JPWO2005117127A1 - 量子デバイス、量子論理デバイス、量子論理デバイスの駆動方法および量子論理デバイスによる論理回路 - Google Patents
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Abstract
Description
Field Effect Transistor)が主に利用されていることは周知である。また、情報処理装置の高性能化等への要請を受けてCMOSFETの微細化が精力的に進められていることも周知である。よく知られているように、CMOS技術は、半導体基板に絶縁体、半導体、導電体の各種薄膜を形成し、フォトリソグラフィを用いてこれら薄膜をエッチング加工し、あるいは、半導体基板等に不純物導入を行って、これらエッチング加工や不純物導入を行った部材、領域を互いに積み重ねて所定の素子を形成するプレーナ技術を基礎にする。プレーナ技術を利用した単純な平板ゲート電極でFETを構成する場合には、FETの性能を左右するゲート長はエッチング加工の加工精度で決定され、この加工精度がFETの微細化限界を規定する。現在は、微細化限界を推し進めるために、薄膜形成技術、リソグラフィ技術、エッチング技術等の各種プロセス技術の高度化、あるいは、現有プロセス技術に有利な材料開発等の観点から研究が推し進められている。
Decision Diagram)の実装との関連から研究が進められているY−スイッチが非特許文献3に記載されている。
第1伝導部材101のフェルミレベルは、NDRあるいはNDRbを介して、2つの第2伝導領域(第2量子構造領域)の何れかの電位(または両方の電位)に一致するように制御されることになる。ここで、出力OUTの電位は第1伝導部材101のフェルミレベルに一致する。つまり、ΦとΦバーとがアクティブ状態で相補的な信号であることを前提にすれば、NDRあるいはNDRbの何れか一方はON(正微分抵抗状態)であり、他方はOFF(負性微分抵抗状態あるいは絶縁状態)となるので、OUTはΦまたはΦバーの何れかの信号電位に一致する。そして、何れの状態(OUTがΦに一致する状態かOUTがΦバーに一致する状態)になるかは、INの信号電圧によって決定されることになる。
れもONであり、ΦとΦバーとの間は導通状態である(t1に対応するI−V特性図)。この状態で仮にΦ、ΦバーあるいはOUTの何れかの端子間に電圧を印加しても容易に電流が流れて電圧が平準化される方向に働く。ただし、ΦおよびΦバーは何れも0.5Vでイコライズされているので電流は流れず、OUTは0.5Vである。
[0066] INが0V印加されている時刻t2のバンド図を参照すると、第3伝導部材103からの電界によって第1伝導部材101のポテンシャルが下げられる。これによって、第1伝導部材101のサブバンド準位が低ポテンシャル側に引っ張られている。このような状態では、第2伝導部材102、102bと第1伝導部材101のサブバンドが若干ずれることになる。これを反映して、対応するI−V特性図ではIVカーブのピークが若干小さくなる。なお、この状態では、NDRおよびNDRbはまだONなので、各伝導領域のフェルミレベルは一致している。 電位にすべてマイナスをつけて考えて頂きたい。
[0067] 時刻t3において、ΦおよびΦバーに電圧が印加されるようになると、対応するバンド図に示すように、第2伝導部材102および第2伝導部材102bの間に電圧Vinに起因するポテンシャル差が生じる。このとき、第1伝導部材101のサブバンドと第2伝導部材102bのサブバンドは一致する方向に働くが、第1伝導部材101のサブバンドと第2伝導部材102のサブバンドとは不一致が拡大する方向に働く。この結果、対応するI−V特性図に示すように、第1伝導部材101および第2伝導部材102b間のIVカーブ(実線)はそのピークが増加する(電流が流れやすい方向に動く)が、第1伝導部材101および第2伝導部材102間のIVカーブ(破線)はそのピークが減少する(電流が流れ難い方向に動く)。
[0068] 前段落のようなIVカーブの非対称性が発生すると、第1伝導部材101内のキャリアは第2伝導部材102b(Φバー)の方向に移動しやすくなり、逆に第1伝導部材101内のキャリアは第2伝導部材102(Φ)の方向に移動し難くなる。このようなIVカーブの非対称性に起因するキャリア移動によってIVカーブの非対称性はさらに増幅され、時間t4の段階に達すると、対応するI−V特性図に示すように、第1伝導部材101および第2伝導部材102間のIVカーブ(破線)の動作点は負性微分抵抗領域に入るようになる。この結果、NDRは急激にOFF状態に移行する。同時に、第1伝導部材101内のキャリアと第2伝導部材102bのキャリアとは平準化されてサブバンドが一致す
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Claims (24)
- 任意の第1方向が定義された実空間において、
少なくとも前記第1方向でキャリアを閉じ込める第1量子構造領域および第2量子構造領域と、
前記第1量子構造領域と前記第2量子構造領域との間のトンネル障壁領域と、
前記第1方向に直交する平面に平行な方向であって前記第1量子構造領域の前記第1方向における量子閉じ込め状態を乱さない方向から前記第1量子構造領域にキャリアを注入する第1電極領域と、
前記第1方向に直交する平面に平行な方向であって前記第2量子構造領域の前記第1方向における量子閉じ込め状態を乱さない方向から前記第2量子構造領域にキャリアを注入する第2電極領域と、
キャリア伝導領域と、
前記第1量子構造領域と前記キャリア伝導領域との間に配置された絶縁領域と、
を有する量子デバイス。 - 前記第1量子構造領域および前記第2量子構造領域は、少なくとも前記第1方向でキャリアを閉じ込める量子井戸、量子細線または量子ドットである請求項1記載の量子デバイス。
- 前記キャリア伝導領域は、前記キャリア伝導領域に印加される電位によって生成される電界による前記第1量子構造領域の静電位への影響が、前記第2量子構造領域の静電位への影響に比較して、より大きく与えられる位置または形状で配置される請求項1記載の量子デバイス。
- 前記キャリア伝導領域が生成する前記電界によって、前記第1量子構造領域への前記キャリアの閉じ込めにより生成される前記第1量子構造領域のサブバンド準位を制御し、
前記第1電極領域に与えられる電位、または、前記第1量子構造領域と前記第2量子構造領域とが共鳴結合状態にある場合の前記第2電極領域に与えられる電位によって、前記第1量子構造領域の前記キャリアのフェルミ準位を制御する請求項1記載の量子デバイス。 - 前記第1量子構造領域と前記第2量子構造領域との電位差により、
前記第1量子構造領域と前記第2量子構造領域の各エネルギ準位の状態関数が共鳴的な結合を生じ、前記共鳴的な結合によるトンネル効果によって実現される前記第1量子構造領域および前記第2量子構造領域間の正微分抵抗状態と、
前記共鳴的な結合がない、または、結合が消失しつつあるものの、前記トンネル障壁領域に染み出した前記各エネルギ準位の状態関数の重なりにより実現される前記第1量子構造領域および前記第2量子構造領域間の負性微分抵抗状態と、
前記共鳴的な結合も前記状態関数の重なりも発生しない、または、その重なりが無視できることによる前記第1量子構造領域および前記第2量子構造領域間の絶縁状態と、
を有する請求項1記載の量子デバイス。 - 前記第1電極領域と前記第2電極領域との間の電流電圧特性において、前記第1電極領域と前記第2電極領域との間の電圧差の絶対値が大きくなるに従い、電圧と電流との間に正の相関がある正微分抵抗領域、電圧と電流との間に負の相関がある負性微分抵抗領域、および、電圧絶対値の増加によっても電流が流れないまたは電流ピーク値の10%以下の電流が流れる絶縁領域、の各領域を有する請求項1記載の量子デバイス。
- 前記第1方向に垂直な平面に複数の前記第2量子構造領域が形成されている請求項1〜6の何れか一項に記載の量子デバイス。
- 前記第1方向に垂直な一の平面に複数の前記第1量子構造領域が形成され、前記第1方向に垂直な他の平面に複数の前記第2量子構造領域が形成されている請求項1〜6の何れか一項に記載の量子デバイス。
- 前記キャリア伝導領域が複数形成され、複数の前記キャリア伝導領域の各々には、異なる電位が印加される請求項1〜6の何れか一項に記載の量子デバイス。
- 任意の第1方向が定義された実空間において、
少なくとも前記第1方向でキャリアを閉じ込める第1量子構造領域および一対の第2量子構造領域と、
前記第1量子構造領域と前記一対の第2量子構造領域との間のトンネル障壁領域と、
前記第1方向に直交する平面に平行な方向であって前記第1量子構造領域の前記第1方向における量子閉じ込め状態を乱さない方向から前記第1量子構造領域にキャリアを注入する第1電極領域と、
前記第1方向に直交する平面に平行な方向であって前記第2量子構造領域の前記第1方向における量子閉じ込め状態を乱さない方向から前記一対の第2量子構造領域の各々にキャリアを注入する一対の第2電極領域と、
キャリア伝導領域と、
前記第1量子構造領域と前記キャリア伝導領域との間に配置された絶縁領域と、
を有する量子デバイス、を利用した量子論理デバイスであって、
前記キャリア伝導領域を入力、前記第1電極領域を出力、前記第2電極領域の一方を1状態(高電圧状態)、他方を0状態(低電圧状態)とすることによりラッチ回路を構成し、
前記一対の第2電極領域を入力、前記第1電極領域を出力、前記キャリア伝導領域を1状態(高電圧状態)とすることによりOR論理回路を構成し、
前記一対の第2電極領域を入力、前記第1電極領域を出力、前記キャリア伝導領域を0状態(低電圧状態)とすることによりAND論理回路を構成する量子論理デバイス。 - 任意の第1方向が定義された実空間において、
少なくとも前記第1方向でキャリアを閉じ込める第1量子構造領域および第2量子構造領域と、
前記第1量子構造領域と前記第2量子構造領域との間のトンネル障壁領域と、
前記第1方向に直交する平面に平行な方向であって前記第1量子構造領域の前記第1方向における量子閉じ込め状態を乱さない方向から前記第1量子構造領域にキャリアを注入する第1電極領域と、
前記第1方向に直交する平面に平行な方向であって前記第2量子構造領域の前記第1方向における量子閉じ込め状態を乱さない方向から前記第2量子構造領域の各々にキャリアを注入する第2電極領域と、
一対のキャリア伝導領域と、
前記第1量子構造領域と前記一対のキャリア伝導領域との間に配置された絶縁領域と、
を有する量子デバイス、を利用した量子論理デバイスであって、
2つの前記量子デバイスを利用し、前記2つの量子デバイスのうち一方を第1デバイス、他方を第2デバイスとする場合において、
前記第1デバイスの一方の前記キャリア伝導領域および前記第2デバイスの一方の前記キャリア伝導領域を入力、
前記第1デバイスの前記第1電極領域および前記第2デバイスの前記第1電極領域を出力、
前記第1デバイスの他方の前記キャリア伝導領域および前記第1デバイスの前記第2電極領域を1状態(高電圧状態)、
前記第2デバイスの他方の前記キャリア伝導領域および前記第2デバイスの前記第2電極領域を0状態(低電圧状態)、
とすることによりNOT論理回路を構成する量子論理デバイス。 - 前記第1量子構造領域および前記第2量子構造領域は、少なくとも前記第1方向でキャリアを閉じ込める量子井戸、量子細線または量子ドットである請求項10または11記載の量子論理デバイス。
- 前記キャリア伝導領域は、前記キャリア伝導領域に印加される電位によって生成される電界による前記第1領域構造領域の静電位への影響が、前記第2量子構造領域の静電位への影響に比較して、より大きく与えられる位置または形状で配置される請求項10または11記載の量子論理デバイス。
- 前記キャリア伝導領域が生成する前記電界によって、前記第1量子構造領域への前記キャリアの閉じ込めにより生成される前記第1量子構造領域のエネルギサブバンド準位を制御し、
前記第1電極領域に与えられる電位、または、前記第1量子構造領域と前記第2量子構造領域とが共鳴結合状態にある場合の前記第2電極領域に与えられる電位によって、前記第1量子構造領域の前記キャリアのフェルミ準位を制御する請求項10または11記載の量子論理デバイス。 - 前記第1量子構造領域と前記第2量子構造領域との電位差により、
前記第1量子構造領域と前記第2量子構造領域の各エネルギ準位の状態関数が共鳴的な結合を生じ、前記共鳴的な結合によるトンネル効果によって実現される前記第1量子構造領域および前記第2量子構造領域間の正微分抵抗状態と、
前記共鳴的な結合がない、または、結合が消失しつつあるものの、前記トンネル障壁領域に染み出した前記各エネルギ準位の状態関数の重なりにより実現される前記第1量子構造領域および前記第2量子構造領域間の負性微分抵抗状態と、
前記共鳴的な結合も前記状態関数の重なりも発生しない、または、その重なりが無視できることによる前記第1量子構造領域および前記第2量子構造領域間の絶縁状態と、
を有する請求項10または11記載の量子論理デバイス。 - 前記第1電極領域と前記第2電極領域との間の電流電圧特性において、前記第1電極領域と前記第2電極領域との間の電圧差の絶対値が大きくなるに従い、電圧と電流との間に正の相関がある正微分抵抗領域、電圧と電流との間に負の相関がある負性微分抵抗領域、および、電圧絶対値の増加によっても電流が流れないまたは電流ピーク値の10%以下の電流が流れる絶縁領域、の各領域を有する請求項10または11記載の量子論理デバイス。
- 請求項10〜16の量子論理デバイスの駆動において、前記キャリア伝導領域への信号印加を第1クロック信号に同期して行い、前記第2電極領域への信号印加を前記クロック信号から所定の位相だけ遅れた第2クロック信号に同期して行う量子論理デバイスの論理回路駆動方式。
- 前記第2電極領域への信号印加の後、次の前記キャリア伝導領域への信号印加までの間に、前記第1量子構造領域、前記第2量子構造領域および前記キャリア伝導領域の電位をイコライズするイコライズ期間を有する請求項17記載の量子論理デバイスの論理回路駆動方式。
- 請求項11の量子論理デバイスを除く請求項10〜16の量子論理デバイスを任意に組み合わせて構成した論理回路において、入力信号およびその反転入力信号を入力し、出力信号およびその反転出力信号を出力する差動モードで前記論理回路を駆動する請求項17記載の量子論理デバイスの論理回路駆動方式。
- 前記差動モードにおける入力信号を反転して出力することによりNOT論理を構成する請求項19記載の量子論理デバイスの論理回路駆動方式。
- 請求項10〜16の量子論理デバイスにおけるAND回路、OR回路またはNOT回路を任意に組み合わせて構成した組み合わせ論理回路を含む量子論理デバイスによる論理回路。
- 請求項11の量子論理デバイスを除く請求項10〜16の量子論理デバイスを請求項19の差動モードで駆動した場合におけるAND回路、OR回路、または、請求項20の論理回路駆動方式により実現するNOT論理、を任意に組み合わせて構成した組み合わせ論理回路を含む量子論理デバイスによる論理回路。
- 請求項21の組み合わせ論理回路または請求項22の組み合わせ論理回路と、請求項10の量子論理デバイスにおけるラッチ回路と、をカスケードに接続した回路を含む請求項21または22記載の量子論理デバイスによる論理回路。
- 請求項23の論理回路において請求項10のラッチ回路を複数含む場合に、前記複数のラッチ回路の各々に独立した請求項17の第1クロック信号および第2クロック信号を与える請求項17または18記載の量子論理デバイスの論理回路駆動方式。
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