JPS6182470A - 量子ウエル装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本・発明は団子結合電子装置の製造方法に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする問題点１ＭＯ
８装置が４分の１ミクロンのチャンネル長さの域に達す
る頃には、或いは恐らくもっとずっと大きな寸法の時で
さえ、従来のＶＬＳＩ集積技術テクノロジーはそれ以上
のスケーリングを妨げられるであろうと言う事が一般的
に認識されている。集積回路の可能性の多くの前進はス
ケーリングの絶え間無い進歩に基づいていた故に、近い
将来のこの障害は大きな関心事である。

従って本発明の目的は、能動装置が、寸法が４分の１ミ
クロンよりも小さな活性領域を持ち得る集積回路テクノ
ロジーを提供する事である。

本発明のもう１つの目的は、各々の能動装置の占める全
面積が平均１平方ミクロンの１／４以下の能動装置を製
造する事の出来る集積回路テクノロジーを提供する事で
ある。

従来の集積回路テクノロジーのもう１つの内在的制約は
速度である。ＭＯ３装＠はチャンネル長さ走行時開の故
にその速度の点で内在的制約を持っている。集積化の出
来るバイポーラ装置も又、ベース幅走行Ｒ−に起因する
内在的な速度制約を有しており、又電力散逸も多いと思
われる。

従って、どの様なＭＯ３ｉｌｌ！よりも高い潜在的最高
速度を持つ能動装置を提供する事が本発明の１つの目的
である。

どの様なバイポーラ装置よりも潜在的に速い能動装置を
提供する事は本発明のもう１つの目的である。

どの様なバイポーラ装置よりも潜在的に速く、又電力散
逸も非常に少ない能動装置を提供する事は本発明のもう
１つの目的である。

これらの並びにその他の目的を達成する為に、本発明は
次のものを提案する、少なくとも２つの密度にＦＡ　）
Ｂしたポテンシャルウェル（例えばＡｊＧａＡｓ格子の
中のＧａＡｓの島）が十分に小さく作られ、その為にウ
ェルの内部に於けるキャリアの少なくとも２つの運動成
分が別々に量子化される、新種類の電子装置。この墨は
、ウェル相互間のバイアスが２つのウェルのエネルギ一
単位を整合させる様に調整せれているとトンネル現象が
非常にすみやかに発生するが、エネルギー準位が整合さ
れていないと、トンネル現象は著しく弱められると言う
事を意味している。この高利得メカニズムから有用な電
子装置機能がもたらされる。

しかしながら、極めて小さい寸法のために、これらの装
置は製造することが非常に困難である。

特に、高温で作動する（例えば、室温や液体窒素温度で
の作動）実例については、幾何学的寸法（ジオメトリ−
）はより小さいものが要求される。

しかも、これら非常に小さな幾何学的寸法のウェルを、
ウェルの境界において非常に良好な界面が保持されるよ
うに、製造する必要がある。

本発明の目的は、最大寸法が５００オンダストローム以
下で非常に良好な界面が設けられている量子ウェルの量
子ウェル装置の製法を提供することである。

本発明の更なる目的は、更に、量子ウェルを結合するた
めの接点が設けられている装置の製造方法を提供するこ
とである。

本発明の更なる目的は、最大寸法が１５０オングストロ
ーム以下で非常な良好な界面品質の量子ウェルを有し、
量子ウェルに結合する接点が設けられている量子ウェル
装置を提供することである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明により以下の製造方法が提供される。

すなわち、 （八）基板を用意するステップと、 （Ｂ）前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエ
ピタキシャル層を設けるステップであって、前記第１の
層は少なくとも１０１７単位平方センチメートルの濃度
にドープされ且つ少なくとも２００ｎ−の厚さで、前記
第２の層は５Ｘ１０１７単位平方センチメートルより大
きくないドーパント濃度を含み厚さは３００オングスト
ロームより少ない、ステップと、 （Ｃ）前記第２の層を貫通ずるが前記第１の層を完全に
は貫通しない、第１のパターン状に堀を異方性エツチン
グするステップと、 （１）ｌ実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半
導体材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１
の半導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料を
エピタキシャル成長させるステップと、 （Ｅ）＠２第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第
２のパターンで堀を異方性エツチングするステップと、 （Ｆ）実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２
の半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 （Ｇ）所望の回路機能を構成するよう導電層を形成する
ステップと、 を含む量子ウェル装置の製造方法であって、前記第１と
第２のパターン化された堀のエッチは前記第２の層の孤
立部分内の複数の量子ウェルを共同して形成し、また、 前記第２のトレンチエッチは前記第１の層内の前記量子
ウェルの相互連結を形成する、量子ウェルの製造方法で
ある。

［実施例］ 本発明は、これ迄集積回路を作る為に電子工業界で用い
られて来たトランジスタやダイオードの構造とは基本的
に異なる能動装置を示す。即ち本発明によって示されて
いる能動装置は電界効果トランジスタでもバイポーラト
ランジスタでもなく、基本的に勝つ全く異なる原理に従
って動く。

本発明の多くの実施態様の鍵となる特徴は一対の３！ｉ
ｌして結合された量子ウェルであるが、この量子ウェル
の各々の極めて小さく、その電子ポピユレーションが量
子化される程小さい、即ち、ウェルの中の電子は幾つか
の許容エネルギーのうち１つだけしか持てない。本発明
は古典物理学では解析する事が出来ず、量子力学の知識
で理解しなければならない装置の作動様態を示している
。

半導体プロセッシング分野に於ける進歩は今や、電子の
ブロッホ波長に匹敵する、極めて小さな寸法でパターン
を描かれる様な半導体構造を可能にしている。（ブロッ
ホ波長は半導体の中の電子の１幅“を測定する。電子の
位置は確率分布によって測定されなければならず、その
位置には成る程度の幅がある。）本発明は、これ迄の半
導体や集積回路の装置では見られなかった種類の新しい
原理の作動が可能な、新しいタイプの装置構造を達成す
る為にブロッホ波長に近い寸法のパターン化された構造
を利用する事が出来ると言う事を利用している。

本発明の中で用いられている鍵となる作動原理の幾つか
を説明する簡単化されたサン１ル実施態゛様が図１に示
されている。砒化ガリウム（ガリウム砒素）の離隔した
ウェルが砒化アルミニウム・ガリウムのマトリックス（
母相ｌｌ）の中に埋込まれている。半導体皮術で良く知
られている様に、Ａ　ｆＪ、　Ｑ　ａ　Ａ　Ｓの禁止帯
の幅（バンドギャプ）はＧａＡｓのそれよりも広い。（
もっと正確に言えば、Ａｊ！　ｘＱａ　　　ＡＳの式を
持つ擬似二元合金−ｘ はずぺて、ＸのＩ［ｌＷＬとして増加してゆく禁止帯の
幅を持つ半導体である。）この異なる禁止帯の幅は、格
子内の伝導帯−電子のポテンシャルエネルギーがＧａＡ
ｓの領域内ではＡＪＩＧａＡｓの領域内よりも低いと言
う事を意味している。この材料系の特別な長所は、Ｇａ
ＡｓとＡｊＧａＡｓとの間の界面が非常に良い挙動をす
る界面であると言う事であり、即ちこれらの界面は極め
て低い密度の表面エネルギー準位で作る事が出来（Ｓ１
／５ｉ０２界面よりも低い）、且つ界面のＧａＡｓ側と
ＡＪＩＧａＡｓ側との間でほとんど完全な格子整合を保
つ事が出来る。しかしながら、以下に論じられる様に、
本発明は、単に半導体だけにとどまらず、広い範囲にわ
たる様々な素材系を用いて実施する事が出来る。

図１のサンプル実施態様に於いて、ウェル１０は約１２
５オングストロームの幅を持ち、又ウェル相互間の間隔
も又約１２５オングストロームである。これらのウェル
のディメンション（寸法）は、ウェルの中の電子のエネ
ルギー状態が量子化される程十分小さい。即ち、これら
のウェルは好ましくは立方形に作られるが、上記の様な
ディメンションの立方形のウェルの中の電子の許容エネ
ルギー状態は電子のふるまいの為の実効質量近似計算を
用い、量子力学の箱の中の単純粒子の問題として容易に
計算する事が出来る。かくして、例えば、上記のウェル
のディメンションの場合で且つアルミニウム濃度を３５
％とすると、４つの許容エネルギー状態が存在し、その
最も下にあるエネルギー状態はＧａＡｓを伝導帯の最低
点のボームの上方にあり、且つ２番目に低いエネルギー
状態から０，０７０電子ボルトだけ分離されている。

２番目に＾いエネルギー状態は更に０．１１４電子ボル
トだけ上方にある。これらのエネルギー状態は量子化さ
れたものとして取り扱わねばならないと言う事に注意す
る事。この事は、ウェルの中の電子のエネルギーはこれ
らの許された、分離したエネルギ一単位のうちの１つと
正確に等しくならなければならず、その他の値を取る事
は出来ない、と言う寥を意味している。この事が本発明
の鍵である。この事が通常の半導体装Ｍ（例えそれが現
在の半導体装置のスケーリングによって達成される進ん
だ半導体装置であっても）との基本的な相異であると言
う事に注意する事、何故なら、従来のすべてのソリッド
ステート装置は−例えそれが電界効果形又はバイポーラ
形のトランジスタ或いはその他のどの様なものであれ一
半導体の伝導帯の中の電子のエネルギ一単位がほぼ連続
している事を要求しているからである。

この様な量子化された系の中の各々のエネルギ一単位が
入れる事の出来る電子数は厳しく制限されていると言う
事が注意されるべきである。即ち、本例の各々のウェル
のなかの最も下方にあるエネルギ一単位はわずか２個の
電子、次に高い単位はわずか６１１の電子、その次に高
い単位はわずか１０個の電子、等々、しかそれぞれ受は
入れる事が出来ない。この事はウェルの中のキャリア数
が厳しく制限されていると言う事を意味している。

かくして、もし次のウェルのエネルギー状態が既に完全
に充満されていれば、キャリアはそのエネルギー状態へ
トンネルしてゆく牢は出来ない。８各のウェルは同時に
わずかな数のキャリアしか含む事は出来ないが、他方で
は遷移ＦＩ＃ｍが明らかに短く（代表的に言えば１ピコ
秒よりもはるかに短い）、多くのウェル対を並列に働か
せる事によって全電流を増やす事が出来ると言う事が注
意されるべきである。

さて、この簡単な実施態様ではウェルは互いに、１つの
ウェルの中の電子の確率密度が隣のウェルの中へ及ぶ程
十分に近接して配置されている、即ち、図１のウェル１
０と１２は互いに十分に近接しているので電子はお互い
の間を容易にトンネルする事が出来る。特に、図１ｂに
示されている様に、第１のウェルの中の電子は第２のウ
ェルの中の同じエネルギーの状態へ容易にトンネルする
事が出来るが、勿論これは、空いている状態が第２のウ
ェルの中で実際に存在しているのと同じエネルギーを持
っている時にしか行われ骨ない。しかしながら、２つの
ウェルの中のエネルギ一単位が同列にないと仮定してみ
よう。この場合には第１のウェルの中の電子は第１のウ
ェルとは異なるエネルギーを持つ第２のウェルの状態（
準位）へトンネルする事しか出来ないが、この様な状態
へのトンネルが出来るのは第２のウェルの中の、下方に
ある利用可能な状態のエネルギーに到達する為に十分な
エネルギーを電子が失うか或いは獲得する事が出来る様
な何らかのメカニズムも又存在している時だけである。

この様なトンネル現象を達成する為に電子エネルギーを
変化させる為の主要メカニズムが表面エネルギー準位を
介する弛緩作用（！ｌ和）である。

即ち、半導体の界面と同様の極めて良性のＧａＡｓとＡ
ＪＧａＡｓの界面でさえも、界面に無視する事の出来な
い密度の表面エネルギ一単位を持っている。もし電子が
散乱の為に利用可能な位置（サイト）の１つを横切ると
、この様な表面エネルギ一単位は散乱現象を起こさせ、
電子がより高い又はより低いエネルギーへ転移するのを
許す。即ち、この界面は、ウェルとウェルのエネルギ一
単位が同列にない場合でも電子がウェルとウェルの間を
遷移する事が出来る様に電子からのエネルギーを変える
事の出来る面積密度の散乱サイトを持つと説明する事が
できる。この遷移モードは非弾性トンネル現象として知
られている。第１のウェルから第２のウェルへ電子がエ
ネルギーの変化無しにトンネルするトンネル現象のもう
１つのモードは共鳴トンネル現象として知られている。

トンネル現象はエネルギーと運動０の両方の保存を要求
する。運ｖＪｆｆｉも又小さいポテンシャルウェルでは
量子化される。即ち、ポテンシャルウェルの境界を画定
している箱の各々のディメンションの中で、そのディメ
ンションの長さが短くなればなる程、その運１ｊＪｌ成
分の許容値の幅も広くなる。かくして、後に引用される
５ｏｌｏｎｅｒ他の文献の中に報告されている様に、共
鳴トンネル現象は非常に近接して置かされ比較的低いポ
テンシャルの２枚の薄いシートの間でも゛起こり得る。

ポテンシャルウェルの２つのディメンションは非常に大
きいから、これらの２つのディメンションの中の運妨母
成分は量子化されない。即ち、ポテンシャルウェルの１
つのディメンションが大きいと、この方向の運動世成分
の間隔は、背景となっている格子のフォノンが運動ｍの
差異をもたらすのに有効となる程、近接する。即ち、格
子の中に見られるフォノンの密度はポーズ−フィンシュ
タイン統計に従い、背景の格子の温度ＴでエネルギーＥ
の格子の中に見られるフォノン数は、 ＥＸＰ　（Ｅ／ＫＴ＞−１ として変化する。フォノンのこのエネルギー分布はまた
フォノンの運ａａの大きさの分布をも意味しており、又
、フォノンは妥当な半導体材料の中ではほぼ等方性とし
て取り扱う事が出来るから、この同じ分布は運動量のい
ずれか１つの特定の成分について希望する値を持つフォ
ノンの分布をも規定している。かくして、ポテンシャル
ウェルの中の運動量の量子化は温度に関連してのみ分離
したもの（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）あるいは疑似連続（ｑｕ
ａＳｉ−ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）のものとして考える事
が出来る。即ち、例えば、幅１．０００オングストロー
ムの箱は１にで運動量の量子化をもたらすであろう。何
故ならフォノンのポピユレーションはエネルギー的に低
い単位へ向かって殺到するであろうが、３００にでは無
数の格子を背鵡とするフォノンのポピユレーションがあ
って、許容運動量の値と値の間のギャップを橋わたしし
てしまうので、この方向での許容運動量の値と値の間の
分離はあまり意味が無い事になるであろうからである。

即ち、この方向の運動量は疑似連続値として扱われるべ
きであろう、即ち、入って来るキャリアが持っているこ
の運動量成分の値がどうであっても、格子のフォノンが
この運動ｎ成分を許容値の１つに迄合わせてしまう事が
出来るので、なおトンネル現象が可能となる。もし運動
員の３つの成分のすべてが別々に量子化されれば、エネ
ルギーも又別々に量子化されねばならない事になる。エ
ネルギー準位の量子化は（荒い近似で言えば）ポテンシ
ャルウェル体積にのみ依存しているので、薄くて偏平な
ポテンシャルウェルは運ｌｌ量の１つの成分については
エネルギ一単位を量子化し且つ別々の許容準位を明確に
分離する事が出来るであろうが、他の２つの運動量成分
の許容値は互いに近接しており、従ってこれ゛らの値が
トンネル現象に対して実際的な強制を課する事はないで
ある。即ち、共鳴トンネル現象の利得は、合致させられ
るべきパラメータの数に従って＾められる。間隔の近接
した２つの立方形のポテンシャルウェルの間に於けるト
ンネル現象の場合、運動量（従ってエネルギー）の３つ
のすべての成分は第１のウェルの中のキャリアが出てゆ
く状態と第２のつＩルの中のキャリアが入ってゆく状態
との間で整合していなければならない。即ち、もし入っ
て来るキャリアが３つのすべての運動員の要求を満たし
ていなければ、キャリアが３つの運ｌｌ量の値の各々の
差を満たす為にぴったりと見合った成分を持つ格子フォ
ノンを見付けるチャンスは非常に少ない。しかしながら
、もし調整されるべき成分が唯一であれば、偶然的に格
子フォノンとの相互作用によってこれを行うチャンスは
ずっと多くなる。

かくして、本発明の好ましい実施態様は運動量のすべて
の３つの成分が量子化された構造を用いている。しかし
ながら、本発明の幾分好ましさの劣る第１ｕの別の実施
態様は運ｌｌ＆の２つの成分だけは母子化されているが
エネルギーは口化かされていない構造、即ち近接配置さ
れた複数の薄いワイヤ、を用いている。フォノンによっ
て助けられたプロセスだけによって運動量の要求を満た
す事は容易であるが、エネルギーと運ａ蚤の両方の対話
を満足させる必要性が非弾性トンネル現象の背景の割合
を抑制させている。即ち、冶金学的界面にある散乱の中
心がキャリアのエネルギーを変える事が出来れば、格子
フォノンの１つが運動量に適切な調査をもたらす事は容
易である。

装置のディメンションがより小さく作られているので、
次の様な２つの好ましい効果が達成される、第１に、ウ
ェルのディメンションが小さくなると共にウェルの中の
量子化されたエネルギ一単位のセパレーションが増大す
る。第２に、ウェルが互いにより近接すると共に、トン
ネル現象の速度が上昇する。即ち、トンネル現象の確率
は定数ｘｅｘｐ　（−２ｄｘｆ　（Ｅ））として表され
る、但しｄはウェルとウェルの間の距離又Ｅはエネルギ
ー差である。

この指数的依存性は、ウェルとウェルとの間の距離が小
さくなると共に共鳴トンネル現象の確率が著しく高まる
と言う事を意味している。非弾性トンネル現象はそれと
同じ様には増えない、何故なら上述の通り、良い材料の
中では、非弾性トンネル現象は散乱の中心の密度によっ
てｖ１限されているからである。かくして、ウェル相互
間の間隔が約１２５人又はそれ以下の場合は室温での作
動が可能となる。

共鳴トンネル現象に対する制限は熱的゛１スメアリング
″即ち、背殻の熱エネルギーによって誘起されるエネル
ギー準位のポピユレーションの再分配、によってもたら
される。即ち、分離したエネルギー準位の各々のウェル
の内部に於ける状態分布密度が熱的スメアリングによっ
て幾分広げられる。より高い温度では熱的スメアリング
はより大きくなる。熱的スメアリングがもたらす問題は
、熱的スメアリングがより高いエネルギー準位の状態を
もたらさない様にする為に、作動温度が十分に低くなけ
ればならないと言う事である。即ち、偶然的な合致と双
方向の弾性的トンネル現象を除去する為に電子は最も低
いエネルギ一単位になければならない。これによって、
エネルギー間隔は電子の熱エネルギーよりもずっと大き
くなければならないと言う条件に還元される。かくして
、ＡＩ　　Ｑａ　　　ＡＳマトリックスの中の０．３　
　０．７ ＧａＡｓウェルを用いて４°にで作動させた場合には、
ウェルの幅（及びウェルの間隔）は約０．１〜０．２ミ
クロン又はそれ以下でなければならない。しかしながら
、作動温度を３００″にへ引き上げる為には、限界ディ
メンションを１２５オングストローム又はそれ以下のオ
ーダーの数迄引き下げる事が必要である。

更に、図２に示されている様に、互いに隣接しているウ
ェルのエネルギ一単位は、バイアスをかける事によって
簡単に整列させ或いは整列させない事が出来る。本ケー
スでは、伝導の方向に十分なバイアス電圧がかけられて
いるので、第２のウェルの中の第２の単位が第１のウェ
ルの中の第１の単位と整列させられている。この様な条
件下では共鳴トンネル現象が規制的に起こり、且つ第２
の準位から第２のウェルの中の基底状態への急速な緩和
が、この装置が単方向性であると言う事を保証している
。

もしこれと同じ構想に対してゼロバイアスを加えた場合
には、共鳴トンネル現象はなお可能であろうが、それは
恐らく双方向性となろう。即ち、ゼロバイアス時には２
つの隣接するウェルの中のエネルギー準位は整列するが
、電子は第１のウェルから第２のウェルへ向かつて、丁
度筒２のウェルから第１のウェルへ向かってトンネルす
るのと同じ位速く、トンネルするであろう。但し、もし
図２に示されているバイアスの半分のバイアスが加えら
れると、共鳴トンネル現象は（十分に低い温度の下では
）禁止され、非弾性的トンネル現象だけが許容されると
言う事に注意する事。図３に示されているこの様なバイ
アス条件の下では、電子は上に論じられた通り散乱現象
が同時に起こる時にのみウェル１の状態からより低いウ
ェル２の状態へ遷移する事が出来る。かくして、ディメ
ンションが小さい時には、非弾性遷移の頻度は有効散乱
サイトの密度によって制限される。しかしながら、散乱
サイトの密度は実際には面積密度である。何故なら、散
乱サイトの密度は結晶格子内の粒子又は内部欠陥からよ
りもむしろ主として表面エネルギ一単位から生じるから
である。かくして、制限因子が欠陥の面積密度である故
に、非弾性トンネル電流はウェルとウェルの間の距離に
よっては比較的影響を受けない。この事は、良質の材料
の場合、ディメンションがスケーリングされると共に共
鳴トンネル電流が著しく増加するが、非弾性トンネル電
流はそれ程増加していないと言う事を意味している。

これからの現象の結果、２つのウェルの間に於けるトン
ネル現象の電ＦＩＬ／電圧のグラフはほぼ図４に示され
ている様に見えると言う事になる。即ち、非弾性トンネ
ル現象は印加された電圧と共にほぼ指数関数的に増加す
る電流を供給する。共鳴トンネル現象も又、２つのウェ
ルのエネルギー準位が整列されるバイアス電圧の時に、
この曲線に対して付加される少なくとも１つの電流のピ
ークを供給する。かくして、相当大きな負性の差抵抗の
作ｉＦｈ条件が得られる。即ち、５ｏｌｌｎｅｒ他の゛
周波数２．５ＴＨｚ迄における量子ウェルを通る共鳴１
−ンネル現象″応用物理書１１４３号、５８８頁（１，
９８３年）　［５Ｏ１ｌｎＯｒｅｔ　ａｌ、　”ｎｅｓ
ｏｎａｎｔＴｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｑｕ
ａｎｔｕｍ　Ｈｅ１ｌｓ　ａｔＦｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｕ
ｐ　ｔｏ　２．５ＴＨ７”　４３　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ　５８８　（１９８３）　
］の中に報告されている様に、利得のあるミリメートル
・ダイオードが得られる。（但し、この論文は上に述べ
られた様に唯一の運ｆｌｌ［成分だけが分離されている
ポテンシャルウェルを用いた。）一般的に共鳴トンネル
現象の物理学として知られているものを扱っているその
他の￥４景内容考文献には次のものがある、ｃｈａｎｇ
　ｌｔ！！、゛二重障壁半導体に於ける共鳴トンネル現
象″（Ｒｅ５ｏｎａｎｔ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｏ　ｉｎ　
Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃ−ｔｏｒ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｂａｒ
ｒｉｅｒＳ　）　、応用物理学書簡２４号、５９３頁（
１９７４年）　、Ｔｓｕ他゛″超格子の中に於ける伝導
電子の非直線光学応答″ （Ｎｏｎｍｉｎｅａｒ　０ｐｔｉｃａｌ　　Ｒｅ５ｐｏ
ｎｓｅ　ｏｆ　ＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ
ｓ　ｉｎ　ａ　５ｕｐｅｒ　Ｌａｔｔｉｃｅ　）　、応
用物理学書簡１９号、２４６頁（１９７１年）　、１６
ｂｗｏｈｌ他、′超格子に於ける電気輸送特性″ （Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ＴｒａｎＳｌ）Ｏｒｔ　ｐｒ
ｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｉｎ　ａ　５ｕｐｅｒＬａｔｔｉｃ
ｅ）　、応用物理学ジャーナル（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
Ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ）　４１号、２６６４
頁（１９７０年）、及びＶｏｊａｋ他、”金属有機化学
蒸着によって作られたマルチプル量子ウェルｌ　　Ｇａ
１−ｘＡｓ−ＧａＡｓ　　Ｐ−ｎヘテロ構造レーザの低
温度作動“（ｔｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＯＤｒａｔ
ｉＯｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　−
ＷｅｌｌＡｊ！　　Ｇａ１−ｘＡｓ−ＧａＡｓ　　Ｐ−
ｎ　　ＨｅｔｅｒＯ５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔａｓｅｒｓ
　Ｇｒｏｗｎ　ｂｙ　ａ　Ｍｅｎｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉ
ｃＣｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　Ｄｅｌ）Ｏ３ｉｔｉ
Ｏｎ）　、応用物理学ジャーナル５０号、５８３０頁（
１９７９年）。これらの５つの参考文献はこれによって
レファレンスに組み込まれる。（これ迄の議論の幾つか
の部分はこれからの論文や恐らくはその他の文献の中に
反映されている様な公知の物理学を反映しているに過ぎ
ないが、これ迄の議論のその他の部分は公知ではなく、
先行技術中のいかなる理解も反映されていないと言う事
が注意されるべきである。）しかしながら、先行技術は
唯一のディメンションについて量子化されたポテンシャ
ルウェルを示しており、この様なポテンシャルウェルは
弾性トンネル現象の為の選択規則に対する要求の緩和を
示唆している。本発明の好ましい実施態様よりは厳密な
選択規則を有しており、且つ（３つのすべてのディメン
ションが量子化される故に）１つのディメンションにつ
いて量子化された装置にりも劇的により多くの利得を有
しているはずである。

本発明は、３つのすべてのディメンションが量子化され
ており、この事がトンネル現象の条件に対して他の構造
の場合とは大いに異なる要求を課している、即ち、運！
ＩＩＪ　１にの要求が希望する弾性共鳴トンネル現象以
外のものを大いに抑圧している、と言う点でエサキ・ト
ンネルダイオードも２デイメンシヨン性の電子ガス構造
体とは大いに異なっている。

以上の議論はウェルの中にわずかな数量子単位しかない
と言う事を仮定していたが、これからは大部分の都合の
良いウェルのディメンションの場合適当ではない。Ａρ
ＧａＡｓの格子の中に１．０００オングストロームのＧ
ａＡｓのウェルが組み込まれていると言う、上記の様な
製造の中の量子単位のより現実的なエネルギー準位図は
図５に示されている様なものとなろう。箱の問題の中の
粒子に対する解決のよく知られている統計法によれば順
次高くなってゆくエネルギ一単位は互いに間隔を徐々に
狭めながら配置されていると言う事に注意する事。この
事は、２つのウェルの間で最も低い幾つかの単位が整列
しない様なバイアス電圧の時でも、もつと高い準位の幾
つかは整列する可能性があると言う事を意味している。

しかしながら、これは大きな問題ではない、何故なら高
い方の準位は先に述べられた温度の要求の為にポピユレ
ーションが無くなっている事が多いからである。Ｉｌ！
ｌ】ち、より高い状態から空のより低い状態への緩和の
為の寿命は一般にトンネル現象の為の代表的時間よりも
ずっと短いであろう。かくして、低い方の準位がトンネ
ル現象に・よってポピユレーションを減らされた後で、
何らかのやり方で励起された高い方の準位はトンネルす
るよりもずっと速く、電子を減らされた低い方の単位に
向かって緩和する傾向を持つ。しかしながら、これは、
空の低い方の準位がトンネル現象が０■能となる高い方
の準位よりも下方に゛あると言う事を前提としている。

この前提は入力接点に対する要求を課する。次にこの要
求について述べよう。

図６は２つの結合されたウェル１０及び１２、並びに入
力及び出力接点１４及び１６から成るか系のエネルギー
準位図を示している。２つのウェルとそれらのウェルの
間の領域は好ましくはドープされていないのに対して、
入力及び出力接点はドープされていると言う事に注意す
る事。又入力及び出力接点を作る必要性から、ウェルの
寸法に対して次の様な２つの重要な制約が生じと言う事
にも注意する事、第１に、入力接点は、入力接点をもた
らしているドープされた半導体の中の電子フェルミ準位
、にほぼ等しいエネルギー迄、トンネル現象によって第
１のウェル１０のすべての単位を満たす。この事は、こ
の様にしてなお満たされている単位のいかなるものも、
トンネル現象が起こる事が望ましくない場合には第２の
ウェルの中の準位と整列してはならないと言う事を意味
している。即ち、もしウェルが大き過ぎる場合には、ウ
ェルの底部には分離されたエネルギー状態があるが、こ
れらのウェルは入力接点のフェルミ単位の下方に密接に
間隔を置いて配置されたエネルギー状態を含んでいるで
あろう。

この事は、これらの密接に間隔を置いて配置されたエネ
ルギー状態は満たされるであろうと言う事、従ってもし
これらの密接な状態のうちのいずれかが第２のウェルの
中の状態と整列すれば共鳴トンネル電流が見られるであ
ろうと言うことを意味している。この事はこの装置の電
流利得が大きく減少されるであろうと言う事を意味して
いる。第２に、出力接点のフェルミ準位の上にある第２
のウェルの中のすべての単位は出力接点と平衡化する、
即ち、本質的に常に充満された状態にとどまっているで
あろう。この事はそれ自体としては問題ではない。何故
なら電子は第２のウェルの中のより高いエネルギー状態
から（大きな）出力接点の中に存在している状態の連続
体の中へトンネルする事が出来るからであるが、もし第
１のウェルの中のいずれかの準位が第２のウェルの中の
これらの充満された準位の中の１つと整列すると、第１
のウェルの中のその単位も又充満された状態にとどまっ
てしまうであろう。

入力及び出力接点は好ましくは共に縮退敵よドープされ
たｎ型であると言う事に注意する事。

ウェルの物理的形状は完全にシャープな境界線を持って
いるものとして説明されて来たが、これは厳密には現実
的ではない。即ち、良質のＢＭＥ材料の場合、遷移は一
般に非常にスムースなのでポテンシャルプロフィルは図
７に描かれているものにより正確に似ている様に見える
。これは実際には有利である、何故ならエネルギ一単位
はより等間隔に近く配置される傾向をもつからである。

即ち、エネルギー順位の配置がより等間隔に近くなれば
、下方にある多数のエネルギ一単位が整列されない、よ
り広いバイアス条件がある。

勿論、究極的に好ましい小さなウェルのディメンション
、例えば１２５オングストローム、の場合、各々のウェ
ルの中の（エネルギー）状態の数は少なく、例えば１つ
のウェル当り４つの状態、となろう。状態の数がこの様
に少ない場合には、実際に整列が存在しないバイアス条
件があろう。

上に説明された各々のトンネル遷移は８対の一致状態に
ついて限られた数の電子の遷移である。

即ち、量子ウェルの中の分離されたエネルギ一単位の各
々は成る限られた数の電子だけによって占められ得る。

エネルギーウェルがほぼ立方形と言う物理的形状を有し
ている上述の例の場合には、一番下方の単位はわずか２
個の電子によって占められ、それ以上の電子は入らない
。その次に高いエネルギー準位はわずか６個の電子によ
って占められ、それ以上の電子は入らない。第３の単位
はわずか１２個の電子によって占められ、それ以上の電
子は入らない。それよりも上方の準位も、幾つかは偶然
的な縮退の為にもっと大きな最大占拠数を持つ事があり
得るものの、大部分はわずか１２個の電子によって占め
られ得る。かくして、キャリアは例え相手が許容エネル
ギー準位の場合であってもその許容エネルギ一単位が完
全に占められてしまってはいない時にしかトンネルする
事は出来ないと言う事に注意する事が重要である。

各々の許容エネルギー準位にある複数の状態は別の量子
数によって区別される。即ち、例えば、第２のエネルギ
ー準位の中の６個の電子は可能な２つのスピン状態のう
ちに１つを取り、且つ可能な３つの運動量ベクトル方向
のうちの１つを取り得る。しかしながら、等エネルギー
状態の間に於けるこの様な区別は本発明を理解する為に
は比較的重要ではない。

かくして、各々のトンネル遷移は整列された８各の一対
のウェルについて１２個迄のキャリアを運ぶ事が出来る
。一対以上のウェルが同時に整列される事がある得る。

その上多数の対のウェルが並列に働かせられ得る。更に
、トンネル現象の為の遷移時間は極端に知く、１ピコ秒
以下となり得る。かくして、各々のトンネル現象の中で
遷移される電子の数はわずかでしかないものの、それに
もかかわらず妥当な電流密度が達成され得る。

かくして、基本的な１群の実１ｉＡ態様は、上に説明さ
れた様に、２つのけ子化されたウェルが入力接点を出力
接点から分離している構造である。しかしながら、本発
明のその他の側面からその他の沢山の種類の革新的な装
置の構造がもたらされる。

例えば、本発明にもとづく３端子装置が図８の平面図に
示されている。第１の量子ドツト（点）２０２は第２の
量子ドツト２０４と対にされており、この第２のη子ド
ツト２０４は出力接点２１０と対にされている。量子ド
ツト２０２及び２０４のディメンシミンは上で量子ウェ
ルについて論じられた様にして選択されるが、出力接点
２１０は十分に大きく作られるので疑似連続の状態が可
能となる。母子ウェル２０２は下の方から電極２０６と
対にされ′（結合され）、又は子ウェル２０４は下の方
からｆｆ１Ｉｆｉ２０８と対にされ（結合され）でいる
。゛ これらは好ましくは縮退的ドープされた半導体領域とし
、或いは金属線であっても良いが、いずれにせよ従来の
電子回路の形成の為に必要な長距離の経路をらたらす。

この実施態様の現在好まれているバージョンでは、量子
ウェル２０２及び２０４は分離して量子化された運動量
の２つの成分しか有していない、何故ならそれらのウェ
ルは直接それぞれの対応する電極へ接続されているから
である。即ち、電極２０６及び２０８は、例えば、その
上に従来の障壁メタリゼーションの７ａ層を持つタング
ステンとする事が出来る。量子ウェル２０２及び２０４
のＧａＡｓはこの導体の上に直接形成される。電極２０
６及び２０８はこのましくはｎ＋ＧａＡｓである。各々
の組子ウェル２０２又は２０４の下側及びそれぞれの接
点２０６又は２０８の上側には、オプションとして、Ａ
ｊ）ＧａＡｓ（７）薄い障壁を用意する事が出来る。こ
の障壁は十分に薄いのでそれを通して容易にトンネルが
行われ、従って各々の量子ウェルとそれぞれの対一応す
る電極との間のＤＣ結合を妨げる事はないが、それでも
この薄い障壁は各々のウェル２０２及び２０４の内部に
於ける運ｖＪ量の３つのすべてのパラメータの十分な量
子化をもたらす為には十分に小さく、それによって相対
的な共鳴トンネル現象の利得を、わずかなプロセッシン
グの複雑化と全電流のわずかな減少とを引換に、増加さ
せる。

本質的にこれと同じＭ！４造のより多きなスケーリング
のバージョンが図９に示されている。この３端子量子ウ
エル装置はより大きな電流を得る為に、並列の沢山の連
鎖のｍ子つェル対２０２．２０４を用いて構成する事が
出来る。電４ｉ２０６はソースとして働いているものと
して、電極２０８はゲート電極として、又電極２１０は
ドレン電極として、考える事ができる、という事に注意
する事。

パターン２１３はウェルのロケーション２０２及び２０
４を確定する為に用いる事が出来る。図１０はグランド
図２１１を含むこの構造の断面図を示している。

この構造のもう１つの変形例が図１１に示さている。追
加電極２０８′がより長い連鎖、ウェル２０２．２０４
’　２０４’　　・・・・等をもたらす為に用いられて
おり、その際共鳴トンネル現象はｆｆ１１Ｍ２０６と２
０８′のすべての上の電圧が共同で１つの条件（或いは
小さな１組の条件のうちの１つ）を満たしている時にの
み起こる、と言う事に注意する事。即ち、図１２は共鳴
トンネル現象が起らない１１１のサンプルの電極バイア
ス条件を示しており、又図１３は共鳴トンネル現象が発
生する別の組のバイアス条件を示している。

この多重なゲート装置はとりわけ読出し専用メモリの為
に有用である。

読出し専用メモリ（ＲＯＭ）の実施態様では、情報はコ
ラムラインからその下にあるｍ子ウエルへの電気的結合
度を変える事によって、簡単にハードプログラムされる
。この実施態様のサンプルが図１４に示されＣいる。こ
の実施態様の特別な利点は金属線のパターン形成その下
にある量子ウェルのパターンに対して必ずしも正確に整
列されなくても良いと言う事にある。・１１ち、もし金
属線のピッチが量子ウェルピッチの２倍又はそれ以上に
作られるこしても、このＲＯＭはなお機能するであろう
。

図示されているサンプルの実施態様に於いて、コラムラ
イン３０２．３０４．３０６、等は上方に横たわる金属
線である。コラムライン３０２は分子ウェルの列３１０
に対しては電気的に結合されているが、量子ウェルの列
３１２に対しては結合されていない（或いは列３１０に
対する程良く結合されてはいない）。この異なる結合は
フィールドプレートに切られた穴によって、或いは様々
な厚さにパターン化された絶縁体によって、実現する事
ができる。この構造のサンプルの作動モードは次の通り
である、背景ポテンシャルはすべてのコラム（即ら、ア
ースに固定されたすべてのコラム）について、共鳴トン
ネル現象が量子装置３１０．３１２、等の各々の列を通
して発生する様に定められる。

セルの中の１つのコラムを読出したいと言う場合には、
そのコラムの為のコラムライン３０２が別の電圧へ変え
られる。この別の電圧はコラムラインが電気的に結合さ
れている相手に列の中の共鳴トンネル現象を混乱させ、
これによってその列の中の共鳴トンネル現象を中断させ
る。

このコラムが電気的に結合されていない列の中では共鳴
トンネル現象は中断されないであろう。かくして、列の
中の電流を監視する事によって、アドレスされたコラム
と読出し列との交点の中にハードプログラムされた情報
が検出される。

水元１！ｌに従って量子ウェル装置を製造する為のサン
プルのブＯセスを次に説明しよう。特に、上に述べられ
た３端子装置の製造が、サンプルとして用いられる。

最初の材料は２つのエピタキシャル層を持つ半絶縁性の
ＧａＡｓ基板である。この基板は好ましくは、例えば１
立方センチメートル当り１０１５迄、クロムをドープさ
れるが、このドーピングは必ずしも必要ではない。第１
のエピタキシ１？ル層はｎ”　ＧａＡｓである。この層
は（各部位の）接続をもたらし、従ってかなり厚く且つ
かなり高い電気伝導度を持ち、例えば厚さが５．０００
オングストロームで１立方センチメートル当り１０１８
又はそれ以上迄ドープされたｎ型である。この層の上に
、実際の量子ウェルを形成する様にパターン化される、
薄い、わずかにドープされたｎ型の層が付着される。こ
の層は、例えば１立方センチメートル当り１０１６にド
ープされたｎ型であり、成るサンプルの実施態様ではそ
の厚さ１５０オングストロームである。（わずかなドー
ピングが用いられるのは単に幾つかのキャリアが得られ
る様にする為である。ドーピングｍを多くすると非弾性
トンネル現象を増大させる事になろう。）図２１は基板
４０２の上にエピタキシャル層４０４及び４０６を持つ
、初期Ｗ造を示している。上に述べられた様に、オプシ
ョンとして、層４０４と４０６の間にＡ、ＱＧａＡｓの
極めて薄い層を挿入り゛る事が出来る。この挿入層は、
望ましいシャープなドーピング遷移・をもたらす為に、
好ましくは分子ビームによって作られるが、この相は必
ずしも必要ではない。公にされている化学蒸着、とりわ
け有義金属ＣＶＤ　（ＭＯＣＶＤ）を用いた結果も極め
てシャープな遷移が得られる事を述べている。

最初のパターン形成段階がその後に続く。現在好まれて
いる実施態様では、パターン形成はＰＭＭＡ　（ポリメ
チルメタクリラート）等のＥビームレジスト電子ビーム
を用いて行われる。これが現在好まれている実１１　ｆ
ｉｌ様となっているのは、これが今日の段階で０．１ミ
クロンよりも小さな構造を作る為の信頼性のある方法を
もたらすからである。この様なディメンションは勿論光
学的リソグラフィーによっては不可能である（将来はＸ
線又はインオンビーム・リソグラフィーがこの様なパタ
ーン形成を行う為のより都合の良い方法をもたらすかも
知れないが）。図２２は図２１のエピタキシャル溝道を
示している。この構造には（ｅビーム描画と現像によっ
てパターン形成された）ＰＭＭＡの層４０８が付けられ
ている。次いで反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）マク
ス材料が付着される。現在好まれている実施態様ではこ
の為にアルミニウム層４１０及び金ゲルマニウム／ニッ
ケル層４１２が用いられる。パターン形成された層４０
８は次いで取り去られ、図２３に示されている様な、エ
ピタキシャル層４０６の選択された細い線の部分だけが
露出される。

反応性イオンエツチングは今や、エピタキシャル層４０
６及び４０４を通して下の基板４０２の中へ溝４１４（
図２４）を掘る為に、慣用されている。この様なパター
ン形成の為のＲＩＥの諸条件は普通に知られており、種
度の異方性が、幾分遅いエツチングと引換えに、低圧で
容易に実現される。

次いで、図２５に示されているように、アルミニウム層
４１０が希釈されたＨ（Ｊの中で除去され、ＲＩＥマス
キング層４１０及び４１２が取除かれる。

次いで、再びＡｊｌＧａＡｓ層がエピタキシャル方向に
全面にわたって成長させられる。この層が溝４１４を埋
める。この再成長は基板の同一軸方向の分子ビームを用
いて行わせる事が好ましい。

しかしながら、ここでも再び、金属有機ＣＶＤを代わり
の技術として用いる事が出来る。とは言え、いずれのケ
ースに於いても、この再成長は極めて高品質である事が
重要である。何故なら層４．０６から作られたＧａＡｓ
のウェルとＡｊｌ　ＧａＡｓの充てん材料４１６との間
の側壁の界面は、上に述べられた様に、極めて重要だか
らである。この再生し構造が図２６に示されている。

次いで、第２のパターン形成段階が実施される。

このケースで用いられるパターンは本質的にウェルの上
と同じパターンであるが、もちろん最終的構造の中には
出力接点が含まれている。図２７に示されているこのパ
ターンは図２８に示されているハードマスクのパターン
に変換され、これが再び反応性イオンエツチングされる
。しかしながら、この反応性イオンエツチングの段階は
むずかしい深さ制御の問題を有している。即ちエツチン
グはｎ＋層４０４に達する迄続けなければならないが、
これを貫通してはならない（図２９）。このむずかしい
深さ制御の問題が、上に述べられた様にｎ＋層４０４が
そのように厚く作られる理由の１つなのである。

再び、マスキング金層がはがされ（図３０）、ＡＮ　Ｑ
ａＡＳが再び全体にわたって成長させられる。上に述べ
られた様に、ＡＪＩ　ＧａＡｓは、１１　ＧａＡｓとＧ
ａＡｓとの間に値の異なった伝導体エネルギーを課す為
に十分に高いパーセンテージのアルミニウムを含んでい
る事が必要であるが、最良の可能なＧａＡｓとＡｊＧａ
Ａｓとの界面が得られる様にする為にはアルミニウムの
パーセンテージは高過ぎない事が好ましい。現在好まれ
ている実ｍｇ３様では、およそ Ａ　ｊｌ　ｏ、　３Ｇ　ａ　ｏ、　７　Ａ　Ｓの組成が
用いられている。

図３１はそれから得られる構造体とあらたしいＡＮ　Ｇ
ａＡｓ層４２０を示している。図３０に於いて、ＡＩＧ
ａＡｓ層４１６の成る部分が生き残っており、これらの
部分が層４２０の中に粗造まれていると言う事に注意す
る事。再び、層４２０は極めて良い界面品質と共に、基
板の同−ＩＩＩＩｈｈ向に成長させられなければならな
い。

次いで、図３２に示されている様に、コンタクトメタラ
イゼーションパターンが描かれる。この段階ではジオト
リー（幾何学的厳密さ）の要求は幾ら穏やかとなり、好
ましくは光学レジスト４２２と光学的パターン形成が用
いられる−０ついで選択的エツチングが用いられる。こ
の選択的エツチングは／ＭＩ　ＧａＡｓを貫通してエッ
チし、ｎ＋ＧａＡｓのうえじ停止する（図３３）。フッ
化水素がこの特性を有している。この段階は１図３４に
示されるように、コンタクトホール４２４をもたらす。

次いでメタライゼーションによるパターン形成が、再び
好ましくは図３５に示されている様に光学レジスト４２
６を用いて行われ、次いで金属（ＡｕＧｃ／Ｎ　ｉ等）
が、例えば蒸着によって被蒸着され、パターンを形成す
るよう取除かれ、図３６に示されている様な構造が得ら
れる。

第１のパターン形成段階によって確定された線形パター
ンに対して直角に線形パターンを確定する為に（図２７
に示されている）第２のパターン形成段階を実施し、２
つの交点が母子ウェルのドツトのロケーションを確定す
る様にするだけで、例えばＲＯＭの為の母子ウェルのア
イレ構造体を製造する為に上述と非常に良く似た製造技
術を用いる事ができる。

ランダム論理回路を形成する為に本発明にもとづいて量
子ウェル装置を相互接続する際の基本的な回器はこれら
の装置の電気的特性である。これらの装置は非常に高い
入力インピーダンスと非常に低い出力インピーダンスを
有していると考えられる。本発明の別の側面で、出力接
続の為の回路構成が説明される。この構造は、マクロス
コピツクな電流、即ち集積回路の配線の中で通常用いら
れている電流に匹敵する電流、をスイッチングする為の
、本発明にもとづく量子ウェル装置の出力−を可能にす
る。

次いでこれらのマクロスコピツクな電流は電位を変え、
それによって母子ウェル装置のそれから先の段階をスイ
ッチングする為に用いる事が出来る。

マクロスコピツクなレジストの変化は、ワイヤと基板と
の界面の又は界面近くのトラッピングによって、非常に
薄いワイヤの中で検出する事が出来ると言う事が先行技
術によって知られている。　　　・物理学評論書簡第５
２号、２２８頁（１９８４年）（５２Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ
、Ｌｅｔｔｅｒｓ　　２２８　（１９８４年））の中の
に、　Ｒａａ　ｌ　Ｓ他の論文参照。即ち、極めて細い
、例えば１００オングストロームＸ１００オンゲストＯ
−ム、の金属ワイヤの中では、電子が散乱の中心にトラ
ップされるか否かによって、ワイヤの近くにある散乱の
中心の断面が側桁も変わって来る。この様に大きな散乱
の変化はワイヤの抵抗にも明らかな変化をもたらす。

この現象は必ずしも上記の様な小さなディメンションの
ワイヤだけに限られてはいない。沢山のトラッピングサ
イト（散乱センター）を用いる事によって、より太いワ
イヤの抵抗も同じ様に変化せさる事が出来る。とりわけ
、薄い又は幅の広いワイヤが用いられている場合には、
ワイヤの表面全体をコートされたトラップを含む絶縁体
は、トラップが占風せれているか否かによってワイヤの
抵抗を相当変化させる事が出来る。トラップのチャージ
を行わせる為に、好ましくは、ワイヤの表面に対して垂
直のバイアスをもたらすフィールドプレートが用いられ
る。かくして、量子ウェル装置の段階（勿論この中には
並列の多量量子ウェル連鎖も通常含まれるであろう）の
電流出力は薄い偏平のワイヤの中へ結合され得る一方、
ワイヤからエネルギー障壁を超えて絶縁体のトラッピン
グサイトの中へ電荷の注入を助ける為に、フィールドプ
レートのバイアスが垂直に加えされる。この様にしてト
ラップされた電荷は垂直バイアスが取除かれた後でワイ
ヤの抵抗を変化させ、かくしてワイヤを通る電流振動は
センス増幅器を起動させる為に用いる事が出来る。かく
して、この散乱の中心の変調は実際に、母子ウェルの出
力信号をマクロスコピツな信号へ変換する為に適当なラ
ッチをもたらす。

次にこの実施態様がより詳しく説明される。第１に、散
乱サイトに近いワイヤのディメンションは、ワイヤがア
ンダーソンの局所状態として知られている状態にある様
でなければならない。即ち、電子の波動関数がワイヤの
全周、即ち、四角のワイヤの４つの面のすべて、に意味
のある程度に十分に重ね合わされていなければならない
。この状態の下では、抵抗はワイヤに隣接する表面エネ
ルギー準位に対して極めて敏感となろう。そこには一般
に多くの意図せずに生み出された表面エネルギー準位が
あるべきであろうが、これらの活性化エネルギーは通常
低い。かくして、作動温度はこれらの望ましくない表面
エネルギー準位が容易に除去されてしまう様に、即ちＫ
Ｔがこれらの奇生表面エネルギー準位の活性化エネルギ
ーと同等か或いはこれよりも大ぎくなる様に、しかしな
がら電荷がトラップされて抵抗を変化させる表面エネル
ギー準位の活性化エネルギーがｋＴの数倍以上となる様
に、選択される。かくして、この出力増幅器段階の主要
な用途は７７ケルビン付近の温度、即ち、液体窒素の温
度で作動する装置用であると信じられている。しかしな
がら、もしキャリアをより深く表面エネルギ一単位の中
へ注入する事が出来れば、もっと高い作動温度でも使用
出来る。

現在好まれている実施態様で用いられている表面エネル
ギ一単位は金属の伝導帯エネルギーからおよそ２０〜３
０ｍｅＶ又はそれ以上ずらされている。

アンダーソンの局所化状態の下で動作と言うのは、散乱
の中心に近いワイヤのディメンションが恐ら＜５００ｘ
５００オングストロームよりも大きくはな（、好ましく
は１００Ｘ１００オングストロームに近いと言う事を意
味している。１００Ｘ１００オングストロームのワイヤ
の場合、ワイヤの抵抗は１ミクロン当り大ざっばに言っ
て１００Ｋから１メグオームである。占拠されている又
は占拠されていない各々の散乱の中心は１パ−セン１〜
内外の抵抗の変化を課する事が出来るから、この様な散
乱の中心を幾つか用いる事によって、５％内外の全抵抗
変化が実現される。かくして、これらの金属線は対とし
て用いられ、又電流の数パーセントの変化は容易に従来
のセンス増幅を起動させるのに十分となる。

現在好まれている、これらのトラップの中へのキャリア
の注入を行う為の実施態様はトラッピングサイトをｍ子
つェルの鎖の中の最後のウェルに対してトンネル現象に
よって接続させる事であり、トラッピングサイトから鎖
の中の最後のウェル迄の分離はウェルとの間の距離の数
倍だけ、又好ましくはそれ以下だけ、トラッピングサイ
トからずらされているべきである。トラップから鏝後の
ウェルの中へのトンネル現象はこの好ましい実施態様の
場合にはｉ１１約にはならない、何故なら電子が励起さ
れたエネルギ一単位を通して入って来るからである。逆
方向のトンネル現象はすべて非弾性的である。しかしな
がら、十分に深いトラップの場合には、必要となるフォ
ノンのエネルギーが必要に大きくなるので非弾性トンネ
ル現象が無視出来なくなる。トラッピングサイトは集束
イオンビームを用いることによって糧めて積数に描画す
る事が出来る。

かくして、この出力段階の構成が図１５に示されている
。

既に述べられた通り、一方向のウェル結合がオプション
として、金属線の抵抗を変化させる際にこれらのトラッ
プの中へのキャリアの注入を助ける為に用いられている
。この一方向の結合はウェルの自己調整的なトンネル効
果によって可能とされている。即ち、上に述べられた要
因に加えて、ウェルの中における電子の存在又は非存在
自体がウェルとウェルの間の電場を変化させるであろう
。

かくして、図１６に示されている様に、第２のウェルの
中に於ける追加の電子の存在によって引起こされた電場
の変化はそれ自体でトンネル現象を禁止させるのに十分
となり得る。かくして、キャリアはウェル１からウェル
２の中の電子を失った単位の中へ容易にトンネルするが
、これと同じキャリアは非弾性チャンネルを通る以外に
はウェル１の中へトンネルして戻って来る事は出来ない
。

何故ならこれらのトンネルはもはや同列とされてはいな
いからである。

この自ら生み出された電場の変化が有用となる為には、
与えられた作動温度の下に於ける共鳴ピークが比較的シ
ャープである事が必要である。即ち、ウェルのディメン
ションは作動温度の下で、或いはいずれかの共鳴トンネ
ル現象による利得の下で必要なるディメンションよりも
好ましくは小さいべきである。例えば、室温下での作動
に適したディメンションのウェルは、もし７７Ｋ又は４
にで作動させられるとこの様な効果を示すであろう。よ
り小さなウェルと言うのは１つのキャリアの追加によっ
て引起こされる電位のシフトによって生み出される電界
がより大きくなると言う事を意味している。

これらの自己発生電界効果はその他の用途も有している
。たとえば、図１７に示されている４つのウェルを持つ
４４Ｋｉを考えてみよう。フィールドプレート又はその
他のバイアス接続ウェル３の為の基準電圧Ｖ。を確定す
る為に用いられている。

これらのウェルの寸法は、ウェル１からウェル３へのト
ンネル現象がｖ３＝ｖｏの時にのみ発生し、ウェル２か
らウェル３へのトンネル現象が■３＝■ｏ＋Ｅ１即ち、
ウェル３の電位だ電子１個の存在によって変化された時
、にのみ発生し、ウェル３からウェル４へのトンネル現
象が■３＝■ｏ＋２Ｅの時にのみ発生する様に、定めら
れている。入力信号Ａはウェル１の中へトンネルしてゆ
くギヤリアを供給し、又入力信号Ｂはウェル２の中へト
ンネルしてゆくキャリアを供給し、又出力接点はウェル
からの出力信号Ｃを取り出す。

かくして、このウェルの素朴な複合体はＡＮＤゲートを
もたらす。

その他のプールの原始関数も容易に作り出せる。

例えば、同じウェルの配置で、もし我々がウェルの結合
をやり直して、ウェル１からウェル３へのトンネル現象
がｖ３＝■ｏの時、・シェルトンネルからウェル３への
トンネル現象■３＝■ｏの時、又ウェル３からウェル４
へのトンネル現象が■３＝ｖｏ十Ｅの時に発生する様に
すれば、ＯＲゲートが得られる事になる。これの結合は
すべての原始的なプールの代数の理論セル及びそれ以上
のものを構成する為に用いる事が出来る。自ら生み出さ
れた電界がトンネル現象を中断させるのに十分であると
言うこの様な状態下では、ウェルの中の過剰のキャリア
の存在によって問題が生み出される小がある。即ち、も
しウェルＡと８との間の接合が、ウェルＡが占拠されて
おりウェルＢが占拠されていない時に共鳴トンネル現象
を許す様に設計されていたとすると、ウェルＡが唯１つ
だけではなく、占拠された２つの準位を持っているとト
ンネル現象が中断されてしまう事がある。しかしながら
、この様なケースでは、２個のキャリアのポピユレーシ
ョンは非弾性的に生み出されているはずである。その上
非弾性トンネル現象は場合によってはリセットメカニズ
ムをもださらすであろう。

本発明の別の１群の実ｌＪｌ！ｉ態様は垂直トンネル現
象を利用している。この様な構造体の魅力は、垂直方向
のディメンションでは横方向のディメンションよりもよ
り容易に、極めて良い界面品質を持つ極めて小さなディ
メンションが実現されると言う事になる。

この様な実施態様の鍵となる特徴はウェルの中のエネル
ギー準位相互間の間隔が一般ウエルの体積によって確定
されたと言う事である。かくして、ウェルの体積が与え
られている場合、ウェルは大よそ立方体の箱と言うより
もセしろ薄い偏平の箱として作る１■が出来る。このケ
ースは、運＠母成分のうちの２つが極めて近接した間隔
の値で量子化され、又第３の成分は楊めて広い間隔をあ
けた許容運動量の値で量子化されるであろう。

このような実施態様が図１９と２０に示されている。再
び、ウェル６０４〜６０８は好ましくは第１の半導体か
ら作られ又障壁媒体６１２は好ましくは第２の、より広
い禁止帯の幅を持つ半導体から作られている。砒化ガリ
ウム及び Ａｊ！ＧａＡｓはこれらの２つの半導体の為に好ましい
。上に述べられた様に電流は、ローライン６１６とコラ
ムライン６１４の電位がウェル６０６の単位に対してウ
ェル６０４及び６０８の準位と整列する事を許す時にの
み、ｎ＋電極６０２から金属電極６１０へと流れる かくして、本発明は上記の目的、並びに技術的利点をも
たらす。当業者にとっては明らかであろうが、本発明は
新規的発明であり、限りなく多様な修正及び変形によっ
て変更され得る。例えば、３ｉのウェルをＳｉＯ２の障
壁媒体の中で用いる事が出来、或いは好ましいＧａＡｓ
／ ＡｆＪＧａＡｓの材料の代わりにその他の半導体／半導
体又は半導体／絶縁体の系を用いる事が出来る。本発明
の範囲は特許請求の範囲の中に述べられている事を除い
て１．ＩＩ限されない。

【図面の簡単な説明】

本発明は添付の図面を参照して説明される。図面に於い
て、 図１Ａ及び図１Ｂは簡単なサンプル実ｍ態様に於けるポ
テンシャルウェルの間隔とエネルギー準位を示している
。 図２は共鳴（共振）トンネル現象を許す為にバイアスさ
れた、図１の構造を示している、図３は共鳴トンネル現
象が禁止される様に、図２中に示されるよりも低い電圧
でバイアスされた、図１の構造を示している、 図４は図１の構造の電圧電流特性を示している、図５は
、上方に横たわるエネルギー準位相互間の間隔がより近
接している。中位の大きなウェルを用いた実ＩＡ態様の
エネルギ一単位を示している、図６は入力出力の接点を
含む実施態様の電子的構造を示している、 図７は、エネルギー準位相互間の間隔がより均等な、は
ぼ正弦波形のウェル境界線を用いた実施態様のエネルギ
一単位を示している。 図８は本発明にもとづく３端子量子ウエル装置を示して
いる、 図９は、ｍ子つェル対の幾つもの鎖が平行に接続された
、本発明にもとづく別の３端子通子ウェル装置を示して
いる、 図１０は図９の装置の断面図を示している、図１１は、
各々の鎖の中の多量ウェル２０４に接続ツる為の多重電
極２０８を持つ点で図９の装置と異なる多端子装置を示
している、 図１２は共鳴１〜ンネル現象が発生する１図１１の実ｍ
ｉ様の為のバイアス条件のサンプルセットを示しており
、又図１３は共鳴トンネル現象が発生しない１図１１は
実施態様の為のバイアス条件のサンプルセットを示して
いる、 図１４は本発明の１つの実施態様にもとづく読出し専用
メモリを示している、 図１５は、量子ウェル装置がマクロスコピツク（巨視的
）な出力電流をスイッチする２本発明の実施に際して用
いられたサンプル出力スイッチの構成をし示している、 図１６は、別の１群の実施態様に於ける許容トンネル現
象遷移中のウェルの準位の集団（ポピユレーション）に
よって励起された電位変化の効果を示している、 図１７は自己調整的なトンネル現象抑制力を持つｍ子つ
ェル論理素子を用いて構成されたＡＮＤゲートを示して
おり、又図１８は自己調整的トンネル現象抑制力を持つ
量子ウェル論理素子を用いて構成された、よりふくざつ
な論理要素を示している、 図１９及び図２０は本発明にもとづく垂直トンネル現象
量子ウェル装置構造の２つの実ｆＭ態様を示している、 図２１〜図３６はそれぞれ本発明にもとづくサンプルな
３＠子装置のプロセスの諸段階を示している。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）（Ａ）基板を用意するステップと、 （Ｂ）前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエ
   ピタキシャル層を設けるステップであつて、前記第１の
   層は少なくとも１０＾１＾７単位平方センチメートルの
   濃度にドープされ且つ少なくとも２００ｎｍの厚さで、
   前記第２の層は５×１０＾１＾７単位平方センチメート
   ルより大きくないドーパント濃度を含み厚さは３００オ
   ングストロームより少ない、ステップと、 （Ｃ）前記第２の層を貫通するが前記第１の層を完全に
   は貫通しない、第１のパターン状に堀を異方性エッチン
   グするステップと、 （Ｄ）実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半導
   体材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１の
   半導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料をエ
   ピタキシャル成長させるステップと、 （Ｅ）前記第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第
   ２のパターンで堀を異方性エッチングするステップと、 （Ｆ）実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２
   の半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 （Ｇ）所望の回路機能を構成するよう導電層を形成する
   ステップと、 を含む量子ウェル装置の製造方法であつて、前記第１と
   第２のパターン化された堀のエッチは前記第２の層の孤
   立部分内の複数の量子ウェルを共同して形成し、また、 前記第２のトレンチエッチは前記第１の層内の前記量子
   ウェルの相互連結を形成する、 量子ウェル装置の製造方法。
2. （２）（Ａ）基板を用意するステップと、 （Ｂ）前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエ
   ピタキシャル層を設けるステップであって、前記第１の
   層は少なくとも１０＾１＾７単位平方センチメートルの
   濃度にドープされ且つ少なくとも２００ｎｍの厚さで、
   前記第２の層は５×１０＾１＾７単位平方センチメート
   ルより大きくないドーパント濃度を含み厚さは３００オ
   ングストロームより少ない、ステップと、 （Ｃ）前記第２の層を貫通するが前記第１の層を完全に
   は貫通しない、第１のパターン状に堀を異方性エッチン
   グするステップと、 （Ｄ）実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半導
   体材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１の
   半導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料をエ
   ピタキシャル成長させるステップと、 （Ｅ）前記第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第
   ２のパターンで堀を異方性エッチングするステップと、 （Ｆ）実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２
   の半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 （Ｇ）所望の回路機能を構成するよう導電層を形成する
   ステップと、 を含む量子ウェル装置の製造方法であつて、前記第１と
   第２のパターン化された堀のエッチは前記第２の層の孤
   立部分内の複数の量子ウェルを共同して形成し、また、 前記第１のトレンチエッチは前記第１の半導体層内の前
   記量子ウェルの相互連結を形成する、量子ウェル装置の
   製造方法。
3. （３）（Ａ）基板を用意するステップと、 （Ｂ）前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエ
   ピタキシャル層を、また、前記第１の半導体材料よりも
   広いバンドギャップを有し且つ前記第１の半導体材料に
   ほぼ格子整合する第３の半導体材料の第３のエピタキシ
   ャル層を設けるステップと、 を含む量子ウェル装置の製造方法であって、前記第１の
   層は少なくとも１０＾１＾７単位平方センチメートルの
   濃度にドープされ且つ少なくとも２００ｎｍの厚さであ
   り、 前記第２の層は５×１０＾１＾７単位平方センチメート
   ルより大きくないドーパント濃度を含み厚さは３００オ
   ングストロームより少なく、 前記第３の層は５０オングストローム厚さより少なく且
   つ前記第１と第２の層との間に介挿され、る量子ウェル
   装置の製造方法であつて、 さらに、 （Ｃ）前記第２の層を貫通するが前記第１の層を完全に
   は貫通しない、第１のパターン状に堀を異方性エッチン
   グするステップと、 （Ｄ）実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半導
   体材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１の
   半導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料をエ
   ピタキシャル成長させるステップと、 （Ｅ）前記第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第
   ２のパターンで堀を異方性エッチングするステップと、 （Ｆ）実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２
   の半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 （Ｇ）所望の回路機能を構成するよう導電層を形成する
   ステップと、 を含む量子ウェル装置の製造方法であつて、前記第１と
   第２のパターン化された堀のエッチは前記第２の層の孤
   立部分内の複数の量子ウェルを共同して形成し、また、 前記第２のトレンチエッチは前記第１の層内の前記量子
   ウェルの相互連結を形成する、 量子ウェル装置の製造方法。
4. （４）（Ａ）基板を用意するステップと、 （Ｂ）前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエ
   ピタキシャル層を、また、前記第１の半導体材料よりも
   広いバンドギャップを有し且つ前記第１の半導体材料に
   ほぼ格子整合する第３の半導体材料の第３のエピタキシ
   ャル層を設けるステップと、 を含む量子ウェル装置の製造方法であつて、前記第１の
   層は少なくとも１０＾１＾７単位平方センチメートルの
   濃度にドープされ且つ少なくとも２００ｎｍの厚さであ
   り、 前記第２の層は５×１０＾１＾７単位平方センチメート
   ルより大きくないドーパント濃度を含み厚さは３００オ
   ングストロームより少なく、 前記第３の層は５０オングストローム厚さより少なく且
   つ前記第１と第２の層との間に介挿され、る量子ウェル
   装置の製造方法であつて、 さらに、 （Ｃ）前記第２の層を貫通するが前記第１の層を完全に
   は貫通しない、第１のパターン状に堀を異方性エッチン
   グするステップと、 （Ｄ）実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半導
   体材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１の
   半導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料をエ
   ピタキシャル成長させるステップと、 （Ｅ）前記第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第
   ２のパターンで堀を異方性エッチングするステップと、 （Ｆ）実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２
   の半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 （Ｇ）所望の回路機能を構成するよう導電層を形成する
   ステップと、 を含む量子ウェル装置の製造方法であって、前記第１と
   第２のパターン化された堀のエッチは前記第２の層の孤
   立部分内の複数の量子ウェルを共同して形成し、また、 前記第１のトレンチエッチは前記第１の半導体層内の前
   記量子ウェルの相互連結を形成する、量子ウェル装置の
   製造方法。
5. （５）特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかにおい
   て、前記基板は半絶縁性のIII−Ｖ化合物半導体を含む
   、製造方法。
6. （６）特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかにおい
   て、前記第２の半導体材料は１０＾１＾６単位平方セン
   チメートルより少ないキャリア濃度を含む、製造方法。
7. （７）特許請求の範囲１項〜第４項のいずれかにおいて
   、前記第１の半導体材料はＧａＡｓである、製造方法。
8. （８）特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかにおい
   て、前記第２の半導体材料はＡｌＧａＡｓである、製造
   方法。