JP3020566B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3020566B2
JP3020566B2 JP2214267A JP21426790A JP3020566B2 JP 3020566 B2 JP3020566 B2 JP 3020566B2 JP 2214267 A JP2214267 A JP 2214267A JP 21426790 A JP21426790 A JP 21426790A JP 3020566 B2 JP3020566 B2 JP 3020566B2
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和男 矢野
勝博 下東
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 【産業上の利用分野】[Industrial applications]

本発明は半導体装置に係り、とくに量子閉じ込め構造
を用いて情報の表現、伝達、記憶もしくは処理を行なう
半導体装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device that expresses, transmits, stores, or processes information using a quantum confinement structure.

【従来の技術】[Prior art]

最近の微細加工技術の進歩にともない、サブミクロン
あるいはナノメータレベルの微細加工が可能になり、電
子のドブロイ波長と同程度あるいはそれ以下の微細な構
造を作成できるようになってきた。これと共に、従来の
トランジスタ回路に替わる新しいデバイスあるいは情報
処理の方法が探索されるようになってきた。そのような
提案の一つとして、例えば、第1の公知例として米国特
許第626802号公報(対応日本出願:特開昭61−82473号
公報)に記された“量子結合装置”がある。また類似の
素子に関しては、マーク・エー・リード,シンポジウム
・オン・1986・ヴィエルエスアイ・テクノロジ,第1頁
ないし第4頁、(Mark.A.Reed,Symposium on 1986 VLSI
Technology,pp.1−4)及び、ディー・ケー・フェリ
ー,フィジクス・アンド・テクノロジ・オブ・サブミク
ロン・ストラクチャーズ,スプリンガー・フェアラー
ク,1988年,第232頁ないし第236頁、(D.K.Ferry,Physi
cs and Technology of Submicron Structures,Springer
−Verlag,1988,pp.232−236)等において論じられてい
る。 この中で、上記第1の公知例による“量子結合装置”
は、第16図に示すようにアレー状に“量子ドット”(3
次元空間のすべての方向で電子のドブロイ波長あるいは
それ以下の寸法をもつ、低ポテンシャル領域)を配列
し、量子ドット間を電子がトンネル効果によって渡り歩
き、これにより情報処理を行なうものである。これの具
体的構成としては、例えば量子ドットをGaAsで構成し、
これをGaAlAsでその周りを満たせば良い。
With recent advances in microfabrication technology, submicron or nanometer-level microfabrication has become possible, and it has become possible to create microstructures on the order of or less than the de Broglie wavelength of electrons. At the same time, new devices or information processing methods that replace conventional transistor circuits have been searched for. As one of such proposals, for example, there is a "quantum coupling device" described in U.S. Pat. No. 6,262,802 (corresponding Japanese application: JP-A-61-82473) as a first known example. For similar devices, see Mark A. Reed, Symposium on 1986, VLSI Technology, pp. 1-4, (Mark.A. Reed, Symposium on 1986 VLSI
Technology, pp. 1-4), and DK Ferry, Physics and Technology of Submicron Structures, Springer Verlag, 1988, pp. 232 to 236, (DKFerry, Physi
cs and Technology of Submicron Structures, Springer
Verlag, 1988, pp. 232-236). Among them, the “quantum coupling device” according to the first known example described above.
Represents "quantum dots" (3) in an array as shown in FIG.
A low-potential region having a de Broglie wavelength of an electron or less in all directions in a dimensional space is arranged, and the electron crosses between quantum dots by a tunnel effect, thereby performing information processing. As a specific configuration of this, for example, a quantum dot is composed of GaAs,
This may be filled with GaAlAs.

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

従来のトランジスタを用いた集積回路においては、ト
ランジスタが動作する毎に、トランジスタ内部および配
線に付随した浮遊容量の充電、放電を行うため、大きな
電力消費が必要であった。今後、微細加工の進歩と共に
消費電力の制限により集積度が限界に達すると考えられ
る。 また、従来のトランジスタを用いた回路では、多数の
トランジスタを相互に金属の配線で接続するため、集積
度の増加とともに配線に要する面積、配線の抵抗などが
増加し、これも集積回路の性能を制限する大きな要因に
なっている。 また、微細化とともに集積回路中の素子も急激に複雑
になってきている。例えば、ダイナミックRAMの記憶セ
ルは従来は平面に形成した単純な構造の容量を用いてい
たが、サブミクロンの領域では大きな静電容量を確保す
るため、溝型容量セルなどの極めて複雑な形状が必要に
なってきている。この傾向は今後もさらに続き、集積回
路の製造コストを増加する原因になると考えられる。 さらに、従来のトランジスタを用いた集積回路は動作
速度にも限界がある。従来のトランジスタでは、伝導キ
ャリアが実際にソースからドレイン(バイポーラトラン
ジスタではエミッタからコレクタ)に走行して電流とな
り、この電流の有無をディジタル信号の1/0と対応させ
ている。従って、スイッチング動作にはトランジスタの
ソースからドレインまで実際に伝導キャリアが移動する
時間(走行時間)が必要である。しかし、伝導キャリア
の半導体中での速度は良く知られているように飽和速度
(1x107cm/s程度)が上限となる。従って、上記走行時
間も制限されてしまう。 上記第1の公知例の量子結合装置も、伝導キャリアで
ある電子が量子ドット間を実際に走行することが動作の
基本となっている点では、従来のトランジスタとなんら
変わりはなく、トランジスタと同様の速度の制限を受け
る。 また、上記量子結合装置では量子ドット中に1個の電
子が有るか無いかによってディジタル信号を表現してい
る。ダイナミックRAMの記憶セルにおいて、(リフレッ
シュ動作無しでは)情報が失われてしまうように、この
量子結合装置では情報が失われてしまうことは明らかで
ある。これは半導体中では、電子は再結合により消滅し
たり、あるいは熱励起によって生成したりするためであ
る。 以上により本発明の目的は極めて低消費電力で高速に
情報処理を行なうための、情報の表現、伝達、記憶、も
しくは処理を行なう半導体装置を提供することにある。 本発明の他の目的は高い誘電率(屈折率)を有し、か
つ高速に応答できる新しい半導体装置を提供することに
ある。 本発明の他の目的は、大容量記憶に適した記憶媒体で
ある半導体装置を提供することである。
2. Description of the Related Art In an integrated circuit using a conventional transistor, a large amount of power is required because a stray capacitance associated with a transistor and a wiring is charged and discharged each time the transistor operates. In the future, it is considered that the integration degree will reach the limit due to the limitation of power consumption with the progress of fine processing. In a circuit using conventional transistors, a large number of transistors are connected to each other by metal wiring. As a result, the area required for wiring and the resistance of the wiring increase as the degree of integration increases. It has become a major limiting factor. In addition, with miniaturization, elements in an integrated circuit are rapidly becoming complicated. For example, dynamic RAM storage cells have conventionally used capacitors with a simple structure formed on a flat surface.However, in order to secure a large capacitance in the submicron region, extremely complicated shapes such as groove-type capacitance cells have been used. It is becoming necessary. This trend is expected to continue and increase the manufacturing cost of integrated circuits. Further, an integrated circuit using a conventional transistor has a limit in operating speed. In a conventional transistor, conduction carriers actually travel from a source to a drain (in a bipolar transistor, from an emitter to a collector) to become a current, and the presence or absence of this current is made to correspond to 1/0 of a digital signal. Therefore, the switching operation requires a time (travel time) for the conduction carriers to actually move from the source to the drain of the transistor. However, as is well known, the velocity of the conduction carrier in the semiconductor is the saturation velocity (about 1 × 10 7 cm / s) as the upper limit. Therefore, the travel time is also limited. The quantum coupling device of the first well-known example also has no difference from the conventional transistor in that the operation of electrons as conduction carriers actually travels between quantum dots, and is similar to a conventional transistor. Subject to speed limits. In the quantum coupling device, a digital signal is represented by whether or not one electron exists in a quantum dot. It is clear that information is lost in this quantum coupling device, just as information is lost (without a refresh operation) in a storage cell of a dynamic RAM. This is because electrons are annihilated by recombination in a semiconductor or are generated by thermal excitation. As described above, an object of the present invention is to provide a semiconductor device for expressing, transmitting, storing, or processing information for performing high-speed information processing with extremely low power consumption. Another object of the present invention is to provide a new semiconductor device having a high dielectric constant (refractive index) and capable of responding at high speed. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device which is a storage medium suitable for mass storage.

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

上記目的を達成するため、高抵抗半導体、絶縁体ある
いは半絶縁体からなる障壁領域(7)を有し、 該障壁領域(7)の中に複数の活性領域(6)を含
み、 該活性領域(6)はその内部に伝導キャリア(4)を
閉じ込めることができ、 各々の上記活性領域(6)がドナー、あるいはアクセ
プタとして働く不純物原子(5)を含み、 上記複数の活性領域の1つの内部における上記伝導キ
ャリアの局在により電気双極性を発生せしめることを特
徴とする半導体装置を構成するものである。
In order to achieve the above object, a barrier region (7) made of a high-resistance semiconductor, an insulator or a semi-insulator is provided, and the barrier region (7) includes a plurality of active regions (6); (6) is capable of confining the conductive carriers (4) therein, each of the active regions (6) includes an impurity atom (5) acting as a donor or an acceptor, and the inside of one of the plurality of active regions. Wherein a semiconductor device is characterized in that electric bipolarity is generated by the localization of the conductive carriers in the above.

【作用】[Action]

活性領域間が高抵抗半導体、絶縁体あるいは半絶縁体
による障壁領域で隔てられていることにより、伝導キャ
リアが活性領域の間を移動することがない。このため伝
導キャリアの走行に要する時間によって装置の動作速度
が制限されることがなく、高速の動作が達成できる。 また、上記活性領域の内部にドナーあるいはアクセプ
タとして働く不純物原子により発生した伝導キャリアが
閉じ込められることにより、該伝導キャリアが該活性領
域から流出して失われることがなく、このため情報が失
われることがない。これによって情報の保持、記憶を失
なうことができる。 また、上記活性領域の内部における上記伝導キャリア
の局在によって電気双極子を発生せしめることにより、
該電気双極子の方向や大きさにより情報を表現、記憶す
ることができる。またその内容を、外部から電界を与え
ることで制御することができる。また隣接する電気双極
子間に働く電界による相互作用を用いて情報の内容を順
次隣接する電気双極子へ伝達させ、これにより情報の伝
達を行なうことができる。 以下本発明の手段による各種の作用について、詳細に
説明する。 従来のトランジスタ回路では、トランジスタはスイッ
チとして機能し、トランジスタがオン状態となるかオフ
状態となるかをディジタル信号と対応させている。この
時、信号は金属配線中の電位としてあらわれる。 本発明の情報表現では、電気双極子の空間的な分布を
情報と対応づける。電気双極子は、電界によって容易に
向きや大きさを制御することができる。従って、金属の
配線を用いなくとも、遠距離から向きや大きさを変化さ
せることができる。しかも、電気双極子の向きや大きさ
を変えるのには、トランジスタのように電流を流す必要
がないので、本質的に低消費電力の動作に向いている。
また、多数の電気双極子を同時並列に遠隔制御すること
が可能であるので、これを用いたプロセッサは本質的に
並列処理に向いている。並列処理は高速な情報処理に極
めて重要であることはいうまでもない。また、従来の金
属配線によるクロック分配では、配線抵抗によるクロッ
クスキューのため多数の情報処理エレメント間の同期を
取るのは困難であり、高速動作の障害となっている。本
発明では、電界により電気双極子を遠隔操作することに
より、クロックの分配は光の伝播速度で行われるので、
クロックスキューは極めて小さい。 また、電気双極子は、その周りに極めて異方性の強い
電界分配を作るので、隣接する電気双極子間の情報の伝
達は、やはり金属の配線を用いないで行うことができ
る。 また、有限の電気双極子を有する素子としては、伝導
キャリアを有限領域に閉じ込めることが必要である。こ
のためには、電子親和力の異なる半導体を用いて、いわ
ゆる量子閉じ込め構造を形成し、その中にドナーあるい
はアクセプタとなる不純物を添加すればよい。従って、
本発明の原理に基づく半導体装置は、従来のトランジス
タに比べ極めて単純な構造を有する。 さらに、量子閉じ込め構造として、電子に対するポテ
ンシャルの低い領域が2領域ある構造(2重極小ポテン
シャル構造)を用いると、伝導キャリアは第1の低ポテ
ンシャルエネルギ領域に存在するか、第2の低ポテンシ
ャルエネルギ領域に存在するかによって2種類の電気双
極子能率ベクトルと対応付けすることができるのでディ
ジタル信号処理、ディジタル信号記憶と適合する。 また量子閉じ込め構造は、ナノメータレベルの寸法に
小さくできるので、これを用いた信号処理チップ、記憶
チップは極めて高集積にできる。 また本発明によれば、障壁膜の障壁高さを調節して大
きな電子分極率を有する活性領域を実現し、これを格子
状に並べると、近傍の活性領域の電気双極子が同方向に
揃った状態が実現できる。これは、ある一つの活性領域
に僅かな電気双極子が生じたとすると、これは隣の活性
領域の場所に電界を作る。電子分極率が大きいため、こ
の活性領域は大きな電気双極子能率ベクトルを持ち、も
との活性領域に大きな電界を作る。従って、もとの活性
領域も大きな電気双極子能率ベクトルを持つようにな
る。これは、誘電体物理の用語に用いると、自発分極を
持つことになるので、一種の人工的な強誘電体を構成す
ることができる。従来の強誘電体はイオン分極の回転を
利用するため応答速度が不十分であり、キャパシタを形
成した場合高周波領域で誘電率が低下する問題があっ
た。しかし本発明の半導体装置による人工的強誘電体
は、電子のトンネル現象による移動を分極に用いている
ため、従来の強誘電体よりも格段に超高速の応答がなさ
れる。このため格段に超高速、超高周波用途のキャパシ
タが形成できる。 また、このような2重極小ポテンシャルを持つ量子閉
じ込め構造を格子状に並べた構造を薄膜状にして、膜に
垂直な方向に電界を印加すると、大部分の量子閉じ込め
構造の電気双極子は電界の方向を向く。しかし、電界が
あまり強くない状態では、これらの電気双極子と反対向
きの電気双極子を持つ領域が存在しえる。しかも、この
反転分極領域は大きさが一定であり、大きな電界を印加
して消去しないかぎり安定して存在する。これは、次に
説明するメカニズムによる。垂直方向の電界によって膜
は分極する。この時、膜表面に分極による表面電荷があ
らわれ、この表面電荷の作る電界(反分極場)は分極を
小さくする向きである。反対向きの分極を持つ領域がで
きることで表面電界が小さくなり、全体のエネルギは小
さくなる。 この反転分極領域は、大きさが一定で安定して存在す
るので、一種の粒子(あるいは擬粒子)としてふるま
う。この反転分極領域は一様な垂直電界のもとでは静止
しているが、場所によって垂直電界が変化すると移動す
る性質がある。従って、この反転分極領域の面内分布を
情報に対応させれば、情報を記録することができる この記憶方式では、記憶密度が極めて大きい、記憶保
持に電力消費は不要であり、従って不揮発である。 この反転分極領域をディジタル信号の1/0と対応させ
れば、ディジタルの信号処理にも用いることができる。
これは、従来の半導体素子において伝導キャリアという
自然界にある粒子を用いているのに替えて、人工的な擬
粒子である反転分極領域を情報の担体として用いること
を意味する。不均一な垂直電界を印加すれば反転分極領
域は移動するが、従来の半導体デバイスとは次に述べる
意味で本質的な相違がある。まず、この反転分極領域の
移動においては、電子は各量子閉じ込め領域の中で極め
て短い距離を移動するだけである。しかも電子が移動す
る方向は膜に垂直な方向であり、反転分極領域の移動方
向とは垂直の方向である。従来の半導体装置では情報と
同時に電子が半導体中を実際に移動する必要があった
が、本発明では情報の伝達はこのような電子の移動を伴
わない。実際には、電気双極子が作り出す電界が半導体
を光の伝播速度で伝わることになる。従って、超高速に
情報処理が行なわれる。また、従来の半導体デバイスで
は、電子が電界により加速され(すなわちエネルギを得
て)、障害物(結晶格子や不純物)に衝突しながら走行
するので、エネルギが熱に変わってしまう。すなわち消
費電力が大きく、チップ発熱も大きい。これに対して本
発明は、実際に電子が移動するわけではないので、この
ようなエネルギーの消費が極めて小さい。
Since the active regions are separated by a barrier region made of a high-resistance semiconductor, an insulator, or a semi-insulator, conduction carriers do not move between the active regions. Therefore, the operation speed of the device is not limited by the time required for traveling of the conduction carrier, and a high-speed operation can be achieved. In addition, since the conduction carriers generated by impurity atoms acting as donors or acceptors are confined inside the active region, the conduction carriers do not flow out of the active region and are lost, and thus information is lost. There is no. As a result, retention and storage of information can be lost. Further, by generating an electric dipole by localization of the conduction carriers inside the active region,
Information can be expressed and stored by the direction and size of the electric dipole. The contents can be controlled by applying an electric field from the outside. Further, the contents of information can be sequentially transmitted to the adjacent electric dipoles by using the interaction caused by the electric field acting between the adjacent electric dipoles, whereby the information can be transmitted. Hereinafter, various actions by the means of the present invention will be described in detail. In a conventional transistor circuit, the transistor functions as a switch, and whether the transistor is turned on or off is associated with a digital signal. At this time, the signal appears as a potential in the metal wiring. In the information representation of the present invention, the spatial distribution of electric dipoles is associated with information. The electric dipole can be easily controlled in direction and size by an electric field. Therefore, the direction and size can be changed from a long distance without using metal wiring. Moreover, since it is not necessary to supply a current to change the direction and the size of the electric dipole, unlike a transistor, it is essentially suitable for operation with low power consumption.
Further, since it is possible to remotely control a large number of electric dipoles simultaneously and in parallel, a processor using this is essentially suitable for parallel processing. It goes without saying that parallel processing is extremely important for high-speed information processing. Further, in the conventional clock distribution using metal wiring, it is difficult to synchronize a large number of information processing elements due to clock skew due to wiring resistance, which is an obstacle to high-speed operation. In the present invention, by remotely controlling the electric dipole by the electric field, the clock distribution is performed at the speed of light propagation.
Clock skew is extremely small. Further, since electric dipoles create an extremely anisotropic electric field distribution around them, transmission of information between adjacent electric dipoles can also be performed without using metal wiring. Further, as an element having a finite electric dipole, it is necessary to confine conduction carriers in a finite region. For this purpose, a so-called quantum confinement structure may be formed using semiconductors having different electron affinities, and an impurity serving as a donor or an acceptor may be added therein. Therefore,
A semiconductor device based on the principle of the present invention has an extremely simple structure as compared with a conventional transistor. Further, when a structure having two regions having a low potential for electrons (a double minimum potential structure) is used as the quantum confinement structure, the conduction carriers exist in the first low potential energy region or the second low potential energy region. Since it can be associated with two types of electric dipole efficiency vectors depending on whether or not it exists in the region, it is compatible with digital signal processing and digital signal storage. Further, since the quantum confinement structure can be reduced to a size of the order of nanometers, a signal processing chip and a storage chip using the structure can be extremely highly integrated. Further, according to the present invention, an active region having a large electron polarizability is realized by adjusting the barrier height of the barrier film, and when the active regions are arranged in a lattice pattern, electric dipoles in adjacent active regions are aligned in the same direction. Can be realized. This means that if a small electric dipole occurs in one active region, it creates an electric field at the location of the next active region. Due to the large electronic polarizability, this active region has a large electric dipole moment vector and creates a large electric field in the original active region. Therefore, the original active region also has a large electric dipole efficiency vector. Since this has spontaneous polarization in terms of dielectric physics, it can constitute a kind of artificial ferroelectric. The conventional ferroelectric uses the rotation of ionic polarization and therefore has an insufficient response speed, and has a problem that the dielectric constant decreases in a high frequency region when a capacitor is formed. However, the artificial ferroelectric substance of the semiconductor device of the present invention uses a movement of electrons due to the tunneling phenomenon for polarization, and therefore has a much higher response than a conventional ferroelectric substance. For this reason, a capacitor for ultra-high speed and ultra-high frequency applications can be formed. In addition, when a structure in which the quantum confinement structures having such a double minimum potential are arranged in a lattice shape is formed into a thin film and an electric field is applied in a direction perpendicular to the film, most of the electric dipoles of the quantum confinement structure become electric fields. In the direction of. However, when the electric field is not very strong, there may be regions having electric dipoles in the opposite direction to these electric dipoles. In addition, the inverted polarization region has a constant size and exists stably unless erased by applying a large electric field. This is due to the mechanism described below. The film is polarized by the vertical electric field. At this time, surface charges due to polarization appear on the film surface, and the electric field (anti-polarization field) generated by the surface charges is in a direction to reduce the polarization. The formation of a region having the opposite polarization reduces the surface electric field and reduces the overall energy. Since the inverted polarization region has a constant size and exists stably, it behaves as a kind of particle (or pseudo particle). This inverted polarization region is stationary under a uniform vertical electric field, but has a property of moving when the vertical electric field changes depending on the location. Therefore, information can be recorded by making the in-plane distribution of the inversion polarization region correspond to the information. In this storage method, the storage density is extremely large, and power consumption is not necessary for storage retention, and therefore, it is nonvolatile. . If this inverted polarization region is made to correspond to 1/0 of a digital signal, it can be used for digital signal processing.
This means that inverted polarization regions, which are artificial pseudo-particles, are used as information carriers, in place of the conventional semiconductor element using conductive carriers, which are particles in the natural world. When a non-uniform vertical electric field is applied, the inverted polarization region moves, but there is an essential difference from the conventional semiconductor device in the following sense. First, in the movement of the inversion polarization region, the electron only moves an extremely short distance in each quantum confinement region. In addition, the direction in which the electrons move is perpendicular to the film, and is perpendicular to the direction in which the inverted polarization region moves. In a conventional semiconductor device, electrons need to actually move in a semiconductor at the same time as information, but in the present invention, information transmission does not involve such movement of electrons. In practice, the electric field created by the electric dipole will propagate through the semiconductor at the speed of light propagation. Therefore, information processing is performed at a very high speed. In a conventional semiconductor device, electrons are accelerated by an electric field (that is, gain energy) and travel while colliding with obstacles (crystal lattices and impurities), so that energy is converted into heat. That is, power consumption is large and chip heat generation is also large. On the other hand, in the present invention, such an energy consumption is extremely small because electrons do not actually move.

【実施例】【Example】

以下本発明の第1の実施例を説明する。第1図(a)
(b)(c)には本発明の第1の実施例による量子閉じ
込め構造を用いた半導体装置を示す。 同図(a)は活性領域の構造を示す図である。図に示
すように1は第一量子井戸、2は薄い障壁膜、3は第二
量子井戸、5はドナーであり、これらから活性領域6は
構成されている。この活性領域は、障壁領域7の中に埋
め込まれている。同図(b)は活性領域におけるポテン
シャルエネルギを示す図である。図に示すように第一お
よび第二量子井戸1,3は、障壁領域より電子親和力の大
きな半導体から構成され、中に伝導電子を閉じ込めるこ
とができる。すなわち活性領域は量子閉じ込め構造を構
成する。薄い障壁膜2は量子井戸1,3より電子親和力の
小さな半導体(あるいは絶縁体)から構成されている。
また、薄い障壁膜にはドナーとなる不純物原子が添加さ
れている。ドナーから生じる伝導電子は第一あるいは第
二の量子井戸いずれかに存在する。薄い障壁膜のエネル
ギー障壁の高さ及び膜厚は、量子井戸1から3あるいは
3から1へ有限の確率でトンネル効果あるいは熱励起に
より電子が遷移できるように設定する。ここで活性領域
間の距離(双極子格子定数)をaとし、第一および第二
量子井戸の幅をdとし、量子井戸間の障壁膜の厚さをt
とし、この障壁膜の高さをbhとする。 障壁領域と量子井戸に用いる材料の組み合わせとして
はGaAlAsとGaAs,AlAsとGaAs,InPとGaInPAs,GaPとGaInPA
s,SiとSiGe,SiO2とSi,SiGeとGeなどの組み合わせが考え
られる。一般には薄い障壁膜2と障壁領域7とは違う材
料を用いても良いが、同じ材料を用いることもできる。
具体的な一例を示すと、障壁領域としてはGaAlAs(Alの
比率は例えば20%)、第一及び第二量子井戸1,3は一辺1
0nmのGaAsからなる立方体、薄い障壁膜としては2nm厚の
GaAlAs(Alの比率は例えば15%)に一個のドナーSiが添
加されたものを用いる。 上記構成は、ドナーの代わりにアクセプタを用いても
実現できる。この場合電子の代わりに正孔が活性領域中
を運動する。この例としては、障壁領域としてはSi、第
一及び第二量子井戸1,3は一辺5nmのSiGe(Geの比率は例
えば15%)からなる立方体、薄い障壁膜としては1nm厚
のSiに一個のアクセプタBが添加されたものがある。 さらに同図(c)は格子構造を示す図である。図に示
すように、活性領域6を障壁領域7の中に格子上に配列
する。 次に、この装置の動作を説明する。第1図(a)に示
す各々の活性領域ではドナーから発生した伝導電子4が
量子井戸1あるいは3のいずれかに存在する。電子が量
子井戸1にあるか3にあるかによって、この活性領域は
有限の電気双極子能率ベクトルすなわち電気双極子の強
さと方向を与えるベクトルを有する。電気双極子能率ベ
クトルpは、次式で表わされる。 p=q・d ……(1) qは電子の電荷量、ベクトルdは電子の平均位置とドナ
ーとの距離ベクトルである。従って、第1図(a)の構
造では、上向きか下向きの電気双極子能率ベクトルを有
する。 第1図(c)のように格子状に配列した構造では各活
性領域が上向きか下向きの電気双極子能率ベクトルを持
つので、例えばある瞬間の電気双極子の分布を見ると第
1図(c)のようになっている。各活性領域の電気双極
子能率ベクトルが独立であり、活性領域がn個ある場合
には合計2n個の分布の仕方が考えられる。これをディジ
タル情報と対応させる規則を定めればnビットの情報と
対応付けすることができる。これはnビットの情報を本
実施例によって装置内部に表現していることになる。各
活性領域の電気双極子能率ベクトルが独立でない場合に
は、この装置が表現できる情報量はnビット以下とな
る。 この格子構造を電極にはさんで、外部電界を印加すれ
ば、活性領域の電気双極子能率ベクトルをほぼ同時に変
化させることができる。各活性領域では、外部電界と他
の活性領域が作る電界の総和からなる電界を受け、電界
変化に応じて電気双極子能率ベクトルが変化する。各活
性領域は第2図に示すように、その周りに極めて異方性
の強い電界分布を作る。ベクトルr離れた点における双
極子の作る電界ベクトルE(r)は次式で表される。 E(r)=[3(p・r)r−r2p]/(4πεr3) ……(2) 電界Eは、第2図に示すように、電気双極子のベクト
ル方向の直線上では、電気双極子と同じ方向であるが、
電気双極子に垂直方向の直線上では電気双極子と反対向
きである。電気双極子には、電気双極子を電界方向に向
けようとする力が働くので、これを利用して、ある方向
の電気双極子能率を増加したり、逆に抑制したりするこ
とができる。これは、活性領域間の情報の伝達を双極子
相互作用で行っていることになる。その変化の仕方は、
初期状態及び活性領域間の相互作用によって具体的には
様々であるが、これを制御して情報処理装置として用い
ることができる。この情報処理装置の扱えるデータは最
大でnビットである。この時、情報は光速で伝達するの
で、超高速に情報は伝達する。 また、本実施例のように活性領域においてポテンシャ
ルエネルギが極小となる領域が(量子井戸1及び2の)
2カ所ある場合には(2重極小ポテンシャル構造と以下
呼ぶことにする)、特に微小な電界変化で電気双極子能
率ベクトルを大きく変化させることができる。これは活
性領域の電子分極率αが極めて大きくなるためである。
これを以下に説明する。電子分極率は次式で定義され
る。 p=αE ……(3) ここでpは電気双極子能率ベクトル,Eは活性領域におけ
る電界ベクトルである。原子の電子分極率と同様に、活
性領域の電子分極率は量子力学の摂動論を用いて次式で
近似的に表わされる。 α=2|<1|pd|2>|2(E2−E1) ……(4) ここで、<1|は活性領域の基底状態の状態ベクトルを
Diracのブラ記号を用いて表わしたもの、|2>は第一励
起状態の状態ベクトルをDiracのケット記号を用いて表
わしたもの、従って<1|pd|2>はエネルギ−表示での電
気双極子能率ベクトルpbの行列要素、E1は基底状態のエ
ネルギ、E2は第一励起状態のエネルギである。簡単な計
算の結果、障壁膜の障壁高さが高くなるに従い、この式
の分母のE2−E1は単調に減少し、従ってαは増大するこ
とがわかる。薄い障壁膜の高さが無限大になると、E2
E1は0になり、αは無限大となる。すなわち電界が0で
も有限の電気双極子能率ベクトルを持つ、あるいは永久
双極子を持つようになる。いずれにしても2重極小ポテ
ンシャルの活性領域では、薄い障壁膜のポテンシャル障
壁の高さによって電子分極率αの大きさを極めて広い範
囲で制御することができ、極めて大きなαを実現でき
る。大きな電子分極率を持つ活性領域はその定義から明
らかなように、僅かな電界に対しても大きな電気双極子
能率ベクトルを持つ。 薄い障壁膜の障壁高さを調節して大きな電子分極率を
有する活性領域を実現し、これを第1図のように格子状
に並べると、近傍の活性領域の電気双極子能率ベクトル
が同方向に揃った状態が実現できる。これを、第3図に
示す。これは、以下のような理由による。ある一つの活
性領域に僅かな電気双極子能率ベクトルが生じたとする
と、これは隣の活性領域の場所に小さな電界を作る。電
子分極率が大きいため、この活性領域は大きな電気双極
子能率ベクトルを持ち、もとの活性領域に大きな電界を
作る。従って、もとの活性領域も大きな電気双極子能率
ベクトルを持つようになる。このようなポジティブフィ
ードバックが隣から隣へと働くと、近い場所にある活性
領域は互いに同じ方向の電気双極子能率ベクトルを持つ
ようになる。このような活性領域の集団を以下では“分
域”と呼ぶことにする。活性領域の電気双極子能率ベク
トルをスピン磁気双極子能率ベクトルを置き換えれば、
本実施例はちょうど強磁性体と良く似ている。磁性体の
分野ではスピンの揃った領域は分極と呼ばれており、本
発明でもこの呼び名をもちいる。本実施例の分域は、活
性領域が互いにフィードバックを及ぼしあうため、極め
て安定であり、電界を印加しなくとも、電気双極子能率
ベクトルの向きを保持する。これは、誘電体物理の用語
を用いると、自発分極を持つと表現できる。 3次元の立方格子を持つ物質に自発分極が生じる条件
としては下記のものが知られている。これは、C.Kittel
著、“Introduction to solid state physics," 第5版(John Wiley & Sons,Inc)、417−418頁
によれば、 Nα>3/4π ……(5) とあらわされる。ここで、Nは双極子の密度であり、本
発明では活性領域の密度に対応する。上記したように、
αは薄い障壁膜のポテンシャルの高さを高くすれば極め
て高くできるので、この条件を満たすのは容易である。
従って、自発分極の実現性は明らかである。 薄い障壁領域の障壁高さ、あるいは厚みを増加させる
ことにより、分極した状態の安定性が向上するので、高
温まで自発分極が維持できるようになる。 3次元の立方格子以外の場合、例えば、正方格子ある
いは2次元の格子の場合には、上記条件式の右辺の3/4
πが変化するものの、同様の条件式が成り立つ。 この自発分極の向きは、外部から印加する電界によっ
て反転させることができる。分極(単位体積当たりの電
気双極子能率)と外部電界の関係は、第4図に示すよう
に、ヒステリシスを持つ関係になる。このヒステリシス
を用いて情報の記憶を行うことができる。 これまでも自発分極を持つ物質として、BaTiO3などの
一群の強誘電体物質が知られている。これら自然の強誘
電体の電気双極子能率ベクトルは、主に結晶を構成する
イオンが変位することにより自発分極が発生していた。
本発明では、電子が移動することにより電気双極子能率
ベクトルが生じる点でこれらとは大きな相違がある。電
子はイオンよりも遥かに軽いので、本発明は、自然の強
誘電体に比べ、電界に対する応答速度ははるかに高速で
ある。 本実施例の構造を電極間にはさみ込めば、高誘電率で
かつ超高速応答可能なキャパシタが形成できる。BaTiO3
などの強誘電体は、本質的に誘電率が高いが、イオンの
変位によって高い誘電率を実現しているために、応答速
度が低速であった。本発明では電子の変位によって高い
誘電率を実現しているため、応答速度は通常の強誘電体
よりも3桁以上高速である。 量子井戸の幅を大きく設計すると、電子の移動できる
範囲が広がるので、誘電率は大きくなる。また、量子閉
じ込め構造の密度を増加させる(格子間隔を短くする)
ことによって、量子閉じ込め構造間の双極子相互作用が
強まるので、やはり誘電率は高くなる。 これまで半導体超格子構造は盛んに研究されてきた
が、異種の半導体を組み合わせて、移動度、バンドギャ
ップ等の物性定数が異なる半導体を実現するに留まって
いた。これに対して、本発明は、半導体を組み合わせ
て、強誘電体という全く質的に違う物質と同様の性質が
実現できる点で従来とは、大きく異なっており、画期的
な発明と考えられる。 このように自発分極及び分域構造を有する本実施例で
は、外部電界の印加により分域の発生、消去及び境界位
置の移動が可能である。 本発明では、量子閉じ込め構造の電気双極子の空間分
布により情報を表現するので、従来のトランジスタ回路
での情報の表現方式に比べ様々な利点がある。(従来の
トランジスタ回路では、トランジスタはスイッチとして
機能し、トランジスタがオン状態となるかオフ状態とな
るかをディジタル信号と対応させている。この時、信号
は金属配線中の電位としてあらわれる。)電気双極子
は、電界によって容易に向き・大きさを制御することが
できる。従って、金属の配線を用いなくとも、遠距離か
ら向き大きさを変化させることができる。すなわち、配
線無しに情報を伝達できる。 また、電気双極子の向きや大きさを変えるのには、ト
ランジスタのように電流を流す必要がないので、本発明
は本質的に超低消費電力の動作に向いている。 電気双極子間の相互作用も光の伝播速度で伝わるの
で、極めて高速である。情報の伝達速度に関して、従来
の半導体素子のような電子の飽和速度に起因する制限を
受けない。 本発明は、有限の分極を電源なしに保持できるので、
分極の向き・大きさを場所により変化させて記録してお
けば、記録媒体として用いることができる。高密度に量
子閉じ込め構造を配列することにより、通常の半導体記
憶装置より遥かに高い記憶密度を得ることができる。ま
た、磁気記録では書き込み時に磁場を発生する必要があ
り、この時大きな電流を流す必要があるが、本発明では
電場を発生するだけでよいので、書き込み装置の消費電
力、サイズは磁気記録に比べ遥かに小さなものとなる。
また、本発明は半導体を用いているため、この記憶媒体
と同一材料の上に、従来の半導体デバイス・回路を作成
することができるので、記憶の読みだし、書き込み回
路、通信用回路あるいは信号処理回路等を従来技術で作
成することも容易である。 本発明は用いた第2の実施例を以下に説明する。第5
図に本発明の第2の実施例による不揮発性ランダムアク
セスメモリ(RAM)の記憶セルに用いる電界効果型トラ
ンジスタを示す。 ここで、8はp型シリコン基板、9はn+領域からなる
ソース領域、10は同じくn+領域からなるドレイン領域、
11はソース端子、12は薄い障壁膜、13はゲート端子、14
はゲート電極、15は障壁領域、16は量子井戸、17はドレ
イン端子である。量子井戸は多結晶Siからなり、薄い障
壁膜は、電子のトンネル電流が流れる程度に薄く、かつ
n型にドープされたSiO2膜である。障壁領域、量子井
戸、薄い障壁膜からゲート絶縁膜(18)が構成される。
この中には第一及び第二活性領域(19,20)が含まれ
る。 次にこの第2の実施例による絶縁ゲート型電界効果型
トランジスタの動作を第6図を用いて説明する。ゲート
絶縁膜18の中では、第6図(a),(b)に示す2通り
の状態が安定して存在する。即ち、電気双極子が上向き
の状態と下向きの状態である。薄いSiO2膜のドナー不純
物から生じる伝導電子は量子井戸に分布する。薄いSiO2
膜の領域では、ポテンシャルエネルギが高いため、電子
の存在確率は必然的に小さくなる。このためにわずかな
熱揺らぎによって中心から離れた量子井戸に電子は存在
しやすくなる。従って有限の電気双極子が発生しやす
い。第一の活性領域20が上向きの電気双極子を持つと
き、第二の活性領域には上向きの電界が印加される。従
って活性領域2にはやはり上向きの電気双極子が生じ
る。この第二の活性領域の電気双極子は第一の活性領域
にやはり上向きの電界を作るので、第一の活性領域の上
向きの電気双極子ベクトルはますます大きくなる。以上
述べたボジティブフィードバックの効果により、上向き
の状態が安定であることがわかった。まったく同様の議
論が下向きの電気双極子の状態についても成立ち、やは
り安定となる。このようにして、このゲート絶縁膜18は
内部に2つの安定状態を持つ。この絶縁ゲート型電界効
果トランジスタのソース、ドレインを接地して、ゲート
電極に印加する電圧を変化させると第7図に示すような
ヒステリシスを持つ電流電圧特性が得られる。ゲートソ
ース間電圧がOV時にも、ドレイン電流が流れる状態と流
れない状態が実現できる。 以上の性質を用いることにより、不揮発の(電源が接
続されていないときにもデータを保持する)RAMが実現
できる。この構成の一例を第8図に示す。29は行方向デ
コード回路、21はワード線、27はコントロール線、22は
データ線、26はメモリセル、24は通常の絶縁ゲート型電
界効果トランジスタを用いた選択トランジスタ、25は第
5図で説明した二安定状態を有する電界効果型トランジ
スタによる記憶トランジスタ、28は列方向デコード/選
択回路、及びセンス回路である。 この不揮発RAMの書き込み及び、読み出し動作を次に
説明する。書き込み時には選択するワード線をローから
ハイにする。その他のワード線は、ローである。次に、
書き込みたいビットのコントロール線を書き込み電圧に
し、データ線をローレベルにする。このビットの記憶ト
ランジスタのゲートは書き込み電圧、ドレインはローレ
ベルとなるので、記憶トランジスタは低しきい値の状態
となる。すなわち、このビットのメモリにはローが書き
込まれた。次にハイを書き込む場合には以上のロー書き
込みの動作の後にコントロール線をローにして、かつハ
イを書き込みたいメモリセルのデータ線だけを書き込み
電圧にする。このとき記憶トランジスタのゲートソース
間にはローレベル、ドレインソース間には書き込み用電
圧から選択トランジスタのしきい電圧だけ低いレベルが
印加される。従って、ゲートドレイン間にはマイナス極
性で書き込み用電圧が印加され、記憶トランジスタは高
しきい値状態となる。すなわち、ハイが書き込まれる。 読みだし時には、ワード線をハイレベルにして、選択
トランジスタをオン状態とし、コントロール線をローレ
ベル、データ線を(読みだし用の)ハイレベルとする。
記憶トランジスタが低しきい値状態となっているメモリ
セルでは、記憶トランジスタ、選択トランジスタともに
オン状態となるので、データ線の電荷をメモリセルが放
電し、データ線の電位が下がる。記憶トランジスタが高
しきい値状態となっているメモリセルでは、データ線は
ハイレベルのままである。このデータ線の信号をセンス
アンプで増幅し、外部へ出力して読みだし動作が完了す
る。 書き込み用の電圧は読みだし用の電圧よりも高く設定
する。この実際の電圧値は記憶トランジスタのヒステリ
シス特性により決める。 従来、半導体不揮発メモリでは絶縁膜を介して電荷を
注入したり引き抜いたりするために、絶縁膜の長期的な
疲労により、データの書き換え回数に制限があった。絶
縁膜を薄くすれば、書替え回数は向上するが、これでは
データの保持期間が短くなってしまう。また、データの
消去/書替えには、絶縁膜を介して電荷を注入する必要
があり、ミリセカンド程度の時間が必要であった。これ
らのことより、計算機のマシンサイクル毎にデータを書
き替えるような用途には適さなかった。 これに対して、本実施例では双極子相互作用によるポ
ジティブフィードバックによってデータ保持を行ってい
る。すなわち、絶縁ゲート内部に2つの状態を安定に保
つ働きがある。従って、薄い障壁膜の厚さを10オングス
トローム以下に薄くしても、記憶の保持には影響がな
い。従って、上記長期疲労の問題は回避できる。特に、
この薄い障壁膜はエネルギーギャップの大きい半導体に
より構成することもでき、この場合は、かりに厚い膜を
用いても、長期疲労の問題はない。また、この記憶装置
のデータの消去あるいは書替え時間は、極めて高速であ
り1ナノ秒以下にできる。これは、書替え時には少数の
キャリアが障壁膜の上から下へ(あるいは下から上へ)
移動するだけでよいからである。 本発明の第3の実施例を以下に説明する。第9図
(a)は本発明第3の実施例による記憶装置の一例を示
す。 同図(c)に示すように、第一の実施例と同様に、第
一量子井戸35、第二量子井戸36、薄い障壁膜34からなる
活性領域31が障壁領域37の中に格子状に埋め込まれてい
る。第一量子井戸35、第二量子井戸36は障壁領域37より
電子親和力の大きい材料により構成され、薄い障壁膜34
は第一量子井戸35、第二量子井戸36いずれによりも電子
親和力の小さな材料からなる。33はドナー不純物であ
る。第一の実施例との違いは、第一量子井戸35の電子親
和力が第二量子井戸36の電子親和力よりも大きく設定さ
れている点であり、単独の活性領域で考えると電子は第
一量子井戸35に安定して存在する。 この活性領域は、薄膜状の障壁領域の中で格子構造を
しており、30は半導体あるいは金属からなる制御電極、
38はn+半導体からなる接地領域である。 次にこの動作について説明する。格子状に配列した活
性領域は、第1の実施例と全く同様の機構によって、自
発分極を持ちうる。本実施例の場合には、第1量子井戸
が第二量子井戸よりも電子親和力が大きいので、電子の
存在確率は第一量子井戸の方が大きくなる。従って下向
きの電気双極子(あるいは自発分極)が発生しやすい。
但し、本実施例では全体の形状を膜形状としているため
(水平方向の寸法が垂直方向の寸法に比べて、ずっと大
きい)、反分極場が生じる。反分極場は、膜状の物質が
分極したときに表面にできる電荷によって生じる電界で
あり、物質内部の分極を小さくする向きとなる。この反
分極場のために、第9図(b)に示すように、上向きの
反転した自発分極を有する微小領域(以後反転分極領域
と呼ぶ)31が安定して存在することができる。 この反転分極領域31の存在は以下のように定式化する
ことができる。この系のエネルギーは、以下の3項より
なる。 UT=UW+UE+UD ……(6) ここで、UTはトータルのエネルギであり、一様に下向
きに分極している場合を基準としている。UWは反転分極
領域とその他の領域の間の遷移領域の存在によるエネル
ギーの増加分、UEは反転分極領域と外部電界との相互作
用を表わす項、UDは反分極場と反転分極領域の相互作用
を表わす項である。反転分極領域を対称性より円形であ
ると仮定すると、以下の解析式が得られる。 UW=2πrσ ……(7) UE=2πr2Ps(Eext+Δφ/qd) ……(8) UD=−2πr2PsPs(1−2N)/ε ……(9) ここで、rは反転分極領域の半径、σは単位面積当た
りの遷移領域のエネルギー、Psは自発分極の大きさ、E
extは膜に垂直方向下向きの外部電界、Δφは第一量子
井戸と第二量子井戸の間の電子親和力の差、qは電子の
電荷量、dは第一量子井戸と第二量子井戸の中心間の距
離、Nは反電場係数(直径2rが膜厚hと等しくなったと
き約1/3となり、rが大きくなるに従い単調に減少す
る)、εは量子井戸の誘電率である。この実施例では外
部から電界は印加していないが、第一量子井戸と第二量
子井戸とで電子親和力の違う材料を用いることにより、
Δφ/qdが有限値である。この式によって、エネルギー
の半径rに対する依存性を求めると第10図のようにな
る。同図によれば、rの安定な点としてr=0とr=r0
の2つの条件がある。r=0の点は、一様に分極して、
反転分極が無い場合であり、r=r0は半径r0の反転分極
領域が発生する場合に相当する。このどちらの条件にお
いても、一度その状態になると、状態を継続する。従っ
て上記反転分極領域をディジタル信号の“1"あるいは
“0"と対応させてディジタル情報の記録に用いることが
できる。 このような、反転分極は膜の方線方向と実質的に平行
に電界を印加し、該電界を制御することにより発生させ
ることは容易である。反転分極領域を発生させるには、
膜に上向きに電界を印加すれば良い。これは、膜の表面
付近に電極を形成し、これに負の電圧を印加すればよ
い。このとき第11図に示すように、r=0が不安定とな
り、有限のrだけが安定となる。この後、外部電界を0
にしても、有限のr値を保持する。 反転分極を移動させるには、膜に垂直な電界の強さに
傾斜を設けることによって達成できる。第12図に示すよ
うな傾斜電界のもとでは、反転分極領域は上向きの電界
が強くなる方向へ移動する。第11図に示すように上向き
の電界が強い場所の方がエネルギーが低く、安定だから
である。 反転分極領域を長距離にわたって移動させるには、第
9図(a)及び第13図に示すような方法を用いる。T型
制御電極39とI型制御電極40を第13図のように交互に配
置する。これに薄膜の面と実質的に平行方向の、時間と
ともに向きが回転する電界(回転電界)をさらに印加す
る。該平行方向の電界のもとで、制御電極は分極し、端
部に正あるいは負の電極が生じる。負電荷の下にある活
性領域には上向きの電界が印加されるので、反転負極領
域は負電荷の下に存在する方が安定である。回転電界を
印加すると、反転分極領域は制御電極の負電荷のある側
に順次引き付けられて順次移動する。第13図に示す動作
の繰返しによって、反動分極領域は任意の場所まで移動
することができる。 以上述べたデバイスを同一チップ上に形成することに
より、第14図(a),(b)に示すようなシリアルメモ
リが形成できる。ここで、41は水平方向電界印加電極、
42は電源及び制御回路、43は記憶部、44はセンス回路及
びI/Oポート、45はマイナーループ、46は転送ゲート、4
7はメジャーループである。ディジタル情報は、反転分
極領域の有無により記録し、マイナーループ上を回転電
場により周回している。情報の読みだしは、転送ゲート
46を開き、読み出したい情報をメジャーループに送りこ
んでI/Oポートを介して行う。情報の書き込みはその逆
に、I/Oポートから反転分極領域をメジャーループに転
送し、転送ゲートを介してマイナーループに送りこむこ
とによって行う。 反転分極領域は一種の粒子(擬粒子)として動作し、
情報を保持、伝達することができる。この反転分極領域
は、従来の電子や正孔に換わる新しい情報の伝達担体
(キャリア)として利用することができる。反転分極領
域は、それ自体エネルギー的に安定であり、電子のよう
に再結合により消滅することが無い。従来の電子を用い
た情報記憶、情報処理では、多数の電子が移動すること
が必要であった。本発明では、反転分極領域の移動に際
しては、実際の電子の移動は僅かであり、電界の分布が
高速で移動する。従って、高速で電力消費の小さい情報
伝達が可能になる。 次にこのような記録装置の効果について説明する。電
源なしに情報を保持できるので、不揮発性の記録装置で
ある。高密度に量子閉じ込め構造を配列することによ
り、通常の半導体記憶装置より遥かに高い記録密度を得
ることができる。また、磁気記録では書き込みに磁場を
発生する必要があり、この時大きな電流を流す必要があ
るが、本発明では電場を発生するだけでよいので、書き
込み装置の消費電力、サイズは磁気記録に比べ遥かに小
さなものとなる。また、本発明は半導体を用いているた
め、この記録媒体と同一材料の上に、従来の半導体デバ
イス・回路を作成することができるので、記憶の読み出
し、書き込み回路、通信用回路あるいは信号処理回路等
を従来技術で作成することも容易である。 不均一な垂直電界を印加すれば反転分極領域は移動す
ることを上に述べたが、従来の半導体デバイスとは次に
述べる意味で本質的な相違がある。まず、この反転分極
領域の移動においては、電子は各量子閉じ込め領域の中
で第一量子井戸と第二量子井戸の間の極めて短い距離を
移動するだけである。しかも電子が移動する方向は膜に
垂直な方向であり、反転分極領域の移動方向とは垂直の
方向である。従来の半導体装置では情報と同時に電子が
半導体中を実際に移動する必要があったが、本発明の情
報の伝達ではこのような電子の移動を伴わない(あるい
は極めて僅かの移動しか伴わない)。実際には、電気双
極子が作り出す電界が半導体を光の伝播速度で伝わるこ
とになる。従って、反転分極領域の移動は超高速であ
る。また、従来の半導体デバイスでは、電子が電界によ
り加速され(すなわちエネルギを得て)、障害物(結晶
格子や不純物)に衝突しながら走行するので、エネルギ
が熱に変わってしまう。すなわち消費電力が大きく、チ
ップ発熱も大きい。これに対して本発明は、実際に電子
が移動するわけではないので、このようなエネルギーの
消費が極めて小さい。 本実施例では、第一量子井戸と第二量子井戸の電子親
和力は異なる場合を示したが、電子親和力が同じ場合に
も、膜に垂直に電界を印加することにより同様の効果を
得ることができる。 本実施例では、活性領域にドナー不純物を添加し、電
子が活性領域中に移動する例を述べたが、アクセプタ不
純物を印加し正孔の運動を利用しても同様の効果を得る
ことができる。 次に本実施例の製造プロセスについて第15図(a),
(b),(c),(d)を用いて説明する。まずn型の
半導体基板の上に障壁領域となる膜、量子井戸となる
膜、薄い障壁領域となる膜、量子井戸となる膜、障壁領
域となる膜を次々に形成する。具体的な材料の一例をあ
げれば、半導体基板としてはSiを用い、障壁領域として
はノンドープのSi,量子井戸にはSiGe、薄い障壁領域に
はBがドープされたSiを用いる。この場合、量子井戸に
閉じ込められるのは正孔となる。これをホトリソグラフ
ィ及びドライエッチングにより加工して(同図
(b)),量子閉じ込め構造を作製する。この後、同図
(c)に示すように、障壁領域となる半導体領域を選択
成長させる。最後に保護膜及び制御電極を形成して本発
明を得る。 第17図には、本発明の第4の実施例のランダムアクセ
スメモリを示す。同図(a)に示すように、第一量子井
戸49、第二量子井戸50、薄い障壁膜51からなる活性領域
52、53が障壁領域54の中に埋め込まれている。第一量子
井戸49、第二量子井戸50は障壁領域54より電子親和力の
大きい材料により構成され、薄い障壁膜51は第一量子井
戸49、第二量子井戸50のいずれよりも電子親和力の小さ
な材料からなる。55はドナー不純物である。56は記憶セ
ルであり、一対の活性領域52、53からなる。この記憶セ
ルをはさむ形でワード線57及びデータ線58が形成されて
いる。ワード線及びデータ線は、高不純物濃度の半導体
あるいは、金属からなるものとする。さらに同図(b)
の断面図に示すように、記憶セル、ワード線、データ線
を積層して高密度に並べる。 次に、本実施例の動作について説明する。記憶セルに
デジタルの情報を書き込むときは、以下のようにする。
ワード線を正の電圧Vに設定し、データ線を負の電圧−
Vに設定する。この時非選択のワード線、ビット線は接
地レベルとする。選択された記憶セルには2Vの電圧が印
加され、活性領域52の電子は第二量子井戸から第一量子
井戸へと移動する。これによって、活性領域52には、下
向きの電気双極子が生じる。この電気双極子は活性領域
53に上向きの電界を作るので、この電界の影響で活性領
域53には上向きの電気双極子が生じる。これを状態1と
する。反対の情報(0)を書き込むには、ワード線に電
圧−Vを印加し、データ線に電圧Vを印加すれば良い。 この書き込み時、非選択セルにはVだけの電圧が印加
されるが、第一量子井戸と第二量子井戸の間の障壁高さ
及び活性領域52と活性領域53の距離を調節することによ
り、電圧Vでは状態は変化せずに、電圧2Vでは状態が反
転するように設計できる。 第18図に示すように、記憶セルは一対の電気双極子が
互いに双極子を大きくする方向の電界を印加し、正帰還
が生じるので安定に状態を保持する。これは同図に示す
ようにちょうどフリップフロップ(ラッチ回路)を電気
双極子によって擬似したものとなっている。このような
電気双極子によるフリップフロップ(ラッチ回路)とし
ては第19図に示すような直列に接続したものも考えられ
る。 情報の読みだしは以下のようにする。ワード線にVの
電圧を印加し、データ線に−Vの電圧を印加すると選択
セルには1が書き込まれる。この時、もともと情報セル
が1の場合にはデータ線にながれる電流は僅かである。
これに対し、もともと0の場合には、記憶セルの電気双
極子を反転するのに必要な電荷が、記憶セルからデータ
線に流れ込む。この電荷を高感度のセンス増幅器により
読みだす。この時、記憶セルの情報は破壊されるので、
読みだし後、再書き込みを行う。 本実施例によれば、超高密度のメモリが構成できる。
特に、第17図(b)に示すように、3次元的に配列する
ことにより、大容量のメモリが構成できる。また、活性
領域の対という単純な構成により、擬似的にスタティッ
クなフリップフロップ(ラッチ回路)を構成でき、安定
に状態を保持できるという特徴がある。従って、状態の
ダイナミックRAMのようなリフレッシュ動作は不要であ
る。従って、本発明を用いた記憶装置の制御回路は簡素
なものとある。 本発明の第5の実施例を用いて、ある動作温度を設定
した時に、どのような構造を取ればよいかについて説明
する。 第20図は、本発明第5の実施例による活性領域に電界
を印加した場合の、双極子内の分極によるキャリア位置
の変位と印加電界との関係を示す図である(具体的な構
造としては第1図に示す構造を考える)。電界を印加す
るキャリアは活性領域の中心から変位する。この変位の
大きさは電界が小さい間は、電界に比例する。変位の電
界依存性すなわち変位の電界に対する比例係数は、低温
になるほど大きくなる。これは、低温になるとキャリア
の熱エネルギーが小さくなるため、キャリアが第一量子
井戸もしくは第二量子井戸の一方に安定して存在する確
率が大きくなり、双極子が形成されやすくなるためであ
る。この比例係数があるしきい値より大きくなると、活
性領域は、自発的に変位する。このしきい値は、次のよ
うにして決まる。ある活性領域のキャリアが、たまたま
揺らぎによって変位すると、これによってこの周囲に電
界を作る。このため、周囲の活性領域は分極する(透起
双極子を持つ)。この透起双極子によりもともとの活性
領域にフィードバック電界が印加され、キャリアが変位
する。相互作用が充分強く、このキャリアの変位が始め
の揺らぎと等しいかあるいはそれより大きければ、外部
から電界を印加するすることなしに、自発的にキャリア
は変位する。これは等価回路で考えると、フィードバッ
ク増幅回路においてフィードバックループの利得が1を
超えると発振するのに対応している。 このような動作原理により、本発明による半導体装置
の誘電率の温度依存性は、従来の半導体に無い特異なも
のとなる。上記誘電率の温度依存性と半導体装置の構造
定数との関係を計算機シミュレーションで計算した結果
を第21図ないし第28図に示す。第21図はSi/p形SiO2もし
くはGaAs/p形AlAsにおいて図に示した構造定数を設定し
た場合に、誘電率の温度依存性を示したものである。充
分高温ではキャリアは熱エネルギーにより互いにランダ
ムに分布し、無秩序状態が形成される。このため、誘電
率は低い。温度低下に伴い、双極子間の相互作用が強く
なり、双極子は互いに強い正の相関を持って運動するよ
うになる。このため誘電率は急激に増加する。転移温度
TCでは、全てのキャリアが強く相関しあうようになり、
自発分極(あるいは自発変位)が生じる。この時、誘電
率は理想的には無限大となる。転移温度TC以下では誘電
率は同様に理想的には無限大となる。転移温度TC以下の
低温相では、自発分極のためキャリアが一方向に揃って
変位した状態すなわち秩序状態が形成される。転移温度
TCは秩序/無秩序状態の相転移温度ということができ
る。 誘電率は実用的には例えば100付近以上、好ましくは5
00付近以上、より好ましくは1000付近以上が必要であ
る。実用的にはこれらの必要な誘電率の値を定義して、
移動温度TCを定義できる。 第21図の、単一量子井戸と記された曲線が示すよう
に、単一の量子井戸すなわち障壁膜のない量子井戸から
なる構造では相転移は発生せず、誘電率の値は小さく、
温度依存性はほとんど無い。 実施例1から実施例3までに説明したような情報の保
持、記憶が可能となるためには、この転移温度以下の温
度で動作させる必要がある。この転移温度は以下に明ら
かにするように、本発明による半導体装置の各種の構造
定数に依存する。該各種の構造定数は第1図中に示し
た、双極子格子定数a(活性領域の中心間の距離)、量
子井戸の幅d、量子井戸間の障壁膜の厚さt、障壁膜の
障壁高さbh、量子井戸内の有効質量m等である。 第22図には転移温度TCの双極子格子定数a依存性、第
23図には転移温度TCの量子井戸幅d依存性、第24図には
転移温度TCの量子井戸間障壁厚さt依存性、第25図には
転移温度TCの有効質量m/m0依存性、第26図には転移温度
TCの量子井戸間障壁高さbh依存性を示す。双極子格子定
数aが大きくなると、活性領域間の相互作用が弱くなる
ため、転移温度TCは急激に低下する。量子井戸幅dが大
きくなると、量子井戸内に閉じ込められていたキャリア
の零点エネルギー(基底状態のエネルギー)が低下し、
障壁膜をトンネル効果によって通過する確率が減少する
ため、変位している状態の安定性が強まる。このため転
移温度が上昇する。量子井戸間の障壁膜の厚さtを増加
するとトンネル確率が減少するため、同様に転移温度は
上昇する。また、有効質量mが大きくなるとやはりトン
ネル確率が減少するため、転移温度が上昇する。また、
量子井戸間の障壁高さbhを増加するとやはりトンネル確
率が減少するため転移温度は上昇する。 第27図には各種の寸法を比例縮小(あるいは拡大)し
た場合の転移温度TCの変化を示す。各種の寸法を互いに
比例させて変化させると、これらの効果が複合して作用
する。解析によれば寸法の比例拡大と共に転移温度が上
昇し、寸法の比例縮小と共に転移温度が低下する。 以上のような寸法と動作温度との関係をまとめると、
近似的には第28図のように表わすことができる。すなわ
ち、パラメータ5000・bh・t2・d2・m/(a3m0)[eV]
[nm]によって動作可能温度範囲が決定される。 第28図の縦軸の動作可能温度Tの上限値が、装置の冷
却機構等で決まる装置温度よりも高い温度になるよう
に、横軸のパラメータを決定する。動作温度Tとして、
例えば室温動作を想定すると、Tは300(K)付近以上
が必要である。また装置の冷却機構に応じて、200
(K)、150(K)、100(K)、等の値が選ばれる。ま
た液体窒素で冷却する装置構成においては、液体窒素温
度の77(K)以上の動作温度を確保するように決められ
る。 第28図の指針によれば、ある動作温度を決めると、そ
れな対応した構造定数を決定することができる。特に第
28図の横軸に示すパラメータが、双極子格子定数aにつ
いてはその3乗に比例し、他の構造定数についてはその
1乗乃至2乗に比例するころから、双極子格子定数aを
設定することが主要な要件となりうる。一例として、30
0(K)付近の室温動作を想定し、量子井戸にはSiを、
障壁膜としてはp型のSiO2を用いる場合には、(第27図
より)双極子格子定数aを20nmとし、他の構造定数につ
いては量子井戸幅dを8nm,障壁膜厚さtを3.4nmとすれ
ばよい。
 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described. Fig. 1 (a)
(B) and (c) show quantum closures according to the first embodiment of the present invention.
1 shows a semiconductor device using an embedded structure. FIG. 1A shows the structure of the active region. Shown in the figure
1 is the first quantum well, 2 is a thin barrier film, 3 is the second
The quantum wells 5 are donors, from which the active region 6 is
It is configured. This active region is buried in the barrier region 7.
It is embedded. FIG. 4B shows the potential in the active region.
FIG. 4 is a diagram showing a char energy. As shown in the figure,
And the second quantum wells 1 and 3 have higher electron affinity than the barrier region.
It is composed of semiconductors that can confine conduction electrons.
Can be. That is, the active region has a quantum confinement structure.
To achieve. The thin barrier film 2 has a higher electron affinity than the quantum wells 1 and 3.
It is composed of a small semiconductor (or insulator).
Also, impurity atoms serving as donors are added to the thin barrier film.
Have been. The conduction electrons generated from the donor are the first or second
Exists in either of the two quantum wells. Energy of thin barrier film
The height and thickness of the energy barrier are
Tunnel effect or thermal excitation with finite probability from 3 to 1
Set so that more electrons can transition. Where the active area
Let a be the distance (dipole lattice constant) between the first and second
Let d be the width of the quantum well and t be the thickness of the barrier film between the quantum wells.
And the height of this barrier film is bh. As a combination of materials used for the barrier region and the quantum well
Are GaAlAs and GaAs, AlAs and GaAs, InP and GaInPAs, GaP and GaInPA
Possible combinations include s, Si and SiGe, SiO2 and Si, SiGe and Ge
Can be Generally, a material different from the thin barrier film 2 and the barrier region 7
A material may be used, but the same material may be used.
As a specific example, as a barrier region, GaAlAs (Al
The ratio is, for example, 20%).
Cube of 0nm GaAs, 2nm thick as thin barrier film
One donor Si is added to GaAlAs (Al ratio is, for example, 15%).
Use the added one. The above configuration can be achieved by using an acceptor instead of a donor.
realizable. In this case holes instead of electrons are in the active region
Exercise. In this example, the barrier region is Si,
The first and second quantum wells 1, 3 are SiGe with a side of 5nm (Ge ratio is
(For example, 15%), 1 nm thick as a thin barrier film
And one acceptor B is added to Si. FIG. 3C is a diagram showing a lattice structure. Shown in the figure
As shown, the active regions 6 are arranged on the lattice in the barrier regions 7.
I do. Next, the operation of this device will be described. As shown in FIG.
In each active region, conduction electrons 4 generated from the donor are
It exists in either quantum well 1 or 3. Electron quantity
Depending on whether it is in subwells 1 or 3, this active area
Finite electric dipole efficiency vector, or electric dipole strength
And a vector giving the direction. Electric dipole efficiency
The vector p is represented by the following equation. p = q · d (1) q is the charge amount of the electron, and vector d is the average position of the electron and the
This is a distance vector from the object. Therefore, the structure shown in FIG.
Have an upward or downward electric dipole efficiency vector.
I do. In the structure arranged in a lattice as shown in FIG.
Region has an upward or downward electric dipole efficiency vector.
So, for example, looking at the distribution of the electric dipole at a certain moment,
1 is as shown in FIG. Electric dipole for each active region
When the efficiency vectors are independent and there are n active regions
Total 2nThere can be a distribution method of the individual. This is Digi
If rules are defined to correspond to the total information, n-bit information
Can be associated. It uses n bits of information
This is expressed inside the device according to the embodiment. each
When the electric dipole moment vectors in the active region are not independent
Implies that the amount of information that this device can represent is n bits or less.
You. When this grid structure is sandwiched between electrodes, an external electric field is applied.
Change the electric dipole efficiency vector of the active region almost simultaneously.
Can be changed. In each active region, the external electric field and other
Receives the electric field that is the sum of the electric fields created by the active regions
The electric dipole efficiency vector changes according to the change. Each activity
The anisotropic region is extremely anisotropic around it, as shown in FIG.
Make a strong electric field distribution. Bi at vector r away
The electric field vector E (r) created by the pole is expressed by the following equation. E (r) = [3 (p · r) rrTwop] / (4πεrThree(2) The electric field E is a vector of the electric dipole, as shown in FIG.
On the straight line in the same direction as the electric dipole,
Anti-dipole opposite to the electric dipole on a straight line perpendicular to the electric dipole
It is. Electric dipoles have an electric dipole pointing in the direction of the electric field.
Since the force that tries to act works, use this to
Increase or conversely reduce the electric dipole efficiency of
Can be. It dipoles the transmission of information between active regions
You are doing it through interaction. The way of change is
Specifically by the interaction between the initial state and the active region
Although it is various, it is controlled and used as an information processing device.
Can be The maximum data that this information processing device can handle is
Large, n bits. At this time, information is transmitted at the speed of light.
So, information is transmitted at a very high speed. In addition, as in this embodiment, the potential in the active region is
The region where the energy is minimal is (for quantum wells 1 and 2)
If there are two locations (double minimal potential structure and
Electrical dipole capability, especially with small electric field changes
The rate vector can be greatly changed. This is live
This is because the electron polarizability α of the active region becomes extremely large.
This will be described below. Electronic polarizability is defined by the following equation:
You. p = αE (3) where p is the electric dipole efficiency vector, and E is the active region
Electric field vector. As with the electron polarizability of an atom,
The electronic polarizability of the neutral region is expressed by the following equation using the perturbation theory of quantum mechanics.
Approximately represented. α = 2 | <1 | pd | 2> |Two(ETwo−E1) (4) where <1 | is the state vector of the ground state of the active region.
Represented using Dirac bra symbol, | 2>
The state vector of the starting state is expressed using Dirac's Ket symbol.
Passed, and thus <1 | pd | 2>
Matrix element of the air dipole efficiency vector pb, E1Is the ground state
Nergie, ETwoIs the energy of the first excited state. Simple meter
As a result of the calculation, as the barrier height of the barrier film increases, this equation
Denominator of ETwo−E1Decreases monotonically, so α increases.
I understand. When the height of the thin barrier film becomes infinite, ETwo
E1Becomes 0, and α becomes infinite. That is, when the electric field is 0
Also have a finite electric dipole efficiency vector, or permanent
Have a dipole. In any case, double mini potato
In the active region, the potential barrier of a thin barrier film
Depending on the height of the wall, the magnitude of the electron polarizability α
Can be controlled within a circle, and extremely large α can be realized.
You. The active region with large electron polarizability is clear from its definition.
As can be seen, a large electric dipole even for a small electric field
Has an efficiency vector. Adjusting the barrier height of the thin barrier film to increase the electron polarizability
Having an active region having a lattice shape as shown in FIG.
, The electric dipole efficiency vector of the nearby active region
Can be realized in the same direction. This is shown in FIG.
Show. This is for the following reasons. A certain activity
Small electric dipole efficiency vector in the active region
This creates a small electric field at the location of the adjacent active region. Electric
Due to the large polarizability, this active region has a large electric dipole.
With a large efficiency field and a large electric field in the original active region.
create. Therefore, the original active region also has a large electric dipole efficiency.
Have a vector. Such a positive figure
When working back from side to side, activity close to
Regions have electric dipole efficiency vectors in the same direction as each other
Become like The group of such active regions is hereinafter referred to as “
The electric dipole efficiency vector of the active region
If we replace the torque with the spin magnetic dipole efficiency vector,
This embodiment is very similar to a ferromagnetic material. Magnetic
In the field, the region where the spins are aligned is called polarization.
The invention also uses this name. The domain of this embodiment is
Sexual domains provide feedback to each other,
Is stable, and the electric dipole efficiency can be increased without applying an electric field.
Holds vector orientation. This is a dielectric physics term
Can be expressed as having spontaneous polarization. Conditions under which spontaneous polarization occurs in a substance having a three-dimensional cubic lattice
The following are known. This is C. Kittel
Author, "Introduction to solid state physics," 5th edition (John Wiley & Sons, Inc.), pp. 417-418
According to Nα> 3 / 4π0 …… (5) Where N is the density of the dipole,
The invention corresponds to the density of the active region. As mentioned above,
α is extremely high if the potential height of the thin barrier film is increased
It is easy to meet this condition because it can be high.
Therefore, the feasibility of spontaneous polarization is clear. Increase barrier height or thickness in thin barrier areas
This improves the stability of the polarized state,
Spontaneous polarization can be maintained up to temperature. In the case other than the three-dimensional cubic lattice, for example, there is a square lattice
Or in the case of a two-dimensional grid, 3/4 of the right side of the above conditional expression
Although π changes, a similar conditional expression holds. The direction of this spontaneous polarization depends on the electric field applied from the outside.
Can be reversed. Polarization (electrons per unit volume)
The relationship between the air dipole efficiency) and the external electric field is shown in FIG.
And a relationship having hysteresis. This hysteresis
Can be used to store information. BaTiO has been a substance with spontaneous polarization.ThreeSuch as
A group of ferroelectric materials is known. These natural invitations
The electric dipole efficiency vector of an electric body mainly constitutes a crystal
Spontaneous polarization occurred due to displacement of ions.
In the present invention, the movement of electrons causes the electric dipole efficiency
They differ greatly in that vectors occur. Electric
Because the pups are much lighter than the ions, the present invention
Response speed to electric field is much faster than dielectric
is there. If the structure of this embodiment is sandwiched between the electrodes,
In addition, a capacitor that can respond at a very high speed can be formed. BaTiOThree
Ferroelectrics have a high dielectric constant in nature,
The response speed is high due to the high dielectric constant realized by displacement.
The degree was slow. High in the present invention due to the displacement of electrons
Response speed is normal ferroelectric because of realizing dielectric constant.
More than three orders of magnitude faster. Large quantum wells allow electrons to move
As the range is widened, the dielectric constant increases. Also, quantum closed
Increase the density of the confinement structure (reduce the lattice spacing)
As a result, the dipole interaction between quantum confined structures becomes
As it increases, the dielectric constant also increases. Semiconductor superlattice structures have been actively studied so far.
However, by combining different types of semiconductors, mobility and bandgap
To realize semiconductors with different physical constants such as
Was. In contrast, the present invention combines semiconductors
And the same properties as a completely different material called ferroelectric
It is very different from the past in that it can be realized,
Is considered to be a novel invention. In this embodiment having the spontaneous polarization and the domain structure as described above,
Indicates the generation, erasure, and boundary positions of domains by applying an external electric field.
The position can be moved. In the present invention, the spatial component of the electric dipole of the quantum confinement structure is
Since the information is expressed by cloth, the conventional transistor circuit
There are various advantages as compared with the method of expressing information in a computer. (Traditional
In a transistor circuit, the transistor is used as a switch.
Function, turning the transistor on or off.
Is associated with a digital signal. At this time, the signal
Appears as a potential in the metal wiring. ) Electric dipole
Can easily control the direction and size by the electric field.
it can. Therefore, without using metal wiring,
The direction size can be changed. That is,
Information can be transmitted without lines. To change the direction and size of the electric dipole,
Since there is no need to flow current unlike a transistor, the present invention
Are essentially suited for ultra-low power operation. Interaction between electric dipoles also propagates at the speed of light propagation
And extremely fast. For information transmission speed,
Limitations due to the saturation speed of electrons as in semiconductor devices
I do not receive. Since the present invention can maintain a finite polarization without a power source,
Change and record the direction and magnitude of polarization depending on the location.
If it is used, it can be used as a recording medium. High density
By arranging the confinement structure, ordinary semiconductor memory
It is possible to obtain a much higher storage density than the storage device. Ma
In magnetic recording, it is necessary to generate a magnetic field during writing.
At this time, it is necessary to flow a large current.
Since it is only necessary to generate an electric field, the power consumption of the writing device
Force and size are much smaller than magnetic recording.
Since the present invention uses a semiconductor, the storage medium
Creates conventional semiconductor devices and circuits on the same material as
Can read and write memories
Circuit, communication circuit, signal processing circuit, etc.
It is also easy to achieve. A second embodiment of the present invention will be described below. Fifth
FIG. 11 shows a nonvolatile random access memory according to the second embodiment of the present invention.
Field-effect transformers used for memory cells of access memory (RAM)
Showing the transistor. Here, 8 is a p-type silicon substrate, 9 is n+Consisting of areas
Source area, 10 is also n+A drain region comprising a region,
11 is a source terminal, 12 is a thin barrier film, 13 is a gate terminal, 14
Is the gate electrode, 15 is the barrier region, 16 is the quantum well, 17 is the drain
In terminal. The quantum well is made of polycrystalline Si
The wall film is thin enough to allow electron tunnel current to flow, and
n-type doped SiOTwoIt is a membrane. Barrier region, quantum well
The gate insulating film (18) is composed of a door and a thin barrier film.
This includes the first and second active areas (19, 20)
You. Next, the insulated gate field effect type according to the second embodiment is described.
The operation of the transistor will be described with reference to FIG. Gate
In the insulating film 18, there are two types shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).
State exists stably. That is, the electric dipole points upward
And downward. Thin SiOTwoMembrane donor impurities
Conduction electrons originating from the object are distributed in the quantum well. Thin SiOTwo
In the region of the film, the potential energy is high,
Is necessarily small. Because of this
Electrons exist in quantum wells away from the center due to thermal fluctuations
Easier to do. Therefore, finite electric dipoles are likely to occur
No. When the first active region 20 has an upward electric dipole
At this time, an upward electric field is applied to the second active region. Obedience
Therefore, an upward electric dipole is generated in the active region 2.
You. The electric dipole of this second active region is the first active region
Also creates an upward electric field, so that
The direction of the electric dipole vector becomes larger. that's all
Upward due to the effects of the described bodily feedback
Was found to be stable. Exactly similar discussion
The theory holds true for the downward electric dipole state,
More stable. Thus, the gate insulating film 18
It has two stable states inside. This insulated gate field effect
The source and drain of the transistor are grounded and the gate is
When the voltage applied to the electrodes is changed, as shown in FIG.
A current-voltage characteristic having hysteresis is obtained. Gatesaw
Even if the source-to-source voltage is OV, the state and
Can be realized. By using the above properties, the nonvolatile (power supply
RAM that retains data even when not connected)
it can. An example of this configuration is shown in FIG. 29 is row direction data
Code circuit, 21 is word line, 27 is control line, 22 is
Data line, 26 is a memory cell, 24 is a normal insulated gate type
Selection transistor using field effect transistor, 25th
Field-effect transistor having a bistable state described with reference to FIG.
Storage transistor by star, 28 decode / select in column direction
A selection circuit and a sense circuit. Next, write and read operations of this nonvolatile RAM
explain. When writing, select the word line from low.
Go high. Other word lines are low. next,
Set the control line of the bit to be written to the write voltage
And set the data line to low level. Storage of this bit
The transistor gate has a write voltage and the drain has a low level.
Level, the storage transistor is in a low threshold state
Becomes That is, a row is written to the memory of this bit.
I was crowded. When writing high next, write low above
The control line low after the
Write only the data line of the memory cell where you want to write
To voltage. At this time, the gate source of the storage transistor
Between the drain and source.
From the voltage by the threshold voltage of the selection transistor
Applied. Therefore, a negative pole is
Write voltage is applied, and the storage transistor is high.
The state changes to the threshold state. That is, high is written. When reading, set the word line to high level and select
Turn on the transistor and pull the control line low.
Bell and data lines are set to high level (for reading).
Memory in which the storage transistor is in a low threshold state
In the cell, both the storage transistor and the selection transistor
Since the memory cell is turned on, the charge of the data line is released by the memory cell.
And the potential of the data line drops. Storage transistor high
In the memory cell in the threshold state, the data line is
It remains at a high level. Sense the signal on this data line
The signal is amplified by the amplifier and output to the outside to complete the reading operation.
You. Write voltage set higher than read voltage
I do. This actual voltage value is the hysteresis of the storage transistor.
Determined by cis characteristics. Conventionally, in a nonvolatile semiconductor memory, electric charges are transferred through an insulating film.
In order to inject or withdraw,
Due to fatigue, the number of data rewrites was limited. Absolute
If the edge film is thinned, the number of rewrites will increase,
The data retention period is shortened. Also, the data
For erase / rewrite, charge must be injected through the insulating film
And it took about milliseconds. this
For this reason, data is written every machine cycle of the computer.
It was not suitable for a change-over application. On the other hand, in the present embodiment, the point due to the dipole interaction is
Data is held by active feedback.
You. That is, two states are stably maintained inside the insulated gate.
There is work. Therefore, the thickness of the thin barrier film should be 10 Å
Thinning below the troam has no effect on memory retention.
No. Therefore, the problem of long-term fatigue can be avoided. In particular,
This thin barrier film becomes a semiconductor with a large energy gap
In this case, a thick film can be used.
Even if used, there is no problem of long-term fatigue. Also, this storage device
The data erasing or rewriting time is extremely fast.
1 nanosecond or less. This is a small number when rewriting
Carrier moves from top to bottom (or bottom to top) of barrier film
It is only necessary to move. A third embodiment of the present invention will be described below. Fig. 9
(A) shows an example of the storage device according to the third embodiment of the present invention.
You. As shown in FIG. 3C, similar to the first embodiment,
Consists of one quantum well 35, second quantum well 36, and thin barrier film 34
The active region 31 is embedded in the barrier region 37 in a lattice pattern.
You. The first quantum well 35 and the second quantum well 36 are from the barrier region 37
A thin barrier film 34 made of a material having a high electron affinity
Is more electron than the first quantum well 35 and the second quantum well 36
It is made of a material with low affinity. 33 is a donor impurity
You. The difference from the first embodiment is that the electron
The sum force is set to be larger than the electron affinity of the second quantum well 36
When considered in a single active region, electrons
It exists stably in one quantum well 35. This active region has a lattice structure inside the thin film barrier region.
30 is a control electrode made of semiconductor or metal,
38 is n+This is a ground region made of a semiconductor. Next, this operation will be described. Activities arranged in a grid
The active region is automatically formed by the same mechanism as in the first embodiment.
Can have evoked polarization. In the case of this embodiment, the first quantum well
Has a higher electron affinity than the second quantum well,
The existence probability is higher in the first quantum well. Therefore downward
Electric dipoles (or spontaneous polarization) tend to occur.
However, in this embodiment, the entire shape is a film shape.
(Horizontal dimensions are much larger than vertical dimensions.
), An anti-polarization field is generated. The anti-polarization field is
The electric field generated by the charge on the surface when polarized
Yes, it is in a direction to reduce the polarization inside the substance. This anti
Due to the polarization field, as shown in FIG.
Micro-regions with reversed spontaneous polarization
31) can exist stably. The existence of the inversion polarization region 31 is formulated as follows.
be able to. The energy of this system is
Become. UT= UW+ UE+ UD …… (6) where UTIs the total energy, uniformly downward
It is based on the case where the polarizer is polarized. UWIs inverted polarization
Energy due to the existence of a transition region between the region and other regions
Ghee increase, UEIs the interaction between the reversed polarization region and the external electric field.
Term UDIs the interaction between the antipolarization field and the inversion polarization region
Is a term representing. The inverted polarization region is circular due to symmetry.
Assuming that, the following analytical expression is obtained. UW= 2πrσ (7) UE= 2πrTwoPs (Eext+ Δφ / qd) …… (8) UD= -2πrTwoPsPs (1-2N) / ε (9) where r is the radius of the inversion polarization region, and σ is the unit area.
Energy of the transition region, Ps is the magnitude of spontaneous polarization, E
extIs the external electric field vertically downward to the film, Δφ is the first quantum
The difference in electron affinity between the well and the second quantum well, q
The charge, d, is the distance between the centers of the first and second quantum wells.
And N is the anti-electric field coefficient (when the diameter 2r becomes equal to the film thickness h)
About 1/3, and monotonically decreases as r increases
) Is the dielectric constant of the quantum well. In this embodiment,
No electric field is applied from the part, but the first quantum well and the second
By using a material with a different electron affinity from the child well,
Δφ / qd is a finite value. This equation gives the energy
Fig. 10 shows the dependence of radius on radius r.
You. According to the figure, r = 0 and r = r as stable points of r.0
There are two conditions: The point at r = 0 is uniformly polarized,
When there is no reverse polarization, r = r0Is the radius r0Inversion polarization of
This corresponds to the case where a region occurs. Under either of these conditions
However, once the state is reached, the state is continued. Follow
The inverted polarization region to “1” or
Can be used for recording digital information in correspondence with “0”
it can. Such inversion polarization is substantially parallel to the normal direction of the film.
Is generated by applying an electric field to and controlling the electric field.
It is easy to do. To generate a reversed polarization region,
An electric field may be applied upward to the film. This is the surface of the membrane
Form an electrode in the vicinity and apply a negative voltage to it.
No. At this time, as shown in FIG. 11, r = 0 becomes unstable.
Thus, only a finite r is stable. Thereafter, the external electric field is reduced to 0.
However, a finite r value is held. To move the reverse polarization, the electric field strength perpendicular to the film must be
This can be achieved by providing a slope. It is shown in Figure 12.
Under such a gradient electric field, the inversion polarization region has an upward electric field.
Move in the direction that becomes stronger. Upward as shown in Figure 11
Where the electric field is stronger, the energy is lower and it is more stable
It is. To move the reversed polarization region over a long distance,
A method as shown in FIG. 9 (a) and FIG. 13 is used. T type
Control electrodes 39 and I-type control electrodes 40 are alternately arranged as shown in FIG.
Place. In addition to this, the time substantially parallel to the plane of the thin film
Apply an electric field (rotating electric field) that rotates in both directions.
You. Under the parallel electric field, the control electrode polarizes and
Positive or negative electrodes occur in the part. Activity under negative charge
Since an upward electric field is applied to the conductive region,
The region is more stable if it exists under negative charge. Rotating electric field
When applied, the inverted polarization region is the negatively charged side of the control electrode.
, And sequentially move. Operation shown in Fig. 13
, The recoil polarization region moves to any location
can do. Forming the devices described above on the same chip
The serial memo as shown in FIGS. 14 (a) and (b)
Ri can be formed. Here, 41 is a horizontal direction electric field application electrode,
42 is a power supply and control circuit, 43 is a storage unit, 44 is a sense circuit and
And I / O ports, 45 is minor loop, 46 is transfer gate, 4
7 is a major loop. Digital information is inverted
Record the presence or absence of the polar region, and rotate the power on the minor loop.
Orbiting around the place. Reading of information is done by the transfer gate
Open 46 and send the information you want to read
Through the I / O port. Writing information is the opposite
The inverted polarization region from the I / O port to the major loop.
To send to the minor loop through the transfer gate
And by doing. The inverted polarization region operates as a kind of particle (pseudo particle),
Information can be retained and transmitted. This inverted polarization region
Is a new information carrier that replaces conventional electrons and holes
(Carrier). Inversion polarization
The region is itself energetically stable, like an electron
Does not disappear due to recombination. Using conventional electrons
In information storage and information processing, many electrons move
Was needed. In the present invention, when the inverted polarization region moves,
Therefore, the actual electron movement is slight, and the distribution of the electric field is
Move at high speed. Therefore, fast and low power consumption information
Communication becomes possible. Next, the effect of such a recording apparatus will be described. Electric
Since information can be retained without a source,
is there. By arranging quantum confinement structures at high density
Achieves a much higher recording density than ordinary semiconductor storage devices.
Can be In magnetic recording, a magnetic field is used for writing.
Must occur, and at this time it is necessary to pass a large current.
However, in the present invention, since it is only necessary to generate an electric field,
Power consumption and size of embedded devices are much smaller than magnetic recording
It will be something. Also, the present invention uses a semiconductor.
Therefore, a conventional semiconductor device is placed on the same material as this recording medium.
Since it is possible to create chairs and circuits,
Writing circuit, communication circuit or signal processing circuit, etc.
Can be easily created by the conventional technique. When a non-uniform vertical electric field is applied, the inverted polarization region moves.
As mentioned above, conventional semiconductor devices are
There is an essential difference in the sense described. First, this inversion polarization
In the movement of the region, electrons move inside each quantum confined region.
The very short distance between the first and second quantum wells
Just move. Moreover, the direction in which the electrons move is
The direction is perpendicular to the direction of movement of the inversion polarization region.
Direction. In conventional semiconductor devices, electrons are emitted at the same time as information.
Although it was necessary to actually move through the semiconductor, the information of the present invention
The transmission of information does not involve such electron transfer (or
Involves very little movement). In fact, electric twin
The electric field created by the poles propagates through the semiconductor at the speed of light propagation.
And Therefore, the movement of the inversion polarization region is extremely fast.
You. In a conventional semiconductor device, electrons are generated by an electric field.
Is accelerated (ie, gains energy) and obstacles (crystal
Traveling while colliding with grids and impurities)
Turns into heat. In other words, power consumption is large and chip
Heat generation is large. On the other hand, the present invention
Does not move, so such energy
Very low consumption. In the present embodiment, the electron parents of the first quantum well and the second quantum well
The case where the sum power is different is shown, but when the electron affinity is the same,
The same effect can be obtained by applying an electric field perpendicular to the film.
Obtainable. In this embodiment, the active region is doped with a donor impurity to
In the example described above, the electrons move into the active area.
A similar effect can be obtained by applying a pure substance and utilizing the motion of holes.
be able to. Next, the manufacturing process of this embodiment will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to (b), (c), and (d). First, n-type
Barrier region film and quantum well on semiconductor substrate
Film, thin barrier region film, quantum well film, barrier region
Films to be regions are formed one after another. Examples of specific materials
In this case, use Si as the semiconductor substrate and
Is undoped Si, SiGe for quantum well, thin barrier region
Uses Si doped with B. In this case, the quantum well
It is holes that are confined. This is a photolithograph
And dry etching (see the same figure)
(B)) A quantum confinement structure is manufactured. After this,
As shown in (c), a semiconductor region serving as a barrier region is selected.
Let it grow. Finally, a protective film and control electrode are formed
Get Ming. FIG. 17 shows the random access according to the fourth embodiment of the present invention.
Indicates memory storage. As shown in FIG.
Active area consisting of door 49, second quantum well 50, and thin barrier film 51
52 and 53 are embedded in the barrier region 54. First quantum
The well 49 and the second quantum well 50 have a higher electron affinity than the barrier region 54.
It is composed of a large material, and the thin barrier film 51 is the first quantum well
The electron affinity is lower than either of the door 49 and the second quantum well 50
Made of various materials. 55 is a donor impurity. 56 is a memory
And a pair of active regions 52 and 53. This memory cell
Word lines 57 and data lines 58 are formed
I have. Word and data lines are semiconductors with high impurity concentration
Alternatively, it is made of metal. Further, FIG.
As shown in the cross-sectional view of FIG.
And arrange them in high density. Next, the operation of this embodiment will be described. In the memory cell
When writing digital information, proceed as follows.
The word line is set to a positive voltage V, and the data line is set to a negative voltage
Set to V. At this time, unselected word lines and bit lines are connected.
Earth level. 2V voltage is applied to the selected memory cell
The electrons in the active region 52 are transferred from the second quantum well to the first quantum well.
Move to the well. As a result, the active region 52 has
An oriented electric dipole results. This electric dipole is the active region
Since an upward electric field is created at 53, the active area is affected by this electric field.
An upward electric dipole occurs in the zone 53. This is called state 1.
I do. To write the opposite information (0),
The voltage -V may be applied, and the voltage V may be applied to the data line. During this writing, a voltage of only V is applied to the unselected cells.
The barrier height between the first and second quantum wells
And by adjusting the distance between the active region 52 and the active region 53.
Therefore, the state does not change at the voltage V, and the state changes at the voltage 2 V.
Can be designed to roll. As shown in FIG. 18, the storage cell has a pair of electric dipoles.
Apply an electric field in the direction of increasing the dipole to each other, and
, The state is stably maintained. This is shown in the figure
Just electric flip-flops (latch circuits)
It is simulated by a dipole. like this
Flip-flop (latch circuit) with electric dipole
May be connected in series as shown in Fig. 19.
You. The reading of information is as follows. V of word line
Select by applying voltage and applying -V voltage to the data line
1 is written in the cell. At this time, originally the information cell
Is 1, the current flowing to the data line is small.
On the other hand, when the value is originally 0, the electric
The charge required to reverse the poles is
Flow into the line. This charge is transferred by a highly sensitive sense amplifier.
Read out. At this time, the information in the memory cell is destroyed,
After reading, rewrite. According to this embodiment, an ultra-high density memory can be configured.
In particular, as shown in FIG.
Thus, a large-capacity memory can be configured. Also active
With the simple configuration of the pair of areas,
Stable flip-flops (latch circuits)
Has the characteristic that the state can be maintained. Therefore, of the state
No refresh operation like dynamic RAM is required
You. Therefore, the control circuit of the storage device using the present invention is simple.
There is something. Set a certain operating temperature using the fifth embodiment of the present invention.
To explain what structure to take when
I do. FIG. 20 shows an electric field in the active region according to the fifth embodiment of the present invention.
Carrier position due to polarization in the dipole when is applied
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between displacement of a laser beam and an applied electric field (specific structure).
Consider the structure shown in FIG. Apply an electric field
Carriers are displaced from the center of the active region. Of this displacement
The magnitude is proportional to the electric field while the electric field is small. Displacement electricity
The field dependence, that is, the proportionality coefficient of displacement to
Becomes larger. This is the carrier at low temperatures
Carrier becomes the first quantum because the thermal energy of
Is stable in one of the well and the second quantum well.
The dipole is likely to be formed.
You. When this proportionality factor exceeds a certain threshold,
The sex region is spontaneously displaced. This threshold is
Decided. A carrier in a certain active region happens to be
When displaced by fluctuations, this causes an electric charge
Create a world. This causes the surrounding active region to become polarized (see
With a dipole). The original activity due to this excitable dipole
The feedback electric field is applied to the region, and the carrier is displaced.
I do. The interaction is strong enough that this carrier displacement begins
If it is greater than or equal to the fluctuation of
Spontaneously without applying an electric field from
Is displaced. This is equivalent to feedback
The gain of the feedback loop is 1
If it exceeds, it corresponds to oscillating. According to such an operation principle, the semiconductor device according to the present invention
Temperature dependence of the dielectric constant of
It becomes Temperature dependence of dielectric constant and structure of semiconductor device
The result of calculating the relationship with constants by computer simulation
Are shown in FIGS. 21 to 28. Fig. 21 shows Si / p type SiOTwoif
For GaAs / p-type AlAs, set the structural constants shown in the figure.
In this case, the temperature dependence of the dielectric constant is shown. Filling
At high temperatures, carriers land with each other due to thermal energy.
And a disordered state is formed. Therefore, the dielectric
The rate is low. As the temperature decreases, the interaction between dipoles becomes stronger
And the dipoles move with a strong positive correlation to each other
Swell. As a result, the dielectric constant increases rapidly. Transition temperature
TCNow, all carriers are strongly correlated,
Spontaneous polarization (or spontaneous displacement) occurs. At this time,
The rate is ideally infinite. Transition temperature TCBelow is the dielectric
The rate is likewise ideally infinite. Transition temperature TCbelow
In the low-temperature phase, the carriers are aligned in one direction due to spontaneous polarization.
A displaced state, ie, an ordered state is formed. Transition temperature
TCCan be called the ordered / disordered phase transition temperature.
You. The dielectric constant is practically, for example, around 100 or more, preferably 5
Around 00 or more, more preferably around 1000 or more
You. Practically defining these required dielectric constant values,
Transfer temperature TCCan be defined. As shown by the curve marked as a single quantum well in FIG.
From a single quantum well, that is, a quantum well without a barrier film
No structure transition occurs in this structure, the value of the dielectric constant is small,
Almost no temperature dependence. Information storage as described in the first to third embodiments.
In order to be able to hold and memorize,
It needs to work in degrees. This transition temperature is evident below.
As described above, various structures of the semiconductor device according to the present invention
Depends on constant. The various structural constants are shown in FIG.
Also, dipole lattice constant a (distance between centers of active regions), quantity
The width d of the sub well, the thickness t of the barrier film between the quantum wells,
The barrier height bh, the effective mass m in the quantum well, and the like. Figure 22 shows the transition temperature TCDependence of the dipole lattice constant a on
Figure 23 shows the transition temperature TCOf the quantum well width d,
Transition temperature TCDependence of the barrier thickness between quantum wells t
Transition temperature TCEffective mass of m / m0Dependence, transition temperature in Figure 26
TCShows the dependence of the barrier height between quantum wells on bh. Dipole lattice constant
The larger the number a, the weaker the interaction between the active regions
Therefore, the transition temperature TCDrops sharply. Large quantum well width d
As soon as the carrier becomes trapped, the carriers trapped in the quantum well
The zero point energy (ground state energy) of
The probability of passing through the barrier film by tunnel effect is reduced
Therefore, the stability of the displaced state is enhanced. For this reason
The transfer temperature increases. Increase the thickness t of the barrier film between quantum wells
Then, the tunneling probability decreases, and similarly the transition temperature becomes
To rise. Also, as the effective mass m increases,
The transition temperature increases because the flannel probability decreases. Also,
When the barrier height bh between quantum wells is increased,
The transition temperature increases because the rate decreases. Figure 27 shows the various dimensions proportionally reduced (or enlarged).
Transition temperature TCShows the change in Various dimensions
When changed in proportion, these effects combine to work
I do. According to the analysis, the transition temperature increased with the proportional expansion of the dimensions.
And the transition temperature decreases with a proportional reduction in size. To summarize the relationship between the above dimensions and operating temperature,
Approximately, it can be represented as shown in FIG. Sand
Parameter 5000bhtTwo・ DTwo・ M / (aThreem0) [EV]
The operable temperature range is determined by [nm]. The upper limit of the operable temperature T on the vertical axis in FIG.
Temperature to be higher than the device temperature determined by the cooling mechanism
Next, the parameters on the horizontal axis are determined. As the operating temperature T,
For example, assuming room temperature operation, T is about 300 (K) or more.
is necessary. Also, depending on the cooling mechanism of the equipment, 200
Values such as (K), 150 (K), 100 (K) are selected. Ma
In an apparatus configuration that cools with liquid nitrogen,
Is determined to ensure an operating temperature of 77 (K) or higher.
You. According to the guidelines in Figure 28, once an operating temperature is determined,
Corresponding structural constants can be determined. Especially
The parameters shown on the horizontal axis in Fig. 28 correspond to the dipole lattice constant a.
Is proportional to its cube, and other structural constants are
Since it is proportional to the first or second power, the dipole lattice constant a
Setting can be a key requirement. For example, 30
Assuming room temperature operation near 0 (K), Si is used for the quantum well,
P-type SiO as barrier filmTwo(Figure 27)
The dipole lattice constant a is set to 20 nm.
In other words, when the quantum well width d is 8 nm and the barrier film thickness t is 3.4 nm,
I just need.

【発明の効果】【The invention's effect】

従来のトランジスタを用いた集積回路においては、ト
ランジスタが動作する毎に、トランジスタ内部および配
線に付随した浮遊容量の充電、放電を行うため、大きな
電力消費が必要であった。また、集積度の増加とともに
配線に要する面積、配線の抵抗などが増加してしまう。
また、素子構造の複雑化により、集積回路の製造コスト
は微細化とともに急激に増加してきている。さらに、動
作速度も飽和速度により制限されてしまう。 本発明の情報表現方式では、電気双極子の空間的な分
布を情報と対応づける。従って、金属の配線の抵抗など
が増加してしまう。また、素子構造の複雑化により、集
積回路の製造コストは微細化とともに急激に増加してき
ている。さらに、動作速度も飽和速度により制限されて
しまう。 本発明の情報表現方式では、電気双極子の空間的な分
布を情報と対応づける。従って、金属の配線を用いなく
とも、遠距離から向き大きさを変化させることができ
る。しかも、電気双極子の向きや大きさを変えるのに
は、トランジスタのように電流を流す必要がないので、
極めて低消費電力で動作できる。また、多数の電気双極
子を同時並列に遠隔制御することが可能であるので、こ
れを用いたプロッサは本質的に並列処理に向いている。
並列処理は高速な情報処理に極めて重要であることはい
うまでもない。また、従来の金属配線によるクロック分
配では、配線抵抗によるクロックスキューのため多数の
情報処理エレメント間の同期を取るのは困難であり、高
速動作の障害となっている。本発明では、電界により電
気双極子を遠隔操作することにより、クロックの分配は
光の伝播速度で行われるので、クロックスキューは極め
て小さい。 また、電気双極子は、その周りに極めて異方性の強い
電界分布を作るので、隣接双極子間の情報の伝達は、や
はり金属の配線を用いないで行うことができる。電気双
極子間の相互作用は光の伝播速度で伝わるので、極めて
高速であり、従来の半導体素子のような電子の飽和速度
に起因する制限を受けない。 また、本発明は、従来のトランジスタを相互配線した
集積回路に比べて極めて単純な構造を有する。 さらに、量子閉じ込め構造として、2重極小ポテンシ
ャル構造を用いると、伝導キャリアは第1の低ポテンシ
ャルエネルギ領域に依存するか、第2の低ポテンシャル
エネルギ領域に存在するかによって2種類の電気双極子
と対応付けすることができるのでディジタル信号処理、
ディジタル信号記憶と適合する。 量子閉じ込め構造は、ナノメータレベルの寸法に小さ
くできるので、これを用いた信号処理チップ、記憶チッ
プは極めて高集積にできる。 また、2重極小ポテンシャル構造では、電子分極率が
極めて大きくなるため、微小な電界で電気双極子能率ベ
クトルを変化させることができる。さらにこれを格子状
に並べると、近傍の活性領域の電気双極子能率ベクトル
が同方向に揃った状態が実現できる。すなわち、自発分
極を持つ。この分極は電源なしに保持できるので、分極
の向き・大きさを場所により変化させて記録しておけ
ば、通常の半導体記憶装置より遥かに高い記憶密度を得
ることができる。また、磁気記録では書き込みに磁場を
発生する必要があり、この時大きな電流を流す必要があ
るが、本発明では電場を発生するだけでよいので、書き
込み装置の消費電力、サイズは磁気記録に比べ遥かに小
さなものとなる。また、本発明は半導体を用いているた
め、この記憶媒体と同一材料の上に、従来の半導体デバ
イス・回路を作成することができるので、記憶の読み出
し、書き込み回路、通信用回路あるいは信号処理回路等
を従来技術で作成することも容易である。 また、このような2重極小ポテンシャルを持つ量子閉
じ込め構造を格子状に並べた、これを薄膜形状にすると
大部分の電気双極子と反対向きの電気双極子を持つ微小
な反転分極領域が形成される。この反転分極領域は大き
さが一定であり、大きな電界を印加して消去しないかぎ
り安定して存在するので、一種の粒子(あるいは擬粒
子)としてふるまう。この反転分極領域は一様な垂直電
界のもとでは静止しているが、場所によって垂直電界が
変化すると、移動する性質がある。従って、この反転分
極領域の面内分布を情報に対応させれば、情報を記録す
ることができる。この記憶方式では、記憶密度が極めて
大きい、記憶保持に電力消費は不要であり、従って不揮
発である。 この反転分極領域をディジタル信号の1/0と対応させ
れば、ディジタルの信号処理にも用いることができる。
本発明では情報の伝達は僅かな電子の移動と電界の伝播
により行う。従って光の伝播速度に近い速度で情報が伝
わる。従って、超高速に情報処理が行なわれる。また、
実際に電子の移動は極めて僅かであるので、エネルギー
の消費は極めて小さい。 従って、本発明を用いた情報の記憶装置、情報処理装
置は従来に比べ超高速で超低消費電力となり、その工業
的価値は極めて大きい。
2. Description of the Related Art In an integrated circuit using a conventional transistor, a large amount of power is required because a stray capacitance associated with a transistor and a wiring is charged and discharged each time the transistor operates. In addition, as the degree of integration increases, the area required for wiring, the resistance of the wiring, and the like increase.
In addition, due to the complexity of the element structure, the manufacturing cost of integrated circuits has rapidly increased with miniaturization. Further, the operating speed is also limited by the saturation speed. In the information expression method of the present invention, the spatial distribution of electric dipoles is associated with information. Therefore, the resistance of the metal wiring increases. In addition, due to the complexity of the element structure, the manufacturing cost of integrated circuits has rapidly increased with miniaturization. Further, the operating speed is also limited by the saturation speed. In the information expression method of the present invention, the spatial distribution of electric dipoles is associated with information. Therefore, the direction size can be changed from a long distance without using metal wiring. In addition, changing the direction and size of the electric dipole does not require current to flow like a transistor,
It can operate with extremely low power consumption. Also, since it is possible to remotely control a large number of electric dipoles simultaneously and in parallel, a processor using this is essentially suitable for parallel processing.
It goes without saying that parallel processing is extremely important for high-speed information processing. Further, in the conventional clock distribution using metal wiring, it is difficult to synchronize a large number of information processing elements due to clock skew due to wiring resistance, which is an obstacle to high-speed operation. In the present invention, by remotely controlling the electric dipole by the electric field, the clock distribution is performed at the propagation speed of light, so that the clock skew is extremely small. Further, since the electric dipole creates an extremely anisotropic electric field distribution around it, information can be transmitted between adjacent dipoles without using metal wiring. Since the interaction between the electric dipoles is transmitted at the speed of light propagation, the interaction between the electric dipoles is extremely fast, and is not limited by the saturation speed of electrons as in a conventional semiconductor device. Further, the present invention has an extremely simple structure as compared with a conventional integrated circuit in which transistors are interconnected. Further, when a double minimum potential structure is used as the quantum confinement structure, two types of electric dipoles are formed depending on whether the conduction carriers depend on the first low potential energy region or exist in the second low potential energy region. Digital signal processing,
Compatible with digital signal storage. Since the quantum confinement structure can be reduced to the size of the nanometer level, a signal processing chip and a storage chip using the quantum confinement structure can be very highly integrated. Further, in the double minimum potential structure, since the electron polarizability becomes extremely large, the electric dipole efficiency vector can be changed by a very small electric field. Further, by arranging them in a lattice, it is possible to realize a state in which the electric dipole efficiency vectors of the nearby active regions are aligned in the same direction. That is, it has spontaneous polarization. Since this polarization can be maintained without a power supply, if the direction and magnitude of the polarization are changed depending on the location and recorded, it is possible to obtain a much higher storage density than a normal semiconductor memory device. In magnetic recording, it is necessary to generate a magnetic field for writing.At this time, a large current needs to flow.However, in the present invention, since only an electric field needs to be generated, the power consumption and size of the writing device are smaller than those of magnetic recording. It will be much smaller. Further, since the present invention uses a semiconductor, a conventional semiconductor device / circuit can be formed on the same material as the storage medium, so that a memory read / write circuit, a communication circuit, or a signal processing circuit can be formed. And the like can be easily created by a conventional technique. In addition, a quantum confinement structure having such a double minimum potential is arranged in a lattice pattern. When this structure is formed into a thin film, a small inversion polarization region having an electric dipole in the opposite direction to most electric dipoles is formed. You. The inversion polarization region has a constant size and exists stably unless erased by applying a large electric field, and thus behaves as a kind of particle (or pseudo particle). This inversion polarization region is stationary under a uniform vertical electric field, but has a property of moving when the vertical electric field changes depending on the location. Therefore, information can be recorded by making the in-plane distribution of the inverted polarization region correspond to the information. This storage method has a very high storage density, does not require power consumption for storage retention, and is therefore non-volatile. If this inverted polarization region is made to correspond to 1/0 of a digital signal, it can be used for digital signal processing.
In the present invention, information is transmitted by slight movement of electrons and propagation of an electric field. Therefore, information is transmitted at a speed close to the speed of light propagation. Therefore, information processing is performed at a very high speed. Also,
In fact, the movement of electrons is very small, so that the energy consumption is very small. Therefore, an information storage device and an information processing device using the present invention have an extremely high speed and an extremely low power consumption as compared with the related art, and their industrial value is extremely large.

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

第1図(a)は本発明の第一の実施例の活性領域の構造
を示す図、第1図(b)は活性領域におけるポテンシャ
ルエネルギーを示す図、第1図(c)は格子構造を示す
図。第2図は、電気双極子の作る電界分布(電気力線)
を示す図、第3図は本発明の第一の実施例の分域構造を
示す図、第4図は本発明の第一の実施例の分極と電界の
関係を示す図、第5図は本発明の第二の実施例の記憶装
置のメモリセルに用いるトランジスタの構造を示す図、
第6図は本発明の第二の実施例のゲート絶縁膜における
ポテンシャルエネルギの分布と電子の分布を示す図、第
7図は本発明の第二の実施例のドレイン電流とゲートソ
ース間電圧の関係を示す図、第8図は本発明の第二の実
施例の記憶装置の回路図、第9図は本発明の第三の実施
例の情報処理装置の構造及びポテンシャルエネルギーを
示す図、第10図は本発明の第3の実施例のエネルギーと
反転分極領域の半径との関係を示す図、第11図は本発明
の第3の実施例のエネルギーと反転分極領域の半径との
関係において電界が印加されている場合の図、第12図は
本発明の第3の実施例において反転分極領域の傾斜電界
による移動を示す図、第13図は本発明第3の実施例にお
いて反転分極領域の転送法を示す図、第14図は本発明第
3の実施例による反転分極領域を用いたシリアルメモリ
の構造および記憶部を示す図、第15図は本発明の第3の
実施例における製造プロセスを示す図、第16図は従来の
量子結合装置を示す図、第17図(a)は本発明の第4の
実施例のランダムアクセスメモリの記憶セル部を示す
図、第17図(b)は記憶セルアレー部の断面構造を示す
図、第18図は活性領域対とラッチ回路との類似を説明す
る図、第19図は直列接続の活性領域とラッチ回路の類似
を示す図である。第20図は本発明第5の実施例の活性領
域に電界を印加した場合の、キャリア位置の電界依存性
を示す図、第21図は本発明の誘電率の温度依存性を示す
図、第22図は転移温度の格子定数依存性を示す図、第23
図は転移温度の量子井戸幅依存性を示す図、第24図は転
移温度の量子井戸間障壁厚さ依存性を示す図、第25図は
転移温度の有効質量依存性を示す図、第26図は転移温度
の量子井戸間障壁高さ依存性を示す図、第27図は全ての
寸法を比例縮小(あるいは拡大)した場合の転移温度の
変化を示す図である。第28図は本発明の動作可能範囲を
示す図である。 符号の説明 1……第一量子井戸、2……薄い障壁膜、3……第二量
子井戸、5……ドナー,6……活性領域、8……p型シリ
コン基板、9……n+領域からなるソース領域、10……n+
領域からなるドレイン領域、11……ソース端子、12……
薄い障壁膜、13……ゲート端子、14……ゲート電極、15
……障壁領域、16……量子井戸、17……ドレイン端子、
18……ゲート絶縁膜,19……第一活性領域、20……第二
活性領域,21……ワード線、22……データ線、26……メ
モリセル、24……通常の絶縁ゲート型電界効果トランジ
スタを用いた選択トランジスタ、25……二安定状態を有
する電界効果型トランジスタによる記憶トランジスタ、
27……コントロール線、28……列方向デコード/選択回
路及びセンス回路,29……行方向デコード回路、30……
制御電極、31……反転分極領域、32……電子、33……ド
ナー不純物、34……薄い障壁膜、35……第一量子井戸、
36……第二量子井戸、37……障壁領域、38……接地領
域、39……T字型制御電極、40……I字型制御電極、41
……水平方向電界印加電極、42……電源及び制御回路、
43……記憶部、44……センス回路及びI/Oポート、45…
…マイナーループ、46……転送ンゲート、47……メジャ
ーループ、48……量子ドット。49……第一量子井戸、50
……第二量子井戸、51……薄い障壁膜、52、53……活性
領域、54……障壁領域、55……ドナー不純物である。56
……記憶セル、57……ワード線、58……データ線。
FIG. 1A is a diagram showing a structure of an active region according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1B is a diagram showing potential energy in the active region, and FIG. 1C is a diagram showing a lattice structure. FIG. Fig. 2 shows the electric field distribution (lines of electric force) created by the electric dipole.
FIG. 3 is a diagram showing the domain structure of the first embodiment of the present invention, FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the polarization and the electric field of the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 9 is a diagram illustrating a structure of a transistor used in a memory cell of a storage device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a diagram showing the distribution of potential energy and the distribution of electrons in the gate insulating film of the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a graph showing the relationship between the drain current and the gate-source voltage of the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a diagram showing a relationship, FIG. 8 is a circuit diagram of a storage device of a second embodiment of the present invention, FIG. 9 is a diagram showing a structure and potential energy of an information processing device of a third embodiment of the present invention, FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the energy of the third embodiment of the present invention and the radius of the inversion polarization region. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the energy of the third embodiment of the invention and the radius of the inversion polarization region. FIG. 12 is a diagram showing the case where an electric field is applied, FIG. 12 is a diagram showing the movement of the inversion polarization region by the inclined electric field in the third embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a diagram showing the inversion polarization region in the third embodiment of the present invention. FIG. 14 is a diagram showing a transfer method of FIG. FIG. 15 is a diagram showing a structure and a storage unit of a serial memory using a polarization region, FIG. 15 is a diagram showing a manufacturing process in a third embodiment of the present invention, FIG. 16 is a diagram showing a conventional quantum coupling device, FIG. FIG. 17A is a diagram showing a storage cell portion of a random access memory according to a fourth embodiment of the present invention, FIG. 17B is a diagram showing a cross-sectional structure of the storage cell array portion, and FIG. FIG. 19 is a diagram for explaining the similarity to the latch circuit, and FIG. 19 is a diagram showing the similarity between the series-connected active region and the latch circuit. FIG. 20 is a diagram showing the electric field dependence of the carrier position when an electric field is applied to the active region of the fifth embodiment of the present invention. FIG. 21 is a diagram showing the temperature dependence of the dielectric constant of the present invention. Fig. 22 shows the dependence of the transition temperature on the lattice constant.
The figure shows the dependence of the transition temperature on the quantum well width, FIG. 24 shows the dependence of the transition temperature on the barrier thickness between quantum wells, FIG. 25 shows the dependence of the transition temperature on the effective mass, and FIG. The figure shows the dependence of the transition temperature on the barrier height between quantum wells, and FIG. 27 shows the change in the transition temperature when all dimensions are proportionally reduced (or enlarged). FIG. 28 is a diagram showing the operable range of the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... first quantum well, 2 ... thin barrier film, 3 ... second quantum well, 5 ... donor, 6 ... active region, 8 ... p-type silicon substrate, 9 ... n + Source region consisting of regions, 10 …… n +
Drain region, 11 ... source terminal, 12 ...
Thin barrier film, 13 ... gate terminal, 14 ... gate electrode, 15
... barrier region, 16 ... quantum well, 17 ... drain terminal,
18 gate insulating film, 19 first active region, 20 second active region, 21 word line, 22 data line, 26 memory cell, 24 normal insulated gate electric field Selection transistor using an effect transistor, 25... Storage transistor using a field-effect transistor having a bistable state,
27 control line, 28 column direction decode / selection circuit and sense circuit, 29 row direction decode circuit, 30
Control electrode, 31 ... inverted polarization region, 32 ... electron, 33 ... donor impurity, 34 ... thin barrier film, 35 ... first quantum well,
36 second quantum well, 37 barrier region, 38 ground region, 39 T-shaped control electrode, 40 I-shaped control electrode, 41
…… Horizontal electric field application electrode, 42 …… Power supply and control circuit,
43… Storage unit, 44… Sense circuit and I / O port, 45…
… Minor loop, 46… transfer gate, 47… major loop, 48… quantum dot. 49 …… First quantum well, 50
... A second quantum well, 51... A thin barrier film, 52, 53... An active region, 54... A barrier region, 55. 56
... Memory cells, 57 word lines, 58 data lines.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−69980(JP,A) 特開 平3−108759(JP,A) 特開 平2−140973(JP,A) 特開 昭61−84063(JP,A) 特開 昭61−82473(JP,A) 特開 昭62−163364(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/10 H01L 21/338 H01L 21/8247 Continuation of the front page (56) References JP-A-4-69980 (JP, A) JP-A-3-108759 (JP, A) JP-A-2-140973 (JP, A) JP-A-61-84063 (JP) JP-A-61-82473 (JP, A) JP-A-62-163364 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 27/10 H01L 21/338 H01L 21/8247

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】高抵抗半導体、絶縁体あるいは半絶縁体か
らなる障壁領域を有し、 該障壁領域の中に複数の活性領域を含み、 該活性領域はその内部に伝導キャリアを閉じ込めること
ができ、 各々の上記活性領域がドナー、あるいはアクセプタとし
て動く不純物原子を含み、 上記複数の活性領域の1つの内部における上記伝導キャ
リアの局在により電気双極子を発生せしめることを特徴
とする半導体装置。
1. A semiconductor device comprising a barrier region comprising a high-resistance semiconductor, an insulator or a semi-insulator, wherein the barrier region includes a plurality of active regions, wherein the active region is capable of confining conduction carriers therein. A semiconductor device, wherein each of the active regions includes an impurity atom acting as a donor or an acceptor, and an electric dipole is generated by localization of the conduction carrier inside one of the plurality of active regions.
【請求項2】上記複数の活性領域間に働く上記電気双極
子の相互作用によって、該活性領域の1つの内部におけ
る上記伝導キャリアの局在を変化させることにより、上
記活性領域に生じた電気双極子の方向もしくは大きさを
変化せしめ、該変化を隣接する電気双極子方向もしくは
大きさの変化として伝播させ、これにより情報が伝達さ
れてなることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
半導体装置。
2. The electric dipole generated in the active region by changing the localization of the conduction carrier inside one of the active regions by the interaction of the electric dipole acting between the plurality of active regions. 2. The method according to claim 1, wherein the direction or size of the element is changed, and the change is propagated as a change in the direction or size of an adjacent electric dipole, whereby information is transmitted. Semiconductor device.
【請求項3】上記活性領域は、その中に、第1及び第2
の低ポテンシャルエネルギ領域を有することを特徴とす
る特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。
3. The active region includes first and second active regions therein.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a low potential energy region.
【請求項4】上記活性領域は、その中に、第1及び第2
の低ポテンシャルエネルギ領域を有し、 上記伝導キャリアが第1の低ポテンシャルエネルギ領域
に存在するか、第2の低ポテンシャルエネルギ領域に存
在するかによって上記電気双極子が形成されてなり、 複数の上記活性領域における電気双極子に対応させて情
報を保持することを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の半導体装置。
4. The active region includes a first and a second region therein.
Wherein the electric dipole is formed depending on whether the conduction carriers are present in the first low potential energy region or in the second low potential energy region. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein information is held in correspondence with the electric dipole in the active region.
【請求項5】上記障壁領域と上記複数の活性領域を含む
膜を具備してなり、 該膜の方線方向と実質的に平行に電界を印加し、該電界
と実質的に同一方向もしくは実質的に反対方向の電気双
極子からなる微小領域を上記膜の内部に分布せしめ、 情報を保持することを特徴とすることを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載の半導体装置。
5. A film comprising the barrier region and the plurality of active regions, wherein an electric field is applied substantially parallel to a direction normal to the film, and the electric field is applied substantially in the same direction or substantially as the electric field. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a minute region composed of electric dipoles in opposite directions is distributed inside said film to retain information.
【請求項6】上記印加電界と実質的に同一方向もしくは
実質的に反対方向の上記電気双極子からなる上記微小領
域をディジタル信号の“1"あるいは“0"と対応させるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の半導体装
置。
6. A patent characterized in that the minute area composed of the electric dipoles in the same direction or substantially the opposite direction as the applied electric field corresponds to a digital signal "1" or "0". The semiconductor device according to claim 5.
【請求項7】上記膜の面の方向と実質的に平行に電界を
印加し、該電界の方向を回転せしめることによって、上
記複数の活性領域の間で電気双極子を転送することを特
徴とする特許請求の範囲第5項記載の半導体装置。
7. An electric dipole is transferred between the plurality of active regions by applying an electric field substantially parallel to a direction of a plane of the film and rotating the direction of the electric field. 6. The semiconductor device according to claim 5, wherein:
【請求項8】上記活性領域の1対を互いに隣接して配置
することにより、等価的にフリップフロップを擬似する
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装
置。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a pair of said active regions are disposed adjacent to each other to equivalently simulate a flip-flop.
【請求項9】上記擬似フリップフロップを複数個配置
し、該複数個の擬似フリップフロップにワード線とデー
タ線を接続もしくは接近させて情報記憶装置を構成する
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装
置。
9. An information storage device comprising a plurality of pseudo flip-flops arranged and a word line and a data line connected or approached to the plurality of pseudo flip-flops. 2. The semiconductor device according to claim 1.
【請求項10】上記半導体装置の動作温度の上限値が所
定の値に設定され、該上限値における上記電気双極子の
極在による誘電率が少なくとも所定の値を有する如く、
上記複数の電気双極子の間の距離が少なくとも設定され
てなることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半
導体装置。
10. An upper limit of an operating temperature of the semiconductor device is set to a predetermined value, and a dielectric constant due to the localization of the electric dipole at the upper limit has at least a predetermined value.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least a distance between the plurality of electric dipoles is set.
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