JPH0316270A - 量子力学的効果デバイス - 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 本発明は、一般的には超格子構造に関する。より詳しく
は、様々な材料から製造された既知の超格子構造に代る
ことのできる変調ドープ構造体に関する。なおさらに詳
しくは、電流路から変位させてあり、同時に、２次元キ
ャリア・ガスを準１次元キャリア・ガス中に閉じ込め、
このように閉じ込めたガスを、電流路に沿って周期的な
電位変動を誘起することにより、超格子に似た効果を与
える特殊構造体を組み込んだ変調ドーブ・デバイスに関
する。誘起される電位変動は、波形をデバイス端にエッ
チングしたり、波形をバイアス・ゲートに形或したりす
ることにより、生成される。このような構造体の製造は
、基本的には周知のリソグラフ法及びエッチング法を呼
び起こすもので、超格子の製造に用いられる難しいが良
く知られた付着技法を不要とする。

Ｂ．従来の技術 既知の従来技術では、変調ドープ半導体構造が、伝導層
に密接に結合している２次元電子ガスのキャリア濃度を
変調する、指状に嵌合された櫛形ゲートまたはグリッド
を示している。ＩＢＭテクニカル・ディスクロージャ・
ブルテン、第３１雅第８号、１９８９年１月、１）Ｉ）
．１５０〜１５２に記載の「ヘテロ構造進行波トランジ
スタ （Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｔｒａｖｅｌｉｎ
ｇ　Ｗａｖｅ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）　Ｊと題するフ
ァン（Ｆａｎｇ　）等の論文中で、変調ドーブ構造体上
に配設された指状に嵌合されている櫛形ゲートが、伝導
層に密接に結合されている２次元電子ガスのキャリア濃
度を変調する。伝導層は、電場が印加される１対の隔置
された接点を有する。

交流信号をゲートの端子に印加すると、２次元電子ガス
のキャリア密度における周期的変動が得られ、結果的に
縦偏向の定在波となる。キャリア緩和時間が指状に嵌合
されたゲート電極のフィンガーの間の走行時間に比して
長い場合には、キャリアは、空間的にフィンガーと同じ
周期性で、集群する傾向がある。密接に結合されている
伝導層への接点相互の間に電位を印加すると、その中の
キャリアが移動し、進行空間電荷波を形成する。空間電
荷波の速度が、ゲートに印加された交流信号により確定
された波速にほぼ等しく、ドリフト速度（ＭＥ）が波速
（ｆλ）よりも大きい場合には、ゲート・フィールド及
び密接に結合されている層中の電子の間に、結果として
信号の増幅となる強い結合とエネルギー移行が存在する
ことになる。

引用した配置では、包含した素子の規模が大き過ぎるの
で、もたらされる超格子効果はない。また、指状に嵌合
されている櫛形が電流路から変位されてはいないので、
性質的には欅１次である電流の閉込めが実際上存在しな
いことに留意されたい。

また、本出願では、振動的挙動を得るために、交流電位
をゲートに印加する必要はない。

アプライド・フィジックス・レターズ（八ＰＰＩ．Ｐｈ
ｙｓ．　Ｌｅｔｔ）第５４巻第５号、１９８９年１月３
０日、ｐ．４８０に所載の「グリッド・ゲート変調ドー
プ電界効果トランジスタにおける負の相互コンダクタン
ス及び負の差動抵抗（Ｎｅｇａｔｉｖｅｔｒａｎｓｃｏ
ｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｄｉ
ｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｎ　ａ
　ｇｒｉｄ−ｇａｔｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ｄｏｐ
ｅｄｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ
）　Ｊと題するイズマイル（Ｉｓｍａｉｌ）等の別の論
文には、変調ドープ・デバイス環境におけるグリッド・
ゲート側面超格子（ＬＳＳＬ）電界効果ｌ・ランジスタ
が示されている。グリッド・ゲートは、ソースからドレ
インヘ向かう電子に、同調可能な２次元周期電位変調を
もたらす。この配置では、２次元の電位障壁が直接電流
路中にあるＬＳＳＬデバイス中に介在している点で、優
先電流路を設けていない。キャリアが実際に超格子に出
会ったかのようにふるまうものの、この上うなヘテロ接
合の不利がなく、キャリアに量子力学的に影響して所与
の電流路に好ましく閉じ込める横方向の作用が、少し離
れると、存在しない。本手法は、準１次元の電流路を設
けるだけでなく、真のミニギャップの形成を許す自由電
子挙動も消滅させる。

アブライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｂ
ｙｓ．　Ｌｅｔｔ）第５１巻第２２号、１９８７年１１
月３０日、ｐ．１８０７に所載の「提案されたウォッシ
ュボード・トランジスタにおける量子干渉による導電率
発＠　（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　Ｏｓｃｉｌｌａｔ
ｉｏｎｄｕｅ　ｔｏ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｆｎｔｅｒｆｅ
ｒｅｎｃｅ　ｆｎ　ａ　ｐｒｏｐｏｓｅｄｗａｓｈｂｏ
ａｒｄ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）　Ｊと題する、トクラ
（Ｔｏｋｕｒａ　）等の論文には、変調ドーブ・デバイ
スの表面に配設されている格子化ゲートすなわちウォッ
シュボードが示されている。デバイス中に形成されてい
る２次元電子ガスを、弱い周期電位により変調して、そ
の結果、量子干渉効果に起因する電子速度の変調により
、導電率の振動が生じる。この構造体に印加されている
周期電位が構造体の端から端まで延びる程度まで、ウォ
ッシュボードの素子に垂直な方向のどの電流の流れでも
、優先的な電流路はなく、デバイスの幅全体に拡がる。

したがって、キャリアは、ウォッシュボード・デバイス
を通過して進行するとき、誘起された電位障壁に出会う
ことになる。優先的な電流路が存在しないので、非弾性
散乱ならびに位相コヒーレンスの消失が発生する可能性
があり、デバイス特性の劣化をもたらす。本応用例の手
法は、周期的に２次元電子ガスを電流路から遮断する手
段を、電流の流れに優先的な狭い電流路が与えられるよ
うに、変位させることにより、このような劣化を避けて
いる。遮断する手段を電流路から変位させることは、ま
た、離れたキャリアに対して、関連する利点をすべて備
えて、欠点のないヘテロ接合型超格子に出会ったかのよ
うに振舞うように、量子力学的影響を与える。

Ｊａｐ．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙ
ｓ．、１　９　８　８年１２月、第２７巻Ｌ２４２４〜
２４２６ページに所載の「波形ゲート構造を使用する準
１次元チャネルのＧａＡｓ／ＡＪＩＧａＡｓ変調ドープ
ＦＥＴ（Ｑｕａｓｉ−Ｏｎｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
　Ｃｈａｎｎｅｌ　ＧａＡｓ／Ａ　Ｑ　ＧａＡｓＭｏｄ
ｕｌａｔｉｏｎ　Ｄｏｐｅｄ　ＦＥＴ　ＩＪｓｉｎｇ　
ａ　Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ　ＧａｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒ
ｅ）　Ｊと題する、オカダ（Ｏｋａｄａ　）等の論文は
、電子ガスの閉込めが２次元から準１次元へと負にバイ
アスされたゲート電圧で変化させられた波形ゲート構造
で、変調ドープ構造体を示している。厳密に制限された
１次元チャネル方式で強調された電界効果移動度、及び
相互フンダクタンスの振動が見られた。この論文では、
変調ドープ構造体は、ゲート電極を共形的に付着させて
２ソース・ドレイン対用のゲートが形成されている、複
数の半導体ストライプで被われている。ゲート・バイア
スがゼロの時、２次元キャリア・ガス（２ＤＥＧ）が形
成される。負バイアスを印加すると、２ＤＥＧは、スト
ライプのない領域で空にされているので、複数の準１次
元ガス領域になる。バイアスの変化に応じて、横電流は
消失するが、縦準ｌ次元電流は残留する。引用した配置
では、隨伴する波形がソース／ドレイン対の間の電流路
にゼＣｌ／｛イアスで直接置かれている。２次元キャリ
ア・ガス（２ＤＥＧ）が、ンース／ドレイン対の間に電
流路を生じる。

バイアスを印加すると、２次元キャリア・ガスが１つの
ソース／ドレイン対の間に延びるいくつかのチャネルに
分画される。このようにして、電流はその１つのソース
／ドレイン対の間を流れ、他の対の間には流れない。し
たがって、ゲートまたは変調ドープ構造体自体に形成さ
れた複数の突起及び刻みにより閉じ込める場合に、準１
次元チャネルに、電流の流れる本出願の実施例で存在す
るように、ゲートにバイアスが存在するとストライプの
方向と垂直方向に電流の流れが存在しない。

キャリアが、電流路に沿って配設されかつこれから変位
させた２ＤＥＣの遮断手段のために超格子的効果に出会
うという、超格子的構造体を製造するいかなる意図もな
いように見える。

１９８３年１月３日に初めて出願された米国特許第４７
５８８Ｅ３８号明細書は、第１図に、ガリウム・ヒ素の
ｎ＋層上にある抵抗エミッタ接点から成る透磁性ベース
・トランジスタの１実施例を示し、１対の絶縁領域が、
接点から複数フィンガーで作られたゲートを通過してコ
レクタまで流れる電流を閉じ込める。この配置では、電
流の流れは、本出願のデバイスにおけるように、波形の
平面に平行な平面内にはなく、フィンガーの平面に直交
している。本出願では、準１次元ガスが、２ＤＥＧの部
分を、ヘテロ接合からの散乱のような有害な挙動が消滅
するように、遮断する手段により、閉じ込められる。

Ｃ．発明が解決しようとする課題 したがって、本発明の目的は、既知の超格子を使用せず
、異なる材料の層と関連する中間層を交互させて、超格
子効果がキャリアに生じる、量子力学的効果デバイスを
提供することである。

本発明の目的には、ペテロ接合中間層を不要とし、同時
に超格子的効果をキャリアに与える量子力学的効果デバ
イスを提供することも含まれる。

本発明の目的には、キャリア・ガスの部分を周期的に維
持したり空乏化したりする電流路から変位した手段によ
って、その中に作り出される２次元キャリア・ガスを周
期的に遮断することにより、超格子的効果を変調ドーブ
方式で生じる量子力学的効果デバイスを提供することも
含まれる。

本発明の目的には、不連続性の存在による非弾性散乱及
び位相コヒーレンスの欠如を本質的になくする、量子力
学的効果デバイスを提供することも含まれる。

本発明の目的には、利用可能なキャリアが、電流路に沿
ってつながっているがそれから変位している複数の突起
及び刻みの働きによる準１次元ガス中に閉じ込められ、
同時に超格子的効果を生じる量子力学的効果デバイスを
提供することも含まれる。

Ｄ．課題を解決するための手段 本発明は、超格子的現象を示すように通常の変調ドーブ
・デバイスを取りつけた、量子力学的効果デバイスに関
する。これは、変調ドープ・デバイス中に存在する２次
元電子ガス（２ＤＥＧ）を、例えば、このようなデバイ
スの広バンド・ギャップ層のドーブ領域にエッチ・アウ
トした辺縁部を作成するなどして、周期的に遮断するこ
とにより達成される。エッチ・アウトした辺縁部は、複
数の突起及び刻みを形成する。２０ＥＧの一部は各刻み
ごとに除かれ，、超格子が、薄い半導体材料の交互層か
ら構成されているかのように働いて、周期的な電位変動
をもたらす。突起や刻みは、直線状波形、のこぎり歯形
、スキャロップ、または周期的性格をもつ正弦波的変動
の形をとってよく、刻みは、１対の対向する両端に形成
する場合、狭い半導体領域によって離隔される。間隔は
、誘起された電位変動により２次元電子ガスが、デバイ
スの接点間にキャリアの流れる道筋になる電流路または
チャネルを形成する準１次元ガスに閉じ込められるよう
になっている。

同じように、適当なバイアス条件下で、変調ドープ・デ
バイス自体にあるものと似た形状の、突起及び刻みを備
えた表面に配設された１個または複数のゲートも、超格
子の挙動を示すことになる。

デバイスの両端から内側に延びるゲー１・電極は、ゲー
トを離隔させる狭いスペーサ域を備え相対する両端に形
成された、突起及び刻みを有する。片方の縁に沿ってつ
ながっている複数の突起及び刻みにより、超格子的効果
が示されることがあり、対向するデバイス両端に同様に
付与すると、さらに効果が発揮される。より発揮される
超格子的効果だけでなく、ナノメータの範囲（１０〜２
５０ｎｍ）の極めて小さい間隔で突起及び刻みが離隔さ
れた場合、相互間に形成される領域が、下地の半導体材
料において、２ＤＥＧを、電流路の両端に接続された電
極相互の間の電流を支持できる準１次元キャリア・ガス
に閉じ込める電流路を画定する。それで本発明は、既知
の超格子構造体に代替できる構造体を提供するだけでな
く、高速切換えができ、かつ振動挙動を示し得る３個な
いし４個の端子構造体も提供する。本明細書に示す斬新
な構造は別として、この端子構造体は、周知のリングラ
フ法及びエッチング法で製造することができ、したがっ
て、従来技術では通常必要な困難かつ高価な付着法が不
要となる。

Ｅ．実施例 第１図には、本出願の教示による量子力学的効果デバイ
スの構成上面図が示してある。超格子的挙動を示す量子
力学的効果デバイス１は、複数の突起３及び複数の刻み
４がその両縁端に沿って並べてある、変調ドープ構造体
２を含む。あとで第２図で変調ドープ横造２をより詳し
く検討して分かるように、ガリウム・アルミニウム・ヒ
素など、バンド・ギャップが比較的高い材料のドープし
た上部に、突起３及び刻み４を周知のりソグラフ法及び
エッチング法で形成する。第１図では、構造体２の両端
に１対の電極６が接触していて、電極５の両端に適当な
電位を印加すると、ある所与の縦軸に沿って電流が電極
５の間に流れる。あとでより詳しく見るように、ガリウ
ム・アルミニウム・ヒ化物など、バンド・ギャップが比
較的高い材料とガリウム・ヒ化物などバンド・ギャップ
が比較的低い材料の間のへテロ接合中間層に隣接する１
枚のキャリアとして、２次元キャリア・ガス（２ＤＥＧ
）が存在することになる。ただし、本発明の教示による
と、２ＤＥＧのいくつかの部分を構造体２の両端で周期
的に遮断する手段として、突起３及び刻み４が働く。つ
まり、バンド・ギャップが比較的高い材料のドープした
上部に刻み４が存在すると、キャリアは存在せず、刻み
４の下部に位置合わせしたバンド・ギャップのより低い
材料中の領域は、キャリアが全くない。しかし突起３が
存在すると、キャリアは利用可能で、突起３の下部に位
置合わせしたバンド・ギャップの低い方の材料中の領域
に送られる。こうして、２ＤＥＧは周期的に遮断されて
、変動ドープ横造体２における周期的な電位変動をもた
らす。この結果、デバイス１が適当な大きさを有するも
のとすれば、従来技術に見られる複数の薄い高バンド・
ギヤップの半導体材料層と低バンド・ギャップの半導体
材料の互層によって得られるのと同じ超格子的効果が生
じる。第１図の配置では、所与の縦軸ｅに平行な経路中
の２ＤＥＣにより得られたチャネルに電流が流れること
ができる刻み４間の間隔のため、２ＤＥＧは、適当な電
位を印加する時に電流が電極５の間に流れ得る、準１次
元キャリア・ガスが形成されるように、閉じ込められて
いる。この方式では、キャリアは電極間を比較的妨げら
れずに流れ、少し離れると、非局所的効果による周期的
電位変動を受ける。実際、デバイス１の寸法がこのよう
な高移動度のへテロ構造における電子の位相コヒーレン
ス長より小さい、すなわち１〜５μｍ未満の場合、電子
は弾道的に進行できる。

突起３及び刻み４がもたらす周期的な電位変動に結合し
たこの弾道的進行は、付關する付着の困難も費用もなく
、付着法を使って得られる効果に比し得る超格子効果を
もたらす。最後に、第１図には、構造体２全体にわたっ
て配設されたゲート電極７を示す。ゲート電極７は、バ
イアスを印加して、電極５間の電流の流れを制御するこ
とを意図している。ゲート電極７は、下地の半導体材料
とシロットキー障壁接点を形成する金属でもよい。

ゲート７に接続したバイアス電圧源８は、デバイス１が
強化モードまたは空乏モードのデバイスとして働けるよ
うにする電位を印加する。通常、デバイス１の動作は、
液体ヘリウム温度（４．２°Ｋ）及びそれ以下で行なわ
れる。また、ドープしたアルミニウム・ガリウム・ヒ化
物層の上面に導入したドーパントの種類に応じて、作動
キャリアは電子でも正孔でもよい。条件に応じて、デバ
イス１は、高速スイッチ、あるいは高振動数励振源とし
て働くことができる。

第１図は、構造体２の両縁に沿って延びる複数の突起３
及び刻み４を示すが、突起３及び刻み４を構造体２の１
辺縁に沿ってだけ形成することにより、同様な超格子的
効果を得ることもできることを認められたい。構造体２
の両辺縁に沿って周期的構造を形成することにより周期
的な電位変動が生じる程度まで、片方の辺縁上だけのこ
のような構造によって同様な変動が得られ、いくらか減
少してはいるが、同様な超格子的効果を生じる。

この状況下で、真直な辺縁（突起も刻みもない）が閉込
境界として使用され、刻みが、キャリア電流が流れてい
る準１次元ガスの形成を可能とするのに充分な距離だけ
真直な辺縁から離隔した向き合っている辺縁から、中に
延びている。

突起３及び刻み４を設けた構造体２を、３端子デバイス
として第１図に示すが、突起３及び刻み４を含む構造体
２は、独立の超格子構造体として使用することもでき、
動作に超格子を必要とする何らかの従来技術デバイスに
取り入れることもできることを認識されたい。構造体２
を、分子線エビタキシャル（ＭＢＥ）付着法を使用せず
に、２ＤＥＧを周期的に遮断するための手段で代替する
と、デバイスの構造及び方法論の両面で明確な進歩を示
す。

第２図は、本出願の教示による実施例を詳細に示す、第
１図の変調ドープ構造体２の斜視図である。第２図では
、ガリウム●アルミニウム・ヒ化物を分子線エビタキシ
（ＭＢＥ）法によりガリウム・ヒ化物など第■族・第■
族化合物の単結晶基板２１の表面に付着させることによ
り、変調ドープ構造体２が周知の方法で製造されている
。層２０１２１の間の中間層に隣接して形成された２次
元キャリア・ガスが電子から構成されるように意図する
場合、Ｅ２０の上部２２を、ＭＢＥ中か、またはＳｔな
どのドーパントによるイオン注入法によりドープする。

２次元キャリア・ガスが正孔から生成されるように意図
する場合１１２０の上部２２をＢｅなとのドーパントで
ドープする。この時点までは、構造体は、層２０、２１
間の中間層に隣接して配設された２次元キャリア・ガス
を有する、周知の変調ドーブ構造体である。この接合点
では、周知のリングラフ法及びエッチング法で、複数の
突起３及び刻み４を、層２０のドープされた上部２２に
形成する。より詳しくは、ポリメチルメタクリレー｝　
（ＰＭＭＡ）など電子線レジストの層に露光して、現像
すると所望の形状になる露光域をレジスト中に形成する
。第２図に示すように、複数の直線波形を形成するエッ
チング剤として、ＣＣＱ２Ｆ２、ＣＱまたはＢｒなどの
ハロゲン含有プラズマ、または適当な湿式化学的方法を
用いて、下地のドープされたガリウム・アルミニウム・
ヒ化物の露光域に、反応イオン・エッチングを行なう。

除去された部分、すなわち刻み４の下では、層２０、２
１間の中間層に存在する２ＤＥＧの部分２３も、この部
分を供給したキャリアの刻み４の下への供給は実際上欠
落しているので、除去されている。構造体２をバイアス
する手段を設けることが所望される限り、ニッケル、金
などのシロットキー障壁金属を層２０の上部に付着させ
、次いで、前記のマスキング法及びエッチング法を行な
うことができる。代替として、内側に延びる刻み４の間
の領域にわたって、金属ストライプ２４を付着させても
よい。

第２図で、Ｗは内側に延びる刻み４の間の距離であり、
図には、第２図が一定比率で描かれた場合よりもはるか
に大きな間隔で示してある。一般に、幅Ｗは、半導体基
板２１中に準１次元ガスまたはチャネルの形成を許すほ
ど充分狭く、構造体２の両辺縁から内側に延びる刻み４
の両端により画定される。Ｗの典型的な寸法は５０ｎｍ
であり、５０〜４００ｎｍの範囲をとり得る。

第２図で、ｄ１及びｄ２は、それぞれ突起２及び刻み３
の寸法であり、第２図の実施例では、ｄ１とｄ２は等し
い。ただし、ｄ１とｄ２が等しい必要はない。満たす必
要のある唯一の判定基準は、突起及び刻みが周期的でな
ければならないことである。ｄ１及びｄ２の典型的な寸
法は、ナノメータの範囲であり、ｄ１とｄ２が等しい場
合、１０〜２００ｎｍ程度にすることができ、好ましく
は５０ｎｍである。

前述のように、従来技術で層状化超格子が使用された場
合には、いつでも、第２図の構造体２を、ストライプ２
４やその他のバイアス電極があってもなくても、用いる
ことができる。

第２図に示す構造から少し外れて、突起３及び刻み４は
、両端にこのような突起３及び刻み４を含む場合に得ら
れるのと同じか、または類似した超格子効果を達成する
ために、変調ドープ構造体２の片方の辺縁に形成するだ
けでよい。したがって、構造体２の片方の辺縁がまっす
ぐであり、もう一方の辺縁は、第２図に示されたものと
同様な突起３及び刻み４を含む。このような配置では、
寸法Ｗは、内側に延びる刻み４の末端から構造体２のま
っすぐな辺縁に及ぶことになる。第２図に示す構造と同
様に、寸法Ｗは、準１次元キャリア・ガスを層２０と基
板２１の間のへテロ接合に隣接して支持するのに充分な
だけ狭くあるべきである。

第１図に示すデバイスにおけるように、縦軸６に平行で
、１対の電極（図示せず）間に延びている準１次元キャ
リア・ガスで形成された経路に、電流が流れる。

第３図は、変数ドーブ横造体中で、この中に超格子的効
果をもたらす周期的電位変動が誘起されるように、２Ｄ
ＥＧのいくつかの部分を空乏化する手段を組み込んだ、
本発明の教示による量子力学的効果デバイスの斜視図で
ある。

第３図を考察する場合、第２図と第３図で同じエレメン
トに同じ照合文字を使っていることを認識されたい。そ
して、構造体２は単結晶基板２１上に付着した単結晶層
２０から構成される。層２０は、２次元電子ガスを層２
０と基板２１の間の中間層に隣接して形成するキャリア
をもたらす、ドープされた上部２２を含む。ここで、第
３図の構造体は、２ＤＥＧの部分を層２０から、エッチ
・アウトナるのでなく、この部分を遮断する手段が層２
０の上部に形成されている点で、第２図の構造と異なる
。対向する両辺縁に突起３及び刻み４を設けた構造体２
の辺縁から内側に延びる、１対の金属ゲート２６を含む
。この配置では、複数の直線波形が縦軸６に沿って延び
、その突起３は互いに寸法Ｗだけ離隔する。第２図に示
す波形と同様に、寸法ｄ１、ｄ２が等しくできるが、超
格子効果を出すことができるようにする従来技術の超格
子層の厚さ寸法を越えない限り、等しくなくてもよい。

また、距離Ｗは、ｌ対の電極（図示せず）間で縦軸６に
平行な方向に電流が流れるチャネルを形成する準１次元
ガスの存在を許すために、充分に狭くすべきである。第
３図の構造体では、何らのバイアスもなくて、２ＤＥＧ
が層２０と基板２ｌの間の中間層に隣接する２次元シー
トとして存在する。第２図の構造体２がもたらす効果と
同様な効果を達成するため、同時に生成される準１次元
チャネル中の１対の電極（図示せず）間を進むキャリア
に超格子的効果を及ぼす可変バイアス源２６から、周期
的電位変動を構造体２に誘起して、突起３の下のキャリ
アの２ＤＥＧを空乏化する金属ゲート２５にバイアス印
加しなければならない。キャリアが電子の場合、ゲート
２５に負のバイアスを印加し、キャリアを下地の２ＤＥ
Ｃから空乏化する。キャリアが正孔であれば、もちろん
、ゲート２５に印加した正のバイアスがキャリアを２Ｄ
ＥＣから空乏化する。バイアス源２８は性格上可変であ
り、異なるバイアスを金属ゲート２５に印加すると、構
造体のフェルミ・エネルギーならびに準１次元ガスすな
わちチャネルの幅が変化する。第２図のデバイスと同様
に、第３図の配置は、空乏モードまたは強化モード・デ
バイスとして動作可能で、高速スイッチや振動源として
の応用分野を有する。また、第３図の構造体２を、異な
る材料の互層を組み込んだ従来技術の超格子の代わりに
してもよい。

第３図の構造体は構造体２の両端から内側に延びる直線
状波形を示しているものの、波形は、片方の辺縁から、
もう一方の金属ゲート２５がまっすぐな辺縫を示す場合
、もう一方の金属ゲート２６０対向する波形まで内側に
延びているだけでよいことを理解されたい。このよろな
配置も、やはり、いく分減少しているがまだ有効な超格
子的効果をキャリアに生成する所望の周期的電位変動を
もたらす。キャリアも、やはり、片方の金属ゲート２５
のまっすぐな辺縁ともう一方の金属ゲート２５の突起３
の間の準１次元ガス中に閉じ込められている。第３図に
おけるＷ１ｄ１１ｄ２の寸法は、前記の第２図の説明に
おける寸法と同じである。また、第３図には直線状波形
を示したが、スキャロップ、正弦波、のこぎり波の形状
を有するその他の波形を直線状波形に替えてもよい。事
実、性格が周期的であって、電位変動をもたらすことが
でき、２ＤＥＣを準１次元ガスに閉じ込めることのでき
る限り、任意の形状の波形を使用してよい。

第８図の構造体は、周知のリングラフ法及びリフトオフ
法を用いて製造してもよい。基板２１及び層２０とその
ドーブした上部２２を、第２図におけると同じ手法で、
形成した後、電子線レジストの層を層２０の表面に形成
する。マスクと電子ビーム露光を用いて、刻み４が現れ
る領域及び対向する突起３と刻み４の間の領域を除くす
べてに、レジストを露光する。レジストの露光部分を現
像し除去すると、金属の層を、ＷＡ２０の表面の露出し
た部分及び残りのレジストの表面にわたって、共形的に
付着させる。次いで、周知のリフトオフ法を用いて、残
りのレジストをその金属の被覆物と共に除去すると、第
３図に示すような、金属ゲート２５があとに残される。

第４図、第６図、第６図は、本明細書中に示した直線状
波形の代わりに、第２図の構造体の両辺縁でエッチング
し得るスキャロップ、正弦波、のこぎり波状波形の例を
示す、変調ドーブ構造体の部分切取上面図である。これ
らの形状は、超格子的効果をキャリアに及ぼし、同時に
２０ＥＧを準１次元ガスに、散乱を最少にして閉じ込め
る、所望の周期的な電位変動をもたらすことになる。

第７図、第８図、第９図は、本明細書中に示した直線状
波形でなく、第３図の構造体のゲー１・に形成し得るス
キャロップ、正弦波、のこぎり波状波形の例を示す、部
分切取上面図である。

前記のデバイスに関連して、ガリウム・ヒ化物、ガリウ
ム・アルミニウム・ヒ化物などの半導体、ならびにドー
バント及び金属について述べた。ここに含めた構造体は
前記の材料に限られないことを理解されたい。したがっ
て、その他の第■族・第■族化合物、ならびにこれらの
材料の三元ないし四元合金及び化合物も使用してよい。

このような材料の例は、ＧａＩｎＡｓ１ＧａＩｎＡｓＰ
ｘＧａＡｕＳｂ，Ｇａ　Ｉ　ｎｓｂである。第■族・第
Ｖ族化合物ｎ型を作るドーパントには、Ｓ【、ＧｅｖＳ
ｎなどがある。第■族・第Ｖ族化合物Ｐ型を作るドーバ
ントには、Ｂｅ１ＣｃＬ　Ｚｎなどがある。第■族・第
Ｖ族化合物とシロットキー障壁を形成し、電極２４用と
金属ゲート２５用の両方に使用できる金属には、ＡＱ１
Ｎｉ％Ｗ　１Ａ　ｕなどがある。

前記のデバイスは、周期構造中の電子に固有の様々な基
礎的物理現象の開発利用を可能にする。

量子力学的デバイス上の各波形は、開示された電子波の
部分反射を生じ得る点で、チャネルを下方に進行する電
子波に影響を及ぼす。この反射効果を利用して、このよ
うなデバイスの導電率を共振同調させることができるこ
とは周知である。しかし、このような波形の長い周期的
配列によって、はるかに多くのことが実行できる。同調
効果（すなわち、チャネルを伝導状態から非伝導状態に
スイッチする）は、適当な波形を成形することにより、
任意の急変に調整させることができ、いかなる所望のゲ
ート電圧にも調節できる。この柔軟性は単純な「共振伝
送」デバイスにはない。

「ブロッホ振動」は、超格子構造のせいで発生する、も
う一つの現象であり、この超格子構造は単純な非周期デ
バイスには類似のものはない。これは、電子が最初はチ
ャネル内部に静止していると考えれば理解できる非線形
効果である。電子を加速させる電位差を印加する。電子
の速度が増加すると、ドブロイ波長は減少する。この波
長が周期的波形の波長に等しい場合、「プラッグ条件」
が満たされ、回折格子として働く波形が電子の方向を逆
転する。今、電子が電場方向と逆に移動していると、減
速され、停止させられ、再び前方方向に加速され、過程
全体が繰り返される。これは、電子がデバイス中の不純
物や不完全性により散乱されない限り、発生する。した
がって、直流のソース・ドレイン電圧を印加すると、交
流の電流応答つまりブロッホ振動をもたらす。この現象
は、本明細書に教示した辺縁波形手法が、電子の散乱の
機会は減少して電子がデバイスを通過できるようにする
ので、従来技術の超格子構造の場合よりも、本出願のデ
バイスでより発生し易い。

ブロッホ振動の特徴をいくつか予測できる。電子が前後
に振動する距離は、概して次のように表される。

ここで、ｈはブランク定数、ａは原子間間隔、ｍ＊は有
効質量、ｐは波形相互の間の距離、ｅは電子の電荷、Ｅ
はソース・ドレイン電圧により生じる電場である。交流
電流振動の振動数は、次のように表される。

この振動数は１／τより大きいことが必要である。

ただし、τは不純物散乱時間である。

Ｆ．発明の効果 本発明により、既知の超格子を使用せず、異なる材料の
層と関連する中間層を交互させて、超格子効果がキャリ
アに生じる量子力学的効果デバイスが達成された。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の教示による量子力学的効果デバイス
の路上面図である。 第２図は、超格子的効果ならびに２次元電子ガスの準１
次元閉込めをもたらす、周期的な電位変動がその中で誘
起されるように、２ＤＥＣの部分を維持する本出願の教
示による実施例を詳細に示す、第１図の変調ドープ構造
体の斜視図である。 第３図は、超格子的効果を変調ドーブ構造体中で生じる
周期的な電位変動がその構造体中に誘起されるように、
２ＤＥＧのいくつかの部分を空乏化する手段を組み込ん
だ、本発明の教示による量子力学的効果デバイスの斜視
図である。 第４図、第５図、第６図は、第２図の変調ドーブ横造体
の辺縁にエッチングで製作できるスキャロップ、正弦波
、のこぎり波状波形の例を示す、変調ドーブ構造体の部
分切取上面図である。 第７図、第８図、第９図は、本明細書に示す直線状波形
の代わりに、第３図のゲートに形或できるスキャロップ
、正弦波、のこぎり波状波形の例を示ナ、変調ドーブ構
造体の部分切取上面図である。 １・・・・量子力学的効果デバイス、２・・・・変調ド
ープ構造体、３・・・・突起、４・・・・刻み、５・・
・・電極、６・・・・縦軸、７・・・・ゲート電極、８
・・・・バイアス電圧源、２０・・・・単結晶層、２１
・・・・単結晶基盤、２２・・・・ドープされた上部、
２３・・・・２次電子ガス（２ＤＥＣ）の部分、２４・
・・・ストライブ、２５・・・・金属ゲート、２６・・
・・バイアス源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　所与の縦軸及び当該軸に平行な辺縁部を有するバンド
   ・ギャップの広い化合物半導体材料の層とドープされた
   上部と、 前記の層との境界面を形成するバンド・ギャップがより
   狭い化合物半導体材料の基板、及び前記境界面に隣接し
   ている２次元キャリア・ガスと、前記基板上に配設され
   た前記所与の縦軸からずらされていて、前記２次元キャ
   リア・ガスを周期的に遮断する手段と、 を含む量子力学的効果デバイス。