JPH0824194B2 - Switchable coupled quantum well conductor - Google Patents

Switchable coupled quantum well conductor

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JPH0824194B2
JPH0824194B2 JP61089828A JP8982886A JPH0824194B2 JP H0824194 B2 JPH0824194 B2 JP H0824194B2 JP 61089828 A JP61089828 A JP 61089828A JP 8982886 A JP8982886 A JP 8982886A JP H0824194 B2 JPH0824194 B2 JP H0824194B2
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well
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conductors
coupled quantum
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エイ.フレイザー ゲイリイ
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テキサス インスツルメンツ インコ−ポレイテツド
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は電子式半導体装置、更に具体的に云えば、量
子井戸装置の切換えに関する。
Description: FIELD OF THE INVENTION This invention relates to electronic semiconductor devices, and more particularly to switching quantum well devices.

従来の技術及び問題点 量子井戸装置はいろいろの形で知られており、ヘテロ
構造レーザが好例である。量子井戸ヘテロ構造レーザ
は、量子井戸内の離散的なエネルギ・レベルに依存し
て、高い効率を達成し、典型的には少数個の結合量子井
戸で構成されている。例えば全般的にはスゼの「半導体
装置の物理」(1981年第2版、ワイリー・インターサイ
エンス社発行)第729頁乃至第730頁参照。電子易動度の
高いトランジスタ(HEMT)が量子井戸装置の別の形式で
あり、典型的には量子井戸の半分だけ(1個のヘテロ接
合)を使うが、少数個の量子井戸の積重ねを含んでいて
よい。HEMTの性質は、ヘテロ接合と平行に、量子井戸の
伝導又は価電子サブバンド内での伝導によって生ずる。
導電キャリヤ(電子又は正孔)がそのドナー又はアクセ
プタから隔離され、この隔離がキャリヤの不純物散乱を
制限する。例えばジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス誌1023(1982年)所載のT.ドラモンド他の論文
「単一及び多重周期変調によってドープされた(Al、G
a)As/GaAsヘテロ構造内の電子易動度」を参照された
い。超格子は、個々の井戸が識別出来ないくらいに密接
に結合された数多くの量子井戸で構成されるが、井戸は
格子内の原子と似て来る。この為、超格子は結合量子井
戸のグループとしてよりも、新しい種類の材料の様に振
舞う。例えば全般的にCRCクリティカル・レビューズ・
イン・ソリッド・ステート・サイエンセズ195(1976年
4月号)所載のL.エサキ他の論文「分子ビーム・エピタ
キシャル法によって成長させた半導体の超微細構造」を
参照されたい。ダイオードに2次元及び3次元の量子井
戸形の超格子を取入れると、差別的な負性抵抗を示す。
米国特許第4,503,447号参照。
Conventional Technology and Problems Quantum well devices are known in various forms, and a heterostructure laser is a good example. Quantum well heterostructure lasers achieve high efficiency depending on the discrete energy levels in the quantum well and are typically composed of a small number of coupled quantum wells. See, for example, Suze's "Physics of Semiconductor Devices" (second edition, 1981, published by Wiley InterScience), pages 729 to 730. High electron mobility transistors (HEMTs) are another form of quantum well device that typically uses only half the quantum well (one heterojunction), but includes a stack of few quantum wells. You can go out. The HEMT property arises from the conduction in the quantum well or the conduction within the valence subband, parallel to the heterojunction.
Conductive carriers (electrons or holes) are isolated from their donors or acceptors, which isolation limits carrier impurity scattering. For example, T. Drummond et al., Journal of Applied Physics 1023 (1982), “Doped by Single and Multiple Periodic Modulation (Al, G
See a) Electron mobility in As / GaAs heterostructures. A superlattice is composed of many quantum wells that are so tightly coupled that the individual wells are indistinguishable, but the wells resemble atoms in the lattice. Because of this, superlattices behave like new types of materials rather than as a group of coupled quantum wells. For example, CRC Critical Reviews
See L. Esaki et al., "Ultrafine Structure of Semiconductors Grown by Molecular Beam Epitaxial Method," in In Solid State Sciences 195 (April 1976 issue). Incorporation of two-dimensional and three-dimensional quantum well superlattices in the diode shows differential negative resistance.
See U.S. Pat. No. 4,503,447.

量子井戸は典型的には厚さが100程度であり、数平
方ミクロンの面積を占める様に容易に作ることが出来、
この為、詰込み密度が高く、伝搬遅延が小さい極めて小
形の装置が得られる。然し、公知の量子井戸は、フリッ
プフロップ、シフトレジスタ、マルチプレクサ、演算増
幅器、ランダムアクセス・メモリ等の様な標準的な電子
部品の作用を果すことが出来ない。
Quantum wells are typically about 100 thick and can be easily made to occupy an area of a few square microns,
Therefore, a very compact device having a high packing density and a small propagation delay can be obtained. However, known quantum wells cannot act as standard electronic components such as flip-flops, shift registers, multiplexers, operational amplifiers, random access memories, etc.

問題点を解決する為の手段及び作用 本発明は、交差部に共通の切換え可能な井戸を持つ結
合量子井戸の交差導電線を提供する。切換え可能な井戸
は、どの交差線が導電するかを選択することが出来る様
にする。線の交差部に共通の切換え可能な井戸を設け
て、他の平行な導電線と交差する平行な導電線のアレー
が、どの組の平行線が導電するかを選択することが出来
る様にする。導電線が情報に対してクロック作用をする
ことが出来るので、アレーがシフトレジスタとして作用
することが出来、2つの直交方向に沿って心臓が収縮す
る形でデータを移送することが出来、こうしてベクトル
・マトリクス乗算を行なうことが出来る。導電線は全て
単一平面内にあってよく、この為、1平面内にあって、
洩話のない線の多重交差を利用することが出来る。種々
の多重交差装置により、電子井戸導体によって標準的な
電子部品の機能を果すことが出来る。例えば、共通の切
換え可能な井戸で他の線とのn個の交差部を夫々持つ2
**n(2のn乗)本の線の一組をデマルチプレクサ・
トリーに構成することが出来、こうしてnビット・スイ
ッチ信号のデマルチプレクサとして作用させることが出
来る。2**(n−1)(2の(n−1)乗)個の交差
部からなる各々のグループに1つのスイッチ・ビットが
印加される。この為、この様な切換え可能な共通の井戸
により、量子井戸導体を用いて標準的な信号の移送及び
論理機能を果す問題が解決される。
Means and Actions for Solving the Problems The present invention provides a crossed conductive line of a coupled quantum well having a common switchable well at the crossing. The switchable wells make it possible to choose which crossing line is conducting. Providing a common switchable well at the intersection of lines to allow an array of parallel conductive lines that intersect with other parallel conductive lines to select which set of parallel lines conducts. . Since the conductive lines can clock the information, the array can act as a shift register and the data can be transferred as the heart contracts along two orthogonal directions, thus creating a vector -Matrix multiplication can be performed. The conductive lines may all lie in a single plane, so in one plane,
Multiple crossings of lines without crosstalk can be used. Various multi-crossing devices allow the electronic well conductors to perform the functions of standard electronic components. For example, a common switchable well, each with n intersections with other lines.
** Demultiplexer a set of n (2 to the nth power) lines
It can be configured into a tree, thus acting as a demultiplexer for the n-bit switch signal. One switch bit is applied to each group of 2 ** (n-1) (2 to the power of (n-1)) intersections. Thus, such a switchable common well solves the problem of using standard quantum well conductors to perform standard signal transport and logic functions.

実 施 例 第1図は結合量子井戸の2本の交差導電線12,14に対
する好ましい第1の実施例の切換え装置の平面図であ
る。線12,14が、Al0.3Ga0.7As基板15内のGaAs電位井戸
で形成される。線12内の井戸には参照数字121,122,123
等を付け、線14内の井戸には参照数字141,142,143等を
付けてある。線12内の井戸の寸法は、100Å×100Å×深
さ1ミクロンであり、隣合う井戸の間は100Å隔たって
いる。線14内の井戸は80Å×80Å×深さ1ミクロンであ
って、隣合う井戸の間が100Å隔たっている。井戸16は1
00Å×100Å×深さ1ミクロンであって、第1図の図面
の平面に対して垂直な方向に伸びており、制御電極18と
ショットキー障壁を作る。第1図では、図面を見易くす
る為に、垂直方向の寸法を著しく縮めてあるが、第1図
の線2−2で切った側面断面図が第2図に示されてい
る。井戸16が線12の一番近い井戸からも線14の一番近い
井戸からも、100Å離れており、電極18が絶縁体20によ
って基板15から絶縁されていることに注意されたい。
Practical Example FIG. 1 is a plan view of the switching device of the first preferred embodiment for two crossed conductive lines 12, 14 of a coupled quantum well. Lines 12 and 14 are formed of GaAs potential wells in the Al0.3Ga0.7As substrate 15. Wells within line 12 have reference numerals 121, 122, 123
Etc. and the wells in line 14 are labeled with reference numerals 141, 142, 143, etc. The dimensions of the wells in line 12 are 100Å × 100Å × 1 micron depth, with 100Å spacing between adjacent wells. The well in line 14 is 80 Å × 80 Å × 1 micron deep, with 100 Å between adjacent wells. Well 16 is 1
It is 00Å × 100Å × 1 micron deep and extends in a direction perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 1 and forms the control electrode 18 and the Schottky barrier. In FIG. 1, the vertical dimension is greatly reduced to make the drawing easier to see, but FIG. 2 is a side sectional view taken along line 2-2 of FIG. Note that well 16 is 100Å away from the closest well of line 12 and the closest well of line 14, and electrode 18 is insulated from substrate 15 by insulator 20.

基板15、井戸16及び線12及び14の井戸は、Siでn形に
軽くドープされている。この結果、線12及び14に沿って
生ずる電子エネルギ帯の線図が、線12及び14の方向の空
間的な量子化による離散的なエネルギ・レベル(サブバ
ンドの底)を含めて、夫々第3A図及び第3B図に示されて
いる。導電電子に対する実効質量の近似を使うことによ
り、離散的なエネルギ・レベルを近似的に計算すること
が出来ること、井戸が十分接近していて波動関数の重な
りを持つこと(かなりの共振トンネル作用があるこ
と)、並びに300Kでも、離散的なエネルギ・レベルが、
ホノンによって支援される混合を避けるくらいに隔たっ
ていることに注意されたい。更に、基板15内のドーパン
トによって与えられる導電電子が、伝導帯の不連続性の
為、GaAs井戸内に素早く拡散し、この井戸によってトラ
ップされる。基板15内のドナーと井戸の中の電子の間の
隔たりにより、静電界が生ずる。然し、見易くする為、
この結果生ずる帯の曲げは図面では省略されている。
The substrate 15, the well 16 and the wells of the lines 12 and 14 are lightly n-doped with Si. This results in a diagram of the electron energy bands occurring along lines 12 and 14, including the discrete energy levels (bottoms of subbands) due to spatial quantization in the direction of lines 12 and 14, respectively. This is shown in Figures 3A and 3B. By using the approximation of effective mass for conducting electrons, it is possible to calculate discrete energy levels approximately, the wells are close enough, and the wavefunctions overlap (resonant tunneling And at 300K, the discrete energy levels are
Note that they are far enough apart to avoid the Honon-assisted mixing. Furthermore, the conduction electrons provided by the dopants in the substrate 15 diffuse rapidly into and are trapped by the GaAs well due to the conduction band discontinuity. The separation between the donor in the substrate 15 and the electrons in the well creates an electrostatic field. However, to make it easier to see,
The resulting bending of the strip is omitted in the drawing.

第4A図及び第4B図は、夫々電圧を印加しない時、並び
に基板15に対して電極18に−0.5ボルトを印加した時
の、第2図の線4−4に沿って見たエネルギ帯を示す。
電極18から基板15に対する接続部19も、第4A図及び第4B
図の右側部分に示されている。第3A図及び第3B図の電極
18に対するこの印加電圧の影響を含めると、夫々第5A図
及び第5B図の様になる。
4A and 4B show the energy bands seen along line 4-4 of FIG. 2 when no voltage is applied and when -0.5 volts is applied to the electrode 18 relative to the substrate 15, respectively. Show.
The connection 19 from the electrode 18 to the substrate 15 is also shown in FIGS. 4A and 4B.
It is shown in the right part of the figure. Electrodes of Figures 3A and 3B
Including the effect of this applied voltage on 18, the results are as shown in FIGS. 5A and 5B, respectively.

これまでの説明から、線12及び線14に対して井戸16が
スイッチとして動作することは明らかである。電極18に
電圧を印加しないと、線12が導電する。(井戸のエネル
ギ・レベルが揃って共振トンネル作用が生ずる。)これ
に対し、線14は、井戸16で共振トンネル作用が中断され
る為に、高インピーダンスを呈する。逆に、電極18に−
0.5ボルトが印加されると、線12の導電がなくなるが、
線14の共振トンネル作用が設定される。まとめて云え
ば、井戸16をバイアスすることにより、線12がオンで線
14がオフの状態から線12がオフで線14がオンの状態に切
換えることが出来る。勿論、この例では、−0.25ボルト
と云う様に、井戸のエネルギ・レベルを揃える電圧とは
実質的に異なる電圧を印加すると、両方の線12,14の共
振トンネル作用がなくなる。この特徴は、取付けられて
いるが選択されていない装置を3状態にしなければなら
ない様な信号バスに役立つ。
From the above description, it is clear that for lines 12 and 14 well 16 operates as a switch. When no voltage is applied to electrode 18, wire 12 conducts. (Resonant tunneling occurs when the well energy levels are aligned.) In contrast, line 14 presents a high impedance because resonant tunneling is interrupted in well 16. Conversely, on the electrode 18 −
When 0.5 volts is applied, wire 12 loses conductivity,
The resonant tunneling of line 14 is set. Collectively, biasing well 16 turns line 12 on and
It is possible to switch from the state where 14 is off to the state where line 12 is off and line 14 is on. Of course, in this example, applying a voltage substantially different from the voltage leveling the well energy levels, such as -0.25 volts, eliminates the resonant tunneling of both lines 12,14. This feature lends itself to a signal bus in which attached but unselected equipment must be tri-stated.

好ましい第1の実施例の切換え装置は、第1図のパタ
ーンでAl0.3Ga0.7Asの基板上に厚さ1ミクロンのGaAsエ
ピタキシャル層を電子ビームでパターンを定めることに
よって作ることが出来る。次に、このパターンの下にあ
る高さ1ミクロンの柱を除いて、反応性イオン・エッチ
ングによってGaAsを除去する。その後、Al0.3Ga0.7Asを
成長させてGaAsの柱の間を埋め、このGaAsが井戸121,12
2等になる。
The switching device of the first preferred embodiment can be made by electron beam patterning a 1 micron thick GaAs epitaxial layer on a substrate of Al0.3Ga0.7As in the pattern of FIG. The GaAs is then removed by reactive ion etching, except for the 1 micron tall pillars that underlie this pattern. After that, Al0.3Ga0.7As is grown to fill the space between the GaAs pillars, and this GaAs forms wells 121 and 12
It will be 2 mag.

結合量子井戸の導電線12及び14に対する好ましい第2
の実施例の切換え装置は、第6図に示す様に、好ましい
第1の実施例の井戸16を井戸216で置換える他は、好ま
しい第1の実施例の装置と同様である。第6図は第2図
と同様であり、線12の井戸122,123,124,125、基板15、
絶縁体220及び金属電極218を示している。好ましい第2
の実施例はアース平面228を持ち、これは基板15内のn
+層である。電極218が、MOSキャパシタと同じ様に、井
戸216及びその周囲の電位を(電子に対して)上昇させ
ることにより、井戸216が切換わり、この為井戸216に対
する直接的な電気接続を必要としない。井戸216の切換
えは井戸16の切換えと同様であり、電極218に電圧を印
加しないと、線12が導電し、線14が開路である。これに
対して約0.5ボルトを電極218に印加すると、線12が開路
であり、線14が導電する。好ましい第1の実施例と同じ
様に成立する第3A図、第3B図及び第5A図、第5B図を参照
されたい。
Second preferred for conductive lines 12 and 14 of coupled quantum well
The switching device of the preferred embodiment is similar to that of the preferred first embodiment, except that the well 16 of the preferred first embodiment is replaced by a well 216, as shown in FIG. FIG. 6 is similar to FIG. 2 and includes wells 122, 123, 124, 125 of line 12, substrate 15,
An insulator 220 and a metal electrode 218 are shown. Preferred second
Embodiment has a ground plane 228, which is n
+ Layer. The electrode 218 causes the well 216 to switch (relative to the electrons) by raising the potential of the well 216 and its surroundings, similar to a MOS capacitor, thus eliminating the need for a direct electrical connection to the well 216. . Switching of well 216 is similar to switching of well 16, with line 12 conducting and line 14 open circuit when no voltage is applied to electrode 218. In contrast, when about 0.5 volts is applied to electrode 218, wire 12 is open and wire 14 is conductive. Please refer to FIGS. 3A, 3B and 5A, 5B which are established in the same manner as the first preferred embodiment.

好ましい第3の実施例の切換え装置は、井戸16を第7
図に示す井戸316に置換えた他は、好ましい第1の実施
例と同様である。第7図は第2図と同様であり、線12の
井戸122,123,124,125、基板15及び電極318を示してい
る。電極はp+形GaAsであり、井戸316と逆バイアス接
合を形成する。基板15に対して電極318に負の電圧を印
加すると、やはり井戸316の電位が上昇し、第3A図、第3
B図及び第5A図、第5B図が成立する。
The switching device of the third preferred embodiment includes a well 16 and a seventh
Same as the first preferred embodiment except that the well 316 shown in the figure is replaced. FIG. 7 is similar to FIG. 2 and shows wells 122, 123, 124, 125 of line 12, substrate 15 and electrode 318. The electrodes are p + type GaAs and form a reverse bias junction with well 316. When a negative voltage is applied to the electrode 318 with respect to the substrate 15, the potential of the well 316 also rises, as shown in FIG.
Figure B and Figures 5A and 5B hold.

好ましい第1、第2及び第3の実施例の変形は、単に
より多くの井戸を電極18,218,318の影響を受ける様にす
ることである。例えば、井戸16と共に、井戸123,124,14
3,144を切換えることが出来る。線12及び線14の両方に
ある3つの井戸をこの様に切換えることは、3つの井戸
を横切る非共振性トンネル作用が1つの井戸だけを横切
る場合よりもずっと小さいから、開路している線の洩れ
電流を減少させるはずである。
A variation of the preferred first, second and third embodiments is to simply allow more wells to be affected by the electrodes 18,218,318. For example, along with well 16, wells 123,124,14
3,144 can be switched. Switching three wells in both line 12 and line 14 in this way is much easier than the open line because the non-resonant tunneling across the three wells is much smaller than if only one well were crossed. It should reduce the leakage current.

好ましい第4の実施例の装置は、好ましい第1、第2
及び第3の実施例と同様に作用するが、周囲との組成の
差(AlGaAs内のGaAs井戸)によって限定された井戸の中
のエネルギ・レベルを変更する代りに、好ましい第4の
実施例は制御電極を用いて、反転層として限定された電
位井戸を作り又はなくす。具体的に云うと、第8図は好
ましい第4の実施例の平面図であり、これはAlxGa(1
−x)As基板415内にあって線42を形成するGaAsの井戸4
21,422,423,424,425,426と、基板415内にあるGaAsの井
戸442,443,444と、基板415の領域416とを含み、後者の
井戸及び領域が線44を形成する。これらの井戸は約100
Å隔たっていて、第8図の平面内で約100Åの直径を持
っている。井戸の深さは、エネルギ・レベルが面積によ
って決定され、1ミクロンの深さで十分であるから、や
はり臨界的ではない。第9図は第8図の線9−9から見
た側面断面図であって、領域416の上方に絶縁体420を持
つ電極418を示している。図面を見易くする為、第9図
では垂直方向の倍率を著しく小さくしてあることに注意
されたい。
The apparatus of the preferred fourth embodiment is the first, second preferred embodiment.
And a similar fourth embodiment, but instead of changing the energy level in the well limited by the compositional difference from the surroundings (GaAs well in AlGaAs), the preferred fourth embodiment is The control electrode is used to create or eliminate a limited potential well as an inversion layer. Specifically, FIG. 8 is a plan view of a preferred fourth embodiment, which is AlxGa (1
-X) GaAs well 4 in As substrate 415 forming line 42
21,422,423,424,425,426, GaAs wells 442,443,444 in substrate 415 and region 416 of substrate 415, the latter wells and regions forming line 44. These wells are about 100
They are Å separated and have a diameter of about 100 Å in the plane of Fig. 8. The depth of the well is also not critical as the energy level is determined by the area and a depth of 1 micron is sufficient. FIG. 9 is a side cross-sectional view taken along line 9-9 of FIG. 8 showing electrode 418 with insulator 420 above region 416. Note that the vertical magnification is significantly reduced in FIG. 9 to make the drawing easier to see.

好ましい第4の実施例の動作が第10A図、第10B図、第
11A図及び第11B図に示されており、他の好ましい実施例
と似ている。この実施例では、制御電位がトンネル構造
の周期性を設定するか或いはなくし、こうして切換え動
作を行なう。特に、電極418に電圧が印加されていない
時、第10A図は導電線42に沿った伝導帯の縁を示してお
り、第10B図は導電線44に沿った伝導帯の縁を示してい
る。この両方の伝導帯の縁が領域416を通る導電線の
内、電極418(第9図の破線10−10)の直ぐ下にある部
分に対応している。電極418に3ボルトを印加した時、
第11A図は線42に沿った伝導帯の縁を示しており、第11B
図は線44に沿った伝導帯の縁を示している。第10図及び
第11図で、対応する井戸の参照符号が記入されており、
電圧を印加しない時の、線42に沿った共振トンネル作用
が第10図に示されているが、線44に沿った共振トンネル
作用は示されていない。これと対照的に、電極418に電
圧を印加した時、領域416内に電位井戸が形成され、こ
れが線42の共振状態をなくす(第11A図)が、線44の共
振状態を設定し、こうしてその導電を設定する(第11B
図)。第1、第2及び第3の実施例と同じく、交差線4
2,44の共振トンネル作用のエネルギは同じである必要は
ない。この為、制御素子の状態に関係なく、交差線の間
の高い電気的な隔離を達成することが出来る。
The operation of the preferred fourth embodiment is shown in FIG. 10A, FIG. 10B,
It is shown in Figures 11A and 11B and is similar to the other preferred embodiments. In this embodiment, the control potential sets or eliminates the periodicity of the tunnel structure, thus effecting the switching operation. In particular, when no voltage is applied to electrode 418, FIG. 10A shows the edges of the conduction band along conductive line 42 and FIG. 10B shows the edges of the conduction band along conductive line 44. . The edges of both conduction bands correspond to the portion of the conductive line passing through the region 416 immediately below the electrode 418 (broken line 10-10 in FIG. 9). When 3V is applied to the electrode 418,
FIG. 11A shows the edge of the conduction band along line 42 and FIG.
The figure shows the edges of the conduction band along line 44. In Figures 10 and 11 the corresponding well reference numbers are entered,
Resonant tunneling along line 42 when no voltage is applied is shown in FIG. 10, but not along line 44. In contrast, when a voltage is applied to electrode 418, a potential well is formed in region 416, which eliminates the resonant state of line 42 (FIG. 11A), but sets the resonant state of line 44, thus Set its conductivity (11B
Figure). Like the first, second and third embodiments, the intersection line 4
The energy of the 2,44 resonant tunneling does not have to be the same. Therefore, a high electrical isolation between the intersecting lines can be achieved regardless of the state of the control element.

第12図は交差導電線のアレーの好ましい実施例を平面
図で示しており、交差部に切換え可能な井戸があり、導
電線がプロセッサの節と相互接続されている。特に、プ
ロセッサの節が参照数字501を付した四角によって示さ
れており、x方向(第12図で水平方向)の量子井戸導電
線を参照符号503で示し、y方向の量子井戸導電線を参
照符号505で示しており、切換え可能な井戸は参照符号5
07を付した小さな円で示してある。希望する場合、1個
の大形電極を使って多くの又は全ての切換え可能な井戸
507を制御することが出来ることに注意されたい。動作
中、線503が導電し、線505が開路する様に電極が切換え
可能な井戸507を設定する時、並列データがx方向に沿
って左から右に読込まれ、線505が導電し、線503が開路
する様に、電極が切換え可能な井戸507を設定する時、
並列データがy方向に沿って上から下に読込まれる。プ
ロセッサ501は、左又は下から入力し、右又は上から出
力する様な一方向性にすることが出来る。このアレーは
心臓収縮形の構造を持っている。この構造を3つの信号
方向を持つ六角形アレーに拡散することは簡単である。
勿論、両方向のプロセッサ及び導電線に沿ったデータの
流れも可能である。
FIG. 12 shows in plan view a preferred embodiment of an array of crossed conductive lines, with switchable wells at the crossings, where the conductive lines are interconnected with the nodes of the processor. In particular, the processor section is indicated by the square with the reference numeral 501, the quantum well conductive line in the x direction (horizontal direction in FIG. 12) is indicated by reference numeral 503, and the quantum well conductive line in the y direction is referred to. Reference numeral 505 denotes a switchable well and reference numeral 5
It is shown as a small circle with 07. Many or all switchable wells using one large electrode if desired
Note that you can control the 507. In operation, when setting the electrode switchable well 507 such that line 503 conducts and line 505 opens, parallel data is read from left to right along the x direction, line 505 conducts, and line 505 conducts. When setting the well 507 with switchable electrodes so that 503 opens,
Parallel data is read from top to bottom along the y direction. The processor 501 can be unidirectional, with inputs from the left or bottom and outputs from the right or top. This array has a systolic structure. Spreading this structure into a hexagonal array with three signal directions is straightforward.
Of course, data flow along the processor and conductive lines in both directions is also possible.

第13図は量子井戸導電線を切換え可能な共通の井戸と
簡単に接続して、論理関数を形成することを示してい
る。特に第13図は共通の切換え可能な井戸605並びに607
に接続部を持つ導電線601,603を示している。この構成
は、次に述べる様に、アンド及びインバータの様な論理
動作が出来る様にする。節609及び611が(第13図では節
615から伸びる破線として示してある)切換え可能な井
戸605に対する制御電極と共に、入力と考えられ、節613
が出力と考えられる。この構成では、節615の低(論理
0)電圧が線601を導電させると共に線603を開路にし、
節615の高(論理1)電圧が線601を開路にし、線603を
導電させる様に、切換え可能な井戸605が設定されると
仮定する。この時、節609をアースに接続すると、節613
に於ける出力は節611及び615の入力のアンドである。
(615の入力が低であれば、線601が導電し、613の出力
はアースされた609の入力に等しい。これに対して、615
の入力が高であれば、線603が導電し、613の出力は611
の入力に等しい。)同様に、節609の入力が高であり、
節611の入力が低であれば、節613の出力は615の入力を
反転したものになる。
FIG. 13 shows that the quantum well conductors are simply connected to a switchable common well to form a logic function. In particular, FIG. 13 shows common switchable wells 605 and 607.
Conductive wires 601 and 603 having connection portions are shown in FIG. This configuration enables logical operations such as AND and inverter, as described below. Sections 609 and 611 (see Figure 13
With the control electrode for the switchable well 605 (shown as a dashed line extending from 615), node 613
Is considered to be the output. In this configuration, the low (logic 0) voltage on node 615 causes line 601 to conduct and line 603 to open.
Assume that switchable well 605 is set such that the high (logic 1) voltage on node 615 opens line 601 and causes line 603 to conduct. At this time, if you connect Section 609 to ground, Section 613
The output at is the AND of the inputs of clauses 611 and 615.
(If the input at 615 is low, then wire 601 conducts and the output at 613 is equal to the input at 609 grounded.
If the input of is high, line 603 will conduct and the output of 613 will be 611.
Equal to the input of. ) Similarly, the input in clause 609 is high,
If the input of clause 611 is low, the output of clause 613 will be the inverse of the input of 615.

切換え動作を保存しながら、好ましい実施例の寸法及
び材料は大幅に変えることが出来る。実際、砒化ガリウ
ム・アルミニウム系を、砒化燐化インジウム、テルル化
水銀カドミウム等の様な他の系に取替えても、単結晶構
造を保つことが出来る。更に、この装置は硝子、絶縁
体、金属等で作っても、好ましい実施例と同じ様に量子
井戸構造を持ち且つ動作することが出来る。電子の代り
に正孔をキャリヤにしてもよく、或いは正孔と電子の両
方を同時にキャリヤにしてもよい。共振トンネル作用
は、好ましい実施例に示した基底レベル以外のエネルギ
・レベルを通るものであってもよい。実際、共通の電極
の下にある多重井戸内の多重レベルを使うことが、多極
スイッチの根拠になり得る。勿論、共振トンネル作用が
利用出来さえすれば、導電線は種々の形式の井戸(深
さ、エネルギ・レベルのスペクトル、材料等が異なる)
の混合物に対することが出来る。
The dimensions and materials of the preferred embodiment can vary significantly while preserving the switching action. In fact, the gallium arsenide / aluminum system can be replaced with another system such as indium arsenide phosphide, mercury cadmium telluride, etc., but still maintain the single crystal structure. Further, the device can be made of glass, insulators, metals, etc., having and operating a quantum well structure as in the preferred embodiment. Holes may be carriers instead of electrons, or both holes and electrons may be carriers at the same time. Resonant tunneling may be through energy levels other than the ground level shown in the preferred embodiment. In fact, using multiple levels in multiple wells under a common electrode can be the basis for a multipole switch. Of course, conductive lines can be of different types of wells (different depths, energy level spectra, materials, etc.) as long as resonant tunneling is available.
Can be done for a mixture of

1平面内にある交差する結合領域井戸導体の切換えに
より、小形装置(論理回路、マルチプレクサ、収縮形ア
レー等)とプレーナ形装置のアレーの両方が得られる。
The switching of intersecting coupling area well conductors in one plane results in both small devices (logic circuits, multiplexers, contracted arrays, etc.) and arrays of planar devices.

以上の説明に関連して更に下記の各項を開示する。 The following items will be further disclosed in connection with the above description.

(1) 基板内の複数個の結合量子井戸と、前記基板内
の電極とを有し、該電極は、該電極に電圧を印加するこ
とにより、1つ又は更に多くの前記井戸に影響を与え
て、該影響を与えられた井戸と他の井戸の間の共振トン
ネル作用を設定し又はなくす様に位置決めされている切
換え可能な結合量子井戸導体。
(1) having a plurality of coupled quantum wells in a substrate and electrodes in the substrate, the electrodes affecting one or more of the wells by applying a voltage to the electrodes And a switchable coupled quantum well conductor positioned to set or eliminate resonant tunneling between the affected well and another well.

(2) 第(1)項に記載した切換え可能な結合量子井
戸導体に於て、前記電極が影響を受ける井戸と共にショ
ットキー障壁を形成する導電材料を含んでいる切換え可
能な結合量子井戸導体。
(2) A switchable coupled quantum well conductor as set forth in paragraph (1), wherein the electrode comprises a conductive material that forms a Schottky barrier with the affected well.

(3) 第(1)項に記載した切換え可能な結合量子井
戸導体に於て、前記電極が前記影響を受ける井戸と共に
逆バイアスされた接合を形成する導電材料を含んでいる
切換え可能な結合量子井戸導体。
(3) In the switchable coupled quantum well conductor according to paragraph (1), the electrode comprises a conductive material forming a reverse biased junction with the affected well. Well conductor.

(4) 第(1)項に記載した切換え可能な結合量子井
戸導体に於て、前記電極が前記影響を受ける井戸と容量
結合された導電材料を含んでいる切換え可能な結合量子
井戸導体。
(4) The switchable coupled quantum well conductor of paragraph (1), wherein the electrode comprises a conductive material capacitively coupled to the affected well.

(5) 第(1)項に記載した切換え可能な結合量子井
戸導体に於て、前記電極が電圧を印加することによって
井戸を誘起する切換え可能な結合量子井戸導体。
(5) The switchable coupled quantum well conductor according to the item (1), wherein the electrode induces a well by applying a voltage.

(6) 第(1)項に記載した切換え可能な結合量子井
戸導体に於て、前記電極が少なくとも1つの井戸の拡大
部を誘起する切換え可能な結合量子井戸導体。
(6) A switchable coupled quantum well conductor as set forth in paragraph (1), wherein the electrode induces an extension of at least one well.

(7) 基板内の第1の複数個の結合量子井戸と、前記
基板内の第2の複数個の結合量子井戸と、前記基板内の
電極とを有し、該電極は、該電極に電圧を印加すること
により、影響を受ける井戸と、前記第1の複数個の内の
別の井戸及び前記第2の複数個の内の別の井戸の間の共
振トンネル作用を設定し又はなくす様に位置ぎめされて
いる切換え可能な交差結合量子井戸導体。
(7) A first plurality of coupled quantum wells in a substrate, a second plurality of coupled quantum wells in the substrate, and an electrode in the substrate, wherein the electrode has a voltage applied to the electrodes. To set or eliminate resonant tunneling between the affected well and another well in the first plurality and another well in the second plurality. Switched cross-coupled quantum well conductors positioned.

(8) 第(7)項に記載した切換え可能な交差結合量
子井戸導体に於て、前記電極が前記影響を受ける井戸と
共にショットキー障壁を形成する導電材料を含んでいる
切換え可能な交差結合量子井戸導体。
(8) A switchable cross-coupled quantum well conductor as set forth in paragraph (7), wherein the electrode comprises a conductive material that forms a Schottky barrier with the affected well. Well conductor.

(9) 第(7)項に記載した切換え可能な交差結合量
子井戸導体に於て、前記電極が前記影響を受ける井戸と
共に逆バイアスされた接合を形成する導電材料を含んで
いる切換え可能な交差結合量子井戸導体。
(9) In the switchable cross-coupled quantum well conductor of paragraph (7), the electrode comprises a conductive material that forms a reverse biased junction with the affected well. Coupled quantum well conductor.

(10) 第(7)項に記載した切換え可能な交差結合量
子井戸導体に於て、前記電極が前記影響を受ける井戸に
容量結合された導電材料を含んでいる切換え可能な交差
結合量子井戸導体。
(10) A switchable cross-coupled quantum well conductor as set forth in paragraph (7), wherein the electrode comprises a conductive material capacitively coupled to the affected well. .

(11) 第(7)項に記載した切換え可能な交差結合量
子井戸導体に於て、前記電極が電圧を印加することによ
って井戸を誘起する切換え可能な交差結合量子井戸導
体。
(11) The switchable cross-coupled quantum well conductor according to item (7), wherein the electrode induces a well by applying a voltage.

(12) 第(7)項に記載した切換え可能な交差結合量
子井戸導体に於て、前記電極が少なくとも1つの井戸の
拡大部を誘起する切換え可能な交差結合量子井戸導体。
(12) A switchable cross-coupled quantum well conductor as set forth in paragraph (7), wherein the electrode induces an extension of at least one well.

(13) 基板内にある第1の複数個の結合量子井戸導体
を有し、該第1の複数個の導体は互いに交差せず、該第
1の複数個の導体の各々は前記基板内に複数個の結合量
子井戸を含んでおり、更に前記基板内に第2の複数個の
結合量子井戸導体を有し、該第2の複数個の導体は互い
に交差しないが、前記第1の複数個の導体と交差してお
り、該第2の複数の導体の各々は基板内に複数個の結合
量子井戸を持っており、前記基板内に複数個の電極が設
けられ、各々の電極は、該電極に電圧が印加されること
により、1つ又は更に多くの交差部にある1つ又は更に
多くの井戸に影響を与える様に位置ぎめされていて、該
影響を受ける井戸及び交差部を形成する前記複数個の導
体の別の井戸の間の共振トンネル作用を設定し又はなく
す様になっている結合量子井戸導体のアレー。
(13) Having a first plurality of coupled quantum well conductors in a substrate, wherein the first plurality of conductors do not intersect each other, and each of the first plurality of conductors is in the substrate. A plurality of coupled quantum well conductors, and further comprising a second plurality of coupled quantum well conductors in the substrate, the second plurality of conductors not intersecting each other, but the first plurality of Of the second plurality of conductors, each of the second plurality of conductors has a plurality of coupled quantum wells in the substrate, and a plurality of electrodes are provided in the substrate, each electrode being Applying a voltage to the electrodes is positioned to affect one or more wells at one or more intersections to form the affected wells and intersections. A connection adapted to set or eliminate resonant tunneling between different wells of the plurality of conductors. Array of quantum wells conductors.

(14) 第(13)項に記載したアレーに於て、複数個の
プロセッサを有し、各々のプロセッサは、前記影響を受
ける井戸の内の1つを持たない前記交差部の内の1つに
配置されているアレー。
(14) The array described in paragraph (13) has a plurality of processors, each processor being one of the intersections not having one of the affected wells. Array located in.

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

第1図は2本の交差結合量子井戸導電線に対する好まし
い第1の実施例のスイッチの簡略平面図、第2図は第1
図の線2−2で切った簡略側面断面図、第3A図及び第3B
図は第1図の導電線に沿った伝導帯及び価電子帯を示す
図、第4A図及び第4B図は好ましい第1の実施例のスイッ
チをバイアスする為の伝導帯及び価電子帯の曲がりを示
す図、第5A図及び第5B図はバイアスを印加した時の第3A
図及び第3B図の伝導帯及び価電子帯の様子を示す図、第
6図は第2図と同様に、好ましい第2の実施例のスイッ
チを示す簡略側面断面図、第7図は第2図と同様に、好
ましい第3の例のスイッチを示す簡略側面断面図、第8
図は2本の交差結合量子井戸導電線に対する好ましい第
4の実施例のスイッチの簡略平面図、第9図は第8図の
線9−9で切った簡略側面断面図、第10A図及び第10B図
は第9図の導電線に沿った伝導帯を示す図、第11A図及
び第11B図はバイアスを加えた時の第10A図及び第10B図
の伝導帯の様子を示す図、第12図は好ましい実施例の、
交差結合量子井戸線のプロセツサ・アレーの簡略平面
図、第13図は2本の交差結合量子井戸導電線から成る好
ましい実施例の論理接続部の簡略平面図である。 主な符号の説明 12,14:導電線 15:基板 16,121,122,123,141,142,143:井戸 18:制御電極
FIG. 1 is a simplified plan view of the switch of the first preferred embodiment for two cross-coupled quantum well conductive lines, and FIG.
Simplified side cross-sectional view taken along line 2-2 of the figure, FIGS. 3A and 3B
The figure shows the conduction band and the valence band along the conduction line of FIG. 1, and FIGS. 4A and 4B show the bends of the conduction band and the valence band for biasing the switch of the first preferred embodiment. Figures 5A and 5B show 3A when bias is applied.
3 and FIG. 3B showing the states of the conduction band and valence band, FIG. 6 is a schematic side sectional view showing the switch of the second preferred embodiment, like FIG. 2, and FIG. Similar to the figure, a simplified side sectional view showing a switch of a preferred third example,
Figure is a simplified plan view of the switch of the preferred fourth embodiment for two cross-coupled quantum well conductive lines, Figure 9 is a simplified side sectional view taken along line 9-9 of Figure 8, Figures 10A and 10A. FIG. 10B is a diagram showing the conduction band along the conduction line in FIG. 9, and FIGS. 11A and 11B are diagrams showing the state of the conduction band in FIGS. 10A and 10B when a bias is applied. The figure shows the preferred embodiment,
A simplified plan view of a processor array of cross-coupled quantum well lines, and FIG. 13 is a simplified plan view of the preferred embodiment logic connections consisting of two cross-coupled quantum well conductive lines. Explanation of main symbols 12,14: Conductive wire 15: Substrate 16,121,122,123,141,142,143: Well 18: Control electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/812 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 29/812

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】切換え可能な交差結合量子井戸導体におい
て、 第1の導線に配した複数の量子井戸であって、前記第1
の導線にある前記量子井戸が、前記第1の導線における
近接した前記量子井戸の間のトンネル作用が最大となる
第1のエネルギを有し、 前記第1の導線に交差して第2の導線に配した複数の量
子井戸であって、前記第2の導線にある前記量子井戸
が、前記第2の導線における近接した前記量子井戸の間
のトンネル作用が最大となる第2のエネルギを有し、前
記第2のエネルギは前記第1のエネルギと異なり、 前記第1の導線と第2の導線の交差箇所で前記量子井戸
に結合した電極であって、前記電極への電圧の印加は、
前記第1および第2の導線のうちの一方に沿って導通を
するように、かつ他方に沿って導通を無くすように作用
する切換え可能な交差結合量子井戸導体。
1. A switchable cross-coupled quantum well conductor comprising a plurality of quantum wells arranged on a first conductor, said first well comprising:
Has a first energy that maximizes tunneling between the adjacent quantum wells of the first conductor, and the quantum well in the second conductor crosses the first conductor A plurality of quantum wells disposed in the second conductor, wherein the quantum well in the second conductor has a second energy that maximizes tunneling between adjacent quantum wells in the second conductor. , The second energy is different from the first energy, and is an electrode coupled to the quantum well at an intersection of the first conductor and a second conductor, and applying a voltage to the electrode,
A switchable cross-coupled quantum well conductor that acts to conduct along one of the first and second conductors and to discontinue along the other.
【請求項2】請求項1に記載の切換え可能な交差結合量
子井戸導体において、前記電極が影響を受ける井戸と共
にショットキー障壁を形成する導電材料を有する切換え
可能な交差結合量子井戸導体。
2. The switchable cross-coupled quantum well conductor of claim 1, wherein the electrode has a conductive material that forms a Schottky barrier with the affected well.
【請求項3】請求項1に記載の切換え可能な交差結合量
子井戸導体において、前記電極が影響を受ける井戸と共
に逆バイアスされた接合を形成する導電材料を有する切
換え可能な交差結合量子井戸導体。
3. The switchable cross-coupled quantum well conductor of claim 1, wherein the electrode has a conductive material that forms a reverse biased junction with the affected well.
【請求項4】請求項1に記載の切換え可能な交差結合量
子井戸導体において、前記電極が影響を受ける容量結合
された導電材料を有する切換え可能な交差結合量子井戸
導体。
4. The switchable cross-coupled quantum well conductor of claim 1 wherein said electrodes have a capacitively coupled conductive material affected.
【請求項5】請求項1に記載の切換え可能な交差結合量
子井戸導体において、前記電極が電圧を印加することに
よって井戸を誘起する切換え可能な交差結合量子井戸導
体。
5. The switchable cross-coupled quantum well conductor of claim 1, wherein the electrode induces a well by applying a voltage.
【請求項6】請求項1に記載の切換え可能な交差結合量
子井戸導体において、前記電極が少なくとも1つの井戸
の拡大部を誘起する切換え可能な交差結合量子井戸導
体。
6. The switchable cross-coupled quantum well conductor of claim 1, wherein the electrode induces an extension of at least one well.
【請求項7】結合量子井戸導体のアレーにおいて、 第1の複数の結合量子井戸導体であって、該第1の複数
の結合量子井戸導体は互いに交差せず、かつ前記第1の
複数の結合量子井戸導体のそれぞれは複数の結合量子井
戸を有し、 第2の複数の結合量子井戸導体であって、該第2の複数
の結合量子井戸導体は互いに交差しないが、前記第1の
複数の結合量子井戸導体に交差し、前記第2の複数の結
合量子井戸導体のそれぞれは複数の結合量子井戸を有
し、 複数の電極であって、該電極のそれぞれは電圧が印加さ
れることにより前記第1の複数の結合量子井戸導体の1
つと前記第2の複数の結合量子井戸導体の1つと交差部
に位置していて、1つまたは更に多くの前記交差部で1
つまたは更に多くの前記井戸が影響を受け、影響を受け
た前記井戸と前記複数の結合量子井戸導体の別の井戸の
間の共振トンネル作用を設定するか無くすかするように
備えた結合量子井戸導体のアレー。
7. An array of coupled quantum well conductors, the first plurality of coupled quantum well conductors, wherein the first plurality of coupled quantum well conductors do not intersect each other and the first plurality of coupled quantum well conductors. Each of the quantum well conductors has a plurality of coupled quantum well conductors and is a second plurality of coupled quantum well conductors, the second plurality of coupled quantum well conductors not intersecting each other, but the first plurality of coupled quantum well conductors. Intersecting a coupled quantum well conductor, each of the second plurality of coupled quantum well conductors has a plurality of coupled quantum wells, and a plurality of electrodes, each of which is configured to have a voltage applied thereto. One of the first plurality of coupled quantum well conductors
And at one or more of the second plurality of coupled quantum well conductors and at one or more of the intersections.
One or more of the wells are affected, and coupled quantum wells are provided to establish or eliminate resonant tunneling between the affected well and another well of the coupled quantum well conductors. An array of conductors.
【請求項8】請求項7に記載の結合量子井戸導体のアレ
ーにおいて、前記影響を受ける井戸を持たない前記交差
部が信号に方向性を与えるプロセッサを有する結合量子
井戸導体のアレー。
8. The array of coupled quantum well conductors of claim 7, wherein the intersection without the affected well has a processor that directs signals.
JP61089828A 1985-04-19 1986-04-18 Switchable coupled quantum well conductor Expired - Lifetime JPH0824194B2 (en)

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