JPH07221322A - 回 路 - Google Patents

回 路

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JPH07221322A
JPH07221322A JP1239094A JP1239094A JPH07221322A JP H07221322 A JPH07221322 A JP H07221322A JP 1239094 A JP1239094 A JP 1239094A JP 1239094 A JP1239094 A JP 1239094A JP H07221322 A JPH07221322 A JP H07221322A
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JP
Japan
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circuit
output
voltage
quantum dots
input
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JP1239094A
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English (en)
Inventor
Yasuo Wada
恭雄 和田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 原子を配列した原子レベルデバイス回路から
なる構造と、半導体回路とを電圧増幅回路あるいは電流
増幅回路で接続した回路の提供。 【構成】 電圧増幅回路の一例としての単一電子トラン
ジスタ(Single Electron Transistor:SET)を用い
た回路、また電流増幅回路の一例としてのなだれ増幅回
路を用いてART回路と半導体回路を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は新規な回路に関し、さら
に詳述すれば原子を配列した原子レベルデバイス回路か
らなる構造と、半導体回路とを接続するための高性能接
続構造及びその形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体集積回路においては、半導
体チップ相互間、あるいは他の回路素子との間の電気的
接続を取るために、パッケージにチップを乗せ、ワイヤ
ボンディング、ハンダバンプ等を用いてパッケージとチ
ップを接続していた(たとえば「集積回路パッケージン
グ技術」、日経BP、1990年)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこれらの
半導体集積回路素子構造では、チャネル長約0.1μmに物
理的な寸法の縮小限界があるため、チャネル長約0.1μm
以下の寸法の素子を用いた情報処理装置用集積回路は物
理的に実現が不可能である。したがってより高性能の情
報処理装置を実現するためには、半導体デバイスより高
性能の情報処理デバイスが必要である。
【0004】このような物理的な要請に基づいて、新原
理に基づいた超微細スイッチング素子が本発明の発明者
らにより提案された(特願平3−340649:和田
他、ジャーナル オブ アプライド フィジックス、7
4巻7321頁(1993年):Wada, et al., J. App
l. Phys., 74, 7321 (1993))。これは原子を配列した
原子細線と、スイッチング作用を担当するスイッチング
素子(アトムリレートランジスタ)からなり、従来の半
導体集積回路素子の1/1000以下の寸法と1000
倍以上の高速動作特性を持つ。このアトムリレートラン
ジスタを含む原子レベルのスイッチングデバイスを、情
報処理装置の中心デバイスとして動作させるためには、
外部から操作するための接続構造が必要である。
【0005】この接続構造は、アトムリレートランジス
タの超高速動作速度に十分追随するものである必要があ
る。それに加えてこの接続構造は、人間とのインタフェ
ースを担当するディスプレイや、外部回路を駆動する必
要があり、このため、これらの駆動を司る半導体デバイ
スの電圧レベルに互換性のあるものである必要がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、原子レベルの
超高速超高集積情報処理回路構造と半導体回路とを接続
するための高性能接続構造を持つ回路及びその製造方法
を提供するものである。接続構造としてのバッファ素子
は原子レベル回路と半導体回路の間に少なくとも置か
れ、原子レベル回路の入出力と半導体回路の入出力レベ
ルを整合させる機能を有しているものである。
【0007】本発明はこのような現状の問題点を解決す
るためになされたものである。前述のように、原子を配
列した原子細線と、スイッチング作用を担当するスイッ
チング素子(アトムリレートランジスタ:Atom Relay T
ransistor:ART)からなる原子レベルの超高速超高
集積情報処理回路構造(以下、アトムリレートランジス
タ回路、ART回路と略す)においては、電子数個で論
理回路動作や記憶回路動作が行われる。一方、外部との
信号の接続を司る従来の半導体デバイスを駆動するため
には、数万個から数百万個の電子を流してやる必要があ
る。
【0008】したがって、ART回路からの出力信号
を、半導体回路との中間に設置した接続回路により、超
高速度で数千倍から数百万倍に増幅する必要がある。し
かも正確な情報処理を行うためには、テラヘルツ(Tera
-Herz)レベルの入力信号を実時間で信号処理を行い、
出力する必要がある。
【0009】この目的を達成するために、本発明では、
図1に示したように、ART回路11と半導体回路13
の中間に設置した接続回路12において、電圧的に超高
速信号増幅を行う手段と、電流的に超高速信号増幅を行
う手段を開示する。図1に示した構成において、ART
回路11と接続回路12の間の信号伝達線14は、AR
T回路11への電子数にして数個から数百個の入出力信
号を伝達し、半導体回路13と接続回路12の間の信号
伝達線15は、半導体回路13への電子数にして数万個
から数百万個の入出力信号を伝達する。
【0010】
【作用】ART回路11と半導体回路13の中間に設置
した接続回路12において、電圧的に増幅する手段とし
ては、例えば単電子トランジスタ(Single Electron Tr
ansistor:SET)により構成された回路(SET回
路)を用いることができる。ART回路の出力を電圧増
幅するためにSET回路を用いることのできる理由をま
ず説明する。SET回路の量子ドットの容量をC、電子
の電荷をeとすると、量子ドットの電圧Vは、次式で与
えられる。
【0011】 V=e/2C (1) したがって、SET回路を用いることにより、SETト
ランジスタの量子ドットの寸法を小さくして容量を十分
小さくすれば、電子一個の入力により、式(1)により
算出される電圧を半導体回路の入力として必要な数百m
V以上とすることが可能である。このため、出力を半導
体回路に入力し、さらに増幅して、人間とのインタフェ
ースを駆動させることができる。この場合、接続回路と
して電圧増幅回路であれば、SET回路である必要は必
ずしもない。
【0012】ART回路11と半導体回路13の中間に
設置した接続回路12において、電流的に増幅する手段
としては、たとえばなだれ増幅デバイス回路(Avalanch
e Amplification Device:AAD)により構成された回
路(AAD回路)などの方式を用いることができる。例
えば、ART回路の電子一個の出力をAAD回路に入力
し、なだれ増幅作用により電子数を半導体回路駆動に必
要な数まで増幅することにより、半導体回路の入力とし
て用いることができる。この場合、接続回路として電流
増幅回路であれば、ADD回路である必要は必ずしもな
い。
【0013】
【実施例】以下本発明を実施例の基づき詳細に説明す
る。
【0014】(実施例1)本実施例では、SET回路に
よる電圧増幅の例を開示する。図2はART(アトムリ
レートランジスタ)回路21の出力22を、トンネル接
合23、量子ドット(原子細線)24、ゲート25から
なるSET(単電子トランジスタ)の入力に接続した状
態を示す。ART回路21の出力22から出力される電
子は、一度に電子一個から数十個であるが、量子ドット
24の寸法を十分に小さくし、容量を縮減すると、式
(1)によって量子ドットの電圧を十分に大きくするこ
とが可能になる。
【0015】本実施例では、量子ドットの寸法を1nm
とし、この時の電圧上昇を500mVとすることができ
た。この電圧を、ゲート25により、容量結合的に取り
出し、出力26を高電子移動度トランジスタ(High Ele
ctron Mobility Transistor:HEMT)からなる回路
(HEMT回路)の入力として用い、さらに信号を増幅
した。HEMTの出力を、シリコン集積回路によって駆
動される表示素子に入力し、これらの回路全体でコンピ
ュータを構成できた。
【0016】(実施例2)本実施例では、ARTの出力
を、電流増幅する方式について開示する。図3は、AR
T回路31の出力32を、なだれ増幅装置の増幅機能を
与える部分33に接続し、さらにこの増幅機能部分を電
源34に接続し、ART回路31から入力された電子を
なだれ増幅装置の増幅機能部分33で増幅して、出力3
5を経て半導体回路36に接続した状態を示す。
【0017】本実施例の構成では、なだれ増幅機能部分
における不感時間の短縮が増幅装置全体の性能を決める
ため、最も重要な部分である。すなわち、該なだれ増幅
装置の増幅機能部分33の不感時間が長いと、非常に早
い周期で入力された場合に、その入力信号に出力が追随
しなくなるからである。したがって、該増幅器の周波数
応答を、十分に早くするため、増幅器の寸法を小さくす
る必要がある。本実施例では、増幅器のなだれ増幅機能
部分の長さを0.1μmとして、1テラヘルツ(1TH
z)の速度を実現できた。
【0018】(実施例3)本実施例では、図3に示した
該なだれ増幅装置の増幅機能部分33の構成例を示す。
図4は、n型インジウムリン(InP)層42、44と、
これに挾まれたp型インジウムリン層43、入力電極4
6、出力電極45、電源との接続電極41からなる該な
だれ増幅装置の増幅機能部分33の構成を示す。図4に
おいて、n型インジウムリン層42と44の間には、電
源との接続電極41により供給された電源電圧により、
高い電界が印加されている。
【0019】したがって、入力電極46から入力された
ART回路の出力信号は、p型インジウムリン層43に
供給され、ここでなだれ増幅を受けて、増幅される。こ
の電流増幅率は、n型インジウムリン層42と44の間
に印加されている電界により変わるが、約百から百万倍
の間で制御可能である。
【0020】前述した増幅器の応答時間に関与するなだ
れ増幅機能部分の長さは、図4においては、n型インジ
ウムリン(InP)層42、44に挾まれたp型インジウ
ムリン層43の幅に対応する。
【0021】尚、本実施例では、増幅用デバイスの材料
として、インジウムリンを用いたが、他の化合物半導体
によるデバイス、シリコン等の単体半導体によるデバイ
スでも同様な効果が得られる。この場合、該p型インジ
ウムリン層43の厚さをできる限り薄くすることによ
り、良好な増幅特性が得られた。
【0022】本実施例では、分子線エピタキシ法により
n型インジウムリン基板上に成長させた厚さ20nmの
p型インジウムリン層43を用い、印加電界を106
/μmとしたとき、約10万倍という良好な増幅特性を
得られた。
【0023】(実施例4)本実施例では、SETからな
る電圧増幅装置の例を開示する。図5は、シリコン基板
上にスパッタ法により形成した厚さ20nmのアルミニ
ウム層を、電子線描画技術と微細エッチング技術によっ
て加工し、量子ドット51、入力トンネル接合52、出
力トンネル接合53およびゲート54からなるSETを
形成した状態を示す。表面層を制御して酸化し、該アル
ミニウム層の表面を酸化物に変換して該量子ドットの寸
法を縮小することも量子ドットの容量を削減するために
は有効である。
【0024】本実施例では、最終的に幅3nm、厚さ5
nmの量子ドットを形成することができた。これによ
り、最大周波数1テラヘルツ(1THz)、最大増幅率
百万倍の電圧増幅装置を形成することができた。入力部
分に信号反射を防止する回路などの低雑音化回路、出力
部分に信号安定化回路等を置き、動作の安定化を図るこ
とも有効であることは言うまでもない。
【0025】
【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明によればART回路と半導体回路の間に接続回路と
して、電圧増幅回路あるいは電流増幅回路を挿入するこ
とにより、超高速、超高密度情報処理回路を実現可能に
なるため、本発明の工業的効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成を示した概念図。
【図2】ARTの出力を、SET回路により、電圧増幅
する方式の例を示す図。
【図3】ARTの出力を、なだれ増幅回路により、電流
増幅する方式の例を示す図。
【図4】なだれ増幅回路の増幅機能部分の構成例を示す
図。
【図5】SETによる電圧増幅回路の一実施例を示す
図。
【符号の説明】
11、21、31:ART回路、12、36:半導体回
路、13、:接続回路、14、15、22、26、3
2、35、41、45、46:入出力信号伝達線、2
3、52、53:トンネル接合、24、51:量子ドッ
ト、25、54:ゲート、33:増幅部、34:電源、
42、43、44:増幅装置部分。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/812 27/095 9171−4M H01L 29/80 E

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原子を配列した原子細線を主な構成要素と
    する原子レベル回路と通常の半導体回路の間にバッファ
    素子が置かれたことを特徴とする回路。
  2. 【請求項2】該バッファ素子は電圧増幅回路あるいは素
    子であることを特徴とする請求項1記載の回路。
  3. 【請求項3】該バッファ素子は電流増幅回路あるいは素
    子であることを特徴とする請求項1記載の回路。
  4. 【請求項4】該バッファ素子は半導体超微細加工技術で
    形成されたことを特徴とする請求項1から3のいずれか
    に記載の回路。
JP1239094A 1991-12-24 1994-02-04 回 路 Pending JPH07221322A (ja)

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Effective date: 20040622