(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアを閉じ込めるための半導体からなる微小島、トンネル性容量を介して前記微小島に接続された金属又は縮退半導体からなる第１の電極、及び非トンネル性容量を介して前記微小島に接続された第２の電極を備えたクーロンブロケード素子に対し、
第１、第２の電極間に印加する電極間電圧を制御すると共に、光吸収によって前記微小島に電子正孔対を生じさせる光の照射のオン／オフ制御を行うことにより、前記微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に変化させることを特徴とするクーロンブロケード素子の制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載のクーロンブロケード素子の制御方法において、
前記微小島内の電子数を増加させる場合は、光を照射しない状態で第１の電極に対し第２の電極が正電位となる電極間電圧を増大させ、
微小島内の電子数を減少させる場合は、光を照射した状態で前記電極間電圧を減少させることを特徴とするクーロンブロケード素子の制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載のクーロンブロケード素子の制御方法において、
前記微小島内の正孔数を増加させる場合は、光を照射しない状態で第１の電極に対し第２の電極が負電位となる電極間電圧を増大させ、
微小島内の正孔数を減少させる場合は、光を照射した状態で前記電極間電圧を減少させることを特徴とするクーロンブロケード素子の制御方法。
【請求項４】
トンネル性容量を介して相互に接続された半導体からなる複数の微小島、前記複数の微小島のうち少なくとも２つの微小島に非トンネル性容量を介してそれぞれ１つずつ接続された少なくとも２つの入力信号用電極、及び前記複数の微小島の各々に非トンネル性容量を介してそれぞれ１つずつ接続された複数のゲート電極を備えたクーロンブロケード素子に対し、
各ゲート電極に印加する電圧を制御すると共に、光吸収によって前記微小島に電子正孔対を生じさせる光の照射のオン／オフ制御を行うことにより、各微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に設定し、
キャリアを輸送するためのクロック電圧を各ゲート電極に印加することにより、前記複数の微小島のうち一端の微小島に注入されたキャリアを他端の微小島に輸送し、
この輸送の際にキャリアが経由する微小島を、前記入力信号用電極にそれぞれ入力信号を与えることにより選択し、
前記他端の微小島のキャリア数を出力信号とすることを特徴とするクーロンブロケード素子の制御方法。
【請求項５】
キャリアを閉じ込めるための半導体からなる微小島、トンネル性容量を介して前記微小島に接続された金属又は縮退半導体からなる第１の電極、及び非トンネル性容量を介して前記微小島に接続された第２の電極を備えた素子部と、
この素子部に対し、光吸収によって前記微小島に電子正孔対を生じさせる光の照射のオン／オフ制御が可能な発光部と、
第１、第２の電極間に印加する電極間電圧を制御する手段とを備え、
前記発光部が、前記電極間電圧を制御する手段によって印加される電圧に合わせて、前記素子部に照射する照射光のオン／オフ制御を行うことにより、前記微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に変化させることを特徴とするクーロンブロケード素子。
【請求項６】
トンネル性容量を介して相互に接続された半導体からなる複数の微小島、前記複数の微小島のうち少なくとも２つの微小島に非トンネル性容量を介してそれぞれ１つずつ接続された少なくとも２つの入力信号用電極、及び前記複数の微小島の各々に非トンネル性容量を介してそれぞれ１つずつ接続された複数のゲート電極を備えた素子部と、
この素子部に対し、光吸収によって前記微小島に電子正孔対を生じさせる光の照射のオン／オフ制御が可能な発光部と、
各ゲート電極に印加する電圧を制御する手段と、
各入力信号用電極に入力信号を与える手段とを備え、
前記発光部が、前記電圧を制御する手段から各ゲート電極に印加される電圧に合わせて、前記素子部に照射する照射光のオン／オフ制御を行うことにより、各微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に設定し、
前記電圧を制御する手段が、キャリアを輸送するためのクロック電圧を各ゲート電極に印加し、
前記入力信号を与える手段が、各入力信号用電極にそれぞれ入力信号を与えることにより、前記複数の微小島のうち一端の微小島に注入されたキャリアを他端の微小島に輸送する際に経由する微小島を選択し、
前記他端の微小島のキャリア数を出力信号とすることを特徴とするクーロンブロケード素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クーロンブロケード素子とその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微小トンネル接合における電子トンネリングのクーロンブロケード現象は、１個の電子のトンネルがそれに伴う帯電エネルギーに起因する自由エネルギーの増大により抑制される現象である。このようなクーロンブロケード現象を利用するクーロンブロケード素子は、素子から流れ出るあるいは素子に蓄積する電流や電荷を単電子の単位で制御することが可能になるため、１素子当たりの消費電力が極めて小さく、更にデバイス面積も極めて小さいという特徴を有し、既存のシリコン系集積回路の集積化限界をはるかに上回る集積化が期待されている。そして、この素子の基本構造としては、単電子メモリ（Single Electron Memory）や単電子トランジスタ（Single Electron Transistor）が提案されている。
【０００３】
単電子メモリは、メモリセルとなる微小島と書き込み線から構成され、書き込み線とメモリ島の間には、メモリ効果を引き起こすためのバリア島が最低１個以上必要となる。室温で安定したメモリ動作を行わせるためには、メモリ島の容量が小さいことと同時に、このバリア島の容量が十分小さいことが必要となる。
従来、バリア島の容量を小さくするために、バリア島として構造のゆらぎを利用した多重連結島構造を用いる方法があったが、書き込み時間が長くなる等の問題もあり、依然として単電子メモリ動作の安定性は大きな課題であった。
【０００４】
また、クーロンブロケード効果を利用した他の回路として、論理演算機能を実現する単電子輸送回路がある。従来の単電子輸送回路では、１つの論理演算機能に、１つの回路構成、すなわちある１つの微小島の配置が対応することになり、その回路構成によって決定された所定の論理演算しか行うことができない。よって、ある論理演算機能が設定された回路に対して論理演算機能の変更を行うことは困難なので、回路の柔軟性に乏しく、この点では既存のＣＭＯＳによる論理回路に比べてさしたる長所はなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来のクーロンブロケード素子では、単電子メモリ動作が安定しないという問題点があり、また回路の柔軟性に乏しいという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、安定した単電子メモリ動作が可能なクーロンブロケード素子の制御方法及びクーロンブロケード素子を提供することを第１の目的とする。
また、論理演算機能の設定・変更が容易なクーロンブロケード素子の制御方法及びクーロンブロケード素子を提供することを第２の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載のように、キャリアを閉じ込めるための半導体からなる微小島、トンネル性容量を介して微小島に接続された金属又は縮退半導体からなる第１の電極、及び非トンネル性容量を介して微小島に接続された第２の電極を備えたクーロンブロケード素子に対し、第１、第２の電極間に印加する電極間電圧を制御すると共に、光吸収によって前記微小島に電子正孔対を生じさせる光の照射のオン／オフ制御を行うことにより、微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に変化させるようにしたものである。
このようにクーロンブロケード素子に対して第１、第２の電極間に印加する電極間電圧を制御すると共に照射光のオン／オフ制御を行って、キャリアを少数個含む微小島における電子と正孔の再結合過程の非可逆性を利用することにより、単電子メモリ動作が可能となる。
【０００７】
また、請求項２に記載のように、微小島内の電子数を増加させる場合は、光を照射しない状態で第１の電極に対し第２の電極が正電位となる電極間電圧を増大させ、微小島内の電子数を減少させる場合は、光を照射した状態で電極間電圧を減少させるようにしたものである。
また、請求項３に記載のように、微小島内の正孔数を増加させる場合は、光を照射しない状態で第１の電極に対し第２の電極が負電位となる電極間電圧を増大させ、微小島内の正孔数を減少させる場合は、光を照射した状態で電極間電圧を減少させるようにしたものである。
【０００８】
また、請求項４に記載のように、トンネル性容量を介して相互に接続された半導体からなる複数の微小島、前記複数の微小島のうち少なくとも２つの微小島に非トンネル性容量を介してそれぞれ１つずつ接続された少なくとも２つの入力信号用電極、及び前記複数の微小島の各々に非トンネル性容量を介してそれぞれ１つずつ接続された複数のゲート電極を備えたクーロンブロケード素子に対し、各ゲート電極に印加する電圧を制御すると共に、光吸収によって前記微小島に電子正孔対を生じさせる光の照射のオン／オフ制御を行うことにより、各微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に設定し、キャリアを輸送するためのクロック電圧を各ゲート電極に印加することにより、前記複数の微小島のうち一端の微小島に注入されたキャリアを他端の微小島に輸送し、この輸送の際にキャリアが経由する微小島を、前記入力信号用電極にそれぞれ入力信号を与えることにより選択し、前記他端の微小島のキャリア数を出力信号とするものである。
このように各ゲート電極に印加する電圧を制御すると共に照射光のオン／オフ制御を行って、各微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に設定することにより、所望の微小島で選択的に電子と正孔の再結合を起こさせることができ、任意の論理演算機能を実現することができる。
【０００９】
また、請求項５に記載のように、キャリアを閉じ込めるための半導体からなる微小島、トンネル性容量を介して微小島に接続された金属又は縮退半導体からなる第１の電極、及び非トンネル性容量を介して微小島に接続された第２の電極を備えた素子部と、この素子部に対し、光吸収によって前記微小島に電子正孔対を生じさせる光の照射のオン／オフ制御が可能な発光部と、第１、第２の電極間に印加する電極間電圧を制御する手段とを備え、前記発光部が、前記電極間電圧を制御する手段によって印加される電圧に合わせて、前記素子部に照射する照射光のオン／オフ制御を行うことにより、前記微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に変化させるものである。
また、請求項６に記載のように、トンネル性容量を介して相互に接続された半導体からなる複数の微小島、前記複数の微小島のうち少なくとも２つの微小島に非トンネル性容量を介してそれぞれ１つずつ接続された少なくとも２つの入力信号用電極、及び前記複数の微小島の各々に非トンネル性容量を介してそれぞれ１つずつ接続された複数のゲート電極を備えた素子部と、この素子部に対し、光吸収によって前記微小島に電子正孔対を生じさせる光の照射のオン／オフ制御が可能な発光部と、各ゲート電極に印加する電圧を制御する手段と、各入力信号用電極に入力信号を与える手段とを備え、前記発光部が、前記電圧を制御する手段から各ゲート電極に印加される電圧に合わせて、前記素子部に照射する照射光のオン／オフ制御を行うことにより、各微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に設定し、前記電圧を制御する手段が、キャリアを輸送するためのクロック電圧を各ゲート電極に印加し、前記入力信号を与える手段が、各入力信号用電極にそれぞれ入力信号を与えることにより、前記複数の微小島のうち一端の微小島に注入されたキャリアを他端の微小島に輸送する際に経由する微小島を選択し、前記他端の微小島のキャリア数を出力信号とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態の１．
図１は本発明の第１の実施の形態を示すクーロンブロケード素子の等価回路図である。この回路は、単電子メモリ機能を実現するために用いるものであり、基本的に従来単電子箱と呼ばれているものと同じである。
回路の最小単位は、第１の電極部１、トンネル性容量部２、直径数ｎｍ程度のメモリセルとなる微小島３、非トンネル性容量部４及び第２の電極である書き込み電圧印加用電極部５から構成される。
【００１１】
電極部１には、例えば縮体半導体等のキャリア数の十分多い半導体を用い、微小島３には、半導体を用いる。
また、容量部２、４には、絶縁物あるいは電極部１、微小島３に対しエネルギー障壁を形成しうる半導体を用いる。
そして、電極部５、その他回路図から省略した配線などは、金属で構わない。
【００１２】
本実施の形態では、電極部１をｎ形半導体とし、電子を書き込む場合を考えるが、電極部１をｐ形半導体とし、正孔を書き込む単正孔メモリとしてもよい。
図２は、図１のクーロンブロケード素子において電極部１、５間の電圧に対する微小島３中の伝導帯電子個数Ｎの変化を示す図である。図２は、電極部１を接地して電極部５に電圧Ｖを印加したとき、微小島３中の伝導帯電子個数Ｎがどのように変化するかを示したものであり、実線は光照射なしの場合、破線は光照射ありの場合を示している。
【００１３】
図２の右側、電圧Ｖの比較的大きい領域では、電圧Ｖを増大させるにつれて微小島３中の伝導帯電子個数Ｎが＋１、＋２、＋３と離散的に増加する。これが、従来、単電子箱特性と言われるもので、電圧Ｖを逆に戻してもヒステリシスは存在しない。つまり、メモリ効果は生じない。
本発明が用いる領域は、微小島３中の伝導帯電子個数が実効的に負になる領域、つまり微小島３に正孔が存在するのがエネルギー的に安定な領域である。
【００１４】
図１のクーロンブロケード素子に光を照射しない場合、電圧Ｖがこの領域（図２の左側）に入っても、電極１には正孔がほとんど存在しないので、実線で示すようにＮ＝０となってＮ＝−１、−２とはならない。正確に言えば、Ｎ＝−１、−２といった状態になるには、長い時間を必要とする。この時間は構造に依存するが、例えば２次元単結晶シリコン層を加工して微小島に閉じ込めるクーロンブロケード素子の場合（特願平７−２７５５４４号）、１２時間以上というデータがある。
【００１５】
これに対して図１のクーロンブロケード素子に光を照射すると、電極部１、微小島３で光吸収が起こり、電子正孔対が生成されるため、Ｎ＝−１、−２といった状態が実現できる。
図３は、図１のクーロンブロケード素子における単電子メモリ動作をバンド模式図を用いて示したものである。簡略のため、非トンネル性容量部４、電極部５は省略してある。なお、電極部１における斜線の領域は、伝導帯底Ｅｃからフェルミ準位Ｅｆまで、電子が詰まっている様子を示している。
【００１６】
図３（ａ）、図３（ｂ）は、初期状態（Ｎ＝−１）を実現するリセット動作を示している。電極部５への印加電圧ＶがＶ１の場合は、図２に示すように、微小島３に正孔が１個存在する状態（Ｎ＝−１）がエネルギー的に安定である。
図３（ｂ）に示す初期状態は、図３（ａ）に示すように、Ｖ＝Ｖ１を電極部５に印加しながら、光を照射して電子ｅ及び正孔ｈを励起し、次に光の照射を停止して電子ｅと正孔ｈの再結合を起こさせることによって実現される。
【００１７】
図３（ｃ）、図３（ｄ）は単電子の書き込み動作を示している。図３（ｃ）に示すようにＶ＝Ｖ２を電極部５に印加すると、Ｎ＝０の状態がエネルギー的に安定となるため、電子ｅが電極部１からトンネリングによって微小島３に入ってくる。これにより、微小島３には電子ｅと正孔ｈが１個ずつ存在することになり、すぐに電子と正孔の再結合が生じて、図３（ｄ）に示すようにＮ＝０の状態となる。
【００１８】
図３（ｅ）は、電極部５への印加電圧Ｖを再びＶ１に戻したメモリ状態を示している。先に述べたように、Ｖ＝Ｖ１に戻しても光を照射しない限り、正孔が１個存在するＮ＝−１の状態にはならないので、Ｎ＝０の状態がメモリされる。このメモリ状態は、図３（ａ）、図３（ｂ）で説明したリセットを行うことにより消去される。
【００１９】
なお、本実施の形態では、動作領域としてＮ＝−１、Ｎ＝０の２状態のみを用いたが、その他の状態（例えば、Ｎ＝−２、Ｎ＝−３）を含んでも構わない。
また、本実施の形態では説明しなかったが、メモリ状態の読み取り、すなわち微小島３の電荷状態の検出には、微小島３に近接させた（微小島３と容量的に接続された）単電子トランジスタ（特願平７−２７５５４４号）を用いればよい。
【００２０】
以上のように、微小島３中の電子や正孔の数が多くてもせいぜい２、３個といった領域で動作させ、微小島３における電子と正孔の再結合過程の非可逆性を利用することにより、微小島１個から構成される単電子箱によって安定した単電子メモリ効果を実現することができる。従来のクーロンブロケード素子は、微小島中の電子や正孔の数が最低でも１０個以上の状態で動作させる場合がほとんどであり、単電子メモリとして機能させるためには、微小島が最低でも２個必要であった。もちろん、この従来の単電子メモリ回路と電子正孔再結合の原理を組み合わせれば、さらに安定した動作が実現できることは言うまでもない。
【００２１】
実施の形態の２．
図４は本発明の他の実施の形態となる光検出方法をバンド模式図を用いて示したものである。クーロンブロケード素子の基本回路は図１と同じである。
本実施の形態では、光を検出した場合、光を検出したという情報を微小島３中の１個の正孔として記憶する。原理は、実施の形態の１の初期状態とメモリ状態を入れ替えた場合に相当する。
【００２２】
図４（ａ）、図４（ｂ）は、初期状態（Ｖ＝Ｖ１、Ｎ＝０）を実現するリセット動作を示している。電極部５への印加電圧ＶがＶ１の場合は、微小島３に正孔が１個存在する状態（Ｎ＝−１）がエネルギー的に安定であるが、図４（ａ）に示すように、いったん電圧Ｖ＝Ｖ２を電極部５に印加して図３（ｃ）、図３（ｄ）で説明した単電子メモリにおける単電子書き込みの動作を行うことにより、図４（ｂ）に示す初期状態（Ｖ＝Ｖ１、Ｎ＝０）を実現することができる。
【００２３】
図４（ｃ）、図４（ｄ）の動作は、図３（ａ）、図３（ｂ）で説明した動作と同じであり、光を検出したことを微小島３中の１個の正孔ｈとして記憶する。こうして、光検出機能を実現することができる。
このメモリ状態は、図４（ａ）、図４（ｂ）で説明したリセットを行うことにより消去され、再び光検出が可能な初期状態に戻すことができる。
【００２４】
なお、本実施の形態においても、メモリ状態の読み取り、すなわち微小島３の電荷状態の検出には、実施の形態の１と同様に微小島３に近接させた単電子トランジスタを用いればよい。
また、図１のようなクーロンブロケード素子を２次元的に配置すれば、２次元のイメージセンサを構成することができる。
【００２５】
本実施の形態によれば、光信号の有無を１、０の２値にディジタル化することになり、また原理的に微小島３での１個の光子の吸収を検出できるので、超微弱な光信号の検出に向いている。
光強度の情報を取り入れたい場合には、初期状態における電圧の設定をＶ＝Ｖ１よりもっと小さく設定し、エネルギー的に正孔が複数個（Ｎ＝−２、−３・・・）存在できるようにしておくことにより、光強度及び照射時間の情報を正孔個数に反映させることができる。
また、電極部１をｐ形半導体にして、光検出を微小島３中の電子個数として記憶するようにすることも可能である。
【００２６】
実施の形態の３．
図５は本発明の他の実施の形態を示すクーロンブロケード素子の等価回路図である。
この回路は論理演算機能を実現するための単電子輸送回路であり、微小島として、両端の島１０、１１と、その間に挟まれた２×２個の島１２〜１５が設けられ、各微小島間はトンネル性容量部１６を介して結合されている。
【００２７】
また、各微小島は、非トンネル性容量部１７を介して単電子輸送用の電極部１８〜２３と接続されている。
さらに、微小島１２、１４は、別の非トンネル性容量部を介して入力信号用電極部２４、２５と接続されている。
【００２８】
まず、基本的な単電子輸送の動作について説明する。単電子輸送用の電極部１８にクロック電圧φ０、電極部１９、２０にクロック電圧φ１、電極部２１、２２にクロック電圧φ２、電極部２３にクロック電圧φ３がそれぞれ位相をずらして順次与えられる。
【００２９】
その結果、単電子はφ０〜φ３の一周期のクロックで、まず島１０、次に島１２あるいは島１３、さらに島１４あるいは島１５、最後に島１１へ輸送される。このとき、入力信号用電極部２４に与える入力信号Ｘ１によって島１２と島１３のどちらを経由するかが決定され、入力信号用電極部２５に与える入力信号Ｘ２によって島１４と島１５のどちらを経由するかが決定される。
【００３０】
このような選択を実現するためには、例えば微小島１２、１３にそれぞれ与える同一タイミングのクロック電圧φ１のうち微小島１３に与える方の電圧を高く設定しておく。これにより、入力信号Ｘ１を与えない場合には、単電子は微小島１３を通る。そして、クロック電圧φ１より高い電圧を入力信号Ｘ１として与えると、単電子は微小島１２を通る。
微小島１４、１５についても同様にして選択動作を実現することができる。
【００３１】
また、この回路では、微小島１１への単電子出力を出力信号Ｙとする。上記のように島１１へ単電子が輸送される動作では、出力信号Ｙは「１」となる。
図６は図５のクーロンブロケード素子を用いた論理演算動作を説明するための図である。なお、図６（ａ）、図６（ｃ）ではトンネル性容量を省略している。
【００３２】
各微小島中の伝導帯電子個数Ｎは、初期状態として零個（Ｎ＝０）とする。まず、クーロンブロケード素子に光照射を行うと同時に、各ゲート電極部にそれぞれ適当な電圧を印加して、特定の微小島だけ正孔が１個存在する状態（Ｎ＝−１）がエネルギー的に安定となるように設定する。
ここで言うゲート電極部としては、電極部１８〜２３を用いてもよいし、非トンネル性容量部を介して微小島１０〜１５にそれぞれ接続された電極部（不図示）を別に設けてもよい。
【００３３】
図６（ａ）では、微小島１２に正孔ｈを配置した場合を示している。これは、光を照射すると同時に、島１０、１１、１３〜１５にそれぞれ接続されたゲート電極部に対して島１２に接続されたゲート電極部が負電位となるような電圧を各ゲート電極部に印加することによって実現できる。
【００３４】
このような状態で、上記のようにクロック電圧φ０〜φ３を印加し、単電子の輸送を行うと、微小島１２を経由する入力信号Ｘ１、Ｘ２を入力した場合には、電子ｅは島１２に達したときに正孔ｈと出会うことになる。よって、微小島１２で電子ｅと正孔ｈの再結合が生じ、電子ｅは消滅してしまう。その結果、島１１へ単電子ｅが輸送されることはなく、出力信号Ｙは「０」となる。
また、微小島１２を経由しない入力信号Ｘ１、Ｘ２を入力した場合には、電子ｅは島１１へ到達し、出力信号Ｙは「１」となる。
【００３５】
したがって、入力信号Ｘ１、Ｘ２と出力信号Ｙの関係は、図６（ｂ）に示した真偽値表に従うことになる。なお、ここでは、入力信号Ｘ１、Ｘ２の電圧値を２値化したとき、入力信号Ｘ１として「０」を入力したときに微小島１３を経由し、同様に入力信号Ｘ２として「０」を入力したときに微小島１５を経由するものとしている。
【００３６】
図６（ｃ）では、微小島１３、１５に正孔ｈを配置した場合を示している。これは、光を照射すると同時に、島１０〜１２、１４にそれぞれ接続されたゲート電極部に対して島１３、１５に接続されたゲート電極部が負電位となるような電圧を各ゲート電極部に印加することによって実現できる。
このような状態で、クロック電圧φ０〜φ３を印加し、単電子の輸送を行うと、島１３あるいは島１５を経由する入力信号Ｘ１、Ｘ２を入力した場合には、電子ｅは島１３あるいは島１５に達したときに正孔ｈと出会うことになる。その結果、出力信号Ｙは「０」となる。
【００３７】
また、島１２と島１４を経由する入力信号Ｘ１、Ｘ２を入力した場合には、電子ｅは島１１へ到達し、出力信号Ｙは「１」となる。
よって、入力信号Ｘ１、Ｘ２と出力信号Ｙの関係は、図６（ｄ）に示した真偽値表に従うことになり、論理積回路が実現できることが分かる。
なお、本実施の形態では、微小島１０への電子の注入、微小島１１の電荷状態の検出について記載していないが、微小島１０については他のクーロンブロケード素子あるいは電極を接続すればよく、微小島１１についても他のクーロンブロケード素子あるいは単電子トランジスタを接続すればよい。
【００３８】
以上のように、実施の形態の１、２で説明した原理を単電子輸送回路に応用して、ゲート電極部に印加する電圧の制御と光照射によって一部の微小島に正孔を配置し、この微小島で選択的に電子と正孔の再結合を起こさせることにより、複数の論理演算を行うことができる。したがって、回路構成を変えることなく論理演算機能を任意に変えることができ、演算機能の設定・変更が容易なプログラマブルな回路を実現することができる。
【００３９】
なお、演算を一回行うと、入力によっては正孔が消滅してしまうので、同じ演算をもう一回行うためには、正孔配置を再び行う必要がある。また、この点を逆に利用すれば、入力によって演算機能が次々と変化するような学習機能を実現でき、ニューロ回路として機能させることもできる。
また、本実施の形態では、２×２個の小規模な回路を示したが、多数の微小島の連結構造にこの原理を応用することにより、多様な機能が実現できることは言うまでもない。
【００４０】
また、本実施の形態では、電子のみの輸送を考え、正孔の輸送は考慮していないが、両方の輸送を利用してもよい。また、電子あるいは正孔のうち片方の輸送を抑制するには、島に不純物あるいは欠陥等を導入し、バンドギャップ中に状態を作ることにより、電子あるいは正孔に対し捕獲中心を形成してやればよい。
また、単電子、正孔の輸送、あるいは電子・正孔の再結合は、本来確率的な事象であり、それは高速動作のとき顕著になる。これを利用して、確率的な演算を行うニューロ回路として機能させることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、請求項１〜３に記載のように、第１、第２の電極間に印加する電極間電圧を制御すると共に照射光のオン／オフ制御を行って、微小島における電子と正孔の再結合過程の非可逆性を利用することにより、従来の単電子メモリでは実現できなかった安定した単電子メモリ動作が可能となる。また、このような単電子メモリ動作を利用すれば、光検出機能を実現することができる。
【００４２】
また、請求項４に記載のように、各ゲート電極に印加する電圧を制御すると共に照射光のオン／オフ制御を行って、各微小島内に存在するキャリア数を非可逆的に設定することにより、所望の微小島で選択的に電子と正孔の再結合を起こさせることができるので、回路構成を変えることなく任意の論理演算機能を実現することができ、論理演算機能の設定・変更が容易なプログラマブルな回路を実現することができる。
【００４３】
また、請求項５に記載のように、素子部と発光部を備えることにより、安定した単電子メモリ動作が可能なクーロンブロケード素子を実現することができる。また、請求項６に記載のように、素子部と発光部を備えることにより、論理演算機能の設定・変更が容易なクーロンブロケード素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態を示すクーロンブロケード素子の等価回路図である。
【図２】  図１のクーロンブロケード素子において、電極間電圧に対する微小島中の伝導帯電子個数の変化を示す図である。
【図３】  図１のクーロンブロケード素子における単電子メモリ動作を説明するためのバンド模式図である。
【図４】  本発明の他の実施の形態となる光検出方法を説明するためのバンド模式図である。
【図５】  本発明の他の実施の形態を示すクーロンブロケード素子の等価回路図である。
【図６】  図５のクーロンブロケード素子を用いた論理演算動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１…電極部、２、１６…トンネル性容量部、３、１０〜１５…微小島、４、１７…非トンネル性容量部、５…書き込み電圧印加用電極部、１８〜２３…単電子輸送用電極部、２４、２５…入力信号用電極部。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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