JPH0654809B2 - 量子ウエル装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は量子結合電子装置の製造方法に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする問題点］ ＭＯＳ装置が４分の１ミクロンのチャンネル長さの域に
達する頃には、或いは恐らくもっとずっと大きな寸法の
時でさえ、従来のＶＬＳＩ集積技術テクノロジーはそれ
以上のスケーリングを妨げられるであろうと言う事が一
般的に認識されている。集積回路の可能性の多くの前進
はスケーリングの絶え間無い進歩に基づいていた故に、
近い将来のこの障害は大きな関心事である。

従って本発明の目的は、能動装置が、寸法が４分の１ミ
クロンよりも小さな活性領域を持ち得る集積回路テクノ
ロジーを提供する事である。

本発明のもう１つの目的は、各々の能動装置の占める全
面積が平均１平方ミクロンの１／４以下の能動装置を製
造する事の出来る集積回路テクノロジーを提供する事で
ある。

従来の集積回路テクノロジーのもう１つの内在的制約は
速度である。ＭＯＳ装置はチャンネル長さ走行時間の故
にその速度の点で内在的制約を持っている。集積化の出
来るバイポーラ装置も又、ベース幅走行時間に起因する
内在的な速度制約を有しており、又電力散逸も多いと思
われる。

従って、どの様なＭＯＳ装置よりも高い潜在的最高速度
を持つ能動装置を提供する事が本発明の１つの目的であ
る。

どの様なバイポーラ装置よりも潜在的に速い能動装置を
提供する事は本発明のもう１つの目的である。

どの様なバイポーラ装置よりも潜在的に速く、又電力散
逸も非常に少ない能動装置を提供する事は本発明のもう
１つの目的である。

これらの並びにその他の目的を達成する為に、本発明は
次のものを提案する、少なくとも２つの密度に隣接した
ポテンシャルウェル（例えばＡｌＧａＡｓ格子の中のＧ
ａＡｓの島）が十分に小さく作られ、その為にウエルの
内部に於けるキャリアの少なくとも２つの運動成分が別
々に量子化される、新種類の電子装置。この事は、ウエ
ル相互間のバイアスが２つのウエルのエネルギー準位を
整合させる様に調整されているとトンネル現象が非常に
すみやかに発生するが、エネルギー準位が整合されてい
ないと、トンネル現象は著しく弱められると言う事を意
味している。この高利得メカニズムから有用な電子装置
機能がもたらされる。

しかしながら、極めて小さい寸法のために、これらの装
置は製造することが非常に困難である。特に、高温で作
動する（例えば、室温や液体窒素温度での作動）実例に
ついては、幾何学的寸法（ジオメトリー）はより小さい
ものが要求される。しかも、これら非常に小さな幾何学
的寸法のウェルを、ウェルの境界において非常に良好な
界面が保持されるように、製造する必要がある。

本発明の目的は、最大寸法が５００オングストローム以
下で非常に良好な界面が設けられている量子ウエルの量
子ウエル装置の製法を提供することである。

本発明の更なる目的は、更に、量子ウエルを結合するた
めの接点が設けられている装置の製造方法を提供するこ
とである。

本発明の更なる目的は、最大寸法が１５０オングストロ
ーム以下で非常な良好な界面品質の量子ウエルを有し、
量子ウエルに結合する接点が設けられている量子ウエル
装置を提供することである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明により以下の製造方法が提供される。

すなわち、 (A)基板を用意するステップと、 (B)前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエピ
タキシャル層を設けるステップであって、前記第１の層
は少なくとも１０¹⁷単位立方センチメートルの濃度にド
ープされ且つ少なくとも２００nmの厚さで、前記第２の
層は５×１０¹⁷単位立方センチメートルより大きくない
ドーパント濃度を含み厚さは３００オングストロームよ
り少ない、ステップと、 (C)前記第２の層を貫通するが前記第１の層を完全には
貫通しない、第１のパターン状に堀を異方性エッチング
するステップと、 (D)実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半導体
材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１の半
導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料をエピ
タキシャル成長させるステップと、 (E)前記第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第２
のパターンで堀を異方性エッチングするステップと、 (F)実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２の
半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 (G)所望の回路機能を構成するよう導電層を形成するス
テップと、 を含む量子ウエル装置の製造方法であって、前記第１と
第２のパターン化された堀のエッチは前記第２の層の孤
立部分内の複数の量子ウエルを共同して形成し、また、 前記第２のトレンチエッチは前記第１の層内の前記量子
ウエルの相互連結を形成する、 量子ウエルの製造方法である。

［実施例］ 本発明は、これ迄集積回路を作る為に電子工業界で用い
られて来たトランジスタやダイオードの構造とは基本的
に異なる能動装置を示す。即ち本発明によって示されて
いる能動装置は電界効果トランジスタでもバイポーラト
ランジスタでもなく、基本的に勝つ全く異なる原理に従
って働く。

本発明の多くの実施態様の鍵となる特徴は一対の近接し
て結合された量子ウエルであるが、この量子ウエルの各
々の極めて小さく、その電子ポピュレーションが量子化
される程小さい、即ち、ウェルの中の電子は幾つかの許
容エネルギーのうち１つだけしか持てない。本発明は古
典物理学では解析する事が出来ず、量子力学の知識で理
解しなければならない装置の作動様態を示している。

半導体プロセッシング分野に於ける進歩は今や、電子の
プロッホ波長に匹敵する、、極めて小さな寸法でパター
ンを描かれる様な半導体構造を可能にしている。（プロ
ッホ波長は半導体の中の電子の“幅”を測定する。電子
の位置は確率分布によって測定されなければならず、そ
の位置には或る程度の幅がある。）本発明は、これ迄の
半導体や集積回路の装置では見られなかった種類の新し
い原理の作動が可能な、新しいタイプの装置構造を達成
する為にブロッホ波長に近い寸法のパターン化された構
造を利用する事が出来ると言う事を利用している。

本発明の中で用いられている鍵となる作動原理の幾つか
を説明する簡単化されたサンプル実施態様が図１に示さ
れている。砒化ガリウム（ガリウム砒素）の離隔したウ
ェルが砒化アルミニウム・ガリウムのマトリックス（母
組織）の中に埋込まれている。半導体技術で良く知られ
ている様に、ＡｌＧａＡｓの禁止帯の幅（バンドギヤ
プ）はＧａＡｓのそれよりも広い。（もっと正確に言え
ば、Ａｌ×Ｇａ_１−ｘＡｓの式を持つ擬似二元合金はす
べて、ｘの関数として増加してゆく禁止帯の幅を持つ半
導体である。）この異なる禁止帯の幅は、格子内の伝導
帯電子のポテンシャルエネルギーがＧａＡｓの領域内で
はＡｌＧａＡｓの領域内よりも低いと言う事を意味して
いる。この材料系の特別な長所は、ＧａＡｓとＡｌＧａ
Ａｓとの間の界面が非常に良い挙動をする界面であると
言う事であり、即ちこれらの界面は極めて低い密度の表
面エネルギー準位で作る事が出来（Ｓｉ／ＳｉＯ_２界面
よりも低い）、且つ界面のＧａＡｓ側とＡｌＧａＡｓ側
との間でほとんど完全な格子整合を保つ事が出来る。し
かしながら、以下に論じられる様に、本発明は、単に半
導体だけにとどまらず、広い範囲にわたる様々な素材系
を用いて実施する事が出来る。

図１のサンプル実施態様に於いて、ウェル１０は約１２
５オングストロームの幅を持ち、又ウェル相互間の間隔
も又約１２５オングストロームである。これらのウェル
のディメンション（寸法）は、ウェルの中の電子のエネ
ルギー状態が量子化される程十分小さい。即ち、これら
のウェルは好ましくは立方形に作られるが、上記の様な
ディメンションの立方形のウェルの中の電子の許容エネ
ルギー状態は電子のふるまいの為の実効質量近似計算を
用い、量子力学の箱の中の単純粒子の問題として容易に
計算する事が出来る。かくして、例えば、上記のウェル
のデイメンションの場合で且つアルミニウム濃度を３５
％とすると、４つの許容エネルギー状態が存在し、その
最も下にあるエネルギー状態はＧａＡｓを伝導帯の最低
点のボトムの上方にあり、且つ２番目に低いエネルギー
状態から０，０７０電子ボルトだけ分離さされている。
２番目に高いエネルギー状態は更に０．１１４電子ボル
トだけ上方にある。これらのエネルギー状態は量子化さ
れたものとして取り扱わねばならないと言う事に注意す
る事。この事は、ウェルの中の電子のエネルギーはこれ
らの許された、分離したエネルギー準位のうちの１つと
正確に等しくならなければならず、その他の値を取る事
は出来ない、と言う事を意味している。この事が本発明
の鍵である。この事が通常の半導体装置（例えそれが現
在の半導体装置のスケーリングによって達成される進ん
だ半導体装置であっても）との基本的な相異であると言
う事に注意する事、何故なら、従来のすべてのソリッド
ステート装置は−例えそれが電界効果形又はバイポーラ
形のトランジスタ或いはその他のどの様なものであれ−
半導体の伝導帯の中の電子のエネルギー準位がほぼ連続
している事を要求しているからである。

この様な量子化された系の中の各々のエネルギー準位が
入れる事の出来る電子数は厳しく制限されていると言う
事が注意されるべきである。即ち、本例の各々のウェル
のなかの最も下方にあるエネルギー準位はわずか２個の
電子、次に高い準位はわずか６個の電子、その次に高い
準位はわずか１０個の電子、等々、しかそれぞれ受け入
れる事が出来ない。この事はウェルの中のキャリア数が
厳しく制限されていると言う事を意味している。かくし
て、もし次のウェルのエネルギー状態が既に完全に充満
されていれば、キャリアはそのエネルギー状態へトンネ
ルしてゆく事は出来ない。各々のウェルは同時にわずか
な数のキャリアしか含む事はは出来ないが、他方では遷
移時間が明らかに短く（代表的に言えば１ピコ秒よりも
はるかに短い）、多くのウェル対を並列に働かせる事に
よって全電流を増やす事が出来ると言う事が注意される
べきである。

さて、この簡単な実施態様ではウェルは互いに、１つの
ウェルの中の電子の確率密度が隣のウェルの中へ及ぶ程
十分に近接して配置されている、即ち、図１のウェル１
０と１２は互いに十分に近接しているので電子はお互い
の間を容易にトンネルする事が出来る。特に、図１ｂに
示されている様に、第１のウェルの中の電子は第２のウ
ェルの中の同じエネルギーの状態へ容易にトンネルする
事が出来るが、勿論これは、空いている状態が第２のウ
ェルの中で実際に存在しているのと同じエネルギーを持
っている時にしか行われ得ない。しかしながら、２つの
ウェルの中のエネルギー準位が同列にないと仮定してみ
よう。この場合には第１のウェルの中の電子は第１のウ
ェルとは異なるエネルギーを持つ第２のウェルの状態
（準位）へトンネルする事しか出来ないが、この様な状
態へのトンネルが出来るのは第２のウェルの中の、下方
にある利用可能な状態のエネルギーに到達する為に十分
なエネルギーを電子が失うか或いは獲得する事が出来る
様な何らかのメカニズムも又存在している時だけであ
る。

この様なトンネル現象を達成する為に電子エネルギーを
変化させる為の主要メカニズムが表面エネルギー準位を
介する弛緩作用（緩和）である。即ち、半導体の界面と
同様の極めて良性のＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの界面でさ
えも、界面に無視する事の出来ない密度の表面エネルギ
ー準位を持っている。もし電子が散乱の為に利用可能な
位置（サイト）の１つを横切ると、この様な表面エネル
ギー準位は散乱現象を起こさせ、、電子がより高い又は
より低いエネルギーへ転移するのを許す。即ち、この界
面は、ウェルとウェルのエネルギー準位が同列にない場
合でも電子がウェルとウェルの間を遷移する事が出来る
様に電子からのエネルギーを変える事も出来る面積密度
の散乱サイトを持つと説明する事ができる。この遷移モ
ードは非弾性トンネル現象として知られている。第１の
ウェルから第２のウェルへ電子がエネルギーの変化無し
にトンネルするトンネル現象のもう１つのモードは共鳴
トンネル現象として知られている。

トンネル現象はエネルギーと運動量の両方の保存を要求
する。運動量も又小さいポテンシャルウェルでは量子化
される。即ち、、ポテンシャルウェルの境界を画定して
いる箱の各々のディメンションの中で、そのディメンシ
ョンの長さが短くなればなる程、その運動量成分の許容
値の幅も広くなる。かくして、後に引用されるSoloner
他の文献の中に報告されている様に、共鳴トンネル現象
は非常に近接して置かされ比較的低いポテンシャルの２
枚の薄いシートの間でも起こり得る。ポテンシャルウェ
ルの２つのディメンションは非常に大きいから、これら
の２つのディメンションの中の運動量成分は量子化され
ない。即ち、、ポテンシャルウェルの１つのディメンシ
ョンが大きいと、この方向の運動量成分の間隔は、背景
となっている格子のフォノンが運動量の差異をもたらす
のに有効となる程、近接する。即ち、格子の中に見られ
るフォノンの密度はボーズ＝アインシュタイン統計に従
い、背景の格子の温度ＴでエネルギーＥの格子の中に見
られるフォノン数は、 として変化する。フォノンのこのエネルギー分布はまた
フォノンの運動量の大きさの分布をも意味しており、
又、フォノンは妥当な半導体材料の中ではほぼ等方性と
して取り扱う事が出来るから、この同じ分布は運動量の
いずれか１つの特定の成分について希望する値を持つフ
ォノンの分布をも規定している。かくして、ポテンシャ
ルウェルの中の運動量の量子化は温度に関連してのみ分
離したもの（discrete）あるいは疑似連続（quasi-cont
inuous）のものとして考える事が出来る。即ち、例え
ば、幅１，０００オングストロームの箱は１Ｋで運動量
の量子化をもたらすであろう。何故ならフォノンのポピ
ュレーションはエネルギー的に低い準位へ向かって殺到
するであろうが、３００Ｋでは無数の格子を背景とする
フォノンのポピュレーションがあって、許容運動量の値
と値の間のギャップを橋わたししてしまうので、この方
向での許容運動量の値と値の間の分離はあまり意味が無
い事になるであろうからである。即ち、この方向の運動
量は疑似連続値として扱われるべきであろう、即ち、入
って来るキャリアが持っていること運動量成分の値がど
うであっても、格子のフォノンがこの運動量成分を許容
値の１つに迄合わせてしまう事が出来るので、なおトン
ネル現象が可能となる。もし運動量の３つの成分のすべ
てが別々に量子化されれば、エネルギーも又別々に量子
化されねばならない事になる。エネルギー準位の量子化
は（荒い近似で言えば）ポテンシャルウェル体積にのみ
依存しているので、、薄くて偏平なポテンシャルウェル
は運動量の１つの成分についてはエネルギー準位を量子
化し且つ別々の許容準位を明確に分離する事が出来るで
あろうが、他の２つの運動量成分の許容値は互いに近接
しており、従ってこれらの値がトンネル現象に対して実
際的な強制を課する事はないであろう。即ち、共鳴トン
ネル現象の利得は、合致させられるべきパラメータの数
に従って高められる。間隔の近接した２つの立方形のポ
テンシャルウェルの間に於けるトンネル現象の場合、運
動量（従ってエネルギー）の３つのすべての成分は第１
のウェルの中のキャリアが出てゆく状態と第２のウェル
の中のキャリアが入ってゆく状態との間で整合していな
ければならない。即ち、もし入って来るキャリアが３つ
のすべての運動量の要求を満たしていなければ、キャリ
アが３つの運動量の値の各々の差を満たす為にぴったり
と見合った成分を持つ格子フォノンを見付けるチャンス
は非常に少ない。しかしながら、もし調整されるべき成
分が唯一であれば、偶然的に格子フォノンとの相互作用
によってこれを行うチャンスはずっと多くなる。

かくして、本発明の好ましい実施態様は運動量のすべて
の３つの成分が量子化された構造を用いている。しかし
ながら、本発明の幾分好ましさの劣る第１群の別の実施
態様は運動量の２つの成分だけは量子化されているがエ
ネルギーは量子化されていない構造、即ち近接配置され
た複数の薄いワイヤ、を用いている。フォノンによって
助けられたプロセスだけによって運動量の要求を満たす
事は容易であるが、エネルギーと運動量の両方の対話を
満足させる必要性が非弾性トンネル現象の背景の割合を
抑制させている。即ち、冶金学的界面にある散乱の中心
がキャリアのエネルギーを変える事が出来れば、格子フ
ォノンの１つが運動量に適切な調査をもたらす事は容易
である。

装置のディメンションがより小さく作られているので、
次の様な２つの好ましい効果が達成される、第１に、ウ
ェルのディメンションが小さくなると共にウェルの中の
量子化されたエネルギー準位のセパレーションが増大す
る。第２に、ウェルが互いにより近接すると共に、トン
ネル現象の速度が上昇する。即ち、トンネル現象の確率
は定数×ｅ×ｐ（−２ｄ×ｆ（Ｅ））として表される、
但しｄはウェルとウェルの間の距離又Ｅはエネルギー差
である。

この指定的依存性は、ウェルとウェルとの間の距離が小
さくなると共に共鳴トンネル現象の確率が著しく高まる
と言う事を意味している。非弾性トンネル現象はそれと
同じ様には増えない、何故なら上述の通り、良い材料の
中では、非弾性トンネル現象は散乱の中心の密度によっ
て制限されているからである。かくして、ウェル相互間
の間隔が約１２５Å又はそれ以下の場合は室温での作動
が可能となる。

共鳴トンネル現象に対する制限は熱的“スメアリング”
即ち、背景の熱エネルギーによって誘起されるエネルギ
ー準位のポピュレーションの再分配、によってもたらさ
れる。即ち、分離したエネルギー準位の各々のウェルの
内部に於ける状態分布密度が熱的スメアリングによって
幾分広げられる。より高い温度では熱的スメアリングは
より大きくなる。熱的スメアリングがもたらす問題は、
熱的スメアリングがより高いエネルギー準位の状態をも
たらさない様にする為に、作動温度が十分に低くなけれ
ばならないと言う事である。即ち、偶然的な合致と双方
向の弾性的トンネル現象を除去する為に電子は最も低い
エネルギー準位になければならない。これによって、エ
ネルギー間隔は電子の熱エネルギーよりもずっと大きく
なければならないと言う条件に還元される。かくして、
Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓマトリックスの中のＧａＡｓウェル
を用いて４゜Kで作動させた場合には、ウェルの幅（及び
ウェルの間隔）は約０．１〜０．２ミクロン又はそれ以
下でなければならない。しかしながら、作動温度を３０
０゜Kへ引き上げる為には、限界ディメンションを１２５
オングストローム又はそれ以下のオーダーの数迄引き下
げる事が必要である。

更に、図２に示されている様に、互いに隣接しているウ
ェルのエネルギー準位は、バイアスをかける事によって
簡単に整列させ或いは整列させない事が出来る。本ケー
スでは、伝導の方向に十分なバイアス電圧がかけられて
いるので、第２のウェルの中の第２の準位が第１のウェ
ルの中の第１の準位と整列させられている。この様な条
件下では共鳴トンネル現象が規制的に起こり、且つ第２
の準位から第２のウェルの中の基底状態への急速な緩和
が、この装置が単方向性であると言う事を保証してい
る。

もしこれと同じ構想に対してゼロバイアスを加えた場合
には、共鳴トンネル現象がなお可能であろうが、これは
恐らく双方向性となろう。即ち、ゼロバイアス時には２
つの隣接するウェルの中のエネルギー準位は整列する
が、電子は第１のウェルから第２のウェルへ向かって、
丁度第２のウェルから第１のウェルへ向かってトンネル
するのと同じ位速く、トンネルするであろう。但し、も
し図２に示されているバイアスの半分のバイアスが加え
られると、共鳴トンネル現象は（十分に低い温度の下で
は）禁止され、非弾性的トンネル現象だけが許容される
と言う事に注意する事。図３に示されているこの様なバ
イアス条件の下では、電子は上に論じられた通り散乱現
象が同時に起こる時にのみウェル１の状態からより低い
ウェル２の状態へ遷移する事が出来る。かくして、ディ
メンションが小さい時には、非弾性遷移の頻度は有効散
乱サイトの密度によって制限される。しかしながら、散
乱サイトの密度は実際には面積密度である。何故なら、
散乱サイトの密度は結晶格子内の粒子又は内部欠陥から
よりもむしろ主として表面エネルギー準位から生じるか
らである。かくして、制限因子が欠陥の面積密度である
故に、非弾性トンネル電流はウェルとウェルの間の距離
によっては比較的影響を受けない。この事は、良質の材
料の場合、ディメンションがスケーリングされると共に
共鳴トンネル電流が著しく増加するが、非弾性トンネル
電流はそれ程増加していないと言う事を意味している。

これからの現象の結果、２つのウェルの間に於けるトン
ネル現象の電流／電圧のグラフはほぼ図４に示されてい
る様に見えると言う事になる。即ち、非弾性トンネル現
象は印加された電圧と共にほぼ指数関数的に増加する電
流を供給する。共鳴トンネル現象も又、２つのウェルの
エネルギー準位が整列されるバイアス電圧の時に、この
曲線に対して付加される少なくとも１つの電流のピーク
を供給する。かくして、相当大きな負性の差抵抗の作動
条件が得られる。即ち、Sollner他の“周波数２．５Ｔ
Ｈｚ迄における量子ウェルを通る共鳴トンネル現象″応
用物理書簡４３号、５８８頁（１９８３年）［Sollnere
t al.Resonant Tunneling Through Quantum wells at F
requency up to 2.5THZ 43 Applied physics Letters
588（１９８３）］の中に報告されている様に、利得の
あるミリメートル・ダイオードが得られる。（但し、こ
の論文は上に述べられた様に唯一の運動量成分だけが分
離されているポテンシャルウェルを用いた。）一般的に
共鳴トンネル現象の物理学として知られているものを扱
っているその他の背景的参考文献には次のものがある、
chang他、“二重障壁半導体に於ける共鳴トンネル現
象″（Resonant Tunneling in Semiconductor Double B
arriers）、応用物理学書簡２４号、５９３頁（１９７
４年）、Ｔｓｕ他“超格子の中に於ける伝導電子の非直
線光学応答″ （Nonlinear Optical Response of Conduction Electro
ns in a Super Lattice）、応用物理学書簡１９号、２
４６頁（１９７１年）、Lebwohl他、″超格子に於ける
電気輸送特性″ （Electrical Transport Properties in a Super Latti
ce）、応用物理学ジャーナル（Journal of Applied phy
sics）４１号、２６６４頁 （１９７０年）、及びVojak他、“金属有機化学蒸着に
よって作られたマルチプル量子ウェルＡｌ_ｘＧａ_1-xＡ
ｓ₋ＧａＡｓ Ｐ−ｎヘテロ構造レーザの低温度作動″
（Lowtemperature opration of Multiple Quantum-Well
Ａｌ_ｘＧａ_1-xＡｓ₋ＧａＡｓ Ｐ−ｎ Hetero Struc
ture Lasers Grown by a Metal Organic Chemical Vapo
r Deposition）、応用物理学ジャーナル５０号、５８３
０頁（１９７９年）。これらの５つの参考文献はこれに
よってレファレンスに組み込まれる。（これ迄の議論の
幾つかの部分はこれからの論文や恐らくはその他の文献
の中に反映されている様な公知の物理学を反映している
に過ぎないが、これ迄の議論のその他の部分は公知では
なく、先行技術中のいかなる理解も反映されていないと
言う事が注意されるべきである。） しかしながら、先行技術は唯一のディメンションについ
て量子化されたポテンシャルウェルを示しており、この
様なポテンシャルウェルは弾性トンネル現象の為の選択
規則に対する要求の緩和を示唆している。本発明の好ま
しい実施態様よりは厳密な選択規則を有しており、且つ
（３つのすべてのディメンションが量子化される故に）
１つのディメンションについて量子化された装置よりも
劇的により多くの利得を有しているはずである。本発明
は、３つのすべてのディメンションが量子化されてお
り、この事がトンネル現象の条件に対して他の構造の場
合とは大いに異なる要求を課している、即ち、運動量の
要求が希望する弾性共鳴トンネル現象以外のものを大い
に抑圧している、と言う点でエサキ・トンネルダイオー
ドも２ディメンション性の電子ガス構造体とは大いに異
なっている。

以上の議論はウェルの中にわずかな数量子準位しかない
と言う事を仮定していたが、これからは大部分の都合の
良いウェルのディメンションの場合適当ではない。Ａｌ
ＧａＡｓの格子の中に１，０００オングストロームのＧ
ａＡｓのウェルが組み込まれていると言う、上記の様な
製造の中の量子準位のより現実的なエネルギー準位図は
図５に示されている様なものとなろう。箱の問題の中の
粒子に対する解決のよく知られている統計法によれば順
次高くなってゆくエネルギー準位は互いに間隔を徐々に
狭めながら配置されていると言う事に注意する事。この
事は、２つのウェルの間で最も低い幾つかの準位が整列
しない様なバイアス電圧の時でも、もっと高い準位の幾
つかは整列する可能性があると言う事を意味している。
しかしながら、これは大きな問題ではない、何故なら高
い方の準位は先に述べられた温度の要求の為にポピュレ
ーションが無くなっている事が多いからである。即ち、
より高い状態から空のより低い状態への緩和の為の寿命
は一般にトンネル現象の為の代表的時間よりもずっと短
いであろう。かくして、低い方の準位がトンネル現象に
よってポピュレーションを減らされれた後で、何らかの
やり方で励起された高い方の準位はトンネルするよりも
ずっと速く、電子を減らされた低い方の準位に向かって
緩和する傾向を持つ。しかしながら、、これは、空の低
い方の準位がトンネル現象が可能となる高い方の準位よ
りも下方にあると言う事を前提としている。この前提は
入力接点に対する要求を課する。次にこの要求について
述べよう。

図６は２つの結合されたウェル１０及び１２、並びに入
力及び出力接点１４及び１６から成るか系のエネルギー
準位図を示している。２つののウェルとそれらのウェル
の間の領域は好ましくはドープされていないのに対し
て、入力及び出力接点はドープされていると言う事に注
意する事。又入力及び出力接点を作る必要性から、ウェ
ルの寸法に対して次の様な２つの重要な制約が生じると
言う事にも注意する事、第１に、入力接点は、入力接点
をもたらしているドープされた半導体の中の電子フェル
ミ準位にほぼ等しいエネルギー迄、トンネル現象によっ
て第１のウェル１０のすべての準位を満たす。この事
は、この様にしてなお満たされている準位のいかなるも
のも、、トンネル現象が起こる事が望ましくない場合に
は第２のウェルの中の準位と整列してはならないと言う
事を意味している。即ち、もしウェルが大き過ぎる場合
には、ウェルの底部には分離されたエネルギー状態があ
るが、これらのウェルは入力接点のフェルミ準位の下方
に密接に間隔を置いて配置されたエネルギー状態を含ん
でいるであろう。

この事は、これらの密接に間隔を置いて配置されたエネ
ルギー状態は満たされるであろうと言う事、従ってもし
これらの密接な状態のうちのいずれかが第２のウェルの
中の状態と整列すれば共鳴トンネル電流が見られるであ
ろうと言うことを意味している。この事はこの装置の電
流利得が大きく減少されるであろうと言う事を意味して
いる。第２に、出力接点のフェルミ準位の上にある第２
のウェルの中のすべての準位は出力接点と平衡化する、
即ち、本質的に常に充満された状態にとどまっているで
あろう。この事はそれ自体としては問題ではない。何故
なら電子は第２のウェルの中のより高いエネルギー状態
から（大きな）出力接点の中に存在している状態の連続
体の中へトンネルする事が出来るからであるが、もし第
１のウェルの中のいるずれかの準位が第２のウェルの中
のこれらの充満された準位の中の１つと整列すると、第
１のウェルの中のその準位も又充満された状態にとどま
ってしまうであろう。

入力及び出力接点は好ましくは共に縮退的なドープされ
たｎ型であると言う事に注意する事。

ウェルの物理的形状は完全にシャープな境界線を持って
いるものとして説明されて来たが、これは厳密には現実
的ではない。即ち、良質のＢＭＥ材料の場合、遷移は一
般に非常にスムースなのでポテンシャルプロフィルは図
７に描かれているものにより正確に似ている様に見え
る。これは実際には有利である、何故ならエネルギー準
位はより等間隔に近く配置される傾向をもつからであ
る。即ち、エネルギー順位の配置がより等間隔に近くな
れば、下方にある多数のエネルギー準位が整列されな
い。より広いバイアス条件がある。

勿論、究極的に好ましい小さなウェルのディメンショ
ン、例えば１２５オングストローム、の場合、各々のウ
ェルの中の（エネルギー）状態の数は少なく、例えば１
つのウェル当り４つの状態、となろう。状態の数がこの
様に少ない場合には、実際に整列が存在しないバイアス
条件があろう。

上に説明された各々のトンネル遷移は各対の一致状態に
ついて限られた数の電子の遷移である。即ち、量子ウェ
ルの中の分離されたエネルギー準位の各々は或る限られ
た数の電子だけによって占められ得る。エネルギーウェ
ルがほぼ立方形と言う物理的形状を有している上述の例
の場合には、一番下方の準位はわずか２個の電子によっ
て占められ、それ以上の電子は入らない。その次に高い
エネルギー準位はわずか６個の電子によって占められ、
それ以上の電子は入らない。第３の準位はわずか１２個
の電子によって占められ、それ以上の電子は入らない。
それよりも上方の準位も、幾つかは偶然的な縮退の為に
もっと大きな最大占拠数を持つ事があり得るものの、大
部分はわずか１２個の電子によって占められ得る。かく
して、キャリアは例えば相手が許容エネルギー準位の場
合であってもその許容エネルギー準位が完全に占められ
てしまってはいない時にしかトンネルする事は出来ない
と言う事に注意する事が重要である。各々の許容エネル
ギー準位にある複数の状態は別の量子数によって区別さ
れる。即ち、例えば、第２のエネルギー準位の中の６個
の電子は可能な２つのスピン状態のうちに１つを取り、
且つ可能な３つの運動量ベクトル方向のうちの１つを取
り得る。しかしながら、等エネルギー状態の間に於ける
この様な区別は本発明を理解する為には比較的重要では
ない。

かくして、各々のトンネル遷移は整列された各々の一対
のウェルについて１２個迄のキャリアを運ぶ事が出来
る。一対以上のウェルが同時に整列される事があり得
る。その上多数の対のウェルが並列に働かせられ得る。
更に、トンネル現象の為の遷移時間は極端に短く、１ピ
コ秒以下となり得る。かくして、各々のトンネル現象の
中で遷移される電子の数はわずかでしかないものの、そ
れにもかかわらず妥当な電流密度が達成され得る。

かくして、基本的な１群の実施態様は、上に説明された
様に、２つの量子化されたウェルが入力接点を出力接点
から分離している構造である。しかしながら、本発明の
その他の側面からその他の沢山の種類の革新的な装置の
構造がもたらされる。

例えば、本発明にもとづく３端子装置が図８の平面図に
示されている。第１の量子ドット（点）２０２は第２の
量子ドット２０４と対にされており、この第２の量子ド
ット２０４は出力接点２１０と対にされている。量子ド
ット２０２及び２０４のディメンションは上で量子ウェ
ルについて論じられた様にして選択されるが、出力接点
２１０は十分に大きく作られるので疑似連続の状態が可
能となる。量子ウェル２０２は下の方から電極２０６と
対にされ（結合され）、又量子ウェル２０４は下の方か
ら電極２０８と対にされ（結合され）ている。

これらは好ましくは縮退的ドープされた半導体領域と
し、或いは金属線であっても良いが、いずれにせよ従来
の電子回路の形成の為に必要な長距離の経路をもたら
す。

この実施態様の現在好まれているバーションでは、量子
ウェル２０２及び２０４は分離して量子化された運動量
の２つの成分しか有していない、何故ならそれらのウェ
ルは直接それぞれの対応する電極へ接続されているから
である。即ち、電極２０６及び２０８は、例えば、その
上に従来の障壁メタリゼーションの薄層を持つタングス
テンとする事が出来る。量子ウェル２０２及び２０４の
ＧａＡｓはこの導体の上に直接形成される。電極２０６
及び２０８はこのましくはｎ^＋ＧａＡｓである。各々の
量子ウェル２０２又は２０４の下側及びそれぞれの接点
２０６又は２０８の上側には、オプションとして、Ａｌ
ＧａＡｓの薄い障壁を用意する事が出来る。この障壁は
十分に薄いのでそれを通して容易にトンネルが行われ、
従って各々の量子ウェルとそれぞれの対応する電極との
間のＤＣ結合を妨げる事はないが、それでもこの薄い障
壁は各々のウェル２０２及び２０４の内部に於ける運動
量の３つのすべてのパラメータの十分な量子化をもたら
す為には十分に小さく、それによって相対的な共鳴トン
ネル現象の利得を、わずかなプロセッシングの複雑化と
全電流のわずかな減少とを引換に、増加させる。

本質的にこれと同じ構造のより多きなスケーリングのバ
ージョンが図９に示されている。この３端子量子ウェル
装置はより大きな電流を得る為に、並列の沢山の連鎖の
量子ウェル対２０２，２０４を用いて構成する事が出来
る。電極２０６はソースとして働いているものとして、
電極２０８はゲート電極として、又電極２１０はドレン
電極として、考える事ができる、という事に注意する
事。パターン２１３はウェルのロケーション２０２及び
２０４を確定する為に用いる事が出来る。図１０はグラ
ンドプレーン２１１を含むこの構造の断面図を示してい
る。

この構造のもう１つの変形例が図１１に示されている。
追加電極２０８′がより長い連鎖、ウェル２０２，２０
４′，２０４′……等をもたらす為に用いられており、
その際共鳴トンネル現象は電極２０６と２０８′のすべ
ての上の電圧が共同で１つの条件（或いは小さな１組の
条件のうちの１つ）を満たしている時にのみ起こる、と
言う事に注意する事。即ち、図１２は共鳴トンネル現象
が発生する１組のサンプルの電極バイアス条件を示して
おり、又図１３は共鳴トンネル現象が起らない別の組の
バイアス条件を示している。

この多重なゲート装置はとりわけ読出し専用メモリの為
に有用である。

読出し専用メモリ（ＲＯＭ）の実施態様では、情報はコ
ラムラインからその下にある量子ウェルへの電気的結合
度を変える事によって、簡単にハードプログラムされ
る。この実施態様のサンプルが図１４に示されている。
この実施態様の特別な利点は金属線のパターン形成その
下にある量子ウェルのパターンに対して必ずしも正確に
整列されなくても良いと言う事にある。即ち、もし金属
線のピッチが量子ウェルピッチの２倍又はそれ以上に作
られるとしても、このＲＯＭはなお機能するであろう。

図示されているサンプルの実施態様に於いて、コラムラ
イン３０２，３０４，３０６、等は上方に横たわる金属
線である。コラムライン３０２は量子ウェルの列３１０
に対しては電気的に結合されているが、量子ウェルの列
３１２に対しては結合されていない（或いは例３１０に
対する程良く結合されてはいない）。この異なる結合は
フィールドプレートに切られた穴によって、或いは様々
な厚さにパターン化された絶縁体によって、実現する事
ができる。この構造のサンプルの作動モードは次の通り
である、背景ポテンシャルはすべてのコラム（即ち、ア
ースに固定されたすべてのコラム）について、共鳴トン
ネル現象が量子装置３１０，３１２、等の各々の列を通
して発生する様に定められる。

セルの中の１つのコラムを読出したいと言う場合には、
そのコラムの為のコラムライン３０２が別の電圧へ変え
られる。この別の電圧はコラムラインが電気的に結合さ
れている相手に列の中の共鳴トンネル現象を混乱させ、
これによってその列の中の共鳴トンネル現象を中断させ
る。

このコラムが電気的に結合されていない列の中では共鳴
トンネル現象は中断されないであろう。かくして、列の
中の電流を監視する事によって、アドレスされたコラム
と読出し列との交点の中にハードプログラムされた情報
が検出される。

本発明に従って量子ウェル装置を製造する為のサンプル
のプロセスを次に説明しよう。特に、上に述べられた３
端子装置の製造が、サンプルとして用いられる。

最初の材料は２つのエピタキシャル層を持つ半絶縁性の
ＧａＡｓ基板である。この基板は好ましくは、例えば１
立方センチメートル当り１０¹⁵迄、クロムをドープされ
るが、このトーピングは必ずしも必要ではない。第１の
エピタキシャル層はｎ^＋ＧａＡｓである。この層は（各
部位の）接続をもたらし、従ってかなり厚く且つかなり
高い電気伝導度を持ち、例えば厚さが５，０００オング
ストロームで１立方センチメートル当り１０¹⁸又はそれ
以上迄ドープされたｎ型である。この層の上に、実際の
量子ウエルを形成する様にパターン化される、薄い、、
わずかにドープされたｎ型の層が付着される。この層
は、例えば１立方センチメートル当り１０¹⁶にドープさ
れたｎ型であり、或るサンプルの実施態様ではその厚さ
１５０オングストロームである。（わずかなドーピング
が用いられるのは単に幾つかのキャリアが得られる様に
する為である。ドーピング量を多くすると非弾性トンネ
ル現象を増大させる事になろう。）図２１は基板４０２
の上にエピタキシャル層４０４及び４０６を持つ、初期
構造を示している。上に述べられた様に、オプションと
して、層４０４と４０６の間にＡｌＧａＡｓの極めて薄
い層を挿入する事が出来る。この挿入層は、望ましいシ
ャープなドーピング遷移をもたらす為に、好ましくは分
子ビームによって作られるが、この相は必ずしも必要で
はない。公にされている化学蒸着、とりわけ有機金属Ｃ
ＶＤ（ＭＯＣＶＤ）を用いた結果も極めてシャープな遷
移が得られる事を述べている。

最初のパターン形成段階がその後に続く。現在好まれて
いる実施態様では、パターン形成はＰＭＭＡ（ポリメチ
ルメタクリラート）等のＥビームレジスト電子ビームを
用いて行われる。これが現在好まれている実施態様とな
っているのは、これが今日の段怪で０．１ミクロンより
も小さな構造を作る為の信頼性のある方法をもたらすか
らである。この様なディメンションは勿論光学的リソグ
ラフィーによっては不可能である（将来はＸ線又はイン
オンビーム・リソグラフィーがこの様なパターン形成を
行う為のより都合の良い方法をもたらすかも知れない
が、）。図２２は図２１のエピタキシャル構造を示して
いる。この構造には（ｅビーム描画と現象によってパタ
ーン形成された）ＰＭＭＡの層４０８が付けられてい
る。次いで反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）マクス材
料が付着される。現在好まれている実施態様ではこの為
にアルミニウム層４１０及び金ゲルマニウム／ニッケル
層４１２が用いられる。パターン形成された層４０８は
次いで取り去られ、図２３に示されている様な、エピタ
キシャル層４０６の選択された細い線の部分だけが露出
される。

反応性イオンエッチングは今や、エピタキシャル層４０
６及び４０４を通して下の基板４０２の中へ溝４１４
（図２４）を掘る為に、慣用されている。この様なパタ
ーン形成の為のＲＩＥの諸条件は普通に知られており、
極度の異方性が、幾分遅いエッチングと引換えに、低圧
で容易に実現される。

次いで、図２５に示されているように、アルミニウム層
４１０が希釈されたＨＣｌの中で除去され、ＲＩＥマス
キング層４１０及び４１２が取除かれる。

次いで、再びＡｌＧａＡｓ層がエピタキシャル方向に全
面にわたって成長させられる。この層が溝４１４を埋め
る。この再成長は基板の同一軸方向の分子ビームを用い
て行わせる事が好ましい。しかしながら、ここでも再
び、金属有機ＣＶＤを代わりの技術として用いる事が出
来る。とは言え、いずれのケースに於いても、この再成
長は極めて高品質である事が重要である。何故なら層４
０６から作られたＧａＡｓのウェルとＡｌＧａＡｓの充
てん材料４１６との間の側壁の界面は、上に述べられた
様に、極めて重要だからである。この再生長構造が図２
６に示されている。

次いで、第２のパターン形成段階が実施される。このケ
ースで用いられるパターンは本質的にウェルの上と同じ
パターンであるが、もちろん最終的構造の中には出力接
点が含まれている。図２７に示されているこのパターン
は図２８に示されているハードマスクのパターンに変換
され、これが再び反応性イオンエッチングされる。しか
しながら、この反応性イオンエッチングの段階はむずか
しい深さ制御の問題を有している。即ちエッチングはｎ
^＋層４０４に達する迄続けなければならないが、これを
貫通してはならない（図２９）。このむずかしい深さ制
御の問題が、上に述べられた様にｎ^＋層４０４がそのよ
うに厚く作られる理由の１つなのである。

再び、マスキング金属がはがされ（図３０）、ＡｌＧａ
Ａｓが再び全体にわたって成長させられる。上に述べら
れた様に、ＡｌＧａＡｓは、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓと
の間に値の異なった伝導体エネルギーを課す為に十分に
高いパーセンテージのアルミニウムを含んでいる事が必
要であるが、最良の可能なＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの
界面が得られる様にする為にはアルミニウムのパーセン
テージは高過ぎない事が好ましい。現在好まれている実
施態様では、およそ Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓの組成が用いられている。図３１は
それから得られる構造体とあたらしいＡｌＧａＡｓ層４
２０を示している。図３０に於いて、ＡｌＧａＡｓ層４
１６の或る部分が生き残っており、これらの部分が層４
２０の中に組込まれていると言う事に注意する事。再
び、層４２０は極めて良い界面品質と共に、基板の同一
軸方向に成長させられなければならない。

次いで、図３２に示されている様に、コンタクトメタラ
イゼーションパターンが描かれる。この段階ではジオト
リー（幾何学的厳密さ）の要求は幾ら穏やかとなり、好
ましくは光学レジスト４２２と光学的パターン形成が用
いられる。ついで選択的エツチングが用いられる。この
選択的エッチングはＡｌＧａＡｓを貫通してエッチし、
ｎ^＋ＧａＡｓの上で停止する（図３３）。フッ化水素が
この特性を有している。この段階は、図３４に示される
ように、コンタクトホール４２４をもたらす。次いでメ
タライゼーションによるパターン形成が、再び好ましく
は図３５に示されている様に光学レジスト４２６を用い
て行われ、次いで金属（ＡｕＧｅ／Ｎｉ等）が、例えば
蒸着によって被蒸着され、パターンを形成するよう取除
かれ、図３６に示されている様な構造が得られる。

確定された線形パターンに対して直角に線形パターンを
確定するために、図２７に示す第２のパターン形成段階
から第１のパターン形成段階までを実行し、断面で示す
２つの量子ウエルの点（ドット）の位置を確定するだけ
で、例えば、ＲＯＭ等の量子ウエルのアレイ構造体の為
の上述と良く似た製造技術を用いることができる。

ランダム論理回路を形成する為に本発明にもとづいて量
子ウエル装置を相互接続する際の基本的な困難はこれら
の装置の電気的特性である。これらの装置は非常に高い
入力インピーダンスと非常に低い出力インピーダンスを
有していると考えられる。本発明の別の側面で、出力接
続の為の回路構成が説明される。この構造は、マクロス
コピックな電流、即ち集積回路の配線の中で通常用いら
れている電流に匹敵する電流、をスイッチングする為
の、本発明にもとづく量子ウェル装置の出力を可能にす
る。

次いでこれらのマクロスコピックな電流は電位を変え、
それによって量子ウェル装置のそれから先の段階をスイ
ッチングする為に用いる事が出来る。

マクロスコピックな抵抗値の変化は、ワイヤと基板との
界面の又は界面近くのトラッピングによって、非常に薄
いワイヤの中で検出する事が出来ると言う事が先行技術
によって知られている。物理学評論書簡第５２号、２２
８頁（１９８４年）（５２phys.Rev.Letters、２２８
（１９８４年））の中のK.Raals他の論文参照。即ち、
極めて細い、例えば１００オングストローム×１００オ
ングストローム、の金属ワイヤの中では、電子が散乱の
中心にトラップされるか否かによって、ワイヤの近くに
ある散乱の中心の断面が何桁も変わって来る。この様に
大きな散乱の変化はワイヤの抵抗にも明らかな変化をも
たらす。

この現象は必ずしも上記の様な小さなディメンションの
ワイヤだけに限られてはいない。沢山のトラッピングサ
イト（散乱センター）を用いる事によって、より太いワ
イヤの抵抗も同じ様に変化せさる事が出来る。とりわ
け、薄い又は幅の広いワイヤが用いられている場合に
は、ワイヤの表面全体をコートされたトラップを含む絶
縁体は、トラップが占拠されているか否かによってワイ
ヤの抵抗を相当変化させる事が出来る。トラップのチャ
ージを行わせる為に、好ましくは、ワイヤの表面に対し
て垂直のバイアスをもたらすフィールドプレートが用い
られる。かくして、量子ウェル装置の段階（勿論この中
には並列の多量量子ウエル連鎖も通常含まれるであろ
う）の電流出力は薄い偏平のワイヤの中へ結合され得る
一方、ワイヤからエネルギー障壁を超えて絶縁体のトラ
ッピングサイトの中へ電荷の注入を助ける為に、フィー
ルドプレートのバイアスが垂直に加えられる。この様に
してトラップされた電荷は垂直バイアスが取除かれた後
でワイヤの抵抗を変化させ、かくしてワイヤを通る電流
振動はセンス増幅器を起動させる為に用いる事が出来
る。かくして、この散乱の中心の変調は実際に、量子ウ
ェルの出力信号をマクロスコッピクな信号へ変換する為
に適当なラッチをもたらす。

次にこの実施態様がより詳しく説明される。第１に、、
散乱サイトに近いワイヤのディメンションは、ワイヤが
アンダーソンの局所状態として知られている状態にある
様でなければならない。即ち、電子の波動関数がワイヤ
の全周、即ち、四角のワイヤの４つの面のすべて、に意
味のある程度に十分に重ね合わされていなければならな
い。この状態の下では、抵抗はワイヤに隣接する表揚エ
ネルギー準位に対して極めて敏感となろう。そこには一
般に多くの意図せずに生み出された表面エネルギー準位
があるべきであろうが、これらの活性化エネルギーは通
常低い。かくして、作動温度はこれらの望ましくない表
面エネルギー準位が容易に除去されてしまう様に、即ち
ＫＴがこれらの寄生表面エネルギー準位の活性化エネル
ギーと同等か或いはこれよりも大きくなる様に、しかし
ながら電荷がトラップされて抵抗を変化させる表面エネ
ルギー準位の活性化エネルギーがＫＴの数倍以上となる
様に、選択される。かくして、この出力増幅器段階の主
要な用途は７７ケルビン付近の温度、即ち、液体窒素の
温度で作動する装置用であると信じられている。しかし
ながら、もしキャリアをより深く表面エネルギー準位の
中へ注入する事が出来れば、もっと高い作動温度でも使
用出来る。

現在好まれている実施態様で用いられている表面エネル
ギー準位は金属の伝導帯エネルギーからおよそ２０〜３
０ｍｅＶ又はそれ以上ずらされている。

アンダーソンの局所化状態の下で動作と言うのは、散乱
の中心に近いワイヤのディメンションが恐らく５００×
５００オングストロームよりも大きくはなく、好ましく
は１００×１００オングストロームに近いと言う事を意
味している。１００×１００オングストロームのワイヤ
の場合、ワイヤの抵抗は１ミクロン当り大ざっぱに言っ
て１００Ｋから１メグオームである。占拠されている又
は占拠されていない各々の散乱の中心は１パーセント内
外の抵抗の変化を課する事が出来るから、この様な散乱
の中心を幾つか用いる事によって、５％内外の全抵抗変
化が実現される。かくして、これらの金属線は対として
用いられ、又電流の数パーセントの変化は容易に従来の
センス増幅を起動させるのに十分となる。

現在好まれている、これらのトラップの中へのキャリア
の注入を行う為の実施態様はトラッピングサイトを量子
ウェルの鎖の中の最後のウェルに対してトンネル現象に
よって接続させる事であり、トラッピングサイトから鎖
の中の最後のウェル迄の分離はウェルとの間の距離の数
倍だけ、又好ましくはそれ以下だけ、トラッピングサイ
トからずらされているべきである。トラップから最後の
ウェルの中へのトンネル現象はこの好ましい実施態様の
場合には制約にはならない、何故なら電子が励起された
エネルギー準位を通して入って来るからである。逆方向
のトンネル現象はすべて非弾性的である。しかしなが
ら、十分に深いトラップの場合には、必要となるフォノ
ンのエネルギーが必要に大きくなるので非弾性トンネル
現象が無視出来なくなる。トラッピングサイトは集束イ
オンビームを用いることによって極めて精致に描画する
事が出来る。

かくして、この出力段階の構成が図１５に示されてい
る。

既に述べられた通り、一方向のウェル結合がオプション
として、金属線の抵抗を変化させる際にこれらのトラッ
プの中へのキャリアの注入を助ける為に用いられてい
る。この一方向の結合はウェルの自己調整的なトンネル
効果によって可能とされている。即ち、上に述べられた
要因に加えて、ウェルの中における電子の存在又は非存
在自体がウェルとウェルの間の電場を変化させるであろ
う。かくして、図１６に示されている様に、第２のウェ
ルの中に於ける追加の電子の存在によって引起こされた
電場の変化はそれ自体でトンネル現象を禁止させるのに
十分となり得る。かくして、キャリアはウェル１からウ
ェル２の中の電子を失った準位の中へ容易にトンネルす
るが、これと同じキャリアは非弾性チャンネルを通る以
外にはウェル１の中へトンネルして戻って来る事は出来
ない。何故ならこれらのトンネルはもはや同列とされて
はいないからである。

この自ら生み出された電場の変化が有用となる為には、
与えられた作動温度の下に於ける共鳴ピークが比較的シ
ャープである事が必要である。即ち、ウェルのディメン
ションは作動温度の下で、或いはいずれかの共鳴トンネ
ル現象による利得の下で必要なるディメンションよりも
好ましくは小さいべきである。例えば、室温下での作動
に適したディメンションのウェルは、もし７７Ｋ又は４
Ｋで作動させられるとこの様な効果を示すであろう。よ
り小さなウェルと言うのは１つのキャリアの追加によっ
て引起こされる電位のシフトによって生み出される電界
がより大きくなると言う事を意味している。

これらの自己発生電界効果はその他の用途も有してい
る。たとえば、図１７に示されている４つのウェルを持
つ構造を考えてみよう。フィールドプレート又はその他
のバイアス接続ウェル３の為の基準電圧Ｖ_０を確定する
為に用いられている。これらのウェルの寸法は、ウェル
１からウェル３へのトンネル現象がＶ_３＝Ｖ_０の時にの
み発生し、ウェル２からウェル３へのトンネル現象がＶ
_３＝Ｖ_０＋Ｅ、即ち、ウェル３の電位だけ電子１個の存
在によって変化された時、にのみ発生し、ウェル３から
ウェル４へのトンネル現象がＶ_３＝Ｖ_０＋２Ｅの時にの
み発生する様に、定められている。入力信号Ａはウェル
１の中へトンネルしてゆくキャリアを供給し、又入力信
号Ｂはウェル２の中へトンネルしてゆくキャリアを供給
し、又出力接点はウェルからの出力信号Ｃを取り出す。

かくして、このウェルの素朴な複合体はＡＮＤゲートを
もたらす。

その他のブールの原始関数も容易に作り出せる。例え
ば、同じウェルの配置で、もし我々がウェルの結合をや
り直して、ウェル１からウェル３へのトンネル現象がＶ
_３＝Ｖ_０の時、ウェルトンネルからウェル３へのトンネ
ル現象Ｖ_３＝Ｖ_０の時、又ウェル３からウェル４へのト
ンネル現象がＶ_３＝Ｖ_０＋Ｅの時に発生する様にすれ
ば、ＯＲゲートが得られる事になる。これの結合はすべ
ての原始的なブールの代数の理論セル及びそれ以上のも
のを構成する為に用いる事が出来る。自ら生み出された
電界がトンネル現象を中断させるのに十分であると言う
この様な状態下では、ウェルの中の過剰のキャリアの存
在によって問題が生み出される事がある。即ち、もしウ
ェルＡとＢとの間の接合が、ウェルＡが占拠されており
ウェルＢが占拠されていない時に共鳴トンネル現象を許
す様に設計されていたとすると、ウェルＡが唯１つだけ
ではなく、占拠された２つの準位を持っているとトンネ
ル現象が中断されてしまう事がある。しかしながら、こ
の様なケースでは、２個のキャリアのポピュレーション
は非弾性的に生み出されているはずである。その上非弾
性トンネル現象は場合によってはリセットメカニズムを
もたらすであろう。

本発明の別の１群の実施態様は垂直トンネル現象を利用
している。この様な構造体の魅力は、垂直方向のディメ
ンションでは横方向のディメンションよりもより容易
に、極めて良い界面品質を持つ極めて小さなディメンシ
ョンが実現されると言う事になる。

この様な実施態様の鍵となる特徴はウェルの中のエネル
ギー準位相互間の間隔が一般ウェルの体積によって確定
されたと言う事である。かくして、ウェルの体積が与え
られている場合、ウェルは大よそ立方体の箱と言うより
もむしろ薄い偏平の箱として作る事が出来る。このケー
スは、運動量成分のうちの２つが極めて近接した間隔の
値で量子化され、又第３の成分は極めて広い間隔をあけ
た許容運動量の値で量子化されるであろう。

このような実施態様が図１９と２０に示されている。再
び、ウェル６０４〜６０８は好ましくは第１の半導体か
ら作られ又障壁媒体６１２は好ましくは第２の、より広
い禁止帯の幅を持つ半導体から作られている。砒化ガリ
ウム及び ＡｌＧａＡｓはこれらの２つの半導体の為に好ましい。
上に述べられた様に電流は、、ローライン６１６とコラ
ムライン６１４の電位がウェル６０６の準位に対してウ
ェル６０４及び６０８の準位と整列する事を許す時にの
み、ｎ^＋電極６０２から金属電極６１０へと流れる。

かくして、本発明は上記の目的、並びに技術的利点をも
たらす。当業者にとっては明らかであろうが、本発明は
新規的発明であり、限りなく多様な修正及び変形によっ
て変更され得る。例えば、ＳｉのウェルをＳｉＯ_２の障
壁媒体の中で用いる事が出来、或いは好ましいＧａＡｓ
／ＡｌＧａＡｓの材料の代わりにその他の半導体／半導
体又は半導体／絶縁体の系を用いる事が出来る。本発明
の範囲は特許請求の範囲の中に述べられている事を除い
て制限されない。

【図面の簡単な説明】

本発明は添付の図面を参照して説明される。図面に於い
て、 図１Ａ及び図１Ｂは簡単なサンプル実施態様に於けるポ
テンシャルウェルの間隔とエネルギー準位を示してい
る。 図２は共鳴（共振）トンネル現象を許す為にバイアスさ
れた、図１の構造を示している、 図３は共鳴トンネル現象が禁止される様に、図２中に示
されるよりも低い電圧でバイアスされた、図１の構造を
示している、 図４は図１の構造の電圧電流特性を示している、 図５は、上方に横たわるエネルギー準位相互間の間隔が
より近接している、中位の大きなウェルを用いた実施態
様のエネルギー準位を示している、 図６は入力出力の接点を含む実施態様の電子的構造を示
している、 図７は、エネルギー準位相互間の間隔がより均等な、ほ
ぼ正弦波形のウェル境界線を用いた実施態様のエネルギ
ー準位を示している。 図８は本発明にもとづく３端子量子ウェル装置を示して
いる、 図９は、量子ウェル対の幾つもの鎖が平行に接続され
た、本発明にもとづく別の３端子量子ウェル装置を示し
ている、 図１０は図９の装置の断面図を示している、 図１１は、各々の鎖の中の多量ウェル２０４に接続する
為の多重電極２０８を持つ点で図９の装置と異なる多端
子装置を示している、 図１２は共鳴トンネル現象が発生する，図１１の実施態
様の為のバイアス条件のサンプルセットを示しており、
又図１３は共鳴トンネル現象が発生しない，図１１は実
施態様の為のバイアス条件のサンプルセットを示してい
る、 図１４は本発明の１つの実施態様にもとづく読出し専用
メモリを示している、 図１５は、量子ウェル装置がマクロスコピック（巨視
的）な出力電流をスイッチする，本発明の実施に際して
用いられたサンプル出力スイッチの構成をし示してい
る、 図１６は、別の１群の実施態様に於ける許容トンネル現
象遷移中のウェルの準位の集団（ポピュレーション）に
よって励起された電位変化の効果を示している、 図１７は自己調整的なトンネル現象抑制力を持つ量子ウ
ェル論理素子を用いて構成されたＡＮＤゲートを示して
おり、又図１８は自己調整的トンネル現象抑制力を持つ
量子ウェル論理素子を用いて構成された、よりふくざつ
な論理要素を示している、 図１９及び図２０は本発明にもとづく垂直トンネル現象
量子ウェル装置構造の２つの実施態様を示している。 図２１〜図３６はそれぞれ本発明にもとづくサンプルな
３端子装置のプロセスの諸段階を示している。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】(A)基板を用意するステップと、 (B)前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエピ
   タキシャル層を設けるステップであって、前記第１の層
   は少なくとも１０¹⁷単位立方センチメートルの濃度にド
   ープされ且つ少なくとも２００nmの厚さで、前記第２の
   層は５×１０¹⁶単位立方センチメートルより大きくない
   ドーパント濃度を含み厚さ３００オングストロームより
   少ない、ステップと、 (C)前記第２の層を貫通するが前記第１の層を完全に貫
   通しない、第１のパターン状に堀を異方性エッチングす
   るステップと、 (D)実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半導体
   材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１の半
   導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料をエピ
   タキシャル成長させるステップと、 (E)前記第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第２
   のパターンで堀を異方性エッチングするステップと、 (F)実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２の
   半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 (G)所望の回路機能を構成するように導電層を形成する
   ステップと、 を含む量子ウエル装置の製造方法であって、 前記第１と第２のパターン化された堀のエッチは前記第
   ２の層の孤立部分内の複数の量子ウエルを共同して形成
   し、また、 前記第２の堀のエッチは前記第１の層内の前記量子ウエ
   ルの相互連結を形成する、 量子ウエル装置の製造方法。
2. 【請求項２】(A)基板を用意するステップと、 (B)前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエピ
   タキシャル層を設けるステップであって、前記第１の層
   は少なくとも１０¹⁷単位立方センチメートルの濃度にド
   ープされ且つ少なくとも２００nmの厚さで、前記第２の
   層は５×１０¹⁶単位立方センチメートルより大きくない
   ドーパント濃度を含み厚さ３００オングストロームより
   少ない、ステップと、 (C)前記第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第１
   のパターンで堀を異方性エッチングするステップと、 (D)実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半導体
   材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１の半
   導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料をエピ
   タキシャル成長させるステップと、 (E)前記第２の層を貫通するが前記第１の層を完全に貫
   通しない、第２のパターン状に堀を異方性エッチングす
   るステップと、 (F)実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２の
   半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 (G)所望の回路機能を構成するように導電層を形成する
   ステップと、 を含む量子ウエル装置の製造方法であって、 前記第１と第２のパターン化された堀のエッチは前記第
   ２の層の孤立部分内の複数の量子ウエルを共同して形成
   し、また、 前記第１の堀のエッチは前記第１の半導体層内の前記量
   子ウエルの相互連結を形成する、 量子ウエル装置の製造方法。
3. 【請求項３】(A)基板を用意するステップと、 (B)前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエピ
   タキシャル層を、また、前記第１の半導体材料よりも広
   いバンドギャップを有し且つ前記第１の半導体材料にほ
   ぼ格子整合する第３の半導体材料の第３のエピタキシャ
   ル層を設けるステップと、 を含む量子ウエル装置の製造方法であって、 前記第１の層は少なくとも１０¹⁷単位立方センチメート
   ルの濃度にドープされ且つ少なくとも２００nmの厚さで
   あり、 前記第２の層は５×１０¹⁶単位立方センチメートルより
   大きくないドーパント濃度を含み厚さ３００オングスト
   ロームより少なく、 前記第３の層は５０オングストローム厚さより少なく且
   つ前記第１と第２の層との間に介挿され、 る量子ウエル装置の製造方法であって、 さらに、 (C)前記第２の層を貫通するが前記第１の層を完全に貫
   通しない、第１のパターン状に堀を異方性エッチングす
   るステップと、 (D)実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半導体
   材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１の半
   導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料をエピ
   タキシャル成長させるステップと、 (E)前記第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第２
   のパターンで堀を異方性エッチングするステップと、 (F)実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２の
   半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 (G)所望の回路機能を構成するように導電層を形成する
   ステップと、 を含む量子ウエル装置の製造方法であって、 前記第１と第２のパターン化された堀のエッチは前記第
   ２の層の孤立部分内の複数の量子ウエルを共同して形成
   し、また、 前記第２の堀のエッチは前記第１の層内の前記量子ウエ
   ルの相互連結を形成する、 量子ウエル装置の製造装置。
4. 【請求項４】(A)基板を用意するステップと、 (B)前記基板上に第１の半導体材料の第１と第２のエピ
   タキシャル層を、また、前記第１の半導体材料よりも広
   いバンドギャップを有し且つ前記第１の半導体材料にほ
   ぼ格子整合する第３の半導体材料の第３のエピタキシャ
   ル層を設けるステップと、 を含む量子ウエル装置の製造方法であって、 前記第１の層は少なくとも１０¹⁷単位立方センチメート
   ルの濃度にドープされ且つ少なくとも２００nmの厚さで
   あり、 前記第２の層は５×１０¹⁶単位立方センチメートルより
   大きくないドーパント濃度を含み厚さ３００オングスト
   ロームより少なく、 前記第３の層は５０オングストローム厚さより少なく且
   つ前記第１と第２の層との間に介挿され、 る量子ウエル装置の製造方法であって、 さらに、 (C)前記第１と第２の両層を貫通して前記基板内に第１
   のパターンで堀を異方性エッチングするステップと、 (D)実質的に前記堀を満たすように、前記第１の半導体
   材料よりも広いバンドギャップを有し且つ前記第１の半
   導体材料にほぼ格子整合される第２の半導体材料をエピ
   タキシャル成長させるステップと、 (E)前記第２の層を貫通するが前記第１の層を完全に貫
   通しない、第２のパターン状に堀を異方性エッチングす
   るステップと、 (F)実質的に前記第２の堀を満たすように、前記第２の
   半導体材料をエピタキシャル成長させるステップと、 (G)所望の回路機能を構成するように導電層を形成する
   ステップと、 を含む量子ウエル装置の製造方法であって、 前記第１と第２のパターン化された堀のエッチは前記第
   ２の層の孤立部分内の複数の量子ウエルを共同して形成
   し、また、 前記第１の堀のエッチは前記第１の半導体層内の前記量
   子ウエル相互連結を形成する、 量子ウエル装置の製造方法。
5. 【請求項５】特許請求の範囲の範囲第１項において、前
   記基板は半絶縁性のIII−Ｖ化合物半導体を含む、製造
   方法。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項において、前記第２
   の半導体材料は１０¹⁶単位立方センチメートルより少な
   いキャリア濃度を含む、製造方法。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第１項において、前記第１
   の半導体材料はＧａＡｓである、製造方法。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第１項において、前記第２
   の半導体材料はＡｌＧａＡｓである、製造方法。