JPH0794707A - 量子素子 - Google Patents
量子素子Info
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- JPH0794707A JPH0794707A JP5259482A JP25948293A JPH0794707A JP H0794707 A JPH0794707 A JP H0794707A JP 5259482 A JP5259482 A JP 5259482A JP 25948293 A JP25948293 A JP 25948293A JP H0794707 A JPH0794707 A JP H0794707A
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- quantum
- electrons
- boxes
- barrier layer
- holes
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
- H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
- H10D62/81—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials of structures exhibiting quantum-confinement effects, e.g. single quantum wells; of structures having periodic or quasi-periodic potential variation
- H10D62/812—Single quantum well structures
- H10D62/814—Quantum box structures
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D8/00—Diodes
- H10D8/812—Charge-trapping diodes
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 比較的少数の電子または正孔を用いながらも
その密度の揺らぎを抑制することができ、さらに三つ以
上の複数の状態を保持することができる低消費電力の量
子素子を実現する。 【構成】 障壁層１上に複数の箱状の量子井戸部２を設
け、それらを覆うように障壁層３を設けることにより、
複数の量子箱ＱＢからなる量子箱アレイを形成する。こ
の量子箱アレイは、量子箱ＱＢ間のトランスファーエネ
ルギーに対して電子間の相互作用エネルギーが十分に大
きくなるように設計する。障壁層３上に制御電極Ｇを設
け、この制御電極Ｇの電位を変化させることにより、量
子箱アレイ中の電子数を変化させる。
その密度の揺らぎを抑制することができ、さらに三つ以
上の複数の状態を保持することができる低消費電力の量
子素子を実現する。 【構成】 障壁層１上に複数の箱状の量子井戸部２を設
け、それらを覆うように障壁層３を設けることにより、
複数の量子箱ＱＢからなる量子箱アレイを形成する。こ
の量子箱アレイは、量子箱ＱＢ間のトランスファーエネ
ルギーに対して電子間の相互作用エネルギーが十分に大
きくなるように設計する。障壁層３上に制御電極Ｇを設
け、この制御電極Ｇの電位を変化させることにより、量
子箱アレイ中の電子数を変化させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、量子素子に関し、特
に、量子箱（量子ドットとも呼ばれる）を用いた量子素
子に関する。
に、量子箱（量子ドットとも呼ばれる）を用いた量子素
子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の電子素子においては、電子数の相
対的な揺らぎ（電子密度の揺らぎ）を抑制し、動作の安
定を図るために、動作に関与する電子として、大数の法
則を利用するべく多数の（１ビット当たり１０4 個程度
以上の）電子を用いている。
対的な揺らぎ（電子密度の揺らぎ）を抑制し、動作の安
定を図るために、動作に関与する電子として、大数の法
則を利用するべく多数の（１ビット当たり１０4 個程度
以上の）電子を用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電子素子の
消費電力の低減を図る見地からは、少数の電子を用いる
のが望ましい。しかしながら、このように少数の電子を
用いた場合には、大数の法則を利用することができなく
なるため、電子密度の揺らぎが問題となる。一方、従来
の電子素子では、三つ以上の複数の状態を保持すること
は困難であった。
消費電力の低減を図る見地からは、少数の電子を用いる
のが望ましい。しかしながら、このように少数の電子を
用いた場合には、大数の法則を利用することができなく
なるため、電子密度の揺らぎが問題となる。一方、従来
の電子素子では、三つ以上の複数の状態を保持すること
は困難であった。
【０００４】従って、この発明の目的は、動作に関与す
るキャリアとして比較的少数の電子または正孔を用いる
ことができることにより消費電力の低減を図ることがで
き、しかも電子または正孔の密度の揺らぎを抑制するこ
とができる量子素子を提供することにある。この発明の
他の目的は、三つ以上の複数の状態を保持することがで
きる量子素子を提供することにある。
るキャリアとして比較的少数の電子または正孔を用いる
ことができることにより消費電力の低減を図ることがで
き、しかも電子または正孔の密度の揺らぎを抑制するこ
とができる量子素子を提供することにある。この発明の
他の目的は、三つ以上の複数の状態を保持することがで
きる量子素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明による量子素子は、複数の量子箱（ＱＢ）
を有し、複数の量子箱（ＱＢ）中に存在する電子または
正孔の数が可変であり、量子箱（ＱＢ）間のトランスフ
ァーエネルギーよりも電子間または正孔間の相互作用エ
ネルギーが大きくなるように構成されている。
に、この発明による量子素子は、複数の量子箱（ＱＢ）
を有し、複数の量子箱（ＱＢ）中に存在する電子または
正孔の数が可変であり、量子箱（ＱＢ）間のトランスフ
ァーエネルギーよりも電子間または正孔間の相互作用エ
ネルギーが大きくなるように構成されている。
【０００６】この発明による量子素子の一実施形態にお
いては、複数の量子箱（ＱＢ）において電子間または正
孔間の相互作用によって現れる複数の統計的に安定また
は準安定な電子または正孔の空間分布、複数の量子箱
（ＱＢ）の電子または正孔の密度の揺らぎの消失、およ
び、複数の量子箱（ＱＢ）中の電子または正孔の数の変
化の特徴的性質のうちの少なくとも一つを利用してい
る。
いては、複数の量子箱（ＱＢ）において電子間または正
孔間の相互作用によって現れる複数の統計的に安定また
は準安定な電子または正孔の空間分布、複数の量子箱
（ＱＢ）の電子または正孔の密度の揺らぎの消失、およ
び、複数の量子箱（ＱＢ）中の電子または正孔の数の変
化の特徴的性質のうちの少なくとも一つを利用してい
る。
【０００７】この発明による量子素子の一実施形態にお
いては、複数の量子箱（ＱＢ）における電子または正孔
の空間分布の状態を電子または正孔の多体相互作用によ
る実効的エネルギー準位を利用して読み出す。
いては、複数の量子箱（ＱＢ）における電子または正孔
の空間分布の状態を電子または正孔の多体相互作用によ
る実効的エネルギー準位を利用して読み出す。
【０００８】この発明による量子素子の一実施形態にお
いては、複数の量子箱（ＱＢ）は、第１の障壁層（１）
と、第１の障壁層（１）上に設けられた複数の箱状の量
子井戸部（２）と、複数の量子井戸部（２）を覆うよう
に第１の障壁層（１）上に設けられた第２の障壁層
（３）とにより構成され、また、第２の障壁層（３）上
に設けられた制御電極（Ｇ）の電位を変化させることに
より複数の量子箱（ＱＢ）中に存在する電子または正孔
の数が可変となっている。
いては、複数の量子箱（ＱＢ）は、第１の障壁層（１）
と、第１の障壁層（１）上に設けられた複数の箱状の量
子井戸部（２）と、複数の量子井戸部（２）を覆うよう
に第１の障壁層（１）上に設けられた第２の障壁層
（３）とにより構成され、また、第２の障壁層（３）上
に設けられた制御電極（Ｇ）の電位を変化させることに
より複数の量子箱（ＱＢ）中に存在する電子または正孔
の数が可変となっている。
【０００９】ここで、第１の障壁層（１）、第２の障壁
層（３）および量子井戸部（２）を構成する物質として
は、例えば、それぞれＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓおよびＧ
ａＡｓを用いることができる。
層（３）および量子井戸部（２）を構成する物質として
は、例えば、それぞれＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓおよびＧ
ａＡｓを用いることができる。
【００１０】この発明による量子素子において、複数の
量子箱における電子間または正孔間の相互作用および安
定な電子または正孔の空間分布は、設計によって様々に
変調することができる。この変調の方法としては、量子
箱の配置の設計による方法、複数の量子箱中の電子また
は正孔に伴って現れる正電荷または負電荷の層と量子箱
との間の距離の設計により遮蔽の強さを変調する方法な
どが挙げられる。
量子箱における電子間または正孔間の相互作用および安
定な電子または正孔の空間分布は、設計によって様々に
変調することができる。この変調の方法としては、量子
箱の配置の設計による方法、複数の量子箱中の電子また
は正孔に伴って現れる正電荷または負電荷の層と量子箱
との間の距離の設計により遮蔽の強さを変調する方法な
どが挙げられる。
【００１１】この発明による量子素子における「トラン
スファーエネルギー」の物理的意味について説明する
と、以下の通りである。
スファーエネルギー」の物理的意味について説明する
と、以下の通りである。
【００１２】量子箱は箱状の量子井戸部の周囲を障壁層
により三次元的に取り囲んだものであり、単一量子箱の
ポテンシャル井戸およびこのポテンシャル井戸内の電子
の基底状態の波動関数は概念的に図６のように表され
る。
により三次元的に取り囲んだものであり、単一量子箱の
ポテンシャル井戸およびこのポテンシャル井戸内の電子
の基底状態の波動関数は概念的に図６のように表され
る。
【００１３】今、図７に示すような二つの量子箱から成
る量子箱結合系を考える。そして、この量子箱結合系に
おける電子のダイナミックスを、孤立した水素原子の電
子状態の厳密解から水素分子イオン（Ｈ2 + ）の電子状
態を考える場合の有効な近似法として知られているＬＣ
ＡＯ（Linear Combination of Atomic Orbitals)近似に
基づいて考察する。
る量子箱結合系を考える。そして、この量子箱結合系に
おける電子のダイナミックスを、孤立した水素原子の電
子状態の厳密解から水素分子イオン（Ｈ2 + ）の電子状
態を考える場合の有効な近似法として知られているＬＣ
ＡＯ（Linear Combination of Atomic Orbitals)近似に
基づいて考察する。
【００１４】このＬＣＡＯ近似で考えると、最初は孤立
していた量子箱１および量子箱２が互いに接近したとき
には、量子箱１の電子の基底状態｜１〉および量子箱２
の電子の基底状態｜２〉のエネルギー準位Ｅ0 に幅２Δ
Ｅの分裂が起こり、結合状態と反結合状態との二状態が
得られる。これらの結合状態および反結合状態のエネル
ギーおよび波動関数は次のように表される。
していた量子箱１および量子箱２が互いに接近したとき
には、量子箱１の電子の基底状態｜１〉および量子箱２
の電子の基底状態｜２〉のエネルギー準位Ｅ0 に幅２Δ
Ｅの分裂が起こり、結合状態と反結合状態との二状態が
得られる。これらの結合状態および反結合状態のエネル
ギーおよび波動関数は次のように表される。
【００１５】
【数１】
【数２】 ここで、ΔＥがトランスファーエネルギーと呼ばれ、後
述のように量子箱間の電子のトンネル時間τの目安とな
るものである。
述のように量子箱間の電子のトンネル時間τの目安とな
るものである。
【００１６】この量子箱結合系のハミルトニアンを
【数３】 と書くと、
【数４】 は、次式で示されるようにこのハミルトニアンの固有状
態となっている。
態となっている。
【数５】
【００１７】さて、今、例えば量子箱１に電子が局在し
ているとすると、この状態は
ているとすると、この状態は
【数６】 と書くことができる。この状態からシュレーディンガー
方程式によって時間発展させると、時刻ｔにおける状態
は
方程式によって時間発展させると、時刻ｔにおける状態
は
【数７】 となる。
【００１８】これより、
【数８】 を満たす時刻ｔになると、量子箱１に局在していた電子
は量子箱２に到達していることがわかる。従って、この
ＬＣＡＯ近似の範囲で、量子箱１から量子箱２への電子
のトンネル時間τを
は量子箱２に到達していることがわかる。従って、この
ＬＣＡＯ近似の範囲で、量子箱１から量子箱２への電子
のトンネル時間τを
【数９】 と考えることができる。
【００１９】このトンネル時間τは、より一般的には、
【数１０】 と書くことができる。
【００２０】以上より、量子箱結合系における電子のダ
イナミックスを最も単純化すれば、量子箱間のトランス
ファーエネルギーΔＥの大きさに依存するトンネリング
により電子は運動することになる。
イナミックスを最も単純化すれば、量子箱間のトランス
ファーエネルギーΔＥの大きさに依存するトンネリング
により電子は運動することになる。
【００２１】次に、ＬＣＡＯ近似の範囲内でのトランス
ファーエネルギーΔＥの表式を求める。
ファーエネルギーΔＥの表式を求める。
【００２２】今、一辺の長さが２ｄの単独の正方形量子
箱を考えると、そのポテンシャルエネルギーは
箱を考えると、そのポテンシャルエネルギーは
【数１１】 である。従って、運動エネルギーをＫと書けば、この系
のハミルトニアンは
のハミルトニアンは
【数１２】 である。このハミルトニアンの基底状態を
【数１３】 とし、そのエネルギーをＥ0 とすれば、
【数１４】 が成り立つ。
【００２３】これに対し、二つの正方形量子箱からなる
量子箱結合系（図７参照）のハミルトニアンは、次式の
ように書くことができる。
量子箱結合系（図７参照）のハミルトニアンは、次式の
ように書くことができる。
【００２４】
【数１５】 ただし、一方の量子箱の中心座標および他方の量子箱の
中心座標を図７に示すように書くと、
中心座標を図７に示すように書くと、
【数１６】 である。
【００２５】一方、(10)式で示される単独正方形量子箱
のハミルトニアンの基底状態の波動関数は
のハミルトニアンの基底状態の波動関数は
【数１７】 であるが、
【数１８】 はそれぞれ、
【数１９】 を満たしている。
【００２６】以上の準備ができたところで、(12)式で示
される量子箱結合系のハミルトニアンのエネルギー固有
値を、(15)式で示される単独正方形量子箱の固有状態の
張る二次元部分空間上で求める。この(15)式で示される
二つの固有状態は直交していないので、まず直交基底を
構成すると、これは例えば以下のようになる。
される量子箱結合系のハミルトニアンのエネルギー固有
値を、(15)式で示される単独正方形量子箱の固有状態の
張る二次元部分空間上で求める。この(15)式で示される
二つの固有状態は直交していないので、まず直交基底を
構成すると、これは例えば以下のようになる。
【００２７】
【数２０】
【００２８】この直交基底でハミルトニアン行列要素を
計算すると、
計算すると、
【数２１】
【数２２】
【数２３】
【数２４】 となる。ただし、これらの行列要素の計算においては、
(16)式および次の式を用いた。
(16)式および次の式を用いた。
【００２９】
【数２５】
【００３０】(20)式および(21)式からわかるようにハミ
ルトニアン行列の非対角要素は０であるので、このハミ
ルトニアン行列は実は対角化されている。従って、エネ
ルギー固有値は
ルトニアン行列の非対角要素は０であるので、このハミ
ルトニアン行列は実は対角化されている。従って、エネ
ルギー固有値は
【数２６】 であり、その固有ベクトルがそれぞれ、
【数２７】 となっている。
【００３１】(18)式および(19)式の中で、波動関数の局
在性より、
在性より、
【数２８】 が言えるので、エネルギーとして
【数２９】 のように考えることができる。上記のトランスファーエ
ネルギー（ΔＥ）が小さい場合には、電子は各量子箱に
局在し、量子箱間のトンネリングによる電子の運動は抑
制される。
ネルギー（ΔＥ）が小さい場合には、電子は各量子箱に
局在し、量子箱間のトンネリングによる電子の運動は抑
制される。
【００３２】
【作用】今、一例として、複数の量子箱中に存在する電
子の数が可変であり、量子箱間のトランスファーエネル
ギーよりも電子間の相互作用エネルギーが十分に大きい
量子素子を考える。以下の議論は、電子を正孔に置き換
えても同様に成り立つものである。
子の数が可変であり、量子箱間のトランスファーエネル
ギーよりも電子間の相互作用エネルギーが十分に大きい
量子素子を考える。以下の議論は、電子を正孔に置き換
えても同様に成り立つものである。
【００３３】上述のように量子箱間のトランスファーエ
ネルギーよりも電子間の相互作用エネルギーが十分に大
きい、言い換えれば電子間の相互作用が支配的である量
子素子においては、各量子箱中に存在する電子は電子間
相互作用によっていくつかの安定な空間分布を有する。
この安定な空間分布が実現されている場合には、量子箱
系の電子数はある範囲の化学ポテンシャルの変化に対し
て一定に保持され、この電子数の化学ポテンシャルの変
化に対する変化に特徴的な振舞が生じる。
ネルギーよりも電子間の相互作用エネルギーが十分に大
きい、言い換えれば電子間の相互作用が支配的である量
子素子においては、各量子箱中に存在する電子は電子間
相互作用によっていくつかの安定な空間分布を有する。
この安定な空間分布が実現されている場合には、量子箱
系の電子数はある範囲の化学ポテンシャルの変化に対し
て一定に保持され、この電子数の化学ポテンシャルの変
化に対する変化に特徴的な振舞が生じる。
【００３４】すなわち、この量子箱系の電子密度（量子
箱系の電子数／量子箱数）をρ、逆温度をかけて無次元
化した化学ポテンシャルをμとすると、∂ρ／∂μ〜０
となる領域が存在する。今、量子箱系の量子箱数をＮと
すると、量子箱系の電子密度の揺らぎは （〈（ρ−〈ρ〉）2 〉）1/2 ＝（１／Ｎ1/2 ）（∂ρ／∂μ）1/2 で表されるから、この∂ρ／∂μ〜０の領域では電子密
度の揺らぎが消失することがわかる。なお、〈 〉は統
計平均をとることを表す。
箱系の電子数／量子箱数）をρ、逆温度をかけて無次元
化した化学ポテンシャルをμとすると、∂ρ／∂μ〜０
となる領域が存在する。今、量子箱系の量子箱数をＮと
すると、量子箱系の電子密度の揺らぎは （〈（ρ−〈ρ〉）2 〉）1/2 ＝（１／Ｎ1/2 ）（∂ρ／∂μ）1/2 で表されるから、この∂ρ／∂μ〜０の領域では電子密
度の揺らぎが消失することがわかる。なお、〈 〉は統
計平均をとることを表す。
【００３５】以上のような量子箱系における電子の安定
な空間分布、量子箱系の電子密度の揺らぎの消失、また
は、量子箱系の電子数変化の特徴的性質を利用すること
により、比較的少数の電子を用いた、三つ以上の複数の
状態を保持することができるなどの新しい機能を有する
素子を実現することができる。この素子は、比較的少数
の電子を用いることにより、低消費電力である。このよ
うな新しい機能を有する素子の具体例を挙げると、これ
らの電子の安定な空間分布の状態を複数の論理状態に対
応させることにより多値の論理状態を保持することがで
きる素子などである。保持することができる状態の数は
設計により変化させることができる。
な空間分布、量子箱系の電子密度の揺らぎの消失、また
は、量子箱系の電子数変化の特徴的性質を利用すること
により、比較的少数の電子を用いた、三つ以上の複数の
状態を保持することができるなどの新しい機能を有する
素子を実現することができる。この素子は、比較的少数
の電子を用いることにより、低消費電力である。このよ
うな新しい機能を有する素子の具体例を挙げると、これ
らの電子の安定な空間分布の状態を複数の論理状態に対
応させることにより多値の論理状態を保持することがで
きる素子などである。保持することができる状態の数は
設計により変化させることができる。
【００３６】
【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照しながら説明する。実施例を説明する前に、まず、３
２×３２のサイズの正方格子状に量子箱が配列された量
子箱アレイに関して行われたモンテカルロシミュレーシ
ョンによる数値計算の結果について説明する。その結果
を図１に示す。ここで、図１の横軸μは量子箱アレイの
化学ポテンシャルに逆温度をかけて無次元化したもの、
縦軸は量子箱アレイの電子密度ρを表す。また、パラメ
ータとして用いたεは、量子箱アレイの最近接量子箱間
のクーロンエネルギーに逆温度をかけて無次元化したも
のを表す。この計算においては、電子は有限のポテンシ
ャル障壁によって量子箱に閉じ込められ、量子箱アレイ
の全ての量子箱に共通のエネルギー準位を有する電子が
各量子箱に局在した束縛状態が唯一つ存在する（一般性
を失うことなくこのエネルギーを０とおくことができ
る）こと、オンサイトクーロンエネルギーが十分に大き
く、一つの量子箱中に互いにスピンが異なる二個の電子
が局在する束縛状態が存在しないこと、量子箱間のトラ
ンスファーエネルギーおよび最近接の量子箱間以外のイ
ンターサイトクーロンエネルギーがほとんど無視できる
こと、を仮定している。
照しながら説明する。実施例を説明する前に、まず、３
２×３２のサイズの正方格子状に量子箱が配列された量
子箱アレイに関して行われたモンテカルロシミュレーシ
ョンによる数値計算の結果について説明する。その結果
を図１に示す。ここで、図１の横軸μは量子箱アレイの
化学ポテンシャルに逆温度をかけて無次元化したもの、
縦軸は量子箱アレイの電子密度ρを表す。また、パラメ
ータとして用いたεは、量子箱アレイの最近接量子箱間
のクーロンエネルギーに逆温度をかけて無次元化したも
のを表す。この計算においては、電子は有限のポテンシ
ャル障壁によって量子箱に閉じ込められ、量子箱アレイ
の全ての量子箱に共通のエネルギー準位を有する電子が
各量子箱に局在した束縛状態が唯一つ存在する（一般性
を失うことなくこのエネルギーを０とおくことができ
る）こと、オンサイトクーロンエネルギーが十分に大き
く、一つの量子箱中に互いにスピンが異なる二個の電子
が局在する束縛状態が存在しないこと、量子箱間のトラ
ンスファーエネルギーおよび最近接の量子箱間以外のイ
ンターサイトクーロンエネルギーがほとんど無視できる
こと、を仮定している。
【００３７】図１から、量子箱アレイの電子密度ρに
は、三つの安定な値ρ〜０、１／２、１が存在すること
がわかる。ρがこれらの三つの値をとっているときの量
子箱アレイにおける電子の空間分布は、電子が存在する
量子箱がない状態（ρ〜０）、電子が存在する量子箱と
電子が存在しない量子箱とが交互に並んでいる状態（ρ
〜１／２）、または、電子が全ての量子箱に一つずつ存
在する状態（ρ〜１）にある。従って、これらの安定な
三つの電子の空間分布を利用することにより三値の状態
を保持することができる。
は、三つの安定な値ρ〜０、１／２、１が存在すること
がわかる。ρがこれらの三つの値をとっているときの量
子箱アレイにおける電子の空間分布は、電子が存在する
量子箱がない状態（ρ〜０）、電子が存在する量子箱と
電子が存在しない量子箱とが交互に並んでいる状態（ρ
〜１／２）、または、電子が全ての量子箱に一つずつ存
在する状態（ρ〜１）にある。従って、これらの安定な
三つの電子の空間分布を利用することにより三値の状態
を保持することができる。
【００３８】図１より、これらの安定な三つの電子の状
態が現れるのは、εが３．０〜４．０程度以上の場合で
あることがわかる。量子箱アレイの最近接量子箱間のク
ーロンエネルギーを１０ｍｅＶ程度と仮定すると、この
量子箱アレイが機能するのは３０〜４０Ｋ程度以下の温
度領域であることがわかる。
態が現れるのは、εが３．０〜４．０程度以上の場合で
あることがわかる。量子箱アレイの最近接量子箱間のク
ーロンエネルギーを１０ｍｅＶ程度と仮定すると、この
量子箱アレイが機能するのは３０〜４０Ｋ程度以下の温
度領域であることがわかる。
【００３９】量子箱アレイの電子にこのように安定な三
つの状態が存在するということは、電子の多体相互作用
によってエネルギーギャップが生じた結果とみなすこと
ができる。そして、このエネルギーギャップにより、も
ともと一つのエネルギー準位のみしか存在しなかった量
子箱系に、電子密度ρに依存する実効的な二つのエネル
ギー準位が生じていると考えられる。例えば、ε＝１
０．０の場合では、ρは化学ポテンシャルμの増加に伴
ってμ〜０．０の近傍およびμ〜４０．０の近傍でそれ
ぞれ立ち上がっており、ρが０〜１／２の範囲では実効
的なエネルギー準位はμ〜０．０の近傍に対応するエネ
ルギーであり、ρが１／２〜１の範囲では実効的なエネ
ルギー準位はμ〜４０．０の近傍に対応するエネルギー
である。
つの状態が存在するということは、電子の多体相互作用
によってエネルギーギャップが生じた結果とみなすこと
ができる。そして、このエネルギーギャップにより、も
ともと一つのエネルギー準位のみしか存在しなかった量
子箱系に、電子密度ρに依存する実効的な二つのエネル
ギー準位が生じていると考えられる。例えば、ε＝１
０．０の場合では、ρは化学ポテンシャルμの増加に伴
ってμ〜０．０の近傍およびμ〜４０．０の近傍でそれ
ぞれ立ち上がっており、ρが０〜１／２の範囲では実効
的なエネルギー準位はμ〜０．０の近傍に対応するエネ
ルギーであり、ρが１／２〜１の範囲では実効的なエネ
ルギー準位はμ〜４０．０の近傍に対応するエネルギー
である。
【００４０】以上の考察結果を踏まえて、この発明の一
実施例について説明する。図２はこの発明の一実施例に
よる量子素子を示す。
実施例について説明する。図２はこの発明の一実施例に
よる量子素子を示す。
【００４１】図２に示すように、この一実施例による量
子素子においては、半導体からなる障壁層１上に半導体
からなる箱状の量子井戸部２が二次元的に（例えば、正
方格子状に）複数個設けられ、これらの量子井戸部２を
覆うように障壁層１上に半導体または絶縁体からなる障
壁層３が設けられている。そして、障壁層１、３により
量子井戸部２の周囲が取り囲まれた構造により量子箱Ｑ
Ｂが形成され、この量子箱ＱＢが二次元的に複数個配列
されて二次元の量子箱アレイが形成されている。さら
に、障壁層３上には、導体からなり、その電位Ｖg を外
部から変化させることができる制御電極Ｇが設けられて
いる。障壁層３が半導体からなる場合、この制御電極Ｇ
と障壁層３とはショットキー接合を形成する。この場
合、障壁層１は接地されている。
子素子においては、半導体からなる障壁層１上に半導体
からなる箱状の量子井戸部２が二次元的に（例えば、正
方格子状に）複数個設けられ、これらの量子井戸部２を
覆うように障壁層１上に半導体または絶縁体からなる障
壁層３が設けられている。そして、障壁層１、３により
量子井戸部２の周囲が取り囲まれた構造により量子箱Ｑ
Ｂが形成され、この量子箱ＱＢが二次元的に複数個配列
されて二次元の量子箱アレイが形成されている。さら
に、障壁層３上には、導体からなり、その電位Ｖg を外
部から変化させることができる制御電極Ｇが設けられて
いる。障壁層３が半導体からなる場合、この制御電極Ｇ
と障壁層３とはショットキー接合を形成する。この場
合、障壁層１は接地されている。
【００４２】障壁層１、量子井戸部２および障壁層３を
構成するそれぞれの物質の伝導帯の最下端のエネルギー
をＥc1、Ｅc2、Ｅc3とすると、これらはＥc3＞Ｅc1＞Ｅ
c2なる関係を満たす。このとき、量子箱ＱＢ中に電子が
零次元的に局在する束縛状態が存在し、電子のエネルギ
ー準位は離散的になっている。
構成するそれぞれの物質の伝導帯の最下端のエネルギー
をＥc1、Ｅc2、Ｅc3とすると、これらはＥc3＞Ｅc1＞Ｅ
c2なる関係を満たす。このとき、量子箱ＱＢ中に電子が
零次元的に局在する束縛状態が存在し、電子のエネルギ
ー準位は離散的になっている。
【００４３】この場合、量子箱アレイの量子箱ＱＢは、
量子箱ＱＢ間のトランスファーエネルギーに対して電子
間相互作用エネルギーが十分な大きさとなるように形成
されている。例えば、この量子素子の動作温度を３０〜
４０Ｋ程度以下の温度領域とし、また量子箱ＱＢをＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体で形成するとすると、量子箱ＱＢ
の間隔は１０ｎｍ程度以下に選ばれる。また、この量子
箱ＱＢの大きさは、例えば５ｎｍ程度に選ばれる。な
お、障壁層３を構成する物質として絶縁体またはポテン
シャル障壁が高く、誘電率が小さい半導体を用いること
は、量子箱ＱＢ間のトランスファーエネルギーに対して
電子間相互作用エネルギーを十分に大きくする見地から
望ましいことである。
量子箱ＱＢ間のトランスファーエネルギーに対して電子
間相互作用エネルギーが十分な大きさとなるように形成
されている。例えば、この量子素子の動作温度を３０〜
４０Ｋ程度以下の温度領域とし、また量子箱ＱＢをＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体で形成するとすると、量子箱ＱＢ
の間隔は１０ｎｍ程度以下に選ばれる。また、この量子
箱ＱＢの大きさは、例えば５ｎｍ程度に選ばれる。な
お、障壁層３を構成する物質として絶縁体またはポテン
シャル障壁が高く、誘電率が小さい半導体を用いること
は、量子箱ＱＢ間のトランスファーエネルギーに対して
電子間相互作用エネルギーを十分に大きくする見地から
望ましいことである。
【００４４】この一実施例による量子素子を互いに格子
整合する半導体を用いて実現するためには、例えば、障
壁層１を構成する物質としてＡｌＧａＡｓ、量子井戸部
２を構成する物質としてＧａＡｓ、障壁層３を構成する
物質としてＡｌＡｓを用いればよい。
整合する半導体を用いて実現するためには、例えば、障
壁層１を構成する物質としてＡｌＧａＡｓ、量子井戸部
２を構成する物質としてＧａＡｓ、障壁層３を構成する
物質としてＡｌＡｓを用いればよい。
【００４５】この一実施例による量子素子のエネルギー
バンド構造を図２の線α−αおよび線β−βに沿って示
すと、それぞれ図３および図４のようになる。なお、図
３において、ＥF はフェルミエネルギーである。
バンド構造を図２の線α−αおよび線β−βに沿って示
すと、それぞれ図３および図４のようになる。なお、図
３において、ＥF はフェルミエネルギーである。
【００４６】上述のように構成されたこの一実施例によ
る量子素子においては、制御電極Ｇの電位Ｖg を変化さ
せることにより、量子箱アレイの化学ポテンシャルを変
化させ、量子箱アレイ中の束縛状態に存在する電子数を
変化させることができる。このため、すでに述べた原理
に従って、いくつかの安定な電子の空間分布を複数の論
理状態に対応させれば、多値の論理状態を保持すること
ができる素子を実現することができる。すなわち、この
量子素子の系をコンデンサーとみなし、その一方の極板
が制御電極Ｇ、他方の極板が量子箱アレイの部分である
とすると、この量子箱アレイの部分からなる他方の極板
内での電荷分布に空間的に安定な状態が存在し、系がこ
の安定な状態にあるときには電子密度の揺らぎが消失
し、コンデンサーに加えられる電圧の変化に対してそれ
に蓄積される電荷が一定に保持される。従って、このこ
とを利用すれば、例えば、多値のＤＲＡＭを実現するこ
とができる。また、この安定状態は電荷の特徴的な空間
分布を伴っているため、例えば空間パターン処理のフィ
ルタにも利用することができる。
る量子素子においては、制御電極Ｇの電位Ｖg を変化さ
せることにより、量子箱アレイの化学ポテンシャルを変
化させ、量子箱アレイ中の束縛状態に存在する電子数を
変化させることができる。このため、すでに述べた原理
に従って、いくつかの安定な電子の空間分布を複数の論
理状態に対応させれば、多値の論理状態を保持すること
ができる素子を実現することができる。すなわち、この
量子素子の系をコンデンサーとみなし、その一方の極板
が制御電極Ｇ、他方の極板が量子箱アレイの部分である
とすると、この量子箱アレイの部分からなる他方の極板
内での電荷分布に空間的に安定な状態が存在し、系がこ
の安定な状態にあるときには電子密度の揺らぎが消失
し、コンデンサーに加えられる電圧の変化に対してそれ
に蓄積される電荷が一定に保持される。従って、このこ
とを利用すれば、例えば、多値のＤＲＡＭを実現するこ
とができる。また、この安定状態は電荷の特徴的な空間
分布を伴っているため、例えば空間パターン処理のフィ
ルタにも利用することができる。
【００４７】この一実施例による量子素子の量子箱アレ
イにおける複数の安定な電子の空間分布は、電子の実効
的エネルギー準位が量子箱アレイ中の電子数（密度）に
依存することを利用した方法で読み出すことができる。
その具体的方法を以下において説明する。
イにおける複数の安定な電子の空間分布は、電子の実効
的エネルギー準位が量子箱アレイ中の電子数（密度）に
依存することを利用した方法で読み出すことができる。
その具体的方法を以下において説明する。
【００４８】先の数値計算の例でも述べたように、量子
箱アレイ中の電子の実効的エネルギー準位は、量子箱ア
レイの電子密度に依存している。このことにより、量子
箱アレイが吸収することができる光の波長は、複数の安
定な電子の空間分布のいずれが実現されているかによっ
て異なる。この光の吸収には、価電子帯から束縛状態の
実効的エネルギー準位への遷移に伴うものと、束縛状態
の実効的エネルギー準位から散乱状態への遷移に伴うも
のとがある。従って、このことを利用して、複数の波長
の光を照射することができる光源を用いて、量子箱アレ
イの光吸収からその電子の空間分布の状態を知ることが
できる。
箱アレイ中の電子の実効的エネルギー準位は、量子箱ア
レイの電子密度に依存している。このことにより、量子
箱アレイが吸収することができる光の波長は、複数の安
定な電子の空間分布のいずれが実現されているかによっ
て異なる。この光の吸収には、価電子帯から束縛状態の
実効的エネルギー準位への遷移に伴うものと、束縛状態
の実効的エネルギー準位から散乱状態への遷移に伴うも
のとがある。従って、このことを利用して、複数の波長
の光を照射することができる光源を用いて、量子箱アレ
イの光吸収からその電子の空間分布の状態を知ることが
できる。
【００４９】このことを先の数値計算で扱った場合につ
いて具体的に説明すると次のようになる。先に述べた例
（図１参照）では、ρが０〜１／２の範囲では実効的な
エネルギー準位はμ〜０．０の近傍に対応するエネルギ
ー（これをεA とする）であり、ρが１／２〜１の範囲
では実効的なエネルギー準位はμ〜４０．０の近傍に対
応するエネルギー（これをεB とする）であった。この
とき、図５に示すエネルギー差Ｅi （ｉ＝１〜４）に対
応する振動数νi ＝Ｅi ／ｈ（ｈ：プランク定数）を有
する光の吸収の有無を○×で表すと、次表のようにな
る。なお、図５において、障壁層１、量子井戸部２およ
び障壁層３を構成するそれぞれの物質の価電子帯の最上
端のエネルギーをＥv1、Ｅv2、Ｅv3で表した。
いて具体的に説明すると次のようになる。先に述べた例
（図１参照）では、ρが０〜１／２の範囲では実効的な
エネルギー準位はμ〜０．０の近傍に対応するエネルギ
ー（これをεA とする）であり、ρが１／２〜１の範囲
では実効的なエネルギー準位はμ〜４０．０の近傍に対
応するエネルギー（これをεB とする）であった。この
とき、図５に示すエネルギー差Ｅi （ｉ＝１〜４）に対
応する振動数νi ＝Ｅi ／ｈ（ｈ：プランク定数）を有
する光の吸収の有無を○×で表すと、次表のようにな
る。なお、図５において、障壁層１、量子井戸部２およ
び障壁層３を構成するそれぞれの物質の価電子帯の最上
端のエネルギーをＥv1、Ｅv2、Ｅv3で表した。
【００５０】 ───────────────────── ρ ν1 ν2 ν3 ν4 ───────────────────── ０ ○ × × × 1/2 × ○ ○ × １ × × ○ ○ ─────────────────────
【００５１】従って、振動数ν1 〜ν4 のうちの任意の
二つの振動数の光を用いれば、量子箱アレイにおける上
述の電子の空間分布の三つの状態を区別して読み出すこ
とができる。
二つの振動数の光を用いれば、量子箱アレイにおける上
述の電子の空間分布の三つの状態を区別して読み出すこ
とができる。
【００５２】以上のように、この一実施例による量子素
子によれば、量子箱ＱＢ間のトランスファーエネルギー
に対して電子間の相互作用エネルギーが十分な大きさを
有するように量子箱アレイが構成されていることによ
り、この量子箱アレイには例えば三つの安定な電子の空
間分布が存在し、このためこの量子素子は例えば三つの
状態を保持することができる。この量子素子は、多値の
論理状態を保持することができる素子として用いること
ができる。また、この量子素子は、比較的少数の電子を
用いているにもかかわらず、量子箱アレイに安定な電子
の空間分布が実現されているときには、電子間相互作用
によって電子密度の揺らぎが抑制されていて統計的に安
定であり、従って動作の安定を図ることができる。
子によれば、量子箱ＱＢ間のトランスファーエネルギー
に対して電子間の相互作用エネルギーが十分な大きさを
有するように量子箱アレイが構成されていることによ
り、この量子箱アレイには例えば三つの安定な電子の空
間分布が存在し、このためこの量子素子は例えば三つの
状態を保持することができる。この量子素子は、多値の
論理状態を保持することができる素子として用いること
ができる。また、この量子素子は、比較的少数の電子を
用いているにもかかわらず、量子箱アレイに安定な電子
の空間分布が実現されているときには、電子間相互作用
によって電子密度の揺らぎが抑制されていて統計的に安
定であり、従って動作の安定を図ることができる。
【００５３】以上、この発明の一実施例について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。
に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。
【００５４】例えば、上述の一実施例においては、量子
箱が二次元的に配列された二次元の量子箱アレイを用い
た場合について説明したが、この発明は、量子箱が一次
元的または三次元的に配列された一次元または三次元の
量子箱アレイを用いる場合にも同様に適用することが可
能である。
箱が二次元的に配列された二次元の量子箱アレイを用い
た場合について説明したが、この発明は、量子箱が一次
元的または三次元的に配列された一次元または三次元の
量子箱アレイを用いる場合にも同様に適用することが可
能である。
【００５５】
【発明の効果】以上説明したように、この発明による量
子素子によれば、特に、量子箱間のトランスファーエネ
ルギーよりも電子間または正孔間の相互作用エネルギー
が大きくなるように構成されているので、複数の量子箱
からなる量子箱系に三つ以上の複数の安定な電子または
正孔の空間分布が存在するようにすることができ、従っ
て三つ以上の複数の状態を保持することができる素子を
実現することができる。また、この量子素子は、比較的
少数の電子または正孔を用いることができることから、
消費電力の低減を図ることができる。さらに、この量子
素子は、比較的少数の電子または正孔を用いながらも、
安定な電子または正孔の空間分布が実現されているとき
には、電子間または正孔間の相互作用によって電子また
は正孔の密度の揺らぎが抑制されていて統計的に安定で
あり、動作の安定を図ることができる。
子素子によれば、特に、量子箱間のトランスファーエネ
ルギーよりも電子間または正孔間の相互作用エネルギー
が大きくなるように構成されているので、複数の量子箱
からなる量子箱系に三つ以上の複数の安定な電子または
正孔の空間分布が存在するようにすることができ、従っ
て三つ以上の複数の状態を保持することができる素子を
実現することができる。また、この量子素子は、比較的
少数の電子または正孔を用いることができることから、
消費電力の低減を図ることができる。さらに、この量子
素子は、比較的少数の電子または正孔を用いながらも、
安定な電子または正孔の空間分布が実現されているとき
には、電子間または正孔間の相互作用によって電子また
は正孔の密度の揺らぎが抑制されていて統計的に安定で
あり、動作の安定を図ることができる。
【図１】３２×３２のサイズの正方格子状に量子箱が配
列された量子箱アレイに関して行われたモンテカルロシ
ミュレーションによる数値計算の結果を示すグラフであ
る。
列された量子箱アレイに関して行われたモンテカルロシ
ミュレーションによる数値計算の結果を示すグラフであ
る。
【図２】この発明の一実施例による量子素子を示す断面
図である。
図である。
【図３】図２の線α−αに沿う方向のエネルギーバンド
図である。
図である。
【図４】図２の線β−βに沿う方向のエネルギーバンド
図である。
図である。
【図５】この発明の一実施例による量子素子の量子箱ア
レイにおける電子の空間分布を読み出す方法を説明する
ためのエネルギーバンド図である。
レイにおける電子の空間分布を読み出す方法を説明する
ためのエネルギーバンド図である。
【図６】単一量子箱のポテンシャル井戸およびこのポテ
ンシャル井戸内の電子の基底状態の波動関数を概念的に
示す略線図である。
ンシャル井戸内の電子の基底状態の波動関数を概念的に
示す略線図である。
【図７】二つの量子箱から成る量子箱結合系を示す略線
図である。
図である。
１、３ 障壁層 ２ 量子井戸部 ＱＢ 量子箱 Ｇ ゲート電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年６月２１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００６】この発明による量子素子の一実施形態にお
いては、複数の量子箱（ＱＢ）において電子間または正
孔間の相互作用によって現れる複数の統計的に安定また
は準安定な電子または正孔の空間分布、複数の量子箱
（ＱＢ）中の電子または正孔の密度の揺らぎの消失、お
よび、複数の量子箱（ＱＢ）中の電子または正孔の数の
変化の特徴的性質のうちの少なくとも一つを利用してい
る。
いては、複数の量子箱（ＱＢ）において電子間または正
孔間の相互作用によって現れる複数の統計的に安定また
は準安定な電子または正孔の空間分布、複数の量子箱
（ＱＢ）中の電子または正孔の密度の揺らぎの消失、お
よび、複数の量子箱（ＱＢ）中の電子または正孔の数の
変化の特徴的性質のうちの少なくとも一つを利用してい
る。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３４】すなわち、この量子箱系の電子密度（量子
箱系の電子数／量子箱数）をρ、逆温度をかけて無次元
化した化学ポテンシャルをμとすると、∂＜ρ＞／∂μ
〜０となる領域が存在する。今、量子箱系の量子箱数を
Ｎとすると、量子箱系の電子密度の揺らぎは （＜ρ−＜ρ＞）２＞）１／２＝（１−Ｎ１／２）（∂＜ρ＞／∂μ）１／ ２ で表されるから、この∂＜ρ＞／∂μ〜０の領域では電
子密度の揺らぎが消失することがわかる。なお、＜ ＞
は統計平均をとることを表す。
箱系の電子数／量子箱数）をρ、逆温度をかけて無次元
化した化学ポテンシャルをμとすると、∂＜ρ＞／∂μ
〜０となる領域が存在する。今、量子箱系の量子箱数を
Ｎとすると、量子箱系の電子密度の揺らぎは （＜ρ−＜ρ＞）２＞）１／２＝（１−Ｎ１／２）（∂＜ρ＞／∂μ）１／ ２ で表されるから、この∂＜ρ＞／∂μ〜０の領域では電
子密度の揺らぎが消失することがわかる。なお、＜ ＞
は統計平均をとることを表す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３６】
【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照しながら説明する。実施例を説明する前に、まず、３
２×３２のサイズの正方格子状に量子箱が配列された量
子箱アレイに関して行われたモンテカルロシミュレーシ
ョンによる数値計算の結果について説明する。その結果
を図１に示す。ここで、図１の横軸μは量子箱アレイの
化学ポテンシャルに逆温度をかけて無次元化したもの、
縦軸は量子箱アレイの電子密度の統計平均＜ρ＞を表
す。また、パラメータとして用いたεは、量子箱アレイ
の最近接量子箱間のクーロンエネルギーに逆温度をかけ
て無次元化したものを表す。この計算においては、電子
は有限のポテンシャル障壁によって量子箱に閉じ込めら
れ、量子箱アレイの全ての量子箱に共通のエネルギー準
位を有する電子が各量子箱に局在した束縛状態が唯一つ
存在する（一般性を失うことなくこのエネルギーを０と
おくことができる）こと、オンサイトクーロンエネルギ
ーが十分に大きく、一つの量子箱中に互いにスピンが異
なる二個の電子が局在する束縛状態が存在しないこと、
量子箱間のトランスファーエネルギーおよび最近接の量
子箱間以外のインターサイトクーロンエネルギーがほと
んど無視できること、を仮定している。
照しながら説明する。実施例を説明する前に、まず、３
２×３２のサイズの正方格子状に量子箱が配列された量
子箱アレイに関して行われたモンテカルロシミュレーシ
ョンによる数値計算の結果について説明する。その結果
を図１に示す。ここで、図１の横軸μは量子箱アレイの
化学ポテンシャルに逆温度をかけて無次元化したもの、
縦軸は量子箱アレイの電子密度の統計平均＜ρ＞を表
す。また、パラメータとして用いたεは、量子箱アレイ
の最近接量子箱間のクーロンエネルギーに逆温度をかけ
て無次元化したものを表す。この計算においては、電子
は有限のポテンシャル障壁によって量子箱に閉じ込めら
れ、量子箱アレイの全ての量子箱に共通のエネルギー準
位を有する電子が各量子箱に局在した束縛状態が唯一つ
存在する（一般性を失うことなくこのエネルギーを０と
おくことができる）こと、オンサイトクーロンエネルギ
ーが十分に大きく、一つの量子箱中に互いにスピンが異
なる二個の電子が局在する束縛状態が存在しないこと、
量子箱間のトランスファーエネルギーおよび最近接の量
子箱間以外のインターサイトクーロンエネルギーがほと
んど無視できること、を仮定している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３７】図１から、量子箱アレイの電子密度＜ρ＞
には、三つの安定な値＜ρ＞〜０．１／２、１が存在す
ることがわかる。＜ρ＞がこれらの三つの値をとってい
るときの量子箱アレイにおける電子の空間分布は、電子
が存在する量子箱がない状態（＜ρ＞〜０）、電子が存
在する量子箱と電子が存在しない量子箱とが交互に並ん
でいる状態（＜ρ＞〜１／２）、または、電子が全ての
量子箱に一つずつ存在する状態（＜ρ＞〜１）にある。
従って、これらの安定な三つの電子の空間分布を利用す
ることにより三値の状態を保持することができる。
には、三つの安定な値＜ρ＞〜０．１／２、１が存在す
ることがわかる。＜ρ＞がこれらの三つの値をとってい
るときの量子箱アレイにおける電子の空間分布は、電子
が存在する量子箱がない状態（＜ρ＞〜０）、電子が存
在する量子箱と電子が存在しない量子箱とが交互に並ん
でいる状態（＜ρ＞〜１／２）、または、電子が全ての
量子箱に一つずつ存在する状態（＜ρ＞〜１）にある。
従って、これらの安定な三つの電子の空間分布を利用す
ることにより三値の状態を保持することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３９】量子箱アレイの電子にこのように安定な三
つの状態が存在するということは、電子の多体相互作用
によってエネルギーギャップが生じた結果とみなすこと
ができる。そして、このエネルギーギャップにより、も
ともと一つのエネルギー準位のみしか存在しなかった量
子箱系に、電子密度＜ρ＞に依存する実効的な二つのエ
ネルギー準位が生じていると考えられる。例えば、ε＝
１０．０の場合では、＜ρ＞は化学ポテンシャルμの増
加に伴ってμ〜０．０の近傍およびμ〜４０．０の近傍
でそれぞれ立ち上がっており、＜ρ＞が０〜１／２の範
囲では実効的なエネルギー準位はμ〜０．０の近傍に対
応するエネルギーであり、＜ρ＞が１／２〜１の範囲で
は実効的なエネルギー準位はμ〜４０．０の近傍に対応
するエネルギーである。
つの状態が存在するということは、電子の多体相互作用
によってエネルギーギャップが生じた結果とみなすこと
ができる。そして、このエネルギーギャップにより、も
ともと一つのエネルギー準位のみしか存在しなかった量
子箱系に、電子密度＜ρ＞に依存する実効的な二つのエ
ネルギー準位が生じていると考えられる。例えば、ε＝
１０．０の場合では、＜ρ＞は化学ポテンシャルμの増
加に伴ってμ〜０．０の近傍およびμ〜４０．０の近傍
でそれぞれ立ち上がっており、＜ρ＞が０〜１／２の範
囲では実効的なエネルギー準位はμ〜０．０の近傍に対
応するエネルギーであり、＜ρ＞が１／２〜１の範囲で
は実効的なエネルギー準位はμ〜４０．０の近傍に対応
するエネルギーである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４９】このことを先の数値計算で扱った場合につ
いて具体的に説明すると次のようになる。先に述べた例
（図１参照）では、＜ρ＞が０〜１／２の範囲では実効
的なエネルギー準位はμ〜０．０の近傍に対応するエネ
ルギー（これをεＡとする）であり、＜ρ＞が１／２〜
１の範囲では実効的なエネルギー準位はμ〜４０．０の
近傍に対応するエネルギー（これをεＢとする）であっ
た。このとき、図５に示すエネルギー差Ｅｉ（ｉ＝１〜
４）に対応する振動数νｉ＝Ｅｉ／ｈ（ｈ：プランク定
数）を有する光の吸収の有無を○×で表すと、次表のよ
うになる。なお、図５において、障壁層１、量子井戸部
２および障壁層３を構成するそれぞれの物質の価電子帯
の最上端のエネルギーをＥｖ１、Ｅｖ２、Ｅｖ３で表し
た。
いて具体的に説明すると次のようになる。先に述べた例
（図１参照）では、＜ρ＞が０〜１／２の範囲では実効
的なエネルギー準位はμ〜０．０の近傍に対応するエネ
ルギー（これをεＡとする）であり、＜ρ＞が１／２〜
１の範囲では実効的なエネルギー準位はμ〜４０．０の
近傍に対応するエネルギー（これをεＢとする）であっ
た。このとき、図５に示すエネルギー差Ｅｉ（ｉ＝１〜
４）に対応する振動数νｉ＝Ｅｉ／ｈ（ｈ：プランク定
数）を有する光の吸収の有無を○×で表すと、次表のよ
うになる。なお、図５において、障壁層１、量子井戸部
２および障壁層３を構成するそれぞれの物質の価電子帯
の最上端のエネルギーをＥｖ１、Ｅｖ２、Ｅｖ３で表し
た。
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
Claims (4)
- 【請求項１】 複数の量子箱を有し、 上記複数の量子箱中に存在する電子または正孔の数が可
変であり、 上記量子箱間のトランスファーエネルギーよりも電子間
または正孔間の相互作用エネルギーが大きくなるように
構成されている量子素子。 - 【請求項２】 上記複数の量子箱において電子間または
正孔間の相互作用によって現れる複数の統計的に安定ま
たは準安定な電子または正孔の空間分布、上記複数の量
子箱の電子または正孔の密度の揺らぎの消失、および、
上記複数の量子箱中の電子または正孔の数の変化の特徴
的性質のうちの少なくとも一つを利用していることを特
徴とする請求項１記載の量子素子。 - 【請求項３】 上記複数の量子箱における電子または正
孔の空間分布の状態を電子または正孔の多体相互作用に
よる実効的エネルギー準位を利用して読み出すようにし
たことを特徴とする請求項１または２記載の量子素子。 - 【請求項４】 第１の障壁層と、 上記第１の障壁層上に設けられた複数の箱状の量子井戸
部と、 上記複数の量子井戸部を覆うように上記第１の障壁層上
に設けられた第２の障壁層と、 上記第２の障壁層上に設けられた制御電極とを有し、 上記第１の障壁層、上記第２の障壁層および上記複数の
箱状の量子井戸部により上記複数の量子箱が構成され、 上記制御電極の電位を変化させることにより上記複数の
量子箱中に存在する電子または正孔の数が可変となって
いることを特徴とする請求項１、２または３記載の量子
素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5259482A JPH0794707A (ja) | 1993-09-22 | 1993-09-22 | 量子素子 |
| US08/309,888 US5512762A (en) | 1993-09-22 | 1994-09-20 | Quantum device with plural stable states |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5259482A JPH0794707A (ja) | 1993-09-22 | 1993-09-22 | 量子素子 |
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ID=17334698
Family Applications (1)
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| JP5259482A Pending JPH0794707A (ja) | 1993-09-22 | 1993-09-22 | 量子素子 |
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1993
- 1993-09-22 JP JP5259482A patent/JPH0794707A/ja active Pending
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1994
- 1994-09-20 US US08/309,888 patent/US5512762A/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10048430A1 (de) * | 2000-09-29 | 2002-04-25 | Bosch Gmbh Robert | Piezoelektrischer Aktor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5512762A (en) | 1996-04-30 |
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