JP2000150862A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2000150862A
JP2000150862A JP11158957A JP15895799A JP2000150862A JP 2000150862 A JP2000150862 A JP 2000150862A JP 11158957 A JP11158957 A JP 11158957A JP 15895799 A JP15895799 A JP 15895799A JP 2000150862 A JP2000150862 A JP 2000150862A
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quantum dot
quantum
less
quantum dots
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Tetsushi Sakumoto
哲史 棚本
Shinobu Fujita
忍 藤田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To connect a Controlled-NOT circuit to a general purpose Si-LSI by applying a voltage to at least one gate electrode for changing charge distribution in at least two fine structures. SOLUTION: The manufacturing method of an embodiment is described. First, a device region is formed on a p-Si substrate 7. Then, gate oxidation is made, and a thermal oxide film 8 for forming quantum dot structure is subjected to patterning. Ion implantation is performed while resist is allowed to remain, and the regions of a source 9 and a drain 10 are formed. Then, after poly Si is deposited, a quantum dot structure of 0.1 μm or less that becomes a target bit 1 and a control bit 2, a gate electrode 3 of the target bit, and a gate electrode 4 for the control bit are subjected to patterning. In this case, to further reduce the size of a quantum size, the quantum dot structure is manufactured, thermal oxidation is made again, quantum dot surface is oxidized, and the transmission part can be further reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は論理動作を行う半導
体素子に関する。
The present invention relates to a semiconductor device that performs a logical operation.

【0002】[0002]

【従来の技術】量子力学的な波動関数を直接利用する量
子コンピュータがD. Deutsch(Proc.
R. Soc. London, Ser A 40
0, p97(1985))をはじめとして提案されて
いる。例えば従来因数分解のアルゴリズムによれば、そ
の計算ステップ数は入力数の増加に対してほぼ指数関数
的に増大していくことが知られていたが、P. W.
Shor (1994 Proc. 35th An
n. Symp. Foundation of Co
mputer Science(IEEE Compu
ter Society,Los Alamos, p
124)が入力数の多項式ステップ(例えばc N+c
+c...回(c,c,c...は
定数)で因数分解することができるアルゴリズムを量子
コンピュータにより示したことによって、量子コンピュ
ータの有用性が広く認識されるようになってきた。他
方、量子コンピュータは暗号理論への適用が期待されて
いる。これは量子コンピュータにおいては波動関数その
ものを一つ一つの信号と捉えることから、(1) 解読
不可能な信号を発生させる、(2) 盗聴者が存在した
場合にその存在を認識させる、という暗号理論に必要と
される重要な性質を満たすことが知られている。この
(2)については盗聴者が信号に接触した途端、量子力
学的な‘観測’が行われ、波動関数が変化してしまうこ
とがその本質であり、完全なコピーが不可能であること
が最大限利用されている(no−cloning理
論)。これは従来の古典的な0か1の信号を使った暗号
では不可能と考えられていたことである。
2. Description of the Related Art Quantities that directly use quantum mechanical wave functions
The child computer is D. Deutsch (Proc.
R. Soc. London, Ser A 40
0, p97 (1985))
I have. For example, according to the conventional factorization algorithm,
Is approximately exponential with increasing number of inputs
Is known to increase, W.
Shor (1994 Proc. 35th An)
n. Symp. Foundation of Co
mputer Science (IEEE Compu
ter Society, Los Alamos, p
124) is a polynomial step of the number of inputs (eg, c 1N + c
2N2+ C3N3. . . Times (c1, C2, C3. . . Is
Algorithm that can be factored by a constant
By showing by computer, quantum computer
The usefulness of data has become widely recognized. other
On the other hand, quantum computers are expected to be applied to cryptography
I have. This is the wave function in quantum computers
(1) Deciphering by considering things as individual signals
Generating an impossible signal, (2) there is an eavesdropper
Necessary for cryptography to recognize its existence when
It is known to fulfill important properties. this
Regarding (2), as soon as the eavesdropper contacts the signal, the quantum power
‘Observation’ is performed and the wave function changes
Is the essence of which is impossible to copy completely
Is used to the maximum (no-cloning logic
Theory). This is a classic encryption using a classic 0 or 1 signal
It was thought impossible.

【0003】この量子コンピュータにおける論理演算は
波動関数の変化として実現される。まず、ビットを表す
場合、特に二準位系においては、二つの基底関数|0>
と|1>と任意の数,a,bを用いてφ=a|0>+b
|0>のように表される。例えば整数Nを表す状態はま
ず、Nを二進数で表し:
The logical operation in this quantum computer is realized as a change in a wave function. First, when representing bits, particularly in a two-level system, two basis functions | 0>
And | 1> and an arbitrary number, a and b, φ = a | 0> + b
| 0>. For example, a state representing an integer N first represents N in binary:

【数1】 のように記述される。量子コンピュータにおける論理演
算とはこの波動状態に系の変化であるユニタリー変換
(ユニタリー行列)を作用させることになる。計算の種
類によりこのユニタリー行列の形もさまざまに取られる
が、この中で特に基本的で重要と考えられているものに
controlled−NOT回路がある(例えばA.
Barenco et. al:Phys. Re
v. Lett. Vol.74, p4083 (1
995))。これは二つのビット(2準位系)から構成
され、二つのビットのうち一つを制御ビットもう一つを
標的ビットと呼ぶことにすると、制御ビットと標的ビッ
トに関するcontrolled−NOT演算C12
以下のようにかかれる:
(Equation 1) It is described as follows. The logical operation in the quantum computer is to apply a unitary transformation (unitary matrix), which is a change of the system, to this wave state. The unitary matrix may take various forms depending on the type of calculation. Among them, a control-NOT circuit is considered to be particularly basic and important (for example, A.I.
Barenco et. al: Phys. Re
v. Lett. Vol. 74, p4083 (1
995)). It consists of two bits (two-level system), when that one control bit longer one of the two bits referred to as the target bit, Controlled-NOT operation C 12 relates to the control bit and the target bit It is put as follows:

【数2】 つまり(Equation 2) I mean

【数3】 行列で表すと(Equation 3) Expressed as a matrix

【数4】 のようになる。controlled−NOT回路には
(1)いわゆるmeasurement gateであ
り、非破壊測定を可能にする、(2)二つのbitの状
態のいれかえ(swapping)を可能にする、など
の特徴があり、これらは特に量子暗号回路における重要
な役割を果たす(C. H. Bennett eta
l. :Phys. Rev. Lett. Vol.
29 p1895 (1993))。
(Equation 4) become that way. The controlled-NOT circuit is characterized by (1) what is called a measurement gate, which enables nondestructive measurement, and (2) which enables swapping of the state of two bits. Plays an important role in quantum cryptography (CH Bennett eta)
l. : Phys. Rev .. Lett. Vol.
29 p 1895 (1993)).

【0004】さてこの量子コンピュータを実現する系と
してイオントラップの系(J.I.Cirac et
al.(Phys. Rev. Lett. Vol.
74, p4091(1995))やNMRを使った提
案(N. A. Gershenfeld et a
l. Science Vol.275 p350
(1997))がなされている。J.I.Cirac
et al.(Phys.Rev. Lett. Vo
l. 74, p4091(1995)が示したコール
ドイオントラップを利用したcontrolled−N
OTはMonroe et al.(Phys. Re
v. Lett. Vol.50,p4714(199
5))らにより、実験検証が行われている。図8は二つ
の隣り合った量子ドットの双極子間相互作用を利用した
controlled−NOTを実現する系を示したも
のである(A. Barencoet. al :Ph
ys. Rev. Lett. Vol.74, p4
083 (1995))。図8(a)は外部電場がある
ときの二つの量子ドットのエネルギー準位を量子ドット
間の相互作用がある場合(左)と無い場合(右)で示し
たものであり、図8(b)は共鳴スペクトルを示し、破
線は量子ドット1を制御ビット、量子ドット2を標的ビ
ットとしたときのcontrolled−NOT動作を
示したものである。周波数ω+/ωを持つπのパルス
波をかけたときに最初の量子ドット1が状態|1>にい
たときに限り、量子ドット2が|0>と|1>間の遷移
を起すことがわかる。ただし、/ωは、ωバーとする。
As a system for realizing this quantum computer, an ion trap system (JI Cirac et.
al. (Phys. Rev. Lett. Vol.
74, p4091 (1995)) and a proposal using NMR (NA Gershenfeld et a).
l. Science Vol. 275 p350
(1997)). J. I. Cirac
et al. (Phys. Rev. Lett. Vo
l. 74, p4091 (1995), a controlled-N using a cold ion trap.
OT is described in Monroe et al. (Phys. Re
v. Lett. Vol. 50, p 4714 (199
5)) have conducted experimental verification. FIG. 8 shows a system for realizing a controlled-NOT using the dipole-dipole interaction between two adjacent quantum dots (A. Barencoet. Al: Ph).
ys. Rev .. Lett. Vol. 74, p4
083 (1995)). FIG. 8A shows the energy levels of two quantum dots in the presence of an external electric field when there is an interaction between the quantum dots (left) and when there is no interaction between them (right). ) Shows a resonance spectrum, and a broken line shows a controlled-NOT operation when the quantum dot 1 is a control bit and the quantum dot 2 is a target bit. The quantum dot 2 makes a transition between | 0> and | 1> only when the first quantum dot 1 is in the state | 1> when a pulse wave of π having a frequency ω 2 + / ω is applied. I understand. Here, / ω is ω bar.

【0005】以上、いくつかのcontrolled−
NOT動作を実現する系が提案されているが、例えばイ
オントラップなどの光を利用する素子ではマイクロチッ
プ化することが難しい上、従来のLSIとの結合が困難
である等の本質的問題があり、暗号回路にしても、通常
のパーソナルコンピュータ内にチップとして組み込むた
めには電子デバイス化する必要があった。また、Qua
ntum Cellular Automaton(Q
CA)として、量子ドットの4つ、または5つの組みを
基本単位のセルとして同一平面内に多数ならべ、入力信
号に対して出力信号をとるという提案(C. S. L
ent et al: Nanotech. Vol.
4, p49 (1993), Appl. Phy
s. Lett. Vol.62, p714 (19
93))もなされているが、この提案においては回路動
作の原理であるセル間の相互作用は古典力学的なクーロ
ン相互作用であり、量子計算機が必要とする量子力学的
な演算は不可能であった。また、この提案においてはセ
ル内の電子はセル内に一定の数だけ限定され、閉じ込め
られていることが必要不可欠であり、一定以外の電子が
注入、または取り除かれると動作は不可能になるため、
作成は極めて困難であることが問題とされていた。
As described above, some controlled-
Although a system for realizing NOT operation has been proposed, for example, it is difficult to form a microchip in an element using light such as an ion trap, and there are essential problems such as difficulty in coupling with a conventional LSI. Even in the case of a cryptographic circuit, it has been necessary to make it into an electronic device in order to incorporate it as a chip in an ordinary personal computer. Also, Qua
ntum Cellular Automaton (Q
CA), a proposal (CSL) in which four or five sets of quantum dots are arranged as cells of a basic unit in a large number in the same plane, and an output signal is taken for an input signal.
ent et al: Nanotech. Vol.
4, p49 (1993), Appl. Phys
s. Lett. Vol. 62, p714 (19
93)), however, in this proposal, the interaction between cells, which is the principle of circuit operation, is a classical mechanical Coulomb interaction, and the quantum mechanical operation required by a quantum computer is impossible. there were. Also, in this proposal, the number of electrons in the cell is limited to a certain number in the cell, and it is essential that the cell is confined, and operation becomes impossible if other than a certain number of electrons are injected or removed. ,
The problem was that it was extremely difficult to create.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記にかんが
みて考案されたものであり、量子計算機において最も基
本的な論理回路である、conrolled−NOT回
路を汎用のSi−LSIと接続できる半導体素子におい
て実現することを可能にしている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been devised in view of the above, and is a semiconductor device capable of connecting a controlled-NOT circuit, which is the most basic logic circuit in a quantum computer, to a general-purpose Si-LSI. It is possible to realize in.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子は伝
導体からなる0.1ミクロン以下の二つ以上の微細構造
と、該微細構造と接合容量が0.1μF以下であるよう
に電気的に接続されている一つ以上のゲート電極とを有
し、一つ以上の該ゲート電極に特定の電圧を加えること
により、少なくとも二つの該微細構造内の電荷分布が変
化することを特徴とする。また本発明の半導体素子は伝
導体からなる0.1ミクロン以下の二つ以上の微細構造
を形成し、該微細構造と接合容量が0.1μF以下であ
るように電気的に接続されている第一のゲート電極と、
該第一のゲート電極に接続されていない二つ以上の該微
細構造と接合容量が0.1μF以下であるように電気的
に接続されている第二のゲート電極を持つことを特徴と
する。また本発明の半導体素子は基板上に絶縁膜を介し
て伝導体からなる微細構造を四つ以上形成し、該微細構
造のうち二つ以上と電気的に接続され、かつ接合容量が
0.1μF以下である一つまたは複数個の第一のゲート
電極と、該微細構造と該第一のゲート電極上に絶縁体を
介して形成された第二のゲート電極を有することを特徴
とする。また本発明の半導体素子は該微細構造と、該第
一のゲート電極、該第二のゲート電極とが絶縁膜を介し
て半導体基板上に形成され、ソース電極、ドレイン電極
を有することを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION A semiconductor device according to the present invention comprises two or more microstructures made of a conductive material having a size of 0.1 μm or less, and an electrical device having a junction capacitance of 0.1 μF or less. And at least two gate electrodes connected to the gate electrode, and applying a specific voltage to the one or more gate electrodes changes a charge distribution in at least two of the microstructures. . Further, the semiconductor element of the present invention forms two or more fine structures of 0.1 μm or less made of a conductor and is electrically connected to the fine structures so that the junction capacitance is 0.1 μF or less. A gate electrode;
It has a second gate electrode electrically connected to two or more of the microstructures not connected to the first gate electrode so that a junction capacitance is 0.1 μF or less. Further, the semiconductor element of the present invention has four or more microstructures made of a conductor formed on a substrate via an insulating film, is electrically connected to two or more of the microstructures, and has a junction capacitance of 0.1 μF. It is characterized by having one or more of the following first gate electrodes, a second gate electrode formed on the microstructure and an insulator over the first gate electrode. The semiconductor element of the present invention is characterized in that the microstructure, the first gate electrode, and the second gate electrode are formed over a semiconductor substrate with an insulating film interposed therebetween, and have a source electrode and a drain electrode. I do.

【0008】また本発明の半導体素子は該微細構造と、
該第一のゲート電極、該第二のゲート電極とが絶縁膜を
介して半導体基板上に形成され、ソース電極、ドレイン
電極を有することを特徴とする。また本発明の半導体素
子は伝導体からなる0.1ミクロン以下の二つ以上の微
細構造と、該微細構造と接続容量が0.1μF以下であ
るように電気的に接続されている電荷供給層と、該微細
構造上に絶縁体を介して形成される一つ以上のゲート電
極とを有し、該ゲート電極に特定の電圧を加える事によ
り、少なくとも二つの該微細構造内の電荷分布が変化す
る事を特徴とする。すなわち、本発明は複数のゲート電
極と各該ゲート電極に接続された複数の1ミクロン以下
の微細構造(量子ドット)を基本的な構成要素とする。
図2は本発明の請求項1の動作原理を4つの量子ドット
(二つの量子ドットからなる標的ビット1と二つの量子
ドットからなる制御ビット2)と二つのゲート電極3,
4の場合に模式的に表したものである。ゲート電極と量
子ドットは異なる材質で作製してもよい。ここで4つの
量子ドットのうちゲート電極に接続した方は小さく作ら
れている。この結果量子ドットのバンド図は図に示した
ようにゲート電極よりの量子ドットでエネルギー準位間
が大きくなっている。ゲート電極に電圧をかけたときに
量子ドットにはゲート電極より電子が注入されるが、量
子ドットが十分小さいために量子ドット内の離散的なエ
ネルギー準位に限り存在することが許される。しかも電
子同士のいわゆるクーロンブロッケイド効果のため、量
子ドット系内には二つ以上の電子が入るためには大きな
電圧が必要になり、事実上量子ドット系に入る電子の数
は一つに制限される。
Further, the semiconductor device of the present invention has the fine structure,
The first gate electrode and the second gate electrode are formed on a semiconductor substrate via an insulating film, and have a source electrode and a drain electrode. Further, the semiconductor device of the present invention comprises two or more fine structures of 0.1 μm or less made of a conductor, and a charge supply layer electrically connected to the fine structures so that the connection capacitance is 0.1 μF or less. And one or more gate electrodes formed on the microstructure via an insulator, and applying a specific voltage to the gate electrode changes charge distribution in at least two of the microstructures. It is characterized by doing. That is, the present invention uses a plurality of gate electrodes and a plurality of microstructures (quantum dots) of 1 micron or less connected to each gate electrode as basic components.
FIG. 2 shows the principle of operation of claim 1 of the present invention in which four quantum dots (a target bit 1 composed of two quantum dots and a control bit 2 composed of two quantum dots) and two gate electrodes 3 are used.
4 is schematically shown. The gate electrode and the quantum dot may be made of different materials. Here, one of the four quantum dots connected to the gate electrode is made smaller. As a result, in the band diagram of the quantum dot, as shown in the figure, the energy level between the quantum dots from the gate electrode is large. When a voltage is applied to the gate electrode, electrons are injected into the quantum dot from the gate electrode. However, since the quantum dot is sufficiently small, it is allowed to exist only at discrete energy levels in the quantum dot. In addition, due to the so-called Coulomb blockade effect between electrons, a large voltage is required for two or more electrons to enter the quantum dot system, effectively limiting the number of electrons entering the quantum dot system to one Is done.

【0009】さて、ゲート電極に電圧をかけ、電子を注
入するのであるが、注入された電子がゲート電極よりの
量子ドットに存在する場合を|1>状態、ゲート電極か
ら離れた量子ドットに入る場合を|0>状態とする(図
2(b))。次に制御ビット用のゲート電極4に電圧V
を加え、制御ビット2内に電子を注入した場合の、標
的ビット用のゲート電極3に接続された標的ビット1の
バンド図を表したのが図2(c)と(d)である。制御
ビット2内に注入された電子の位置が(c)の場合、電
子のクーロン斥力で標的ビット1内の|0>状態を表す
量子ドット内のバンドの底が上がり、反対に(d)の場
合は標的ビット1の|1>状態を表す量子ドット内のバ
ンドの底が上がる。ここで標的ビット用のゲート電極3
に電圧を加え、標的ビット1内に電子を注入する。標的
ビット用のゲート電極3にかける電圧Vを制御ビット
2の電子が|1>の状態のとき、つまり図2(d)の状
態の時に、標的ビット1内の二つの量子ドット内のエネ
ルギー準位が一致するような電圧とする(図2
(e))。以上の系において、第一のゲート電極に電圧
をかけるかどうかでcontrolled−NOT
動作が可能なことが以下のように示される。
A voltage is applied to the gate electrode to inject electrons. When the injected electrons are present in the quantum dots from the gate electrode, the state | 1> is entered, and the electrons enter the quantum dots far from the gate electrode. The case is set to the | 0> state (FIG. 2B). Next, the voltage V is applied to the gate electrode 4 for the control bit.
2 (c) and (d) show band diagrams of the target bit 1 connected to the target bit gate electrode 3 when electrons are injected into the control bit 2 by adding 2 to FIG. When the position of the electron injected into the control bit 2 is (c), the bottom of the band in the quantum dot representing the | 0> state in the target bit 1 rises due to the Coulomb repulsion of the electron, and conversely, (d) In this case, the bottom of the band in the quantum dot representing the | 1> state of target bit 1 rises. Here, the gate electrode 3 for the target bit
To inject electrons into the target bit 1. The voltage V 1 applied to the target bit gate electrode 3 is changed to the energy in the two quantum dots in the target bit 1 when the electrons of the control bit 2 are in the state of | 1>, that is, in the state of FIG. The voltages are such that the levels match (FIG. 2
(E)). In the above system, Controlled-NOT in whether to use voltages V 1 to the first gate electrode
It is shown that the operation is possible as follows.

【0010】(1)制御ビットが|0>であるとき 両ビット内の電子は図3の(a)か(c)にある。ここ
で電圧Vをかけても図3(b)のように最初から標的
ビット1内のゲート電極からみて外の量子ドットのエネ
ルギー準位が高いため、標的ビット1内の二つの量子ド
ットのエネルギー準位は一致することはない。従って標
的ビット1内の電子は移動せず、図3で(a)は(b)
に、(c)は(d)になる(|0>|0>→|0>|0
>,|1>|0>→|1>|0>)。 (2)制御ビットが|1>であるとき 両ビット内の電子分布は図3(e)と(g)になる。こ
こで電圧Vをかけると図2(e)に示すように標的ビ
ット内の量子ドット内のエネルギー準位が一致し、電子
は図3(e)から(f)、(g)から(h)のように移
り変わる。このとき|0>|1>→|1>|1>,|1
>|1>→|0>|1>の動作が行われたことになる。
以上よりこの系でcontrolled−NOT動作が
実現される。なお、第一のゲート電極と第二のゲート電
極は役割を交代することができる。図5は本発明の請求
項3の構造の一例を模式的に示したものであり、制御ビ
ットの役割を量子ドット系から絶縁膜11を介して上部
に作製した上段ゲート7により実現したものである。こ
こで制御ビット用上段ゲート6は四つの量子ドット系の
うち二つの量子ドット(制御ビット)の上方に設置され
る(図5(a)(b))。このとき、上段ゲートは厳密
に真上である必要はなく、量子ドット系から離れた斜め
上でもかまわない。この上段ゲートにより、ゲート電極
に電圧をかければ、最初の電子はまず、制御ビットの方
に注入される。ここでさらにゲート電極に電圧を加える
ことにより今度は標的ビットに電子が入る。
(1) When the control bit is | 0> The electrons in both bits are in (a) or (c) of FIG. In this case, since high energy level outside the quantum dot when viewed from the gate electrode of the target bit 1 from the beginning as shown in FIG. 3 also applying a voltage V 1 (b), the two quantum dots within the target bit 1 The energy levels do not match. Therefore, the electrons in the target bit 1 do not move, and FIG.
In addition, (c) becomes (d) (| 0> | 0> → | 0> | 0
>, | 1> | 0> → | 1> | 0>). (2) When the control bit is | 1> The electron distribution in both bits is as shown in FIGS. Here, when applying the voltages V 1 energy level of the quantum dots within the target bits as shown in FIG. 2 (e) match, electrons 3 from (e) (f), from (g) (h ). At this time, | 0> | 1> → | 1> | 1>, | 1
> | 1> → | 0> | 1> has been performed.
As described above, the controlled-NOT operation is realized in this system. Note that the first gate electrode and the second gate electrode can alternate roles. FIG. 5 schematically shows an example of the structure of claim 3 of the present invention, in which the role of a control bit is realized by an upper gate 7 formed on a quantum dot system via an insulating film 11. is there. Here, the upper gate 6 for control bits is installed above two quantum dots (control bits) of the four quantum dot systems (FIGS. 5A and 5B). At this time, the upper gate need not be strictly right above, but may be obliquely above and away from the quantum dot system. When a voltage is applied to the gate electrode by the upper gate, first electrons are first injected toward the control bit. Here, by further applying a voltage to the gate electrode, electrons enter the target bit.

【0011】本発明においては量子ドットに電荷を注入
するゲート電極がゲート電極と同一面内に作られている
ために、量子ドット内の電荷の有無が電流に与える影響
が敏感であることが特徴である。また、本発明において
はエンハンスメント型においては反転層、または弱反転
層の形成が、量子ドット内の電荷の有無に影響をうけ、
また、ディプリーション型においては量子ドット内に電
荷が注入され空乏化することにより、チャネル層を流れ
る電流値の変化、しきい値のシフトが観測できる。ま
た、本発明は量子ドット下の状態が完全に反転しない状
態、サブスレッシュホルド領域でも使用することができ
る。さらに本発明においては、量子ドット内の電荷の有
無がチャネル層に流れる電流の変化を見るために通常の
MOS素子では問題となる短チャネル効果があっても使
用できる。
In the present invention, since the gate electrode for injecting charges into the quantum dots is formed in the same plane as the gate electrode, the effect of the presence or absence of charges in the quantum dots on the current is sensitive. It is. Further, in the present invention, the formation of an inversion layer or a weak inversion layer in the enhancement type is affected by the presence or absence of charges in the quantum dots,
Further, in the depletion type, charge is injected into the quantum dots and depleted, so that a change in the current flowing through the channel layer and a shift in the threshold can be observed. Further, the present invention can also be used in a state where the state under the quantum dot is not completely inverted, in a sub-threshold region. Further, in the present invention, the presence or absence of the electric charge in the quantum dot can be used even if there is a short channel effect which becomes a problem in a normal MOS device because the change in the current flowing in the channel layer is observed.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】図1は本発明の第一の実施例であ
る。この実施例の製造法を述べる。まず、p−Si基板
7に素子領域をLOCOS法もしくはSTI法により形
成する。次にゲート酸化を行い、量子ドット構造を形成
するための厚さ約3nmの熱酸化膜8をパターニングす
る。次にレジストを残したまま、イオンインプランテイ
ションを行い、ソース9、ドレイン10領域を形成す
る。次にポリSiをLPCVD法などにより堆積させた
後、標的ビット1、制御ビット2となる0.1ミクロン
以下の量子ドット構造及び標的ビット用ゲート電極3、
制御ビット用ゲート電極4をEB等を用いてパターニン
グする。ここで量子ドットのサイズをさらに小さくする
ために量子ドット構造を作製した後、再び熱酸化を行
い、量子ドット表面を酸化させ、その伝導部分をさらに
縮小することも可能である。なおこの量子ドット構造の
作製には、アモルファスSiなどの大きな表面マイグレ
イションを有する元素を堆積した後、加熱処理すること
によって塊状化させてもよい。この際、FIBなどを使
って加速された粒子を、量子ドットを作製する部分に打
ち込み、ダメージをいれてもよい。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. The manufacturing method of this embodiment will be described. First, an element region is formed on the p-Si substrate 7 by the LOCOS method or the STI method. Next, gate oxidation is performed to pattern a thermal oxide film 8 having a thickness of about 3 nm for forming a quantum dot structure. Next, while the resist remains, ion implantation is performed to form source 9 and drain 10 regions. Next, after poly-Si is deposited by LPCVD or the like, a quantum dot structure of 0.1 μm or less serving as a target bit 1 and a control bit 2 and a gate electrode 3 for a target bit are formed.
The control bit gate electrode 4 is patterned using EB or the like. Here, after a quantum dot structure is manufactured in order to further reduce the size of the quantum dot, thermal oxidation can be performed again to oxidize the surface of the quantum dot and further reduce the conductive portion thereof. In the production of this quantum dot structure, an element having a large surface migration, such as amorphous Si, may be deposited and then heat-treated to form a mass. At this time, particles accelerated by using FIB or the like may be injected into a portion where quantum dots are to be formed, and may be damaged.

【0013】また、量子ドットにAlなどの金属を使う
場合は、スパッタ法による堆積の初期にできる金属微粒
子をつかってもよい。このとき、表面を薄く酸化して、
量子ドット表面に数nm程度の薄い酸化膜を形成するこ
とができ、動作速度の調整を行うことができる。この上
に層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールを開け、電極
部分を外部電極と接続する。図4は本発明における第二
の実施例を示す。まず、p−Si基板7に素子領域をL
OCOS法もしくはSTI法により形成する。次にゲー
ト酸化を行い、量子ドット構造を形成するための厚さ約
3nmの熱酸化膜8をパターニングする。次にレジスト
を残したまま、イオンインプランテイションを行い、ソ
ース9、ドレイン10領域を形成する。次にポリSiを
LPCVD法などにより堆積させた後、標的ビット1、
制御ビット2となる0.1ミクロン以下の量子ドット構
造及び第一のゲート電極5をEB等を用いてパターニン
グする。ここで量子ドットのサイズをさらに小さくする
ために量子ドット構造を作製した後、再び熱酸化を行
い、量子ドット表面を酸化させ、その伝導部分をさらに
縮小することも可能である。なおこの量子ドット構造の
作製には、アモルファスSiなどの大きな表面マイグレ
イションを有する元素を堆積した後、加熱処理すること
によって塊状化させてもよい。この際、FIBなどを使
って加速された粒子を量子ドットを作製する部分に打ち
込みダメージをいれてもよい。
When a metal such as Al is used for the quantum dots, fine metal particles which can be formed at an early stage of deposition by a sputtering method may be used. At this time, oxidize the surface thinly,
A thin oxide film of about several nm can be formed on the surface of the quantum dot, and the operation speed can be adjusted. An interlayer insulating film is formed thereon, a contact hole is opened, and an electrode portion is connected to an external electrode. FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. First, the element region is set to L on the p-Si substrate 7.
It is formed by the OCOS method or the STI method. Next, gate oxidation is performed to pattern a thermal oxide film 8 having a thickness of about 3 nm for forming a quantum dot structure. Next, while the resist remains, ion implantation is performed to form source 9 and drain 10 regions. Next, after depositing poly-Si by LPCVD or the like, target bits 1 and
The quantum dot structure of 0.1 μm or less as the control bit 2 and the first gate electrode 5 are patterned using EB or the like. Here, after a quantum dot structure is manufactured in order to further reduce the size of the quantum dot, thermal oxidation can be performed again to oxidize the surface of the quantum dot and further reduce the conductive portion thereof. In the production of this quantum dot structure, an element having a large surface migration, such as amorphous Si, may be deposited and then heat-treated to form a mass. At this time, particles accelerated by using FIB or the like may be injected into a portion where quantum dots are to be formed, and may be damaged.

【0014】また、量子ドットにAlなどの金属を使う
場合は、スパッタ法による堆積の初期にできる金属微粒
子をつかってもよい。このとき、表面を薄く酸化して、
量子ドット表面に数nm程度の薄い酸化膜を形成するこ
とができ、動作速度の調整を行うことができる。この上
に層間絶縁膜を形成し、コンタクトホールを開ける。第
一の実施例との違いは量子ドット系を形成した後、CV
D法により図5(b)の様なSiO酸化膜11を約1
00nmの厚さで形成し、その後第二の制御ビット用ゲ
ート電極6をポリSiをLPCVD法により形成し、パ
ターニングした後、層間絶縁膜を形成し、外部電極と接
続する。次に本発明における量子ドット内の電荷分布を
電流変化により感知する原理について実施例を用いて説
明する。ゲート電極から酸化膜を介して設けられたMO
S構造とソース電極、ドレイン電極は量子ドット内の電
荷分布をセンスする機能を果たす。電子がゲート電極か
ら量子ドットに注入された場合、ドット内のフェルミ面
が上がったことに対応するため、ソース電極からドレイ
ン電極への電流は流れにくくなる。量子ドット内の論理
動作に使われる電圧Vは、数meVであり、しきい値
電圧は数Vのオーダーであるため、両者の制御は自由度
をもって調整することができる。
When a metal such as Al is used for the quantum dots, metal fine particles which can be formed at the initial stage of deposition by sputtering may be used. At this time, oxidize the surface thinly,
A thin oxide film of about several nm can be formed on the surface of the quantum dot, and the operation speed can be adjusted. An interlayer insulating film is formed thereon, and a contact hole is opened. The difference from the first embodiment is that after forming the quantum dot system, CV
The SiO 2 oxide film 11 as shown in FIG.
A second control bit gate electrode 6 is formed by LPCVD using poly Si and patterned, and then an interlayer insulating film is formed and connected to an external electrode. Next, the principle of sensing the electric charge distribution in the quantum dot by a change in current according to the present invention will be described using an embodiment. MO provided from gate electrode via oxide film
The S structure and the source and drain electrodes function to sense the charge distribution in the quantum dots. When electrons are injected into the quantum dot from the gate electrode, the current from the source electrode to the drain electrode is less likely to flow, since this corresponds to the rise of the Fermi surface in the dot. Voltages V 1 to be used for the logic operation in the quantum dots is the number meV, because the threshold voltage is in the order of a few V, the control of both can be adjusted with a degree of freedom.

【0015】電子が図3(a),(b),(f),
(g)のようにソース電極とゲート電極に対して平行に
分布した場合と図3(c),(d),(e),(h)の
ようにななめに分布した場合の電流を比較した場合、電
流は量子ドットに電子のいないところの下が流れやすい
ために、電流値としては図3(a),(b),(f),
(g)の場合の方が、図3(c),(d),(e),
(h)に比べて流れやすく、従ってゲート電極のしきい
値も小さい。本発明においては電圧Vをかけた前後
で、電流値が変化せず、かつ電流も小さい場合は図3
(c)、電流が大きければ図3(a)、電流値が変化
し、流れる量が増えれば図3(e)、減れば図3(g)
ということで量子ドット内の状態をセンスすることがで
きる。図6はゲート電極に接続された量子ドット層の下
に別の量子ドット構造を設けた実施例を示したものであ
る。この基板上に薄い酸化膜を介して、作成された量子
ドット内に基板のチャネルを流れる電子が、ソース・ド
レイン間の電圧及び、いくつかのゲート電圧のかけられ
た電圧により、入ることにより、ゲート電極に接続され
た量子ドット内の電子に作用する。なお、この基板上の
量子ドットと基板との間には絶縁膜は必ずしも必要では
なく、量子ドットを金属材料で構成した場合はショット
キー障壁により代用される。さらにこの実施例におい
て、基板上の量子ドットとゲート電極に接続された量子
ドット層の間に別の量子ドット層、もしくは浮遊電極を
設けてもよい。
The electrons are shown in FIGS. 3 (a), (b), (f),
The current in the case where the current is distributed parallel to the source electrode and the gate electrode as shown in (g) and the current in the case where the current is smoothly distributed as shown in FIGS. 3 (c), (d), (e) and (h) are compared. In this case, since the current easily flows under the area where no electrons are present in the quantum dot, the current value is shown in FIGS. 3 (a), (b), (f),
In the case of (g), FIGS. 3 (c), (d), (e),
The flow is easier than in (h), and the threshold value of the gate electrode is small. Before and after multiplied by the voltages V 1 in the present invention, when the current value is not changed, and current is also small 3
(C), FIG. 3 (a) if the current is large, the current value changes, FIG. 3 (e) if the flowing amount increases, and FIG. 3 (g) if the flowing amount decreases
Thus, the state in the quantum dot can be sensed. FIG. 6 shows an embodiment in which another quantum dot structure is provided below the quantum dot layer connected to the gate electrode. Through the thin oxide film on this substrate, the electrons flowing through the channel of the substrate into the created quantum dots by the voltage between the source and the drain and the voltage applied with some gate voltage, Acts on electrons in quantum dots connected to the gate electrode. Note that an insulating film is not necessarily required between the quantum dots on the substrate and the substrate. When the quantum dots are made of a metal material, they are substituted by a Schottky barrier. Further, in this embodiment, another quantum dot layer or a floating electrode may be provided between the quantum dot on the substrate and the quantum dot layer connected to the gate electrode.

【0016】図7(a)は標的ビットと制御ビットの間
に補助的な量子ドットを挿入した実施例である。このと
き標的ビットに標的ビット内の二つの量子ドットの共鳴
準位が一致する電圧をかければ、図3と同じようにco
ntrolled−NOT動作をするが、共鳴しない電
圧をかけた場合は、一般的に補助的ビットの存在で、
FIG. 7A shows an embodiment in which auxiliary quantum dots are inserted between target bits and control bits. At this time, if a voltage at which the resonance levels of the two quantum dots in the target bit coincide with each other is applied to the target bit, as in FIG.
When a non-resonant voltage is applied while performing a controlled-NOT operation, the presence of an auxiliary bit generally causes

【数5】 で現れる演算をする。ここでα,θ,φは制御ビット、
標的ビットの電圧に依存する位相である。これは標的ビ
ット内の一般的な回転を示す。制御ビットの電子分布に
対して補助的ビット内の電子分布は反転する。従って標
的ビット内の電子の分布には標的ビットについては制御
ビット内と同じ分布、つまり
(Equation 5) Perform the operation that appears in. Where α, θ, φ are control bits,
The phase depends on the voltage of the target bit. This indicates a general rotation within the target bit. The electron distribution in the auxiliary bit is inverted with respect to the electron distribution in the control bit. Therefore, the distribution of electrons in the target bit is the same as that in the control bit for the target bit, that is,

【数6】 も含まれる。図7(b)は、ゲート電極に接続された量
子ドットに入力された電子分布がゲート電極間に存在す
る量子ドットの配置や大きさにより演算動作をする素子
を示したものである。図で白丸の量子ドットはハッチン
グされた量子ドットにくらべ、サイズが小さいために共
鳴量子準位の位置が、やや高くなっているものである。
この実施例において、この量子ドット系の上部に絶縁膜
を介して上部電極構造を作成し、量子ドット系に作用さ
せることも可能である。また、図中の記号”A”は他の
量子ドットとは別のサイズの量子ドットであることを示
している。なお、白丸にあたる量子ドットは図6で示さ
れた基板に接近して作成された量子ドットとしてもよ
い。また、上記の実施例においてはソース・ドレイン間
のチャネル上に量子ドット系、ゲート電極を形成した
が、量子ドット内の電荷分布を検知する電流ラインを量
子ドット系に併設した図9のようなものとしてもよい。
(Equation 6) Is also included. FIG. 7B shows an element in which the distribution of electrons input to the quantum dots connected to the gate electrode performs an arithmetic operation according to the arrangement and size of the quantum dots existing between the gate electrodes. In the figure, the quantum dots indicated by white circles are smaller in size than the hatched quantum dots, so the position of the resonance quantum level is slightly higher.
In this embodiment, it is also possible to form an upper electrode structure above the quantum dot system via an insulating film, and to act on the quantum dot system. The symbol "A" in the figure indicates that the quantum dot has a different size from the other quantum dots. The quantum dots corresponding to the white circles may be quantum dots formed close to the substrate shown in FIG. Further, in the above embodiment, the quantum dot system and the gate electrode are formed on the channel between the source and the drain. However, as shown in FIG. 9, a current line for detecting the charge distribution in the quantum dot is provided in the quantum dot system. It may be a thing.

【0017】図10は、本発明の請求項6に対する実施
例を示したものである。製造工程は、量子ドット形成部
分以外は基本的に通常のCMOS製造プロセスを利用で
きる。まず、p型Si基板15上に通常のCMOS製造
工程と同じくLOCOS法、STI法等により素子領域
を形成する。ゲート電極を形成する場所に約2nmの厚
さの第1の酸化膜16を熱酸化により形成した後、6n
m程度の大きさを持つ第一のSi量子ドット層17をL
PCVD、もしくはCVDによる堆積法で形成し、第一
のSi量子ドット層17上に、第一のSi量子ドット層
17より1nm程度上になるような厚さの第2の酸化膜
18をCVD法等により形成する。第2の酸化膜18上
には、4nm程度の大きさを持つ第二のSi量子ドット
層19を形成する。次に、第二のSi量子ドット層19
上に、CVD法等により、8nm程度の厚さのSi酸化
膜20を形成する。次にSi酸化膜20上に、ポリSi
からなるゲート電極3、4をLPCVD法等により堆積
させ、パターニングする。その後、イオンプランテイシ
ョン法によりソース電極9とドレイン電極10を形成す
る。さらにこれに層間絶縁膜を形成し、コンタクトホー
ルを開ける事により、他の回路と電気的に接続する。
FIG. 10 shows an embodiment according to claim 6 of the present invention. As the manufacturing process, a normal CMOS manufacturing process can be basically used except for the portion where the quantum dots are formed. First, an element region is formed on a p-type Si substrate 15 by a LOCOS method, an STI method, or the like, similarly to a normal CMOS manufacturing process. After a first oxide film 16 having a thickness of about 2 nm is formed by thermal oxidation at a position where a gate electrode is to be formed, 6n
The first Si quantum dot layer 17 having a size of about m
A second oxide film 18 having a thickness of about 1 nm above the first Si quantum dot layer 17 is formed on the first Si quantum dot layer 17 by a CVD method. And the like. On the second oxide film 18, a second Si quantum dot layer 19 having a size of about 4 nm is formed. Next, the second Si quantum dot layer 19
An Si oxide film 20 having a thickness of about 8 nm is formed thereon by a CVD method or the like. Next, on the Si oxide film 20, poly-Si
Are formed by LPCVD or the like and patterned. After that, a source electrode 9 and a drain electrode 10 are formed by an ion plantation method. Further, an interlayer insulating film is formed thereon, and a contact hole is opened to electrically connect to another circuit.

【0018】なお、第一、第二の量子ドットから成る結
合量子ドットの形成は以下の方法でも良い。約2nmの
厚さの第1の酸化膜16を熱酸化により形成した後、8
nm程度の大きさの第一のポリSi層17をLPCVD
法等により形成する。この上に2nm程度以下の厚さの
第2の酸化膜18を熱酸化やCVD等により形成する。
さらにこの上にLPCVD法等により大きさ4nm程度
の第二のSi量子ドット層19を形成する。これらを約
700℃で加熱すると、Si量子ドット内の応力の為
に、Si量子ドットは酸化されずに、この量子ドットの
無い部分が下まで酸化され、結合量子ドットが形成され
る。図10においては、量子ドットの数が上下それぞれ
3個以上の場合を示したが、上下2個ずつとすれば、c
ontrolled−NOTゲートとなる。他にも、図
11のように各々の結合量子ドットの上部に、それぞれ
の結合量子ドット毎に制御するゲート電極21を設けて
も良いし、図12のように、各々の結合量子ドット毎に
制御するゲート電極21の上部に絶縁膜22を介して、
チャネルに流れる電流をさらに制御する上段ゲート電極
23を設けても良い。なお、図10、11、12では、
基板に対して垂直方向に、2つの量子ドットを形成した
場合を示したが、これらの量子ドットは垂直方向に3つ
以上形成しても良い。
The formation of the coupled quantum dots composed of the first and second quantum dots may be performed by the following method. After forming a first oxide film 16 having a thickness of about 2 nm by thermal oxidation,
LPCVD of the first poly-Si layer 17 having a size of about nm
It is formed by a method or the like. A second oxide film 18 having a thickness of about 2 nm or less is formed thereon by thermal oxidation, CVD, or the like.
Further, a second Si quantum dot layer 19 having a size of about 4 nm is formed thereon by LPCVD or the like. When these are heated at about 700 ° C., due to the stress in the Si quantum dots, the Si quantum dots are not oxidized, and the portions without the quantum dots are oxidized to the bottom to form coupled quantum dots. FIG. 10 shows a case in which the number of quantum dots is three or more in each of the upper and lower parts.
It becomes an controlled-NOT gate. Alternatively, a gate electrode 21 for controlling each coupled quantum dot may be provided above each coupled quantum dot as shown in FIG. 11, or as shown in FIG. 12, for each coupled quantum dot. On the gate electrode 21 to be controlled via an insulating film 22,
An upper gate electrode 23 for further controlling the current flowing through the channel may be provided. In FIGS. 10, 11, and 12,
Although the case where two quantum dots are formed in the direction perpendicular to the substrate is shown, three or more quantum dots may be formed in the direction perpendicular to the substrate.

【0019】本発明においてはゲート電極はポリSiを
用いたがTi、Co等のシリサイドまたはAl、などの
金属及びFe、Co、Ni、PtCo等の磁性体及びそ
の化合物でもかまわない。シリサイドの形成においては
20nm程度のポリSiをLPCVD法により堆積した
後にTi約20nmをEB蒸着法により形成する。ここ
で約750℃、約30秒のRTAを行いシリサイド化す
る。次に硫酸と過酸化水素水によりポリSiでパターニ
ングした構造のみを残す。さらに約800℃、約30秒
の二段アニールをすることにより、C49相からC54
相への相転移を起させてTiシリサイドの低抵抗膜を形
成する。また、本発明においてチャネル層に基板と同型
(上記ではp型)のドーピング、または異なった型(n
型の)のドーピングをすることも可能である。また、本
実施形態では酸化膜としてはSi酸化膜を用いたが、S
iN、または酸化Zrなどの誘電体膜でも良い。さら
に、第一の量子ドット層17を形成した後に、第2の酸
化膜18を形成し、第二の量子ドット層19を形成せず
に第2の酸化膜18とは別の材料を用いて第3の絶縁膜
を形成しても良い。この場合、第2の酸化膜18と第3
の絶縁膜が別の材料で出来ている為に、これらの界面に
電荷を蓄積できる部分が生じ、これが第二の量子ドット
層19の代わりとなる。例えば、第2の酸化膜18とし
てSi酸化膜を用い、第3の絶縁膜としてSiNを用い
れば良い。
In the present invention, poly-Si is used for the gate electrode. However, a metal such as silicide such as Ti or Co or Al or a magnetic material such as Fe, Co, Ni, PtCo or a compound thereof may be used. In forming silicide, about 20 nm of Ti is formed by EB evaporation after depositing about 20 nm of poly-Si by LPCVD. Here, RTA is performed at about 750 ° C. for about 30 seconds to perform silicidation. Next, only the structure patterned with poly-Si using sulfuric acid and hydrogen peroxide is left. Further, by performing a two-step annealing at about 800 ° C. for about 30 seconds, the C49 phase is converted to C54.
A low-resistance film of Ti silicide is formed by causing a phase transition to a phase. In the present invention, doping of the same type as the substrate (p type in the above) or different type (n
It is also possible to dope (of the type). In this embodiment, the Si oxide film is used as the oxide film.
A dielectric film such as iN or Zr oxide may be used. Further, after forming the first quantum dot layer 17, a second oxide film 18 is formed, and a different material from the second oxide film 18 is used without forming the second quantum dot layer 19. A third insulating film may be formed. In this case, the second oxide film 18 and the third
Since the insulating film is made of another material, a portion capable of accumulating charges is generated at these interfaces, and this portion replaces the second quantum dot layer 19. For example, a Si oxide film may be used as the second oxide film 18 and SiN may be used as the third insulating film.

【0020】同様に、第1の酸化膜16を形成した後、
第一の量子ドット層17を形成せずに、第1の酸化膜1
6と異なる材料を用いて第2の絶縁膜を形成し、その上
に第二の量子ドット層19、Si酸化膜20を形成して
も良い。この場合も、第1の酸化膜16と第2の絶縁膜
との界面に電荷を蓄積できる部分が生じる為に、これが
第一の量子ドット層17の代わりとなり、結合量子ドッ
トを形成した場合と同様の効果を得る事が出来る。ま
た、3つ以上の結合量子ドットを形成する場合でも1
つ、または複数の量子ドットの代わりに、異なる絶縁膜
の界面での電荷蓄積部を設けても良い。本発明において
はLDD構造として利用することも可能である。また本
発明ではp型Si基板を用いて説明したが、n型Si基
板のn−MOS構造、あるいはn型、p型SOI基板を
用いても構わない。図13は本発明の第六、第七の実施
例を示したもので、ヘテロ接合を利用したものである。
図13(a)では、GaAs基板上にMBE装置などを
用いてn型AlGaAs,GaAs,p型AlGaAs
をそれぞれ約3nm,約2nm,約2nmの順で堆積さ
せ、この上部にゲート電極に接続したTi/Auの量子
ドットをパターニングする。このゲート電極に電圧をか
けることにより、p型AlGaAs/GaAs界面に電
子の分布が発生し、この界面電子分布により量子計算機
の動作を行う。GaAs/n型AlGaAs界面はソー
ス・ドレイン電極と接続することにより、これは二次元
電子層を、ゲート電極に接続された量子ドットによって
制御するもので、ディプリーション型素子の例となる。
上記の量子ドット内の電荷分布を反映した検知電流を流
す構造となる。
Similarly, after forming the first oxide film 16,
The first oxide film 1 is formed without forming the first quantum dot layer 17.
A second insulating film may be formed using a material different from that of No. 6, and the second quantum dot layer 19 and the Si oxide film 20 may be formed thereon. Also in this case, since a portion capable of accumulating charge is generated at the interface between the first oxide film 16 and the second insulating film, this portion replaces the first quantum dot layer 17 and forms a coupled quantum dot. A similar effect can be obtained. Further, even when three or more coupled quantum dots are formed, 1
Instead of one or a plurality of quantum dots, a charge storage portion at an interface between different insulating films may be provided. In the present invention, it can be used as an LDD structure. Although the present invention has been described using a p-type Si substrate, an n-MOS structure of an n-type Si substrate, or an n-type or p-type SOI substrate may be used. FIG. 13 shows the sixth and seventh embodiments of the present invention, in which a heterojunction is used.
In FIG. 13A, n-type AlGaAs, GaAs, and p-type AlGaAs are formed on a GaAs substrate by using an MBE apparatus or the like.
Are deposited in the order of about 3 nm, about 2 nm, and about 2 nm, respectively, and a Ti / Au quantum dot connected to the gate electrode is patterned thereon. By applying a voltage to this gate electrode, a distribution of electrons is generated at the p-type AlGaAs / GaAs interface, and the quantum computer operates based on this interface electron distribution. The GaAs / n-type AlGaAs interface is connected to the source / drain electrodes, which controls the two-dimensional electron layer by quantum dots connected to the gate electrode, and is an example of a depletion type device.
The structure is such that a detection current reflecting the charge distribution in the quantum dot flows.

【0021】図13(b)はSi/SiGe界面に生じ
る二次元電子層を利用した実施例である。Si基板上に
SiGe層をガスソースMBE装置により約3nm堆積
させる。続いてゲート電極に接続するようにポリSi量
子ドット構造をパターニングする。以上、本発明の半導
体素子においては、各層の量子ドットは基板上に1次元
的に配列されるだけでなく、2次元的に配置されても良
い。
FIG. 13B shows an embodiment using a two-dimensional electron layer generated at the Si / SiGe interface. A SiGe layer is deposited on a Si substrate to a thickness of about 3 nm by a gas source MBE apparatus. Subsequently, the poly-Si quantum dot structure is patterned so as to be connected to the gate electrode. As described above, in the semiconductor device of the present invention, the quantum dots of each layer may be two-dimensionally arranged as well as one-dimensionally arranged on the substrate.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明においては従来、実現されていな
かった半導体電子系において量子コンピュータの重要な
基礎動作の一つであるcontrolled−NOT回
路を実現する手段を提供するものであり、従来は難しい
とされていたSi−LSI回路内にcontrolle
d−NOT回路とセンスラインを通常のMOS作製プロ
セスで実現することを可能にしている。
The present invention provides means for realizing a controlled-NOT circuit which is one of the important basic operations of a quantum computer in a semiconductor electronic system which has not been realized conventionally, and is conventionally difficult. Control in the Si-LSI circuit
The d-NOT circuit and the sense line can be realized by a normal MOS fabrication process.

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

【図1】図1は本発明の第一の実施例にかかる構造を示
す。
FIG. 1 shows a structure according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図2は本発明の動作原理を説明するための模式
図を示す。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation principle of the present invention.

【図3】図3は本発明の動作原理の例を示す。FIG. 3 shows an example of the operation principle of the present invention.

【図4】図4は本発明の第二の実施例にかかる構造を示
す。
FIG. 4 shows a structure according to a second embodiment of the present invention.

【図5】図5は本発明の第二の実施例にかかる構造を模
式的に示す。
FIG. 5 schematically shows a structure according to a second embodiment of the present invention.

【図6】図6は本発明の第二の実施例にかかる構造を模
式的に示す。
FIG. 6 schematically shows a structure according to a second embodiment of the present invention.

【図7】図7(a)、(b)は本発明の第三、四の実施
例にかかる構造を模式的に示す。
FIGS. 7A and 7B schematically show structures according to third and fourth embodiments of the present invention.

【図8】図8は従来例を示す。FIG. 8 shows a conventional example.

【図9】図9は本発明の各実施例における電流ラインの
構造を模式的に示す。
FIG. 9 schematically shows a structure of a current line in each embodiment of the present invention.

【図10】図10は本発明の第五の実施例に係る構造を
模式的に示す。
FIG. 10 schematically shows a structure according to a fifth embodiment of the present invention.

【図11】図11は本発明の第五の実施例の変形例に係
る構造を模式的に示す。
FIG. 11 schematically shows a structure according to a modification of the fifth embodiment of the present invention.

【図12】図12は本発明の第五の実施例の変形例に係
る構造を模式的に示す。
FIG. 12 schematically shows a structure according to a modification of the fifth embodiment of the present invention.

【図13】図13(a)、(b)は本発明の第六、七の
実施例にかかる構造を模式的に示す。
FIGS. 13 (a) and 13 (b) schematically show structures according to sixth and seventh embodiments of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…標的ビットとなる量子ドット、 2…制御ビットとなる量子ドット、 3…標的ビット用ゲート電極、 4…制御ビット用ゲート電極、 5…量子ドット系に電荷を注入する第一のゲート電極、 6…制御ビット用上段ゲート電極、 7…Si基板、 8…酸化膜、 9…ソース電極、 10…ドレイン電極、 11…層間絶縁膜、 12…基板上に生成された絶縁膜、 13…絶縁膜12に形成された量子ドット、 14…補助的な量子ドット、 15…p型Si基板、 16…第1の酸化膜、 17…第一の量子ドット層、 18…第2の酸化膜、 19…第二の量子ドット層、 20…Si酸化膜、 21…ゲート電極、 22…絶縁膜、 23…上段ゲート電極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Quantum dot used as a target bit, 2 ... Quantum dot used as a control bit, 3 ... Gate electrode for a target bit, 4 ... Gate electrode for a control bit, 5 ... First gate electrode which injects electric charge into a quantum dot system, Reference numeral 6: upper gate electrode for control bits, 7: Si substrate, 8: oxide film, 9: source electrode, 10: drain electrode, 11: interlayer insulating film, 12: insulating film formed on the substrate, 13: insulating film 12, quantum dots formed on 12, 14 auxiliary quantum dots, 15 p-type Si substrate, 16 first oxide film, 17 first quantum dot layer, 18 second oxide film, 19 ... Second quantum dot layer, 20: Si oxide film, 21: Gate electrode, 22: Insulating film, 23: Upper gate electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/778 21/338 29/812 // H01L 27/115 Fターム(参考) 5F001 AA92 AB02 AB04 AB20 AC01 AD13 AD17 AD21 AD80 AF10 5F040 DC01 DC03 EA09 EB03 EC16 EF02 EK01 FC02 FC05 FC19 5F083 FZ10 HA06 JA33 JA36 PR34 5F102 FB10 GA00 GB01 GC01 GC05 GD10 GJ03 GJ05 GJ10 GQ01 GQ03 GR16 GT01 GT03 GT05 GT08 HC01 HC07 HC11 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 29/778 21/338 29/812 // H01L 27/115 F term (Reference) 5F001 AA92 AB02 AB04 AB20 AC01 AD13 AD17 AD21 AD80 AF10 5F040 DC01 DC03 EA09 EB03 EC16 EF02 EK01 FC02 FC05 FC19 5F083 FZ10 HA06 JA33 JA36 PR34 5F102 FB10 GA00 GB01 GC01 GC05 GD10 GJ03 GJ05 GJ10 GQ01 GQ03 GR16 GT01 GT03 GT05 GT08 HC01 HC01

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 伝導体からなる0.1ミクロン以下の二
つ以上の微細構造と、該微細構造と接合容量が0.1μ
F以下であるように電気的に接続されている一つ以上の
ゲート電極とを有し、一つ以上の該ゲート電極に特定の
電圧を加えることにより、少なくとも二つの該微細構造
内の電荷分布が変化することを特徴とする半導体素子。
1. A semiconductor device comprising: two or more microstructures of 0.1 μm or less made of a conductor;
F and one or more gate electrodes that are electrically connected to be less than or equal to F, and applying a specific voltage to one or more of the gate electrodes to provide a charge distribution in at least two of the microstructures. A semiconductor element characterized by the following:
【請求項2】 伝導体からなる0.1ミクロン以下の二
つ以上の微細構造を形成し、該微細構造と接合容量が
0.1μF以下であるように電気的に接続されている第
一のゲート電極と、該第一のゲート電極に接続されてい
ない二つ以上の該微細構造と接合容量が0.1μF以下
であるように電気的に接続されている第二のゲート電極
を持つことを特徴とする半導体素子。
2. The method according to claim 1, wherein two or more microstructures of 0.1 μm or less made of a conductor are formed, and the first microstructure is electrically connected to the microstructures so as to have a junction capacitance of 0.1 μF or less. Having a gate electrode and a second gate electrode that is electrically connected to the two or more microstructures that are not connected to the first gate electrode so that the junction capacitance is 0.1 μF or less. Characteristic semiconductor element.
【請求項3】 基板上に絶縁膜を介して伝導体からなる
微細構造を四つ以上形成し、該微細構造のうち二つ以上
と電気的に接続され、かつ接合容量が0.1μF以下で
ある一つまたは複数個の第一のゲート電極と、該微細構
造と該第一のゲート電極上に絶縁体を介して形成された
第二のゲート電極を有することを特徴とする半導体素
子。
3. Four or more fine structures made of a conductor are formed on a substrate via an insulating film, and are electrically connected to two or more of the fine structures. A semiconductor device comprising: one or a plurality of first gate electrodes; and the fine structure and a second gate electrode formed over the first gate electrode with an insulator interposed therebetween.
【請求項4】 該第一のゲート電極と、該第二のゲート
電極、該微細構造が絶縁膜を介して半導体基板上に形成
され、ソース電極、ドレイン電極を有する請求項2記載
の半導体素子。
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the first gate electrode, the second gate electrode, and the fine structure are formed on a semiconductor substrate via an insulating film, and have a source electrode and a drain electrode. .
【請求項5】 該第一のゲート電極と、該第二のゲート
電極、該微細構造が絶縁膜を介して半導体基板上に形成
され、ソース電極、ドレイン電極を有する請求項3記載
の半導体素子。
5. The semiconductor device according to claim 3, wherein said first gate electrode, said second gate electrode, and said fine structure are formed on a semiconductor substrate via an insulating film, and have a source electrode and a drain electrode. .
【請求項6】 伝導体からなる0.1ミクロン以下の二
つ以上の微細構造と、該微細構造と接続容量が0.1μ
F以下であるように電気的に接続されている電荷供給層
と、該微細構造上に絶縁体を介して形成される一つ以上
のゲート電極とを有し、該ゲート電極に特定の電圧を加
える事により、少なくとも二つの該微細構造内の電荷分
布が変化する事を特徴とする半導体素子。
6. A microstructure composed of a conductor and having two or more microstructures of 0.1 μm or less, and the microstructure and a connection capacitance of 0.1 μm or less.
F, a charge supply layer electrically connected to be less than or equal to F, and one or more gate electrodes formed over the microstructure through an insulator, and a specific voltage is applied to the gate electrode. A semiconductor device, wherein the addition changes the charge distribution in at least two of the microstructures.
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