200598 A 6 B6 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明) 〈産業上之利用範圍〉 本發明乃關於利用電子之干擾效果之半導駸裝置，而 適用於各種之量子干擾裝置極為適宜者。 〈發明之概要〉 本發明乃為在利用電子之干擾效果之半導體裝置中； 由於被構造成霄子飛越於真空中，使其可實現在室溫中亦 能動作之AB效果電晶體及其他之量子干擾裝置者。 〈以往之技術〉 隨最近之極細撖構造製作技術之進步，有關利用電子 波之干擾之董子干擾裝置之研究已極為活絡。例如：作為 利用阿哈拉諾夫（Aharonov)-博姆（Bohie)效果之量子 干擾電晶體（以下簡稱「AB效果電晶體J ),亦已有提 出使用A/GaAs/GaAs雙異質結合（double hetero junction)者（例如：Technical Digest of IEDM 86, pp. 76 — 79 所刊載者）。 另方面，近年來，真空撤電子工程之研究亦極為盛行 。作為其中一項成果，即有使用半導體之微真空管。 〈本發明擬解決之問題〉 上述以往之AB效果電晶體或其他之量子干擾裝置， 為保持電子之可干擾性，乃必需冷卻至液醱氦溫度（ 4. 2K)以下之極低溫。為此，簡便之使用極為困難， 太张尺疳诎用屮83«定锶迆格（210x297公·J ~ (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 經濟部屮央標準局員工消費合作社印製 200598 A 6 _ B6__ 五、發明説明C ) 成本方面亦甚為不利。 另方面，以往之撖真空管，乃使陰極所發生之電子向 陽極之到達，由外加於閘極之閘電極，将此電子之路徑予 以改變來加以控制而已，並非利用電子之干擾效果者。 因此，本發明之目的乃在提供：可實現於室溫中並能 動作之AB效果電晶體及其他之量子干擾裝置之半導體裝 置者。 〈解決上述問題之方法〉 為達成上述目的，本發明乃在利用電子之干擬效果之 半導體裝置中；被構造成電子乃飛越真空中之構成。 在此，作為電子源（electron source),最適宜者乃 使用可發生干擾性較高之電子之電場輻射電子源。並且， 作為此種電場輻射電子源，最適宜者亦為使用由非平衡晶 體生長體（non-equilibriun crystal growing)作晶膜生 長（epitaxial growth)者〇 〈作用〉 依據具有上述構成之本發明之半導醑裝置，由於被構 造成電子乃飛越於真空中之構成，故與飛越於固體中之情 形不同，此電子不需依靠溫度即可一面保持可干擾性一面 作彈道性之飛越。因此，此種半導鼸裝置，可以逮較液體 氩溫度為高之溫度來動作，室溫中之動作亦為可能。由此 ，將可實現室溫中亦動作可能之AB效果霉晶饈及其他之 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 200598 經濟部中央標準局员工消費合作社印製 五、發明説明0 ) 量子干擾裝置。 〈實施例〉 下面參照附圖來說明本發明之一實施例。此實施例3 表示將本發明適用於AB效果電晶體之實施例者。此外， 在下面之第1圖、第2圖及第3圔A〜第3圖D中；同一 之部分乃附有同一之符號。 第1圖乃表示本發明之一實施例之AB效果電晶釅者 Ο 如第1圖所示，在此實施例之A B效果電晶醱中，乃 在例如1 0_5 T〇r r左右或較此以下之壓力之真空室V内 ，設有陰極K、陽極A、閘極G及屏極（bl〇cker)B等。 在此，陽極A之電位乃對陰極K被設定成正之電位。並且 ，屏極B亦對陰極K被設定成負之電位。 其次，說明具有上述構成之本實施例之AB效果電晶 體之動作。 在第1圖中，從陰極K之尖狀先端，由電場輻射，將 發生高可干擾性之電子。從此陰極K所發生之電子，乃作 為電子波向陽極A前進，但在其途中因屏極B將被分成通 過屛極一方側部之電子波（例如通過第1圖中屛極B之左 侧之電子波），及通過另一方側部之電子波（例如，通過 第1圖中屏極B右側之電子波）後，在陽極A合流。然後 ,因外加於閘極G之閘電壓，使通過第1圖中屏極B右隹IJ 之電子波相位變化，由此來控制於陽極A合流之電子波互 (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝· 訂_ 200598 A 6 B6 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明件） 相之干擬，以進行電晶«之動作。 此外，外加於閘極G之閘電壓所引起之轚子波之相位 變化Θ,將可以下式來表示。 > e v ^閘極上端 0 =( - ) 1 V d t 乂 」閘極下端 在上式中，e乃為電子電荷之絶對值（單位電荷）， 1乃為浦郎克常數h除以2ττ之值（Dirac之h) , V乃為 閘電壓，t乃為時間。 第2圖乃表示本實施例之AB效果電晶鼸之具《構造 例者。 如第2圖所示，在此構造例中，乃例如在η型Ga A s基板1上形成有例如η 〃型G a A s所成之尖狀陰極 K。符號2乃表示型GaAs層。並且，在此半絶緣 性GaAs靥3上，亦有一對之閘極電極G/、G2，形成 互為對向之狀態。此等閘極電極G:、G2,亦形成可外加 互為不同之閘電鼷之狀態。實際上之使用時，将此等閘極 電極G:、G2之一方，例如閘極電極G2加以接地，使外 加於閘極電極G/之閘電壓發生變化。 在陰極K之上方亦形成有屏極B。在此，此屏極B乃 使其一端或端被半绝緣性G a As層3所支持。符號4乃 表示絶緣膜。此絶緣膜4之中在陰極K上方之部分，亦形 太《•张Κ疳诎用中明W定:搮m(CNS)>P4規格m〇x297公妨·）_ b (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 装· 訂_ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 200598 A 6 _^_B_6 五、發明説明尽） 成有開口 4a。然後，如覆蓋此開口 4a,亦形成有陽極 A 〇 此外，在η型GaAs基板1之背面，亦形成有後觸 黏電極5。 其次，說明此第2圔所示之AB效果電晶腥之製造方 法〇 如第3圖A所示，首先在η型GaAs基板1上，順 次形成型GaAs層2、半絶緣性GaAs層3及閘 極電極形成用之金属膜6。 其次，將閘極電極形成用之金羼膜6,以蝕刻法進行 圔型形成（patterning),如第3圔B所示，形成閘電極 Gi、G2。此後，在擬形成屏極B之部分之半絶緣性 GaAs層3上面形成掩模（mask) 7。 其次，以反應性離子蝕刻法（R IE)，首先由各向 異性（anisotropic)蝕刻法之條件，進行蝕刻至例如半絶 緣性GaAs層3之膜厚方向之中途後，繼續以R I E法 ，由各向同性（isotropic)独刻法之條件，進行独刻至達 到η型GaAs基板1之上面為止。由此，如第3圖C所 示，形成由η 〃型G a A s所成之陰極K ,同時亦形成屏 極B 〇 其次，由上述之蝕刻法，將形成在型GaAs靥 2及半絶緣性GaAs層3之開口内部，以例如絶綠物或 抗蝕劑等之物質填滿，使表面平坦化。接著，如第3圖D 所示，以例如CVD法在全面形成絶緣膜4後，將此絶緣 太疳 ΐΛΐίΙ 中 ΚΙΚ 宅甲4規格（210x297公; (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝- 訂_ 線_ 200598 A 6 B6 1¾令寒巧妒以蝕刻除去，以形成開口 4 a。此後，經 過此開口 4 a,除去上述表面平坦化用之物質。 其次，於真空中，以傾斜蒸鍍法，在絶緣膜4上面形 成金屬膜成為可填滿開口 4 a之狀態。與此同時，亦進行 真空密封，以形成真空室V。接著，將此金羼膜以蝕刻進 行圖型形成，如第2圖所示，以形成陽極A。此後，在η 型GaAs基板1背面，以例如蒸鍍法形成後觸點電極5 Ο 如上述，依據此實施例之AB效果電晶體，真空室V 内乃形成有：陰極K、陽極A、閘極G及屏極B ;從陰極 K所發生之電子，亦不需依靠溫度，將在真空中一面保持 可干擾性一面作彈道性之前進。因此，本實施例之AB效 果電晶體，將遠較以往者在高溫中動作為可能，故在室溫 中亦可動作。 並且，本實施例之AB效果電晶體，亦僅以閘極G來 使電子波變化相位即可，故外加於此閘極G之閘電壓之變 化，亦極撤小即足夠；因此，此AB效果電晶體將可進行 高速之動作。進一步，本實施例之AB效果電晶體，亦可 由閘電壓之適當選擇，將跨導gm設定成正或負之任何一 方。亦即，本實施例之AB效果電晶體，其性能將遠超過 僅將大小加以縮小之真空管。 惟在以往之真空撤電子工程所使用之電子源，乃使用 金屬之蒸鍍或濕蝕刻法等來形成。但以此等方法所形成之 電子源之先端率半徑僅有500A左右，未能逹到充分之 -8 -
經濟部中央標準局員工消費合作社印製 200598 A6 _ 五、發明説明（7 ) 尖形。罨子之電場輻射所必需之電場Ec,若外加於電子 源之霄壓為V,此電子源之曲率半徑為X,則為： ^ V δ V "2 χ δ χ 故δχ趨大，δν亦將趨大。例如，假定Ec〜108ν /cm, δχ〜500Α,則將成： δ ν = E c δ χ =1 Ο β (v/cm) Χ500 (A) =5 Ο Ο v 於是，下面乃說明先端之曲率半徑極小之電場輻射電 子源，利用晶體生長來形成之方法。 第4圈乃表示形成電場輻射電子源之情形。如第4圖 所示，在此例中，例如在（100)面方位之半絶綠性 GaAs基板1 1上，以蝕刻法形成線狀之圖型（Pattern ),再於此半絶緣性GaAs基板11上面，以例如有機 金屬汽相生長（MOCVD)法之非平衡晶體生長法，來 使GaAs進行晶膜生長。在此晶膜生長中，亦可由生長 原料之選擇等，於上述線狀圖型上所生長之GaAs形成 頂點之時點，使生長停止。由此，使上述線狀圓型上形成 三角柱形之線狀電場輻射電子源1 2。在此情況下，此三 角柱狀之電場輻射電子源12之兩斜面之面方位，乃各為 太《.帒尺泞诎闲Φ» W宅；(,¾堆（CNS)甲4規格（210x297公修厂9 _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· -訂_ 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 2〇〇59〇 A6 _B6__ 五、發明説明矽） (1 10)及（1^0),兩斜面所成之角度則為90° 。此外，在M0CVD法所作之GaAs之生長中，於生 長原料中，對Ga之As比率較小時，將形成尖銳之端點 。以更為一般性來講，即在I-V族化合物半導髏之生長 之情況，在生長原料中，對HI族元素之V族元素比率較小 時，將形成尖銳之端點。 因此，依據本例，線狀之電場輻射電子源12之先端 部形狀，將成為晶體面所界定之尖銳形狀，可將其先端之 曲率半徑縮小成較以往者小約一位數左右之程度。為此， 可將為進行電場輻射外加於電場輻射電子源12之電壓， 較以往者縮小成約小一位數左右之程度，因此將可謀求電 力之低消費化。 第5圖乃表示形成點狀之電場輻射電子源之情形。 如第5圖所示，在此例中，例如在省略圖示之（ 100)面方位之半絶緣性GaAs基板上，以蝕刻形成 例如其侧面為（001)面、（010)面等之直方體狀 之突起部21;在此突起部21上面，亦以例如M0CV D法，例如使GaAs進行晶膜生長。由此，在此突起部 21上面，形成具有金字塔狀形狀之點狀電場輻射電子源 2 2。在此情況下，此具有金字塔狀形狀之電場輻射霄子 源2 2之互相對向之一對斜面所成之角，乃為9 0°。 如此，依據本例，即可由晶體生長極容易形成先端之 曲率半徑為搔小之點狀之電場輻射電子源2 2。然後，由 此，將可降低為進行電子之電場輻射外加於此霄場輻射電 太《银尺疳谪用中摁相.格（210x297公势Γ ·*·〇 (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝· 訂- 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 200598 A 6 ___B_6 五、發明説明夕） 子源2 2之電壓。 在以上之兩値例子中，作為非平衡晶髅生長法乃使用 MOCVD法；但亦可使用例如分子線晶膜（MBE)法 Ο 此外，在日本特開平1 — 294336號公報，亦曾 提出•·使用由熱處理被控制於特定方位之種子單晶體，來 進行晶鱧生長，由此來形成具有尖狀先端之霄場輻射電子 源之方法；但由於種子單晶體之生長部位之控制困難等， 尚有極為不利之處。 以上已對本發明之實施例進行具體之說明，惟本發明 將不限定於上述之實施例；將可進行基於本發明之技術性 構想之各種變形。 例如：在上述之實施例中，乃由閘極G來使電子波之 相位變化；惟亦可例如在第1圖中外加對圖面垂直方向之 磁場，由此磁場來使電子波之相位變化。並且，在上述實 施例中，亦將陰極K所發生之電子波由屏極B分成兩個電 子波，將電子之路徑加以雙重連绩化，惟亦可将此電子之 路徑連結化成三重連結以上之多重連結化。 進一步，在上述實施例之AB效果電晶體之構造例中 ,乃使用GaAs ;惟代替GaAs,亦可使用例如S i 者。 並且，作為上述實施例之AB效果電晶體之電子源， 亦可使用冷陰極。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 2〇〇59® A 6 B6 經濟部屮央標準局貝工消費合作社印製 五、發明説明α〇) 〈發明之效果〉 本發明由於具有以上所說明之構成，故具有下列之效 果。 亦即，因被構造成電子飛越真空中，故將可實現即使 在室溫中亦可動作之ΑΒ效果電晶體及其他之量子干擾裝 置。 並且，作為發生電子之電子源，由於使用電場輻射電 子源，故將可提高電子之可干擾性。 進一步，由於電子源乃為由非平衡晶體生長法所形成 之電場輻射電子源，故將可實現先端之曲率半徑極小之電 場輻射電子源；因此，可降低為進行電場輻射外加於電子 源之電壓。 〈附圖之簡單說明〉 第1圖乃為表示本發明之一實施例之ΑΒ效果電晶體 構成之斷面圖，第2圖乃表示本發明之一實施例之ΑΒ效 果電晶體之構造例之斷面圖，第3圖Α〜第3圖D乃為以 工程順序說明第2圖所示AB效果電晶體之製造方法之斷 面圖，第4圖乃為說明線狀之電場輻射電子源之形成方法 之斜視圖，第5圖則為說明點狀之電場輻射電子源之形成 方法之斜視圖。 圔中主要符號之說明： K…陰極， A…陽極， G、Gi、G2…閘極， B…屏極。 太 疳 :燋思格（210x297 公:" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- -線·