JP4445068B2 - Quantum arithmetic element and integrated circuit - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子スピンと原子核スピンとの相互作用を利用して演算を実行する量子演算素子、および、この量子演算素子が搭載された集積回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、微細加工技術の進展に伴って、250nm〜180nmの最小加工線幅を有する半導体集積回路の量産が可能になってきている。微細加工技術は今後も3年から4年毎に世代を更新し、30nm程度の最小加工線幅を有する半導体集積回路の開発計画がなされている。尚、実験レベルでは、10nm程度の最小加工線幅が可能になっている。
【0003】
一方において、固体物理学の分野においては、固体中の不純物原子の原子核とその原子核に補足されている電子との間で、所謂電子‐核二重共鳴現象が生ずることが知られている。
【0004】
従来、上記電子‐核二重共鳴現象を利用した固体素子として、図8に素子構造を示すようなものが知られている(B.E.Kane,「A silicon-based nuclear spin quantum computer」Nature,vol.393,pp.133-137,14May 1998.)。
【0005】
図8において、1はAゲート、2はJゲートと呼ばれるゲートである。また、3,5は絶縁物層であり、4はシリコン単結晶層である。また、6は支持基板である。シリコン単結晶層4のシリコン原子は、原子核スピン量子数が0の同位体28Si,30Siだけからなっており、原子核スピン量子数が1/2の同位体29Siは除去されている。
【0006】
また、上記シリコン単結晶層4の中にはドナー原子核7が導入されている。リン原子の自然同位体は31Pが100%であり、原子核スピン量子数は1/2である。したがって、シリコン単結晶層4の中に導入されているドナー原子核7としてリン原子の原子核を用いることによって、その原子核スピンを測定することが可能となる。本固体素子を十分な低温下に置くと、自由電子はドナー原子核7の周囲に束縛されるようになる。8は、ドナー原子核7に束縛された電子の波動関数の確率密度(所謂電子雲であり、以下においては電子雲と記述する)を示している。
【0007】
上記リン原子は、シリコン中ではドナーとなる。ドナー原子には5個の電子があり、このうちの4個は結晶の共有結合に含まれて反磁性となっているが、5番目の電子はスピンS=1/2の常磁性中心となって捕らえられている。上記ドナー電子の波動関数は中心のドナー原子を占めるだけではなく、数百個のシリコン原子の上にまで広がっている。シリコンの原子核スピンは超微細構造をさらに付加する。この現象は、電子スピンと核磁気の二重共鳴(ENDOR)として観測できる。
【0008】
静磁場B0のもとでは、イオンのエネルギー準位は主に電子準位のゼーマンエネルギー分裂によって決定される。つまり、電子のスピン量子数ms=±1/2でエネルギーの高い準位と低い準位とが決まる。超微細相互作用は、エネルギー準位を更に細かく分裂させる。つまり、原子核のスピン量子数ml=±1/2でエネルギーの高い準位と低い準位とに分れる。電子の遷移には2種類あり、それらは原子核のスピン量子数がml=−1/2の場合とml=+1/2の場合に相当する。夫々の遷移の振動数をω12とすると、ω1=γB0−a/2(h/2π),ω2=γB0+a/2(h/2π)である。尚、ω1はml=−1/2のときのms=±1/2間での遷移であり、ω2はml=+1/2のときのms=±1/2間での遷移である。ここで、aは超微細構造定数であり、γは定数で磁気回転比であり、hはプランク定数である。
【0009】
このような状態においては、上記ドナー原子核7の原子核スピン角運動量と電子の電子スピン角運動量との和が角運動量保存則に従って保存される。電子スピンと原子核スピンとは、所謂超微細相互作用によって互いに相関関係を持っている(例えば、キッテル著「固体物理学入門(下)」,丸善)。
【0010】
スピンは、よく知られているように2状態に量子化された物理量であり、+1/2と−1/2との量子数を持つことができる。その結果、図8に示す固体素子を一定の静磁場中に置くと、スピンの違いが共鳴周波数の違いとして現れる。したがって、リン原子核のスピン量子数「+1/2」と「−1/2」とに情報「0」および情報「1」の何れかを割り当てた際に、上記共鳴周波数を測定することによって、上記固体素子に記憶された情報の内容を知ることができるのである。
【0011】
図9(a)は、図8に示す固体素子におけるAゲート1の電位を上昇させた場合の状態を示している。電子雲9a,9bは、Aゲート1側に引き寄せられる。このとき、さらに一方のJゲート2aの電位を上昇させると、図9(b)に示すように、二つの電子雲10a,10bの端部はJゲート2a下において互いに重なり合うことになる。尚、今一つのJゲート2bの電位は上昇させていない。この場合、電子雲10aと電子雲10bとは重なり合って一つの電子雲11を構成しているため、元々電子雲9aと電子雲9bとに個別に拘束されていた電子は、新たにできた一つの電子雲11中の何処かに存在していることになる。
【0012】
このように、図8に示す固体素子においては、Jゲート2の電位を操作することによって、あるドナー原子核7bのスピン状態を次々に隣り合ったドナー原子核7aへと伝達することができる。したがって、適切な操作手順を与えることによって、所望の演算操作を行うことが可能になるのである。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の固体素子においては以下のような問題がある。すなわち、第1に、上記固体素子では、ドナー原子核7直上に位置するAゲート1と隣接するドナー原子核7,7の中間上に位置するJゲート2との電位を制御することによって、所望の演算操作を行うようにしている。したがって、Aゲート1を形成する場合には、シリコン単結晶層4をエピタキシャル成長させる途中で所謂デルタドープ法を用いて導入されたドナー原子の上部に形成する必要がある。そこで、導入したドナー原子の位置を検出するのであるが、ドナー原子の位置は表面からの観察では検出できないために、Aゲート1の形成が困難であるという問題がある。延いては、本固体素子の形成が困難であるという問題がある。
【0014】
第2に、上記固体素子においては、電子がドナー原子核7の近傍に束縛されるためには、絶対0度近くの極低温にする必要があり、実用上問題がある。
【0015】
そこで、この発明の目的は、極低温にすることなく電子をドナー原子核近傍に束縛できる製作が容易な量子演算素子、および、この量子演算素子を搭載した集積回路を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第1の発明の量子演算素子は、
基板上に形成された第1絶縁膜と、
上記第1絶縁膜上に配置されたシリコン単結晶微粒子と、
上記第1絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子を挟んで形成された第2絶縁膜と、
上記第2絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子の位置に形成された金属電極を備えて、
上記シリコン単結晶微粒子の中に不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が1個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいる
ことを特徴としている。
【0017】
上記構成によれば、シリコン単結晶微粒子には、情報「0」,「1」の何れかがリン原子核のスピン量子数として保持される。そして、上記スピン量子数を測定することによって上記保持情報が読み出される。その際に、金属電極に電位を与えてリン原子の電子雲を金属電極側に引き寄せておくと、共鳴周波数が変化する。そうすることによって、上記スピン量子数は選択的に測定できる。
【0018】
その際に、ドナー原子としてのリン原子は、シリコン単結晶微粒子中に原子が1個だけ含まれていると見なすことができる濃度で含まれており、ドナー電子はこのシリコン単結晶微粒子が形成するポテンシャル井戸によって束縛されている。そのため、極低温状態にすることなく電子がドナー原子核の近傍に束縛され、実用上問題なく使用される。
【0019】
さらに、上記シリコン単結晶微粒子が量子演算素子のセルを構成しており、上記セルの位置は機械的形状によって決まる。したがって、上記セルが複数在っても、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、金属電極が各ドナー原子上に容易に且つ正確に形成される。
【0020】
また、第2の発明の量子演算素子は、
基板上に形成された第1絶縁膜と、
上記第1絶縁膜上に配列された複数のシリコン単結晶微粒子が互いに接続されてなるシリコン単結晶微粒子列と、
上記第1絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子列を挟んで形成された第2絶縁膜と、
上記第2絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子列の位置に形成された金属膜を備えて、
上記各シリコン単結晶微粒子の中に不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が1個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいる
ことを特徴としている。
【0021】
上記構成によれば、複数のシリコン単結晶微粒子は、互いに接続されて一つのシリコン単結晶微粒子列を構成している。したがって、金属膜に電位を与えた場合には、リンの電子雲は上記金属膜側に引き寄せられて上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に分離される。一方、上記金属膜に電位を与えない場合には、リンの電子雲は上記シリコン単結晶微粒子列内全体に広がる。したがって、上記金属膜の電位を制御することによって、複数のリン原子間での電子を媒体とした原子核スピンの交換が可能になる。
【0022】
さらに、上記第1の発明の場合と同様に、極低温状態にすることなく電子がドナー原子核の近傍に束縛され、実用上問題なく使用できる。また、上記シリコン単結晶微粒子の夫々で成る各セルの位置は機械的形状によって決まるため、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、金属膜が各ドナー原子上に容易に形成される。
【0023】
また、上記第1あるいは第2の発明の量子演算素子は、上記シリコン単結晶微粒子を、同位体28Siと同位体30Siのシリコン原子で構成することが望ましい。
【0024】
上記構成によれば、上記シリコン単結晶微粒子のシリコン原子は、原子核スピン量子数が0の同位体28Si,30Siだけからなっており、原子核スピン量子数が1/2の同位体29Siは含まれていない。したがって、自然同位体は31Pが100%であって原子核スピン量子数は1/2であるリン原子の原子核スピンの違いが容易に検知される。
【0025】
また、上記第1あるいは第2の発明の量子演算素子は、上記各シリコン単結晶微粒子の直径を10nm以下にすることが望ましい。
【0026】
上記構成によれば、上記各シリコン単結晶微粒子の直径は10nm以下であるから、不純物であるリン原子を適切な低濃度で混入すれば、上記ドナー原子としての上記リン原子は、上記各シリコン単結晶微粒子の中に略1個だけ含まれていると見なすことができる。したがって、1個の原子核スピンを独立して操作することができ、量子力学的重ね合わせ状態を利用することができる(1個のシリコン単結晶微粒子の中に複数個のドナー原子核が存在すると、平均値としての操作しかできない)。
【0027】
また、上記第2の発明の量子演算素子は、上記金属膜を、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成することが望ましい。
【0028】
上記構成によれば、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成された金属膜の電位を操作することによって、あるリン原子核のスピン状態が次々に隣り合ったリン原子核へと伝達される。したがって、適切な操作手順を与えることによって、所望の演算操作が行われる。
【0029】
また、第3の発明の集積回路は、上記第1あるいは第2の発明の量子演算素子が搭載された集積回路チップを、磁性体チップで挟んで成ることを特徴としている。
【0030】
上記構成によれば、特別な磁場印加手段を設けることなく、磁性体チップによって、集積回路チップ上の量子演算素子全体に静磁場が与え続けられる。したがって、本集積回路単体で、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能になる。
【0031】
また、第4の発明の集積回路装置は、上記第1あるいは第2の発明の量子演算素子が形成された集積回路チップが搭載された回路基板を、磁性体で挟んで成ることを特徴としている。
【0032】
上記構成によれば、特別な磁場印加手段を設けることなく、磁性体によって、集積回路チップ上の量子演算素子全体に静磁場が与え続けられる。したがって、本集積回路装置単体で、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能になる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0034】
<第1実施の形態>
図1は、本実施の形態の量子演算素子における断面模式図である。シリコン基板21の表面に形成された第1酸化シリコン膜22上に、シリコン単結晶微粒子24〜27が略等間隔に配列されている。さらに、第1酸化シリコン膜22上には、シリコン単結晶微粒子24〜27を挟んで第2酸化シリコン膜23が形成され、この第2酸化シリコン膜23上には、各シリコン単結晶微粒子24〜27の位置に対応して金属電極28〜31が形成されている。
【0035】
上記シリコン単結晶微粒子24〜27の中にはドナー原子としてリン原子32〜35が含まれており、夫々のリン原子32〜35の電子雲は、各シリコン単結晶微粒子24〜27内全体に広がっている。したがって、リン原子32〜35から離脱した電子は自由電子ではあるが、各シリコン単結晶微粒子24〜27中に空間的に閉じ込められており、束縛電子と同様にリン原子32〜35の近傍にしか存在できない。
【0036】
上記シリコン単結晶微粒子24〜27の形成方法としては、例えば特開平11‐97667号公報に開示されているような方法で形成できる。また、金属電極28〜31の形成方法としては、通常の集積回路と同様にフォトリソグラフィで形成できる。あるいは、文献「Inoue,et.al.,Appl.Phys.Lett.,Vol.73,No.14,pp.1976-1978,1998」に開示されている有機分子膜の形成方法を利用して、シリコン単結晶微粒子24〜27上に自己整合的に有機分子膜を形成して金属電極28〜31の形状に成してもよい。特に後者の方法は、シリコン単結晶微粒子24〜27の間隔を狭くした場合に有効である。
【0037】
このように、本実施の形態によれば、上記シリコン単結晶微粒子24〜27の夫々が量子演算素子の基本構造(セル)を構成している。したがって、機械的形状によってセルの位置が決まり、図8に示す従来の固体素子の形成時のように、金属電極28〜31を形成する際にリン原子32〜35の位置を検出する必要がなく、量子演算素子の作成が非常に容易になる。
【0038】
本実施の形態における量子演算素子は、図8に示す従来の固体素子と同様に、ドナー原子核と電子とのコンタクト超微細構造相互作用(コンタクト・ハイパーファイン・インタラクション)を利用する。そのためには、シリコン単結晶微粒子24〜27を構成するシリコンは、同位体28Siと30Siとだけから構成されていなければならない。
【0039】
先ず、図1中における1つのシリコン単結晶微粒子24に関して上記コンタクト超微細構造相互作用の説明を行う。ドナー原子(リン原子)32の原子核の位置を原点とする極座標を考えると、電子の波動関数は関数ψ(r)と表すことができる。ここで、rは原点からの距離である。ドナー原子核と電子との間におけるコンタクト超微細構造相互作用エネルギーの強さは、r=0における電子の存在確率|ψ(0)|2に比例する。したがって、上記コンタクト超微細構造相互作用エネルギーを大きくするためには、電子の存在確率|ψ(0)|2を大きくしなければならない。
【0040】
バルクのシリコン単結晶中においては、室温での電子は自由電子であり、存在確率|ψ(0)|2は事実上0である。この場合、図8に示す従来の固体素子のごとく素子全体を極めて低い温度に保持すれば、電子をドナー原子核に束縛することができ、十分に大きな存在確率|ψ(0)|2を得ることができる。典型的には、絶対温度でT=100mK程度に保持する。この温度においては、電子は最低エネルギー準位(s状態)に束縛されている。ところで、この束縛力は弱く、第1励起準位への励起エネルギーは約15meVであり、温度に換算すると174K程度である。
【0041】
本実施の形態においては、その構造上、電子はシリコン単結晶微粒子24の内部に閉じ込められている。そのことによって、素子全体を極低温に保持しなくとも、電子はシリコン単結晶微粒子24が形成するポテンシャル井戸によって束縛されている。半径aの微粒子中に束縛された電子の波動関数は、半径aが十分小さいために量子サイズ効果が生ずる場合には、基底状態(s状態)の波動関数は
ψ(r)=Nj0(r/a) …(1)
で表される。ここで、j0は、0次の球ベッセル関数
j0(x)=sin(x)(1/x) …(2)
であり、x=0に極大を有する。結局、r=0における電子の存在確率は
|ψ(0)|2∝a-3
となるので、本実施の形態においては、微粒子の半径aを十分小さくすることによって存在確率|ψ(0)|2を大きくできるのである。
【0042】
また、上記s状態における第1励起準位と基底準位とのエネルギー差ΔEは、典型的な素子寸法として半径5nmの場合にΔE=130meV程度であり、絶対温度に換算すると1508Kとなる。すなわち、微粒子半径aを十分小さくすることによって電子の束縛力を強くできるのである。但し、質量は、電子の静止質量をmeo,横質量をmt,有効質量をmeffとして、m=(meff・mt 2)1/3=0.3216meoを用い、r=aでのポテンシャル障壁の深さとしてV0=3.15eVを用いてシュレーディンガーの方程式の動径方程式から解析的に求めた。
【0043】
本実施の形態における量子演算素子は、このようなコンタクト超微細構造相互作用を呈するシリコン単結晶微粒子24〜27でなるセルを併設して構成されている。したがって、個々のセルにおいて安定的にコンタクト超微細構造相互作用を生じさせることができるのである。
【0044】
ここで、本実施の形態における量子演算素子は、夫々のシリコン単結晶微粒子24〜27に「0,1」の情報をリン原子核のスピン量子数として保持するメモリとして機能する。そして、例えばシリコン単結晶微粒子24に保持されている情報を読み出す場合には、金属電極29〜31に電位を与えて、図9に例示するように、シリコン単結晶微粒子25〜27中の電子雲を金属電極29〜31側に引き寄せておく。そして、その状態で上記共鳴周波数を測定することによって、シリコン単結晶微粒子24単独で保持情報を読み出すことができるのである。
【0045】
上述のように、本実施の形態における量子演算素子においては、シリコン基板21上に酸化シリコン膜22を介してシリコン単結晶微粒子24〜27を略等間隔に配列している。そして、シリコン単結晶微粒子24〜27の中にはドナー原子としてリン原子32〜35が含まれており、夫々のリン原子32〜35の電子雲は各シリコン単結晶微粒子24〜27内全体に広がっている。したがって、各シリコン単結晶微粒子24〜27半径を5nm程度に小さくすることによって、コンタクト超微細構造相互作用によって、上記s状態における第1励起準位と基底準位とのエネルギー差ΔEをΔE=130meV程度にでき、バルクのシリコン単結晶中における場合よりも電子を安定的に基底準位状態に留めておくことができるのである。
【0046】
すなわち、本実施の形態によれば、極低温状態にすることなく電子をドナー原子核の近傍に束縛することができ、実用上問題なく使用できるのである。
【0047】
また、本実施の形態における量子演算素子は、上記シリコン単結晶微粒子24〜27の夫々が量子演算素子のセルを構成している。そして、各セルの位置は機械的形状によって決まる。したがって、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、金属電極28〜31の夫々を各ドナー原子32〜35上に容易に形成することができるのである。
【0048】
<第2実施の形態>
図2は、本実施の形態の量子演算素子における断面模式図である。シリコン基板41の表面に形成された第1酸化シリコン膜42上に、シリコン単結晶微粒子列44が形成されている。このシリコン単結晶微粒子列44は、第1実施の形態と同様にして複数個のシリコン単結晶微粒子を略等間隔に配列して成長させる際に、個々のシリコン単結晶微粒子が互いに接触する程度まで成長させることによって形成する。また、第1酸化シリコン膜42上には、シリコン単結晶微粒子列44を挟んで第2酸化シリコン膜43が形成され、この第2酸化シリコン膜43上には、シリコン単結晶微粒子列44の位置に対応して金属電極膜45が形成されている。
【0049】
そして、上記シリコン単結晶微粒子列44を構成する個々のシリコン単結晶微粒子の中には、ドナー原子としてリン原子46〜50が含まれている。本量子演算素子の場合は、シリコン単結晶微粒子の半径を5nm程度に小さくすることによって、金属電極膜45に電位を与えない状態では、図2(b)に示すように、夫々のリン原子46〜50の電子雲は、シリコン単結晶微粒子列44内全体に広がっている。
【0050】
図3は、図2における上記シリコン単結晶微粒子列44の部分だけを示している。図3(a)は、金属電極膜45に電位を与えた場合の電子雲の状態を示している。また、図3(b)は、金属電極膜45に電位を与えない場合(図2(b)に相当)の電子雲の状態を示している。
【0051】
図3(a)に示すように、上記金属電極膜45に電位を与えた場合には、電子雲51は金属電極膜45側に引かれて、シリコン単結晶微粒子列44を構成する各シリコン単結晶微粒子の境界部分の凸部44aで電子雲51が分離される。その場合、金属電極膜45は、シリコン単結晶微粒子列44を構成する全シリコン単結晶微粒子上に均等に形成されている。したがって、電子雲51は全シリコン単結晶微粒子の個所に均等に分配されることになる。これに対して、図3(b)に示すように、上記金属電極膜45に電位を与えない場合には、電子雲52は、シリコン単結晶微粒子列44内全体に広がっている。
【0052】
そこで、上記金属電極膜45を、第1実施の形態のごとく、上記シリコン単結晶微粒子列44を構成する各シリコン単結晶微粒子に対応して複数形成すれば、夫々の金属電極の電位を独立して操作することによって、シリコン単結晶微粒子列44を構成して隣り合っているシリコン単結晶微粒子中の原子核スピン間での交換相互作用の大きさを調整することができる。すなわち、例えば、ドナー原子(リン原子)46の原子核のスピン状態を隣り合ったドナー原子47の原子核へと伝達することができる。したがって、適切な電位の操作手順を与えることによって、所望の演算操作を行うことができるのである。
【0053】
尚、その場合に、制御電極としては図8に示す従来のAゲート1に相当する夫々の金属電極のみで事足りる。したがって、従来のJゲート2に相当する制御電極は不要になる。
【0054】
ところで、図2に示す量子演算素子においては、上記金属電極膜45を、シリコン単結晶微粒子列44を構成する全シリコン単結晶微粒子上に均等に形成している。しかしながら、この発明においては、金属電極膜とシリコン単結晶微粒子列との位置関係は図2に示すような位置関係にある必要はなく、図4のような位置関係にあっても特に支障はない。その場合には、シリコン単結晶微粒子の成長時に、各シリコン単結晶微粒子同士が十分に接触するような成長条件を使用することができる。尚、61はシリコン基板、62,63は酸化シリコン膜、64はシリコン単結晶微粒子列、65は金属電極膜、66はドナー原子(リン原子)である。
【0055】
また、図5に示すように、金属電極膜71をシリコン単結晶微粒子列72を部分的に覆うように形成してもよい。その場合には、シリコン単結晶微粒子の成長時に、シリコン単結晶微粒子の成長核の数が多い成長条件を使用することができる。また、図6に示すように、1つの金属電極膜75を複数のシリコン単結晶微粒子列76,77の全体を覆うように形成してもよい。その場合には、シリコン単結晶微粒子の成長時に、シリコン単結晶微粒子の成長核の数が少ない成長条件を使用することができる。
【0056】
尚、上記第1実施の形態および第2実施の形態において、各シリコン単結晶微粒子の直径を10nm以下に形成した場合には、不純物原子であるリン原子を適切な低濃度で混入すれば、上記ドナー原子としてのリン原子は、夫々のシリコン単結晶微粒子の中に略1個だけ含まれていると見なすことができる。したがって、その場合には1個の原子核スピンを独立して操作することができ、量子力学的重ね合わせ状態を利用することができる。
【0057】
これに対して、各シリコン単結晶微粒子の直径を10nmよりも大きく形成した場合には、夫々のシリコン単結晶微粒子中に略1個だけのリン原子が存在する程度にするには、不純物原子であるリン原子を極めて低い濃度で混入しなければならず、濃度制御が困難となる。したがって、1個のシリコン単結晶微粒子の中に複数個のドナー原子核が存在することになり、平均値としての操作を行うことになる。
【0058】
<第3実施の形態>
図7は、本実施の形態における俯瞰図である。第1,第2実施の形態における量子演算素子は、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スビンの操作を行う場合には、素子全体に静磁場を与え続ける必要がある。
【0059】
そこで、本実施の形態においては、第1,第2実施の形態のごとく通常の集積回路技術を用いて量子演算素子が形成された集積回路チップ81を、磁性体チップ82,83で挾んで接着するのである。こうすることによって、集積回路チップ81の中に作り込まれた量子演算素子に、安定的に静磁場を与えることができるのである。
【0060】
また、上記第1,第2実施の形態における量子演算素子が形成された集積回路チップのみが回路基板に載置されている場合には、当該回路基板全体を磁性体で挟んで接着してもよい。
【0061】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第1の発明の量子演算素子は、基板上に形成された第1絶縁膜上にシリコン単結晶微粒子を配置し、さらに上記シリコン単結晶微粒子を挟んで第2絶縁膜を形成し、この第2絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子の位置に金属電極を形成し、上記シリコン単結晶微粒子の中に不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が1個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいるので、ドナー原子としてのリン電子は上記シリコン単結晶微粒子が形成するポテンシャル井戸によって束縛されている。したがって、極低温状態にすることなく電子をドナー原子核の近傍に束縛することができ、実用上問題なく使用できる。
【0062】
さらに、上記シリコン単結晶微粒子が本量子演算素子のセルを構成しており、上記セルの位置は機械的形状によって決まる。したがって、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、上記金属電極を各ドナー原子上に容易に且つ正確に形成することができる。延いては、本量子演算素子を容易に形成できるのである。
【0063】
さらに、上記金属電極に電位を与えれば、上記シリコン単結晶微粒子中のリン原子の電子雲を上記金属電極側に引き寄せておくことができる。したがって、上記金属電極に電位を与えることによって、上記リン原子核の共鳴周波数を変調でき、所望の位置にあるセルに対して論理操作や読み出し,書き込み操作を選択的に実行できるのである。
【0064】
また、第2の発明の量子演算素子は、基板上に形成された第1絶縁膜上に、複数のシリコン単結晶微粒子が互いに接続されてなるシリコン単結晶微粒子列を配置し、さらに上記シリコン単結晶微粒子列を挟んで第2絶縁膜を形成し、この第2絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子列の位置に金属膜を形成し、上記各シリコン単結晶微粒子の中に不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が1個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいるので、請求項1の場合と同様に、極低温状態にすることなく電子をドナー原子核の近傍に束縛でき、実用上問題なく使用できる。また、上記シリコン単結晶微粒子で成る各セルの位置は機械的形状によって決まるので、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、上記金属膜を各ドナー原子上に容易に形成することができる。延いては、本量子演算素子を容易に形成できるのである。
【0065】
さらに、上記金属膜に電位を与えた場合には、リンの電子雲は上記金属膜側に引き寄せられて上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に分離される一方、上記金属膜に電位を与えない場合には、リンの電子雲は上記シリコン単結晶微粒子列全体に広がるので、上記金属膜の電位を制御することによって、複数のリン原子間での電子を媒体とした原子核スピンの交換を可能にできる。
【0066】
また、上記第1あるいは第2の発明の量子演算素子は、上記シリコン単結晶微粒子を、同位体28Siと同位体30Siとのシリコン原子で構成すれば、上記シリコン単結晶微粒子には、原子核スピン量子数が1/2の同位体29Siは含まれていない。したがって、自然同位体は31Pが100%であって原子核スピン量子数は1/2であるリン原子の原子核スピンの違いを、容易に検知することができる。
【0067】
また、上記第1あるいは第2の発明の量子演算素子は、上記各シリコン単結晶微粒子の直径を10nm以下にした場合には、不純物原子であるリン原子を適切な低濃度で混入すれば、上記ドナー原子は上記各シリコン単結晶微粒子の中に略1個だけ含まれていると見なすことができる。したがって、1個の原子核スピンを独立して操作することができ、量子力学的重ね合わせ状態を利用することができるのである。
【0068】
また、上記第2の発明の量子演算素子は、上記金属膜を、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成すれば、上記複数の金属膜の電位を操作することによって、あるリン原子核のスピン状態を次々に隣り合ったリン原子核へ伝達することができる。したがって、適切な操作手順を与えることによって、所望の演算操作を行うことができる。
【0069】
また、第3の発明の集積回路は、上記第1あるいは第2の発明の量子演算素子が搭載された集積回路チップを、磁性体チップで挟んでいるので、特別な磁場印加手段を設けることなく、また電力を要さずに、上記磁性体チップによって、上記集積回路チップ上の量子演算素子全体に静磁場を安定して与え続けることができる。すなわち、この発明によれば、本集積回路単体で、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能である。
【0070】
また、第4の発明の集積回路装置は、上記第1あるいは第2の発明の量子演算素子が形成された集積回路チップが搭載された回路基板を、磁性体で挟んでいるので、特別な磁場印加手段を設けることなく、上記磁性体によって、上記集積回路チップ上の量子演算素子全体に静磁場を安定して与え続けることができる。したがって、この発明によれば、本集積回路装置単体で、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の量子演算素子における断面模式図である。
【図2】 図1とは異なる量子演算素子の断面模式図である。
【図3】 図2における電子雲の状態変化を示す図である。
【図4】 図2とは異なる金属電極膜とシリコン単結晶微粒子列との位置関係を示す図である。
【図5】 図2および図4とは異なる金属電極膜とシリコン単結晶微粒子列との位置関係を示す図である。
【図6】 図2,図4および図5とは異なる金属電極膜とシリコン単結晶微粒子列との位置関係を示す図である。
【図7】 図1〜図6に示す量子演算素子が形成された集積回路チップを磁性体チップで挾んで接着した回路チップを示す図である。
【図8】 従来の電子‐核二重共鳴現象を利用した固体素子の構造を示す図である。
【図9】 図8におけるAゲートに電位を与え、さらに一方のJゲートに電位を与えた場合の電子雲の状態を示す図である。
【符号の説明】
21,41,61…シリコン基板、
22,23,42,43,62,63…酸化シリコン膜、
24〜27…シリコン単結晶微粒子、
28〜31…金属電極、
32〜35,46〜50,66…ドナー原子(リン原子)、
44,64,72,76,77…シリコン単結晶微粒子列、
45,65,71,75…金属電極膜、
51,52…電子雲、
81…集積回路チップ、
82,83…磁性体チップ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a quantum operation element that performs an operation by utilizing an interaction between an electron spin and a nuclear spin, and an integrated circuit on which the quantum operation element is mounted.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, with the progress of microfabrication technology, mass production of semiconductor integrated circuits having a minimum processing line width of 250 nm to 180 nm has become possible. The microfabrication technology will continue to be updated every three to four years, and development plans for semiconductor integrated circuits having a minimum processing line width of about 30 nm have been made. At the experimental level, a minimum processing line width of about 10 nm is possible.
[0003]
  On the other hand, in the field of solid state physics, it is known that a so-called electron-nuclear double resonance phenomenon occurs between a nucleus of an impurity atom in a solid and an electron captured by the nucleus.
[0004]
  Conventionally, as a solid-state device utilizing the above-described electron-nuclear double resonance phenomenon, one having an element structure shown in FIG. 8 is known (BEKane, “A silicon-based nuclear spin quantum computer” Nature, vol. 393, pp.133-137, 14 May 1998.).
[0005]
  In FIG. 8, 1 is a gate called A gate, and 2 is a gate called J gate. Reference numerals 3 and 5 denote insulator layers, and reference numeral 4 denotes a silicon single crystal layer. Reference numeral 6 denotes a support substrate. Silicon atoms in the silicon single crystal layer 4 are isotopes having a nuclear spin quantum number of 028Si,30An isotope consisting only of Si and having a nuclear spin quantum number of 1/229Si has been removed.
[0006]
  Further, donor nuclei 7 are introduced into the silicon single crystal layer 4. The natural isotope of the phosphorus atom31P is 100% and the nuclear spin quantum number is 1/2. Therefore, by using a phosphorus atom nucleus as the donor nucleus 7 introduced into the silicon single crystal layer 4, the nuclear spin can be measured. When this solid-state device is placed at a sufficiently low temperature, free electrons are bound around the donor nucleus 7. Reference numeral 8 denotes a probability density of a wave function of electrons bound to the donor nucleus 7 (a so-called electron cloud, which will be referred to as an electron cloud hereinafter).
[0007]
  The phosphorus atom becomes a donor in silicon. There are 5 electrons in the donor atom, 4 of which are included in the covalent bond of the crystal and become diamagnetic, but the 5th electron is a paramagnetic center with spin S = 1/2. Have been caught. The wave function of the donor electron not only occupies the central donor atom, but extends over several hundred silicon atoms. The nuclear spin of silicon further adds hyperfine structure. This phenomenon can be observed as an electron spin and nuclear magnetic double resonance (ENDOR).
[0008]
  Static magnetic field B0Under, the energy level of an ion is mainly determined by the Zeeman energy splitting of the electron level. In other words, electron spin quantum number ms= ± 1/2 determines the high energy level and the low energy level. Hyperfine interactions break up energy levels more finely. In other words, nuclear spin quantum number ml= ± 1/2, it can be divided into a high energy level and a low energy level. There are two types of electron transitions, and they have a nuclear spin quantum number of ml= M with case of -1/2lThis corresponds to the case of = + 1/2. Let ω be the frequency of each transition1, ω2Then ω1= ΓB0-A / 2 (h / 2π), ω2= ΓB0+ A / 2 (h / 2π). Ω1Is ml= M for -1/2s= Transition between ± 1/2 and ω2Is ml= M when +1/2s= Transition between ± 1/2. Here, a is a hyperfine structure constant, γ is a constant and a gyromagnetic ratio, and h is a Planck's constant.
[0009]
  In such a state, the sum of the nuclear spin angular momentum of the donor nucleus 7 and the electron spin angular momentum of the electrons is preserved according to the law of conservation of angular momentum. The electron spin and the nuclear spin have a correlation with each other by so-called hyperfine interaction (for example, “Introduction to Solid State Physics (below)” by Maruzen).
[0010]
  As is well known, a spin is a physical quantity quantized into two states, and can have quantum numbers of +1/2 and -1/2. As a result, when the solid state device shown in FIG. 8 is placed in a constant static magnetic field, a difference in spin appears as a difference in resonance frequency. Therefore, when either the information “0” or the information “1” is assigned to the spin quantum numbers “+1/2” and “−1/2” of the phosphorus nucleus, The contents of the information stored in the solid state element can be known.
[0011]
  FIG. 9A shows a state in which the potential of the A gate 1 in the solid state device shown in FIG. 8 is increased. The electron clouds 9a and 9b are attracted to the A gate 1 side. At this time, when the potential of one of the J gates 2a is further increased, as shown in FIG. 9B, the end portions of the two electron clouds 10a and 10b overlap each other under the J gate 2a. Note that the potential of the other J gate 2b is not increased. In this case, since the electron cloud 10a and the electron cloud 10b overlap each other to form one electron cloud 11, the electrons originally restrained individually by the electron cloud 9a and the electron cloud 9b are newly created. One electron cloud 11 exists somewhere.
[0012]
  As described above, in the solid-state device shown in FIG. 8, by manipulating the potential of the J gate 2, the spin state of a certain donor nucleus 7b can be successively transmitted to the adjacent donor nucleus 7a. Therefore, it is possible to perform a desired calculation operation by giving an appropriate operation procedure.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the conventional solid element has the following problems. That is, first, in the solid-state device, a desired calculation is performed by controlling the potential between the A gate 1 positioned immediately above the donor nucleus 7 and the J gate 2 positioned between the adjacent donor nuclei 7 and 7. The operation is performed. Therefore, when forming the A gate 1, it is necessary to form it on the upper part of the donor atom introduced by using a so-called delta doping method during the epitaxial growth of the silicon single crystal layer 4. Therefore, although the position of the introduced donor atom is detected, there is a problem that it is difficult to form the A gate 1 because the position of the donor atom cannot be detected by observation from the surface. As a result, there is a problem that it is difficult to form the solid element.
[0014]
  Secondly, in the solid state device, in order for electrons to be bound in the vicinity of the donor nucleus 7, it is necessary to make the temperature extremely low near 0 degrees, which is problematic in practice.
[0015]
  SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a quantum arithmetic element that can easily bind electrons to the vicinity of a donor nucleus without making the temperature extremely low, and an integrated circuit equipped with the quantum arithmetic element.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the quantum arithmetic element of the first invention is
  A first insulating film formed on the substrate;
  Silicon single crystal fine particles disposed on the first insulating film;
  A second insulating film formed on the first insulating film with the silicon single crystal fine particles interposed therebetween;
  A metal electrode formed on at least the position of the silicon single crystal fine particles on the second insulating film;
  In the silicon single crystal fine particles,As an impurityThe concentration of the silicon single crystal fine particles can be regarded as containing only one atom.Contains phosphorus atoms
It is characterized by that.
[0017]
  According to the above configuration, either information “0” or “1” is held as the spin quantum number of the phosphorus nucleus in the silicon single crystal fine particles. The retained information is read by measuring the spin quantum number. At that time, if a potential is applied to the metal electrode to draw an electron cloud of phosphorus atoms toward the metal electrode, the resonance frequency changes. By doing so, the spin quantum number can be selectively measured.
[0018]
  At that time, phosphorus atoms as donor atoms are contained in the silicon single crystal fine particles.At a concentration that can be considered to contain only one atomThe donor electrons are constrained by the potential well formed by the silicon single crystal fine particles. For this reason, electrons are constrained in the vicinity of the donor nucleus without being brought into a cryogenic state, and can be used without any problem in practice.
[0019]
  Furthermore, the silicon single crystal fine particles constitute a cell of a quantum arithmetic element, and the position of the cell is determined by the mechanical shape. Therefore, even if there are a plurality of the cells, the metal electrode can be easily and accurately formed on each donor atom by using the conventional photolithography technique or self-alignment technique.
[0020]
  The quantum arithmetic element of the second invention is
  A first insulating film formed on the substrate;
  A single-crystal silicon particle array in which a plurality of single-crystal silicon particles arranged on the first insulating film are connected to each other;
  A second insulating film formed on the first insulating film with the silicon single crystal fine particle rows interposed therebetween;
  A metal film formed on at least the position of the silicon single crystal fine particle row on the second insulating film;
  In each of the above silicon single crystal fine particles,As an impurityThe concentration of the silicon single crystal fine particles can be regarded as containing only one atom.Contains phosphorus atoms
It is characterized by that.
[0021]
  According to the above configuration, the plurality of silicon single crystal fine particles are connected to each other to form one silicon single crystal fine particle row. Therefore, when an electric potential is applied to the metal film, the electron cloud of phosphorus is attracted to the metal film side and separated into each of the silicon single crystal particles constituting the silicon single crystal particle array. On the other hand, when no potential is applied to the metal film, the electron cloud of phosphorus spreads throughout the silicon single crystal particle array. Therefore, by controlling the potential of the metal film, it becomes possible to exchange nuclear spins using electrons as a medium between a plurality of phosphorus atoms.
[0022]
  Further, as in the case of the first invention, electrons are constrained in the vicinity of the donor nucleus without being brought to a cryogenic state, and can be used without any problem in practice. In addition, since the position of each cell composed of each of the silicon single crystal fine particles is determined by the mechanical shape, a metal film can be easily formed on each donor atom using a conventional photolithography technique or self-alignment technique.
[0023]
  The quantum arithmetic element according to the first or second aspect of the present invention is the isotopic isotope of the silicon single crystal fine particles.28Si and isotopes30It is desirable to use Si silicon atoms.
[0024]
  According to the above configuration, the silicon atom of the silicon single crystal fine particle is an isotope having a nuclear spin quantum number of 0.28Si,30An isotope consisting only of Si and having a nuclear spin quantum number of 1/229Si is not included. Therefore, natural isotopes31A difference in the nuclear spin of a phosphorus atom having P of 100% and a nuclear spin quantum number of 1/2 is easily detected.
[0025]
  In the quantum arithmetic element according to the first or second invention, it is desirable that the diameter of each silicon single crystal fine particle is 10 nm or less.
[0026]
  According to the above configuration, since the diameter of each silicon single crystal fine particle is 10 nm or less, if phosphorus atoms as impurities are mixed at an appropriate low concentration, the phosphorus atoms as the donor atoms are converted into the silicon single crystals. It can be considered that only one crystal fine particle is contained. Therefore, one nuclear spin can be manipulated independently and the quantum mechanical superposition state can be used (if there are multiple donor nuclei in one silicon single crystal fine particle, the average Can only be manipulated as a value).
[0027]
  In the quantum arithmetic element according to the second aspect of the present invention, it is desirable to form a plurality of the metal films corresponding to each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle array.
[0028]
  According to the above configuration, the spin states of certain phosphorus nuclei are successively adjacent to each other by manipulating the potential of the plurality of metal films formed corresponding to each of the silicon single crystal particles constituting the silicon single crystal particle array. It is transmitted to the matching phosphorus nucleus. Therefore, a desired calculation operation is performed by giving an appropriate operation procedure.
[0029]
  An integrated circuit according to a third aspect of the invention is characterized in that an integrated circuit chip on which the quantum arithmetic element according to the first or second aspect of the invention is mounted is sandwiched between magnetic chips.
[0030]
  According to the above configuration, a static magnetic field can be continuously applied to the entire quantum arithmetic element on the integrated circuit chip by the magnetic chip without providing any special magnetic field applying means. Therefore, it becomes possible to manipulate the nuclear spin using the contact hyperfine interaction with this integrated circuit alone.
[0031]
  An integrated circuit device according to a fourth aspect of the invention is a circuit on which an integrated circuit chip on which the quantum arithmetic element of the first or second aspect of the invention is formed is mountedsubstrateIs characterized by being sandwiched between magnetic materials.
[0032]
  According to the above configuration, a static magnetic field can be continuously applied to the entire quantum arithmetic element on the integrated circuit chip by the magnetic body without providing a special magnetic field applying unit. Therefore, the nuclear spin can be manipulated by using the contact hyperfine interaction with the integrated circuit device alone.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0034]
  <First embodiment>
  FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the quantum arithmetic element according to the present embodiment. On the first silicon oxide film 22 formed on the surface of the silicon substrate 21, silicon single crystal fine particles 24 to 27 are arranged at substantially equal intervals. Further, a second silicon oxide film 23 is formed on the first silicon oxide film 22 with the silicon single crystal fine particles 24 to 27 interposed therebetween. On the second silicon oxide film 23, the silicon single crystal fine particles 24 to 27 are formed. Corresponding to the position 27, metal electrodes 28 to 31 are formed.
[0035]
  The silicon single crystal fine particles 24-27 contain phosphorus atoms 32-35 as donor atoms, and the electron clouds of the respective phosphorus atoms 32-35 spread throughout the silicon single crystal fine particles 24-27. ing. Therefore, although the electrons separated from the phosphorus atoms 32 to 35 are free electrons, they are spatially confined in the silicon single crystal fine particles 24 to 27 and are only in the vicinity of the phosphorus atoms 32 to 35 like the bound electrons. Cannot exist.
[0036]
  As a method for forming the silicon single crystal fine particles 24 to 27, for example, a method as disclosed in JP-A-11-97667 can be used. Further, the metal electrodes 28 to 31 can be formed by photolithography in the same manner as a normal integrated circuit. Alternatively, using the method for forming an organic molecular film disclosed in the literature “Inoue, et.al., Appl. Phys. Lett., Vol. 73, No. 14, pp. 1976-1978, 1998” An organic molecular film may be formed on the silicon single crystal fine particles 24 to 27 in a self-aligning manner to form the metal electrodes 28 to 31. In particular, the latter method is effective when the interval between the silicon single crystal fine particles 24 to 27 is narrowed.
[0037]
  Thus, according to the present embodiment, each of the silicon single crystal fine particles 24 to 27 constitutes the basic structure (cell) of the quantum operation element. Therefore, the position of the cell is determined by the mechanical shape, and it is not necessary to detect the positions of the phosphorus atoms 32 to 35 when forming the metal electrodes 28 to 31 as in the formation of the conventional solid element shown in FIG. Therefore, it becomes very easy to create a quantum operation element.
[0038]
  As in the conventional solid state device shown in FIG. 8, the quantum arithmetic element in the present embodiment utilizes contact hyperfine structure interaction (contact hyperfine interaction) between donor nuclei and electrons. For this purpose, silicon constituting the silicon single crystal fine particles 24 to 27 is an isotope.28Si and30It must consist only of Si.
[0039]
  First, the contact hyperfine structure interaction will be described with respect to one silicon single crystal fine particle 24 in FIG. Considering polar coordinates whose origin is the position of the nucleus of the donor atom (phosphorus atom) 32, the wave function of electrons can be expressed as a function ψ (r). Here, r is the distance from the origin. The strength of the contact hyperfine interaction energy between the donor nucleus and the electron is the electron existence probability at r = 0 | ψ (0) |2Is proportional to Therefore, in order to increase the contact hyperfine structure interaction energy, the existence probability of electrons | ψ (0) |2Must be increased.
[0040]
  In bulk silicon single crystals, electrons at room temperature are free electrons, and the existence probability | ψ (0) |2Is virtually zero. In this case, if the entire device is kept at a very low temperature as in the conventional solid-state device shown in FIG. 8, electrons can be bound to the donor nucleus, and a sufficiently large existence probability | ψ (0) |2Can be obtained. Typically, the absolute temperature is maintained at about T = 100 mK. At this temperature, the electrons are bound to the lowest energy level (s state). By the way, the binding force is weak, the excitation energy to the first excitation level is about 15 meV, and is about 174K when converted to temperature.
[0041]
  In the present embodiment, due to the structure, electrons are confined inside the silicon single crystal fine particles 24. As a result, electrons are constrained by the potential well formed by the silicon single crystal fine particles 24 even if the entire device is not kept at a very low temperature. The wave function of an electron confined in a fine particle of radius a is the ground state (s state) wave function when the quantum size effect occurs because the radius a is sufficiently small.
                ψ (r) = Nj0(r / a) (1)
It is represented by Where j0Is the 0th order spherical Bessel function
                j0(x) = sin (x) (1 / x) (2)
And has a maximum at x = 0. After all, the existence probability of electrons at r = 0 is
                  | ψ (0) |2∝a-3
Therefore, in the present embodiment, the existence probability | ψ (0) |2Can be increased.
[0042]
  The energy difference ΔE between the first excited level and the ground level in the s state is about ΔE = 130 meV when the radius is 5 nm as a typical element dimension, and becomes 1508 K when converted to an absolute temperature. That is, the electron binding force can be increased by making the particle radius a sufficiently small. However, the mass is the static mass of electrons meo, Transverse mass in mt, MeffM = (meff・ Mt 2)1/3= 0.3216meoAnd the potential barrier depth at r = a is V0= 3.15 eV was used analytically from the radial equation of Schroedinger's equation.
[0043]
  The quantum arithmetic element in the present embodiment is configured with cells made of silicon single crystal fine particles 24 to 27 exhibiting such contact hyperfine structure interaction. Therefore, it is possible to stably generate contact hyperfine structure interactions in individual cells.
[0044]
  Here, the quantum arithmetic element in the present embodiment functions as a memory that holds information of “0, 1” as the spin quantum number of the phosphorus nucleus in each of the silicon single crystal fine particles 24 to 27. For example, when reading the information held in the silicon single crystal fine particles 24, an electric potential is applied to the metal electrodes 29 to 31, and the electron clouds in the silicon single crystal fine particles 25 to 27 are exemplified as shown in FIG. 9. Is drawn toward the metal electrodes 29-31. Then, by holding the resonance frequency in that state, the retained information can be read out by the silicon single crystal fine particles 24 alone.
[0045]
  As described above, in the quantum arithmetic element according to the present embodiment, the silicon single crystal fine particles 24 to 27 are arranged on the silicon substrate 21 with the silicon oxide film 22 interposed at substantially equal intervals. The silicon single crystal fine particles 24 to 27 contain phosphorus atoms 32 to 35 as donor atoms, and the electron clouds of the respective phosphorus atoms 32 to 35 spread throughout the silicon single crystal fine particles 24 to 27. ing. Therefore, by reducing the radius of each silicon single crystal fine particle 24 to 27 to about 5 nm, the energy difference ΔE between the first excited level and the ground level in the s state is set to ΔE = 130 meV by the contact hyperfine structure interaction. The electrons can be kept in the ground level state more stably than in the bulk silicon single crystal.
[0046]
  That is, according to the present embodiment, electrons can be bound in the vicinity of the donor nucleus without being brought into a cryogenic state, and can be used without any problem in practice.
[0047]
  In the quantum operation element in the present embodiment, each of the silicon single crystal fine particles 24 to 27 constitutes a cell of the quantum operation element. The position of each cell is determined by the mechanical shape. Therefore, each of the metal electrodes 28 to 31 can be easily formed on each of the donor atoms 32 to 35 by using a conventional photolithography technique or a self-alignment technique.
[0048]
  <Second Embodiment>
  FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the quantum arithmetic element according to the present embodiment. On the first silicon oxide film 42 formed on the surface of the silicon substrate 41, a silicon single crystal particle array 44 is formed. The silicon single crystal fine particle array 44 is formed in such a manner that when a plurality of silicon single crystal fine particles are grown at substantially equal intervals in the same manner as in the first embodiment, the individual silicon single crystal fine particles come into contact with each other. Form by growing. Further, a second silicon oxide film 43 is formed on the first silicon oxide film 42 with the silicon single crystal particle rows 44 interposed therebetween, and the position of the silicon single crystal particle rows 44 is formed on the second silicon oxide film 43. A metal electrode film 45 is formed corresponding to the above.
[0049]
  The individual silicon single crystal particles constituting the silicon single crystal particle array 44 contain phosphorus atoms 46 to 50 as donor atoms. In the case of the present quantum arithmetic element, by reducing the radius of the silicon single crystal fine particles to about 5 nm, each phosphorus atom 46 is not applied to the metal electrode film 45 as shown in FIG. The electron cloud of ˜50 extends throughout the silicon single crystal fine particle array 44.
[0050]
  FIG. 3 shows only the portion of the silicon single crystal particle row 44 in FIG. FIG. 3A shows the state of the electron cloud when a potential is applied to the metal electrode film 45. FIG. 3B shows the state of the electron cloud when no potential is applied to the metal electrode film 45 (corresponding to FIG. 2B).
[0051]
  As shown in FIG. 3A, when a potential is applied to the metal electrode film 45, the electron cloud 51 is attracted to the metal electrode film 45 side, and each silicon single crystal constituting the silicon single crystal fine particle array 44 is drawn. The electron cloud 51 is separated by the convex portion 44a at the boundary of the crystal fine particles. In that case, the metal electrode film 45 is uniformly formed on all the silicon single crystal particles constituting the silicon single crystal particle row 44. Therefore, the electron cloud 51 is evenly distributed to all the silicon single crystal fine particles. On the other hand, as shown in FIG. 3B, when no potential is applied to the metal electrode film 45, the electron cloud 52 extends throughout the silicon single crystal particle array 44.
[0052]
  Therefore, if a plurality of the metal electrode films 45 are formed corresponding to each silicon single crystal fine particle constituting the silicon single crystal fine particle row 44 as in the first embodiment, the potential of each metal electrode is made independent. As a result, the magnitude of the exchange interaction between the nuclear spins in the silicon single crystal fine particles adjacent to each other constituting the silicon single crystal fine particle array 44 can be adjusted. That is, for example, the spin state of the nucleus of the donor atom (phosphorus atom) 46 can be transmitted to the nucleus of the adjacent donor atom 47. Therefore, a desired calculation operation can be performed by giving an operation procedure of an appropriate potential.
[0053]
  In this case, only the metal electrodes corresponding to the conventional A gate 1 shown in FIG. Therefore, a control electrode corresponding to the conventional J gate 2 is not necessary.
[0054]
  Incidentally, in the quantum arithmetic element shown in FIG. 2, the metal electrode film 45 is uniformly formed on all the silicon single crystal particles constituting the silicon single crystal particle array 44. However, in the present invention, the positional relationship between the metal electrode film and the silicon single crystal fine particle row does not have to be as shown in FIG. 2, and there is no particular problem even if the positional relationship as shown in FIG. . In that case, the growth conditions can be used such that the silicon single crystal fine particles are sufficiently in contact with each other during the growth of the silicon single crystal fine particles. Reference numeral 61 denotes a silicon substrate, 62 and 63 denote silicon oxide films, 64 denotes a silicon single crystal fine particle array, 65 denotes a metal electrode film, and 66 denotes donor atoms (phosphorus atoms).
[0055]
  Further, as shown in FIG. 5, the metal electrode film 71 may be formed so as to partially cover the silicon single crystal fine particle array 72. In that case, a growth condition with a large number of growth nuclei of the silicon single crystal fine particles can be used during the growth of the silicon single crystal fine particles. Further, as shown in FIG. 6, one metal electrode film 75 may be formed so as to cover the whole of the plurality of silicon single crystal fine particle rows 76 and 77. In that case, a growth condition with a small number of growth nuclei of the silicon single crystal fine particles can be used during the growth of the silicon single crystal fine particles.
[0056]
  In the first embodiment and the second embodiment, when each silicon single crystal fine particle is formed to have a diameter of 10 nm or less, if phosphorus atoms as impurity atoms are mixed at an appropriate low concentration, It can be considered that only one phosphorus atom as a donor atom is contained in each silicon single crystal fine particle. Therefore, in that case, one nuclear spin can be operated independently, and the quantum mechanical superposition state can be utilized.
[0057]
  On the other hand, when the diameter of each silicon single crystal fine particle is formed to be larger than 10 nm, in order to make only one phosphorus atom exist in each silicon single crystal fine particle, an impurity atom is used. Certain phosphorus atoms must be mixed in at a very low concentration, making concentration control difficult. Therefore, a plurality of donor nuclei exist in one silicon single crystal fine particle, and an operation as an average value is performed.
[0058]
  <Third Embodiment>
  FIG. 7 is an overhead view in the present embodiment. The quantum arithmetic elements in the first and second embodiments need to continue to apply a static magnetic field to the entire element when manipulating nuclear spins using contact hyperfine interactions.
[0059]
  Therefore, in the present embodiment, as in the first and second embodiments, the integrated circuit chip 81 in which the quantum operation element is formed using the normal integrated circuit technology is sandwiched between the magnetic chips 82 and 83 and bonded. To do. By doing so, a static magnetic field can be stably applied to the quantum operation element built in the integrated circuit chip 81.
[0060]
  In addition, only the integrated circuit chip on which the quantum arithmetic element in the first and second embodiments is formed is a circuit.substrateIf it is mounted onsubstrateThe entirety may be sandwiched between magnetic materials and bonded.
[0061]
【The invention's effect】
  As is clear from the above, the quantum arithmetic element according to the first aspect of the present invention has the silicon single crystal fine particles arranged on the first insulating film formed on the substrate, and further the second insulating film sandwiched between the silicon single crystal fine particles. And forming a metal electrode on at least the position of the silicon single crystal fine particles on the second insulating film,,As an impurityThe concentration of the silicon single crystal fine particles can be regarded as containing only one atom.Since phosphorus atoms are included, phosphorus electrons as donor atoms are bound by the potential well formed by the silicon single crystal fine particles. Therefore, electrons can be bound to the vicinity of the donor nucleus without being brought into a cryogenic state, and can be used without any problem in practice.
[0062]
  Furthermore, the silicon single crystal fine particles constitute a cell of the present quantum arithmetic element, and the position of the cell is determined by the mechanical shape. Therefore, the metal electrode can be easily and accurately formed on each donor atom by using a conventional photolithography technique or self-alignment technique. As a result, this quantum arithmetic element can be easily formed.
[0063]
  Furthermore, if a potential is applied to the metal electrode, an electron cloud of phosphorus atoms in the silicon single crystal fine particles can be attracted to the metal electrode side. Therefore, by applying a potential to the metal electrode, the resonance frequency of the phosphorus nucleus can be modulated, and a logical operation, a read operation, and a write operation can be selectively performed on a cell at a desired position.
[0064]
  In the quantum arithmetic element according to the second aspect of the present invention, a silicon single crystal fine particle array in which a plurality of silicon single crystal fine particles are connected to each other is disposed on a first insulating film formed on a substrate, and the silicon single crystal A second insulating film is formed across the crystal particle rows, and a metal film is formed at least at the position of the silicon single crystal particle rows on the second insulating film.,As an impurityThe concentration of the silicon single crystal fine particles can be regarded as containing only one atom.Since it contains phosphorus atoms, as in the case of claim 1, electrons can be bound in the vicinity of donor nuclei without being brought into a cryogenic state, and can be used without any problem in practice. Further, since the position of each cell composed of the silicon single crystal fine particles is determined by the mechanical shape, the metal film can be easily formed on each donor atom by using a conventional photolithography technique or self-alignment technique. . As a result, this quantum arithmetic element can be easily formed.
[0065]
  Further, when an electric potential is applied to the metal film, the electron cloud of phosphorus is attracted to the metal film side and separated into each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle array, When no potential is applied to the metal film, the electron cloud of phosphorus spreads over the entire silicon single crystal fine particle array. Therefore, by controlling the potential of the metal film, electrons between a plurality of phosphorus atoms are used as a medium. Allows exchange of nuclear spins.
[0066]
  The quantum arithmetic element according to the first or second aspect of the present invention is the isotopic isotope of the silicon single crystal fine particles.28Si and isotopes30If composed of silicon atoms with Si, the silicon single crystal fine particles have an isotope having a nuclear spin quantum number of 1/2.29Si is not included. Therefore, natural isotopes31It is possible to easily detect the difference in the nuclear spin of a phosphorus atom having P of 100% and a nuclear spin quantum number of 1/2.
[0067]
  In the quantum arithmetic element according to the first or second invention, when the diameter of each silicon single crystal fine particle is 10 nm or less, phosphorus atoms as impurity atoms are mixed at an appropriate low concentration. It can be considered that only one donor atom is contained in each silicon single crystal fine particle. Therefore, one nuclear spin can be operated independently, and the quantum mechanical superposition state can be utilized.
[0068]
  In the quantum arithmetic element according to the second aspect of the present invention, if a plurality of the metal films are formed corresponding to each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle array, the potentials of the plurality of metal films are formed. , The spin state of a certain phosphorus nucleus can be transferred to adjacent phosphorus nuclei one after another. Therefore, a desired calculation operation can be performed by giving an appropriate operation procedure.
[0069]
  In the integrated circuit of the third invention, since the integrated circuit chip on which the quantum arithmetic element of the first or second invention is mounted is sandwiched between magnetic chips, no special magnetic field applying means is provided. In addition, a static magnetic field can be stably applied to the whole quantum arithmetic element on the integrated circuit chip by the magnetic chip without requiring electric power. In other words, according to the present invention, it is possible to manipulate nuclear spins using the contact hyperfine interaction with this integrated circuit alone.
[0070]
  An integrated circuit device according to a fourth aspect of the invention is a circuit on which an integrated circuit chip on which the quantum arithmetic element of the first or second aspect of the invention is formed is mountedsubstrateAre sandwiched between magnetic bodies, so that a static magnetic field can be stably applied to the whole quantum arithmetic element on the integrated circuit chip by the magnetic body without providing a special magnetic field applying means. Therefore, according to the present invention, it is possible to manipulate the nuclear spin by utilizing the contact hyperfine interaction with this integrated circuit device alone.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a quantum arithmetic element according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a quantum operation element different from FIG.
FIG. 3 is a diagram showing changes in the state of the electron cloud in FIG. 2;
4 is a diagram showing a positional relationship between a metal electrode film different from FIG. 2 and a silicon single crystal fine particle array.
FIG. 5 is a diagram showing a positional relationship between a metal electrode film different from FIGS. 2 and 4 and a silicon single crystal fine particle array.
6 is a diagram showing a positional relationship between a metal electrode film different from FIGS. 2, 4 and 5 and a silicon single crystal fine particle array. FIG.
7 is a diagram showing a circuit chip in which an integrated circuit chip on which the quantum operation element shown in FIGS. 1 to 6 is formed is sandwiched with a magnetic chip and bonded. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a structure of a solid state device using a conventional electron-nuclear double resonance phenomenon.
9 is a diagram showing a state of an electron cloud when a potential is applied to the A gate in FIG. 8 and a potential is further applied to one of the J gates.
[Explanation of symbols]
21, 41, 61 ... silicon substrate,
22, 23, 42, 43, 62, 63 ... silicon oxide film,
24-27 ... Silicon single crystal fine particles,
28-31 ... Metal electrode,
32-35, 46-50, 66 ... donor atom (phosphorus atom),
44, 64, 72, 76, 77 ... Silicon single crystal fine particle rows,
45, 65, 71, 75 ... metal electrode film,
51,52 ... electron cloud,
81 ... integrated circuit chip,
82, 83: Magnetic chip.

Claims (10)

基板上に形成された第1絶縁膜と、
上記第1絶縁膜上に配置されたシリコン単結晶微粒子と、
上記第1絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子を挟んで形成された第2絶縁膜と、
上記第2絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子の位置に形成された金属電極を備えて、
上記シリコン単結晶微粒子の中に不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が1個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいることを特徴とする量子演算素子。
A first insulating film formed on the substrate;
Silicon single crystal fine particles disposed on the first insulating film;
A second insulating film formed on the first insulating film with the silicon single crystal fine particles interposed therebetween;
A metal electrode formed on at least the position of the silicon single crystal fine particles on the second insulating film;
Some of the silicon single crystal particles, as an impurity, quantum computation device characterized by atoms in the silicon single crystal particles contain phosphorus atoms concentration can be considered to contain only one .
基板上に形成された第1絶縁膜と、
上記第1絶縁膜上に配列された複数のシリコン単結晶微粒子が互いに接続されてなるシリコン単結晶微粒子列と、
上記第1絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子列を挟んで形成された第2絶縁膜と、
上記第2絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子列の位置に形成された金属膜を備えて、
上記各シリコン単結晶微粒子の中に不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が1個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいることを特徴とする量子演算素子。
A first insulating film formed on the substrate;
A single-crystal silicon particle array in which a plurality of single-crystal silicon particles arranged on the first insulating film are connected to each other;
A second insulating film formed on the first insulating film with the silicon single crystal fine particle rows interposed therebetween;
A metal film formed on at least the position of the silicon single crystal fine particle row on the second insulating film;
Among the above silicon single crystal particles, as an impurity, quantum computation, characterized in that atoms in the silicon single crystal particles contains one only contained a concentration that can be regarded as phosphorus atoms element.
請求項1あるいは請求項2に記載の量子演算素子において、
上記シリコン単結晶微粒子を構成しているシリコン原子は、同位体28Siと同位体30Siとからなることを特徴とする量子演算素子。
In the quantum arithmetic element according to claim 1 or 2,
A quantum computing element, wherein silicon atoms constituting the silicon single crystal fine particles are composed of isotopes 28 Si and isotopes 30 Si.
請求項3に記載の量子演算素子において、
上記各シリコン単結晶微粒子の直径は、10nm以下であることを特徴とする量子演算素子。
In the quantum arithmetic element according to claim 3,
The quantum arithmetic element according to claim 1, wherein the silicon single crystal fine particles have a diameter of 10 nm or less.
請求項2に記載の量子演算素子において、
上記金属膜は、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成されていることを特徴とする量子演算素子。
The quantum arithmetic element according to claim 2,
A quantum computing element, wherein a plurality of the metal films are formed corresponding to each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle array.
請求項2に記載の量子演算素子において、
上記金属膜は、上記シリコン単結晶微粒子列の全体を覆って形成されていることを特徴とする量子演算素子。
The quantum arithmetic element according to claim 2,
The quantum arithmetic element, wherein the metal film is formed to cover the entire silicon single crystal fine particle array.
請求項6に記載の量子演算素子において、
上記金属膜で覆われるシリコン単結晶微粒子列は複数であることを特徴とする量子演算素子。
The quantum arithmetic element according to claim 6,
A quantum computation element comprising a plurality of silicon single crystal fine particle arrays covered with the metal film.
請求項2に記載の量子演算素子において、
上記金属膜は、上記シリコン単結晶微粒子列の一部を覆って形成されていることを特徴とする量子演算素子。
The quantum arithmetic element according to claim 2,
The quantum arithmetic element, wherein the metal film is formed so as to cover a part of the silicon single crystal fine particle array.
請求項1乃至請求項5の何れか一つに記載の量子演算素子が搭載された集積回路チップを、磁性体チップで挟んで成ることを特徴とする集積回路。  6. An integrated circuit comprising: an integrated circuit chip on which the quantum arithmetic element according to claim 1 is mounted, which is sandwiched between magnetic chips. 請求項1乃至請求項5の何れか一つに記載の量子演算素子が形成された集積回路チップが搭載された回路基板を、磁性体で挟んで成ることを特徴とする集積回路装置。6. An integrated circuit device comprising a circuit board on which an integrated circuit chip on which the quantum operation element according to claim 1 is formed is sandwiched between magnetic bodies.
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