JPH07109881B2 - Quantum wire waveguide - Google Patents

Quantum wire waveguide

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JPH07109881B2
JPH07109881B2 JP6160693A JP6160693A JPH07109881B2 JP H07109881 B2 JPH07109881 B2 JP H07109881B2 JP 6160693 A JP6160693 A JP 6160693A JP 6160693 A JP6160693 A JP 6160693A JP H07109881 B2 JPH07109881 B2 JP H07109881B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は電子波、あるいはこれに
準じる波動の導波路構造を持つ半導体装置、及びその製
造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a waveguide structure of an electron wave or a wave equivalent thereto, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】集積回路や通信回路に用いられている電
子素子は、現在まで微細化を進めることによってその性
能の向上が図られてきた。これらの電子素子は、ショッ
クレーやバーディーン等によって提唱されたトランジス
ターの動作原理によって動作するが、そのトランジスタ
ーの消費電力、信頼性、記憶容量、応答速度等の性能は
微細化することによって容易に達成されてきた。
2. Description of the Related Art Electronic devices used in integrated circuits and communication circuits have been improved in performance by miniaturization. These electronic devices operate according to the operating principle of transistors proposed by Shockley, Bardeen, etc., but their performance such as power consumption, reliability, storage capacity, and response speed can be easily reduced by miniaturization. Has been achieved.

【0003】ところが近年、この傾向にかげりが見え初
めてきた。というのは、微細加工技術そのものに限界が
見え初めてきていることと、微細化に伴い従来電子素子
の動作原理の適用限界が出現しつつあるからである。こ
ういった傾向は、素子の構成要素の最小寸法が0.1ミ
クロン以下になるとますます強くなると考えられてい
る。
In recent years, however, this tendency has begun to show signs. This is because the limits of the microfabrication technology itself are beginning to be seen, and the limits of application of the operating principles of conventional electronic devices are emerging with the miniaturization. It is considered that such a tendency becomes stronger as the minimum dimension of the constituent elements of the device becomes 0.1 micron or less.

【0004】しかし理論的側面からいえば、0.1ミク
ロン以下の領域では電子が古典力学的粒子としてではな
く量子力学的波動としてふるまい、このことを積極的に
利用することによって、従来の電子素子とは異なる動作
原理で従来の電子素子では実現できなかった機能を持つ
素子が形成可能であることが論じられている。実際、変
調ドープ構造を用いて2次元電子ガスをキャリアとする
高電子移動度トランジスター(HEMT)のような電子
素子は、すでに市販化されている。しかし、これらの電
子素子よりもさらに高性能、多機能であると予想されて
いるキャリアの閉じ込め方向を2つ、もしくは3つ持つ
量子細線、量子箱は未だ研究段階にある。これら量子細
線、量子箱を理想的に作製するためには0.1ミクロン
以下の領域に1原子層オーダーの高度な制御性をもって
複雑な構造を形成しなければならない。現在、半導体基
板にたいして垂直な方向にはこの要請を満たすほど高精
度に構造を作製する結晶成長技術が確立されつつある
が、これと異なる方向になんらかの構造を作製するため
には、従来形のリソグラフィーやエッチング技術では不
足であると考えられる。それは、例えば量子細線を作製
する際生じる細線幅の揺らぎ(ラフネス)や複雑な構造
を作製する過程で生じる結晶へのダメージが、量子効果
の顕在化に対する深刻な障害となるからである(フィジ
カル・レビュー・レターズ64、(1990年)第11
54ページから第1157ページ、(Phys.Rev.Lett.6
4,1154-1157(1990)))。
However, from a theoretical point of view, 0.1 Miku
In the region below Ron, electrons are not as classical mechanical particles.
Behaves as a quantum mechanical wave, positively
By using it, it operates differently from conventional electronic devices.
In principle, it has functions that could not be realized with conventional electronic devices
It is discussed that the device can be formed. In fact
Use a two-dimensional electron gas as a carrier using a toned structure
Electrons such as High Electron Mobility Transistors (HEMT)
The device has already been commercialized. But these electricity
Expected to have higher performance and more functions than the child element
Have two or three directions of trapping carriers
Quantum wires and boxes are still in the research stage. These quantum details
0.1 micron to ideally make lines and quantum boxes
With high controllability of one atomic layer order in the following areas
Complex structures must be formed. Currently, semiconductor substrate
In the direction perpendicular to the board, it is high enough to meet this requirement.
The crystal growth technology for producing structures every time is being established
But to make some structure in a different direction
Is difficult with conventional lithography and etching techniques.
Considered to be the foot. It makes quantum wires for example
Fine line width fluctuation (roughness) and complicated structure
Damage to the crystal that occurs in the process of manufacturing
Is a serious obstacle to the manifestation of
Cal Review Letters64, (1990) Eleventh
Pages 54 to 1157, (Phys. Rev. Lett.6
Four, 1154-1157 (1990))).

【0005】また、たとえキャリアを量子力学的に閉じ
込められたとしても、量子井戸の幅が10nm程度にな
ると結晶界面の揺らぎに対してポテンシャルの形状が敏
感になって周期境界条件が崩れ、従ってキャリアの波動
関数が定在波を形成しにくくなる傾向があるという、量
子閉じ込め効果固有の困難も存在する。
Even if the carriers are confined quantum mechanically, when the width of the quantum well becomes about 10 nm, the potential shape becomes sensitive to the fluctuation of the crystal interface, and the periodic boundary condition is broken. There is also a difficulty inherent to the quantum confinement effect that the wave function of tends to form a standing wave.

【0006】こういった理由により、現在までに量子効
果を充分活かした電子素子を実現するには到っていな
い。
For these reasons, it has not been possible to realize an electronic device that makes full use of the quantum effect.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、量子力
学的波動関数を動作原理の基本とする電子素子は、その
性能や機能に多くを期待できるにもかかわらず、結晶界
面のラフネス等、サイズが小さいゆえに作製技術に困難
な課題が多い。
As described above, an electronic element whose operating principle is a quantum mechanical wave function can be expected to have many performances and functions, but the roughness of the crystal interface, etc. Due to its small size, there are many difficult problems in manufacturing technology.

【0008】また、一般に量子細線などの構造を持つ電
子素子の作製には、従来技術によれば、複雑な工程を必
要とする。
Further, in general, according to the prior art, a complicated process is required to manufacture an electronic device having a structure such as a quantum wire.

【0009】さらに、たとえ10nm程度のポテンシャ
ルの井戸幅を持つ量子細線を作製出来たとしても、その
ような狭い領域におけるポテンシャルの形状は結晶界面
の揺らぎに対して敏感であり、従ってキャリアの波動関
数が閉じ込め効果としての定在波を形成しにくい。
Further, even if a quantum wire having a well width with a potential of about 10 nm can be produced, the shape of the potential in such a narrow region is sensitive to the fluctuation of the crystal interface, and therefore the carrier wave function. However, it is difficult to form a standing wave as a confinement effect.

【0010】さらに、量子細線等でトランジスターを形
成出来たとして、そのキャリアの振舞をいかに制御する
かは、消費電力の低減、動作速度の向上のために、従来
からある電界効果制御形の方法では不足である。
Further, assuming that a transistor can be formed by a quantum wire or the like, how to control the behavior of the carrier is determined by a conventional field effect control type method in order to reduce power consumption and improve operating speed. There is a shortage.

【0011】従って、本発明の目的の一つは、比較的大
きなサイズの構造を持つ素子であるにもかかわらず、量
子効果(特に、1次元電子ガス状態)を容易に顕在化す
ることが可能な素子を提供することにある。
Therefore, one of the objects of the present invention is to easily realize the quantum effect (particularly, one-dimensional electron gas state) even though the device has a relatively large size structure. To provide various devices.

【0012】本発明の他の目的は、従来に比べ簡単な作
製方法で、工程数も少なく、従って短時間に作製可能な
電子素子を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide an electronic device which can be manufactured in a short time with a simple manufacturing method and a small number of steps as compared with the conventional method.

【0013】本発明の他の目的は、キャリアの波動関数
に単にポテンシャルの井戸幅を小さくするといった境界
条件を設定するのではなく、例えばボーアの量子条件を
満たすような周期境界条件を設定することによって、波
動関数が実効的に閉じ込められているのと同じ状態を生
み出すような巧妙な量子細線等を提供とすることにあ
る。
Another object of the present invention is not to set boundary conditions such as simply reducing the potential well width in the carrier wave function, but to set periodic boundary conditions that satisfy, for example, Bohr's quantum condition. Is to provide a delicate quantum wire that produces the same state in which the wave function is effectively confined.

【0014】本発明の他の目的は、上述のようなキャリ
アの伝搬を制御性よく、低消費電力で、高速応答動作が
できる素子を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide an element capable of controlling carrier propagation as described above with good controllability, low power consumption, and high-speed response operation.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、2つの
方向に対する閉じ込め効果で1次元電子(キャリア)ガ
ス状態を形成している量子細線よりも比較的大きなサイ
ズでも、また結晶界面の揺らぎが多少大きくても1方向
が周期境界条件を満たすために波動関数が定在波とな
り、1次元電子ガス状態を形成することが可能な量子細
線が提供される。
According to the present invention, fluctuations in the crystal interface even with a size relatively larger than that of a quantum wire forming a one-dimensional electron (carrier) gas state due to the confinement effect in two directions. Even if is slightly larger, the wave function becomes a standing wave because one direction satisfies the periodic boundary condition, and a quantum wire capable of forming a one-dimensional electron gas state is provided.

【0016】また、本発明によれば、上記のように形成
された量子細線中を、電流による誘導磁場によって伝導
する電子を低消費電力で高速に制御する制御方法、及び
その電極の形成方法が提供される。
Further, according to the present invention, there is provided a control method for rapidly controlling, with low power consumption, the electrons conducted by the magnetic field induced in the quantum wire formed as described above, and a method for forming the electrode thereof. Provided.

【0017】さらに、本発明によれば、上記のような量
子細線を結晶成長の段階で形成するため、従来に比べ工
程数が少ないにもかかわらず、1原子層オーダーで精密
に制御可能な製造方法が提供される。
Further, according to the present invention, since the above-mentioned quantum wires are formed at the stage of crystal growth, the number of steps is smaller than in the prior art, and the production can be precisely controlled on the order of one atomic layer. A method is provided.

【0018】[0018]

【作用】本発明によると1次元電子(キャリア)ガスの
形成は、電子(キャリア)の伝搬方向と垂直な2つの方
向に対してそれぞれ異なる。一方は、従来から行われて
いる量子井戸による閉じ込め効果によって電子(キャリ
ア)の波動関数の定在波を形成する方法であるが、他の
一方は電子(キャリア)の波動関数を導波路の側面方向
に周期境界条件を満足するように周回させ、自己と干渉
させることによって定在波を形成する方法である。
According to the present invention, the formation of the one-dimensional electron (carrier) gas is different in the two directions perpendicular to the electron (carrier) propagation direction. One is a method of forming a standing wave of an electron (carrier) wave function by a confinement effect by a quantum well that has been conventionally performed, while the other is a method of forming an electron (carrier) wave function by a side surface of a waveguide. It is a method of forming a standing wave by orbiting so as to satisfy the periodic boundary condition in the direction and causing it to interfere with itself.

【0019】これをもう少し詳しく、図1を用いて説明
する。図1は本発明による円筒状の量子細線の斜視図で
ある。この量子細線の中心軸側は、外側の半導体材料よ
りも電子親和力の大きい材料で構成されている。また、
外側の半導体材料には不純物がドープされており、キャ
リア供給層の役割も担っている。図1では、以上のよう
な構成により形成された電子波導波路の部分のみが抽出
して描かれている。電子の動径方向(kr)の波動関数
2は、電子波導波路1の側面のために閉じ込められて定
在波を形成している。また、導波路の側面方向(kφ)
の波動関数3は、円環の側面のようになっているために
周期境界条件が満たされ、やはり定在波を形成する。こ
れは、真空中における原子内電子の波動関数が定在波を
形成するボーアの量子条件と本質的に同じものである。
従って、上述の2方向には電子の波数ベクトル成分はゼ
ロとなり、電子波の伝搬が円筒の軸方向のみに行われる
1次元電子ガス状態となる。このような電子ガス状態
は、たとえ導波路そのものが多少通常よりも大きめにな
っても、電子の波動関数の広がりが導波路の側面方向を
包むことが保障されていれば、ボーアの量子条件を満た
すかぎり、実現できるものである。また、量子井戸によ
る閉じ込め効果を用いる場合、井戸形ポテンシャルが井
戸幅の2乗に反比例する関数であるために、井戸幅が1
0nm程度に小さくなると結晶界面の揺らぎに対して極
めて敏感になるが、本発明のようなボーアの量子条件を
周期境界条件とすれば、少なくとも1方向に関しては結
晶界面の影響を受けにくくすることが出来る。
This will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view of a cylindrical quantum wire according to the present invention. The central axis side of the quantum wire is made of a material having a higher electron affinity than the outer semiconductor material. Also,
The semiconductor material on the outside is doped with impurities and also plays a role of a carrier supply layer. In FIG. 1, only the portion of the electron wave waveguide formed by the above configuration is extracted and drawn. The wave function 2 in the radial direction (kr) of the electrons is confined by the side surface of the electron wave waveguide 1 to form a standing wave. In addition, the lateral direction of the waveguide (kφ)
Since the wave function 3 of is like the side surface of the ring, the periodic boundary condition is satisfied, and the standing wave is formed again. This is essentially the same as the Bohr's quantum condition in which the wave function of an electron in an atom in a vacuum forms a standing wave.
Therefore, the wave vector component of the electron becomes zero in the above two directions, and the electron wave propagates only in the axial direction of the cylinder, resulting in a one-dimensional electron gas state. Even if the waveguide itself becomes slightly larger than usual, such an electron gas state can satisfy Bohr's quantum condition if it is guaranteed that the spread of the electron's wave function covers the lateral direction of the waveguide. As long as it satisfies, it can be realized. When the confinement effect by the quantum well is used, the well-shaped potential is a function inversely proportional to the square of the well width.
When it becomes as small as 0 nm, it becomes extremely sensitive to fluctuations in the crystal interface, but if the Bohr quantum condition as in the present invention is used as the periodic boundary condition, it is possible to make it less susceptible to the crystal interface in at least one direction. I can.

【0020】さらに、本発明による1次元電子ガスを制
御する方法を説明する。本発明による電子波導波路の側
面部分に電極を設ける。ここに電流を流すと電極の周囲
に磁場が誘導され、導波している電子はローレンツ力を
受けることになり、その位置から螺旋運動を開始し、電
子は伝搬しない。ここで重要なことは、電極には電流を
流すだけで電荷を蓄積する訳ではない。従って、電界効
果形の制御電極に比べ電荷を蓄積するための時間は不必
要で、かつ、低消費電力の電子素子が実現可能となる。
Further, a method of controlling the one-dimensional electron gas according to the present invention will be described. Electrodes are provided on the side surfaces of the electron wave waveguide according to the present invention. When a current is passed through this, a magnetic field is induced around the electrode, and the guided electron receives a Lorentz force, and the spiral motion starts from that position, and the electron does not propagate. What is important here is that the electric current is not stored in the electrodes merely by passing a current. Therefore, it is possible to realize an electronic device which requires less time for accumulating electric charges as compared with the field effect type control electrode and has low power consumption.

【0021】[0021]

【実施例】(実施例1)図3は本発明の一実施例に基づ
く電子波導波路をしめす図である。この素子の構成は次
に示すようにして作製される。電極に電子を導くために
n+層10をインプラしたInAs基板12の(11
1)面の上にAu等の粒塊(大きさ、10nm程度)を
STM(スキャニング・トンネリング・マイクロスコー
プ)を用いて蒸着する。次に、この基板上に減圧MOC
VD法(有機金属気相成長法)を用いて針状結晶11を
成長する。この時の成長条件は、基板温度450℃、ト
リメチル・インジウムとアルシンのV/III比120程
度、成長時間50秒であり、この条件のもとでは2μm
成長する。ここで、封入するガスをトリメチル・インジ
ウムからトリメチル・ガリウムに切り換え、さらに、n
形のドーパントとしてジシランガスも封入する。この時
の成長条件は、基板温度450℃、V/III比120程
度、成長時間数秒であり、この条件のもとでは20nm
成長する。するとこの時成長する結晶の構成は、図3に
示すように直径50nm、長さ2μmのアンドープIn
Asの針状結晶11の表面に厚さ20nmのn形GaA
s5が付着した構造になっている。この針状結晶をサル
ファー処理して表面の状態を安定に保った後に、スピン
・オン・グラス(SOG)9を塗布して針状結晶を埋め
込む。この素子の上下にAu/Ge/Niからなる電極
8を設ける。このようにして図3に示す電子導波路が構
成される。
(Embodiment 1) FIG. 3 shows an electron wave waveguide according to an embodiment of the present invention. The structure of this element is manufactured as follows. (11 of the InAs substrate 12 on which the n + layer 10 is implanted to guide electrons to the electrodes.
1) Agglomerates (size, about 10 nm) of Au or the like are vapor-deposited on the surface by using STM (scanning tunneling microscope). Next, a reduced pressure MOC is formed on this substrate.
The needle crystal 11 is grown by using the VD method (organic metal vapor phase growth method). The growth conditions at this time are a substrate temperature of 450 ° C., a V / III ratio of trimethyl indium and arsine of about 120, and a growth time of 50 seconds.
grow up. Here, the gas to be filled is switched from trimethyl indium to trimethyl gallium, and n
Disilane gas is also enclosed as a shape dopant. The growth conditions at this time are a substrate temperature of 450 ° C., a V / III ratio of about 120, and a growth time of several seconds.
grow up. Then, as shown in FIG. 3, the structure of the crystal grown at this time is undoped In having a diameter of 50 nm and a length of 2 μm.
20 nm thick n-type GaA on the surface of the needle crystal 11 of As
It has a structure in which s5 is attached. This needle crystal is subjected to a sulfur treatment to keep the surface state stable, and then spin-on-glass (SOG) 9 is applied to embed the needle crystal. Electrodes 8 made of Au / Ge / Ni are provided above and below this element. In this way, the electron waveguide shown in FIG. 3 is constructed.

【0022】InAsとGaAsとの界面の部分には、
局所的に変調ドープ構造を為しているために、電子ガス
7が蓄積される。この様子を図2を用いて説明する。図
2(a)は電子親和力の大きい材料から成る芯の部分4
を電子親和力の小さい材料から成るキャリア供給層5で
包んだ構成を示し、図2(b)はそのバンド帯図を示し
ている。図2(b)に示すように、径の方向には変調ド
ープ構造で形成されるポテンシャル井戸があって電子は
この中に閉じ込められており、図1において示されるよ
うに、電子の波動関数はこの方向に関して定在波2を作
っている。一方、円周方向に関しても、ポテンシャル井
戸が円環状につながっているために周期境界条件を満た
しており、従ってこの方向に関する波動関数も定在波3
を形成している。これは原子内電子が満たす、他ならぬ
ボーアの量子条件である。この条件のために、円筒の径
が多少大きくても波動関数の定在波は形成される。円筒
の軸方向に関してのみ、閉じ込めや周期性がないので進
行波となる。従って、ここに存在する電子ガスは1次元
電子ガスである。しかし、ここでいう電子ガスは円周方
向に関しては通常よく行われている閉じ込め効果ではな
く、ポテンシャルの周期性を用いているという点で従来
からある1次元電子ガスとは異なるものである。
At the interface between InAs and GaAs,
The electron gas 7 is accumulated because it locally has a modulation-doped structure. This situation will be described with reference to FIG. FIG. 2A shows a core portion 4 made of a material having a high electron affinity.
2B shows a structure in which the carrier supply layer 5 made of a material having a small electron affinity is wrapped around, and FIG. 2B shows a band diagram thereof. As shown in FIG. 2 (b), there is a potential well formed in a modulation-doped structure in the radial direction, and the electrons are confined in the potential well. As shown in FIG. 1, the wave function of the electron is A standing wave 2 is created in this direction. On the other hand, also in the circumferential direction, since the potential wells are connected in an annular shape, the periodic boundary condition is satisfied, and therefore the wave function in this direction also has a standing wave 3
Is formed. This is none other than Bohr's quantum condition satisfied by the electrons in the atom. Due to this condition, a standing wave of the wave function is formed even if the diameter of the cylinder is somewhat large. Since there is no confinement or periodicity only in the axial direction of the cylinder, it becomes a traveling wave. Therefore, the electron gas present here is a one-dimensional electron gas. However, the electron gas here is different from the conventional one-dimensional electron gas in that the periodicity of the potential is used instead of the confinement effect that is usually performed in the circumferential direction.

【0023】以下の実施例に示すごとく、本発明ではこ
のような電子状態の特殊性を用いて電気伝導を制御する
ことも可能である。
As shown in the following examples, in the present invention, it is also possible to control electric conduction by using such peculiarities of electronic states.

【0024】(実施例2)針状結晶は以下に示すような
方法を用いて、基板に対して横方向に成長することもで
きる。ドライエッチングの技術を用いて図4(a)に示
すような穴を作り、この側壁にSTMを用いて針状結晶
成長の種となるAu等13を蒸着し針状結晶を成長す
る。成長の条件は実施例1に示した方法と同じである。
このようにして構成した電子波導波路の断面図を図4
(b)に示す。電子の入出力をするためのn+層10は
通常のインプラで形成できる。
(Example 2) Needle crystals can be grown laterally with respect to a substrate by using the following method. A hole as shown in FIG. 4A is formed by using a dry etching technique, and Au or the like 13, which is a seed for acicular crystal growth, is vapor-deposited on this side wall using STM to grow acicular crystals. The growth conditions are the same as in the method shown in Example 1.
A cross-sectional view of the electron wave waveguide thus configured is shown in FIG.
It shows in (b). The n + layer 10 for inputting / outputting electrons can be formed by normal implantation.

【0025】(実施例3)図5(a)に示すように、電
子波導波路の側面に電子の導波する方向に沿って制御電
極14を設ける。ここに電流を図の矢印に示すように流
すと磁場Bが図5(b)の矢印に示すように生じる。す
ると、図のように導波路の電極に近い部分と、電極から
遠い部分では磁束密度も、電子が磁束と鎖交する磁力線
の向き、面積ともに異なるゆえに、適当な電流値を選ん
でやればkφ方向の電子の波動関数は位置によって位相
がずれ、導波するうちに自分同志で干渉を起こして反射
させることが可能である。ここで応用上重要なポイント
となるのは電界制御型の制御方法と異なり、電荷を制御
電極に蓄積する必要がないという点である。電界に電流
を流しさえすれば磁場は生じるので応答時間が短く、低
消費電力で、エネルギー損失もジュール熱のみに押さえ
ることが出来る。
(Embodiment 3) As shown in FIG. 5A, a control electrode 14 is provided on the side surface of an electron wave waveguide along the direction in which electrons are guided. When an electric current is passed therethrough as indicated by the arrow in the figure, a magnetic field B is generated as indicated by the arrow in FIG. Then, as shown in the figure, the magnetic flux density is different between the part near the electrode of the waveguide and the part far from the electrode, because the direction and the area of the magnetic field lines that link the electron with the magnetic flux are different. The wave functions of the electrons in the directions are out of phase with each other depending on the position, and they can interfere with each other while being guided and can be reflected. What is important here for application is that, unlike the electric field control type control method, it is not necessary to store charges in the control electrode. A magnetic field is generated as long as an electric current is applied to the electric field, so that the response time is short, the power consumption is low, and the energy loss can be suppressed only to Joule heat.

【0026】また、電子波導波路で回路を構成する場
合、図8に示すように配線が導波路の周囲を取り囲む場
合もありうるが、この時、磁場は電子波の伝搬方向と同
じ方向に生じるので、電子波の位相を乱さない。
When a circuit is constructed with an electron wave waveguide, wiring may surround the waveguide as shown in FIG. 8. At this time, the magnetic field is generated in the same direction as the electron wave propagation direction. Therefore, it does not disturb the phase of the electron wave.

【0027】上記制御電極による制御方法は、電子波の
伝搬方向と異なる方向に磁場を加えることにより、実現
できる。
The control method using the control electrode can be realized by applying a magnetic field in a direction different from the electron wave propagation direction.

【0028】(実施例4)実施例3と同様にして、図6
のように導波路を構成することもできる。この導波路は
制御電極に電流を流すことによって電子波の伝搬方向を
分岐させることの出来る電流制御形分岐導波路である。
(Embodiment 4) Similar to the embodiment 3, FIG.
The waveguide can be configured as follows. This waveguide is a current control type branch waveguide which can branch the propagation direction of the electron wave by passing a current through the control electrode.

【0029】上記導波路を用いた方向性結合器を図7
(a)に示す。針状結晶を用いて、図7(a)のような
電子波導波路を構成すれば、方向性結合器を作製するこ
とも可能である。
FIG. 7 shows a directional coupler using the above waveguide.
It shows in (a). A directional coupler can also be manufactured by constructing an electron wave waveguide as shown in FIG. 7A using a needle crystal.

【0030】但し、導波路の結合部分の断面図は図7
(b)に示すようになっており、電子波の結合の仕方は
複雑である。
However, the cross-sectional view of the coupling portion of the waveguide is shown in FIG.
As shown in (b), the method of coupling electron waves is complicated.

【0031】尚、本発明の一実施例である円筒形の電子
波導波路は、同じ波長を持つ電子でも電子の存在する部
分が円環状に曲がっているため、平面形の導波路と比べ
た場合、基板に対してπ倍だけ電子波導波路の占める面
積は小さくてすむ。
In the cylindrical electron wave waveguide according to the embodiment of the present invention, even in the case of electrons having the same wavelength, the portion where the electrons are present is bent in an annular shape. , The area occupied by the electron wave waveguide can be reduced by π times with respect to the substrate.

【0032】また、本発明の電子波導波路は電子の波動
関数の少なくとも1成分がボーアの量子条件のような周
期境界条件によって定在波になっている電子波導波路で
あれば、例えば、楕円柱形であっても、多角形の角柱で
あっても実現可能である。
Further, the electron wave waveguide of the present invention is, for example, an elliptic cylinder, as long as at least one component of the electron wave function is a standing wave due to a periodic boundary condition such as Bohr's quantum condition. It can be realized in either a shape or a polygonal prism.

【0033】さらに、本発明の電子波導波路は電子波の
電搬に関しているが、固体の固有状態に起因する励起子
状態(例えば、ポラリトン状態)を用いても実現可能で
あることはいうまでもない。
Further, although the electron wave waveguide of the present invention relates to the transport of electron waves, it goes without saying that it can be realized by using an exciton state (for example, a polariton state) caused by the eigenstate of a solid. Absent.

【0034】さらに、本発明の電子波導波路はn−Al
GaAsとu−GaAs,p−AlGaAsとu−Ga
Asと、n−Siとu−Ge等、他の半導体材料やドー
パントを用いても実現可能であることは当然である。
Furthermore, the electron wave waveguide of the present invention is n-Al.
GaAs and u-GaAs, p-AlGaAs and u-Ga
Of course, it is also possible to use other semiconductor materials or dopants such as As, n-Si, and u-Ge.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
子の波動関数の定在波を周期境界条件(ボーアの量子条
件)が成り立つような導波路で構成すれば、量子閉じ込
め効果によるよりも大きなサイズでも実現しやすく、結
晶界面の揺らぎの影響を受けにくい。
As described above, according to the present invention, if the standing wave of the wave function of an electron is formed by a waveguide that satisfies the periodic boundary condition (Bohr's quantum condition), the quantum confinement effect causes Is easy to realize even with a large size, and is not easily affected by fluctuations in the crystal interface.

【0036】また、本発明によれば、電流を流して磁場
を生じる電極を構成すれば、高速で低消費電力の電子輸
送制御が可能である。
Further, according to the present invention, the electron transport control can be performed at high speed and with low power consumption by configuring the electrodes that generate a magnetic field by passing a current.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の電子波導波路を円筒形の導波路で構成
した一つの状態を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing one state in which an electron wave waveguide of the present invention is constituted by a cylindrical waveguide.

【図2】本発明の電子波導波路を半導体材料で実現する
ときの状態を示す斜視図とそのバンド図を示す図であ
る。
2A and 2B are a perspective view and a band diagram showing a state when the electron wave waveguide of the present invention is realized with a semiconductor material.

【図3】本発明の電子波導波路を針状結晶を用いて構成
するときの断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view when the electron wave waveguide of the present invention is formed using a needle crystal.

【図4】本発明の電子波導波路を基板に平行に構成する
ときの断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view when the electron wave waveguide of the present invention is formed parallel to a substrate.

【図5】本発明の電子波導波路の電子波の状態を制御す
るための電極の状態を示す斜視図とその断面図である。
5A and 5B are a perspective view and a cross-sectional view showing a state of an electrode for controlling a state of an electron wave in the electron wave waveguide of the present invention.

【図6】本発明の電子波導波路を用いて分岐導波路を構
成するときの状態を示す斜視図である。
FIG. 6 is a perspective view showing a state in which a branching waveguide is formed using the electron wave waveguide of the present invention.

【図7】本発明の電子波導波路を用いて方向性結合器を
構成するときの斜視図とその断面図である。
7A and 7B are a perspective view and a cross-sectional view of a directional coupler configured using the electron wave waveguide of the present invention.

【図8】本発明の電子波導波路を配線が横切るときの状
態を説明するための断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a state when a wiring crosses the electron wave waveguide of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…電子波導波路、2…kr方向の電子の波動関数、3
…kφ方向の電子の波動関数、4…u−InAs、5…
n−GaAs、6…フェルミ面、7…電子ガスのエネル
ギー準位、8…オーミック電極(Au/Ge/Ni)、
9…スピン・オン・グラス(SOG)、10…n+層、
11…u−InAsの針状結晶、12…u−InAs基
板、13…Auの種、14…制御電極、15…1次元電
子ガス、16…分岐導波路。
1 ... Electron Waveguide, 2 ... Electron Wave Function in Kr Direction, 3
... Wave function of electrons in kφ direction, 4 ... u-InAs, 5 ...
n-GaAs, 6 ... Fermi surface, 7 ... Energy level of electron gas, 8 ... Ohmic electrode (Au / Ge / Ni),
9 ... Spin-on-glass (SOG), 10 ... n + layer,
11 ... u-InAs needle crystal, 12 ... u-InAs substrate, 13 ... Au seed, 14 ... Control electrode, 15 ... One-dimensional electron gas, 16 ... Branch waveguide.

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電子の伝搬方向とは異なる少なくとも一方
向の電子の波動関数が、周期境界条件を満たすことによ
って定在波を形成し、1次元電子ガス状態にあることを
特徴とする量子細線導波路。
1. A quantum wire characterized in that a wave function of an electron in at least one direction different from a propagation direction of an electron forms a standing wave by satisfying a periodic boundary condition and is in a one-dimensional electron gas state. Waveguide.
【請求項2】前記波動関数の満たすべき周期境界条件が
ボーアの量子条件であることを特徴とする請求項1記載
の量子細線導波路。
2. The quantum wire waveguide according to claim 1, wherein the periodic boundary condition to be satisfied by the wave function is Bohr's quantum condition.
【請求項3】前記量子細線導波路の芯の部分を電子親和
力の大きい第1の半導体材料で構成し、周りの部分をド
ナーまたはアクセプタ−イオンをドープした電子親和力
の小さい第2の半導体材料で構成することを特徴とする
請求項1記載の量子細線導波路。
3. A core portion of the quantum wire waveguide is made of a first semiconductor material having a high electron affinity, and a surrounding portion is made of a second semiconductor material doped with donor or acceptor ions and having a low electron affinity. The quantum wire waveguide according to claim 1, which is configured.
【請求項4】前記第1の半導体材料をu−InAsで構
成し、第2の半導体材料をn−GaAsで構成すること
を特徴とする請求項2記載の量子細線導波路。
4. The quantum wire waveguide according to claim 2, wherein the first semiconductor material is made of u-InAs, and the second semiconductor material is made of n-GaAs.
【請求項5】前記第1の半導体材料をu−GaAsで構
成し、第2の半導体材料をn−AlGaAsで構成する
ことを特徴とする請求項2記載の量子細線導波路。
5. The quantum wire waveguide according to claim 2, wherein the first semiconductor material is made of u-GaAs and the second semiconductor material is made of n-AlGaAs.
【請求項6】前記第1の半導体材料を針状結晶を用いて
作製することを特徴とする請求項2記載の量子細線導波
路。
6. The quantum wire waveguide according to claim 2, wherein the first semiconductor material is made of needle crystals.
【請求項7】導波路の形状が円筒形であることを特徴と
する請求項1記載の量子細線導波路。
7. The quantum wire waveguide according to claim 1, wherein the waveguide has a cylindrical shape.
【請求項8】導波路の形状が楕円柱形であることを特徴
とする請求項1記載の量子細線導波路。
8. The quantum wire waveguide according to claim 1, wherein the shape of the waveguide is an elliptic cylinder.
【請求項9】導波路の形状が多角形の角柱形であること
を特徴とする請求項1記載の量子細線導波路。
9. The quantum wire waveguide according to claim 1, wherein the shape of the waveguide is a polygonal prism.
【請求項10】請求項1記載の量子細線導波路に電界制
御形制御電極を設け、電子の伝搬を制御することを特徴
とする請求項1記載の量子細線導波路。
10. The quantum wire waveguide according to claim 1, wherein the quantum wire waveguide according to claim 1 is provided with an electric field control type control electrode to control the propagation of electrons.
【請求項11】請求項1記載の量子細線導波路に、周囲
に磁場を発生させることによって電子の波動関数の位相
成分を変える電流制御形制御電極を設け、電子の伝搬を
制御することを特徴とする請求項1記載の量子細線導波
路。
11. The quantum wire waveguide according to claim 1 is provided with a current control type control electrode for changing a phase component of a wave function of an electron by generating a magnetic field around the quantum wire waveguide to control the propagation of the electron. The quantum wire waveguide according to claim 1.
【請求項12】分岐導波路を構成することによって電子
の伝搬を制御することを特徴とする請求項1記載の量子
細線導波路。
12. The quantum wire waveguide according to claim 1, wherein propagation of electrons is controlled by forming a branch waveguide.
【請求項13】方向性結合器を構成することによって電
子の伝搬を制御することを特徴とする請求項1記載の量
子細線導波路。
13. The quantum wire waveguide according to claim 1, wherein the propagation of electrons is controlled by forming a directional coupler.
【請求項14】請求項1記載の量子細線導波路を配線が
横切る際、電子の伝搬方向とは垂直方向に横切ることに
よって、電子の波動関数の位相成分を乱さないことを特
徴とする請求項1記載の量子細線導波路。
14. When the wiring crosses the quantum wire waveguide according to claim 1, the wiring does not disturb the phase component of the wave function of the electron by crossing in the direction perpendicular to the electron propagation direction. 1. The quantum wire waveguide described in 1.
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