(57)【要約】２つの制御ワイヤ（１３０、２３０）と、２つの制御ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより各制御ワイヤと接合部（１２８、２２８）を形成する１つの信号ワイヤとを含む分子クロスバーラッチが提供される。各接合部はスイッチを形成し、その接合部はナノメートル単位の機能的な寸法を有する。信号ワイヤは、０状態から１状態までの範囲にある、少なくとも２つの異なる電圧状態を選択的に有し、１つの接合部を通って信号ワイヤに流れ込む（あるいは信号ワイヤから流れ出る）電流がスイッチを開く（あるいは閉じる）ことができるように、一方、他の接合部を通って信号ワイヤに流れ込む（あるいは信号ワイヤから流れ出る）電流がスイッチを閉じる（あるいは開く）ことができるように、１つの接合部を通って信号ワイヤから流れる電流の方向と、他の接合部を通って信号ワイヤから流れる電流の方向とが非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替わるための電圧閾値が存在する。さらに、ロジックアレイ内のナノワイヤ上に電圧値をラッチするための方法、論理値を反転するための方法、およびナノスケールワイヤ内の信号の電圧値を復元するための方法が提供される。
2005508064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの制御ワイヤと、前記２つの制御ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより各制御ワイヤとの接合部を形成する１つの信号ワイヤとを含む分子クロスバーラッチであって、
前記各接合部は１つのスイッチを形成し、前記各接合部はナノメートル単位の機能的な寸法を有し、
前記信号ワイヤは、０状態から１状態までの範囲にある、少なくとも２つの異なる電圧状態を選択的に有し、
１つの接合部を通って、前記信号ワイヤに流れ込む電流あるいは前記信号ワイヤから流れ出る電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、あるいは閉じることができるように、一方、他の接合部を通って、前記信号ワイヤに流れ込む電流あるいは前記信号ワイヤから流れ出る電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、あるいは開くことができるように、１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れる電流の方向と、他の接合部を通って前記信号ワイヤから流れる電流の方向とが非対称であり、
開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替わるための電圧閾値が存在することを特徴とする、分子クロスバーラッチ。
【請求項２】
前記スイッチは、「強１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって無条件に開かれ、「強０」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって無条件に閉じられ、
前記「強１」および前記「強０」はいずれも閾値レベルを超していることを特徴とする、請求項１に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項３】
前記スイッチは、「弱１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって条件付きで開かれ、「弱１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって条件付きで閉じられ、
前記弱い電圧状態は前記強い電圧状態より強くないことを特徴とする、請求項２に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項４】
前記接続部はそれぞれ、ある状態から別の状態に切り替わることができる双安定性分子を含むことを特徴とする、請求項１に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項５】
前記双安定性分子は、電気化学的反応を用いて、酸化された状態と還元された状態との間で切り替わることができることを特徴とする、請求項４に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項６】
前記双安定性分子は、ロタキサン、擬似ロタキサン、カテナンおよびスピロピランからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項５に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項７】
ロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法であって、
（ａ）２つの制御ワイヤと、前記２つの制御ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより前記各制御ワイヤとの接合部を形成する１つの信号ワイヤとを含む分子クロスバーラッチを配設することであって、
前記各接合部は１つのスイッチを形成し、前記各接合部はナノメートル単位の機能的な寸法を有し、
前記信号ワイヤは、０状態から１状態までの範囲にある、少なくとも２つの異なる電圧状態を選択的に有し、
１つの接合部を通って、前記信号ワイヤに流れ込む電流あるいは前記信号ワイヤから流れ出る電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、あるいは閉じることができるように、一方、他の接合部を通って、前記信号ワイヤに流れ込む電流あるいは前記信号ワイヤから流れ出る電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、あるいは開くことができるように、１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れる電流の方向と、他の接合部を通って前記信号ワイヤから流れる電流の方向とが非対称であり、
開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替わるための電圧閾値が存在する、分子クロスバーラッチを配設すること、および
（ｂ）前記２つの制御ワイヤに複数の電圧のシーケンスを印加することであって、その結果として、前記信号ワイヤが論理１を表す電圧を有する場合に、前記第１のスイッチが開き、かつ前記第２のスイッチが閉じるか、あるいは前記信号ワイヤが論理０を表す電圧を有する場合に、前記第１のスイッチが閉じ、かつ前記第２のスイッチが開くように、前記２つの接合部からなる前記スイッチが設定される、前記２つの制御ワイヤに複数の電圧のシーケンスを印加すること、
を含むことを特徴とする、ロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法。
【請求項８】
前記スイッチは、「強１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって無条件に開かれ、「強０」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって無条件に閉じられ、
前記「強１」および前記「強０」はいずれも閾値レベルを超していることを特徴とする、請求項７に記載のロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法。
【請求項９】
前記スイッチは、「弱１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって条件付きで開かれ、「弱１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって条件付きで閉じられ、
前記弱い電圧状態は前記強い電圧状態より強くないことを特徴とする、請求項８に記載のロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法。
【請求項１０】
前記接続部はそれぞれ、ある状態から別の状態に切り替わることができる双安定性分子を含むことを特徴とする、請求項７に記載のロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法。
【請求項１１】
前記双安定性分子は、電気化学的反応を用いて、酸化された状態と還元された状態との間で切り替わることができることを特徴とする、請求項１０に記載のロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法。
【請求項１２】
前記双安定性分子は、ロタキサン、擬似ロタキサン、カテナンおよびスピロピランからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項１１に記載のロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法。
【請求項１３】
前記複数の電圧のシーケンスは、以下の３つのステップ：
（ａ）前記スイッチを両方とも無条件で開くステップと、
（ｂ）前記信号ワイヤが論理１を有する場合に前記第１のスイッチを条件付きで閉じ、同時に、前記信号ワイヤが論理０を有する場合に前記第２のスイッチを条件付きで閉じるステップと、
（ｃ）前記第１のスイッチに関連する前記制御ワイヤを論理１電圧レベルに接続し、同時に、前記第２のスイッチに関連する前記第２の制御ワイヤを論理０電圧レベルに接続するステップと、
を有することを特徴とする、請求項７に記載のロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法。
【請求項１４】
前記複数の電圧のシーケンスは、以下の４つのステップ：
（ａ）前記スイッチを両方とも無条件で開くステップと、
（ｂ）前記信号ワイヤが論理１を有する場合に前記第１のスイッチを条件付きで閉じ、前記第２のスイッチに関連する前記制御ワイヤ上に、前記第２のスイッチの状態を変更するには不十分である電圧を印加することにより、前記状態を変更されないままにするステップと、
（ｃ）前記信号ワイヤが論理０を有する場合に前記第２のスイッチを条件付きで閉じ、前記第１のスイッチに関連する前記制御ワイヤ上に、前記第１のスイッチの状態を変更するには不十分である電圧を印加することにより、前記状態を変更されないままにするステップと、
（ｄ）前記第１のスイッチに関連する前記制御ワイヤを論理１電圧レベルに接続し、同時に、前記第２のスイッチに関連する前記第２の制御ワイヤを論理０電圧レベルに接続するステップと、
を有することを特徴とする、請求項７に記載のロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法。
【請求項１５】
ナノスケールスイッチにおいて信号の減衰した電圧値をその完全な値に復元するための方法であって、
（ａ）２つの制御ワイヤと、前記２つの制御ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより前記各制御ワイヤとの接合部を形成する１つの信号ワイヤとを含む分子クロスバーラッチを配設することであって、
前記各接合部は１つのスイッチを形成し、前記各接合部はナノメートル単位の機能的な寸法を有し、
前記信号ワイヤは、０状態から１状態までの範囲にある、少なくとも２つの異なる電圧状態を選択的に有し、
１つの接合部を通って、前記信号ワイヤに流れ込む電流あるいは前記信号ワイヤから流れ出る電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、あるいは閉じることができるように、一方、他の接合部を通って、前記信号ワイヤに流れ込む電流あるいは前記信号ワイヤから流れ出る電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、あるいは開くことができるように、１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れる電流の方向と、他の接合部を通って前記信号ワイヤから流れる電流の方向とが非対称であり、
開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替わるための電圧閾値が存在する、分子クロスバーラッチを配設すること、
（ｂ）前記２つの制御ワイヤに複数の電圧のシーケンスを印加することにより前記信号をラッチすることであって、その結果として、
前記信号ワイヤが論理１を表す電圧を有する場合に、前記第１のスイッチが開き、かつ前記第２のスイッチが閉じるか、あるいは
前記信号ワイヤが論理０を表す電圧を有する場合に、前記第１のスイッチが閉じ、かつ前記第２のスイッチが開くように、
前記２つの接合部からなる前記スイッチが設定される、信号をラッチすること、および
（ｃ）前記第１の制御ワイヤ上に論理０を表す電圧を設定し、前記第２の制御ワイヤ上に論理１を表す電圧を設定すること、
を含むことを特徴とする、ナノスケールスイッチにおいて信号の減衰した電圧値をその完全な値に復元するための方法。
【請求項１６】
前記スイッチは、「強１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって無条件に開かれ、「強０」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって無条件に閉じられ、前記「強１」および前記「強０」はいずれも閾値レベルを超していることを特徴とする、請求項１５に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の減衰した電圧値をその完全な値に復元するための方法。
【請求項１７】
前記スイッチは、「弱１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって条件付きで開かれ、「弱１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって条件付きで閉じられ、前記弱い電圧状態は前記強い電圧状態より強くないことを特徴とする、請求項１６に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の減衰した電圧値をその完全な値に復元するための方法。
【請求項１８】
前記接続部はそれぞれ、ある状態から別の状態に切り替わることができる双安定性分子を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の減衰した電圧値をその完全な値に復元するための方法。
【請求項１９】
前記双安定性分子は、電気化学的反応を用いて、酸化された状態と還元された状態との間で切り替わることができることを特徴とする、請求項１９に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の減衰した電圧値をその完全な値に復元するための方法。
【請求項２０】
前記双安定性分子は、ロタキサン、擬似ロタキサン、カテナンおよびスピロピランからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項１９に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の減衰した電圧値をその完全な値に復元するための方法。
【請求項２１】
前記複数の電圧のシーケンスは、以下の３つのステップ：
（ａ）前記スイッチを両方とも無条件で開くステップと、
（ｂ）前記信号線が論理１を有する場合に前記第１のスイッチを条件付きで閉じ、同時に、前記信号線が論理０を有する場合に前記第２のスイッチを条件付きで閉じるステップと、
（ｃ）前記第１のスイッチに関連する前記制御ワイヤを論理１電圧レベルに接続し、同時に、前記第２のスイッチに関連する前記第２の制御ワイヤを論理０電圧レベルに接続するステップと、
を有することを特徴とする、請求項１５に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の減衰した電圧値をその完全な値に復元するための方法。
【請求項２２】
前記複数の電圧のシーケンスは、以下の４つのステップ：
（ａ）前記スイッチを両方とも無条件で開くステップと、
（ｂ）前記信号ワイヤが論理１を有する場合に前記第１のスイッチを条件付きで閉じ、前記第２のスイッチに関連する前記制御ワイヤ上に、前記第２のスイッチの状態を変更するには不十分である電圧を印加することにより、前記状態を変更されないままにするステップと、
（ｃ）前記信号ワイヤが論理０を有する場合に前記第２のスイッチを条件付きで閉じ、前記第１のスイッチに関連する前記制御ワイヤ上に、前記第１のスイッチの状態を変更するには不十分である電圧を印加することにより、前記状態を変更されないままにするステップと、
（ｄ）前記第１のスイッチに関連する前記制御ワイヤを論理１電圧レベルに接続し、同時に、前記第２のスイッチに関連する前記第２の制御ワイヤを論理０電圧レベルに接続するステップと、
を有することを特徴とする、請求項１５に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の減衰した電圧値をその完全な値に復元するための方法。
【請求項２３】
ナノスケールスイッチにおいて信号の論理値を反転するための方法であって、
（ａ）２つの制御ワイヤと、前記２つの制御ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより前記各制御ワイヤとの接合部を形成する１つの信号ワイヤとを含む分子クロスバーラッチを配設することであって、
前記各接合部は１つのスイッチを形成し、前記各接合部はナノメートル単位の機能的な寸法を有し、
前記信号ワイヤは、０状態から１状態までの範囲にある、少なくとも２つの異なる電圧状態を選択的に有し、
１つの接合部を通って、前記信号ワイヤに流れ込む電流あるいは前記信号ワイヤから流れ出る電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、あるいは閉じることができるように、一方、他の接合部を通って、前記信号ワイヤに流れ込む電流あるいは前記信号ワイヤから流れ出る電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、あるいは開くことができるように、１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れる電流の方向と、他の接合部を通って前記信号ワイヤから流れる電流の方向とが非対称であり、
開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替わるための電圧閾値が存在する、分子クロスバーラッチを配設すること、
（ｂ）前記２つの制御ワイヤに複数の電圧のシーケンスを印加することにより前記信号をラッチすることであって、その結果として、前記信号ワイヤが論理１を表す電圧を有する場合に、前記第１のスイッチが開き、かつ前記第２のスイッチが閉じるか、あるいは前記信号ワイヤが論理０を表す電圧を有する場合に、前記第１のスイッチが閉じ、かつ前記第２のスイッチが開くように、前記２つの接合部からなる前記スイッチが設定される、信号をラッチすること、および
（ｃ）前記第１の制御ワイヤ上に論理１を表す電圧を設定し、前記第２の制御ワイヤ上に論理０を表す電圧を設定すること、
を含むことを特徴とする、ナノスケールスイッチにおいて信号の論理値を反転するための方法。
【請求項２４】
前記スイッチは、「強１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって無条件に開かれ、「強０」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって無条件に閉じられ、前記「強１」および前記「強０」はいずれも閾値レベルを超していることを特徴とする、請求項２３に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の論理値を反転するための方法。
【請求項２５】
前記スイッチは、「弱１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって条件付きで開かれ、「弱１」で示される前記信号ワイヤ上の電圧状態によって条件付きで閉じられ、前記弱い電圧状態は前記強い電圧状態より強くないことを特徴とする、請求項２４に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の論理値を反転するための方法。
【請求項２６】
前記接続部はそれぞれ、ある状態から別の状態に切り替わることができる双安定性分子を含むことを特徴とする、請求項２３に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の論理値を反転するための方法。
【請求項２７】
前記双安定性分子は、電気化学的反応を用いて、酸化された状態と還元された状態との間で切り替わることができることを特徴とする、請求項２６に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の論理値を反転するための方法。
【請求項２８】
前記双安定性分子は、ロタキサン、擬似ロタキサン、カテナンおよびスピロピランからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項２７に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の論理値を反転するための方法。
【請求項２９】
前記複数の電圧のシーケンスは、以下の３つのステップ：
（ａ）前記スイッチを両方とも無条件で開くステップと、
（ｂ）前記信号ワイヤが論理１を有する場合に前記第１のスイッチを条件付きで閉じ、同時に、前記信号ワイヤが論理０を有する場合に前記第２のスイッチを条件付きで閉じるステップと、
（ｃ）前記第１のスイッチに関連する前記制御ワイヤを論理１電圧レベルに接続し、同時に、前記第２のスイッチに関連する前記第２の制御ワイヤを論理０電圧レベルに接続するステップと、
を有することを特徴とする、請求項２３に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の論理値を反転するための方法。
【請求項３０】
前記複数の電圧のシーケンスは、以下の４つのステップ：
（ａ）前記スイッチを両方とも無条件で開くステップと、
（ｂ）前記信号ワイヤが論理１を有する場合に前記第１のスイッチを条件付きで閉じ、前記第２のスイッチに関連する前記制御ワイヤ上に、前記第２のスイッチの状態を変更するには不十分である電圧を印加することにより、前記状態を変更されないままにするステップと、
（ｃ）前記信号ワイヤが論理０を有する場合に前記第２のスイッチを条件付きで閉じ、前記第１のスイッチに関連する前記制御ワイヤ上に、前記第１のスイッチの状態を変更するには不十分である電圧を印加することにより、前記状態を変更されないままにするステップと、
（ｄ）前記第１のスイッチに関連する前記制御ワイヤを論理０電圧レベルに接続し、同時に、前記第２のスイッチに関連する前記第２の制御ワイヤを論理１電圧レベルに接続するステップと、
を有することを特徴とする、請求項２３に記載のナノスケールスイッチにおいて信号の論理値を反転するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般に、それが機能する長さのスケールがナノメートル単位である電子素子に関し、より詳細には、交差する接合部において、電圧によって設定可能なスイッチに接合される、交差ナノメートルスケールワイヤを基にするクロスバーアレイとともに用いるためのラッチに関する。
【０００２】
［連邦政府によって資金提供された研究あるいは開発に関する供述］
米国政府は本発明における支払済みのライセンスと、一定の状況における権利とを有し、特許権者は、国防総省国防高等研究事業局との間で結ばれた契約第ＤＡＢＴ−６３−９９−３−０００３の条件によって与えられるような妥当な条件の下で第三者に実施許諾しなければならない。
【背景技術】
【０００３】
ナノコンピューティングは、機能的な寸法（１つあるいは複数）がナノメートルスケールであるスイッチを前提としている。ナノスケールスイッチを実施する際に用いられる技術の例が、全て本特許出願と同じ譲受人に譲渡される、James R. Heath等の名義で1999年3月29日に出願された「Chemically Synthesized and Assembled Electronic Devices」という名称の特許出願第０９／２９２，７６７号、Philip J. Kuekes等の名義で１９９９年３月２９日に出願された「Molecular Wire Crossbar Interconnect」という名称の特許出願第０９／２８２，０４５号、Philip J. Kuekes等の名義で１９９９年３月２９日に出願された「Molecular Wire Crossbar Logic (MWCL)」という名称の特許出願第０９／２８０，０４５号、２０００年１０月３日にPhilip J. Kuekes等に付与された「Molecular Wire Crossbar Memory」という名称の米国特許第６，１２８，２１４号、２００１年７月３日にPhilip J. Kuekes等に付与された「Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar Network」という名称の米国特許第６，２５６，７６７号に開示され、特許請求されている。
【０００４】
完全に汎用性のコンピューティングを実施するためには、論理機能およびメモリ機能を備えるだけでなく、論理的な変数を取り込み、それをメモリに格納できるとともに、それを別の論理機能への入力として再利用できなければならない。これにより、有限状態機械を構成できるようになり、それゆえ完全に汎用性のコンピューティングを実施できるようになる。これを果たすための１つの方法はラッチを用いることである。
【０００５】
そのようなラッチは、２００１年に開発された汎用コンピューティングの分野においてよく知られているが、ナノコンピューティングの分野における進歩には、ナノメートルスケールのラッチ機能を開発するための新たな手法が必要とされる。
【０００６】
したがって、特にナノメートルスケールコンピューティング用に構成され、そのサイズがナノメートルスケールロジックに適合することができるラッチが必要とされる。
【発明の開示】
【０００７】
本発明によれば、２つの制御ワイヤと、２つの制御ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより各制御ワイヤと接合部を形成する１つの信号ワイヤとを含む分子クロスバーラッチが提供される。各接合部はスイッチを形成し、その接合部はナノメートル単位の機能的な寸法を有する。信号ワイヤは、０状態から１状態までの範囲にある、少なくとも２つの異なる電圧状態を選択的に有し、１つの接合部を通って信号ワイヤに流れ込む（あるいは信号ワイヤから流れ出る）電流が第１のスイッチを開く（あるいは閉じる）ことができるように、一方、他の接合部を通って信号ワイヤに流れ込む（あるいは信号ワイヤから流れ出る）電流が他方のスイッチを閉じる（あるいは開く）ことができるように、１つの接合部を通って信号ワイヤから流れる電流の方向と、他の接合部を通って信号ワイヤから流れる電流の方向とが非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替わるための電圧閾値が存在する。
【０００８】
ロジックアレイ内のナノワイヤ上に論理値をラッチするための方法が提供される。本方法は、
（ａ）分子クロスバーラッチを配設すること、
（ｂ）前記２つの制御ワイヤに複数の電圧のシーケンスを印加することであって、その結果として、前記信号ワイヤが論理１を表す電圧を有する場合に、前記第１のスイッチが開き、かつ前記第２のスイッチが閉じるか、あるいは前記信号ワイヤが論理０を表す電圧を有する場合に、前記第１のスイッチが閉じ、かつ前記第２のスイッチが開くように、前記２つの接合部からなる前記スイッチが設定され、それにより信号ワイヤをラッチする、前記２つの制御ワイヤに複数の電圧のシーケンスを印加することを含む。
【０００９】
次に、ナノスケールスイッチ内の信号の電圧値を復元するための方法が提供される。本方法は、
（ａ）分子クロスバーラッチを配設すること、
（ｂ）上記のように信号をラッチすること、および
（ｃ）第１の制御ワイヤ上に論理０を表す電圧を設定し、第２の制御ワイヤ上に論理１を表す電圧を設定することを含む。
【００１０】
最後に、ナノスケールスイッチ内の信号の電圧値を反転するための方法が提供される。本方法は、
（ａ）分子クロスバーラッチを配設すること、
（ｂ）上記のように信号をラッチすること、および
（ｃ）第１の制御ワイヤ上に論理１を表す電圧を設定し、第２の制御ワイヤ上に論理０を表す電圧を設定することを含む。
【００１１】
これまで、ナノメートルスケールのラッチは実証されてこなかった。本発明によれば、ナノメートルスケールラッチが構成されるとともに、クロスバーを用いて他の回路と集積されるようになる。さらに、本発明は、１ナノメートルスケールにおいて、任意の論理信号をラッチすること、論理信号の強度を復元すること、ラッチされた出力の反転の可能性、およびほとんどクロック供給用の接続を用いることなく、外部回路と多数のラッチを接続することを可能にする。上記特徴の組合せにより、任意に複雑な論理構造の構築が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［定義］
本明細書において用いられる用語「自己組織化」は、システムの構成要素の特性に起因して、ある幾何学的パターンに自然に適合するシステムのことを指す。そのシステムは、この構成に適合することにより、少なくともそのエネルギーの局所的な最小値を達成する。
【００１３】
用語「一度だけ構成可能な」は、スイッチが酸化あるいは還元反応のような不可逆的なプロセスを通して一度だけその状態を変更できることを意味する。そのようなスイッチは、たとえば、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）の基にすることができる。
【００１４】
用語「構成変更可能な」は、スイッチが酸化あるいは還元のような可逆的なプロセスを通して何度もその状態を変更することができること意味する。言い換えると、そのスイッチは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）内のメモリビット、あるいはディスプレイ内のカラー画素のように、何度も開閉されることができる。
【００１５】
分子に適用されるような用語「双安定」は、分子が、エネルギー（あるいは活性化）障壁によって分離される２つの相対的に低いエネルギー状態を有することを意味する。その分子は、ある状態から他の状態に不可逆的に切り替えられることができるか（一度だけ構成可能）、あるいはある状態から他の状態に可逆的に切り替えられることができる（構成変更可能）。
【００１６】
ミクロンスケール寸法は、サイズが１マイクロメートルないし数マイクロメートルの範囲にある寸法を指す。
【００１７】
サブミクロンスケール寸法は、１マイクロメートルないし０．０５マイクロメートルの範囲の寸法を指す。
【００１８】
ナノメートルスケール寸法は、０．１ナノメートルないし５０ナノメートル（０．０５マイクロメートル）の範囲の寸法を指す。
【００１９】
ミクロンスケールおよびサブミクロンスケールのワイヤは、幅あるいは直径が０．０５ないし１０マイクロメートルの寸法を有し、高さが数十ナノメートルないし１マイクロメートルの範囲を有することができ、長さが数マイクロメートル以上に及ぶ、棒状あるいは帯状の導体あるいは半導体を指す。
【００２０】
［本発明］
本発明によれば、クロスバースイッチからラッチを構成できるようになる。クロスバースイッチは先に列挙された特許出願あるいは既に発行された特許に開示される。
【００２１】
図１はラッチ１０の論理的な機能を示す。入力Ｄ１２、出力Ｑ１４およびラッチ制御Ｌ１６が存在し、Ｌの状態によって、Ｑの論理値がＤと同じ論理値である（Ｌ＝０）と判定されるか、またはＬ＝１の場合には、ＱはＬが０から１に変化する時点におけるＤの値を保持する。したがって、Ｌ＝０の場合には、Ｑt＝Ｄtであり、Ｌ＝１の場合には、Ｑt+1＝Ｑtである。後者の場合に、その信号がラッチされている。
【００２２】
ラッチを構成するために備えなければならない不可欠な機能は、論理値の電圧表現（論理）と論理値のスイッチ表現（メモリ）との間を行き来できることである。図２Ａ〜図２Ｂは、スイッチ表現から電圧表現に如何に移行するかを示す。所与の信号線１８が２つの制御スイッチ２０、２２を用いることにより０あるいは１のいずれかに設定されることができ、その制御スイッチのうちの一方はプルアップする線２４に接続し、他方はプルダウンする線２６に接続することが図から明らかである。プルダウンするスイッチ２２が閉じられ、他方のスイッチ２０が開く場合には、信号線１８上には０が存在するであろう。プルアップするスイッチ２０が閉じられ、他方のスイッチ２２が開く場合には、信号線１８上には１が存在するであろう。スイッチ２０、２２の論理値が、信号ワイヤ１８上の論理値の電圧表現に移し変えられている。
【００２３】
図３は電圧表現からスイッチ表現に移行するために用いることができる基本的な方法を示す。このクロスバースイッチは２つの交差するワイヤ３０、３２の接合部にスイッチ２８を備え、制御線３０および信号線３２の電圧差に基づいてスイッチを開閉することができる（ワイヤ３０、３２は同じ平面内にあるように見えるが、実際には、０°以外のある角度で、典型的には９０°で一方が他方を横切る）。信号線３２上の電圧を用いて、１つのスイッチ２８を容易に開閉することができる。これが、前掲の米国特許第６，１２８，２１４号に開示されるような、クロスバーアレイ内のメモリの１ビットを設定する機能である。ラッチ機能は、信号ワイヤ３２上の１つの電圧がスイッチ２８を開き、別のスイッチを閉じることを必要とする。
【００２４】
図４は、本発明によるラッチ１００の物理的な構成を示す。２つの制御線１３０および２３０が１つのワイヤ１３２を横切る。結果として形成されるナノスケール分子接合部１２８、２２８は、信号ワイヤ１３２に対して非対称で、逆の接続を有するように構成される。接合部１２８、２２８が非対称であることは、一端に矢印を有し、他端に丸印を有する分子スイッチのための記号によって示される。
【００２５】
各接合部１２８、２２８は１つの状態から別の状態に切り替わることができる双安定性分子を含むことができる。１つの状態から別の状態に、そして元の状態に繰返し切り替えられることができるその種の双安定性分子が、本発明を実施する際に用いられることができる。そのような分子は結果として、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）素子と等価な素子を構成する。
【００２６】
電気化学的反応（酸化−還元、すなわち「ｒｅｄｏｘ」＝ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ−ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）に基づいて切替えを実行する双安定性分子の例には、ロタキサン、擬似ロタキサン、カテナンおよびスピロピランが含まれる。そのような双安定性分子が、本発明を実施する際に用いられることができる。
【００２７】
非対称なスイッチ１２８、２２８の機能が図５Ａおよび図５Ｂに示される。スイッチを開く（閉じる）機能は、スイッチにかかる電圧が閾値よりも高くなることと、矢印３４によって示される電流の方向とに依存する。電圧が閾値よりも低い場合には、スイッチはその状態を変更しないであろう。電圧が閾値よりも高い場合には、電流がある方向に流れるときにスイッチが開き、電流が逆の方向に流れるときにスイッチは閉じるであろう。電流の方向（高い電圧から低い電圧へ）を非対称なスイッチの物理的な方向に関連付ける取り決めが図５Ａおよび図５Ｂに示される。図５Ａでは、電流３４の方向は非対称なスイッチ１２８と同じ方向になる。電圧が閾値よりも高い場合には、これによりスイッチ１２８は開くようになるであろう。逆に、図５Ｂでは、電流３４の方向は非対称なスイッチ２２８と逆に方向になる。電圧が閾値よりも高い場合には、これによりスイッチ２２８は閉じるようになるであろう。
【００２８】
図６はラッチ１００の動作を理解するために必要とされるシステム内の電圧レベルを示す。図示されるエネルギーレベルは、信号線３２と制御線３０との間の電圧の差に基づく。最も高い正の電圧はスイッチ２８を開くであろう。その下にあるのは、論理１の初期値である強１と、論理１が劣化するのが許される最も低い値である弱１である。これに対応して、弱０、強１およびスイッチ２８を閉じることになる最も高い負の電圧が存在する。これらの電圧の相対的な順序によってラッチ１００が機能することができるようになる。
【００２９】
図６Ａは、無条件開パルス３６および無条件閉パルス３８を示す。これらのパルスは、信号線３２が強１と強０との間の正当な論理値を有する限り、信号線３２上の電圧には実質的に無関係である。パルス３６は、制御線３０がグランドに対して十分に余裕をもって正の絶対電圧に移行する場合には、信号線電圧には関係なく、接合部にかかる電圧差が、「開く」ための電圧に達することを示す。パルス３８は、制御線３０がグランドに対して十分に余裕をもって負の値に移行する場合には、同じく、信号線が正当な（論理０と論理１との間にある）電圧を有する限り、信号線電圧には関係なく、スイッチ２８が無条件に閉じられることを示す。これは厳密には、メモリにおいて用いるためのビットをセットまたはリセットするために、あるいはプログラマブル論理機能を定義するために用いられる方法である。
【００３０】
本発明の核心にある興味深い変形形態は、図６Ｂに示されるような条件付き開あるいは閉パルスを生成できることである。図６Ｂのパルス１３６は条件付き開パルスである。信号線３２上の値が弱１あるいは強１である場合には、スイッチ２８は開くであろう。その値が弱０あるいは強０である場合には、スイッチを開くだけの十分な電圧がスイッチにかからないので、スイッチ２８は開かないであろう。パルス１３８は条件付き閉パルスである。信号線上の値が０である場合にのみ、スイッチ２８は閉じるであろう。
【００３１】
スイッチが非対称なトンネル接合を形成するので、ラッチ１００が機能する。非対称な分子スイッチ接合部は、条件付き（ラッチ）パルスあるいは無条件パルスのいずれかで切り替えられることができる。素子内をある方向に流れる電流３４の方向は「正味の酸化」であると見なされるのに対して、逆の方向では、「正味の還元」であると見なされる。図５Ａおよび図５Ｂを参照されたい。分子接合部は、本明細書において「ＶＭ」と呼ばれる、閉じるための急峻で、解析的な酸化切替え電圧によって特徴付けられる。全てのスイッチは、計算を始める前には、無条件に開かれる。論理出力ワイヤは、それぞれ１あるいは０のいずれかを表す、可変信号ＶＳ１あるいはＶＳ０を有する。図４を参照すると、信号ワイヤ１３２上および制御ワイヤ１３０、２３０上には、ある電圧±Ｖｃｏｎｄが設定されることができる。
【００３２】
スイッチを開く、あるいは閉じる接合部にかかる電圧バイアス（正あるいは負）に関して、スイッチ２８を開くときと閉じるときとでは非対称である。これは、スイッチ２８のための極性を定義する。２つの個別の制御線１３０、２３０を１つの信号線１３２に接続し、２つの接合部の極性が信号線に対して互いに逆になるように２つの接合部１２８、２２８を形成する場合には、２つの接合部をラッチとして用いることができる。このラッチ動作は、複数パルスのシーケンス、すなわち無条件開パルスと、それに続く条件付き閉パルスとからなるシーケンスによってなされる。
【００３３】
図７は、信号線１３２が１であるか、０であるかによって、これが如何に機能するかを示す。左側では、信号線１３２上に論理０が存在し、無条件開パルス３６がスイッチ２８を開き、信号が０である場合にのみ、その後の条件付き閉パルス１３８によってスイッチが閉じるであろう。しかし、右側の２つのパルス１３６および３８において示されるように、信号線１３２上に論理１電圧がある結果として、スイッチ２８は開くであろう。パルス１３６、３８は、弱０でスイッチ２８を閉じることができ、弱１ではスイッチを閉じることができないように設計されるであろう。
【００３４】
図６Ａ、図６Ａおよび図７は、名称を付けられた電圧レベル（閉、強０、弱０、弱１、強１および開）およびグランドレベルを示す。その順序は名称を付けられた電圧レベルに関しては不可欠であるが、グランドレベルは相対的であり、これらの図面内のその配置は例示にすぎず、それにより本発明を限定するつもりがないことは当業者には理解されよう。
【００３５】
図８〜図１０は、ワイヤ１３０、２３０および１３２上の電圧レベルを示す。その電圧は、図示されるように、縦軸であり、一番上が相対的に高い電圧である。ワイヤ１３２とワイヤ１３０および２３０との間の非対称なスイッチの方向は、図５Ａおよび図５Ｂを参照して説明された矢印および丸印によって示される。縦方向の破線４４は、スイッチを開く、あるいは閉じるために必要とされる閾値電圧を示す。ワイヤ１３２の場合に示される４つの電圧レベルは、（上から下に）強１、弱１、弱０および強０である。図８Ａは無条件開状態を示しており、一方、図８Ｂは条件付き閉状態を示す。図８Ｂでは、スイッチ１２８は、ワイヤ１３２が１である場合に閉じられるのに対して、スイッチ２２８は、ワイヤ１３２が０である場合に閉じられる。図９Ａでは、スイッチ１２８は、ワイヤ１３２が１である場合に閉じられるのに対して、図９Ｂでは、スイッチ２２８は、ワイヤ１３２が０である場合に閉じられる。図１０では、論理値およびラッチ信号が復元される。
【００３６】
図８〜図１０には、複数の電圧のシーケンスが示される。３つないし４つの個別の電圧ペアのシーケンスの結果として、当初信号線上にあった値がその最大論理値に復元され、信号線上でずっと保持されるようになる。「電圧ペア」とは、２つの制御線１３０、２３０上にある複数の電圧を意味する。
【００３７】
これらの電圧シーケンスは以下の３つのステップを有する。
【００３８】
（１）両方のスイッチ１２８、２２８を無条件に開く（図８Ａ）。
【００３９】
（２）Ｓ＝１の場合には、スイッチ１２８を条件付きで閉じ、Ｓ＝０の場合にはスイッチ２２８を条件付きで閉じる（図８Ｂ）。
【００４０】
（３）ワイヤ１３０を論理１電圧レベルに接続し（図９Ａ）、ワイヤ２３０を論理０電圧レベルに接続する（図９Ｂ）。
【００４１】
図８Ｂに示されるように、ステップ２は両方のスイッチに対して同時に行われることができる。別法では、ステップ２は、図９Ａおおび図９Ｂに示されるように、２つの連続したサブステップにおいて行われることができ、スイッチ１２８が閉じられ、その後、スイッチ２２８が閉じられる。これは、スイッチ１２８を閉じることがワイヤ１３２上の論理値を乱すことがなく、それゆえ、偶然に２つのスイッチ１２８および２２８の両方が閉じることがないという利点を有する。具体的には、スイッチ１２８が条件付きで閉じられるとき、スイッチ２２８の状態を変更するには不十分な電圧を制御ワイヤ２３０上に印加することにより、スイッチ２２８の状態は変更されないままに維持される（図９Ａ）。さらに、スイッチ２２８が条件付きで閉じられるとき、スイッチ１２８の状態を変更するには不十分な電圧を制御ワイヤ１３０上に印加することにより、スイッチ１２８の状態は変更されないままに維持される（図９Ｂ）。こうして、スイッチ２２８は第１のサブステップ中に、その状態を変更することはなく、スイッチ１２８は、スイッチ２２８が閉じているか否かにかかわらず、第２のサブステップ中にその状態を変更することがないであろう。
【００４２】
また本発明は、論理反転機能も提供する。最後のステップ（３）において、電圧を逆にすることを選択することにより、プルアップするワイヤとプルダウンするワイヤとを逆にすれば、それをラッチすることにより信号を反転することができる。ステップ３において、ワイヤ１３０を強論理０電圧に、ワイヤ１３２を強論理１電圧に設定することにより、信号は反転されるであろう。
【００４３】
図１０は、ラッチが論理電圧レベルを復元するためにも用いられることができることを示す。論理１を表す信号レベルが雑音、抵抗性の損失あるいはダイオード降下に起因して劣化した場合には、電圧を復元し、ラッチされた後に、信号レベルを完全に補正することができる。
【００４４】
図１１および図１１Ａに示されるように、本発明は、ナノスケール回路の外部にある従来の回路によって駆動されなければならない２つのラッチ制御線１３０、２３０が、多数の論理信号線１３２のために再利用されることができるという特別な利点を有する。一対のラッチ線１３０、２３０が数多くのラッチを制御する。２つの制御線１３０、２３０を用いて、ロジックアレイ４６内の多数のナノワイヤ上にある個別の論理値を同時にラッチすることができる。これは、外部環境への接続の数に関して非常に効率的である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本明細書に開示される分子クロスバーラッチは、ナノスケールコンピューティングアーキテクチャにおいて用途を見いだすことが期待される。１つのラッチを用いて、有限状態機械を構成することができる。有限状態機械は、原理的には、任意の機能をコンピュートするだけの十分な能力を有する。ナノスケールでラッチを用いない場合、組み合わせロジックを有するだけであり、完全には汎用コンピューテーションを果たすことはできない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】ラッチの論理的な機能を示す概略図である。
【図２Ａ】スイッチ表現から電圧表現に如何に移行するかを示す概略図である。
【図２Ｂ】スイッチ表現から電圧表現に如何に移行するかを示す概略図である。
【図３】電圧表現からスイッチ表現に如何に移行するかを示す概略図である。
【図４】２つのスイッチを形成する２つの制御線および１つの信号線を備える、本発明によるラッチ構成の概略的な斜視図である。
【図５Ａ】開いた位置にある非対称スイッチの概略図である。
【図５Ｂ】閉じた位置にある非対称スイッチの概略図である。
【図６】縦方向の電圧目盛上で、ラッチを動作させるために電圧表現からスイッチ表現に移行することに関連する電圧レベルを示す図である。
【図６Ａ】縦方向の電圧目盛上で、無条件開パルスおよび無条件閉パルスを示す図である。
【図６Ｂ】縦方向の電圧目盛上で、本発明を実施する際に用いられる条件付き開パルスおよび条件付き閉パルスを示す図である。
【図７】縦方向の電圧目盛上で、１つのビットをラッチするためのパルスシーケンスを示す図である。
【図８Ａ】縦方向の電圧目盛上で、両方のスイッチを無条件に開くための図４のラッチ上の電圧レベルを示す図である。
【図８Ｂ】条件付きでいずれか一方のスイッチを同時に閉じるための図４のラッチ上の電圧レベルを示す図である。
【図９Ａ】縦方向の電圧目盛上で、図８Ｂに示される実施形態への代替形態として、順に、一方のスイッチを条件付きで閉じ、その後、他方のスイッチを閉じるための図４のラッチ上の電圧レベルを示す図である。
【図９Ｂ】縦方向の電圧目盛上で、図８Ｂに示される実施形態への代替形態として、順に、一方のスイッチを条件付きで閉じ、その後、他方のスイッチを閉じるための図４のラッチ上の電圧レベルを示す図である。
【図１０】縦方向の電圧目盛上で、信号レベルの劣化に起因する論理値を復元するための図４のラッチ上の電圧レベルを示す図である。
【図１１】一対のラッチ線を用いて、多数のラッチを制御し、それにより個別の論理値を多数のナノワイヤ上に同時にラッチすることを示す図である。
【図１１Ａ】図１１の一部の拡大図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【国際公開パンフレット】
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2005508064.tif 000022
2005508064.tif 000023
2005508064.tif 000024
2005508064.tif 000025
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2005508064.tif 000029
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【国際調査報告】
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2005508064.tif 000047