JP2002246585A - Quantum calculation element - Google Patents

Quantum calculation element

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JP2002246585A
JP2002246585A JP2001041610A JP2001041610A JP2002246585A JP 2002246585 A JP2002246585 A JP 2002246585A JP 2001041610 A JP2001041610 A JP 2001041610A JP 2001041610 A JP2001041610 A JP 2001041610A JP 2002246585 A JP2002246585 A JP 2002246585A
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single crystal
fine particles
silicon single
crystal fine
silicon
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Kazumasa Kioi
一雅 鬼追
Akira Saito
晶 齊藤
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Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily form silicon single crystal fine particles while separation/ contact with electron cloud is easily controlled. SOLUTION: Silicon single crystal fine particles 14-17 are almost constantly spaced on a silicon oxide film 12. A top of each of the silicon single crystal fine particles 14-17 is connected to a polycrystal silicon film 18. Phosphorus atoms (donor atoms) 31-34 are put in the silicon single crystal fine particles 14-17, respectively. Metal electrodes 20-23 are formed on the silicon single crystal fine particles 14-17, respectively, with metal electrodes 24-27 formed among them. Although the silicon single crystal fine particles 14-17 do not directly contact each other, electric potentials applied to the metal electrodes 20-27 allow exchange of atomic nucleus spin among a plurality of phosphorus atoms 31-34 with an electron as a medium.

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】この発明は、電子スピンと原
子核スピンとの相互作用を利用して演算を実行する量子
演算素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quantum operation device that executes an operation by utilizing the interaction between an electron spin and a nuclear spin.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、微細加工技術の進展に伴って、1
80nm〜150nmの最小加工線幅を有する半導体集積回
路の量産が可能になってきている。微細加工技術は今後
も3年から4年毎に世代を更新し、30nm程度の最小加
工線幅を有する半導体集積回路の開発計画がなされてい
る。尚、実験レベルでは、既に10nm程度の最小加工線
幅が可能になっている。
2. Description of the Related Art In recent years, with the development of fine processing technology,
Mass production of semiconductor integrated circuits having a minimum processing line width of 80 nm to 150 nm has become possible. In the future, the generation of the fine processing technology will be updated every three to four years, and a development plan of a semiconductor integrated circuit having a minimum processing line width of about 30 nm has been made. At the experimental level, a minimum processing line width of about 10 nm has already been made possible.

【0003】一方において、固体物理学の分野において
は、固体中の不純物原子の原子核とその原子核に補足さ
れている電子との間で、所謂電子‐核二重共鳴現象が生
ずることが知られている。
On the other hand, in the field of solid state physics, it is known that a so-called electron-nucleus double resonance phenomenon occurs between a nucleus of an impurity atom in a solid and an electron captured by the nucleus. I have.

【0004】従来、上記電子‐核二重共鳴現象を利用し
た固体素子として、図3に素子構造を示すようなものが
提案されている。図3において、1はゲート電極、2,
3は絶縁物層、4はシリコン単結晶微粒子、5は支持基
板である。シリコン単結晶微粒子4のシリコン原子は、
原子核スピン量子数が0の同位体28Si,30Siだけから
なっており、原子核スピン量子数が1/2の同位体29Si
は除去されている。
Conventionally, as a solid-state device utilizing the above-described electron-nuclear double resonance phenomenon, a device having a device structure shown in FIG. 3 has been proposed. In FIG. 3, 1 is a gate electrode, 2,
3 is an insulator layer, 4 is silicon single crystal fine particles, and 5 is a support substrate. The silicon atoms of the silicon single crystal fine particles 4 are
It consists only of isotopes 28 Si and 30 Si having a nuclear spin quantum number of 0, and isotope 29 Si having a nuclear spin quantum number of 1/2.
Has been removed.

【0005】また、上記シリコン単結晶微粒子4の中に
は、ドナー原子核6が導入されている。リン原子の自然
同位体は31Pが100%であり、原子核スピン量子数は
1/2である。したがって、シリコン単結晶微粒子4の
中に導入されているドナー原子核6としてリン原子の原
子核を用いることによって、その原子核スピンを測定す
ることが可能となる。尚、7は、シリコン単結晶微粒子
4に束縛された電子の波動関数の確率密度(所謂電子雲
であり、以下においては電子雲と記述する)を示してい
る。
[0005] Further, donor atomic nuclei 6 are introduced into the silicon single crystal fine particles 4. The natural isotope of the phosphorus atom is 100% 31 P, and the nuclear spin quantum number is 2. Therefore, by using the nucleus of a phosphorus atom as the donor nucleus 6 introduced into the silicon single crystal fine particles 4, the nuclear spin can be measured. Reference numeral 7 denotes a probability density of a wave function of electrons bound to the silicon single crystal fine particles 4 (a so-called electron cloud, hereinafter referred to as an electron cloud).

【0006】静磁場B0のもとでは、イオンのエネルギ
ー準位は主に電子準位のゼーマンエネルギー分裂によっ
て決定される。つまり、電子のスピン量子数ms=±1/
2でエネルギーの高い準位と低い準位とが決まる。超微
細構造相互作用は、エネルギー準位を更に細かく分裂さ
せる。つまり、原子核のスピン量子数ml=±1/2でエ
ネルギーの高い準位と低い準位とに分れる。電子の遷移
には2種類あり、それらは原子核のスピン量子数がml
=−1/2の場合とml=+1/2の場合とに相当する。
夫々の遷移の振動数をω12とすると、ω1=γB0
aπ/h,ω2=γB0+aπ/hである。尚、ω1はml
−1/2のときのms=±1/2間での遷移であり、ω2
l=+1/2のときのms=±1/2間での遷移である。
ここで、aは超微細構造定数であり、γは定数で磁気回
転比であり、hはプランク定数である。
[0006] Under a static magnetic field B 0 , the energy level of an ion is mainly determined by the Zeeman energy splitting of the electron level. That is, the electron spin quantum number ms = ± 1 /
2 determines a high energy level and a low energy level. Hyperstructural interactions cause the energy levels to break up further. That is, at the spin quantum number m l = ± 1/2 of the nucleus, it is divided into a high energy level and a low energy level. There are two types of electron transitions, which have a nuclear spin quantum number of ml.
= − / And m l = + /.
Assuming that the frequencies of the respective transitions are ω 1 and ω 2 , ω 1 = γB 0
aπ / h, ω 2 = γB 0 + aπ / h. Note that ω 1 is ml =
-1/2 a m s = transitions between ± 1/2 when the, omega 2 is a transition between the m s = ± 1/2 in the case of m l = + 1/2.
Here, a is a hyperfine structure constant, γ is a constant, a gyromagnetic ratio, and h is a Planck constant.

【0007】このような状態においては、上記ドナー原
子核6の原子核スピン角運動量と電子の電子スピン角運
動量との和が角運動量保存則に従って保存される。電子
スピンと原子核スピンとは、所謂超微細構造相互作用に
よって互いに相関関係を持っている(例えば、キッテル
著「固体物理学入門(下)」,丸善)。
In such a state, the sum of the nuclear spin angular momentum of the donor nucleus 6 and the electron spin angular momentum of the electron is stored according to the angular momentum conservation law. The electron spin and the nuclear spin have a correlation with each other by a so-called hyperfine structure interaction (for example, Kittel, "Introduction to Solid State Physics (below)", Maruzen).

【0008】スピンは、よく知られているように2状態
に量子化された物理量であり、+1/2と−1/2との量
子数を持つことができる。その結果、図3に示す固体素
子を一定の静磁場中に置くと、スピンの違いが共鳴周波
数の違いとして現れる。したがって、リン原子核のスピ
ン量子数「+1/2」と「−1/2」とに情報「0」および情報
「1」の何れかを割り当てた際に、上記共鳴周波数を測定
することによって、上記固体素子に記憶された情報の内
容を知ることができるのである。
[0008] As is well known, spin is a physical quantity quantized into two states, and can have a quantum number of +1/2 and -1/2. As a result, when the solid-state device shown in FIG. 3 is placed in a constant static magnetic field, a difference in spin appears as a difference in resonance frequency. Therefore, when one of the information “0” and the information “1” is assigned to the spin quantum numbers “++ 1” and “− /” of the phosphorus nucleus, the resonance frequency is measured. It is possible to know the contents of the information stored in the solid state device.

【0009】尚、図3は、上記固体素子におけるゲート
電極1の電位を上昇させた場合の状態を示している。こ
の場合、上記電子雲7は、ゲート電極1側に引き寄せら
れている。
FIG. 3 shows a state where the potential of the gate electrode 1 in the solid-state device is increased. In this case, the electron cloud 7 is drawn to the gate electrode 1 side.

【0010】このように、図3に示す固体素子において
は、上記ゲート電極1の電位を操作することによって、
電子雲7を隣り合ったシリコン単結晶微粒子4内の電子
雲7と切り離すことができ、夫々のシリコン単結晶微粒
子4を独立に制御することが可能になる。したがって、
シリコン単結晶微粒子列4,4,…を構成して隣り合って
いるシリコン単結晶微粒子4中の原子核スピン間での交
換相互作用の大きさを調整することができる。すなわ
ち、例えば、ドナー原子(リン原子)の原子核6のスピン
状態を隣り合ったドナー原子の原子核6'へと伝達する
ことができる。したがって、適切な電位の操作手順を与
えることによって、所望の演算操作を行うことができる
のである。
As described above, in the solid-state device shown in FIG. 3, by controlling the potential of the gate electrode 1,
The electron cloud 7 can be separated from the electron cloud 7 in the adjacent silicon single crystal fine particles 4, and each silicon single crystal fine particle 4 can be controlled independently. Therefore,
By forming the silicon single crystal fine particle rows 4, 4,..., It is possible to adjust the magnitude of the exchange interaction between the nuclear spins in the adjacent silicon single crystal fine particles 4. That is, for example, the spin state of the nucleus 6 of the donor atom (phosphorus atom) can be transmitted to the nucleus 6 ′ of the adjacent donor atom. Therefore, a desired calculation operation can be performed by giving an appropriate potential operation procedure.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の固体素子には以下のような問題がある。すなわち、
上記固体素子においては、複数のシリコン単結晶微粒子
4を接続してシリコン単結晶微粒子列4,4,…を形成す
るためには、各シリコン単結晶微粒子4を形成する際
に、互いに隣接するシリコン単結晶微粒子4,4同士が
丁度接触するように成長させなければならず、結晶成長
条件に著しい制限がある。また、本固体素子の形状もシ
リコン単結晶微粒子4の直径によって限定されるため、
平面上において自由に配置することができない。
However, the above-mentioned conventional solid-state devices have the following problems. That is,
In the solid-state device, in order to connect the plurality of silicon single-crystal fine particles 4 to form the silicon single-crystal fine-particle rows 4, 4,... The single crystal particles 4, 4 must be grown so as to be in contact with each other, and there are remarkable restrictions on crystal growth conditions. Further, since the shape of the present solid-state element is also limited by the diameter of the silicon single crystal fine particles 4,
They cannot be arranged freely on a plane.

【0012】さらに、上記ゲート電極1の電位操作によ
って電子雲7同士を互いに分離できるようにするために
は、シリコン単結晶微粒子4同士の接触面積と接触位置
とが極めて正確に制御されている必要がある。したがっ
て、極めて正確な製造技術を必要とし、実用上問題があ
る。
Further, in order to separate the electron clouds 7 from each other by controlling the potential of the gate electrode 1, the contact area and contact position between the silicon single crystal fine particles 4 must be controlled very accurately. There is. Therefore, an extremely accurate manufacturing technique is required, and there is a practical problem.

【0013】そこで、この発明の目的は、シリコン単結
晶微粒子の形成が容易であり且つ電子雲同士の分離と接
触との制御が容易な量子演算素子を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a quantum operation device in which single-crystal silicon fine particles can be easily formed and the separation and contact between electron clouds can be easily controlled.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の量子演算素子は、基板上に形成された第
1絶縁膜と、上記第1絶縁膜上に互いに間隔を有して配
列されたシリコン単結晶微粒子と、上記第1絶縁膜上
に,上記シリコン単結晶微粒子の一部を露出させて且つ
隙間を埋めるように形成された第2絶縁膜と、上記第2
絶縁膜上に形成されると共に,上記各シリコン単結晶微
粒子における上記第2絶縁膜からの露出部に接触してい
る多結晶シリコン膜と、上記多結晶シリコン膜上に形成
された第3絶縁膜と、上記第3絶縁膜上における上記各
シリコン単結晶微粒子の位置に形成された第1金属電極
と、上記第3絶縁膜上における各第1金属電極の間の位
置に形成された第2金属電極を備えて、上記各シリコン
単結晶微粒子の中に不純物としてリン原子を含んでいる
ことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a quantum operation device according to the present invention comprises a first insulating film formed on a substrate and an arrangement on the first insulating film with an interval therebetween. A second insulating film formed on the first insulating film so as to expose a part of the silicon single crystal fine particles and to fill a gap;
A polycrystalline silicon film formed on the insulating film and in contact with the silicon single crystal fine particles exposed from the second insulating film; and a third insulating film formed on the polycrystalline silicon film. A first metal electrode formed at a position of each of the silicon single crystal particles on the third insulating film, and a second metal formed at a position between each of the first metal electrodes on the third insulating film An electrode is provided, and each of the silicon single crystal fine particles contains a phosphorus atom as an impurity.

【0015】上記構成によれば、複数のシリコン単結晶
微粒子の夫々は、多結晶シリコン膜によって接続され
て、一つのシリコン単結晶微粒子列を構成している。し
たがって、上記各シリコン単結晶微粒子の間の位置に形
成された第2金属電極に負の電位を与えた場合には、上
記各リン原子に付随する電子雲は上記第2金属電極から
遠ざけられて多結晶シリコン中には存在できなくなり、
上記夫々のシリコン単結晶微粒子内に個別に閉じこめら
れる。一方、上記第2金属電極に電位を与えない場合に
は、上記電子雲は上記多結晶シリコン膜中に広がる。し
たがって、上記第1,第2金属電極の電位を制御するこ
とによって、複数のリン原子間での電子を媒体とした原
子核スピンの交換が可能になる。
According to the above configuration, each of the plurality of silicon single crystal fine particles is connected by the polycrystalline silicon film to form one silicon single crystal fine particle row. Therefore, when a negative potential is applied to the second metal electrode formed at a position between the silicon single crystal particles, the electron cloud associated with each phosphorus atom is moved away from the second metal electrode. Can no longer exist in polycrystalline silicon,
The silicon single crystal fine particles are individually confined in each of the above silicon single crystal fine particles. On the other hand, when no potential is applied to the second metal electrode, the electron cloud spreads in the polycrystalline silicon film. Therefore, by controlling the potentials of the first and second metal electrodes, it is possible to exchange nuclear spins between a plurality of phosphorus atoms using electrons as a medium.

【0016】さらに、上記各シリコン単結晶微粒子は互
いに間隔を有して配列されて上記多結晶シリコン膜で接
続されている。したがって、上記シリコン単結晶微粒子
の形成位置に制約はなく、上記シリコン単結晶微粒子は
容易に形成される。
Further, the silicon single crystal fine particles are arranged with an interval therebetween and connected by the polycrystalline silicon film. Therefore, there is no restriction on the formation position of the silicon single crystal fine particles, and the silicon single crystal fine particles are easily formed.

【0017】また、第1の実施例は、この発明の量子演
算素子において、上記シリコン単結晶微粒子を構成して
いるシリコン原子は、同位体28Siと同位体30Siとから
なることを特徴としている。
Further, the first embodiment is characterized in that in the quantum operation device of the present invention, silicon atoms constituting the silicon single crystal fine particles are composed of isotopes 28 Si and 30 Si. I have.

【0018】この実施例によれば、上記シリコン単結晶
微粒子のシリコン原子は、原子核スピン量子数が0の同
位体28Si,30Siだけからなっており、原子核スピン量
子数が1/2の同位体29Siは含まれていない。したがっ
て、自然同位体は31Pが100%であって原子核スピン
量子数は1/2であるリン原子との原子核スピンの違い
が容易に検知される。
According to this embodiment, the silicon atoms of the silicon single crystal fine particles are composed of only isotopes 28 Si and 30 Si having a nuclear spin quantum number of 0, and an isotope having a nuclear spin quantum number of 1/2. Body 29 Si is not included. Therefore, a difference in nuclear spin from a phosphorus atom whose natural isotope has 31 P of 100% and a nuclear spin quantum number of 1/2 can be easily detected.

【0019】また、第2の実施例は、この発明の量子演
算素子において、上記各シリコン単結晶微粒子の直径は
10nm以下であることを特徴としている。
Further, the second embodiment is characterized in that in the quantum operation device of the present invention, the diameter of each silicon single crystal fine particle is 10 nm or less.

【0020】この実施例によれば、上記各シリコン単結
晶微粒子の直径は10nm以下であるから、ドナー原子核
に付随する余剰電子のエネルギー準位は量子力学的効果
によって離散値を取り、且つ、最低エネルギー準位に束
縛される。したがって、極低温に冷却することなく、コ
ンタクト超微細構造相互作用が生じせしめられる。
According to this embodiment, since the diameter of each silicon single crystal fine particle is 10 nm or less, the energy level of the surplus electrons accompanying the donor nucleus takes a discrete value due to the quantum mechanical effect, It is bound by the energy level. Thus, contact ultrafine structure interactions can occur without cooling to cryogenic temperatures.

【0021】また、第3の実施例は、この発明の量子演
算素子において、上記多結晶シリコン膜は、上記シリコ
ン単結晶微粒子列の全体を覆って形成されていることを
特徴としている。
A third embodiment is characterized in that, in the quantum operation device of the present invention, the polycrystalline silicon film is formed so as to cover the entire row of the silicon single crystal fine particles.

【0022】この実施例によれば、上記多結晶シリコン
膜は上記シリコン単結晶微粒子列の全体を覆って形成さ
れているため、上記各シリコン単結晶微粒子の夫々は、
上記多結晶シリコン膜に容易に且つ確実に接続される。
こうして、上記多結晶シリコン膜と、この多結晶シリコ
ン膜に接続された上記シリコン単結晶微粒子列と、この
シリコン単結晶微粒子列上に形成された第1,第2金属
電極とによって、一つの演算回路が構成されるのであ
る。
According to this embodiment, since the polycrystalline silicon film is formed so as to cover the entire row of the silicon single crystal fine particles, each of the silicon single crystal fine particles is
It is easily and reliably connected to the polycrystalline silicon film.
Thus, one operation is performed by the polycrystalline silicon film, the silicon single crystal fine particle row connected to the polycrystalline silicon film, and the first and second metal electrodes formed on the silicon single crystal fine particle row. The circuit is configured.

【0023】また、第4の実施例は、この発明の量子演
算素子において、上記多結晶シリコン膜に接続されたシ
リコン単結晶微粒子列とその上に形成された第1,第2
金属電極とで構成された回路ブロックが複数配列されて
いることを特徴としている。
The fourth embodiment is directed to a quantum operation device according to the present invention, in which a row of silicon single crystal fine particles connected to the polycrystalline silicon film and first and second fine particles formed thereon are formed.
A plurality of circuit blocks each including a metal electrode are arranged.

【0024】この実施例によれば、同一基板上に、同じ
構成を有する回路ブロックが複数配列されている。した
がって、上記コンタクト超微細構造相互作用によって大
きな信号を得るために、複数の回路ブロックを同時に動
作させて同じ信号を発生させる際に、上記第1,第2金
属電極に対する印加電圧の制御が容易になる。
According to this embodiment, a plurality of circuit blocks having the same configuration are arranged on the same substrate. Therefore, when a plurality of circuit blocks are simultaneously operated to generate the same signal in order to obtain a large signal by the contact ultrafine structure interaction, it is easy to control the voltage applied to the first and second metal electrodes. Become.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.

【0026】<第1実施の形態>図1は、本実施の形態
の量子演算素子における断面模式図である。シリコン基
板11の表面に形成された第1酸化シリコン膜12上
に、シリコン単結晶微粒子14〜17が略等間隔に配列
されている。さらに、第1酸化シリコン膜12上に第2
酸化シリコン膜13を形成し、シリコン単結晶微粒子1
4〜17を、その頂部を露出させて第2酸化シリコン膜
13で埋め込んでいる。この第2酸化シリコン膜13上
および各シリコン単結晶微粒子14〜17上には、多結
晶シリコン膜18が形成され、さらに第3酸化シリコン
膜19で覆われている。また、第3酸化シリコン膜19
上における各シリコン単結晶微粒子14〜17の位置に
は、金属電極20〜23が形成されている。さらに、第
3酸化シリコン膜19上における金属電極20〜23の
間には、金属電極24〜27が形成されている。
<First Embodiment> FIG. 1 is a schematic sectional view of a quantum operation device according to the present embodiment. On single silicon oxide film 12 formed on the surface of silicon substrate 11, silicon single crystal fine particles 14 to 17 are arranged at substantially equal intervals. Further, the second silicon oxide film 12
A silicon oxide film 13 is formed and silicon single crystal fine particles 1
4 to 17 are buried in the second silicon oxide film 13 with their tops exposed. A polycrystalline silicon film 18 is formed on the second silicon oxide film 13 and each of the silicon single crystal fine particles 14 to 17, and is covered with a third silicon oxide film 19. Further, the third silicon oxide film 19
Metal electrodes 20 to 23 are formed at the positions of the silicon single crystal fine particles 14 to 17 above. Further, metal electrodes 24 to 27 are formed between the metal electrodes 20 to 23 on the third silicon oxide film 19.

【0027】上記シリコン単結晶微粒子14〜17の中
にはドナー原子としてリン原子31〜34が含まれてお
り、夫々のリン原子31〜34には共有結合に寄与しな
い電子が1個余分に存在する。そして、リン原子31〜
34から離脱した電子は自由電子ではあるが、金属電極
24〜27に負の電圧が印加されている場合には、電子
は金属電極24〜27から遠ざけられて多結晶シリコン
膜18中には存在できなくなる。その結果、各リン原子
31〜34に付随する電子雲は各シリコン単結晶微粒子
14〜17中に空間的に閉じ込められることになり、束
縛電子と同様にリン原子31〜34の近傍にしか存在で
きないのである。
The silicon single crystal fine particles 14 to 17 contain phosphorus atoms 31 to 34 as donor atoms, and each of the phosphorus atoms 31 to 34 has one extra electron that does not contribute to the covalent bond. I do. And the phosphorus atoms 31 to
The electrons that have detached from 34 are free electrons, but when a negative voltage is applied to the metal electrodes 24 to 27, the electrons are moved away from the metal electrodes 24 to 27 and are present in the polycrystalline silicon film 18. become unable. As a result, the electron cloud accompanying each of the phosphorus atoms 31 to 34 is spatially confined in each of the silicon single crystal fine particles 14 to 17, and can exist only near the phosphorus atoms 31 to 34 like bound electrons. It is.

【0028】一方、上記金属電極24〜27への印加電
位を「0」とした場合には、電子の移動を阻害するものが
ないために、各リン原子31〜34に付随する電子雲は
多結晶シリコン膜18中に広がって、互いに重なり合っ
ていることになる。
On the other hand, when the potential applied to the metal electrodes 24 to 27 is set to “0”, since there is nothing that hinders the movement of electrons, the electron cloud accompanying each of the phosphorus atoms 31 to 34 is large. It spreads in the crystalline silicon film 18 and overlaps each other.

【0029】したがって、上記各金属電極20〜23と
各金属電極24〜27との電位を制御することによっ
て、複数のリン原子31〜34間での電子を媒体とした
原子核スピンの交換が可能になるのである。
Therefore, by controlling the potentials of the metal electrodes 20 to 23 and the metal electrodes 24 to 27, it is possible to exchange nuclear spins between a plurality of phosphorus atoms 31 to 34 using electrons as a medium. It becomes.

【0030】上記シリコン単結晶微粒子14〜17の形
成方法としては、例えば特開平11‐97667号公報
に開示されているような方法で形成できる。また、金属
電極20〜23および金属電極24〜27の形成方法と
しては、通常の集積回路と同様にフォトリソグラフィで
形成できる。
The silicon single crystal fine particles 14 to 17 can be formed by, for example, a method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-97667. Further, as a method for forming the metal electrodes 20 to 23 and the metal electrodes 24 to 27, they can be formed by photolithography in the same manner as in a normal integrated circuit.

【0031】本実施の形態における量子演算素子は、図
3に示す固体素子の場合と同様に、ドナー原子核と電子
との間のコンタクト超微細構造相互作用(contact hyper
fineinteraction)を利用する。そのためには、シリコン
単結晶微粒子14〜17を構成するシリコンは、同位体
28Siと30Siとだけから構成されていなければならな
い。
The quantum operation device according to the present embodiment has a contact hyperfine structure interaction (e.g., a contact hyperfine structure) between a donor nucleus and an electron as in the case of the solid-state device shown in FIG.
Use fineinteraction). For this purpose, the silicon constituting the silicon single crystal fine particles 14 to 17 is an isotope
It must consist of only 28 Si and 30 Si.

【0032】以下、図1中における1つのシリコン単結
晶微粒子14に関して上記コンタクト超微細構造相互作
用の説明を行う。ドナー原子(リン原子)31の原子核の
位置を原点とする極座標を考えると、電子の波動関数は
関数ψ(r)と表すことができる。ここで、rは原点から
の距離である。ドナー原子核と電子との間におけるコン
タクト超微細構造相互作用エネルギーの強さは、r=0
における電子の存在確率|ψ(0)|2に比例する。したがっ
て、上記コンタクト超微細構造相互作用エネルギーを大
きくするためには、電子の存在確率|ψ(0)|2を大きくし
なければならない。
Hereinafter, the contact ultrafine structure interaction will be described with respect to one silicon single crystal fine particle 14 in FIG. Considering polar coordinates with the origin of the position of the nucleus of the donor atom (phosphorus atom) 31, the electron wave function can be expressed as a function ψ (r). Here, r is the distance from the origin. The intensity of the contact hyperfine interaction energy between the donor nucleus and the electron is r = 0
Electronic existence probability in | ψ (0) | proportional to 2. Therefore, to increase the contact hyperfine structure interaction energy, the existence probability | ψ (0) | 2 of electrons must be increased.

【0033】バルクのシリコン単結晶中においては、室
温での電子は自由電子であり、存在確率|ψ(0)|2は事実
上0である。この場合、素子全体を極めて低い温度に保
持すれば電子をドナー原子核に束縛することができ、十
分に大きな存在確率|ψ(0)|2を得ることができる。典型
的には、絶対温度でT=100mK程度に保持する。こ
の温度においては、電子は最低エネルギー準位(s状態)
に束縛されている。ところで、この束縛力は弱く、第1
励起準位への励起エネルギーは約15meVであり、温
度に換算すると174K程度である。
In a bulk silicon single crystal, electrons at room temperature are free electrons, and the existence probability | ψ (0) | 2 is practically zero. In this case, if the entire device is kept at an extremely low temperature, electrons can be bound to donor nuclei, and a sufficiently large existence probability | ψ (0) | 2 can be obtained. Typically, T is kept at about 100 mK in absolute temperature. At this temperature, the electrons have the lowest energy level (s state)
Is bound to. By the way, this binding force is weak,
The excitation energy to the excitation level is about 15 meV, which is about 174 K in terms of temperature.

【0034】本実施の形態においては、その構造上、電
子はシリコン単結晶微粒子14の内部に閉じ込められて
いる。そのことによって、素子全体を極低温に保持しな
くとも、電子はシリコン単結晶微粒子14が形成するポ
テンシャル井戸によって束縛されている。半径aの微粒
子中に束縛された電子の波動関数は、半径aが十分小さ
いために量子サイズ効果が生ずる場合には、基底状態
(s状態)の波動関数は ψ(r)=Nj0(r/a) …(1) で表される。ここで、j0は、0次の球ベッセル関数 j0(x)=sin(x)(1/x) …(2) であり、x=0に極大を有する。結局、r=0における
電子の存在確率は |ψ(0)|2∝a-3 となるので、本実施の形態においては、微粒子の半径a
を十分小さくすることによって存在確率|ψ(0)|2を大き
くできるのである。
In the present embodiment, due to its structure, electrons are confined inside silicon single crystal fine particles 14. As a result, the electrons are bound by the potential well formed by the silicon single crystal fine particles 14 without keeping the entire device at an extremely low temperature. The wave function of an electron bound in a particle having a radius a becomes the ground state when the quantum size effect occurs because the radius a is sufficiently small.
The wave function in the (s state) is represented by ψ (r) = Nj 0 (r / a) (1). Here, j 0 is a zero-order spherical Bessel function j 0 (x) = sin (x) (1 / x) (2), and has a maximum at x = 0. After all, the existence probability of the electron at r = 0 is | ψ (0) | 2 ∝a −3, and therefore, in this embodiment, the radius a of the fine particle is
By sufficiently reducing, the existence probability | ψ (0) | 2 can be increased.

【0035】また、上記s状態における第1励起準位と
基底準位とのエネルギー差ΔEは、典型的な素子寸法と
して半径5nmの場合にΔE=130meV程度であり、
絶対温度に換算すると1508Kとなる。すなわち、微
粒子半径aを十分小さくすることによって電子の束縛力
を強くできるのである。但し、質量は、電子の静止質量
をmeo,横質量をmt,有効質量をmeffとして、m=(m
eff・mt 2)1/3=0.3216meoを用い、r=aでのポ
テンシャル障壁の深さとしてV0=3.15eVを用いて
シュレーディンガーの方程式の動径方程式から解析的に
求めた。
The energy difference ΔE between the first excitation level and the ground level in the s state is about 130 meV when the radius of the element is 5 nm as a typical element size.
Converted to absolute temperature, it becomes 1508K. That is, the binding force of electrons can be increased by sufficiently reducing the radius a of the fine particles. Here, the mass is m = (m where m eo is the rest mass of the electron, m t is the transverse mass, and m eff is the effective mass.
eff · m t 2) using a 1/3 = 0.3216m eo, analytically determined from the radius vector equation of equation Schrodinger with V 0 = 3.15 eV as depth of the potential barrier at r = a Was.

【0036】本実施の形態における量子演算素子は、こ
のようなコンタクト超微細構造相互作用を呈するシリコ
ン単結晶微粒子14〜17でなる基本素子を併設して構
成されている。したがって、個々の基本素子において安
定的にコンタクト超微細構造相互作用を生じさせること
ができるのである。
The quantum operation device according to the present embodiment is configured by adding a basic device including silicon single crystal fine particles 14 to 17 exhibiting such contact ultrafine structure interaction. Therefore, the contact ultrafine structure interaction can be stably generated in each basic element.

【0037】上述したように、本実施の形態における量
子演算素子においては、シリコン基板11上に酸化シリ
コン膜12を介してシリコン単結晶微粒子14〜17を
略等間隔に配列し、各シリコン単結晶微粒子14〜17
の頂部が多結晶シリコン膜18に接続されている。そし
て、各シリコン単結晶微粒子14〜17の中にはドナー
原子としてリン原子31〜34が含まれている。したが
って、各シリコン単結晶微粒子14〜17半径を5nm程
度に小さくすることによって、コンタクト超微細構造相
互作用によって、上記s状態における第1励起準位と基
底準位とのエネルギー差ΔEをΔE=130meV程度
にすることができ、バルクのシリコン単結晶中における
場合よりも電子を安定的に基底準位状態に留めておくこ
とができるのである。
As described above, in the quantum operation device according to the present embodiment, silicon single crystal fine particles 14 to 17 are arranged at substantially equal intervals on the silicon substrate 11 with the silicon oxide film 12 interposed therebetween. Fine particles 14-17
Are connected to the polycrystalline silicon film 18. Each of the silicon single crystal fine particles 14 to 17 contains phosphorus atoms 31 to 34 as donor atoms. Accordingly, by reducing the radius of each of the silicon single crystal fine particles 14 to 17 to about 5 nm, the energy difference ΔE between the first excitation level and the ground level in the s state can be reduced by ΔE = 130 meV by the contact hyperfine structure interaction. And electrons can be more stably kept in the ground state than in a bulk silicon single crystal.

【0038】また、上記各シリコン単結晶微粒子14〜
17の頂部は、各シリコン単結晶微粒子14〜17上に
形成された多結晶シリコン膜18に接続されている。更
に、各シリコン単結晶微粒子14〜17上には酸化シリ
コン膜19を介して金属電極20〜23が形成され、こ
の金属電極20〜23の間には金属電極24〜27が形
成されている。したがって、金属電極24〜27の電位
が「0」の場合には、各リン原子31〜34に付随する電
子雲は多結晶シリコン膜18にまで広がって、互いに重
なり合っていることができる。また、金属電極24〜2
7の電位が「負」の場合には、各リン原子31〜34に付
随する電子雲はシリコン単結晶微粒子14〜17の内部
に閉じこめられる。
Each of the silicon single crystal fine particles 14-
The top of 17 is connected to a polycrystalline silicon film 18 formed on each of the silicon single crystal fine particles 14 to 17. Further, metal electrodes 20 to 23 are formed on each of the silicon single crystal fine particles 14 to 17 with a silicon oxide film 19 interposed therebetween, and metal electrodes 24 to 27 are formed between the metal electrodes 20 to 23. Therefore, when the potentials of the metal electrodes 24 to 27 are “0”, the electron cloud associated with each of the phosphorus atoms 31 to 34 can extend to the polycrystalline silicon film 18 and overlap each other. In addition, metal electrodes 24-2
When the potential of 7 is “negative”, the electron cloud associated with each of the phosphorus atoms 31 to 34 is confined inside the silicon single crystal fine particles 14 to 17.

【0039】すなわち、本実施の形態によれば、上記シ
リコン単結晶微粒子14〜17の互いの距離が離れて直
接接触していなくとも、実用上問題なく、金属電極20
〜23および金属電極24〜27に与える電位によって
複数のリン原子31〜34間での電子を媒体とした原子
核スピンの交換を行うことができるのである。
That is, according to the present embodiment, even if the silicon single crystal fine particles 14 to 17 are not in direct contact with each other at a large distance, there is no practical problem and the metal electrode 20 is fine.
23 to 23 and the potentials applied to the metal electrodes 24 to 27 can exchange nuclear spins among the plurality of phosphorus atoms 31 to 34 using electrons as a medium.

【0040】また、本実施の形態における量子演算素子
は、上記シリコン単結晶微粒子14〜17を互いに接触
するように形成する必要はない。したがって、各シリコ
ン単結晶微粒子14〜17を容易に形成することができ
るのである。
The quantum operation device according to the present embodiment does not need to form the silicon single crystal fine particles 14 to 17 so as to be in contact with each other. Therefore, each of the silicon single crystal fine particles 14 to 17 can be easily formed.

【0041】<第2実施の形態>本実施の形態は、上記
第1実施の形態における同一の多結晶シリコン膜18で
接続されたシリコン単結晶微粒子列14〜17を複数組
備えて成る量子演算素子に関する。
<Second Embodiment> In this embodiment, a quantum operation comprising a plurality of sets of silicon single crystal fine particle rows 14 to 17 connected by the same polycrystalline silicon film 18 in the first embodiment is described. Related to the element.

【0042】図2は、本実施の形態における量子演算素
子の断面構造を示す。シリコン基板4lの表面に形成さ
れた第1酸化シリコン膜42上に、第2酸化シリコン膜
43内に埋め込まれて頂部を露出させたシリコン単結晶
微粒子44a〜46cが形成されている。そして、各シリ
コン単結晶微粒子44a〜44cの頂部は、第2酸化シリ
コン膜43上に形成された多結晶シリコン膜47によっ
て接続されている。同様に、各シリコン単結晶微粒子4
5a〜45cの頂部は多結晶シリコン膜48によって接続
され、各シリコン単結晶微粒子46a〜46cの頂部は多
結晶シリコン膜49によって接続されている。
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the quantum operation device according to the present embodiment. On the first silicon oxide film 42 formed on the surface of the silicon substrate 4l, silicon single crystal fine particles 44a to 46c embedded in the second silicon oxide film 43 and exposing the tops are formed. The tops of the silicon single crystal fine particles 44 a to 44 c are connected by a polycrystalline silicon film 47 formed on the second silicon oxide film 43. Similarly, each silicon single crystal fine particle 4
The tops of 5a to 45c are connected by a polycrystalline silicon film 48, and the tops of the silicon single crystal fine particles 46a to 46c are connected by a polycrystalline silicon film 49.

【0043】さらに、全体が第3酸化シリコン膜50に
よって覆われており、この第3酸化シリコン膜50上に
おける各シリコン単結晶微粒子44a〜44cに対応する
位置に金属電極51a〜51cが形成され、各金属電極5
1a〜51cの間に金属電極54a,54bが形成されてい
る。同様に、各シリコン単結晶微粒子45a〜45cに対
応して金属電極52a〜52cおよび金属電極55a,55
bが形成され、各シリコン単結晶微粒子46a〜46cに
対応して金属電極53a〜53cおよび金属電極56a,5
6bが形成されている。
Further, the whole is covered with a third silicon oxide film 50, and metal electrodes 51a to 51c are formed on the third silicon oxide film 50 at positions corresponding to the silicon single crystal fine particles 44a to 44c, respectively. Each metal electrode 5
Metal electrodes 54a and 54b are formed between 1a to 51c. Similarly, the metal electrodes 52a to 52c and the metal electrodes 55a and 55c correspond to the silicon single crystal fine particles 45a to 45c, respectively.
b is formed, and the metal electrodes 53a to 53c and the metal electrodes 56a, 56c correspond to the respective silicon single crystal fine particles 46a to 46c.
6b is formed.

【0044】こうして、上記シリコン単結晶微粒子列4
4,多結晶シリコン膜47および金属電極列51,54で
回路ブロック57を構成し、シリコン単結晶微粒子列4
5,多結晶シリコン膜48及び金属電極列52,55で回
路ブロック58を構成し、シリコン単結晶微粒子列4
6,多結晶シリコン膜49および金属電極列53,56で
回路ブロック59を構成しているのである。
Thus, the silicon single crystal fine particle row 4
4. A circuit block 57 is composed of the polycrystalline silicon film 47 and the metal electrode rows 51 and 54,
5. A circuit block 58 is composed of the polycrystalline silicon film 48 and the metal electrode rows 52 and 55,
6. The circuit block 59 is composed of the polycrystalline silicon film 49 and the metal electrode rows 53 and 56.

【0045】上記コンタクト超微細構造相互作用によっ
て生ずる信号は微弱であるため、多数の同一回路を同時
に動作させて同じ信号を発生させる必要がある。上記第
1実施の形態においては、金属電極に与える電位のパタ
ーンを制御することによって一つの演算素子上に複数の
同一回路を実現することは可能である。ところが、集積
度が大きい場合には印加電位の信号パターン制御が煩雑
になってしまう。
Since the signal generated by the interaction of the contact ultrafine structure is weak, it is necessary to operate a large number of identical circuits simultaneously to generate the same signal. In the first embodiment, it is possible to realize a plurality of identical circuits on one arithmetic element by controlling the pattern of the potential applied to the metal electrode. However, when the degree of integration is large, the signal pattern control of the applied potential becomes complicated.

【0046】本実施の形態によれば、同一シリコン基板
41上に、上記多結晶シリコン膜47,48,49毎に分
割されて同じ構成を有する回路ブロック57〜59が形
成されている。したがって、例えば各回路ブロック57
〜59における同じ位置に在る金属電極を並列に接続す
ること等によって、同一構成を有する複数の回路ブロッ
ク57〜59を同時に動作させて同じ信号を発生させる
際の金属電極51a〜56bに対する印加電圧の制御が容
易になるのである。
According to the present embodiment, circuit blocks 57 to 59 having the same structure are formed on the same silicon substrate 41 by being divided for each of the polycrystalline silicon films 47, 48 and 49. Therefore, for example, each circuit block 57
When the plurality of circuit blocks 57 to 59 having the same configuration are simultaneously operated to generate the same signal by, for example, connecting metal electrodes at the same position in Control becomes easier.

【0047】尚、上記第1,第2実施の形態における量
子演算素子は、コンタクト超微細相互作用を利用して原
子核スピンの操作を行う場合には、素子全体に静磁場を
与え続ける必要がある。
In the quantum operation devices according to the first and second embodiments, it is necessary to continuously apply a static magnetic field to the entire device when the nuclear spin is operated by utilizing the contact hyperfine interaction. .

【0048】そこで、第1,第2実施の形態のごとく通
常の集積回路技術を用いて量子演算素子が形成された集
積回路チップを磁性体チップで挾んで接着すれば、集積
回路チップ中に作り込まれた量子演算素子に、安定的に
静磁場を与えることが可能になる。また、上記第1,第
2実施の形態における量子演算素子が形成された集積回
路チップのみが回路基盤に搭載されている場合には、当
該回路基盤全体を磁性体で挟んで接着してもよい。
Therefore, as in the first and second embodiments, if the integrated circuit chip on which the quantum operation element is formed is sandwiched between the magnetic chips by using the ordinary integrated circuit technology and bonded, the integrated circuit chip can be formed in the integrated circuit chip. It is possible to stably apply a static magnetic field to the embedded quantum operation element. When only the integrated circuit chip on which the quantum operation element in the first and second embodiments is formed is mounted on a circuit board, the entire circuit board may be sandwiched by a magnetic material and bonded. .

【0049】[0049]

【発明の効果】以上より明らかなように、この発明の量
子演算素子は、基板上に形成された第1絶縁膜上に互い
に間隔を有して複数のシリコン単結晶微粒子を配列し、
第2絶縁膜によって上記シリコン単結晶微粒子の一部を
露出させるように隙間を埋め、上記各シリコン単結晶微
粒子の露出部に多結晶シリコン膜を接触させ、上部を覆
う第3絶縁膜上における上記各シリコン単結晶微粒子の
位置に第1金属電極を形成し、各第1金属電極の間の位
置に第2金属電極を形成し、上記各シリコン単結晶微粒
子の中に不純物としてリン原子を含んでいるので、上記
第2金属電極に負の電位を与えた場合には、上記各リン
原子に付随する電子雲は上記夫々のシリコン単結晶微粒
子内に個別に閉じこめられる。一方、上記電位を与えな
い場合には上記多結晶シリコン膜中に広がって、互いに
重なり合っている。したがって、上記第1,第2金属電
極の電位を制御することによって、複数のリン原子間で
電子を媒体とした原子核スピンの交換を行うことができ
る。
As is clear from the above, the quantum operation device of the present invention has a plurality of silicon single crystal fine particles arranged on a first insulating film formed on a substrate at intervals.
The gap is filled with the second insulating film so as to expose a part of the silicon single crystal fine particles, the polycrystalline silicon film is brought into contact with the exposed portion of each silicon single crystal fine particle, and the polycrystalline silicon film is formed on the third insulating film covering the upper part. A first metal electrode is formed at a position of each silicon single crystal fine particle, a second metal electrode is formed at a position between each first metal electrode, and each of the silicon single crystal fine particles contains a phosphorus atom as an impurity. Therefore, when a negative potential is applied to the second metal electrode, the electron clouds associated with the respective phosphorus atoms are individually confined in the respective silicon single crystal fine particles. On the other hand, when the potential is not applied, it spreads in the polycrystalline silicon film and overlaps each other. Therefore, by controlling the potentials of the first and second metal electrodes, it is possible to exchange nuclear spins between a plurality of phosphorus atoms using electrons as a medium.

【0050】また、上記各シリコン単結晶微粒子は、互
いに間隔を有して配列されると共に上記多結晶シリコン
膜で接続されている。したがって、上記シリコン単結晶
微粒子の形成位置に制約はなく、上記シリコン単結晶微
粒子を容易に形成することができる。さらに、チップ全
体のシリコン単結晶微粒子を上記多結晶シリコン膜によ
って接続できるので、チップ作成後に、上記金属電極に
与える信号によって、良品のシリコン単結晶微粒子だけ
を選択的に使用することができる。
Each of the silicon single crystal fine particles is arranged with an interval therebetween and connected by the polycrystalline silicon film. Therefore, there is no restriction on the formation position of the silicon single crystal fine particles, and the silicon single crystal fine particles can be easily formed. Further, since the silicon single crystal fine particles of the entire chip can be connected by the polycrystalline silicon film, only non-defective silicon single crystal fine particles can be selectively used by a signal given to the metal electrode after the chip is formed.

【0051】また、第1の実施例の量子演算素子は、上
記シリコン単結晶微粒子を構成しているシリコン原子
を、同位体28Siと同位体30Siとからなるようにしたの
で、上記シリコン単結晶微粒子のシリコン原子には原子
核スピン量子数が1/2の同位体29Siは含まれていな
い。したがって、自然同位体は31Pが100%であって
原子核スピン量子数は1/2であるリン原子との原子核
スピンの違いを、容易に検知することができるのであ
る。
In the quantum operation device of the first embodiment, the silicon atoms constituting the silicon single crystal fine particles are composed of the isotope 28 Si and the isotope 30 Si. The silicon atom of the crystal fine particles does not contain the isotope 29 Si having a nuclear spin quantum number of 2. Therefore, it is possible to easily detect a difference in nuclear spin from a phosphorus atom in which a natural isotope has 31 P of 100% and a nuclear spin quantum number of 1/2.

【0052】また、第2の実施例の量子演算素子は、上
記各シリコン単結晶微粒子の直径を10nm以下にしたの
で、ドナー原子核に付随する余剰電子のエネルギー順位
は量子力学的効果によって離散値を取り、且つ、最低エ
ネルギー準位に束縛される。したがって、極低温に冷却
することなく、コンタクト超微細構造相互作用を生じさ
せることができる。
Further, in the quantum operation device of the second embodiment, since the diameter of each silicon single crystal fine particle is set to 10 nm or less, the energy order of the surplus electrons accompanying the donor nucleus becomes a discrete value due to the quantum mechanical effect. And bound to the lowest energy level. Therefore, the contact ultrafine structure interaction can be generated without cooling to an extremely low temperature.

【0053】また、第3の実施例の量子演算素子は、上
記多結晶シリコン膜を上記シリコン単結晶微粒子列の全
体を覆って形成したので、上記各シリコン単結晶微粒子
の夫々を上記多結晶シリコン膜に容易に且つ確実に接続
して、上記多結晶シリコン膜とシリコン単結晶微粒子列
と第1,第2金属電極とによって一つの演算回路を構成
することができる。
In the quantum operation device according to the third embodiment, the polycrystalline silicon film is formed so as to cover the entire row of the silicon single crystal fine particles. One arithmetic circuit can be easily and reliably connected to the film, and constituted by the polycrystalline silicon film, the silicon single crystal fine particle row, and the first and second metal electrodes.

【0054】また、第4の実施例の量子演算素子は、同
一基板上に、上記多結晶シリコン膜に接続されたシリコ
ン単結晶微粒子列とその上に形成された第1,第2金属
電極とで構成された同じ構成の回路ブロックを複数配列
しているので、上記コンタクト超微細構造相互作用によ
って大きな信号を得るために上記複数の回路ブロックを
同時に動作させて同じ信号を発生させる際に、上記第
1,第2金属電極に対する印加電圧を容易に制御するこ
とができる。
The quantum operation device according to the fourth embodiment comprises a single-crystal silicon microparticle array connected to the polycrystalline silicon film and first and second metal electrodes formed thereon on the same substrate. Since a plurality of circuit blocks having the same configuration are arranged, the same operation is performed when the plurality of circuit blocks are simultaneously operated to generate the same signal in order to obtain a large signal by the contact ultrafine structure interaction. The voltage applied to the first and second metal electrodes can be easily controlled.

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

【図1】 この発明の量子演算素子における断面模式図
である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a quantum operation device of the present invention.

【図2】 図1とは異なる量子演算素子の断面構造を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a quantum operation device different from FIG.

【図3】 電子‐核二重共鳴現象を利用した従来の固体
素子の断面構造を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure of a conventional solid-state device utilizing an electron-nuclear double resonance phenomenon.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,4l…シリコン基板、 12,42…第1酸化シリコン膜、 13,43…第2酸化シリコン膜、 14〜17,44a〜44c,45a〜45c,46a〜46c
…シリコン単結晶微粒子、 18,47,48,49…多結晶シリコン膜、 19,50…第3酸化シリコン膜、 20〜23,24〜27,51a〜51c,52a〜52c,5
3a〜53c,54a,54b,55a,55b,56a,56b…金
属電極、 31〜34…リン原子、 57,58,59…回路ブロック。
11, 41: silicon substrate, 12, 42: first silicon oxide film, 13, 43: second silicon oxide film, 14 to 17, 44a to 44c, 45a to 45c, 46a to 46c
... Silicon single crystal fine particles, 18,47,48,49 ... Polycrystalline silicon film, 19,50 ... Third silicon oxide film, 20-23,24-27,51a-51c, 52a-52c, 5
3a to 53c, 54a, 54b, 55a, 55b, 56a, 56b: metal electrodes, 31 to 34: phosphorus atoms, 57, 58, 59 ... circuit blocks.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成された第1絶縁膜と、 上記第1絶縁膜上に互いに間隔を有して配列されたシリ
コン単結晶微粒子と、 上記第1絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子の一部
を露出させて且つ隙間を埋めるように形成された第2絶
縁膜と、 上記第2絶縁膜上に形成されると共に、上記各シリコン
単結晶微粒子における上記第2絶縁膜からの露出部に接
触している多結晶シリコン膜と、 上記多結晶シリコン膜上に形成された第3絶縁膜と、 上記第3絶縁膜上における上記各シリコン単結晶微粒子
の位置に形成された第1金属電極と、 上記第3絶縁膜上における各第1金属電極の間の位置に
形成された第2金属電極を備えて、 上記各シリコン単結晶微粒子の中に不純物としてリン原
子を含んでいることを特徴とする量子演算素子。
A first insulating film formed on a substrate; silicon single crystal fine particles arranged on the first insulating film at intervals from each other; and a silicon single crystal fine particle on the first insulating film. A second insulating film formed so as to expose a part of the crystal fine particles and fill the gap; and a second insulating film formed on the second insulating film and formed from the second insulating film in each of the silicon single crystal fine particles. A polycrystalline silicon film in contact with the exposed portion; a third insulating film formed on the polycrystalline silicon film; and a first insulating film formed on the third insulating film at a position of each of the silicon single crystal fine particles. A metal electrode; and a second metal electrode formed at a position between the first metal electrodes on the third insulating film, wherein each of the silicon single crystal fine particles contains a phosphorus atom as an impurity. The quantum operation element characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 請求項1に記載の量子演算素子におい
て、 上記シリコン単結晶微粒子を構成しているシリコン原子
は、同位体28Siと同位体30Siとからなることを特徴と
する量子演算素子。
2. The quantum operation device according to claim 1, wherein the silicon atoms constituting the silicon single crystal fine particles are composed of isotope 28 Si and isotope 30 Si. .
【請求項3】 請求項1あるいは請求項2に記載の量子
演算素子において、 上記各シリコン単結晶微粒子の直径は、10nm以下であ
ることを特徴とする量子演算素子。
3. The quantum operation device according to claim 1, wherein a diameter of each of the silicon single crystal fine particles is 10 nm or less.
【請求項4】 請求項1乃至請求項3の何れか1つに記
載の量子演算素子において、 上記多結晶シリコン膜は、上記シリコン単結晶微粒子列
の全体を覆って形成されていることを特徴とする量子演
算素子。
4. The quantum operation device according to claim 1, wherein the polycrystalline silicon film is formed so as to cover the entire row of the silicon single crystal fine particles. Quantum operation element.
【請求項5】 請求項1乃至請求項4の何れか1つに記
載の量子演算素子において、 上記多結晶シリコン膜に接続されたシリコン単結晶微粒
子列とその上に形成された第1,第2金属電極とで構成
された回路ブロックが複数配列されていることを特徴と
する量子演算素子。
5. The quantum operation device according to claim 1, wherein a row of silicon single crystal fine particles connected to the polycrystalline silicon film and first and second fine particles formed thereon are formed. A quantum operation device comprising a plurality of circuit blocks each including two metal electrodes.
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