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JPH06125074A - Quantum element - Google Patents

Quantum element

Info

Publication number
JPH06125074A
JPH06125074A JP29764392A JP29764392A JPH06125074A JP H06125074 A JPH06125074 A JP H06125074A JP 29764392 A JP29764392 A JP 29764392A JP 29764392 A JP29764392 A JP 29764392A JP H06125074 A JPH06125074 A JP H06125074A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum
quantum dots
layer
adjacent
quantum dot
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP29764392A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ryuichi Ugajin
隆一 宇賀神
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP29764392A priority Critical patent/JPH06125074A/en
Publication of JPH06125074A publication Critical patent/JPH06125074A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To realize a quantum box set element or a quantum fine wire set element in which a strength of coupling between quantum boxes or quantum fine wires can be controlled at each box or fine wire. CONSTITUTION:After an array of quantum dots 4 is formed, the dot 4 selected in a raw material gas atmosphere is irradiated with an electron beam to form a GaAs layer 8 having selected thickness and shape, and a strength of coupling between the adjacent dots 4 is controlled. Or, a barrier layer having selected composition or selected thickness is formed in a region between the selected dots 4. In the fine wire set element, the array of the fine wires is formed, and then the above treatment is executed on a part in which the selected fine wire is selected.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、量子箱または量子細
線を用いた量子素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quantum device using a quantum box or a quantum wire.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、量子波エレクトロニクスにおいて
は、電子のド・ブロイ波長と同程度の断面寸法を有する
極微箱構造、すなわちいわゆる量子箱が注目されてお
り、この量子箱内に閉じ込められた0次元電子が示す量
子効果に大きな関心がもたれている。
2. Description of the Related Art In recent years, in quantum wave electronics, a so-called quantum box structure, ie, a so-called quantum box structure having a cross-sectional dimension about the same as the de Broglie wavelength of an electron, has been attracting attention, and it is confined within this quantum box. There is great interest in the quantum effects exhibited by dimensional electrons.

【0003】このような量子箱を用いた量子素子の一つ
として、量子箱集合素子(量子箱結合素子とも呼ばれ
る)が考えられており、その実現に向けて研究が開始さ
れている。この量子箱集合素子は、量子箱を複数配列
し、これらの量子箱間で量子力学的トンネリングなどに
より電子の遷移を起こさせて電子分布を変化させること
により情報処理を行おうとするものである。
As one of the quantum elements using such a quantum box, a quantum box assembly element (also called a quantum box coupling element) is considered, and research has been started toward its realization. This quantum box assembly element intends to perform information processing by arranging a plurality of quantum boxes and changing the electron distribution by causing transition of electrons by quantum mechanical tunneling between these quantum boxes.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上述のような量子箱集
合素子を実現するためには、以下の条件が満足される必
要がある。
In order to realize the above quantum box assembly element, the following conditions must be satisfied.

【0005】各量子箱の大きさが十分に小さいこと
(例えば、量子箱の一辺の長さ〜10nm)。これは、
量子箱中の電子のエネルギー準位の間隔が室温における
熱エネルギーkB T(kB :ボルツマン定数、T:絶対
温度)〜26meVに比べて十分大きくなければならな
いためである。
The size of each quantum box is sufficiently small (for example, the length of one side of the quantum box is 10 nm). this is,
This is because the spacing between the energy levels of the electrons in the quantum box must be sufficiently larger than the thermal energy at room temperature k B T (k B : Boltzmann constant, T: absolute temperature) to 26 meV.

【0006】隣接する量子箱間の間隔が10nm程度
以下であること。これは、量子箱間の結合の強さを大き
くし、電子が量子箱間をトンネリングにより移動するこ
とができるようにするための条件である。
The distance between adjacent quantum boxes is about 10 nm or less. This is a condition for increasing the coupling strength between the quantum boxes and allowing the electrons to move between the quantum boxes by tunneling.

【0007】量子箱間の結合の強さを各量子箱毎に制
御すること。これは、量子箱集合素子の使用目的に応じ
た電子分布変化の制御を行うために必要な条件である。
Controlling the strength of coupling between quantum boxes for each quantum box. This is a necessary condition for controlling the electron distribution change according to the purpose of use of the quantum box assembly element.

【0008】上述のの条件、すなわち大きさが十分に
小さい量子箱を形成することは、電子ビームリソグラフ
ィー技術などの方法によりすでに可能となっている。ま
た、の条件、すなわち量子箱間の間隔を10nm程度
以下にすることは、従来は困難であったが、これについ
ては、本発明者により、あらかじめ十分に近接させて形
成した複数の量子箱の側壁に量子箱の一部となるエピタ
キシャル層を形成することにより量子箱間の間隔を実効
的に縮小する方法が提案されている。
The above-mentioned condition, that is, formation of a quantum box having a sufficiently small size, has already been possible by a method such as electron beam lithography. Further, it has been difficult in the past to satisfy the condition (1), that is, to set the distance between the quantum boxes to about 10 nm or less. A method has been proposed in which an interval between quantum boxes is effectively reduced by forming an epitaxial layer which becomes a part of the quantum boxes on the side wall.

【0009】しかしながら、の条件、すなわち量子箱
間の結合の強さを各量子箱毎に制御する方法について
は、これまでに何らの提案もなされていないのが現状で
ある。この問題は、量子箱の代わりに量子細線を用いた
量子素子、すなわち量子細線集合素子においても同様で
ある。
However, at present, no proposal has been made so far regarding the condition (1), that is, the method of controlling the coupling strength between quantum boxes for each quantum box. This problem also applies to quantum devices using quantum wires instead of quantum boxes, that is, quantum wire assembly devices.

【0010】従って、この発明の目的は、量子箱間の結
合の強さを各量子箱毎に制御することができる量子箱集
合素子を実現することができる量子素子を提供すること
にある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a quantum device capable of realizing a quantum box assembly device capable of controlling the coupling strength between quantum boxes for each quantum box.

【0011】この発明の他の目的は、量子細線間の結合
の強さを各量子細線毎に制御することができる量子細線
集合素子を実現することができる量子素子を提供するこ
とにある。
Another object of the present invention is to provide a quantum wire element capable of realizing a quantum wire assembly element capable of controlling the coupling strength between quantum wires for each quantum wire.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の第1の発明は、互いに隣接して配置され
た複数の量子箱(4)を有し、選択された量子箱(4)
上にエピタキシャル層(8)を設けることにより選択さ
れた量子箱(4)の形状及び/又は大きさを変化させる
ようにした量子素子である。
In order to achieve the above object, a first invention of the present invention has a plurality of quantum boxes (4) arranged adjacent to each other, and a selected quantum box ( 4)
This is a quantum device in which the shape and / or size of the selected quantum box (4) is changed by providing an epitaxial layer (8) on the quantum element.

【0013】この発明の第2の発明は、互いに隣接して
配置された複数の量子箱(4)を有し、選択された量子
箱(4)をエッチングすることにより選択された量子箱
(4)の形状及び/又は大きさを変化させるようにした
量子素子である。
A second aspect of the present invention has a plurality of quantum boxes (4) arranged adjacent to each other, and the selected quantum boxes (4) are formed by etching the selected quantum boxes (4). ) Is a quantum device whose shape and / or size are changed.

【0014】この発明の第3の発明は、互いに隣接して
配置された複数の量子箱(4)を有し、選択された互い
に隣接する量子箱(4)の間の領域に選択された組成を
有する障壁層(10、11、12、13)を設けるよう
にした量子素子である。
A third invention of the present invention has a plurality of quantum boxes (4) arranged adjacent to each other, and a composition selected in a region between the selected adjacent quantum boxes (4). It is a quantum device in which barrier layers (10, 11, 12, 13) having are provided.

【0015】この発明の第4の発明は、互いに隣接して
配置された複数の量子箱(4)を有し、選択された互い
に隣接する量子箱(4)の間の領域に選択された厚さを
有する障壁層(15、16、17、18)を設けるよう
にした量子素子である。
A fourth invention of the present invention has a plurality of quantum boxes (4) arranged adjacent to each other, and a selected thickness in a region between the selected adjacent quantum boxes (4). It is a quantum device in which barrier layers (15, 16, 17, 18) having a thickness are provided.

【0016】この発明の第5の発明は、互いに隣接して
配置された複数の量子細線(18)を有し、選択された
量子細線(18)の選択された部分の上にエピタキシャ
ル層(8)を設けることにより選択された部分の形状及
び/又は大きさを変化させるようにした量子素子であ
る。
A fifth aspect of the present invention has a plurality of quantum wires (18) arranged adjacent to each other, and an epitaxial layer (8) is provided on a selected portion of the selected quantum wires (18). ) Is provided to change the shape and / or size of the selected portion.

【0017】この発明の第6の発明は、互いに隣接して
配置された複数の量子細線(18)を有し、選択された
量子細線(18)の選択された部分をエッチングするこ
とにより選択された部分の形状及び/又は大きさを変化
させるようにした量子素子である。
A sixth aspect of the present invention comprises a plurality of quantum wires (18) arranged adjacent to each other and is selected by etching selected portions of the selected quantum wires (18). It is a quantum device in which the shape and / or the size of the broken portion is changed.

【0018】この発明の第7の発明は、互いに隣接して
配置された複数の量子細線(18)を有し、選択された
互いに隣接する量子細線(18)の選択された部分の間
の領域に選択された組成を有する障壁層(10、11、
12、13)を設けるようにした量子素子である。
A seventh aspect of the present invention has a plurality of quantum wires (18) arranged adjacent to each other, and an area between selected portions of the selected adjacent quantum wires (18). A barrier layer (10, 11,
12, 13), and is a quantum device.

【0019】この発明の第8の発明は、互いに隣接して
配置された複数の量子細線(18)を有し、選択された
互いに隣接する量子細線(18)の選択された部分の間
の領域に選択された厚さを有する障壁層(15、16、
17、18)を設けるようにした量子素子である。
The eighth invention of the present invention has a plurality of quantum wires (18) arranged adjacent to each other, and an area between selected portions of the selected adjacent quantum wires (18). Barrier layers (15, 16,
17 and 18), and is a quantum device.

【0020】[0020]

【作用】上述のように構成された第1の発明及び第2の
発明による量子素子によれば、選択された量子箱(4)
上にエピタキシャル層(8)を設け、あるいは、選択さ
れた量子箱(4)をエッチングすることによって、選択
された量子箱(4)の形状及び/又は大きさを変化させ
るようにしているので、量子箱(4)間の結合の強さを
各量子箱(4)毎に制御することができる。これによっ
て、その使用目的に応じた電子分布変化の制御を行うこ
とができる量子箱集合素子を実現することができる。
According to the quantum device according to the first and second aspects of the invention configured as described above, the selected quantum box (4)
Since the epitaxial layer (8) is provided on the above or the selected quantum box (4) is etched, the shape and / or the size of the selected quantum box (4) is changed. The strength of the coupling between the quantum boxes (4) can be controlled for each quantum box (4). As a result, it is possible to realize a quantum box assembly element capable of controlling the change in electron distribution according to its intended use.

【0021】上述のように構成された第3の発明及び第
4の発明による量子素子によれば、選択された互いに隣
接する量子箱(4)の間の領域に選択された組成を有す
る障壁層(10、11、12、13)を設け、あるい
は、選択された互いに隣接する量子箱(4)の間の領域
に選択された厚さを有する障壁層(15、16、17、
18)を設けるようにしていることから、量子箱(4)
間の結合の強さを各量子箱(4)毎に制御することがで
きる。これによって、その使用目的に応じた電子分布変
化の制御を行うことができる量子箱集合素子を実現する
ことができる。
According to the quantum device according to the third and fourth aspects of the invention configured as described above, the barrier layer having the selected composition is provided in the region between the selected adjacent quantum boxes (4). (10, 11, 12, 13) is provided, or a barrier layer (15, 16, 17,) having a selected thickness is formed in a region between the selected adjacent quantum boxes (4).
18), the quantum box (4)
The strength of the coupling between the quantum boxes (4) can be controlled. As a result, it is possible to realize a quantum box assembly element capable of controlling the change in electron distribution according to its intended use.

【0022】上述のように構成された第5の発明及び第
6の発明による量子素子によれば、選択された量子細線
(18)の選択された部分の上にエピタキシャル層
(8)を設け、あるいは、選択された量子細線(18)
の選択された部分をエッチングすることによって、選択
された部分の形状及び/又は大きさを変化させるように
しているので、互いに隣接する量子細線(18)の選択
された部分の間の結合の強さを各量子細線(18)毎に
制御することができる。これによって、その使用目的に
応じた電子分布変化の制御を行うことができる量子細線
集合素子を実現することができる。
According to the quantum device according to the fifth and sixth aspects of the invention configured as described above, the epitaxial layer (8) is provided on the selected portion of the selected quantum wire (18), Alternatively, selected quantum wires (18)
Since the shape and / or size of the selected portion is changed by etching the selected portion of the quantum wire (18), the strength of the coupling between the selected portions of the quantum wires (18) adjacent to each other is increased. Can be controlled for each quantum wire (18). As a result, it is possible to realize a quantum wire assembly element capable of controlling the change in electron distribution according to its purpose of use.

【0023】上述のように構成された第7の発明及び第
8の発明による量子素子によれば、選択された互いに隣
接する量子細線(18)の選択された部分の間の領域に
選択された組成を有する障壁層(10、11、12、1
3)を設け、あるいは、選択された互いに隣接する量子
細線(18)の選択された部分の間の領域に選択された
厚さを有する障壁層(15、16、17、18)を設け
るようにしていることから、選択された量子細線(1
8)の選択された部分の間の結合の強さを各量子細線
(18)毎に制御することができる。これによって、そ
の使用目的に応じた電子分布変化の制御を行うことがで
きる量子細線集合素子を実現することができる。
According to the quantum element according to the seventh invention and the eighth invention constructed as described above, the selected quantum wire (18) is selected in a region between the selected portions of the adjacent quantum wires (18). A barrier layer having a composition (10, 11, 12, 1
3) or providing a barrier layer (15, 16, 17, 18) having a selected thickness in the region between the selected portions of the selected adjacent quantum wires (18). Therefore, the selected quantum wire (1
The strength of the coupling between the selected parts of 8) can be controlled for each quantum wire (18). As a result, it is possible to realize a quantum wire assembly element capable of controlling the change in electron distribution according to its purpose of use.

【0024】[0024]

【実施例】この発明の実施例を説明する前に、量子箱間
の結合の強さの目安となるトランスファー・エネルギー
と呼ばれる物理量について説明しておく。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing the embodiments of the present invention, a physical quantity called transfer energy, which is a measure of the strength of coupling between quantum boxes, will be described.

【0025】なお、ここでは、一般に1個以上の電子を
収容可能な量子箱のうち電子を1個だけ収容可能なもの
を特に量子ドットと呼び、この量子ドットを複数組み合
わせることにより構成された素子を量子ドット集合素子
と呼ぶ。そして、以下の説明はこの量子ドット集合素子
について行う。
Here, in general, a quantum box that can store only one electron among quantum boxes that can generally store one or more electrons is called a quantum dot, and an element formed by combining a plurality of quantum dots. Is called a quantum dot assembly element. Then, the following description will be given for this quantum dot assembly element.

【0026】この量子ドットはドット状の井戸部の周囲
を障壁層により三次元的に取り囲んだものであり、単一
量子ドットのポテンシャル井戸及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19のよ
うに表される。
The quantum dots are three-dimensionally surrounded by a barrier layer around a dot-shaped well portion, and the potential well of a single quantum dot and the wave function of the ground state of electrons in this potential well are conceptual. It is represented as shown in FIG.

【0027】今、図20に示すような二つの量子ドット
から成る量子ドット結合系を考える。そして、この量子
ドット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(H
2 + )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LCAO(Linear Combination of AtomicOr
bitals)近似に基づいて考察する。
Now, consider a quantum dot coupling system composed of two quantum dots as shown in FIG. Then, the dynamics of electrons in this quantum dot coupled system can be determined from the exact solution of the electronic state of the isolated hydrogen atom to the hydrogen molecular ion (H
LCAO (Linear Combination of AtomicOr), which is known as an effective approximation method when considering the electronic state of 2 + ).
Consider based on the (bitals) approximation.

【0028】このLCAO近似で考えると、最初は孤立
していた量子ドット1及び量子ドット2が互いに接近し
たときには、量子ドット1の電子の基底状態|1〉及び
量子ドット2の電子の基底状態|2〉のエネルギー準位
0 に幅2ΔE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。これらの結合状態及び反結合状
態のエネルギー及び波動関数は次のように表される。
Considering this LCAO approximation, when the initially isolated quantum dots 1 and quantum dots 2 approach each other, the ground state | 1> of the electron of the quantum dot 1 and the ground state | of the electron of the quantum dot 2 | Splitting with a width 2ΔE occurs in the energy level E 0 of 2>, and two states of a bound state and an anti-bound state are obtained. The energy and wave function of these bound and anti-bound states are expressed as follows.

【0029】[0029]

【数1】 [Equation 1]

【数2】 ここで、ΔEはトランスファー・エネルギーと呼ばれ、
後述のように量子ドット間の電子のトンネル時間τ、従
って量子ドット間の結合の強さの目安となるものであ
る。
[Equation 2] Where ΔE is called transfer energy,
As will be described later, it is a measure of the tunneling time τ of electrons between quantum dots, and thus the strength of the bond between quantum dots.

【0030】この量子ドット結合系のハミルトニアンをThe Hamiltonian of this quantum dot coupled system is

【数3】 と書くと、[Equation 3] Is written,

【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。
[Equation 4] Is an eigenstate of this Hamiltonian as shown in the following equation.

【数5】 [Equation 5]

【0031】さて、今、例えば量子ドット1に電子が局
在しているとすると、この状態は
Now, assuming that electrons are localized in the quantum dot 1, for example, this state is

【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
[Equation 6] Can be written. When this state is time-developed by the Schrodinger equation, the state at time t is

【数7】 となる。[Equation 7] Becomes

【0032】これより、From this,

【数8】 を満たす時刻tになると、量子ドット1に局在していた
電子は量子ドット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、量子ドット1から量子
ドット2への電子のトンネル時間τを
[Equation 8] It can be seen that at time t that satisfies, the electrons localized in the quantum dot 1 reach the quantum dot 2. Therefore, within this LCAO approximation range, the electron tunneling time τ from quantum dot 1 to quantum dot 2 is

【数9】 と考えることができる。[Equation 9] Can be considered.

【0033】このトンネル時間τは、より一般的には、More generally, this tunnel time τ is

【数10】 と書くことができる。[Equation 10] Can be written.

【0034】以上より、量子ドット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、量子ドット間の
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。
From the above, if the dynamics of electrons in the quantum dot coupled system are simplified most, the electrons will move by tunneling depending on the magnitude of the transfer energy ΔE between the quantum dots.

【0035】次に、LCAO近似の範囲でのトランスフ
ァー・エネルギーΔEの表式を求める。
Next, the expression of the transfer energy ΔE in the range of LCAO approximation will be obtained.

【0036】今、一辺の長さが2dの単独の正方形量子
ドットを考えると、そのポテンシャル・エネルギーは
Now, considering a single square quantum dot having a side length of 2d, its potential energy is

【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
[Equation 11] Is. Therefore, if we write the kinetic energy as K, the Hamiltonian of this system is

【数12】 である。このハミルトニアンの基底状態を[Equation 12] Is. This Hamiltonian ground state

【数13】 とし、そのエネルギーをE0 とすれば、[Equation 13] And its energy is E 0 ,

【数14】 が成り立つ。[Equation 14] Holds.

【0037】これに対し、二つの正方形量子ドットから
成る量子ドット結合系(図20参照)のハミルトニアン
は、次式のように書くことができる。
On the other hand, the Hamiltonian of the quantum dot coupled system (see FIG. 20) consisting of two square quantum dots can be written as the following equation.

【0038】[0038]

【数15】 ただし、一方の量子ドットの中心座標及び他方の量子ド
ットの中心座標を図20に示すように書くと、
[Equation 15] However, when the center coordinates of one quantum dot and the center coordinates of the other quantum dot are written as shown in FIG. 20,

【数16】 である。[Equation 16] Is.

【0039】一方、(10)式で示される単独正方形量子ド
ットのハミルトニアンの基底状態の波動関数は
On the other hand, the wave function of the ground state of the Hamiltonian of the single square quantum dot expressed by the equation (10) is

【数17】 であるが、[Equation 17] In Although,

【数18】 はそれぞれ、[Equation 18] Respectively

【数19】 を満たしている。[Formula 19] Meets

【0040】以上の準備ができたところで、(12)式で示
される量子ドット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ドットの固
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。
When the above preparation is completed, the energy eigenvalue of the Hamiltonian of the quantum dot coupled system expressed by the equation (12) is calculated on the two-dimensional subspace where the eigenstates of the single square quantum dot expressed by the equation (15) extend. Ask in. Since the two eigenstates shown in Eq. (15) are not orthogonal, if an orthogonal basis is first constructed, this will be as follows, for example.

【0041】[0041]

【数20】 [Equation 20]

【0042】この直交基底でハミルトニアン行列要素を
計算すると、
When the Hamiltonian matrix elements are calculated with this orthogonal basis,

【数21】 [Equation 21]

【数22】 [Equation 22]

【数23】 [Equation 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)式及び次の式を用いた。
[Equation 24] Becomes However, in the calculation of these matrix elements,
Equation (16) and the following equation were used.

【0043】[0043]

【数25】 [Equation 25]

【0044】(20)式及び(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
As can be seen from the equations (20) and (21), since the non-diagonal elements of the Hamiltonian matrix are 0, this Hamiltonian matrix is actually diagonalized. Therefore, the energy eigenvalue is

【数26】 であり、その固有ベクトルがそれぞれ、[Equation 26] And their eigenvectors are

【数27】 となっている。[Equation 27] Has become.

【0045】(18)式及び(19)式の中で、波動関数の局在
性より、
In equations (18) and (19), from the localization of the wave function,

【数28】 が言えるので、エネルギーとして[Equation 28] As energy,

【数29】 のように考えることができる。[Equation 29] Can be thought of as.

【0046】以上述べた理論に基づいて、図21に示す
ような二次元の正方形量子ドット結合系についてトラン
スファー・エネルギーΔEの精密な計算を行った結果を
図22に示す。ただし、この計算に際しては、GaSb(障
壁)/InAs(井戸)ヘテロ構造から成る量子ドットを想
定し、量子ドットの一辺の長さを2d=10nm、量子
ドット内部、すなわちInAsから成る井戸部における電子
の有効質量をmInAs=0.027me (me :真空中の
電子の質量)、量子ドット外部、すなわちGaSbから成る
障壁部における電子の有効質量をmGaSb=0.049m
e 、GaSb/InAsヘテロ界面におけるポテンシャル障壁の
高さをV0 =0.8eVとした。
FIG. 22 shows the result of precise calculation of the transfer energy ΔE for the two-dimensional square quantum dot coupling system as shown in FIG. 21 based on the theory described above. However, in this calculation, a quantum dot having a GaSb (barrier) / InAs (well) heterostructure is assumed, and the length of one side of the quantum dot is 2d = 10 nm. , M InAs = 0.027 m e (m e : mass of electrons in vacuum), and the effective mass of electrons in the barrier part composed of GaSb outside the quantum dot is m GaSb = 0.049 m
e , the height of the potential barrier at the GaSb / InAs hetero interface was set to V 0 = 0.8 eV.

【0047】図22より、例えば量子ドット間の距離2
r=15nm、その相対角θ=0の場合においては、ト
ンネル時間τは数十ns程度であり、2r=17.5n
m、θ=0の場合に至ってはτはmsのオーダーであ
る。量子ドット集合素子にとっては素過程に過ぎない量
子ドット間での電子のトンネリングがこれほど長い時間
を必要とするならば、量子ドット集合素子全体の動作速
度は非常に遅くならざるを得ない。このことから、量子
ドット間の間隔を10nm程度以下にする必要性が理解
されるであろう。
From FIG. 22, for example, the distance 2 between quantum dots is
When r = 15 nm and the relative angle θ = 0, the tunnel time τ is about several tens of ns, and 2r = 17.5n.
In the case of m and θ = 0, τ is on the order of ms. If the tunneling of electrons between the quantum dots, which is only an elementary process for the quantum dot assembly device, requires such a long time, the operating speed of the entire quantum dot assembly device must be very slow. From this, it will be understood that the distance between the quantum dots needs to be about 10 nm or less.

【0048】なお、図22より、量子ドット間の距離2
rが固定されていても、その相対角θの変化によりΔE
が大きく変化していることがわかる。例えば、2r=1
7.5nmの場合には、θが0〜π/4の範囲で変化す
るのに伴い、ΔEは8桁以上変化している。そして、こ
れによって、量子ドット間の電子のトンネル時間τは8
桁以上も変化する。
From FIG. 22, the distance between quantum dots is 2
Even if r is fixed, the change in relative angle θ causes ΔE
It can be seen that is greatly changed. For example, 2r = 1
In the case of 7.5 nm, ΔE changes by 8 digits or more as θ changes in the range of 0 to π / 4. As a result, the tunneling time τ of electrons between quantum dots is 8
Change by more than one digit.

【0049】さて、トランスファー・エネルギーΔEが
量子ドット間の結合の強さの目安となることはすでに述
べた通りであるが、単独の量子ドットの電子のエネルギ
ーが隣接する量子ドット間で異なると、一般にトランス
ファー・エネルギーΔEは小さくなり、従って隣接する
量子ドット間を電子がトンネリングにより移動するのに
要する時間は長くなる。すなわち、図23Aに示すよう
に隣接する量子ドット1及び量子ドット2間で電子のエ
ネルギーが等しい場合のトランスファー・エネルギーΔ
1 に比べて、図23Bに示すように隣接する量子ドッ
ト1及び量子ドット2間で電子のエネルギーが異なる場
合のトランスファー・エネルギーΔE2は小さくなり、
従って図23Bの場合のトンネル時間τ2 は図23Aの
場合のトンネル時間τ1 に比べて長くなる。
As described above, the transfer energy ΔE serves as a measure of the strength of coupling between quantum dots, but if the electron energy of a single quantum dot differs between adjacent quantum dots, Generally, the transfer energy ΔE becomes small, and therefore the time required for the electrons to move between the adjacent quantum dots by tunneling becomes long. That is, as shown in FIG. 23A, the transfer energy Δ when the electron energies are equal between the adjacent quantum dots 1 and 2
As shown in FIG. 23B, the transfer energy ΔE 2 when the electron energy is different between the adjacent quantum dots 1 and 2 becomes smaller than E 1 ,
Therefore, the tunnel time τ 2 in the case of FIG. 23B becomes longer than the tunnel time τ 1 in the case of FIG. 23A.

【0050】以下、この発明の実施例について図面を参
照しながら説明する。なお、実施例の全図において、同
一または対応する部分には同一の符号を付す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals.

【0051】まず、この発明の第1実施例について説明
する。
First, the first embodiment of the present invention will be described.

【0052】この第1実施例においては、まず、以下の
ようにして十分に間隔が小さい量子ドットのアレーを形
成する。
In the first embodiment, first, an array of quantum dots having sufficiently small intervals is formed as follows.

【0053】すなわち、図1に示すように、例えばAlGa
As基板1上に、例えば有機金属化学気相成長(MOCV
D)法や分子線エピタキシー(MBE)法により、量子
ドット形成用の材料として例えばGaAs層2をエピタキシ
ャル成長させる。このGaAs層2は、形成すべき量子ドッ
トの高さに相当する厚さに選ばれ、具体的にはその厚さ
は例えば10nm程度に選ばれる。なお、AlGaAs基板1
としては、例えば、GaAs基板上にAlGaAs層をエピタキシ
ャル成長させたものが使用される。次に、このGaAs層2
上に、形成すべき量子ドットに対応する平面形状のレジ
ストパターン3を形成する。このレジストパターン3
は、例えば、ビーム径を十分に細く絞った電子ビームを
所定の原料ガス雰囲気中でGaAs層2に選択的に照射し、
この照射部に照射による分解生成物を堆積させることに
より形成される。
That is, as shown in FIG. 1, for example, AlGa
On the As substrate 1, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCV)
D) method or molecular beam epitaxy (MBE) method is used to epitaxially grow, for example, a GaAs layer 2 as a material for forming quantum dots. The GaAs layer 2 is selected to have a thickness corresponding to the height of quantum dots to be formed, and specifically, the thickness is selected to be, for example, about 10 nm. AlGaAs substrate 1
For example, an AlGaAs layer epitaxially grown on a GaAs substrate is used. Next, this GaAs layer 2
A resist pattern 3 having a planar shape corresponding to the quantum dots to be formed is formed thereon. This resist pattern 3
Is, for example, selectively irradiating the GaAs layer 2 with an electron beam whose beam diameter is sufficiently narrowed in a predetermined source gas atmosphere,
It is formed by depositing decomposition products by irradiation on this irradiation part.

【0054】次に、このようにして形成されたレジスト
パターン3をマスクとしてGaAs層2を例えば反応性イオ
ンエッチング(RIE)法のようなドライエッチング法
により基板表面に対して垂直方向にエッチングする。こ
のドライエッチングにおいては、例えば塩素(Cl) 系の
エッチングガスを用いる。このエッチングは、AlGaAs基
板1が露出するまで行う。これによって、図2に示すよ
うに、四角柱形状のGaAsから成る複数の量子ドット4が
アレー状に互いに隣接して形成される。この場合、これ
らの量子ドット4は、一定間隔で周期的に形成されてい
る。
Next, using the resist pattern 3 thus formed as a mask, the GaAs layer 2 is etched in a direction perpendicular to the substrate surface by a dry etching method such as a reactive ion etching (RIE) method. In this dry etching, for example, chlorine (Cl) based etching gas is used. This etching is performed until the AlGaAs substrate 1 is exposed. As a result, as shown in FIG. 2, a plurality of square pillar-shaped quantum dots 4 made of GaAs are formed adjacent to each other in an array. In this case, these quantum dots 4 are periodically formed at regular intervals.

【0055】次に、レジストパターン3を除去した後、
図3に示すように、例えばMOCVD法やMBE法によ
り全面に例えばGaAs層5をエピタキシャル成長させる。
Next, after removing the resist pattern 3,
As shown in FIG. 3, for example, a GaAs layer 5 is epitaxially grown on the entire surface by MOCVD or MBE, for example.

【0056】次に、このGaAs層5を例えばRIE法のよ
うなドライエッチング法により基板表面に対して垂直方
向にエッチングする。このエッチングは、量子ドット4
の上面が露出するまで行う。これによって、図4に示す
ように、量子ドット4の側壁だけにGaAs層5が残され
る。このGaAs層5は量子ドット4の一部を構成するもの
である。
Next, the GaAs layer 5 is etched in the direction perpendicular to the substrate surface by a dry etching method such as the RIE method. This etching is the quantum dot 4
Until the top surface of is exposed. This leaves the GaAs layer 5 only on the sidewalls of the quantum dots 4, as shown in FIG. The GaAs layer 5 constitutes a part of the quantum dot 4.

【0057】今、図4に示すように、GaAs層5を形成す
る前における量子ドット4の間隔をl、GaAs層5の幅
(厚さ)をsとすると、このGaAs層5が形成された後に
おける量子ドット4の間隔l´は、l´=l−2sとな
る。すなわち、量子ドット4の側壁にGaAs層5を形成す
ることにより、このGaAs層5の幅の2倍に相当する距離
分だけ量子ドット4間の間隔を実効的に縮小することが
できる。
Now, as shown in FIG. 4, assuming that the interval between the quantum dots 4 before forming the GaAs layer 5 is l and the width (thickness) of the GaAs layer 5 is s, this GaAs layer 5 is formed. The interval l ′ of the quantum dots 4 after that is l ′ = 1−2s. That is, by forming the GaAs layer 5 on the sidewalls of the quantum dots 4, the distance between the quantum dots 4 can be effectively reduced by a distance corresponding to twice the width of the GaAs layer 5.

【0058】なお、以上のような量子ドット4の側壁へ
のGaAs層5の形成による量子ドット4間の間隔の縮小
は、必要に応じて、複数回繰り返し行うようにしてもよ
い。
The reduction of the interval between the quantum dots 4 by forming the GaAs layer 5 on the side wall of the quantum dots 4 may be repeated a plurality of times as necessary.

【0059】以上のような方法で形成された、十分に間
隔が小さい量子ドット4のアレーを図5に示す。
FIG. 5 shows an array of quantum dots 4 formed by the above method and having sufficiently small intervals.

【0060】この第1実施例においては、図5に示すよ
うな、十分に間隔が小さい量子ドット4のアレーを形成
したAlGaAs基板1を所定の電子ビーム照射装置の真空排
気された試料室内に入れ、この試料室内に例えばGaAsの
エピタキシャル成長に必要な原料ガスとして例えば(C
3 3 Gaや(CH3 3 Asなどのガスを導入する。す
ると、これらの原料ガスの分子が量子ドット4及びAlGa
As基板1の表面に吸着する。この時の様子を図6に示
す。図6において、符号6が吸着分子を示す。
In this first embodiment, the AlGaAs substrate 1 on which an array of quantum dots 4 having sufficiently small intervals is formed, as shown in FIG. 5, is placed in a vacuumed sample chamber of a predetermined electron beam irradiation apparatus. In this sample chamber, for example, (C
A gas such as H 3 ) 3 Ga or (CH 3 ) 3 As is introduced. Then, the molecules of these source gases are changed to the quantum dots 4 and AlGa.
As Adsorbed on the surface of the substrate 1. The state at this time is shown in FIG. In FIG. 6, reference numeral 6 indicates an adsorbed molecule.

【0061】次に、量子ドット集合素子の使用目的に応
じて選択された量子ドット4に対して電子ビーム7を選
択的に照射する。これによって、この電子ビーム7が照
射された部分の吸着分子6が分解され、その分解生成物
が照射部にエピタキシャル成長する。すなわち、図7に
示すように、電子ビーム7が照射された部分の量子ドッ
ト4上にGaAs層8が選択的にエピタキシャル成長する。
このGaAs層8は量子ドット4の一部となる。この場合、
このGaAs層8の成長量(厚さなど)や成長形状は、電子
ビーム7の照射時間やビーム強度などによって制御する
ことができる。なお、この場合の電子ビーム7の照射量
(露光量)は一般に少なくて済むため、電子の後方散乱
の影響は少なく、従って目的とする量子ドット4に対し
てだけ電子ビーム7を選択的に照射することが可能であ
る。また、仮に電子の後方散乱の影響が問題になる場合
には、AlGaAs基板1をバックエッチングして厚さを小さ
くすることなどによりその影響を最小にすることが可能
である。
Next, the electron beam 7 is selectively applied to the quantum dots 4 selected according to the purpose of use of the quantum dot assembly element. As a result, the adsorbed molecule 6 in the portion irradiated with the electron beam 7 is decomposed, and the decomposition product epitaxially grows in the irradiated portion. That is, as shown in FIG. 7, the GaAs layer 8 is selectively epitaxially grown on the quantum dots 4 in the portion irradiated with the electron beam 7.
This GaAs layer 8 becomes a part of the quantum dot 4. in this case,
The growth amount (thickness and the like) and growth shape of the GaAs layer 8 can be controlled by the irradiation time of the electron beam 7 and the beam intensity. In this case, since the irradiation amount (exposure amount) of the electron beam 7 is generally small, the influence of backscattering of electrons is small, and therefore the electron beam 7 is selectively irradiated only to the target quantum dot 4. It is possible to Further, if the influence of electron backscattering becomes a problem, the influence can be minimized by back-etching the AlGaAs substrate 1 to reduce its thickness.

【0062】以上のような電子ビーム7の照射を全ての
選択された量子ドット4に対して行うことにより、図8
に示すように、全ての選択された量子ドット4の上に所
望の厚さや形状を有するGaAs層8を選択的にエピタキシ
ャル成長させる。このようにしてGaAs層8の厚さや形状
を各量子ドット4毎に目的に応じて変化させることによ
り、各量子ドット4中の電子のエネルギー準位を変化さ
せることができ、これによって互いに隣接する量子ドッ
ト4間での電子のトンネル時間、従って量子ドット4間
の結合の強さをトランスファー・エネルギーΔEを介し
て制御することができる。
By irradiating all the selected quantum dots 4 with the electron beam 7 as described above, as shown in FIG.
As shown in, a GaAs layer 8 having a desired thickness and shape is selectively epitaxially grown on all the selected quantum dots 4. In this way, by changing the thickness and shape of the GaAs layer 8 for each quantum dot 4 according to the purpose, it is possible to change the energy level of the electrons in each quantum dot 4 and thereby adjacent to each other. It is possible to control the tunneling time of electrons between the quantum dots 4, and hence the strength of the bond between the quantum dots 4, via the transfer energy ΔE.

【0063】この後、図9に示すように、MOCVD法
やMBE法により全面に例えばAlGaAs層9を障壁層とし
てエピタキシャル成長させて、目的とする量子ドット集
合素子を完成させる。この場合、量子ドット4は、AlGa
As層9とAlGaAs基板1とにより取り囲まれた構造となっ
ている。
After that, as shown in FIG. 9, for example, an AlGaAs layer 9 is epitaxially grown as a barrier layer on the entire surface by MOCVD or MBE to complete the desired quantum dot assembly element. In this case, the quantum dots 4 are AlGa
The structure is surrounded by the As layer 9 and the AlGaAs substrate 1.

【0064】以上のように、この第1実施例によれば、
量子ドット集合素子の使用目的に応じて選択された量子
ドット4の上に、電子ビーム7の照射によるGaAs層8の
選択エピタキシャル成長により、量子ドット4の一部と
なるGaAs層8を選択された成長量や成長形状で形成する
ようにしているので、量子ドット4間の結合の強さを各
量子ドット4毎に制御することができる。そして、これ
によって、その使用目的に応じた電子分布変化の制御を
行うことができる量子ドット集合素子を実現することが
できる。
As described above, according to the first embodiment,
On the quantum dots 4 selected according to the purpose of use of the quantum dot assembly element, the GaAs layer 8 which is a part of the quantum dots 4 is selectively grown by selective epitaxial growth of the GaAs layer 8 by irradiation of the electron beam 7. Since the quantum dots 4 are formed in the amount and the growth shape, the strength of the coupling between the quantum dots 4 can be controlled for each quantum dot 4. And thereby, the quantum dot assembly element which can control the electron distribution change according to the use purpose can be realized.

【0065】次に、この発明の第2実施例について説明
する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.

【0066】この第2実施例においては、図5に示すよ
うに、あらかじめ十分に小さい間隔で量子ドット4のア
レーを形成した後、この量子ドット4のアレーを形成し
たAlGaAs基板1を所定の電子ビーム照射装置の真空排気
された試料室内に入れ、この試料室内に所定のエッチン
グガスを導入し、このエッチングガスの分子を量子ドッ
ト4及びAlGaAs基板1の表面に吸着させる。この時の様
子は図6に示すと同様である。
In the second embodiment, as shown in FIG. 5, an array of quantum dots 4 is formed in advance at sufficiently small intervals, and then the AlGaAs substrate 1 on which the array of quantum dots 4 is formed is subjected to predetermined electrons. The beam irradiation apparatus is placed in a vacuum-exhausted sample chamber, a predetermined etching gas is introduced into the sample chamber, and molecules of this etching gas are adsorbed on the quantum dots 4 and the surface of the AlGaAs substrate 1. The state at this time is similar to that shown in FIG.

【0067】次に、第1実施例と同様に、量子ドット集
合素子の使用目的に応じて選択された量子ドット4に対
して電子ビーム7を選択的に照射する。これによって、
この電子ビーム7が照射された部分の吸着分子6にエネ
ルギーが与えられ、この電子ビーム7が照射された量子
ドット4が化学エッチングされる。この場合、この化学
エッチングの深さやエッチング形状は、電子ビーム7の
照射時間やビーム強度などによって制御することができ
る。
Next, similarly to the first embodiment, the electron beam 7 is selectively irradiated to the quantum dots 4 selected according to the purpose of use of the quantum dot assembly element. by this,
Energy is applied to the adsorbed molecules 6 in the portion irradiated with the electron beam 7, and the quantum dots 4 irradiated with the electron beam 7 are chemically etched. In this case, the depth and etching shape of this chemical etching can be controlled by the irradiation time of the electron beam 7, the beam intensity, and the like.

【0068】以上のような電子ビーム7の照射を全ての
選択された量子ドット4に対して行うことにより、図1
0に示すように、全ての選択された量子ドット4をエッ
チングしてその高さを所望の高さにする。このようにし
て選択された量子ドット4の高さを目的に応じて変化さ
せることにより、これらの量子ドット4中の電子のエネ
ルギー準位を変化させることができ、これによって互い
に隣接する量子ドット4間での電子のトンネル時間、従
って量子ドット4間の結合の強さをトランスファー・エ
ネルギーΔEを介して制御することができる。
By irradiating all the selected quantum dots 4 with the electron beam 7 as described above, as shown in FIG.
As shown at 0, all selected quantum dots 4 are etched to their desired height. By changing the height of the quantum dots 4 selected in this way according to the purpose, the energy levels of the electrons in these quantum dots 4 can be changed, whereby the quantum dots 4 adjacent to each other can be changed. It is possible to control the tunneling time of electrons between the quantum dots 4 and thus the strength of the bond between the quantum dots 4 via the transfer energy ΔE.

【0069】この後、図11に示すように、MOCVD
法やMBE法により全面に例えばAlGaAs層9を障壁層と
してエピタキシャル成長させて、目的とする量子ドット
集合素子を完成させる。この場合、量子ドット4がAlGa
As層9とAlGaAs基板1とにより取り囲まれた構造となっ
ているのは第1実施例と同様である。
Thereafter, as shown in FIG. 11, MOCVD is performed.
Method or MBE method is used to epitaxially grow the AlGaAs layer 9 as a barrier layer on the entire surface to complete the target quantum dot assembly element. In this case, the quantum dots 4 are AlGa
Similar to the first embodiment, the structure is surrounded by the As layer 9 and the AlGaAs substrate 1.

【0070】以上のように、この第2実施例によれば、
量子ドット集合素子の使用目的に応じて選択された量子
ドット4を、電子ビーム7の照射による化学エッチング
により選択された高さにするようにしているので、量子
ドット4間の結合の強さを各量子ドット4毎に制御する
ことができる。これによって、第1実施例と同様に、そ
の使用目的に応じた電子分布変化の制御を行うことがで
きる量子ドット集合素子を実現することができる。
As described above, according to this second embodiment,
Since the quantum dots 4 selected according to the purpose of use of the quantum dot assembly element are made to have the height selected by the chemical etching by irradiation of the electron beam 7, the strength of the bond between the quantum dots 4 is increased. It can be controlled for each quantum dot 4. As a result, similarly to the first embodiment, it is possible to realize the quantum dot assembly element capable of controlling the change of the electron distribution according to the purpose of use.

【0071】次に、この発明の第3実施例について説明
する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.

【0072】この第3実施例においては、図5に示すよ
うに、あらかじめ十分に小さい間隔で量子ドット4のア
レーを形成した後、この量子ドット4のアレーを形成し
たAlGaAs基板1を所定の電子ビーム照射装置の真空排気
された試料室内に入れ、この試料室内に例えばAlGaAsの
エピタキシャル成長に必要な原料ガスを導入する。する
と、これらの原料ガスの分子が量子ドット4及びAlGaAs
基板1の表面に吸着する。この時の様子を図12に示
す。
In the third embodiment, as shown in FIG. 5, an array of quantum dots 4 is formed in advance at sufficiently small intervals, and then the AlGaAs substrate 1 on which the array of quantum dots 4 is formed is subjected to predetermined electron emission. The beam irradiation apparatus is placed in a vacuum-exhausted sample chamber, and a source gas necessary for epitaxial growth of AlGaAs, for example, is introduced into the sample chamber. Then, the molecules of these source gases become
Adsorb to the surface of the substrate 1. The state at this time is shown in FIG.

【0073】次に、量子ドット集合素子の使用目的に応
じて選択された互いに隣接する量子ドット4の間の領域
に対して電子ビーム7を選択的に照射する。これによっ
て、この電子ビーム7が照射された部分の吸着分子6が
分解され、その分解生成物が照射部にエピタキシャル成
長する。すなわち、図13に示すように、電子ビーム7
が照射された、互いに隣接する量子ドット4の間の領域
に、選択されたAl組成比x1を有するAlx1Ga1-x1As層1
0が選択的にエピタキシャル成長する。
Next, the electron beam 7 is selectively irradiated to the region between the adjacent quantum dots 4 selected according to the purpose of use of the quantum dot assembly element. As a result, the adsorbed molecule 6 in the portion irradiated with the electron beam 7 is decomposed, and the decomposition product epitaxially grows in the irradiated portion. That is, as shown in FIG.
Al x1 Ga 1-x1 As layer 1 having a selected Al composition ratio x1 in the region between adjacent quantum dots 4 irradiated with
0 selectively grows epitaxially.

【0074】以上のような電子ビーム7の照射を試料室
内に導入する原料ガスの組成を目的に応じて変化させな
がら必要な回数だけ繰り返すことにより、図14に示す
ように、選択された互いに隣接する量子ドット4の間の
領域に、それぞれ選択されたAl組成比x1、x2、x3
及びx4を有するAlx1Ga1-x1As層10、Alx2Ga1-x2As層
11、Alx3Ga1-x3As層12及びAlx3Ga1-x3As層13を障
壁層としてエピタキシャル成長させる。図示省略した他
の選択された互いに隣接する量子ドット4の間の領域に
も同様に選択されたAl組成比を有するAlGaAs層をエピタ
キシャル成長させる。この場合、障壁層としてのこれら
のAlx1Ga1-x1As層10、Alx2Ga1-x2As層11、Alx3Ga
1-x3As層12、Alx4Ga1-x4As層13、…による障壁高さ
はそのAl組成比x1、x2、x3、x4、…に依存する
ため、これらのAlx1Ga1-x1As層10、Alx2Ga1-x2As層1
1、Alx3Ga1-x3As層12、Alx4Ga1-x4As層13、…のそ
れぞれを介して互いに隣接する量子ドット4間での電子
のトンネリングのし易さ、従って量子ドット4間の結合
の強さはそのAl組成比x1、x2、x3、x4、…に依
存することになる。
By repeating the irradiation of the electron beam 7 as described above a necessary number of times while changing the composition of the raw material gas introduced into the sample chamber according to the purpose, as shown in FIG. In the region between the quantum dots 4 to be selected, the Al composition ratios x1, x2, x3 respectively selected
And an Al x1 Ga 1-x1 As layer 10, an Al x2 Ga 1-x2 As layer 11, an Al x3 Ga 1-x3 As layer 12 and an Al x3 Ga 1-x3 As layer 13 are epitaxially grown as barrier layers. Similarly, an AlGaAs layer having the selected Al composition ratio is also epitaxially grown in a region between the other selected adjacent quantum dots 4 not shown. In this case, these Al x1 Ga 1-x1 As layers 10, Al x2 Ga 1-x2 As layers 11, Al x3 Ga as barrier layers are used.
1-x3 As layer 12, Al x4 Ga 1-x4 As layer 13, ... barrier height by its Al composition ratio x1, x2, x3, x4, since it depends ..., these Al x1 Ga 1-x1 As Layer 10, Al x2 Ga 1-x2 As Layer 1
1. Ease of electron tunneling between the quantum dots 4 adjacent to each other through the Al x3 Ga 1-x3 As layer 12, the Al x4 Ga 1-x4 As layer 13, ... The strength of the bond depends on the Al composition ratios x1, x2, x3, x4, ....

【0075】この後、図15に示すように、MOCVD
法やMBE法により全面にAlGaAs層よりもワイドギャッ
プの半導体層、例えばAlAs層14を障壁層としてエピタ
キシャル成長させて、目的とする量子ドット集合素子を
完成させる。この場合、量子ドット4は、AlAs層14と
AlGaAs基板1とAlx1Ga1-x1As層10、…などとにより取
り囲まれた構造となっている。
Thereafter, as shown in FIG. 15, MOCVD is performed.
Method or MBE method is used to epitaxially grow a semiconductor layer having a wider gap than the AlGaAs layer, for example, the AlAs layer 14 as a barrier layer on the entire surface to complete the desired quantum dot assembly device. In this case, the quantum dots 4 and the AlAs layer 14
The structure is surrounded by the AlGaAs substrate 1 and the Al x1 Ga 1-x1 As layers 10 ,.

【0076】以上のように、この第3実施例によれば、
量子ドット集合素子の使用目的に応じた選択された互い
に隣接する量子ドット4の間の領域に、選択されたAl組
成比を有する障壁層としてのAlx1Ga1-x1As層10、Alx2
Ga1-x2As層11、Alx3Ga1-x3As層12、Alx4Ga1-x4As層
13、…を設けていることにより、量子ドット4間の結
合の強さを各量子ドット4毎に制御することができ、こ
れによってその使用目的に応じた電子分布変化の制御を
行うことができる量子ドット集合素子を実現することが
できる。
As described above, according to the third embodiment,
Al x1 Ga 1-x1 As layers 10 and Al x2 as a barrier layer having a selected Al composition ratio in a region between the adjacent quantum dots 4 selected according to the purpose of use of the quantum dot assembly device.
By providing the Ga 1-x2 As layer 11, the Al x3 Ga 1-x3 As layer 12, the Al x4 Ga 1-x4 As layer 13, ... It is possible to realize a quantum dot assembly device that can be controlled for each of the devices and that can control the change in electron distribution according to the purpose of use.

【0077】次に、この発明の第4実施例について説明
する。
Next explained is the fourth embodiment of the invention.

【0078】この第4実施例においては、図5に示すよ
うに、あらかじめ十分に小さい間隔で量子ドット4のア
レーを形成した後、この量子ドット4のアレーを形成し
たAlGaAs基板1を所定の電子ビーム照射装置の真空排気
された試料室内に入れ、この試料室内に例えばAlGaAsの
エピタキシャル成長に必要な原料ガスを導入する。する
と、図6や図12に示すと同様にして、これらの原料ガ
スの分子が量子ドット4及びAlGaAs基板1の表面に吸着
する。
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 5, an array of quantum dots 4 is formed in advance at sufficiently small intervals, and then the AlGaAs substrate 1 on which the array of quantum dots 4 is formed is subjected to predetermined electrons. The beam irradiation apparatus is placed in a vacuum-exhausted sample chamber, and a source gas necessary for epitaxial growth of AlGaAs, for example, is introduced into the sample chamber. Then, in the same manner as shown in FIGS. 6 and 12, the molecules of these source gases are adsorbed on the surfaces of the quantum dots 4 and the AlGaAs substrate 1.

【0079】次に、量子ドット集合素子の使用目的に応
じて選択された互いに隣接する量子ドット4の間の領域
に対して電子ビーム7を選択的に照射する。これによっ
て、この電子ビーム7が照射された部分の吸着分子6が
分解され、その分解生成物が照射部にエピタキシャル成
長する。すなわち、図16に示すように、電子ビーム7
が照射された互いに隣接する量子ドット4の間の領域に
その照射時間やビーム強度などに応じた厚さを有するAl
GaAs層15が選択的にエピタキシャル成長される。
Next, the electron beam 7 is selectively irradiated to the region between the adjacent quantum dots 4 selected according to the purpose of use of the quantum dot assembly element. As a result, the adsorbed molecule 6 in the portion irradiated with the electron beam 7 is decomposed, and the decomposition product epitaxially grows in the irradiated portion. That is, as shown in FIG.
Al having a thickness corresponding to the irradiation time and the beam intensity in the region between the adjacent quantum dots 4 irradiated with
The GaAs layer 15 is selectively epitaxially grown.

【0080】以上のような電子ビーム7の照射をその照
射時間やビーム強度を目的に応じて変えながら全ての選
択された互いに隣接する量子ドット4の間の領域に対し
て行うことにより、図16に示すように、全ての選択さ
れた量子ドット4の間の領域にそれぞれ選択された厚さ
を有するAlGaAs層15、16、17、18を障壁層とし
てエピタキシャル成長させる。図示省略した他の選択さ
れた互いに隣接する量子ドット4の間の領域にも同様に
選択された厚さを有するAlGaAs層をエピタキシャル成長
させる。なお、この場合、この量子ドット4間の領域に
形成されるAlGaAs層のAl組成比は全て一定とする。この
場合、障壁層としてのこれらのAlGaAs層15、16、1
7、18、…の厚さによって、これらのAlGaAs層15、
16、17、18、…を介して互いに隣接する量子ドッ
ト4間での電子のトンネリングのし易さ、従って量子ド
ット4間の結合の強さを制御することができる。
By irradiating the electron beam 7 as described above with respect to the region between all the selected quantum dots 4 adjacent to each other while changing the irradiation time and the beam intensity according to the purpose, FIG. As shown in FIG. 3, AlGaAs layers 15, 16, 17, and 18 each having a selected thickness are epitaxially grown in the region between all the selected quantum dots 4 as a barrier layer. Similarly, an AlGaAs layer having a selected thickness is also epitaxially grown in a region between other selected adjacent quantum dots 4 not shown. In this case, the Al composition ratio of the AlGaAs layer formed in the region between the quantum dots 4 is constant. In this case, these AlGaAs layers 15, 16, 1 as barrier layers
Depending on the thickness of 7, 18, ...
It is possible to control the ease of tunneling of electrons between the quantum dots 4 adjacent to each other via 16, 17, 18, ..., Therefore, the strength of the coupling between the quantum dots 4.

【0081】この後、第3実施例と同様に、図17に示
すように、MOCVD法やMBE法により全面に例えば
AlAs層14を障壁層としてエピタキシャル成長させて、
目的とする量子ドット集合素子を完成させる。
After this, as in the third embodiment, as shown in FIG. 17, the entire surface is, for example, formed by MOCVD or MBE.
Epitaxially grow the AlAs layer 14 as a barrier layer,
Complete the target quantum dot assembly device.

【0082】以上のように、この第4実施例によれば、
量子ドット集合素子の使用目的に応じて選択された互い
に隣接する量子ドット4の間の領域に、それぞれ選択さ
れた厚さを有する障壁層としてのAlGaAs層15、16、
17、18、…を設けていることにより、量子ドット4
間の結合の強さを各量子ドット4毎に制御することがで
き、これによってその使用目的に応じた電子分布変化の
制御を行うことができる量子ドット集合素子を実現する
ことができる。
As described above, according to the fourth embodiment,
AlGaAs layers 15 and 16 as barrier layers each having a selected thickness in a region between the adjacent quantum dots 4 selected according to the purpose of use of the quantum dot assembly element,
By providing 17, 18, ...
The strength of the coupling between the quantum dots 4 can be controlled for each quantum dot 4, and thus a quantum dot assembly element capable of controlling the change in electron distribution according to the purpose of use can be realized.

【0083】次に、この発明の第5実施例について説明
する。
Next explained is the fifth embodiment of the invention.

【0084】この第5実施例においては、図18に示す
ように、AlGaAs基板1上に例えばGaAsから成る複数の量
子細線18を一定間隔で互いに平行に形成する。ここ
で、これらの量子細線18は、図5に示す量子ドット4
のアレーにおける一方向に配列された量子ドット4の間
の間隔を0にしたものと考えることができる。
In the fifth embodiment, as shown in FIG. 18, a plurality of quantum wires 18 made of, for example, GaAs are formed on an AlGaAs substrate 1 in parallel at regular intervals. Here, these quantum wires 18 are the quantum dots 4 shown in FIG.
It can be considered that the distance between the quantum dots 4 arranged in one direction in the array of is set to zero.

【0085】この第5実施例においては、この量子細線
18のアレーに対して、上述の第1実施例、第2実施
例、第3実施例または第4実施例と同様の処理を施す。
In the fifth embodiment, the array of the quantum wires 18 is subjected to the same processing as that of the above-mentioned first embodiment, second embodiment, third embodiment or fourth embodiment.

【0086】すなわち、第1実施例と同様の手法を用い
る場合には、選択された量子細線18の選択された部分
の上に電子ビームの照射による選択エピタキシャル成長
によりGaAs層を設けることにより、この部分の形状や大
きさを局部的に変化させる。
That is, when the same method as that of the first embodiment is used, by providing a GaAs layer on the selected portion of the selected quantum wire 18 by the selective epitaxial growth by irradiation of the electron beam, this portion is formed. Locally change the shape and size of.

【0087】また、第2実施例と同様の手法を用いる場
合には、選択された量子細線18の選択された部分を電
子ビームの照射によりエッチングすることにより、この
部分の形状や大きさを局部的に変化させる。
When the same method as in the second embodiment is used, the selected portion of the selected quantum wire 18 is etched by irradiation with an electron beam so that the shape or size of this portion is locally changed. Change.

【0088】また、第3実施例と同様の手法を用いる場
合には、選択された互いに隣接する量子細線18の選択
された部分の間の領域に選択されたAl組成比を有するAl
GaAs層を障壁層として設ける。
When the same method as that of the third embodiment is used, Al having the selected Al composition ratio is formed in the region between the selected portions of the selected quantum wires 18 adjacent to each other.
A GaAs layer is provided as a barrier layer.

【0089】さらに、第4実施例と同様の手法を用いる
場合には、選択された互いに隣接する量子細線18の選
択された部分の間の領域に選択された厚さを有するAlGa
As層を障壁層として設ける。
Further, when the same method as in the fourth embodiment is used, AlGa having a selected thickness is formed in the region between the selected portions of the selected quantum wires 18 adjacent to each other.
The As layer is provided as a barrier layer.

【0090】以上のいずれの方法を用いても、選択され
た互いに隣接する量子細線18の選択された部分の間の
結合の強さを目的に応じた強さに制御することができ
る。これによって、この第5実施例によれば、その使用
目的に応じた電子分布変化の制御を行うことができる量
子細線集合素子を実現することができる。
By using any of the above methods, it is possible to control the strength of the coupling between the selected portions of the quantum wires 18 that are adjacent to each other to a strength suitable for the purpose. As a result, according to the fifth embodiment, it is possible to realize the quantum wire assembly element capable of controlling the change of the electron distribution according to the purpose of use.

【0091】以上、この発明の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。
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.

【0092】例えば、必要に応じて、上述の第1実施
例、第2実施例、第3実施例及び第4実施例による手法
を任意に組み合わせることにより、量子ドット4間の結
合の強さを各量子ドット4毎に制御するようにしてもよ
い。このようにすれば、量子ドット集合素子における制
御可能なパラメータの数を増やすことができる。一例を
挙げると、第3実施例による手法と第4実施例による手
法とを組み合わせ、選択された互いに隣接する量子ドッ
ト4の間の領域に形成する障壁層としてのAlGaAs層のAl
組成比及び厚さを各量子ドット毎に変化させるようにし
てもよい。
For example, the strength of the coupling between the quantum dots 4 can be increased by arbitrarily combining the methods according to the first, second, third, and fourth embodiments described above, if necessary. You may make it control for each quantum dot 4. By doing so, the number of controllable parameters in the quantum dot assembly element can be increased. As an example, by combining the method according to the third embodiment and the method according to the fourth embodiment, Al of the AlGaAs layer as a barrier layer formed in the region between the selected adjacent quantum dots 4 is formed.
The composition ratio and the thickness may be changed for each quantum dot.

【0093】また、上述の第1実施例、第2実施例、第
3実施例及び第4実施例においては、四角柱形状の量子
ドット4を用いているが、四角柱形状以外の各種の形状
の量子ドットを用いる量子ドット集合素子にも、この発
明を適用することが可能である。
Further, in the above-mentioned first embodiment, second embodiment, third embodiment and fourth embodiment, the square pillar-shaped quantum dots 4 are used, but various shapes other than the square pillar shape are used. The present invention can also be applied to a quantum dot assembly element using the quantum dots of.

【0094】また、図22に示すように、量子ドット間
の相対角θによってトランスファー・エネルギーΔEが
大きく変化することを利用し、量子ドット4間の相対角
θを量子ドット集合素子の使用目的などに応じて変化さ
せるようにすることも可能である。
Further, as shown in FIG. 22, the transfer angle ΔE greatly changes depending on the relative angle θ between the quantum dots. It is also possible to change according to.

【0095】さらに、上述の第1実施例、第2実施例、
第3実施例、第4実施例及び第5実施例においては、量
子ドット4や量子細線18をAlGaAs/GaAsヘテロ接合に
より形成しているが、例えばGaSb/InAsヘテロ接合など
の他の半導体ヘテロ接合によりこれらの量子ドット4や
量子細線18を形成するようにしてもよい。
Furthermore, the above-mentioned first embodiment, second embodiment,
In the third, fourth and fifth embodiments, the quantum dots 4 and the quantum wires 18 are formed by AlGaAs / GaAs heterojunctions, but other semiconductor heterojunctions such as GaSb / InAs heterojunctions are used. Thus, the quantum dots 4 and the quantum wires 18 may be formed.

【0096】[0096]

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
量子箱間の結合の強さを各量子箱毎に制御することがで
き、従ってその使用目的に応じた電子分布変化の制御を
行うことができる量子箱集合素子を実現することができ
る。また、この発明によれば、量子細線間の結合の強さ
を各量子細線毎に制御することができ、従ってその使用
目的に応じた電子分布変化の制御を行うことができる量
子細線集合素子を実現することができる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to realize a quantum box assembly element capable of controlling the coupling strength between the quantum boxes for each quantum box, and thus controlling the electron distribution change according to the purpose of use. Further, according to the present invention, a quantum wire assembly element capable of controlling the coupling strength between quantum wires for each quantum wire and thus controlling the electron distribution change according to the purpose of use thereof. Can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の第1実施例による量子ドット集合素
子の製造方法を説明するための斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view for explaining a method of manufacturing a quantum dot assembly device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】この発明の第1実施例による量子ドット集合素
子の製造方法を説明するための斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view for explaining a method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】この発明の第1実施例による量子ドット集合素
子の製造方法を説明するための斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view for explaining a method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the first embodiment of the present invention.

【図4】この発明の第1実施例による量子ドット集合素
子の製造方法を説明するための斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view for explaining a method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the first embodiment of the present invention.

【図5】この発明の第1実施例による量子ドット集合素
子の製造方法を説明するための斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view for explaining the method of manufacturing the quantum dot aggregate device according to the first embodiment of the present invention.

【図6】この発明の第1実施例による量子ドット集合素
子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the first embodiment of the present invention.

【図7】この発明の第1実施例による量子ドット集合素
子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the first embodiment of the present invention.

【図8】この発明の第1実施例による量子ドット集合素
子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the quantum dot aggregate device according to the first embodiment of the present invention.

【図9】この発明の第1実施例による量子ドット集合素
子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the first embodiment of the present invention.

【図10】この発明の第2実施例による量子ドット集合
素子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the second embodiment of the present invention.

【図11】この発明の第2実施例による量子ドット集合
素子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the second embodiment of the present invention.

【図12】この発明の第3実施例による量子ドット集合
素子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the third embodiment of the present invention.

【図13】この発明の第3実施例による量子ドット集合
素子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the third embodiment of the present invention.

【図14】この発明の第3実施例による量子ドット集合
素子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the third embodiment of the present invention.

【図15】この発明の第3実施例による量子ドット集合
素子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the third embodiment of the present invention.

【図16】この発明の第4実施例による量子ドット集合
素子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot assembly device according to the fourth embodiment of the present invention.

【図17】この発明の第4実施例による量子ドット集合
素子の製造方法を説明するための断面図である。
FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing a quantum dot aggregate device according to the fourth embodiment of the present invention.

【図18】この発明の第5実施例による量子細線集合素
子を説明するための斜視図である。
FIG. 18 is a perspective view for explaining a quantum wire assembly element according to a fifth embodiment of the present invention.

【図19】単一量子ドットのポテンシャル井戸及びこの
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。
FIG. 19 is a schematic diagram conceptually showing a potential well of a single quantum dot and a ground-state wave function of electrons in the potential well.

【図20】二つの量子ドットから成る量子ドット結合系
を示す略線図である。
FIG. 20 is a schematic diagram showing a quantum dot coupling system composed of two quantum dots.

【図21】二次元の正方形量子ドット結合系における量
子ドット間の相対距離及び相対角を示す略線図である。
FIG. 21 is a schematic diagram showing a relative distance and a relative angle between quantum dots in a two-dimensional square quantum dot coupled system.

【図22】図21に示す正方形量子ドット結合系におけ
る相対角θによるトランスファー・エネルギーΔE及び
トンネル時間τの変化を示すグラフである。
22 is a graph showing changes in transfer energy ΔE and tunnel time τ according to the relative angle θ in the square quantum dot coupled system shown in FIG. 21.

【図23】隣接する量子ドット間の電子のエネルギー準
位の違いによるトランスファー・エネルギーの変化を説
明するためのエネルギー準位図である。
FIG. 23 is an energy level diagram for explaining a change in transfer energy due to a difference in electron energy level between adjacent quantum dots.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 AlGaAs基板 2、5、8 GaAs層 3 レジストパターン 4 量子ドット 6 吸着分子 7 電子ビーム 9、15、16、17、18 AlGaAs層 10 Alx1Ga1-x1As層 11 Alx2Ga1-x2As層 12 Alx3Ga1-x3As層 13 Alx4Ga1-x4As層 14 AlAs層1 AlGaAs substrate 2, 5, 8 GaAs layer 3 Resist pattern 4 Quantum dot 6 Adsorbed molecule 7 Electron beam 9, 15, 16, 17, 18 AlGaAs layer 10 Al x1 Ga 1-x1 As layer 11 Al x2 Ga 1-x2 As Layer 12 Al x3 Ga 1-x3 As layer 13 Al x4 Ga 1-x4 As layer 14 AlAs layer

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 互いに隣接して配置された複数の量子箱
を有し、 選択された上記量子箱上にエピタキシャル層を設けるこ
とにより上記選択された量子箱の形状及び/又は大きさ
を変化させるようにした量子素子。
1. A plurality of quantum boxes arranged adjacent to each other, wherein the shape and / or size of the selected quantum box is changed by providing an epitaxial layer on the selected quantum box. The quantum device.
【請求項2】 互いに隣接して配置された複数の量子箱
を有し、 選択された上記量子箱をエッチングすることにより上記
選択された量子箱の形状及び/又は大きさを変化させる
ようにした量子素子。
2. A plurality of quantum boxes arranged adjacent to each other, wherein the shape and / or size of the selected quantum box is changed by etching the selected quantum box. Quantum element.
【請求項3】 互いに隣接して配置された複数の量子箱
を有し、 選択された互いに隣接する上記量子箱の間の領域に選択
された組成を有する障壁層を設けるようにした量子素
子。
3. A quantum device having a plurality of quantum boxes arranged adjacent to each other, wherein a barrier layer having a selected composition is provided in a region between the selected adjacent quantum boxes.
【請求項4】 互いに隣接して配置された複数の量子箱
を有し、 選択された互いに隣接する上記量子箱の間の領域に選択
された厚さを有する障壁層を設けるようにした量子素
子。
4. A quantum device having a plurality of quantum boxes arranged adjacent to each other, wherein a barrier layer having a selected thickness is provided in a region between the selected adjacent quantum boxes. .
【請求項5】 互いに隣接して配置された複数の量子細
線を有し、 選択された上記量子細線の選択された部分の上にエピタ
キシャル層を設けることにより上記選択された部分の形
状及び/又は大きさを変化させるようにした量子素子。
5. A plurality of quantum wires arranged adjacent to each other, the shape and / or the shape of the selected parts being provided by providing an epitaxial layer on the selected parts of the selected quantum wires. A quantum device whose size is changed.
【請求項6】 互いに隣接して配置された複数の量子細
線を有し、 選択された上記量子細線の選択された部分をエッチング
することにより上記選択された部分の形状及び/又は大
きさを変化させるようにした量子素子。
6. A plurality of quantum wires arranged adjacent to each other, wherein the shape and / or size of the selected portions is changed by etching selected portions of the selected quantum wires. Quantum element that was made to do.
【請求項7】 互いに隣接して配置された複数の量子細
線を有し、 選択された互いに隣接する上記量子細線の選択された部
分の間の領域に選択された組成を有する障壁層を設ける
ようにした量子素子。
7. A barrier layer having a plurality of quantum wires disposed adjacent to each other, the barrier layer having a selected composition in a region between selected portions of the selected quantum wires adjacent to each other. Quantum device.
【請求項8】 互いに隣接して配置された複数の量子細
線を有し、 選択された互いに隣接する上記量子細線の選択された部
分の間の領域に選択された厚さを有する障壁層を設ける
ようにした量子素子。
8. A barrier layer having a plurality of quantum wires disposed adjacent to each other, the barrier layer having a selected thickness in a region between selected portions of the selected quantum wires adjacent to each other. The quantum device.
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