JP2009016767A - ナノマグネット、量子デバイス、及びこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体量子ドットによって構成された量子デバイスにおいて、１量子ビットの個別制御手段及び複数量子ビット同時制御手段を提供すること。
【解決手段】
量子ドット１３と、その近傍に設けた導電性材料からなるナノコイル１６と、量子ドット１３の上方に配置された軟磁性材料の磁性ナノ粒子１４とを備えた量子デバイス１０による。ナノコイル１６にパルス状の電流（７μＡ程度）を印加すると、量子ドット１３の上方に配置された磁性ナノ粒子１４によって、量子ビット１３に強い磁場（０．５Ｔ程度）を印加することができる。同時にＥＳＲ周波数のマイクロ波（Ｘバンド）を印加すれば、量子ドット１３で構成された量子ビット（電子スピン）を操作できる。軟磁性材料にマイクロ波領域で高い透磁率を有する材料を用いると、より高いＥＳＲ周波数を使用でき、量子ビットの操作時間を短くできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子コンピュータ等の量子デバイス並びに量子デバイスに使用することができるナノマグネット、及びそれらの製造方法に関する。

近年、量子コンピュータの研究が盛んに行われている。この量子コンピュータは、２つの量子状態を取ることができる２準位系で構成される量子ビットを基本単位とし、この量子ビットを多数集合することでハードウエアが構成される。この量子ビットを実現できる系の一つとして、半導体量子ドット中の電子スピンがある。半導体量子ドット中の電子スピンは、その向きを量子状態｜０＞及び｜１＞に対応させることで量子ビットとして用いることができる。

量子コンピュータで量子計算をするには、量子ビットに対する量子状態（例えば、電子のスピンの向き）の重ね合わせ状態の変更を行う一連の操作（ゲート操作）が必要とされる。量子ビットのゲート操作は、半導体量子ドット中の電子スピンを量子ビットとして利用する場合には、電子スピン共鳴（ESR：Electron Spin Resonance）法により行うことができる。このＥＳＲ法では、量子ドットに磁場を印加しつつ電子のスピンと共鳴する周波数の電磁波（マイクロ波）を印加することにより、量子ビットの初期化や、量子状態の重ね合わせといった操作が行われる。

半導体基板上に形成された微細構造物からなる量子ビットの操作法としては、ＥＳＲ法の他に核磁気共鳴（ＮＭＲ）法を用いるものとして、例えば特許文献１がある。特許文献１は、量子ビットとして²⁹Ｓｉ原子の核スピンを用いる。そして、²⁹Ｓｉ原子を²⁸Ｓｉからなる基板上に直線状に配列し、その²⁹Ｓｉ原子の列の近傍に、強磁性材料からなる微細な磁石を設けた装置を開示する。

量子ドットによる微細構造物の形成方法に関連する技術を開示する文献として、例えば、特許文献２〜６がある。
特開２００３−２６０７００号公報 特開２００３−３３８６１８号公報 特開２００４−２４７４３１号公報 特開２００４−２６００７８号公報 特開２００６−１３５２６３号公報 特開２００３−１１７９００号公報

ところで、量子コンピュータにおける量子計算のゲート操作では、１量子ビットに対して個別に、又は２以上の量子ビットに対して同時に電子スピンの操作を行う必要がある。

従来の量子デバイスでは、ＥＳＲ法による量子ビットの電子スピンの操作では、複数の量子ビット（量子ドット）に一様の磁場を印加するものであった。このため、特定の量子ビット（量子ドット）に対する電子スピンの操作（量子ビットの個別制御）を行うためには、量子ビット（量子ドット）毎に異なるｇ係数を持つように作り分けて、量子ビット毎にＥＳＲ周波数が異なるように量子デバイスを構成し、電磁波は周波数を変えながら逐次印加する必要があった。しかし、半導体量子ドットの場合、全ての量子ドットが異なるｇ係数となるように作り分けるのは作製が困難であるとともに、量子デバイス中の量子ビット数が増大した場合には、ｇ係数同士の差を小さくする必要があるため、多量子ビット化には限界がある。また、このような量子デバイスの場合、量子ドット毎に電子スピン共鳴を起こす周波数が異なるため、個別の量子ドットへのアクセスは周波数を変えた電磁波を逐次印加することにより行うことができるが、異なる量子ドット間で１量子ビットのゲート操作（例えば回転ゲート操作）を同時に行うことが困難であった。

量子ビットの個別制御は、周波数を変えた電磁波を逐次印加する以外にも、量子ドット毎に個別に印加する磁場を制御することができれば実現できる。しかしながら、量子ドットは大きさが数十ｎｍ程度と小さいため、個別の量子ドットごとに印加する磁場を制御する手段は存在しなかった。また、特許文献１に開示された磁石でも、特定の量子ドットにのみ磁場を印加するには大きすぎるため、量子ビットの個別操作に用いることができない。

本発明の目的は、量子ドットから構成された１量子ビットの個別制御及び複数量子ビットの同時制御が可能な、ナノマグネット、量子デバイス及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、結晶性基板の上に形成された量子ドットと、前記量子ドットの上方に形成された磁性材料からなる磁性ナノ粒子と、前記磁性ナノ粒子の周囲に近接して形成された導電材料からなる円弧状のナノコイルと、を備えたことを特徴とする量子デバイスが提供される。

上記の観点では、量子ドットの近傍に、微細な円弧状の導電材料からなるナノコイルが設けられているため、ナノコイルに電流を印加することにより局所的な磁場を発生することができ、個別の量子ドットにのみ磁場を印加することができる。そして、ナノコイルの中心部には、磁性材料からなる磁性ナノ粒子が電磁石（ナノマグネット）のコアとして設けられているため、高い磁束密度の磁場を量子ドットに与えることができる。これにより、個別の量子ドット毎に磁場を印加することができ、磁場を印加するか否かによって、量子ドット中の電子スピン（量子ビット）の状態を個別に制御することができる。したがって、量子ビット毎にｇ係数が異なるように作り分ける必要が無いため量子デバイスの製造がより容易となる。また、個別の量子ビットの制御はナノマグネットで行われるため、量子デバイスを多量子ビット化しても電磁波の周波数を変えずに個別の量子ビットの制御を実現でき、多量子ビット化への対応が容易になる。

この場合、磁性ナノ粒子と量子ドットとを接近させることにより、量子ドットにより強い磁場を印加することができる。尚、磁性ナノ粒子を構成する磁性材料を、マイクロ波領域でも高い比透磁率を示す（高い周波数の交流磁場に対して高い比透磁率を示す）材料とすれば、より短いパルス状磁場を発生することができ、量子ビットの制御時間を短縮することができる。

上述の観点による量子デバイスは、結晶性基板の上に量子ドットを形成する工程と、 前記量子ドットの上方に磁性材料からなる磁性ナノ粒子を形成する工程と、前記磁性ナノ粒子の周囲に円弧状のナノコイルを形成する工程と、を有する製造方法によって作製できる。

また、上述の磁性ナノ粒子は、前記量子ドットを覆う第１の被覆層を形成する工程と、前記第１の被覆層の表面であって前記量子ドットの上方の部分に孔部を形成する工程と、 前記孔部を除いた前記第１の被覆層の表面に第２の被覆層を形成する工程と、前記第２の被覆層及び孔部を覆うように磁性材料層を形成する工程と、前記磁性材料層をアニール処理して前記孔部に磁性ナノ粒子を形成する工程と、前記孔部以外の磁性材料を前記第２の被覆層と共に除去する工程と、により形成することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の構成例１に係わる量子デバイスの構造を示す図である。図１（ｂ）は図１（ａ）に示す量子デバイスの断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）に示す量子デバイスのナノコイルに電流を印加したときの磁束線の様子を示す模式図である。

図１に示す量子デバイス１０は、本発明の実施形態のうち最も簡単な構成の量子デバイスを示すものである。量子デバイス１０には、半導体基板１１の上に自己形成された量子ドット１３が形成されている。この量子ドットの上方には軟磁性材料からなる磁性ナノ粒子１４が配置され、その周囲には導電材料からなるナノコイル１６が設けられている。

半導体基板１１は、例えばＧａＡｓ基板を用いることができる。尚、本実施形態はこれに限られず、Ｓｉ基板等を用いても良い。量子ドット１３は例えばＩｎＧａＡｓ等から形成される。量子ドットの横方向の大きさは、例えば２０〜３０ｎｍ程度であり、その高さは５ｎｍ程度である。この量子ドット１３は、半導体層１２によって埋め込まれている。この半導体層１２としては、例えばＧａＡｓを用いることができ、半導体層１２の厚さは、１０ｎｍ程度である。図１（ｂ）に示すように、半導体層１２の表面には、磁性ナノ粒子１４が、下部側の一部分が埋め込まれるように配置されている。磁性ナノ粒子１４の横方向の大きさは、量子ドット１３の大きさと略同じ大きさに（例えば２０〜３０ｎｍ程度）形成されている。この磁性ナノ粒子１４の底部と、量子ドット１３の頂部はより近いほうが高い磁束密度の磁場を量子ドット１３に印加することができる。一方、これらをあまり接近しすぎると、量子ドット１３内の電子のエネルギー準位に悪影響を及ぼす恐れがある。かかる観点から、例えば半導体層１２にＧａＡｓを用いた場合には、磁性ナノ粒子１４の底部と量子ドット１３の頂部とは１〜３ｎｍ程度隔てて配置することができる。尚、量子ドット１３を覆う層にトンネル障壁が高い材料を用いる場合には、磁性ナノ粒子１４と量子ドット１３との間隔を更に狭くしても良い。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁性ナノ粒子１４の周囲には導電材料からなるナノコイル１６が設けられている。このナノコイル１６は、磁性ナノ粒子１４から２〜３ｎｍ隔てて設けられており、その内周側と外周側との半径の差（ナノコイル１６の配線幅）は１０ｎｍ程度である。ナノ微粒子１４と同様にナノコイルの下部は半導体層１２に埋め込まれている。ナノコイル１６は一部分が５ｎｍ程度のギャップを隔てて開いており、ナノコイル１６の両端は２つの接続配線１５に接続されている。この２つの接続配線１５も５ｎｍ程度のギャップにより隔てられている。この接続配線１５を介してナノコイル１６は、外部の制御回路（図示せず）と接続されている。接続配線１５も、下部が半導体層１２に埋め込まれている。接続配線１５及びナノコイル１６は、通電による発熱や、印加電圧による半導体基板１２の絶縁破壊を防止すべく電気伝導度の高い材料を用いることが望ましく、例えば、Ａｌ、Ｃｕ等の金属材料を用いることができる。また、Ｐｂ、Ｎｂ、ＭｇＢ、及び銅酸化物高温超電導体等の超伝導材料を用いても良い。超伝導材料によりナノコイル１６を形成した場合には、より多くの電流を流すことができるため、ナノマグネットによる発生磁束密度をより高めることができる。これにより、より高いＥＳＲ周波数を用いることができ、量子ビットの制御時間を短くすることができる。

図１（ｃ）に示すように、外部の制御回路（図示せず）から接続配線１５を介してナノコイル１６にパルス状の電流が印加されると磁場が発生し、磁性ナノ粒子１４及びこれに近接した領域で磁束密度が高くなる。量子ドット１３と磁性ナノ粒子１４とは近接しているため、量子ドット１３に印加される磁場は磁性ナノ粒子１４中でもっとも磁束密度が高い底部と略同程度の磁束密度となる。また、量子デバイス１０全体としてみると、磁場の強い部分は量子ドット１３の近傍に局在化している。これにより量子ドット毎に個別に磁気的操作を行うことができる。

次に、図４〜６を参照しつつ、本実施形態の構成例１に係わる量子デバイス１０の製造方法について説明する。

図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係わる量子デバイスの製造途中の様子を示す断面図である（その１）。図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係わる量子デバイスの製造途中の様子を示す断面図である（その２）。図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係わる量子デバイスの製造途中の様子を示す図である（その３）。

図４（ａ）に示す構造物を形成するまでの工程について説明する。尚、以下の説明は、半導体基板１１及び半導体層１２にＧａＡｓを用い、量子ドット１３をＩｎＧａＡｓで形成した場合の一例に基づいて行う。先ず、結晶性ＧａＡｓからなる半導体基板１１の表面に、半導体基板１１とは異なる格子定数を有するＩｎＧａＡｓを、例えばＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法等により成膜する。これにより、Ｓ−Ｋモード（Stranski-Krastanowモード）の成長で量子ドット１３が半導体基板１１の上方に形成される。尚、この工程で量子ドット１３の周囲に濡れ層１７も同時に形成される。量子ドット１３を所定の位置に形成する場合には、量子ドット１３を形成したい部分に予め半導体基板１１に穴を形成する方法（例えば特許文献２）や、その他の方法に基づいて形成することができる。次に、量子ドット１３が形成された半導体基板１１の上方にＧａＡｓからなる半導体層１２（第１の被覆層）をＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法等により成膜する。以上の工程により図４（ａ）に示す構造物が得られる。

次に、図４（ｂ）に示すように、半導体層１２の表面であって、量子ドット１３の上方の位置に磁性ナノ粒子用穴部２１を形成する。この磁性ナノ粒子用穴部２１は例えば以下の工程により形成することができる。まず、半導体層１２の表面にＳ−Ｋモードでドット状な物を形成する。量子ドット１３が形成された部分の上方に形成された半導体層１２には歪が発生しているため、量子ドット１３の上方の位置のみにドット状な物が形成される（特許文献３参照）。

次に、形成したドット状な物を目印にして、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）酸化法により量子ドット１３の上方の半導体層１２に、局所的に酸化された領域を形成する。この工程では、ＡＦＭの走査プローブの探針をドット状な物に接近させ、水蒸気を含む雰囲気下において半導体基板１１側に正のバイアス電圧を、探針側に負のバイアス電圧を所定時間印加する。これにより、探針と半導体層の間の電場により、水（Ｈ₂Ｏ）が分解され、生成したＯＨ^-が酸化剤として作用することにより球状又は楕円体状の酸化領域（図示せず）が形成される。

その後、形成された酸化領域を希釈したＨＣｌ又はＮＨ₄ＯＨ等のエッチング剤を用いたウエットエッチング、又は超音波洗浄により選択的に除去する。これにより、図４（ｂ）に示すように、半導体層１２の表面であって、量子ドット１３の上方に磁性ナノ粒子用穴部２１を備えた構造物が完成する。尚、磁性ナノ粒子用穴部２１の径は探針と半導体基板１１間に印加する電圧及び電流の印加時間により調整することができ、図４（ｂ）に示すように、量子ドット１３の径と同程度（例えば２０ｎｍ程度）に形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、半導体層１２の磁性ナノ粒子用穴部２１を除いた表面をＡＦＭ酸化法により酸化して、酸化物層２２（第２の被覆層）を形成する。この酸化物層２２は、ＡＦＭの探針を半導体層１２に近接させた状態で、バイアス電圧を印加しながら探針を走査することで形成できる。この酸化物層２２の厚さは１〜２ｎｍ程度とすればよい。

次に、図５（ａ）に示すように、酸化物層２２及び磁性ナノ粒子用穴部２１の上に、磁性材料層２３をスパッタ法等により形成する。堆積される磁性材料は、周波数の高い領域で高い比透磁率を示す材料が望ましく、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数範囲において、１０００程度の比透磁率を有し、飽和磁束密度は０．５Ｔ以上ある軟磁性材料を使用することができる。このような特性を有する軟磁性材料として、例えば、Ｆｅ−Ｍ−Ｏ（Ｍは、Ｈｆ、Ｚｒ又は希土類元素）を用いることができる（Hayakawa et al, Journal of Applied Physics, vol.81(8),pp.2747-3752,(1997) ）。なお、比透磁率が１０００以下の材料を用いた場合には、量子ドット１３付近の磁束密度が低下するが、より低い周波数でＥＳＲを行う際には低い比透磁率を有する材料を使用してもよい。磁性材料層２３の厚さは１０ｎｍ以下とすることが好ましい。厚くしすぎると、後述するアニール工程で生成された磁性材料の微粒子２４間の間隔が狭くなり、酸化物層２２のエッチングによるリフトオフ工程において、エッチング剤が酸化物層２２に浸透しにくくなるためである。尚、スパッタ法等を用いることにより磁性材料層２３の膜厚をｎｍ単位で制御できる。軟磁性材料層２３の膜厚が厚過ぎる場合には、反応性イオンエッチング法、プラズマエッチング法、及びクラスターイオンエッチング法等のドライエッチングにより磁性材料層を薄くすればよい。

次に、磁性材料層２３が形成された半導体基板１１を６００℃程度の基板温度でアニール処理を行う。このアニール処理により、図５（ｂ）に示すように磁性材料からなる微粒子２４が形成される。この粒子の大きさはナノメートル程度の大きさであり、典型的な大きさは１０ｎｍ程度である。また、量子ドット１３の上方に形成された磁性ナノ粒子用穴部２１では、その直径（例えば、２０ｎｍ程度）と同程度の大きさの磁性ナノ粒子１４が形成される。この工程により、酸化物層２２の上には磁性材料の微粒子２４が分散した層が形成される。磁性材料の微粒子２４の間には隙間があるため、次のリフトオフ工程に好適である。

次に、酸化物層２２及びその上に形成された磁性材料の微粒子を除去する（リフトオフ工程）。酸化物層２２の除去は、希釈されたＨＣｌ又はＮＨ₄ＯＨ等を用いたウエットエッチング法により行うことができる。エッチング剤は、微粒子２４同士の隙間から浸透して酸化物層２２と接触し、エッチングが進行する。微粒子２４は酸化物層２２と共に除去される（リフトオフ）。稀に、微粒子２４の粒子間の間隔が狭く、エッチング剤の表面張力により、エッチング剤が浸透できない場合があるが、この場合にはＡＦＭの探針を用いて、微粒子２４の分散した層に機械的に“穴”を開けることによりエッチングを進めることができる。このリフトオフ工程では、量子ドット１３の上方に形成された磁性ナノ粒子１４がエッチング剤により侵食されないような条件で行う必要がある。この条件は、酸化物層２２の除去のために使用するエッチング剤に対する磁性材料の耐食性に依存するが、上述のＦｅ−Ｍ−Ｏ等の酸化物磁性材料の場合は弱酸又は弱アルカリによってエッチングされにくいため、上述のＨＣｌ又はＮＨ₄ＯＨ溶液の濃度を適宜調節して最適化すればよい。以上の工程により図５（ｃ）の構造物が完成する。

次に、ナノコイル１６及び接続配線１５を形成する。先ず、接続配線１５及びナノコイル１６を形成する部分に局所的酸化領域２５を形成する。この局所酸化領域２５は、ＡＦＭ酸化法によって行うことができる。すなわち、水蒸気を含んだ大気中で、ＡＦＭのプローブを半導体層１２の表面と数ｎｍ以内となる距離まで接近させ、半導体基板１１及びＡＦＭの探針との間に電圧を印加する。この状態を保ったまま、ＡＦＭの探針を図６（ｂ）に示す局所酸化領域２５となるべき領域上を移動させる。これにより、図６（ａ）及び（ｂ）に示すような局所酸化領域２５が形成される。尚、接続配線１５及びナノコイル１６の幅は１０ｎｍ程度と非常に狭いため、局所酸化領域２５を通常のＡＦＭの探針で作製するのは困難であるが、カーボンナノチューブを用いた探針によれば作製できる。

次に、希釈したＨＣｌ又はＮＨ₄ＯＨなどのエッチング剤を用いて局所酸化領域２５を除去して溝を形成する。その後、形成された溝に、例えばＡｌ等の金属材料を液滴エピタキシー法等（特許文献３参照）により堆積させて図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示すナノコイル１６及び接続配線１５が形成され、量子デバイス１０が完成する。ここで、液滴エピタキシー法とは、蒸発した金属の原子や分子を、例えば絶縁体や半導体等の金属より低い表面エネルギーを有する材料の表面に堆積することにより、微細な粒状体等の構造物を成長する方法である。

本願発明者は、図１（ａ）に示す量子デバイス１０の実現可能性について理論計算に基づく検討を行った。半導体基板１１及び半導体層１２をＧａＡｓによって形成し、接続配線１５、及びナノコイル１６をアルミニウム（Ａｌ）とし、ナノコイル１６の内周の直径を２０ｎｍ、外周の直径を４０ｎｍ（ナノコイル１６の線幅を１０ｎｍ）、ナノコイル１６の厚さ（高さ）を５ｎｍ、２つの接続配線１５の間隔を５ｎｍとした装置を想定した。また、磁性ナノ粒子１４には周波数１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ及び１Ｔ（テスラ）の磁場下でも１０００程度の比透磁率を示すＦｅ−Ｍ−Ｏ系材料を用いた場合について検討した。

この場合、ナノコイル１６の反応時間１０ｐ（ピコ）秒以下となり、Ｘバンド（周波数８ＧＨｚ〜１２ＧＨｚ）のマイクロ波を用いたＥＳＲ法でスピン操作を行うのには十分である。また、量子ドット１３内の電子にＸバンドの電磁波を外部から印加してそのスピンをＥＳＲ法で操作するためには、量子ドットに約０．５Ｔ程度の磁場を印加する必要があり、ナノコイル１６によりこの磁場を発生するために必要な電流は７μＡ程度であった。この電流を流すために２つの接続配線１５の間に印加する電圧によって生ずる電場は、０．５×１０⁴Ｖｃｍ^-1であり、この値は半導体層１２を構成するＧａＡｓの絶縁破壊が起こる電場である０．５×１０⁶Ｖｃｍ^-1よりも十分低い値である。１回の量子ビット操作期間（１ｎｓ程度）でコイルに流れる電流によって生ずる温度上昇は０．５℃以下であり、ほぼ無視することができる。尚、磁性ナノ粒子１４の実効的な比透磁率を１００とした場合には、量子ドット１３に０．５Ｔの磁場を印加するのに必要な電流を１ｎｓ（ナノ秒）流したとしても、コイルの温度は５０℃までしか上昇せず、温度上昇によりコイルが損傷する恐れはない。ナノコイル１６に印加されるパルス電流（１／τ〜１ＧＨｚ）において、表皮効果の深さは２μｍとなるが、これはナノコイル１６の線幅（１０ｎｍ程度）よりも遥かに大きい値であるため表皮効果は問題とならない。また、ナノコイル１６に０．５Ｔの磁場を発生させた場合に磁場によって生じる圧力は０．０１ＭＰａであり、ナノコイル１６を構成するＡｌの抗張力１５０ＭＰａよりも遥かに小さく、機械的ストレスによる影響も問題とならない。仮に、温度上昇による効果が限界値に近づいたとしても、さらに低い電磁波の周波数、例えばＬバンド（５００ＭＨｚ〜１５００ＭＨｚ）のマイクロ波を用いる場合には、必要な磁場は０．０５Ｔで済むためナノコイル１６に流すべき電流量を少なくすることができ、１０ｎｓ程度の１回の量子ビット操作時間に電流を流し続けても温度上昇は５℃程度にとどまる。以上のように、本発明の量子デバイス１０によれば、ＥＳＲ法により１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲の電磁波及び１ｎｓ程度の操作スピードで１量子ドットの電子スピンの操作を行うことができる。

次に、量子デバイス１０による単一量子ビット動作について説明する。この単一量子ビット動作は、電子スピンの状態を回転させることにより行われる。まず、量子デバイス１０に角周波数ωの電磁波を外部から印加すると共に、ナノコイル１６にパルス電流を流して量子ドット１３にパルス状の磁場Ｈ（磁束密度Ｂ）を印加する。ここで印加する電磁波の角周波数ωは（ｈ／２π）ω＝ｇμ_BＢで与えられる。ここに、ｈ／２πはディラック定数（１．０５４×１０^-34Ｊ・ｓ）であり、ｇは量子ドット内の電子のｇ係数であり、μ_Bはボーア磁子である。ナノコイル１６に印加される電流及び電磁波のパルス幅（持続時間）によって、電子スピンの状態を操作することができる。パルス状の磁場の印加後は、操作が行われた電子スピンの状態は所定の方向（又はその重ね合わせ状態）とすることができる。

（構成例２）
次に、本発明の第１実施形態の量子デバイスの構成例２について説明する。図２（ａ）は、本発明の第１実施形態の構成例２に係わる量子デバイスの構造を示す図である。図２（ｂ）及び（ｃ）は、図２（ａ）に示す量子デバイスを半導体基板の表面と平行な面に沿って切断した断面図である。

図２（ａ）に示すように、構成例２の量子デバイス２０は、構成例１の量子デバイス１０を一列に並べた構造であり、半導体基板１１上に量子ドット１３ａ〜１３ｃが直線状に配列されている。量子ドット１３ａ〜１３ｃは、半導体層１２によって覆われており、その上方には磁性ナノ粒子１４ａ、１４ｂ及び１４ｃが配置されている。磁性ナノ粒子１４ａ、１４ｂ及び１４ｃの周囲には、それぞれナノコイル１６ａ、１６ｂ及び１６ｃが設けられ、ナノコイル１６ａ〜１６ｃは、それぞれの接続配線１５ａ〜１５ｃを介して外部の制御回路に接続される。磁性ナノ粒子１４ａ〜１４ｃ及びナノコイル１６ａ〜１６ｃによって構成されるそれぞれのナノマグネットは小さいため、隣接する量子ドット間の距離を５０ｎｍ以下とすることができ、隣接する量子ドットの間でコヒーレントな相互作用を起こすことができる。このため、量子デバイス２０は、１量子ビット操作のみならず、２量子ビット間の量子相関を用いた制御ＮＯＴゲート等にも応用することができる。

尚、図示の例では量子ドット１３ａ、１３ｂ及び１３ｃを３つ並べた構造であるが、構成例２の量子デバイスはこれに限られず、さらに多くの量子ドット１３を並べた構造としても良い。

量子デバイス２０は、量子デバイス１０と同様の工程により作製することができる。なお、量子ドット１３ａ、１３ｂ及び１３ｃは、これらを形成したい部分に予め半導体基板１１に穴を形成する方法（例えば特許文献２）や、その他の方法に基づいて正確に配列できる。

次に量子デバイス２０の動作について説明する。量子デバイス２０は、１量子ビットの回転ゲート操作と、２量子ビット間の相互作用（干渉）を用いたゲート操作を行うことができる。このうち、１量子ビットの回転ゲート操作については、上述の量子デバイス１０で説明したのと同様であり、操作を行おうとする量子ビットに対応する量子ドットに対してナノマグネットからパルス状の磁場を印加しつつＥＳＲ周波数の電磁波を印加することにより操作を行うことができる。

また、２量子ビットのゲート操作を行うための隣接する量子ビット間の相互作用の制御は、例えば電気的な方法で行うことができる。すなわち、量子ドット１３ａ、１３ｂ、１３ｃの周囲にゲート電極（不図示）を形成し、ゲート電極から電圧を印加することにより、隣接する量子ドット間の波動関数の重なりを制御することにより、量子ビット間の相互作用を制御することができる。

量子デバイス２０よれば、特定の量子ビットに対する制御は、ナノマグネットを用いたパルス状の磁場の印加により確実行うことができる。したがって、従来のように量子ドット毎にｇ係数の異なる量子ドットを作り分けた上で周波数の異なる電磁波を逐次印加するものではなく、異なる量子ビットについて同時に個別制御を行うことが可能となる。さらに、量子ドット毎にｇ係数が異なる場合であっても、このｇ係数の効果はナノマグネットからの磁場を微調整することで打ち消すことができるため、ＥＳＲ周波数を全ての量子ドットで一定に保つことができる。

（構成例３）
次に、本発明の第１実施形態の構成例３に係わる量子デバイスについて説明する。図３（ａ）は、本発明の第１実施形態の構成例３に係わる量子デバイスの構造を示す図である。図３（ｂ）及び（ｃ）は、図３（ａ）に示す量子デバイスを半導体基板と平行な面に沿って切断した断面図である。半導体基板の上面に沿って切断した断面を示す図であり、図３（ｂ）は本構成例の量子デバイスを上面から見た図である。

本構成例に係わる量子デバイス３０は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、大きい量子ドット１３ａ及び１３ｂと、これらに隣接して配置された直径の小さい補助量子ドット１８ａ〜１８ｄが設けられている。大きい量子ドット１３ａの直径は量子デバイス１０の量子ドット１３と同程度の２０ｎｍ程度でありその高さは約５ｎｍである。また、補助量子ドット１８ａ〜１８ｄの直径は、１２ｎｍ程度でありその高さは３ｎｍ程度である。量子ドット１３ａとこれに隣接する補助量子ドット１８ａ（又は１８ｂ）とは２０ｎｍの間隔を隔てて配置されており、補助量子ドット１８ｂと補助量子ドット１８ｃとは２０ｎｍ隔てて配置されている。このように、補助量子ドット１８ｂおよび１８ｃとは、量子デバイス２０の量子ドット同士よりも更に接近しているため、隣接する量子ビット間のコヒーレントな相互作用を、量子デバイス２０よりも更に容易に実現することができる。

磁性ナノ粒子１４ａ、及び１４ｂは、量子ドット１３ａ、及び１３ｂの上方にのみ設けられており、磁性ナノ粒子の周囲には、ナノコイル１６ａ、及び１６ｂが設けられている。ナノコイル１６ａ及び１６ｂは接続配線１５ａ、及び１５ｂによって外部の制御回路と接続されている。

半導体基板１１及び半導体層１２は、例えばＧａＡｓ等で形成することができ、量子ドット１３ａ、１３ｂ、及び１８ａ〜１８ｄは、例えばＩｎＧａＡｓ等で形成される。磁性ナノ粒子１４ａ、１４ｂ及びナノコイル１６ａ、１６ｂは量子デバイス１０と同様の材料で構成することができる。

量子デバイス３０は以下の工程により作製される。

量子ドット１３ａ、１３ｂ、１８ａ〜１８ｄは量子デバイス１０と同様の方法により形成することができる。尚、量子ドットは、特許文献２やその他の方法により正確に配置することができる。例えば、半導体基板１１（例えば、ＧａＡｓ基板）の表面に、量子ドット１３を形成する部分について直径の大きな穴をあけ、補助量子ドット１８を形成する部分には、量子ドット１３用の穴よりも直径の小さな穴を開けたうえで、Ｓ−ＫモードでＩｎＧａＡｓを成長させる。これにより、形成される量子ドットの大きさは半導体基板１１にあけられた穴と同程度の径の量子ドットが形成されるため、大きさの異なる量子ドット１３ａ〜１３ｃ及び補助量子ドット１８ａ〜１８ｃを作り分けることができる。

その後、量子ドット１３ａ〜１８ｄを覆うように半導体層１２を形成し、本実施形態の構成例１のときと同様な方法により、磁性ナノ粒子１４ａ（及び１４ｂ）、ナノコイル１６ａ、１６ｂ、及び接続配線１５を順に形成することにより作製される。

次に量子デバイス３０の動作について説明する。図３（ａ）に示す量子デバイス３０において、一つの量子ビットは、一つの大きな量子ドット１３ａと、これに隣接する２つの小さな補助量子ドット１８ａ、及び１８ｂとによって構成される。また、量子ドット１３ｂと補助量子ドット１８ｃ、及び１８ｄとによって別の量子ビットが構成される。量子デバイス３０において、電子は一つの量子ビットに対して１つだけ存在する。すなわち、量子ドット１３ａ、補助量子ドット１８ａ、及び１８ｂによって構成される量子ビットの場合、一つの電子がこれらの量子ドットのいずれかに存在している。また、量子ドット１３ｂ、補助量子ドット１８ｃ、及び１８ｄによって構成される量子ビットについても同様である。

量子デバイス３０における１量子ドットのみの回転ゲート操作は、量子デバイス１０と同様に行われる。すなわち、量子ドット１３ａに電子が存在する状態とした上で、角周波数ωの電磁波（例えばＸバンドのマイクロ波）を量子デバイス３０に印加しつつナノコイル１６ａに電流を流してパルス状の磁場Ｈ（磁束密度Ｂ）を印加する。ナノコイル１６に印加するパルス状の磁場及び電磁波のパルス幅（持続時間）によって、１量子ビットの回転ゲート操作を行うことができる。

２量子ビット間の相互作用を利用したゲート操作の場合には、大きな量子ドット１３ａ及び１３ｂから小さな補助量子ドット１８ｂ、１８ｃに電子を移動させるため、光パルスを印加する。光パルスの印加により、図３（ｂ）において、紙面上側の量子ドット１３ａから補助量子ドット１８ｂに一つの電子が輸送される。同時に、紙面下側の量子ドット１３ｂから補助量子ドット１８ｃに一つの電子が輸送される。このようにして、２つの隣接する補助量子ドットのそれぞれに電子が存在する状態が得られる。この状態となったときから量子ビット間の相互作用が始まる。２量子ビット間の演算が完了すると予想される時刻の経過した後に再び光パルスが量子デバイス３０に印加され、２つの電子は元の大きな量子ドットに輸送される。

以上のように、本構成例の量子デバイス３０では補助量子ドット同士がより近接しているため、量子ビット間の相互作用をより容易に実現することができ、２量子ビット間の相互作用を利用した制御ＮＯＴの実現に有利である。

（第２実施形態）
以下、図７〜９を参照しつつ本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態の量子デバイスは、ナノコイルを上下方向に複数層積層したナノマグネットを有する。

図７（ａ）は、本発明の第２実施形態に係わる量子デバイスの構造を示す図であり、図７（ｂ）は、その断面を示す図である。図７（ｃ）は、第２実施形態に係わる量子デバイスのコイルに電流を印加したときの磁束線の様子を示す図である。

上述の、量子デバイス１０の場合、ナノマグネットからの磁束線は、図１（ｃ）に示すように、ナノコイル１６から離れるにしたがって急速に広がってしまうため、量子ドット１３に印加される磁場は弱くなると共に量子ドット中での磁束密度が不均一となってしまう。このため、ＥＳＲ周波数等に誤差が生ずる恐れがあった。そこで、本願発明者は磁場をより強くすると共に、量子ドット中の磁束密度をより均一とすべく、図７（ａ）及び（ｂ）に示す量子デバイス４０を発明した。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、量子デバイス４０は、半導体基板１１の上に形成された量子ドット１３の周囲に基板側ナノコイル４２が設けられている。基板側ナノコイル４２は、量子ドット１３と５ｎｍ程度隔てて配置されており、その内周側の直径は２０ｎｍ程度であり外周側の直径は４０ｎｍ程度であり、高さは３ｎｍ程度である。基板側ナノコイル４２（及び量子ドット１３）は、半導体層１２によって埋め込まれている。基板側ナノコイル４２の一端は、垂直配線４１によって、半導体層１２の上に形成されたナノコイル１６の一端と接続され、他方の端は垂直配線４１を介して接続配線１５の一方と接続されている。磁性ナノ粒子１４の構成は、第１実施形態の量子デバイス１０と同様である。ナノコイル１６は、一方の端部が接続配線１５と接続され、他方の端が上述の垂直配線４１を介して基板側ナノコイル４２と接続されている。ナノコイル１６のその他の構成は第１実施形態のナノコイル１６と同様である。図７（ａ）に示すようにナノコイル１６及び基板側ナノコイル４２は、印加された電流が同じ向きとなるように接続されており、図７（ｃ）に示すように、Ｉ電流を流すことにより、磁束の広がりが抑えられ、量子ドット１３に印加される磁場は、量子デバイス１０と比べてより高い磁束密度になるとともに、磁束密度の分布をより均一とすることができる。

尚、垂直配線４１及び基板側ナノコイル４２の材質は、ナノコイル１６（及び接続配線１５）と同様の材料で構成でき、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料や超伝導材料等を用いることができる。

以下、本実施形態の量子デバイス４０の製造方法について説明する。

図８（ａ）〜（ｄ）は、図７（ａ）に示す量子デバイスのＩ−Ｉ線部分及びＩＩ−ＩＩ線部分の製造途中の様子を示す断面図である。図９（ａ）は、第２実施形態の量子デバイスの製造工程において、基板側半導体層の表面に局所酸化領域を形成した直後の様子を示す上面図である。図９（ｂ）は、第２実施形態に係わる量子デバイスの製造工程において、上側半導体層の表面に局所酸化領域を形成した直後の様子を示す上面図である。

先ず、図８（ａ）に示す構造物を形成するまでの工程について説明する。

最初に、ＧａＡｓ等の半導体基板１１の上に、ＩｎＧａＡｓ膜等をＳ−Ｋモードで成長することにより量子ドット１３を形成する。量子ドット１３の形成工程は上述の第１実施形態と同様である。この工程により、量子ドット１３とともに、濡れ層１７が同時に形成される。その後、量子ドット１３及び濡れ層１７を覆うようにＧａＡｓ等の膜からなる下側半導体層１２ａを形成する。下側半導体層１２ａの厚さは、量子ドット１３の頂部を数ｎｍ覆う厚さに形成する。次に、ＡＦＭ酸化法により、図９（ａ）に示すように局所酸化領域４３ａ及び４３ｂを形成する。局所酸化領域４３ａは基板側ナノコイル４２が形成されるべき領域に形成され、その幅は１０ｎｍ程度であり、量子ドット１３の周囲に基板側ナノコイル４２を形成すべく、濡れ層１７に到達する深さまで酸化領域を形成する。酸化領域の深さは、ＡＦＭ酸化法の酸化時間及びバイアス電圧によって制御することができる。一方、局所酸化領域４３ｂは垂直配線４１が形成されるべき部分に形成する。局所酸化領域４３ｂは、上述の局所酸化領域４３ａの線幅よりも大きな直径の半球状又は楕円体状に形成されており、その直径は２０ｎｍ程度である。また、局所酸化領域４３ｂの深さは、濡れ層１７の上方数ｎｍ程度の深さまで形成されている。尚、径が大きく深さの浅い局所酸化領域４３ｂは、ＡＦＭの探針を適当な速度で移動させながら酸化を行うことにより形成できる。次に、希釈したＨＣｌ又はＮＨ₄ＯＨなどのエッチング剤により、局所酸化領域４３ａ及び４３ｂの酸化物を選択的に除去する。これにより、基板側ナノコイル用溝部４４及び垂直配線用穴部４５が形成され、図８（ａ）に示す構造物が完成する。

次に、液滴エピタキシー法により、例えばＡｌ等の導電材料を堆積させる。液滴エピタキシー法では、半導体層１２ａ表面の中で表面エネルギーの高い領域に選択的に導電材料が堆積するため、図８（ｂ）に示すように基板側ナノコイル用溝部４４及び垂直配線用穴部４５に導電材料が堆積し、基板側ナノコイル４２及び垂直配線４１を形成する。基板側ナノコイル４２の上部は下側半導体層１２ａの表面よりも低く、垂直配線４１の上部は、下側半導体層１２ａの表面よりも数ｎｍ高くなるように形成されている。以上の工程により、図８（ｂ）に示す構造物が完成する。

次に、上側半導体層１２ｂを形成する。これにより基板側ナノコイル４２が上側半導体層１２ａに覆われる（図８（ｃ）のＩ−Ｉ線部分）。また、垂直配線４１も頂部付近を除いて上側半導体層１２ｂに埋め込まれる（図８（ｃ）のＩＩ−ＩＩ線部分）。以上の工程により、図８（ｃ）に示す構造物が完成する。

次に、図８（ｄ）に示す構造物を形成する工程について説明する。
第１実施形態の量子デバイスの製造方法と同様に、上側半導体層１２ｂの表面であって量子ドット１３の上方の位置に、ＡＦＭ酸化法により局所酸化領域を形成し（図示せず）、引き続いてこの局所酸化領域を除去して、磁性ナノ粒子用の穴を形成する。ＡＦＭ酸化法で磁性ナノ粒子用孔部を除いた上側半導体層１２ｂの表面に酸化膜を形成し、磁性材料膜を形成する。その後、第１実施形態と同様のアニール処理およびリフトオフ工程により、磁性ナノ粒子１４を量子ドット１３の上方に形成する。磁性ナノ粒子１４の周囲にＡＦＭ酸化法により図９（ｂ）に示すように局所酸化領域４６を形成し、この局所酸化領域４６をウエットエッチングにより選択的に除去して、ナノコイル１６及び接続配線用の溝を形成する。そして、液滴エピタキシー法により例えばＡｌ等の導電材料を、その溝の部分に堆積させることにより、接続配線１５及びナノコイル１６が形成される（図８（ｄ）Ｉ−Ｉ線部分）。同時に、接続配線１５の一方の端部（ナノコイル１６の一方の端部）と、垂直配線４１とが図８（ｄ）（ＩＩ−ＩＩ線部分）に示すように接続される。以上の工程により、図８（ｄ）に示す構造物が完成する。

その後、半導体基板１１の上方に適宜保護膜等を形成すると共に、接続配線１５を図示しない外部の制御回路と接続することにより量子デバイス４０が完成する。

量子デバイス４０は、１量子ビットによる回転ゲート操作を行うことができる。この動作は、上述した第１実施形態の量子デバイス１０と同様である。

以上のように本実施形態の量子デバイス４０によれば、磁性ナノ粒子１４の周囲に設けられたナノコイル１６に加え、量子ドット１３の周囲にも基板側ナノコイル４２が設けられている。これにより、ナノマグネットによって量子ドット１３に印加される磁場の磁束密度を高くすることができる。したがって、より高いＥＳＲ周波数の電磁波を用いて量子ビットのゲート操作を行うことができ、量子ビットの操作時間をより短くすることができる。さらに、量子ドット１３中の磁束密度分布をより均一にできる。これにより、ＥＳＲ周波数のバラつきを抑えることができ、ＥＳＲ法による量子ビットの個別制御をより確実に行うことができる。

尚、本実施形態は上記の量子デバイス４０の構成に限られず、量子デバイス４０を一列に配列して２量子ビットの相互作用を利用したゲート操作を実現できる量子デバイスを構成しても良い。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１） 結晶性基板の上に形成された量子ドットと、前記量子ドットの上方に形成された磁性材料からなる磁性ナノ粒子と、前記磁性ナノ粒子の周囲に近接して形成された導電材料からなる円弧状のナノコイルと、を備えたことを特徴とする量子デバイス。

（付記２） 更に、前記量子ドットの周囲に近接して設けられた導電材料からなる円弧状の基板側ナノコイルと、前記ナノコイルと基板側ナノコイルとを接続する垂直配線と、を備えたことを特徴とする付記１記載の量子デバイス。

（付記３） さらに、一定の間隔をおいて一列に配置された複数の前記量子ドットと、前記複数の量子ドットのそれぞれの上方に配置された複数の前記磁性ナノ粒子と、前記磁性ナノ粒子のそれぞれの周囲に形成された前記ナノコイルと、を備えたことを特徴とする付記１に記載の量子デバイス。

（付記４） 前記ナノコイルと基板側ナノコイルとは、前記垂直配線を介して同一方向の磁場を発生するように接続されていることを特徴とする付記２記載の量子デバイス。

（付記５） 前記第１のナノコイルの径と前記第２のナノコイルの径とが同じであることを特徴とする付記２に記載の量子デバイス。

（付記６） 前記量子ドット間の間隔が５０ｎｍ以下であることを特徴とする付記３記載の量子デバイス。

（付記７） 更に、前記量子ドットよりも径の小さな補助量子ドットが、前記量子ドットのそれぞれの横に配置されたことを特徴とする付記３に記載の量子デバイス。

（付記８） 前記磁性ナノ粒子と、前記量子ドットとの間隔が３ｎｍ以下であることを特徴とする付記１〜７の何れか１項に記載の量子デバイス。

（付記９） 前記磁性ナノ粒子と、前記量子ドットの径が同じであることを特徴とする付記１〜７の何れか１項に記載の量子デバイス。

（付記１０） 前記コイルを構成する導電材料が、超伝導体であることを特徴とする付記１〜７の何れか１項に記載の量子デバイス。

（付記１１） 前記磁性材料が、軟磁性材料であることを特徴とする付記１〜７の何れか１項に記載の量子デバイス。

（付記１２） 前記軟磁性材料は、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの交流磁界に対する比透磁率が１０００以上であって、飽和磁束密度が１Ｔ以上であることを特徴とする、付記１１に記載の量子デバイス。

（付記１３） 結晶性基板の上方に形成された磁性材料からなる磁性ナノ粒子と、前記磁性ナノ粒子の周囲に近接して配置された導電材料からなる円弧状のナノコイルと、を備えたことを特徴とするナノマグネット。

（付記１４） 結晶性基板の上に量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットの上方に磁性材料からなる磁性ナノ粒子を形成する工程と、前記磁性ナノ粒子の周囲に円弧状のナノコイルを形成する工程と、を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。

（付記１５） 結晶性基板の上に量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットを囲う円弧状の基板側ナノコイル及び垂直配線を形成する工程と、前記量子ドットの上方に、磁性材料からなる磁性ナノ粒子を形成する工程と、前記磁性ナノ粒子を囲うとともに、前記垂直配線と接続された円弧状の第２のナノコイルを形成する工程と、を有すること特徴とする量子デバイスの製造方法。

（付記１６） 前記量子ドットの上方に磁性ナノ粒子を形成する工程は、前記量子ドットを覆う第１の被覆層を形成する工程と、前記第１の被覆層の表面であって前記量子ドットの上方の部分に孔部を形成する工程と、前記孔部を除いた前記第１の被覆層の表面に第２の被覆層を形成する工程と、前記第２の被覆層及び孔部を覆うように磁性材料層を形成する工程と、前記磁性材料層をアニール処理して前記孔部に磁性ナノ粒子を形成する工程と、前記孔部以外の磁性材料を前記第２の被覆層と共に除去する工程と、よりなることを特徴とする付記１４又は１５に記載の量子デバイスの製造方法。

（付記１７） 前記第１のナノコイル及び垂直配線を形成する工程は、量子ドット及びその周辺に形成された濡れ層を覆う被覆層を形成する工程と、前記被覆層の前記第１のナノコイル形成予定部分に溝を形成すると共に、前記被覆層の前記垂直配線形成予定部に、前記ナノコイルの幅よりも大きな径を有する孔とを形成する工程と、前記溝と孔に導電材料を堆積する工程と、よりなることを特徴とする付記１５に記載の量子デバイスの製造方法。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係わる量子デバイスの構造を示す図である。図１（ｂ）は図１（ａ）に示す量子デバイスの断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）に示す量子デバイスのナノコイルに電流を印加したときの磁束線の様子を示す模式図である。 図２（ａ）は、本発明の第１実施形態の構成例２に係わる量子デバイスの構造を示す斜視図である。図２（ｂ）及び（ｃ）は、図２（ａ）に示す半導体基板の表面と平行な面に沿って切断した断面図である。 図３（ａ）は、本発明の第１実施形態の構成例３に係わる量子デバイスの構造を示す斜視図である。図３（ｂ）及び（ｃ）は、図３（ａ）半導体基板の表面と平行な面に沿って切断した断面図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係わる量子デバイスの製造途中の様子を示す断面図である（その１）。 図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係わる量子デバイスの製造途中の様子を示す断面図である（その２）。 図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１実施形態に係わる量子デバイスの製造途中の様子を示す図である（その３）。 図７（ａ）は、本発明の第２実施形態に係わる量子デバイスの構造を示す図であり、図７（ｂ）は、その断面を示す図である。図７（ｃ）は、第２実施形態に係わる量子デバイスのコイルに電流を印加したときの磁束線の様子を示す模式図である。 図８（ａ）〜（ｄ）は、図７（ａ）に示す量子デバイスのＩ−Ｉ線部分及びＩＩ−ＩＩ線部分の製造途中の様子を示す断面図である。 図９（ａ）は、第２実施形態の量子デバイスの製造途中において、基板側ナノコイル等の溝を形成するための局所酸化領域形成直後の様子を示す上面図である。図９（ｂ）は、第２実施形態に係わる量子デバイスの製造途中において、ナノコイル及び接続配線形成直後の様子を示す上面図である。

符号の説明

１０、２０、３０…量子デバイス、１１…半導体基板、１２…半導体膜、１２ａ…基板側半導体層、１２ｂ…上側半導体層、１３、１３ａ〜１３ｃ…量子ドット、１４、１４ａ〜１４ｃ…磁性ナノ粒子、１５、１５ａ〜１５ｃ…接続配線、１６、１６ａ〜１６ｃ…ナノコイル、１７…濡れ層、１８ａ〜１８ｄ…補助量子ドット、２１…磁性ナノ粒子用孔部、２２…酸化物層、２３…磁性材料層、２４…ナノ微粒子、２５…局所酸化領域、４１…垂直配線、４２…基板側ナノコイル、４３ａ、４３ｂ、４６…局所酸化領域、４４…基板側ナノコイル用溝部、４５…垂直配線用孔部。

Claims (5)

1. 結晶性基板の上に形成された量子ドットと、
   前記量子ドットの上方に形成された磁性材料からなる磁性ナノ粒子と、
   前記磁性ナノ粒子の周囲に近接して形成された導電材料からなる円弧状のナノコイルと、を備えたことを特徴とする量子デバイス。
2. 更に、前記量子ドットの周囲に近接して形成された導電材料からなる円弧状の基板側ナノコイルと、
   前記ナノコイルと基板側ナノコイルとを接続する垂直配線と、を備えたことを特徴とする請求項２記載の量子デバイス。
3. 結晶性基板の上方に形成された磁性材料からなる磁性ナノ粒子と、
   前記磁性ナノ粒子の周囲に近接して配置された導電材料からなる円弧状のナノコイルと、を備えたことを特徴とするナノマグネット。
4. 結晶性基板の上に量子ドットを形成する工程と、
   前記量子ドットの上方に磁性材料からなる磁性ナノ粒子を形成する工程と、
   前記磁性ナノ粒子の周囲に円弧状のナノコイルを形成する工程と、を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
5. 前記量子ドットの上方に磁性ナノ粒子を形成する工程は、
   前記量子ドットを覆う第１の被覆層を形成する工程と、
   前記第１の被覆層の表面であって前記量子ドットの上方の部分に孔部を形成する工程と、
   前記孔部を除いた前記第１の被覆層の表面に第２の被覆層を形成する工程と、
   前記第２の被覆層及び孔部を覆うように磁性材料層を形成する工程と、
   前記磁性材料層をアニール処理して前記孔部に磁性ナノ粒子を形成する工程と、
   前記孔部以外の磁性材料を前記第２の被覆層と共に除去する工程と、よりなることを特徴とする請求項４に記載の量子デバイスの製造方法。

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