barriers of the conductor cover layer A hole waveguide characterized by the existence of a hole waveguide mode for energy.
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