JPS621278A - 切換え可能な結合量子井戸導体 - 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】 Ｕ上皮皿皿１１ 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。

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。■子井戸へテロｔｇ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
個のへテロ接合）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・オプ・
アプライド中フィジックス誌１０２３　（１９８２年）
所載の王、ドラモンド他の論文「単−及び多重周期変調
によってドープされた（Ａｔ　、Ｇａ　）Ａｓ　／Ｇａ
　Ａｓ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ＣＲ
Ｃ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）所載のし
、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。

量子井戸は典型的には厚さが１００秤程度であり、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７０ツブ、シフトレジスタ、マルチプレクサ、演算増
幅鼎、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。

問題点を解決する為の　段　び 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、量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ｎＷＡ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
φ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。

友−皇−１ 第１図は結合量子井戸の２本の交差部１１１１１２゜１
４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、ＡＩ　０．３Ｇａ　０，７Ａ
８基板１５内のＧａ　Ａｓ電位井戸で形成される。線１
２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１４１，１４２，１４
３等を付けである。

Ｉ！１２内の井戸の寸法は、１００人×１００人×深さ
１ミクロンであり、隣合う井戸の問は１００人隔たって
いる。線１４内の井戸は８０人×８０八×深さ１ミクロ
ンであって、隣合う井戸の間が１００人隔たっている。

井戸１６は１００人×１０ＯＡ×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ｗｉ！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
縮めであるが、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［１１２の一番近い
井戸からも線１４の一番近い井戸からも、１００人離れ
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。

基板１５、井戸１６及び線１２及び１４の井戸は、３ｉ
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、離散的な工゛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３０ＯＫ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、Ｇａ　Ａｓ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。

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。

これまでの説明から、１１２及び線１４に対して井戸１
６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、１１１２がオンで線１４がオフの状態からＩ！
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１１１２．１４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。

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ＡＩ　０．３Ｇａ　０．７Ａｓの基板上に厚さ１ミ
クロンのＧａ　Ａｓ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・エツチングによってＧａ　Ａｓを除去す
る。その後、ＡＩ　Ｏ，３Ｇａ　Ｏ，７Ａｓを成長させ
てＱａ　Ａｓの柱の間を埋め、このＧａ　Ａｓが井戸１
２１．１２２等になる。

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１２２，１２３，１
２４，１２５、基板１５、絶縁体２２０及び金属電極２
１８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土層である。

電極２１８が、ＭＯＳキャパシタと同じ様に、井戸２１
６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。

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１
２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十形Ｇａ　Ａｓで
あり、井戸３１６と逆バイアス接合を形成する。基板１
５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３８図及び第
５Ａ図、第５Ｂ図が成立する。

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
１２３，１２４，１４３，１４４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。

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
（ＡＩ　Ｇａ　Ａｓ内のＱａ　Ａｓ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Ａｔ　ｘＧａ　　（１−ｘ）Ａｓ基板４１５内にあ
って線４２を形成するＧａ　Ａｓの井戸４２１，４２２
゜４２３．４２４，４２５，４２６と、基板４１５内に
あるＱａ　ＡＳ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縮
４４を形成する。これらの井戸は約１０°Ｏ入隔たって
いて、第８図の平面内で約１０ＯＡ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４１Ｂ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であることに注意
されたい。

好ましい第４の実施例の動作が第１０Ａ図、第１０８図
、第１１Ａ図及び第１１８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ＩＮ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１０８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
１Ｏ−１０）のａ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、［１４２に沿った共振トンネル作用が
第１０図に示されているが、ｌ１ｉ４４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４
１８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の共像状態を設定し、こうしてその導電を
設定する（第１１８図）。第１、第２及び第３の実施例
と同じく、交差１１４２．４４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。

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５０７を付した小さな円で示しである。

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、１５０５
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
、ｌ１ｉ５０５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５
０１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彊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。

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６１
１が（第１３図では節６１５から伸びる破線として示し
である）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１６０１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、６１
３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
。

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）の混合物にすることが出来る。

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＠（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。

以上の説明に関連して更に下記の各項を開示する。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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′Ｉｉ穫が前記影響を受昏プ
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。

（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。

（１１）第（７）項に記載した切換え可能な交差結合ｍ
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
。

（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。

（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。

（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。

【図面の簡単な説明】

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−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の実施例のスイッチ
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Ｗｉ縮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１１９−９で切った簡略
側面断面図、第１０Ａ図及び第１０８図は第９図の導Ｉ
！線に沿った伝導帯を示す図、第１１Ａ図及び第１１８
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ッサ・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゜１４
３＝井戸 １８二制御電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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。