JPH07273308A

JPH07273308A - 量子素子

Info

Publication number: JPH07273308A
Application number: JP7988994A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Ugajin; 隆一宇賀神
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-03-26
Filing date: 1994-03-26
Publication date: 1995-10-20

Abstract

(57)【要約】【目的】外部電場により同一平面上で互いに交差する
チャネルの切り換えが可能な交差チャネル交換器を実現
する。【構成】細線状のチャネルＣ₁の幅方向の両側にこの
チャネルＣ₁と接してチャネルＣ₂を設ける。チャネル
Ｃ₁は、配列面と直交するｚ軸方向に対して形状非対称
性を有する量子ドットＱＤを配列した量子ドットアレー
から成る領域により形成する。チャネルＣ₂は、ｚ軸方
向に対してチャネルＣ₁を構成する量子ドットＱＤと反
転した形状非対称性を有する量子ドットＱＤを配列した
量子ドットアレーから成る領域により形成する。ｚ軸に
沿う方向の外部電場の印加方向を変化させることによ
り、チャネルＣ₁とチャネルＣ₂との切り換えを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、量子素子に関し、特
に、量子箱（量子ドットとも呼ばれる）を用いた量子素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの将来像として、電子間
の相互作用を積極的に利用することが考えられ始めてい
る。その理由としては、半導体結晶の高品質化により低
電荷密度を均質に実現することができるようになったこ
と、および、化合物半導体ヘテロ接合により電荷を狭い
領域に閉じ込めることが可能になってきたことが挙げら
れる。そして、このような観点から、近年、結合量子ド
ットアレーが注目を集めている。

【０００３】本出願人は先に、特願平５−２１９８２号
において、このような結合量子ドットアレーにおける量
子ドット間の電子の移動を外部電場によって変調する方
法を提案し、さらに特願平５−１７４７７４号におい
て、この方法を応用した量子ドット集合素子を提案し
た。その後、特願平６−１２０９２号において、量子ド
ットアレーを構成する量子ドットにそれらの配列面と直
交する方向に対して非対称性を持たせ、この方向に外部
電場を印加してモット−シュタルク（Mott-Stark）効果
により金属−絶縁体相転移の一種であるモット（Mott）
転移の制御を行う方法を提案した。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な量子ドットアレーを用いた量子素子を集積化して集積
回路を形成する場合、その集積度が大きくなれば、現在
のシリコンによる大規模集積回路において用いられてい
る交差配線を用いることに困難が生じることが予想され
る。このような場合、同一平面上で交差配線の切り換え
を行うことができれば、量子ドットアレーを用いた量子
素子による大規模集積回路の実現が容易になると考えら
れる。しかしながら、これまで、このように同一平面上
で交差配線の切り換えを行うことができる技術は、何ら
提案されていなかった。

【０００５】したがって、この発明の目的は、外部電場
により同一平面上で互いに交差するチャネルの切り換え
が可能な交差チャネル交換器を実現することができる量
子素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】まず、金属−絶縁体相転
移の一種であるモット（Mott）転移（N. F. Mott, Phil
os. Mag. 6, 287(1961) およびMetal-insulator transi
tions (Taylor & Francis Ltd, London, 1974)）をハバ
ード（Hubbard)の描像（J. Hubbard, Proc. Roy. Soc.
(London), A276, 238(1963), A277, 237(1963), A281,
401(1964)）で説明する。

【０００７】隣り合うサイト（遷移金属のような結晶に
おいては原子、量子ドットアレーにおいては量子ドッ
ト）間の電子の動き易さを表すトランスファー・エネル
ギーＴ（後に詳細に説明する）は、電子間相互作用を考
えないときにはバンド幅と考えてよい。また、一つのサ
イトに電子が二つ入ったときのクーロン・エネルギーを
オンサイト・クーロン・エネルギーＵと書くことにす
る。

【０００８】このときの、一電子当たりに縮約されたエ
ネルギーバンド図は図８Ａに示すようになる。この図８
Ａにおける高エネルギー側のサブバンドをアッパー・ハ
バード・バンド（ＵＨＢ）、低エネルギー側のサブバン
ドをローワー・ハバード・バンド（ＬＨＢ）と呼ぶ。一
つのサイト当たり電子が一つ入った状態に対応するハー
フ・フィルド（half-filled)の場合、ＬＨＢとＵＨＢと
が互いに分離しているとき、つまりＵが大きいか、また
はＴが小さいときは、ＬＨＢにのみ電子が詰まっている
ことになる（図８Ｂ）。このときは、電子の低エネルギ
ー励起がギャップ（ハバード・ギャップ）を有し、系は
絶縁体的になる。一方、Ｕが小さいか、またはＴが大き
くなると、ＬＨＢとＵＨＢとは互いに重なり、ＬＨＢの
一部に空き状態が生じてその分の電子はＵＨＢに入るこ
とになる（図８Ｃ）。この結果、系は半金属的に振る舞
うことになる。そして、この傾向がより強くなれば、系
は完全に金属的に振る舞うのである。

【０００９】量子ドットを近接させて配列した量子ドッ
トアレーでは、量子ドットを小さくすることにより、Ｕ
を大きくすることができる。また、隣接量子ドット間の
間隔を大きくすることにより、Ｔを小さくすることがで
きる。したがって、ＴおよびＵの調節により、モット転
移を起こさせることができる。

【００１０】さて、今、一例として三つの量子ドットア
レーが順次接して配列された系を考える。この場合、各
量子ドットアレーのＴおよびＵの適切な調節により、一
つ目の量子ドットアレーおよび三つ目の量子ドットアレ
ーはそれぞれ金属相、二つ目の量子ドットアレーはハバ
ードギャップによる絶縁体相となるようにすることがで
きる。このとき、金属相である一つ目の量子ドットアレ
ーから同じく金属相である三つ目の量子ドットアレーに
電子を移動させようとすると、絶縁体相である二つ目の
量子ドットアレーのハバードギャップがそれを阻もうと
するが、量子力学的トンネル効果によって伝導が生じる
（これをハバードギャップトンネリングと呼ぶ）。つま
り、この場合、電子間クーロン相互作用による多体効果
に起因するハバードギャップを介して、多体トンネル現
象が起きる（金属相においても、電荷励起は多体系の集
団励起である）。したがって、例えば、このような障壁
としての絶縁体相を互いに隣接して二つ設ければ、共鳴
トンネル効果が見られ、共鳴トンネルダイオードを実現
することができる。なお、ここで言う「多体効果」と
は、主として、多電子系の振る舞いを特徴づける効果の
中で電子間相互作用に起因するものを意味するものとす
る。

【００１１】上記の電子間クーロン相互作用は電子間距
離に反比例し、量子ドットアレーの場合、Ｕはドット径
に反比例する。この電子間クーロン相互作用は、指数関
数的に変化する量と違い、変化がべき的であるので、量
子ドットの大きさの揺らぎに対して、あまり敏感ではな
い。したがって、この効果を利用するときに厳しい均質
性は要求されないので、このようなデバイスの作製は比
較的容易である。

【００１２】次に、モット−シュタルク（Mott-Stark）
効果について説明する。今、量子ドットアレーに一つの
量子ドット当たり電子が一つ入っている場合（ハーフ・
フィルドの場合）を考える。この場合、量子ドット間の
トランスファー・エネルギーＴとオンサイト・クーロン
・エネルギーＵとの比η＝Ｔ／Ｕを外部電場を印加して
変化させることにより、この電子系の電気伝導度を劇的
に変化させ、モット金属−絶縁体転移を起こさせること
ができる。これがモット−シュタルク効果である。

【００１３】このモット−シュタルク効果は、量子ドッ
トアレーの量子ドットが外部電場の印加方向に対して非
対称性を有する場合に効果的に現れる。したがって、配
列面と直交する方向に対して非対称性を有する量子ドッ
トを配列した量子ドットアレーから成る第１の領域と、
上記方向に対して第１の領域の量子ドットと逆の非対称
性を有する量子ドットを配列した量子ドットアレーから
成る第２の領域とを設けると、例えば、配列面と直交す
る第１の方向に外部電場を印加した場合にはモット−シ
ュタルク効果により第１の領域はモット絶縁体化し、第
２の領域は金属相となり、一方、第１の方向と逆の第２
の方向に外部電場を印加した場合にはモット−シュタル
ク効果により第２の領域はモット絶縁体化し、第１の領
域は金属相になるようにすることができる。すなわち、
外部電場の印加方向を反転させることにより、トンネル
障壁領域と伝導領域とを交換することができる。この発
明は、本発明者による上記検討に基づいて案出されたも
のである。

【００１４】すなわち、上記目的を達成するために、こ
の発明による量子素子は、細線状の第１の領域（Ｃ₁）
と、第１の領域（Ｃ₁）の幅方向の両側に第１の領域
（Ｃ₁）と接してそれぞれ設けられている第２の領域
（Ｃ₂）とを有し、第１の領域（Ｃ₁）は一面内に互い
に隣接して配列された複数の量子箱（ＱＤ）から成り、
かつ複数の量子箱（ＱＤ）が上記面と直交する方向に対
して非対称性を有し、第２の領域（Ｃ₂）は上記面内に
互いに隣接して配列された複数の量子箱から成り、かつ
複数の量子箱（ＱＤ）が上記方向に対して第１の領域
（Ｃ₁）の複数の量子箱（ＱＤ）と逆の非対称性を有す
ることを特徴とするものである。

【００１５】ここで、細線状の第１の領域（Ｃ₁）の幅
は、外部電場の印加により、この第１の領域（Ｃ₁）が
絶縁体相となっており、第１の領域（Ｃ₁）の幅方向の
両側に第１の領域（Ｃ₁）と接してそれぞれ設けられて
いる第２の領域（Ｃ₂）が金属相で伝導領域となってい
るときに、この第１の領域（Ｃ₁）の幅方向の一方の側
の第２の領域（Ｃ₂）と他方の側の第２の領域（Ｃ₂）
との間をこの第１の領域（Ｃ₁）をトンネル障壁として
電流が流れることが可能な幅に選ばれる。

【００１６】この発明による量子素子の好適な一実施形
態においては、上記方向に外部電場を印加するための電
極（３、４）が複数の量子箱（ＱＤ）に隣接して設けら
れる。そして、外部電場を印加することによりモット−
シュタルク効果によって第１の領域（Ｃ₁）にハバード
ギャップが形成される場合には、第１の領域（Ｃ₁）お
よび第２の領域（Ｃ₂）をそれぞれトンネル障壁領域お
よび伝導領域（チャネル）として用い、外部電場を印加
することによりモット−シュタルク効果によって第２の
領域（Ｃ₂）にハバードギャップが形成される場合には
第１の領域（Ｃ₁）および第２の領域（Ｃ₂）をそれぞ
れ伝導領域（チャネル）およびトンネル障壁領域として
用いる。

【００１７】この発明による量子素子の好適な一実施形
態において、量子箱（ＱＤ）は化合物半導体ヘテロ接合
により形成される。この化合物半導体ヘテロ接合として
は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合、ＧａＡｓ／Ａ
ｌＡｓヘテロ接合、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂヘテロ接合
などを用いることができる。この量子箱（ＱＤ）は、典
型的には錐状の形状、具体的には、三角錐、四角錐、正
四面体または円錐の形状を有するほか、三角錐、四角
錐、正四面体または円錐の頂部を切除した形状を有す
る。また、この量子箱（ＱＤ）は、典型的には、有機金
属化学気相成長法によりエピタキシャル成長された化合
物半導体層により形成される。

【００１８】ここで、先に言及した「トランスファー・
エネルギー」の物理的意味について詳細に説明する。

【００１９】今、中心座標が（ｒ_x、ｒ_y）の量子箱１
と中心座標が（−ｒ_x、−ｒ_y）の量子箱２との二つの
量子箱から成る量子箱結合系を考える。そして、この量
子箱結合系における電子のダイナミックスを、孤立した
水素原子の電子状態の厳密解から水素分子イオン（Ｈ₂
⁺）の電子状態を考える場合の有効な近似法として知ら
れているＬＣＡＯ（Linear Combination of Atomic Orb
itals)近似に基づいて考察する。

【００２０】このＬＣＡＯ近似で考えると、最初は孤立
していた量子箱１および量子箱２が互いに接近したとき
には、量子箱１の電子の基底状態｜１〉および量子箱２
の電子の基底状態｜２〉のエネルギー準位Ｅ₀に幅２Δ
Ｅの分裂が起こり、結合状態と反結合状態との二状態が
得られる。これらの結合状態および反結合状態のエネル
ギーおよび波動関数は次のように表される。

【００２１】

【数１】

【数２】ここで、ΔＥがトランスファー・エネルギーと呼ばれ、
後述のように量子箱間の電子のトンネル時間τの目安と
なるものである。

【００２２】この量子箱結合系のハミルトニアンを

【数３】と書くと、

【数４】は、次式で示されるようにこのハミルトニアンの固有状
態となっている。

【数５】

【００２３】さて、今、例えば量子箱１に電子が局在し
ているとすると、この状態は

【数６】と書くことができる。この状態からシュレーディンガー
方程式によって時間発展させると、時刻ｔにおける状態
は

【数７】となる。

【００２４】これより、

【数８】を満たす時刻ｔになると、量子箱１に局在していた電子
は量子箱２に到達していることがわかる。従って、この
ＬＣＡＯ近似の範囲で、量子箱１から量子箱２への電子
のトンネル時間τを

【数９】と考えることができる。

【００２５】このトンネル時間τは、より一般的には、

【数１０】と書くことができる。

【００２６】以上より、量子箱結合系における電子のダ
イナミックスを最も単純化すれば、量子箱間のトランス
ファー・エネルギーΔＥの大きさに依存するトンネリン
グにより電子は運動することになる。

【００２７】次に、ＬＣＡＯ近似の範囲内でのトランス
ファー・エネルギーΔＥの表式を求める。

【００２８】今、一辺の長さが２ｄの単独の正方形量子
箱を考えると、そのポテンシャルエネルギーは

【数１１】である。従って、運動エネルギーをＫと書けば、この系
のハミルトニアンは

【数１２】である。このハミルトニアンの基底状態を

【数１３】とし、そのエネルギーをＥ₀とすれば、

【数１４】が成り立つ。

【００２９】これに対し、二つの正方形量子箱からなる
量子箱結合系のハミルトニアンは、次式のように書くこ
とができる。

【００３０】

【数１５】ただし、一方の量子箱の中心座標および他方の量子箱の
中心座標をすでに述べたように書くと、

【数１６】である。

【００３１】一方、(10)式で示される単独正方形量子箱
のハミルトニアンの基底状態の波動関数は

【数１７】であるが、

【数１８】はそれぞれ、

【数１９】を満たしている。

【００３２】以上の準備ができたところで、(12)式で示
される量子箱結合系のハミルトニアンのエネルギー固有
値を、(15)式で示される単独正方形量子箱の固有状態の
張る二次元部分空間上で求める。この(15)式で示される
二つの固有状態は直交していないので、まず直交基底を
構成すると、これは例えば以下のようになる。

【００３３】

【数２０】

【００３４】この直交基底でハミルトニアン行列要素を
計算すると、

【数２１】

【数２２】

【数２３】

【数２４】となる。ただし、これらの行列要素の計算においては、
(16)式および次の式を用いた。

【００３５】

【数２５】

【００３６】(20)式および(21)式からわかるようにハミ
ルトニアン行列の非対角要素は０であるので、このハミ
ルトニアン行列は実は対角化されている。従って、エネ
ルギー固有値は

【数２６】であり、その固有ベクトルがそれぞれ、

【数２７】となっている。

【００３７】(18)式および(19)式の中で、波動関数の局
在性より、

【数２８】が言えるので、エネルギーとして

【数２９】のように考えることができる。

【００３８】すでに述べたように、上記のトランスファ
ー・エネルギー（ΔＥまたはＴ）が小さい場合には、電
子は各量子箱に局在し、量子箱間のトンネリングによる
電子の運動は抑制される。

【００３９】

【作用】上述のように構成されたこの発明による量子素
子によれば、例えば、量子箱の配列面と直交する第１の
方向に外部電場を印加したときにモット−シュタルク効
果によって第１の領域が絶縁体相、すなわちトンネル障
壁領域となり、第２の領域が金属相、すなわち伝導領域
（チャネル）となるようにすることができ、このとき、
第１の領域の幅方向の一方の側の第２の領域と他方の側
の第２の領域との間に第１の領域をトンネル障壁として
電流を流すことができる。一方、第１の方向と逆の第２
の方向に外部電場を印加したときには、モット−シュタ
ルク効果によって第２の領域が絶縁体相、すなわちトン
ネル障壁領域となり、第１の領域が金属相、すなわち伝
導領域（チャネル）となるようにすることができ、この
とき、第１の領域の一端から他端に電流を流すことがで
きる。

【００４０】以上のことからわかるように、この発明に
よる量子素子によれば、第１の領域および第２の領域を
互いに交差するチャネルと考えれば、外部電場の印加方
向を第１の方向と第２の方向との間で反転させることに
より、同一平面上で互いに交差するチャネルの切り換え
を行うことができる。したがって、この発明による量子
素子は、交差チャネル交換器として機能する。

【００４１】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照しながら説明する。まず、この一実施例による量子素
子において用いられる、互換超格子と呼ばれる構造につ
いて説明する。

【００４２】図１はこの互換超格子を示す断面図、図２
はこの互換超格子における量子ドットアレーから成る領
域の一部を示す斜視図である。

【００４３】図１および図２に示すように、この互換超
格子においては、量子井戸部としての四面体状のＧａＡ
ｓ層１が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２により囲まれ
た構造のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合による量子
ドットＱＤが一平面、すなわちｘ−ｙ面内に互いに隣接
して二次元的に配列された量子ドットアレーから成る領
域Ｉと、量子井戸部としての四面体状のＧａＡｓ層１が
障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２により囲まれた構造の
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合による量子ドットＱ
Ｄがｘ−ｙ面内に互いに隣接して二次元的に配列された
量子ドットアレーから成る領域ＩＩとが交互にかつ互い
に接して配置されて多重接合構造が形成されている。そ
して、これらの領域ＩおよびＩＩを上下からはさみ込む
ように、電極３および４が設けられている。なお、図１
においては、領域Ｉの数が３、領域ＩＩの数が２である
場合が図示されている。

【００４４】この場合、領域ＩおよびＩＩを構成する量
子ドットＱＤはいずれもその配列面、すなわちｘ−ｙ面
に垂直なｚ軸方向に対して非対称性を有しているが、領
域Ｉを構成する四面体状の量子ドットＱＤは、その一頂
点がｚ軸の負方向を向いており、この頂点と対向する底
面がｚ軸の正方向側にあるのに対して、領域ＩＩを構成
する四面体状の量子ドットＱＤは、その一頂点がｚ軸の
正方向を向いており、この頂点と対向する底面がｚ軸の
負方向側にある。すなわち、領域Ｉを構成する量子ドッ
トＱＤの非対称性と領域ＩＩを構成する量子ドットＱＤ
の非対称性とは互いに反転させた関係にある。

【００４５】そして、領域Ｉを構成する量子ドットＱＤ
をｘ−ｙ面に平行に切断したときの断面積はｚ軸の正方
向に単調に増加しており、隣接する量子ドットＱＤ間の
間隔はｚ軸の正方向に単調に減少している。これに対し
て、領域ＩＩを構成する量子ドットＱＤをｘ−ｙ面に平
行に切断したときの断面積はｚ軸の正方向に単調に減少
しており、隣接する量子ドットＱＤ間の間隔はｚ軸の正
方向に単調に増加している。

【００４６】また、この場合、領域Ｉの量子ドットアレ
ーを構成する量子ドットＱＤ間の間隔は、ｚ軸の負方向
に外部電場を印加したときにこの領域Ｉが金属相となる
ように十分に小さく選ばれており、具体的には、量子ド
ットＱＤの大きさが例えば１０ｎｍ程度である場合、量
子ドットＱＤ間の間隔は例えば５ｎｍ程度に選ばれる。
一方、領域ＩＩの量子ドットアレーを構成する量子ドッ
トＱＤ間の間隔は、ｚ軸の正方向に外部電場を印加した
ときにこの領域ＩＩが金属相となるように十分に小さく
選ばれており、具体的には、量子ドットＱＤの大きさが
例えば１０ｎｍ程度である場合、量子ドットＱＤ間の間
隔は例えば５ｎｍ程度に選ばれる。

【００４７】次に、上述のように構成された互換超格子
の動作原理について説明する。まず、電極３の電位をも
う一方の電極４の電位よりも高くすることにより、具体
的には例えば電極３を接地し、電極４に負電圧を印加す
ることにより、ｚ軸の正方向に外部電場を印加する。す
ると、領域Ｉの量子ドットアレーを構成する四面体状の
各量子ドットＱＤ内の電子は、ｚ軸の負方向に力を受
け、図１における各量子ドットＱＤの下部、すなわち四
面体の頂部に押しやられる。換言すれば、各量子ドット
ＱＤ内の電子の波動関数は、ｚ軸の負側に偏って分布す
る。このとき、隣接する量子ドットＱＤ間の間隔は実効
的に増加する。この結果、この領域Ｉは、モット−シュ
タルク効果によってモット金属−絶縁体転移を起こして
絶縁体相となり、トンネル障壁領域として振る舞う。一
方、領域ＩＩの量子ドットアレーを構成する四面体状の
各量子ドットＱＤ内の電子は、ｚ軸の負方向に力を受
け、図１における各量子ドットＱＤの下部、すなわち四
面体の底部に押しやられる。換言すれば、各量子ドット
ＱＤ内の電子の波動関数は、ｚ軸の負側に偏って分布す
る。このとき、隣接する量子ドットＱＤ間の間隔は実効
的に減少する。この結果、この領域ＩＩは金属相とな
り、伝導領域として振る舞う。そして、このように絶縁
体相でトンネル障壁領域として振る舞う領域Ｉと金属相
で伝導領域として振る舞う領域ＶＩとにより超格子が構
成されている。このようにｚ軸の正方向に外部電場を印
加したときのこの互換超格子のエネルギーバンド図は、
図３に示すようになっている。

【００４８】次に、外部電場の印加方向を反転させる。
すなわち、電極３の電位をもう一方の電極４の電位より
も低くすることにより、具体的には例えば電極３を接地
し、電極４に正電圧を印加することにより、ｚ軸の負方
向に外部電場を印加する。すると、領域Ｉの量子ドット
アレーを構成する四面体状の各量子ドットＱＤ内の電子
は、ｚ軸の正方向に力を受け、図１における各量子ドッ
トＱＤの上部、すなわち四面体の底部に押しやられる。
換言すれば、各量子ドットＱＤ内の電子の波動関数は、
ｚ軸の正側に偏って分布する。このとき、隣接する量子
ドットＱＤ間の間隔は実効的に減少する。この結果、こ
の領域Ｉは金属相となり、伝導領域として振る舞う。一
方、領域ＩＩの量子ドットアレーを構成する四面体状の
各量子ドットＱＤ内の電子は、ｚ軸の正方向に力を受
け、図１における各量子ドットＱＤの上部、すなわち四
面体の頂部に押しやられる。換言すれば、各量子ドット
ＱＤ内の電子の波動関数は、ｚ軸の正側に偏って分布す
る。このとき、隣接する量子ドットＱＤ間の間隔は実効
的に増加する。この結果、この領域ＩＩは、モット−シ
ュタルク効果によってモット金属−絶縁体転移を起こし
て絶縁体相となり、トンネル障壁領域として振る舞う。
そして、このように金属相で伝導領域として振る舞う領
域Ｉと絶縁体相でトンネル障壁領域として振る舞う領域
ＩＩとにより超格子が構成されている。このようにｚ軸
の負方向に外部電場を印加したときのこの互換超格子の
エネルギーバンド図は、図４に示すようになっている。

【００４９】以上のように、ｚ軸の正方向に外部電場を
印加したときには、領域Ｉは絶縁体相となってトンネル
障壁領域となり、また領域ＩＩは金属相となって伝導領
域となり、一方、ｚ軸の負方向に外部電場を印加したと
きには、領域Ｉは金属相となって伝導領域となり、また
領域ＩＩは絶縁体相となってトンネル障壁領域となる。
すなわち、外部電場の印加方向を反転させることによ
り、領域Ｉと領域ＩＩとの間でトンネル障壁領域と伝導
領域とを交換することができる。これをまとめると、次
表に示すようになる。

【００５０】 ───────────────────────────── 印加電場方向ｚ軸の正方向ｚ軸の負方向 ───────────────────────────── 領域Ｉトンネル障壁領域伝導領域領域ＩＩ伝導領域トンネル障壁領域 ─────────────────────────────

【００５１】上述のように構成された互換超格子は、例
えば次のようにして製造することができる。すなわち、
まず、図５Ａに示すように、電極３として例えばｎ型Ｇ
ａＡｓ基板を用い、このｎ型ＧａＡｓ基板から成る電極
３上に例えばＭＯＣＶＤ法により所定厚さのＡｌＧａＡ
ｓ層２ａをエピタキシャル成長させた後、領域ＩＩに対
応する部分におけるこのＡｌＧａＡｓ層２ａを所定深さ
までエッチングする。次に、図５Ｂに示すように、領域
ＩＩに対応する部分におけるＡｌＧａＡｓ層２ａ上に例
えば正三角形状の開口５ａが二次元アレー状に形成され
たＳｉＯ₂膜５を形成するとともに、領域Ｉに対応する
部分におけるＡｌＧａＡｓ層２ａに例えば四面体状の穴
Ｈを二次元アレー状に形成する。次に、再びＭＯＣＶＤ
法により全面にＧａＡｓをエピタキシャル成長させる。
これによって、図５Ｃに示すように、領域ＩＩに対応す
る部分におけるＳｉＯ₂膜５の開口５ａの部分のＡｌＧ
ａＡｓ層２ａ上にＧａＡｓ層１が四面体状に選択的にエ
ピタキシャル成長するとともに、領域Ｉに対応する部分
におけるＡｌＧａＡｓ層２ａの穴Ｈの内部にＧａＡｓ層
１がエピタキシャル成長する。次に、ＳｉＯ₂膜５をエ
ッチング除去した後、図５Ｄに示すように、ＭＯＣＶＤ
法により全面にＡｌＧａＡｓ層２ｂをエピタキシャル成
長させる。この後、このＡｌＧａＡｓ層２ｂ上に例えば
真空蒸着法により例えば金属膜から成る電極４を形成す
る。これによって、図１および図２に示すように、目的
とする互換超格子が完成される。

【００５２】この発明の一実施例による量子素子におい
ては、上述のような互換超格子の原理を利用して交差チ
ャネル交換器を実現する。すなわち、この一実施例によ
る量子素子においては、図６に示すように、上述の互換
超格子における領域Ｉと同様な構造のチャネルＣ₁と、
上述の互換超格子における領域ＩＩと同様な構造のチャ
ネルＣ₂とが互いに直交する方向に設けられる。この場
合、チャネルＣ₁は、細線状の部分とその両端に設けら
れた幅広の部分とから成る。一方、チャネルＣ₂は、チ
ャネルＣ₁の幅方向の両側にこのチャネルＣ₁と接して
それぞれ設けられている。このチャネルＣ₂の幅は、チ
ャネルＣ₁の細線状部の幅に比べて十分に大きくなって
おり、このチャネルＣ₂の両端部ではさらに大きくなっ
ている。

【００５３】そして、図７に示すように、チャネルＣ₁
の長手方向とチャネルＣ₂の長手方向との交差部を十分
に覆うように外部電場印加用の電極４が設けられてい
る。実際には、図１に示すと同様に、この電極４に対向
して電極３（例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板により構成され
る）が設けられているが、図７においては図示されてい
ない。また、チャネルＣ₁の両端にそれぞれ電極Ｅ₁お
よびＥ₂が設けられているとともに、チャネルＣ₂の両
端にそれぞれ電極Ｅ₃およびＥ₄が設けられている。こ
れらの電極Ｅ₁、Ｅ₂、Ｅ₃およびＥ₄は例えば金属に
より形成される。ここで、電極Ｅ₁およびＥ₂は、それ
らを構成する金属とその下地のＡｌＧａＡｓおよびＧａ
Ａｓとの合金層を介してそれぞれチャネルＣ₁の一端お
よび他端部でこのチャネルＣ₁を構成する量子ドットア
レーとオーミック接続されている。同様に、電極Ｅ₃お
よびＥ₄は、それらを構成する金属とその下地のＡｌＧ
ａＡｓおよびＧａＡｓとの合金層を介してそれぞれチャ
ネルＣ₂の一端および他端部でこのチャネルＣ₂を構成
する量子ドットアレーとオーミック接続されている。

【００５４】次に、上述のように構成されたこの一実施
例による量子素子の動作原理について説明する。まず、
ｚ軸の正方向に外部電場が印加されている場合を考え
る。この場合、領域Ｉから成るチャネルＣ₁はモット−
シュタルク効果によりモット金属−絶縁体転移を起こし
て絶縁体相となっており、領域ＩＩから成るチャネルＣ
₂は金属相となっている。このとき、電極Ｅ₁と電極Ｅ
₂との間に電流は流れない。一方、電極Ｅ₃と電極Ｅ₄
との間については、金属相で伝導領域となっている領域
ＩＩから成るチャネルＣ₂の途中に、絶縁体相である領
域Ｉから成る細線状のチャネルＣ₂が存在する構造とな
っており、電極Ｅ₃と電極Ｅ₄との間に電圧が印加され
ているとすると、この絶縁体相である細線状のチャネル
Ｃ₁をトンネル障壁として電極Ｅ₃と電極Ｅ₄との間に
電流が流れる。

【００５５】次に、ｚ軸の負方向に外部電場が印加され
ている場合を考える。この場合、領域ＩＩから成るチャ
ネルＣ₂はモット−シュタルク効果によりモット金属−
絶縁体転移を起こして絶縁体相となっており、領域Ｉか
ら成るチャネルＣ₁は金属相で伝導領域となっている。
このとき、電極Ｅ₁と電極Ｅ₂との間に電圧が印加され
ているとすると、電極Ｅ₁と電極Ｅ₂との間に電流が流
れる。一方、電極Ｅ₃と電極Ｅ₄との間には電流が流れ
ない。

【００５６】以上のことをまとめると、外部電場の印加
方向がｚ軸の負方向である場合には電極Ｅ₃と電極Ｅ₄
との間に電流が流れ、電極Ｅ₁と電極Ｅ₂との間に電流
は流れない。一方、外部電場の印加方向がｚ軸の正方向
である場合には電極Ｅ₁と電極Ｅ₂との間に電流が流
れ、電極Ｅ₃と電極Ｅ₄との間に電流は流れない。すな
わち、外部電場の印加方向をｚ軸の負方向と正方向との
間で変化させることにより、電流が流れるチャネルを互
いに交差する二方向の間で切り換えることができる。

【００５７】なお、チャネルＣ₂の幅を十分に大きくと
り、電極Ｅ₃と電極Ｅ₄との間に電流が流れるときにこ
の電流が細線状のチャネルＣ₁に形成されたトンネル障
壁を通るときの通路幅を十分に大きくすることにより、
電極Ｅ₃と電極Ｅ₄との間の抵抗値を電極Ｅ₁と電極Ｅ
₂との間の抵抗値とそろえることができる。

【００５８】以上のように、この一実施例による量子素
子は、外部電場の印加方向を変化させることにより、同
一平面上で互いに交差するチャネルの切り換えを行うこ
とができる交差チャネル交換器として機能する。この交
差チャネル交換器は、量子ドットアレーを用いた量子素
子による集積回路、特に大規模集積回路における交差配
線に好適に適用することができる。また、量子ドットＱ
Ｄの作製に厳しい均質性が要求されないので、この一実
施例による量子素子は製造や集積化が比較的容易であ
る。

【００５９】この一実施例による量子素子はまた、一種
の機能素子として考えることもできる。すなわち、この
一実施例による量子素子において、電極Ｅ₁をソース
１、電極Ｅ₂をドレイン１、電極Ｅ₃をソース２、電極
Ｅ₄をドレイン２と考え、さらに例えば外部電場印加用
の電極３を接地し、外部電場印加用の電極４をゲート電
極と考えてそれに印加される電圧をゲート電圧とする
と、この一実施例による量子素子は、次のような入出力
を有する機能素子と考えることができる。

【００６０】 ──────────────────────── ゲート電圧＋ − ──────────────────────── ソース１−ドレイン１オンオフソース２−ドレイン２オフオン ────────────────────────

【００６１】以上、この発明の一実施例について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。

【００６２】例えば、上述の一実施例においては、量子
ドットが二次元的に配列された二次元の量子ドットアレ
ーを用いた場合について説明したが、この発明は、量子
ドットが一次元的または三次元的に配列された一次元ま
たは三次元の量子ドットアレーを用いる場合にも、同様
に適用することが可能である。

【００６３】また、上述の一実施例による量子素子にお
いては、形状非対称性を有する量子ドットＱＤを用いた
が、組成的な非対称性を有する量子ドットＱＤを用いる
ようにしてもよい。具体的には、例えば、障壁層として
ＡｌＡｓ層を、量子井戸部としてＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層
を用い、このＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層のＡｌ組成比ｘを量
子ドットの配列面に垂直なｚ軸方向に変化させるように
してもよい。この場合には、このＡｌ組成比ｘの変化に
伴い、量子ドットＱＤにおける量子閉じ込めの障壁高さ
がｚ軸方向に変化し、ｚ軸方向に対して量子閉じ込めの
障壁高さに非対称性が生じる。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による量
子素子によれば、外部電場により同一平面上で互いに交
差するチャネルの切り換えが可能な交差チャネル交換器
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による量子素子において用
いられる互換超格子を説明するための断面図である。

【図２】図１に示す互換超格子における量子ドットアレ
ーから成る領域の一部を示す斜視図である。

【図３】図１および図２に示す互換超格子のｚ軸の正方
向の外部電場を印加したときのエネルギーバンド図であ
る。

【図４】図１および図２に示す互換超格子のｚ軸の負方
向の外部電場を印加したときのエネルギーバンド図であ
る。

【図５】図１および図２に示す互換超格子の製造方法の
一例を説明するための断面図である。

【図６】この発明の一実施例による量子素子を説明する
ための平面図である。

【図７】この発明の一実施例による量子素子を説明する
ための平面図である。

【図８】この発明の原理を説明するための略線図であ
る。

【符号の説明】

１ＧａＡｓ層２ＡｌＧａＡｓ層３、４電極ＱＤ量子ドットＩ、ＩＩ領域Ｃ₁、Ｃ₂ チャネルＥ₁、Ｅ₂、Ｅ₃、Ｅ₄ 電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細線状の第１の領域と、上記第１の領域の幅方向の両側に上記第１の領域と接し
てそれぞれ設けられている第２の領域とを有し、上記第１の領域は一面内に互いに隣接して配列された複
数の量子箱から成り、かつ上記複数の量子箱が上記面と
直交する方向に対して非対称性を有し、上記第２の領域は上記面内に互いに隣接して配列された
複数の量子箱から成り、かつ上記複数の量子箱が上記方
向に対して上記第１の領域の上記複数の量子箱と逆の非
対称性を有することを特徴とする量子素子。
【請求項２】上記方向に外部電場を印加するための電
極が上記複数の量子箱に隣接して設けられていることを
特徴とする請求項１記載の量子素子。
【請求項３】上記外部電場を印加することによりモッ
ト−シュタルク効果によって上記第１の領域にハバード
ギャップが形成される場合には、上記第１の領域および
上記第２の領域をそれぞれトンネル障壁領域および伝導
領域として用い、上記外部電場を印加することによりモ
ット−シュタルク効果によって上記第２の領域にハバー
ドギャップが形成される場合には、上記第１の領域およ
び上記第２の領域をそれぞれ伝導領域およびトンネル障
壁領域として用いるようにしたことを特徴とする請求項
２記載の量子素子。
【請求項４】上記量子箱が化合物半導体ヘテロ接合に
より形成されていることを特徴とする請求項１、２また
は３記載の量子素子。
【請求項５】上記量子箱が錐状の形状を有することを
特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子素
子。
【請求項６】上記量子箱が三角錐、四角錐、正四面体
または円錐の形状を有することを特徴とする請求項１〜
４のいずれか一項記載の量子素子。
【請求項７】上記量子箱が三角錐、四角錐、正四面体
または円錐の頂部を切除した形状を有することを特徴と
する請求項１〜４のいずれか一項記載の量子素子。
【請求項８】上記量子箱が有機金属化学気相成長法に
よりエピタキシャル成長された化合物半導体層により形
成されたものであることを特徴とする請求項５、６また
は７記載の量子素子。