JPS621274A

JPS621274A - 電子式電荷転送装置

Info

Publication number: JPS621274A
Application number: JP61089829A
Authority: JP
Inventors: マーク　エイ．リード; ゲイリイ　エイ．フレイザー
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1985-04-19
Filing date: 1986-04-18
Publication date: 1987-01-07
Anticipated expiration: 2010-05-17
Also published as: JPH0746725B2; US4878104A

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】り皇ユ」口！ｊｉｌＥ本発明は電子式半導体装置、更に具体的に云えば、光学
的な励振によってポンプされる（クロック又は作動され
る）量子井戸装置に関する。

−口量子井戸装置は種々の形式のものが知られており、ヘテ
ロ構造レーザが好例である。量子井戸へテロ構造レーザ
は量子井戸内の離散的なエネルギレベルに頼って高い効
率を達成Ｃ１典型的には数個の結合された量子井戸で構
成されている。全般的にツエ（Ｓｚｅ）の著書「半導体
装置の物理Ｊ７２９乃至７３０（ワイリー・インターサ
イエンス社発行、１９８１年第２版）を参照されたい。

高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が別の種類の量
子井戸装置であり、典型的には量子井戸の半分（１個の
へテロ接合）しか使わないが、数個の量子井戸の積重ね
を含んでいてよい。ＨＥＭＴの性質は、量子井戸の伝導
又は価電子サブバンド内でヘテロ接合と平行に導電する
ことによって生ずる。

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、５３Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、１０
２３　＜１９８２年）所載の王。

ドラモンド他の論文「単−及び多重周期、変調ドープ形
（ＡＩ、Ｇａ　）　Ａｓ　／Ｇａ　Ａｓ　ヘテロ構造に
於ける電子移動度」を参照されたい。超格子が、個々の
井戸を識別することが出来ない程密に結合された多数の
量子井戸で構成されており、井戸は格子内の原子と同様
になる。この為、超格子は、結合された量子井戸の群と
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・イン・ソリッド
・ステート・サイエンス１９５　（１９７６年４月号）
所載のり、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。

普通の量子井戸は厚さ１００人程度であるのが典型的で
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、この為極めて小さな装置となり、その結果詰
込み密度が高く、伝搬遅延が小さい。完全に量子化した
構造は一辺１００人と云う位に小さくすることが出来る
。然し、公知の量子井戸装置は、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。

シフトレジスタは、ディジタル計算機システム、データ
処理装置、直列メモリ及びＩｌｌ　ｍ装置に用いられる
標準的な電子部品であり、トランジスタートランジスタ
論理回路？ＴＴＬ）エミッタ結合論理回路（ＥＣＬ）及
び電荷結合装置（ＣＯＤ）の様な種々の装置技術を用い
て利用し得る。例えば、市場で入手し得る直列入力直列
出力形ＴＴＬシフトレジスタは、５Ｎ５４ＬＳ９１　（
８ビツト）及び５Ｎ５４９４　（４ビツト）を含む。こ
の様なＴＴＬｉｌｌは典型的にはバイポーラ・トランジ
スタで構成されていて、各トランジスタの寸法は３つの
方向全部が数ミクロン程度であり、数百メガヘルツ程度
のシフト速度（ナノ秒程度の伝搬遅延）を持つ。切換え
電流に頼るＴＴＬ装置とは対照的に、ＣＯＤは、半導体
基板内に隣接する電位井戸を誘起並びに消滅させること
により、電子パケットをシフトさせる。この誘起及び消
滅が、半導体基板の上の電極に電圧を印加することによ
って＆ｌＪ−される。典型的には、ＣＯＤは各々の電位
井戸に対し、数ミクロン平方×１ミクロンの深さと云う
寸法を持ち、井戸が基板の表面近くに横に並べて配置さ
れている。ＣＣＤの最大シフト速度は数百メガヘルツ程
度である。

然し、公知のシフトレジスタでは、寸法を小さくすると
共にシフト速度を高めることが問題である。

問題点を解決する為の手段　び本発明は、量子井戸をセルとする電荷転送効率を提供す
る。電荷のシフト動作（りＯツク式又は連続的）が光学
的な励振によって駆動される。ある好ましい実施例は、
量子井戸を群に区画して、ある群内の井戸が、１つ又は
更に多くの光学的な励振周波数に応答しない様なエネル
ギレベルを持つ様に、電荷の転送を誘起する為に２つ又
は更に多くの光学的な励振周波数を用いる。好ましい実
施例は、井戸の間に組成の勾配を使うことにより、又は
この様な組成の勾配と似たパルス幅変調の超格子を使っ
て、転送方向の遷移確率を逆方向に比べて高めることに
より、電荷転送効率を高める。

更に、好ましい実施例は、組成勾配だけに頼って井戸（
三角形）を形成し、１種類の光学的な励振周波数だけを
用い、励振パルスの間に休止期間を置いて、三角形井戸
に電荷パケットを保存することが出来る様にする。この
他の好ましい実施例は、連続的な励振並びに電荷転送の
連続的な流れに頼る。好ましい実施例及びその変形を用
いて、シフトレジスタ、電荷ポンプ、フォトダイオード
及びその他の種々の装置を構成することが出来る。こう
いう量子井戸装置は本質的に小さく、井戸に離散的なエ
ネルギレベルを持つと云う条件を持つ装置は、特にそう
である。クロック速度（シフト速度）は、光学的な励振
源のエネルギとそのスイッチング速度のみによって実質
的にυ１限される。

この為、寸法が大きく、シフト速度が低いと云う問題が
解決される。

実　　施　　例第１の好ましい実施例の直列人力／直列出力シフトレジ
スタ３０が第１図の等価回路（示されており、普通の構
成ブロックとして、一連のセル３２．３４．３６，３８
．４０、隣合ったセルの問の一方向接続部、セルの大域
クロック作動及び一連のセルに対する入力及び出力端子
を含んでいる。

各セルは情報ビットを記憶することが出来る。クロック
動作により情報ビットがセルの間の接続部の方向に、セ
ルから隣のセルへと移動（シフト）する。（これと似た
ことであるが、三相電荷結合装置のシフトレジスタでは
、各セルが３つのクロック電極／ゲート及び対応する３
つの電位井戸を持っていて、情報ビットが１つの井戸に
記憶された電荷として表わされることに注意されたい。

記憶されている電荷を１つのセルから隣りのセルに、　
　動かす為のクロック動作は、３つのゲートに対する一
連の３つの電気パルスである。この三相構造は記憶され
ている電荷の移動の方向性を持つ。）レジスタ３０に於
けるクロック動作が、後で説明する様に、量子井戸内の
電子をレーザで作動することによって行なわれる。

第２図はレジスタ３０の隣合ったセル３４，３６．３８
の斜視図である。レジスタ３０の他のセルはこれらのセ
ルと同様であり、レジスタ３０の動作は、これらの３つ
のセルの中での情報ビットの移動を考えれば理解出来る
。第２図では、絶縁物とパッケージが省略されていて、
水平方向の尺度は見易くする為に著しく誇張しであるこ
とに注意されたい。セル３６がドープされていないＧａ
Ａｓ層５２、軽くｎ形にドープされた傾斜形ＡＪ！ｘＧ
ａ　　（１−ｘ）Ａｓｌ１５４、ドープされティないＧ
ａ　Ａｓ層５６及び軽くｎ形にドープされた傾斜形ＡＪ
！ｘＧａ　　（１−ｘ）Ａｓ層５８を含む。セル３４及
び３８はセル３６と同じであり、対応する層には、セル
３６との区別をつける為に、１つ及び２つのダラシをつ
けて同じ参照数字を用いている。層５２，５４．５６．
５８は何れも約１０ミフロン×１０ミクロンの共通の四
角の断面を持っているが、厚さは次の通りである。層５
６は約６７人、層５２は約６２人、層５４及び５８は共
に約３，０００人である。層５４の組成が、層５６との
界面に於けるＡＩｏ、２９Ｇａ　０．７１Ａｓから１１
５２との界面に於けるＡＩｏ、２ＧａＯ，８ＡＳまで、
３−３に沿った距離と共に直線的に変化する。層５８の
組成も同様に傾斜形であり同様な向きである。セル３６
の層５２．５４゜５６．５８がレジスタ３０の他のセル
の層と共に、単結晶で形成されていて、標準的な分子ビ
ーム・エピタキシャル法によって作ることが出来る。勿
論、エピタキシャル成長の方向は線３−３に沿っている
。

第３図は第２図の線３−３に沿った組成分布であり、位
置の関数としてのＡＩＡＳの端数を示している。第４図
はエネルギレベル線図であって、第３図と同じ線３−３
に沿った最低伝導帯及び価電子帯とフェルミ・レベルを
示している。成長したままの材料は普通は意図しなくて
もｎ形にドープされていて、接点はｎ形にすることが出
来るから、セルに対する情報の記憶並びにセルの間の情
報の転送は支配的に電子によって行なわれる。この為、
以下の説明では正孔及び価電子帯の説明は省略するが、
正孔によって同じ原理で動作する装置も同じ様に有効で
ある。第４図に示す様に、層５２及び５４の間の界面に
於ける伝導帯の不連続性は約０．２８ｅＶ（２８０鵬ｅ
Ｖ　）であり、層５４゜５６の界面に於ける不連続性は
約０．４０ｅ１４００１ｅＶ）である。こういう数値が
、Ｑａ　ＡＳと／１ＧａＡｓの間のギャップの差を一般
的に受入れられている様に８５％が伝導帯の不連続とし
て現れ、１５％が価電子帯の不連続として現れると云う
様に区切ることによって取出されることに注意されたい
。この区切りは疑わしく、６０％が伝導帯の不連続であ
り、４０％が価電子帯の不連続であるとして区切ること
を支持する人もいる。以下の説明から明らかになるが、
この区切りは、数値を調節する以上には、レジスタ３０
の動作に特に影響がない。

レジスタ３０の動作は、伝導帯の中のレベルの間で電子
が遷移することに関係し、この為、説明の助けとして、
若干近似的な定量解析を使う。然し、こ）で使う近似及
び行なう解析が、レジスタ３０の一部分であると解して
はならない。特に、こ）では伝導帯内の電子に対する近
似として、電子に作用する電位を伝導帯の縁に等しいと
するモデルを使い、伝導帯内の井戸にある同じ又はその
他のサブバンド内の他の全ての電子を＜ｍ初は）無視す
る。更に、電子波動関数は格子周期関数（ブロッホ関数
）と包絡線関数との積であると仮定する。ＡｊＧａＡＳ
ｉｌ内のブロッホ関数はＱａＡＳと同じ形であるとする
。明確さの為、空間座標系は、Ｘを線３−３の方向に沿
った変数とし、ｙ、ｚを層５２．５４．５６．５８等の
間の界面と平行な変数とする。

最初の計算は、層５２．５６によって形成される電位井
戸内の電子に対するエネルギ固有値を見つける。これは
Ｘ方向だけにある井戸であり、この為、ｙ及び２波動ベ
クトルがゼロに等しいとして計算された離散的なエネル
ギレベルは、実際にはサブバンドの底になり、ｙ及び２
の寸法が大きい為に、増加するｙ及び２波動ベクトルに
対応して殆んどレベルの連続体になる。サブバンドの下
の縁に於ける実効質量の近似は放物線形のサブバンドを
仮定しくエネルギは波動ベクトルの放物線関数である）
、波動ベクトル、（ｋｘ、ｋｙ、ｋＺ）を持つ電子の運
動エネルギは（ｈｋｘ）　　２／２ｍ＋　［（ｈｋｙ）
”２＋　（ｈｋｚ）”２］／２Ｍであると仮定する。こ
）でｍはＸ方向の実効質量であり、Ｍはｙ−ｚ方向の実
効質量である（対称性により、ｙ及び２方向は、結晶の
配向によってそういうことがなければ別であるが、同じ
実効質量を持っている）。計算の為、Ｍ及びｍを電子の
静止質量の０．０６７倍にとることは、バルクのＱａ　
Ａｓの実効質量を使うことに相当する。

次に、井戸５６内の最低エネルギ・サブバンドにある電
子の波動関数を考える。この波動関数は次の様に近似す
ることが出来る。

Ａ（Ｊ　　（、）ｅｘｐｉ（ｙｋｙ＋ｚｋｚ）ｅｘｐ　
ｘｋｌｘ＜ＯＩ　１＞−Ｂｕ　　（、）ｅｘｐｉ（ｙｋｙ＋ｚｋｚ）
ｓｉｎ　　（ｘ　ｋ　２　＋　ｃ　）　　　　０　＜　
ｘ　＜　６７　ＡＣｕ　　（、）ｅｘｐｉ（ｙｋｙ＋ｚ
ｋｚ）ｅｘｐ−ｘｋ３　　　６７Ａ＜ｘこ）でＡ、Ｂ、Ｃ，ｃ及びに１、ｋＺ、ｋ３は境界条件
を釣合せることによって決定され、Ｕ（、）はブロッホ
関数であり、ｋ　、Ｖ及びｋｚはｙ及び２方向の波動ベ
クトルであり、ｋｌ、ｋＺ、ｋ３は３つの層５８．５６
．５４内のＸ波動ベクトルである。Ｘ座標の原点を便宜
的に層５８．５６の界面にとったこと並びにｋｌ　ｋＺ
、ｋ３が各々のｋｙ及びｋｚの対に対して考えられる別
々の一組の解の内の最低であることに注意されたい。更
に、層５８及び５４からの傾斜形電位が、界面に於ける
電位の値に等しい一定の電位で近似されていること、並
びに電子スピンが抑圧されていることに注意されたい。

更に、井戸５６内の最低サブバンドがＩＥ１０／α２の
密度まで電子で充たされていれば、電子によって生ずる
静電位の為、離散的なエネルギレベルが実質的に約ｉ　
ｏ＋ｅＶだけ上に移動するが、エネルギレベルの相対的
な間隔は無視し得る様な変化しか持たないことに注意さ
れたい。

井戸５２に対する基底状態エネルギは、伝導帯の縁より
約５７＋ｇｅＶ上方にあり（即ち、最低のサブバンドの
下の縁はバンドの縁よりも５７　ｇ＋ｅＶ上方にあり）
、１番目の励起状態は２２９　ｉｅＶにある（これらの
低いレベルは、井戸５２を無限に大きな障壁の四角の電
位で近似することによって計算した）。この上方では、
次の状態は約２８０ｉｅＶにあり、電位の三角形部分５
４の為、密な間隔の状ｆｉｌ（約２ｍｅＶ）がその上方
にある。井戸５６では、同じ近似を用いると、基底状態
は伝導帯の縁より約４９１ｍ（３Ｖ上方にあり、１番目
の励起状態は１９６■ｅＶにあり、その後同じ連続体が
２８Ｑ　ｍｅＶから始まる。層５４．５８の勾配及び厚
さは、離散的なエネルギレベルがたちまち固まって、電
位の三角形部分の底から井戸を形成する障壁の頂きまで
はず連続体を形成することを意味することに注意された
い。これは、電子の空間的に局在化した状態が存在し、
これらは殆んど井戸５６に束縛されないこと、並びにバ
ンド間のホノンの遷移が許され、これらの状態の間で頻
繁であることを意味している。これと対照的に、３００
′″にでは、最低の２つの離散的なエネルギレベルの・
間での電子のホノン遷移は無視し得る（３００″にでは
ｋＴが約２６１ｅＶになることに注意されたい）。１３
２Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、１９９８　（１９６３年）のｗ、
ｐ、ダムキーの論文に従って、２つの仮定に対する捕獲
断面積が得られる。

■）最低エネルギレベルに落ちる光子の放出では、ｓ　　（ｐｔ）（ｃｍ２）＝　（２Ｅ−１８＞（５”、
５）（（ｍ／ｍ”ビ”２）（Ｅ／Ｔ）■）ホノンの放出
では、ｓ　（ｐｎ）（ｃｍ２）−２５６ｐｉ（Ｅｌ　　２）（
ｈ”５）（ｖｌ”３）／ｒｈｏ　（（ａＢ”　）”６）（Ｅ”５）ｋＴこ）で
εは比誘電率、ｍｌは実効質量、Ｅは遷移エネルギ、■
は温度、ｖｌは縦方向の音速、ｒｈＯは密度、ａＢ”は
実効ボーア半径である。この場合、（４にでは）ｓ（ｐ
ｔ）〜１．５Ｅ−１７／ｃｍ２及びｓ　（ｐｎ）　〜２
Ｅ−１９／ｃｍ２になる。この為、光子の部門が支配的
に許される。

第６図は、電子を光学的に励振してセルからセルへ移動
する様に配置されたレーザ８２．８４゜８６を図式的に
示している。即ち、レジスタ３０のクロック動作である
。レーザ８２の波長は７．２ミクロンであり、これは井
戸５２内の基底レベルと１番目の離散的な励起レベルの
間のエネルギの差に対応する。レーザ８６の波長は８．
４ミクロンであり、これは井戸５６内の基底レベルと１
番目の離散的な励起レベルの間のエネルギの差に対応す
る。レーザ８４の波長は６．１ミクロンであり、これは
２０４　ｉｅＶの光子エネルギに対応するが、これは井
戸５２及び５６内の基底レベルと１番目の離散的な励起
レベルの間の差よりも大きいが、井戸５２及び５６内の
基底レベルと２番目の離散的な励起レベルの間の差より
小さく、更に、井戸５２及び５６の両方に対する１番目
の離散的な励起レベルとその障壁の頂部の間の差の少な
くとも２倍である。第５図は、井戸５２及び５６内の離
散的なレベルに対する、レーザ８２゜８４．８６からの
光子のエネルギを示している。

レーザ８２．８４．８６の出力が光学装置９２゜９４．
９６によってセル３２．３４．３６，３８゜４０等に集
束され、必要であれば偏光子８８によって偏光して、電
界がｙ方向と平行になって、レジスタ３０に入射する所
定の光強度に対し、井戸内の電子の吸収を強める。レジ
スタ３０が十分短く（セルの数が少なり）、端のセルに
よる吸収によって、内部のセルに於ける光強度が余り減
少しなければ、レジスタ３０は端から照明してもよいこ
とに注意されたい。

次にレジスタ３０のクロック動作を説明することが出来
る。最初に、セル３６を考え、その記憶情報ビットが、
“１″では井戸５６の最低サブバンドにある電子パケッ
ト（パケットの寸法は１Ｅ７電子程度）、並びに“０″
では最低サブバンドに於ける電子の不在（大体ＩＥ４よ
り少ない）によって表わされるとする。井戸５２はその
最低サブバンドに電子が不在である（やはりＩＥ４電子
より少ない）。この記憶されている電荷は大まかに云え
ば、ＣＯＤのセルに記憶される電荷と大きさが比肩し得
る。レジスタ３０のクロック動作が、パルスの間に８ピ
コ秒の休止期間を於て、レーザ８２．８４及び８４．８
６を交互に７ピコ秒のパルスで付勢することに行なわれ
る。付勢の１サイクル（最初はレーザ８４．８６のパル
スがあり、その後にレーザ８２．８４のパルスが続く）
が、井戸５６から記憶されている電子（それがある場合
）を井戸５２に移動し、その後井戸５２がら井戸５６′
へ（即ちセル３６からセル３８へ）移動させる。同時の
他のセルに記憶されている電子も隣りのセルに移動させ
れられる。更に詳しく云うと、最初に記憶電荷（“１”
又は“０″）が井戸５６．５６’　、５６“等にあり、
井戸５２，５２’、５２“等に電荷がなく、レーザ８２
．８４を７ピコ秒付勢する場合を考える。井戸５６の最
低サブバンドにある電子が、レーザ８２又はレーザ８４
の何れかからの光子を吸収することによって一層高いエ
ネルギ状態に励起される遷移確率行列要素は次の式で表
わされる。

＜　ｉ　ｌ　ｌ）ｅ、ｐ　［ｅｘｐｉ（ｓ、　ｒ）　］
　ｌ　ｆ＞こ）でＤは（ｑ／ｍ）（Ｉｈ／２ｏｅｒ、ｍ
ｗｃ・）１／２に等しい定数であり、ｑは電子の電荷で
あり、ｍは電子の実効質量、■はこ）で考えているレー
ザからの光子束、ｈはブランクの定数を２πで除した値
、ｐｅｒｍＩ、ｔＧａＡｓの誘電率、Ｗはレーザの角周
波数、Ｃは光の速度、ｅは光子の偏光ベクトル、ｐは電
子に対する運動量演篩子、Ｓは光子の波動ベクトル、ｒ
は電子の位置、ｌｉ＞は初期状態、Ｉｆ＞は最終状態で
ある。勿論、この行列要素は、Ａをベクトル電位として
、Ｅ）−Ａと云う形の電子と電磁界との相互作用のハミ
ルトニアンから生ずる普通のものである。遷移率は、行
列要素の絶対値の自乗にＩｆ＞のエネルギがらｌｉ＞の
エネルギを差引いて光子エネルギを加えたデルタ関数を
乗じた値に比例する。この為、基底サブバンドから井戸
５６の励起されたサブバンドへの電子の遷移率は、デル
タ関数によって課せられるエネルギの保存の為にゼロで
ある。レーザ８６だけが井戸５６内の基底レベルから電
子を励起することが出来ることについては第５図を参照
されたい。前に述べた様に光子の偏光が、サブバンド内
の遷移で電子による吸収を禁止する（即ち、ｙ又は２の
運動量だけの増加である）。井戸５２内の任意の電子が
、レーザ８２によって、基底レベルから１番目の励起レ
ベルへ、並びにそれ以後のレベルへ励起されるが、井戸
５２は極く僅かな数の電子しか持っていないことに注意
されたい。

逆に、レーザ８６が７ピコ秒付勢される間、井戸５６内
の最低サブバンドの底にある電子が、光子の吸収により
、１番目の励起サブバンドの底に励起される。（同様に
、最低サブバンドの底よりも小さなエネルギＥだけ上方
の電子は、１番目の励起サブバンドの底よりもエネルギ
Ｅだけ上方の状態に励起される。）この時、１番目の励
起サブバンド内にある励起された電子は、次の３つの内
のどれかを行なう。（１）光子を放出し、最低サブバン
ドに戻る。（ａレーザ８４から光子を吸収し、井戸５６
の頂部にある準連続体内の局部的な状態に遷移する。又
は（３）レーザ８２から別の光子を吸収し、井戸５６の
頂部より幾分低い準連続体内の局部的な状態に遷移する
。このことを判り易く示した第７Ａ図をを参照されたい
。

これらの３つの遷移の相対的な速度（時定数）は、状態
のポピユレーション及びレーザの強度に関係し、次の様
に近似することが出来る。

（１）　　ダイポール近似で初期状態及び最終状態の間
の遷移速度を考えることにより、光子の自発放出を計算
する。４５Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、６４９　（
１９８４年）のクーン他の状態を使うと、緩和時間は１
ナノ秒程度であり、これは実験と一致する（１９８４年
イリノイ州アーバナの超格子国際会議に於けるトフーフ
ト他の論文参照）。これは、遷移１を無視してもよい位
に遅い。

ポピユレーションが反転している為に、励起レベルから
の消滅機構が存在しなければ、この時装置をレーザ動作
させることが出来る。

（２）　　５００マイクロワット／平方ミクロンのレー
ザ８４に対し、障壁の頂部にある励起レベルへの遷移速
度は約２ピコ秒であり、これは遷移１の緩和過程よりも
ずっと短い。

（３）　　レーザ８６からの光子を吸収することによる
励起レベルへの遷移もやはり約２ピコ秒である。レーザ
８４をレーザ８６よりもずっと強力に作ることは、遷移
２及び３の間の分岐比が非常に大きくなることに通じ、
遷移３も無視することが出来る。遷移２の後の分岐を後
で説明するが、そのことから判る様に、分岐比が５対１
であっても、これは妥当な近似である。この為、遷移３
が２ピコ秒に止どまり、遷移２が約０．２ピコ秒かかる
様に、レーザ８４のエネルギを強めると仮定する。

この時、遷移２を行なう電子は、（２）領域５４に通過
して井戸５２に向かってドリフトするが、０領域５８に
ドリフトするか、又は（へ）井戸５６内に止どまりなが
ら、光子又はホノンとして緩和する。

この例については第７Ｂ図を参照されたい。次に夫々の
場合を検討する。

（２）実効質量が電子の静止質量の０．０６７倍に等し
いとすれば、井戸５６の底より４００　ｍｅｖ上方に励
起された電子の初期Ｘ速度は、１Ｅ８１／秒（１０，０
００人／ピコ秒）程度である。この初期速度を持ってい
ると、散乱されない電子は０．０１ピコ秒で井戸５６の
外にドリフトする。

然し、散乱がこの電子を減速すると予想される。

然し、４　Ｑ　Ｑ　ｌｅＶの初期エネルギは衝突なしの
窓にかなり近く、この様な短い期間内に散乱される確率
の評価（例えば２９ＩＥＥＥＴｒａｎ、Ｅｅｌｃ、Ｄｅ
ｖ、１９０６　（１９８２年）所載のＪ。

タン他の論文参照）から、電子が井戸５６内に止どまる
時間を無視し得ると近似することが出来る。

この為、電子の初期速度が正のＸ方向であれば、電子は
障壁を通過して領域５４に入る（散乱事象で僅かのエネ
ルギを失ってもトンネル作用によって通過する）。一旦
領域５４に入ると、電子が伝導帯の縁に緩和し、第７Ｂ
図に示す様に、井戸５２に向かってドリフトすることに
注意されたい。

（へ）負のＸ方向の初期速度を持つ励起された電子では
、領域５８に於けるドリフトがたちまち逆転し、ホノン
のバンドの縁への緩和時間が非常に速く、０．５ピコ秒
未満と測定されている（Ｋ。

シーガーの著書「セミコンダクタ・フィジックス」第２
２２頁参照）から、正のＸ方向の動きになる。

更に、領域５８内の伝導帯の勾配は４，０ＯＯＶ／ａＳ
の準電界を示しているが、これがこの緩和を助けるもの
と思われる。この為、５２′に向かうＸ速度゛を持って
出発し゛た全でのキャリヤが、井戸５６内の約２８０　
ｓｅＶのレベルで急速に終わる。

これについては第７Ｂ図を参照されたい。例示の為、こ
）では約２８０　ｉｅＶのレベルへの緩和が０．３ピコ
秒かかると仮定する。勿論、井戸５６内の２８０　ｇｉ
ｅＶレベルにある電子が、レーザ８４又は８６からの光
子を吸収し、再び３つの分岐トリーを通って、対応する
結果を生ずる。

中くらいの電界を印加して、正のＸ方向の励起電子を加
速することにより、分岐（２）と分岐０との比を増加す
ることが出来る。これは電子が領域５８の中に深くドリ
フトせず、質量の中心が領域５４に向かってバイアスさ
れる様な波動関数を持つ為に、２８０■ｅｖレベルへの
緩和を速める筈である。約４００ｋＶ／Ｃ１１の電界は
、電子が井戸５６内にあるＩＩ間（０，０１ピコ秒）の
間、その負のＸ方向の動きを停止するのに十分な加速を
する（電子の静止質量の０．０６７倍に等しい実効質量
と一様な電界を用いた古典的な近似計算）が、古典的に
は、これは電子の運動エネルギが散逸され、電子が井戸
５６内の基底サブバンドに下がったことを意味する。更
に、４００　ｋＶ／　ａｍの電界は、非常に大きいので
、上に述べた動作の崩壊が起こりそうである。更に、井
戸５２又は井戸５２′の何れかに入る電子は、最後には
光子を放出して、その井戸の最低サブバンドに落ち、レ
ーザ８４又は８６の何れかからの光子の吸収によって到
達し得る様な下端エネルギを持つ２番目のサブバンドが
存在しない為に、それ以上励起されないことに注意され
たい。

一旦電子が障壁電位まで励起され、井戸５６から領域５
４にドリフトすると、これはホノンの相互作用により、
伝導帯の縁まで急速に（０，５ピコ秒未満の内に）緩和
し、伝導帯の縁に沿って井戸５２に加速される。領域５
４の中でのこのドリフトは、電子移動度の平均が大体１
．０００ａＲ２／Ｖ−αであると仮定すれば、約７．５
ピコ秒かがる。伝導帯の縁の勾配が３．０００人で１２
０園ＯＶ　　（言換えれば、４　ｋＶ／　ｃｔｓ　）の
電界であることに注意されたい。更に、静止状態の電子
がドリフト速度まで急速に加速されることに注意された
い。

この為、井戸５６の外へ励起された電子のパケットは、
′井戸５２へ移動する指数関数的に減衰する尾を持つ拡
散パケットに止どまる傾向を持ち、単に連続的に井戸５
６から井戸５２にサイフオン式に出て行かない。更に、
７．５ピコ秒のドリフト時間は実効的には、レーザ８４
及び８６を付勢した後、パケットの前縁がどのくらい速
く井戸５２に到達するかの下限である。この為、レーザ
８４゜８６のパルスの持続時間が７ピコ秒であることは
、前縁が井戸５２に到達する時までに、レーザ８４゜８
６がオフであることを意味する。これによって、レーザ
８４がパケットを井戸５２から更に井戸５６“に向けて
励起しないことが保証される。レーザ・パルスの間に８
ピコ秒の休止期間があることにより、パルスの尾が井戸
５２にドリフトする時間が保証される。最後に、領域５
４をドリフトする間、電子はレーザ８４，８６から光子
（１っ又　　、は複数）を吸収することが出来るが、前
に説明した様に、伝導帯の縁へ急速に緩和する。

転送の非効率を次の様に評価することが出来る。

何の電界も印加しなければ、障壁電位まで励起された電
子は、大まかに云って、領域５４にドリフトする可能性
が５０％であり、領域５８にドリフトによって戻る可能
性が５０％である。領域５８にドリフトによって戻った
電子は急速に（前に述べた０、５ピコ秒）伝導帯の縁に
緩和し、井戸５６及び２８０　ｉｅＶの励起レベルへ加
速される。電子は、この励起レベルから、レーザの光子
を吸収することにより、障壁電位まで再び付勢され、５
０％の分岐作用が繰返される。勿論、この分岐作用を繰
返すことにより、レーザが少なくとも１０回の分岐作用
を保証する様ながなり長い時間（７ピコ秒）の間付勢さ
れる為に、レーザ８４及び８６を付勢する間、電子の内
の大きな割合が井戸５６から領域５４に転送され、この
結果転送の非効率の上限は０．１％になる。レーザ・パ
ルスの持続時間及び傾斜領域内のドリフト時間を単に２
倍にすることにより、この非効率を０．０００１％に下
げることが出来る。更に、レジスタ３０の加熱によって
課せられる限界まで、レーザの強度を強めることが出来
る。

レーザ・パルスの間の休止期間の間、ドリフトするパケ
ットが井戸５２の低い方のレベルに再び集まる。基底サ
ブバンドへの緩和がゆっくりしている為、電子の内の大
きな割合は１番目又は２番目の励起レベルにある。その
後、レーザ８２及び８４が付勢されて、８ピコ秒の休止
期間が続くと、前に述べた井戸５６からの転送と同様に
、パケットが井戸５２からセル３８の井戸５６“へ転送
される。電子が励起レベルから出発することは、転送の
速度及び効率を助けるだけであるが、パルスの間に長い
休止期間を使うと、パケットが全体的に基底サブバンド
に再び集まり、シュミット・トリガと同様に、パケット
を鮮鋭にする為に使うことが出来る。光学的なホノンの
エネルギ（ＧａＡＳでは約３３〜３６１ｅｖ）がレーザ
８２．８６の光子の間のエネルギの差よりも大きいこと
は、障壁がホノン・エネルギを越えていて、レーザがオ
フである時、前向きの転送を続けることを防止する限り
、レジスタ３０の動作にとって問題ではない。勿論、他
の全てのセルの情報ビットを表わす電子が、同時に１セ
ルだけ移動する。これがレジスタ３０のクロック動作で
ある。

第８図はセル３２及び４０に於ける組成分布により、レ
ジスタ３０の入力及び出力を図式的に示している。これ
らの井戸が電子の注入及び装置のバイアスの為のｎ影領
域に接続される。

レジスタ３０はアナログ遅延線としても使うことが出来
る。実際、電荷パケットは、転送の非効率の許容交差の
範囲内で、セルからセルへ転送する際、実質的に増加も
減少もせず、この為アナログ・データを表わすことが出
来る。

第９Ａ図は第２の好ましい実施例のシフト・レジスタに
対する井戸と隣接するドリフト領域の組成分布である。

この第２の好ましい実施例は、爪１の好ましい実施例の
シフトレジスタ３ｏと同様に動作する。第２の好ましい
実施例は、井戸５２の近くに傾斜領域５４の急峻な勾配
の部分５５を持ち、他の所では浅い勾配の領域５４を持
っている。この勾配が、領域５５内に急峻な勾配の伝導
帯の縁を作ると共に、領域５４内の他の場所では浅い勾
配の伝導帯の縁を作る。同様に、傾斜領域５８が井戸５
６の近くの急峻な勾配の伝導帯の縁とそれ以外の場所の
浅い勾配の伝導帯の縁を持っている。更に具体的に云う
と、領域５５の伝導帯の縁は２００人で１００　ｎ１ｅ
Ｖ下がり（これによって５０ｋＶ／ｃｌＩの準電界が生
ずる）、領域５４の縁の他の部分は１．０００人で２０
１ｅｖ下がる（これによって２　ｋＶ／αの準電界が生
ずると共に、ドリフト時間に対してこれまでの評価と同
じ様に１．０００の移動度を使えば、２Ｅ６α／秒の平
均ドリフト速度及び５ピコ秒のドリフト時間を生ずる）
。この様な２つの勾配を持つ伝導帯の縁は、井戸５２又
は５６から負のＸ方向に出て来る電子を逆転する為の一
層強い準電界及び正のＸ方向のドリフトの為の一層弱い
電界を作り、これによって十分なドリフト時間が得られ
る様にしながら、領域５４及び５８を一層薄くすること
が出来る様にする。

第９Ｂ図は第２の好ましい実施例のシフトレジスタの別
の形の井戸とその周囲の領域との組成分布である。この
形式では、組成の割合が変化する超格子によって傾斜領
域５４を模倣（エミュレート）している。［超格子のエ
ミュレーションは簡単な例を考えれば、一番説明し易い
。夫々厚さ１００人の１１個の周期を持つと共に、１番
目の周期が２０人の八１ＡＳと次の８０人のＧａ　Ａｓ
　。

２番目の周期が２１人のＡＩＡＳと次の７９ＡのＧａ　
Ａｓ　、３番目の周期が２２ＡのＡＩＡＳと次の７８人
のＧａ　Ａｓと云う様にして、１１番目及び最後の周期
が３０人のＡＪＡＳと次の７０人のＧａ　Ａｓとを持つ
様な超格子を考える。この超格子の周期平均の組成は、
１．１００人にわたってＡＩｏ、２Ｇａ　０．８Ａｓか
らＡｊＯ，３ＧａＯ，７ＡＳまで直線的に変化し、伝導
帯の最低の縁の性質はＡＩｏ、２Ｇａ　Ｏ，，８Ａｓか
らＡＩｏ、３０ａ　０．７Ａｓへの勾配の領域と同様で
ある（エミュレート）する。］傾斜領域の代りにエミュ
レート形超格子を使う利点は、傾斜領域を作−る時の組
成の〃ｊ合を制御するよりも、超格子の各層をＭＢＥで
製造する時の厚さのＩＩＪＩｊの方が一層容易であるこ
とである。第９Ｂ図では超格子は成分ＧａＡＳ及びＡｊ
Ｏ，４Ｇａ　０．６Ａｓを持ち、図面を見易（する為に
、ＧａＡＳが各々の周期で井戸５２と反対向きに示され
ている。更に、領域５４の急峻な勾配を持つ伝導帯の縁
５５の部分が、２つの周）ｔ１５５ａ及び５５ｂによつ
てエミュレートされ、領域５４の残りは周期５４ａ及び
図面に示してない他の周期によってエミュレートされ、
領域５８＃は周期５８ａ、５８ｂ及び図面に示してない
他の周期によってエミュレートされている。

更に、バッフ１層５１．５３が井戸５２及び超格子の間
にある。バッファｆｆ１５１はＡｊｏ、２ＧａＯ，８Ａ
Ｓであって厚さ１５０人であり、バッフ７Ｎｉ５３はＡ
Ｉｏ、２９Ｇａ　Ｏ，７１Ａｓで厚さ１５０人である。

バッフ７層５１．５３は井戸５２の深さを保つのを助け
る。バッファ層がないと、井戸５２は超格子の別の一部
分となり、井戸５２が平均化されて一層浅い丸くなった
電位井戸になる。勿論、勾配の変動（伝導帯の緑の隆起
及び凹み）は、隆起が越えることの出来ない障壁となっ
たり或いは凹みが脱出することの出来ないトラップにな
らなければ、平均してパケットのドリフトを妨げない。

更に、レーザ・パルスの間、ドリフトする電子が絶えず
励起及び緩和することが、隆起及び凹みを克服する助け
になる。

第３の好ましい実施例のシフトレジスタは、第１の好ま
しい実施例のシフトレジスタ３０と同様に作用するが、
井戸５２，５６．５２’　、５６’等を持っていないで
、１つのレーザだけを持っている。゛第３の好ましい実
施例は鋸歯状の伝導帯の縁の低い点に集めることによっ
て、電子パケットを保存する為に、レーザ・パルスの間
の休止期間だけに頼る。第１０図は第３の好ましい実施
例の伝導帯の線図である。、深い井戸から励起すること
が必要であること、並びに深い井戸に緩和する可能性が
あることを別にすれば、レジスタ３０について説明した
ことはそのまま成立する。伝導帯の形が、準電界によっ
て電子が集まる様な領域（６各の鋸歯状周期の三角形の
低点）が出来ることに注意されたい。クロック動作用の
レーザの光子エネルギは、三角形井戸内の最低サブバン
ドにある電子を障壁の頂部の近くまで励起する様に選ば
れ、レジスタ３０の１９６ｉｅＶ及び２２９　ｗｅＶの
レベルと同様な選択的な中間レベルは存在しない。この
為、レーザはレーザ８４と同様であり、レーザ８２．８
６に類するものはない。第３の好ましい実施例は他の好
ましい実施例よりも、製造するのは一層容易であるが、
最も効率のよいものではないことがある。レジスタ３０
に深い井戸５２，５６．５２’等を含めることは、伝導
帯の縁まで熱化（緩和）しないか、或いは伝導帯内の一
層高い状態へ再び励起される小さな割合の電子に対し、
電子収集効率を高めることに注意されたい。第３の好ま
しい実施例は、鋸歯状の組成分布を模倣する超格子で作
ることも出来、鋸歯によって形成された三角形井戸は密
な間隔のエネルギ・レベルを持ち、この為、広く隔たっ
た離散的なレベル及び選択的な励起は利用することが出
来ない。

第４の好ましい実施例のシフトレジスタは、第１の好ま
しい実施例のシフトレジスタと同様に作用するが、井戸
５２．５６が大きく放物線形であって、井戸に対する急
速な緩和の為に一連の等間隔のエネルギレベルを利用す
ることが出来る点が異なる。レジスタ３０の場合と同じ
く、適当なレーザだけが電子を基底レベルから励起する
ことが出来る様に、レベルが調節される。勿論、電子が
ホノンによってレベル間で容易に励起されることがない
様に、等間隔のレベルは十分離れていなくてはならない
。第４の好ましい実施例は、電子パケットを保存する為
に、井戸の基底レベルへの急速な緩和を利用する。

第５の好ましいシフトレジスタ１３０が、第１２図の伝
導帯の縁の略図によって示されている。

この実施例では、クロック過程は次の通りである。

（１）　　井戸１３１内の電子が、２つの状態の間のエ
ネルギの差に同調したレーザにより、基底状態１３２か
ら励起状ｆｌｌ１３３まで励起する。波長をＬｌと表わ
す。この励起状態への励起速度が、前の説明の様に評価
して２ピコ秒の領域であることに注意されたい。励起状
態に到達すると、電子は（ｉ）放射によって再び基底状
態に戻る。この時間は前の説明で述べた様に、１ナノ秒
程度である（ｉｉ）障壁１３５を通って井戸１４１へと
左にドリフトする（この速度は、レベル１３３の位置に
よって決定され、障壁１３５の幅によって調整される。

２０人の障壁では、電子の０．２％しか障壁を通過しな
い）。（ｉｉｉ）井戸１５１に向かって右へ移動する。

（２）　　電子が傾斜形ＡｌＧａＡｓ領域１６１によっ
て、又は傾斜形Ａｊ！ＧａＡｓ領域１６１のバンドの縁
をエミュレートする周期変調超格子により、井戸１５１
に向かって加速される。バンドの縁への緩和時間は０．
５ピコ秒程度であり、従って井戸１３１に再び入ること
は考えられない。

（３）　　電子が井戸１５１に到達する時までに、波長
Ｌ１を持つ光を遮断する。井戸１３１及び井戸１５１の
間の領域１６１がこういうことが出来る位に長くない場
合、その通路に多数のトンネル障壁を挿入することによ
り、何等劣化なしに十分に転送を減速して、この条件を
充た゛すことが出来る。電子がエネルギ・レベル１５３
で井戸１５１に到達した時、（ロ）電子が井戸１５１の基底状態１５２に緩和する。

この状態は井戸１７１に存在する小さいが有限の確率を
持っている。或いは（ハ）電子が井戸１７１内のレベル１７２へ障壁１５５
をトンネル作用で通過゛する。この場合、電子がレベル
１５３及び１７２の「二重子」の間で共振し、最終的に
は井戸１５１の基底状態に緩和する。障壁１５５をトン
ネル作用で通過するのは、井戸１５１を井戸１７１から
分離して、エネルギ・レベルを限定し、前に述べた様に
、「逆向き」のクロック動作を停止する為である。

（４）　　電子は、光の波長Ｌ２が加えられるまで、井
戸１５１の基底状態に止どまり、この時励起状態１５３
を占める。波長Ｌ１の光が加えられると、井戸１７１の
レベル１７２にトンネル作用で通過する電子がレベル１
７３に励起され、バンドの縁１８１に緩和し、次の井戸
（図に示してない）へ行く。

このモードでは、レジスタは単一クロック（即ち波長Ｌ
１及びＬ２）の装置である。異なる周波数、例えば波長
Ｌ３及び波長Ｌ１に同調した交互の組の井戸を作ること
により、これを二重クロック装置に作ることは容易であ
る。

第６の好ましい実施例は他の好ましい実施例と同様であ
るが、輸送の為に共振トンネル作用に頼っており、この
為励起された電子が負のＸ方向に行く可能性を除く為に
、深い井戸の離散的なエネルギ・レベルを全面的に使う
ことが出来る。第１３図は第６の好ましい実施例の伝導
帯の縁の線図であり、井戸の離散的なレベルが記入され
ている。

井戸の底が互い違いになっていることにより、傾斜領域
の準電界によって誘起されるのとよく似た方向性を持つ
電子の流れが生ずることに注意されたい。この様に井戸
の底を互い違いにすることは、一定の組成を持ち、傾斜
を持たない層によって作ることが出来る。第１３図では
、トンネル作用を示す水平の波形の矢印により、第６の
好ましい実施例の動作が示されている。垂直の下向きの
波形の矢印は緩和を示しており、２つの垂直の上向きの
真直ぐな矢印は、相異なる２種類の周波数に於ける光学
的な励起作用（第１３図では、約１０％異なるものとし
て示しである）を示す。破線は、負のＸ方向のトンネル
作用が起こり得ないことを見る助けとして、若干の利用
し得るエネルギ・レベルがある場所を示している。更に
、緩和遷移（下向ぎの波形の矢印）が、励起遷移（真直
ぐな上向きの矢印）に比べて比較的低いエネルギである
ことに注意されたい。この為、ホノン緩和を実現するが
、ホノン励起を避ける様に、（寸法及び材料の調節によ
り）エネルギ・レベルの調節が出来る。従って、緩和遷
移は非常に高速にすることが出来、それが負のＸ方向の
トンネル作用がないことと組合さって、非常に高速の装
置をもたらす。

第１３図の括弧１９１が１つのセルを示す。即ち、第３
図のセル３６に相当する。第１の周波数の光子によって
井戸１９３′内で上向きに励起され、トンネル作用によ
って井戸１９５に緩和した電子が、第１の周波数の光子
によっては井戸１９５内で上向きに励起されず、この為
井戸１９５内に溜まることに注意されたい。光学的な励
振に休止期間を必要としない。一旦電子パケットが井戸
１９３′から１９５に転送すると、第１の周波数による
励振を終了し、第２の周波数の励振を直ちに開始して、
パケットを井戸１９５から井戸１９３へ転送することが
出来為。

第１４図は第６の好ましい実施例と同じ様に、井戸の間
の転送の為にトンネル作用を用いる第７の好ましい実施
例のレジスタ２３０の伝導帯を示す。レジスタ２３０は
レジスタ３０と幾分似ており、レジスタ２３０の「類似
」領域には、第１４図と同様の参照数字を用いている。

レジスタ２３０は次の様に作用する。井戸２５２′の最
低レベルにある電子が第１のレーザ（又はその他のかな
り単色性の光源）により井戸２５２′及び２５８の両方
に共通の最低レベルまで励起される。これが第１４図に
矢印２６１で示されている。井戸２５２′及び２５８と
比肩し得る寸法を持つ領域２５９では、両方の井戸に共
通のレベルが依然としてかなり幅広く隔たっている（こ
の点が第５図に示したレジスタ３０と異なる）。励起さ
れた電子が井戸２５２′又は井戸２５８に緩和し、井戸
２５２′に下降する電子が第１のレーザによってたちま
ち再び励起される。更に、井戸２５２′内で上向きに励
起された電子は、井戸２５２′及び２５８に共通の最低
レベルとエネルギが共振するレベルが井戸２５４’　　
（又は２５６）内にない為に、障壁２５３′又は（２５
７）をトンネル作用で通過して井戸２５４′又は２５６
に行くことが出来ない。井戸２５８に緩和した電子が障
壁２５７をトンネル作用で通過し、その後、井戸２５６
の最低レベルに緩和する。この緩和は、井戸２５６内に
トンネル作用によって通過した電子が、トンネル作用に
よって井戸２５８に戻、ることを防止し、レジスタ３０
の傾斜領［４８と「類似」する方向性を持たせることに
注意されたい。井戸２５６の最低レベルにある電子は第
１のレーザによって励起されない。これは、矢印２６３
で示す様に、この周波数で吸収を行なう光学的に共振す
るレベルが利用出来ないからである。この為、井戸２５
２′内で上向きに励起した電子は最終的には井戸２５６
の最低レベルで終わる。この後、井戸２５６内の電子が
、第２のレーザによる励振により井戸２５２の共通のレ
ベルに転送され（第１４図の　′矢印２６５参照）、井
戸２５４に緩和し、障壁２５３をトンネル作用で通り抜
け、最後に井戸２５２の最低レベルに緩和する。第２の
レーザは、その光子エネルギが電子を、対応するレベル
のないエネルギに励起させるので、井戸２５２内の電子
を上向きに励起しない。第１４図のこのことを示す矢印
２６７及び２６７′を参照されたい。この為、電子が井
戸２５２′から井戸２５２に転送される。この転送を繰
返すことが出来、領域２５２’　、２５９，２５８，２
５７，２５６．．２５５゜２５４及び２５３がレジスタ
２３０の１つのセルを形成する。

好ましい実施例並びにその変形（例えばたず１つ又は２
つのセル）はシフトレジスタ以外の装置として動作する
様に適応させることが出来る。例えば好ましい実施例の
装置の出力が入力より一層高い電位であっても、電位の
差（それがキャリヤを負のＸ方向に加速する電界を装置
に誘起する）が、装置の傾斜形又は類似する領域の準電
界に打勝つのに不十分であれば、装置は依然としてキャ
リヤを入力から出゛力に転送する。言換えれば、装置は
電荷ポンプとして作用することが出来る。同様に、この
装置は、特にパルス式励振が不要であり、キャリヤ・パ
ケットを連続的な流れに広げることが出来るので、フォ
トダイオードとして作用することが出来る。

動作モードをそのまま保ちながら、好ましい実施例のシ
フトレジスタの寸法及び材料は大幅に変えることが出来
る。実際、砒化アルミニウム・ガリウム系は、燐化砒化
インジウム、テルル化水銀カドミウム等の様な他の系に
置換えても、依然として単結晶構造を保つことが出来る
。しかし装置は、硝子、絶縁体、金属等の薄層からも作
ることが出来、それでも好ましい実施例と同じ様に、量
子井戸構造を作り、作用することが出来る。電子の代り
に正孔がキャリヤであってもよく、或いは正孔と電子の
両方が同時に反対向きにクロック動作で移動する様にし
てもよい。寸法の変更、材料の変更又はその組合せの何
れかにより、エネルギ・レベルを変えることが出来る。

例えば、第２の好ましい実施例の急峻な勾配を持つバン
ドの縁の極端な場合として、井戸は三角形にすることが
出来る。実際、バンドの縁が一連のセルであって、各セ
ルが少なくとも１つの凹みをバンドの縁に（′Ｒ位「井
戸」として）、場合によっては不連続で持ち、バンドの
縁の大部分又は全部に対して負（正）の勾配を持つと共
にバンドの縁の小部分に対して正（負）の勾配を持つか
又は持たない様にする任意の組成分布でも、第３の好ま
しい実施例と同様に、そして場合によっては、障壁の＾
さ、ドリフト時間、光源の休止時間等がそれに見合って
いれば、他の実施例とも同様に作用し得る。８各のセル
が他のセルとは革新的に違う様に見えても、同じ性能を
持つことが出来ることに注意されたい。各セルのバンド
の縁の全部又は一部分は種種の超格子によってエミュレ
ートすることが出来る。同様に、第５、第６及び第７の
好ましい実施例のトンネル障壁及び電位井戸は、トンネ
ル障壁の両側の適当なレベルが共振の為に揃っていれば
、全体的な形を持つバンドの縁に置換えることが出来る
。更に、動作温度を調節することが出来、これはホノン
のポピユレーションを拡大又は収縮させ、従って密な間
隔のレベルの間の遷移速度を変える効果がある。

励起レベルから井戸内の基底レベルへの緩和速度と、井
戸からの励起速度との比は、ドリフトと集合又は基底へ
の緩和が、電子パケットを保存する支配的な方法となる
様に調節することが出来る。

傾斜影領域５４，５８．５４’等は、超格子の周期を変
え（変化する「周期」でもよい）、成分の材料を変える
ことにより（例えば、各周期の内、各々の成分が占める
端数を調節すれば、第２の好ましい実施例で、ＡＩＡＳ
及びＧａ　ＡｓをＡ１（Ｌ　５Ｇａ　Ｏ，５ＡＳ及びＡ
Ｉｏ、ＩＧａ　Ｏ，９Ａｓに置換えることが出来る）、
種々の相異なるエミュレート用超格子に置換えることが
出来る。

更に、歪みを加えた層形超格子、変調ドープ形超格子及
び同調可能な超格子を使って、クロック動作に別の制御
可能なパラメータを使うことが出来る。例えば、近似的
に鋸歯状の伝導帯並びに／又は価電子帯の縁を作る様な
傾斜形ドーピングをした同調可能な変調ドープ形超格子
は、光学的な励振及び電気的なバイアスの組合せによっ
て駆動して、電位井戸を半ば消滅させることが出来る。

狭帯域の光を必要としない実施例では、光学的な励振は
レーザ光だけでなく、インコヒーレント光であってもよ
く、狭帯域の光を必要とする実施例では、狭帯域の単色
性のインコヒーレント光であってもよい。

好ましい実施例並びにその変形は、転送速度が高く且つ
密度が高い極めて小形の装置を作ることが出来る様にす
る。

以上の説明に関連して、更に下記の項を開示する。

（１）　　半導体基板と、光源とを有し、前記基板は該
基板内の第１の方向にエネルギバンドの縁を持っていて
一連の実質的な変動を持つことを特徴としており、前記
光源が前記基板に差向けられると共に、前記変動に関連
するエネルギと同等又はそれより大きな光子エネルギを
持ち、この為前記光源からの光子を吸収することにより
、前記エネルギバンド内のキャリヤが前記変動に関連す
る電位を通って前記第１の方向にポンプされる様にした
電子式電荷転送装置。

（２）　　第（１）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記光源がパルス形であり、前記キャリヤがパケ
ットに分けて転送される電子式電荷転送装置。

（３）　　第（１）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記エネルギ・バンドの縁が最低伝導帯の縁であ
る電子式電荷転送装置。

（４）　　第（１）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記エネルギ・バンドの縁が不連続性を除いて、
前記第１の方向にはり単調に低下する電子式電荷転送装
置。

（５）　　第（１）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記変化の少なくとも一部分が超格子によって模
擬される電子式電荷転送装置。

（６）　　第（２）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記エネルギ・バンドの縁が大まかに見て鋸歯状
であり、前記光パルスが前記パルスの持続時間に比肩し
得る期間だけ隔たっている電子式電子式電荷転送装置。

（７）　　第（２）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記エネルギ・バンドの縁が大まかに見て鋸歯状
であって低エネルギ点に深い井戸を持つ形であり、該井
戸は十分に狭くて、該井戸内のキャリヤ・エネルギ・レ
ベルを大幅に隔てている電子式電荷転送装置。

（８）　　第（２）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記エネルギ・バンドの縁が大まかに見て周期的
であり、各々の周期が前記第１の方向に（１）大幅に隔
たる第１及び第２のキャリヤ・エネルギ・レベルを持つ
十分に狭い深い井戸、（ａ大体前記第２のキャリヤ・エ
ネルギ等レベルから大体前記第１のキャリヤ・エネルギ
・レベルまでほず単調に低下するエネルギ・バンドの縁
、（３）大幅に隔たる第３及び第４のキャリヤ・エネル
ギ・レベルを持っていて十分に狭い浅い井戸、及び（４
）薄いトンネル障壁を含んでおり、前記第４のレベルが
大体前記第１のレベルと等しく、前記光源が前記第１及
び第２のレベルの間の差に大体等しいエネルギを持つ光
子の第１の源と、前記第３及び第４のレベルの間の差に
大体等しいが、前記第１の源の光子エネルギと大体等し
くないエネルギを持つ光子の第２の源とを含んでいる電
子式電荷転送装置。

（９）　　第（２）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記エネルギ・バンドの縁が大まかに見て周期的
であり、各々の周期が前記第１の方向に（１）第１の部
分井戸、障壁及び第２の部分井戸に分割されていて、該
第１の部分井戸が大幅に隔たる最低の第１及び第２のエ
ネルギ・レベルを持ち、前記第２の部分井戸が大幅に隔
たる最低の第３及び第４のエネルギ・レベルを持ち、当
該第１の井戸が前記第１及び第２の部分井戸の両方に共
通の大幅に隔たる第４のエネル、ギ・レベルを持つ様な
第１の井戸、（り薄いトンネル障壁、（３）第３の部分
井戸、障壁及び第４の部分井戸に分割されていて、該第
３の部分井戸が大幅に隔たる最低の第５及び第６のエネ
ルギ・レベルを持ち、該第６のエネルギ・レベルが前記
第３のエネルギ・レベルと大体等しく、前記第４の部分
井戸が大幅に隔たる最低の第７のエネルギ・レベルを持
っていて、それが前記第２のエネルギ・レベルと大体等
しく、当該第２の井戸が大幅に隔たる第８のエネルギ・
レベルを持つ様な第２の井戸、及び（４）薄いトンネル
障壁を含んでおり、前記光源が、前記第１及び第４のエ
ネルギ・レベルの間の差に大体等しいエネルギを持つ光
子の第１の源と、前記第５及び第８のエネルギ・レベル
の間の差に大体等しいが、前記第１の源の光子エネルギ
と大体等しくないエネルギを持つ格子の第２の源とを含
んでいる電子式電苗転送装置。

（１０）　　はず周期的な組成を持つていて、該周期的
な組成が第１の方向に鋸歯状に近い伝導帯の縁を持つこ
とを特徴とする様な半導体基板と、前記伝導帯の最低部
分の近くにあるエネルギ・レベルにある電子を前記伝導
帯の縁の最高部分に近い又はそれより高いエネルギ・レ
ベルまで励起する様な光子エネルギを持つことを特徴と
していて、この為、前記最低部分に近い電子が励起され
て前記鋸歯状の縁に沿って隣接する最低部分までドリフ
トする様なパルス形光源と、前記基板に設けられていて
、前記第１の方向に電子パケットを注入並びに受取る入
力及び出力接点とを有するシフトレジスタ。

（１１）　　当該基板内の層の重ねに対して垂直な方向
に一連の実質的な変化を持つことを特徴とするエネルギ
・バンドの縁を持つ層状基板と、該基板に差向けられて
いて、前記変化と関連するエネルギと比肩し得るか又は
それより大きな光子エネルギを持つ光源とを有し、この
為該源からの光子を吸収することによって、前記変化に
関連する井戸を通じて前記エネルギ・バンド内のキャリ
ヤが前記方向にポンプされる様にした電子式電荷転送装
置。

（１２）第（１１）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記基板が絶縁体の層を含んでいる電子式電荷転
送装置。

（１３）　　第（１１）項に記載した電子式電荷転送装
置に於て、前記光源がパルス形であり、前記キャリヤが
パケットに分けて転送される電子式電荷転送装置。

（１４）第（１１）項に記載した電子式電荷転送装置に
於て、前記エネルギ・バンドの縁が最低伝導帯の縁であ
る電子式電荷転送装置。

（１５）−第（１１）項に記載した電子式電荷転送装置
に於て、前記エネルギ・バンドの縁が不連続性を除いて
前記第１の方向にほず単一に低下する電子式電荷転送装
置。

（１６）　　第（１１）項に記載した電子式電荷転送装
置に於て、前記変化の少なくとも一部分が超光子によっ
て模擬される電子式電荷転送装置。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の好ましい実施例のシフトレジスタの等価
回路図、第２図の第１の好ましい実施例のレジスタの簡
略斜視図、第３図は第２図の１１１３−３から見た組成
分布を示すグラフ、第４図は第２図の１１３−３から見
た伝導帯及び価電子帯を示す線図、第５図は第４図の２
つの電位井戸のエネルギ・レベルを示す図、第６図は第
１の好ましい実施例の電位井戸に於ける記憶電荷を作動
するクロック用レーザの簡略斜視図、第７Ａ図、第７Ｂ
図は第１の好ましい実施例のレジスタのクロック動作中
の電子の遷移を示す縮図、第８図は第１の例の２つの形
のシフトレジスタの組成分布を示すグラフ、第１０図は
第３の好ましい実施例のシフトレジスタの伝導帯を示す
線図、第１１図は第４の好ましい実施例のシフトレジス
タの伝導帯を示す線図、第１２図は第５の好ましい実施
例シフトレジスタの伝導帯を示す縮図、第１３図は第６
の好ましい実施例のシフトレジスタの伝導帯を示す線図
、第１４図は第７の好ましい実施例のシフトレジスタの
伝導帯を示す縮図である。主な符号の説明５２．５４．５６．５８　：領域８２．８４，８６：レーザ

Claims

【特許請求の範囲】

半導体基板と、光源とを有し、前記基板は該基板内の第
１の方向に一連の実質的な変動を持つことを特徴とした
エネルギバンド端を持つており、前記光源が前記基板に
向けられると共に、前記変動に関連するエネルギと同等
又はそれより大きな光子エネルギを持ち、この為前記光
源からの光子の吸収により、前記エネルギバンド内のキ
ャリヤを前記第１の方向の変動に関連する電位を通つて
くみ上げる電子式電荷転送装置。