JP3564726B2 - Quantum memory and needle electrode used for it - Google Patents

Description

【００２８】
Ｗ_１ 、Ｗ_２ 、Ｗ_３ 、Ｂ_１２、Ｂ_２３などの値の一例を挙げると、Ｗ_１ 〜１０ｎｍ、Ｗ_２ 〜（１０〜１５）ｎｍ、Ｗ_３ 〜１０ｎｍ、Ｂ_１２〜１２ｎｍ、Ｂ_２３〜８ｎｍである。一方、ｘ−ｙ面に平行な面内の量子ドットＱＤ_ｊ−ｋ （ｋ＝１、２、３）の大きさは例えば〜１０ｎｍであり、その間隔は例えば〜５０ｎｍである。
【００２９】
量子ドットＱＤ_ｊ−ｋ の積層方向に沿ってのメモリセルｊのエネルギーバンド図を図３に示す。図３中のＥ_ｃ およびＥ_ｖ はそれぞれ伝導帯の底のエネルギーおよび価電子帯の頂上のエネルギーを示す（以下同様）。
【００３０】
この第１実施例による量子メモリにおいては、上述の構成に加えて、後述のように針状電極により外部電場が印加される側の主面とは反対側の主面、すなわちメモリセルアレーの第１段目の量子ドット側の主面に、導電性材料から成るバックゲートＢＧが設けられている。後に詳細に説明するように、このバックゲートＢＧは、針状電極により印加される外部電場を空間的に局所化するためのものであり、通常接地される。
【００３１】
次に、上述のように構成されたこの第１実施例による量子メモリの動作原理について説明する。ここで、後述のように、書き込み時や読み出し時には、書き込みや読み出しを行うべきメモリセルに単色光、具体的にはレーザー光を照射するが、このレーザー光は、量子ドットのバンド間の電子のエネルギー準位間隔（１ｅＶ程度）やサブバンド間の電子のエネルギー準位間隔（０．３ｅＶ程度）に対応する光子エネルギーを有する必要があるので、この程度の光子エネルギーを有するレーザー光のスポットサイズは数μｍ以上になり、必然的に、書き込みや読み出しを行うべきメモリセル以外に多数のメモリセルが含まれる広い領域に照射される。そこで、このレーザー光が照射された多数のメモリセルから特定のメモリセルを選択して書き込みや読み出しを行うために、走査型トンネル顕微鏡の走査針と同様な針状電極を用いてその特定のメモリセルに外部電場を印加する。
【００３２】
まず、この第１実施例による量子メモリに書き込みを行う場合には、図４に示すように、書き込みを行うべきメモリセルｊを含む領域にレーザー光Ｌを照射しておく。この状態においては、いずれのメモリセルにも外部電場が印加されていない。このレーザー光Ｌとしては、後述の針状電極ＮＥにより外部電場が印加されていないときの第２段目の量子ドットＱＤ_ｊ−２ における電子−正孔対生成エネルギーをＥ_ｅｈとしたとき、これより少し光子エネルギーの小さい（波長の長い）レーザー光を用いる。すなわち、レーザー光Ｌの光子エネルギーをｈν＝Ｅ_ｉｎとすると、Ｅ_ｉｎ＜Ｅ_ｅｈである。このとき、レーザー光Ｌの照射により量子ドットＱＤ_ｊ−２ に電子−正孔対は生成されず、光吸収は起こらない（図５）。
【００３３】
上述のように書き込みを行うべきメモリセルｊを含む領域にレーザー光Ｌを照射した状態において、図６に示すように、量子メモリに対して正の電圧が印加された針状電極ＮＥを、書き込みを行うべきメモリセルｊに接近させ、外部電場を印加する。このときのメモリセルｊのエネルギーバンド図は図７に示すようになる。このように外部電場が印加されたときには、シュタルク・シフトにより
ΔＥ＝Ｅ_０ ^{（ｊ−２）} −Ｈ_０ ^{（ｊ−２）} （１５）
は減少する。そして、この外部電場の強さがΔＥ＝Ｅ_ｉｎとなる程度であれば、共鳴的にレーザー光Ｌの吸収が起こり、量子ドットＱＤ_ｊ−２ 内に電子−正孔対が生成される（図７）。このシュタルク・シフトは、量子ドットＱＤ_ｊ−２ の上下の量子ドットＱＤ_ｊ−１ 、ＱＤ_ｊ−３ の存在により、量子ドットＱＤ_ｊ−２ 単独の場合に比べて大きく、好都合である。
【００３４】
ｚ方向に印加された上述の外部電場によって、図８に示すように、上述のようにして量子ドットＱＤ_ｊ−２ 内に生成された電子−正孔対のうち電子は量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内に、正孔は量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内に速やかに移動する。そして、量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内に移動した電子はよりエネルギーの低い基底状態のエネルギー準位Ｅ_０ ^{（ｊ−３）} に、量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内に移動した正孔はよりエネルギーの低い基底状態のエネルギー準位Ｈ_０ ^{（ｊ−１）} にそれぞれ緩和し、空間的に互いに分離される。
【００３５】
この後、針状電極ＮＥをメモリセルｊから遠ざけて外部電場の印加をなくす。このとき、メモリセルｊ内の電子および正孔は互いに空間的に分離されていることから、これらの電子および正孔は再結合することなく、安定に保持される（図９）。この図９に示すように、量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内に電子が入り、量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内に正孔が入った状態をもって１ビットの記憶とする。
【００３６】
一方、レーザー光Ｌが照射された多数のメモリセルのうちメモリセルｊ以外のメモリセルでは、針状電極ＮＥにより印加される外部電場の強さが小さく、十分な大きさのシュタルク・シフトが得られないので、光吸収は起きず、したがってこれらのメモリセルにおいては電子−正孔対は生成されない。すなわち、メモリセルｊ内にのみ電子−正孔対が生成され、それによって１ビットの情報が記憶されることになる。
【００３７】
次に、この第１実施例による量子メモリの読み出しを行う場合について説明する。ここでは、メモリセルｊの量子ドットＱＤ_ｊ−３ の電子の基底状態のエネルギー準位Ｅ_０ ^{（ｊ−３）} に電子が入っており、量子ドットＱＤ_ｊ−１ の正孔の基底状態のエネルギー準位Ｈ_０ ^{（ｊ−１）} に正孔が入っているとする（図１０）。
【００３８】
この読み出し時には、図４に示すと同様に、読み出しを行うべきメモリセルｊを含む領域にレーザー光Ｌを照射しておく。この場合、このレーザー光Ｌとしては、その光子エネルギーｈνが、量子ドットＱＤ_ｊ−２ の電子の基底状態のエネルギー準位Ｅ_０ ^{（ｊ−２）} と第１励起状態のエネルギー準位Ｅ_１ ^{（ｊ−２）} との差
Ｅ_ｏｕｔ ＝Ｅ_１ ^{（ｊ−２）} −Ｅ_０ ^{（ｊ−２）} （１６）
に等しいものを用いる。このような光子エネルギーｈνがＥ_ｏｕｔ に等しいレーザー光Ｌがメモリセルｊに照射されたとき、メモリセルｊ内に電子が存在してもそれは量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内に存在するので、光吸収は起こらない。そこで、図６に示すと同様に、書き込み時とは逆に量子メモリに対して負の電圧が印加された針状電極ＮＥを読み出しを行うべきメモリセルｊに接近させ、外部電場を印加する。このときのメモリセルｊのエネルギーバンド図を図１１に示す。
【００３９】
この外部電場の強さが、Ｅ_０ ^{（ｊ−３）} とＥ_０ ^{（ｊ−２）} とがほぼ一致するような強さであると、電子は共鳴的に第２段目の量子ドットＱＤ_ｊ−２ に移る確率を有し、このとき初めてｈν＝Ｅ_ｏｕｔ のレーザー光Ｌが吸収される。この場合、量子ドットＱＤ_ｊ−１ および量子ドットＱＤ_ｊ−２ の間にある障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１の幅Ｂ_１２と量子ドットＱＤ_ｊ−２ および量子ドットＱＤ_ｊ−３ の間にある障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１の幅Ｂ_２３とが互いに異なり、
Ｂ_１２＞Ｂ_２３ （１７）
であることから、量子ドットＱＤ_ｊ−３ から量子ドットＱＤ_ｊ−２ に移動した電子は量子ドットＱＤ_ｊ−１ まで移動することはない。また、量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内の正孔は移動せず、その量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内にとどまっている。この量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内の正孔が移動しないのは、幅Ｂ_２３の障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１を電子がトンネルするために必要な時間に比べて、幅Ｂ_１２の障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層１を正孔がトンネルするために必要な時間の方が圧倒的に大きいためであるが、それは、Ｂ_１２とＢ_２３との違いとともに、正孔の有効質量の方が電子の有効質量よりも大きいことにもよっている。
【００４０】
メモリセルｊ内に電子および正孔が存在しなければ、レーザー光Ｌを照射しても光吸収は起きないので、光吸収の有無によりメモリセルのビット情報の読み出しを行うことができることになる。
【００４１】
書き込み時と同様に、レーザー光Ｌが照射された多数のメモリセルのうちメモリセルｊ以外のメモリセルでは、針状電極ＮＥにより印加される外部電場の強さが小さく、そのメモリセル内に電子が存在するとしてもそれは第２段目の量子ドットに移動することができないので、光吸収はなく、メモリセルｊだけの情報を読み出すことができることがわかる。
【００４２】
次に、この第１実施例による量子メモリの初期化（または消去）を行う方法について説明する。まず、特定のメモリセルの初期化を行う方法としては、二つの方法がある。一つの方法は、初期化を行うべきメモリセルｊに、読み出し時に印加する電圧よりも大きい負の電圧が印加された針状電極ＮＥを接近させて外部電場を印加することによりそのメモリセルｊ内で電子−正孔再結合を起こさせる方法であり、もう一つの方法は、例えば読み出し時と同様な外部電場をより長時間印加することによりそのメモリセルｊ内で電子−正孔再結合を起こさせる方法である。なお、場合によっては、針状電極ＮＥにより交流電場を印加することにより特定のメモリセルの初期化を行うことも可能である。
【００４３】
また、全てのメモリセルの初期化を一括して行う方法としては、量子メモリの温度を高くし、フォノンの吸収により電子−正孔再結合を促進する方法がある。このときの量子メモリの温度Ｔの目安は、図１２に示すように、量子ドットＱＤ_ｊ−１ の正孔の基底状態のエネルギー準位Ｈ_０ ^{（ｊ−１）} にある正孔を量子ドットＱＤ_ｊ−２ の正孔の基底状態のエネルギー準位Ｈ_０ ^{（ｊ−２）} に、量子ドットＱＤ_ｊ−３ の電子の基底状態のエネルギー準位Ｅ_０ ^{（ｊ−３）} にある電子を量子ドットＱＤ_ｊ−２ の電子の基底状態のエネルギー準位Ｅ_０ ^{（ｊ−２）} にそれぞれ熱的に励起することができるような温度であり、具体的には、ボルツマン定数をｋ_Ｂ とすると、
［Ｈ_０ ^{（ｊ−２）} −Ｈ_０ ^{（ｊ−１）} ］〜［Ｅ_０ ^{（ｊ−２）} −Ｅ_０ ^{（ｊ−３）} ］〜ｋ_Ｂ Ｔ （１８）
となる程度の温度である。
【００４４】
全てのメモリセルの初期化を一括して行うもう一つの方法は、（１８）式で与えられる光子エネルギーを有する単色光を量子メモリ全体に照射し、全てのメモリセルの第３段目の量子ドット内の電子および第１段目の量子ドット内の正孔を第２段目の量子ドット内に励起して、電子−正孔再結合を起こさせる方法である。
【００４５】
次に、上述のように構成されたこの第１実施例による量子メモリの製造方法について説明する。
【００４６】
まず、図１３に示すように、図示省略した化合物半導体基板（例えば、ＧａＡｓ基板）上に、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、十分に厚いＡｌＧａＡｓ層１ａ、厚さＷ_１ のＩｎＧａＡｓ層２、厚さＢ_１２のＡｌＧａＡｓ層１ｂ、厚さＷ_２ のＧａＡｓ層３、厚さＢ_２３のＡｌＧａＡｓ層１ｃ、厚さＷ_３ のＩｎＧａＡｓ層４および所定の厚さのＡｌＧａＡｓ層１ｄを順次エピタキシャル成長させる。ただし、バックゲートは、後述するその構造の種類に応じて、使用する化合物半導体基板自身により形成されるかまたはその化合物半導体基板上にあらかじめ形成されているものとする。ここで、現在のＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によれば、Ｗ_１ 、Ｗ_２ 、Ｗ_３ 、Ｂ_１２、Ｂ_２３が（９）式および（１１）式を満たすように制御してエピタキシャル成長を行うことは容易である。また、ＩｎＧａＡｓ層２およびＩｎＧａＡｓ層４のＩｎ組成比やＡｌＧａＡｓ層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのＡｌ組成比を制御することにより、量子ドットＱＤ_ｊ−１ の量子井戸層となるＩｎＧａＡｓ層２の伝導帯におけるポテンシャル井戸の深さＶ_１ 、量子ドットＱＤ_ｊ−２ の量子井戸層となるＧａＡｓ層３の伝導帯におけるポテンシャル井戸の深さＶ_２ 、量子ドットＱＤ_ｊ−３ の量子井戸層となるＩｎＧａＡｓ層４の伝導帯におけるポテンシャル井戸の深さＶ_３ が（１０）式を満たすように制御してエピタキシャル成長を行うことができる。
【００４７】
次に、図１４に示すように、ＡｌＧａＡｓ層１ｄ上に電子ビームリソグラフィー法などによりメモリセルに対応した形状のレジストパターン５を形成する。
【００４８】
次に、このレジストパターン５をマスクとして、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ＡｌＧａＡｓ層１ｄ、ＩｎＧａＡｓ層４、ＡｌＧａＡｓ層１ｃ、ＧａＡｓ層３およびＡｌＧａＡｓ層１ｂおよびＩｎＧａＡｓ層２を基板表面に対して垂直な方向に順次エッチングする。このエッチングは、ＩｎＧａＡｓ層２が互いに分離するようにオーバーエッチング気味に行う。これによって、図１５に示すように、ＩｎＧａＡｓ層２、ＡｌＧａＡｓ層１ｂ、ＧａＡｓ層３、ＡｌＧａＡｓ層１ｃ、ＩｎＧａＡｓ層４およびＡｌＧａＡｓ層１ｄが四角柱状にパターニングされる。
【００４９】
次に、レジストパターン５を除去した後、図１６に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により、基板表面に対して垂直な側壁上に成長が起きない条件でＡｌＧａＡｓ層１ｅをエピタキシャル成長させて、四角柱状のＩｎＧａＡｓ層２、ＡｌＧａＡｓ層１ｂ、ＧａＡｓ層３、ＡｌＧａＡｓ層１ｃ、ＩｎＧａＡｓ層４およびＡｌＧａＡｓ層１ｄの間の部分を埋める。ここで、ＡｌＧａＡｓ層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅの全体が図２に示すＡｌＧａＡｓ層１に対応する。
以上のようにして、図２に示す量子メモリが完成される。
【００５０】
ところで、この第１実施例においては、書き込み時や読み出し時に、書き込みや読み出しを行うべきメモリセルを含む領域に所定の光子エネルギーを有するレーザー光Ｌを照射しながら、針状電極ＮＥによりそのメモリセルに外部電場を印加している。そして、この外部電場の印加によって、メモリセルの量子ドットの内部量子状態が変化し、レーザー光Ｌを共鳴的に吸収することができるようになり、書き込みや読み出しを行うことができる。図１７に示す光吸収強度曲線において、この共鳴吸収が起こる光エネルギーを、外部電場を印加したときの量子メモリの表面電位φの関数でＥ（φ）と書く。また、この光吸収強度曲線についての半値幅をΔＷとする。
【００５１】
いま、バックゲートＢＧがない場合を考えると、通常の走査型トンネル顕微鏡の走査針と同様な針状電極ＮＥにより外部電場を印加したときの空間電位分布は図１８に示すようになっている。この場合、金属などの材料により形成されている針状電極ＮＥの外部は真空であり、その誘電率は小さい。この結果、針状電極ＮＥにより量子メモリに印加される外部電場はかなり広がっている。このときの量子メモリの表面の電位分布φ（ｘ）は図１９に示すようになめらかな変化をしている。したがって、針状電極ＮＥ直下のメモリセルｊでのみ共鳴吸収を起こさせ、隣接するメモリセルでは吸収を起こさせないようにするためには、メモリセル間の間隔を十分に大きくしなければならない。すなわち、メモリセルｊの位置座標をｘ_ｊ 、隣接するメモリセルｊ−１のそれをｘ_ｊ−１ とすると、
Ｅ（φ（ｘ_ｊ−１ ））＜Ｅ（φ（ｘ_ｊ ））−ΔＷ （１９）
または
Ｅ（φ（ｘ_ｊ ））＋ΔＷ＜Ｅ（φ（ｘ_ｊ−１ ）） （２０）
が成立しないと、メモリセルｊと隣接するメモリセルｊ−１とを区別することができない。
【００５２】
上述のようにメモリセル間の間隔を十分に大きくしなければならないことは、量子メモリの集積度の向上を図る上で好ましくない。この問題は、この第１実施例による量子メモリにおけるように、針状電極ＮＥにより外部電場が印加される側の主面と反対側の主面にバックゲートＢＧを設けることにより解決することができる。
【００５３】
すなわち、このバックゲートＢＧを設けると、針状電極ＮＥによって印加された外部電場はバックゲートＢＧ内の電荷によってスクリーニングされ、量子メモリ内ではこの外部電場は狭い領域に閉じ込められる。この結果、量子メモリの表面に針状電極ＮＥを接近させたときにこの針状電極ＮＥによって印加される外部電場は図２０に示すように局所化される。
【００５４】
このスクリーニングについてもう少し詳しく説明すると次の通りである。一般に、真空を含め、誘電体中では、クーロン力の逆二乗則は変わらないが、自由に動ける電荷があると、外部電場が印加されたときにその電荷が外部電場を打ち消すように移動することによって、スクリーニングが起こる。すなわち、導体（ここではバックゲート）の外部にある電荷によって、導体内に誘導電荷が生じ、クーロン・ポテンシャルの距離に対する減衰率が大きくなるのである。図２１に示すように、最も単純な導体平板と単一電荷（ｑ）とから成る系の場合、導体表面付近の外部電場は、（ｒ^２ ＋ａ^２ ）^−３／２〜ｒ^−３（ｒ→∞）で変化し、導体のない場合の（ｒ^２ ＋ａ^２ ）^−１〜ｒ^−２（ｒ→∞）に比べて、減衰の次数は１次高いことがわかる。この減衰がバックゲートによって引き起こされ、この電位変化に引きずられて誘電体部分の電場も局所化するのである。
【００５５】
次に、上述のバックゲートを有する量子メモリの具体例について説明する。
【００５６】
図２２に示す第１の例においては、量子メモリを製造する際の基板としてｎ型ＧａＡｓ基板１１を用い、このｎ型ＧａＡｓ基板１１上に図２に示すと同様な三段の量子ドットアレーを形成する。このｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にはこのｎ型ＧａＡｓ基板１１とオーミック接触するように電極１２を形成する。そして、この電極１２を接地し、ｎ型ＧａＡｓ基板１１を接地する。この場合、ｎ型ＧａＡｓ基板１１がバックゲートとなり、ＡｌＧａＡｓ層１がこのバックゲートと量子ドットアレーとを分離する層となる。
【００５７】
図２３に示す第２の例においては、量子メモリを製造する際の基板として半絶縁性ＧａＡｓ基板１３を用い、この半絶縁性ＧａＡｓ基板１３上にｎ型ＧａＡｓ層１４をエピタキシャル成長させた後、このｎ型ＧａＡｓ層１４上に図２に示すと同様な三段の量子ドットアレーを形成する。この後、量子ドットアレーの一部をエッチング除去してその部分にｎ型ＧａＡｓ層１４を露出させ、この露出したｎ型ＧａＡｓ層１４上に電極１２を形成する。そして、この電極１２を接地し、ｎ型ＧａＡｓ層１４を接地する。この場合、ｎ型ＧａＡｓ層１３がバックゲートとなる。
【００５８】
図２４に示す第３の例においては、量子メモリを製造する際の基板として半絶縁性ＧａＡｓ基板１３を用い、この半絶縁性ＧａＡｓ基板１３上にｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５およびｉ型ＧａＡｓ層１６を順次エピタキシャル成長させた後、ｉ型ＧａＡｓ層１６上に図２に示すと同様な三段の量子ドットアレーを形成する。この後、量子ドットアレーの一部をエッチング除去してその部分にｉ型ＧａＡｓ層１６を露出させ、この露出したｉ型ＧａＡｓ層１６上に電極１２を形成する。そして、この電極１２を接地する。この場合、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５とｉ型ＧａＡｓ層１６とのヘテロ接合の界面におけるｉ型ＧａＡｓ層１６中にｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５から電子が供給され、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成される。それによって、このｉ型ＧａＡｓ層１６と電極１２とがオーミック接触する。この場合、この２ＤＥＧが存在するｉ型ＧａＡｓ層１６がバックゲートとなる。
【００５９】
以上のように、この第１実施例による量子メモリによれば、各メモリセルの大きさが１０ｎｍ×１０ｎｍ程度であり、メモリセル間の間隔も５０ｎｍ程度以下とすることができるので、メモリセル１個当たりの実効的な占有面積、言い換えれば１ビット当たり必要な面積は５０ｎｍ×５０ｎｍ＝２５×１０^−１６ ｍ^２ 程度以下と、従来の半導体メモリに比べて極めて小さくすることができる。したがって、例えばメモリセルアレーのサイズが６ｍｍ×６ｍｍであるとすれば、この量子メモリは、１６ギガ・ビット以上もの情報を記憶することができる。また、この量子メモリにおいては、１ビット当たり単一の電子−正孔対しか使用しないので、極めて低消費電力である。
【００６０】
次に、この発明の第２実施例による量子メモリについて説明する。
この第２実施例による量子メモリの全体構成は図１に示すと同様である。
図２５はこの第２実施例による量子メモリを示す斜視図であり、メモリセルアレーの一部を示したものである。
【００６１】
図２５において、符号２１は障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層を示す。この場合には、ｘ−ｙ面に平行な第１の面内に量子井戸層としての箱状のＧａＡｓ層２２が所定の配列パターンでアレー状に配列され、ｘ−ｙ面に平行な第２の面内に量子井戸層としての箱状のＧａＡｓ層２３がその下段のＧａＡｓ層２２に対応してアレー状に配列され、ｘ−ｙ面に平行な第３の面内に量子井戸層としての箱状のＧａＡｓ層２４がその下段のＧａＡｓ層２３およびＧａＡｓ層２２に対応してアレー状に配列されている。これらのＧａＡｓ層２２、ＧａＡｓ層２３およびＧａＡｓ層２４は、障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２１に埋め込まれている。
【００６２】
この場合、量子井戸層としてのＧａＡｓ層２２が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２１で囲まれた構造により図２５中下段、すなわち第１段目の量子ドットが形成され、量子井戸層としてのＧａＡｓ層２３が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２１で囲まれた構造により図２５中中段、すなわち第２段目の量子ドットが形成され、量子井戸層としてのＧａＡｓ層２４が障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２１で囲まれた構造により図２５中上段、すなわち第３段目の量子ドットが形成されている。そして、ｚ方向に順次積層されたこれらの第１段目の量子ドット、第２段目の量子ドットおよび第３段目の量子ドットにより一つのメモリセルが構成されている。ここでは、第１実施例と同様に、メモリセルｊを構成する第１段目の量子ドットをＱＤ_ｊ−１ 、第２段目の量子ドットをＱＤ_ｊ−２ 、第３段目の量子ドットをＱＤ_ｊ−３ と書く。
【００６３】
すなわち、第１実施例による量子メモリにおいては、メモリセルｊの第１段目の量子ドットＱＤ_ｊ−１ および第３段目の量子ドットＱＤ_ｊ−３ はＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合により構成され、第２段目の量子ドットＱＤ_ｊ−２ はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成されているのに対して、この第２実施例による量子メモリにおいては、メモリセルｊの第１段目の量子ドットＱＤ_ｊ−１ 、第２段目の量子ドットＱＤ_ｊ−２ および第３段目の量子ドットＱＤ_ｊ−３ ともただ一種類のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成されている。
【００６４】
いま、第１実施例と同様に、量子ドットＱＤ_ｊ−１ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２２のｚ方向の幅をＷ_１ 、量子ドットＱＤ_ｊ−２ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２３のｚ方向の幅をＷ_２ 、量子ドットＱＤ_ｊ−３ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２４のｚ方向の幅をＷ_３ とし、量子ドットＱＤ_ｊ−１ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２２の伝導帯におけるポテンシャル井戸の深さをＶ_１ 、量子ドットＱＤ_ｊ−２ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２３の伝導帯におけるポテンシャル井戸の深さをＶ_２ 、量子ドットＱＤ_ｊ−３ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２４の伝導帯におけるポテンシャル井戸の深さをＶ_３ とする。また、量子ドットＱＤ_ｊ−１ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２２および量子ドットＱＤ_ｊ−２ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２３の間にある障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２１のｚ方向の幅をＢ_１２、量子ドットＱＤ_ｊ−２ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２３および量子ドットＱＤ_ｊ−３ の量子井戸層としてのＧａＡｓ層２４の間にある障壁層としてのＡｌＧａＡｓ層２１のｚ方向の幅をＢ_２３とする。さらに、量子ドットＱＤ_ｊ−ｋ （ｋ＝１、２、３）の電子の基底状態のエネルギー準位および第１励起状態のエネルギー準位をそれぞれＥ_０ ^{（ｊ−ｋ）} およびＥ_１ ^{（ｊ−ｋ）} と書き、量子ドットＱＤ_ｊ−ｋ （ｋ＝１、２、３）の正孔の基底状態のエネルギー準位および第１励起状態のエネルギー準位をそれぞれＨ_０ ^{（ｊ−ｋ）} およびＨ_１ ^{（ｊ−ｋ）} と書く。
【００６５】
さて、この第２実施例による量子メモリにおいては、メモリセルｊを構成する量子ドットＱＤ_ｊ−１ 、ＱＤ_ｊ−２ およびＱＤ_ｊ−３ は下記の式を満たすように設計されている。
Ｂ_１２＞Ｂ_２３ （２１）
Ｅ_０ ^{（ｊ−１）} 〜Ｅ_０ ^{（ｊ−３）} ＜Ｅ_０ ^{（ｊ−２）} （２２）
ここで、（２２）式の条件は、
Ｗ_２ ＜Ｗ_１ 〜Ｗ_３ （２３）
とすることによって実現することが可能である。
【００６６】
これらの条件は、第１実施例による量子メモリの条件（（９）〜（１４）式）に比べて単純になっている。特に、Ｖ_２ ＜Ｖ_１ 〜Ｖ_３ （（１０）式）の条件が不要であることから、
Ｖ_１ ＝Ｖ_２ ＝Ｖ_３ （２４）
でもよく、上述のように量子ドットＱＤ_ｊ−ｋ の量子井戸層の材料をいずれもＧａＡｓ層とすることができるのである。
【００６７】
Ｗ_１ 、Ｗ_２ 、Ｗ_３ 、Ｂ_１２、Ｂ_２３などの値の一例を挙げると、Ｗ_１ 〜１０ｎｍ、Ｗ_２ 〜５ｎｍ、Ｗ_３ 〜１０ｎｍ、Ｂ_１２ 〜（１０〜１５）ｎｍ、Ｂ_２３〜５ｎｍである。一方、ｘ−ｙ面に平行な面内の量子ドットＱＤ_ｊ−ｋ （ｋ＝１、２、３）の大きさは例えば〜１０ｎｍであり、その間隔は例えば〜５０ｎｍである。
【００６８】
量子ドットＱＤ_ｊ−ｋ の積層方向に沿ってのメモリセルｊのエネルギーバンド図を図２６に示す。
【００６９】
この第２実施例による量子メモリにおいては、第１実施例による量子メモリと同様に、上述の構成に加えて、後述のように針状電極により外部電場が印加される側の主面とは反対側の主面、すなわちメモリセルアレーの第１段目の量子ドット側の主面に、導電性材料から成るバックゲートＢＧが設けられている。このバックゲートＢＧは通常、接地される。このバックゲートＢＧの具体的な構造は、図２２、図２３および図２４に示すと同様である。
【００７０】
次に、上述のように構成されたこの第２実施例による量子メモリの動作原理について説明する。
【００７１】
まず、この第２実施例による量子メモリに書き込みを行う場合には、図４に示すと同様に、書き込みを行うべきメモリセルｊを含む領域にレーザー光Ｌを照射しておく。この状態においては、いずれのメモリセルにも外部電場が印加されていない。レーザー光Ｌとしては、針状電極ＮＥにより外部電場が印加されていないときの第２段目の量子ドットＱＤ_ｊ−２ における電子−正孔対生成エネルギーをＥ_ｅｈとしたとき、これより少し光子エネルギーの小さい（波長の長い）レーザー光を用いる。すなわち、レーザー光Ｌの光子エネルギーをｈν＝Ｅ_ｉｎとすると、Ｅ_ｉｎ＜Ｅ_ｅｈである。このとき、レーザー光Ｌの照射により量子ドットＱＤ_ｊ−２ 内に電子−正孔対は生成されず、光吸収は起こらない（図２７）。
【００７２】
上述のように書き込みを行うべきメモリセルｊを含む領域にレーザー光Ｌを照射した状態において、図６に示すと同様に、量子メモリに対して正の電圧が印加された針状電極ＮＥを、書き込みを行うべきメモリセルｊに接近させ、外部電場を印加する。このときのメモリセルｊのエネルギーバンド図を図２８に示す。このように外部電場が印加されたときには、シュタルク・シフトにより
ΔＥ＝Ｅ_０ ^{（ｊ−２）} −Ｈ_０ ^{（ｊ−２）} （２５）
は減少する。そして、この外部電場の強さがΔＥ＝Ｅ_ｉｎとなる程度であれば、共鳴的にレーザー光Ｌの吸収が起こり、量子ドットＱＤ_ｊ−２ 内に電子−正孔対が生成される（図２８）。このシュタルク・シフトは、量子ドットＱＤ_ｊ−２ の上下の量子ドットＱＤ_ｊ−１ 、ＱＤ_ｊ−３ の存在により、量子ドットＱＤ_ｊ−２ 単独の場合に比べて大きく、好都合である。
【００７３】
ｚ方向に印加された上述の外部電場によって、図２９に示すように、上述のようにして量子ドットＱＤ_ｊ−２ 内に生成された電子−正孔対のうち電子は量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内に、正孔は量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内に速やかに移動する。そして、量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内に移動した電子はよりエネルギーの低い基底状態のエネルギー準位Ｅ_０ ^{（ｊ−３）} に、量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内に移動した正孔はよりエネルギーの低い基底状態のエネルギー準位Ｈ_０ ^{（ｊ−１）} にそれぞれ緩和し、空間的に互いに分離される。
【００７４】
この後、針状電極ＮＥをメモリセルｊから遠ざけて外部電場の印加をなくす。このとき、メモリセルｊ内の電子および正孔は互いに空間的に分離されていることから、これらの電子および正孔は再結合することなく、安定に保持される（図３０）。この場合、第１実施例と同様に、この図３０に示すように、量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内に電子が入り、量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内に正孔が入った状態をもって１ビットの記憶とする。
【００７５】
一方、レーザー光Ｌが照射された多数のメモリセルのうちメモリセルｊ以外のメモリセルでは、針状電極ＮＥにより印加される外部電場の強さが小さく、十分な大きさのシュタルク・シフトが得られないので、光吸収は起きず、したがってこれらのメモリセルにおいては電子−正孔対は生成されない。すなわち、メモリセルｊ内にのみ電子−正孔対が生成され、それによって１ビットの情報が記憶される。
【００７６】
次に、この第２実施例による量子メモリの読み出しを行う場合について説明する。
いま、メモリセルｊの第２段目の量子ドットＱＤ_ｊ−２ および第３段目の量子ドットＱＤ_ｊ−３ がそれぞれ単独に存在していたとするときの電子の基底状態およびそのエネルギーをそれぞれ｜ψ_０ ^{（ｊ−ｋ）} 〉およびε_０ ^{（ｊ−ｋ）} （ｋ＝２、３）と書くと、
ε_０ ^{（ｊ−２）} ＞ε_０ ^{（ｊ−３）} （２６）
である。
【００７７】
この第２実施例による量子メモリにおいては、二つの量子ドットＱＤ_ｊ−２ および量子ドットＱＤ_ｊ−３ は互いに結合しており、それらの間の障壁の幅Ｂ_２３は小さいが、エネルギーε_０ ^{（ｊ−２）} およびε_０ ^{（ｊ−３）} が違うので、状態｜ψ_０ ^{（ｊ−２）} 〉および｜ψ_０ ^{（ｊ−３）} 〉はあまり混じり合わない。したがって、この結合量子ドット系の電子の基底状態｜Ψ_０ ^（ｊ） 〉および第１励起状態｜Ψ_１ ^（ｊ） 〉は、
｜Ψ_０ ^（ｊ） 〉〜｜ψ_０ ^{（ｊ−３）} 〉 （２７）
｜Ψ_１ ^（ｊ） 〉〜｜ψ_０ ^{（ｊ−２）} 〉 （２８）
である。これらの基底状態｜Ψ_０ ^（ｊ） 〉および第１励起状態｜Ψ_１ ^（ｊ） 〉の波動関数を図２６と同様な図３１に対応して示すと、それぞれ図３２および図３３のようになる。図３２および図３３に示すように、これらの状態｜Ψ_０ ^（ｊ） 〉および｜ψ_０ ^{（ｊ−３）} 〉は空間的に互いに分離されているので、もし光が入射してもそれを吸収する確率は非常に小さい。
【００７８】
さて、この結合量子ドット系に外部電場を印加すると、メモリセルｊのエネルギーバンド図は図３４に示すようになる。この外部電場の印加によって量子状態は変化し、それぞれ単独で存在しているとしたときの量子ドットＱＤ_ｊ−２ および量子ドットＱＤ_ｊ−３ のエネルギー準位が互いに近づくと、共鳴的に両状態が混じり合う。このときのこの結合量子ドット系の量子状態は、
｜Ψ_０ ^（ｊ） 〉〜［｜ψ_０ ^{（ｊ−２）} 〉＋｜ψ_０ ^{（ｊ−３）} 〉］ （２９）
｜Ψ_１ ^（ｊ） 〉〜［｜ψ_０ ^{（ｊ−２）} 〉−｜ψ_０ ^{（ｊ−３）} 〉］ （３０）
のようになり、結合状態｜Ψ_０ ^（ｊ） 〉と反結合状態｜Ψ_１ ^（ｊ） 〉とに分裂する。このときのエネルギーの分裂幅を２ΔＥと書く。これらの結合状態｜Ψ_０ ^（ｊ） 〉および反結合状態｜Ψ_１ ^（ｊ） 〉の波動関数を図３４に対応して示すと、それぞれ図３５および図３６に示すようになる。図３５および図３６からわかるように、これらの二状態は空間的に互いに大きく重なっており、光入射に対してその吸収確率は大きい。
【００７９】
したがって、例えば、走査型トンネル顕微鏡で用いられる走査針と同様な針状電極によって特定のメモリセルのみに外部電場を印加することにより、その印加されたメモリセル内に電子が存在するときにのみエネルギー２ΔＥの光吸収が起こり、それ以外のときには光吸収が起こり得ないことになる。
【００８０】
以上の原理を利用して、メモリセルに記憶された１ビットの情報を読み出す方法について説明する。まず、図４に示すと同様にして、読み出しを行うべきメモリセルｊを含む領域に、２ΔＥ＝ｈνの光子エネルギーを有するレーザー光Ｌを照射しておく。上述のように、このメモリセルｊに外部電場が印加されていないとき（図３７）には、光吸収は起こり得ない。次に、図６に示すと同様に、量子メモリに対して負の電圧が印加された針状電極ＮＥを、読み出しを行うべきメモリセルｊに接近させる。このとき、メモリセルｊのエネルギーバンド図は図３８に示すようになる。ここで、もしそのメモリセルｊの量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内に電子が存在するときには、共鳴的にレーザー光Ｌの吸収が起こる。一方、そのメモリセルｊに電子が存在しないならば光吸収は起こらない。したがって、この光吸収の有無によりメモリセルｊの情報を読み出すことができる。
【００８１】
メモリセルｊの量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内に電子が存在する場合、同時にその量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内に正孔が存在している。量子ドットＱＤ_ｊ−１ および量子ドットＱＤ_ｊ−２ の間の障壁層の幅Ｂ_１２と量子ドットＱＤ_ｊ−２ および量子ドットＱＤ_ｊ−３ の間の障壁層の幅Ｂ_２３とが互いに異なり、
Ｂ_１２＞Ｂ_２３ （３１）
であるので、量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内の正孔は量子ドットＱＤ_ｊ−２ の状態と共鳴もしないし、トンネル障壁の幅Ｂ_１２が大きいので、量子ドットＱＤ_ｊ−１ および量子ドットＱＤ_ｊ−２ 間の結合の強さも小さい。このため、量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内の正孔は量子ドットＱＤ_ｊ−２ に移動せず、量子ドットＱＤ_ｊ−１ 内にとどまっている。また、同様の理由で、量子ドットＱＤ_ｊ−３ 内の電子は量子ドットＱＤ_ｊ−１ に移動することもない。幅Ｂ_２３の障壁を介する電子状態の結合に比べて幅Ｂ_１２の障壁を介する正孔状態の結合の方が圧倒的に強いのは、Ｂ_１２とＢ_２３との違いとともに、正孔の有効質量が電子のそれよりも大きいことにもよっている。
【００８２】
書き込み時と同様に、レーザー光Ｌが照射された多数のメモリセルのうちメモリセルｊ以外のメモリセルでは、針状電極Ｅにより印加される外部電場の強さが小さく、そのメモリセル内に電子が存在するとしてもそれは第２段目の量子ドットに移動することができないので、光吸収はなく、したがってメモリセルｊだけの情報を読み出すことができる。
【００８３】
次に、この第２実施例による量子メモリの初期化（または消去）を行う方法について説明する。まず、特定のメモリセルの初期化を行う方法としては、二つの方法がある。一つの方法は、初期化を行うべきメモリセルｊに、読み出し時に印加する電圧よりも大きい負の電圧が印加された針状電極ＮＥを接近させて外部電場を印加することによりそのメモリセル内で電子−正孔再結合を起こさせる方法であり、もう一つの方法は、例えば読み出し時と同様な外部電場をより長時間印加することにより電子−正孔再結合を起こさせる方法である。
【００８４】
また、全てのメモリセルの初期化を一括して行う方法としては、量子メモリの温度を高くし、フォノンの吸収により電子−正孔再結合を促進する方法がある。このときの量子メモリの温度Ｔの目安は、図３９に示すように、量子ドットＱＤ_ｊ−１ の正孔の基底状態のエネルギー準位Ｈ_０ ^{（ｊ−１）} にある正孔を量子ドットＱＤ_ｊ−２ の正孔の基底状態のエネルギー準位Ｈ_０ ^{（ｊ−２）} に、量子ドットＱＤ_ｊ−３ の電子の基底状態のエネルギー準位Ｅ_０ ^{（ｊ−３）} にある電子を量子ドットＱＤ_ｊ−２ の電子の基底状態のエネルギー準位Ｅ_０ ^{（ｊ−２）} にそれぞれ熱的に励起することができるような温度であり、具体的には、
［Ｈ_０ ^{（ｊ−２）} −Ｈ_０ ^{（ｊ−１）} ］〜［Ｅ_０ ^{（ｊ−２）} −Ｅ_０ ^{（ｊ−３）} ］〜ｋ_Ｂ Ｔ （３２）
となる程度の温度である。
【００８５】
全てのメモリセルの初期化を一括して行うもう一つの方法は、（３２）式で与えられる光子エネルギーを有する単色光を量子メモリ全体に照射し、全てのメモリセルの第３段目の量子ドット内の電子および第１段目の量子ドット内の正孔を第２段目の量子ドット内に励起して、電子−正孔再結合を起こさせる方法である。
次に、上述のように構成されたこの第２実施例による量子メモリの製造方法について説明する。
【００８６】
まず、図４０に示すように、図示省略した化合物半導体基板（例えば、ＧａＡｓ基板）上に、例えばＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法により、十分に厚いＡｌＧａＡｓ層２１ａ、厚さＷ_１ のＧａＡｓ層２２、厚さＢ_１２のＡｌＧａＡｓ層２１ｂ、厚さＷ_２ のＧａＡｓ層２３、厚さＢ_２３のＡｌＧａＡｓ層２１ｃ、厚さＷ_３ のＧａＡｓ層２４および所定の厚さのＡｌＧａＡｓ層２１ｄを順次エピタキシャル成長させる。ただし、第１実施例と同様に、バックゲートは、その構造の種類に応じて、使用する化合物半導体基板自身により形成されるかまたはその化合物半導体基板上にあらかじめ形成されているものとする。
【００８７】
次に、図４１に示すように、ＡｌＧａＡｓ層２１ｄ上に電子ビームリソグラフィー法などによりメモリセルに対応した形状のレジストパターン２５を形成する。
【００８８】
次に、このレジストパターン２５をマスクとして、例えばＲＩＥ法により、ＡｌＧａＡｓ層２１ｄ、ＧａＡｓ層２４、ＡｌＧａＡｓ層２１ｃ、ＧａＡｓ層２３、ＡｌＧａＡｓ層２１ｂおよびＧａＡｓ層２２を基板表面に対して垂直な方向に順次エッチングする。このエッチングは、ＧａＡｓ層２２が互いに分離するようにオーバーエッチング気味に行う。このようにして、図４２に示すように、ＧａＡｓ層２２、ＡｌＧａＡｓ層２１ｂ、ＧａＡｓ層２３、ＡｌＧａＡｓ層２１ｃ、ＧａＡｓ層２４およびＡｌＧａＡｓ層２１ｄが四角柱状にパターニングされる。
【００８９】
次に、レジストパターン２５を除去した後、図４３に示すように、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法により、基板表面に対して垂直な側壁上に成長が起きない条件でＡｌＧａＡｓ層２１ｅをエピタキシャル成長させて、四角柱状のＧａＡｓ層２２、ＡｌＧａＡｓ層２１ｂ、ＧａＡｓ層２３、ＡｌＧａＡｓ層２１ｃ、ＧａＡｓ層２４およびＡｌＧａＡｓ層２１ｄの間の部分を埋める。ここで、ＡｌＧａＡｓ層２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅの全体が図２５に示すＡｌＧａＡｓ層２１に対応する。
以上のようにして、図２５に示す量子メモリが完成される。
【００９０】
以上のように、この第２実施例による量子メモリによれば、各メモリセルの大きさが１０ｎｍ×１０ｎｍ程度であり、メモリセル間の間隔も５０ｎｍ程度以下とすることができるので、１ビット当たり必要な面積は５０ｎｍ×５０ｎｍ＝２５×１０^−１６ ｍ^２ 程度以下と極めて小さくすることができる。したがって、例えばメモリセルアレーのサイズが６ｍｍ×６ｍｍであるとすれば、この量子メモリは、１６ギガ・ビット以上もの情報を記憶することができる。また、この量子メモリにおいては、１ビット当たり単一の電子−正孔対しか使用しないので、極めて低消費電力である。
【００９１】
また、この第２実施例によれば、第１実施例と同様な上記利点に加えて、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合のみで量子メモリを構成することができるので、構造が単純であり、製造も簡単であるという利点もある。
【００９２】
針状電極ＮＥにより印加される外部電場を空間的に局所化するためには、上述のようなバックゲートＢＧを設けることのほかに、次のような構造の針状電極ＮＥを使用することも有効である。そこで、次に、外部電場の空間的な局所化が可能な針状電極ＮＥについて説明する。
【００９３】
図４４はその針状電極ＮＥを示す。図４４に示すように、この針状電極ＮＥにおいては、円柱状の導電体から成る中心電極３１の周囲が絶縁体３２で覆われ、この絶縁体３２の周囲に金属などの導電体から成る外部電極３３が設けられている。ここで、中心電極３１の直径は例えば〜１０ｎｍである。中心電極３１の材料としてはＩｎＡｓやＷなどが用いられ、絶縁体３２の材料としてはＳｉＯ_２ などが用いられ、外部電極３３の材料としてはＡｌなどが用いられる。
【００９４】
この図４４に示す針状電極ＮＥの外部電極３３を接地して電位０とすれば、中心電極３１に所定の電圧を印加したときのこの針状電極ＮＥの先端部の周囲の電位分布は図４５に示すようになり、この針状電極ＮＥにより印加される外部電場は空間的に局所化される。したがって、この針状電極ＮＥを用いて量子メモリのメモリセルに外部電場を印加するときに量子メモリの表面に印加される電場も局所化される（図４６）。このため、隣接するメモリセル間の間隔を小さくすることができ、その分だけメモリセルの高集積密度化を図ることができる。
【００９５】
図４４および図４５に示す針状電極ＮＥは、例えば次のような方法により製造することができる。
まず、図４７に示すように、ＩｎＡｓ基板４１上に、形成すべき中心電極３１と同一の直径、具体的には例えば〜１０ｎｍの直径を有する円形のレジストパターン４２を形成する。
【００９６】
次に、図４８に示すように、このレジストパターン４２をマスクとしてＩｎＡｓ基板４１を例えばＲＩＥ法により基板表面に対して垂直方向に所定深さエッチングし、ＩｎＡｓから成る円柱状の中心電極３１を形成する。ここで、ＩｎＡｓは表面空乏化が起きないので、〜１０ｎｍ程度の直径にパターニングしても導電性は失われない。
【００９７】
次に、図４９に示すように、例えばＣＶＤ法などにより例えばＳｉＯ_２ 膜４３を全面に形成した後、引き続いて例えばＡｌ膜４４を真空蒸着法などにより全面に形成する。
【００９８】
次に、図５０に示すように、例えば有機レジスト４５を厚く塗布して表面を平坦化した後、少なくとも中心電極３１の先端部が露出する深さまで、例えばＲＩＥ法により基板表面に対して垂直方向にエッチバックする。このエッチバック後の状態を図５１に示す。
【００９９】
この後、不要な有機レジスト４５を除去し、図５２に示すように、目的とする針状電極ＮＥを完成させる。
【０１００】
すでに述べたように、この針状電極ＮＥの使用時には、外部電極としてのＡｌ膜４４を接地し、ＩｎＡｓ基板４１に所定の電圧を印加する。
図４４に示す針状電極ＮＥは、次のような方法によっても製造することができる。
【０１０１】
すなわち、ＩｎＡｓ基板４１の代わりに例えばＳｉ基板を用い、このＳｉ基板上にその表面に対して垂直方向に例えばＷを円柱の棒状に選択成長させ、これを中心電極とする。このＷの選択成長は、具体的には、真空排気された所定の成長室内にＳｉ基板を入れた後、成長室内に例えばＷＦ_６ ガスを導入し、Ｓｉ基板表面にビーム径を十分に細く絞った電子ビームを照射することによりＷＦ_６ の分解を起こさせ、ビーム照射部のＳｉ基板表面にＷを堆積させることにより行う。その後、図４９〜図５１に示すと同様に工程を進め、目的とする針状電極ＮＥを完成させる。
【０１０２】
以上、この発明の実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【０１０３】
例えば、上述の第１実施例および第２実施例においては、量子ドットがＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合またはＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合により形成されているが、タイプＩＩのヘテロ接合超格子であるＡｌＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合またはＡｌＳｂ／ＧａＳｂヘテロ接合によって量子ドットを形成してもよい。参考のため、ＡｌＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合およびＧａＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合のエネルギーバンド図をそれぞれ図５３および図５４に示す。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による量子メモリによれば、従来の半導体メモリと全く異なり、順次積層された第１の量子箱、第２の量子箱および第３の量子箱によりメモリセルが構成され、書き込みや読み出しはレーザー光などの光照射と針状電極などによる外部電場の印加とを併用して行うことができる。この量子メモリによれば、従来の半導体メモリで必要であった配線が不要となるばかりでなく、メモリセルの大きさも極めて小さくすることができるので、超高集積度を達成することができる。
【０１０５】
また、この発明による針状電極によれば、この針状電極により印加される外部電場を空間的に局所化することができるので、量子メモリのメモリセル間の間隔を小さくすることができ、その分だけメモリセルの高集積密度化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例による量子メモリを概念的に示す略線図である。
【図２】この発明の第１実施例による量子メモリを示す斜視図である。
【図３】この発明の第１実施例による量子メモリのエネルギーバンド図である。
【図４】この発明の第１実施例による量子メモリに書き込みを行う方法を説明するための斜視図である。
【図５】この発明の第１実施例による量子メモリに書き込みを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図６】この発明の第１実施例による量子メモリに書き込みを行う方法を説明するための斜視図である。
【図７】この発明の第１実施例による量子メモリに書き込みを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図８】この発明の第１実施例による量子メモリに書き込みを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図９】この発明の第１実施例による量子メモリに書き込みを行った後のエネルギーバンド図である。
【図１０】この発明の第１実施例による量子メモリの読み出しを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図１１】この発明の第１実施例による量子メモリの読み出しを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図１２】この発明の第１実施例による量子メモリの初期化を行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図１３】この発明の第１実施例による量子メモリの製造方法を説明するための斜視図である。
【図１４】この発明の第１実施例による量子メモリの製造方法を説明するための斜視図である。
【図１５】この発明の第１実施例による量子メモリの製造方法を説明するための斜視図である。
【図１６】この発明の第１実施例による量子メモリの製造方法を説明するための斜視図である。
【図１７】量子メモリにレーザー光を照射しながら針状電極により外部電場を印加するときの光吸収強度曲線を示す略線図である。
【図１８】バックゲートが設けられていない量子メモリの表面に針状電極を接近させて外部電場を印加したときの電位分布を示す略線図である。
【図１９】バックゲートが設けられていない量子メモリの表面電位の空間的分布を示す略線図である。
【図２０】この発明の第１実施例による量子メモリの表面に針状電極を接近させて外部電場を印加したときの電位分布を示す略線図である。
【図２１】図２０に示される電位分布が得られる理由を説明するための略線図である。
【図２２】針状電極により印加される外部電場の局所化のためのバックゲートを有する量子メモリの第１の例を示す斜視図である。
【図２３】針状電極により印加される外部電場の局所化のためのバックゲートを有する量子メモリの第２の例を示す斜視図である。
【図２４】針状電極により印加される外部電場の局所化のためのバックゲートを有する量子メモリの第３の例を示す斜視図である。
【図２５】この発明の第２実施例による量子メモリを示す斜視図である。
【図２６】この発明の第２実施例による量子メモリのエネルギーバンド図である。
【図２７】この発明の第２実施例による量子メモリに書き込みを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図２８】この発明の第２実施例による量子メモリに書き込みを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図２９】この発明の第２実施例による量子メモリに書き込みを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図３０】この発明の第２実施例による量子メモリに書き込みを行った後のエネルギーバンド図である。
【図３１】この発明の第２実施例による量子メモリのエネルギーバンド図である。
【図３２】この発明の第２実施例による量子メモリのメモリセルを構成する結合量子ドット系における基底状態の波動関数を図３１に対応させて示す略線図である。
【図３３】この発明の第２実施例による量子メモリのメモリセルを構成する結合量子ドット系における第１励起状態の波動関数を図３１に対応させて示す略線図である。
【図３４】この発明の第２実施例による量子メモリの読み出しを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図３５】この発明の第２実施例による量子メモリのメモリセルを構成する結合量子ドット系における結合状態の波動関数を図３４に対応させて示す略線図である。
【図３６】この発明の第２実施例による量子メモリのメモリセルを構成する結合量子ドット系における反結合状態の波動関数を図３４に対応させて示す略線図である。
【図３７】この発明の第２実施例による量子メモリの読み出しを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図３８】この発明の第２実施例による量子メモリの読み出しを行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図３９】この発明の第２実施例による量子メモリの初期化を行う方法を説明するためのエネルギーバンド図である。
【図４０】この発明の第２実施例による量子メモリの製造方法を説明するための斜視図である。
【図４１】この発明の第２実施例による量子メモリの製造方法を説明するための斜視図である。
【図４２】この発明の第２実施例による量子メモリの製造方法を説明するための斜視図である。
【図４３】この発明の第２実施例による量子メモリの製造方法を説明するための斜視図である。
【図４４】針状電極の好適な構造例を示す斜視図である。
【図４５】針状電極の好適な構造例を示す断面図である。
【図４６】図４４および図４５に示す針状電極を用いて外部電場を印加したときの量子メモリの表面電位の空間的分布を示す略線図である。
【図４７】図４４および図４５に示す針状電極の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図４８】図４４および図４５に示す針状電極の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図４９】図４４および図４５に示す針状電極の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図５０】図４４および図４５に示す針状電極の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図５１】図４４および図４５に示す針状電極の製造方法の一例を説明するための断面図である。
【図５２】図４７〜図５１に示す針状電極の製造方法により製造された針状電極を示す斜視図である。
【図５３】ＡｌＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合のエネルギーバンド図である。
【図５４】ＧａＳｂ／ＩｎＡｓヘテロ接合のエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１、２１ ＡｌＧａＡｓ層
２、４ ＩｎＧａＡｓ層
３、２２、２３、２４ ＧａＡｓ層
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ 電極
１３ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１４ ｎ型ＧａＡｓ層
３１ 中心電極
３２ 絶縁体
３３ 外部電極
ＱＤ_ｊ−１ 、ＱＤ_ｊ−２ 、ＱＤ_ｊ−３ 量子ドット
Ｌ レーザー光
ＮＥ 針状電極
ＢＧ バックゲート[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a quantum memory and a needle electrode used for the same, and more particularly, to a quantum memory using a quantum box (also called a quantum dot) and a needle electrode used for writing, reading, or initializing the quantum memory.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the degree of integration of semiconductor memories such as dynamic RAMs and static RAMs has been increasing more and more. However, in these semiconductor memories, memory cells are configured by transistors, capacitors, and the like, and these memory cells are connected by wiring. The writing and reading to and from the memory cell are essentially the same in that they are also performed via wiring.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned conventional semiconductor memory, research efforts are continuously being made to further improve the degree of integration, but the basic structure of the memory cell does not change, and wiring for connecting the memory cells is indispensable. Therefore, it is clear that the degree of integration is limited.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultra-high-integration quantum memory based on a completely different operation principle from the conventional semiconductor memory.
Another object of the present invention is to provide a needle electrode used for writing, reading, or initializing a memory cell of a quantum memory.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a quantum memory according to the present invention includes:
The first quantum box (QD_j-1), The second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3) Constitutes a memory cell,
The first quantum box (QD_j-1) And the second quantum box (QD_j-2) And the second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3) And the strength of the bond
An external electric field applied by the needle electrode (NE) is written, read, or written on the main surface opposite to the main surface on which writing, reading, or initialization is performed on the memory cell using the needle electrode (NE). An electrode (BG) for localization is provided near a memory cell to be initialized.
It is characterized by the following.
[0006]
In one embodiment of the quantum memory according to the present invention, a first quantum box (QD_j-1) And the second quantum box (QD_j-2) Than the strength of the second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3) The bond strength is greater.
[0007]
Here, the strength of the coupling between quantum boxes indicates the easiness of tunneling of electrons or holes to the barrier between the quantum boxes, and the stronger the tunneling, the greater the strength of the coupling.
[0008]
In a preferred embodiment of the quantum memory according to the present invention, the first quantum box (QD_j-1), The second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3) Represents the energy level of the ground state of the electron₀ ^(J-1), E₀ ^(J-2)And E₀ ^(J-3)And the first quantum box (QD_j-1), The second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3) Represents the energy level of the first excited state of the electron₁ ^(J-1), E₁ ^(J-2)And E₁ ^(J-3)And the first quantum box (QD_j-1), The second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3) Is the ground state energy level of each hole₀ ^(J-1), H₀ ^(J-2)And H₀ ^(J-3)And the first quantum box (QD_j-1), The second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3), The energy level of the first excited state of the electron is H₁ ^(J-1), H₁ ^(J-2)And H₁ ^(J-3)And when
E₀ ^(J-1)<E₀ ^(J-2)                    (1)
E₀ ^(J-3)<E₀ ^(J-2)                    (2)
[E₁ ^(J-1)-E₀ ^(J-1)]> [E₁ ^(J-2)-E₀ ^(J-2)] (3)
[E₁ ^(J-3)-E₀ ^(J-3)]> [E₁ ^(J-2)-E₀ ^(J-2)] (4)
[E₀ ^(J-1)-H₀ ^(J-1)] ≠ [E₀ ^(J-2)-H₀ ^(J-2)] (5)
[E₀ ^(J-3)-H₀ ^(J-3)] ≠ [E₀ ^(J-2)-H₀ ^(J-2)] (6)
So that the first quantum box (QD_j-1), The second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3) Is designed.
[0009]
In another preferred embodiment of the quantum memory according to the present invention,
E₀ ^(J-1)<E₀ ^(J-2)                    (7)
E₀ ^(J-3)<E₀ ^(J-2)                    (8)
So that the first quantum box (QD_j-1), The second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3) Is designed.
[0010]
In the quantum memory according to the present invention, preferably, at the time of writing, the first quantum box (QD) is applied to the memory cell to be written while irradiating the memory cell to be written with the first light._j-1), The second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3A) applying a first external electric field in the stacking direction. Here, as the first light, the second quantum box (QD when no external electric field is applied)_j-2Monochromatic light whose photon energy is slightly smaller than the electron-hole pair generation energy in (2) is preferably used. Further, the intensity of the first external electric field is changed by the Stark shift to the second quantum box (QD_j-2) Is effectively reduced, the first light is resonantly absorbed, and the second quantum box (QD_j-2) Are selected so that electron-hole pairs are generated in the parentheses.
[0011]
On the other hand, when reading out the quantum memory according to the present invention, a second external electric field in a direction opposite to the first external electric field is applied while irradiating the memory cell to be read with the second light. Here, as the second light, a second quantum box (QD_j-2) The ground state energy level E of the electron₀ ^(J-2)And the energy level E of the first excited state₁ ^(J-2)And the difference [E₁ ^(J-2)-E₀ ^(J-2)] Is preferably used. In addition, the intensity of the second external electric field is determined by the third quantum box (QD_j-3) The ground state energy level E of the electron₀ ^(J-3)And the second quantum box (QD_j-2) The ground state energy level E of the electron₀ ^(J-2)The strength is selected so that
[0012]
In the quantum memory according to the present invention, the first external electric field or the second external electric field is preferably set by bringing the needle electrode to which the predetermined voltage is applied close to the memory cell to be written or to the memory cell to be read. Apply an electric field.
[0013]
Further, in the quantum memory according to the present invention, when initializing (or erasing) a specific memory cell, a third external electric field larger than the second external electric field is applied to the memory cell to be initialized. Alternatively, the initialization is performed by applying a second external electric field for a longer period of time than during reading to cause electron-hole recombination in the memory cell to be initialized.
[0014]
Further, when the initialization of all the memory cells is performed collectively, the temperature of the quantum memory is increased or the quantum memory is irradiated with the third light to perform electron-hole recombination in all the memory cells. Wake up.
[0015]
In the quantum memory according to the present invention, typically, the first quantum box (QD_j-1The electrode (BG) is provided on the main surface on the side of ()). More specifically, a first quantum box (QD) of a memory cell constituting a memory cell array composed of a plurality of memory cells._j-1The electrode (BG) is provided on the main surface on the side of ()). This electrode (BG) is usually grounded.
[0016]
In the quantum memory according to the present invention, typically, the electrode (BG) is made of a conductive semiconductor. Specifically, this semiconductor is, for example, n-type GaAs or i-type GaAs having a two-dimensional electron gas composed of electrons supplied from n-type AlGaAs at a heterojunction of n-type AlGaAs and i-type GaAs. .
[0017]
In the quantum memory according to the present invention, the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box are formed by a compound semiconductor heterojunction. The compound semiconductor heterojunction is typically a type I heterojunction superlattice, specifically, for example, an AlGaAs / GaAs heterojunction or an AlGaAs / InGaAs heterojunction. The compound semiconductor heterojunction may be a type II heterojunction superlattice, specifically, for example, an AlSb / InAs heterojunction, a GaSb / InAs heterojunction or an AlSb / GaSb heterojunction.
[0018]
In addition, the present invention
The first quantum box (QD_j-1), The second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3) Constitutes a memory cell,
The first quantum box (QD_j-1) And the second quantum box (QD_j-2) And the second quantum box (QD_j-2) And the third quantum box (QD_j-3A) a needle electrode (NE) used for writing, reading, or initializing a memory cell of a quantum memory having a coupling strength different from each other,
A cylindrical center electrode (31) made of a first conductor;
An insulator (32) provided so as to cover the periphery of the center electrode (31);
An external electrode (33) made of a second conductor provided so as to cover the periphery of the insulator (32).
It is characterized by the following.
[0019]
In the needle-shaped electrode according to the present invention, typically, the external electrode (33) is grounded, and a predetermined voltage is applied to the center electrode (31).
In the needle electrode according to the present invention, the first conductor is, for example, InAs or W, and the insulator is SiO.₂The second conductor is a metal, for example, Al.
[0020]
[Action]
According to the quantum memory according to the present invention configured as described above, unlike the conventional memory cell of the semiconductor memory, the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box are sequentially stacked. One memory cell is configured, and writing and reading to and from the memory cell can be performed by using light irradiation, application of an external electric field by a needle electrode, and the like. In this case, wiring for connecting the memory cells is unnecessary, and writing and reading can be performed without wiring. For this reason, there is no limit on the degree of integration of the memory cells due to the wiring, and the limit of the degree of integration comes only from the effective occupied area per memory cell. Further, in this case, the external electric field applied by the needle electrode is written, read or initialized on the main surface opposite to the main surface on which writing, reading or initialization is performed on the memory cell using the needle electrode. An electrode for localization is provided in the vicinity of the memory cell where the memory cell is to be formed. For example, when this electrode is grounded and a predetermined voltage is applied to the needle electrode to approach the memory cell, An external electric field required for writing, reading or initialization can be applied only in the vicinity of the cell. Therefore, the interval between adjacent memory cells can be reduced, and the integration density of the memory cells can be increased accordingly. As described above, a very high degree of integration can be achieved. Specifically, the effective area occupied by one memory cell is, for example, 50 nm × 50 nm = 25 × 10^-16m²The effective occupation area per one memory cell in the conventional semiconductor memory can be extremely small, for example, when the size of the memory cell array is 6 mm × 6 mm, it exceeds 16 giga bits or more. A high degree of integration can be achieved.
[0021]
Further, according to the needle-shaped electrode according to the present invention, since the external electrode is provided around the center electrode via an insulator, for example, the external electrode is grounded and a predetermined voltage is applied to the center electrode. When applied, the resulting external electric field is localized in the space near the tip of the needle electrode. Then, when an external electric field is applied to the memory cell on which writing, reading, or initialization is performed using the needle electrode, the electric field applied to the surface of the quantum memory is also localized. Thus, the interval between adjacent memory cells can be reduced, and the integration density of the memory cells can be increased accordingly.
[0022]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 conceptually shows a quantum memory according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, in the quantum memory according to the first embodiment, memory cells are arranged in the x and y directions, and these memory cells constitute a memory cell array. In this case, M memory cells are arranged in the x direction and N memory cells are arranged in the y direction, and the total number of memory cells is MN. These memory cells are numbered sequentially from 1 to MN. As will be described later, each memory cell is composed of three stages of quantum dots.
FIG. 2 is a perspective view showing the quantum memory according to the first embodiment, and shows a part of the memory cell array.
[0023]
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes an AlGaAs layer as a barrier layer. In this case, box-shaped InGaAs layers 2 as quantum well layers are arranged in an array in a predetermined arrangement pattern in a first plane parallel to the xy plane, and a second plane parallel to the xy plane. A box-shaped GaAs layer 3 as a quantum well layer is arranged in an array corresponding to the lower InGaAs layer 2, and a box-shaped GaAs layer 3 as a quantum well layer in a third plane parallel to the xy plane. Are arranged in an array corresponding to the lower GaAs layer 3 and the lower InGaAs layer 2. These InGaAs layer 2, GaAs layer 3, and InGaAs layer 4 are buried in AlGaAs layer 1 as a barrier layer.
[0024]
In this case, the lower half of FIG. 2, that is, the first quantum dot is formed by the structure in which the InGaAs layer 2 as the quantum well layer is surrounded by the AlGaAs layer 1 as the barrier layer, and the GaAs layer 3 as the quantum well layer is formed. Are formed by the structure surrounded by the AlGaAs layer 1 as a barrier layer, the quantum dots in the middle stage in FIG. 2, that is, the second stage, are formed, and the InGaAs layer 4 as the quantum well layer is surrounded by the AlGaAs layer 1 as the barrier layer. Due to the above structure, quantum dots in the upper stage in FIG. 2, that is, the third stage are formed. One memory cell is constituted by the first-stage quantum dots, the second-stage quantum dots, and the third-stage quantum dots sequentially stacked in the z direction. Here, the first-stage quantum dot constituting the j-th memory cell (hereinafter referred to as “memory cell j”) is QD_j-1, The second stage quantum dot is QD_j-2, The third-stage quantum dot is QD_j-3Write
[0025]
Here, the first-stage quantum dot QD_j-1And third-stage quantum dot QD_j-3AlGaAs / InGaAs heterojunction and the second stage quantum dot QD_j-2Are all so-called type I heterojunction superlattices.
[0026]
Now, quantum dot QD_j-1The width of the InGaAs layer 2 as the quantum well layer of₁, Quantum dot QD_j-2The width of the GaAs layer 3 as a quantum well layer in the z direction is W₂, Quantum dot QD_j-3The width of the InGaAs layer 4 as the quantum well layer of₃And the quantum dot QD_j-1The depth of the potential well in the conduction band of the InGaAs layer 2 as the quantum well layer of₁, Quantum dot QD_j-2The depth of the potential well in the conduction band of the GaAs layer 3 as the quantum well layer of₂, Quantum dot QD_j-3The depth of the potential well in the conduction band of the InGaAs layer 4 as the quantum well layer of₃And In addition, quantum dot QD_j-1Layer 2 as quantum well layer and quantum dot QD_j-2The width of the AlGaAs layer 1 as a barrier layer between the GaAs layers 3 as quantum well layers₁₂, Quantum dot QD_j-2Layer 3 as quantum well layer and quantum dot QD_j-3The width of the AlGaAs layer 1 as a barrier layer between the InGaAs layers 4 as quantum well layers₂₃And Furthermore, quantum dot QD_jkThe energy level of the ground state and the energy level of the first excited state of the electron (k = 1, 2, 3) are expressed as E₀ ^(Jk)And E₁ ^(Jk)And write the quantum dot QD_jkThe energy level of the ground state of the hole of (k = 1, 2, 3) and the energy level of the first excited state are represented by H, respectively.₀ ^(Jk)And H₁ ^(Jk)Write
[0027]
Now, in the quantum memory according to the first embodiment, the quantum dots QD_j-1, QD_j-2And QD_j-3Is designed to satisfy the following equation.

[0028]
W₁, W₂, W₃, B₁₂, B₂₃An example of a value such as₁〜１０10 nm, W₂~ (10-15) nm, W₃-10 nm, B₁₂~ 12 nm, B₂₃８8 nm. On the other hand, quantum dots QD in a plane parallel to the xy plane_jkThe size of (k = 1, 2, 3) is, for example, 〜１０10 nm, and the interval is, for example, 〜50 nm.
[0029]
Quantum dot QD_jkFIG. 3 shows an energy band diagram of the memory cell j along the stacking direction of FIG. E in FIG._cAnd E_vIndicates the energy at the bottom of the conduction band and the energy at the top of the valence band, respectively (the same applies hereinafter).
[0030]
In the quantum memory according to the first embodiment, in addition to the above-described structure, a main surface opposite to the main surface to which an external electric field is applied by the needle electrode, that is, A back gate BG made of a conductive material is provided on the main surface of the first-stage quantum dot side. As will be described later in detail, the back gate BG is for spatially localizing an external electric field applied by the needle electrode, and is usually grounded.
[0031]
Next, the operation principle of the quantum memory according to the first embodiment configured as described above will be described. Here, as will be described later, at the time of writing or reading, a memory cell to be written or read is irradiated with monochromatic light, specifically, laser light, and this laser light emits electrons between the bands of the quantum dots. Since it is necessary to have a photon energy corresponding to the energy level interval (about 1 eV) or the energy level interval of electrons between subbands (about 0.3 eV), the spot size of the laser beam having this level of photon energy is It is several μm or more, and inevitably irradiates a wide area including a large number of memory cells other than the memory cells to be written or read. Therefore, in order to select a specific memory cell from a large number of memory cells irradiated with the laser beam and perform writing or reading, the specific memory cell is used using a needle-like electrode similar to a scanning needle of a scanning tunneling microscope. An external electric field is applied to the cell.
[0032]
First, when writing is performed on the quantum memory according to the first embodiment, as shown in FIG. 4, a region including a memory cell j to be written is irradiated with a laser beam L in advance. In this state, no external electric field is applied to any of the memory cells. As the laser light L, the second-stage quantum dot QD when no external electric field is applied by a needle electrode NE described later._j-2The electron-hole pair generation energy at_ehThen, a laser beam having a slightly smaller photon energy (longer wavelength) is used. That is, the photon energy of the laser light L is hν = E_inThen E_in<E_ehIt is. At this time, the quantum dots QD_j-2No electron-hole pairs are generated and no light absorption occurs (FIG. 5).
[0033]
In a state where the area including the memory cell j to be written as described above is irradiated with the laser light L, as shown in FIG. 6, the needle-shaped electrode NE to which a positive voltage is applied to the quantum memory is written. , And an external electric field is applied. The energy band diagram of the memory cell j at this time is as shown in FIG. When an external electric field is applied in this way, the Stark shift causes
ΔE = E₀ ^(J-2)-H₀ ^(J-2)                                (15)
Decreases. And the intensity of this external electric field is ΔE = E_in, The absorption of the laser beam L occurs in a resonant manner, and the quantum dot QD_j-2An electron-hole pair is generated in the substrate (FIG. 7). This Stark shift is caused by the quantum dot QD_j-2Upper and lower quantum dots QD_j-1, QD_j-3The quantum dot QD_j-2It is larger and more convenient than a single case.
[0034]
Due to the above-mentioned external electric field applied in the z-direction, as shown in FIG._j-2Of the electron-hole pairs generated in the quantum dot QD_j-3Inside, holes are quantum dots QD_j-1Move quickly within. And quantum dot QD_j-3The electrons that have migrated into the ground have lower energy ground state energy levels E₀ ^(J-3)Quantum dot QD_j-1The holes that have migrated into the lower energy ground state energy level H₀ ^(J-1)And are spatially separated from each other.
[0035]
Thereafter, the needle electrode NE is moved away from the memory cell j to eliminate the application of an external electric field. At this time, since the electrons and holes in the memory cell j are spatially separated from each other, these electrons and holes are stably held without recombination (FIG. 9). As shown in FIG. 9, the quantum dot QD_j-3The electron enters inside and the quantum dot QD_j-1A state in which a hole is contained in is stored as one bit.
[0036]
On the other hand, in the memory cells other than the memory cell j among the many memory cells irradiated with the laser light L, the intensity of the external electric field applied by the needle electrode NE is small, and a sufficient Stark shift is obtained. As a result, no light absorption occurs, and thus no electron-hole pairs are generated in these memory cells. That is, electron-hole pairs are generated only in the memory cell j, thereby storing 1-bit information.
[0037]
Next, a case where reading is performed from the quantum memory according to the first embodiment will be described. Here, the quantum dot QD of the memory cell j is_j-3Energy level E of the ground state of the electron₀ ^(J-3)Contains electrons and the quantum dot QD_j-1Hole ground state energy level H₀ ^(J-1)Is assumed to contain holes (FIG. 10).
[0038]
At the time of this reading, similarly to FIG. 4, the region including the memory cell j to be read is irradiated with the laser beam L. In this case, as the laser light L, the photon energy hν is the quantum dot QD_j-2Energy level E of the ground state of the electron₀ ^(J-2)And the energy level E of the first excited state₁ ^(J-2)Difference with
E_out= E₁ ^(J-2)-E₀ ^(J-2)                                (16)
Use the one equal to Such photon energy hν is E_outIs applied to the memory cell j, even if there is an electron in the memory cell j, it is detected by the quantum dot QD._j-3There is no light absorption because it exists in the interior. Thus, as shown in FIG. 6, the needle electrode NE to which a negative voltage has been applied to the quantum memory is brought close to the memory cell j to be read, and an external electric field is applied, similarly to the case of writing. FIG. 11 shows an energy band diagram of the memory cell j at this time.
[0039]
The strength of this external electric field is E₀ ^(J-3)And E₀ ^(J-2)Are strong enough to substantially match the quantum dots QD of the second stage_j-2, And for the first time, hν = E_outIs absorbed. In this case, the quantum dot QD_j-1And quantum dot QD_j-2Width B of AlGaAs layer 1 as a barrier layer between₁₂And QD QD_j-2And quantum dot QD_j-3Width B of AlGaAs layer 1 as a barrier layer between₂₃Are different from each other,
B₁₂> B₂₃                                                    (17)
Therefore, the quantum dot QD_j-3From quantum dot QD_j-2Transferred to the quantum dot QD_j-1Never move up. In addition, quantum dot QD_j-1Holes in the quantum dot QD_j-1Stays within. This quantum dot QD_j-1The holes in the area do not move because of the width B₂₃The width B is smaller than the time required for electrons to tunnel through the AlGaAs layer 1 as a barrier layer.₁₂This is because the time required for holes to tunnel through the AlGaAs layer 1 as the barrier layer is much longer.₁₂And B₂₃And the effective mass of holes is larger than the effective mass of electrons.
[0040]
If there are no electrons and holes in the memory cell j, no light absorption occurs even when the laser light L is irradiated, so that bit information can be read from the memory cell depending on the presence or absence of the light absorption.
[0041]
As in the case of writing, in the memory cells other than the memory cell j among the many memory cells irradiated with the laser beam L, the intensity of the external electric field applied by the needle electrode NE is small, and the electron Even if exists, it cannot move to the second-stage quantum dot, so there is no light absorption, and it can be seen that information can be read only from the memory cell j.
[0042]
Next, a method for initializing (or erasing) the quantum memory according to the first embodiment will be described. First, there are two methods for initializing a specific memory cell. One method is to apply an external electric field to a memory cell j to be initialized by bringing a needle electrode NE to which a negative voltage higher than the voltage applied at the time of reading is applied close to the memory cell j, thereby applying an external electric field to the memory cell j. Another method is to apply electron-hole recombination in the memory cell j by applying an external electric field similar to that at the time of reading for a longer time, for example. It is a way to make it. In some cases, it is also possible to initialize a specific memory cell by applying an AC electric field with the needle electrode NE.
[0043]
Further, as a method of performing initialization of all the memory cells at once, there is a method of increasing the temperature of the quantum memory and promoting electron-hole recombination by absorbing phonons. At this time, the target of the temperature T of the quantum memory is, as shown in FIG._j-1Hole ground state energy level H₀ ^(J-1)Holes in the quantum dot QD_j-2Hole ground state energy level H₀ ^(J-2)Quantum dot QD_j-3Energy level E of the ground state of the electron₀ ^(J-3)Electron at quantum dot QD_j-2Energy level E of the ground state of the electron₀ ^(J-2)Is a temperature at which each can be thermally excited. Specifically, the Boltzmann constant is k_BThen
[H₀ ^(J-2)-H₀ ^(J-1)] To [E₀ ^(J-2)-E₀ ^(J-3)] To k_BT (18)
This is the temperature at which
[0044]
Another method of batch-initializing all memory cells is to irradiate the entire quantum memory with monochromatic light having photon energy given by equation (18), In this method, electrons in the dots and holes in the first-stage quantum dots are excited in the second-stage quantum dots to cause electron-hole recombination.
[0045]
Next, a method of manufacturing the quantum memory according to the first embodiment configured as described above will be described.
[0046]
First, as shown in FIG. 13, a sufficiently thick AlGaAs layer is formed on a compound semiconductor substrate (for example, a GaAs substrate) not shown by, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method. 1a, thickness W₁InGaAs layer 2, thickness B₁₂AlGaAs layer 1b, thickness W₂GaAs layer 3, thickness B₂₃AlGaAs layer 1c, thickness W₃Of the InGaAs layer 4 and the AlGaAs layer 1d of a predetermined thickness are sequentially epitaxially grown. However, the back gate is formed by the compound semiconductor substrate itself to be used or is formed in advance on the compound semiconductor substrate according to the type of the structure described later. Here, according to the current MOCVD method and MBE method, W₁, W₂, W₃, B₁₂, B₂₃It is easy to perform epitaxial growth while controlling to satisfy the expressions (9) and (11). Further, by controlling the In composition ratio of the InGaAs layer 2 and the InGaAs layer 4 and the Al composition ratio of the AlGaAs layers 1a, 1b, 1c, and 1d, the quantum dot QD_j-1Of the potential well in the conduction band of the InGaAs layer 2 serving as the quantum well layer₁, Quantum dot QD_j-2Of the potential well in the conduction band of the GaAs layer 3 serving as the quantum well layer₂, Quantum dot QD_j-3Of the potential well in the conduction band of the InGaAs layer 4 to be the quantum well layer₃Can be controlled so as to satisfy the expression (10) to perform epitaxial growth.
[0047]
Next, as shown in FIG. 14, a resist pattern 5 having a shape corresponding to the memory cell is formed on the AlGaAs layer 1d by electron beam lithography or the like.
[0048]
Next, using the resist pattern 5 as a mask, the AlGaAs layer 1d, the InGaAs layer 4, the AlGaAs layer 1c, the GaAs layer 3, and the AlGaAs layer 1b and the InGaAs layer 2 are applied to the substrate surface by, for example, a reactive ion etching (RIE) method. Etching in the vertical direction. This etching is slightly over-etched so that the InGaAs layers 2 are separated from each other. Thus, as shown in FIG. 15, the InGaAs layer 2, the AlGaAs layer 1b, the GaAs layer 3, the AlGaAs layer 1c, the InGaAs layer 4, and the AlGaAs layer 1d are patterned into a quadrangular prism.
[0049]
Next, after the resist pattern 5 is removed, as shown in FIG. 16, the AlGaAs layer 1e is epitaxially grown by, for example, MOCVD under the condition that growth does not occur on the side wall perpendicular to the substrate surface, thereby forming a square columnar shape. The portions between the InGaAs layer 2, the AlGaAs layer 1b, the GaAs layer 3, the AlGaAs layer 1c, the InGaAs layer 4, and the AlGaAs layer 1d are buried. Here, the whole of the AlGaAs layers 1a, 1b, 1c, 1d, and 1e corresponds to the AlGaAs layer 1 shown in FIG.
As described above, the quantum memory shown in FIG. 2 is completed.
[0050]
By the way, in the first embodiment, at the time of writing or reading, the area including the memory cell to be written or read is irradiated with the laser beam L having a predetermined photon energy, and the needle cell NE is used to irradiate the memory cell. Is applied with an external electric field. By the application of the external electric field, the internal quantum state of the quantum dot of the memory cell changes, and the laser light L can be absorbed in a resonant manner, so that writing and reading can be performed. In the light absorption intensity curve shown in FIG. 17, the light energy at which this resonance absorption occurs is written as E (φ) as a function of the surface potential φ of the quantum memory when an external electric field is applied. The half width of this light absorption intensity curve is defined as ΔW.
[0051]
Considering the case where there is no back gate BG, the spatial potential distribution when an external electric field is applied by the needle electrode NE similar to the scanning needle of a normal scanning tunneling microscope is as shown in FIG. In this case, the outside of the needle electrode NE formed of a material such as a metal is in a vacuum and has a small dielectric constant. As a result, the external electric field applied to the quantum memory by the needle-shaped electrode NE is considerably widened. At this time, the potential distribution φ (x) on the surface of the quantum memory changes smoothly as shown in FIG. Therefore, in order to cause resonance absorption only in the memory cell j immediately below the needle-shaped electrode NE and not to cause absorption in adjacent memory cells, the interval between the memory cells must be sufficiently large. That is, the position coordinate of the memory cell j is x_j, X of adjacent memory cell j-1_j-1Then
E (φ (x_j-1)) <E (φ (x_j))-ΔW (19)
Or
E (φ (x_j)) + ΔW <E (φ (x_j-1)) (20)
Is not established, the memory cell j cannot be distinguished from the adjacent memory cell j-1.
[0052]
As described above, it is not preferable to sufficiently increase the interval between the memory cells in order to improve the integration degree of the quantum memory. This problem can be solved by providing the back gate BG on the main surface opposite to the main surface to which the external electric field is applied by the needle electrode NE, as in the quantum memory according to the first embodiment. .
[0053]
That is, when the back gate BG is provided, the external electric field applied by the needle electrode NE is screened by the charges in the back gate BG, and the external electric field is confined in a narrow region in the quantum memory. As a result, when the needle electrode NE approaches the surface of the quantum memory, the external electric field applied by the needle electrode NE is localized as shown in FIG.
[0054]
A more detailed explanation of this screening is as follows. In general, the inverse square law of Coulomb force does not change in dielectrics including vacuum, but if there is a charge that can move freely, the charge moves so that the charge cancels the external electric field when an external electric field is applied. Will cause screening. That is, charges outside the conductor (here, the back gate) generate induced charges in the conductor, increasing the rate of attenuation of the Coulomb potential with distance. As shown in FIG. 21, in the case of a system consisting of the simplest conductor plate and a single charge (q), the external electric field near the conductor surface is (r²+ A²)^-3/2~ R^-3(R → ∞), and (r) when there is no conductor²+ A²)^-1~ R^-2It can be seen that the order of attenuation is one order higher than (r → ∞). This attenuation is caused by the back gate, and the electric field of the dielectric portion is also localized by the potential change.
[0055]
Next, a specific example of the quantum memory having the above-described back gate will be described.
[0056]
In the first example shown in FIG. 22, an n-type GaAs substrate 11 is used as a substrate when manufacturing a quantum memory, and a three-stage quantum dot array similar to that shown in FIG. Form. An electrode 12 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 11 so as to make ohmic contact with the n-type GaAs substrate 11. Then, the electrode 12 is grounded, and the n-type GaAs substrate 11 is grounded. In this case, the n-type GaAs substrate 11 becomes a back gate, and the AlGaAs layer 1 becomes a layer separating the back gate and the quantum dot array.
[0057]
In the second example shown in FIG. 23, a semi-insulating GaAs substrate 13 is used as a substrate for manufacturing a quantum memory, and an n-type GaAs layer 14 is epitaxially grown on the semi-insulating GaAs substrate 13. A three-stage quantum dot array similar to that shown in FIG. 2 is formed on the n-type GaAs layer 14. Thereafter, a part of the quantum dot array is removed by etching to expose the n-type GaAs layer 14 at the part, and the electrode 12 is formed on the exposed n-type GaAs layer 14. Then, the electrode 12 is grounded, and the n-type GaAs layer 14 is grounded. In this case, the n-type GaAs layer 13 becomes a back gate.
[0058]
In the third example shown in FIG. 24, a semi-insulating GaAs substrate 13 is used as a substrate for manufacturing a quantum memory, and an n-type AlGaAs layer 15 and an i-type GaAs layer 16 are formed on the semi-insulating GaAs substrate 13. After successive epitaxial growth, a three-stage quantum dot array similar to that shown in FIG. 2 is formed on the i-type GaAs layer 16. Thereafter, a part of the quantum dot array is removed by etching to expose the i-type GaAs layer 16 at the part, and the electrode 12 is formed on the exposed i-type GaAs layer 16. Then, this electrode 12 is grounded. In this case, electrons are supplied from the n-type AlGaAs layer 15 into the i-type GaAs layer 16 at the interface of the heterojunction between the n-type AlGaAs layer 15 and the i-type GaAs layer 16 to form a two-dimensional electron gas (2DEG). . Thus, the i-type GaAs layer 16 and the electrode 12 make ohmic contact. In this case, the i-type GaAs layer 16 in which the 2DEG exists serves as a back gate.
[0059]
As described above, according to the quantum memory according to the first embodiment, the size of each memory cell is about 10 nm × 10 nm, and the interval between the memory cells can be about 50 nm or less. The effective occupied area per unit, in other words, the area required per bit is 50 nm × 50 nm = 25 × 10^-16m²In this case, the size can be extremely reduced as compared with the conventional semiconductor memory. Therefore, for example, if the size of the memory cell array is 6 mm × 6 mm, this quantum memory can store information of 16 giga bits or more. Further, in this quantum memory, since only a single electron-hole pair is used per bit, the power consumption is extremely low.
[0060]
Next, a quantum memory according to a second embodiment of the present invention will be described.
The overall configuration of the quantum memory according to the second embodiment is the same as that shown in FIG.
FIG. 25 is a perspective view showing the quantum memory according to the second embodiment, and shows a part of the memory cell array.
[0061]
In FIG. 25, reference numeral 21 denotes an AlGaAs layer as a barrier layer. In this case, box-shaped GaAs layers 22 as quantum well layers are arranged in an array in a predetermined arrangement pattern in a first plane parallel to the xy plane, and the second GaAs layers 22 are parallel to the xy plane. A box-shaped GaAs layer 23 as a quantum well layer is arranged in an array corresponding to the lower GaAs layer 22 in the plane, and a quantum well layer as a quantum well layer is arranged in a third plane parallel to the xy plane. Box-shaped GaAs layers 24 are arranged in an array corresponding to the lower GaAs layers 23 and GaAs layers 22. These GaAs layer 22, GaAs layer 23 and GaAs layer 24 are buried in AlGaAs layer 21 as a barrier layer.
[0062]
In this case, in the structure in which the GaAs layer 22 as the quantum well layer is surrounded by the AlGaAs layer 21 as the barrier layer, the lower quantum dot in FIG. 25, that is, the first quantum dot is formed, and the GaAs layer 23 as the quantum well layer is formed. 25 is formed by the structure surrounded by the AlGaAs layer 21 as the barrier layer, the quantum dots in the middle stage in FIG. 25, that is, the second stage, are formed, and the GaAs layer 24 as the quantum well layer is surrounded by the AlGaAs layer 21 as the barrier layer. 25, the quantum dots in the upper stage in FIG. 25, that is, the third stage are formed. One memory cell is constituted by the first-stage quantum dots, the second-stage quantum dots, and the third-stage quantum dots sequentially stacked in the z direction. Here, as in the first embodiment, the first-stage quantum dots constituting the memory cell j are QD_j-1, The second stage quantum dot is QD_j-2, The third-stage quantum dot is QD_j-3Write
[0063]
That is, in the quantum memory according to the first embodiment, the first-stage quantum dot QD_j-1And third-stage quantum dot QD_j-3Is composed of an AlGaAs / InGaAs heterojunction, and the second-stage quantum dot QD_j-2Is constituted by an AlGaAs / GaAs heterojunction, whereas in the quantum memory according to the second embodiment, the quantum dots QD_j-1, Second stage quantum dot QD_j-2And third-stage quantum dot QD_j-3Both are composed of only one kind of AlGaAs / GaAs heterojunction.
[0064]
Now, as in the first embodiment, the quantum dot QD_j-1The width of the GaAs layer 22 as a quantum well layer in the z direction is W₁, Quantum dot QD_j-2The width of the GaAs layer 23 as a quantum well layer in the z direction is W₂, Quantum dot QD_j-3The width of the GaAs layer 24 as a quantum well layer in the z direction is W₃And the quantum dot QD_j-1The depth of the potential well in the conduction band of the GaAs layer 22 as the quantum well layer₁, Quantum dot QD_j-2The depth of the potential well in the conduction band of the GaAs layer 23 as the quantum well layer₂, Quantum dot QD_j-3The depth of the potential well in the conduction band of the GaAs layer 24 as the quantum well layer of₃And In addition, quantum dot QD_j-1Layer 22 as quantum well layer and quantum dot QD_j-2The width of the AlGaAs layer 21 as a barrier layer between the GaAs layers 23 as quantum well layers₁₂, Quantum dot QD_j-2Layer 23 as quantum well layer and quantum dot QD_j-3The width of the AlGaAs layer 21 as a barrier layer between the GaAs layers 24 as quantum well layers₂₃And Furthermore, quantum dot QD_jkThe energy level of the ground state and the energy level of the first excited state of the electron (k = 1, 2, 3) are expressed as E₀ ^(Jk)And E₁ ^(Jk)And write the quantum dot QD_jkThe energy level of the ground state of the hole of (k = 1, 2, 3) and the energy level of the first excited state are represented by H, respectively.₀ ^(Jk)And H₁ ^(Jk)Write
[0065]
Now, in the quantum memory according to the second embodiment, the quantum dots QD_j-1, QD_j-2And QD_j-3Is designed to satisfy the following equation.
B₁₂> B₂₃                          (21)
E₀ ^(J-1)~ E₀ ^(J-3)<E₀ ^(J-2)            (22)
Here, the condition of equation (22) is:
W₂<W₁~ W₃                                            (23)
It is possible to realize this.
[0066]
These conditions are simpler than those of the quantum memory according to the first embodiment (Equations (9) to (14)). In particular, V₂<V₁~ V₃Since the condition of (Equation (10)) is unnecessary,
V₁= V₂= V₃                                                (24)
Alternatively, as described above, the quantum dot QD_jkAny of the materials of the quantum well layer can be GaAs layers.
[0067]
W₁, W₂, W₃, B₁₂, B₂₃An example of a value such as₁〜１０10 nm, W₂~ 5 nm, W₃-10 nm, B₁₂  ~ (10-15) nm, B₂₃５5 nm. On the other hand, quantum dots QD in a plane parallel to the xy plane_jkThe size of (k = 1, 2, 3) is, for example, 〜１０10 nm, and the interval is, for example, 〜50 nm.
[0068]
Quantum dot QD_jkFIG. 26 shows an energy band diagram of the memory cell j along the stacking direction of FIG.
[0069]
In the quantum memory according to the second embodiment, similar to the quantum memory according to the first embodiment, in addition to the above-described configuration, the main surface opposite to the side to which an external electric field is applied by the needle-shaped electrode as described later is used. A back gate BG made of a conductive material is provided on the main surface on the side, that is, on the main surface on the quantum dot side of the first stage of the memory cell array. This back gate BG is usually grounded. The specific structure of the back gate BG is the same as that shown in FIGS. 22, 23, and 24.
[0070]
Next, the operation principle of the quantum memory according to the second embodiment configured as described above will be described.
[0071]
First, when writing is performed on the quantum memory according to the second embodiment, a laser beam L is irradiated to a region including a memory cell j to be written, as shown in FIG. In this state, no external electric field is applied to any of the memory cells. As the laser light L, the second-stage quantum dot QD when no external electric field is applied by the needle-shaped electrode NE_j-2The electron-hole pair generation energy at_ehThen, a laser beam having a slightly smaller photon energy (longer wavelength) is used. That is, the photon energy of the laser light L is hν = E_inThen E_in<E_ehIt is. At this time, the quantum dots QD_j-2No electron-hole pairs are generated therein, and no light absorption occurs (FIG. 27).
[0072]
In the state where the region including the memory cell j to be written as described above is irradiated with the laser beam L, the needle-shaped electrode NE to which a positive voltage is applied to the quantum memory, as shown in FIG. An external electric field is applied near the memory cell j to be written. FIG. 28 shows an energy band diagram of the memory cell j at this time. When an external electric field is applied in this way, the Stark shift causes
ΔE = E₀ ^(J-2)-H₀ ^(J-2)                                (25)
Decreases. And the intensity of this external electric field is ΔE = E_in, The absorption of the laser beam L occurs in a resonant manner, and the quantum dot QD_j-2An electron-hole pair is generated in the substrate (FIG. 28). This Stark shift is caused by the quantum dot QD_j-2Upper and lower quantum dots QD_j-1, QD_j-3The quantum dot QD_j-2It is larger and more convenient than a single case.
[0073]
Due to the above-mentioned external electric field applied in the z-direction, as shown in FIG._j-2Of the electron-hole pairs generated in the quantum dot QD_j-3Inside, holes are quantum dots QD_j-1Move quickly within. And quantum dot QD_j-3The electrons that have migrated into the ground have lower energy ground state energy levels E₀ ^(J-3)Quantum dot QD_j-1The holes that have migrated into the lower energy ground state energy level H₀ ^(J-1)And are spatially separated from each other.
[0074]
Thereafter, the needle electrode NE is moved away from the memory cell j to eliminate the application of an external electric field. At this time, since the electrons and holes in the memory cell j are spatially separated from each other, these electrons and holes are stably held without recombination (FIG. 30). In this case, as in the first embodiment, as shown in FIG._j-3The electron enters inside and the quantum dot QD_j-1A state in which a hole is contained in is stored as one bit.
[0075]
On the other hand, in the memory cells other than the memory cell j among the many memory cells irradiated with the laser light L, the intensity of the external electric field applied by the needle electrode NE is small, and a sufficient Stark shift is obtained. As a result, no light absorption occurs, and thus no electron-hole pairs are generated in these memory cells. That is, electron-hole pairs are generated only in the memory cell j, thereby storing 1-bit information.
[0076]
Next, a case where reading is performed from the quantum memory according to the second embodiment will be described.
Now, the second-stage quantum dot QD of the memory cell j_j-2And third-stage quantum dot QD_j-3Is the ground state of the electron and its energy when |₀ ^(Jk)〉 And ε₀ ^(Jk)(K = 2,3)
ε₀ ^(J-2)> Ε₀ ^(J-3)                                        (26)
It is.
[0077]
In the quantum memory according to the second embodiment, two quantum dots QD_j-2And quantum dot QD_j-3Are connected to each other and the width B of the barrier between them is₂₃Is small, but the energy ε₀ ^(J-2)And ε₀ ^(J-3)Is different, so state | ψ₀ ^(J-2)〉 And | ψ₀ ^(J-3)〉 Does not mix very much. Therefore, the ground state of electrons in this coupled quantum dot system | Ψ₀ ^(J)〉 And the first excited state | Ψ₁ ^(J)〉
｜ Ψ₀ ^(J)〉 〜 ｜ ψ₀ ^(J-3)〉 (27)
｜ Ψ₁ ^(J)〉 〜 ｜ ψ₀ ^(J-2)〉 (28)
It is. These ground states | Ψ₀ ^(J)〉 And the first excited state | Ψ₁ ^(J)The wave functions of <> are shown in FIGS. 32 and 33, respectively, corresponding to FIG. 31 similar to FIG. As shown in FIGS. 32 and 33, these states | Ψ₀ ^(J)〉 And | ψ₀ ^(J-3)> Are spatially separated from one another, so if light enters, the probability of absorbing it is very small.
[0078]
Now, when an external electric field is applied to this coupled quantum dot system, the energy band diagram of the memory cell j is as shown in FIG. The quantum state changes by the application of the external electric field, and the quantum dot QD_j-2And quantum dot QD_j-3When the energy levels of are approaching each other, the two states resonately mix. The quantum state of this coupled quantum dot system at this time is
｜ Ψ₀ ^(J)〉 ～ ［｜ ψ₀ ^(J-2)〉 ＋ ｜ ψ₀ ^(J-3)〉] (29)
｜ Ψ₁ ^(J)〉 ～ ［｜ ψ₀ ^(J-2)〉 − ｜ ψ₀ ^(J-3)〉] (30)
And the connection state | Ψ₀ ^(J)〉 And anti-coupling state ｜ Ψ₁ ^(J)> The energy splitting width at this time is written as 2ΔE. These combined states |₀ ^(J)〉 And anti-coupling state ｜ Ψ₁ ^(J)If the wave function of <> is shown corresponding to FIG. 34, it will be as shown in FIG. 35 and FIG. 36, respectively. As can be seen from FIGS. 35 and 36, these two states spatially largely overlap each other, and their absorption probability is high with respect to light incidence.
[0079]
Therefore, for example, by applying an external electric field only to a specific memory cell by a needle-like electrode similar to a scanning needle used in a scanning tunneling microscope, energy is applied only when electrons are present in the applied memory cell. Light absorption of 2ΔE occurs, and otherwise, light absorption cannot occur.
[0080]
A method for reading 1-bit information stored in a memory cell using the above principle will be described. First, in the same manner as shown in FIG. 4, a region including a memory cell j to be read is irradiated with a laser beam L having a photon energy of 2ΔE = hν. As described above, when no external electric field is applied to this memory cell j (FIG. 37), light absorption cannot occur. Next, as shown in FIG. 6, the needle electrode NE to which a negative voltage has been applied to the quantum memory is brought closer to the memory cell j to be read. At this time, the energy band diagram of the memory cell j is as shown in FIG. Here, if the quantum dot QD of the memory cell j is_j-3When there are electrons inside, the absorption of the laser light L occurs in a resonant manner. On the other hand, if no electrons exist in the memory cell j, no light absorption occurs. Therefore, the information in the memory cell j can be read based on the presence or absence of the light absorption.
[0081]
Quantum dot QD of memory cell j_j-3When there is an electron in the quantum dot QD_j-1There are holes inside. Quantum dot QD_j-1And quantum dot QD_j-2The width B of the barrier layer between₁₂And QD QD_j-2And quantum dot QD_j-3The width B of the barrier layer between₂₃Are different from each other,
B₁₂> B₂₃                        (31)
Therefore, the quantum dot QD_j-1The holes inside are quantum dots QD_j-2Does not resonate with the state of₁₂Is large, so the quantum dot QD_j-1And quantum dot QD_j-2The strength of the bond between them is also small. Therefore, the quantum dot QD_j-1The holes inside are quantum dots QD_j-2Do not move to the quantum dot QD_j-1Stays within. For the same reason, the quantum dot QD_j-3The electron inside is quantum dot QD_j-1No need to move. Width B₂₃Width B compared to the coupling of electronic states through the barrier of₁₂The overwhelmingly stronger hole-state coupling through the barrier of₁₂And B₂₃And the effective mass of holes is larger than that of electrons.
[0082]
As in the case of writing, in the memory cells other than the memory cell j among the many memory cells irradiated with the laser light L, the intensity of the external electric field applied by the needle electrode E is small, and the electron Exists, it cannot move to the second-stage quantum dot, so there is no light absorption, and therefore information can be read only from the memory cell j.
[0083]
Next, a method of initializing (or erasing) the quantum memory according to the second embodiment will be described. First, there are two methods for initializing a specific memory cell. One method is to apply an external electric field to the memory cell j to be initialized by bringing the needle electrode NE to which a negative voltage higher than the voltage applied at the time of reading is applied close to the memory cell j, thereby applying an external electric field to the memory cell j. This is a method of causing electron-hole recombination. Another method is, for example, a method of causing electron-hole recombination by applying an external electric field similar to that at the time of reading for a longer time.
[0084]
Further, as a method of performing initialization of all the memory cells at once, there is a method of increasing the temperature of the quantum memory and promoting electron-hole recombination by absorbing phonons. At this time, the target of the temperature T of the quantum memory is, as shown in FIG._j-1Hole ground state energy level H₀ ^(J-1)Holes in the quantum dot QD_j-2Hole ground state energy level H₀ ^(J-2)Quantum dot QD_j-3Energy level E of the ground state of the electron₀ ^(J-3)Electron at quantum dot QD_j-2Energy level E of the ground state of the electron₀ ^(J-2)Is a temperature at which each can be thermally excited, specifically,
[H₀ ^(J-2)-H₀ ^(J-1)] To [E₀ ^(J-2)-E₀ ^(J-3)] To k_BT (32)
This is the temperature at which
[0085]
Another method of batch-initializing all memory cells is to irradiate the entire quantum memory with monochromatic light having photon energy given by equation (32), In this method, electrons in the dots and holes in the first-stage quantum dots are excited in the second-stage quantum dots to cause electron-hole recombination.
Next, a method of manufacturing the quantum memory according to the second embodiment configured as described above will be described.
[0086]
First, as shown in FIG. 40, a sufficiently thick AlGaAs layer 21a and a thickness W are formed on a compound semiconductor substrate (for example, a GaAs substrate) (not shown) by, for example, MOCVD or MBE.₁GaAs layer 22, thickness B₁₂AlGaAs layer 21b, thickness W₂GaAs layer 23, thickness B₂₃AlGaAs layer 21c, thickness W₃GaAs layer 24 and an AlGaAs layer 21d having a predetermined thickness are sequentially epitaxially grown. However, as in the first embodiment, the back gate is formed by the compound semiconductor substrate itself to be used or is formed in advance on the compound semiconductor substrate depending on the type of the structure.
[0087]
Next, as shown in FIG. 41, a resist pattern 25 having a shape corresponding to the memory cell is formed on the AlGaAs layer 21d by electron beam lithography or the like.
[0088]
Next, using the resist pattern 25 as a mask, the AlGaAs layer 21d, the GaAs layer 24, the AlGaAs layer 21c, the GaAs layer 23, the AlGaAs layer 21b, and the GaAs layer 22 are sequentially formed in a direction perpendicular to the substrate surface by, eg, RIE. Etch. This etching is slightly over-etched so that the GaAs layers 22 are separated from each other. In this manner, as shown in FIG. 42, the GaAs layer 22, the AlGaAs layer 21b, the GaAs layer 23, the AlGaAs layer 21c, the GaAs layer 24, and the AlGaAs layer 21d are patterned into a quadrangular prism shape.
[0089]
Next, after removing the resist pattern 25, as shown in FIG. 43, an AlGaAs layer 21e is epitaxially grown by MOCVD or MBE under conditions that no growth occurs on the side wall perpendicular to the substrate surface, The portions between the columnar GaAs layer 22, the AlGaAs layer 21b, the GaAs layer 23, the AlGaAs layer 21c, the GaAs layer 24, and the AlGaAs layer 21d are filled. Here, the whole of the AlGaAs layers 21a, 21b, 21c, 21d, and 21e corresponds to the AlGaAs layer 21 shown in FIG.
As described above, the quantum memory shown in FIG. 25 is completed.
[0090]
As described above, according to the quantum memory according to the second embodiment, the size of each memory cell is about 10 nm × 10 nm, and the interval between the memory cells can be about 50 nm or less. The required area is 50 nm × 50 nm = 25 × 10^-16m²It can be extremely small, not more than the order. Therefore, for example, if the size of the memory cell array is 6 mm × 6 mm, this quantum memory can store information of 16 giga bits or more. Further, in this quantum memory, since only a single electron-hole pair is used per bit, the power consumption is extremely low.
[0091]
According to the second embodiment, in addition to the above advantages similar to those of the first embodiment, the quantum memory can be constituted only by the AlGaAs / GaAs heterojunction, so that the structure is simple and the manufacturing is simple. There is also the advantage that it is.
[0092]
In order to spatially localize the external electric field applied by the needle electrode NE, in addition to providing the back gate BG as described above, a needle electrode NE having the following structure may be used. It is valid. Therefore, next, the needle electrode NE capable of spatially localizing the external electric field will be described.
[0093]
FIG. 44 shows the needle electrode NE. As shown in FIG. 44, in this needle-shaped electrode NE, the periphery of a center electrode 31 made of a columnar conductor is covered with an insulator 32, and an outer portion made of a conductor such as metal is provided around the insulator 32. An electrode 33 is provided. Here, the diameter of the center electrode 31 is, for example, 10 nm. The material of the center electrode 31 is InAs or W, and the material of the insulator 32 is SiO2.₂For example, Al is used as a material of the external electrode 33.
[0094]
If the external electrode 33 of the needle electrode NE shown in FIG. 44 is grounded and the potential is set to 0, the potential distribution around the tip of the needle electrode NE when a predetermined voltage is applied to the center electrode 31 is shown in FIG. 45, the external electric field applied by the needle-shaped electrode NE is spatially localized. Therefore, when an external electric field is applied to the memory cell of the quantum memory using the needle-shaped electrode NE, the electric field applied to the surface of the quantum memory is also localized (FIG. 46). Therefore, the interval between adjacent memory cells can be reduced, and the integration density of the memory cells can be increased accordingly.
[0095]
The needle electrode NE shown in FIGS. 44 and 45 can be manufactured, for example, by the following method.
First, as shown in FIG. 47, a circular resist pattern 42 having the same diameter as the center electrode 31 to be formed, specifically, for example, a diameter of 10 nm is formed on the InAs substrate 41.
[0096]
Next, as shown in FIG. 48, using the resist pattern 42 as a mask, the InAs substrate 41 is etched by a predetermined depth in a direction perpendicular to the substrate surface by, eg, RIE to form a column-shaped center electrode 31 made of InAs. I do. Here, since InAs does not cause surface depletion, even if it is patterned to a diameter of about 10 nm, conductivity is not lost.
[0097]
Next, as shown in FIG.₂After forming the film 43 on the entire surface, subsequently, for example, an Al film 44 is formed on the entire surface by a vacuum evaporation method or the like.
[0098]
Next, as shown in FIG. 50, for example, the organic resist 45 is thickly applied to flatten the surface, and then at least to a depth at which the tip of the center electrode 31 is exposed, for example, in a direction perpendicular to the substrate surface by RIE. To etch back. FIG. 51 shows a state after the etch back.
[0099]
Thereafter, the unnecessary organic resist 45 is removed, and the target needle-shaped electrode NE is completed as shown in FIG.
[0100]
As described above, when the needle electrode NE is used, the Al film 44 as an external electrode is grounded, and a predetermined voltage is applied to the InAs substrate 41.
The needle-like electrode NE shown in FIG. 44 can also be manufactured by the following method.
[0101]
That is, for example, a Si substrate is used in place of the InAs substrate 41, and W, for example, is selectively grown on the Si substrate in a direction perpendicular to the surface thereof in a cylindrical rod shape, and this is used as a center electrode. Specifically, the selective growth of W is performed, for example, by placing a Si substrate in a vacuum-evacuated predetermined growth chamber, and then, for example, introducing WF into the growth chamber.₆A WF is introduced by introducing a gas and irradiating the surface of the Si substrate with an electron beam having a sufficiently narrowed beam diameter.₆Is decomposed, and W is deposited on the surface of the Si substrate at the beam irradiation part. Thereafter, the process proceeds in the same manner as shown in FIGS. 49 to 51, and the target needle-shaped electrode NE is completed.
[0102]
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.
[0103]
For example, in the above-described first and second embodiments, the quantum dots are formed by an AlGaAs / GaAs heterojunction or an AlGaAs / InGaAs heterojunction, but the type II heterojunction superlattice AlSb / InAs heterojunction is used. The quantum dots may be formed by a junction, a GaSb / InAs heterojunction or an AlSb / GaSb heterojunction. For reference, FIGS. 53 and 54 show energy band diagrams of the AlSb / InAs heterojunction and the GaSb / InAs heterojunction, respectively.
[0104]
【The invention's effect】
As described above, according to the quantum memory of the present invention, unlike the conventional semiconductor memory, a memory cell is configured by the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box which are sequentially stacked. Writing and reading can be performed using both irradiation of light such as laser light and the application of an external electric field using a needle-shaped electrode or the like. According to this quantum memory, not only the wiring required in the conventional semiconductor memory is not required, but also the size of the memory cell can be extremely reduced, so that a very high degree of integration can be achieved.
[0105]
Further, according to the needle-shaped electrode according to the present invention, the external electric field applied by the needle-shaped electrode can be spatially localized, so that the interval between the memory cells of the quantum memory can be reduced. The higher integration density of the memory cells can be achieved accordingly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram conceptually showing a quantum memory according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an energy band diagram of the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view for explaining a method of writing to the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an energy band diagram for explaining a method of writing to the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view for explaining a method of writing to the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an energy band diagram for explaining a method of writing to the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an energy band diagram for explaining a method of writing to the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an energy band diagram after writing to the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an energy band diagram for explaining a method of reading data from the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an energy band diagram for explaining a method of reading data from the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an energy band diagram for explaining a method of initializing the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a perspective view for explaining the method for manufacturing the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a perspective view for explaining the method for manufacturing the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a perspective view for explaining the method for manufacturing the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a perspective view for explaining the method of manufacturing the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic diagram illustrating a light absorption intensity curve when an external electric field is applied by a needle electrode while irradiating a quantum memory with laser light.
FIG. 18 is a schematic diagram illustrating a potential distribution when an external electric field is applied by bringing a needle-shaped electrode close to a surface of a quantum memory in which a back gate is not provided.
FIG. 19 is a schematic diagram illustrating a spatial distribution of a surface potential of a quantum memory in which a back gate is not provided.
FIG. 20 is a schematic diagram showing a potential distribution when an external electric field is applied by bringing a needle electrode close to the surface of the quantum memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a schematic diagram for explaining the reason why the potential distribution shown in FIG. 20 is obtained.
FIG. 22 is a perspective view showing a first example of a quantum memory having a back gate for localizing an external electric field applied by a needle electrode.
FIG. 23 is a perspective view showing a second example of a quantum memory having a back gate for localizing an external electric field applied by a needle electrode.
FIG. 24 is a perspective view showing a third example of a quantum memory having a back gate for localizing an external electric field applied by a needle electrode.
FIG. 25 is a perspective view showing a quantum memory according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 26 is an energy band diagram of the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 27 is an energy band diagram for explaining a method of writing to a quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 28 is an energy band diagram for explaining a method of writing to a quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 29 is an energy band diagram for explaining a method of writing to a quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 30 is an energy band diagram after writing to the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 31 is an energy band diagram of the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a schematic diagram corresponding to FIG. 31 of a ground-state wave function in a coupled quantum dot system forming a memory cell of a quantum memory according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 33 is a schematic diagram showing the wave function of the first excited state in the coupled quantum dot system constituting the memory cell of the quantum memory according to the second embodiment of the present invention, corresponding to FIG. 31;
FIG. 34 is an energy band diagram for explaining a method of reading data from the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 35 is a schematic diagram corresponding to FIG. 34, showing a wave function of a coupled state in the coupled quantum dot system forming the memory cell of the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 36 is a schematic diagram corresponding to FIG. 34 of a wave function in an anti-coupling state in a coupled quantum dot system forming a memory cell of a quantum memory according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 37 is an energy band diagram for explaining a method of reading data from the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 38 is an energy band diagram for explaining a method of reading data from the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 39 is an energy band diagram for explaining a method for initializing a quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 40 is a perspective view for explaining the method for manufacturing the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 41 is a perspective view for explaining the method for manufacturing the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 42 is a perspective view for explaining the method for manufacturing the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 43 is a perspective view for explaining the method for manufacturing the quantum memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 44 is a perspective view showing a preferred structural example of a needle electrode.
FIG. 45 is a cross-sectional view showing a preferred example of the structure of a needle electrode.
FIG. 46 is a schematic diagram showing a spatial distribution of a surface potential of the quantum memory when an external electric field is applied using the needle electrodes shown in FIGS. 44 and 45.
FIG. 47 is a cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the needle-like electrode shown in FIGS. 44 and 45.
FIG. 48 is a cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the needle-like electrode shown in FIGS. 44 and 45.
FIG. 49 is a cross-sectional view for explaining an example of a method for manufacturing the needle-like electrode shown in FIGS. 44 and 45.
FIG. 50 is a cross-sectional view for explaining an example of a method for manufacturing the needle-like electrode shown in FIGS. 44 and 45.
FIG. 51 is a cross-sectional view for explaining an example of a method for manufacturing the needle-like electrode shown in FIGS. 44 and 45.
FIG. 52 is a perspective view showing a needle electrode manufactured by the method for manufacturing a needle electrode shown in FIGS. 47 to 51.
FIG. 53 is an energy band diagram of an AlSb / InAs heterojunction.
FIG. 54 is an energy band diagram of a GaSb / InAs heterojunction.
[Explanation of symbols]
1,21 AlGaAs layer
2,4 InGaAs layer
3, 22, 23, 24 GaAs layer
11 n-type GaAs substrate
12 electrodes
13. Semi-insulating GaAs substrate
14 n-type GaAs layer
31 center electrode
32 insulator
33 external electrode
QD_j-1, QD_j-2, QD_j-3    Quantum dot
L laser light
NE Needle electrode
BG back gate

Claims (25)

A first quantum box, a second quantum box, and a third quantum box which are sequentially stacked form a memory cell,
The coupling strength between the first quantum box and the second quantum box and the coupling strength between the second quantum box and the third quantum box are different from each other;
The external electric field applied by the needle electrode is written, read or initialized on the main surface opposite to the main surface on which writing, reading or initialization is performed on the memory cell using the needle electrode. An electrode for localization is provided in the vicinity of the memory cell to be performed. The coupling strength between the second quantum box and the third quantum box is larger than the coupling strength between the first quantum box and the second quantum box. The quantum memory according to claim 1. The energy levels of the ground states of the electrons in the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box are E ₀ ^(j−1) , E ₀ ^(j−2), and E ₀ ^{( j-3),} and the energy levels of the first excited state of the electrons of the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box are E ₁ ^(j−1) and E ₁ ^{( j-2)} and E ₁ ^(j-3), and the ground state energy levels of holes in the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box are H ₀ ^{(j −1)} , H ₀ ^(j−2) and H ₀ ^(j−3), and the first excited state of the holes of the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box. When the energy levels are H ₁ ^(j-1) , H ₁ ^(j-2) and H ₁ ^(j-3) , respectively,
E ₀ ^(j-1) <E ₀ ^(j-2)
E ₀ ^(j-3) <E ₀ ^{(j-2)
_{[E 1 (j-1)}} -E 0 (j-1)]> [E 1 (j-2) -E 0 (j-2)]
^{_{[E 1 (j-3)}} -E 0 (j-3)]> [E 1 (j-2) -E 0 (j-2)]
[E ₀ ^(j−1) −H ₀ ^(j−1) ] ≠ [E ₀ ^(j−2) −H ₀ ^(j−2) ]
^{_{[E 0 (j-3)}} -H 0 (j-3)] ≠ [E 0 (j-2) -H 0 (j-2)]
Quantum memory according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that but satisfied. The energy levels of the ground states of the electrons in the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box are E ₀ ^(j−1) , E ₀ ^(j−2), and E ₀ ^{( j-3)} ,
E ₀ ^(j-1) <E ₀ ^(j-2)
E ₀ ^(j-3) <E ₀ ^(j-2)
Quantum memory according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that but satisfied. At the time of writing, the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box are irradiated on the memory cell to be written by the needle electrode while irradiating the memory cell to be written with the first light. Applying a first external electric field in the stacking direction of the quantum box,
At the time of reading, a second external electric field in a direction opposite to the first external electric field is applied to the memory cell to be read by the needle electrode while irradiating the memory cell to be read with the second light. quantum memory according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that as. The first external electric field or the second external electric field is applied by bringing the needle-shaped electrode to which a predetermined voltage is applied close to the memory cell to perform the writing or the memory cell to perform the reading. The quantum memory according to claim 5, wherein Applying a third external electric field larger than the second external electric field to the memory cell to be initialized by the needle-shaped electrode, or applying the second external electric field for a longer time than at the time of reading, quantum memory according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that to perform the initialization by causing hole recombination - in memory cells to be initialized electrons. By raising the temperature of the quantum memory or irradiating the quantum memory with third light to cause electron-hole recombination in all the memory cells, the initialization of all the memory cells is collectively performed. quantum memory according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that to perform it. 3. The quantum memory according to claim 2, wherein the electrode is provided on a main surface of the first quantum box. 3. The quantum memory according to claim 2, wherein the electrode is provided on a main surface of the memory cell constituting the memory cell array including the plurality of memory cells on the first quantum box side. Quantum memory according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that the electrodes are grounded. Quantum memory according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that it consists semiconductor which the electrode is electrically conductive. 13. The quantum memory according to claim 12, wherein said semiconductor is n-type GaAs. 13. The quantum device according to claim 12, wherein the semiconductor is the i-type GaAs having a two-dimensional electron gas composed of electrons supplied from the n-type AlGaAs at a heterojunction of the n-type AlGaAs and the i-type GaAs. memory. Said first quantum box, said second quantum boxes and said third quantum memory according to claim 1 Symbol mounting, characterized in that the quantum boxes are formed by a compound semiconductor heterojunction. The quantum memory according to claim 15, wherein the compound semiconductor heterojunction is a type I heterojunction superlattice. The quantum memory according to claim 15, wherein the compound semiconductor heterojunction is an AlGaAs / GaAs heterojunction or an AlGaAs / InGaAs heterojunction. The quantum memory according to claim 15, wherein the compound semiconductor heterojunction is a type II heterojunction superlattice. The quantum memory according to claim 15, wherein the compound semiconductor heterojunction is an AlSb / InAs heterojunction, a GaSb / InAs heterojunction, or an AlSb / GaSb heterojunction. A memory cell is constituted by the first quantum box, the second quantum box, and the third quantum box which are sequentially stacked, and the coupling strength between the first quantum box and the second quantum box and the second quantum box A needle electrode used for writing, reading or initializing the memory cell of the quantum memory having different coupling strengths between the second quantum box and the third quantum box,
A cylindrical center electrode made of a first conductor;
An insulator provided to cover the periphery of the center electrode,
And an external electrode made of a second conductor provided so as to cover the periphery of the insulator. 21. The needle-like electrode according to claim 20, wherein the external electrode is grounded, and a predetermined voltage is applied to the center electrode. Needle electrode according to claim 20 Symbol mounting, wherein said first conductor is InAs or W. 20. Symbol mounting the needle electrode, wherein said insulator is SiO _2. 20. Symbol mounting the needle electrode, wherein said second conductor is a metal. The needle electrode according to claim 24, wherein the metal is Al.

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