JPS62254469A - 量子ウエル装置 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 量子ウェルにおいて、信号電流がスルー・キャリアであ
る信号装置がある。かかる装置は、きわめて小さい物理
的空間しか必要とせず、きわめて少量のエネルギを放散
する。この発明は、量子ウェル型の信号装置における電
流の静電的制御に関するものである。

Ｂ、従来技術 米国特許第４５５０３３０号明細書に記載された量子ウ
ェル型の信号装置は、量子ウェル中のキャリアの移動波
の制御に静電界を使用し１、信号は分岐した導体に対す
る移動波の位相の関係により発生する。

他の量子ウェル型の信号装置構造は、Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、　５２．　
Ｎａ２　（１９８４年１月）ｐ、１２９に記載されてお
り、分岐した導体を用いて検出されている信号を有する
量子ウェル中のキャリアを制御するのに、磁界を用いて
いる。

さらに他の量子ウェル型構造は、コンダクタンスに干渉
効果を与えるため静電界を使用するもので、Ａｐｐｌ、
　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　４８　（７）　、　１７　
　（１９８６年２月）、ｐ、４８７に記載されている。

Ｃ０発明の要約 本発明によれば、量子ウェル型デバイスの導体のアペン
デージ（付属物）中で発生する反射波が。

量子ウェル中の進行波に強め合う干渉または弱め合う干
渉をもたらす。

説明をわかりやすくするため、半導体ヘテロ接合の量子
ウェル中のキャリアの進行波を制御する場合を例にとっ
て、本発明を説明する。この場合、アペンデージ（付属
物）は量子ウェル上方の表面にある導体上の調整スタン
プであり、反射波は静電界によって修正ないし制御され
る。ただし、ここに記載する原理に照らしてみれば当業
者には自明のはずであるが、磁界の使用など様々な代替
方法が使用できる。

本発明によれば、量子ウェル近傍の非常に狭い導体中の
電子は、導体が充分に狭い場合、電子が表面電界によっ
て表面に垂直な方向で量子化され、かつ線のリソグラフ
ィーによって表面に平行な方向で量子化されるような波
動特性をもつ、このため、量子準位が生じ、２次元側バ
ンドが発生する。

この２次元側バンドは、１次元側バンドに分かれること
がある。各副バンドごとに、ある意味で導波管内の様々
なモードに対応する、定常波構造が存在する。

本発明のヘテロ構造の例では、波長はモードに対して一
義的ではなく、副バンドとフェルミ準位の充填の関数と
なる。占拠された各副バンドごとにフェルミ波長（λ、
）は異なるが、副バンドの分離ないし分裂が充分な場合
、大部分の伝導電子は単一の副バンド上にあり、その副
バンドがその線に沿ったある特性的波長（λ）をもっこ
とになる、実際に、この場合の干渉効果は単一チャネル
が優越する。

本発明によれば、アベンデージ（付属物）中で、導波管
内での光子の特性と同様の波動特性が利用できる。

本発明をさらにわかりやすくするため、ＧａＡＳとＧ　
ａ　１□ＡΩｘ　Ａ　ｓの半導体構造の界面で量子ウェ
ルを発生し、キャリアが電子である。ヘテロ接合の場合
に例をとって、本発明を説明する。

この場合も、ここに記載する原理に照らしてみれば、当
業者には自明なように、他の材料、異なる構造および別
の種類のキャリア、たとえばＭＩＳ半導体構造を使用で
きる。

第１に、本発明の諸要素の一般的な機能上の概略図を示
す。

第１図において、基板（図示せず）上に、ドープされた
Ｇ　ａ　Ａ　ｓのバッファ層１が設けられている。それ
とエピタキシャルに、ドープされたＧａＡｓ層２がある
。Ｒ２は、Ｇ　ａ　１−ｘ　Ａ　Ｑ　ｘ　Ａ　ｓの半導
体４のエネルギー帯分離が異なる領域とヘテロ接合３を
形成している＊　Ｇ　ａ　１□ｘＡＱｘＡｓは、ドープ
されていない層５と高度にドープされた層６を有する０
層５と６は、導体経路７の形でのみ存在する。ヘテロ接
合は、ペテロ接合界面の表面から離れた側に量子ウェル
ないしポテンシャル・ウェルが存在するような材料特性
をもつ。量子ウェルまたはポテンシャル・ウェルは、あ
るキャリア濃度を含んでいる。このキャリアは当技術で
ガスと呼ばれることがある。導体経路−７は、入力接点
８と出力接点９をもつ。

本発明によれば、導体経路７およびＦ３５と６には、ア
ペンデージ（付属物）ないしブランチ１０がついている
。このアペンデージ（付属物）ないしブランチ１０は、
特定の長さＬであり、それが反射特性をもたらす。アペ
ンデージ（付属物）は、端部ないし終端１１を有する。

アヘンデージ（付属物）１０の上に、制御幅Ｗのゲート
１２が設けられている。

ゲート接点１２に対して電圧信号を印加すると、ヘテロ
接合３に対して垂直な電界が印加される。

第１図に示したような構造では、入力部８と出力部９の
間の導体７中の信号は、量子ウェル内で量子化された電
子を有する。アペンデージ（付属物）１０に入った電子
は、終端１１のついてアベンデージ（付属物）１０中で
、終端１１から反射される。電子の波長は、ゲート１２
の下を通過するとき修正され、したがって導体７中の電
流が修正される。ゲート１２中に電界が印加されるとき
、この修正が行なわれる。

このことが起こるのは、第１図の１と２の間のようなヘ
テロ接合がある場合、ヘテロ接合の界面にある量子ウェ
ル内の電子が波動性をもち、散乱現象に関する電子の非
弾性平均自由行程が当該の構造の限界寸法よりも長くな
り得るために比較的長い距離にわたってほとんど位相損
失がないからである０例を示すと、非弾性平均自由行程
は１通常のＧ　ａ　Ａ　ｓ　−Ｇ　ａ　Ａ　Ｑ　Ａ　ｓ
ヘテロ構造では１０マイクロメートル前後である。

しかし１本発明の原理を利用した半導体構造は、電子の
散乱に関して非弾性平均自由行程よりも寸法が小さいは
ずであることに留意すべきである。

Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　−Ｇ　ａｌ−、Ａ　ｆｌｘＡ　ｓデバ
イスは、電子は導体７の下のヘテロ接合に隣接するポテ
ンシャル・ウェル中を波として移動し、電子の非弾性平
均自由行程が長い半導体材料を利用する場合には、アペ
ンデージ（付属物）１０の長さＬは、非弾性平均自由行
程の長さと大体同じにすることができる。これらの条件
下で、信号によって電界が要素１２上に幅Ｗにわたって
印加されると、アペンデージの一部分の上方で電子の波
長が変化し、そのために反射によって導体経路の下の定
常波向の信号中に弱め合う干渉または弱め合う干渉が発
生する。アペンデージ（付属物）中での波長は、終端１
１からの反射の前と後で修正され、したがって修正長さ
の合計は２Ｗとなる。

次に第２１！！を参照すると１本発明の原理を利用した
構造の、第１図の線Ａ−Ａ’に沿って切断した、エネル
ギー線図が示しである。第２図には。

この構造のエネルギー帯が、第１図で参照番号をつけた
各領域ごとに示しである。

金属電極は、ゲート１２である＋＋　Ｇ　ａ　１−ｘＡ
ＱＡｓ領域４は、変調ドープされたｎ＋高導電層６とヘ
テロ接合３に隣接するドープされていない層５を有する
。ヘテロ接合３の所のドープされていないＧ　ａ　Ａ　
ｓ層２は、基板（図示せず）からドープされたＧａＡｓ
のバッファ層で分離されている。

バンド・ギャップの異なる半導体材料間、すなわちドー
プされていないＧａ１□Ａｌ２ＸＡｓ暦５とドープされ
ていないＧ　ａ　Ａ　ｓ層２の間のヘテロ接合３でのエ
ネルギー帯は、伝導帯の不連続性のために量子ウェルな
いしポテンシャル・ウェル１３が発生するような構造で
ある。この量子ウェル内には、キャリアまたは電子濃度
があり、ｆＩｔ子ガス１４と呼ばれる。

本発明によれば、アペンデージ（付属物）に印加される
信号によって、電子ガスの濃度および電子ガスの波動挙
動の性能が制御できる。信号は。

ポテンシャル・ウェルに関するフェルミ準位を変更する
働きをする。

第３図のこの波の概略図である。アペンデージ（付属物
）１０に電界が印加されると、反射波が発生し、その結
果、第３図の波に、第４図に弱め合う干渉について図示
するような局在的歪みが生じる。

強め合う干渉の場合は、アペンデージ（付属物）１０か
ら発生する波は、アペンデージ（付属物）１０に接近す
る波と同位置でなければならない。

すなわち、アペンデージ（付属物）内部で位相のずれは
あり得ない、第４図に示した歪みを発生させる干渉は、
導体７の下を進む電子波とアペンデージ（付属物）１０
の上を進み導体７の下の波に戻る電子波との干渉から生
じる。

強め合う干渉の一般条件は、方程式１で記述される。

（方程式１）　　　　２Ｗ　（１／λ、−１／λ１）＝
±ｎ弱め合う干渉の一般条件は、方程式２で記述される
。

（方程式２）　　２Ｗ　（１／λ。−１／λＬ）＝±ｎ
＋”八 ただし、Ｗは、ゲートの下のアペンデージ（付属物）の
長さ、 λ。は、ゲートの下獄外のチャネルとアペンデージ（付
属物）のフェルミ波長。

λ□は、ゲート１２の下の波長、 ｎは、整数である。

したがって、ｗ＝ｔ、ｏｏｏオングストローム、λ。

＝２８０オングストロームとすると１弱め合う干渉の場
合、λ１は２６２オングストロームまたは３０５オング
ストロームとなる１弱め合う干渉は８から９への最小電
流に対応し２強め合う干渉は最大電流に対応する。

（実施例） 第１図を参照すると１本発明の構造で領域２はドープさ
れていないＧ　ａ　Ａ　ｓである。領域１は、１ｃ！１
当り１０１７個のＳｉ原子でドープされたＧａＡｓであ
る０層５と６は、Ｇ　ａ、、、、　Ａ　ｆｌ。、、。

Ａｓであり、層６は１ｄ当り１０１？個の５ｉＪＪｉ子
でドープされている０層５はドープされていない。

層５の通常の厚さは３００オングストローム、層６は１
００オングストロームである。計算を簡単にするためＬ
が２Ｗに等しいと仮定すると、長さしは２．０００オン
グストローム、幅Ｗは１，０００オングストロームであ
る。

電子のエネルギーのフェルミ準位は、方程式３％式％ （方程式３） ただし、にとλはフェルミ表面での波ペクトＦ ルと波長、 ｍは有効電子質量、 蚤はブランク定数を２πで割った商である。

−例として、導体７の下の量子ウェルないしポテンシャ
ル・ウェル中のキャリア濃度Ｎｓが８×１０”ｅｌｍ−
”、Ｌが２０００人であると仮定すると、方程式４を使
ってγ。波長が決定できる。

弱め合う干渉を発生させるには、ゲート１２での下の波
長γ１を方程式１を使って次式に変換する。

（方程式５） ただし、＋は強め合うピークに隣接する２つの強め合う
干渉の条件に対応する。これらの条件下では、十符号お
よび一符号の場合に、それぞれγ、＝２６２人および３
０５人である。

ゲート１２の下でのＮｓの新しい値を方程式４から計算
することができる。その値は、それぞれ９　、　Ｉ　Ｘ
　Ｉ　Ｏ”ａｓ−”および６．７　Ｘ　１０１１ａｎ−
”となる。すなわち、Ｎｓを１．Ｉ　Ｘ　１０”ａｍ″
″２増加させるか、または１　、３　Ｘ　１０１１ａｍ
−”減少させると、デバイスを強め合う干渉から弱め合
う干渉に変えることができる。

Ｇ　ａ　１．−、Ａ　（１ｘＡ　ｓ要素５の厚さを４０
０人と仮定すると、電圧Ｖｇが＋〇、０６４Ｖおよび−
０，０７５Ｖだけ変化すると、干渉条件が変化してそれ
ぞれ強め合う干渉または弱め合う干渉を発生させること
になる。

デバイスの利得は、干渉がどれだけ完全に達成されるか
の度合に依存する。干渉が完全な場合。

トランスミッションＴは、強め合う干渉では１、弱め合
う干渉では０になる。散乱があると１両者とも０．５に
近づく。

例として、Ｔを強め合う干渉で０．９１弱め合う干渉で
０．１であると仮定すると、いずれも不完全な干渉であ
るが、ＩＢＭジャーナル・オブ・リサーチ・アンド・デ
ベロップメント（ＩＢＭＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｅ５
ｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｅｍｅｎｔ）　、
　１９５７年６月、Ｐ、２２３に記載されているランダ
ウアの公式を使って、デバイスのＲを、方程式６で記述
されるように決定することができる。また、複数のチャ
ネルを考慮に入れてそれに少し修正を加えることもでき
る。

（方程式６） 強め合う干渉および弱め合う干渉の場合、Ｒはそれぞれ
１，４Ｘ１０ｊオームおよび１゜Ｉ　Ｘ　１０’オーム
となる。第１図の導体７の端部８と９の間にドレン電圧
Ｖ。を印加した場合、電流Ｉ、はＶ、／Ｒとなる。

ＶＤ＝０．ＩＶ、Ｒ＝１．４ｘ１０’およびＲ＝１、Ｉ
　Ｘ　１０’（７）場合、ゲート電圧Ｖｇが約０．０７
ｖ変化するときの電流は、７　Ｘ　１０−’アンペアお
よび９　Ｘ　１０”アンペアとなる。これは、約１ミリ
シーメンスの相互コンダクタンスを表わす。

Ｌ、Ｗ、Ｇａ１−ｘＡＱＸＡｓの厚さ、Ｔ、またはＶ。

を変えると、利得が増加または減少する。

ただし、方程式６は１次元状況に関して作成されている
ので、ここに例示した値は近似値にすぎないが、原理を
明らかにするにはこの分析で充分であることに留意する
こと。

温度が下がるほど、長い非弾性平均自由行程を得るのが
容易になる。

位相のずれが２πラジアンの場合、方程式ｌのｎを１に
代えると、コンダクタンスは最大値と最小値をとり、か
かる条件が倍周器の基礎となる。

導体の下のヘテロ接合の所のポテンシャル内にキャリア
を設け、次に局在的電界によって改変された反射波でキ
ャリアの波動挙動を変更するという上記の原理に照らし
てみれば、当業者には自明のように、この構造に多数の
代替や変更を加えることができる１例を挙げると、論理
用に個別経路中で多数のゲートを使用できることや、周
波数近倍用にこのデバイスを使用できることは自明のは
ずである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の電子同調量子ウェル装置の略図、
第２図は、量子ウェルを説明する構造に関するエネルギ
図、第３図は、量子ウェル型構造における移動電子波の
略図、第４図は、移動波に対する反射波の影響を示す略
図である。 １・・・・バッファ層、２・・・・エピタキシャル層。 ３・・・・ヘテロ接合、７・・・・導体経路、８・・・
・入力接点、９・・・・出力接点、１０・・・・アペン
デージ（付属物）、１１・・・・終端、１２・・・・ゲ
ート。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）エピタキシャル結合した第１のバンド・ギャップ
   半導体領域を有し、かつ、第１のバンド・キャップより
   小さい第２のバンド・ギャップを有する第２の半導体と
   ヘテロ接合する半導体結晶と、前記ヘテロ接合と実質的
   に同一平面上にあり、その長さに沿った位置にアペンデ
   ージを有する導体路と、 前記アペンデージ部の下の前記ヘテロ結合上に、局部的
   に電界を印加する手段 の組合せからなることを特徴とする量子ウェル装置。
2. （２）導体下の電位ウェルに電子波を導通させ、さらに
   、前記導体の長さに沿った位置の、アペンデージ下の電
   位ウェルに、フェルミ・レベルの電気的変化を与えるこ
   とを特徴とする量子ウェル装置。
3. （３）同一平面上にヘテロ接合を有する半導体上に導体
   路を設け、前記導体路の長さに沿った位置のアペンデー
   ジ部の下の前記ヘテロ接合を横切って、局部的に電界を
   与えることを特徴とする量子ウェル装置。