(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランダムに配設された複数の量子箱と、二次元電子ガス或は二次元正孔ガスが閉じ込められた二次元キャリアガス部とからなり、
上記量子箱と上記二次元キャリアガス部とが、上記量子箱内にて生成された電子、正孔、電子−正孔対のうち少なくとも一種が上記二次元キャリアガス部内の二次元電子ガス或は二次元正孔ガスにランダムポテンシャルとして影響を与え得る程度に近接配置され、
上記量子箱内に電子−正孔対が生成され得る波長の光を持続的に照射することで、二次元キャリアガス部内の二次元電子ガス或は二次元正孔ガスの受けるポテンシャルの乱雑さが増大する機能を有し、
上記複数の量子箱を挟んで二次元キャリアガス部の対向側に、上記電子−正孔対が生成され得る波長の光が持続的に照射されることにより上記量子箱中に生成された電子−正孔対の、上記量子箱外への空間的な分離を行い、又は上記量子箱中で上記電子−正孔対を再結合するように制御する制御する制御手段を有することを特徴とする量子機能素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、量子効果を利用した半導体デバイスとしての受光素子である量子機能素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体を用いた受光素子としては、例えばこの受光素子に光を照射することによりキャリアが生成、即ち受光素子内の電子が価電子帯から伝導帯に励起されて電流が増大するという原理に基づいた受光素子が案出されている。
【０００３】
このような受光素子は、ＰｂＳ，ＣｄＳ等よりなり、比較的低電圧に作動し、小型・軽量であるという特徴を有し、主に高い精度を必要としない民生・工業用の機器に利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のような受光素子においては、上述のように、光を照射することで単に受光素子の電気抵抗値を減少、即ち電気伝導度を増大して電流の増加分を信号として取り出すというスイッチとしての機能を有するのみであり、受光したという情報を記憶しておくことはできない。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光を照射することにより電気伝導度が減少するというスイッチとしての機能と、一度光を照射すれば電子−正孔対が分離されている間は光を照射し続けなくとも二次元キャリアガス（二次元電子ガス或は二次元正孔ガス）の電気伝導度が減少し、この分離を中止すると二次元キャリアガスの電気伝導度が元の値に復帰するというメモリとしての機能との２つの機能を有する量子機能素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、量子箱を利用した量子機能素子を対象とし、具体的には、ランダムに配設された複数の量子箱と、二次元電子ガス或は二次元正孔ガス（以下、単に二次元キャリアガスと称する。）が閉じ込められた二次元キャリアガス部とからなり、量子箱と二次元キャリアガス部とが、量子箱内にて生成された電子、正孔、電子−正孔対のうち少なくとも一種が二次元キャリアガス部内の二次元電子ガス或は二次元正孔ガスにランダムポテンシャルとして影響を与え得る程度に近接配置され、量子箱内に電子−正孔対が生成され得る波長の光を持続的に照射することで、二次元キャリアガス部内の二次元電子ガス或は二次元正孔ガスの受けるポテンシャルの乱雑さが増大する機能を有し、複数の量子箱を挟んで二次元キャリアガス部の対向側に、電子−正孔対が生成され得る波長の光が持続的に照射されることにより量子箱中に生成された電子−正孔対の、上記量子箱外への空間的な分離を行い、又は上記量子箱中で上記電子−正孔対を再結合するように制御する制御する制御手段を有している。
【０００７】
ここで、上記量子箱とは、電子や正孔の如きキャリアを空間的に閉じ込めるための微小な領域である。
【００１１】
このとき、二次元キャリアガス部を電子がトンネル可能な程度に近接して規則的に配設された複数の量子箱により構成してもよい。すなわち、この場合では、ランダムに配列された複数の量子箱の領域と規則的に配設された複数の量子箱の領域との２層の並設された量子箱アレイにより構成されることになる。
但しこの場合、ランダム量子箱アレイ内に電子−正孔対を生成させる波長の光が、規則的量子箱アレイ内に電子−正孔対させぬようにするために、規則的量子箱アレイの伝導帯の電子のエネルギー準位と価電子帯の正孔のエネルギー準位との差が、ランダム量子箱アレイについての同様の差より大であることが必要である。
【００１２】
【作用】
本発明に係る量子機能素子においては、量子箱と二次元キャリアガス部とが、量子箱内で生成された電子，正孔，電子−正孔対のうち少なくとも一種が二次元キャリアガス部内の二次元キャリアガスにランダムポテンシャルとして影響を与え得る程度に近接配置されている。この構成において、光を持続的に照射して上記量子箱内の電子−正孔対が生成・消滅を繰り返すことにより、二次元電子ガス或は二次元正孔ガスに及ぼされるポテンシャルの乱雑さが増大し、いわゆるアンダーソン局在の効果により二次元キャリアガスの電気伝導度が減少する。そして、光の照射を中止すると、上記量子箱内の電子−正孔対の生成・消滅の繰り返しが生じなくなり、二次元キャリアガスの電気伝導度が元の値に復帰する。したがって、上記構成においては、光の照射中は電気伝導度が減少するという、光スイッチとしての機能を有する。
【００１３】
また、上記の構成において、量子箱中に生成された電子−正孔対が前記量子箱外に空間的に分離しさらに再結合を繰り返すようにする。これは、例えば量子箱中に生成された電子−正孔対の量子箱外への空間的分離・再結合を制御する制御手段を設ければよい。すなわち、前記制御手段により量子機能素子に印加する電位を下げた状態で量子箱に光を照射することにより、生成された電子−正孔対のうち正孔が上記量子箱外に移動し、量子箱内には電子のみが残存することになる。この残存した電子は、光の照射を中止した後も、上記電位が下げられた状態であれば正孔と再結合せずに量子箱中に存在し続け、アンダーソン局在の効果により二次元キャリアガスの電気伝導度が減少する。この後、制御手段により量子機能素子に印加する電位を元の値に上げることにより、電子−正孔対は量子箱中で再結合して消滅し、二次元キャリアガスの電気伝導度が元の値に復帰する。したがって、上記構成においては、例えば更に上記制御手段を設けることにより、照射光を一度入力させることにより電気伝導度を持続的に減少させておくというメモリとしての機能も有する。
【００１４】
また、二次元キャリアガス部が電子がトンネル可能な程度に近接して規則的に配設された複数の量子箱よりなる場合は、二次元キャリアガスの受けるポテンシャルの乱雑さのばらつきが、二次元キャリアガスのエネルギーバンド幅に対して小さ過ぎない状況が実現され、上記アンダーソン局在の効果がさらに高められることになる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明に係る量子機能素子の実施例を図面を参照しながら説明する。この量子機能素子は、現在、新しい半導体デバイスとして注目されているものの１つであり、いわゆる量子箱を利用したデバイスである。この量子箱とは、電子の量子力学的な波長程度のサイズに電子を閉じ込め、或はそのサイズにおけるトンネル現象を利用するための領域を構成するものであり、集合的にこの量子箱を基板上に配置することにより、新規な物性を利用した制御系や新規なデバイスを構築し得る。
【００１６】
上記量子機能素子は、化合物半導体からなり、図１に示すように、素子部１とこの素子部１上に配設された制御手段２とから構成されている。
上記素子部１は、基板１１〜１３が順次積層され、基板１３上に化合物半導体のｔｙｐｅＩＩヘテロ接合により形成されている各量子箱１４が設けられ、これら量子箱１４を被覆するように障壁層１５が設けられて構成されている。この障壁層１５と基板１３とによって各量子箱１４中に閉じ込め準位が形成される。
【００１７】
基板１１と基板１２はヘテロ接合が形成され，これらの界面は二次元キャリアガスである二次元電子ガスが発生するように二次元キャリアガス部１６とされている。ここで、基板１１はｎ型に変調ドーピングされており、このキャリアが基板２と基板３との界面に蓄積して上記二次元電子ガスとなる。
【００１８】
量子箱１４はそれぞれ大きさを揃えて形成され基板１３上に各々ランダムに配列されている。これら量子箱１４と二次元キャリアガス部１６は、量子箱１４内にて生成された電子，正孔，電子−正孔対のうち少なくとも一種が二次元キャリアガス部１６内の二次元電子ガスにランダムポテンシャルとして影響を与え得る程度に近接配置されている。
【００１９】
制御手段２は、素子部１に印加される電圧を変調させるための装置であり、上記素子部１の上部、即ち障壁部１５上にてｐ型にオーミック接合されている。この制御手段２を介して素子部１の上部が電源１７により所定の負電位とされ、素子部１の下部は接地されている。
【００２０】
ここで、上記量子機能素子の作動原理について、エネルギーバンド図である図２を用いて説明する。
この特性図は、上記図１におけるＺ軸に沿ったバンド図である。曲線Ａが価電子帯の上端、曲線Ｂが伝導帯の下端であり、これら曲線Ａと曲線Ｂとの間の領域がエネルギーギャップを表す。
【００２１】
量子箱１４，障壁１５，基板１３、１２、１１をそれぞれｉ＝０，１，２，３，４に対応させ、伝導帯の最下端のエネルギーをＥｃｉ、価電子帯の最上端のエネルギーをＥｖｉとすると、Ｅｃ０＜Ｅｃ１，Ｅｃ０＜Ｅｃ２，Ｅｃ３＜Ｅｃ２，Ｅｃ３＜Ｅｃ４，Ｅｖ０＜Ｅｖ１，Ｅｖ２＜Ｅｖ０を満たしている。また、ｉ＝０，１，２，３，４におけるエネルギーギャップＥｃｉ−ＥｖｉをＥｇｉ、二次元電子ガスを２ＤＥＧ、制御手段２をＧで示す。
【００２２】
このとき、量子箱１４には閉じ込められた電子状態に対応する量子準位εが存在する。この量子準位はフェルミエネルギーＥＦ  よりも高いエネルギーに位置しており、通常は電子に占有されていない。このεを用いてε−Ｅｖ０＝Ｅとすると、Ｅ＜Ｅｇｉ（ｉ＝１，２，３，４）である。したがって、以下に示す式
Ｅ≦ｈｃ／λ＜ｍｉｎ｛Ｅｇｉ（ｉ＝１，２，３，４）｝
を満たす波長λの光を上記量子機能素子に照射することにより、量子箱１４内のみに電子−正孔対を生成することができる。
【００２３】
なお、上記基板１３は、量子箱１４内の電子や正孔の存在が二次元電子ガスにとってランダムポテンシャルとして作用する程度の厚みにする必要があるが、生成された電子がトンネル効果によって二次元電子ガス（即ち、図２中の２ＤＥＧ）に落ち込むことを避けるためにＥｃ２が大きい物質であることが望ましい。以上のことを格子整合する化合物半導体で実現するためには、量子箱１４の材料としてＩｎＡＳ，障壁層１５としてＡｌＧａＳｂ，基板１１としてＡｌＳｂ，基板１２としてＡｌＧａＳｂ，基板１４としてＡｌＳｂを用いればよい。
【００２４】
上記実施例に係る量子機能素子においては、上述のように、量子箱１４と二次元キャリアガス部１６とが、量子箱１４内で生成された電子，正孔，電子−正孔対のうち少なくとも一種が二次元キャリアガス部１６内の二次元電子ガスにランダムポテンシャルとして影響を与え得る程度に近接配置されている。この構成において、光を持続的に照射して上記量子箱１４内の電子−正孔対が生成・消滅を繰り返すことにより、二次元電子ガスに及ぼされるポテンシャルの乱雑さが増大し、いわゆるアンダーソン局在の効果により二次元電子ガスの電気伝導度が減少する。そして、光の照射を中止すると、上記量子箱１４内の電子−正孔対の生成・消滅の繰り返しが生じなくなり、二次元電子ガスの電気伝導度が元の値に復帰する。したがって、上記構成においては、光の照射中は電気伝導度が減少するという、光スイッチとしての機能を有する。
【００２５】
ここで、アンダーソン局在とは、ポテンシャル中で運動する量子力学的粒子の波動関数が、ポテンシャルの乱雑さが増大するにつれて空間的に広がった状態から局在した状態に転移（アンダーソン転移）する減少のことであり、低次元（一次元乃至は二次元）でこの効果が大きい。
【００２６】
また、上記の構成において、量子箱１４中に生成された電子−正孔対が前記量子箱１４外に空間的に分離しさらに再結合を繰り返すようにする。これは、例えば量子箱１４中に生成された電子−正孔対のうち一方を量子箱１４外へ空間的に分離し、再結合をしないように制御する制御手段２を設ければよい。すなわち、制御手段２により量子機能素子に印加する電位を所定値に下げた状態で量子箱１４に光を照射することにより、生成された電子−正孔対のうち正孔が上記量子箱１４外に移動し、量子箱１４内には電子のみが残存することになる。この残存した電子は、光の照射を中止した後も、上記電位が下げられた状態であれば正孔と再結合せずに量子箱１４中に存在し続け、アンダーソン局在の効果により二次元電子ガスの電気伝導度が減少する。この後、制御手段２により量子機能素子に印加する電位を元の値に上げることにより、電子−正孔対は量子箱１４中で再結合して消滅し、二次元電子ガスの電気伝導度が元の値に復帰する。したがって、上記構成においては、例えば更に上記制御手段２を設けることにより、照射光を一度入力させることにより電気伝導度を持続的に減少させておくというメモリとしての機能も有する。
【００２７】
次いで、本実施例に係る量子機能素子の変形例について説明する。この変形例に係る量子機能素子は、上記実施例のそれとほぼ同様の構成を有するが、二次元キャリアガス部の構成が異なる点で相違する。なお、上記実施例と対応する部材等については同符号を記す。
【００２８】
この量子機能素子においては、図３に示すように、二次元キャリアガス部１６を、大きさを揃えた複数の量子箱２１により構成する、これらの量子箱２１は、複数の上記量子箱１４と異なり、ランダムではなく規則的に各々が近接された状態、すなわち各量子箱２１間の距離が数ｎｍ程となるようにして、基板１１と基板１２との間に配列されている。すなわち、この変形例においては、複数の量子箱１４によるランダムな量子箱アレイと、複数の量子箱２１による規則的な量子箱アレイという量子箱の２層構造を有する。ここで、複数の量子箱２１による規則的な量子箱アレイと二次元キャリアガス部との距離は数十ｎｍ程とされている。
【００２９】
したがって、上記実施例と同様に、光の照射中は電気伝導度が減少するという光スイッチとしての機能と、照射光を一度入力させることにより電気伝導度を持続的に減少させておくというメモリとしての機能との２つの機能を有することに加え、二次元キャリアガス部２が電子がトンネル可能な程度に近接して規則的に配設された複数の量子箱２１よりなるので、二次元電子ガスの受けるポテンシャルの乱雑さのばらつきが、二次元電子ガスのエネルギーバンド幅に対して小さ過ぎない状況が実現され、上記アンダーソン局在の効果がさらに高められることになる。
【００３０】
但しこの場合、ランダム量子箱アレイ内に電子−正孔対を生成させる波長の光が、規則的量子箱アレイ内に電子−正孔対させぬようにするために、規則的量子箱アレイの伝導帯の電子のエネルギー準位と価電子帯の正孔のエネルギー準位との差が、ランダム量子箱アレイについての同様の差より大であることが必要である。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係る量子機能素子によれば、ランダムに配列された複数の量子箱と、二次元電子ガス或は二次元正孔ガスが閉じ込められた二次元キャリアガス部とからなり、前記量子箱と前記二次元キャリアガス部とを、量子箱中の電子，正孔，電子−正孔対のうち少なくとも一種が二次元キャリアガス部内の二次元キャリアガスにランダムポテンシャルとして影響を与え得る程度に近接配置して構成し、量子箱中に電子−正孔対が生成され得る波長の光を照射することで、上記二次元キャリアガス部内の二次元電子ガス或は二次元正孔ガスの受けるポテンシャルの乱雑さが増大するので、光を照射することにより電気伝導度が減少するというスイッチとしての機能と、一度光を照射すれば電子−正孔対が分離されている間は光を照射し続けなくとも二次元キャリアガス（二次元電子ガス或は二次元正孔ガス）の電気伝導度が減少し、この分離を中止すると二次元キャリアガスの電気伝導度が元の値に復帰するというメモリとしての機能との２つの機能の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る量子機能素子を模式的に示す断面図である。
【図２】本実施例に係る量子機能素子のエネルギーバンドの様子を示す特性図である。
【図３】本実施例に係る量子機能素子の変形例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１  素子部
２  制御手段
１１〜１３  基板
１４，２１  量子箱
１５  障壁層
１６  二次元キャリアガス部
【図１】
0003612730.tif 000002
【図２】
0003612730.tif 000003
【図３】
0003612730.tif 000004