JP4290663B2

JP4290663B2 - 演算回路

Info

Publication number: JP4290663B2
Application number: JP2005053715A
Authority: JP
Inventors: 元一大津; 忠川添
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: JP2006237515A

Description

本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用される量子ドットを用いた演算回路に関するものである。

近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。

量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。
M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862 M.J.O’Mahony, D. Simeonidou, D. K. Hunter, A.Tzanakaki, IEEE Commn.Mag.39,128(2001)

ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等の実現が望まれている。特に、これら論理演算系を完全なものとするためには、いわゆる否定（ＮＯＴ）回路が必須となる。

しかしながら、かかるナノスケールの回路を電子デバイスで実現化しようとした場合、量子的なゆらぎが生じてしまうという問題点があり、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの否定（ＮＯＴ）回路自体が未だ案出されていないのが現状である。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなくナノオーダの領域において否定（ＮＯＴ）演算処理等を行うことができる演算回路を提供することにある。

本発明に係る演算回路は、上述した課題を解決するために、デジタル化されたゲート信号の入力に応じて出力信号を生成する演算回路において、供給される入力光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有し、当該第１のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する第１の量子ドットと、上記ゲート信号に対応する信号光が供給されていない場合には、上記第１のエネルギー準位と異なることで互いに共鳴しない準位にあり、上記ゲート信号に対応する信号光が供給された場合には、その信号光による励起子の励起状態に応じて上記第１のエネルギー準位と互いに共鳴するようにシフトする第２のエネルギー準位を有し、上記第１の量子ドットより大体積で構成される第２の量子ドットと、が誘電性の基板上に形成されてなり、上記第１の量子ドットは、上記ゲート信号に対応する信号光が上記第２の量子ドット供給された場合には、上記シフトされた第２のエネルギー準位に対して、これと共鳴する当該第１の量子ドットにおいて上記第１のエネルギー準位へ励起された上記励起子を注入することにより、上記放出されたエネルギーに応じた出力光を変化させることを特徴とする。

本発明に係る演算回路は、ゲート信号のＯＮ又はＯＦＦに伴い、第１の量子ドットにおける第１のエネルギー準位へ励起された励起子の状態を変化させることができ、ひいては、エネルギーの放出量を制御することができ、出力光の光強度を変化させることも可能となる。このため、いわゆる否定回路として動作させることができ、光の回折限界に支配されることなくナノオーダの領域において否定演算処理等を行うことが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本発明を適用した量子ドットによる演算回路１について説明をする。演算回路１は、デジタル化されたゲート信号の入力に対する出力信号を生成する演算回路であって、例えば図１に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の導電性材料により構成される基板１０と、基板１０の表面上において形成されている第１の量子ドット１１と、第１の量子ドット１１近傍に形成されてなり、第１の量子ドット１１より大体積で構成される第２の量子ドット１２とを備えている。

第１の量子ドット１１,第２の量子ドット１２は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。これら量子ドット１１,１２では、励起子の閉じ込め系によりキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。

第１の量子ドット１１は、外部から供給される入力光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有し、当該第１のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する。入力光は、図示しないプラズモン導波路を介して第１の量子ドット１１へ供給されるようにしてもよいし、近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。さらに、この入力光はファーフィールドの伝搬光として供給されるようにしてもよい。この入力光は、演算回路１として動作させる際において常に外部から供給されている状態となる。この演算回路１では、入力光が供給されることにより動作可能となることから、この入力光は、いわゆる電源光としての役割を果たす。

第２の量子ドット１２は、ゲート信号としての波長の光に応じて励起子が励起されるゲート用エネルギー準位と、このゲート用エネルギー準位における励起子の供給状態に応じて上下方向にシフトする第２のエネルギー準位を有する。

各量子ドット１１,１２は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット１１,１２を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは量子箱と呼ばれる立方体状で構成され、また各量子ドット１１,１２を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。

これら各量子ドット１１,１２は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板１０上に形成させることができる。各量子ドット１１,１２を構成する材料系として上記ＣｕＣｌを用いる場合において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数ｍｍ/ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドット１１,１２を包含したＮａＣｌ結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット１１,１２のサイズを自在に制御することもでき、これらを１００ｎｍ以下の領域に並べて形成させることも可能となる。

なお、これら各量子ドット１１,１２は、更に分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板１０上に作製してもよいし、また近接場光ＣＶＤを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。

各量子ドット１１,１２におけるエネルギー準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式（１）により定義される。
Ｅ（n_x,n_y,n_z）＝h²/8π²m（π/L）²（n_x ²+n_y ²+n_z ²）・・・・・（１）

なお、本発明では、量子ドットの形状や材質に応じて、この式（１）で定義されるエネルギー準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）の式以外に、他の一般的なエネルギー準位の式が適用される場合もある。

この式（１）に基づき、各量子ドット１１,１２のＥ（n_x,n_y,n_z）を計算する。ここで第１の量子ドット１１と、第２の量子ドット１２との辺長比が、およそ１：√２であるとき、図２に示すように、第１の量子ドット１１における第１のエネルギー準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１２におけるエネルギー準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。即ち、第１の量子ドット１１における第１のエネルギー準位（１,１,１）と、第２の量子ドット１２における第２のエネルギー準位（２,１,１）は、それぞれ励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。

即ち、基板１０上において辺長比が互いに異なる各量子ドット１１,１２を形成させることにより、（１）式に基づく量子準位をほぼ等しくすることができ、これらの間で共鳴を起こさせることにより、体積の小さい量子ドット１１から体積の大きい量子ドット１２へ励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で体積（サイズ）を互いに異ならせることにより、これらの間で励起子を伝送することができ、ひいては共鳴エネルギー移動を実現することができる。

本発明を適用した演算回路１では、かかる励起子の伝送原理を応用し、以下に示すような伝送メカニズムに基づき、否定（ＮＯＴ）演算処理を行う。

先ず、第１の量子ドット１１と、第２の量子ドット１２を辺長比５：６となるように構成する。以下の説明では、第１の量子ドット１１の辺長を５ｎｍとし、第２の量子ドット１２の辺長を６ｎｍとした場合を例にとり説明をする。

このような辺長比を上記（１）式に当てはめると、図３に示すように第１のエネルギー準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２のエネルギー準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが互いに異なることになる。かかる辺長比に制御した状態において、第１の量子ドット１１に入力光を供給すると、当該入力光に応じて第１のエネルギー準位（１,１,１）に励起子が励起されるが、第１のエネルギー準位（１,１,１）と、第２のエネルギー準位（２,１,１）とは互いに異なることから共鳴が生じることはないため、上述の如く共鳴エネルギー移動が生じることもなくなる。その結果、第１のエネルギー準位（１,１,１）に励起された励起子が蓄積する結果、下位準位に対してそのエネルギーが放出されることになる。

第１のエネルギー準位（１,１,１）から下位準位へエネルギーが放出されると、これに応じた発光が生じる。この発光成分を出力光として取り出すことにより、これを上記出力信号とすることができる。

これに対して、第２の量子ドット１２にゲート信号に対応する信号光を供給すると、これに伴って第２の量子ドット１２におけるゲート用エネルギー準位（１,１,１）へ励起子が励起される。第２のエネルギー準位（１,１,１）へ励起子が励起されると、これに応じてかかる第２のエネルギー準位（２,１,１）は、図４に示すように下位へシフトする。その結果、第１のエネルギー準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１２における第２のエネルギー準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが略同一準位で構成されることになる。このため、第１のエネルギー準位（１,１,１）と、第２のエネルギー準位（２,１,１）との間で共鳴が生じ、体積の小さい第１の量子ドット１１から体積の大きい第２の量子ドット１２へ励起子が注入されることになる。ちなみに、第２の量子ドット１２へ注入された励起子は、そのまま第２の量子ドット１２におけるエネルギー準位（１,１,１）へ遷移し、緩和していくことになる。

かかる状態において、第１の量子ドット１１に対して入力光を供給すると、第１のエネルギー準位（１,１,１）へ励起された励起子は、共鳴エネルギー移動に伴って第２の量子ドット１２へ多くが移動することになることから、下位準位に対して放出されるエネルギーが減少することになる。その結果、図４に示すようにかかるエネルギーの放出に基づく発光強度が低下する。これは、出力光としての出力信号の強度そのものを低下させることにもなる。

即ち、本発明を適用した演算回路１は、第２の量子ドット１２に対して、ゲート信号につき１か０の何れかの値をとるデジタル信号ａ_０に当てはめ、ａ_０＝１であるときに第２の量子ドット１２へ信号光を供給し（ゲート信号をＯＮにし）、ａ_０＝０であるときに信号光の供給を停止する（ゲート信号をＯＦＦにする）。この間、第１の量子ドット１１に対しては常時入力光を供給し続ける。ａ_０＝１であるときに、上述の如く第２のエネルギー準位が下位にシフトする結果、共鳴エネルギー移動が生じることから、第１の量子ドット１１において下位準位へ放出されるエネルギーが減少する。また、ａ_０＝０であるときには、共鳴エネルギー移動が生じることは無いため、第１の量子ドット１１において下位準位へ放出されるエネルギーは増大する。

第２の量子ドット１２へ供給すべきゲート信号のＯＮ又はＯＦＦに伴い、第２の量子ドット１２へ共鳴エネルギー移動量を変化させることにより、第１の量子ドット１１における第１のエネルギー準位（１,１,１）へ励起された励起子の状態を変化させることができ、ひいては、第１の量子ドット１１における下位準位へのエネルギーの放出量を制御することができ、出力光の光強度を変化させることも可能となる。

図５は、時刻０に至るまでゲート信号をＯＦＦにし、時刻０経過時にゲート信号をＯｎにした場合における出力光の光強度の変化傾向を示している。この図５に示すように、ゲート信号がＯＦＦの状態においては、出力光の光強度は高い状態が維持されているが、ゲート信号をＯＮにすることにより上述の共鳴エネルギー移動が生じる結果、出力光の光強度が低下することが示されている。

従って、この出力光の光強度を所定の閾値と比較することにより識別してこれをデジタル信号ｂ_０としての１か０の何れかの値に割り当てることにより、ゲート信号としてのデジタル信号ａ_０を、出力信号としてのデジタル信号ｂ_０として出力する演算ゲートを構成することができる。

なお、上述した例では、第１の量子ドット１１と、第２の量子ドット１２とを、辺長比５：６で構成する場合につき説明をしたがかかる場合に限定されるものではない。ゲート信号をＯＦＦとしたときに、第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位が互いに非共鳴となり、ゲート信号をＯＮとしたときに第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位が互いに共鳴になる関係にあれば、いかなる辺長比で構成してもよい。ちなみに、第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位との差を、量子ドットのサイズや体積で調整する場合以外に、材質を互いに変えることにより調整するようにしてもよい。かかる場合には、第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位との差が少なくとも８ｍｅＶ以上あれば、上述の作用効果を奏するものといえる。

本発明を適用した量子ドットによる演算回路の構成を示す図である。本発明を適用した量子ドットによる演算回路における量子ドットのエネルギー準位につき説明するための図である。信号光を入射させることによるエネルギー準位のシフトにつき説明するための図である。本発明を適用した量子ドットによる演算回路の動作につき説明するための図である。信号光のＯＮ又はＯＦＦに対する出力光の光強度の変化につき説明するための図である。

符号の説明

１演算回路
１０基板
１１第１の量子ドット
１２第２の量子ドット

Claims

デジタル化されたゲート信号の入力に応じて出力信号を生成する演算回路において、
供給される入力光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有し、当該第１のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する第１の量子ドットと、上記ゲート信号に対応する信号光が供給されていない場合には、上記第１のエネルギー準位と異なることで互いに共鳴しない準位にあり、上記ゲート信号に対応する信号光が供給された場合には、その信号光による励起子の励起状態に応じて上記第１のエネルギー準位と互いに共鳴するようにシフトする第２のエネルギー準位を有し、上記第１の量子ドットより大体積で構成される第２の量子ドットと、が誘電性の基板上に形成されてなり、
上記第１の量子ドットは、上記ゲート信号に対応する信号光が上記第２の量子ドット供給された場合には、上記シフトされた第２のエネルギー準位に対して、これと共鳴する当該第１の量子ドットにおいて上記第１のエネルギー準位へ励起された上記励起子を注入することにより、上記放出されたエネルギーに応じた出力光を変化させること
を特徴とする演算回路。