(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細線であってこの細線の延在方向に電荷が移動することができるものと、上記細線の一端から他端に向かって前進するように上記細線の周囲を取り巻いて設けられた一次元量子箱アレーとを有し、上記細線および上記一次元量子箱アレーから成る系の電子密度が、上記一次元量子箱アレーを構成する量子箱一つ当たり電子が一つ入ったハーフ・フィルドの状態に対応する電子密度よりも小さく、上記細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加しないとき、上記細線の量子状態の方が上記量子箱の量子状態よりもエネルギーが低く、上記細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加したとき、上記一次元量子箱アレーのうちの上記外部電場の印加方向と反対側の部分の量子箱にこれに対応する部分の上記細線から電子が引き寄せられて上記外部電場の印加方向と反対側の部分の量子箱にモット絶縁体的に電子が分布するように構成され、上記細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加した状態で、上記細線および上記一次元量子箱アレーから成る系に光を照射することにより電荷の入力を行う電荷移動素子が複数互いに並列に配置され、
互いに隣接する上記電荷移動素子の上記細線間が架橋部により結合されている
ことを特徴とする入力変換装置。
【請求項２】
上記細線間において、上記架橋部における上記一次元量子箱アレーの位相が互いに異なっていることを特徴とする請求項１記載の入力変換装置。
【請求項３】
上記細線間において、上記架橋部における上記一次元量子箱アレー間の位相差がπよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の入力変換装置。
【請求項４】
上記架橋部は量子細線からなることを特徴とする請求項１記載の入力変換装置。
【請求項５】
円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、上記細線の中心軸をｚ軸上に設置し、上記一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）（ｎは０以上の整数）と表示したとき、θp ≠θq （ｐ、ｑは０以上の整数）を満たす量子箱が存在することを特徴とする請求項１記載の入力変換装置。
【請求項６】
円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、上記細線の中心軸をｚ軸上に設置し、上記一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）（ｎは０以上の整数）と表示したとき、方程式θn ＝ξｚn （ただし、ξは定数）で表される螺旋上に上記一次元量子箱アレーが配置されていることを特徴とする請求項５記載の入力変換装置。
【請求項７】
円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、上記細線の中心軸をｚ軸上に設置し、上記一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）（ｎは０以上の整数）と表示したとき、θn ＝ａ1 （０≦ｎ＜ｍ1 ）、θn ＝ａ2 （ｍ1 ≦ｎ＜ｍ2 ）、…（ただし、ａ1 、ａ2 、…は定数、ｍ1 は１以上の整数、ｍ2 は２以上の整数）を満たす量子箱が存在することを特徴とする請求項５記載の入力変換装置。
【請求項８】
それぞれの上記細線に関する上記定数ξの値は複数の上記細線間で同一または符号も含めて異なることを特徴とする請求項６記載の入力変換装置。
【請求項９】
それぞれの上記細線に関する上記定数ａn の値は複数の上記細線間で同一または符号も含めて異なることを特徴とする請求項７記載の入力変換装置。
【請求項１０】
上記細線と上記一次元量子箱アレーとの間に障壁層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の入力変換装置。
【請求項１１】
上記細線と上記一次元量子箱アレーとの間に障壁層が設けられていないことを特徴とする請求項１記載の入力変換装置。
【請求項１２】
上記細線は量子細線であることを特徴とする請求項１記載の入力変換装置。
【請求項１３】
上記細線は一次元量子箱アレーであることを特徴とする請求項１記載の入力変換装置。
【請求項１４】
細線であってこの細線の延在方向に電荷が移動することができるものと、上記細線の一端から他端に向かって前進するように上記細線の周囲を取り巻いて設けられた一次元量子箱アレーとを有し、上記細線および上記一次元量子箱アレーから成る系の電子密度が、上記一次元量子箱アレーを構成する量子箱一つ当たり電子が一つ入ったハーフ・フィルドの状態に対応する電子密度よりも小さく、上記細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加しないとき、上記細線の量子状態の方が上記量子箱の量子状態よりもエネルギーが低く、上記細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加したとき、上記一次元量子箱アレーのうちの上記外部電場の印加方向と反対側の部分の量子箱にこれに対応する部分の上記細線から電子が引き寄せられて上記外部電場の印加方向と反対側の部分の量子箱にモット絶縁体的に電子が分布するように構成され、上記細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加した状態で、上記細線および上記一次元量子箱アレーから成る系に光を照射することにより電荷の入力を行う電荷移動素子が複数互いに並列に配置され、
互いに隣接する上記電荷移動素子の上記細線間が架橋部により結合されている入力変換装置の動作方法であって、
上記細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加し、その印加方向を上記面内で回転させることにより上記細線に沿って電荷を移動させるようにした
ことを特徴とする入力変換装置の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、入力変換装置およびその動作方法に関し、特に、量子細線や量子箱（量子ドットとも呼ばれる）などの量子構造を用いた入力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の微細化に伴い、空乏層を金属配線を介して制御する従来の動作方式が近い将来限界を迎えると考えられている。この微細化は単体素子の特性の向上を求めたものでもあるが、それ以上に大規模集積化のために行っているものであり、ＶＬＳＩとしての性能を念頭に置く必要がある。半導体素子を超高密度に集積化した場合には、金属配線が複雑に構成され、論理ＩＣに限らず、メモリＩＣにとっても、配線遅延が最も重要な問題として浮かび上がってきている。
【０００３】
ところで、電荷を移動させる半導体素子としては、従来より電荷結合素子（ＣＣＤ）がよく知られており、超高集積のものがすでに実現され、実用化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のＣＣＤにおいても、空乏層を金属配線を介して制御することにより電荷を移動させており、多くの複雑な金属配線が用いられている。このため、やはり配線遅延が重要な問題として存在する。
【０００５】
このような背景の下に、金属配線によらずに系を制御することができる素子が広く求められているが、これまで報告例はないのが実情である。
【０００６】
従って、この発明の目的は、金属配線を用いることなく、入力電荷列を出力電荷列に変換することができる入力変換装置およびその動作方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、
細線であってこの細線の延在方向に電荷が移動することができるものと、細線の一端から他端に向かって前進するように細線の周囲を取り巻いて設けられた一次元量子箱アレーとを有し、細線および一次元量子箱アレーから成る系の電子密度が、一次元量子箱アレーを構成する量子箱一つ当たり電子が一つ入ったハーフ・フィルドの状態に対応する電子密度よりも小さく、細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加しないとき、細線の量子状態の方が量子箱の量子状態よりもエネルギーが低く、細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加したとき、一次元量子箱アレーのうちの外部電場の印加方向と反対側の部分の量子箱にこれに対応する部分の細線から電子が引き寄せられて上記外部電場の印加方向と反対側の部分の量子箱にモット絶縁体的に電子が分布するように構成され、細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加した状態で、細線および一次元量子箱アレーから成る系に光を照射することにより電荷の入力を行う電荷移動素子が複数互いに並列に配置され、
互いに隣接する電荷移動素子の細線間が架橋部により結合されている
ことを特徴とする入力変換装置である。
この発明はまた、
細線であってこの細線の延在方向に電荷が移動することができるものと、細線の一端から他端に向かって前進するように細線の周囲を取り巻いて設けられた一次元量子箱アレーとを有し、細線および一次元量子箱アレーから成る系の電子密度が、一次元量子箱アレーを構成する量子箱一つ当たり電子が一つ入ったハーフ・フィルドの状態に対応する電子密度よりも小さく、細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加しないとき、細線の量子状態の方が量子箱の量子状態よりもエネルギーが低く、細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加したとき、一次元量子箱アレーのうちの外部電場の印加方向と反対側の部分の量子箱にこれに対応する部分の細線から電子が引き寄せられて上記外部電場の印加方向と反対側の部分の量子箱にモット絶縁体的に電子が分布するように構成され、細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加した状態で、細線および一次元量子箱アレーから成る系に光を照射することにより電荷の入力を行う電荷移動素子が複数互いに並列に配置され、
互いに隣接する電荷移動素子の細線間が架橋部により結合されている入力変換装置の動作方法であって、
細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加し、その印加方向を上記面内で回転させることにより細線に沿って電荷を移動させるようにした
ことを特徴とするものである。
【０００８】
この発明においては、細線間において、架橋部における一次元量子箱アレーの位相が互いに異なっており、好適には、架橋部における一次元量子箱アレー間の位相差がπよりも小さい。
【０００９】
この発明において、架橋部は、典型的には、電子を一次元的に閉じ込めることができる量子細線からなる。また、細線としては、量子細線のほか、電子を零次元的に閉じ込めることができる量子箱をトンネル効果により相互に結合するように互いに隣接して配列した一次元量子箱アレーなどを用いることができる。
【００１０】
この発明においては、典型的には、円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、細線の中心軸をｚ軸上に設置し、一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）（ｎは０以上の整数）と表示したとき、θp ≠θq （ｐ、ｑは０以上の整数）を満たす量子箱が存在する。
【００１１】
この発明の一実施形態においては、円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、細線の中心軸をｚ軸上に設置し、一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）（ｎは０以上の整数）と表示したとき、方程式θn ＝ξｚn （ただし、ξは定数）で表される螺旋上に一次元量子箱アレーが配置される。
【００１２】
この発明の他の一実施形態においては、円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）において、細線の中心軸をｚ軸上に設置し、一次元量子箱アレーを構成する任意の一つの量子箱の中心座標を（ｒn 、θn 、ｚn ）（ｎは０以上の整数）と表示したとき、θn ＝ａ1 （０≦ｎ＜ｍ1 ）、θn ＝ａ2 （ｍ1 ≦ｎ＜ｍ2 ）、…（ただし、ａ1 、ａ2 、…は定数、ｍ1 は１以上の整数、ｍ2 は２以上の整数）を満たす量子箱が存在する。
【００１３】
この発明のさらに他の一実施形態において、それぞれの細線に関する定数ξの値は、細線間で同一または符号も含めて異なる。
【００１４】
この発明のさらに他の一実施形態において、それぞれの細線に関する定数ａn の値は、細線間で同一または符号も含めて異なる。
【００１５】
この発明においては、細線と一次元量子箱アレーとの間に障壁層が設けられていても、設けられていなくてもよい。
【００１６】
この発明において、量子細線および量子箱は、典型的には、化合物半導体ヘテロ接合により形成される。この化合物半導体ヘテロ接合としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂヘテロ接合などを用いることができる。さらに、量子細線および量子箱は、半導体と絶縁体との接合により形成することもできる。この半導体と絶縁体との接合において、典型的には、半導体は一種または複数種のＩＶ族元素からなり、絶縁体はＩＶ族元素と酸素との化合物からなる。一例を挙げると、半導体はＳｉであり、絶縁体はＳｉＯ2 である。二種類のＩＶ族元素からなる半導体の例としては、例えばＳｉＣが挙げられる。
【００１７】
【作用】
上述のように構成されたこの発明による入力変換装置における電荷移動素子において、細線と一次元量子箱アレーとからなる系の電子密度が一次元量子箱アレーを構成する量子箱一つ当たり一つの電子に対応する電子密度よりも小さくなるようにしておく。この状態においては、外部電場を印加しないときには、細線の量子状態の方が量子箱の量子状態よりもエネルギーが低く、電子は細線中に存在する。
【００１８】
次に、細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加すると、この細線の周囲を取り巻いて設けられた一次元量子箱アレーのうちの外部電場の印加方向と反対側の高電位の部分（以下この項において「第１の部分」という。）に細線から電子が引き寄せられる。この場合、一次元量子箱アレーを構成する量子箱間の間隔や障壁の高さを適切に設定しておくことにより、この第１の部分の量子箱にモット（Mott）絶縁体的に電子が分布し、この第１の部分の量子箱に電子が局在するようにすることができる。このとき、細線のうちのこの第１の部分に対応する部分（以下この部分も「第１の部分」という。）は、一次元量子箱アレーの第１の部分の量子箱中の電子によるクーロンポテンシャルにより実効的に低電位となる。従って、細線から一次元量子箱アレーに移り切らなかった残りの電子があったとしても、それらは細線の第１の部分の両側のより高電位の部分（以下この項において「第２の部分」という。）に溜まる。
【００１９】
そこで、この状態で、何らかの方法で細線と一次元量子箱アレーとからなる系に電子を生成すると、この電子はこの系で最もエネルギーが低い細線の第２の部分に溜まる。この場合、一次元量子箱アレーは、細線の一端から他端に向かって前進するように細線の周囲を取り巻いて設けられているので、細線には第１の部分および第２の部分が交互に形成されることになるが、この第１の部分には、一次元量子箱アレーの第１の部分の量子箱中の電子によって電子に対する高いポテンシャル障壁が存在しているので、第２の部分に溜まった余分な電子、すなわち入力された電子は隣の第２の部分に移ることができない。
【００２０】
この状態で、外部電場の印加方向を細線の延在方向と交差する面内で回転させる。すると、これに伴い、電子に対して低エネルギーとなる量子箱が替わり、局在電子が存在する量子箱のある一次元量子箱アレーの第１の部分は、細線の延在方向に移動する。そして、この移動に伴い、入力された電子が溜まっている細線の第２の部分も細線の延在方向に移動する。すなわち、外部電場の回転により、金属配線を用いることなく、細線に沿って電荷を移動させることができることがわかる。
【００２１】
さて、互いに並列に配置された複数の電荷移動素子のそれぞれの細線に沿って上述のように移動する電荷は、架橋部に到達しない限りそのままその細線に沿って移動し続けるが、架橋部に到達すると、この架橋部を通って隣接する細線に移動し、その後この細線に沿って移動する。そして、電荷が架橋部に到達するたびに同様なことを繰り返す。従って、それぞれの電荷移動素子の一端から入力された電荷は、所望の変換規則、言い換えればこの複数の電荷移動素子における架橋部の配置に応じて決まる電荷移動素子の他端から出力される。これによって、この入力変換装置への入力電荷列は、変換規則に応じて順序が並べ換えられた出力電荷列に変換されることになる。
【００２２】
なお、上述の外部電場による一次元量子箱アレーの局部的な絶縁体化は、モット（Mott）−シュタルク（Stark)効果を利用したものである。そこで、以下にこのモット−シュタルク効果の概略を説明しておく。
【００２３】
まず最初に、金属−絶縁体相転移の一種であるモット転移（N. F. Mott, Philos. Mag. 6, 287(1961) およびMetal-insulator transitions (Taylor & Francis Ltd, London, 1974)) をハバード（Hubbard)の描像（J. Hubbard, Proc. Roy. Soc.(London), A276, 238(1963), A277, 237(1963), A281, 401(1964)) で説明する。
【００２４】
量子箱アレーの互いに隣接する量子箱間の電子の動きやすさを表す物理量としてトランスファー・エネルギーがあり、これをＴと書くことにする。このトランスファー・エネルギーＴは、電子間相互作用を考えないときには、バンド幅と考えてよい。また、一つの量子箱に電子が二つ入ったときのクーロン・エネルギーをオンサイト・クーロン・エネルギーと呼び、これをＵと書くことにする。
【００２５】
このときの、一電子当たりに縮約されたエネルギーバンド図は図２５Ａに示すようになる。この図２５Ａにおける高エネルギー側のサブバンドをアッパー・ハバード・バンド（ＵＨＢ）、低エネルギー側のサブバンドをローワー・ハバード・バンド（ＬＨＢ）と呼ぶ。一つの量子箱当たり電子が一つ入った状態に対応するハーフ・フィルド（half-filled)の場合、ＬＨＢとＵＨＢとが互いに分離しているとき、つまりＵが大きいか、またはＴが小さいときは、ＬＨＢにのみ電子が詰まっていることになる（図２５Ｂ）。このときは、電子の低エネルギー励起がギャップ（ハバード・ギャップ）を有し、系は絶縁体的になる。一方、Ｕが小さいか、またはＴが大きくなると、ＬＨＢとＵＨＢとは互いに重なり、ＬＨＢの一部に空き状態が生じてその分の電子はＵＨＢに入ることになる（図２５Ｃ）。この結果、系は半金属的に振る舞うことになる。そして、この傾向がより強くなれば、系は完全に金属的に振る舞うのである。
【００２６】
量子箱を近接させて配列した一次元量子箱アレーでは、量子箱を小さくすることにより、Ｕを大きくすることができる。また、隣接量子箱間の間隔を大きくしたり、量子箱間の障壁の高さを大きくすることにより、Ｔを小さくすることができる。従って、これらのＴおよびＵの調節により、モット転移を起こさせることができることがわかる。
【００２７】
さて、いま、一次元量子箱アレーに一つの量子箱当たり電子が一つ入っている場合、すなわちハーフ・フィルドの場合を考える。この場合、量子箱間のトランスファー・エネルギーＴとオンサイト・クーロン・エネルギーＵとの比η＝Ｔ／Ｕを外部電場を印加して変化させることにより、モット転移を起こさせることができる。これがモット−シュタルク効果である。
【００２８】
【実施例】
以下、この発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２９】
この発明の一実施例による入力変換装置について説明する前に、この入力変換装置に用いられる電荷移動素子について説明する。
【００３０】
図１はこの電荷移動素子の第１の例を示す。
【００３１】
図１に示すように、この電荷移動素子においては、ｚ軸方向に細長い円柱状の量子細線ＱＷが延在しており、この量子細線ＱＷの周囲を取り巻くように、互いに隣接して配列された複数の球状の量子ドットＱＤからなる螺旋状の一次元量子ドットアレーがこの量子細線ＱＷに隣接して設けられている。この場合、この一次元量子ドットアレーを構成する量子ドットＱＤと量子細線ＱＷとの間には障壁層が存在しているが、これらの量子ドットＱＤと量子細線ＱＷとは、それらの間の障壁層を介して電子がトンネル効果により移動することができる程度に近接している。また、ここでは、これらの量子細線ＱＷおよび一次元量子ドットアレーからなる系の電子密度は、一次元量子ドットアレーを構成する量子ドットＱＤ一つ当たり電子が一つ入った状態、すなわちハーフ・フィルドの状態に対応する電子密度よりも小さく抑えられているものとする。
【００３２】
いま、この電荷移動素子に外部電場が印加されていない場合を考える。この状態においては、量子細線ＱＷの量子状態の方が量子ドットＱＤの量子状態よりもエネルギーが低いため、図２に示すように、電子（ｅ- ）は量子細線ＱＷ中にのみ存在し、量子ドットＱＤ中には存在しない。
【００３３】
次に、図３に示すように、この電荷移動素子にｘ−ｙ面に平行な方向の外部電場Ｅを印加する場合を考える。この外部電場Ｅを印加すると、螺旋状の一次元量子ドットアレーのうちの外部電場Ｅの印加方向と反対側の高電位の部分に、これに隣接する部分の量子細線ＱＷから電子が引き寄せられる。ここでは、このようにして電子が引き寄せられた部分の一次元量子ドットアレーおよびそれに対応する部分の量子細線ＱＷをＡ領域と呼び、その他の部分の一次元量子ドットアレーおよびそれに対応する部分の量子細線ＱＷをＢ領域と呼ぶことにする。
【００３４】
さて、螺旋状の一次元量子ドットアレーは、それを構成する量子ドットＱＤ間の間隔が大きいか（量子ドットＱＤ間の障壁の高さが０．５ｅＶ程度ならば、間隔５ｎｍ以上）、または量子ドットＱＤ間の障壁高さが大きいときには、上述のように外部電場Ｅによりこの一次元量子ドットアレーのＡ領域に電子が引き寄せられると、モット絶縁体的に電子がこのＡ領域の各量子ドットＱＤに分布し、従ってこのＡ領域の各量子ドットＱＤに電子が局在した状態をとることになる。このとき、量子細線ＱＷのＡ領域の部分は、一次元量子ドットアレーのＡ領域の量子ドットＱＤ中の電子によるクーロンポテンシャルにより、量子細線ＱＷのＢ領域の部分に比べて実効的に低電位になるため、量子細線ＱＷから量子ドットＱＤに移り切らなかった電子が残されたとしても、これらの電子はこの量子細線ＱＷのＢ領域の部分に溜まっていることになる。
【００３５】
次に、この状態で、この電荷移動素子に以下のようにして電子を入力する。
【００３６】
すなわち、電子を入力するためには、図４に示すように、外部電場Ｅを印加した状態で、量子細線ＱＷと一次元量子ドットアレーとからなる量子構造に例えば光Ｌを照射することによって電子−正孔対を生成し、このうち正孔は除去し、電子だけを残す。この残された電子は、この量子構造のうちで最もエネルギーが低い、量子細線ＱＷのＢ領域に溜まる。
【００３７】
さて、この場合、一次元量子ドットアレーは螺旋状であるので、図５に示すように、Ａ領域およびＢ領域は交互に形成される。量子細線ＱＷの各Ａ領域には、一次元量子ドットアレーのＡ領域の量子ドットＱＤ中の局在電子によるポテンシャル障壁が存在するので、量子細線ＱＷのＢ領域に溜まった余分な電子（この場合は光Ｌの照射により生成された電子）は、隣のＢ領域に移ることはできない。このようにして電子の入力が行われる。
【００３８】
この電荷移動素子において電荷の移動は次のようにして行うことができる。
【００３９】
いま、外部電場Ｅの印加方向をｘ−ｙ面内で回転させることを考える。図６に示すように、外部電場Ｅの印加方向をｘ−ｙ面内で回転させると、これに伴い電子に対して低エネルギーとなる量子ドットＱＤが替わっていき、局在電子が存在する量子ドットＱＤがあるＡ領域はｚ軸方向に移動することになる。このとき、一次元量子ドットアレーを構成する隣接する量子ドットＱＤ同士はトンネル効果により互いに結合しているので、電子はこの一次元量子ドットアレー中をトンネル効果によって速やかに移動することができる。これは、結合量子ドットアレーのモット絶縁体的量子状態を用いることの利点である。
【００４０】
この一次元量子ドットアレーに沿った電子の移動に伴い、量子細線ＱＷのうちの光Ｌの照射により入力された電子が溜まっているＢ領域も、クーロン障壁が存在するＡ領域とともに、ｚ軸方向に移動する。これによって、量子細線ＱＷに沿ってｚ軸方向に電子、すなわち電荷が移動することになる。
【００４１】
この場合、この電荷の移動方向は、この第１の例においては、−ｚ方向から＋ｚ方向を見たときの螺旋状の一次元量子ドットアレーの回転方向が時計方向であるので、外部電場Ｅの回転方向が時計方向である場合には＋ｚ方向であり、外部電場Ｅの回転方向が反時計方向である場合には−ｚ方向である。一方、−ｚ方向から＋ｚ方向を見たときの螺旋状の一次元量子ドットアレーの回転方向が反時計方向であるときには、外部電場Ｅの回転方向が時計方向である場合には−ｚ方向であり、外部電場Ｅの回転方向が反時計方向である場合には＋ｚ方向である。また、外部電場Ｅの一回転により電荷が移動する距離は、螺旋状の一次元量子ドットアレーのピッチと等しい。
【００４２】
以上のように、第１の例による電荷移動素子によれば、ｚ軸方向に延在する量子細線ＱＷの周囲を取り巻くように螺旋状の一次元量子ドットアレーを設け、これらの量子細線ＱＷおよび一次元量子ドットアレーからなる量子構造に対してｘ−ｙ面内の外部電場Ｅを印加し、その印加方向をｘ−ｙ面内で回転させることにより、金属配線を用いることなく、量子細線ＱＷに沿って電荷を移動させることができる。
【００４３】
図７は電荷移動素子の第２の例を示す。
【００４４】
図７に示すように、この電荷移動素子は、螺旋状の一次元量子ドットアレーが量子細線ＱＷの外周面に接した状態、従ってこの一次元量子ドットアレーを構成する量子ドットＱＤと量子細線ＱＷとの間に障壁層が存在しない状態でこの量子細線ＱＷを取り巻くようにして設けられていることが、上述の第１の例による電荷移動素子と異なる。
【００４５】
この第２の例による電荷移動素子によっても、第１の例による電荷移動素子と同様な利点を得ることができる。
【００４６】
図８は電荷移動素子の第３の例を示す。
【００４７】
図８に示すように、この電荷移動素子においては、ｚ軸方向に細長い四角柱状の量子細線ＱＷが延在しており、この量子細線ＱＷの周囲を取り巻くように、互いに隣接する直方体状の量子ドットＱＤからなる一次元量子ドットアレーがこの量子細線ＱＷに隣接して設けられている。
【００４８】
この場合、量子ドットＱＤの中心座標は、量子細線ＱＷの延在方向をｚ軸とする円筒座標系（ｒ、θ、ｚ）においては、θn ＝ａ1 （０≦ｎ＜ｍ1 ）、θn ＝ａ2 （ｍ1 ≦ｎ＜ｍ2 ）、…（ただし、ａ1 、ａ2 、…は定数）を満たす。より具体的には、連続する四つの量子ドットＱＤ毎に、θn ＝０°、θn ＝９０°、θn ＝１８０°、θn ＝２７０°、θn ＝３６０°（≡０°）のように、θn が９０°ずつ段階的に変化している。
【００４９】
この第３の例による電荷移動素子によれば、一次元量子ドットアレーが螺旋状ではなく、四つの量子ドットＱＤ毎にθn が９０°ずつ変化するように量子ドットＱＤが配列されたものであるため、電荷移動素子の製造が容易であるという利点を有する。
【００５０】
次に、電荷移動素子の第４の例について説明する。この第４の例においては、電荷移動素子の具体的な構造例について説明する。この第４の例による電荷移動素子は、第３の例による電荷移動素子と同様な構成を有するが、量子ドットＱＤが円柱状であること、および、量子細線ＱＷに対する一次元量子ドットアレーの回転の方向が逆であることが、第３の例による電荷移動素子と異なる。
【００５１】
図９〜図１８はこの第４の例による電荷移動素子の製造方法を示す。
【００５２】
図９に示すように、まず、ＡｌＧａＡｓ基板１上に例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりＧａＡｓ層２をエピタキシャル成長させる。このＧａＡｓ層２の厚さは例えば１０ｎｍ程度とする。この後、ＧａＡｓ層２上に例えば円形のレジストパターン３を電子ビームリソグラフィー法により形成する。
【００５３】
次に、このレジストパターン３をマスクとしてＧａＡｓ層２を例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により基板表面に垂直な方向にエッチングする。このＲＩＥ法によるエッチングにおいては、反応ガスとして塩素系のガスを用いることにより、ＡｌＧａＡｓ基板１をエッチングストップ層として用いてＧａＡｓ層２のエッチングを選択的に行うことができる。これによって、図１０に示すように、ＧａＡｓ層２が円柱状にパターニングされる。
【００５４】
次に、図１１に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＡｓ層４をエピタキシャル成長させることにより、上述のエッチングにより除去された部分をこのＡｌＧａＡｓ層４により埋める。
【００５５】
次に、レジストパターン３を除去した後、図１２に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により全面にＡｌＧａＡｓ層５をエピタキシャル成長させる。このＡｌＧａＡｓ層５の厚さは例えば５ｎｍ程度とする。
【００５６】
次に、図１３に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により全面にＧａＡｓ層６をエピタキシャル成長させる。このＧａＡｓ層６の厚さは例えば１０ｎｍ程度とする。この後、このＧａＡｓ層６上に円形および細線状のレジストパターン７を電子ビームリソグラフィー法により形成する。
【００５７】
次に、このレジストパターン７をマスクとしてＧａＡｓ層６を例えばＲＩＥ法により基板表面に垂直方向にエッチングする。このＲＩＥ法によるエッチングにおいては、反応ガスとして塩素系のガスを用いることにより、ＡｌＧａＡｓ層５をエッチングストップ層として用いてＧａＡｓ層６のエッチングを選択的に行うことができる。これによって、図１４に示すように、ＧａＡｓ層６が円柱状および細線状にパターニングされる。
【００５８】
次に、図１５に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＡｓ層８をエピタキシャル成長させることにより、上述のエッチングにより除去された部分をこのＡｌＧａＡｓ層８により埋める。
【００５９】
次に、レジストパターン７を除去した後、図１６に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により全面にＡｌＧａＡｓ層９およびＧａＡｓ層１０を順次エピタキシャル成長させる。このＡｌＧａＡｓ層９の厚さは例えば５ｎｍ程度、ＧａＡｓ層１０の厚さは例えば１０ｎｍ程度とする。この後、ＧａＡｓ層１０上に例えば円形のレジストパターン１１を電子ビームリソグラフィー法により形成する。
【００６０】
次に、このレジストパターン１１をマスクとしてＧａＡｓ層１０を例えばＲＩＥ法により基板表面に垂直方向にエッチングする。このＲＩＥ法によるエッチングにおいては、反応ガスとして塩素系のガスを用いることにより、ＡｌＧａＡｓ層９をエッチングストップ層として用いてＧａＡｓ層１０のエッチングを選択的に行うことができる。これによって、図１７に示すように、ＧａＡｓ層１０が円柱状にパターニングされる。
【００６１】
次に、図１８に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＡｓ層１２をエピタキシャル成長させることにより、上述のエッチングにより除去された部分をこのＡｌＧａＡｓ層１２により埋めた後、レジストパターン１１を除去する。この後、例えばＭＯＣＶＤ法により全面にＡｌＧａＡｓ層１３をエピタキシャル成長させる。このＡｌＧａＡｓ層１３の厚さは例えば５０ｎｍ程度とする。
【００６２】
図１８において、円柱状のＧａＡｓ層２がＡｌＧａＡｓ基板１、ＡｌＧａＡｓ層４およびＡｌＧａＡｓ層５により囲まれた構造により一段目の量子ドットＱＤが構成され、円柱状のＧａＡｓ層６がＡｌＧａＡｓ層５、ＡｌＧａＡｓ層８およびＡｌＧａＡｓ層９により囲まれた構造により二段目の量子ドットＱＤが構成され、円柱状のＧａＡｓ層１０がＡｌＧａＡｓ層９、ＡｌＧａＡｓ層１２およびＡｌＧａＡｓ層１３により囲まれた構造により三段目の量子ドットＱＤが構成されている。そして、これらの三段の量子ドットＱＤにより一次元量子ドットアレーが構成されている。また、細長い四角柱状のＧａＡｓ層６がＡｌＧａＡｓ層５、ＡｌＧａＡｓ層８およびＡｌＧａＡｓ層９により囲まれた構造により量子細線ＱＷが構成されている。
【００６３】
以上のようにして、量子ドットＱＤが円柱状であること、および、量子細線ＱＷに対する一次元量子ドットアレーの回転の方向が逆であることが異なることを除いて、第３の例による電荷移動素子と同様な構造を有する第４の例による電荷移動素子が容易に製造される。
【００６４】
なお、この第４の例においては、電荷移動素子を構成する各層のエピタキシャル成長をＭＯＣＶＤ法により行っているが、このエピタキシャル成長は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により行ってもよい。
【００６５】
上述の第１の例〜第４の例において詳述したように、図１９に示すように、一次元量子ドットアレー（図示せず）によってその周囲が取り巻かれた一つの量子細線ＱＷについて、ｘ−ｙ面内の外部電場Ｅの回転によって、量子細線ＱＷに沿う方向、すなわちｚ軸方向に電荷の並列移動が可能である。
【００６６】
そこで、次に、この一次元量子ドットアレーにより取り巻かれた量子細線ＱＷを複数用いることにより、超並列的な電荷移動を行うことが可能な第５の例について説明する。
【００６７】
図２０はこの第５の例による電荷移動素子を示す。
【００６８】
図２０に示すように、この第５の例による電荷移動素子においては、図示省略した一次元量子ドットアレーによってその周囲が取り巻かれたｚ軸方向に平行な量子細線ＱＷが複数互いに離れてかつ互いに平行に並列配置されている。
【００６９】
この第５の例においては、これらの量子細線ＱＷに対してｘ−ｙ面内の外部電場Ｅを印加し、その印加方向をｘ−ｙ面内で回転させることにより、各量子細線ＱＷに沿って電荷を超並列的に移動させることができる。この場合、これらの量子細線ＱＷのうちの任意の量子細線ＱＷの周囲を取り巻く一次元量子ドットアレーの回転の向きを他の量子細線ＱＷの周囲を取り巻く一次元量子ドットアレーの回転の向きと逆にすることにより、ｘ−ｙ面内での外部電場Ｅの一方向の回転により、前者の量子細線ＱＷに沿っての電荷の移動の方向と後者の量子細線ＱＷに沿っての電荷の移動の方向とを互いに逆にすることができる。また、例えば、一次元量子ドットアレーが螺旋状である場合、そのピッチを量子細線ＱＷ間で異ならせることによって、ｘ−ｙ面内での外部電場Ｅの一回転当たりの電荷の移動距離を量子細線ＱＷ間で変えることもできる。
【００７０】
さて、この発明の一実施例においては、上述のような電荷移動素子を複数用いて入力変換装置を構成する。ここでは、第１の例による電荷移動素子を用いるものとする。図２１にこの一実施例による入力変換装置の構成を示す。
【００７１】
図２１に示すように、この一実施例による入力変換装置においては、図示省略した一次元量子ドットアレーによってその周囲が取り巻かれた、ｚ軸方向に平行な量子細線ＱＷが複数互いに離れてかつ互いに平行に並列配置されている。ここでは、一次元量子ドットアレーによってその周囲が取り巻かれたこれらの量子細線ＱＷをそれぞれチャネルＣＨ１〜ＣＨ６と呼ぶものとする。
【００７２】
これらのチャネルＣＨ１〜ＣＨ６の量子細線ＱＷの一端にはそれぞれ電極２１ｉ〜２６ｉが設けられ、それらの他端にはそれぞれ電極２１ｆ〜２６ｆが設けられている。いま、図２１の＋ｚ方向に電荷（電子）を移動させるとすると、電極２１ｉ〜２６ｉは電荷の入力に用いられ、電極２１ｆ〜２６ｆは電荷の出力に用いられる。これらの電極２１ｉ〜２６ｉおよび電極２１ｆ〜２６ｆは、金属により形成される。
【００７３】
これらのチャネルＣＨ１〜ＣＨ６において、互いに隣接するチャネルの量子細線ＱＷ間は、所定箇所で、量子細線からなる架橋部Ｂ１〜Ｂ１２により互いに結合されている。この結合箇所は、入力変換装置の変換規則に応じて決められる。ここでは、チャネルＣＨ１、ＣＨ２の量子細線ＱＷ間は架橋部Ｂ１、Ｂ２により２箇所で互いに結合され、チャネルＣＨ２、ＣＨ３の量子細線ＱＷ間は架橋部Ｂ３、Ｂ４により２箇所で互いに結合され、チャネルＣＨ３、ＣＨ４の量子細線ＱＷ間は架橋部Ｂ５、Ｂ６により２箇所で互いに結合され、チャネルＣＨ４、ＣＨ５の量子細線ＱＷ間は架橋部Ｂ７、Ｂ８、Ｂ９により３箇所で互いに結合され、チャネルＣＨ５、ＣＨ６の量子細線ＱＷ間は架橋部Ｂ１０、Ｂ１１、Ｂ１２により３箇所で互いに結合されている。
【００７４】
ここで、量子細線ＱＷに対する架橋部Ｂ１〜Ｂ１２の結合位置は、これらの架橋部Ｂ１〜Ｂ１２が量子細線ＱＷを取り巻く一次元量子ドットアレーと干渉しない限り、基本的にはどの位置でもよい。
【００７５】
次に、上述のように構成されたこの一実施例による入力変換装置の動作について説明する。ここでは、ｘ−ｙ面内での外部電場Ｅの一回転当たりの電荷の移動距離は、チャネルＣＨ１〜ＣＨ６間で等しいものとする。また、この入力変換装置における各電荷移動素子の動作に必要な電子は、ドーピングなどによってあらかじめ供給されているものとする。
【００７６】
まず、この一実施例による入力変換装置に情報としての電荷列を入力する。具体的には、チャネルＣＨ１〜ＣＨ６の電極２１ｉ〜２６ｉのそれぞれに情報を担う電荷（情報電荷）を入力する。
【００７７】
次に、ｘ−ｙ面に平行な方向の外部電場Ｅを印加し、この外部電場Ｅの印加方向をｘ−ｙ面内で回転させることにより、すでに述べた電荷移動素子の原理によって、チャネルＣＨ１〜ＣＨ６にそれぞれ入力された情報電荷をその量子細線ＱＷに沿って＋ｚ方向に移動させる。このようにして各チャネルＣＨ１〜ＣＨ６の量子細線ＱＷに沿って移動する情報電荷は、その量子細線ＱＷに設けられた架橋部に到達したとき、この架橋部を通って隣接するチャネルの量子細線ＱＷに移動し、その後その量子細線ＱＷに沿って移動する。そして、架橋部に到達するたびに同様なことを繰り返し、最終的に、電極２１ｆ〜２６ｆから、この入力変換装置の変換規則に応じて順序が並べ換えられた出力電荷列が出力情報として得られる。具体的には、この場合、電極２１ｉから入力された情報電荷は電極２３ｆから出力され、電極２２ｉから入力された情報電荷は電極２６ｆから出力され、電極２３ｉから入力された情報電荷は電極２５ｆから出力され、電極２４ｉから入力された情報電荷は電極２４ｆから出力され、電極２５ｉから入力された情報電荷は電極２２ｆから出力され、電極２６ｉから入力された情報電荷は電極２１ｆから出力される。この出力形態は、いわゆる「あみだくじ」の原理と全く同様である。
【００７８】
上述の一連の動作をチャネルＣＨ５を例にとって詳細に説明すると、次の通りである。他のチャネルＣＨ１〜ＣＨ４、ＣＨ６についても同様である。
【００７９】
すなわち、いま、チャネルＣＨ５に着目する。図２２に示すように、上述のように＋ｘ方向に外部電場Ｅを印加したとき、電極２５ｉからチャネルＣＨ５の量子細線ＱＷに入力された情報電荷は、この＋ｘ方向の外部電場Ｅによって保持されている。
【００８０】
次に、この外部電場Ｅの印加方向をｘ−ｙ面内で回転させると、この情報電荷はチャネルＣＨ５の量子細線ＱＷに沿って＋ｚ方向に移動する。図２３に示すように、このようにして量子細線ＱＷに沿って＋ｚ方向に移動する情報電荷が架橋部Ｂ７に到達したとき、外部電場Ｅは−ｘ方向に向いている。このため、この架橋部Ｂ７に到達した情報電荷は、この−ｘ方向の外部電場Ｅによって＋ｘ方向に加速され、この架橋部Ｂ７を通って隣接するチャネルＣＨ４の量子細線ＱＷに移動することになる。このとき、チャネルＣＨ４の量子細線ＱＷの架橋部Ｂ７との接続部は電荷を保持することができる領域ではないが、上述のようにしてチャネルＣＨ５から移った情報電荷は、少なくともその前後の電荷保持領域に閉じ込められることになる。
【００８１】
上述の問題、すなわちチャネルＣＨ５から架橋部Ｂ７を通ってチャネルＣＨ４に移動する情報電荷が前後の隣接する電荷保持領域に分割されてしまう問題は、図２２および図２３において、チャネルＣＨ５およびそれに隣接するチャネルＣＨ４の量子細線ＱＷを取り巻く一次元量子ドットアレー間の位相差、言い換えればモット−シュタルク効果に対する応答の位相差がπである場合を想定していることによるものである。この問題は、架橋部Ｂ７のみならず、チャネルＣＨ１〜ＣＨ６における全ての架橋部Ｂ１〜Ｂ１２について起こるものである。
【００８２】
そこで、この問題を解決するために、この一実施例においては、チャネルＣＨ１〜ＣＨ６における全ての隣接するチャネルの量子細線ＱＷを取り巻く一次元量子ドットアレー間の位相差、言い換えればモット−シュタルク効果に対する応答の位相差がπよりも小さくなるようにする。すなわち、例えば、チャネルＣＨ５およびそれに隣接するチャネルＣＨ４について言えば、図２４に示すように、これらのチャネルＣＨ５、ＣＨ４間でモット−シュタルク効果に対する応答の位相差がπよりも小さければ、架橋部Ｂ７の前後のいずれかの領域が低エネルギーとなるため、その低エネルギー側の領域に情報電荷を保持することができることになる。
【００８３】
以上のように、この一実施例による入力変換装置によれば、チャネルＣＨ１〜ＣＨ６の一端に設けられた電極２１ｉ〜２６ｉに入力された情報としての入力電荷列は、この入力変換装置の変換規則、すなわちチャネルＣＨ１〜ＣＨ６における架橋部Ｂ１〜Ｂ１２の配置に応じてこれらのチャネルＣＨ１〜ＣＨ６間をそれぞれ移動しながら各チャネルＣＨ１〜ＣＨ６に沿って＋ｚ方向に移動し、最終的に、電極２１ｆ〜２６ｆから出力電荷列が出力情報として得られる。言い換えれば、この一実施例による入力変換装置は、チャネルＣＨ１〜ＣＨ６の一端に入力された６個の入力を、「あみだくじ」の原理に従って順序が並べ換えられた６個の出力に変換することができ、しかもこの６入力６出力の動作は超並列的に行われる。また、変換規則は自由に設計することができるので、所望の出力を得ることができる。さらに、この入力変換装置は、金属配線を用いることなく、このような動作を行うことができる。
【００８４】
以上、この発明の一実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００８５】
例えば、上述の一実施例においては、入力変換装置を構成する電荷移動素子として第１の例による電荷移動素子を用いているが、電荷移動素子としては、例えば第２の例または第３の例による電荷移動素子を用いてもよい。
【００８６】
また、上述の一実施例においては、６入力６出力の入力変換装置について説明したが、この発明による入力変換装置は、一般には、Ｎ入力Ｎ出力構成とすることが可能である。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、その延在方向に電荷が移動することができる細線と、その細線の一端から他端に向かって前進するようにその細線の周囲を取り巻いて設けられた一次元量子箱アレーとを有し、その細線の延在方向と交差する面内の外部電場を印加し、その印加方向をその面内で回転させるようにした電荷移動素子が複数互いに並列に配置され、所望の変換規則に応じてこれらの電荷移動素子の細線間が架橋部により結合されていることにより、金属配線を用いることなく、入力電荷列を出力電荷列に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の入力変換装置に用いられる第１の例による電荷移動素子を示す略線図である。
【図２】第１の例による電荷移動素子の動作を説明するための略線図である。
【図３】第１の例による電荷移動素子の動作を説明するための略線図である。
【図４】第１の例による電荷移動素子の動作を説明するための略線図である。
【図５】第１の例による電荷移動素子の動作を説明するための略線図である。
【図６】第１の例による電荷移動素子の動作を説明するための略線図である。
【図７】この発明の入力変換装置に用いられる第２の例による電荷移動素子を示す略線図である。
【図８】この発明の入力変換装置に用いられる第３の例による電荷移動素子を示す略線図である。
【図９】この発明の入力変換装置に用いられる第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１０】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１１】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１２】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１３】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１４】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１５】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１６】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１７】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１８】第４の例による電荷移動素子の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１９】ｘ−ｙ面内での外部電場Ｅの回転による量子細線ＱＷに沿っての電荷の移動を説明するための略線図である。
【図２０】第５の例による電荷移動素子を示す略線図である。
【図２１】この発明の一実施例による入力変換装置を示す略線図である。
【図２２】この発明の一実施例による入力変換装置の動作を説明するための略線図である。
【図２３】この発明の一実施例による入力変換装置の動作を説明するための略線図である。
【図２４】この発明の一実施例による入力変換装置の動作を説明するための略線図である。
【図２５】モット−シュタルク効果を説明するための略線図である。
【符号の説明】
ＱＷ  量子細線
ＱＤ  量子ドット
１  ＡｌＧａＡｓ基板
２、６、１０  ＧａＡｓ層
３、７、１１  レジストパターン
４、５、８、９、１２、１３  ＡｌＧａＡｓ層
２１ｉ〜２６ｉ、２１ｆ〜２６ｆ  電極
Ｂ１〜Ｂ１２  架橋部
【図１】
0003697743.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0003697743.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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