(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子または正孔のトンネル現象を利用し、トンネル障壁によって隔てられた異なる領域で電子または正孔のとりうるエネルギーが一致するか、一致しないかによって電流のオン・オフを制御する固体デバイスにおいて、上記トンネル障壁を挟む位置に２つのエッチング構造を施すことにより、２つの上記エッチング構造の間のフォノンの状態密度を減少させるための共振器構造を設け、固体の音響フォノン、光学フォノンの少なくともいずれか一つの自然放出、誘導放出、吸収の少なくとも一つ以上の現象によって、電子または正孔がエネルギー変化を伴って上記トンネル障壁を通過することを防ぐことを特徴とする固体デバイス。
【請求項２】
半導体基板上に共鳴トンネル構造が形成され、電子または正孔のトンネル現象を利用し、トンネル障壁によって隔てられた異なる領域で電子または正孔のとりうるエネルギーが一致するか、一致しないかによって電流のオン・オフを制御する固体デバイスにおいて、上記半導体基板の上記共鳴トンネル構造が形成された側とは反対側の面の上記共鳴トンネル構造と対向する位置にエッチング構造を付加することにより、上記共鳴トンネル構造の上記半導体基板とは反対側の端部と上記エッチング構造との間のフォノンの状態密度を減少させるための共振器構造を設け、固体の音響フォノン、光学フォノンの少なくともいずれか一つの自然放出、誘導放出、吸収の少なくとも一つ以上の現象によって、電子または正孔がエネルギー変化を伴って上記トンネル障壁を通過することを防ぐことを特徴とする固体デバイス。
【請求項３】
上記固体デバイスが共鳴トンネル素子、ジョセフソン効果素子または単一電子トンネル素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体デバイス。
【請求項４】
零次元量子準位を利用した量子ドットを有する固体デバイスにおいて、上記量子ドットを挟む位置に２つのエッチング構造を施すことにより、２つの上記エッチング構造の間のフォノンの状態密度を減少させるための共振器構造を設け、電子または正孔が、音響フォノン、光学フォノンの少なくともいずれか一つの自然放出、誘導放出、吸収の少なくとも一つ以上の現象を伴って上記量子ドット内の異なる量子準位に遷移することを防ぐことを特徴とする固体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は共鳴トンネル素子、単一電子トランジスタなど、電子または正孔のエネルギーの一致・不一致によってオン・オフ動作をする固体デバイス、または零次元量子閉じ込め効果を利用した量子ドットを有する固体デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
共鳴トンネル素子、ジョセフソン効果素子、単一電子トンネル素子などの従来の固体デバイスにおいては、オン・オフ動作はトンネル障壁で隔てられた領域によって電子または正孔のとりうるエネルギーが異なることを動作原理としている。
【０００３】
従来の単一電子トンネル素子は通常図３にような構造で作製されている。図３（Ａ）は平面図で、（Ｂ）はＢ−Ｂ´断面図である。図に示すように、半導体基板２の上にバンドギャップの大きい半導体層３と不純物を添加した半導体層４からなる半導体積層構造１が形成され、半導体基板２と半導体層３の界面に二次元電子ガス層５が形成される。表面のゲート電極（図示せず）またはエッチングなどのプロセスにより作製されたデバイス構造領域１０により、周辺の二次元電子ガス層を枯渇させることにより空乏化領域９を形成し、ソース側二次元電子ガス領域６、ドレイン側二次元電子ガス領域７、ドット状二次元電子ガス領域８を形成する。電子は、ソース側二次元電予ガス領域６からドット状二次元電子ガス領域８（１００ｎｍ程度）へのトンネル障壁通過と、ドット状二次元電子ガス領域８からドレイン側二次元電子ガス領域７へのトンネル障壁通過を交互にくりかえすことにより、電流が流れる。この場合、ドット状二次元電子ガス領域８への電子の出入りに静電的なエネルギーを要するため、ドット状二次元電子ガス領域８の電位をゲート電極などにより調節(数ｍＶ)することによって、トンネル現象をオン・オフする動作が可能になる。
【０００４】
また、従来の共鳴トンネル素子としては図４にような構造が作製されている。図４（Ａ）は平面図で、（Ｂ）はＢ−Ｂ´断面図である。図に示すように、ドレイン電極２３が付加されたドレイン側半導体である半導体基板２２の上にバンドギャップの大きな障壁層２４と障壁層２６、バンドギャップの小さな量子井戸層２５、ソース側半導体層２７を積層し、ソース電極２８を付加することにより、共鳴トンネル構造２１を形成することができる。電子は、ソース側半導体層２７から量子井戸層２５へのトンネル障壁通過と、量子井戸層２５からドレイン側半導体２２へのトンネル障壁通過によって電流が流れる。この場合、量子井戸層２５では、電子波の干渉効果によって、電子は離散的なエネルギーしか許されず、ソース−ドレイン間の電圧や、ゲート電極（図示せず）によって、量子井戸層２５の電位を変化させることによって、トンネル現象のオン・オフ動作が可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の固体デバイスにおいては、半導体や金属などの固体素子によってデバイスを作製した場合、固体特有の格子振動（音響フォノンと光学フォノン）の自然放出、誘導放出、吸収によって、エネルギー変化を伴ってトンネル障壁を通過することにより、オン・オフ比が低下するなどの間題点があった。また、零次元量子準位を利用した量子ドット素子においては、電子または正孔が、音響フォノン又は光学フォソンの自然放出、誘導放出、吸収を伴って量子ドット内の異なる量子準位に遷移することによって、共鳴時のトンネル電流の低下、オン・オフ比の低下、電子波の可干渉性の低下などの間題点があった。
【０００６】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、オン・オフ比の低下、共鳴時のトンネル電流の低下、電子波の可干渉性の低下等を軽減させる固体デバイスを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、電子または正孔のトンネル現象を利用し、トンネル障壁によって隔てられた異なる領域で電子または正孔のとりうるエネルギーが一致するか、一致しないかによって電流のオン・オフを制御する固体デバイスにおいて、上記トンネル障壁を挟む位置に２つのエッチング構造を施すことにより、２つの上記エッチング構造の間のフォノンの状態密度を減少させるための共振器構造を設け、固体の音響フォノン、光学フォノンの少なくともいずれか一つの自然放出、誘導放出、吸収の少なくとも一つ以上の現象によって、電子または正孔がエネルギー変化を伴って上記トンネル障壁を通過することを防ぐ。
また、半導体基板上に共鳴トンネル構造が形成され、電子または正孔のトンネル現象を利用し、トンネル障壁によって隔てられた異なる領域で電子または正孔のとりうるエネルギーが一致するか、一致しないかによって電流のオン・オフを制御する固体デバイスにおいて、上記半導体基板の上記共鳴トンネル構造が形成された側とは反対側の面の上記共鳴トンネル構造と対向する位置にエッチング構造を付加することにより、上記共鳴トンネル構造の上記半導体基板とは反対側の端部と上記エッチング構造との間のフォノンの状態密度を減少させるための共振器構造を設け、固体の音響フォノン、光学フォノンの少なくともいずれか一つの自然放出、誘導放出、吸収の少なくとも一つ以上の現象によって、電子または正孔がエネルギー変化を伴って上記トンネル障壁を通過することを防ぐ。
【０００８】
また、上記固体デバイスとして、共鳴トンネル素子、ジョセフソン効果素子または単一電子トンネル素子を用いる。
【０００９】
また、零次元量子準位を利用した量子ドットを有する固体デバイスにおいて、上記量子ドットを挟む位置に２つのエッチング構造を施すことにより、２つの上記エッチング構造の間のフォノンの状態密度を減少させるための共振器構造を設け、電子または正孔が、音響フォノン、光学フォノンの少なくともいずれか一つの自然放出、誘導放出、吸収の少なくとも一つ以上の現象を伴って上記量子ドット内の異なる量子準位に遷移することを防ぐ。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る固体デバイスの第１の実施の形態を示す構成図である。図１（Ａ）は平面図で、（Ｂ）はＢ−Ｂ´断面図である。図に示すように、フォノンの状態密度を減少させるための共振器構造１２を設け、固体の音響フォノン、光学フォノンの少なくともいずれか一つの自然放出、誘導放出、吸収の少なくとも一つ以上の現象によって、電子または正孔がエネルギー変化を伴ってトンネル障壁である空乏化領域９を通過することを防いでいる。すなわち、図３の従来の単一電子トンネル素子の空乏化領域９を囲むように２つのエッチング構造１１を施すことにより共振器構造１２を付加したものである（その他の構成および符号は図３と同一である）。すなわち、空乏化領域９を挟む位置に２つのエッチング構造１１を施すことにより、２つのエッチング構造１１の間のフォノンの状態密度を減少させるための共振器構造１２が設けられている。このように、実効的に固体デバイスの大きさが制限されたことにより、共振器構造１２中には、共振器構造１２の長さ（２つのエッチング構造１１間の間隔、１μｍ程度）の２倍の整数分の１の波長を有するフォノンしか存在しないことになり、実質的にフォノンの状態密度を減少させることができる。
【００１１】
また、図２は本発明に係る固体デバイスの第２の実施の形態を示す構成図である。図２（Ａ）は平面図で、（Ｂ）はＢ−Ｂ´断面図である。図に示すように、図４の従来の共鳴トンネル素子に、エッチング構造２９を付加することにより、半導体基板２２、障壁層２４、量子井戸層２５、障壁層２６、ソース側半導体層２７及びソース電極２８で構成される共鳴トンネル構造２１の、ソース電極２８からエッチング構造２９の間を共振器構造３０とするものである。すなわち、半導体基板２２の共鳴トンネル構造２１が形成された側とは反対側の面の共鳴トンネル構造２１と対向する位置にエッチング構造２９を付加することにより、共鳴トンネル構造２１の半導体基板２２とは反対側の端部（ソース電極２８表面）とエッチング構造２９との間のフォノンの状態密度を減少させるための共振器構造３０が設けられている。このように、実効的に固体デバイスの大きさが制限されたことにより、共振器構造３０中には、共振器構造３０の長さ（ソース電極２８表面からエッチング構造２９までの距離）の２倍の整数分の１の波長を有するフォノンしか存在しないことになり、実質的にフォノンの状態密度を減少させることができる。
【００１２】
上述のように、共振器構造１２、３０を用いることにより、トンネル効果に寄与するフォノンの状態密度を減少させることができる。これによって、オフ状態でのトンネル電流を減少させ、オン状態でのトンネル電流を増加させることが可能で、オン・オフ比を増大させることができる。また、フォノンによる自然放出、誘導放出、吸収を軽減することにより、共鳴時のトンネル電流の低下を防ぎ、電子波の可干渉性を向上させ、可干渉時間を増大させる効果がある。
【００１３】
また、図４に示す共鳴トンネル構造２１の大きさを微小化して、単一電子トンネル素子として使用した場合においても、図２で示した第２の実施の形態を適応することにより同一の効果をえることができる。
【００１４】
また、図１、図２では、トンネル障壁が２個ある場合を示したが、トンネル障壁が３個、あるいはそれ以上にすることにより、電流のオン・オフ比が増大し、電子波の可干渉性も増大する。このような場合でも、図１、図２で示したような共振器構造１２、３０を付加することにより、さらに、電流のオン・オフ比が増大し、電子波の可干渉性が増大する。
【００１５】
また、ジョセフソン効果素子を用いてもよく、この場合トンネル障壁は１個でもよい。
【００１６】
また、図１、図２に示されたものと同様の構造において、ドット状二次元電子ガス領域８や、量子井戸層２５を微小化して、３次元的に電子を閉じ込めることにより、零次元量子準位を形成することができる。この場合、複数の零次元量子準位間の遷移が電子の可干渉性の低下を招くという問題がある。この場合においても、図１、図２で示した共振器構造１２、３０は有効に作用し、電子の可干渉性の低下を防ぐことができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る固体デバイスにおいては、フォノンの状態密度を減少させるための共振器構造を設けることにより、また、固体デバイスに共鳴トンネル素子、ジョセフソン効果素子または単一電子トンネル素子を用いることにより、オフ状態でのトンネル電流を減少させ、オン状態でのトンネル電流を増加させることが可能で、オン・オフ比を増大させることができ、共鳴時のトンネル電流の低下を防ぎ、電子波の可干渉性を向上させ、可干渉時間を増大させることが可能となる。
【００１８】
また、零次元量子準位を利用した量子ドットを有する固体デバイスに、フォノンの状態密度を減少させるための共振器構造を設けることにより、オン・オフ比を増大させるとともに、共鳴時のトンネル電流の低下を防ぎ、電子波の可干渉性を向上させ、可干渉時間を増大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体デバイスの第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係る固体デバイスの第２の実施の形態を示す構成図である。
【図３】従来の単一電子トンネル素子の構成図である。
【図４】従来の共鳴トンネル素子の構成図である。
【符号の説明】
１    半導体積層構造
２    半導体基板
３    半導体層
４    不純物添加半導体層
５    二次元電子ガス層
６    ソース側二次元電子ガス領域
７    ドレイン側二次元電子ガス領域
８    ドット状二次元電子ガス領域
９    空乏化領域
１０    デバイス構造領域
１１    エッチング構造
１２    共振器構造
２１    共鳴トンネル構造
２２    半導体基板（ドレイン側半導体）
２３    ドレイン電極
２４    障壁層
２５    量子井戸層
２６    障壁層
２７    ソース側半導体層
２８    ソース電極
２９    エッチング構造
３０    共振器構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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