JP3735386B2 - 量子効果装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、量子効果を利用した量子効果装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（第１の従来技術）
従来より、集積回路の知識を用いて、インバータ回路や、ＯＲ回路や、ＡＮＤ回路などの論理回路が実現されている。このような論理回路のうち、インバータ回路は論理回路の最も基本的な要素であり、（０、１）のバイナリー演算では、入力０（１）を１（０）に反転させるという機能を持つ。
【０００３】
図１７は、従来のインバータ回路を示す図であり、これは大きく分けてｎｐｎ型のバイポーラトランジスタＴｒと、このバイポーラトランジスタＴｒのコレクタに接続された負荷抵抗Ｒとで構成されている。また、バイポーラトランジスタＴｒのエミッタ，コレクタはそれぞれ電源電位Ｖ1 ，Ｖ2 に接されている。
【０００４】
このインバータ回路によれば、バイポーラトランジスタＴｒのベースにローレベルの入力電圧Ｖinが印加されると、バイポーラトランジスタＴｒがオフ状態となり、負荷抵抗Ｒに電流が流れないので、出力電圧Ｖout はハイレベルとなる。
一方、ベースにハイレベルの入力電圧Ｖinが印加されると、バイポーラトランジスタＴｒがオン状態となり、負荷抵抗Ｒに電流が流れ、電圧降下が生じるので、出力電圧Ｖout はローレベルとなる。
【０００５】
しかしながら、この種のインバータ回路には以下のような問題があった。すなわち、論理振幅を電圧で取り出すため、誤動作防止のために論理振幅に余裕を持たせると、消費電力が大きくなるという問題が生じる。
【０００６】
また、インバータ回路のように、１個のトランジスタで構成できる簡単な論理回路でも、最低３つの電極（ベース電極，コレクタ電極，エミッタ電極）が必要となり、更に、電極間を金属の配線で接続しなければならない。
【０００７】
このため、トランジスタを用いて、複雑な論理演算を実現しようとすると、配線パターンが複雑化し、設計が困難になるとともに、配線を引き回すことによる容量性の遅延や、配線間の誘導性クロストークなどの問題が生じる。
【０００８】
このような問題は、回路規模が大きくなればなるほど顕存化し、ＵＬＳＩにおいては本質的なボトルネックになってくる。
【０００９】
そこで、近年、バイポーラトランジスタのような３端子トランジスタを用いずに、論理回路を構築することが試みられている（Craig S.Lent et.al.,Quantum cellular automata Nanotechnology,vol.4, pp.49-57）。
【００１０】
図１８は、従来のトランジスタを使用しないインバータ回路であり、セル接続型インバータ回路と呼ばれているものである。このセル接続型インバータ回路では、トランジスタの代わりに、６個の５量子ドットセルＣ１〜Ｃ６で構成されている。
【００１１】
５量子ドットセルとは、図１９に示すように、五つの量子ドットＤ１〜Ｄ５からなるセルであって、その中に２個の電子（図中の黒丸）が注入された構造となっている。
【００１２】
この５量子ドットセルは、図１９に示すように、二つの識別可能で安定な基底状態ψ1 ，ψ2 を有する。これは二つの電子がクーロン相互作用により互いに反発し合い、よりエネルギーの低い状態に変化しようとする結果である。
【００１３】
このセル接続型インバータ回路によれば、図１８（ａ）に示すように、入力セルとしての５量子ドットセルＣ１に入力“１”が与えられ、この５量子ドットセルＣ１が状態ψ1 になると、５量子ドットセルＣ２は、５量子ドットセルＣ１に対して電気的に安定な状態である基底状態ψ1 に落ち着く。同様に、５量子ドットセルＣ３も基底状態ψ1 となる。
【００１４】
また、５量子ドットセルＣ４は、５量子ドットセルＣ３に対して電気的に安定な状態である基底状態ψ2 に落ち着く。５量子ドットセルＣ４が基底状態ψ2 になると、５量子ドットセルＣ５は、５量子ドットセルＣ４に対して電気的に安定な状態である基底状態ψ2 になり、同様に、出力セルとしての５量子ドットセルＣ６の状態も基底状態ψ2 となる。
【００１５】
したがって、入力セルである５量子ドットセルＣ１と、出力セルである５量子ドットセルＣ６とは互いに異なった基底状態となるので、５量子ドットセルＣ６の状態を検出することにより、入力“１”とは異なる出力“０“が得られる。
【００１６】
しかしながら、この種のセル接続型インバータ回路には以下のような問題があった。
【００１７】
すなわち、図１８（ａ）の状態の接続型インバータ回路において、入力を“１”から“０”に変えると、図１８（ｂ）に示すように、５量子ドットセルＣ１から５量子ドットセルＣ３までは、図１８（ａ）の場合と同様に、入力に対応して状態が所定通りに変化するが、５量子ドットセルＣ３の状態に対して、５量子ドットセルＣ４は、図１８（ａ）の場合とは異なり、状態が変化しない場合があるため、入力と出力とが同じになり、インバータとして機能しなくなるという問題があった。
【００１８】
（第２の従来技術）
ところで、複数の５量子ドットセルを縦方向または横方向に並べると、信号の伝播が可能となる。例えば、入力側の第１の５量子ドットセルにその状態が基底状態ψ1 になるようなバイアスを与えると、第１の５量子ドットセルに隣接する第２の５量子ドットセルは、クーロン相互作用により第１の５量子ドットセルと同じ基底状態ψ1 になろうとする。以下、同様にして、第２の５量子ドットセル以降の５量子ドットセルも基底状態ψ1 になろうとし、したがって、基底状態ψ1 が信号として伝搬することになる。また、第１の５量子ドットセルの状態を基底状態ψ2 にした場合には、基底状態ψ1 の場合と同様なメカニズムにより、今度は基底状態ψ2 が信号として伝播することになる。
【００１９】
しかし、５量子ドットセルを単に縦方向または横方向に並べるだけでは、直線方向にしか信号（状態）を伝播することができない。実際に集積回路を構成しようとする場合には、任意の場所にある記憶装置や論理演算部に信号を運ばなければならないため、信号の伝播する方向を曲げたり、または信号を分岐したりする必要が生じる。
【００２０】
信号の方向転換や、信号の分岐を行なうには、例えば、図４８、図４９に示すように、複数の５量子ドットセルを配置すれば良い。これらはＬｅｎｔ等のよって提案されたものである。
【００２１】
図４８は、いわゆる折れ曲がり配線と呼ばれるものを示しており、図４８の折れ曲がり配線の場合、信号Ｓは、最初、右方向（３時の方向）に伝搬し、５量子ドットセルＣ３のところで伝搬方向が変わり、下方向（６時の方向）に伝搬することになる。
【００２２】
しかしながら、この種の折れ曲り配線には以下のような問題がある。
【００２３】
すなわち、図４８の折れ曲がり配線の場合、５量子ドットセルＣ２，Ｃ４の状態が不安定であるため、５量子ドットセルＣ２，Ｃ４の状態は必ずしも基底状態となる分けではない。したがって、信号Ｓの情報を確実に保持したまま信号Ｓの伝搬方向を転換することはできない。
【００２４】
５量子ドットセルＣ２，Ｃ４の状態が不安定になるのは、５量子ドットセルＣ２の一方の電子と５量子ドットセルＣ４の一方の電子とが近接するため、上記二つの電子間にクーロン相互作用が働き、これにより、これら電子の状態が変化することがあるからである。
【００２５】
（第３の従来技術）
図４９は、いわゆるマルチ・ファン・アウト分岐配線と呼ばれるものを示しており、図４８のマルチ・ファン・アウト分岐配線の場合には、５量子ドットセルＣ３，Ｃ５のところで信号Ｓが分岐し、伝搬方向が右方向（３時の方向）で、互いに伝搬方向が平行な分岐信号Ｓ1 ，Ｓ2 が得られる。
【００２６】
しかしながら、この種の分岐配線には以下のような問題がある。
【００２７】
すなわち、図４９の分岐配線配線の場合、５量子ドットセルＣ４，Ｃ７の状態が不安定であり、また、５量子ドットセルＣ６，Ｃ９の状態も不安定となるので、信号Ｓの情報を確実に保持したまま信号Ｓを分岐することはできない。
【００２８】
（第４の従来技術）
図２０は、J.Spector らによって提案され、高速化、微細化が可能な半導体論理装置の模式図である（Appl. Phys. Lett.,vol. 56,no.24, 1990. p.2433 ）。これは量子効果領域の電子、つまり、バリスティック電子ｅ- を利用した半導体論理装置であって、エミッター端子８１、ゲート端子８２に与える電圧によって、バリスティック電子ｅ- を制御し、レシーバ８３でバリスティック電子ｅ- を受信するというものである。
【００２９】
しかしながら、このような構成の半導体論理装置によってインバータ以外の論理装置を実現する場合には、バリスティック電子ｅ- を制御するゲート端子８１を増加する必要があり、この結果、ゲート端子８１の間でクロストークが生じ、安定した動作が期待できないという問題があった。
【００３０】
（第５の従来技術）
現在の集積回路の知識を用いてメモリーや論理回路を構成しようとすると、必ず３端子素子、つまり、トランジスターを用いることになる。トランジスタを用いると、３つの電極から金属配線を引き出し、デバイス間を接続するためにその金属配線を引き回すことが必要になる。
【００３１】
この引き回しは、回路規模が大きくなるほど多くなり、これにより、金属配線面積の増加、配線抵抗の増大、配線による容量性遅延、配線間の誘導性クロストークなどの諸問題が顕在化してくる。これらの問題はＵＬＳＩにおける本質的なボトルネックとなっている。
【００３２】
そこで、これらの問題を抜本的に解決するために、複数の５量子ドットセルで構成された量子セルラーオートマトンという量子効果装置がＣ．Ｓ．Ｌｅｎｔ等により提案されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２（１９９３）ｐ．７１４）。
【００３３】
５量子ドットセルとは、図４２に示すように、電子を０次元的に閉じ込められるくらい微小で丸状の５つの量子箱（図中の丸１０１７，１０１８）から構成されるものであって、そのうちの４つは５量子ドットセルの四隅に配置し、残りの１つは５量子ドットセルの中心に配置している。そして、そのうちの２つの量子箱（図中の丸１０１７）には電子が２個入っている。
【００３４】
各量子箱間の距離は電子がトンネル効果で行き来できるくらい近接した位置関係にあり、一方、各５量子ドットセル間の距離は、電子がトンネル効果で行き来出来ない程度離れている。
【００３５】
１つの５量子ドットセルの中の２つの電子は、クーロン反発力でなるべく遠くにいこうとするため、対角線上の位置に来たときが一番エネルギーの低い安定状態となる。したがって、このセルは最もエネルギーの低い２つの安定状態（状態０、状態１）を持つことになる。
【００３６】
これら双安定状態を（０，１）と定義すれば、この５量子ドットセルを１単位（１ビット）としたメモリを構成できる。また、図４３に示すように、この５量子ドットセルを横に並べ、そして、左側の５量子ドットセルから状態０を入力すれば、電子の配置に従ってクーロン反発力により、右側の５量子ドットセルに状態０が伝播していく。
【００３７】
すなわち、この５量子ドットセルを並べれば、信号伝播のための配線として用いることができる。また、セルの配置の仕方によって論理回路も構成できることが分かっている。
【００３８】
しかしながら、この種の５量子ドットセルには以下のような問題があった。
【００３９】
従来の５量子ドットは丸い量子箱から構成されているため、斜めの方向に隣接する量子箱間の方が、横方向に隣接する量子箱にくらべ距離が短いため、トンネル確率は高くなるものの、電子は隣合う量子箱間を全てトンネル効果で移動することが可能である。
【００４０】
すなわち、バイアスを与えれば５量子ドットセルの状態が確定するが、バイアスを取り去ると、状態は時間と共にぼけてしまい、不揮発性メモリのような用途には使えなくなる。
【００４１】
また、もし光でメモリーの書き込みを行なう場合、光（バイアス）が与えられるなくなると、状態は不確定になってしまうため、結局配線を全セルにつなぐことになり、当初の配線を使わないで済むというメリットがなくなってしまう。
【００４２】
一方、論理回路として用いる場合、上述したように電子はトンネル効果により横方向にも移動するため、これによりしきい値エネルギーが低くなりすぎて、誤動作が生じるという問題がある。
【００４３】
（第６の従来技術）
更に、従来の量子効果装置には以下のような問題があった。
【００４４】
ＱＩＣ（Quantum Interconnections with Cellar automata ）動作の量子効果装置は基底状態での動作を想定しており、この動作の温度限界は基底状態と第１励起状態とのエネルギー差により決定される。
【００４５】
このエネルギー差は５量子ドットセル等の量子セル間のクーロン相互作用により決まるため、隣接する量子セルから受ける影響が強いほど、基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差が明確になる。このため、量子セル間の距離を短くするほど、より高温まで動作できるようになる。
【００４６】
しかしながら、従来の平面的な量子セル配列パターンの場合、量子セル間の距離が短くなると、それにともなってクーロン相互作用も強くなるため、これにより、量子セルの双安定状態が乱され、量子効果装置として機能が失われるという問題があった。
【００４７】
（第７の従来技術）
図４４は、従来の量子効果装置（量子効果情報制御システム）の概念図である。
【００４８】
これはアドレスＡ，Ｂ，Ｃ間で情報のやり取りを２次元電子ガス（２ＤＥＧ）内のバリスティック電子を介して行なうシステムを示しており、アドレスＡ，Ｂ，Ｃは具体的には端末やプロセッサである。
【００４９】
図中、三角印はバリスティック電子の経路が平面交差している領域を示し、菱形印はバリスティック電子の経路が分岐している領域を示し、そして、長方形印はバリスティック電子同士が衝突する領域を示している。
【００５０】
この量子効果情報制御システムは２ＤＥＧ内のバリスティック電子を利用しているため、従来の金属配線を利用した情報制御システムとは異なり、配線遅延の問題は全くない。
【００５１】
しかしながら、実用化を考えた場合、その設計の自由度は十分でないという問題があった。
【００５２】
（第８の従来技術）
ところで、集積回路の集積密度上昇を求めてＵＬＳＩの微細加工技術が現在発展しており、量子効果の発現する領域になりつつある。このような領域では、電子の波動性が顕著になり、情報の伝達に電子電流を利用した従来の論理装置は、動作が不安定になったり、誤動作が生じるという問題がある。また、微細化による素子密度の増加により、消費電力や発熱の問題が顕著になる。更に、素子間を配線で連結するため、配線面積で素子密度の向上が困難になるという問題があった。
【００５３】
（第９の従来技術）
このパラグラフの項目は、第９の従来技術となっているが、以下に説明する問題は、公知（周知）の従来技術の問題ではなく、本発明者等が独自に考えている現代の量子効果装置に内在する問題である。
【００５４】
５量子ドットセル等の量子セルは非常に小さく、そのサイズは例えば０．１２μｍ程度である。この場合、量子ドットの直径は５０ｎｍ程度と非常に小さく、また、隣接する量子ドット間の距離は２０ｎｍ程度と非常に短い。
【００５５】
このため、従来の電子装置の場合のような通常の金属電極による信号の供給は不可能である。何故なら、金属電極から入力用量子セルに信号を供給しようとすると、信号ではなく金属電極内の大量の電子によって、入力用量子セル内の少数（通常２個）の電子の状態が変化してしまうからである。換言すれば、金属電極と入力用量子セルとの間にショットキー接合が形成され、入力用量子セル内のバンド構造が大きく変化するため、量子セルの双安定状態が壊れてしまう。
【００５６】
（第１０の従来技術）
このパラグラフの項目は、第１０の従来技術となっているが、以下に説明する問題は、公知（周知）の従来技術の問題ではなく、本発明者等が独自に考えている現代の量子効果装置に内在する問題である。
【００５７】
すなわちに、出力用量子セルの状態（出力）を通常の金属電極により検出しようとすると、金属電極内の大量の電子によって、出力用量子セルの出力が変化してしまう。したがって、通常の金属電極では、出力用量子セルの出力を正確に検出することは困難である。
【００５８】
また、出力用量子セルの出力は、２個の電子により形成される分極状態の違いであり、したがって、極めて微小な電荷分布を検出する技術が必要になる。しかしながら、従来の技術ではこのような微小な電荷分布を検出することは困難であった。
【００５９】
（第１１の従来技術）
近年、半導体微細構造中の電荷の片寄りを利用して、信号の伝達を行なう量子効果信号伝達装置が提案されている（P.Bakshi et al., J．Appl. Phys. 70,5150(1991) やP.D.Tougaw et al., J. Appl. Phys. 74,3558(1993) ）。以下、この方法の概要について説明する。
【００６０】
この量子効果信号伝達装置は、図５２に示すように、複数のクオンタム・ダッシュ（quantum dashes）１１３１により構成されている。クオンタム・ダッシュ１１３１は、量子箱の一種で、細長い構造を有する量子箱である。
【００６１】
隣接するクオンタム・ダッシュ１１３１間の距離は、各クオンタム・ダッシュ１１３１内に閉じ込められた電子が、隣接したクオンタム・ダッシュ１１３１内に閉じ込められた電子とクーロン力が働く程度に短い。
【００６２】
したがって、クオンタム・ダッシュ１１３１内に閉じ込められた電子は、その密度分布の中心１１３２がクオンタム・ダッシュ１１３１の中央からずれたところで、安定な状態となる。すなわち、クオンタム・ダッシュ１１３１は、分極状態で安定となる。
【００６３】
ここで、電子密度分布の中心が左側にある場合を“１”に対応させ、電子密度分布の中心が右側にある場合を“０”に対応させれば、図５２は、“１、０、１、０、…”という信号が伝搬していることを示していることになる。
【００６４】
また、外部電場等により、一つのクオンタム・ダッシュ１１３１の分極を“１”から“０”に反転させれば、“０、１、０、１、…”という信号が伝搬することになる。
【００６５】
図５３は、上記量子効果信号伝達装置を改良した量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図である。この量子効果信号伝達装置は、二重量子井戸を用いて強い分極を形成することにより、信号伝達を効果的に行なうというものである。
図中、１１４１ａ，ｂは量子井戸を示しており、Ｘ方向に関して、これら二つの量子井戸１１４１ａ，ｂは弱いポテンシャル障壁１１４２を挟んでいる。すなわち、二つの量子井戸１１４１ａ，ｂと一つのポテンシャル障壁１１４２とにより、二重量子井戸が構成されている。一方、Ｙ方向に関しては、二つの量子井戸１１４１ａ，ｂは、強いポテンシャル障壁１１４３によって、分離されている。したがって、二重量子井戸を“セル”と呼ぶとすると、セル内では比較的自由に電子が移動するが、セル間では電子は移動しない。また、セル間ではクーロン力以外の力は電子には働かない。
【００６６】
今、一番上のセル１を十分に強く分極させると（電子を左側に偏在させると）、クーロン力によりセル２内の電子は、図５４に示すセル２の電荷密度分布から分かるように、右側に偏在する。すなわち、セル２はセル１と反対方向に十分に強く分極する。したがって、これらの２つの強い分極状態をそれぞれ２つの信号“１”、“０”に対応させれば、これらのセルを並べることにより、信号伝達を行なうことができるようになる。
【００６７】
ここで、信号として伝わるのは分極の状態であり、量子井戸中の電子自体の移動が信号伝達を担う訳ではない。したがって、電気抵抗やそれに伴う発熱を非常に小さく抑えることができ、高速でエネルギー消費の非常に小さい集積回路を構成することが可能となる。なお、上述した２つの量子効果信号伝達装置では、均一なバックグラウンドとしての正電荷を仮定している。
【００６８】
図５５、図５６は量子効果信号伝達装置のより具体的な構成を示す図であり、図５５は量子効果信号伝達装置を上から平面図を示しており、図５６は図５５の量子効果信号伝達装置のＢ−Ｂ´断面図を示している。
【００６９】
図５６に示すように、クオンタム・ダッシュは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２５１と、この半絶縁性ＧａＡｓ基板１２５１上に形成され、ｉ型ＧａＡｓ層１２５２とｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３とからなる変調ドープ層と、この変調ドープ層を囲むポテンシャル障壁層１２５４とにより構成されている。ポテンシャル障壁層１２５４のポテンシャル障壁は変調ドープ層のそれよりも高い。
【００７０】
各クオンタム・ダッシュのｉ型ＧａＡｓ層１２５２は、その上のｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３から電子を引き寄せる。この結果、各クオンタム・ダッシュのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３内にはドナーイオンにより固定された正電荷と、各クオンタム・ダッシュのｉ型ＧａＡｓ層１２５２内には二次元電子ガスとしての自由な電子とが存在することになる。
【００７１】
ここで、図５５に示すように、一番上のクオンタム・ダッシュ１２５５に加えられた外部電場等により、水平面内において電子分布の片寄りが生じた場合、クオンタム・ダッシュ１２５５のうち電子密度の高い領域は負帯電領域１２５６となり、逆に電子密度の低い領域はドナーイオンの正電荷により正帯電領域１２５７となる。
【００７２】
このとき、図５６に示すように、負帯電領域の電子１２５８は、その上のドナーイオンにより固定された正電荷１２５９によりキャンセルされるので、負の帯電領域１２５６の実効的な電子１２５８の数が小さくなる。したがって、クオンタム・ダッシュ内には期待通りの強い分極状態は形成されない。
【００７３】
また、各クオンタム・ダッシュのサイズにばらつきが生じると、各クオンタム・ダッシュ中に閉じ込められるドナーイオンの数にもばらつきが生じることになる。クオンタム・ダッシュ内の分極に寄与する電子の数は少ないので、このようなドナーイオンの数のばらつきが生じると、各クオンタム・ダッシュの分極の程度が大きく異なり、これにより、誤動作が生じるという問題が発生する。
【００７４】
（第１２の従来技術）
半導体素子の金属パターンの形成方法の一つとして、リフトオフ法がある。リフトオフ法により微細な金属パターンを形成する具体的な方法については、「メゾスコピック構造の作製技術」（蒲生健次、固体物理、Vol.28, No.11, pp128-137(1993)）で述べられている。この方法の概略を図５９の工程断面図を用いて説明する。
【００７５】
まず、図５９（ａ）に示すように、半導体基板１２２１上に有機レジスト１２２２をスピンコートした後、１００℃前後の温度でプリベークを行なうことにより、有機レジスト１２２２中の溶媒を外に追い出す。ここで、有機レジスト１２２２の材料としては、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレイト）があげられる。
【００７６】
次に図５９（ｂ）に示すように、ＥＢ（電子ビーム）描画装置によって、金属パターンを形成する領域の有機レジスト１２２２に２０〜１００ｋｅＶ程度のエネルギーの電子ビーム２２２３を照射することにより、有機レジスト１２２２を露光する。
【００７７】
次に図５９（ｃ）に示すように、ＭＥＫ（メチルエチルケトン）やＭＩＢＫ
（メチルイソブチルケトン）等の有機溶剤を含んだ現像液に半導体基板１２２１を浸して、有機レジスト１２２２の現像を行なうことにより、電子ビーム１２２３を照射した領域に微細な開口部を持つ有機レジストパターン１２２４を形成する。この後、ポストベークを行なって有機レジストパターン１２２４中に残留する現像液を除去するとともに、有機レジストパターン１２２４と半導体基板１２２１とのの密着性を向上させる。
【００７８】
ここで、リフトオフを確実に行なえるようにするには、有機レジストパターン１２２４の開口部の形状が逆テーパ状になっていることが望ましい。これを実現するにはレジスト１２２２として、上層の露光感度が下層のそれより低い２層構造のレジストを用いると良い。
【００７９】
次に図５９（ｄ）に示すように、開口部を含めた有機レジストパターン１２２２上の全面に、抵抗加熱や電子ビーム等を利用した蒸着装置を用いて、金属１２２５を蒸着して、有機レジストパターン１２２２上に金属層１２２６ａを形成し、また、有機レジストパターン１２２２の開口部上には、金属層１２２６ａとは分離された金属層１２２６ｂを形成する。
【００８０】
最後に、図５９（ｅ）に示すように、有機溶剤を含むレジスト除去液を用いて有機レジストパターン１２２２を溶解して除去することにより、有機レジストパターン上１２２２に形成された金属層１２２６ａを除去する。この結果、有機レジストパターン１２２２の開口部の形を反映した微細な金属パターン１２２６ｂが半導体基板１２２１上に形成される。
【００８１】
しかしながら、この種のリフトオフ法には以下のような問題があった。
【００８２】
すなわち、上述したリフトオフ法では、有機レジストを用いているため、スピンコート、プリベーク、現像、ポストベーク等のプロセス途中で、炭素や炭素を含む物質（炭素汚染物質）により、素子表面が汚染されるという問題があった。更に、その後の洗浄プロセスに大きな負担がかかるという問題もあった。
【００８３】
また、有機物を扱うプロセスは、有機物の揮発性のために、大気中で行なう必要があるので、全てのプロセスを真空中で行なうという真空一貫プロセスは不可能であった。したがって、大気中に素子表面が晒されるので、素子表面に形成される不要な酸化物（表面酸化物）を抑えることができず、素子構造やプロセス設計に多くの制限が課せられるという問題があった。
【００８４】
また、半導体基板に損傷を与えずに、炭素汚染物質や表面酸化物を完全に除去することは難しく、したがって、上記リフトオフ法により微細構造を有する半導体素子を形成しようとすると、炭素汚染物質等の除去の際に微細構造が破壊されてしまうという問題があった。
【００８５】
また、有機レジストは加熱による変形が起こり易いため、金属層１２２６ａ，ｂ５を形成するときに、半導体基板１２２１の表面温度が必要以上に上昇しないように注意しなければならなかった。
【００８６】
（第１３の従来技術）
ところで、従来、量子箱の作成は、フォトリソグラフィ、ウエットエッチング、ドライエッチング等の半導体技術により形成していた。しかし、従来の量子箱の形成方法では、高寸法精度、低結晶欠陥の量子箱を形成できなかった。
【００８７】
【発明が解決しようとする課題】
（第１の目的）
上述の第１の従来技術で説明したように、従来のセル接続型インバータ回路にあっては、所定通りに状態が変化しない５量子ドットセルが存在するため、入出力関係がインバータの関係にならない場合があり、動作が不安定であるという問題があった。
【００８８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第１の目的は、量子セルからなり、動作が安定な量子効果装置を提供することにある。
【００８９】
（第２の目的）
上述の第２の従来技術で説明したように、５量子ドットセルを用いた従来の折れ曲がり配線は、信号の情報を確実に保持したまま信号の伝搬方向を転換することができないという問題があった。
【００９０】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第２の目的は、信号の情報を保持したまま、信号の転換を行なえる量子効果装置を提供することにある。
【００９１】
（第３の目的）
上述の第３の従来技術で説明したように、従来の５量子ドットセルを用いた分岐配線は、信号の情報を確実に保持したまま信号を分岐することができないという問題があった。
【００９２】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第３の目的は、信号の情報を保持したまま、信号の分岐を行なえる量子効果装置を提供することにある。
【００９５】
（第４の目的）
上述の第５の従来技術で説明したように、従来の５量子ドットセル（量子セル）を用いたメモリや論理回路等の量子効果装置にあっては、バイアスを与えないと、量子セルの状態が時間とともにぼけるという問題があった。
【００９６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第４の目的は、バイアスを与えなくても、状態を維持できる量子人工分子からなる量子効果装置を提供することにある。
【０１０５】
（第５の目的）
上述の第１０の従来技術で説明したように、通常の金属電極により、出力用量子セルの状態（出力）を検出しようとすると、金属電極内の大量の電子によって、出力用量子セルの出力が変化するので、出力を正確に検出することができないという問題（前述したように発明者等が独自に認識している問題で公知の問題ではない）があった。
【０１０６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第５の目的は、出力用量子セルの出力を正確に検出できる量子効果装置を提供することにある。
【０１１３】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項１）は、入力用のセルと出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される、二つ以上の識別可能な状態を有し、前記複数のセルは、前記入力用のセルの状態と前記出力用のセルの状態とが所定の論理関係になるべく二次元的または三次元的に配列され、且つ前記出力用のセルは、他のセルとともにループ構造を構成するように配置され、該ループ構造は、複数のセルがループ状に配置され、かつ、該ループ状に配置された前記複数のセルの内側にはセルが配置されていない構造であることを特徴とする。
【０１１４】
なお、ここで、前記ループ構造は、４つのセルが、それぞれ、３時の方向、６時の方向、９時の方向、１２時の方向に配置されてなるものであることが好ましい（請求項２）。
【０１１５】
上記第２の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項３）は、入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号の伝搬方向とは異なる方向に信号を出力する出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される、二つ以上の識別可能な状態を有し、且つ前記入力用のセルと前記出力用のセルとの間には、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルとが設けられ、前記第 1 および第２のループ構造は、それぞれ、複数のセルがループ状に配置され、かつ、該ループ状に配置された前記複数のセルの内側にはセルが配置されていない構造であることを特徴とする。
【０１１６】
上記第３の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項４）は、一つの入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号を分岐する複数の出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される、二つ以上の識別可能な状態を有し、且つ前記入力用のセルと前記複数の各出力用のセルとの間には、それぞれ、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルとが設けられ、前記第 1 および第２のループ構造は、それぞれ、複数のセルがループ状に配置され、かつ、該ループ状に配置された前記複数のセルの内側にはセルが配置されていない構造であることを特徴とする。
【０１１９】
上記第４の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項５）は、入力用のセルと出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される二つ以上の識別可能な状態を有し、前記複数のセルは、入力出力関係が所定の所定の論理関係になるべく３次元的に配列されていることを特徴とする。
【０１２０】
上記第５の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項６）は、入力用のセルと出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルからなる量子配線であって、前記各セルが、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用を利用して情報伝達を行なう量子配線と、この量子配線にバリスティック電子を衝突させて前記量子配線の状態を変化させることにより、前記量子配線を流れる情報を制御する情報伝達制御手段と、前記量子配線と前記バリスティック電子との衝突により生じる前記量子配線の状態変化を検出する検出手段とを備えてることを特徴とする。
【０１２６】
【作用】
本発明者等の研究によれば、量子効果装置を構成する一のセルがそれに隣接する他の二つのセルと物理的相互作用を起こすようになっていれば、上記一のセルの出力が安定することが分かった。
【０１２７】
また、本発明者等の研究によれば、量子効果装置を構成する出力用のセルが他のセルとともにループを構成している場合には、動作が安定し、所望の入出力関係が得られることが分かった。このメカニズムの詳細は未だ不明であるが、上記の如きのループが存在すると、従来無かった準安定状態が出現するのが一つの理由だと考えられる。すなわち、準安定状態が現れることにより、状態が不確定なセルが無くなるので、動作が安定すると考えられる。
【０１２８】
したがって、上記の如きの知見に基づいた本発明（請求項１〜２）によれば、動作の安定化が図れた量子効果装置を実現できるようになる。
【０１２９】
本発明者等の研究によれば、入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号の伝搬方向とは異なる方向に信号を出力する出力用のセルとを含む複数のセルからなる量子効果装置において、入力用のセルと出力用のセルとの間に、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルとを設けると、状態が不安定なセルがなくなり、信号の情報を保持したまま信号の伝搬方向を変えることができることが分かった。
【０１３０】
したがって、上記の如きの知見に基づいた本発明（請求３）によれば、信号の情報を保持したまま信号の伝搬方向を変えることができる量子効果装置を実現できるようになる。
【０１３１】
また、本発明者等の研究によれば、一つの入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号を分岐する複数の出力用のセルとを含む複数のセルからなる量子効果装置において、入力用のセルと複数の各出力用のセルとの間に、それぞれ、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルを設けると、状態が不安定なセルがなくなり、信号の情報を保持したまま信号を分岐できることが分かった。
【０１３２】
したがって、上記の如きの知見に基づいた本発明（請求項４）によれば、信号の情報を保持したまま信号を分岐できる量子効果装置を実現できるようになる。
【０１３７】
本発明者等の研究によれば、３次元的に量子人工分子を配列すると、量子人工分子の基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差が大きくなり、高温の動作が可能となることが分かった。また、量子人工分子間の距離は小さくなっていないので、量子人工分子の識別可能な状態が乱されることもない。
【０１３８】
したがって、このような知見に基づいた本発明（請求項５）によれば、高温の動作が可能な量子効果装置が得られるようになる。
【０１３９】
本発明（請求項６）によれば、量子配線にバリスティック電子を衝突させることにより、量子配線を流れる情報を制御できる。すなわち、バリスティック電子の利用により、従来不可能であった量子配線における情報伝達の制御を行なえるようになる。したがって、設計の自由度が高くなり、実用度の高い量子配線が得られるようになる。
【０１４８】
【実施例】
先ず、請求項に係る発明と実施例との対応を以下に記す。
【０１４９】
請求項１ →第１〜第３の実施例
請求項２ →第１〜第３の実施例
請求項３ →第２３の実施例
請求項４ →第２４の実施例
請求項５ →第１２〜第１６の実施例
請求項６ →第１７の実施例
以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
【０１５０】
（第１の実施例：請求項１，２）
図１は、本発明の第１の実施例に係るセル接続型インバータ装置の概略構成を示す模式図である。
【０１５１】
図中、Ｃ１〜Ｃ４は同一構造の量子ドットセル（例えば、図１８の５量子ドットセル）を示しており、これら量子ドットセルＣ１〜Ｃ４はループ状に配置され、量子ドットセルＣ１は入力セル、量子ドットセルＣ４は出力セルとして用いられている。量子ドットセルＣ１〜Ｃ４は、電子（図中の黒丸）の配置によって、基底状態ψ1 （二つの電子が左斜めに配列する状態），ψ0 （二つの電子が右斜めに配列する状態）の双安定状態を取り得る。
【０１５２】
このように構成されたセル接続型インバータ装置において、図１（ａ）に示すように、量子ドットセルＣ１に入力“０”が与えられ、量子ドットセルＣ１が基底状態ψ0 になると、量子ドットセルＣ２内の二つの電子がたとえ右斜めに配列しようとしても、クーロン反発力により、即座に左斜め方向に再配列されるので、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ1 となる。
【０１５３】
このとき、量子ドットセルＣ４は、量子ドットセルＣ１の基底状態ψ0 に対して、基底状態ψ0 ，ψ1 の両方を取り得る。ところが、量子ドットセルＣ２の基底状態ψ1 に対して、量子ドットセルＣ３内の二つの電子は、クーロン反発力により、即座に右斜めに配列されるので、量子ドットセルＣ３は基底状態ψ0 となる。
【０１５４】
したがって、量子ドットセルＣ３の基底状態ψ0 に対して、量子ドットセルＣ４内の二つの電子は、クーロン反発力により、即座に左斜めに配列されので、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 を取らざるを得ない。
【０１５５】
かくして、量子ドットセルＣ１に基底状態ψ0 となる入力“０”が与えられると、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ４の順で状態が確定し、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 となる。入力セルである量子ドットセルＣ１と、出力セルである量子ドットセルＣ４とは互いに異なった基底状態となるので、量子ドットセルＣ４の状態を検出することにより、入力“１”とは異なる出力“０“が得られる。一方、図１（ａ）の状態において、量子ドットセルＣ１に入力“１”を与えると、量子ドットセルＣ１は基底状態ψ1 となる。
【０１５６】
量子ドットセルＣ１が基底状態ψ1 となると、量子ドットセルＣ４内の二つの電子がたとえ左斜めに配列しようとしても、クーロン反発力により、即座に右斜め方向に再配列されるので、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ0 となる。
【０１５７】
量子ドットセルＣ４が基底状態ψ0 となると、量子ドットセルＣ３内の二つの電子がたとえ右斜めに配列しようとしても、クーロン反発力により、即座に左斜め方向に再配列されるので、量子ドットセルＣ３は基底状態ψ1 となる。
【０１５８】
量子ドットセルＣ３が基底状態ψ1 となると、量子ドットセル２３内の二つの電子がたとえ左斜めに配列しようとしても、クーロン反発力により、即座に右斜め方向に再配列されるので、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 となる。
【０１５９】
この結果、図１（ａ）の状態において、量子ドットセルＣ１に入力“１”を与えた直後では、量子ドットセルＣ２は、量子ドットセルＣ１の基底状態ψ1 に対して、基底状態ψ0 ，ψ1 の両方を取り得るが、量子ドットセルＣ４，Ｃ３の順で状態が確定するので、量子ドットセルＣ２は、基底状態ψ0 を取らざるを得ない。
【０１６０】
したがって、量子ドットセルＣ１に基底状態ψ1 となる入力“１”が与えられると、量子ドットセルＣ４，Ｃ３，Ｃ２の順で状態が確定し、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ0 となるので、入出力関係はインバータのそれと同じになる。
【０１６１】
同様に、図１（ｂ）の状態において、量子ドットセルＣ１に入力“０”を与えると、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ４の順で状態が確定し、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 となるので、入出力関係はインバータのそれと同じになる。
【０１６２】
以上述べたように本実施例によれば、従来とは異なり、状態が不安定となる量子ドットセルが存在しないので、確実に、入力が“０”であれば出力が“１”，入力が“１”であれば出力が“０”となるセル接続型インバータ装置を実現できる。
【０１６３】
また、本実施例のセル接続型インバータ装置は、素子間に電極や配線を設け、電流により信号を伝達するのではなく、隣接する量子ドットセル間の物理的相互作用（クーロン相互作用）によって状態（信号）を伝播するため、電極，配線，信号電流が不要になる。このため、電極間や配線間に誘導性クロストークが生じるという問題や、電極や配線に存在する寄生容量により生じる容量性遅延などの問題が無くなる。また、電極や配線の作成の手間が省け、更に、入出力部分を除いて基本的には電流は流れないため、消費電力を極めて少なくできる。
【０１６４】
なお、本実施例では、量子ドットセルの具体例として、５量子ドットセルを挙げたが、図２に示すような４量子ドットセルを用いても良い。
【０１６５】
この場合、２つの基底状態ψ1 ，ψ0 における電荷の分布は、５量子ドットセルのそれと同様であるが、電子の遷移の仕方が異なる。すなわち、５量子ドットセルの場合は、中心の量子ドットを介して電子が四隅に遷移するのに対し、４量子ドットセルの場合は、直接、四隅の量子ドットに遷移することになる。
【０１６６】
このような４量子，５量子ドットセルは、例えば、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｉ型ＧａＡｓのような変調ドーピング構造を有するエピタキシャルウェハを用い、これに数１０ｎｍ径の量子ドットをエッチングにより形成した後、アンドープのＡｌＧａＡｓ等の高バンドギャップ材料を上記エピタキシャルウェハ上に成長させるか、あるいはＳｉＯ2 膜等の絶縁膜で覆ってやることで実現できる。
【０１６７】
また、本実施例では、クーロン力を物理的相互作用とする量子ドットセルの場合について説明したが、磁気的相互作用など他の物理的相互作用をする量子ドットセルを用いても良い。
【０１６８】
（第２の実施例：請求項１，２）
図３は、本発明の第２の実施例に係るセル接続型ＯＲ装置の概略構成を示す模式図である。
【０１６９】
このセル接続型ＯＲ装置は、先の実施例のセル接続型インバータ装置に、量子ドットセルＣ５〜Ｃ８を付加した構成になっている。すなわち、量子ドットセルＣ２の右上に量子ドットセルＣ５、量子ドットセルＣ３の右上に量子ドットセルＣ６、量子ドットセルＣ３の右下に量子ドットセルＣ７、量子ドットセルＣ６の右に量子ドットセルＣ８を更に配置した構成になっている。
【０１７０】
ここで、量子ドットセルＣ４，Ｃ７は入力セルとして用いられ、量子ドットセルＣ８は出力セルとして用いられている。量子ドットセルＣ６は、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ５とともに第１のループを構成している。また、量子ドットセルＣ１〜Ｃ４で第２のループを構成している。
【０１７１】
このような構成であれば、図３（ａ）に示すように、入力が“０”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ１，Ｃ３は基底状態ψ1 となる。このとき、量子ドットセルＣ３の基底状態ψ1 に対して、量子ドットセルＣ６は、基底状態ψ0 ，ψ1 の両方を取り得る。ところが、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 、量子ドットセルＣ５は基底状態ψ1 と確定する結果、量子ドットセルＣ３は、量子ドットセルＣ５の基底状態ψ0 に対応して、電気的に安定な基底状態ψ0 を取ることなる。したがって、入力が“０”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ８の出力は“０”となる。
【０１７２】
また、図３（ｂ）に示すように、入力が“０”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ１，Ｃ３は、それぞれ、基底状態ψ1 ，準基底状態ψS となる。
【０１７３】
ここで、準基底状態ψS とは、基底状態ψ1 ，ψ0 に比べては不安定な状態であるが、実用上は十分に安定な状態のものである。このような準基底状態ψS は従来のセル接続型ＯＲ論理装置には無かったもので、この準基底状態ψS の存在によって、従来は不可能であった安定動作が可能となっている。準基底状態ψS が現れる理由は明らかでは無いが、本願発明者等の研究によれば、出力セルが第１のループを構成していることが必要であることが分かっている。
【０１７４】
量子ドットセルＣ３の準基底状態ψS に対して、量子ドットセルＣ６は、基底状態ψ1 を取り、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 を取り、そして、量子ドットセルＣ５は準基底状態ψS と確定する結果、量子ドットセルＣ６は、基底状態ψ1 を維持することになる。したがって、入力が“０”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１７５】
ここで、量子ドットセルＣ５が準安定状態ψS に確定する理由は以下のように考えられる。
【０１７６】
量子ドットセルＣ６の右側に、出力端としての量子ドットセルＣ８が存在するため、量子ドットセルＣ５を動かすよりも、量子ドットセルＣ６を動かす方が高いエネルギーを必要とする。したがって、量子ドットセルＣ６が準安定状態になるよりも、量子ドットセルＣ５が準安定状態になる方が、回路全体としてのエネルギー状態が低くなり、回路はエネルギー的に安定になる。また、量子ドットセルＣ８の代わりに、２個の量子ドットセルを用いても良い。
【０１７７】
同様に、図３（ｃ）に示すように、“１”，“０”の場合には出力は“１”、図３（ｄ）に示すように、“１”，“１”の場合には量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１７８】
すなわち、図３（ｃ）に示すように、入力が“１”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 を取るので、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ２、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ６の順で、量子ドットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ６の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ1 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１７９】
また、図３（ｄ）に示すように、入力が“１”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 を取るので、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ２、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ６の順で、量子ドットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ６の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ1 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１８０】
以上述べたように本実施例によれば、確実に、ＯＲ論理の入出力関係が得られる。
【０１８１】
（第３の実施例：請求項１，２）
図４は、本発明の第３の実施例に係るセル接続型ＡＮＤ装置の概略構成を示す模式図である。
【０１８２】
このセル接続型ＡＮＤ装置は、先の実施例のセル接続型インバータ装置に、量子ドットセルＣ５〜Ｃ８を付加した構成になっている。すなわち、量子ドットセルＣ３の左上に量子ドットセルＣ５、量子ドットセルＣ１の左上に量子ドットセルＣ６、量子ドットセルＣ１の左下に量子ドットセルＣ７、量子ドットセルＣ２の下に量子ドットセルＣ８を配置した構成になっている。
【０１８３】
ここで、量子ドットセルＣ１〜Ｃ４で第１のループが構成され、量子ドットセルＣ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ６で第２のループが構成されている。
【０１８４】
このような構成であれば、出力セルとしての量子ドットセルＣ２が量子ドットセルＣ１，Ｃ３，Ｃ４とともにループを構成しているので、入力が“１”，“０”の場合には、図４（ｃ）に示すように、量子ドットセルＣ１，Ｃ４が準基底状態ψS を取るようになり、確実に、ＡＮＤ論理の入出力関係が得られる。このループ構造によってこのセルの識別可能な状態を固定することができる。
【０１８５】
第２の実施例のように説明すると以下の通りである。
【０１８６】
まず、図４（ａ）に示すように、入力が“０”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ0 を取るので、量子ドットセルＣ５、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ２の順で、量子ドットセルＣ５，Ｃ３，Ｃ１，Ｃ２の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“０”となる。
【０１８７】
また、図４（ｂ）に示すように、入力が“０”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ0 を取るので、量子ドットセルＣ５、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ２の順で、量子ドットセルＣ５，Ｃ３，Ｃ１，Ｃ２の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“０”となる。
【０１８８】
また、図４（ｃ）に示すように、入力が“１”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ1 、量子ドットセルＣ７は基底状態ψ0 を取るので、量子ドットセルＣ１は準安定状態ψS となる。この結果、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“０”となる。
【０１８９】
また、図４（ｄ）に示すように、入力が“１”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ1 を取るので、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ４、量子ドットセルＣ２の順で、量子ドットセルＣ１，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ２の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ1 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１９０】
なお、セル接続型ＯＲ装置のセル配置とセル接続型ＡＮＤ装置のセル配置とは、鏡映・回転に対して対称な関係になっている。
【０１９１】
上記第１〜第３の実施例の量子効果装置を集積化して、所望の論理回路を形成するには、例えば、基板上に量子ドットセルをマトリクス状に形成し、そして、必要でない量子ドットセルにイオンビーム等のエネルギービームを照射し、必要でない量子ドットセルを高抵抗化すれば良い。このように量子ドットセルがマトリクス状に形成された基板を利用することにより、容易に所望の論理回路を形成できるようになる。
【０１９２】
（第４の実施例）
図５は、本発明の第４の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型インバータ装置の概略構成を示す模式図である。ここでは、実現する系として、ＧａＡｓ等の化合物半導体のヘテロ界面に生じる２ＤＥＧ（２次元電子ガス）を想定している。
【０１９３】
図中、１は主エミッタ部を示しており、この主エミッタ部１は、システムクロックＥＮに従って、第１の所定エネルギーとなるべく加速されたバリスティック電子を、エネルギーフィルタ３に向かって発進するようになっている。
【０１９４】
主エミッタ部１としては、例えば、図９に示すように、井戸層Ｗ１と障壁層Ｂと井戸層Ｗ２とで構成されたものを用いる。井戸層Ｗ１内の少なくとも１個以上の電子はトンネル効果によって障壁層Ｂに移り、引き続き、トンネル効果によって井戸層Ｗ２に移り、バリスティック電子ｅ- として発進される。バリスティック電子ｅ- の井戸層Ｗ１から井戸層Ｗ２への通過は、障壁層Ｂに与える電圧によって制御でき、このバリスティック電子ｅ- の通過はシステム・クロック信号ＥＮに従って所定のタイミングで行なわれる。また、井戸層Ｗ２に与える電圧によってバリスティック電子ｅ- の加速電圧を制御できる。
【０１９５】
エネルギーフィルタ３は、第１の所定エネルギーを有するバリスティック電子が選択的にレシーバ４（受信手段）に受信されるように、バリスティック電子の経路を偏向するようになっている。具体的には、電極に電圧を印加する構成のもの、磁場領域を設ける構成のもの、または２次元電子ガス内の電子密度を変える電子密度プリズム等を用いた構成のものが挙げられる。
【０１９６】
レシーバ４は、例えば、図８に示すように、２ＤＥＧ１０上に受信部としてのオーミック電極１３を囲むような制御電極１１，１２を設け、制御端子１４，１５を介して制御電極１１，１２に与える電圧によって、制御電極１１，１２の下部の２ＤＥＧ１０を空乏化した構造のものとする。このような構造であれば、制御電極１１，１２の間を抜けないと、オーミック電極１３にバリスティック電子ｅ- が到達しないので、レシーバとしての使用が可能となる。
【０１９７】
また、図５中、２は入力エミッタ部を示しており、この入力エミッタ部２は、システムクロックＥＮに従って、第１の所定エネルギーとは異なる第２の所定エネルギーとなるべく加速された電子群を、主エミッタ部１から発信されたバリスティック電子に向かって、発進するようになっている。
【０１９８】
より詳細には、バリスティック電子がレシーバ４で受信されるようにするときは、入力エミッタ部２から電子群は発進されず、また、バリスティック電子がレシーバ４で受信されないようにするときは、入力エミッタ部２から電子群が発振され、２ＤＥＧの温度を上げることにより主エミッタ部１から発振されたバリスティック電子が散乱されるようになっている。
【０１９９】
これが実現されるように、主エミッタ部１，入力エミッタ部２およびレシーバ４の配置と、入力エミッタ部２から発進される電子速度が設定される。なお、入力エミッタ部２は、主エミッタ部１と同様な構成のもの、例えば、図９に示したもので良い。
【０２００】
このように構成された散乱型インバータ装置の動作は以下の通りである。
【０２０１】
システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１から第１のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２からは電子群を発進させない場合（入力がないとき）には、第１のバリスティック電子と２ＤＥＧとの間で散乱衝突は起こらないので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保ったままエネルギーフィルタ３に向かって進行する。したがって、電子群が発進されないときは、第１のバリスティック電子はレシーバ４で受信される。
【０２０２】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１から第１のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２から電子群を発進させる場合には、第１のバリスティック電子と電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こすので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、入力エミッタ部２から電子群が発進されるとき（入力があるとき）は、第１のバリスティック電子はレシーバ４で受信されない。
【０２０３】
以上の結果をまとめると、表１に示すように、まず、電子群が無い場合、つまり、入力エミッタ部２から電子群が発進されない場合には、受信は有り、つまり、レシーバ４はバリスティック電子を受信する。
【０２０４】
【表１】
一方、電子群が有る場合、つまり、入力エミッタ部２から電子群が発進される場合には、受信は無し、つまり、レシーバ４はバリスティック電子を受信しない。
【０２０５】
したがって、表１に示すように、電子群の有無をそれぞれ１，０、受信の有無をそれぞれ１，０に対応させれば、インバータの関係が得られる。
【０２０６】
以上述べたように本実施例によれば、量子効果領域の電子、つまり、バリスティック電子を用い、バリスティック電子と２ＤＥＧとの間の衝突散乱を利用することで、安定に動作するインバータ装置が得られる。また、情報の伝達を少数のバリスティック電子によって行っているので、従来のバイポーラトランジスタ等のトランジスタを用いたインバータ論理装置に比べて、高集積化，低消費電力化，高速動作化の点で格段に優れている。
【０２０７】
（第５の実施例）
図６は、本発明の第５の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型ＮＯＲ装置の概略構成を示す模式図である。なお、図５のインバータ装置と対応する部分には図５と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【０２０８】
本実施例の散乱衝突型ＮＯＲ装置は、先の実施例の散乱衝突型インバータ装置にもう一つ入力エミッタ部２ａを付加した構成になっている。この入力エミッタ部２ａから発進される電子群のエネルギーもバリスティック電子のそれと異なっている。
【０２０９】
本実施例では、入力エミッタ部２、入力エミッタ部２ａから発振される電子群をそれぞれ第１、第２の電子群という。
【０２１０】
このように構成された散乱衝突型ＮＯＲ装置の動作は以下の通りである。
【０２１１】
システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１からバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２，２ａから第１，第２の電子群を発進させない場合には、バリスティック電子と２ＤＥＧとの間で散乱衝突は起こらないので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保ったままエネルギーフィルタ３に向かって進行する。したがって、第１，第２の電子群が発進されないときは、バリスティック電子はレシーバ４で受信される。
【０２１２】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１からバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２から第１の電子群を発進させ、入力エミッタ部２ａから第２の電子群を発進させない場合には、バリスティック電子と第１の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こすので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、バリスティック電子はレシーバ４で受信されない。
【０２１３】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１からバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２ａから第２の電子群を発進させ、入力エミッタ部２から第１の電子群を発進させない場合には、バリスティック電子と第２の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ2 で散乱衝突を起こすので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、バリスティック電子はレシーバ４で受信されない。
【０２１４】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１からバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２，２ａから第１，第２の電子群を発進させる場合には、バリスティック電子と第１の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こすので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、バリスティック電子はレシーバ４で受信されない。
【０２１５】
したがって、先の実施例のように、第１の電子群の有無をそれぞれ１，０、第２の電子群の有無を１，０、受信の有無を１，０に対応させれば、表２に示すように、ＮＯＲ論理の関係が得られる。
【０２１６】
【表２】
以上述べたように本実施例によれば、量子効果領域の電子、つまり、バリスティック電子を用い、バリスティック電子と温度が上がった２ＤＥＧとの間の衝突散乱を利用しているので、ゲート端子が無い構造にすることができ、この結果、従来のように、ゲート端子間のクロストークによって動作が不安定になるという問題はない。
【０２１７】
（第６の実施例）
図７は、本発明の第６の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型ＮＡＮＤ装置の概略構成を示す模式図である。
【０２１８】
本実施例の散乱衝突型ＮＡＮＤ装置は、先の実施例の散乱衝突型インバータ装置にもう一つ主エミッタ部１ａ，入力エミッタ部２ａ，エネルギーフィルタ３ａ，レシーバ４ａを付加した構成になっている。
【０２１９】
本実施例では、主エミッタ部２ａから発振されるバリスティック電子を第２のバリスティック電子という。
【０２２０】
このように構成された散乱衝突型ＮＡＮＤ装置の動作は以下の通りである。
【０２２１】
システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１，１ａから第１，第２のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２，２ａから第１，第２の電子群を発進させない場合には、第１のバリスティック電子と第１の電子群により温度が上がった２ＤＥＧとの間、並びに第２のバリスティック電子と第２の電子群により温度が上がった２ＤＥＧとの間で散乱衝突は起こらないので、第１，第２のバリスティック電子は所定のエネルギーを保ったままそれぞれエネルギーフィルタ３，３ａに向かって進行する。したがって、第１，第２の電子群が発進されないときは、第１，第２のバリスティック電子はそれぞれレシーバ４，４ａで受信される。
【０２２２】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１，１ａから第１，第２のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２から第１の電子群を発進させ、入力エミッタ部２ａから第２の電子群を発進させない場合には、第１のバリスティック電子と第１の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こすので、第１のバリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、第１のバリスティック電子はレシーバ４で受信されず、第２のバリスティック電子だけがレシーバ４ａで受信される。
【０２２３】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１，１ａから第１，第２のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２ａから第２の電子群を発進させ、入力エミッタ部２から第１の電子群を発進させない場合には、第２のバリスティック電子と第２の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ3 で散乱衝突を起こすので、第２のバリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、第２のバリスティック電子はレシーバ４ａで受信されず、第１のバリスティック電子だけがレシーバ４で受信される。
【０２２４】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１，１ａから第１，第２のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２，２ａから第１，第２の電子群を発進させる場合には、第１のバリスティック電子と第１の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こし、第２のバリスティック電子と第２の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ3 で散乱衝突を起こすので、第１，第２のバリスティック電子は所定のエネルギーを保てなくなる。したがって、第１，第２のバリスティック電子はレシーバ４，４ａで受信されない。
【０２２５】
したがって、先の実施例のように、第１の電子群の有無をそれぞれ１，０、第２の電子群の有無を１，０、受信の有無を１，０（少なくとも一方のレシーバで受信されれば受信有りとする）に対応させれば、表３に示すように、ＮＡＮＤ論理の関係が得られる。
【０２２６】
【表３】
以上述べたように本実施例によれば、ゲート端子が無い構造にすることができるので、従来のように、ゲート端子間のクロストークによって動作が不安定になるという問題はない。
【０２２７】
本実施例では、実現する系として２ＤＥＧを想定したが、他の系、例えば、真空マイクロ・エレクトロニクス分野における真空空間とマイクロ・エミッターの系を利用することができる。
【０２２８】
図１０（ａ）は、バリスティック電子ｅ- の進行方向に垂直な面におけるエミッタ部のバンド図で、図１０（ｂ）はバリスティック電子ｅ- の進行方向に垂直な面におけるバリスティック電子ｅ- の衝突散乱領域におけるバンド図である。
【０２２９】
図１０（ａ），（ｂ）に示すように、２ＤＥＧ系で、エミッター部とバリスティック電子ｅ- とが相互作用する領域の電子密度を変化させ、衝突散乱領域におけるクーロン・ポテンシャルのスクリーニング効果を抑制し、バリスティック電子と電子とのクーロン相互作用を強めることにより、より安定した動作を行なわせることができる。
【０２３０】
図１０（ｃ）は、バリスティック電子ｅ- の進行方向に平行な面における衝突散乱領域のバンド図である。上記の場合、図１０（ｃ）に示すように、エミッター部から衝突散乱領域に向かって伝導帯の端Ｅc が傾斜しているため、宇宙線等によって突発的な雑音電子が発生すると、雑音電子群がエミッター部の方向に走行し、エミッター部からのバリスティック電子の発進がクーロン反発力によって自動的に停止するため、誤動作を防止できる。
【０２３１】
（第７の実施例）
図１１は、本発明の第７の実施例に係る電子波方向性結合スイッチの概念図である。
【０２３２】
この電子波方向性結合スイッチは、大きく分けて、量子障壁層２３，量子井戸層２５および量子障壁層２７で構成され、共鳴トンネル構造（二重障壁構造）を有する第１の導波路Ａと、量子障壁層２４，量子井戸層２６および量子障壁層２８で構成され、共鳴トンネル構造（二重障壁構造）を有する第２の導波路Ｂと、これら二つの導波路を結合するための量子障壁層２９とからなる。
【０２３３】
量子障壁層２９の伝導帯レベルは量子井戸層２５，２６のそれよりも高くなっている。また、上記共鳴トンネル構造は入力側２１，２２と出力側３０，３１との間の電位差に対応する電圧でピーク電流が流れるように設計されている。なお、図中、２１，２２は入力導波路、３０，３１は出力導波路、矢印は電子（電子波）を示している。また、各導波路の両側にはスイッチング制御のためのゲート電極（不図示）が設けられている。
【０２３４】
このように構成された電子波方向結合スイッチによれば、入力導波路２１，２２に入力された電子波は量子障壁層２３，２４をトンネルし、量子井戸層２５，２６に注入される。この注入された電子波はただちに量子障壁層２７，２８をトンネルし、出力導波路３０，３１に出力される。
【０２３５】
共鳴トンネル効果は、室温でもピーク電流とバレイ電流との比（ピーク電流／ベレイ電流）が十分にとれるため、従来の電子波方向性結合スイッチ（例えば、 C.C.Eugster and J.A.del.Alamo:Phys.Rev.Lett.,67(1991)3586）のように、動作温度の上限が低い（例えば１０Ｋ）という問題はない。
【０２３６】
本実施例による電子波方向結合スイッチでは、量子障壁層２３，２７，２４，２８の厚さやその高さを適度に調整することによって、量子井戸層２５，２６の離散化された共鳴エネルギー準位を調整し、入力側と出力側に応じたバイアス電圧でピーク電流が流れるようにすることができる。
【０２３７】
例えば、電子波の進行方向に対する、量子障壁層２３，２７，２４，２８、および量子井戸層２５，２６の厚さが５ｎの導波路Ａ，Ｂを形成すると、バイアス電圧０．１５Ｖでピーク電流が生じ、電子波が流れるようになる。
【０２３８】
したがって、量子障壁層、量子井戸層の厚さや高さを調整することによって、任意のバイアス電圧でピーク電流を生じさせ、電子波を流すことができる。
【０２３９】
また、量子井戸層を金属で構成し、量子障壁層を絶縁物で構成することによっても、共鳴トンネル構造は実現できるので、物質系に対する制限が大幅に緩和される。
【０２４０】
すなわち、本発明によれば、量子井戸層、量子障壁層の材料として、ＧａＡｓ系、Ｓｉ系等の半導体、Ｔｉ、Ａｌ等の金属、酸化アルミニウム、酸化珪素等の絶縁物の中から種々選択して使用できる。
【０２４１】
図１１において、量子井戸層２５，２６にそれぞれ電極を形成し、電極に電圧を印加することによって、量子井戸層２５，２６の量子井戸準位を調整することにより、素子のスイッチングを行なえるようになる。
【０２４２】
量子井戸層２５の量子井戸準位と量子井戸層２６の量子井戸準位とを一致させることにより、入力導波路２２から入力された電子波は量子井戸層２６に注入され、この電子波が量子障壁層２９をトンネルし量子井戸層２５に注入され、この注入された電子波は量子障壁層２７をトンネルし出力導波路３０に出力される。同時に入力導波路２２から量子井戸層２６に注入された電子波は、量子障壁層２８をトンネルし、出力導波路３１に出力されるる。
【０２４３】
一方、量子井戸層２５の量子井戸準位と量子井戸層２６の量子井戸準位とを一致させない場合には、量子井戸層２６から量子井戸層２５に電子波はトンネルしないので、出力導波路３０には電子波は出力されない。
【０２４４】
図１２，図１３は、本実施例に係る電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図であり、図１２は平面型の電子波方向性結合スイッチ、図１３は積層型の電子波方向性結合スイッチを示している。なお、図１１の電子波方向性結合スイッチと対応する部分には図１１と同一符号を付してある。
【０２４５】
量子障壁層２３，２４，２７，２８は例えばＡｌＧａＡｓで形成し、量子井戸層２５，２６は例えばＧａＡｓで形成する。なお、量子障壁層２９は、量子障壁層２３，２４，２７，２８と同じ混晶比のＡｌＧａＡｓでも良いし、或いは混晶比の違うＡｌＧａＡｓでも良い。
【０２４６】
また、図中、３２，３４はＳｉＯ2 などの絶縁物で形成されたゲート絶縁膜を示し、３３，３５はＡｌなどの導電物で形成されたゲート電極を示している。
【０２４７】
ゲート電圧を印加したときに、量子井戸層２５，２６が対称となるように設計しておけば、ゲート電圧の非印加時には電子波（電子）は結合部２９を通り抜け、一方、ゲート電圧の印加時には量子井戸層２５，２６の実質的なポテンシャルが変化し、非対称な量子井戸層２５，２６が形成されるため、電子波（電子）は結合部２９を通り抜けることができない。したがって、ゲート電圧の印加の有無によって、電子波（電子）のスイッチングを実行できる。
【０２４８】
なお、積層型の電子波方向性結合スイッチ（図１３）の場合、量子井戸層２５をフロントゲート、量子井戸層２６をバックゲートとすることができる。また、積層型の電子波方向性結合スイッチの場合、エピタキシャル成長によって容易に形成できるという利点がある。また、本実施例ではＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の場合について説明したが、一般には、バンドギャップが異なる二つ以上の物質で構成することができる。
【０２４９】
（第８の実施例）
図１４は、本発明の第８の実施例に係る電子波方向性結合スイッチの概念図である。また、図１５，図１６は、本実施例に係る電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図であり、図１５は平面型の電子波方向性結合スイッチ、図１６は積層型の電子波方向性結合スイッチを示している。
【０２５０】
本実施例の電子波方向性結合スイッチが先の実施例のそれと異なる点は、量子井戸層２５，２６中にそれぞれ量子障壁層４５，４６を設け、各導波路内に３重障壁層構造を構築したことにある。なお、図中、４７，４９はゲート絶縁膜、４８，５０はゲート電極を示している。
【０２５１】
このように構成された電子波方向性結合スイッチでも先の実施例と同様な効果が得られるのは勿論のこと、本実施例の場合、一つの導波路内に二つの量子井戸が存在するので、この量子準位をその外側に設けたゲート電極により微妙に調整することが可能となる。すなわち、四つのゲート電極３３，３５，４８，５０により入力電子波（電子）の量を制御することが可能となる。
【０２５２】
また、セルは量子ドットセル以外に、例えば、二つの方向磁石によって、一つのセルを構成し、磁気による物理的相互作用を及ぼすような磁気結合セルであっても良い。
【０２５３】
（第９の実施例）
図２２は、本発明の第９の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図である。
【０２５４】
図中、１０１，１０２は正方形の量子箱を示しており、量子箱１０１は電子が１個入っている状態のもので、量子箱１０２は電子が入っていない状態のものである。また、１０３は電子に対する障壁層を表し、量子箱１０１，１０２とともに量子人工分子としての５量子ドットセル（基本セル）を構成している。
【０２５５】
本実施例の基本セルが従来のそれと異なる点は、量子箱の形状が正方形になっており、基本セル内の中心の１個の量子箱と基本セルの四隅の４個の量子箱とはそれぞれの量子箱の角で接触し、更に、横および縦に並んだ量子箱間の距離が、横および縦に並んだ量子箱間で電子のトンネル効果により移動が起きない程度の大きさになっていることにある。換言すれば、量子箱間の距離が、電子のド・ブロイ波長よりも十分に大きくなっている。
【０２５６】
このように構成された基本セルによれば、電子は必ず中心の量子箱を経由して双安定状態間を遷移するため、一旦、“０”状態または“１”状態が確定すると、別の状態に遷移するには、電子は中心の量子箱を経由せねばならない。
【０２５７】
バイアスがない状態のとき、電子が中心の量子箱を経由しようとすると、他の電子とのクーロン反発力が大きく働き、他の量子箱へのに電子の移動が禁止される。この結果、バイアスを取り去っても（１，０）の状態が維持され、また、しきい値エネルギーが一定に維持される。
【０２５８】
したがって、本実施例の基本セルを用いれば、従来困難であった不揮発性のメモリや、論理回路を形成できるようになる。また、入力セルにバイアスが印加された場合には、隣接するセル間のエネルギー状態が安定になるように、隣接するセル中の電子は移動する。
【０２５９】
論理回路の場合には、図１、図３、図４に示すように、基本セルを配置すれば、それぞれ、インバータ回路、ＯＲ回路、ＡＮＤ回路を構成できる。
【０２６０】
図２３は、図２２の量子効果装置の断面図である。このような構造はＭＢＥやＭＯＣＶＤなどのエピタキシャル成長技術を用いた通常の選択成長技術を駆使して、半導体基板上に半導体層を順次積層することにより作成できる。例えば、以下のようにして作成する。
【０２６１】
まず、半絶縁体ＧａＡｓ基板１０４上に電子に対する障壁層となる高バンドギャップ材料であるＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ａ，１０５Ｂを順次積層する。
【０２６２】
次に量子箱となる領域１０６のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ｂをエッチングした後、そこに量子箱となるＧａＡｓを埋め込む。
【０２６３】
次に障壁層となるＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ｃを形成した後、ドナー１０７を基本セル当たり２個プレーナードープし、その上にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ｄを形成する。
【０２６４】
この後、必要な場合には、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ｄ上に酸化膜等の保護膜を形成する。なお、Ａｌのモル比ｘは任意の値を用いて良い。
【０２６５】
この場合、変調ドープによってドナー１−７から量子箱となるＧａＡｓ１０６中に選択的に電子が供給され、双安定状態を示すセルが形成される。
【０２６６】
（第１０の実施例）
図２４は、本発明の第１０の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図である。
【０２６７】
１つの基本セル内で、同一平面上に４つの四角い量子箱１０８，１０９が辺々相直角平行、且つそれぞれ電子がトンネル移動できないくらい離れて（電子のド・ブロイ波長よりも十分離れて）配置されている。
【０２６８】
４つの四角い量子箱１０８，１０９が形成された平面の垂直方向には、１つの量子箱１１０が４つの量子箱１０８，１０９と電子のトンネルが生じる程度に近接して配置されている。ここで、量子箱１０８は電子が１個入っている状態のもので、量子箱１０９は電子が入っていない状態のものである。なお、１１１は電子に対する障壁層を示している。
【０２６９】
このように構成された基本セルによれば、４つの量子箱１０８，１０９の間で電子がトンネル移動できないため、電子は必ず上層の５番目の（中心の）量子箱１１０を経由して移動することになる。すなわち、本実施例の量子箱１１０は第９の実施例の量子箱１０２と同じように作用し、第９の実施例と同様な効果が得られる基本セルが構成されている。
【０２７０】
また、本実施例の場合、最初に同一面上に均一に複数（４以上）の量子箱を形成し、その後で繋ぎたいところだけ４つの量子箱の上に５つ目の量子箱を形成すれば作成できるので、プロセスが簡易化されるばかりでなく、プロセス上のマージンも大きくとることが可能である。更に、エピタキシャル成長を用いれば、同一平面上の４つの量子ドットと５つ目の量子箱との間の距離は原子層レベルで制御できるため、極めて設計の自由度が高くなる。
【０２７１】
図２５は、図２４の量子効果装置の断面図である。このような構造は第９の実施例と同様に、ＭＢＥやＭＯＣＶＤなどのエピタキシャル成長技術を用いた通常の選択成長技術を駆使して、半導体基板上に半導体層を順次積層することにより作成可能である。例えば、以下のようにして作成する。
【０２７２】
まず、半絶縁体ＧａＡｓ基板１１２上に電子に対する障壁層となる高バンドギャップ材料であるＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ａ，１１３Ｂを順次形成した後、４つの量子箱となる領域１１４をエッチングし、そこに量子箱となるＧａＡｓを埋め込む。
【０２７３】
次に障壁層としてのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ｃ，１１３Ｄを順次形成した後、５つ目の量子箱となる領域１５のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ｄをエッチングし、そこを量子箱となるＧａＡｓで埋め込む。
【０２７４】
次に障壁層としてのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ｅを形成した後、ドナー１１６を単位セル当たり２個プレーナードープし、その上にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ｆを形成する。その上の保護膜等は必要に応じて適宜形成する。なお、Ａｌのモル比ｘは任意の値を用いて良い。この場合、変調ドープによって、ドナー１１６から量子箱１１４中に電子が選択的に供給され、双安定状態を示す基本セルが形成される。
【０２７５】
なお、第９および第１０の実施例において、量子箱／障壁層の材料の組み合わせとして、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを用いたが、その代わりに、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ、ＧａＡｓ／ＧａＰを用いても良いし、更に、Ｓｉ／ＳｉＯ2 を用いても良いし、あるいは電子と正孔を空間的に分離して再結合を防止するためにＩｎＡｓ／ＧａＳｂ、（ＩｎＡｓ）（ＧａＡｓ）／（ＧａＳｂ）（ＧａＡｓ）のようなタイプのヘテロ接合の組み合わせを用いても良い。
【０２７６】
（第１１の実施例）
図２６は、本発明の第１１の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図であり、図２６（ａ）は５量子ドットセル、図２６（ｂ）は４量子ドットセルを示している。図中、２０６は円形の量子箱を示しており、量子箱２０６はそのバンドギャップよりも大きい基板２０７内に形成されている。
【０２７７】
本実施例の特徴は、電子を放出する不純物原子を各セル２つ、図中の領域２０１と領域２０２、あるいは領域２０３と領域２０４に注入することにある。この結果、電子はお互いのクーロン相互作用によってイオンから分離し、低温動作の場合でも、バンドギャップの小さい量子箱に確実に局在するようになる。
【０２７８】
一方、従来の単なる変調ドープにより作成された量子ドットセルを低温動作させると、変調ドープされた原子がイオンと電子に分かれず安定な状態に入ってしまう恐れがあり、量子箱に電子が局在しなくなる可能性がある。
【０２７９】
このような不純物原子の注入は基板２０７に対して行なっても良いし、あるいは基板２０７上に半導体層を形成し、この半導体層の上記注入領域に対応した部分にアトミックマニュピュレーションなどを用いて注入しても良い。
【０２８０】
（第１２の実施例：請求項５）
図２７は、本発明の第１２の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２８１】
図中、Ｃ２，Ｃ３は４量子ドットセル（量子人工分子）を示している。本実施例の特徴は、これら４量子ドットセルＣ２，Ｃ３上に絶縁層２０５を介して従来なかった別の４量子ドットセルＣ１を設け、３次元構造にしたことにある。
【０２８２】
図３１は、本実施例の４量子ドットセルについての基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差（エネルギー固有値差）の外力として働くセルの電子分布の値（分極関数の値）の依存性を示す図である。また、図３２は従来の４量子ドットセル（４量子ドットセルＣ１がないもの）のそれである。
【０２８３】
図３１、図３２によれば、本実施例におけるエネルギー固有値差は従来のそれの２倍以上であることが分かる。すなわち、量子セル間の距離を短くしなくても、基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差が十分に大きくなる。このようにエネルギー準位差が従来よりも十分に大きくなれば、高温の動作が可能となる。
【０２８４】
ここで、上述したように、量子セル間の距離を短縮する必要がないので、量子セルの双安定状態が乱され、量子効果デバイスとして機能の失われるという問題は生じない。
【０２８５】
エネルギー準位差が大きくなる理由の詳細は不明であるが、別の４量子ドットセルＣ１を設けることにより、量子セル間の電子分布の間にフィードバックがかかり合う結果、量子セル内の双安定状態がより安定するからだと推測される。
【０２８６】
また、本実施例の量子ドットセルＣ１〜Ｃ３からなる３次元構造のセルを基本セルとし、図１、図３、図４に示すように、基本セルを配置すれば、それぞれ、インバータ回路、ＯＲ回路、ＡＮＤ回路を構成できる。
【０２８７】
（第１３の実施例：請求項５）
図２８は、本発明の第１３の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２８８】
本実施例は第１２の実施例の変形例であり、４量子ドットセルＣ２，Ｃ３の下部に絶縁層を介して更に別の４量子ドットセルＣ４を設けたことが相違点である。
【０２８９】
（第１４の実施例：請求項５）
図２９は、本発明の第１４の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２９０】
本実施例は、第１の実施例で示したループ構造を３次元的に配置したものであって、４つの４量子ドットセルＣ１〜Ｃ４のうち、２つの量子ドットセルを別の平面上に構成することにより、隣り合う量子セルの結合を強くしたものである。
【０２９１】
（第１５の実施例：請求項５）
図３０は、本発明の第１５の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２９２】
本実施例の特徴は、４量子ドットセルＣ１の真上に絶縁層２０５を介して別の４量子ドットセルＣ２を設け、３次元構造にしたことにある。本実施例の効果は上記第１２〜第１４の実施例のそれよりも大きい。すなわち、基底状態から３つ高い励起状態でのＱＩＣ動作が可能となり、室温（３０１Ｋ）でも使用できるようになる。
【０２９３】
（第１６の実施例：請求項５）
図４５は、本発明の第１６の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２９４】
本実施例はインバータ回路の３次元構造を応用したものである。これはこれまで一つの平面上に構成されていた種々のセルの配置を絶縁層もしくはセルに使用している半導体よりもバンドギャップの大きな半導体層を介して別の平面上に全く同じ配置にすることにより、基底状態でのＱＩＣ動作がより安定になり、室温（３０１Ｋ）でも動作できるようになったものの一例である。
【０２９５】
上記第１２〜第１６の実施例のように、３次元的に量子セルを配置すれば、横スケールの縮小が図れる他、アウトプットを上下に形成でき、多機能の回路を構成できるようになる。すなわち、量子セルを従来のように同一平面上に２次元的に配置すると、アウトプットは上記平面の一方に限定され、設計の自由度は低いものとなる。
【０２９６】
（第１７の実施例：請求項６）
図３３は、本発明の第１７の実施例に係る量子効果装置（量子配線）の概略構成を示す模式図である。
【０２９７】
図中、３０１はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓやＳｉ／ＳｉＧｅなどの半導体ヘテロ界面に形成される２ＤＥＧ（中央の十字部分を除く）を示しており、この２ＤＥＧ３０１は、粒子性が顕在化した高速弾道電子であるバリスティック電子（弾道電子）が走行する伝達空間として用いられる。バリスティック電子の軌跡は図中実線で示してある。
【０２９８】
２ＤＥＧ３０１の中央部には、９個の量子人工分子３０３が十字型に形成されている。隣接した量子人工分子３０３は互いに近接して並んでいる。量子人工分子３０３は５個の量子人工原子（５量子ドットセル）３０２からなり、２個の電子がトンネル効果で２つの安定状態配置（黒丸は電子が存在する量子箱、白丸は電子が存在しない量子箱を示している）が生ずるように設計されている。十字型部分の量子人工分子間の情報伝達は、電子の移動ではなくクーロン相互作用による状態遷移を利用している。
【０２９９】
また、図中、Ｅ1 〜Ｅ5 はバリスティック電子を出射し、且つその出射方向を可変できる電子エミッタ（情報伝達制御手段）を示し、また、Ｒ1 〜Ｒ4 はバリスティック電子を受信する電子レシーバ（検出手段）を示している。
【０３００】
このように構成された量子効果装置によれば、電子エミッタから出射したバリスティック電子が量子人工分子に衝突し、この量子人工分子の状態が変化する。この状態変化した量子人工原子はその隣の量子人工分子の状態を変化させる。すなわち、連鎖的に量子人工分子の状態が変化する。
【０３０１】
そして、出力としての量子人工分子列端部の量子人工分子の状態は、バリスティック電子と量子人工原子とのクーロン相互作用による軌道変化で読みとられる。
【０３０２】
具体的に説明すると、例えば、まず、電子エミッタＥ4 から出射したバリスティック電子が図中の下方の入力端としての量子人工原子３０２に衝突すると、その状態変化は上方向に連鎖的に発生する。
【０３０３】
量子人工分子列端部の出力端として量子人工分子である図中上方の量子人工原子３０２の状態変化は、電子エミッタＥ1 から出射したバリスティック電子と量子人工原子３０２とのクーロン相互作用によるバリスティック電子の軌道変化により読み取られる。
【０３０４】
例えば、上記出力側の量子人工原子３０２の状態が変化していない場合にはバリスティック電子は電子レシーバＲ1 に入射し、一方、状態が変化している場合には電子レシーバＲ2 に入射するという違いより、軌道変化を読み取ることができる。
【０３０５】
次にバリスティック電子と量子人工分子との衝突過程について説明する。衝突過程としては、図３４に示すような電離、励起シフト、トンネルシフト、トラップによるものがある。
【０３０６】
ここで、電離とは、バリスティック電子と量子人工分子内の電子とのクーロン相互作用により、量子人工分子内の電子が十分なエネルギーを獲得し、量子人工分子の束縛を受けなくなることである。
【０３０７】
励起シフトとは、バリスティック電子と量子人工分子内の電子とのクーロン相互作用により、電離の場合よりも低いが、量子人工分子内の電子が量子人工原子からの束縛を受けない程度のエネルギーを獲得した後、基底状態に戻り隣の量子人工原子に移動することである。
【０３０８】
トンネルシフトとは、トンネル効果により隣接する量子人工原子間で電子の移動が起こることである。
【０３０９】
トラップとは、バリスティック電子が量子人工原子にトラップされ、バリスティック電子が消滅することである。
【０３１０】
本実施例によれば、入力信号、出力信号として、バリスティック電子を用いることができるようになる。
【０３１１】
（第１８の実施例）
図３５は、本発明の第１８の実施例に係る量子箱の形成方法を示す工程断面図である。
【０３１２】
まず、図３５（ａ）に示すように、主面が（００１）面のＧａＡｓ基板４０１上に厚さ１．５μｍのＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２（第１の半導体膜）を分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法を用いて成長形成する。
【０３１３】
この後、固体Ｓ（硫黄）ソース源のシャターを開いて、厚さ１原子のＳ層４０３（表面終端層）をＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２上に成長形成する。この場合、ｃ（４ｘ４）超構造から（２ｘ１）超構造に変化したところで、シャターを閉じる。
【０３１４】
このようにして作成されたＳ層４０３によりＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２の表面をＳで終端できる。すなわち、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２の表面のＡｓはＳに置き換わっている。
【０３１５】
次に図３５（ｂ）に示すように、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて、１０-3ＰａのＨ2 雰囲気中で、Ｐｔ探針４０４に−３Ｖ、５０ｍｓのパルスを印加する。
【０３１６】
この結果、１パルスについて、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２の表面の１原子Ｓが反応して、このＳはＨ2 Ｓの形で脱離する。一方、Ｐｔ探針４０４の表面ではＨ2 が解離吸着してＨ原子が生成される。このＨ原子はパルスの印加によってＰｔ探針４０４から放出され、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２の表面のＳ原子に衝突する。
【０３１７】
この後、隣のＳ原子の位置にチップＰｔ探針４０４を移動させ、同様にＳをＨ2 Ｓの形で脱離させる。このＳ脱離工程を繰り返して所望の大きさの窓を形成する。
【０３１８】
次にＭＢＥ法を用いて５５０℃でＧａをＧａＡｓ基板４０３上に蒸着させる。このとき、ＧａはＳ原子終端表面では付着せず、ＧａはＳがない領域の窓に吸着して核を作る。その結果、蒸着を続けると、図３５（ｃ）に示すように、窓上だけにＧａ液滴４０５（半導体液滴）が生じる。
【０３１９】
次にＡｓソースのシャッタを開けてＡｓを供給すると、図３５（ｄ）に示すように、Ｇａ液滴４０５にＡｓが吸収されて、円柱状のＧａＡｓ結晶４０６（半導体結晶）が成長形成される。そして、Ａｓソースのシャッタを開けたまま基板温度を６５０℃に上げて、表面の露出したＳを蒸発させる。
【０３２０】
最後に、図３５（ｅ）に示すように、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０７（第２の半導体膜）を成長形成して、ＧａＡｓ量子箱の基本構造が完成する。
【０３２１】
本実施例の方法にあっては、Ｓ原子終端表面に形成した窓の大きさはＧａの臨界核より大きいことが必要である。これはＧａが臨界核よりも小さいと、Ｇａの成長は進まず、Ｇａ液滴４０５が成長形成されないからである。臨界核とは図３６に示すように、自由エネルギーが最大になる核の大きさである。
【０３２２】
臨界核の大きさは２σＴｖ／Ｌ（Ｔｖ−Ｔ）で与えられる。ここで、σは表面エネルギー、Ｔｖは沸点、Ｌは蒸発の潜熱、Ｔは基板温度である。
【０３２３】
上記式により臨界核の大きさを求めると、０．３ｎｍ程度となる。しかし、実験によれば、表面Ｓのわずかの拡散などの影響を考慮すると、最小窓の大きさは１ｎｍ程度必要であることが分かった。また、ＧａＡｓ量子箱の大きさとそれらの距離は、Ｇａの蒸着量とＳ原子終端表面の窓の間隔とにより、０．１ｎｍのオーダで制御できる。
【０３２４】
ＧａＡｓ量子箱の大きさは０次元電子状態を実現するために１０〜３０ｎｍ程度が好ましく、また、ＧａＡｓ量子箱の隙間は電子のトンネリングが容易に生じるように１〜３ｎｍ程度が好ましい。
【０３２５】
なお、上記実施例では表面不活性化のためにＳを用いたが、その代わりに、Ｓｅを用いても良い。また、量子箱となる化合物半導体結晶の伝導帯および価電子帯は、その周辺のバリア層の半導体のそれらより電子に対するエネルギー準位が低いことが望ましい。例えば、ＩｎＰ量子箱に対してはＡｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓをバリア層として用いると良い。
【０３２６】
以上詳説したように本実施例によれば、従来のフォトリソグラフィ、ウエットエッチング、ドライエッチングを用いた量子箱の作成方法に代わって、結晶成長による量子箱の作成が可能となり、この結果、高寸法精度、低結晶欠陥の量子箱が得られるようになる。したがって、０次元電子状態の特性が顕著で、微小電位の印加でもトンネリング特性が容易に得られるようになる。
【０３２７】
（第１９の実施例）
図３８は、本発明の第１９の実施例に係る回転方式論理装置（情報伝達経路）の概略構成を示す模式図である。
【０３２８】
図中、Ｂ１，Ｂ２は回転ユニット（Ｂ１は入力用回転ユニット、Ｂ２は出力用回転ユニット）を示しており、具体的には、図３７（ａ）に示すような“＋”形状タイプ、図３７（ｂ）に示すような“Ｔ”形状タイプのものがある。
【０３２９】
図３７において、５０１は支持基板を示しており、この支持基板５０１には縦軸部材５０２が支持されている。この縦軸部材５０２には、一端が正、他端が負に帯電した双極子としての回転部材５０３が設けられ、この回転部材５０３は縦軸部材５０２に対して垂直面を描く回転が可能になっている。
【０３３０】
このような回転ユニット、例えば、図３７に示すように、シリコン等からなる支持基板５０１上に作製したＡｕ等の金属ドット５０４に選択化学吸着した高分子を用いる。あるいはマイクロマシーン技術を用いて形成する。また、配向性を有する物質である液晶を用いても形成できる。
【０３３１】
本実施例の回転方式論理装置は、二つの回転ユニットＢ１，Ｂ２により構成されている。また、図３８中、Ａは入力としての外部電荷を示しており、Ｑは回転ユニットＢ２の右端の極性（出力）を検出する検出手段を示している。また、二つの回転ユニットＢ１，Ｂ２は互いに接触していない。
【０３３２】
また、外部電荷子Ａの電荷値は、回転部材５０２のそれより大きくしてあり、これにより、他の回転ユニットの回転部材とのクーロン相互作用による誤動作や不安定動作を防止している。
【０３３３】
このように構成された回転方式論理装置の動作は以下の通りである。
【０３３４】
例えば、回転ユニットＢ１の近辺に配置した外部電荷Ａの極性が正の場合であれば、クーロン相互作用によって安定状態になるまで、回転ユニットＢ１の回転部材は回転し、つまり、外部電荷Ａ側に回転ユニットＢ１の回転部材の負端部が固定するまで回転する。
【０３３５】
一方、回転ユニットＢ２の回転部材は回転ユニットＢ１の回転部材の回転に伴って回転し、そして、回転ユニットＢ１の回転部材の固定に伴って、回転ユニットＢ１の正端部側に回転ユニットＢ２の負端部が固定する。すなわち、検出手段Ｑ側には回転ユニットＢ２の回転部材の正端部が固定する。
【０３３６】
したがって、出力電荷Ａの極性と検出手段が検出する極性とは同じになり、回転ユニットＢ１と回転ユニットＢ２とにより構成された本実施例の回転方式論理装置は、情報伝達する情報伝達経路（従来の配線に相当）として機能する。
【０３３７】
また、本実施の場合、クーロン相互作用による回転部材の配向（回転部材の分極方向）の連鎖的な伝達により情報を伝達しているので、情報伝達のために配線に電流を流す必要がなくなり、消費電力や発熱の問題を改善できる。
【０３３８】
なお、本実施例の回転方式論理装置の入出力関係（出力電荷Ａの極性と検出手段が検出する極性との関係）を表４に示す。
【０３３９】
【表４】
（第２０の実施例）
図６５は、本発明の第２０の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す断面図である。
【０３４０】
この量子効果装置は、半導体基板上にＳｉ−Ｇｅ系半導体層を積層してなる変調ドープ構造を有している。この量子効果装置の製造方法は、例えば、以下の通りである。
【０３４１】
まず、Ｓｉ基板６２１上に電子に対する障壁層となるＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａ，６２２ｂを順次積層する。
【０３４２】
次に量子箱となる領域６２３のＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ｂをエッチングした後、そこに量子箱となるＳｉを埋め込む。
【０３４３】
次に障壁層となるＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ｃを形成した後、このＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ｃにドナー６２４を単位セル当り２個プレーナドープ(planar dope) し、その上にＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ｄを形成する。
【０３４４】
このような構造の量子箱は、ＭＢＥやＣＶＤなどのエピタキシャル成長技術を用いて作製できるが、特にガスソースＭＢＥを用いれば、急峻なＳｉＧｅ系ヘテロ界面を形成できるので、良質な量子箱を作製することが可能となる。
【０３４５】
ここで、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａと下地のＳｉ基板６２１との間の格子不整合を緩和するために、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａは厚く形成する。また、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａはエピタキシャル成長法により形成されたＳｉバッファ層上に形成される場合もあるが、この場合も、同様な理由により、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａは厚く形成することが好ましい。
【０３４６】
このように厚いＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａを形成することにより、無歪みのＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａ，６２２ｂ，６２２ｃが得られる。このため、これら無歪みのＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａ，６２２ｂ，６２２ｃ中に量子箱として形成されるＳｉは引っ張り歪みを受ける。この結果、Ｓｉの伝導帯(conduction band) がＳｉx Ｇｅ1-x よりもエネルギー的に低くなる。したがって、電子はＳｉ量子箱中に有効に閉じ込められる。
【０３４７】
このとき、Ｓｉ−Ｓｉx Ｇｅ1-x 系はいわゆるタイプII超格子となり、伝導帯の底と価電子帯(valence band)の頂上とが分離される．これにより、電子とホール（hole）の再結合が起こり難くなるので、量子効果装置は安定な動作を長い間行なえるようになる。
【０３４８】
なお、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層のＳｉの組成比ｘの値としては種々の値を用いても良いが、特に、Ｓｉ量子箱に接する部分のＳｉx Ｇｅ1-x のｘ値を、Ｓｉ基板に接する部分のＳｉx Ｇｅ1-x 層のｘ値よりも小さく取ることが望ましい。このようにすることにより、Ｓｉ量子箱に接するＳｉx Ｇｅ1-x 層に適度な圧縮歪が加えられる。この結果、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層の伝導帯が高エネルギー側にシフトし、伝導帯のバンド不連続が大きくなる。したがって、電子のより強い閉じ込めが可能となる。
【０３４９】
（第２１の実施例）
図４０は、本発明の第２１の実施例に係る回転方式論理装置（ＡＮＤゲート）の概略構成を示す模式図である。また、表６は、本実施例の回転方式論理装置の入出力関係を示す真理表である。
【０３５０】
【表５】
図中、Ｂは入力としての外部電荷Ａとは別の入力としての外部電荷を示し、また、Ｃは負の固定電荷（バイアス電荷）を示し、そして、Ｂ３は回転ユニットＢ１，Ｂ２とは別の回転ユニットを示している。本実施例の場合、回転ユニットＢ１，Ｂ２が入力用回転ユニットとして用いられ、回転ユニットＢ３が出力用回転ユニットとして用いられている。
【０３５１】
回転ユニットＢ１，Ｂ２の回転部材はその近辺にそれぞれ配置された外部電荷Ａ，Ｂの極性に従ってクーロン相互作用により安定状態になるまで回転する。回転ユニットＢ３の回転部材は回転ユニットＢ１，Ｂ２の回転部材と固定負電荷Ｃによるクーロン相互作用により安定状態になるまで回転する。検出手段Ｑは入力端子Ａ，Ｂの極性が伴に正のときだけ負を検出する。したがって、＋を１、−を０に対応することにより、ＡＮＤゲートを構成できる。
【０３５２】
（第２２の実施例）
図４１は、本発明の第２２の実施例に係る回転方式論理装置（ＯＲゲート）の概略構成を示す模式図である。また、表７は、本実施例の回転方式論理装置の入出力関係を示す真理表である。
【０３５３】
【表６】
本実施例の回転方式論理装置が第２１の実施例のそれと異なる構成上の点は、負の固定電荷Ｃの代わりに正の固定電荷Ｃ´を用いたことにある。このような構成であれば、検出手段Ｑは外部電荷Ａ，Ｂの極性が伴に負のときだけ負を検出する。したがって、＋を１、−を０に対応することにより、ＯＲゲートを構成できる。
【０３５４】
なお、上記回転方式論理装置の実施例では基本的な機能（伝達、インバータ、アンドゲート、オアゲート）のものしか説明しなかったが、これらを適宜組み合わせることにより、ＭＯＳＦＥＴ等の通常の半導体素子を用いた論理回路と同様な論理を行なう回転方式論理装置を得ることができる。この場合ももちろん消費電力、発熱の点で従来よりも優れたものとなる。
【０３５５】
上記回転方式論理装置の実施例は、電荷極性に従うクローン相互作用で説明しているが、これらは磁極性に従う磁気相互作用でも同様の効果を得ることができる。
【０３５６】
（第２３の実施例：請求項３）
図４６は、本発明の第２３の実施例に係るセル接続型信号方向転換装置の概略構成を示す模式図である。
【０３５７】
入力用の量子ドットセルである量子ドットセルＣ１と、出力用の量子ドットセルである量子ドットセルＣ３との間には、二つのループ構造が連続して形成されている。
【０３５８】
すなわち、量子ドットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５の四つの量子ドットセルにより第１のループ構造が形成され、そして、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ６の四つの量子ドットセルにより第２のループ構造が形成されている。換言すれば、量子ドットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５はループ状に配置され、同様に、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ６もループ状に配置されている。
【０３５９】
このように構成されたセル接続型信号方向転換装置によれば、図４８の折れ線配線の場合とは異なり、状態が不安定になる量子ドットセルが存在しなくなるので、最初、右方向（３時の方向）に伝搬していた信号Ｓは、量子ドットセルＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ２，Ｃ３を介して、情報を保持したまま下方向（６時の方向）に伝搬方向を変える。
【０３６０】
かくして本実施例によれば、二つの連続したループ構造を用いることにより、信号Ｓの情報を変えずにその伝搬方向を変えることができるようになる。
【０３６１】
なお、量子ドットセルＣ４，Ｃ６の基底状態は量子ドットセルＣ１のそれと異なったものとなるので、量子ドットセルＣ４，Ｃ６を出力用の量子ドットセルとして用いれば、本実施例のセル接続型信号方向転換装置をセル接続型インバータ装置として使用することができる。量子ドットセルとしては、前述した量子ドットセルのどれを用いても良い（以下、実施例についても同じ）。また、量子ドットセルＣ１が基底状態ψ1 の場合には、図３９に示すように、各量子ドットセルの状態が確定する。
【０３６２】
（第２４の実施例：請求項４）
図４７は、本発明の第２４の実施例に係るセル接続型信号分岐装置の概略構成を示す模式図である。
【０３６３】
本実施例では、量子ドットセルＣ１を入力用の量子ドットセルとして用い、そして、量子ドットセルＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１２を出力用の量子ドットセルとして用いている。
【０３６４】
入力用の量子ドットセルＣ１と出力用の量子ドットセルＣ１０との間には、量子ドットセルＣ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６からなる第１のループ構造と、量子ドットセルＣ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９からなる第２のループ構造との二つのループ構造が連続的に設けられている。
【０３６５】
また、入力用の量子ドットセルＣ１と出力用の量子ドットセルＣ１２との間には、量子ドットセルＣ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６からなる第１のループ構造と、量子ドットセルＣ１３，Ｃ１４，Ｃ１５，Ｃ１６からなる第３のループ構造との二つのループ構造が連続的に設けられている。
【０３６６】
また、入力用の量子ドットセルＣ１と出力用の量子ドットセルＣ１１との間には、量子ドットセルＣ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６からなる第１のループ構造が設けられている。
【０３６７】
このように構成されたセル接続型信号分岐装置によれば、図４９のマルチ・ファン・アウト分岐配線の場合とは異なり、状態が不安定になる量子ドットセルが存在しなくなるので、信号Ｓは伝搬方向（３時方向）および情報を保持したまま三つに分岐される。そして、各分岐信号Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 はそれぞれ量子ドットセルＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１２から出力される。
【０３６８】
なお、量子ドットセルＣ７，Ｃ１３を出力用の量子ドットセルとして用いれば、信号Ｓをその伝搬方向と反対方向（９時方向）の二つの信号に分岐できる。もちろん、量子ドットセルＣ７，Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３を出力用の量子ドットセルとして用いれば、信号Ｓを五つの信号に分岐できることになる。
【０３６９】
また、量子ドットセルＣ１が基底状態ψ0 の場合には、図２１に示すように、各量子ドットセルの状態が確定する。
【０３７０】
（第２５の実施例）
図５０は、本発明の第２５の実施例に係る量子効果装置の入力部を示す模式図である。
【０３７１】
図５０において、量子ドットセルＣ１inは入力用の量子ドットセルであり、また、量子ドットセルＣ２inは量子ドットセルＣ１inの隣りの量子ドットセルである。これら量子ドットセルＣ１in，Ｃ２inは図示しない他の量子ドットセルとともに所望のデバイスを形成している。量子ドットセルＣ１inには二つの入力用量子細線７０１，７０２が設けられている。入力用量子細線７０１，７０２は、量子ドットセルＣ１in，Ｃ２inを含むデバイス系とは電気的に絶縁されている。
【０３７２】
入力用量子細線７０１，７０２は、エネルギーバンドギャップが量子ドットセルＣ１inの量子ドットのそれと近い半導体または同じ半導体により形成されている。例えば、量子ドットセルＣ１inの量子ドットがＧａＡｓ、量子ドットを囲む物質がＡｌＧａＡｓの場合には、高濃度に不純物がドープされたＧａＡｓを用いて入力用量子細線７０１，７０２を形成する。また、入力用量子細線７０１，７０２の先端部のサイズは、量子ドットセルＣ１inの量子ドットのそれと同程度である。また、入力用量子細線７０１，７０２の先端部は、それぞれ、量子ドットセルＣ１in内の上下の量子ドットに対応した位置に設けられている。
【０３７３】
入力用量子細線７０１は、金属細線電極（不図示）を介して、外部電源７００の＋側に接続されている。上記金属細線電極は量子ドットセルの状態を変えないように離れたところに設けられている。また、上記金属細線電極は入力用量子細線７０１とオーミックコンタクトが取れる金属（例えばＡｕ）により形成されている。
【０３７４】
同様に、入力用量子細線７０２は金属細線電極（不図示）を介して外部電源７００の−側に接続されている。上記金属細線電極は入力用量子細線７０２とオーミックコンタクトが取れる金属（例えばＡｕ）により形成されている。
【０３７５】
本実施例によれば、量子ドットセルＣ１inの状態は、入力用量子細線７０１，７０２により形成される電場により制御される。図５０の場合、入力用量子細線７０１から入力用量子細線７０２に向かって電位が低下する電界が形成されるので、量子ドットセルＣ１inは、左上の量子ドットおよび右下の量子ドットに電子が入るという基底状態を取るようになる。
【０３７６】
このとき、入力用量子細線７０１，７０２内には、金属電極の場合とは異なり、少数の電子しか存在しないので、入力用量子細線７０１，７０２内の電子によって量子ドットセルＣ１in等は影響を受けない。換言すれば、金属電極を用いていないので、入力用量子細線７０１，７０２と量子ドットセルＣ１in等との間にはショットキー接合形成されず、量子ドットセルＣ１in等の状態は維持される。したがって、本実施例によれば、入力用量子細線７０１，７０２により形成される信号を正確に量子ドットセルＣ１inに入力できるようになる。
【０３７７】
なお、本実施例では、入力用量子細線７０１，７０２により形成される電場は１種類に限定される場合について説明したが、入力用量子細線７０１，７０２がそれぞれ外部電源の＋側、−側、または入力用量子細線７０１，７０２がそれぞれ外部電源外部電源の−側、＋側に選択的に接続できるようにすれば、２種類の電場を形成でき、これにより、量子ドットセルＣ１inに２種類の信号を供給することができるようになる。
【０３７８】
（第２６の実施例）
図５１は、本発明の第２６の実施例に係る量子効果装置の出力部を示す模式図である。
【０３７９】
図５１において、量子ドットセルＣ１out は出力用の量子ドットセルであり、また、量子ドットセルＣ２out は量子ドットセルＣ１out の隣りの量子ドットセルである。これら量子ドットセルＣ１out ，Ｃ２out は図示しない他の量子ドットセルとともに所望のデバイスを形成している。量子ドットセルＣ１out には出力検出装置が設けられている。この出力検出装置は、量子ドットセルＣ１out を含むデバイス系とは電気的に絶縁されている。
【０３８０】
出力検出装置は、大きく分けて、第１および第２の電流検出部と、第１および第２の量子ドット７０４，７０６とにより構成されている。
【０３８１】
第１の電流検出部は、第１および第２の量子細線７０３，７０５、ならびにこれら量子細線７０３，７０５の間に設けられた電源７１１および電流計７０８により構成されている。第１の量子細線７０３は電源７１１の−側に接続され、第２の量子細線７０５は電源７１１の＋側に接続されている。
【０３８２】
同様に、第２の電流検出部は、第１および第３の量子細線７０３，７０７、ならびにこれら量子細線７０３，７０７の間に設けられた電源７１１および電流計７０９により構成されている。第３の量子細線７０７は電源７１１の＋側に接続されている。
【０３８３】
第１の量子ドット７０４は第１の量子細線７０３と第２の量子細線７０５との間に設けられている。一方、第２の量子ドット７０６は第１の量子細線７０３と第３の量子細線７０７との間に設けられている。
【０３８４】
第１の量子ドット７０４と第１の量子細線７０３との間の距離、第１の量子ドット７０４と第２の量子細線７０５との間の距離、第２の量子ドット７０６と第１の量子細線７０３との間の距離、第２の量子ドット７０６と第３の量子細線７０７との間の距離は、トンネル効果により電子が上記量子ドットと量子細線との間を移動できる程度に短い。
【０３８５】
量子ドット７０４，７０６は、量子ドットセルＣ１out の量子ドットと同じ第１の材料により形成され、かつ量子ドットセルＣ１out の量子ドットと同じサイズである。また、量子ドット７０４，７０６は、量子ドットセルＣ１out の量子ドットを囲んでいる材料と同じ第２の材料により囲まれている。
【０３８６】
すなわち、第１の量子細線７０３と第２の量子細線７０５との間には、第１の量子ドット７０４と第２の材料とにより二重量子障壁が形成され、同様に、第１の量子細線７０３と第３の量子細線７０７との間には、第２の量子ドット７０６と第２の材料により二重量子障壁が形成されている。
【０３８７】
また、第２の材料は量子ドットセルＣ１out の回りを囲んでいる第３の材料よりもバンドギャップが小さい。すなわち、点線７１０を境にして左側の量子ドットセルＣ１out ，Ｃ２out の外側の領域のバンドギャップは、点線７１０を境にして右側の領域の出力検出装置のそれよりも大きい。したがって、量子ドット７０４または量子ドット７０６内の電子が量子ドットセルＣ１out 内に注入されることによる量子ドットセルＣ１out の状態の破壊を防止できる。
【０３８８】
今、量子ドットセルＣ１out が無いとすれば、第１の電流検出部は、第２の量子細線７０５から量子ドット７０４を介して第１の量子細線７０３に流れ込む電流を検出し、同様に、第２の電流検出部は、第３の量子細線７０７から量子ドット７０６を介して第１の量子細線７０３に流れ込む電流を検出する。
【０３８９】
ここで、例えば、図５１に示すような基底状態を量子ドットセルＣ１out が取ったならば、第１の量子細線７０３から第２の量子ドット７０６に注入されようとする電子は、量子ドットセルＣ１out の右下の量子ドットセル内の電子からクーロン斥力を受ける。
【０３９０】
したがって、量子ドットセルＣ１out が無い場合に比べて、電流計７０９で検出される電流の値は低くなる。また、量子ドットセルＣ１out の電子と第３の量子細線７０７の電子との相互作用は十分に弱いので、量子ドットセルＣ１out の状態は維持される。換言すれば、金属電極を用いていないので、量子ドットセルＣ１out の電子と第３の量子細線７０７との間にはショットキー接合形成されず、量子ドットセルＣ１out 等の状態は維持される。
【０３９１】
一方、第１の量子細線７０３から第１の量子ドット７０４に注入されようとする電子は、量子ドットセルＣ１out の右上の量子ドットセル内に電子が存在しないため、クーロン斥力を受けない。
【０３９２】
したがって、電流計７０９で検出される電流の値は、量子ドットセルＣ１out が無い場合とほぼ同じである。また、量子ドットセルＣ１out の電子と第１の量子細線７０３の電子との相互作用は十分に弱いので、量子ドットセルＣ１out の状態は維持される。換言すれば、金属電極を用いていないので、量子ドットセルＣ１out の電子と第１の量子細線７０３の間にはショットキー接合形成されず、量子ドットセルＣ１out 等の状態は維持される。
【０３９３】
すなわち、図５１の場合、電流計７０８で検出される電流の値は、電流計７０９で検出される電流の値よりも大きくなる。
【０３９４】
また、量子ドットセルＣ１out が他の基底状態を取る場合、つまり、二つの電子がそれぞれ右上の量子ドット内、左下の量子ドット内に存在する場合には、電流計７０８で検出される電流の値は、電流計７０９で検出される電流の値よりも小さくなる。
【０３９５】
したがって、本実施例によれば、二つの電流計７０８，７０９の検出電流を比較することにより、量子ドットセルＣ１out の状態を正確に検出できるようになる。
【０３９６】
（第２７の実施例）
図５７は、本発明の第２７の実施例に係る量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図である。また、図５８は、図５７の量子効果信号伝達装置のＡ−Ａ´断面図である。
【０３９７】
本実施例の量子効果信号伝達装置は、信号伝達ユニット８１２がＹ方向（信号伝達方向）に一列に配列された構成になっている。信号伝達ユニット８１２は二つの量子箱８１２ａ，８１２ｂから構成されている。これら量子箱８１２ａ，ｂの周りには障壁層８１１が設けられている。また、信号伝達ユニット８１２列の両横側には、それぞれ、ドナーイオン列８１６ａ，８１６ｂが設けられている。
量子箱８１２ａ，ｂは、例えば、ＧａＡｓにより形成し、また、障壁層８１１は、例えば、ＡｌＧａＡｓにより形成する。また、この場合、量子箱８１２ａ，８１２ｂのサイズはフェルミ波長程度の数１０ｎｍとする。なお、量子箱のサイズの最適値は材料によって大きく異なる。
【０３９８】
量子箱８１２ａと量子箱８１２ｂとの距離ａは、量子箱８１２ａ，８１２ｂ間を電子がトンネルリングできる程度に小さい。また、隣接する信号伝達ユニット間の距離ｂは、信号伝達ユニット間を電子がトンネルリングできない程度に大きく、かつクーロン相互作用が有効に働く程度に小さい。
【０３９９】
量子箱８１２ａ，ｂの材料がＧａＡｓ、障壁層８１１の材料がＡｌＧａＡｓの場合には、距離ａを約１０ｎｍ程度とすれば、電子は比較的自由に量子箱間を移動できる。また、距離ｂを約５０ｎｍ程度とすれば、量子箱間では電子のトンネルリングはほとんど生じず、長距離力であるクーロン相互作用のみが電子間に働くことになる。なお、距離ａ，ｂは材料によって最適な値が大きく異なる。
【０４００】
以下、本実施例の量子効果信号伝達装置の詳細を製造工程に従って説明する。
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板８１４を用意し、この半絶縁性ＧａＡｓ基板８１４上にｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１を結晶成長させる。
【０４０１】
次にｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１の表面を選択的にエッチング除去して、１対の量子箱８１２ａ，８１２ｂとなる二つの箱状の溝をＹ方向に所定数だけ形成した後、これら溝をｉ型ＧａＡｓにより埋め込む。この結果、１対の量子箱８１２ａ，８１２ｂがＹ方向に所定数だけ形成される。
【０４０２】
次に量子箱８１２ａの短辺の外側のｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１の表面にドナーイオンとしてのＳｉイオン８１３ａをＹ方向に一列に注入する。同様に、量子箱８１２ｂの短辺の外側のｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１の表面にＳｉイオン８１３ｂをＹ方向に一列に注入する。この結果、量子箱８１２ａ，８１２ｂを挟むように、ライン状のドナーイオン列８１６ａ，８１６ｂが形成される。
【０４０３】
ここで、Ｓｉイオンをｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１の表面にライン状に整列させるには、ＦＩＢ装置（集束イオンビーム装置）を用いて、イオンエネルギーおよびイオン注入位置を制御した状態で行なうと良い。
【０４０４】
何故なら、ＦＩＢ装置は、シングルイオンを抽出するための偏向電極と微小スリットとを備えているので、所定数のドナーイオンを１個ずつ所定の微細領域に注入することができ、これにより、幅が数１０ｎｍ以下で、高密度のライン状のドナーイオン列の形成が可能となるからである。
【０４０５】
また、他の理由としては、このようにして形成された高密度のライン状のドナーイオンは、活性化率が高いために、量子箱中に容易に多くの電子を生じさせることができるからである。しかも、量子箱からドナーイオン列までの距離や、注入イオン数を調整することにより、量子箱中に蓄積する電子の密度を自由に変化させることができるからである。
【０４０６】
次にＳｉイオン８１３ａ，８１３ｂの活性化を行なう。この結果、ｉ型ＡｌＡｓとｉ型ＡｌＧａＡｓとの電子親和力の違いから、ｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１中のドナーイオンから発生した電子は、ｉ型ＧａＡｓからなる量子箱８１２ａ，８１２ｂ中に集まり、信号伝達ユニット８１２が完成する。
【０４０７】
本実施例の量子効果信号伝達装置の動作は以下の通りである。まず、外部電場等により、一番上の信号伝達ユニット８１２の２つの量子箱８１２ａ，８１２ｂのうち、左側の量子箱８１２ａに電子が偏るように電子分布を変化させる。この状態を“１”とする。
【０４０８】
ここで、ドナーイオン列８１６ａ，８１６ｂは、各信号伝達ユニットから比較的遠くに配置されている。このため、ドナーイオン列８１６ａ，８１６ｂの正電荷は、各信号ユニットに対して均一な弱い外電場としての寄与しか及ぼさない。
この結果、上から二番目の信号伝達ユニット８１２の電子に働く力は、一番上の信号伝達ユニット８１２の電子によるクーロン斥力のみである。
【０４０９】
したがって、上から二番目の信号伝達ユニット８１２のセルには、右側の量子箱８１２ｂに多数の電子が偏るような電子分布、つまり、強い分極が生じる。この状態を“０”とする。
【０４１０】
以下、同様にして上から三番目以降の信号伝達ユニットが交互に別の状態を取ることにより、“１”，“０”，“１”，“０”…という信号が伝達されることになる。
【０４１１】
前述したように、図５６のクオンタム・ダッシュは、変調ドープ層（ｉ型ＧａＡｓ層１２５２／ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３）から構成されているが、ｉ型ＧａＡｓ層１２５２およびｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３を変調ドープ層として用いるには、これらの厚さは薄くなければならない。
【０４１２】
したがって、ｉ型ＧａＡｓ層１２５２およびｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３の厚さを大きくして、変調ドープ層内に蓄積できる電子の個数を増加させ、大きな分極を形成するという手法は用いることはできない。
【０４１３】
一方、本実施例では、二つの量子箱を利用しているので、量子箱内に蓄積できる電子を多くするには、量子箱の面積を大きくすれば良い。量子箱の面積を大きくすることは容易である。
【０４１４】
更に、本実施例によれば、ドナーイオン列から効果的に多数の電子を量子箱に注入できるので、大きな分極を形成できる。
【０４１５】
更にまた、ドナーイオン列は量子箱から離れているので、クオンタム・ダッシュの場合のように、正電荷と負電荷とがキャンセルされ、分極が弱まるという問題は生じない。
【０４１６】
したがって、本実施例によれば、大きな分極を形成できるので、電子の片寄りを利用した信号伝達を安定して行なえるようになる。
【０４１７】
また、本実施例の場合、図５６の変調ドープ層のように積層構造の素子構造がないので、つまり、素子構造が平面的であるので、製造プロセスがかなり簡便になるという利点もある。
【０４１８】
なお、本実施例では、距離ｂを大きくすることにより、信号伝達ユニット間の電子の往来を防止したが、信号伝達ユニット間にバンドギャップの大きな物質（例えば誘電体）を設けることによって、電子の往来を防止しても良い。
【０４１９】
（第２８の実施例）
図６０は、本発明の第２８の実施例に係る微細金属パターンの形成方法を示す工程断面図である。
【０４２０】
まず、図６０（ａ）に示すように、砒化ガリウム基板６１１上に無機レジストとしての窒化シリコン膜６１２を形成する。このとき、プラズマ励起ＣＶＤ装置を用いて、基板温度２５０℃、ＲＦ出力２００Ｗ、反応ガス流量比 シラン：アンモニア：窒素＝１：２：１０の条件で窒化シリコンの堆積を行なうと、堆積時間１０分で、厚さが約２００ｎｍの窒化シリコン膜６１２を形成できる。
【０４２１】
次に図６０（ｂ）に示すように、窒化シリコン膜６１２のうち、微細金属パターンを形成する領域６１４ｂ（非露光部分）以外の領域６１４ａ（露光部分）に、ガリウムイオンの集束イオンビーム（ＦＩＢ）６１３を照射することにより、窒化シリコン膜６１２の露光を行なう。
【０４２２】
ここで、イオンエネルギー３０ｋｅＶ、ドーズ量約５×１０16ｃｍ-2の条件でガリウムイオンのＦＩＢ６１３の照射を行なえば、ほとんどのガリウムイオンを窒化シリコン膜６１２の表面に近傍に滞在できる。
【０４２３】
また、ＦＩＢ６１３の場合、ビーム径を容易に小さくでき（１００ｎｍ以下）、しかも、ビームの位置合わせ精度も良いことから、１００ｎｍ以下の幅を持つ非露光部分６１４ｂの形成が可能である。
【０４２４】
次に図６０（ｃ）に示すように、反応ガスとして六弗化硫黄を用いたドライエッチングにより現像を行なう。すなわち、非露光領域６１４ｂの窒化シリコン膜６１２を選択的にエッチング除去する。換言すれば、露光領域６１４ａのみに窒化シリコン膜６１２を残置させる。
【０４２５】
このとき、窒化シリコン膜６１２の膜厚とエッチング速度とから求められるジャストエッチングの時間よりも長い時間エッチングを行なって、つまり、オーバーエッチングを行なうことにより、窒化シリコン膜６１２の開口部６１６における断面形状を逆テーパとする。この結果、微細な開口部６１６を有する窒化シリコン膜６１２からなる微細レジストパターンが形成される。開口部６１６における断面形状が逆テーパとなる理由は、窒化シリコン膜６１２の表面から深いところほど露光される程度が低いからである。
【０４２６】
具体的には、例えば、ＥＣＲ−ＲＩＢＥ（電子サイクロトロン共鳴励起型反応性イオンビームエッチング）装置により、圧力０．５ｍＴｏｒｒ、マイクロ波出力２００Ｗ、イオン引き出し電圧２００Ｖの条件で、窒化シリコン膜６１２のドライエッチングを行なうと、非露光領域６１４ｂの窒化シリコン膜６１２は約１５ｎｍ／分程度のエッチング速度でエッチングされ、また、露光領域６１４ａの窒化シリコン膜６１２ははほとんどエッチングされず、膜厚約１００ｎｍ以上の窒化シリコン６１２が残る。
【０４２７】
この図６０（ｃ）の工程で、露光領域６１４ａの窒化シリコン膜６１２が残置する理由は、ガリウムイオンのＦＩＢ１３によって露光領域６１４ａに注入されたガリウムイオンと、プラズマによって生成された弗素を含むイオン等の活性種６１５との反応により、エッチング速度の非常に遅い反応生成物が、露光領域６１４ａの窒化シリコン膜６１２に形成されるからである。なお、上記ドライエッチングの場合における砒化ガリウムのエッチング速度は遅いので、砒化ガリウム基板６１１はほとんど損傷を受けない。
【０４２８】
次に図６０（ｄ）に示すように、全面に金６１７を蒸着することにより、薄金層６１８ａ（第１の金属層），６１８ｂ（第２の金属層）を形成する。
【０４２９】
具体的には、例えば、抵抗加熱方式または電子ビーム方式の真空蒸着装置を用い、そして、基板温度を室温（２０〜３０℃）から数１００℃に上げて、残った窒化シリコン膜６１２より薄い薄金層６１８ａ，ｂを形成する。この薄い薄金層６１８ａ，６１８ｂの厚さは例えば約５０ｎｍとする。
【０４３０】
このとき、開口部６１６の砒化ガリウム基板６１１上には普通の金薄膜６１８ｂが形成される。一方、窒化シリコン膜６１２上には金６１７が島状に堆積するので、多孔質の金薄膜６１８ａが形成される。
【０４３１】
最後に図６０（ｅ）に示すように、砒化ガリウム基板６１１を逆さまにし、その状態で、エッチング種がラジカル６１９のみのドライエッチングにより、窒化シリコン膜６１２、金薄膜６１８ａを選択的にエッチングする。上記ドライエッチングでは、反応ガスとして、例えば、六弗化硫黄を用いる。
【０４３２】
そして、窒化シリコン膜６１２のエッチングがある程度進むと、砒化ガリウム基板６１１は逆さまであるので、窒化シリコン膜６１２は砒化ガリウム基板６１１から容易に剥がれ落ちる。このとき、金薄膜６１８ａは窒化シリコン膜６１２と一緒に剥がれ落ちることになる。この結果、微細金属パターン（微細金属層）６１８ｂが形成される。
【０４３３】
このとき、窒化シリコン膜６１２、金薄膜６１８ａが選択的に除去される理由は、上述したように金薄膜６１８ａは多孔質であるため、ラジカル６１９は金薄膜６１８ａを容易に貫通して窒化シリコン膜６１２に到達し、この到達したラジカル６１９によって窒化シリコン膜６１２が微細金属パターン６１８ｂである金薄膜よりも速くエッチングされるからである。また、ラジカル６１９のサイドエッチング速度が速いのも理由である。なお、この弗素を含むラジカル６１９はほとんど砒化ガリウム基板６１１をエッチングしない。
【０４３４】
以上述べたように、本実施例によれば、有機レジストを用いないリフトオフ法により、微細金属パターン６１８ｂを形成できるので、従来の有機レジストを用いたリフトオフ法の種々の問題を一挙に解決できる。
【０４３５】
例えば、珪化ガリウム基板６１１を大気に晒さずに微細金属パターン６１８ｂを形成できるので、真空一貫プロセスが可能となる。このように真空一貫プロセスによる微細金属パターンの形成が可能となれば、微細金属パターン６１８ｂの形成途中における素子の表面汚染や表面酸化を抑えることができるようになる。これにより、特性劣化を最小に抑えた微細金属パターンを有する半導体素子の作成が可能となり、更には、微細金属パターンを有する半導体素子の高性能化および生産性の向上を図ることもできるようになる。
【０４３６】
なお、本実施例では、無機レジストとして窒化シリコン膜を用いたが、他の無機レジスト、例えば、酸化シリコン膜を用いても上述したプロセスとほとんど同様の方法により微細金属パターンを形成することができる。
【０４３７】
また、本実施例では、微細金属パターンの金属材料として金を用いたが、他の金属材料、例えば、銀を用いても良い。この場合、金属蒸着時の基板加熱温度を低く抑えることができる。
【０４３８】
また、最終的に不要になる薄金属膜のパターン面積が小さい場合には、必ずしも上述したように、無機レジスト上で薄金属膜が多孔質になる必要はない。何故なら、ドライエッチングのサイドエッチングにより無機レジストを十分に除去できるからである。したがって、不要になる薄金属膜のパターン面積が小さい場合には、薄金属膜と無機レジストとに求められる条件は緩和されることになる。
【０４３９】
また、表面に凹凸の多い無機レジストを形成することにより、その上に多孔質の薄金属膜を形成することも可能である。例えば、無機レジストとして、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等を用いる場合には、ガリウムイオンのＦＩＢによる露光の際に、ビーム径を照射間隔よりやや小さめに設定すると良い。また、ドライエッチングによる現像の際に、イオン種によるエッチングがやや強くなるようにしても良い。
【０４４０】
（第２９の実施例）
図６１は、本発明の第２９の実施例に係る回転方式装置（情報伝達経路）の概略構成を示す模式図である。
【０４４１】
図中、Ｋ１，Ｋ２は回転ユニット（Ｋ１は入力用回転ユニット、Ｋ２は出力用回転ユニット）を示している。具体的には、図６２に示すような“＋”形状タイプ、図６３に示すような“Ｔ”形状タイプがある。なお、これら形状は図３７の場合と同様に真横から見た場合に見える形状である。
【０４４２】
図６２、図６３において、９０１1 ，９０１2 は支持基板を示しており、図６２の場合には、二つの支持基体９０１1 ，９０１2 が縦軸部材９０２の両端を支持し、図６３の場合には、一つの支持基体９０１1 が縦軸部材９０２の一端を支持することになる。
【０４４３】
縦軸部材９０２には、正に帯電した第１の横軸部材９０３1 、負に帯電した第２の横軸部材９０３2 、正に帯電した第３の横軸部材９０３3 および負に帯電した第４の横軸部材９０３4 が互いに９０°異なる方向に配置されてなる回転部材９０４が設けられ、この回転部材９０４は縦軸部材９０２に対して垂直面を描く回転が可能となっている。
【０４４４】
このような回転ユニットは、例えば、図６２、図６３に示すように、支持基板９０１1 ，９０１2 上にＡｕ等の金属ドット９０４を形成し、金属ドット９０４に横軸部材としての高分子や原子クラスタ等を選択的に化学吸着させ、この高分子や原子クラスタ等を＋または−に帯電させることにより作成できる。また、マイクロマシーン技術を用いてエレクトレットや磁石材料を加工して、回転ユニットを形成しても良い。磁石材料を用いた場合には、横軸部材の先端はＮまたはＳに磁化されたものとなる。また、支持基板９０1 ，９０１2 としては、例えば、シリコン基板を用いる。
【０４４５】
本実施例の回転方式装置は、二つの回転ユニットＫ１，Ｋ２により構成されている。また、図６１中、Ａは入力としての外部電荷を示しており、Ｑは回転ユニットＫ２の右端の極性（出力）を検出する検出手段を示している。また、二つの回転ユニットＫ１，Ｋ２は互いに接触していない。
【０４４６】
また、外部電荷Ａの電荷値は、回転部材のそれより大きくしてあり、これにより、外部電荷Ａと他の回転ユニットの回転部材とのクーロン相互作用による装置の誤動作や不安定動作を防止している。
【０４４７】
このように構成された回転方式装置の動作は以下の通りである。
【０４４８】
例えば、回転ユニットＫ１の近辺に配置した外部電荷Ａの極性が負の場合であれば、クーロン相互作用によって安定状態になるまで、回転ユニットＫ１の回転部材は回転し、つまり、外部電荷Ａ側に回転ユニットＫの回転部材の正端部（第１の横軸部材または第３の横軸部材）が固定するまで回転する。
【０４４９】
一方、回転ユニットＫ２の回転部材は回転ユニットＫ１の回転部材の回転に伴って回転し、そして、回転ユニットＫ１の回転部材の固定に伴って、回転ユニットＫ１の正端部（第２の横軸部材または第４の横軸部材）側に回転ユニットＫ２の負端部が固定する。すなわち、検出手段Ｑ側には回転ユニットＫ２の回転部材の負端部が固定する。
【０４５０】
したがって、出力電荷Ａの極性と検出手段が検出する極性とは同じになり、回転ユニットＫ１と回転ユニットＫ２とにより構成された本実施例の回転方式装置は、情報伝達する情報伝達経路（従来の配線に相当）として機能する。
【０４５１】
また、本実施の場合、クーロン相互作用による回転部材の配向（回転部材の分極方向）の連鎖的な伝達により情報を伝達しているので、配線に起因する集積度の低下の問題を解決でき、また、情報伝達のために配線に電流を流す必要がなくなり、消費電力や発熱の問題を改善できる。
【０４５２】
なお、本実施例では二つの回転ユニットを用いたが、四つの回転ユニットを用いても良い。要は偶数個の回転ユニットを用いれば良い。
【０４５３】
（第３０の実施例）
図６４は、本発明の第３０の実施例に係る回転方式装置（インバータ）の概略構成を示す模式図である。
【０４５４】
この回転方式装置は、一つの回転ユニットＫ１により構成されている。回転ユニットＫ１はその近辺に配置した外部電荷Ａの極性に従って、クーロン相互作用により回転ユニットＫ１の回転部材が回転する。
【０４５５】
例えば、回転ユニットＫ１の近辺に配置した外部電荷Ａの極性が負の場合であれば、クーロン相互作用によって安定状態になるまで、回転ユニットＫ１の回転部材は回転し、つまり、外部電荷Ａ側に回転ユニットＫの回転部材の正端部（第１の横軸部材または第３の横軸部材）が固定するまで回転する。
【０４５６】
したがって、出力電荷Ａの極性と検出手段が検出する極性とは反対になり、回転ユニットＫ１により構成された本実施例の回転方式装置は、インバータとして機能する。本実施例の場合も第２９の実施例と同様に、配線や消費電力や発熱の問題を改善できる。
【０４５７】
なお、本実施例では一つの回転ユニットを用いたが、三つの回転ユニットを用いても良い。要は奇数個の回転ユニットを用いれば良い。
【０４５８】
また、第２９、第３０の実施例では、電荷極性に従うクローン相互作用で説明しているが、これらは磁極性に従う磁気相互作用でも同様の効果を得ることができる。
【０４５９】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施例を適宜組み合わせても良い。具体的には、第１２〜第１５の実施例の円形の量子箱を用いた量子ドットセルを、第９の実施例の正方形の量子箱を用いた量子ドットセルに置き換えても良い。
【０４６０】
また、第９の実施例等の量子人工分子を用いて、図１のセル接続型インバータ装置や、図３のセル接続型ＯＲ装置や、図４のセル接続型ＡＮＤ装置を構成しても良い。
【０４６１】
また、第１２の実施例等の量子人工分子を用いて、図１のセル接続型インバータ装置や、図３のセル接続型ＯＲ装置や、図４のセル接続型ＡＮＤ装置を構成しても良い。
【０４６２】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【０４６３】
【発明の効果】
本発明（請求項１，２）によれば、状態が不確定なセルが無くなるので、動作の安定化が図れた接続セル型の論理装置を実現できる。
【０４６４】
本発明（請求項３）によれば、信号の情報を保持したまま信号の伝搬方向を変えることができる量子効果装置を実現できるようになる。
【０４６５】
本発明（請求項４）によれば、信号の情報を保持したまま信号を分岐できる量子効果装置を実現できるようになる。
【０４６７】
本発明（請求項５）によれば、３次元的に量子人工分子を配列することにより、量子人工分子間の距離を小さくしなくても、量子人工分子の基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差を大きくできるので、高温の動作が可能な量子効果装置が得られるようになる。
【０４７２】
本発明（請求項６）によれば、量子配線にバリスティック電子を衝突させることにより、量子配線を流れる情報を制御できる。すなわち、バリスティック電子の利用により、従来不可能であった量子配線における情報伝達の制御を行なえるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るセル接続型インバータ装置の概略構成を示す模式図
【図２】４量子ドットセルの概略構成を示す模式図
【図３】本発明の第２の実施例に係るセル接続型ＯＲ装置の概略構成を示す模式図
【図４】本発明の第３の実施例に係るセル接続型ＡＮＤ装置の概略構成を示す模式図
【図５】本発明の第４の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型インバータ装置の概略構成を示す模式図
【図６】本発明の第５の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型ＮＯＲ装置の概略構成を示す模式図
【図７】本発明の第６の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型ＮＡＮＤ装置の概略構成を示す模式図
【図８】レシーバの具体的な構成を示す図
【図９】主エミッタ部の具体的な構成を示す図
【図１０】本発明の散乱衝突型論理装置の変形例を説明するための図
【図１１】本発明の第７の実施例に係る電子波方向性結合スイッチの概念図
【図１２】本発明の第７の実施例に係る平面型の電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図
【図１３】本発明の第７の実施例に係る積層型の電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図
【図１４】本発明の第８の実施例に係る電子波方向性結合スイッチの概念図
【図１５】本発明の第８の実施例に係る平面型の電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図
【図１６】本発明の第８の実施例に係る積層型の電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図
【図１７】従来のトランジスタを用いたインバータ回路を示す図
【図１８】従来のトランジスタを使用しないインバータ回路を示す図
【図１９】５量子ドットセルの概略構成を示す模式図
【図２０】従来のバリスティック電子を用いた半導体論理装置の模式図
【図２１】本発明の第２４の実施例に係るセル接続型信号分岐装置の概略構成を示す模式図
【図２２】本発明の第９の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図
【図２３】図１の量子効果装置の断面図
【図２４】本発明の第１０の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図
【図２５】図２４の量子効果装置の断面図
【図２６】本発明の第１１の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図
【図２７】本発明の第１２の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図２８】本発明の第１３の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図２９】本発明の第１４の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図３０】本発明の第１５の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図３１】図２７の４量子ドットセルにおける基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差の外力として働くセルの電子分布の値の依存性を示す図
【図３２】従来の４量子ドットセルにおける基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差の外力として働くセルの電子分布の値の依存性を示す図
【図３３】本発明の第１６の実施例に係る量子効果装置（量子効果配線）の概略構成を示す模式図
【図３４】バリスティック電子と人工分子との衝突過程の種類を示す図
【図３５】本発明の第１７の実施例に係る量子箱の形成方法を示す工程断面図
【図３６】臨界核を説明するための図
【図３７】回転ユニットの具体的な構成を示す模式図
【図３８】本発明の第１８に係る回転方式論理装置（情報伝達経路）の概略構成を示す模式図
【図３９】本発明の第２３の実施例に係るセル接続型信号方向転換装置の概略構成を示す模式図
【図４０】本発明の第２０に係る回転方式論理装置（ＡＮＤゲート）の概略構成を示す模式図
【図４１】本発明の第２１の実施例に係る回転方式論理装置（ＯＲゲート）の概略構成を示す模式図
【図４２】従来の５量子ドットセルを示す模式図
【図４３】従来の５量子ドットセルを用いた量子配線置を示す模式図
【図４４】従来の量子効果デバイス（量子効果情報制御システム）の概念図
【図４５】本発明の第２２の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図４６】本発明の第２３の実施例に係るセル接続型信号方向転換装置の概略構成を示す模式図
【図４７】本発明の第２４の実施例に係るセル接続型信号分岐装置の概略構成を示す模式図
【図４８】折れ曲がり配線を示す模式図
【図４９】マルチ・ファン・アウト分岐配線を示す模式図
【図５０】本発明の第２５の実施例に係る量子効果装置の入力部を示す模式図
【図５１】本発明の第２６の実施例に係る量子効果装置の出力部を示す模式図
【図５２】従来の量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図
【図５３】従来の他の量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図
【図５４】Ｘ方向位置と電荷密度との関係を示す特性図
【図５５】従来の量子効果信号伝達装置のより具体的な構成を示す平面図
【図５６】図５５の量子効果信号伝達装置のＢ−Ｂ´断面図
【図５７】本発明の第２７の実施例に係る量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図
【図５８】図５７の量子効果信号伝達装置のＡ−Ａ´断面図
【図５９】従来の微細金属パターンの形成方法を示す工程断面図
【図６０】本発明の第２８の実施例に係る微細金属パターンの形成方法を示す工程断面図
【図６１】本発明の第２９の実施例に係る回転方式論理装置（情報伝達経路）の概略構成を示す模式図
【図６２】“＋”形状タイプの回転ユニットを示す斜視図
【図６３】“Ｔ”形状タイプの回転ユニットを示す斜視図
【図６４】本発明の第３０の実施例に係る回転方式装置（インバータ）の概略構成を示す模式図
【図６５】本発明の第２０の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す断面図
【符号の説明】
Ｃ１〜Ｃ７…量子ドットセル
１，１ａ…主エミッタ部（第１のエミッタ部）
２，２ａ…入力エミッタ部（第２のエミッタ部）
３，３ａ…エネルギーフィルタ
４，４ａ…レシーバ（受信手段）
１０…２ＤＥＧ
１１，１２…制御電極
１３…オーミック電極
１４，１５…制御端子
２１，２２…入力導波路
２３，２４，２７，４５，４６…量子障壁層
２５，２６，２８…量子井戸層
２９…結合部
３０，３１…出力導波路
３２，３４，４７…ゲート絶縁膜
３３，３５，５０…ゲート電極
４８…ゲート電極
【産業上の利用分野】
本発明は、量子効果を利用した量子効果装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（第１の従来技術）
従来より、集積回路の知識を用いて、インバータ回路や、ＯＲ回路や、ＡＮＤ回路などの論理回路が実現されている。このような論理回路のうち、インバータ回路は論理回路の最も基本的な要素であり、（０、１）のバイナリー演算では、入力０（１）を１（０）に反転させるという機能を持つ。
【０００３】
図１７は、従来のインバータ回路を示す図であり、これは大きく分けてｎｐｎ型のバイポーラトランジスタＴｒと、このバイポーラトランジスタＴｒのコレクタに接続された負荷抵抗Ｒとで構成されている。また、バイポーラトランジスタＴｒのエミッタ，コレクタはそれぞれ電源電位Ｖ1 ，Ｖ2 に接されている。
【０００４】
このインバータ回路によれば、バイポーラトランジスタＴｒのベースにローレベルの入力電圧Ｖinが印加されると、バイポーラトランジスタＴｒがオフ状態となり、負荷抵抗Ｒに電流が流れないので、出力電圧Ｖout はハイレベルとなる。
一方、ベースにハイレベルの入力電圧Ｖinが印加されると、バイポーラトランジスタＴｒがオン状態となり、負荷抵抗Ｒに電流が流れ、電圧降下が生じるので、出力電圧Ｖout はローレベルとなる。
【０００５】
しかしながら、この種のインバータ回路には以下のような問題があった。すなわち、論理振幅を電圧で取り出すため、誤動作防止のために論理振幅に余裕を持たせると、消費電力が大きくなるという問題が生じる。
【０００６】
また、インバータ回路のように、１個のトランジスタで構成できる簡単な論理回路でも、最低３つの電極（ベース電極，コレクタ電極，エミッタ電極）が必要となり、更に、電極間を金属の配線で接続しなければならない。
【０００７】
このため、トランジスタを用いて、複雑な論理演算を実現しようとすると、配線パターンが複雑化し、設計が困難になるとともに、配線を引き回すことによる容量性の遅延や、配線間の誘導性クロストークなどの問題が生じる。
【０００８】
このような問題は、回路規模が大きくなればなるほど顕存化し、ＵＬＳＩにおいては本質的なボトルネックになってくる。
【０００９】
そこで、近年、バイポーラトランジスタのような３端子トランジスタを用いずに、論理回路を構築することが試みられている（Craig S.Lent et.al.,Quantum cellular automata Nanotechnology,vol.4, pp.49-57）。
【００１０】
図１８は、従来のトランジスタを使用しないインバータ回路であり、セル接続型インバータ回路と呼ばれているものである。このセル接続型インバータ回路では、トランジスタの代わりに、６個の５量子ドットセルＣ１〜Ｃ６で構成されている。
【００１１】
５量子ドットセルとは、図１９に示すように、五つの量子ドットＤ１〜Ｄ５からなるセルであって、その中に２個の電子（図中の黒丸）が注入された構造となっている。
【００１２】
この５量子ドットセルは、図１９に示すように、二つの識別可能で安定な基底状態ψ1 ，ψ2 を有する。これは二つの電子がクーロン相互作用により互いに反発し合い、よりエネルギーの低い状態に変化しようとする結果である。
【００１３】
このセル接続型インバータ回路によれば、図１８（ａ）に示すように、入力セルとしての５量子ドットセルＣ１に入力“１”が与えられ、この５量子ドットセルＣ１が状態ψ1 になると、５量子ドットセルＣ２は、５量子ドットセルＣ１に対して電気的に安定な状態である基底状態ψ1 に落ち着く。同様に、５量子ドットセルＣ３も基底状態ψ1 となる。
【００１４】
また、５量子ドットセルＣ４は、５量子ドットセルＣ３に対して電気的に安定な状態である基底状態ψ2 に落ち着く。５量子ドットセルＣ４が基底状態ψ2 になると、５量子ドットセルＣ５は、５量子ドットセルＣ４に対して電気的に安定な状態である基底状態ψ2 になり、同様に、出力セルとしての５量子ドットセルＣ６の状態も基底状態ψ2 となる。
【００１５】
したがって、入力セルである５量子ドットセルＣ１と、出力セルである５量子ドットセルＣ６とは互いに異なった基底状態となるので、５量子ドットセルＣ６の状態を検出することにより、入力“１”とは異なる出力“０“が得られる。
【００１６】
しかしながら、この種のセル接続型インバータ回路には以下のような問題があった。
【００１７】
すなわち、図１８（ａ）の状態の接続型インバータ回路において、入力を“１”から“０”に変えると、図１８（ｂ）に示すように、５量子ドットセルＣ１から５量子ドットセルＣ３までは、図１８（ａ）の場合と同様に、入力に対応して状態が所定通りに変化するが、５量子ドットセルＣ３の状態に対して、５量子ドットセルＣ４は、図１８（ａ）の場合とは異なり、状態が変化しない場合があるため、入力と出力とが同じになり、インバータとして機能しなくなるという問題があった。
【００１８】
（第２の従来技術）
ところで、複数の５量子ドットセルを縦方向または横方向に並べると、信号の伝播が可能となる。例えば、入力側の第１の５量子ドットセルにその状態が基底状態ψ1 になるようなバイアスを与えると、第１の５量子ドットセルに隣接する第２の５量子ドットセルは、クーロン相互作用により第１の５量子ドットセルと同じ基底状態ψ1 になろうとする。以下、同様にして、第２の５量子ドットセル以降の５量子ドットセルも基底状態ψ1 になろうとし、したがって、基底状態ψ1 が信号として伝搬することになる。また、第１の５量子ドットセルの状態を基底状態ψ2 にした場合には、基底状態ψ1 の場合と同様なメカニズムにより、今度は基底状態ψ2 が信号として伝播することになる。
【００１９】
しかし、５量子ドットセルを単に縦方向または横方向に並べるだけでは、直線方向にしか信号（状態）を伝播することができない。実際に集積回路を構成しようとする場合には、任意の場所にある記憶装置や論理演算部に信号を運ばなければならないため、信号の伝播する方向を曲げたり、または信号を分岐したりする必要が生じる。
【００２０】
信号の方向転換や、信号の分岐を行なうには、例えば、図４８、図４９に示すように、複数の５量子ドットセルを配置すれば良い。これらはＬｅｎｔ等のよって提案されたものである。
【００２１】
図４８は、いわゆる折れ曲がり配線と呼ばれるものを示しており、図４８の折れ曲がり配線の場合、信号Ｓは、最初、右方向（３時の方向）に伝搬し、５量子ドットセルＣ３のところで伝搬方向が変わり、下方向（６時の方向）に伝搬することになる。
【００２２】
しかしながら、この種の折れ曲り配線には以下のような問題がある。
【００２３】
すなわち、図４８の折れ曲がり配線の場合、５量子ドットセルＣ２，Ｃ４の状態が不安定であるため、５量子ドットセルＣ２，Ｃ４の状態は必ずしも基底状態となる分けではない。したがって、信号Ｓの情報を確実に保持したまま信号Ｓの伝搬方向を転換することはできない。
【００２４】
５量子ドットセルＣ２，Ｃ４の状態が不安定になるのは、５量子ドットセルＣ２の一方の電子と５量子ドットセルＣ４の一方の電子とが近接するため、上記二つの電子間にクーロン相互作用が働き、これにより、これら電子の状態が変化することがあるからである。
【００２５】
（第３の従来技術）
図４９は、いわゆるマルチ・ファン・アウト分岐配線と呼ばれるものを示しており、図４８のマルチ・ファン・アウト分岐配線の場合には、５量子ドットセルＣ３，Ｃ５のところで信号Ｓが分岐し、伝搬方向が右方向（３時の方向）で、互いに伝搬方向が平行な分岐信号Ｓ1 ，Ｓ2 が得られる。
【００２６】
しかしながら、この種の分岐配線には以下のような問題がある。
【００２７】
すなわち、図４９の分岐配線配線の場合、５量子ドットセルＣ４，Ｃ７の状態が不安定であり、また、５量子ドットセルＣ６，Ｃ９の状態も不安定となるので、信号Ｓの情報を確実に保持したまま信号Ｓを分岐することはできない。
【００２８】
（第４の従来技術）
図２０は、J.Spector らによって提案され、高速化、微細化が可能な半導体論理装置の模式図である（Appl. Phys. Lett.,vol. 56,no.24, 1990. p.2433 ）。これは量子効果領域の電子、つまり、バリスティック電子ｅ- を利用した半導体論理装置であって、エミッター端子８１、ゲート端子８２に与える電圧によって、バリスティック電子ｅ- を制御し、レシーバ８３でバリスティック電子ｅ- を受信するというものである。
【００２９】
しかしながら、このような構成の半導体論理装置によってインバータ以外の論理装置を実現する場合には、バリスティック電子ｅ- を制御するゲート端子８１を増加する必要があり、この結果、ゲート端子８１の間でクロストークが生じ、安定した動作が期待できないという問題があった。
【００３０】
（第５の従来技術）
現在の集積回路の知識を用いてメモリーや論理回路を構成しようとすると、必ず３端子素子、つまり、トランジスターを用いることになる。トランジスタを用いると、３つの電極から金属配線を引き出し、デバイス間を接続するためにその金属配線を引き回すことが必要になる。
【００３１】
この引き回しは、回路規模が大きくなるほど多くなり、これにより、金属配線面積の増加、配線抵抗の増大、配線による容量性遅延、配線間の誘導性クロストークなどの諸問題が顕在化してくる。これらの問題はＵＬＳＩにおける本質的なボトルネックとなっている。
【００３２】
そこで、これらの問題を抜本的に解決するために、複数の５量子ドットセルで構成された量子セルラーオートマトンという量子効果装置がＣ．Ｓ．Ｌｅｎｔ等により提案されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２（１９９３）ｐ．７１４）。
【００３３】
５量子ドットセルとは、図４２に示すように、電子を０次元的に閉じ込められるくらい微小で丸状の５つの量子箱（図中の丸１０１７，１０１８）から構成されるものであって、そのうちの４つは５量子ドットセルの四隅に配置し、残りの１つは５量子ドットセルの中心に配置している。そして、そのうちの２つの量子箱（図中の丸１０１７）には電子が２個入っている。
【００３４】
各量子箱間の距離は電子がトンネル効果で行き来できるくらい近接した位置関係にあり、一方、各５量子ドットセル間の距離は、電子がトンネル効果で行き来出来ない程度離れている。
【００３５】
１つの５量子ドットセルの中の２つの電子は、クーロン反発力でなるべく遠くにいこうとするため、対角線上の位置に来たときが一番エネルギーの低い安定状態となる。したがって、このセルは最もエネルギーの低い２つの安定状態（状態０、状態１）を持つことになる。
【００３６】
これら双安定状態を（０，１）と定義すれば、この５量子ドットセルを１単位（１ビット）としたメモリを構成できる。また、図４３に示すように、この５量子ドットセルを横に並べ、そして、左側の５量子ドットセルから状態０を入力すれば、電子の配置に従ってクーロン反発力により、右側の５量子ドットセルに状態０が伝播していく。
【００３７】
すなわち、この５量子ドットセルを並べれば、信号伝播のための配線として用いることができる。また、セルの配置の仕方によって論理回路も構成できることが分かっている。
【００３８】
しかしながら、この種の５量子ドットセルには以下のような問題があった。
【００３９】
従来の５量子ドットは丸い量子箱から構成されているため、斜めの方向に隣接する量子箱間の方が、横方向に隣接する量子箱にくらべ距離が短いため、トンネル確率は高くなるものの、電子は隣合う量子箱間を全てトンネル効果で移動することが可能である。
【００４０】
すなわち、バイアスを与えれば５量子ドットセルの状態が確定するが、バイアスを取り去ると、状態は時間と共にぼけてしまい、不揮発性メモリのような用途には使えなくなる。
【００４１】
また、もし光でメモリーの書き込みを行なう場合、光（バイアス）が与えられるなくなると、状態は不確定になってしまうため、結局配線を全セルにつなぐことになり、当初の配線を使わないで済むというメリットがなくなってしまう。
【００４２】
一方、論理回路として用いる場合、上述したように電子はトンネル効果により横方向にも移動するため、これによりしきい値エネルギーが低くなりすぎて、誤動作が生じるという問題がある。
【００４３】
（第６の従来技術）
更に、従来の量子効果装置には以下のような問題があった。
【００４４】
ＱＩＣ（Quantum Interconnections with Cellar automata ）動作の量子効果装置は基底状態での動作を想定しており、この動作の温度限界は基底状態と第１励起状態とのエネルギー差により決定される。
【００４５】
このエネルギー差は５量子ドットセル等の量子セル間のクーロン相互作用により決まるため、隣接する量子セルから受ける影響が強いほど、基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差が明確になる。このため、量子セル間の距離を短くするほど、より高温まで動作できるようになる。
【００４６】
しかしながら、従来の平面的な量子セル配列パターンの場合、量子セル間の距離が短くなると、それにともなってクーロン相互作用も強くなるため、これにより、量子セルの双安定状態が乱され、量子効果装置として機能が失われるという問題があった。
【００４７】
（第７の従来技術）
図４４は、従来の量子効果装置（量子効果情報制御システム）の概念図である。
【００４８】
これはアドレスＡ，Ｂ，Ｃ間で情報のやり取りを２次元電子ガス（２ＤＥＧ）内のバリスティック電子を介して行なうシステムを示しており、アドレスＡ，Ｂ，Ｃは具体的には端末やプロセッサである。
【００４９】
図中、三角印はバリスティック電子の経路が平面交差している領域を示し、菱形印はバリスティック電子の経路が分岐している領域を示し、そして、長方形印はバリスティック電子同士が衝突する領域を示している。
【００５０】
この量子効果情報制御システムは２ＤＥＧ内のバリスティック電子を利用しているため、従来の金属配線を利用した情報制御システムとは異なり、配線遅延の問題は全くない。
【００５１】
しかしながら、実用化を考えた場合、その設計の自由度は十分でないという問題があった。
【００５２】
（第８の従来技術）
ところで、集積回路の集積密度上昇を求めてＵＬＳＩの微細加工技術が現在発展しており、量子効果の発現する領域になりつつある。このような領域では、電子の波動性が顕著になり、情報の伝達に電子電流を利用した従来の論理装置は、動作が不安定になったり、誤動作が生じるという問題がある。また、微細化による素子密度の増加により、消費電力や発熱の問題が顕著になる。更に、素子間を配線で連結するため、配線面積で素子密度の向上が困難になるという問題があった。
【００５３】
（第９の従来技術）
このパラグラフの項目は、第９の従来技術となっているが、以下に説明する問題は、公知（周知）の従来技術の問題ではなく、本発明者等が独自に考えている現代の量子効果装置に内在する問題である。
【００５４】
５量子ドットセル等の量子セルは非常に小さく、そのサイズは例えば０．１２μｍ程度である。この場合、量子ドットの直径は５０ｎｍ程度と非常に小さく、また、隣接する量子ドット間の距離は２０ｎｍ程度と非常に短い。
【００５５】
このため、従来の電子装置の場合のような通常の金属電極による信号の供給は不可能である。何故なら、金属電極から入力用量子セルに信号を供給しようとすると、信号ではなく金属電極内の大量の電子によって、入力用量子セル内の少数（通常２個）の電子の状態が変化してしまうからである。換言すれば、金属電極と入力用量子セルとの間にショットキー接合が形成され、入力用量子セル内のバンド構造が大きく変化するため、量子セルの双安定状態が壊れてしまう。
【００５６】
（第１０の従来技術）
このパラグラフの項目は、第１０の従来技術となっているが、以下に説明する問題は、公知（周知）の従来技術の問題ではなく、本発明者等が独自に考えている現代の量子効果装置に内在する問題である。
【００５７】
すなわちに、出力用量子セルの状態（出力）を通常の金属電極により検出しようとすると、金属電極内の大量の電子によって、出力用量子セルの出力が変化してしまう。したがって、通常の金属電極では、出力用量子セルの出力を正確に検出することは困難である。
【００５８】
また、出力用量子セルの出力は、２個の電子により形成される分極状態の違いであり、したがって、極めて微小な電荷分布を検出する技術が必要になる。しかしながら、従来の技術ではこのような微小な電荷分布を検出することは困難であった。
【００５９】
（第１１の従来技術）
近年、半導体微細構造中の電荷の片寄りを利用して、信号の伝達を行なう量子効果信号伝達装置が提案されている（P.Bakshi et al., J．Appl. Phys. 70,5150(1991) やP.D.Tougaw et al., J. Appl. Phys. 74,3558(1993) ）。以下、この方法の概要について説明する。
【００６０】
この量子効果信号伝達装置は、図５２に示すように、複数のクオンタム・ダッシュ（quantum dashes）１１３１により構成されている。クオンタム・ダッシュ１１３１は、量子箱の一種で、細長い構造を有する量子箱である。
【００６１】
隣接するクオンタム・ダッシュ１１３１間の距離は、各クオンタム・ダッシュ１１３１内に閉じ込められた電子が、隣接したクオンタム・ダッシュ１１３１内に閉じ込められた電子とクーロン力が働く程度に短い。
【００６２】
したがって、クオンタム・ダッシュ１１３１内に閉じ込められた電子は、その密度分布の中心１１３２がクオンタム・ダッシュ１１３１の中央からずれたところで、安定な状態となる。すなわち、クオンタム・ダッシュ１１３１は、分極状態で安定となる。
【００６３】
ここで、電子密度分布の中心が左側にある場合を“１”に対応させ、電子密度分布の中心が右側にある場合を“０”に対応させれば、図５２は、“１、０、１、０、…”という信号が伝搬していることを示していることになる。
【００６４】
また、外部電場等により、一つのクオンタム・ダッシュ１１３１の分極を“１”から“０”に反転させれば、“０、１、０、１、…”という信号が伝搬することになる。
【００６５】
図５３は、上記量子効果信号伝達装置を改良した量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図である。この量子効果信号伝達装置は、二重量子井戸を用いて強い分極を形成することにより、信号伝達を効果的に行なうというものである。
図中、１１４１ａ，ｂは量子井戸を示しており、Ｘ方向に関して、これら二つの量子井戸１１４１ａ，ｂは弱いポテンシャル障壁１１４２を挟んでいる。すなわち、二つの量子井戸１１４１ａ，ｂと一つのポテンシャル障壁１１４２とにより、二重量子井戸が構成されている。一方、Ｙ方向に関しては、二つの量子井戸１１４１ａ，ｂは、強いポテンシャル障壁１１４３によって、分離されている。したがって、二重量子井戸を“セル”と呼ぶとすると、セル内では比較的自由に電子が移動するが、セル間では電子は移動しない。また、セル間ではクーロン力以外の力は電子には働かない。
【００６６】
今、一番上のセル１を十分に強く分極させると（電子を左側に偏在させると）、クーロン力によりセル２内の電子は、図５４に示すセル２の電荷密度分布から分かるように、右側に偏在する。すなわち、セル２はセル１と反対方向に十分に強く分極する。したがって、これらの２つの強い分極状態をそれぞれ２つの信号“１”、“０”に対応させれば、これらのセルを並べることにより、信号伝達を行なうことができるようになる。
【００６７】
ここで、信号として伝わるのは分極の状態であり、量子井戸中の電子自体の移動が信号伝達を担う訳ではない。したがって、電気抵抗やそれに伴う発熱を非常に小さく抑えることができ、高速でエネルギー消費の非常に小さい集積回路を構成することが可能となる。なお、上述した２つの量子効果信号伝達装置では、均一なバックグラウンドとしての正電荷を仮定している。
【００６８】
図５５、図５６は量子効果信号伝達装置のより具体的な構成を示す図であり、図５５は量子効果信号伝達装置を上から平面図を示しており、図５６は図５５の量子効果信号伝達装置のＢ−Ｂ´断面図を示している。
【００６９】
図５６に示すように、クオンタム・ダッシュは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２５１と、この半絶縁性ＧａＡｓ基板１２５１上に形成され、ｉ型ＧａＡｓ層１２５２とｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３とからなる変調ドープ層と、この変調ドープ層を囲むポテンシャル障壁層１２５４とにより構成されている。ポテンシャル障壁層１２５４のポテンシャル障壁は変調ドープ層のそれよりも高い。
【００７０】
各クオンタム・ダッシュのｉ型ＧａＡｓ層１２５２は、その上のｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３から電子を引き寄せる。この結果、各クオンタム・ダッシュのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３内にはドナーイオンにより固定された正電荷と、各クオンタム・ダッシュのｉ型ＧａＡｓ層１２５２内には二次元電子ガスとしての自由な電子とが存在することになる。
【００７１】
ここで、図５５に示すように、一番上のクオンタム・ダッシュ１２５５に加えられた外部電場等により、水平面内において電子分布の片寄りが生じた場合、クオンタム・ダッシュ１２５５のうち電子密度の高い領域は負帯電領域１２５６となり、逆に電子密度の低い領域はドナーイオンの正電荷により正帯電領域１２５７となる。
【００７２】
このとき、図５６に示すように、負帯電領域の電子１２５８は、その上のドナーイオンにより固定された正電荷１２５９によりキャンセルされるので、負の帯電領域１２５６の実効的な電子１２５８の数が小さくなる。したがって、クオンタム・ダッシュ内には期待通りの強い分極状態は形成されない。
【００７３】
また、各クオンタム・ダッシュのサイズにばらつきが生じると、各クオンタム・ダッシュ中に閉じ込められるドナーイオンの数にもばらつきが生じることになる。クオンタム・ダッシュ内の分極に寄与する電子の数は少ないので、このようなドナーイオンの数のばらつきが生じると、各クオンタム・ダッシュの分極の程度が大きく異なり、これにより、誤動作が生じるという問題が発生する。
【００７４】
（第１２の従来技術）
半導体素子の金属パターンの形成方法の一つとして、リフトオフ法がある。リフトオフ法により微細な金属パターンを形成する具体的な方法については、「メゾスコピック構造の作製技術」（蒲生健次、固体物理、Vol.28, No.11, pp128-137(1993)）で述べられている。この方法の概略を図５９の工程断面図を用いて説明する。
【００７５】
まず、図５９（ａ）に示すように、半導体基板１２２１上に有機レジスト１２２２をスピンコートした後、１００℃前後の温度でプリベークを行なうことにより、有機レジスト１２２２中の溶媒を外に追い出す。ここで、有機レジスト１２２２の材料としては、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレイト）があげられる。
【００７６】
次に図５９（ｂ）に示すように、ＥＢ（電子ビーム）描画装置によって、金属パターンを形成する領域の有機レジスト１２２２に２０〜１００ｋｅＶ程度のエネルギーの電子ビーム２２２３を照射することにより、有機レジスト１２２２を露光する。
【００７７】
次に図５９（ｃ）に示すように、ＭＥＫ（メチルエチルケトン）やＭＩＢＫ
（メチルイソブチルケトン）等の有機溶剤を含んだ現像液に半導体基板１２２１を浸して、有機レジスト１２２２の現像を行なうことにより、電子ビーム１２２３を照射した領域に微細な開口部を持つ有機レジストパターン１２２４を形成する。この後、ポストベークを行なって有機レジストパターン１２２４中に残留する現像液を除去するとともに、有機レジストパターン１２２４と半導体基板１２２１とのの密着性を向上させる。
【００７８】
ここで、リフトオフを確実に行なえるようにするには、有機レジストパターン１２２４の開口部の形状が逆テーパ状になっていることが望ましい。これを実現するにはレジスト１２２２として、上層の露光感度が下層のそれより低い２層構造のレジストを用いると良い。
【００７９】
次に図５９（ｄ）に示すように、開口部を含めた有機レジストパターン１２２２上の全面に、抵抗加熱や電子ビーム等を利用した蒸着装置を用いて、金属１２２５を蒸着して、有機レジストパターン１２２２上に金属層１２２６ａを形成し、また、有機レジストパターン１２２２の開口部上には、金属層１２２６ａとは分離された金属層１２２６ｂを形成する。
【００８０】
最後に、図５９（ｅ）に示すように、有機溶剤を含むレジスト除去液を用いて有機レジストパターン１２２２を溶解して除去することにより、有機レジストパターン上１２２２に形成された金属層１２２６ａを除去する。この結果、有機レジストパターン１２２２の開口部の形を反映した微細な金属パターン１２２６ｂが半導体基板１２２１上に形成される。
【００８１】
しかしながら、この種のリフトオフ法には以下のような問題があった。
【００８２】
すなわち、上述したリフトオフ法では、有機レジストを用いているため、スピンコート、プリベーク、現像、ポストベーク等のプロセス途中で、炭素や炭素を含む物質（炭素汚染物質）により、素子表面が汚染されるという問題があった。更に、その後の洗浄プロセスに大きな負担がかかるという問題もあった。
【００８３】
また、有機物を扱うプロセスは、有機物の揮発性のために、大気中で行なう必要があるので、全てのプロセスを真空中で行なうという真空一貫プロセスは不可能であった。したがって、大気中に素子表面が晒されるので、素子表面に形成される不要な酸化物（表面酸化物）を抑えることができず、素子構造やプロセス設計に多くの制限が課せられるという問題があった。
【００８４】
また、半導体基板に損傷を与えずに、炭素汚染物質や表面酸化物を完全に除去することは難しく、したがって、上記リフトオフ法により微細構造を有する半導体素子を形成しようとすると、炭素汚染物質等の除去の際に微細構造が破壊されてしまうという問題があった。
【００８５】
また、有機レジストは加熱による変形が起こり易いため、金属層１２２６ａ，ｂ５を形成するときに、半導体基板１２２１の表面温度が必要以上に上昇しないように注意しなければならなかった。
【００８６】
（第１３の従来技術）
ところで、従来、量子箱の作成は、フォトリソグラフィ、ウエットエッチング、ドライエッチング等の半導体技術により形成していた。しかし、従来の量子箱の形成方法では、高寸法精度、低結晶欠陥の量子箱を形成できなかった。
【００８７】
【発明が解決しようとする課題】
（第１の目的）
上述の第１の従来技術で説明したように、従来のセル接続型インバータ回路にあっては、所定通りに状態が変化しない５量子ドットセルが存在するため、入出力関係がインバータの関係にならない場合があり、動作が不安定であるという問題があった。
【００８８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第１の目的は、量子セルからなり、動作が安定な量子効果装置を提供することにある。
【００８９】
（第２の目的）
上述の第２の従来技術で説明したように、５量子ドットセルを用いた従来の折れ曲がり配線は、信号の情報を確実に保持したまま信号の伝搬方向を転換することができないという問題があった。
【００９０】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第２の目的は、信号の情報を保持したまま、信号の転換を行なえる量子効果装置を提供することにある。
【００９１】
（第３の目的）
上述の第３の従来技術で説明したように、従来の５量子ドットセルを用いた分岐配線は、信号の情報を確実に保持したまま信号を分岐することができないという問題があった。
【００９２】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第３の目的は、信号の情報を保持したまま、信号の分岐を行なえる量子効果装置を提供することにある。
【００９５】
（第４の目的）
上述の第５の従来技術で説明したように、従来の５量子ドットセル（量子セル）を用いたメモリや論理回路等の量子効果装置にあっては、バイアスを与えないと、量子セルの状態が時間とともにぼけるという問題があった。
【００９６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第４の目的は、バイアスを与えなくても、状態を維持できる量子人工分子からなる量子効果装置を提供することにある。
【０１０５】
（第５の目的）
上述の第１０の従来技術で説明したように、通常の金属電極により、出力用量子セルの状態（出力）を検出しようとすると、金属電極内の大量の電子によって、出力用量子セルの出力が変化するので、出力を正確に検出することができないという問題（前述したように発明者等が独自に認識している問題で公知の問題ではない）があった。
【０１０６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その第５の目的は、出力用量子セルの出力を正確に検出できる量子効果装置を提供することにある。
【０１１３】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項１）は、入力用のセルと出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される、二つ以上の識別可能な状態を有し、前記複数のセルは、前記入力用のセルの状態と前記出力用のセルの状態とが所定の論理関係になるべく二次元的または三次元的に配列され、且つ前記出力用のセルは、他のセルとともにループ構造を構成するように配置され、該ループ構造は、複数のセルがループ状に配置され、かつ、該ループ状に配置された前記複数のセルの内側にはセルが配置されていない構造であることを特徴とする。
【０１１４】
なお、ここで、前記ループ構造は、４つのセルが、それぞれ、３時の方向、６時の方向、９時の方向、１２時の方向に配置されてなるものであることが好ましい（請求項２）。
【０１１５】
上記第２の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項３）は、入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号の伝搬方向とは異なる方向に信号を出力する出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される、二つ以上の識別可能な状態を有し、且つ前記入力用のセルと前記出力用のセルとの間には、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルとが設けられ、前記第 1 および第２のループ構造は、それぞれ、複数のセルがループ状に配置され、かつ、該ループ状に配置された前記複数のセルの内側にはセルが配置されていない構造であることを特徴とする。
【０１１６】
上記第３の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項４）は、一つの入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号を分岐する複数の出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される、二つ以上の識別可能な状態を有し、且つ前記入力用のセルと前記複数の各出力用のセルとの間には、それぞれ、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルとが設けられ、前記第 1 および第２のループ構造は、それぞれ、複数のセルがループ状に配置され、かつ、該ループ状に配置された前記複数のセルの内側にはセルが配置されていない構造であることを特徴とする。
【０１１９】
上記第４の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項５）は、入力用のセルと出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される二つ以上の識別可能な状態を有し、前記複数のセルは、入力出力関係が所定の所定の論理関係になるべく３次元的に配列されていることを特徴とする。
【０１２０】
上記第５の目的を達成するために、本発明の量子効果装置（請求項６）は、入力用のセルと出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルからなる量子配線であって、前記各セルが、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用を利用して情報伝達を行なう量子配線と、この量子配線にバリスティック電子を衝突させて前記量子配線の状態を変化させることにより、前記量子配線を流れる情報を制御する情報伝達制御手段と、前記量子配線と前記バリスティック電子との衝突により生じる前記量子配線の状態変化を検出する検出手段とを備えてることを特徴とする。
【０１２６】
【作用】
本発明者等の研究によれば、量子効果装置を構成する一のセルがそれに隣接する他の二つのセルと物理的相互作用を起こすようになっていれば、上記一のセルの出力が安定することが分かった。
【０１２７】
また、本発明者等の研究によれば、量子効果装置を構成する出力用のセルが他のセルとともにループを構成している場合には、動作が安定し、所望の入出力関係が得られることが分かった。このメカニズムの詳細は未だ不明であるが、上記の如きのループが存在すると、従来無かった準安定状態が出現するのが一つの理由だと考えられる。すなわち、準安定状態が現れることにより、状態が不確定なセルが無くなるので、動作が安定すると考えられる。
【０１２８】
したがって、上記の如きの知見に基づいた本発明（請求項１〜２）によれば、動作の安定化が図れた量子効果装置を実現できるようになる。
【０１２９】
本発明者等の研究によれば、入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号の伝搬方向とは異なる方向に信号を出力する出力用のセルとを含む複数のセルからなる量子効果装置において、入力用のセルと出力用のセルとの間に、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルとを設けると、状態が不安定なセルがなくなり、信号の情報を保持したまま信号の伝搬方向を変えることができることが分かった。
【０１３０】
したがって、上記の如きの知見に基づいた本発明（請求３）によれば、信号の情報を保持したまま信号の伝搬方向を変えることができる量子効果装置を実現できるようになる。
【０１３１】
また、本発明者等の研究によれば、一つの入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号を分岐する複数の出力用のセルとを含む複数のセルからなる量子効果装置において、入力用のセルと複数の各出力用のセルとの間に、それぞれ、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルを設けると、状態が不安定なセルがなくなり、信号の情報を保持したまま信号を分岐できることが分かった。
【０１３２】
したがって、上記の如きの知見に基づいた本発明（請求項４）によれば、信号の情報を保持したまま信号を分岐できる量子効果装置を実現できるようになる。
【０１３７】
本発明者等の研究によれば、３次元的に量子人工分子を配列すると、量子人工分子の基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差が大きくなり、高温の動作が可能となることが分かった。また、量子人工分子間の距離は小さくなっていないので、量子人工分子の識別可能な状態が乱されることもない。
【０１３８】
したがって、このような知見に基づいた本発明（請求項５）によれば、高温の動作が可能な量子効果装置が得られるようになる。
【０１３９】
本発明（請求項６）によれば、量子配線にバリスティック電子を衝突させることにより、量子配線を流れる情報を制御できる。すなわち、バリスティック電子の利用により、従来不可能であった量子配線における情報伝達の制御を行なえるようになる。したがって、設計の自由度が高くなり、実用度の高い量子配線が得られるようになる。
【０１４８】
【実施例】
先ず、請求項に係る発明と実施例との対応を以下に記す。
【０１４９】
請求項１ →第１〜第３の実施例
請求項２ →第１〜第３の実施例
請求項３ →第２３の実施例
請求項４ →第２４の実施例
請求項５ →第１２〜第１６の実施例
請求項６ →第１７の実施例
以下、図面を参照しながら実施例を説明する。
【０１５０】
（第１の実施例：請求項１，２）
図１は、本発明の第１の実施例に係るセル接続型インバータ装置の概略構成を示す模式図である。
【０１５１】
図中、Ｃ１〜Ｃ４は同一構造の量子ドットセル（例えば、図１８の５量子ドットセル）を示しており、これら量子ドットセルＣ１〜Ｃ４はループ状に配置され、量子ドットセルＣ１は入力セル、量子ドットセルＣ４は出力セルとして用いられている。量子ドットセルＣ１〜Ｃ４は、電子（図中の黒丸）の配置によって、基底状態ψ1 （二つの電子が左斜めに配列する状態），ψ0 （二つの電子が右斜めに配列する状態）の双安定状態を取り得る。
【０１５２】
このように構成されたセル接続型インバータ装置において、図１（ａ）に示すように、量子ドットセルＣ１に入力“０”が与えられ、量子ドットセルＣ１が基底状態ψ0 になると、量子ドットセルＣ２内の二つの電子がたとえ右斜めに配列しようとしても、クーロン反発力により、即座に左斜め方向に再配列されるので、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ1 となる。
【０１５３】
このとき、量子ドットセルＣ４は、量子ドットセルＣ１の基底状態ψ0 に対して、基底状態ψ0 ，ψ1 の両方を取り得る。ところが、量子ドットセルＣ２の基底状態ψ1 に対して、量子ドットセルＣ３内の二つの電子は、クーロン反発力により、即座に右斜めに配列されるので、量子ドットセルＣ３は基底状態ψ0 となる。
【０１５４】
したがって、量子ドットセルＣ３の基底状態ψ0 に対して、量子ドットセルＣ４内の二つの電子は、クーロン反発力により、即座に左斜めに配列されので、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 を取らざるを得ない。
【０１５５】
かくして、量子ドットセルＣ１に基底状態ψ0 となる入力“０”が与えられると、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ４の順で状態が確定し、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 となる。入力セルである量子ドットセルＣ１と、出力セルである量子ドットセルＣ４とは互いに異なった基底状態となるので、量子ドットセルＣ４の状態を検出することにより、入力“１”とは異なる出力“０“が得られる。一方、図１（ａ）の状態において、量子ドットセルＣ１に入力“１”を与えると、量子ドットセルＣ１は基底状態ψ1 となる。
【０１５６】
量子ドットセルＣ１が基底状態ψ1 となると、量子ドットセルＣ４内の二つの電子がたとえ左斜めに配列しようとしても、クーロン反発力により、即座に右斜め方向に再配列されるので、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ0 となる。
【０１５７】
量子ドットセルＣ４が基底状態ψ0 となると、量子ドットセルＣ３内の二つの電子がたとえ右斜めに配列しようとしても、クーロン反発力により、即座に左斜め方向に再配列されるので、量子ドットセルＣ３は基底状態ψ1 となる。
【０１５８】
量子ドットセルＣ３が基底状態ψ1 となると、量子ドットセル２３内の二つの電子がたとえ左斜めに配列しようとしても、クーロン反発力により、即座に右斜め方向に再配列されるので、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 となる。
【０１５９】
この結果、図１（ａ）の状態において、量子ドットセルＣ１に入力“１”を与えた直後では、量子ドットセルＣ２は、量子ドットセルＣ１の基底状態ψ1 に対して、基底状態ψ0 ，ψ1 の両方を取り得るが、量子ドットセルＣ４，Ｃ３の順で状態が確定するので、量子ドットセルＣ２は、基底状態ψ0 を取らざるを得ない。
【０１６０】
したがって、量子ドットセルＣ１に基底状態ψ1 となる入力“１”が与えられると、量子ドットセルＣ４，Ｃ３，Ｃ２の順で状態が確定し、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ0 となるので、入出力関係はインバータのそれと同じになる。
【０１６１】
同様に、図１（ｂ）の状態において、量子ドットセルＣ１に入力“０”を与えると、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ４の順で状態が確定し、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 となるので、入出力関係はインバータのそれと同じになる。
【０１６２】
以上述べたように本実施例によれば、従来とは異なり、状態が不安定となる量子ドットセルが存在しないので、確実に、入力が“０”であれば出力が“１”，入力が“１”であれば出力が“０”となるセル接続型インバータ装置を実現できる。
【０１６３】
また、本実施例のセル接続型インバータ装置は、素子間に電極や配線を設け、電流により信号を伝達するのではなく、隣接する量子ドットセル間の物理的相互作用（クーロン相互作用）によって状態（信号）を伝播するため、電極，配線，信号電流が不要になる。このため、電極間や配線間に誘導性クロストークが生じるという問題や、電極や配線に存在する寄生容量により生じる容量性遅延などの問題が無くなる。また、電極や配線の作成の手間が省け、更に、入出力部分を除いて基本的には電流は流れないため、消費電力を極めて少なくできる。
【０１６４】
なお、本実施例では、量子ドットセルの具体例として、５量子ドットセルを挙げたが、図２に示すような４量子ドットセルを用いても良い。
【０１６５】
この場合、２つの基底状態ψ1 ，ψ0 における電荷の分布は、５量子ドットセルのそれと同様であるが、電子の遷移の仕方が異なる。すなわち、５量子ドットセルの場合は、中心の量子ドットを介して電子が四隅に遷移するのに対し、４量子ドットセルの場合は、直接、四隅の量子ドットに遷移することになる。
【０１６６】
このような４量子，５量子ドットセルは、例えば、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｉ型ＧａＡｓのような変調ドーピング構造を有するエピタキシャルウェハを用い、これに数１０ｎｍ径の量子ドットをエッチングにより形成した後、アンドープのＡｌＧａＡｓ等の高バンドギャップ材料を上記エピタキシャルウェハ上に成長させるか、あるいはＳｉＯ2 膜等の絶縁膜で覆ってやることで実現できる。
【０１６７】
また、本実施例では、クーロン力を物理的相互作用とする量子ドットセルの場合について説明したが、磁気的相互作用など他の物理的相互作用をする量子ドットセルを用いても良い。
【０１６８】
（第２の実施例：請求項１，２）
図３は、本発明の第２の実施例に係るセル接続型ＯＲ装置の概略構成を示す模式図である。
【０１６９】
このセル接続型ＯＲ装置は、先の実施例のセル接続型インバータ装置に、量子ドットセルＣ５〜Ｃ８を付加した構成になっている。すなわち、量子ドットセルＣ２の右上に量子ドットセルＣ５、量子ドットセルＣ３の右上に量子ドットセルＣ６、量子ドットセルＣ３の右下に量子ドットセルＣ７、量子ドットセルＣ６の右に量子ドットセルＣ８を更に配置した構成になっている。
【０１７０】
ここで、量子ドットセルＣ４，Ｃ７は入力セルとして用いられ、量子ドットセルＣ８は出力セルとして用いられている。量子ドットセルＣ６は、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ５とともに第１のループを構成している。また、量子ドットセルＣ１〜Ｃ４で第２のループを構成している。
【０１７１】
このような構成であれば、図３（ａ）に示すように、入力が“０”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ１，Ｃ３は基底状態ψ1 となる。このとき、量子ドットセルＣ３の基底状態ψ1 に対して、量子ドットセルＣ６は、基底状態ψ0 ，ψ1 の両方を取り得る。ところが、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 、量子ドットセルＣ５は基底状態ψ1 と確定する結果、量子ドットセルＣ３は、量子ドットセルＣ５の基底状態ψ0 に対応して、電気的に安定な基底状態ψ0 を取ることなる。したがって、入力が“０”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ８の出力は“０”となる。
【０１７２】
また、図３（ｂ）に示すように、入力が“０”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ１，Ｃ３は、それぞれ、基底状態ψ1 ，準基底状態ψS となる。
【０１７３】
ここで、準基底状態ψS とは、基底状態ψ1 ，ψ0 に比べては不安定な状態であるが、実用上は十分に安定な状態のものである。このような準基底状態ψS は従来のセル接続型ＯＲ論理装置には無かったもので、この準基底状態ψS の存在によって、従来は不可能であった安定動作が可能となっている。準基底状態ψS が現れる理由は明らかでは無いが、本願発明者等の研究によれば、出力セルが第１のループを構成していることが必要であることが分かっている。
【０１７４】
量子ドットセルＣ３の準基底状態ψS に対して、量子ドットセルＣ６は、基底状態ψ1 を取り、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 を取り、そして、量子ドットセルＣ５は準基底状態ψS と確定する結果、量子ドットセルＣ６は、基底状態ψ1 を維持することになる。したがって、入力が“０”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１７５】
ここで、量子ドットセルＣ５が準安定状態ψS に確定する理由は以下のように考えられる。
【０１７６】
量子ドットセルＣ６の右側に、出力端としての量子ドットセルＣ８が存在するため、量子ドットセルＣ５を動かすよりも、量子ドットセルＣ６を動かす方が高いエネルギーを必要とする。したがって、量子ドットセルＣ６が準安定状態になるよりも、量子ドットセルＣ５が準安定状態になる方が、回路全体としてのエネルギー状態が低くなり、回路はエネルギー的に安定になる。また、量子ドットセルＣ８の代わりに、２個の量子ドットセルを用いても良い。
【０１７７】
同様に、図３（ｃ）に示すように、“１”，“０”の場合には出力は“１”、図３（ｄ）に示すように、“１”，“１”の場合には量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１７８】
すなわち、図３（ｃ）に示すように、入力が“１”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 を取るので、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ２、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ６の順で、量子ドットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ６の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ1 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１７９】
また、図３（ｄ）に示すように、入力が“１”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ４は基底状態ψ1 を取るので、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ２、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ６の順で、量子ドットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ６の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ1 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１８０】
以上述べたように本実施例によれば、確実に、ＯＲ論理の入出力関係が得られる。
【０１８１】
（第３の実施例：請求項１，２）
図４は、本発明の第３の実施例に係るセル接続型ＡＮＤ装置の概略構成を示す模式図である。
【０１８２】
このセル接続型ＡＮＤ装置は、先の実施例のセル接続型インバータ装置に、量子ドットセルＣ５〜Ｃ８を付加した構成になっている。すなわち、量子ドットセルＣ３の左上に量子ドットセルＣ５、量子ドットセルＣ１の左上に量子ドットセルＣ６、量子ドットセルＣ１の左下に量子ドットセルＣ７、量子ドットセルＣ２の下に量子ドットセルＣ８を配置した構成になっている。
【０１８３】
ここで、量子ドットセルＣ１〜Ｃ４で第１のループが構成され、量子ドットセルＣ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ６で第２のループが構成されている。
【０１８４】
このような構成であれば、出力セルとしての量子ドットセルＣ２が量子ドットセルＣ１，Ｃ３，Ｃ４とともにループを構成しているので、入力が“１”，“０”の場合には、図４（ｃ）に示すように、量子ドットセルＣ１，Ｃ４が準基底状態ψS を取るようになり、確実に、ＡＮＤ論理の入出力関係が得られる。このループ構造によってこのセルの識別可能な状態を固定することができる。
【０１８５】
第２の実施例のように説明すると以下の通りである。
【０１８６】
まず、図４（ａ）に示すように、入力が“０”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ0 を取るので、量子ドットセルＣ５、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ２の順で、量子ドットセルＣ５，Ｃ３，Ｃ１，Ｃ２の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“０”となる。
【０１８７】
また、図４（ｂ）に示すように、入力が“０”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ0 を取るので、量子ドットセルＣ５、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ２の順で、量子ドットセルＣ５，Ｃ３，Ｃ１，Ｃ２の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“０”となる。
【０１８８】
また、図４（ｃ）に示すように、入力が“１”，“０”の場合には、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ1 、量子ドットセルＣ７は基底状態ψ0 を取るので、量子ドットセルＣ１は準安定状態ψS となる。この結果、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ0 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“０”となる。
【０１８９】
また、図４（ｄ）に示すように、入力が“１”，“１”の場合には、量子ドットセルＣ６は基底状態ψ1 を取るので、量子ドットセルＣ１、量子ドットセルＣ３、量子ドットセルＣ４、量子ドットセルＣ２の順で、量子ドットセルＣ１，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ２の状態が確定する。そして、量子ドットセルＣ２は基底状態ψ1 となるので、量子ドットセルＣ８の出力は“１”となる。
【０１９０】
なお、セル接続型ＯＲ装置のセル配置とセル接続型ＡＮＤ装置のセル配置とは、鏡映・回転に対して対称な関係になっている。
【０１９１】
上記第１〜第３の実施例の量子効果装置を集積化して、所望の論理回路を形成するには、例えば、基板上に量子ドットセルをマトリクス状に形成し、そして、必要でない量子ドットセルにイオンビーム等のエネルギービームを照射し、必要でない量子ドットセルを高抵抗化すれば良い。このように量子ドットセルがマトリクス状に形成された基板を利用することにより、容易に所望の論理回路を形成できるようになる。
【０１９２】
（第４の実施例）
図５は、本発明の第４の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型インバータ装置の概略構成を示す模式図である。ここでは、実現する系として、ＧａＡｓ等の化合物半導体のヘテロ界面に生じる２ＤＥＧ（２次元電子ガス）を想定している。
【０１９３】
図中、１は主エミッタ部を示しており、この主エミッタ部１は、システムクロックＥＮに従って、第１の所定エネルギーとなるべく加速されたバリスティック電子を、エネルギーフィルタ３に向かって発進するようになっている。
【０１９４】
主エミッタ部１としては、例えば、図９に示すように、井戸層Ｗ１と障壁層Ｂと井戸層Ｗ２とで構成されたものを用いる。井戸層Ｗ１内の少なくとも１個以上の電子はトンネル効果によって障壁層Ｂに移り、引き続き、トンネル効果によって井戸層Ｗ２に移り、バリスティック電子ｅ- として発進される。バリスティック電子ｅ- の井戸層Ｗ１から井戸層Ｗ２への通過は、障壁層Ｂに与える電圧によって制御でき、このバリスティック電子ｅ- の通過はシステム・クロック信号ＥＮに従って所定のタイミングで行なわれる。また、井戸層Ｗ２に与える電圧によってバリスティック電子ｅ- の加速電圧を制御できる。
【０１９５】
エネルギーフィルタ３は、第１の所定エネルギーを有するバリスティック電子が選択的にレシーバ４（受信手段）に受信されるように、バリスティック電子の経路を偏向するようになっている。具体的には、電極に電圧を印加する構成のもの、磁場領域を設ける構成のもの、または２次元電子ガス内の電子密度を変える電子密度プリズム等を用いた構成のものが挙げられる。
【０１９６】
レシーバ４は、例えば、図８に示すように、２ＤＥＧ１０上に受信部としてのオーミック電極１３を囲むような制御電極１１，１２を設け、制御端子１４，１５を介して制御電極１１，１２に与える電圧によって、制御電極１１，１２の下部の２ＤＥＧ１０を空乏化した構造のものとする。このような構造であれば、制御電極１１，１２の間を抜けないと、オーミック電極１３にバリスティック電子ｅ- が到達しないので、レシーバとしての使用が可能となる。
【０１９７】
また、図５中、２は入力エミッタ部を示しており、この入力エミッタ部２は、システムクロックＥＮに従って、第１の所定エネルギーとは異なる第２の所定エネルギーとなるべく加速された電子群を、主エミッタ部１から発信されたバリスティック電子に向かって、発進するようになっている。
【０１９８】
より詳細には、バリスティック電子がレシーバ４で受信されるようにするときは、入力エミッタ部２から電子群は発進されず、また、バリスティック電子がレシーバ４で受信されないようにするときは、入力エミッタ部２から電子群が発振され、２ＤＥＧの温度を上げることにより主エミッタ部１から発振されたバリスティック電子が散乱されるようになっている。
【０１９９】
これが実現されるように、主エミッタ部１，入力エミッタ部２およびレシーバ４の配置と、入力エミッタ部２から発進される電子速度が設定される。なお、入力エミッタ部２は、主エミッタ部１と同様な構成のもの、例えば、図９に示したもので良い。
【０２００】
このように構成された散乱型インバータ装置の動作は以下の通りである。
【０２０１】
システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１から第１のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２からは電子群を発進させない場合（入力がないとき）には、第１のバリスティック電子と２ＤＥＧとの間で散乱衝突は起こらないので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保ったままエネルギーフィルタ３に向かって進行する。したがって、電子群が発進されないときは、第１のバリスティック電子はレシーバ４で受信される。
【０２０２】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１から第１のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２から電子群を発進させる場合には、第１のバリスティック電子と電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こすので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、入力エミッタ部２から電子群が発進されるとき（入力があるとき）は、第１のバリスティック電子はレシーバ４で受信されない。
【０２０３】
以上の結果をまとめると、表１に示すように、まず、電子群が無い場合、つまり、入力エミッタ部２から電子群が発進されない場合には、受信は有り、つまり、レシーバ４はバリスティック電子を受信する。
【０２０４】
【表１】
【０２０５】
したがって、表１に示すように、電子群の有無をそれぞれ１，０、受信の有無をそれぞれ１，０に対応させれば、インバータの関係が得られる。
【０２０６】
以上述べたように本実施例によれば、量子効果領域の電子、つまり、バリスティック電子を用い、バリスティック電子と２ＤＥＧとの間の衝突散乱を利用することで、安定に動作するインバータ装置が得られる。また、情報の伝達を少数のバリスティック電子によって行っているので、従来のバイポーラトランジスタ等のトランジスタを用いたインバータ論理装置に比べて、高集積化，低消費電力化，高速動作化の点で格段に優れている。
【０２０７】
（第５の実施例）
図６は、本発明の第５の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型ＮＯＲ装置の概略構成を示す模式図である。なお、図５のインバータ装置と対応する部分には図５と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【０２０８】
本実施例の散乱衝突型ＮＯＲ装置は、先の実施例の散乱衝突型インバータ装置にもう一つ入力エミッタ部２ａを付加した構成になっている。この入力エミッタ部２ａから発進される電子群のエネルギーもバリスティック電子のそれと異なっている。
【０２０９】
本実施例では、入力エミッタ部２、入力エミッタ部２ａから発振される電子群をそれぞれ第１、第２の電子群という。
【０２１０】
このように構成された散乱衝突型ＮＯＲ装置の動作は以下の通りである。
【０２１１】
システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１からバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２，２ａから第１，第２の電子群を発進させない場合には、バリスティック電子と２ＤＥＧとの間で散乱衝突は起こらないので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保ったままエネルギーフィルタ３に向かって進行する。したがって、第１，第２の電子群が発進されないときは、バリスティック電子はレシーバ４で受信される。
【０２１２】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１からバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２から第１の電子群を発進させ、入力エミッタ部２ａから第２の電子群を発進させない場合には、バリスティック電子と第１の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こすので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、バリスティック電子はレシーバ４で受信されない。
【０２１３】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１からバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２ａから第２の電子群を発進させ、入力エミッタ部２から第１の電子群を発進させない場合には、バリスティック電子と第２の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ2 で散乱衝突を起こすので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、バリスティック電子はレシーバ４で受信されない。
【０２１４】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１からバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２，２ａから第１，第２の電子群を発進させる場合には、バリスティック電子と第１の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こすので、バリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、バリスティック電子はレシーバ４で受信されない。
【０２１５】
したがって、先の実施例のように、第１の電子群の有無をそれぞれ１，０、第２の電子群の有無を１，０、受信の有無を１，０に対応させれば、表２に示すように、ＮＯＲ論理の関係が得られる。
【０２１６】
【表２】
【０２１７】
（第６の実施例）
図７は、本発明の第６の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型ＮＡＮＤ装置の概略構成を示す模式図である。
【０２１８】
本実施例の散乱衝突型ＮＡＮＤ装置は、先の実施例の散乱衝突型インバータ装置にもう一つ主エミッタ部１ａ，入力エミッタ部２ａ，エネルギーフィルタ３ａ，レシーバ４ａを付加した構成になっている。
【０２１９】
本実施例では、主エミッタ部２ａから発振されるバリスティック電子を第２のバリスティック電子という。
【０２２０】
このように構成された散乱衝突型ＮＡＮＤ装置の動作は以下の通りである。
【０２２１】
システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１，１ａから第１，第２のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２，２ａから第１，第２の電子群を発進させない場合には、第１のバリスティック電子と第１の電子群により温度が上がった２ＤＥＧとの間、並びに第２のバリスティック電子と第２の電子群により温度が上がった２ＤＥＧとの間で散乱衝突は起こらないので、第１，第２のバリスティック電子は所定のエネルギーを保ったままそれぞれエネルギーフィルタ３，３ａに向かって進行する。したがって、第１，第２の電子群が発進されないときは、第１，第２のバリスティック電子はそれぞれレシーバ４，４ａで受信される。
【０２２２】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１，１ａから第１，第２のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２から第１の電子群を発進させ、入力エミッタ部２ａから第２の電子群を発進させない場合には、第１のバリスティック電子と第１の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こすので、第１のバリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、第１のバリスティック電子はレシーバ４で受信されず、第２のバリスティック電子だけがレシーバ４ａで受信される。
【０２２３】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１，１ａから第１，第２のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２ａから第２の電子群を発進させ、入力エミッタ部２から第１の電子群を発進させない場合には、第２のバリスティック電子と第２の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ3 で散乱衝突を起こすので、第２のバリスティック電子は所定の第１のエネルギーを保てなくなる。したがって、第２のバリスティック電子はレシーバ４ａで受信されず、第１のバリスティック電子だけがレシーバ４で受信される。
【０２２４】
また、システムクロックＥＮによって、主エミッタ部１，１ａから第１，第２のバリスティック電子を発進させ、入力エミッタ部２，２ａから第１，第２の電子群を発進させる場合には、第１のバリスティック電子と第１の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ1 で散乱衝突を起こし、第２のバリスティック電子と第２の電子群によって温度が上がった２ＤＥＧとは時刻ｔ3 で散乱衝突を起こすので、第１，第２のバリスティック電子は所定のエネルギーを保てなくなる。したがって、第１，第２のバリスティック電子はレシーバ４，４ａで受信されない。
【０２２５】
したがって、先の実施例のように、第１の電子群の有無をそれぞれ１，０、第２の電子群の有無を１，０、受信の有無を１，０（少なくとも一方のレシーバで受信されれば受信有りとする）に対応させれば、表３に示すように、ＮＡＮＤ論理の関係が得られる。
【０２２６】
【表３】
【０２２７】
本実施例では、実現する系として２ＤＥＧを想定したが、他の系、例えば、真空マイクロ・エレクトロニクス分野における真空空間とマイクロ・エミッターの系を利用することができる。
【０２２８】
図１０（ａ）は、バリスティック電子ｅ- の進行方向に垂直な面におけるエミッタ部のバンド図で、図１０（ｂ）はバリスティック電子ｅ- の進行方向に垂直な面におけるバリスティック電子ｅ- の衝突散乱領域におけるバンド図である。
【０２２９】
図１０（ａ），（ｂ）に示すように、２ＤＥＧ系で、エミッター部とバリスティック電子ｅ- とが相互作用する領域の電子密度を変化させ、衝突散乱領域におけるクーロン・ポテンシャルのスクリーニング効果を抑制し、バリスティック電子と電子とのクーロン相互作用を強めることにより、より安定した動作を行なわせることができる。
【０２３０】
図１０（ｃ）は、バリスティック電子ｅ- の進行方向に平行な面における衝突散乱領域のバンド図である。上記の場合、図１０（ｃ）に示すように、エミッター部から衝突散乱領域に向かって伝導帯の端Ｅc が傾斜しているため、宇宙線等によって突発的な雑音電子が発生すると、雑音電子群がエミッター部の方向に走行し、エミッター部からのバリスティック電子の発進がクーロン反発力によって自動的に停止するため、誤動作を防止できる。
【０２３１】
（第７の実施例）
図１１は、本発明の第７の実施例に係る電子波方向性結合スイッチの概念図である。
【０２３２】
この電子波方向性結合スイッチは、大きく分けて、量子障壁層２３，量子井戸層２５および量子障壁層２７で構成され、共鳴トンネル構造（二重障壁構造）を有する第１の導波路Ａと、量子障壁層２４，量子井戸層２６および量子障壁層２８で構成され、共鳴トンネル構造（二重障壁構造）を有する第２の導波路Ｂと、これら二つの導波路を結合するための量子障壁層２９とからなる。
【０２３３】
量子障壁層２９の伝導帯レベルは量子井戸層２５，２６のそれよりも高くなっている。また、上記共鳴トンネル構造は入力側２１，２２と出力側３０，３１との間の電位差に対応する電圧でピーク電流が流れるように設計されている。なお、図中、２１，２２は入力導波路、３０，３１は出力導波路、矢印は電子（電子波）を示している。また、各導波路の両側にはスイッチング制御のためのゲート電極（不図示）が設けられている。
【０２３４】
このように構成された電子波方向結合スイッチによれば、入力導波路２１，２２に入力された電子波は量子障壁層２３，２４をトンネルし、量子井戸層２５，２６に注入される。この注入された電子波はただちに量子障壁層２７，２８をトンネルし、出力導波路３０，３１に出力される。
【０２３５】
共鳴トンネル効果は、室温でもピーク電流とバレイ電流との比（ピーク電流／ベレイ電流）が十分にとれるため、従来の電子波方向性結合スイッチ（例えば、 C.C.Eugster and J.A.del.Alamo:Phys.Rev.Lett.,67(1991)3586）のように、動作温度の上限が低い（例えば１０Ｋ）という問題はない。
【０２３６】
本実施例による電子波方向結合スイッチでは、量子障壁層２３，２７，２４，２８の厚さやその高さを適度に調整することによって、量子井戸層２５，２６の離散化された共鳴エネルギー準位を調整し、入力側と出力側に応じたバイアス電圧でピーク電流が流れるようにすることができる。
【０２３７】
例えば、電子波の進行方向に対する、量子障壁層２３，２７，２４，２８、および量子井戸層２５，２６の厚さが５ｎの導波路Ａ，Ｂを形成すると、バイアス電圧０．１５Ｖでピーク電流が生じ、電子波が流れるようになる。
【０２３８】
したがって、量子障壁層、量子井戸層の厚さや高さを調整することによって、任意のバイアス電圧でピーク電流を生じさせ、電子波を流すことができる。
【０２３９】
また、量子井戸層を金属で構成し、量子障壁層を絶縁物で構成することによっても、共鳴トンネル構造は実現できるので、物質系に対する制限が大幅に緩和される。
【０２４０】
すなわち、本発明によれば、量子井戸層、量子障壁層の材料として、ＧａＡｓ系、Ｓｉ系等の半導体、Ｔｉ、Ａｌ等の金属、酸化アルミニウム、酸化珪素等の絶縁物の中から種々選択して使用できる。
【０２４１】
図１１において、量子井戸層２５，２６にそれぞれ電極を形成し、電極に電圧を印加することによって、量子井戸層２５，２６の量子井戸準位を調整することにより、素子のスイッチングを行なえるようになる。
【０２４２】
量子井戸層２５の量子井戸準位と量子井戸層２６の量子井戸準位とを一致させることにより、入力導波路２２から入力された電子波は量子井戸層２６に注入され、この電子波が量子障壁層２９をトンネルし量子井戸層２５に注入され、この注入された電子波は量子障壁層２７をトンネルし出力導波路３０に出力される。同時に入力導波路２２から量子井戸層２６に注入された電子波は、量子障壁層２８をトンネルし、出力導波路３１に出力されるる。
【０２４３】
一方、量子井戸層２５の量子井戸準位と量子井戸層２６の量子井戸準位とを一致させない場合には、量子井戸層２６から量子井戸層２５に電子波はトンネルしないので、出力導波路３０には電子波は出力されない。
【０２４４】
図１２，図１３は、本実施例に係る電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図であり、図１２は平面型の電子波方向性結合スイッチ、図１３は積層型の電子波方向性結合スイッチを示している。なお、図１１の電子波方向性結合スイッチと対応する部分には図１１と同一符号を付してある。
【０２４５】
量子障壁層２３，２４，２７，２８は例えばＡｌＧａＡｓで形成し、量子井戸層２５，２６は例えばＧａＡｓで形成する。なお、量子障壁層２９は、量子障壁層２３，２４，２７，２８と同じ混晶比のＡｌＧａＡｓでも良いし、或いは混晶比の違うＡｌＧａＡｓでも良い。
【０２４６】
また、図中、３２，３４はＳｉＯ2 などの絶縁物で形成されたゲート絶縁膜を示し、３３，３５はＡｌなどの導電物で形成されたゲート電極を示している。
【０２４７】
ゲート電圧を印加したときに、量子井戸層２５，２６が対称となるように設計しておけば、ゲート電圧の非印加時には電子波（電子）は結合部２９を通り抜け、一方、ゲート電圧の印加時には量子井戸層２５，２６の実質的なポテンシャルが変化し、非対称な量子井戸層２５，２６が形成されるため、電子波（電子）は結合部２９を通り抜けることができない。したがって、ゲート電圧の印加の有無によって、電子波（電子）のスイッチングを実行できる。
【０２４８】
なお、積層型の電子波方向性結合スイッチ（図１３）の場合、量子井戸層２５をフロントゲート、量子井戸層２６をバックゲートとすることができる。また、積層型の電子波方向性結合スイッチの場合、エピタキシャル成長によって容易に形成できるという利点がある。また、本実施例ではＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の場合について説明したが、一般には、バンドギャップが異なる二つ以上の物質で構成することができる。
【０２４９】
（第８の実施例）
図１４は、本発明の第８の実施例に係る電子波方向性結合スイッチの概念図である。また、図１５，図１６は、本実施例に係る電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図であり、図１５は平面型の電子波方向性結合スイッチ、図１６は積層型の電子波方向性結合スイッチを示している。
【０２５０】
本実施例の電子波方向性結合スイッチが先の実施例のそれと異なる点は、量子井戸層２５，２６中にそれぞれ量子障壁層４５，４６を設け、各導波路内に３重障壁層構造を構築したことにある。なお、図中、４７，４９はゲート絶縁膜、４８，５０はゲート電極を示している。
【０２５１】
このように構成された電子波方向性結合スイッチでも先の実施例と同様な効果が得られるのは勿論のこと、本実施例の場合、一つの導波路内に二つの量子井戸が存在するので、この量子準位をその外側に設けたゲート電極により微妙に調整することが可能となる。すなわち、四つのゲート電極３３，３５，４８，５０により入力電子波（電子）の量を制御することが可能となる。
【０２５２】
また、セルは量子ドットセル以外に、例えば、二つの方向磁石によって、一つのセルを構成し、磁気による物理的相互作用を及ぼすような磁気結合セルであっても良い。
【０２５３】
（第９の実施例）
図２２は、本発明の第９の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図である。
【０２５４】
図中、１０１，１０２は正方形の量子箱を示しており、量子箱１０１は電子が１個入っている状態のもので、量子箱１０２は電子が入っていない状態のものである。また、１０３は電子に対する障壁層を表し、量子箱１０１，１０２とともに量子人工分子としての５量子ドットセル（基本セル）を構成している。
【０２５５】
本実施例の基本セルが従来のそれと異なる点は、量子箱の形状が正方形になっており、基本セル内の中心の１個の量子箱と基本セルの四隅の４個の量子箱とはそれぞれの量子箱の角で接触し、更に、横および縦に並んだ量子箱間の距離が、横および縦に並んだ量子箱間で電子のトンネル効果により移動が起きない程度の大きさになっていることにある。換言すれば、量子箱間の距離が、電子のド・ブロイ波長よりも十分に大きくなっている。
【０２５６】
このように構成された基本セルによれば、電子は必ず中心の量子箱を経由して双安定状態間を遷移するため、一旦、“０”状態または“１”状態が確定すると、別の状態に遷移するには、電子は中心の量子箱を経由せねばならない。
【０２５７】
バイアスがない状態のとき、電子が中心の量子箱を経由しようとすると、他の電子とのクーロン反発力が大きく働き、他の量子箱へのに電子の移動が禁止される。この結果、バイアスを取り去っても（１，０）の状態が維持され、また、しきい値エネルギーが一定に維持される。
【０２５８】
したがって、本実施例の基本セルを用いれば、従来困難であった不揮発性のメモリや、論理回路を形成できるようになる。また、入力セルにバイアスが印加された場合には、隣接するセル間のエネルギー状態が安定になるように、隣接するセル中の電子は移動する。
【０２５９】
論理回路の場合には、図１、図３、図４に示すように、基本セルを配置すれば、それぞれ、インバータ回路、ＯＲ回路、ＡＮＤ回路を構成できる。
【０２６０】
図２３は、図２２の量子効果装置の断面図である。このような構造はＭＢＥやＭＯＣＶＤなどのエピタキシャル成長技術を用いた通常の選択成長技術を駆使して、半導体基板上に半導体層を順次積層することにより作成できる。例えば、以下のようにして作成する。
【０２６１】
まず、半絶縁体ＧａＡｓ基板１０４上に電子に対する障壁層となる高バンドギャップ材料であるＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ａ，１０５Ｂを順次積層する。
【０２６２】
次に量子箱となる領域１０６のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ｂをエッチングした後、そこに量子箱となるＧａＡｓを埋め込む。
【０２６３】
次に障壁層となるＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ｃを形成した後、ドナー１０７を基本セル当たり２個プレーナードープし、その上にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ｄを形成する。
【０２６４】
この後、必要な場合には、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０５Ｄ上に酸化膜等の保護膜を形成する。なお、Ａｌのモル比ｘは任意の値を用いて良い。
【０２６５】
この場合、変調ドープによってドナー１−７から量子箱となるＧａＡｓ１０６中に選択的に電子が供給され、双安定状態を示すセルが形成される。
【０２６６】
（第１０の実施例）
図２４は、本発明の第１０の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図である。
【０２６７】
１つの基本セル内で、同一平面上に４つの四角い量子箱１０８，１０９が辺々相直角平行、且つそれぞれ電子がトンネル移動できないくらい離れて（電子のド・ブロイ波長よりも十分離れて）配置されている。
【０２６８】
４つの四角い量子箱１０８，１０９が形成された平面の垂直方向には、１つの量子箱１１０が４つの量子箱１０８，１０９と電子のトンネルが生じる程度に近接して配置されている。ここで、量子箱１０８は電子が１個入っている状態のもので、量子箱１０９は電子が入っていない状態のものである。なお、１１１は電子に対する障壁層を示している。
【０２６９】
このように構成された基本セルによれば、４つの量子箱１０８，１０９の間で電子がトンネル移動できないため、電子は必ず上層の５番目の（中心の）量子箱１１０を経由して移動することになる。すなわち、本実施例の量子箱１１０は第９の実施例の量子箱１０２と同じように作用し、第９の実施例と同様な効果が得られる基本セルが構成されている。
【０２７０】
また、本実施例の場合、最初に同一面上に均一に複数（４以上）の量子箱を形成し、その後で繋ぎたいところだけ４つの量子箱の上に５つ目の量子箱を形成すれば作成できるので、プロセスが簡易化されるばかりでなく、プロセス上のマージンも大きくとることが可能である。更に、エピタキシャル成長を用いれば、同一平面上の４つの量子ドットと５つ目の量子箱との間の距離は原子層レベルで制御できるため、極めて設計の自由度が高くなる。
【０２７１】
図２５は、図２４の量子効果装置の断面図である。このような構造は第９の実施例と同様に、ＭＢＥやＭＯＣＶＤなどのエピタキシャル成長技術を用いた通常の選択成長技術を駆使して、半導体基板上に半導体層を順次積層することにより作成可能である。例えば、以下のようにして作成する。
【０２７２】
まず、半絶縁体ＧａＡｓ基板１１２上に電子に対する障壁層となる高バンドギャップ材料であるＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ａ，１１３Ｂを順次形成した後、４つの量子箱となる領域１１４をエッチングし、そこに量子箱となるＧａＡｓを埋め込む。
【０２７３】
次に障壁層としてのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ｃ，１１３Ｄを順次形成した後、５つ目の量子箱となる領域１５のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ｄをエッチングし、そこを量子箱となるＧａＡｓで埋め込む。
【０２７４】
次に障壁層としてのＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ｅを形成した後、ドナー１１６を単位セル当たり２個プレーナードープし、その上にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１１３Ｆを形成する。その上の保護膜等は必要に応じて適宜形成する。なお、Ａｌのモル比ｘは任意の値を用いて良い。この場合、変調ドープによって、ドナー１１６から量子箱１１４中に電子が選択的に供給され、双安定状態を示す基本セルが形成される。
【０２７５】
なお、第９および第１０の実施例において、量子箱／障壁層の材料の組み合わせとして、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを用いたが、その代わりに、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ、ＧａＡｓ／ＧａＰを用いても良いし、更に、Ｓｉ／ＳｉＯ2 を用いても良いし、あるいは電子と正孔を空間的に分離して再結合を防止するためにＩｎＡｓ／ＧａＳｂ、（ＩｎＡｓ）（ＧａＡｓ）／（ＧａＳｂ）（ＧａＡｓ）のようなタイプのヘテロ接合の組み合わせを用いても良い。
【０２７６】
（第１１の実施例）
図２６は、本発明の第１１の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図であり、図２６（ａ）は５量子ドットセル、図２６（ｂ）は４量子ドットセルを示している。図中、２０６は円形の量子箱を示しており、量子箱２０６はそのバンドギャップよりも大きい基板２０７内に形成されている。
【０２７７】
本実施例の特徴は、電子を放出する不純物原子を各セル２つ、図中の領域２０１と領域２０２、あるいは領域２０３と領域２０４に注入することにある。この結果、電子はお互いのクーロン相互作用によってイオンから分離し、低温動作の場合でも、バンドギャップの小さい量子箱に確実に局在するようになる。
【０２７８】
一方、従来の単なる変調ドープにより作成された量子ドットセルを低温動作させると、変調ドープされた原子がイオンと電子に分かれず安定な状態に入ってしまう恐れがあり、量子箱に電子が局在しなくなる可能性がある。
【０２７９】
このような不純物原子の注入は基板２０７に対して行なっても良いし、あるいは基板２０７上に半導体層を形成し、この半導体層の上記注入領域に対応した部分にアトミックマニュピュレーションなどを用いて注入しても良い。
【０２８０】
（第１２の実施例：請求項５）
図２７は、本発明の第１２の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２８１】
図中、Ｃ２，Ｃ３は４量子ドットセル（量子人工分子）を示している。本実施例の特徴は、これら４量子ドットセルＣ２，Ｃ３上に絶縁層２０５を介して従来なかった別の４量子ドットセルＣ１を設け、３次元構造にしたことにある。
【０２８２】
図３１は、本実施例の４量子ドットセルについての基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差（エネルギー固有値差）の外力として働くセルの電子分布の値（分極関数の値）の依存性を示す図である。また、図３２は従来の４量子ドットセル（４量子ドットセルＣ１がないもの）のそれである。
【０２８３】
図３１、図３２によれば、本実施例におけるエネルギー固有値差は従来のそれの２倍以上であることが分かる。すなわち、量子セル間の距離を短くしなくても、基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差が十分に大きくなる。このようにエネルギー準位差が従来よりも十分に大きくなれば、高温の動作が可能となる。
【０２８４】
ここで、上述したように、量子セル間の距離を短縮する必要がないので、量子セルの双安定状態が乱され、量子効果デバイスとして機能の失われるという問題は生じない。
【０２８５】
エネルギー準位差が大きくなる理由の詳細は不明であるが、別の４量子ドットセルＣ１を設けることにより、量子セル間の電子分布の間にフィードバックがかかり合う結果、量子セル内の双安定状態がより安定するからだと推測される。
【０２８６】
また、本実施例の量子ドットセルＣ１〜Ｃ３からなる３次元構造のセルを基本セルとし、図１、図３、図４に示すように、基本セルを配置すれば、それぞれ、インバータ回路、ＯＲ回路、ＡＮＤ回路を構成できる。
【０２８７】
（第１３の実施例：請求項５）
図２８は、本発明の第１３の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２８８】
本実施例は第１２の実施例の変形例であり、４量子ドットセルＣ２，Ｃ３の下部に絶縁層を介して更に別の４量子ドットセルＣ４を設けたことが相違点である。
【０２８９】
（第１４の実施例：請求項５）
図２９は、本発明の第１４の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２９０】
本実施例は、第１の実施例で示したループ構造を３次元的に配置したものであって、４つの４量子ドットセルＣ１〜Ｃ４のうち、２つの量子ドットセルを別の平面上に構成することにより、隣り合う量子セルの結合を強くしたものである。
【０２９１】
（第１５の実施例：請求項５）
図３０は、本発明の第１５の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２９２】
本実施例の特徴は、４量子ドットセルＣ１の真上に絶縁層２０５を介して別の４量子ドットセルＣ２を設け、３次元構造にしたことにある。本実施例の効果は上記第１２〜第１４の実施例のそれよりも大きい。すなわち、基底状態から３つ高い励起状態でのＱＩＣ動作が可能となり、室温（３０１Ｋ）でも使用できるようになる。
【０２９３】
（第１６の実施例：請求項５）
図４５は、本発明の第１６の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２９４】
本実施例はインバータ回路の３次元構造を応用したものである。これはこれまで一つの平面上に構成されていた種々のセルの配置を絶縁層もしくはセルに使用している半導体よりもバンドギャップの大きな半導体層を介して別の平面上に全く同じ配置にすることにより、基底状態でのＱＩＣ動作がより安定になり、室温（３０１Ｋ）でも動作できるようになったものの一例である。
【０２９５】
上記第１２〜第１６の実施例のように、３次元的に量子セルを配置すれば、横スケールの縮小が図れる他、アウトプットを上下に形成でき、多機能の回路を構成できるようになる。すなわち、量子セルを従来のように同一平面上に２次元的に配置すると、アウトプットは上記平面の一方に限定され、設計の自由度は低いものとなる。
【０２９６】
（第１７の実施例：請求項６）
図３３は、本発明の第１７の実施例に係る量子効果装置（量子配線）の概略構成を示す模式図である。
【０２９７】
図中、３０１はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓやＳｉ／ＳｉＧｅなどの半導体ヘテロ界面に形成される２ＤＥＧ（中央の十字部分を除く）を示しており、この２ＤＥＧ３０１は、粒子性が顕在化した高速弾道電子であるバリスティック電子（弾道電子）が走行する伝達空間として用いられる。バリスティック電子の軌跡は図中実線で示してある。
【０２９８】
２ＤＥＧ３０１の中央部には、９個の量子人工分子３０３が十字型に形成されている。隣接した量子人工分子３０３は互いに近接して並んでいる。量子人工分子３０３は５個の量子人工原子（５量子ドットセル）３０２からなり、２個の電子がトンネル効果で２つの安定状態配置（黒丸は電子が存在する量子箱、白丸は電子が存在しない量子箱を示している）が生ずるように設計されている。十字型部分の量子人工分子間の情報伝達は、電子の移動ではなくクーロン相互作用による状態遷移を利用している。
【０２９９】
また、図中、Ｅ1 〜Ｅ5 はバリスティック電子を出射し、且つその出射方向を可変できる電子エミッタ（情報伝達制御手段）を示し、また、Ｒ1 〜Ｒ4 はバリスティック電子を受信する電子レシーバ（検出手段）を示している。
【０３００】
このように構成された量子効果装置によれば、電子エミッタから出射したバリスティック電子が量子人工分子に衝突し、この量子人工分子の状態が変化する。この状態変化した量子人工原子はその隣の量子人工分子の状態を変化させる。すなわち、連鎖的に量子人工分子の状態が変化する。
【０３０１】
そして、出力としての量子人工分子列端部の量子人工分子の状態は、バリスティック電子と量子人工原子とのクーロン相互作用による軌道変化で読みとられる。
【０３０２】
具体的に説明すると、例えば、まず、電子エミッタＥ4 から出射したバリスティック電子が図中の下方の入力端としての量子人工原子３０２に衝突すると、その状態変化は上方向に連鎖的に発生する。
【０３０３】
量子人工分子列端部の出力端として量子人工分子である図中上方の量子人工原子３０２の状態変化は、電子エミッタＥ1 から出射したバリスティック電子と量子人工原子３０２とのクーロン相互作用によるバリスティック電子の軌道変化により読み取られる。
【０３０４】
例えば、上記出力側の量子人工原子３０２の状態が変化していない場合にはバリスティック電子は電子レシーバＲ1 に入射し、一方、状態が変化している場合には電子レシーバＲ2 に入射するという違いより、軌道変化を読み取ることができる。
【０３０５】
次にバリスティック電子と量子人工分子との衝突過程について説明する。衝突過程としては、図３４に示すような電離、励起シフト、トンネルシフト、トラップによるものがある。
【０３０６】
ここで、電離とは、バリスティック電子と量子人工分子内の電子とのクーロン相互作用により、量子人工分子内の電子が十分なエネルギーを獲得し、量子人工分子の束縛を受けなくなることである。
【０３０７】
励起シフトとは、バリスティック電子と量子人工分子内の電子とのクーロン相互作用により、電離の場合よりも低いが、量子人工分子内の電子が量子人工原子からの束縛を受けない程度のエネルギーを獲得した後、基底状態に戻り隣の量子人工原子に移動することである。
【０３０８】
トンネルシフトとは、トンネル効果により隣接する量子人工原子間で電子の移動が起こることである。
【０３０９】
トラップとは、バリスティック電子が量子人工原子にトラップされ、バリスティック電子が消滅することである。
【０３１０】
本実施例によれば、入力信号、出力信号として、バリスティック電子を用いることができるようになる。
【０３１１】
（第１８の実施例）
図３５は、本発明の第１８の実施例に係る量子箱の形成方法を示す工程断面図である。
【０３１２】
まず、図３５（ａ）に示すように、主面が（００１）面のＧａＡｓ基板４０１上に厚さ１．５μｍのＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２（第１の半導体膜）を分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法を用いて成長形成する。
【０３１３】
この後、固体Ｓ（硫黄）ソース源のシャターを開いて、厚さ１原子のＳ層４０３（表面終端層）をＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２上に成長形成する。この場合、ｃ（４ｘ４）超構造から（２ｘ１）超構造に変化したところで、シャターを閉じる。
【０３１４】
このようにして作成されたＳ層４０３によりＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２の表面をＳで終端できる。すなわち、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２の表面のＡｓはＳに置き換わっている。
【０３１５】
次に図３５（ｂ）に示すように、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いて、１０-3ＰａのＨ2 雰囲気中で、Ｐｔ探針４０４に−３Ｖ、５０ｍｓのパルスを印加する。
【０３１６】
この結果、１パルスについて、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２の表面の１原子Ｓが反応して、このＳはＨ2 Ｓの形で脱離する。一方、Ｐｔ探針４０４の表面ではＨ2 が解離吸着してＨ原子が生成される。このＨ原子はパルスの印加によってＰｔ探針４０４から放出され、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０２の表面のＳ原子に衝突する。
【０３１７】
この後、隣のＳ原子の位置にチップＰｔ探針４０４を移動させ、同様にＳをＨ2 Ｓの形で脱離させる。このＳ脱離工程を繰り返して所望の大きさの窓を形成する。
【０３１８】
次にＭＢＥ法を用いて５５０℃でＧａをＧａＡｓ基板４０３上に蒸着させる。このとき、ＧａはＳ原子終端表面では付着せず、ＧａはＳがない領域の窓に吸着して核を作る。その結果、蒸着を続けると、図３５（ｃ）に示すように、窓上だけにＧａ液滴４０５（半導体液滴）が生じる。
【０３１９】
次にＡｓソースのシャッタを開けてＡｓを供給すると、図３５（ｄ）に示すように、Ｇａ液滴４０５にＡｓが吸収されて、円柱状のＧａＡｓ結晶４０６（半導体結晶）が成長形成される。そして、Ａｓソースのシャッタを開けたまま基板温度を６５０℃に上げて、表面の露出したＳを蒸発させる。
【０３２０】
最後に、図３５（ｅ）に示すように、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ膜４０７（第２の半導体膜）を成長形成して、ＧａＡｓ量子箱の基本構造が完成する。
【０３２１】
本実施例の方法にあっては、Ｓ原子終端表面に形成した窓の大きさはＧａの臨界核より大きいことが必要である。これはＧａが臨界核よりも小さいと、Ｇａの成長は進まず、Ｇａ液滴４０５が成長形成されないからである。臨界核とは図３６に示すように、自由エネルギーが最大になる核の大きさである。
【０３２２】
臨界核の大きさは２σＴｖ／Ｌ（Ｔｖ−Ｔ）で与えられる。ここで、σは表面エネルギー、Ｔｖは沸点、Ｌは蒸発の潜熱、Ｔは基板温度である。
【０３２３】
上記式により臨界核の大きさを求めると、０．３ｎｍ程度となる。しかし、実験によれば、表面Ｓのわずかの拡散などの影響を考慮すると、最小窓の大きさは１ｎｍ程度必要であることが分かった。また、ＧａＡｓ量子箱の大きさとそれらの距離は、Ｇａの蒸着量とＳ原子終端表面の窓の間隔とにより、０．１ｎｍのオーダで制御できる。
【０３２４】
ＧａＡｓ量子箱の大きさは０次元電子状態を実現するために１０〜３０ｎｍ程度が好ましく、また、ＧａＡｓ量子箱の隙間は電子のトンネリングが容易に生じるように１〜３ｎｍ程度が好ましい。
【０３２５】
なお、上記実施例では表面不活性化のためにＳを用いたが、その代わりに、Ｓｅを用いても良い。また、量子箱となる化合物半導体結晶の伝導帯および価電子帯は、その周辺のバリア層の半導体のそれらより電子に対するエネルギー準位が低いことが望ましい。例えば、ＩｎＰ量子箱に対してはＡｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓをバリア層として用いると良い。
【０３２６】
以上詳説したように本実施例によれば、従来のフォトリソグラフィ、ウエットエッチング、ドライエッチングを用いた量子箱の作成方法に代わって、結晶成長による量子箱の作成が可能となり、この結果、高寸法精度、低結晶欠陥の量子箱が得られるようになる。したがって、０次元電子状態の特性が顕著で、微小電位の印加でもトンネリング特性が容易に得られるようになる。
【０３２７】
（第１９の実施例）
図３８は、本発明の第１９の実施例に係る回転方式論理装置（情報伝達経路）の概略構成を示す模式図である。
【０３２８】
図中、Ｂ１，Ｂ２は回転ユニット（Ｂ１は入力用回転ユニット、Ｂ２は出力用回転ユニット）を示しており、具体的には、図３７（ａ）に示すような“＋”形状タイプ、図３７（ｂ）に示すような“Ｔ”形状タイプのものがある。
【０３２９】
図３７において、５０１は支持基板を示しており、この支持基板５０１には縦軸部材５０２が支持されている。この縦軸部材５０２には、一端が正、他端が負に帯電した双極子としての回転部材５０３が設けられ、この回転部材５０３は縦軸部材５０２に対して垂直面を描く回転が可能になっている。
【０３３０】
このような回転ユニット、例えば、図３７に示すように、シリコン等からなる支持基板５０１上に作製したＡｕ等の金属ドット５０４に選択化学吸着した高分子を用いる。あるいはマイクロマシーン技術を用いて形成する。また、配向性を有する物質である液晶を用いても形成できる。
【０３３１】
本実施例の回転方式論理装置は、二つの回転ユニットＢ１，Ｂ２により構成されている。また、図３８中、Ａは入力としての外部電荷を示しており、Ｑは回転ユニットＢ２の右端の極性（出力）を検出する検出手段を示している。また、二つの回転ユニットＢ１，Ｂ２は互いに接触していない。
【０３３２】
また、外部電荷子Ａの電荷値は、回転部材５０２のそれより大きくしてあり、これにより、他の回転ユニットの回転部材とのクーロン相互作用による誤動作や不安定動作を防止している。
【０３３３】
このように構成された回転方式論理装置の動作は以下の通りである。
【０３３４】
例えば、回転ユニットＢ１の近辺に配置した外部電荷Ａの極性が正の場合であれば、クーロン相互作用によって安定状態になるまで、回転ユニットＢ１の回転部材は回転し、つまり、外部電荷Ａ側に回転ユニットＢ１の回転部材の負端部が固定するまで回転する。
【０３３５】
一方、回転ユニットＢ２の回転部材は回転ユニットＢ１の回転部材の回転に伴って回転し、そして、回転ユニットＢ１の回転部材の固定に伴って、回転ユニットＢ１の正端部側に回転ユニットＢ２の負端部が固定する。すなわち、検出手段Ｑ側には回転ユニットＢ２の回転部材の正端部が固定する。
【０３３６】
したがって、出力電荷Ａの極性と検出手段が検出する極性とは同じになり、回転ユニットＢ１と回転ユニットＢ２とにより構成された本実施例の回転方式論理装置は、情報伝達する情報伝達経路（従来の配線に相当）として機能する。
【０３３７】
また、本実施の場合、クーロン相互作用による回転部材の配向（回転部材の分極方向）の連鎖的な伝達により情報を伝達しているので、情報伝達のために配線に電流を流す必要がなくなり、消費電力や発熱の問題を改善できる。
【０３３８】
なお、本実施例の回転方式論理装置の入出力関係（出力電荷Ａの極性と検出手段が検出する極性との関係）を表４に示す。
【０３３９】
【表４】
図６５は、本発明の第２０の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す断面図である。
【０３４０】
この量子効果装置は、半導体基板上にＳｉ−Ｇｅ系半導体層を積層してなる変調ドープ構造を有している。この量子効果装置の製造方法は、例えば、以下の通りである。
【０３４１】
まず、Ｓｉ基板６２１上に電子に対する障壁層となるＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａ，６２２ｂを順次積層する。
【０３４２】
次に量子箱となる領域６２３のＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ｂをエッチングした後、そこに量子箱となるＳｉを埋め込む。
【０３４３】
次に障壁層となるＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ｃを形成した後、このＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ｃにドナー６２４を単位セル当り２個プレーナドープ(planar dope) し、その上にＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ｄを形成する。
【０３４４】
このような構造の量子箱は、ＭＢＥやＣＶＤなどのエピタキシャル成長技術を用いて作製できるが、特にガスソースＭＢＥを用いれば、急峻なＳｉＧｅ系ヘテロ界面を形成できるので、良質な量子箱を作製することが可能となる。
【０３４５】
ここで、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａと下地のＳｉ基板６２１との間の格子不整合を緩和するために、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａは厚く形成する。また、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａはエピタキシャル成長法により形成されたＳｉバッファ層上に形成される場合もあるが、この場合も、同様な理由により、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａは厚く形成することが好ましい。
【０３４６】
このように厚いＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａを形成することにより、無歪みのＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａ，６２２ｂ，６２２ｃが得られる。このため、これら無歪みのＳｉx Ｇｅ1-x 層６２２ａ，６２２ｂ，６２２ｃ中に量子箱として形成されるＳｉは引っ張り歪みを受ける。この結果、Ｓｉの伝導帯(conduction band) がＳｉx Ｇｅ1-x よりもエネルギー的に低くなる。したがって、電子はＳｉ量子箱中に有効に閉じ込められる。
【０３４７】
このとき、Ｓｉ−Ｓｉx Ｇｅ1-x 系はいわゆるタイプII超格子となり、伝導帯の底と価電子帯(valence band)の頂上とが分離される．これにより、電子とホール（hole）の再結合が起こり難くなるので、量子効果装置は安定な動作を長い間行なえるようになる。
【０３４８】
なお、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層のＳｉの組成比ｘの値としては種々の値を用いても良いが、特に、Ｓｉ量子箱に接する部分のＳｉx Ｇｅ1-x のｘ値を、Ｓｉ基板に接する部分のＳｉx Ｇｅ1-x 層のｘ値よりも小さく取ることが望ましい。このようにすることにより、Ｓｉ量子箱に接するＳｉx Ｇｅ1-x 層に適度な圧縮歪が加えられる。この結果、Ｓｉx Ｇｅ1-x 層の伝導帯が高エネルギー側にシフトし、伝導帯のバンド不連続が大きくなる。したがって、電子のより強い閉じ込めが可能となる。
【０３４９】
（第２１の実施例）
図４０は、本発明の第２１の実施例に係る回転方式論理装置（ＡＮＤゲート）の概略構成を示す模式図である。また、表６は、本実施例の回転方式論理装置の入出力関係を示す真理表である。
【０３５０】
【表５】
【０３５１】
回転ユニットＢ１，Ｂ２の回転部材はその近辺にそれぞれ配置された外部電荷Ａ，Ｂの極性に従ってクーロン相互作用により安定状態になるまで回転する。回転ユニットＢ３の回転部材は回転ユニットＢ１，Ｂ２の回転部材と固定負電荷Ｃによるクーロン相互作用により安定状態になるまで回転する。検出手段Ｑは入力端子Ａ，Ｂの極性が伴に正のときだけ負を検出する。したがって、＋を１、−を０に対応することにより、ＡＮＤゲートを構成できる。
【０３５２】
（第２２の実施例）
図４１は、本発明の第２２の実施例に係る回転方式論理装置（ＯＲゲート）の概略構成を示す模式図である。また、表７は、本実施例の回転方式論理装置の入出力関係を示す真理表である。
【０３５３】
【表６】
【０３５４】
なお、上記回転方式論理装置の実施例では基本的な機能（伝達、インバータ、アンドゲート、オアゲート）のものしか説明しなかったが、これらを適宜組み合わせることにより、ＭＯＳＦＥＴ等の通常の半導体素子を用いた論理回路と同様な論理を行なう回転方式論理装置を得ることができる。この場合ももちろん消費電力、発熱の点で従来よりも優れたものとなる。
【０３５５】
上記回転方式論理装置の実施例は、電荷極性に従うクローン相互作用で説明しているが、これらは磁極性に従う磁気相互作用でも同様の効果を得ることができる。
【０３５６】
（第２３の実施例：請求項３）
図４６は、本発明の第２３の実施例に係るセル接続型信号方向転換装置の概略構成を示す模式図である。
【０３５７】
入力用の量子ドットセルである量子ドットセルＣ１と、出力用の量子ドットセルである量子ドットセルＣ３との間には、二つのループ構造が連続して形成されている。
【０３５８】
すなわち、量子ドットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５の四つの量子ドットセルにより第１のループ構造が形成され、そして、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ６の四つの量子ドットセルにより第２のループ構造が形成されている。換言すれば、量子ドットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ４，Ｃ５はループ状に配置され、同様に、量子ドットセルＣ２，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ６もループ状に配置されている。
【０３５９】
このように構成されたセル接続型信号方向転換装置によれば、図４８の折れ線配線の場合とは異なり、状態が不安定になる量子ドットセルが存在しなくなるので、最初、右方向（３時の方向）に伝搬していた信号Ｓは、量子ドットセルＣ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ２，Ｃ３を介して、情報を保持したまま下方向（６時の方向）に伝搬方向を変える。
【０３６０】
かくして本実施例によれば、二つの連続したループ構造を用いることにより、信号Ｓの情報を変えずにその伝搬方向を変えることができるようになる。
【０３６１】
なお、量子ドットセルＣ４，Ｃ６の基底状態は量子ドットセルＣ１のそれと異なったものとなるので、量子ドットセルＣ４，Ｃ６を出力用の量子ドットセルとして用いれば、本実施例のセル接続型信号方向転換装置をセル接続型インバータ装置として使用することができる。量子ドットセルとしては、前述した量子ドットセルのどれを用いても良い（以下、実施例についても同じ）。また、量子ドットセルＣ１が基底状態ψ1 の場合には、図３９に示すように、各量子ドットセルの状態が確定する。
【０３６２】
（第２４の実施例：請求項４）
図４７は、本発明の第２４の実施例に係るセル接続型信号分岐装置の概略構成を示す模式図である。
【０３６３】
本実施例では、量子ドットセルＣ１を入力用の量子ドットセルとして用い、そして、量子ドットセルＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１２を出力用の量子ドットセルとして用いている。
【０３６４】
入力用の量子ドットセルＣ１と出力用の量子ドットセルＣ１０との間には、量子ドットセルＣ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６からなる第１のループ構造と、量子ドットセルＣ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９からなる第２のループ構造との二つのループ構造が連続的に設けられている。
【０３６５】
また、入力用の量子ドットセルＣ１と出力用の量子ドットセルＣ１２との間には、量子ドットセルＣ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６からなる第１のループ構造と、量子ドットセルＣ１３，Ｃ１４，Ｃ１５，Ｃ１６からなる第３のループ構造との二つのループ構造が連続的に設けられている。
【０３６６】
また、入力用の量子ドットセルＣ１と出力用の量子ドットセルＣ１１との間には、量子ドットセルＣ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６からなる第１のループ構造が設けられている。
【０３６７】
このように構成されたセル接続型信号分岐装置によれば、図４９のマルチ・ファン・アウト分岐配線の場合とは異なり、状態が不安定になる量子ドットセルが存在しなくなるので、信号Ｓは伝搬方向（３時方向）および情報を保持したまま三つに分岐される。そして、各分岐信号Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 はそれぞれ量子ドットセルＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１２から出力される。
【０３６８】
なお、量子ドットセルＣ７，Ｃ１３を出力用の量子ドットセルとして用いれば、信号Ｓをその伝搬方向と反対方向（９時方向）の二つの信号に分岐できる。もちろん、量子ドットセルＣ７，Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３を出力用の量子ドットセルとして用いれば、信号Ｓを五つの信号に分岐できることになる。
【０３６９】
また、量子ドットセルＣ１が基底状態ψ0 の場合には、図２１に示すように、各量子ドットセルの状態が確定する。
【０３７０】
（第２５の実施例）
図５０は、本発明の第２５の実施例に係る量子効果装置の入力部を示す模式図である。
【０３７１】
図５０において、量子ドットセルＣ１inは入力用の量子ドットセルであり、また、量子ドットセルＣ２inは量子ドットセルＣ１inの隣りの量子ドットセルである。これら量子ドットセルＣ１in，Ｃ２inは図示しない他の量子ドットセルとともに所望のデバイスを形成している。量子ドットセルＣ１inには二つの入力用量子細線７０１，７０２が設けられている。入力用量子細線７０１，７０２は、量子ドットセルＣ１in，Ｃ２inを含むデバイス系とは電気的に絶縁されている。
【０３７２】
入力用量子細線７０１，７０２は、エネルギーバンドギャップが量子ドットセルＣ１inの量子ドットのそれと近い半導体または同じ半導体により形成されている。例えば、量子ドットセルＣ１inの量子ドットがＧａＡｓ、量子ドットを囲む物質がＡｌＧａＡｓの場合には、高濃度に不純物がドープされたＧａＡｓを用いて入力用量子細線７０１，７０２を形成する。また、入力用量子細線７０１，７０２の先端部のサイズは、量子ドットセルＣ１inの量子ドットのそれと同程度である。また、入力用量子細線７０１，７０２の先端部は、それぞれ、量子ドットセルＣ１in内の上下の量子ドットに対応した位置に設けられている。
【０３７３】
入力用量子細線７０１は、金属細線電極（不図示）を介して、外部電源７００の＋側に接続されている。上記金属細線電極は量子ドットセルの状態を変えないように離れたところに設けられている。また、上記金属細線電極は入力用量子細線７０１とオーミックコンタクトが取れる金属（例えばＡｕ）により形成されている。
【０３７４】
同様に、入力用量子細線７０２は金属細線電極（不図示）を介して外部電源７００の−側に接続されている。上記金属細線電極は入力用量子細線７０２とオーミックコンタクトが取れる金属（例えばＡｕ）により形成されている。
【０３７５】
本実施例によれば、量子ドットセルＣ１inの状態は、入力用量子細線７０１，７０２により形成される電場により制御される。図５０の場合、入力用量子細線７０１から入力用量子細線７０２に向かって電位が低下する電界が形成されるので、量子ドットセルＣ１inは、左上の量子ドットおよび右下の量子ドットに電子が入るという基底状態を取るようになる。
【０３７６】
このとき、入力用量子細線７０１，７０２内には、金属電極の場合とは異なり、少数の電子しか存在しないので、入力用量子細線７０１，７０２内の電子によって量子ドットセルＣ１in等は影響を受けない。換言すれば、金属電極を用いていないので、入力用量子細線７０１，７０２と量子ドットセルＣ１in等との間にはショットキー接合形成されず、量子ドットセルＣ１in等の状態は維持される。したがって、本実施例によれば、入力用量子細線７０１，７０２により形成される信号を正確に量子ドットセルＣ１inに入力できるようになる。
【０３７７】
なお、本実施例では、入力用量子細線７０１，７０２により形成される電場は１種類に限定される場合について説明したが、入力用量子細線７０１，７０２がそれぞれ外部電源の＋側、−側、または入力用量子細線７０１，７０２がそれぞれ外部電源外部電源の−側、＋側に選択的に接続できるようにすれば、２種類の電場を形成でき、これにより、量子ドットセルＣ１inに２種類の信号を供給することができるようになる。
【０３７８】
（第２６の実施例）
図５１は、本発明の第２６の実施例に係る量子効果装置の出力部を示す模式図である。
【０３７９】
図５１において、量子ドットセルＣ１out は出力用の量子ドットセルであり、また、量子ドットセルＣ２out は量子ドットセルＣ１out の隣りの量子ドットセルである。これら量子ドットセルＣ１out ，Ｃ２out は図示しない他の量子ドットセルとともに所望のデバイスを形成している。量子ドットセルＣ１out には出力検出装置が設けられている。この出力検出装置は、量子ドットセルＣ１out を含むデバイス系とは電気的に絶縁されている。
【０３８０】
出力検出装置は、大きく分けて、第１および第２の電流検出部と、第１および第２の量子ドット７０４，７０６とにより構成されている。
【０３８１】
第１の電流検出部は、第１および第２の量子細線７０３，７０５、ならびにこれら量子細線７０３，７０５の間に設けられた電源７１１および電流計７０８により構成されている。第１の量子細線７０３は電源７１１の−側に接続され、第２の量子細線７０５は電源７１１の＋側に接続されている。
【０３８２】
同様に、第２の電流検出部は、第１および第３の量子細線７０３，７０７、ならびにこれら量子細線７０３，７０７の間に設けられた電源７１１および電流計７０９により構成されている。第３の量子細線７０７は電源７１１の＋側に接続されている。
【０３８３】
第１の量子ドット７０４は第１の量子細線７０３と第２の量子細線７０５との間に設けられている。一方、第２の量子ドット７０６は第１の量子細線７０３と第３の量子細線７０７との間に設けられている。
【０３８４】
第１の量子ドット７０４と第１の量子細線７０３との間の距離、第１の量子ドット７０４と第２の量子細線７０５との間の距離、第２の量子ドット７０６と第１の量子細線７０３との間の距離、第２の量子ドット７０６と第３の量子細線７０７との間の距離は、トンネル効果により電子が上記量子ドットと量子細線との間を移動できる程度に短い。
【０３８５】
量子ドット７０４，７０６は、量子ドットセルＣ１out の量子ドットと同じ第１の材料により形成され、かつ量子ドットセルＣ１out の量子ドットと同じサイズである。また、量子ドット７０４，７０６は、量子ドットセルＣ１out の量子ドットを囲んでいる材料と同じ第２の材料により囲まれている。
【０３８６】
すなわち、第１の量子細線７０３と第２の量子細線７０５との間には、第１の量子ドット７０４と第２の材料とにより二重量子障壁が形成され、同様に、第１の量子細線７０３と第３の量子細線７０７との間には、第２の量子ドット７０６と第２の材料により二重量子障壁が形成されている。
【０３８７】
また、第２の材料は量子ドットセルＣ１out の回りを囲んでいる第３の材料よりもバンドギャップが小さい。すなわち、点線７１０を境にして左側の量子ドットセルＣ１out ，Ｃ２out の外側の領域のバンドギャップは、点線７１０を境にして右側の領域の出力検出装置のそれよりも大きい。したがって、量子ドット７０４または量子ドット７０６内の電子が量子ドットセルＣ１out 内に注入されることによる量子ドットセルＣ１out の状態の破壊を防止できる。
【０３８８】
今、量子ドットセルＣ１out が無いとすれば、第１の電流検出部は、第２の量子細線７０５から量子ドット７０４を介して第１の量子細線７０３に流れ込む電流を検出し、同様に、第２の電流検出部は、第３の量子細線７０７から量子ドット７０６を介して第１の量子細線７０３に流れ込む電流を検出する。
【０３８９】
ここで、例えば、図５１に示すような基底状態を量子ドットセルＣ１out が取ったならば、第１の量子細線７０３から第２の量子ドット７０６に注入されようとする電子は、量子ドットセルＣ１out の右下の量子ドットセル内の電子からクーロン斥力を受ける。
【０３９０】
したがって、量子ドットセルＣ１out が無い場合に比べて、電流計７０９で検出される電流の値は低くなる。また、量子ドットセルＣ１out の電子と第３の量子細線７０７の電子との相互作用は十分に弱いので、量子ドットセルＣ１out の状態は維持される。換言すれば、金属電極を用いていないので、量子ドットセルＣ１out の電子と第３の量子細線７０７との間にはショットキー接合形成されず、量子ドットセルＣ１out 等の状態は維持される。
【０３９１】
一方、第１の量子細線７０３から第１の量子ドット７０４に注入されようとする電子は、量子ドットセルＣ１out の右上の量子ドットセル内に電子が存在しないため、クーロン斥力を受けない。
【０３９２】
したがって、電流計７０９で検出される電流の値は、量子ドットセルＣ１out が無い場合とほぼ同じである。また、量子ドットセルＣ１out の電子と第１の量子細線７０３の電子との相互作用は十分に弱いので、量子ドットセルＣ１out の状態は維持される。換言すれば、金属電極を用いていないので、量子ドットセルＣ１out の電子と第１の量子細線７０３の間にはショットキー接合形成されず、量子ドットセルＣ１out 等の状態は維持される。
【０３９３】
すなわち、図５１の場合、電流計７０８で検出される電流の値は、電流計７０９で検出される電流の値よりも大きくなる。
【０３９４】
また、量子ドットセルＣ１out が他の基底状態を取る場合、つまり、二つの電子がそれぞれ右上の量子ドット内、左下の量子ドット内に存在する場合には、電流計７０８で検出される電流の値は、電流計７０９で検出される電流の値よりも小さくなる。
【０３９５】
したがって、本実施例によれば、二つの電流計７０８，７０９の検出電流を比較することにより、量子ドットセルＣ１out の状態を正確に検出できるようになる。
【０３９６】
（第２７の実施例）
図５７は、本発明の第２７の実施例に係る量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図である。また、図５８は、図５７の量子効果信号伝達装置のＡ−Ａ´断面図である。
【０３９７】
本実施例の量子効果信号伝達装置は、信号伝達ユニット８１２がＹ方向（信号伝達方向）に一列に配列された構成になっている。信号伝達ユニット８１２は二つの量子箱８１２ａ，８１２ｂから構成されている。これら量子箱８１２ａ，ｂの周りには障壁層８１１が設けられている。また、信号伝達ユニット８１２列の両横側には、それぞれ、ドナーイオン列８１６ａ，８１６ｂが設けられている。
量子箱８１２ａ，ｂは、例えば、ＧａＡｓにより形成し、また、障壁層８１１は、例えば、ＡｌＧａＡｓにより形成する。また、この場合、量子箱８１２ａ，８１２ｂのサイズはフェルミ波長程度の数１０ｎｍとする。なお、量子箱のサイズの最適値は材料によって大きく異なる。
【０３９８】
量子箱８１２ａと量子箱８１２ｂとの距離ａは、量子箱８１２ａ，８１２ｂ間を電子がトンネルリングできる程度に小さい。また、隣接する信号伝達ユニット間の距離ｂは、信号伝達ユニット間を電子がトンネルリングできない程度に大きく、かつクーロン相互作用が有効に働く程度に小さい。
【０３９９】
量子箱８１２ａ，ｂの材料がＧａＡｓ、障壁層８１１の材料がＡｌＧａＡｓの場合には、距離ａを約１０ｎｍ程度とすれば、電子は比較的自由に量子箱間を移動できる。また、距離ｂを約５０ｎｍ程度とすれば、量子箱間では電子のトンネルリングはほとんど生じず、長距離力であるクーロン相互作用のみが電子間に働くことになる。なお、距離ａ，ｂは材料によって最適な値が大きく異なる。
【０４００】
以下、本実施例の量子効果信号伝達装置の詳細を製造工程に従って説明する。
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板８１４を用意し、この半絶縁性ＧａＡｓ基板８１４上にｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１を結晶成長させる。
【０４０１】
次にｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１の表面を選択的にエッチング除去して、１対の量子箱８１２ａ，８１２ｂとなる二つの箱状の溝をＹ方向に所定数だけ形成した後、これら溝をｉ型ＧａＡｓにより埋め込む。この結果、１対の量子箱８１２ａ，８１２ｂがＹ方向に所定数だけ形成される。
【０４０２】
次に量子箱８１２ａの短辺の外側のｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１の表面にドナーイオンとしてのＳｉイオン８１３ａをＹ方向に一列に注入する。同様に、量子箱８１２ｂの短辺の外側のｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１の表面にＳｉイオン８１３ｂをＹ方向に一列に注入する。この結果、量子箱８１２ａ，８１２ｂを挟むように、ライン状のドナーイオン列８１６ａ，８１６ｂが形成される。
【０４０３】
ここで、Ｓｉイオンをｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１の表面にライン状に整列させるには、ＦＩＢ装置（集束イオンビーム装置）を用いて、イオンエネルギーおよびイオン注入位置を制御した状態で行なうと良い。
【０４０４】
何故なら、ＦＩＢ装置は、シングルイオンを抽出するための偏向電極と微小スリットとを備えているので、所定数のドナーイオンを１個ずつ所定の微細領域に注入することができ、これにより、幅が数１０ｎｍ以下で、高密度のライン状のドナーイオン列の形成が可能となるからである。
【０４０５】
また、他の理由としては、このようにして形成された高密度のライン状のドナーイオンは、活性化率が高いために、量子箱中に容易に多くの電子を生じさせることができるからである。しかも、量子箱からドナーイオン列までの距離や、注入イオン数を調整することにより、量子箱中に蓄積する電子の密度を自由に変化させることができるからである。
【０４０６】
次にＳｉイオン８１３ａ，８１３ｂの活性化を行なう。この結果、ｉ型ＡｌＡｓとｉ型ＡｌＧａＡｓとの電子親和力の違いから、ｉ型ＡｌＧａＡｓ障壁８１１中のドナーイオンから発生した電子は、ｉ型ＧａＡｓからなる量子箱８１２ａ，８１２ｂ中に集まり、信号伝達ユニット８１２が完成する。
【０４０７】
本実施例の量子効果信号伝達装置の動作は以下の通りである。まず、外部電場等により、一番上の信号伝達ユニット８１２の２つの量子箱８１２ａ，８１２ｂのうち、左側の量子箱８１２ａに電子が偏るように電子分布を変化させる。この状態を“１”とする。
【０４０８】
ここで、ドナーイオン列８１６ａ，８１６ｂは、各信号伝達ユニットから比較的遠くに配置されている。このため、ドナーイオン列８１６ａ，８１６ｂの正電荷は、各信号ユニットに対して均一な弱い外電場としての寄与しか及ぼさない。
この結果、上から二番目の信号伝達ユニット８１２の電子に働く力は、一番上の信号伝達ユニット８１２の電子によるクーロン斥力のみである。
【０４０９】
したがって、上から二番目の信号伝達ユニット８１２のセルには、右側の量子箱８１２ｂに多数の電子が偏るような電子分布、つまり、強い分極が生じる。この状態を“０”とする。
【０４１０】
以下、同様にして上から三番目以降の信号伝達ユニットが交互に別の状態を取ることにより、“１”，“０”，“１”，“０”…という信号が伝達されることになる。
【０４１１】
前述したように、図５６のクオンタム・ダッシュは、変調ドープ層（ｉ型ＧａＡｓ層１２５２／ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３）から構成されているが、ｉ型ＧａＡｓ層１２５２およびｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３を変調ドープ層として用いるには、これらの厚さは薄くなければならない。
【０４１２】
したがって、ｉ型ＧａＡｓ層１２５２およびｎ型ＡｌＧａＡｓ層１２５３の厚さを大きくして、変調ドープ層内に蓄積できる電子の個数を増加させ、大きな分極を形成するという手法は用いることはできない。
【０４１３】
一方、本実施例では、二つの量子箱を利用しているので、量子箱内に蓄積できる電子を多くするには、量子箱の面積を大きくすれば良い。量子箱の面積を大きくすることは容易である。
【０４１４】
更に、本実施例によれば、ドナーイオン列から効果的に多数の電子を量子箱に注入できるので、大きな分極を形成できる。
【０４１５】
更にまた、ドナーイオン列は量子箱から離れているので、クオンタム・ダッシュの場合のように、正電荷と負電荷とがキャンセルされ、分極が弱まるという問題は生じない。
【０４１６】
したがって、本実施例によれば、大きな分極を形成できるので、電子の片寄りを利用した信号伝達を安定して行なえるようになる。
【０４１７】
また、本実施例の場合、図５６の変調ドープ層のように積層構造の素子構造がないので、つまり、素子構造が平面的であるので、製造プロセスがかなり簡便になるという利点もある。
【０４１８】
なお、本実施例では、距離ｂを大きくすることにより、信号伝達ユニット間の電子の往来を防止したが、信号伝達ユニット間にバンドギャップの大きな物質（例えば誘電体）を設けることによって、電子の往来を防止しても良い。
【０４１９】
（第２８の実施例）
図６０は、本発明の第２８の実施例に係る微細金属パターンの形成方法を示す工程断面図である。
【０４２０】
まず、図６０（ａ）に示すように、砒化ガリウム基板６１１上に無機レジストとしての窒化シリコン膜６１２を形成する。このとき、プラズマ励起ＣＶＤ装置を用いて、基板温度２５０℃、ＲＦ出力２００Ｗ、反応ガス流量比 シラン：アンモニア：窒素＝１：２：１０の条件で窒化シリコンの堆積を行なうと、堆積時間１０分で、厚さが約２００ｎｍの窒化シリコン膜６１２を形成できる。
【０４２１】
次に図６０（ｂ）に示すように、窒化シリコン膜６１２のうち、微細金属パターンを形成する領域６１４ｂ（非露光部分）以外の領域６１４ａ（露光部分）に、ガリウムイオンの集束イオンビーム（ＦＩＢ）６１３を照射することにより、窒化シリコン膜６１２の露光を行なう。
【０４２２】
ここで、イオンエネルギー３０ｋｅＶ、ドーズ量約５×１０16ｃｍ-2の条件でガリウムイオンのＦＩＢ６１３の照射を行なえば、ほとんどのガリウムイオンを窒化シリコン膜６１２の表面に近傍に滞在できる。
【０４２３】
また、ＦＩＢ６１３の場合、ビーム径を容易に小さくでき（１００ｎｍ以下）、しかも、ビームの位置合わせ精度も良いことから、１００ｎｍ以下の幅を持つ非露光部分６１４ｂの形成が可能である。
【０４２４】
次に図６０（ｃ）に示すように、反応ガスとして六弗化硫黄を用いたドライエッチングにより現像を行なう。すなわち、非露光領域６１４ｂの窒化シリコン膜６１２を選択的にエッチング除去する。換言すれば、露光領域６１４ａのみに窒化シリコン膜６１２を残置させる。
【０４２５】
このとき、窒化シリコン膜６１２の膜厚とエッチング速度とから求められるジャストエッチングの時間よりも長い時間エッチングを行なって、つまり、オーバーエッチングを行なうことにより、窒化シリコン膜６１２の開口部６１６における断面形状を逆テーパとする。この結果、微細な開口部６１６を有する窒化シリコン膜６１２からなる微細レジストパターンが形成される。開口部６１６における断面形状が逆テーパとなる理由は、窒化シリコン膜６１２の表面から深いところほど露光される程度が低いからである。
【０４２６】
具体的には、例えば、ＥＣＲ−ＲＩＢＥ（電子サイクロトロン共鳴励起型反応性イオンビームエッチング）装置により、圧力０．５ｍＴｏｒｒ、マイクロ波出力２００Ｗ、イオン引き出し電圧２００Ｖの条件で、窒化シリコン膜６１２のドライエッチングを行なうと、非露光領域６１４ｂの窒化シリコン膜６１２は約１５ｎｍ／分程度のエッチング速度でエッチングされ、また、露光領域６１４ａの窒化シリコン膜６１２ははほとんどエッチングされず、膜厚約１００ｎｍ以上の窒化シリコン６１２が残る。
【０４２７】
この図６０（ｃ）の工程で、露光領域６１４ａの窒化シリコン膜６１２が残置する理由は、ガリウムイオンのＦＩＢ１３によって露光領域６１４ａに注入されたガリウムイオンと、プラズマによって生成された弗素を含むイオン等の活性種６１５との反応により、エッチング速度の非常に遅い反応生成物が、露光領域６１４ａの窒化シリコン膜６１２に形成されるからである。なお、上記ドライエッチングの場合における砒化ガリウムのエッチング速度は遅いので、砒化ガリウム基板６１１はほとんど損傷を受けない。
【０４２８】
次に図６０（ｄ）に示すように、全面に金６１７を蒸着することにより、薄金層６１８ａ（第１の金属層），６１８ｂ（第２の金属層）を形成する。
【０４２９】
具体的には、例えば、抵抗加熱方式または電子ビーム方式の真空蒸着装置を用い、そして、基板温度を室温（２０〜３０℃）から数１００℃に上げて、残った窒化シリコン膜６１２より薄い薄金層６１８ａ，ｂを形成する。この薄い薄金層６１８ａ，６１８ｂの厚さは例えば約５０ｎｍとする。
【０４３０】
このとき、開口部６１６の砒化ガリウム基板６１１上には普通の金薄膜６１８ｂが形成される。一方、窒化シリコン膜６１２上には金６１７が島状に堆積するので、多孔質の金薄膜６１８ａが形成される。
【０４３１】
最後に図６０（ｅ）に示すように、砒化ガリウム基板６１１を逆さまにし、その状態で、エッチング種がラジカル６１９のみのドライエッチングにより、窒化シリコン膜６１２、金薄膜６１８ａを選択的にエッチングする。上記ドライエッチングでは、反応ガスとして、例えば、六弗化硫黄を用いる。
【０４３２】
そして、窒化シリコン膜６１２のエッチングがある程度進むと、砒化ガリウム基板６１１は逆さまであるので、窒化シリコン膜６１２は砒化ガリウム基板６１１から容易に剥がれ落ちる。このとき、金薄膜６１８ａは窒化シリコン膜６１２と一緒に剥がれ落ちることになる。この結果、微細金属パターン（微細金属層）６１８ｂが形成される。
【０４３３】
このとき、窒化シリコン膜６１２、金薄膜６１８ａが選択的に除去される理由は、上述したように金薄膜６１８ａは多孔質であるため、ラジカル６１９は金薄膜６１８ａを容易に貫通して窒化シリコン膜６１２に到達し、この到達したラジカル６１９によって窒化シリコン膜６１２が微細金属パターン６１８ｂである金薄膜よりも速くエッチングされるからである。また、ラジカル６１９のサイドエッチング速度が速いのも理由である。なお、この弗素を含むラジカル６１９はほとんど砒化ガリウム基板６１１をエッチングしない。
【０４３４】
以上述べたように、本実施例によれば、有機レジストを用いないリフトオフ法により、微細金属パターン６１８ｂを形成できるので、従来の有機レジストを用いたリフトオフ法の種々の問題を一挙に解決できる。
【０４３５】
例えば、珪化ガリウム基板６１１を大気に晒さずに微細金属パターン６１８ｂを形成できるので、真空一貫プロセスが可能となる。このように真空一貫プロセスによる微細金属パターンの形成が可能となれば、微細金属パターン６１８ｂの形成途中における素子の表面汚染や表面酸化を抑えることができるようになる。これにより、特性劣化を最小に抑えた微細金属パターンを有する半導体素子の作成が可能となり、更には、微細金属パターンを有する半導体素子の高性能化および生産性の向上を図ることもできるようになる。
【０４３６】
なお、本実施例では、無機レジストとして窒化シリコン膜を用いたが、他の無機レジスト、例えば、酸化シリコン膜を用いても上述したプロセスとほとんど同様の方法により微細金属パターンを形成することができる。
【０４３７】
また、本実施例では、微細金属パターンの金属材料として金を用いたが、他の金属材料、例えば、銀を用いても良い。この場合、金属蒸着時の基板加熱温度を低く抑えることができる。
【０４３８】
また、最終的に不要になる薄金属膜のパターン面積が小さい場合には、必ずしも上述したように、無機レジスト上で薄金属膜が多孔質になる必要はない。何故なら、ドライエッチングのサイドエッチングにより無機レジストを十分に除去できるからである。したがって、不要になる薄金属膜のパターン面積が小さい場合には、薄金属膜と無機レジストとに求められる条件は緩和されることになる。
【０４３９】
また、表面に凹凸の多い無機レジストを形成することにより、その上に多孔質の薄金属膜を形成することも可能である。例えば、無機レジストとして、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜等を用いる場合には、ガリウムイオンのＦＩＢによる露光の際に、ビーム径を照射間隔よりやや小さめに設定すると良い。また、ドライエッチングによる現像の際に、イオン種によるエッチングがやや強くなるようにしても良い。
【０４４０】
（第２９の実施例）
図６１は、本発明の第２９の実施例に係る回転方式装置（情報伝達経路）の概略構成を示す模式図である。
【０４４１】
図中、Ｋ１，Ｋ２は回転ユニット（Ｋ１は入力用回転ユニット、Ｋ２は出力用回転ユニット）を示している。具体的には、図６２に示すような“＋”形状タイプ、図６３に示すような“Ｔ”形状タイプがある。なお、これら形状は図３７の場合と同様に真横から見た場合に見える形状である。
【０４４２】
図６２、図６３において、９０１1 ，９０１2 は支持基板を示しており、図６２の場合には、二つの支持基体９０１1 ，９０１2 が縦軸部材９０２の両端を支持し、図６３の場合には、一つの支持基体９０１1 が縦軸部材９０２の一端を支持することになる。
【０４４３】
縦軸部材９０２には、正に帯電した第１の横軸部材９０３1 、負に帯電した第２の横軸部材９０３2 、正に帯電した第３の横軸部材９０３3 および負に帯電した第４の横軸部材９０３4 が互いに９０°異なる方向に配置されてなる回転部材９０４が設けられ、この回転部材９０４は縦軸部材９０２に対して垂直面を描く回転が可能となっている。
【０４４４】
このような回転ユニットは、例えば、図６２、図６３に示すように、支持基板９０１1 ，９０１2 上にＡｕ等の金属ドット９０４を形成し、金属ドット９０４に横軸部材としての高分子や原子クラスタ等を選択的に化学吸着させ、この高分子や原子クラスタ等を＋または−に帯電させることにより作成できる。また、マイクロマシーン技術を用いてエレクトレットや磁石材料を加工して、回転ユニットを形成しても良い。磁石材料を用いた場合には、横軸部材の先端はＮまたはＳに磁化されたものとなる。また、支持基板９０1 ，９０１2 としては、例えば、シリコン基板を用いる。
【０４４５】
本実施例の回転方式装置は、二つの回転ユニットＫ１，Ｋ２により構成されている。また、図６１中、Ａは入力としての外部電荷を示しており、Ｑは回転ユニットＫ２の右端の極性（出力）を検出する検出手段を示している。また、二つの回転ユニットＫ１，Ｋ２は互いに接触していない。
【０４４６】
また、外部電荷Ａの電荷値は、回転部材のそれより大きくしてあり、これにより、外部電荷Ａと他の回転ユニットの回転部材とのクーロン相互作用による装置の誤動作や不安定動作を防止している。
【０４４７】
このように構成された回転方式装置の動作は以下の通りである。
【０４４８】
例えば、回転ユニットＫ１の近辺に配置した外部電荷Ａの極性が負の場合であれば、クーロン相互作用によって安定状態になるまで、回転ユニットＫ１の回転部材は回転し、つまり、外部電荷Ａ側に回転ユニットＫの回転部材の正端部（第１の横軸部材または第３の横軸部材）が固定するまで回転する。
【０４４９】
一方、回転ユニットＫ２の回転部材は回転ユニットＫ１の回転部材の回転に伴って回転し、そして、回転ユニットＫ１の回転部材の固定に伴って、回転ユニットＫ１の正端部（第２の横軸部材または第４の横軸部材）側に回転ユニットＫ２の負端部が固定する。すなわち、検出手段Ｑ側には回転ユニットＫ２の回転部材の負端部が固定する。
【０４５０】
したがって、出力電荷Ａの極性と検出手段が検出する極性とは同じになり、回転ユニットＫ１と回転ユニットＫ２とにより構成された本実施例の回転方式装置は、情報伝達する情報伝達経路（従来の配線に相当）として機能する。
【０４５１】
また、本実施の場合、クーロン相互作用による回転部材の配向（回転部材の分極方向）の連鎖的な伝達により情報を伝達しているので、配線に起因する集積度の低下の問題を解決でき、また、情報伝達のために配線に電流を流す必要がなくなり、消費電力や発熱の問題を改善できる。
【０４５２】
なお、本実施例では二つの回転ユニットを用いたが、四つの回転ユニットを用いても良い。要は偶数個の回転ユニットを用いれば良い。
【０４５３】
（第３０の実施例）
図６４は、本発明の第３０の実施例に係る回転方式装置（インバータ）の概略構成を示す模式図である。
【０４５４】
この回転方式装置は、一つの回転ユニットＫ１により構成されている。回転ユニットＫ１はその近辺に配置した外部電荷Ａの極性に従って、クーロン相互作用により回転ユニットＫ１の回転部材が回転する。
【０４５５】
例えば、回転ユニットＫ１の近辺に配置した外部電荷Ａの極性が負の場合であれば、クーロン相互作用によって安定状態になるまで、回転ユニットＫ１の回転部材は回転し、つまり、外部電荷Ａ側に回転ユニットＫの回転部材の正端部（第１の横軸部材または第３の横軸部材）が固定するまで回転する。
【０４５６】
したがって、出力電荷Ａの極性と検出手段が検出する極性とは反対になり、回転ユニットＫ１により構成された本実施例の回転方式装置は、インバータとして機能する。本実施例の場合も第２９の実施例と同様に、配線や消費電力や発熱の問題を改善できる。
【０４５７】
なお、本実施例では一つの回転ユニットを用いたが、三つの回転ユニットを用いても良い。要は奇数個の回転ユニットを用いれば良い。
【０４５８】
また、第２９、第３０の実施例では、電荷極性に従うクローン相互作用で説明しているが、これらは磁極性に従う磁気相互作用でも同様の効果を得ることができる。
【０４５９】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施例を適宜組み合わせても良い。具体的には、第１２〜第１５の実施例の円形の量子箱を用いた量子ドットセルを、第９の実施例の正方形の量子箱を用いた量子ドットセルに置き換えても良い。
【０４６０】
また、第９の実施例等の量子人工分子を用いて、図１のセル接続型インバータ装置や、図３のセル接続型ＯＲ装置や、図４のセル接続型ＡＮＤ装置を構成しても良い。
【０４６１】
また、第１２の実施例等の量子人工分子を用いて、図１のセル接続型インバータ装置や、図３のセル接続型ＯＲ装置や、図４のセル接続型ＡＮＤ装置を構成しても良い。
【０４６２】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【０４６３】
【発明の効果】
本発明（請求項１，２）によれば、状態が不確定なセルが無くなるので、動作の安定化が図れた接続セル型の論理装置を実現できる。
【０４６４】
本発明（請求項３）によれば、信号の情報を保持したまま信号の伝搬方向を変えることができる量子効果装置を実現できるようになる。
【０４６５】
本発明（請求項４）によれば、信号の情報を保持したまま信号を分岐できる量子効果装置を実現できるようになる。
【０４６７】
本発明（請求項５）によれば、３次元的に量子人工分子を配列することにより、量子人工分子間の距離を小さくしなくても、量子人工分子の基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差を大きくできるので、高温の動作が可能な量子効果装置が得られるようになる。
【０４７２】
本発明（請求項６）によれば、量子配線にバリスティック電子を衝突させることにより、量子配線を流れる情報を制御できる。すなわち、バリスティック電子の利用により、従来不可能であった量子配線における情報伝達の制御を行なえるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るセル接続型インバータ装置の概略構成を示す模式図
【図２】４量子ドットセルの概略構成を示す模式図
【図３】本発明の第２の実施例に係るセル接続型ＯＲ装置の概略構成を示す模式図
【図４】本発明の第３の実施例に係るセル接続型ＡＮＤ装置の概略構成を示す模式図
【図５】本発明の第４の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型インバータ装置の概略構成を示す模式図
【図６】本発明の第５の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型ＮＯＲ装置の概略構成を示す模式図
【図７】本発明の第６の実施例に係るバリスティック電子を用いた散乱衝突型ＮＡＮＤ装置の概略構成を示す模式図
【図８】レシーバの具体的な構成を示す図
【図９】主エミッタ部の具体的な構成を示す図
【図１０】本発明の散乱衝突型論理装置の変形例を説明するための図
【図１１】本発明の第７の実施例に係る電子波方向性結合スイッチの概念図
【図１２】本発明の第７の実施例に係る平面型の電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図
【図１３】本発明の第７の実施例に係る積層型の電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図
【図１４】本発明の第８の実施例に係る電子波方向性結合スイッチの概念図
【図１５】本発明の第８の実施例に係る平面型の電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図
【図１６】本発明の第８の実施例に係る積層型の電子波方向性結合スイッチの具体的な構成を示す斜視図
【図１７】従来のトランジスタを用いたインバータ回路を示す図
【図１８】従来のトランジスタを使用しないインバータ回路を示す図
【図１９】５量子ドットセルの概略構成を示す模式図
【図２０】従来のバリスティック電子を用いた半導体論理装置の模式図
【図２１】本発明の第２４の実施例に係るセル接続型信号分岐装置の概略構成を示す模式図
【図２２】本発明の第９の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図
【図２３】図１の量子効果装置の断面図
【図２４】本発明の第１０の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図
【図２５】図２４の量子効果装置の断面図
【図２６】本発明の第１１の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す平面図
【図２７】本発明の第１２の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図２８】本発明の第１３の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図２９】本発明の第１４の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図３０】本発明の第１５の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図３１】図２７の４量子ドットセルにおける基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差の外力として働くセルの電子分布の値の依存性を示す図
【図３２】従来の４量子ドットセルにおける基底状態と第１励起状態とのエネルギー準位差の外力として働くセルの電子分布の値の依存性を示す図
【図３３】本発明の第１６の実施例に係る量子効果装置（量子効果配線）の概略構成を示す模式図
【図３４】バリスティック電子と人工分子との衝突過程の種類を示す図
【図３５】本発明の第１７の実施例に係る量子箱の形成方法を示す工程断面図
【図３６】臨界核を説明するための図
【図３７】回転ユニットの具体的な構成を示す模式図
【図３８】本発明の第１８に係る回転方式論理装置（情報伝達経路）の概略構成を示す模式図
【図３９】本発明の第２３の実施例に係るセル接続型信号方向転換装置の概略構成を示す模式図
【図４０】本発明の第２０に係る回転方式論理装置（ＡＮＤゲート）の概略構成を示す模式図
【図４１】本発明の第２１の実施例に係る回転方式論理装置（ＯＲゲート）の概略構成を示す模式図
【図４２】従来の５量子ドットセルを示す模式図
【図４３】従来の５量子ドットセルを用いた量子配線置を示す模式図
【図４４】従来の量子効果デバイス（量子効果情報制御システム）の概念図
【図４５】本発明の第２２の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す斜視図
【図４６】本発明の第２３の実施例に係るセル接続型信号方向転換装置の概略構成を示す模式図
【図４７】本発明の第２４の実施例に係るセル接続型信号分岐装置の概略構成を示す模式図
【図４８】折れ曲がり配線を示す模式図
【図４９】マルチ・ファン・アウト分岐配線を示す模式図
【図５０】本発明の第２５の実施例に係る量子効果装置の入力部を示す模式図
【図５１】本発明の第２６の実施例に係る量子効果装置の出力部を示す模式図
【図５２】従来の量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図
【図５３】従来の他の量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図
【図５４】Ｘ方向位置と電荷密度との関係を示す特性図
【図５５】従来の量子効果信号伝達装置のより具体的な構成を示す平面図
【図５６】図５５の量子効果信号伝達装置のＢ−Ｂ´断面図
【図５７】本発明の第２７の実施例に係る量子効果信号伝達装置の概略構成を示す模式図
【図５８】図５７の量子効果信号伝達装置のＡ−Ａ´断面図
【図５９】従来の微細金属パターンの形成方法を示す工程断面図
【図６０】本発明の第２８の実施例に係る微細金属パターンの形成方法を示す工程断面図
【図６１】本発明の第２９の実施例に係る回転方式論理装置（情報伝達経路）の概略構成を示す模式図
【図６２】“＋”形状タイプの回転ユニットを示す斜視図
【図６３】“Ｔ”形状タイプの回転ユニットを示す斜視図
【図６４】本発明の第３０の実施例に係る回転方式装置（インバータ）の概略構成を示す模式図
【図６５】本発明の第２０の実施例に係る量子効果装置の概略構成を示す断面図
【符号の説明】
Ｃ１〜Ｃ７…量子ドットセル
１，１ａ…主エミッタ部（第１のエミッタ部）
２，２ａ…入力エミッタ部（第２のエミッタ部）
３，３ａ…エネルギーフィルタ
４，４ａ…レシーバ（受信手段）
１０…２ＤＥＧ
１１，１２…制御電極
１３…オーミック電極
１４，１５…制御端子
２１，２２…入力導波路
２３，２４，２７，４５，４６…量子障壁層
２５，２６，２８…量子井戸層
２９…結合部
３０，３１…出力導波路
３２，３４，４７…ゲート絶縁膜
３３，３５，５０…ゲート電極
４８…ゲート電極
Claims (6)
- 入力用のセルと出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、
前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される、二つ以上の識別可能な状態を有し、
前記複数のセルは、前記入力用のセルの状態と前記出力用のセルの状態とが所定の論理関係になるべく二次元的または三次元的に配列され、
且つ前記出力用のセルは、他のセルとともにループ構造を構成するように配置され、該ループ構造は、複数のセルがループ状に配置され、かつ、該ループ状に配置された前記複数のセルの内側にはセルが配置されていない構造であることを特徴とする量子効果装置。 - 前記ループ構造は、４つのセルが、それぞれ、３時の方向、６時の方向、９時の方向、１２時の方向に配置されてなるものであることを特徴とする請求項１に記載の量子効果装置。
- 入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号の伝搬方向とは異なる方向に信号を出力する出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、
前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される、二つ以上の識別可能な状態を有し、
且つ前記入力用のセルと前記出力用のセルとの間には、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルとが設けられ、前記第 1 および第２のループ構造は、それぞれ、複数のセルがループ状に配置され、かつ、該ループ状に配置された前記複数のセルの内側にはセルが配置されていない構造であることを特徴とする量子効果装置。 - 一つの入力用のセルと、この入力用のセルに入力される信号を分岐する複数の出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、
前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される、二つ以上の識別可能な状態を有し、
且つ前記入力用のセルと前記複数の各出力用のセルとの間には、それぞれ、第１のループ構造を構成する複数のセルと、第２のループ構造を構成する複数のセルとが設けられ、前記第 1 および第２のループ構造は、それぞれ、複数のセルがループ状に配置され、かつ、該ループ状に配置された前記複数のセルの内側にはセルが配置されていない構造であることを特徴とする量子効果装置。 - 入力用のセルと出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルである量子効果装置であって、
前記各セルは、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用により決定される二つ以上の識別可能な状態を有し、
前記複数のセルは、入力出力関係が所定の所定の論理関係になるべく３次元的に配列されていることを特徴とする量子効果装置。 - 入力用のセルと出力用のセルとを含む複数のセルからなり、前記セルが４つまたは５つの量子ドットを含み、これらの各量子ドット中に二つの電子が注入されてなる量子ドットセルからなる量子配線であって、前記各セルが、該各セル中の電子と該各セルに隣接するセル中の電子との間に働く電磁相互作用を利用して情報伝達を行なう量子配線と、
この量子配線にバリスティック電子を衝突させて前記量子配線の状態を変化させることにより、前記量子配線を流れる情報を制御する情報伝達制御手段と、
前記量子配線と前記バリスティック電子との衝突により生じる前記量子配線の状態変化を検出する検出手段と
を具備してなることを特徴とする量子効果装置。
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