(57)【要約】スピン・フィルタ装置は、電子の流れをキャリーするための入力領域（３）と電子の流れをキャリーするための出力領域（４）とクーロン封鎖レジームで作動するように配列されそして入力および出力領域（３および４）を分離しそれにより電子がそこを通るトンネリングによって入力領域から出力領域にだけ通過できる三次元的に制限された量子領域（２ａ）とを有するスピン・フィルタ（１）と、スピン・フィルタにゼーマン分流を発生するゼーマン分流手段（５）とを有し、量子領域（２ａ）と入力および出力領域（３および４）は、入力および出力領域（３および４）のゼーマン分流がフェルミ・エネルギよりも少ないように形成され、それにより、作動中に、スピン・フィルタは主として一方のスピン極性のトンネル電流を出力する。ゼーマン分流の方向は主要なスピン極性を制御するように制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流をキャリーする（ｃａｒｒｙｉｎｇ）ための入力領域と、電流をキャリーするための出力領域と、クーロン封鎖レジーム（Ｃｏｕｌｏｍｂ ｂｌｏｃｋａｄｅ ｒｅｇｉｍｅ）で作動するように配列されかつ入力および出力領域を分離する三次元的に制限された（ｃｏｎｆｉｎｅｄ）量子領域とを有し、それにより電子が量子領域を通るトンネリング（ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ）によって入力領域から出力領域にだけ通過できるスピン・フィルタと、
入力および出力領域におけるゼーマン分流（Ｚｅｅｍａｎ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）がフェルミ・エネルギ（Ｆｅｒｍｉ ｅｎｅｒｇｙ）よりも少なく、それにより、作動時にスピン・フィルタが一つの支配的なスピン極性（ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｔｙ）のトンネル電流（ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）を出力するようにスピン・フィルタにゼーマン分流を発生するためのゼーマン分流手段と
から構成される、スピン・フィルタ装置。
【請求項２】
電子流をキャリーするための入力領域と、電子流をキャリーするための出力領域と、クーロン封鎖レジームで作動するように配列されかつ入力および出力領域を分離する三次元的に制限された量子領域とを有し、それにより電子が量子領域を通るトンネリングによって入力領域から出力領域にだけ通過できるスピン・フィルタと、
入力および出力領域におけるゼーマン分流がフェルミ・エネルギよりも小さく、それにより作動時にスピン・フィルタが一つのスピン極性のトンネル電流を一番多く出力するように入力および出力領域が形成された、スピン・フィルタにゼーマン分流を発生するためのゼーマン分流手段と
から構成される、スピン・フィルタ装置。
【請求項３】
ゼーマン分流手段は量子領域に直流磁界を適用するための手段により構成される、請求項１または２に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項４】
トンネル電流の支配的なスピン極性を制御するための制御手段によりさらに構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項５】
量子領域はゲートを有し、制御手段は量子ドットが少なくとも一つのゲート電圧と入力および出力領域間の電圧とを制御するための手段により構成される、請求項４に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項６】
制御手段はゼーマン分流の方向を制御するように配列される、請求項４または５に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項７】
ゼーマン分流手段はスピン・フィルタに直流磁界を適用するための手段により構成され、制御手段は直流磁界の極性を制御することによりトンネル電流の支配的なスピン極性を制御するように設けられる、請求項１または２に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項８】
量子領域は磁性エレメントと協働される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項９】
量子領域は磁性エレメントと協働されそして制御手段は磁性エレメントの成極作用（ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ）を制御するように配列される、請求項４〜８のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１０】
磁性エレメントは量子領域内の磁性不純物（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｍｐｕｒｉｔｙ）により構成される、請求項９に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１１】
量子領域並びに入力および出力領域は同じＩＩＩ−Ｖ半導体（ＩＩＩ−Ｖ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）材料により構成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１２】
量子領域はＩＩＩ−Ｖ半導体材料により構成されそして磁性不純物はマンガンにより構成される、請求項１０に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１３】
ＩＩＩ−Ｖ半導体材料はヒ化ガリウムにより構成される、請求項１１または１２に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１４】
量子領域は入力および出力領域とは異なったＩＩＩ−Ｖ半導体材料により構成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１５】
量子領域はヒ化インジウムにより構成されそして入力および出力領域はヒ化ガリウムにより構成される、請求項１４に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１６】
入力および出力領域は非磁性半導体材料により構成されそして量子領域は磁性半導体材料により構成される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１７】
入力および出力領域はＩＩＩ−Ｖ半導体材料により構成されそして量子領域はＩＩ−ＶＩ半導体材料により構成される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１８】
量子領域は、ＢｅｘＭｎｙＺｎ１−ｘ−ｙＳｅの組成を有するｎ伝導型ベリリウム・マンガン亜鉛セレン化合金により構成される、請求項１〜９のいずれか一項または請求項１７に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項１９】
ｘ＝０．０７でありそしてｙ＝０．０３である、請求項１８に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項２０】
量子領域は量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）により構成される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置と、
スピン・フィルタ装置からスピン成極電流を受容しそしてスピン・フィルタ装置によって供給される電流のスピン成極作用に応じた成極作用を有する光子を発するように結合された光電子エミッタと
から構成される、光電子放出装置。
【請求項２２】
光電子エミッタはピン・ダイオード（ＰＩＮ ｄｉｏｄｅ）により構成される、請求項２１に記載の光電子放出装置。
【請求項２３】
ピン・ダイオードはＩＩＩ−Ｖ材料のピン・ダイオードにより構成される、請求項２２に記載の光電子放出装置。
【請求項２４】
請求項２１、２２または２３に記載の装置と、所定の成極作用の光子を検出するための光電子検出手段とから構成される、スピン状態検出装置。
【請求項２５】
請求項２１、２２または２３に記載の装置により構成され、そこにおいて光電子放出装置はスピン・フィルタ装置からのスピン成極電流のスピン成極作用に応じて左または右回りに成極された光子を発するように適合されそして第１および第２の光電子検出器がそれぞれ左および右回りに成極された光子を検出するように設けられる、スピン状態検出装置。
【請求項２６】
請求項１〜２０のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置と、スピン・フィルタ装置によって供給される電流の支配的なスピン成極作用を検出するための検出手段とから構成される、メモリ。
【請求項２７】
複数の請求項１〜２０のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置と、スピン・フィルタ装置によって供給される電流の支配的なスピン成極作用を検出するための検出手段とから構成される、メモリ。
【請求項２８】
個々のスピン・フィルタ装置によって供給される電流の支配的なスピン成極作用を個々に制御するための手段によりさらに構成される、請求項２７に記載のメモリ。
【請求項２９】
各々が電子流をキャリーするための入力領域と、電子流をキャリーするための出力領域と、クーロン封鎖レジームで作動するように配列されかつ入力および出力領域を分離する三次元的に制限された量子領域とを有し、それにより電子が量子領域を通るトンネリングによって入力領域から出力領域にだけ通過できる複数の二次元アレイのスピン・フィルタと、
スピン・フィルタにゼーマン分流を発生するための手段であって、量子領域並びに入力および出力領域は、作動時に、スピン・フィルタによって供給されるトンネル電流が主として一つのスピン極性であるように入力および出力領域におけるゼーマン分流がフェルミ・エネルギよりも小さくなるように形成されるゼーマン分流手段と、
フィルタを通るトンネル電流の支配的なスピン成極作用を制御するように個々のスピン・フィルタ内におけるゼーマン分流を制御するための制御手段と、
各スピン・フィルタを個々にアドレス指定する（ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ）ためのアドレス指定手段と、
アドレス指定されたスピン・フィルタによって供給される電流の支配的なスピン成極作用を検出するための読出し手段と
から構成される、メモリ。
【請求項３０】
ゼーマン分流手段はアレイに直流磁界を適用するための手段により構成される、請求項２９に記載のメモリ。
【請求項３１】
制御手段は個々のスピン・フィルタの量子領域に適用される直流磁界の極性または向きを制御するように配列される、請求項３０に記載のメモリ。
【請求項３２】
ゼーマン分流手段は、第１の方向へ相互に平行に配列された第１の組の伝導体と第１の方向に垂直な第２の方向へ相互に平行に配列された第２の組の伝導体とから構成されるアレイに直流磁界を適用するための手段により構成され、第１および第２の組の伝導体は、電流が伝導体を流れるとき、交差点に磁界を発生させる第１および第２の組の伝導体間の独自の交差点に各スピン・フィルタが位置するように配列され、制御手段は第１の伝導体の所定の一つに電流を供給するための第１のドライブ手段と第２の伝導体の所定の一つに電流を供給するための第２のドライブ手段とから構成され、それにより、合わされた電流は所定の第１および第２の伝導体間の交差点でスピン・フィルタの量子領域のゼーマン分流を逆転するのに十分であり、それにより、そのスピン・フィルタを通るトンネル電流の支配的なスピン極性を変更する、請求項２９に記載のメモリ。
【請求項３３】
ゼーマン分流手段はまた一定の直流磁界をアレイに適用するための手段により構成され、第１および第２のドライブ手段は所定の交差点で磁界の逆転を生じるように電流を供給するように配列される、請求項３２に記載のメモリ。
【請求項３４】
スピン・フィルタの量子領域はそれにより不揮発性メモリ装置を形成する磁性エレメントと協働され、制御手段は磁性エレメントの成極作用およびそれによるゼーマン分流の方向を制御するように配列される、請求項２９〜３３のいずれか一項に記載のメモリ。
【請求項３５】
各スピン・フィルタの量子領域は磁性エレメントと協働され、制御手段は選定されたスピン・フィルタの磁性エレメントの成極作用が選定されていないスピン・フィルタの磁性エレメントの成極作用に対向するように磁性エレメントの成極作用およびそれによるゼーマン分流の方向を制御するように配列される、請求項３２に記載のメモリ。
【請求項３６】
磁性エレメントは量子領域内の磁性不純物により構成される、請求項３４または３５に記載のメモリ。
【請求項３７】
読出し手段はスピン・フィルタからのスピン成極電流を受けそしてスピン・フィルタによって供給される電流のスピン成極作用に応じた成極作用を有する光子を発するように配列された光電子エミッタにより構成される、請求項２９〜３６のいずれか一項に記載のメモリ。
【請求項３８】
読出し手段はアドレス指定されたスピン・フィルタからのスピン成極電流を受けそして該スピン・フィルタによって供給される電流の成極作用に応じた成極作用を有する光子を発するように配列された少なくとも１つの光電子エミッタにより構成される、請求項３２に記載のメモリ。
【請求項３９】
光電子エミッタはピン・ダイオードにより構成される、請求項３７または３８に記載のメモリ。
【請求項４０】
読出し手段は所定の成極作用の光子を検出するための光電子検出手段により構成される、請求項３７、３８または３９に記載のメモリ。
【請求項４１】
各スピン・フィルタは請求項１１〜２０のいずれか一項に記載の特色を有する、請求項２９〜４０のいずれか一項に記載のメモリ。
【請求項４２】
請求項１〜２０のいずれか一項に記載のスピン・フィルタ装置と、
ゼーマン分流が一つの方向にあり、それによりトンネル電流の支配的なスピン成極作用がスピン・アップ状態（ｓｐｉｎ ｓｔａｔｅ ｕｐ）およびスピン・ダウン状態（ｓｐｉｎ ｓｔａｔｅ ｄｏｗｎ）の一方である第１のゼーマン分流状態とゼーマン分流が対向する方向にあり、それによりトンネル電流の支配的なスピン成極作用がスピン・アップ状態およびスピン・ダウン状態の他方である第２のゼーマン分流状態との間でスピン・フィルタを切り替えることができる切替え手段とから構成される、切替え装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスピン・フィルタおよびこのスピン・フィルタを用いたメモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にコンピュータ産業および情報技術の要望はより高速で作動するより一層大きなメモリである。しかしながら、従来の半導体ＦＥＴ構造と電荷（ｃｈａｒｇｅ）として情報を蓄えるためのコンデンサとを用いるダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）のようなメモリは、その作動サイズの限界に達している。かくして、電流Ｘ線（ｃｕｒｒｅｎｔ ｘ−ｒａｙ）、電子ビームおよび同様なリトグラフ技術がメモリサイズ寸法の更なる縮小を可能にしてきたが、このことは、コンデンサとＦＥＴの寸法に制限されるため、受け入れられない。
【０００３】
データ操作および記録ためには電荷よりもむしろ電子スピンの使用についての関心が増加している。試験の回数を増加することは、例えば、１９９８年１１月２７日のサイエンス、第２５２巻、１６６０〜１６６３頁のゲイリー・プリンツ（Ｇａｒｙ Ｐｒｉｎｚ）による「磁性電子技術（Ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」の再考論文や、１９９９年６月発行のフィジックス・トゥデイ（Ｐｈｉｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ）、３３〜３８頁のデイビッド・オーシャロム（Ｄａｖｉｄ Ａｗｓｈａｌｏｍ）およびジェームズ・キッカワ（Ｊａｍｅｓ Ｋｉｋｋａｗａ）による「半導体における電子スピンおよび光学的コヒーレンス（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｉｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）」の論文そして、例えば、ネイチャー、第３９７巻、１３９〜１４１頁に発表された同じ著者のザ・レター・トゥ・ネイチャー（ｔｈｅ ｌｅｔｔｅｒ ｔｏ Ｎａｔｕｒｅ）で述べられているような情報処理および記録の新しい方法を電子スピンが提供することを示されている。フィジカル・レビュー、第５７巻第１号、１２０〜１２６頁にダニエル・ロス（Ｄａｎｉｅｌ Ｌｏｓｓ）およびデイビッド・ディビンセンツォ（Ｄａｖｉｄ ＤｉＶｉｎｃｅｎｚｏ）により発表された論文に記載されているような従来の量子コンピューティング（ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）と同様にスピン関連の現象も考慮に値する関心事である。スピン型の情報処理における関心はまた、顕微鏡的な間隔（典型的には、１００マイクロメートル）を超えるスピン・コヒーレンスおよび１００台のナノセカンドのスピン・ディフェージング（ｄｅｐｈａｓｉｎｇ）時間が観察される最近の試験結果により相当に増大している。
【０００４】
記録密度、速度および／またはその他の特性において従来の電荷型メモリ装置以上の利点を提供するスピン型装置のための種々の提案が行われてきた。例えば、アメリカ特許第６０２１０６５号には、スピン依存型トンネル・メモリを提供する異方性強磁性薄膜メモリ構造から構成されたデジタル・データのメモリ装置が記載されている。さらに、アメリカ特許第５８０１９８４号では、メモリ・セルとして磁性トンネル結合装置の使用を提案しており、アメリカ特許第５６５４５６６号には、スピン型論理装置が記載されている。これらすべての装置はマルチ電子装置である。しかしながら、量子ドット装置およびシングル電子トランジスタを備えたシングル電子装置はすでに提案されており、ヨーロッパ特許第０６９７７３７号には、反強磁性材料によって結合された相互に隣接する量子ドットの２つのシングル電子のスピン状態を用いて作動する量子ドット計算エレメントが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、スピン・フィルタ並びに単一スピン・レベルで作動する光電子スピン読出し装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態は、入力および出力フェルミ（Ｆｅｒｍｉ）リードにトンネル・バリヤによって連結されたクーロン封鎖レジーム（Ｃｏｕｌｏｍｂ ｂｌｏｃｋａｄｅ ｒｅｇｉｍｅ）で作動するように配列される三次元的な量子制限（ｃｏｎｆｉｎｅｄ）領域により構成され、それにより、磁界を適用することはゼーマン分流を量子制限領域に発生させそしてフェルミ・リードにおけるいずれのゼーマン分流も、いずれの場合も、フェルミ・リードの電流の小部分だけがスピン成極されるが、量子制限領域を通る伝導が主として一つだけのスピン成極作用を有する電子の連続的なトンネリング（ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ）によって生じるようになる。量子制限領域における電子のスピン成極作用並びにそれによるスピン・フィルタを通る電流のスピン成極作用は適用される磁界によって制御され得る。
【０００７】
本発明は、かくして、一つのスピン極性だけの電荷キャリアがフィルタを通過できるスピン・フィルタを提供する。
【０００８】
スピン・フィルタの出力は、フィルタによって出力された電流のスピン状態に応じて右または左回りのいずれかに成極された光子を発する光電子放射装置と結合される。成極作用依存光電子検出器は光子の成極作用を検出するように用いられる。
【０００９】
本発明の適用形態におけるスピン・フィルタは、光電子放射装置および成極作用依存光電子検出器と共にメモリ装置として使用され得る。
【００１０】
このようなメモリ装置の二次元または同等な三次元アレイは、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ装置を提供するように製造され得る。不揮発性メモリ装置は、硬質磁性層、ナノ単位の磁性粒子、磁性不純物または量子制限領域に近接した付近にオーバーハウザー磁界（Ｏｖｅｒｈａｕｓｅｒ ｆｉｅｌｄ）を提供する原子核のスピンの層によって提供され得る。
【００１１】
本発明の適用形態におけるスピン・フィルタはまた、スピン・フィルタによって出力された電流のスピン成極作用が適用された磁界に応じることでスイッチとして使用され得る。
【００１２】
図面を参照して本発明の実施の形態をその実施の例として説明する。
【００１３】
本発明の実施例は、例示として添付の図面に示されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１および２を参照すると、本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置１の機能的なエレメントを示すための簡略化されたダイアグラムが示されている。
【００１５】
スピン・フィルタ装置１は、高ドープド（ｄｏｐｅｄ）半導体領域により形成された入力および出力フェルミ・リード３および４にトンネル・バリアＴＢ１およびＴＢ２によってそれぞれ連結された量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）領域２の量子ドット２ａの形態の三次元的な量子制限領域により構成される。
【００１６】
量子ドットは、例えば、ソーン、コーベンホーフェン、およびショーン（Ｓｏｈｎ， Ｋｏｕｗｅｎｈｏｖｅｎ， ａｎｄ Ｓｃｈｏｅｎ）により編集された再調査テキスト「中間視的電子伝送（Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）」（ＩＳＢＮ Ｎｏ．０−７９２３−４７３７−４）のコーベンホーフェン他による「量子ドットにおける電子伝送（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ）」の１１４〜１１８頁のセクション２．１に詳細に記載されているクーロン封鎖レジームで作動するように形成される。
【００１７】
量子ドット領域２並びにフェルミ・リード３および４は、フェルミ・リード３および４が量子ドット領域２のｇファクタよりも小さなｇファクタを有するような材料で形成される。
【００１８】
直流磁界発生器（図２参照）５は、量子ドットにゼーマン分流を誘導するために設けられる。
【００１９】
入力および出力フェルミ・リード３および４は、それらの間に電圧源ＶＳが連結された接点Ｌ１およびＬ２にそれぞれ連結される。環状ゲートＧが量子ドット領域に接触しそしてゲート電圧源ＧＶに連結される。
【００２０】
出力装置ＯＰがスピン・フィルタ装置からのスピン・フィルタ（ｓｐｉｎ ｆｉｌｔｅｒｅｄ）電流を受容するように接点Ｌ２に結合される。
【００２１】
装置１は、例えば、ＭＢＥ（分子ビーム・エピタクシ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ））またはＭＯＣＶＤ（金属有機化学蒸着（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））や、Ｘ線または電子ビーム・リソグラフィのようなリソグラフィ技術のような周知の量子ドット製造技術を用いて製造される。
【００２２】
直流磁界発生器５は、最大で数テスラのオーダーの同種の直流磁界を発生することが必要である。それ故、直流磁界発生器５は商業的に入手可能なナノマグネット（ｎａｎｏｍａｇｎｅｔ）で構成し得る。その他の可能性として、直流磁界発生器５は、ＩＢＭ社の磁性記録ディスクに使用されるのと同様な手段で設けられ得るかまたはジスプロジウム・ドットが用いられ得る。ナノマグネットまたはジスプロジウム・ドットが用いられる場合、それらは装置１と一体化され得る。別の可能性として、超伝導性磁石が直流磁界発生器５として用いられ得る。量子ドット領域２のｇファクタに応じて、要求される磁界は、例えば、永久磁石或いは電動ソレノイドによっても供給され得る。
【００２３】
図３は、図１および２に示されたスピン・フィルタ装置とともに用いられる出力装置ＯＰの一例を示す。この例において、出力装置は、後に詳述されるように、使用時に、スピン・フィルタ装置１からスピン・フィルタ電流を供給されそしてスピン・フィルタ電流のスピン成極作用に応じて左または右回りのいずれかに成極された光子を発するピン・ダイオード（ＰＩＮ ｄｉｏｄｅ）のような光電子エミッタ４０により構成される。
【００２４】
図３に示されるように、光電子放出装置４０によって発された波長の波長またはバンドの光子を検出するために２つの光電子検出器４１ａおよび４１ｂが設けられる。光電子検出器４１ａおよび４１ｂの各々は、成極フィルタＰＦ１およびＰＦ２と協働され、成極フィルタＰＦ１は左回り成極作用の光子のみを伝送するように配列されそして成極フィルタＰＦ２は右回り成極作用の光子のみを伝送するように配列される。２つの光電子検出器の出力は制御ユニット４２に結合される。
【００２５】
認識されるように、光電子検出器４１ａは、光電子エミッタ４０からの光が左回りに成極されたときに出力を作るだけでありそして光電子検出器４１ｂは光電子エミッタ４０からの光が右回りに成極されたときに出力を作るだけである。かくして、例えば、マイクロコントローラから構成される制御ユニットは、光電子検出器４１ａおよび４１ｂのどちらが出力を提供するかを決定することによりスピン・フィルタ装置を通過したスピン成極作用を指示する出力信号を提供する。図３に示される出力装置ＯＰはかくしてスピン・フィルタ装置により供給される電流のスピン成極作用を決定するように用いられる。
【００２６】
図４はスピン・フィルタ装置と共に用いられる別の例の出力装置ＯＰ´を示す。図４に示される出力装置は、単一の光電子検出器４１が設けられそして左または右回りに成極された光のいずれかのみを通過するように配列された単一の成極フィルタＰＦと協働される点で図３に示された出力装置と異なっている。この場合、制御ユニット４２は光電子エミッタ４０により放射された光子が左または右回りの一方に成極されるが他方にはならないときに光電子検出器４１からの出力を受容するだけである。従って、２状態（ｔｗｏ−ｓｔａｔｅ）装置が、例えば、光電子検出器４１の２つの出力の一方が「０」を表し、他方が「１」を表すメモリ装置の基盤として用いられるものを提供される。
【００２７】
上述されたように、スピン・フィルタ装置１は標準的な量子ドット製作技術を用いて製造され得る。光電子エミッタ４０は総体的に光電子放出装置を形成するようにスピン・フィルタ装置と一体化される。
【００２８】
図５は光電子放出装置の一例を示すための半導体本体の部分の非常に図式的な断面を示す。
【００２９】
この例において、スピン・フィルタ装置１は光電子エミッタ４０の頂部に形成される。光電子エミッタ４０は、その上に本質的な（意図的にドープ（ｄｏｐｅｄ）されていない）ガリウム・ヒ化物の層４５およびｎ伝導型アルミニウム・ガリウム・ヒ化物の層４６が続くｐ伝導型アルミニウム・ガリウム・ヒ化物（ＡｌＧａＡｓ）の層４４を設けられたｐ伝導型ガリウム・ヒ化物の層４３により構成される。電極４７がｐ伝導型ガリウム・ヒ化物層４３に接続する。それ故、光電子エミッタ４０はピン・ダイオードとして形成される。
【００３０】
スピン・フィルタ装置１はこのとき、この例においては、ＩＩＩ−Ｖ半導体の層を交互に積み上げることにより形成される。フェルミ・リード３および４は約−０．４４のｇファクタを有するガリウム・ヒ化物で形成される一方、量子ドット領域２は１５のｇファクタを有する。インジウム・ガリウム・ヒ化物で形成される。しかしながら、量子ドット領域２を形成するのにインジウム・ヒ化物を使うことは、量子ドット領域２のｇファクタが非常に大きく、それによりスピン・フィルタ装置１が直流磁界を受けるときに量子ドットのゼーマン分流がガリウム・ヒ化物よりも約３０倍大きいという利点を有する。このことは、量子ドット領域２を形成するのにガリウム・ヒ化物よりもインジウム・ヒ化物が用いられるとき、作動温度が約３０倍高くなることができる利点を有する。同じ磁界にとってゼーマン分流をさらに増加し、それにより作動温度を高くすることは、量子ドット領域２を形成するのに磁性半導体を使用することにより達成することができる。例えば、使用される材料は、この例では、ｎ伝導型ガリウム・ヒ化物（ＧａＡｓ）である量子ドット領域２を形成するＩＩＩ−Ｖ材料にＩＩ−ＶＩ材料が格子状に適合（ｌａｔｔｉｃｅ−ｍａｔｃｈｅｄ）されるような組成を有するｎ伝導型ベリリウム・マンガン亜鉛セレン化合金（ＢｅｘＭｎｙＺｎ１−ｘ−ｙＳｅ）である。典型的に、ＩＩ−ＶＩ合金は組成、Ｂｅ０．０７Ｍｎ０．０３Ｚｎ０．９Ｓｅを有する。このようなＩＩ−ＶＩ磁性材料の使用は、適用された磁界が数テスラの大きさを有しそして量子ドットが５０ナノメートル以下の大きさを有する場合に室温での作動を可能にする１０のファクタによってスピン・フィルタ装置の作動温度をまた上昇する。
【００３１】
ピン・ダイオード４０の頂部にめっきされる層は、上述から明らかなように、量子ドット領域２を画定するＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ領域のいずれかによって分離されたフェルミ・リード３および４を画定する第１および第２のｎ伝導型ＩＩＩ−Ｖ領域を提供するコラムＣを画定するようにリトグラフ技術を画定する標準的な垂直量子ドットを用いてパターン化される。図５から理解できるように、エッチング工程はピン・ダイオードにめっきされた最下方の層の底部までのすべてに続けられるのではなく、どちらかと言えばその層の部分３ａが残される。
【００３２】
絶縁材料（通常、シリコン）層１３が後続し、別の金属（通常、クロム）層１４および絶縁層１５がさらに後続するフェルミ・リード３にオーム接触（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）できるようにクロム層１２がめっきされる。バイアスＶ１およびＶ２が周知の手段でこれらの層を通ってエッチングされそして第１接点Ｌ１がクロム層１２に接触し、ゲートＧがクロム層１４に接触しそして接点Ｌ２がフェルミ・リード４に接触するのを画定するようにめっきされて金属化（通常、またクロム）される。
【００３３】
全体構造は、ピン・ダイオード４０の頂部の平頂部としてスピン・フィルタ装置１を画定するように標準的なリトグラフ技術を用いてパターン化され、それによりピン・ダイオード構造のｎ伝導型アルミニウム・ガリウム・ヒ化物の層４６の最上方面の領域ＳＡは露呈され、使用中、そこから光子Ｐが放射できる。
【００３４】
図６は、光電子放出装置の別の例を示す、半導体本体１０ａの部分を通る非常に図式的な断面を示す。この例において、半導体本体１０ａは基板１１、一般的に本質的な（故意にドープされていない）ガリウム・ヒ化物（ＧａＡｓ）基板１１により構成され、その上には、ＭＢＥおよびＭＯＣＶＤ技術分野において知られているように、清浄な相対的に無欠陥面をを提供するようにガリウム・ヒ化物／アルミニウム・ガリウム・ヒ化物の超格子構造ＳＬを成長される。
【００３５】
この例において、スピン・フィルタ装置１は図５に示されたものと同様な構造を有する。しかしながら、スピン・フィルタ装置１はピン・ダイオード４０の頂部よりもむしろ超格子ＳＬの頂部に形成される。標準的なリトグラフ、エッチングおよびエピタクシ技術を用いて、ピン・ダイオード４０´はスピン・フィルタ装置から側方へ離間されて超格子ＳＬにまた形成される。ピン・ダイオード４０´は、使用中にそこから光子Ｐが放射される面ＳＡ´に設けられたｐ伝導型ガリウム・ヒ化物の層４４´、本質的なガリウム・ヒ化物の層４５´およびｎ伝導型アルミニウム・ガリウム・ヒ化物の層４６´によって後続されるｐ伝導型アルミニウム・ガリウム・ヒ化物の層４３´から構成される。層４４´、４５´および４６´は、層４３´の接触領域ＣＯおよび絶縁材料１６を露呈するようにエッチングされそしてめっきされて金属化されそしてｐ伝導型アルミニウム・ガリウム・ヒ化物の層４３´に接触する電極４７´およびｎ伝導型アルミニウム・ガリウム・ヒ化物の層４６´に接点Ｌ２を結合する電極４８を画定するようにリトグラフ的に画定される。
【００３６】
もちろん、図５および６は非常に模式的でありそして相対的な寸法は比例していないことを認識されたい。特に、層の厚さはこれらの図において相対的に誇張されてておりそして総体的にピン・ダイオード４０または４０´の光電子放射面の領域ＳＡまたはＳＡ´は図示のものよりも大きい。
【００３７】
標準的なリソグラフ技術を用いて、コラムＣは、当業者によって理解されるように、量子ドット領域２内に量子ドットを画定するのに十分には小さくない約０．５マイクロメートルの直径の円形断面を有し得る。しかしながら、当業者にとってよく知られているように、図３の横方向における制限（ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）は、約５０ナノメートルの直径を有する量子ドットを量子ドット領域２内に画定するようにゲートＧに電圧を加えることによって達成され得る。
【００３８】
量子ドットは以下の事項を必要とする量子クーロン封鎖レジームで作動することが必要である：
ＫＢＴ ＜＜ ΔＥ，ｅ２／Ｃ                  （１）
ここにおいて、ＫＢは、ボルツマン（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）定数であり、
Ｔは、温度であり、
ΔＥは、量子領域におけるエネルギ・レベルの差であり、
ｅは、電子電荷であり、
Ｃは、量子ドットの容量であり、
そして「，」は不当性が右手側の両コンポーネントのために十分であること、すなわち：
ＫＢＴ ＜＜ ΔＥ  および  ＫＢＴ ＜＜ ｅ２／Ｃ
を意味していおり、それにより量子ドットでの電子のトンネリング（ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ）は、例えば、ゲートＧに適用される電圧によって追加のエネルギｅ２／Ｃが適用されたときのみ可能である。上述の材料および量子ドット寸法のために、量子化レベルの離間およびクーロン電荷エネルギは１ｍｅＶ（ミリ電子ボルト）のオーダーであり、それにより、この例において、装置は周知の低温発生技術を用いて液体ヘリウム温度（数ケルビン）で作動されるべきである。しかしながら、量子ドットのサイズを１０の係数で減少することが必要温度を１００の係数で上昇させ、かくして室温で作動できることは当業者にとって好適である。
【００３９】
図１〜６に示すスピン・フィルタ装置１の主要な作動は図７〜１４を参照して説明される。そこにおいて、図７は、量子ドット領域内に量子ドット２ａを画定するのに必要なさらる制限を提供するように電圧が環状ゲートＧに適用されたときの装置１の模式的な状態を示す。図７はまた、直流磁界発生器５（図２参照）によって適用されたときの直流磁界Ｂｄｃ（リード３および４に垂直である）の相対的な向きを示している。
【００４０】
図８は、Ｂｄｃ＝０のときの装置１の伝導帯エネルギ・レベルのダイアグラムを示している。図８において、μ１およびμ２は、量子ドット２の最上方グランド状態（ｕｐｐｅｒｍｏｓｔ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ）の一つの電子２０を有するクーロン封鎖レジームにおいて、接点Ｌ１およびＬ２の間に適用される電圧Ｖ１，２に関して次のように関係付けられたフェルミ・リード３および４の化学的ポテンシャルを表す：
Ｖ１，２ ＝（μ１−μ２）／ｅ                    （２）
【００４１】
図８は、スピン・アップ状態（ｓｐｉｎ ｓｔａｔｅ ｕｐ）のときの量子領域２ａの最上方グランド状態における一つの電子２０を示す目的で示されている。
【００４２】
図９〜１２に示される伝導帯ダイアグラム並びに図１３および１４に示されるスピン状態ダイアグラムを参照して直流磁界Ｂｄｃを装置１に適用する効果を説明する。
【００４３】
０より大きい直流磁界（Ｂｄｃ＞０）を図９〜１２に示される方向へ適用することは、当該技術分野で周知のように、エネルギ・レベルのスピン減衰（ｓｐｉｎ ｄｅｇｅｎｅｒａｃｙ）並びにスピン・アップ状態とスピン・ダウン状態（ｓｐｉｎ ｓｔａｔｅ ｄｏｗｎ）のレベル間におけるゼーマン分流を上昇させ、そこにおけるゼーマン分流ΔＺは次式により与えられる：
ΔＺ ＝ μＢ｜ｇＢ｜                        （３）
ここにおいて、ｇは材料のｇファクタであり、μＢはボーア磁子であり、Ｂは適用された直流磁界である。
【００４４】
上述したように、スピン・フィルタ装置１は、適用される直流磁界によって生まれるゼーマン分流が十分に大きく、量子ドット２ａにおけるゼーマン分流がΔμよりも大きくかつＫＴよりも大きいように形成される。フェルミ・リード３および４におけるゼーマン分流はフェルミ・エネルギよりも相当に小さく、それにより無視できるように装われる。
【００４５】
図９は、スピン・フィルタ装置１に適用される電圧が、グランド状態（便宜的に図８〜１２において任意にゼロに設定されている）にある最上方電子２０がスピン・アップ状態を有する奇数、Ｎ、の電子を量子ドット２に含ませる場合を示す。図８および９を比較することから明らかなように、磁界Ｂｄｃが適用されたとき、グランドＥＳにゼーマン分流ΔＺが発生し、かくして３重項（ｔｒｉｐｌｅｔ）エネルギ状態だけがスピン退歩（ｄｅｇｅｎｅｒａｃｙ）を立ち上げる。
【００４６】
図８〜１２において、磁界Ｂｄｃの方向は、スピン・アップ状態の電子２０がスピン・ダウン状態の電子よりも低いエネルギを有するようにある。もちろん、１重項（ｓｉｎｇｌｅｔ）エネルギ・レベルと３重項エネルギ・レベルの両者がスプリットであることは認識されよう。しかしながら、便利性のために、より低いレベルＥＴ＋の３重項状態だけが図９〜１２に示されている。
【００４７】
電流が装置１を通って流れるように、電子はフェルミ・リード３から量子ドット２ａにトンネルしなければならず、そして電子は量子ドット２ａを出てフェルミ・リード４にトンネルしなければならない。量子ドット２はクーロン封鎖レジームであるので、ドットの電荷は電子電荷のユニットに量子化される。また、トンネル結合は弱いので、フェルミ・リード３および４と量子ドット２ａの間のトンネリングは、標準的なマスター方程式を固定的な限界における電流を計算するように用いることができる摂動として述べることができる。
【００４８】
トンネリング率の数値を求めることは、伝送の２つのレジーム、すなわち、連続的なトンネリング・レジームが自然に区別でき、そこにおいて、量子ドット２ａの電子Ｎの数はＮとＮ±１の間で変動しそしてエネルギ不滅の原理（ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ）のままに動く第１オーダーの遷移と、より高いオーダーの共トンネリング（ｃｏｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ）・レジームであり、それによりより一層小さな貢献を電流に提供し、そこにおいて電子は量子ドット２ａの実際上の（ｖｉｒｔｕａｌ）状態を介して一方のフェルミ・リード３から他方のフェルミ・リード４へ直接効果的にトンネルし、許容される処理は量子ドット２ａの最初および最後の電子の数が同じ、すなわちＮである第２オーダー遷移だけである。
【００４９】
装置にとって連続的なトンネリング・レジームであるために、次式で表すように、ゲートＧに適用される電圧は入力フェルミ・リード３の化学的ポテンシャルμ１が量子ドット２ａの次の非占有的レベルのエネルギと同等またはそれよりも大きくなる一方、出力フェルミ・リード４の化学的ポテンシャルμ２はそのレベルのエネルギよりも小さいまたは同等であるように調節される。
μ１ ≧ ＥＳ ≧ μ２                         （４）
【００５０】
ＥＳ＞μ１およびＥＳ＞μ２であるとき、装置は２つの可能な実際上の状態、３重項および１重項の状態が占有できる共トンネリング・レジームにある。Ｎが偶数であるとグランド状態はＥＳ＜μ１およびＥＳ＜μ２である最頂部の１重項状態を含む。
【００５１】
図９〜１１は、量子ドット２ａを通るトンネリングを示すための伝導帯ダイアグラムを示し、そこにおいて量子ドットおよび適用される磁界は量子ドットのグランド状態が一つのスピン・アップ状態の電子２０を含みそしてゲート電圧は装置１を連続的なトンネリング・レジームになるように調節される。
【００５２】
本装置は次のように形成されて作動される：
ＥＴ＋ − ＥＳ，ΔＺ ＞ Δμ，ＫＢＴ
ただし、Δμ ＝｜μ１−μ２｜            （５）
ここにおいて、「，」はまた、不等式の各側の両要素が不等式を満足すること、
すなわち：
ＥＴ＋−ＥＳ＞Δμ、ＥＴ＋−ＥＳ＞ＫＢＴ、ΔＺ＞Δμ  および  ΔＺ＞ＫＢＴ
を意味しており、かくして、エネルギ不滅の原理によりグランド状態伝送だけが許容される。それ故、図７のａに示された環境状態において、量子ドット２ａのグランド状態がすでにスピン・アップ状態の電子２０を含んでいるので、入力フェルミ・リード３のスピン・アップ状態の電子２１はグランド状態にトンネルすることができず、従って電子にとって励起された３重項状態にトンネルすることができるだけである。このことは、しかしながら、エネルギ不滅の原理により禁じられている。
【００５３】
これに対し、スピン・ダウン状態および追加のクーロン電荷エネルギｅ２／ｃと等しいエネルギを有する電子２０ａはドット２ａにトンネルでき、かくしてフェルミの黄金律（Ｆｅｒｍｉ’ｓ Ｇｏｌｄｅｎ ｒｕｌｅ）に従う。図１０に示されるように、このドットにおける電子２２のトンネリングは２つの電子２２および２０のエネルギ・レベルがエネルギ・レベルＥＳに上昇されるのを確実にする。
【００５４】
かくして、ドットの最上方の電子がスピン・アップ状態にある場合、スピン・ダウン状態の電子だけが連続的なトンネリング・レジームでドット２ａにトンネルできる。それ故、クーロン封鎖レジームにおいて量子ドット２ａは、量子ドットの最上方電子がスピン・アップ状態の電子であるとき、スピン・アップ状態の電子２１をフェルミ・リード３から阻止する。この過程は、ここで述べる効果と比較して、非スピン成極電流のために生じそして磁界の増加と共に消滅するので、フィジックス・レビュー・レター（Ｐｈｙｓｉｃｓ ｒｅｖｉｅｗ ｌｅｔｔｅｒｓ）、第７４巻、１９９５年、の第９８４頁に、ウィードマン（Ｗｉｅｄｍａｎｎ）他によって記述されているような、前もって導入されるスピン封鎖効果とは根本的に異なっている。
【００５５】
一旦、スピン・ダウン状態の電子２２が、図１０に示すように、量子ドット２ａにトンネルすると、図１１に示されるように、スピン・ダウン状態の電子２２は、スピン・ダウン電子２０ａがその前のエネルギ・レベルに戻ってより低い化学的ポテンシャルμ２の出力フェルミ・リード４に量子ドット２ａからトンネルできそしてスピン・アップ電子２０はその前のエネルギ・レベルに戻る。ゼーマン分流がΔＺ＞Δμ，ＫＢＴであるので、量子ドット２ａから出力フェルミ・リード４へのスピン・アップ電子２０のトンネリングは、さもなければ励起されたスピンが量子ドット２ａに残されてエネルギ会話（ｃｏｎｖｅｒｓａｔｉｏｎ）を妨害するので禁止される。
【００５６】
図１３は、連続的なトンネリング過程を示すためのスピン状態のダイアグラムを示す。過程１では、量子ドット２ａはその最上方グランド状態にスピン・アップ状態の電子２０を含む一方、スピン・ダウン状態の電子２２は入力フェルミ・リード３に含まれる。過程２では、スピン・ダウン状態の電子２２は量子ドットにトンネルされる。過程３および４は量子ドットを出た電子のトンネリングに影響される系列を示す。かくして過程３はスピン・アップ状態の電子２０およびスピン・ダウン状態の電子２２により占有される量子ドット２ａのエネルギ・レベルＥＳを示す一方、過程４はドット２ａから出力フェルミ・リード４にトンネルされたスピン・ダウン状態の電子２２と、図１１に示されるように、依然として量子ドット２ａにあるが、最上方グランド状態に戻されたスピン・アップ状態の電子２０とを示す。
【００５７】
認識されるように、磁界Ｂｄｃの極性を反転することは、図９〜１１に示された電子２０がスピン・ダウン状態にありそしてそれ故、図９に示されるスピン・アップ状態の電子２１は量子ドット２ａを通ってトンネルするがスピン・ダウン状態の電子２２は許容されない。装置１は、かくして、量子ドットの最上方電子２０のスピン成極作用によって決定される、量子ドット２ａを通ってトンネルできる電子の極性を有するスピン・フィルタを提供する。
【００５８】
上述したように、フェルミ・リード３および４のゼーマン分流は、両スピン成極作用（アップおよびダウン）が量子ドット２ａを通って伝送するのに等しく可能であるためにリードのフェルミ・エネルギに比較して非常に小さい。このことは、前述した「中間視的電子伝送」に述べられているように、典型的な量子ドット実験にとって標準的な状況であり、リードのフェルミ・エネルギは典型的に数百度ケルビンである一方、ゼーマン分流は最大で数ケルビン（最大で数テスラの直流磁界のために）のオーダーである。
【００５９】
図１２は、量子ドット２ａの最上方グランド状態における電子２０がスピン・アップ状態を有するときのフェルミ入力リード３のスピン・アップ電子のための禁止トンネリング過程を示す、伝導帯エネルギ・ダイアグラムを示す。かくして、スピン・アップ状態の電子２１の１重項レベルＥＳへのトンネリングは、電子２０がまたスピン・アップ状態を有するのでスピン不滅の原理（ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ）によって禁止される一方、スピン・アップ状態の電子２１の３重項レベルＥＴ＋へのトンネリングはエネルギ不滅の原理により禁止される。
【００６０】
ゲート電圧によって調整される前述または後述する連続的なトンネル共振は、ＥＳが入力および出力フェルミ・リード３および４の化学的ポテンシャルよりも大きいかまたは入力および出力フェルミ・リード３および４の化学的ポテンシャルよりも小さいときであり、装置１は、前述したように、量子ドットの実際上の状態を介して一方のリードから他方にだけトンネリングが発生できる共トンネリング・レジーム状態にある。
【００６１】
図１４は、図１３と同様なスピン状態のダイアグラムを示し、そこにおいて、「初期」、「実際上」および「最終」と表示された欄は、４つの異なった可能性のある共トンネリング過程を示す列ａ、ｂ、ｃおよびｄを有して共トンネリング過程の前、間および後の状況を示す。連続的なトンネル共振の接近して主要な共トンネリング過程は、実際上の状態のエネルギ損失｜μ−ＥＳ｜が最小である列ａおよびｃに示されるものである。共トンネリング過程ａにおいて、量子ドット２ａは単一のスピン・アップ状態の電子２０をその最上方グランド状態に含み、次いで量子ドットを通るスピン・ダウン状態の電子２２のトンネリングは１重項の励起状態２３を介する。列ｃに示される共トンネリング過程において、Ｎは偶数であり、量子ドットの最上方グランド状態はスピン・ダウンの電子２０ａおよびスピン・アップの電子２０ｂを含み、そして量子ドット２ａを通るスピン・ダウン状態の電子２２のトンネリングは実際上のスピン・アップ状態の電子２４を介して発生する。これらの両共トンネリング過程において、スピン・ダウン状態の電子だけのトンネリングは図９〜１１に示される連続的なトンネリング・レジームにおけるときに許容される。従って、これら２つの共トンネリング過程はスピン・フィルタされたスピン・ダウンの電流に加わる。
【００６２】
列ｂおよびｄに示される追加の共トンネリング過程は、スピン・アップの電子のトンネリングを引き起こして不要なスピン・アップの電子の漏れを導く。かくして、Ｎが奇数（共振より低い）であるようにゲート電圧を調整した場合、列ｂに示されるように、量子ドット２ａは図９〜１１に示される磁界Ｂｄｃの成極作用のためにその最上方のグランド状態のスピン・アップ状態の電子２０と共に最初にそのグランド状態にありそして入力フェルミ・リード３のスピン・アップ状態の電子２２はエネルギ不足分ＥＴ＋−μ（ここにおいてμ＝（μ１＋μ２）／２である）を有する実際上の３重項スケート（ｓｋａｔｅ）｜Ｔ＋＞２５を介して量子ドット２ａを通ってトンネルする。上述のＮが偶数でありそして量子２ａのグランド状態が列ｄに示される１重項２０ａ、２０ｂであるときの共振上では、スピン・アップ状態の電子２２はエネルギ不足分ΔＺ＋μ−ＥＳ（これをμ−ＥＳである主過程のエネルギ不足分と比較する）を有する実際上のスピン・ダウン状態２６を介して量子ドット２ａを通りトンネルできる。
【００６３】
両者の場合、それは共振より高いおよび低く、その効率（不必要なスピン・アップ電流に対する必要なスピン・ダウン電流の比率である）はゲート電圧および／または化学的ポテンシャルμ１およびμ２を共振に戻すように調整することにより非常に大きくすることができ、それにより本装置は最後には連続的なトンネリング・レジームに戻る。スピン・フィルタすることは非常に効果的にΔ＞Δμ，ＫＢＴを提供する。弾力性のない過程並びに量子ドット２ａがグランド状態にない過程はゼーマン・エネルギによって抑制されることは認識されよう。
【００６４】
フィルタされた電流のスピン成極作用は量子ドット２ａの電子の数Ｎを奇数から偶数に変えるようにゲート電圧および／または化学的ポテンシャルを調整することにより反転でき、そこにおいて図９〜１２に示される磁界成極作用のために、Ｎが奇数であるフィルタされた電流はスピン・ダウン状態の電流でありそしてＮが偶数であるフィルタされた電流はスピン・アップ状態の電流である。
【００６５】
磁界Ｂｄｃの極性を反転することは、Ｎが奇数であるときに最上方グランド状態電子がスピン・ダウン状態でありそしてフィルタされた電流がスピン・アップ状態であるである一方、Ｎが偶数であるとフィルタされた電流がスピン・ダウン状態であるので、ゼーマン分流を反転可能にさせる。スピン・フィルタ装置はかくして量子ドットの一定のスピン状態と独特に協働されるスピン依存型クーロン封鎖ピークを提供する。
【００６６】
本発明は量子ドット２ａのスピン状態を簡単に検出するように使用され得る。しかしながら、１９９９年１２月１６日発行のネイチャー、第４０２巻、第７８７〜７８９頁のフィーダーリング（Ｆｉｅｄｅｒｌｉｎｇ）他によるネイチャーへの論文および１９９９年１２月１６日発行のネイチャー、第４０２巻、第７９０〜７９２頁のオーノ（Ｏｈｎｏ）他によるネイチャーへの論文に説明されているように、スピン成極電流は、射出されるスピン成極電流のスピン成極作用（アップまたはダウン）に応じて成極作用の方向（右または左）を有する円方向に成極された光子を放射するピン・ダイオードに射出できる。かくして本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置は、スピン・フィルタ装置により伝送された電流のスピン成極作用を制御することによりその成極作用を制御できる光子源を提供するように光電子エミッタ（例えば図５または６を参照して説明されたような）と結合し得る。
【００６７】
図３を参照して説明したように、光電子エミッタ４０は、左または右回りに成極された光子を別々に検出するように構成された出力装置ＯＰの一部を形成し得る。
【００６８】
出力装置が図３に示される構成を有する図２に示される配列の作動は、スピン・フィルタ装置１およびピン・ダイオード４０または４０ａ（図５または６参照）との組合せを非常に図式的に示す図１５および１６に示される非常に模式的なダイアグラムを参照して説明される。
【００６９】
図１５に示される配列において、スピン・フィルタ装置１は量子ドット２ａが奇数の電子を有する連続的なトンネリング・レジームに調節されるように作動されそして直流磁界Ｂｄｃは量子ドットの最上方電子２０がスピン・アップ状態を有するように配列される。この構成を有して、図９〜１２を参照して前述したようにそして図１７のａに示される伝導帯ダイアグラムに示されるように、スピン・フィルタ１はフェルミ・リード３から量子ドット２ａを介して出力フェルミ・リード４へのスピン・ダウン状態の電子２２の連続的なトンネリングを許容する。かくしてスピン・フィルタ装置１はスピン・ダウン状態の電流をピン・ダイオード４０、４０ａに射出し、図示のように、右回りに成極された光子γ＋を放射する。図１５は２つの光電子検出器ＰＤ−およびＰＤ＋を示す。光電子検出器ＰＤ−およびＰＤ＋は図３を参照して説明したように、それぞれの成極フィルタＰＦ１およびＰＦ２と組み合わされ、それにより光電子検出器ＰＤ＋は右回りに成極された光子だけを受容できる一方、光電子検出器ＰＤ−は左回りに成極された光子だけを受容できる。図１５に示される配列において、ピン・ダイオード４０、４０ａによって放射された光子はかくして光電子検出器ＰＤ＋によって検出されるが光電子検出器ＰＤ−では検出されない。
【００７０】
図１６は、これに対し、スピン・フィルタ装置１はまた量子ドットが偶数Ｎの電子を有するが最上方グランド状態の電子がスピン・ダウン状態の電子２０´であるので磁界Ｂｄｃが反転されるために連続的なトンネリング・レジームで作動される配列を示している。この場合、図１７のｂに示される伝導帯エネルギ・ダイアグラムに示されるように、連続的なトンネル電流はスピン・アップ状態によるものでありそしてピン・ダイオード４０、４０ａは光電子検出器ＰＤ−によってだけ検出できる左回りに成極された光子γ−を放射する。
【００７１】
図４を参照して前述したように、光電子検出器はピン・ダイオード４０、４０ａがγ＋またはγ−光子のどちらを放射するのかに応じて出力を供給するか出力を供給しないかであるので、単一の光電子検出器がγ＋またはγ−光子のいずれかだけを検出できることを提供し得ることは認識されよう。いずれの場合においても、光電子検出器ＰＤ−およびＰＤ＋或いは単一の光電子検出器は、光子の成極作用に応じて、メモリ装置としての配列に用いることができる「０」または「１」のいずれかを表すように用いることができる。
【００７２】
当業者にとって認識されるように、スピン・フィルタ装置１と光電子エミッタ４０、４０ａとからなり、例えば、図５または６に示される構造を有する光電子放出装置の数は同一の基板上に一体化されそしてＮを奇数または偶数に選定することにより或いは磁界を局部的に反転することにより個々のスピン・フィルタ装置によって発生される電流の成極作用を制御できる二次元メモリを提供するように結合される。
【００７３】
本発明の実施例によるメモリ３０の例を図１８および１９を参照して説明する。図１８は、スピン・フィルタ装置１の二次元アレイＭＡ（図１９参照）が形成される半導体本体１０の部分の断面を示し、図１９は、個々のスピン・フィルタ装置のアドレス指定（ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ）を示すためのメモリ３０のブロック・ダイアグラムを示す。
【００７４】
図１８は単一のスピン・フィルタ装置１を担持する半導体本体の部分の断面を示す。もちろん、半導体本体が列およびコラムにおいて図１８に示されるｘおよびｙの方向へ延びそして図１９に図式的に示されるように列およびコラム伝導体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＣ１〜Ｃ３によって結合されるこのような装置の二次元アレイを担持することは認識されよう。図１９はスピン・フィルタ装置の３×３のアレイＭＡを示しているが、一般的にメモリはさらに多くのこのような装置で構成される。
【００７５】
図１８から明らかなように、スピン・フィルタ装置１は図６に示されたものと同様な構造を有している。しかしながら、スピン・フィルタ装置１と基板１１の間には、図１８のｙ方向へ伸びる平行に離間した第１伝導体２００と、絶縁層２０１によって第１伝導体から分離された、図１８のｘ方向へ延びる（用紙の面にある）平行に離間した第２伝導体２０２とから構成された電流グリッド配列が挟まれており、それにより第１および第２伝導体２００および２０２は相互に垂直である。
【００７６】
第２伝導体２０２は絶縁層２０３によってスピン・フィルタ装置１から分離される。絶縁層は、当該技術において知られているように、二酸化シリコンまたは本質的なガリウム・ヒ化物から形成される。
【００７７】
相互に垂直な第１および第２伝導体２００および２０２は、各スピン・フィルタ装置が一対の第１および第２伝導体２００および２０２間の交差点ＣＰ上に位置されるように配列される。
【００７８】
図１９に示されるように、スピン・フィルタ装置１の列のフェルミ入力リード３の接点Ｌ１は、列伝導体に順々にアドレス指定できるように入力１０１を有する入力シフト・レジスタ１００にそれぞれの列伝導体Ｒ１〜Ｒ３を介して結合される。コラムにおけるフェルミ出力リード４の各々の接点Ｌ２は対応するコラム伝導体Ｃ１〜Ｃ３並びに対応する光電子エミッタＰＥ１、ＰＥ２またはＰＥ３に結合される。書く光電子エミッタは、この例の場合、前述したようなメモリ・アレイとして同一基板に一体化された図５または６に示されるようなピン・ダイオード４０または４０ａで構成される。光電子エミッタＰＥ１、ＰＥ２およびＰＥ３の各々は、左および右回りに成極された光子の一方だけを検出するように配列された対応する光電子検出器ＰＤ１、ＰＤ２およびＰＤ３と協働される。光電子検出器ＰＤ１、ＰＤ３の出力は出力１０３を有する出力シフト・レジスタ１０２に結合される。
【００７９】
この例において、ゲートＧのすべては同じ電圧でドライブされそして当該技術において知られているように共通電極ＣＥを介してゲート・ドライブ回路（ＧＤ）１０４に結合される。第１電流伝導体２０１の各々が第１ドライブ回路２０４に結合される一方、第２電流伝導体２０２の各々が第２ドライブ回路２０５に結合される。
【００８０】
図１９に示されるように、第１および第２電流伝導体２０１および２０２のピッチは列およびコラム伝導体のピッチよりも小さく、それにより各装置１は一対の第１および第２伝導体２０１および２０２と一意性（ｕｎｉｑｕｅｌｙ）で協働される。かくして、例えば、スピン・フィルタ装置１２２（ここにおいて「２２」はそのスピン・フィルタ装置が第２列の第２コラムにあることを示す。）は５番目の第１伝導体２０１５と５番目の第２伝導体２０２５に結合される。
【００８１】
図１８および１９に示される実施例において、電流グリッド第１および第２ドライブ回路２０４および２０５は、図１１のゲート・ドライブ回路１０４と同様な手段で、特定のスピン・フィルタ装置のために適用される磁界を局部的に調整するように用いられる。このことは、選定された装置と一意性で協働される第１および第２伝導体２０１および２０２（例えば、装置１２２のための第１伝導体２０１５および第２伝導体２０２５）に、個々では不十分であるが、所要の極性のスピン・フィルタ装置１２２にゼーマン分流を発生するのは十分な磁界を設ける電流を供給することにより達成される。
【００８２】
第１および第２ドライブ回路２０４および２０５により第１および第２伝導体２０１および２０２に供給される電流は各スピン・フィルタ装置１の局部的な直流磁界の極性が一方の方向かまたは他方であるようになっておりそしてメモリ・アレイは、局部的磁界によってスピン・フィルタ装置がスピン・アップまたはスピン・ダウンのいずれかの電流を通過するように、量子ドット２ａが連続的なトンネリング・レジームにあるように作動される。
【００８３】
アレイ全体および電流グリッドに一定の直流磁界を発生するために別個の直流磁界発生器が設けられ得、第１および第２ドライブ回路２０４および２０５はそのとき所要のゼーマン分流を供給するために直流磁界を局部的に変化するように用いられ得る。
【００８４】
コラムにおけるスピン・フィルタ装置１は、周知の手段で２つの伝導体を連続してアドレス指定することにより連続的に受け入れられ、それによりスピン・フィルタ装置１はそのたびごとにアドレス指定され、対応するコラムに結合された光電子エミッタ、例えば、スピン・フィルタ装置１２，２のための光電子エミッタＰＥ２は、対応する量子ドットの最上方の奇数の電子のスピン状態に応じた円方向に成極された光子を放射する。
【００８５】
図１９の光電子検出器ＰＤ１、ＰＤ２およびＰＤ３は一方の円方向の成極作用の光子だけを検出するように構成される。従って、スピン・フィルタ装置が読み取られる光電子検出器、例えば、装置Ｉ２，２である光電子検出器ＰＤ２は、スピン・フィルタ装置１、２により伝達される電流のスピン成極作用に応じて光電子エミッタＰＥ２により放射される光子の成極作用に応じて信号を出力するかまたはしないかのいずれかである。
【００８６】
メモリ・アドレス指定技術において知られているように、個々のスピン・フィルタ装置は順にアドレス指定されそして各々は対応する量子ドットによって供給される電流のスピン成極作用に応じて「０」か「１」のいずれかを表す信号を提供する。
【００８７】
図２０は、図１８に示された装置の変形の図１８と同様な断面を示している。図２０に非常に図式的に示されているように、マンガンのような磁性不純物５０の形態の追加の磁性エレメントが量子ドット領域２に組み込まれている。その他の可能性として、追加の磁性エレメントは硬質磁性層または磁性ナノ粒子（ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ）或いは磁性ＳＴＭ（スキャニング・トンネリング・マイクロスコープ、ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）チップであり得る。追加の磁性エレメントからの磁界は量子ドットのゼーマン分流を制御しそして保磁度は、ゼーマン分流エネルギ・レベルを反転する（スピン・ダウン・グランド状態をスピン・アップ・グランド状態に変えるかまたはその逆である）ために下にある電流グリッド２０１、２０２が追加の磁性エレメントの磁化方向を切り替えるよう使用できるようになっており、それ故に完全な不揮発性メモリシステムを可能にする。別の可能性として、追加の磁性エレメントは、標準的な原子磁性共振（ＮＭＲ）技術を用いて切り替えられ得るオーバハウザー磁界（Ｏｖｅｒｈａｕｓｅｒ ｆｉｅｌｄ）を設ける原子スピンの層によって置き換えられ得る。
【００８８】
スピン・フィルタ装置が設計されそして磁界がフェルミ・リード３および４の電子に対する影響が無視できる程度であるように構成されるので、適用される局部的な磁界を量子ドット２ａの領域に制限する必要がないことは認識されよう。しかしながら、局部的な磁界は、もちろん、隣接するスピン・フィルタ装置の量子領域に影響を及ぼさないように制限される。
【００８９】
図１８〜２０を参照して説明した実施例において、各々の独立したスピン・フィルタ装置１は第１および第２ドライブ回路２０４および２０５により一意性でアドレス指定される。しかしながら、複合ドライブ系を使用し得、それにより本発明の実施例のメモリ３１が図２１に示されたレイアウトを有するように用いられ得る。このことは、単一の伝導体２０１がスピン・フィルタ装置の各列Ｒ１〜Ｒ３のために設けられそして単一の第２導電体２０２がスピン・フィルタ装置の各コラムＣ１〜Ｃ３のために設けられそして複合ドライブ配列がスピン・フィルタ装置のアドレス指定および読取りをを行うように用いられ、それにより一方の装置が一時にアドレス指定または読取りだけを行い、隣接する装置間におけるクロス・トーク問題を解決するためにいかなるときでも一つの伝導体２０１だけ並びに一つの伝導体２０２だけが活性である点で図１９に示されているものとは異なっている。明らかとなるように、図１９および２１に示されたような伝導体２０１および２０２の垂直アレイを設ける代わりに、各スピン・フィルタ装置１は、そのスピン・フィルタ装置の同じ磁界を局部的に制御可能な単一の伝導体によって個別にアドレス指定され得る。
【００９０】
上述したスピン・フィルタ装置は、前述した状態に合致するその他の材料を用いて実施され得る。
【００９１】
上述のように、スピン・フィルタ装置は、量子ドットの寸法が非常に低い温度（典型的に、液体ヘリウム温度、すなわち数ケルビン）での作動を要求する約５０ナノ・メートルであるように、作成され得る。しかしながら、作動温度は量子ドット寸法の減少に伴って飛躍的に高くなっており、例えば、１０の因数（ｆａｃｔｏｒ）によるドット寸法の縮小が室温作動を許容する１００の因数により要求される温度を上昇する。当業者にとって好ましくは、カドミウム・セレン（ＣｄＳｅ）ナノ結晶体は６ナノ・メートルのドット直径と３０ミリ電子ボルトのクーロン電荷エネルギで作成される。クーロン封鎖作用はまたＣ６０分子でかつ炭素ナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ； 例えば、前述したソーン他によるテキスト「中間視的電子伝送」参照）に高い温度で見られる。それどころか、量子ドットと大きな分子または同等な原子の間に基本的な物理的な不連続性はなく、かくして本発明はまたそのような量子制限ナノ構造または領域に適用され得る。
【００９２】
寸法抑制が接触を困難にすると、上述の実施例では、スピン・フィルタ装置の状態をアドレス指定および読み取るようにトンネル電子スキャン・マイクロスコープ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ； ＳＴＭ）技術が用いられる。例えば、必要ならば、メモリ・アレイのアドレス指定および読出しは、分子または同等な原子レベルでの同宇佐が可能であるように原子的に鋭敏である走査トンネリング・チップの微視的アレイを用いて達成される。
【００９３】
上述したように、量子ドットのゼーマン分流：
ΔＺ＝｜Ｅ↑−Ｅ↓｜＝μＢ｜ｇＢ｜          （１）
ここにおいて、Ｅ↑およびＥ↓はエネルギのスピン・アップおよび
ダウン状態を表す。
は、分流をスピン・アップおよびダウン状態にできる。ｇファクタ磁界は、バイアス：
Δμ＝｜μ１−μ２｜                        （２）
を適用されそして温度ＫＢＴは、グランド状態の伝送だけが、
ＥＴ＋−ＥＳ，ΔＺ ＞ Δμ，ＫＢＴ              （３）
である場合を許容するようになっていなければならない。
【００９４】
本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の動作において、特定のスピン状態（例えば、スピン・ダウン状態）を有する電子だけが量子ドット２ａを通ってトンネルでき、それ故、出力フェルミ・リード４は主として、充満されたフェルミ・シー（ｆｉｌｌｅｄ Ｆｅｒｍｉ ｓｅａ）によって現れる対抗したスピン状態の電子をより少なく有するそのスピン状態の電子を含む。量子ドットを通ってトンネルする電子は、ディー・オーシャロム（Ｄ． Ａｗｓｃｈａｌｏｍ）によってフィジックス・トゥデイ（Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ）、第５２巻、第３３頁（１９９９年）およびネイチャー、第３９７巻、第１３９頁（１９９９年）に報告されたようなガリウム・ヒ化物のように微視的距離のためのフェルミ・シーの存在が実質的に１００マイクロメートルを越えるにもかかわらず、正極されたスピンに留まる。この距離は上述した適用例にとって十分に長い。
【００９５】
必要条件：
ΔＺ ＞ ＫＢＴ                      （４）
は、以下の理由が要求される場合、緩和される。
かくして、
ΔＺ ＜ ＫＢＴ （＜水平離間）              （５）
である場合、量子ドットの２つの最下方スピン状態（スピン・アップおよびスピン・ダウン）はほぼ等しく存在することになりそしてスピン・アップ（図９〜１２に示される磁界方向についてグランド状態）およびスピン・ダウン（図９〜１２に示される磁界方向について励起状態）の占有確率：
１ ＋ ΔＺ ／ ＫＢＴ                （６）
であり、この結果、これは出力フェルミ・リード４におけるスピン・ダウン電流に対するスピン・アップの比率を表している。かくして、スピン・フィルタ効果は、
ΔＺ ／ ＫＢＴ ＜＜ １              （７）
と非常に小さくなる。
【００９６】
しかしながら、ピン・ダイオードを用いてスピン・アップおよびスピン・ダウン電流間のこの不均衡を検出することは依然として可能でありそしてオーノ他により提案された前述のような光電子検出器は前述のネイチャーへの論文で報告されたようにアップおよびダウン電流間の数パーセントの不均衡を検出可能である。従ってスピン・アッブ／スピン・ダウン電流における不均衡は、量子ドットのゼーマン分流ΔＺよりも５０倍まで大きいＫＢＴを用いて検出可能である。前述されたようなインジウム・ヒ化物のように１５のｇファクタを有する材料を量子ドットのために用いること並びに量子ドット寸法を適切に選定することは、それ故、動作温度を達成されるべき室温に容易に近付けることが可能である。
【００９７】
上述したように、本発明によるスピン・フィルタ装置は、量子ドットのスピン状態を検出し、電流スピン極性スイッチとして、光電子放出装置により放射された光の円方向の成極作用を制御し、そしてメモリ装置を形成するように用いられ得る。本発明によるスピン・フィルタ装置はまた、強磁性源電極に置き換えることによって磁性スピントランジスタのためにスピン成極された電子を供給するように用いられ得る。
【００９８】
本発明によるスピン・フィルタ装置はまた、本出願人の共出願にかかるＰＣＴ出願（参照番号：１８４１０９９）に述べられているような不揮発性スピン・メモリ装置のためのスピン成極電子の源として使用され得、そこにおいて不揮発性スピン・メモリ装置は、クーロン封鎖領域で作動するように配列された三次元量子制限領域または量子ドットによって分けられた第１および第２フェルミ・リードから構成され、それにより電子は量子ドットを通るトンネリングによってだけ入力リードから出力リードへ通過できる。既述のようにする限り、このスピン・メモリ装置は上述のスピン・フィルタ装置と同様である。しかしながら、上述したスピン・フィルタ装置と完全に比較した場合、このスピン・メモリ装置では、フェルミ・リードおよび量子ドットは、スビン・メモリ装置が直流磁界を受けるとき、フェルミ・リートのゼーマン分流が量子ドットにおけるよりも非常に大きく、さらに、フェルミ・リードにスピン成極作用を生じるのに十分であるように形成され、それによりフェルミ・リードを通る伝導は一方のスピン極性の電子だけによるものである。このメモリ装置を通るトンネル電流は、量子ドットの最上方電子のスピン成極作用を制御することにより、例えば、量子ドットのゼーマン分流が交流磁界パルスとの共振を発生するようにあるときに量子ドットにラビ・スピン・フロップ（Ｒａｂｉ ｓｐｉｎ ｆｌｏｐ）を生じるように交流磁界パルスを適用することにより制御され得る。このメモリ装置は前述したのと同様な手段で追加の磁性エレメントを量子ドットに組み込むことにより不揮発性メモリ装置として形成され得、そしてこのメモリ装置の二次元アレイは、感度増幅器によって置き換えられた図１９および２０に示す光電子エミッタおよび光電子検出器を用いて図１９および２１を参照して前述したのと同様な手段で読まれかつアドレス指定されるように設けられる。上述の共出願に述べられているように、入力および出力フェルミ・リードのスピン成極電流は磁性ＩＩ−ＶＩ半導体材料でこれらのリードを形成することによって提供され、この磁性ＩＩ−ＶＩ半導体材料は、例えば、組成ＢｅＸＭｎｙＺｎ１−ｘ−ｙＳｅ、ここにおいて、一例として、ｘ＝０．０７およびｙ＝０．０３であるベリリウム・マンガン亜鉛セレン化合金であり、そして、この場合、量子ドットはガリウム・ヒ化物のようなＩＩＩ−Ｖ非磁性材料で形成される。このスピン・メモリ装置は、しかしながら、メモリ装置に必要なスピン成極電流を提供するように本発明によるスピン・フィルタ装置を用いて入力フェルミ・リードを置き換えることにより変形され得る。
【００９９】
本発明によるスピン・フィルタ装置はまた、ロジック・エレメントが量子ビットまたは量子キュービットで構成される量子計算（ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ）に利用し得る。この場合、スピン・フィルタ装置による単一の電子スピンの検出は、その協働のスピンがスピン・フィルタ装置を介したＳＥＴへのトンネルを許容されるような場合、単一の電子電荷を検出する周知のＳＥＴ装置を介した読出しに要求される。キュービットのための読出し機構は、ロス（Ｌｏｓｓ）およびディビンツェンツォ（ＤｉＶｉｎｃｅｎｚｏ）によってフィジカル・デビューＡ、第１５巻、第１２０頁（１９９８年）に提案されている。
【０１００】
本発明のスピン・フィルタ装置において、量子ドットのスピン状態は明確なスピン成極コンポーネントがろ過されるのを許容する。本装置は単一スピン・レベルで作動しそして上述した材料並びに前述した文献にソーン他によって述べられているような慣用のＭＯＣＶＤまたはＭＢＥ技術を用いて１０〜５０ナノメートル長の規模で作成され得る。
【０１０１】
上述した実施例は縦型（ｖｅｒｔｉｃａｌ）スピン・フィルタ装置およびピン・ダイオードを示しているが、それらは横型（ｌａｔｅｒａｌ）配列で半伝導性または絶縁性基板に製造し得る。例えば、横型スピン・フィルタ装置は、例えば、ソーン他による前述した文献の「量子ドットにおける電子伝送（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔｓ）」の章の図１．３を参照して述べられているような電極を用いて二次元電子ガスを制限することにより提供され得る。
【０１０２】
本発明によるスピン・フィルタ装置は、例えば、従来のハード・ドライブを置き換えるために従来のコンピュータ設備に電子スピンの操作が要求または使用される量子計算および伝達に使用し得る。また、このような装置の非常に高速なスイッチング・アレイは、低および高電力工業機械装置の潜在的に大きな抵抗率を有する非常に高速なスイッチングを可能にする。
【０１０３】
本発明によるメモリ装置およびスイッチはまた、例えば、ハイドロ・スピンおよび光電子装置の製造を可能にする光電子の分野にも適用し得、タギングやトラッキング（ｔａｇｇｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ）の分野にも適用し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置が組み込まれた装置の非常に模式的な機能のダイアグラムを示す。
【図２】図１に示す装置の側面を示す。
【図３】スピン・フィルタ装置のための出力装置の例の機能的なブロックダイアグラムを示す。
【図４】スピン・フィルタ装置のための図３の装置とは異なる別の出力装置の例の機能的なブロックダイアグラムを示す。
【図５】スピン・フィルタと光電子エミッタとからなる光電子放出装置の一例を示すための半導体本体の部分を通る非常に図式的な断面を示す。
【図６】別の光電子放出装置の一例を示すための半導体本体の部分を通る非常に図式的な断面を示す。
【図７】本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の動作を示すための代表的なダイアグラムを示す。
【図８】本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の主要な動作を説明するための伝導帯エネルギ・レベルのダイアグラムを示す。
【図９】本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の主要な動作を説明するための伝導帯エネルギ・レベルのダイアグラムを示す。
【図１０】本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の主要な動作を説明するための伝導帯エネルギ・レベルのダイアグラムを示す。
【図１１】本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の主要な動作を説明するための伝導帯エネルギ・レベルのダイアグラムを示す。
【図１２】本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の主要な動作を説明するための伝導帯エネルギ・レベルのダイアグラムを示す。
【図１３】本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の主要な動作の説明をさらに助けるためのスピン状態のダイアグラムである。
【図１４】本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の主要な動作の説明をさらに助けるためのスピン状態のダイアグラムである。
【図１５】本発明の実施例による光電子放出装置の動作を示すためのダイアグラムである。
【図１６】本発明の実施例による光電子放出装置の動作を示すためのダイアグラムである。
【図１７】適用される磁界反転の本発明の実施例によるスピン・フィルタ装置の効果を示すためにそれぞれの伝導帯エネルギ・レベルのダイアグラムを図のａおよびｂに示す。
【図１８】本発明の実施例によるスピン・フィルタの別の例を示す半導体本体の部分の断面を示す。
【図１９】メモリ装置として図１８に示されたスピン・フィルタを用いる二次元メモリの機能的なダイアグラムを示す。
【図２０】図１８に示された配列の変形例を示すための図１８と同様な断面を示す。
【図２１】本発明の実施例による二次元メモリの別の例の機能的なダイアグラムを示す。
【符号の説明】
１    スピン・フィルタ装置１          ２    量子ドット領域
２ａ    量子ドット                      ３    入力フェルミ・リード
４    出力フェルミ・リード            ５    直流磁界発生器
１０，１０ａ    半導体本体            １１    基板
１２    クロム層                      １３，１５    絶縁材料層
１４    金属層                        １６    絶縁材料
２０，２０ａ，２０ｂ，２１，２２    電子
３０    メモリ
４０，４０´，４０ａ    光電子エミッタ（ピン・ダイオード）
４１，４１ａ，４１ｂ    光電子検出器
４２    制御ユニット
４３，４３´    ｐ伝導型ガリウム・ヒ化物の層
４４，４４´    ｐ伝導型アルミニウム・ガリウム・ヒ化物の層
４５，４５´    ガリウム・ヒ化物の層
４６，４６´    ｎ伝導型アルミニウム・ガリウム・ヒ化物の層
４７，４７´    電極                  ５０    磁性不純物
１００    入力シフト・レジスタ        １０１    入力
１０２    出力シフト・レジスタ        １０３    出力
１０４    ゲート・ドライブ回路        ２００    第１伝導体
２０１，２０３    絶縁層              ２０１    第１電流伝導体
２０２    第２電流伝導体              ２０４    第１ドライブ回路
２０５    第２ドライブ回路              ＣＯ    接触領域
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３    コラム伝導体      ＣＥ    共通電極
Ｇ    ゲート                        ＧＶ    ゲート電圧源
Ｌ１，Ｌ２    接点                    ＭＡ    アレイ
ＯＰ，ＯＰ´    出力装置                Ｐ    光子
ＰＤ−，ＰＤ＋，ＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３    光電子検出器
ＰＥ１，ＰＥ２，ＰＥ３    光電子エミッタ
ＰＦ，ＰＦ１，ＰＦ２    成極フィルタ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３    列伝導体          ＳＬ    超格子
ＴＢ１，ＴＢ２    トンネル・バリア      Ｖ１，Ｖ２    バイアス
ＶＳ    電圧源
【図１】
2004523099.tif 000003
【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】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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