JPH07302892A

JPH07302892A - 量子素子

Info

Publication number: JPH07302892A
Application number: JP11762594A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Ugajin; 隆一宇賀神
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-05-07
Filing date: 1994-05-07
Publication date: 1995-11-14

Abstract

(57)【要約】【目的】特定の結合量子ドット中における電子の存在
の有無を検出することができる量子素子を実現する。【構成】順次積層された二段の量子ドットＱＤ_j-1、
ＱＤ_j-2から成る結合量子ドットを二次元的に複数配列
して量子ドットアレーを構成する。量子ドットＱ
Ｄ_j-1、ＱＤ_j-2は化合物半導体ヘテロ接合により形成
する。特定の結合量子ドット中における電子の存在の有
無を検出するためには、その結合量子ドットを含む領域
に、量子ドットＱＤ_j-2の基底状態のエネルギー準位と
第１励起状態のエネルギー準位との間のエネルギー差に
等しい光子エネルギーを有するレーザー光を照射しなが
ら、その結合量子ドットに所定電圧が印加された針状電
極を接近させることにより外部電場を印加し、そのとき
の光吸収の有無を測定する。

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】近年、量子波エレクトロニクスにおいて
は、電子のド・ブロイ波長と同程度の断面寸法を有する
極微箱構造、すなわちいわゆる量子箱が注目されてお
り、この量子箱内に閉じ込められた０次元電子が示す量
子効果に大きな関心がもたれている。そして、最近で
は、このような量子箱を互いに隣接して複数配列するこ
とにより量子箱アレーを形成し、各種の機能を有する量
子素子を実現する試みがなされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のような量子箱ア
レーを用いた量子素子においては、特定の量子箱中にお
ける電子の存在の有無を検出する必要がある場合があ
る。しかしながら、量子箱の大きさは典型的には〜１０
ｎｍと極めて小さいことなどにより、特定の量子箱中に
おける電子の存在の有無を検出することは、これまで困
難であった。

【０００４】したがって、この発明の目的は、光の照射
と外部電場の印加とを併用することにより特定の量子箱
中における電子の存在の有無の検出を行うことができる
量子素子を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明による量子素子は、互いに積層された第１
の量子箱（ＱＤ_j-1）および第２の量子箱（ＱＤ_j-2）
から成る結合量子箱が積層方向と交差する一面内に互い
に隣接して複数配列されていることを特徴とするもので
ある。

【０００６】この発明による量子素子の一実施形態にお
いては、第１の量子箱（ＱＤ_j-1）および第２の量子箱
（ＱＤ_j-2）は互いに異なる化合物半導体ヘテロ接合に
より形成されており、第１の量子箱（ＱＤ_j-1）の電子
の基底状態のエネルギー準位および第２の量子箱（ＱＤ
_j-2）の電子の基底状態のエネルギー準位をそれぞれＥ
₀ ^(j-1)およびＥ₀ ^(j-2)、第１の量子箱（ＱＤ_j-1）
の電子の第１励起状態のエネルギー準位および第２の量
子箱（ＱＤ_j-2）の電子の第１励起状態のエネルギー準
位をそれぞれＥ₁ ^(j-1)およびＥ₁ ^(j-2)としたとき、Ｅ₀ ^(j-1)＜Ｅ₀ ^(j-2) (1) Ｅ₁ ^(j-1)−Ｅ₀ ^(j-1)＞Ｅ₁ ^(j-2)−Ｅ₀ ^(j-2) (2) が成立するように、第１の量子箱（ＱＤ_j-1）および第
２の量子箱（ＱＤ_j-2）の設計が行われている。

【０００７】ここで、第１の量子箱（ＱＤ_j-1）を形成
する化合物半導体ヘテロ接合および第２の量子箱（ＱＤ
_j-2）を形成する化合物半導体ヘテロ接合は、典型的に
は、タイプＩのヘテロ接合超格子である。具体的には、
第１の量子箱（ＱＤ_j-1）を形成する化合物半導体ヘテ
ロ接合は例えばＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合
であり、第２の量子箱（ＱＤ_j-2）を形成する化合物半
導体ヘテロ接合は例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ
接合である。

【０００８】また、この場合、結合量子箱中における電
子の存在の有無の検出は、電子の存在の有無の検出を行
うべき結合量子箱に単色光を照射しながら、その電子の
存在の有無の検出を行うべき結合量子箱に積層方向の外
部電場を選択的に印加し、そのときの単色光の吸収を測
定することにより行う。この単色光としては、第２の量
子箱（ＱＤ_j-2）の電子の基底状態のエネルギー準位と
第１励起状態のエネルギー準位との間のエネルギー差
（Ｅ₁ ^(j-2)−Ｅ₀ ^(j-2)）に共鳴する光子エネルギー
を有する単色光、好適にはレーザー光を用いる。また、
結合量子箱に印加する外部電場の強さは、第１の量子箱
（ＱＤ_j-1）の電子の基底状態のエネルギー準位Ｅ₀
^(j-1)と第２の量子箱（ＱＤ_j-2）の電子の基底状態の
エネルギー準位Ｅ₀ ^(j-2)とが互いにほぼ一致する程度
の強さとする。

【０００９】さらに、この発明による量子素子の他の一
実施形態においては、第１の量子箱（ＱＤ_j-1）および
第２の量子箱（ＱＤ_j-2）は互いに同一の化合物半導体
ヘテロ接合により形成されており、第１の量子箱（ＱＤ
_j-1）の電子の基底状態のエネルギー準位および第２の
量子箱（ＱＤ_j-2）の電子の基底状態のエネルギー準位
をそれぞれＥ₀ ^(j-1)およびＥ₀ ^(j-2)としたとき、Ｅ₀ ^(j-1)＜Ｅ₀ ^(j-2) (3) が成立するように、第１の量子箱（ＱＤ_j-1）および第
２の量子箱（ＱＤ_j-2）の設計が行われている。

【００１０】ここで、第１の量子箱（ＱＤ_j-1）および
第２の量子箱（ＱＤ_j-2）を形成する化合物半導体ヘテ
ロ接合は、典型的には、タイプＩまたはタイプＩＩのヘ
テロ接合超格子である。具体的には、第１の量子箱（Ｑ
Ｄ_j-1）および第２の量子箱（ＱＤ_j-2）を形成する化
合物半導体ヘテロ接合は、タイプＩのヘテロ接合超格子
としては例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合であ
り、タイプＩＩのヘテロ接合超格子としては例えばＡｌ
Ｓｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ
接合またはＡｌＳｂ／ＧａＳｂヘテロ接合である。

【００１１】また、この場合も、結合量子箱中における
電子の存在の有無の検出は、電子の存在の有無の検出を
行うべき結合量子箱に単色光を照射しながら、その電子
の存在の有無の検出を行うべき結合量子箱に積層方向の
外部電場を選択的に印加し、そのときの単色光の吸収を
測定することにより行う。ただし、この単色光として
は、結合量子箱の電子の基底状態のエネルギー準位と第
１励起状態のエネルギー準位との間のエネルギー差（Ｅ
₁ ^(j)−Ｅ₀ ^(j)）に共鳴する光子エネルギーを有する
単色光、好適にはレーザー光を用いる。また、結合量子
箱に印加する外部電場の強さは、結合量子箱の電子の基
底状態と第１励起状態とが共鳴的に混じり合う程度の強
さとする。

【００１２】上記外部電場を印加するには、好適には、
所定電圧が印加された針状電極を電子の存在の有無の検
出を行うべき結合量子箱に接近させる。

【００１３】

【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、電子の存在の有無の検出を行うべき結合量
子箱にその設計に応じて決まる所定の光子エネルギーを
有する単色光を照射しながら、その結合量子箱に針状電
極などにより所定の外部電場を選択的に印加し、そのと
きの単色光の吸収を測定することにより、その結合量子
箱中における電子の存在の有無の検出を行うことができ
る。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。図１はこの発明の第１実施例による
量子素子を概念的に示したものである。図１に示すよう
に、この第１実施例による量子素子においては、ｘ方向
およびｙ方向に後述の二段の量子ドットから成る結合量
子ドットが配列されており、これらの結合量子ドットに
より結合量子ドットアレーが構成されている。この場
合、結合量子ドットはｘ方向にはＭ個、ｙ方向にはＮ個
配列されており、結合量子ドットの総数はＭＮ個であ
る。これらの結合量子ドットのサイトに順番に１からＭ
Ｎまで番号を付ける。図２はこの第１実施例による量子
素子を示す斜視図であり、結合量子ドットアレーの一部
を示したものである。

【００１５】図２において、符号１は障壁層としてのＡ
ｌＧａＡｓ層を示す。この場合、ｘ−ｙ面に平行な第１
の面内に量子井戸層としての箱状のＩｎＧａＡｓ層２が
所定の配列パターンでアレー状に配列され、ｘ−ｙ面に
平行な第２の面内に量子井戸層としての箱状のＧａＡｓ
層３がその下段のＩｎＧａＡｓ層２に対応してアレー状
に配列されている。これらのＩｎＧａＡｓ層２およびＧ
ａＡｓ層３は、障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１内に埋
め込まれている。

【００１６】この場合、量子井戸層としてのＩｎＧａＡ
ｓ層２が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１で囲まれた構
造により図２中下段、すなわち第１段目の量子ドットが
形成されている。また、量子井戸層としてのＧａＡｓ層
３が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１で囲まれた構造に
より図２中上段、すなわち第２段目の量子ドットが形成
されている。そして、ｚ方向に順次積層されたこれらの
第１段目の量子ドットおよび第２段目の量子ドットによ
り一つの結合量子ドットが構成されている。ここでは、
ｊ番目のサイトの結合量子ドットを構成する第１段目の
量子ドットをＱＤ_j-1、第２段目の量子ドットをＱＤ
_j-2と書く。

【００１７】ここで、第１段目の量子ドットＱＤ_j-1を
構成するＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合と、第
２段目の量子ドットＱＤ_j-2を構成するＡｌＧａＡｓ／
ＧａＡｓヘテロ接合とは、いずれもタイプＩのヘテロ接
合超格子である。

【００１８】いま、量子ドットＱＤ_j-1の量子井戸層と
してのＩｎＧａＡｓ層２のｚ方向の幅をＷ₁、量子ドッ
トＱＤ_j-2の量子井戸層としてのＧａＡｓ層３のｚ方向
の幅をＷ₂とし、量子ドットＱＤ_j-1の量子井戸層とし
てのＩｎＧａＡｓ層２の伝導帯におけるポテンシャル井
戸の深さをＶ₁、量子ドットＱＤ_j-2の量子井戸層とし
てのＧａＡｓ層３の伝導帯におけるポテンシャル井戸の
深さをＶ₂とする。さらに、量子ドットＱＤ_j-k（ｋ＝
１、２）の電子の基底状態のエネルギー準位および第１
励起状態のエネルギー準位をそれぞれＥ₀ ^(j-k)および
Ｅ₁ ^(j-k)と書く。

【００１９】この第１実施例による量子素子において
は、サイトｊの結合量子ドットを構成する量子ドットＱ
Ｄ_j-1および量子ドットＱＤ_j-2の量子井戸層のｚ軸方
向の幅Ｗ_k（ｋ＝１、２）は、下記の式を満たすように
設計されている。Ｅ₀ ^(j-1)＜Ｅ₀ ^(j-2) (4) Ｅ₁ ^(j-1)−Ｅ₀ ^(j-1)＞Ｅ₁ ^(j-2)−Ｅ₀ ^(j-2) (5)

【００２０】具体的には、例えばＷ₂〜１０ｎｍに選
び、 (4)式および (5)式を満たすようにＷ₁（＜Ｗ₂）
を選ぶ。なお、この場合、Ｖ₁＞Ｖ₂である。また、量
子ドットＱＤ_j-1の量子井戸層としてのＩｎＧａＡｓ層
２と量子ドットＱＤ_j-2の量子井戸層としてのＧａＡｓ
層３との間にある障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１のｚ
軸方向の幅は例えば５ｎｍ以下である。一方、ｘ−ｙ面
に平行な面内の量子ドットＱＤ_j-k（ｋ＝１、２）の大
きさは例えば〜１０ｎｍであり、その間隔は例えば〜
（１０〜５０）ｎｍである。

【００２１】サイトｊの結合量子ドットの量子ドットＱ
Ｄ_j-kの積層方向に沿ってのエネルギーバンド図を図３
に示す。図３中のＥ_cは伝導帯の底のエネルギーを示す
（以下同様）。

【００２２】次に、上述のように構成されたこの第１実
施例による量子素子における特定のサイトの結合量子ド
ット中における電子の存在の有無の検出方法について説
明する。後述のように、この検出時には、電子の存在の
有無の検出を行うべき結合量子ドットに単色光、具体的
にはレーザー光を照射するが、このレーザー光は、量子
ドットのサブバンド間の電子のエネルギー準位間隔
（０．３ｅＶ程度）に対応する光子エネルギーを有する
遠赤外光である必要があるので、そのスポットサイズは
数μｍ以上になり、必然的に、電子の存在の有無の検出
を行うべきサイトの結合量子ドット以外に多数の他のサ
イトの結合量子ドットが含まれる広い領域に照射され
る。そこで、このレーザー光が照射された多数の結合量
子ドットから特定の結合量子ドットを選択して検出を行
うために、ここでは、走査型トンネル顕微鏡の走査針と
同様な針状電極を用いてその特定の結合量子ドットに外
部電場を印加する。

【００２３】いま、この第１実施例による量子素子にお
けるサイトｊの結合量子ドット中に電子が存在している
とする。このとき、 (4)式よりＥ₀ ^(j-1)＜Ｅ₀ ^(j-2)
であるので、結合量子ドット中の電子は量子ドットＱＤ
_j-1の基底状態のエネルギー準位Ｅ₀ ^(j-1)に存在する
（図４）。

【００２４】さて、このサイトｊの結合量子ドット中に
おける電子の存在の有無の検出を行うためには、まず、
図５に示すように、そのサイトｊの結合量子ドットを含
む領域にレーザー光Ｌを照射しておく。この状態におい
ては、いずれのサイトの結合量子ドットにも外部電場が
印加されていない。ここで、このレーザー光Ｌとして
は、その光子エネルギーｈνがΔＥ＝Ｅ₁ ^(j-2)−Ｅ₀
^(j-2)に等しい遠赤外光を用いる。このレーザー光Ｌの
光子エネルギーは（Ｅ₁ ^(j-1)−Ｅ₀ ^(j-1)）よりも小
さく((4)式）、したがって量子ドットＱＤ_j-1の基底状
態のエネルギー準位Ｅ₀ ^(j-1)に存在する電子の第１励
起状態Ｅ₁ ^(j-1)への遷移に対応する光吸収は起きな
い。

【００２５】上述のように電子の存在の有無の検出を行
うべきサイトｊの結合量子ドットを含む領域にレーザー
光Ｌを照射した状態において、図６に示すように、量子
素子に対して正の電圧が印加された針状電極ＮＥを、そ
のサイトｊの結合量子ドットに接近させ、外部電場を印
加する。そして、この外部電場の強さがＥ₀ ^(j-1)−Ｅ
₀ ^(j-2)〜０となる程度になると、量子ドットＱＤ_j-1
の基底状態のエネルギー準位Ｅ₀ ^(j-1)に存在する電子
は量子ドットＱＤ_j-2の基底状態のエネルギー準位Ｅ₀
^(j-2)に共鳴的に遷移し、量子ドットＱＤ_j-2中に存在
確率を持つことになる。このときのサイトｊの結合量子
ドットのエネルギーバンド図は図７に示すようになる。
この状況においては、共鳴的にレーザー光Ｌの吸収が起
こり、電子は量子ドットＱＤ_j-2の基底状態のエネルギ
ー準位Ｅ₀ ^(j-2)から第１励起状態のエネルギー準位Ｅ
₁ ^(j-2)に遷移する（図８）。この第１励起状態のエネ
ルギー準位Ｅ₁ ^(j-2)に遷移した電子はその後にｈν＝
ΔＥの光子エネルギーを有する光を放出して基底状態の
エネルギー準位Ｅ₀ ^(j-2)に遷移する。そして、このよ
うなレーザー光Ｌの吸収および光の放出が繰り返され
る。

【００２６】このとき、針状電極ＮＥの先端は鋭いの
で、サイトｊの結合量子ドット以外のサイトの結合量子
ドットでは、針状電極ＮＥにより印加される外部電場の
強さが小さく、それらに生じる影響は少ない。したがっ
て、サイトｐ（ｐ≠ｊ）の結合量子ドットの量子ドット
ＱＤ_p-1と量子ドットＱＤ_p-2との間の基底状態のエネ
ルギー準位の差（Ｅ₀ ^(p-2)−Ｅ₀ ^(p-1)）は十分大き
いため、サイトｐ（ｐ≠ｊ）の結合量子ドット中に電子
が存在していたとしても、量子ドットＱＤ_p-1の基底状
態のエネルギー準位Ｅ₀ ^(p-1)から量子ドットＱＤ_p-2
の基底状態のエネルギー準位Ｅ₀ ^(p-2)への電子の遷移
は起こらず、レーザー光Ｌの吸収も起きない（図９）。

【００２７】次に、上述のように構成されたこの第１実
施例による量子素子の製造方法について説明する。ま
ず、図１０に示すように、図示省略した化合物半導体基
板（例えば、ＧａＡｓ基板）上に、例えば有機金属化学
気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）法により、十分に厚いＡｌＧａＡｓ層１ａ、厚さＷ
₁のＩｎＧａＡｓ層２、所定の厚さのＡｌＧａＡｓ層１
ｂ、厚さＷ₂のＧａＡｓ層３および所定の厚さのＡｌＧ
ａＡｓ層１ｃを順次エピタキシャル成長させる。ここ
で、現在のＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によれば、Ｗ₁、Ｗ
₂などが (4)式および (5)式を満たすように制御してエ
ピタキシャル成長を行うことは容易である。また、Ｉｎ
ＧａＡｓ層２のＩｎ組成比を制御することにより、量子
ドットＱＤ_j-1の量子井戸層となるＩｎＧａＡｓ層２の
伝導帯におけるポテンシャル井戸の深さＶ₁を制御する
ことができる。

【００２８】次に、図１１に示すように、ＡｌＧａＡｓ
層１ｃ上に、電子ビームリソグラフィー法などにより、
結合量子ドットに対応した形状のレジストパターン４を
形成する。

【００２９】次に、このレジストパターン４をマスクと
して、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によ
り、ＡｌＧａＡｓ層１ｃ、ＧａＡｓ層３およびＡｌＧａ
Ａｓ層１ｂおよびＩｎＧａＡｓ層２を基板表面に対して
垂直な方向に順次エッチングする。このエッチングは、
ＩｎＧａＡｓ層２が互いに分離するようにオーバーエッ
チング気味に行う。これによって、図１２に示すよう
に、ＩｎＧａＡｓ層２、ＡｌＧａＡｓ層１ｂ、ＧａＡｓ
層３およびＡｌＧａＡｓ層１ｃが四角柱状にパターニン
グされる。

【００３０】次に、レジストパターン４を除去した後、
図１３に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により、基板
表面に対して垂直な側壁上に成長が起きない条件でＡｌ
ＧａＡｓ層１ｄをエピタキシャル成長させて、四角柱状
のＩｎＧａＡｓ層２、ＡｌＧａＡｓ層１ｂ、ＧａＡｓ層
３およびＡｌＧａＡｓ層１ｃの間の部分を埋める。ここ
で、ＡｌＧａＡｓ層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの全体が図
２に示すＡｌＧａＡｓ層１に対応する。以上のようにし
て、図２に示す量子素子が完成される。

【００３１】以上のように、この第１実施例による量子
素子によれば、電子の存在の有無の検出を行うべきサイ
トｊの結合量子ドットにｈν＝ΔＥの光子エネルギーを
有するレーザー光Ｌを照射し、かつ針状電極ＮＥにより
その結合量子ドットに外部電場を選択的に印加したとき
にだけこのレーザー光Ｌの吸収が起こるので、この光吸
収の有無を測定することにより、このサイトｊの結合量
子ドット中における電子の存在の有無を検出することが
できる。そして、レーザー光Ｌを照射したまま各サイト
の結合量子ドットに順次針状電極ＮＥを接近させ、その
ときのレーザー光Ｌの吸収の有無を測定することによ
り、全てのサイトの結合量子ドット中における電子の存
在の有無を検出することができる。

【００３２】また、この第１実施例による量子素子にお
いては、各サイトの結合量子ドットの大きさが１０ｎｍ
×１０ｎｍ程度であり、各サイトの結合量子ドット間の
間隔も５０ｎｍ程度以下であるので、結合量子ドット１
個当たりの実効的な占有面積は５０ｎｍ×５０ｎｍ＝２
５×１０^-16ｍ²程度以下である。したがって、例えば
結合量子ドットアレーのサイズが６ｍｍ×６ｍｍである
とすれば、この量子素子には約１．５×１０¹⁰個もの結
合量子ドットを集積することができる。

【００３３】次に、この発明の第２実施例による量子素
子について説明する。この第２実施例による量子素子の
全体構成は図１に示すと同様である。図１４はこの第２
実施例による量子素子を示す斜視図であり、結合量子ド
ットアレーの一部を示したものである。

【００３４】図１４において、符号１１は障壁層として
のＡｌＧａＡｓ層を示す。この場合には、ｘ−ｙ面に平
行な第１の面内に量子井戸層としての箱状のＧａＡｓ層
１２が所定の配列パターンでアレー状に配列され、ｘ−
ｙ面に平行な第２の面内に量子井戸層としての箱状のＧ
ａＡｓ層１３がその下段のＧａＡｓ層１２に対応してア
レー状に配列されている。これらのＧａＡｓ層１２およ
びＧａＡｓ層１３は、障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１
１に埋め込まれている。

【００３５】この場合、量子井戸層としてのＧａＡｓ層
１２が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１１で囲まれた構
造により図１４中下段、すなわち第１段目の量子ドット
が形成され、量子井戸層としてのＧａＡｓ層１３が障壁
層としてのＡｌＧａＡｓ層１１で囲まれた構造により図
１４中上段、すなわち第２段目の量子ドットが形成され
ている。そして、ｚ方向に順次積層されたこれらの第１
段目の量子ドットおよび第２段目の量子ドットにより一
つの結合量子ドットが構成されている。ここでは、第１
実施例と同様に、サイトｊの結合量子ドットを構成する
第１段目の量子ドットをＱＤ_j-1、第２段目の量子ドッ
トをＱＤ_j-2と書く。

【００３６】すなわち、第１実施例による量子素子にお
いては、サイトｊの結合量子ドットの第１段目の量子ド
ットＱＤ_j-1はＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合
により構成され、第２段目の量子ドットＱＤ_j-2はＡｌ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成されているの
に対し、この第２実施例による量子素子においては、サ
イトｊの結合量子ドットの第１段目の量子ドットＱＤ
_j-1および第２段目の量子ドットＱＤ_j-2ともただ一種
類のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成され
ている。

【００３７】いま、第１実施例と同様に、量子ドットＱ
Ｄ_j-1の量子井戸層としてのＧａＡｓ層１２のｚ方向の
幅をＷ₁、量子ドットＱＤ_j-2の量子井戸層としてのＧ
ａＡｓ層１３のｚ方向の幅をＷ₂とし、量子ドットＱＤ
_j-1の量子井戸層としてのＧａＡｓ層１２の伝導帯にお
けるポテンシャル井戸の深さをＶ₁、量子ドットＱＤ
_j-2の量子井戸層としてのＧａＡｓ層１３の伝導帯にお
けるポテンシャル井戸の深さをＶ₂とする。さらに、量
子ドットＱＤ_j-k（ｋ＝１、２）の電子の基底状態のエ
ネルギー準位および第１励起状態のエネルギー準位をそ
れぞれＥ₀ ^(j-k)およびＥ₁ ^(j-k)と書く。

【００３８】さて、この第２実施例による量子素子にお
いては、サイトｊの結合量子ドットを構成する量子ドッ
トＱＤ_j-1および量子ドットＱＤ_j-2の量子井戸層のｚ
軸方向の幅Ｗ_k（ｋ＝１、２）は、下記の式を満たすよ
うに設計されている。Ｅ₀ ^(j-1)＜Ｅ₀ ^(j-2) (6) 具体的には、Ｗ₂＜Ｗ₁ (7) に設計されている。

【００３９】ここで、 (6)式の条件は、第１実施例によ
る量子素子の条件((4)式および (5)式）に比べて単純に
なっていることに注意すべきである。

【００４０】Ｗ₁およびＷ₂の値は、例えばＷ₁〜１０
ｎｍ、Ｗ₂〜５ｎｍである。また、この場合、量子ドッ
トＱＤ_j-kの量子井戸層の材料はいずれもＧａＡｓ層で
あるので、Ｖ₁＝Ｖ₂である。さらに、量子ドットＱＤ
_j-1の量子井戸層としてのＧａＡｓ層１２と量子ドット
ＱＤ_j-2の量子井戸層としてのＧａＡｓ層１３との間に
ある障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１１のｚ軸方向の幅
は例えば５ｎｍ以下である。一方、第１実施例と同様
に、ｘ−ｙ面に平行な面内の量子ドットＱＤ_j-k（ｋ＝
１、２）の大きさは例えば〜１０ｎｍであり、その間隔
は例えば〜（１０〜５０）ｎｍである。

【００４１】サイトｊの結合量子ドットの量子ドットＱ
Ｄ_j-kの積層方向に沿ってのエネルギーバンド図を図１
５に示す。

【００４２】次に、上述のように構成されたこの第２実
施例による量子素子におけるサイトｊの結合量子ドット
中における電子の存在の有無の検出方法について説明す
る。いま、簡単のため、各結合量子ドットを構成する第
１段目の量子ドットおよび第２段目の量子ドットにはそ
れぞれ束縛状態が一つしかないものとする。サイトｊの
結合量子ドットの第１段目の量子ドットＱＤ_j-1および
第２段目の量子ドットＱＤ_j-2がそれぞれ単独に存在し
ていたとするときの電子の基底状態およびそのエネルギ
ーをそれぞれ｜ψ₀ ^(j-k)〉およびＥ₀ ^(j-k)（ｋ＝
１、２）と書くと、Ｅ₀ ^(j-1)＜Ｅ₀ ^(j-2) (8) である。

【００４３】この第２実施例による量子素子において
は、二つの量子ドットＱＤ_j-1および量子ドットＱＤ
_j-2は互いに結合しており、それらの間の障壁の幅は小
さいが、エネルギーＥ₀ ^(j-1)およびＥ₀ ^(j-2)が違う
ので、状態｜ψ₀ ^(j-1)〉および｜ψ₀ ^(j-2)〉はあま
り混じり合わない。したがって、この結合量子ドットの
電子の基底状態｜Ψ₀ ^(j)〉および第１励起状態｜Ψ₁
^(j)〉は、｜Ψ₀ ^(j)〉〜｜ψ₀ ^(j-1)〉 (9) ｜Ψ₁ ^(j)〉〜｜ψ₀ ^(j-2)〉 (10) である。これらの基底状態｜Ψ₀ ^(j)〉および第１励起
状態｜Ψ₁ ^(j)〉の波動関数を図１５に対応して示す
と、それぞれ図１６および図１７のようになる。図１６
および図１７に示すように、これらの状態｜Ψ₀ ^(j)〉
および｜ψ₀ ^(j)〉は空間的に互いに分離されているの
で、もし光が入射してもそれを吸収する確率は非常に小
さい。

【００４４】さて、この結合量子ドットに外部電場を印
加すると、サイトｊの結合量子ドットのエネルギーバン
ド図は図１８に示すようになる。この外部電場の印加に
よって量子状態は変化し、それぞれ単独で存在している
としたときの量子ドットＱＤ_j-1および量子ドットＱＤ
_j-2のエネルギー準位が互いに近づくと、共鳴的に両状
態が混じり合う。このときのこの結合量子ドットの量子
状態は、｜Ψ₀ ^(j)〉〜［｜ψ₀ ^(j-1)〉＋｜ψ₀ ^(j-2)〉］ (11) ｜Ψ₁ ^(j)〉〜［｜ψ₀ ^(j-1)〉−｜ψ₀ ^(j-2)〉］ (12) のようになり、結合状態｜Ψ₀ ^(j)〉と反結合状態｜Ψ
₁ ^(j)〉とに分裂する。このときのエネルギーの分裂幅
を２ΔＥ´と書く。これらの結合状態｜Ψ₀ ^(j)〉およ
び反結合状態｜Ψ₁ ^(j)〉の波動関数を図１８に対応し
て示すと、それぞれ図１９および図２０に示すようにな
る。図１９および図２０からわかるように、これらの二
状態は空間的に互いに大きく重なっており、光入射に対
してその吸収確率は大きい。

【００４５】したがって、例えば、走査型トンネル顕微
鏡で用いられる走査針と同様な針状電極によって特定の
サイトの結合量子ドットのみに外部電場を印加すること
により、その結合量子ドット中に電子が存在するときに
のみエネルギー２ΔＥ´の光吸収が起こり、それ以外の
ときには光吸収が起こり得ないことになる。

【００４６】以上の原理を利用して、結合量子ドット中
の電子の存在の有無を検出する方法について説明する。
ここでは、サイトｊの結合量子ドット中に電子が存在す
るとする。このとき、 (6)式よりＥ₀ ^(j-1)＜Ｅ₀
^(j-2)であるので、電子は第１段目の量子ドットＱＤ
_j-1の基底状態のエネルギー準位Ｅ₀ ^(j-1)に存在す
る。サイトｊの結合量子ドット中の電子の存在の有無を
検出するためには、まず、図５に示すと同様にして、電
子の検出を行うべきサイトｊの結合量子ドットを含む領
域に、２ΔＥ´＝ｈνの光子エネルギーを有するレーザ
ー光Ｌを照射しておく。この状態においては、いずれの
サイトの結合量子ドットにも外部電場が印加されていな
い。上述のように、このときには、光吸収は起こり得な
い。

【００４７】次に、図６に示すと同様に、量子素子に対
して正の電圧が印加された針状電極ＮＥを、電子の存在
の有無の検出を行うべきサイトｊの結合量子ドットに接
近させる。このとき、サイトｊの結合量子ドットのエネ
ルギーバンド図は図２２に示すようになる。この場合、
そのサイトｊの結合量子ドットの量子ドットＱＤ_j-1中
に電子が存在しているので、共鳴的にレーザー光Ｌの吸
収が起こる。一方、そのサイトｊの結合量子ドット中に
電子が存在していないならば光吸収は起こらない。した
がって、この光吸収の有無によりサイトｊの結合量子ド
ット中における電子の存在の有無を検出することができ
る。

【００４８】第１実施例と同様に、このとき、サイトｊ
の結合量子ドット以外のサイトの結合量子ドットでは、
針状電極ＮＥにより印加される外部電場の強さが小さ
く、それらに生じる影響が少ないため、サイトｐ（ｐ≠
ｊ）の結合量子ドット中に電子が存在していたとして
も、レーザー光Ｌの吸収は起きない。

【００４９】次に、上述のように構成されたこの第２実
施例による量子素子の製造方法について説明する。ま
ず、図２３に示すように、図示省略した化合物半導体基
板（例えば、ＧａＡｓ基板）上に、例えばＭＯＣＶＤ法
やＭＢＥ法により、十分に厚いＡｌＧａＡｓ層１１ａ、
厚さＷ₁のＧａＡｓ層１２、所定の厚さのＡｌＧａＡｓ
層１１ｂ、厚さＷ₂のＧａＡｓ層１３およびの所定の厚
さのＡｌＧａＡｓ層１１ｃを順次エピタキシャル成長さ
せる。

【００５０】次に、図２４に示すように、ＡｌＧａＡｓ
層１１ｃ上に、電子ビームリソグラフィー法などによ
り、結合量子ドットに対応した形状のレジストパターン
１４を形成する。

【００５１】次に、このレジストパターン１４をマスク
として、例えばＲＩＥ法により、ＡｌＧａＡｓ層１１
ｃ、ＧａＡｓ層１３、ＡｌＧａＡｓ層１１ｂおよびＧａ
Ａｓ層１２を基板表面に対して垂直な方向に順次エッチ
ングする。このエッチングは、ＧａＡｓ層１２が互いに
分離するようにオーバーエッチング気味に行う。このよ
うにして、図２５に示すように、ＧａＡｓ層１２、Ａｌ
ＧａＡｓ層１１ｂ、ＧａＡｓ層１３およびＡｌＧａＡｓ
層１１ｃが四角柱状にパターニングされる。

【００５２】次に、レジストパターン１４を除去した
後、図２６に示すように、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によ
り、基板表面に対して垂直な側壁上に成長が起きない条
件でＡｌＧａＡｓ層１１ｄをエピタキシャル成長させ
て、四角柱状のＧａＡｓ層１２、ＡｌＧａＡｓ層１１
ｂ、ＧａＡｓ層１３およびＡｌＧａＡｓ層１１ｃの間の
部分を埋める。ここで、ＡｌＧａＡｓ層１１ａ、１１
ｂ、１１ｃ、１１ｄの全体が図１４に示すＡｌＧａＡｓ
層１１に対応する。以上のようにして、図１４に示す量
子素子が完成される。

【００５３】以上のように、この第２実施例による量子
素子によれば、第１実施例による量子素子と同様に、ｈ
ν＝２ΔＥ´の光子エネルギーを有するレーザー光Ｌの
照射と針状電極ＮＥによる外部電場の印加とを併用する
ことにより、特定のサイトの結合量子ドット中における
電子の存在の有無を検出することができる。

【００５４】さらに、この第２実施例による量子素子
は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合のみで量子素子
を構成することができるので、構造が単純であり、製造
も簡単であるという利点もある。

【００５５】以上、この発明の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。

【００５６】例えば、上述の第１実施例および第２実施
例においては、量子ドットがＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘ
テロ接合またはＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合
により形成されているが、タイプＩＩのヘテロ接合超格
子であるＡｌＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合、ＧａＳｂ／Ｉ
ｎＡｓヘテロ接合またはＡｌＳｂ／ＧａＳｂヘテロ接合
によって量子ドットを形成してもよい。参考のため、Ａ
ｌＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合およびＧａＳｂ／ＩｎＡｓ
ヘテロ接合のエネルギーバンド図をそれぞれ図２７およ
び図２８に示す。

【００５７】

【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、レーザー光などの光の照射と針状電極
などによる外部電場の印加とを併用することにより、特
定の結合量子箱中における電子の存在の有無を検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例による量子素子を概念的
に示す略線図である。

【図２】この発明の第１実施例による量子素子を示す斜
視図である。

【図３】この発明の第１実施例による量子素子のエネル
ギーバンド図である。

【図４】この発明の第１実施例による量子素子の結合量
子ドット中における電子の存在の有無を検出する方法を
説明するためのエネルギーバンド図である。

【図５】この発明の第１実施例による量子素子の結合量
子ドット中における電子の存在の有無を検出する方法を
説明するための斜視図である。

【図６】この発明の第１実施例による量子素子の結合量
子ドット中における電子の存在の有無を検出する方法を
説明するための斜視図である。

【図７】この発明の第１実施例による量子素子の結合量
子ドット中における電子の存在の有無を検出する方法を
説明するためのエネルギーバンド図である。

【図８】この発明の第１実施例による量子素子の結合量
子ドット中における電子の存在の有無を検出する方法を
説明するためのエネルギーバンド図である。

【図９】この発明の第１実施例による量子素子の結合量
子ドット中における電子の存在の有無を検出する方法を
説明するためのエネルギーバンド図である。

【図１０】この発明の第１実施例による量子素子の製造
方法を説明するための斜視図である。

【図１１】この発明の第１実施例による量子素子の製造
方法を説明するための斜視図である。

【図１２】この発明の第１実施例による量子素子の製造
方法を説明するための斜視図である。

【図１３】この発明の第１実施例による量子素子の製造
方法を説明するための斜視図である。

【図１４】この発明の第２実施例による量子素子を示す
斜視図である。

【図１５】この発明の第２実施例による量子素子のエネ
ルギーバンド図である。

【図１６】この発明の第２実施例による量子素子の結合
量子ドットの基底状態の波動関数を図１５に対応させて
示す略線図である。

【図１７】この発明の第２実施例による量子素子の結合
量子ドットの第１励起状態の波動関数を図１５に対応さ
せて示す略線図である。

【図１８】この発明の第２実施例による量子素子の結合
量子ドット中における電子の存在の有無を検出する方法
を説明するためのエネルギーバンド図である。

【図１９】この発明の第２実施例による量子素子の結合
量子ドットの基底状態の波動関数を図１８に対応させて
示す略線図である。

【図２０】この発明の第２実施例による量子素子の結合
量子ドットの第１励起状態の波動関数を図１８に対応さ
せて示す略線図である。

【図２１】この発明の第２実施例による量子素子の結合
量子ドット中における電子の存在の有無を検出する方法
を説明するためのエネルギーバンド図である。

【図２２】この発明の第２実施例による量子素子の結合
量子ドット中における電子の存在の有無を検出する方法
を説明するためのエネルギーバンド図である。

【図２３】この発明の第２実施例による量子素子の製造
方法を説明するための斜視図である。

【図２４】この発明の第２実施例による量子素子の製造
方法を説明するための斜視図である。

【図２５】この発明の第２実施例による量子素子の製造
方法を説明するための斜視図である。

【図２６】この発明の第２実施例による量子素子の製造
方法を説明するための斜視図である。

【図２７】ＡｌＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合のエネルギー
バンド図である。

【図２８】ＧａＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合のエネルギー
バンド図である。

【符号の説明】

１、１１ＡｌＧａＡｓ層２ＩｎＧａＡｓ層３、１２、１３ＧａＡｓ層ＱＤ_j-1、ＱＤ_j-2 量子ドットＬレーザー光ＮＥ針状電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに積層された第１の量子箱および第
２の量子箱から成る結合量子箱が上記積層方向と交差す
る一面内に互いに隣接して複数配列されていることを特
徴とする量子素子。
【請求項２】上記第１の量子箱および上記第２の量子
箱は互いに異なる化合物半導体ヘテロ接合により形成さ
れており、上記第１の量子箱の電子の基底状態のエネル
ギー準位および上記第２の量子箱の電子の基底状態のエ
ネルギー準位をそれぞれＥ₀ ^(j-1)およびＥ₀ ^(j-2)、
上記第１の量子箱の電子の第１励起状態のエネルギー準
位および上記第２の量子箱の電子の第１励起状態のエネ
ルギー準位をそれぞれＥ₁ ^(j-1)およびＥ₁ ^(j-2)とし
たとき、Ｅ₀ ^(j-1)＜Ｅ₀ ^(j-2) Ｅ₁ ^(j-1)−Ｅ₀ ^(j-1)＞Ｅ₁ ^(j-2)−Ｅ₀ ^(j-2) が成立することを特徴とする請求項１記載の量子素子。
【請求項３】上記第１の量子箱および上記第２の量子
箱は互いに同一の化合物半導体ヘテロ接合により形成さ
れており、上記第１の量子箱の電子の基底状態のエネル
ギー準位および上記第２の量子箱の電子の基底状態のエ
ネルギー準位をそれぞれＥ₀ ^(j-1)およびＥ₀ ^(j-2)と
したとき、Ｅ₀ ^(j-1)＜Ｅ₀ ^(j-2) が成立することを特徴とする請求項１記載の量子素子。
【請求項４】上記第１の量子箱を形成する化合物半導
体ヘテロ接合および上記第２の量子箱を形成する化合物
半導体ヘテロ接合はタイプＩのヘテロ接合超格子である
ことを特徴とする請求項２記載の量子素子。
【請求項５】上記第１の量子箱を形成する化合物半導
体ヘテロ接合はＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合
であり、上記第２の量子箱を形成する化合物半導体ヘテ
ロ接合はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合であること
を特徴とする請求項２記載の量子素子。
【請求項６】上記第１の量子箱および上記第２の量子
箱を形成する化合物半導体ヘテロ接合はタイプＩまたは
タイプＩＩのヘテロ接合超格子であることを特徴とする
請求項３記載の量子素子。
【請求項７】上記第１の量子箱および上記第２の量子
箱を形成する化合物半導体ヘテロ接合はＡｌＧａＡｓ／
ＧａＡｓヘテロ接合であることを特徴とする請求項３記
載の量子素子。
【請求項８】上記第１の量子箱および上記第２の量子
箱を形成する化合物半導体ヘテロ接合はＡｌＳｂ／Ｉｎ
Ａｓヘテロ接合、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合または
ＡｌＳｂ／ＧａＳｂヘテロ接合であることを特徴とする
請求項３記載の量子素子。
【請求項９】電子の存在の有無の検出を行うべき結合
量子箱に単色光を照射しながら、上記電子の存在の有無
の検出を行うべき結合量子箱に上記積層方向の外部電場
を印加し、そのときの上記単色光の吸収を測定すること
により上記電子の存在の有無の検出を行うようにしたこ
とを特徴とする請求項２または３記載の量子素子。
【請求項１０】所定電圧が印加された針状電極を上記
電子の存在の有無の検出を行うべき結合量子箱に接近さ
せることにより上記外部電場を印加するようにしたこと
を特徴とする請求項９記載の量子素子。