(57)【要約】  ２つの制御ワイヤと、２つの制御ワイヤを横切り、各制御ワイヤとの接合部を形成する信号ワイヤとから成る分子クロスバーラッチが提供される。そのラッチは更に、信号入力をラッチに制御可能に電気的に接続および切断し、かくして信号がラッチされた後に、信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、入力がその論理値を変更することが可能になるための制御機構を含む。各接合部はスイッチを形成し、かつナノメートル単位の機能寸法を有する。当該クロスバーラッチによって、信号ワイヤ上に論理値をラッチすることが可能になる。更に、ロジックアレイ内の論理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、及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も提供される。【選択図】図４
2006528402.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信号ワイヤとから成る分子クロスバーラッチであって、各接合部が、スイッチを形成し、かつナノメートル単位の機能寸法を有し、前記信号ワイヤが、０状態ないし１状態の範囲の少なくとも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、又は１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、又は閉じることができる一方で、他の前記接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流、又は他の前記接合部を通って前記信号ワイヤに流れ込む電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、又は開くことができるように、前記信号ワイヤから１つの接合部に流れる電流の方向が別の接合部と比べて非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替えるための電圧閾値が存在し、前記ラッチが、前記ラッチに信号入力を制御可能に電気的に接続および切断するための制御機構をさらに含み、かくして信号がラッチされた後に、前記信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、入力が前記論理値を変更することが可能になる、分子クロスバーラッチ。
【請求項２】
前記制御機構がゲートワイヤ及び入力制御回路を含み、前記入力制御回路が前記ゲートワイヤによって制御され、かくして前記信号がラッチされた後に、前記信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、前記入力が前記論理値を変更することが可能になる、請求項１に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項３】
前記電気接続が、少なくとも１つの接続ワイヤを含む２つ以上の接合部を介して行われる、請求項２に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項４】
前記電気接続が、前記入力ワイヤ及び前記信号ワイヤによって形成される１つの接合部を介して行われる、請求項３に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項５】
半導体材料から成り、入力部分と出力部分とを備える入力ワイヤが設けられ、前記ゲートワイヤが前記入力部分と前記出力部分との間で前記入力ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより電界効果トランジスタを形成し、前記出力部分が前記信号ワイヤに電気的に接続される、請求項４に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項６】
前記信号ワイヤが、半導体材料から成り、かつ前記ゲートワイヤを０°以外の角度で横切って、２つのワイヤが交差する前記信号ワイヤ内にチャネル領域を形成し、それにより電界効果トランジスタを形成する、請求項２に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項７】
（ａ）前記２つの制御ワイヤ、前記ゲートワイヤ、及び前記入力制御回路が全て、ナノメートルスケールの直径を有するワイヤから成るか、又は（ｂ）前記ゲートワイヤ及び前記２つの制御ワイヤのうちの少なくとも１つが、ミクロンスケールの直径を有し、全ての他のワイヤがナノメートルスケールの直径を有するかのいずれかである、請求項２に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項８】
２つの制御ワイヤと、ゲートワイヤと、１つの入力制御回路と、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信号ワイヤとから成る分子クロスバーラッチであって、前記ゲートワイヤ上の電圧が、入力が前記信号ワイヤに電気的に接続されるか否かを決定するように、前記入力制御回路が前記信号ワイヤへの制御可能な電気接続を有し、各接合部が、スイッチを形成し、かつナノメートル単位の機能寸法を有し、前記信号ワイヤが、０状態ないし１状態の範囲の少なくとも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、又は１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、又は閉じることができる一方で、他の前記接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流、又は他の前記接合部を通って前記信号ワイヤに流れ込む電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、又は開くことができるように、前記信号ワイヤから１つの接合部に流れる電流の方向が別の接合部と比べて非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替えるための電圧閾値が存在し、それにより前記信号ワイヤ上の信号をラッチして、論理値を生成し、前記入力制御回路が前記ゲートワイヤによって制御され、かくして前記信号がラッチされた後に、前記信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、前記入力が前記論理値を変更することが可能になる、分子クロスバーラッチ。
【請求項９】
前記電気接続が、少なくとも１つの接続ワイヤを含む２つ以上の接合部を介して行われる、請求項８に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項１０】
前記電気接続が、前記入力ワイヤ及び前記信号ワイヤによって形成される１つの接合部を介して行われる、請求項９に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項１１】
半導体材料から成り、入力部分と出力部分とを備える入力ワイヤが設けられ、前記ゲートワイヤが前記入力部分と前記出力部分との間で前記入力ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより電界効果トランジスタを形成し、前記出力部分が前記信号ワイヤに電気的に接続される、請求項８に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項１２】
前記信号ワイヤが半導体材料から成り、かつ前記ゲートワイヤを０°以外の角度で横切って、２つのワイヤが交差する前記信号ワイヤ内にチャネル領域を形成し、それにより電界効果トランジスタを形成する、請求項８に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項１３】
（ａ）前記２つの制御ワイヤ、前記ゲートワイヤ、及び前記入力制御回路が全て、ナノメートルスケールの直径を有するワイヤから成るか、又は（ｂ）前記ゲートワイヤ及び前記２つの制御ワイヤのうちの少なくとも１つが、ミクロンスケールの直径を有し、全ての他のワイヤがナノメートルスケールの直径を有するかのいずれかである、請求項８に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項１４】
前記スイッチが、「強１」を示す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」を示す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」及び前記「強０」の双方が閾値レベルより高い、請求項８に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項１５】
前記スイッチが、「弱１」を示す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」を示す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、前記弱の電圧状態が前記強の電圧状態よりも強くない、請求項１４に記載の分子クロスバーラッチ。
【請求項１６】
少なくとも１つの接続ワイヤ、及び２つの制御ワイヤと、ゲートワイヤと、入力制御回路と、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信号ワイヤとから成る少なくとも１つの分子クロスバーラッチの組み合わせであって、前記ゲートワイヤ上の電圧が、入力が前記信号ワイヤに電気的に接続されるか否かを決定するように、前記入力制御回路が前記信号ワイヤへの制御可能な電気接続を有し、各接合部が、スイッチを形成し、かつナノメートル単位の機能寸法を有し、前記信号ワイヤが、０状態ないし１状態の範囲の少なくとも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、又は１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、又は閉じることができる一方で、他の前記接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流、又は他の前記接合部を通って前記信号ワイヤに流れ込む電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、又は開くことができるように、前記信号ワイヤから１つの接合部に流れる電流の方向が別の接合部と比べて非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替えるための電圧閾値が存在し、それにより前記信号ワイヤ上の信号をラッチして、論理値を生成し、前記入力制御回路が前記ゲートワイヤによって制御され、かくして前記信号がラッチされた後に、前記信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、前記入力が前記論理値を変更することが可能になり、前記電気接続が、前記少なくとも１つの接続ワイヤを含む２つ以上の接合部を介して行われる、組み合わせ。
【請求項１７】
前記電気接続が、前記入力ワイヤ及び前記信号ワイヤによって形成される１つの接合部を介して行われる、請求項１６に記載の組み合わせ。
【請求項１８】
半導体材料から成り、入力部分と出力部分とを備える入力ワイヤが設けられ、前記ゲートワイヤが、前記入力部分と前記出力部分との間で前記入力ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより電界効果トランジスタを形成し、前記出力部分が前記信号ワイヤに電気的に接続される、請求項１６に記載の組み合わせ。
【請求項１９】
前記信号ワイヤが半導体材料から成り、かつ前記ゲートワイヤを０°以外の角度で横切って、２つのワイヤが交差する前記信号ワイヤ内にチャネル領域を形成し、それにより電界効果トランジスタを形成する、請求項１６に記載の組み合わせ。
【請求項２０】
（ａ）前記２つの制御ワイヤ、前記ゲートワイヤ、及び前記入力制御回路が全て、ナノメートルスケールの直径を有するワイヤから成るか、又は（ｂ）前記ゲートワイヤ及び前記２つの制御ワイヤのうちの少なくとも１つが、ミクロンスケールの直径を有し、全ての他のワイヤがナノメートルスケールの直径を有するかのいずれかである、請求項１６に記載の組み合わせ。
【請求項２１】
前記２つの制御ワイヤが複数の信号ワイヤに電気的に関連付けられる、請求項１６に記載の組み合わせ。
【請求項２２】
１つの前記ゲートワイヤが複数の入力ワイヤに電気的に関連付けられる、請求項１６に記載の組み合わせ。
【請求項２３】
ロジックアレイ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、
２つの制御ワイヤと、ゲートワイヤと、入力制御回路と、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信号ワイヤとから成る分子クロスバーラッチを準備し、前記ゲートワイヤ上の電圧が、入力が前記信号ワイヤに電気的に接続されるか否かを決定するように、前記入力制御回路が前記信号ワイヤへの制御可能な電気接続を有し、各接合部が、スイッチを形成し、かつナノメートル単位の機能寸法を有し、前記信号ワイヤが、０状態ないし１状態の範囲の少なくとも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、又は１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、又は閉じることができる一方で、他の前記接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流、又は他の前記接合部を通って前記信号ワイヤに流れ込む電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、又は開くことができるように、前記信号ワイヤから１つの接合部に流れる電流の方向が別の接合部と比べて非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替えるための電圧閾値が存在し、それにより前記信号ワイヤ上の信号をラッチして、論理値を生成し、前記信号制御回路が前記ゲートワイヤによって制御され、かくして前記信号がラッチされた後に、前記信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、前記入力が前記論理値を変更することが可能になり、及び
前記信号ワイヤが論理０を表す電圧を有する場合には第１のスイッチが開いて、第２のスイッチが閉じるか、又は前記信号ワイヤが論理１を表す電圧を有する場合には前記第１のスイッチが閉じて、前記第２のスイッチが開くように、前記２つの接合部の前記スイッチを結果として設定する一連の電圧を、前記２つの制御ワイヤに印加することを含む、方法。
【請求項２４】
前記電気接続が、少なくとも１つの接続ワイヤを含む２つ以上の接合部を介して行われる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記電気接続が、前記入力ワイヤ及び前記信号ワイヤによって形成される１つの接合部を介して行われる、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
半導体材料から成り、入力部分と出力部分とを備える入力ワイヤが設けられ、前記ゲートワイヤが前記入力部分と前記出力部分との間で前記入力ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより電界効果トランジスタを形成し、前記出力部分が前記信号ワイヤに電気的に接続される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記信号ワイヤが半導体材料から成り、かつ前記ゲートワイヤを０°以外の角度で横切って、２つのワイヤが交差する前記信号ワイヤ内にチャネル領域を形成し、それにより電界効果トランジスタを形成する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
（ａ）前記２つの制御ワイヤ、前記ゲートワイヤ、及び前記入力制御回路が全て、ナノメートルスケールの直径を有するワイヤから成るか、又は（ｂ）前記ゲートワイヤ及び前記２つの制御ワイヤのうちの少なくとも１つが、ミクロンスケールの直径を有し、全ての他のワイヤがナノメートルスケールの直径を有するかのいずれかである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記スイッチが、「強１」を示す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」を示す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」及び前記「強０」の双方が閾値レベルより高い、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記スイッチが、「弱１」を示す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」を示す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、前記弱の電圧状態が前記強の電圧状態よりも強くない、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記一連の電圧が、
両方の前記スイッチを無条件で開くステップと、
前記ゲートワイヤに第１のゲート電圧を印加して、入力をラッチに接続するステップと、
前記信号ワイヤが論理１を有する場合には、前記第１のスイッチを条件付きで閉じ、かつその状態を変更するには不十分な電圧を前記第２のスイッチに関連付けられる前記制御ワイヤに印加することにより、前記第２のスイッチの状態を変わらないままにしておくステップと、
前記信号ワイヤが論理０を有する場合には、前記第２のスイッチを条件付きで閉じ、かつその状態を変更するには不十分な電圧を前記第１のスイッチに関連付けられる前記制御ワイヤ上に印加することにより、前記第１のスイッチの状態を変わらないままにしておくステップと、
前記ゲートワイヤに第２のゲート電圧を印加して、前記入力をラッチから切断するステップと、及び
前記第１のスイッチに関連付けられる前記制御ワイヤを論理１電圧レベルに接続し、かつ前記第２のスイッチに関連付けられる前記第２の制御ワイヤを論理０の電圧レベルに接続するステップとから成る、６つのステップを有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
（ａ）最初の２つのステップを同時に実行すること、（ｂ）次の２つのステップを同時に実行すること、及び（ｃ）最後の２つのステップを同時に実行することのうちの少なくとも１つが行われる、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
ナノスケールスイッチ内の信号の弱電圧値をその最大値に復元するための方法であって、
２つの制御ワイヤと、ゲートワイヤと、入力制御回路と、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信号ワイヤとから成る分子クロスバーラッチであって、前記ゲートワイヤ上の電圧が、入力が前記信号ワイヤに電気的に接続されるか否かを決定するように、前記入力制御回路が前記信号ワイヤへの制御可能な電気接続を有し、各接合部が、スイッチを形成し、かつナノメートル単位の機能寸法を有し、前記信号ワイヤが、０状態ないし１状態の範囲の少なくとも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、又は１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、又は閉じることができる一方で、他の前記接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流、又は他の前記接合部を通って前記信号ワイヤに流れ込む電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、又は開くことができるように、前記信号ワイヤから１つの接合部に流れる電流の方向が別の接合部と比べて非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替えるための電圧閾値が存在し、それにより前記信号ワイヤ上の信号をラッチして、論理値を生成し、前記信号制御回路が前記ゲートワイヤによって制御され、かくして前記信号がラッチされた後に、前記信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、前記入力が前記論理値を変更することが可能になる、分子クロスバーラッチと、
前記信号ワイヤが論理０を表す電圧を有する場合には第１のスイッチが開いて、第２のスイッチが閉じるか、又は前記信号ワイヤが論理１を表す電圧を有する場合には前記第１のスイッチが閉じて、前記第２のスイッチが開くように、前記２つの接合部の前記スイッチを結果として設定する一連の電圧を、前記２つの制御ワイヤに印加することにより、前記信号をラッチし、及び
前記第１の制御ワイヤ上に論理１を表す電圧を印加し、かつ前記第２の制御ワイヤ上に論理０を表す電圧を印加することを含む、方法。
【請求項３４】
前記電気接続が、少なくとも１つの接続ワイヤを含む２つ以上の接合部を介して行われる、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記電気接続は、前記入力ワイヤ及び前記信号ワイヤによって形成される１つの接合部を介して行われる、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
半導体材料から成り、入力部分と出力部分とを備える入力ワイヤが設けられ、前記ゲートワイヤが前記入力部分と前記出力部分との間で前記入力ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより電界効果トランジスタを形成し、前記出力部分が前記信号ワイヤに電気的に接続される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記信号ワイヤが半導体材料から成り、かつ前記ゲートワイヤを０°以外の角度で横切って、２つのワイヤが交差する前記信号ワイヤ内にチャネル領域を形成し、それにより電界効果トランジスタを形成する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
（ａ）前記２つの制御ワイヤ、前記ゲートワイヤ、及び前記入力制御回路が全て、ナノメートルスケールの直径を有するワイヤから成るか、又は（ｂ）前記ゲートワイヤ及び前記２つの制御ワイヤのうちの少なくとも１つが、ミクロンスケールの直径を有し、全ての他のワイヤがナノメートルスケールの直径を有するかのいずれかである、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記スイッチが、「強１」を示す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」を示す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」及び前記「強０」の双方が閾値レベルより高い、請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記スイッチが、「弱１」を示す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」を示す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、前記弱の電圧状態が前記強の電圧状態よりも強くない、請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
前記一連の電圧が、
両方のスイッチを無条件で開くステップと、
前記ゲートワイヤに第１のゲート電圧を印加して、入力をラッチに接続するステップと、
前記信号ワイヤが論理１を有する場合には、前記第１のスイッチを条件付きで閉じ、かつその状態を変更するには不十分な電圧を前記第２のスイッチに関連付けられる前記制御ワイヤに印加することにより前記第２のスイッチの状態を変わらないままにしておくステップと、
前記信号ワイヤが論理０を有する場合には、前記第２のスイッチを条件付きで閉じ、かつその状態を変更するには不十分な電圧を前記第１のスイッチに関連付けられる前記制御ワイヤ上に印加することにより、前記第１のスイッチの状態を変わらないままにしておくステップと、
前記ゲートワイヤに第２のゲート電圧を印加して、前記入力をラッチから切断するステップと、
前記第１のスイッチに関連付けられる前記制御ワイヤを論理１電圧レベルに接続し、かつ前記第２のスイッチに関連付けられる前記第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から成る、６つのステップを有する、請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
（ａ）最初の２つのステップを同時に実行すること、（ｂ）次の２つのステップを同時に実行すること、及び（ｃ）最後の２つのステップを同時に実行することのうちの少なくとも１つが行われる、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
ナノスケールスイッチ内の信号の論理値を反転するための方法であって、
２つの制御ワイヤと、ゲートワイヤと、入力制御回路と、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信号ワイヤとから成る分子クロスバーラッチであって、前記ゲートワイヤ上の電圧が、入力が前記信号ワイヤに電気的に接続されるか否かを決定するように、前記入力制御回路が前記信号ワイヤへの制御可能な電気接続を有し、各接合部が、１つのスイッチを形成し、かつナノメートル単位の機能寸法を有し、前記信号ワイヤが、０状態ないし１状態の範囲の少なくとも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、又は１つの接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流がそれぞれ前記スイッチを開くか、又は閉じることができる一方で、他の前記接合部を通って前記信号ワイヤから流れ出す電流、又は他の前記接合部を通って前記信号ワイヤに流れ込む電流がそれぞれ前記スイッチを閉じるか、又は開くことができるように、前記信号ワイヤから１つの接合部に流れる電流の方向が別の接合部と比べて非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替えるための電圧閾値が存在し、それにより前記信号ワイヤ上の信号をラッチして、論理値を生成し、前記信号制御回路が前記ゲートワイヤによって制御され、かくして前記信号がラッチされた後に、前記信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、前記入力が前記論理値を変更することが可能になる、分子クロスバーラッチと、
前記信号ワイヤが論理１を表す電圧を有する場合には第１のスイッチが開いて、第２のスイッチが閉じるか、又は前記信号ワイヤが論理１を表す電圧を有する場合には前記第１のスイッチが閉じて、前記第２のスイッチが開くように、前記２つの接合部の前記スイッチを結果として設定する一連の電圧を、前記２つの制御ワイヤに印加することにより、前記信号をラッチし、及び
前記第１の制御ワイヤ上に論理０を表す電圧を印加し、かつ前記第２の制御ワイヤ上に論理１を表す電圧を印加することを含む、方法。
【請求項４４】
前記電気接続が、少なくとも１つの接続ワイヤを含む２つ以上の接合部を介して行われる、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記電気接続が、前記入力ワイヤ及び前記信号ワイヤによって形成される１つの接合部を介して行われる、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
半導体材料から成り、入力部分と出力部分とを備える入力ワイヤが設けられ、前記ゲートワイヤが前記入力部分と前記出力部分との間で前記入力ワイヤを０°以外の角度で横切り、それにより電界効果トランジスタを形成し、前記出力部分が前記信号ワイヤに電気的に接続される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記信号ワイヤが半導体材料から成り、前記ゲートワイヤを０°以外の角度で横切り、２つのワイヤが交差する前記信号ワイヤ内にチャネル領域を形成し、それにより電界効果トランジスタを形成する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
（ａ）前記２つの制御ワイヤ、前記ゲートワイヤ、及び前記入力制御回路が全て、ナノメートルスケールの直径を有するワイヤから成るか、又は（ｂ）前記ゲートワイヤ及び前記２つの制御ワイヤのうちの少なくとも１つが、ミクロンスケールの直径を有し、全ての他のワイヤがナノメートルスケールの直径を有するかのいずれかである、請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
前記信号ワイヤが半導体材料から成り、かつ前記ゲートワイヤを０°以外の角度で横切って、２つのワイヤが交差する前記信号ワイヤ内にチャネル領域を形成し、それにより電界効果トランジスタを形成する、請求項４３に記載の方法。
【請求項５０】
半導体材料から成るソースワイヤが設けられ、前記ゲートワイヤが前記ソースワイヤを０°以外の角度で横切り、前記ソースワイヤが前記信号ワイヤを０°以外の角度で横切って、接続用接合部を形成する、請求項４３に記載の方法。
【請求項５１】
前記スイッチが、「強１」を示す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」を示す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」及び前記「強０」の双方が閾値レベルより高い、請求項４３に記載の方法。
【請求項５２】
前記スイッチが、「弱１」を示す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」を示す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、前記弱の電圧状態が前記強の電圧状態よりも強くない、請求項４３に記載の方法。
【請求項５３】
前記一連の電圧が、
両方の前記スイッチを無条件で開くステップと、
前記ゲートワイヤに第１のゲート電圧を印加して、入力をラッチに接続するステップと、
前記信号ワイヤが論理１を有する場合には、前記第１のスイッチを条件付きで閉じ、かつその状態を変更するには不十分な電圧を前記第２のスイッチに関連付けられる前記制御ワイヤに印加することにより前記第２のスイッチの状態を変わらないままにしておくステップと、
前記信号ワイヤが論理０を有する場合には、前記第２のスイッチを条件付きで閉じ、かつその状態を変更するには不十分な電圧を前記第１のスイッチに関連付けられる前記制御ワイヤ上に印加することにより、前記第１のスイッチの状態を変わらないままにしておくステップと、
前記ゲートワイヤに第２のゲート電圧を印加して、入力をラッチから切断するステップと、及び
前記第１のスイッチに関連付けられる前記制御ワイヤを論理０電圧レベルに接続し、かつ前記第２のスイッチに関連付けられる前記第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から成る、６つのステップを有する、請求項４３に記載の方法。
【請求項５４】
（ａ）最初の２つのステップを同時に実行すること、（ｂ）次の２つのステップを同時に実行すること、及び（ｃ）最後の２つのステップを同時に実行することのうちの少なくとも１つが行われる、請求項５３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、機能的な長さのスケールがナノメートル単位の寸法である電子デバイスに関し、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より結合される、交差したナノメートルスケールワイヤに基づいた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】
連邦政府による資金提供を受けた研究または開発に関する記載
米国政府は本発明における支払済みのライセンスと、限定的な情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により与えられた契約第ＭＤＡ９７２−０１−３−０００５の条件によって与えられるような妥当な条件で第三者に実施許諾しなければならない。
【０００３】
関連出願に対する相互参照
本特許出願は、２００１年１０月２９日に出願の特許出願第１０／０１６，５９３号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００４】
ナノコンピューティングは、機能的な寸法（単数または複数）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、以下に開示され、特許請求されている。即ち、James R. Heath他に対して２００２年１０月１日に発行された「Chemically Synthesized and Assembled Electronic Devices」と題する米国特許第６，４５９，０９５号、Philip J. Kuekes他に対して２００１年１１月６日に発行された「Molecular Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications」と題する米国特許第６，３１４，０１９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)」と題する特許出願第０９／２８０，０４５号、Philip J. Kuekes他に対して２０００年１０月３日に発行された「Molecular Wire Crossbar Memory」と題する米国特許第６，１２８，２１４号、Philip J. Kuekes他に対して２００１年７月３日に発行された「Demultiplexer for a Molecular Wire Crossbar Network」と題する米国特許第６，２５６，７６７号であり、全て本特許出願と同じ譲受人に譲渡されている。
【０００５】
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、それをメモリに入れることができるとともに、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、有限ステートマシンを構築することが可能になり、ひいては完全に汎用性のコンピューティングを実施することが可能になる。これを実施するための１つの方法はラッチを用いることである。
【０００６】
そのようなラッチは、２００３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ている。
【０００７】
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ラッチが必要とされている。
【０００８】
発明の開示
本発明によれば、分子クロスバーラッチは、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（交差し）、それにより各制御ワイヤとの接合部を形成する信号ワイヤとから成る。各接合部は、スイッチを形成し、かつナノメートル単位の機能寸法を有する。信号ワイヤは、０状態ないし１状態の範囲の少なくとも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、又はそれから流れ出す電流がそれぞれスイッチを開くか、又は閉じることができる一方で、他の接合部を通って信号ワイヤから流れ出す、又はそれに流れ込む電流がそれぞれスイッチを閉じるか、又は開くことができるように、信号ワイヤから１つの接合部に流れる電流の方向が別の接合部と比べて非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替えるための電圧閾値が存在する。ラッチはさらに、ラッチに信号入力を制御可能に電気的に接続および切断するための制御機構を含み、かくして、信号がラッチされた後に、信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、入力がその論理値を変更することが可能になる。
【０００９】
さらに、２つの制御ワイヤと、ゲートワイヤと、入力制御回路と、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信号ワイヤとから成る分子クロスバーラッチが提供される。ゲートワイヤ上の電圧によって、入力が信号ワイヤに電気的に接続されるか否かが決定されるように、入力制御回路は信号ワイヤへの制御可能な電気接続を有する。信号ワイヤと２つの制御ワイヤの各接合部は、スイッチを形成し、ナノメートル単位の機能寸法を有する。信号ワイヤは、０状態ないし１状態の範囲の少なくとも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（又はそれから流れ出す）電流が第１のスイッチを開く（又は閉じる）ことができる一方で、他の接合部を通って信号ワイヤから流れ出す（又はそれに流れ込む）電流が他のスイッチを閉じる（又は開く）ことができるように、信号ワイヤから１つの接合部に流れる電流の方向が別の接合部と比べて非対称であり、開いたスイッチと閉じたスイッチとの間で切り替えるための電圧閾値が存在し、それにより信号ワイヤ上の信号をラッチして論理値を生成し、入力制御回路がゲートワイヤによって制御され、かくして、信号がラッチされた後に、信号ワイヤがそのラッチされた値を保持している間に、入力がその論理値を変更することが可能になる。
【００１０】
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。その方法は、
分子クロスバーラッチを準備し、及び
信号ワイヤが論理１を表す電圧を有する場合には第１のスイッチが開いて第２のスイッチが閉じるか、又は信号ワイヤが論理０を表す電圧を有する場合には第１のスイッチが閉じて第２のスイッチが開くように、２つの接合部のスイッチを結果として設定する一連の電圧を、２つの制御ワイヤに印加することにより、信号をラッチすることを含む。
【００１１】
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。その方法は、
分子クロスバーラッチを準備し、
上記のように信号をラッチし、及び
第１の制御ワイヤ上に論理０を表す電圧を印加し、第２の制御ワイヤ上に論理１を表す電圧を印加することを含む。
【００１２】
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。その方法は、
分子クロスバーラッチを準備し、
上記のように信号をラッチし、及び
第１の制御ワイヤ上に論理１を表す電圧を印加し、第２の制御ワイヤ上に論理０を表す電圧を印加することを含む。
【００１３】
これまで、ナノメートルスケールのラッチは実証されていなかった。本発明により、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化されることが可能になる。さらに、本発明は、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、ラッチされた出力を反転できるようにすること、及びクロック供給用の接続をほとんど用いることなく、外部回路に対する多数のラッチを提供する。上記の特徴の組み合わせにより、任意の複雑な論理設計を構成することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
定義
本明細書において用いられる場合、用語「自己集合（self-assembled）」は、システムの構成要素のアイデンティティに起因して、ある幾何学的パターンを自然に採用するシステムのことを指す。そのシステムは、この構成を採用することにより、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。
【００１５】
用語「一度だけ構成可能な」は、スイッチが酸化また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、例えば、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）の基礎になることができる。
【００１６】
用語「再構成可能な」は、スイッチが酸化また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、又はディスプレイ内のカラー画素のように、何度も開閉することができる。
【００１７】
分子に適用される場合、用語「双安定」は、分子が、エネルギー（又は活性化）障壁によって分離される２つの比較的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得る（一度だけ構成可能）か、又はある状態から他の状態に可逆的に切り替えられ得る（再構成可能）。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
ミクロンスケール及びサブミクロンスケールのワイヤは、幅または直径が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（ロッド）状またはリボン状の導体または半導体を指す。
【００２２】
本明細書において用いられる場合、用語「電気的に接続される」は、その接続の一方の側にある電圧が、その接続の他方の側にある電圧に大きく（論理機能に関して）影響を与えることができることを意味する。
【００２３】
本発明
本発明により、クロスバースイッチからラッチを構築することが可能になる。クロスバースイッチは先に列挙された特許出願または既に発行された特許に開示されている。
【００２４】
図１はラッチ１０の論理機能を示す。入力Ｄ１２、出力Ｑ１４及びラッチ制御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、又は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。
【００２５】
ラッチを構築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どのように移行するかを示す。明らかなように、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又は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。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。
【００２６】
図３は、電圧表現からスイッチ表現に移行するために使用され得る不可欠な方法を示す。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及び信号線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、一般に９０°で一方が他方を横切る）。１つのスイッチ２８を開閉するために、信号線３２上の電圧を用いることは容易である。これは、上記の米国特許第６，１２８，２１４号に開示されたような、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つの電圧が一方のスイッチ２８を開き、別のスイッチを閉じることを必要とする。
【００２７】
図４は、本発明によるラッチ１００の物理的な構成を示す。２つの制御ワイヤ１３０及び２３０が信号ワイヤ１３２を横切る。結果として生じ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の非対称は、一端に矢印を有するとともに他端に丸印を有する、分子スイッチの記号によって示される。
【００２８】
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分子を、本発明を実施する際に用いることができる。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）デバイスと等価なデバイスとなる。
【００２９】
電気化学反応（酸化−還元、すなわち「レドックス」）に基づいて切替えを実行する双安定分子の例には、ロタキサン、擬似ロタキサン、カテナン及びスピロピランが含まれる。そのような双安定分子が、本発明を実施する際に利用され得る。
【００３０】
非対称なスイッチ１２８、２２８の機能が図５ａ及び図５ｂに示される。スイッチを開く（閉じる）機能は、スイッチの両端の電圧が閾値よりも高くなること、及び矢印３４によって示される電流の方向に依存する。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場合にスイッチが開き、電流が逆の方向に流れる場合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及び図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と逆の方向になる。電圧が閾値よりも高い場合には、これによりスイッチ２２８は閉じるであろう。
【００３１】
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いている。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が劣化することを許容される最も低い値である弱１である。それに対応して、弱０、強０及びスイッチ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が動作することが可能になる。
【００３２】
図６ａは、無条件開パルス３６及び無条件閉パルス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上の電圧には有効に無関係である。パルス３６は、制御線３０がグランドに対して十分に高い正の絶対電圧に移行する場合には、信号線電圧に関係なく、接合部の両端の電圧差が「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低い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又はリセットするために、又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。
【００３３】
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閉パルスを生成することができることである。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又は強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又は強０である場合には、スイッチの両端の電圧がスイッチを開くのに十分でないので、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。
【００３４】
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）パルス又は無条件パルスのいずれかで切り替えられ得る。デバイス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及び図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又は０のいずれかを表す、可変信号ＶＳ１又は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を加えることができる。
【００３５】
スイッチを開く、又は閉じることになる、接合部の両端の電圧バイアス（正または負）に関して、スイッチ２８の開閉は非対称である。これは、スイッチ２８の極性を定義する。２つの別個の制御線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、無条件開パルスと、それに続く条件付き閉パルスの、一連のパルスによってなされる。
【００３６】
図７は、信号線１３２が１であるか、又は０であるかによって、これがどのよう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、その信号が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及び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がスイッチ２８を閉じることができるが、弱１がスイッチを閉じることができないように設計される。
【００３７】
図６ａ、図６ｂ及び図７は、名称を付けられた電圧レベル（閉、強０、弱０、弱１、強１及び開）及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。
【００３８】
図８〜図１０は、ワイヤ１３０、２３０及び１３２上の電圧レベルを示す。その電圧は、図示されるように、縦方向にあり、一番上がより高い電圧である。ワイヤ１３２とワイヤ１３０及び２３０との間の非対称なスイッチの方向は、図５ａ及び図５ｂに関連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、又は閉じるために必要とされる閾値電圧を示す。ワイヤ１３２について示される４つの電圧レベルは、（上から下に）強１、弱１、弱０及び強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。
【００３９】
図８〜図１０には、複数の電圧のシーケンス（一連の電圧）が示される。３つ又は４つの別個の電圧対のシーケンスの結果として、最初に信号線上にあった値がその最大論理値に復元され、信号線上で無期限に保持される。「電圧対」は、２つの制御線１３０、２３０上にある複数の電圧を意味する。
【００４０】
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。即ち、
（１）両方のスイッチ１２８、２２８を無条件に開く（図８ａ）。
（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）。
（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同時に行うことができる。代案として、ステップ２は、図９ａ及び図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うことができ、この場合、スイッチ１２８が閉じられ、次いでスイッチ２２８が閉じられる。これは、スイッチ１２８を閉じることにより、ワイヤ１３２上の論理値が乱されることがなく、ひいては偶発的にスイッチ１２８及び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場合、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の状態が変更されないままにされる（図９ａ）。さらに、スイッチ２２８が条件付きで閉じられる場合、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の状態が変更されないままにされる（図９ｂ）。かくして、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、プルアップされるワイヤとプルダウンされるワイヤとを逆にするのであれば、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電圧に設定し、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使用され得ることを示す。論理１を表す信号レベルが雑音、抵抗性損失またはダイオード降下に起因して劣化した場合には、電圧を、ラッチされた後に、完全に補正した信号レベルに復元することができる。
【００４４】
図１１及び図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を、多数の論理信号線１３２のために再利用す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が多数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へ別個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。
【００４５】
被制御入力
ラッチの多数の応用形態において、信号がラッチされた後に、ラッチされた値を保持しながら、ラッチへの入力の論理値を変更できることが望ましい。図１２は、入力Ｉ  １３２ａ、出力Ｏ  １３２ｃ、ゲートワイヤ６０、及びチャネル領域６２を含む入力制御回路１６０を用いて、これをどのように行うかを示す。制御ワイヤ１３０及び２３０が図４及び図１１ａの１３０及び２３０に対応する。出力Ｏ  １３２ｃからラッチＬ  １３２ｂまで延在するワイヤ１３２の領域は、図４及び図１１ａの信号ワイヤ１３２に対応する。入力１３２ａと出力１３２ｃとの間に延在するワイヤ１３２の領域は被制御入力である。
【００４６】
この被制御入力の場合、ワイヤ１３２は半導体でなければならない。入力信号はワイヤ１３２の入力端Ｉ  １３２ａに接続される。ゲートワイヤ６０は、入力１３２ａと出力１３２ｃとの間でワイヤ１３２を横切り、ワイヤ１３２にチャネル領域６２を形成する。これは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を形成する。ゲートワイヤ６０に第１の値の制御電圧を印加することにより、チャネル６２が導通状態になり、入力１３２ａをワイヤ１３２の出力１３２ｃに電気的に接続する（入力１３２ａと出力１３２ｃとの間に電流を流すことができる）。ゲートワイヤ６０に第２の値の制御電圧を印加することにより、チャネル６２が絶縁状態になり、入力１３２ａをワイヤ１３２の出力１３２ｃから電気的に切断する（入力１３２ａと出力１３２ｃとの間に電流を流すことができない）。図１２の例では、出力１３２ｃは本質的に信号ワイヤに電気的に接続されている。
【００４７】
ラッチの上記の３つの機能（ラッチ、復元および反転）は全て、本明細書に開示されたゲート機構と組み合わせることができる。２つのシーケンスステップ（１ａ）及び（３’）が、これらの機能のために先に記載された３ステップシーケンスに追加される。
【００４８】
以下の６ステップラッチシーケンスが実行される。即ち、
（１）両方のスイッチ１２８及び２２８を無条件に開く（図８ａ）、
（１ａ）ゲートワイヤ６０に第１のゲート電圧を印加して、入力１３２ａをラッチ１３２ｂに接続する、
（２ａ）Ｓ＝１の場合には、スイッチ１２８を条件付きで閉じる、
（２ｂ）Ｓ＝０の場合には、スイッチ２２８を条件付きで閉じる（図８ｂ）、
（３’）ゲートワイヤ６０に第２のゲート電圧を印加して、入力１３２ａをラッチ１３２ｂから切断する、
（３）ワイヤ１３０を論理１電圧レベルに接続する（図９ａ）；ワイヤ２３０を論理０電圧レベルに接続する（図９ｂ）。
【００４９】
代案として、ステップ（１）及び（１ａ）は１つのステップにまとめることができるか、又はステップ（３）及び（３’）を１つのステップにまとめることができる。これにより、信号ワイヤ１３２上に短い「グリッチ」又は不正確な値が起こり得るという代償を払うことにはなるが、ステップ数が減少する。上述したように、ステップ（２ａ）及び（２ｂ）は両方のスイッチに同時に行うことができるか、又はスイッチ１２８が閉じられ、次いでスイッチ２２８が閉じられる、２つの連続したサブステップで（順次的に）行うことができる。
【００５０】
チャネル領域６２が誘起される場合、実用的なゲート電圧でチャネルを誘起するのを容易にするために、ワイヤ１３２はナノメートルスケールであることが好ましい。
【００５１】
図１２のデバイスの代替の具現化形態が図１３に示される。実際には、図１３は一般的な事例を表しており、図１２は退廃的な事例を表している。
【００５２】
ゲートワイヤ６０が入力６４ａと出力６４ｃとの間でワイヤ６４を横切り、ワイヤ６４にチャネル領域６２を形成する。これは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を形成する。ゲートワイヤ６０に第１の値の制御電圧を印加することにより、チャネル６２が導通状態になり、入力６４ａをワイヤ６４の出力６４ｃに電気的に接続する（入力６４ａと出力６４ｃとの間に電流を流すことができる）。ゲートワイヤ６０に第２の値の制御電圧を印加することにより、チャネル６２が絶縁状態になり、入力６４ａをワイヤ６４の出力６４ｃから電気的に切断する（入力６４ａと出力６４ｃとの間に電流を流すことができない）。
【００５３】
この場合、被制御入力は、信号ワイヤ１３２が半導体であることを必要としない。ゲートワイヤ６０が被制御入力半導体ワイヤＳ６４を横切り、出力６４ｃが信号ワイヤ１３２に電気的に接続される場合にチャネル６２を形成することで十分である。そのような電気接続を形成する好ましい方法は、接合部６６のような少なくとも１つの接合部によってである。
【００５４】
電気接続を形成するための多数の方法が存在する。１つの方法は、双安定分子を用いて、構成可能（プログラマブル）な接続を形成することである。そのような接続を形成する好ましい方法は、接合部６６を、本発明と同じ譲受人に譲渡され、Philip J. Kuekes他に対して２００１年１１月６日に発行された「Molecular Wire Crossbar Interconnect (MWCI) for Signal Routing and Communications」と題する米国特許第６，３１４，０１９号に開示されたような分子スイッチにすることであり、その米国特許の内容は参照により本明細書に組み込まれる。簡単に述べると、そのような分子スイッチは、２つのワイヤ（ここでは、被制御入力ワイヤ６４及び信号ワイヤ１３２）の接合部においてコネクタ種を含み、そのコネクタ種は、酸化‐還元反応に基づいて２つの状態間で可逆的に又は不可逆的に切り替わる双安定分子を含む。
【００５５】
構成可能な接続を形成する別の例は、電界によって引き起こされるバンドギャップ変化に基づいた分子システムに基づく。電界によって引き起こされるバンドギャップ変化を含む分子システムの例は、２００１年３月２９日に出願された米国特許出願第０９／８２３，１９５号に開示され、特許請求されており、その特許出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【００５６】
電界によって引き起こされるバンドギャップ変化の手法において用いられる分子の例は、以下のことを明白に示す分子を含む。即ち、
（１）分子配座の変化または異性化、
（２）化学結合の変化を通して、拡張共役を変化させて、バンドギャップを変化させること、又は
（３）分子の折りたたみ又は伸縮（stretching）。
【００５７】
化学結合の変化を通して、拡張共役を変化させて、バンドギャップを変化させることは、以下の方法のうちの１つにおいて達成され得る。即ち、
（２ａ）バンドギャップの局所化を増減することによって達成される電荷分離または再結合、又は
（２ｂ）電荷分離または再結合、及びπ結合の破壊または形成による、拡張共役の変化。
【００５８】
代案として、本明細書の種々の実施形態を実施する際に、永続的（非プログラマブル）な接続を用いることができる。この手法の一例は、インプリンティング技術によって生成されるような、多段接続を用いることを含む。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、２００３年６月２日に出願された米国特許出願第１０／４５３，３２９号［ＰＤ−１００１９８５２−１］を参照されたい。この文献は、インプリンティング工程を介して薄いポリマーフィルムに圧入される突出したパターンを有する型を含む。ナノワイヤ及びマイクロワイヤと、電子回路の他のリソグラフィにより形成された素子との間に被制御接続が設けられる。インプリントスタンプは、（１）Ｘ方向においてマイクロ寸法を、（２）Ｙ方向においてナノ寸法およびナノ間隔を、Ｚ方向において３つ以上の別個の高さを有する概ね平行なナノワイヤのアレイを形成するように構成される。こうして形成されたスタンプを用いて、特定の個々のナノワイヤを、微視的なワイヤ又はパッドの特定の微視的な領域に接続することができる。型内の突出したパターンは、薄いポリマーフィルム内にリセスを形成するので、ポリマー層は型上のパターンを逆にしたものを獲得する。型が取り外された後に、そのフィルムは処理されて、ポリマーパターンを基板上の金属／半導体パターン上に転写することができるようにする。
【００５９】
前述の種々の接続手法は例示にすぎず、本発明の実施形態はこれらの特定の接続方式だけに限定されない。
【００６０】
出力１３２ｃが、被制御入力１３２ａと信号ワイヤ１３２との間に本質的に接続されている、図１２と照らし合わせると、図１３の接合部６６は、被制御入力ワイヤ６４の出力領域６４ｃと信号ワイヤ１３２との間に明示的に構成された電気接続である。ここでは、入力信号はワイヤ６４の入力端Ｉ  ６４ａに接続される。
【００６１】
チャネル領域６２が誘起される場合、実用的なゲート電圧でチャネルを誘起するのを容易にするために、ワイヤ６４はナノメートルスケールで作られることが好ましい。
【００６２】
図１４は、図１１を、図１２の形態のゲート制御ラッチに拡張したものであり、ロジックアレイ４６に対してゲート制御ラッチを配置したものを示す。多数の信号ワイヤ１３２に対して２つの制御ワイヤ１３０、２３０及びゲートワイヤ６０を用いることができることは理解されよう。
【００６３】
図１５は、図１１を、図１３の形態のゲート制御ラッチに拡張したものであり、ロジックアレイ４６に対してゲート制御ラッチを配置したものを示す。被制御入力ワイヤ６４は、信号ワイヤ１３２と物理的に区別される。単一のゲートワイヤ６０が多数の入力ワイヤ６４を操作することができることは理解されよう。
【００６４】
図１６は、図１５と類似するが、２つ以上の接続ワイヤが、それらの間の関連付けられた接合部とともに示される事例を示す。具体的には、複数のワイヤ６８（水平および垂直の両方）が示されており、接合部６６によって設けられる経路が、被制御入力ワイヤ６４の出力部分６４ｃを、信号ワイヤ１３２に電気的に接続する。明瞭にするために、ワイヤ６４からワイヤ１３２への電気的な経路は太くされる。考えられる接続の完全な一般論は、上述した米国特許第６，３１４，０１９号にさらに十分に開示される。
【００６５】
１つの好ましい実施形態では、２つの制御ワイヤ１３０、２３０、ゲートワイヤ６０、及び入力制御回路は全て、ナノメートルスケールの直径を有するワイヤを含む。
【００６６】
別の好ましい実施形態では、ゲートワイヤ６０及び２つの制御ワイヤ１３０、２３０のうちの少なくとも１つがミクロンスケールの直径を有し、他のワイヤ（信号ワイヤ１３２、入力ワイヤ６４、及び接続ワイヤ６８）がナノメートルスケールの直径を有する。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本明細書に開示された分子クロスバーラッチは、ナノスケールの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、有限ステートマシンを構成することができる。有限ステートマシンは、原理的には、任意の機能を演算するのに十分な処理能力を有する。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だけを有することになり、汎用コンピューティングを完全に行うことはできない。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】従来のラッチの論理機能を示す概略図である。
【図２ａ】従来のスイッチ表現から従来の電圧表現にどのように移行するかを示す概略図である。
【図２ｂ】従来のスイッチ表現から従来の電圧表現にどのように移行するかを示す概略図である。
【図３】従来の電圧表現から従来のスイッチ表現にどのよう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】本明細書に開示された実施形態に適用される、開いた状態にある非対称スイッチの概略図である。
【図５ｂ】本明細書に開示された実施形態に適用される、閉じた状態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、本発明に従って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、本発明を実施する際の無条件開パルス及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及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、本発明を実施する際に１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】縦方向の電圧目盛上で、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、次いで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、次いで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】本発明の一対のラッチ線を用いて、多数のラッチを制御し、それにより別個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１２】１つの制御回路、入力およびゲートワイヤとともに、２つのスイッチを形成する２つの制御ワイヤ及び１つの信号ワイヤを備える、本発明によるラッチ構成の、図４に類似の概略的な斜視図である。
【図１３】図１２の構成の代替の実施形態の概略的な斜視図である。
【図１４】図１１と類似しているが、図１２に示される構成とともに用いられる場合の図である。
【図１５】図１１と類似しているが、図１３に示される構成とともに用いられる場合の図である。
【図１６】図１５と類似しているが、代替の構成を示す図である。
【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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【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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【国際調査報告】
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