(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基底準位および励起準位を有する第１キャリア閉じ込め領域と、この第１キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第１量子ドット構造；および
前記第１量子ドット構造に隣接し、基底準位および励起準位を有する第２キャリア閉じ込め領域と、この第２キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第２量子ドット構造；を具備し、
前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位の一方に一つのキャリアのみが存在するキャリア閉じ込め領域内のクーロン相関と、前記第１キャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位のいずれか一方にキャリアが存在する場合、前記第２キャリア閉じ込め領域において前記第１キャリア閉じ込め領域と異なる準位にキャリアが存在するキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関とを示し、
前記第１キャリア閉じ込め領域の励起準位および前記第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位にそれぞれキャリアが存在した後、前記第１キャリア閉じ込め領域の励起準位に存在したキャリアが基底準位に落ちると、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関により前記第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位に存在するキャリアが励起準位に押し上げられ、その後前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域の各キャリア間での遷移がなされることを特徴とする相関トンネル素子。
【請求項２】
前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域におけるそれぞれ２つの前記キャリア伝導領域のうち、少なくとも１つの伝導領域の電気化学ポテンシャルを制御する手段を有することを特徴とする請求項１記載の相関トンネル素子。
【請求項３】
前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域間に働く前記クーロン相互作用の大きさを制御する手段を有することを特徴とする請求項１記載の相関トンネル素子。
【請求項４】
基底準位および励起準位を有する第１キャリア閉じ込め領域と、この第１キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第１量子ドット構造；
前記第１量子ドット構造に隣接し、基底準位および励起準位を有する第２キャリア閉じ込め領域と、この第２キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第２量子ドット構造；および
前記第２量子ドット構造に隣接し、基底準位および励起準位を有する第３キャリア閉じ込め領域と、この第３キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第３量子ドット構造；
を具備し、
前記第１、第２、第３のキャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位の一方に一つのキャリアのみが存在するキャリア閉じ込め領域内のクーロン相関と、前記第１キャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位のいずれか一方にキャリアが存在する場合、前記第２キャリア閉じ込め領域において前記第１キャリア閉じ込め領域と異なる準位にキャリアが存在する第１、第２のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関と、前記第２キャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位のいずれか一方にキャリアが存在する場合、前記第３キャリア閉じ込め領域において前記第２キャリア閉じ込め領域と異なる準位にキャリアが存在する第２、第３のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関とを示し、
前記第１キャリア閉じ込め領域の励起準位、前記第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位および前記第３キャリア閉じ込め領域の励起準位にそれぞれキャリアが存在した後、前記第１キャリア閉じ込め領域の励起準位に存在したキャリアが基底準位に落ちると、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関により前記第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位に存在するキャリアが励起準位に押し上げられ、かつ前記第２、第３のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関により前記第３のキャリア閉じ込め領域の励起準位に存在するキャリアが基底準位に落ち、その後前記第１、第２、第３のキャリア閉じ込め領域の各キャリア間での遷移がなされることを特徴とする相関トンネル素子。
【請求項５】
前記第１、第２、第３のキャリア閉じ込め領域におけるそれぞれ２つの前記キャリア伝導領域のうち、少なくとも１つの伝導領域の電気化学ポテンシャルを制御する手段を有することを特徴とする請求項４記載の相関トンネル素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ドット構造を有する相関トンネル素子に関し、特に結合量子ドット構造からなるクーロン相関量子トンネル素子に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
半導体や金属のような導電性物質からなる素子に外部から電圧を印加して素子中にキャリアを流すと、常伝導状態であれば必ず印加したバイアス電圧に相当するエネルギーを素子中で消費する。前記エネルギーは、通常、フォノン散乱によってジュール熱として放出される。例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴのような電界効果トランジスタにおいては、ソース・ドレイン領域間にバイアス電圧Ｖを印加して電荷ｑを持つ荷電キャリアを流すと、キャリアがソース電極からドレイン電極に到達する間にソース・ドレイン領域間に印加されたバイアス電圧Ｖに相当するエネルギーｑＶがフォノン散乱によって電極や基板中で散逸してジュール熱を発生する。低温で動作させるなどフォノン散乱が起こりにくい状況に置かれることを想定しても、トランジスタ固有の消費電力がｑＶであることには変わりない。
【０００３】
近年、ＬＳＩサーキットを構成する基本単位となるトランジスなどの能動素子の微細化が進むにつれて、ＬＳＩサーキットはより高密度で大規模集積化される傾向にある。それに伴って、大規模集積化されたＬＳＩサーキットの消費電力の増大が深刻な問題となりつつあることが指摘されている。今日まで様々な観点から低消費電力化の努力がなされてきたが、トランジスタなどの能動素子固有の消費電力を低減するには、前述したことから推察できるように最終的にはｑＶを小さくしなくてはならない。これは低バイアス駆動を意味しているが、反面低バイアスでは駆動力が落ちるという問題が生じる。それ故に、微細化された従来型の能動素子を用いた大規模ＬＳＩサーキットにおいて適度な駆動力を確保するには、それに見合ったバイアス電圧で動作させる必要がある。したがって、従来型の能動素子の低消費電力化には原理的に避けられない限界が存在する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、大規模集積回路を構成する際に駆動力を犠牲にせずに低消費電力化の達成が可能な互いに結合した複数の量子ドット構造を有する新規な相関トンネル素子を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる相関トンネル素子は、基底準位および励起準位を有する第１キャリア閉じ込め領域と、この第１キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第１量子ドット構造；および
前記第１量子ドット構造に隣接し、基底準位および励起準位を有する第２キャリア閉じ込め領域と、この第２キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第２量子ドット構造；を具備し、
前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位の一方に一つのキャリアのみが存在するキャリア閉じ込め領域内のクーロン相関と、前記第１キャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位のいずれか一方にキャリアが存在する場合、前記第２キャリア閉じ込め領域において前記第１キャリア閉じ込め領域と異なる準位にキャリアが存在するキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関とを示し、
前記第１キャリア閉じ込め領域の励起準位および前記第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位にそれぞれキャリアが存在した後、前記第１キャリア閉じ込め領域の励起準位に存在したキャリアが基底準位に落ちると、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関により前記第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位に存在するキャリアが励起準位に押し上げられ、その後前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域の各キャリア間での遷移がなされることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の別の相関トンネル素子は、基底準位および励起準位を有する第１キャリア閉じ込め領域と、この第１キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第１量子ドット構造；
前記第１量子ドット構造に隣接し、基底準位および励起準位を有する第２キャリア閉じ込め領域と、この第２キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第２量子ドット構造；および
前記第２量子ドット構造に隣接し、基底準位および励起準位を有する第３キャリア閉じ込め領域と、この第３キャリア閉じ込め領域に隣接され、上端が前記キャリア閉じ込め領域の基底準位より大きく、かつ励起準位よりも小さいエネルギー領域になるように広がる禁制帯およびこの禁制帯の上に配列された伝導帯からなるエネルギーバンド構造を有する一方のキャリア伝導領域と、この一方のキャリア伝導領域と反対側の前記キャリア閉じ込め領域に隣接され、前記キャリア閉じ込め領域の基底準位を含み励起準位に較べて小さいエネルギー領域まで広がる伝導帯およびこの伝導帯の上に配列され、前記キャリア閉じ込め領域の励起準位を含んで広がる禁制帯からなるエネルギーバンド構造を有する他方のキャリア伝導領域と、前記キャリア閉じ込め領域と前記２つの伝導領域の間にそれぞれ配置したトンネル障壁とを備えた第３量子ドット構造；
を具備し、
前記第１、第２、第３のキャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位の一方に一つのキャリアのみが存在するキャリア閉じ込め領域内のクーロン相関と、前記第１キャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位のいずれか一方にキャリアが存在する場合、前記第２キャリア閉じ込め領域において前記第１キャリア閉じ込め領域と異なる準位にキャリアが存在する第１、第２のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関と、前記第２キャリア閉じ込め領域の基底準位および励起準位のいずれか一方にキャリアが存在する場合、前記第３キャリア閉じ込め領域において前記第２キャリア閉じ込め領域と異なる準位にキャリアが存在する第２、第３のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関とを示し、
前記第１キャリア閉じ込め領域の励起準位、前記第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位および前記第３キャリア閉じ込め領域の励起準位にそれぞれキャリアが存在した後、前記第１キャリア閉じ込め領域の励起準位に存在したキャリアが基底準位に落ちると、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関により前記第２のキャリア閉じ込め領域の基底準位に存在するキャリアが励起準位に押し上げられ、かつ前記第２、第３のキャリア閉じ込め領域間のクーロン相関により前記第３のキャリア閉じ込め領域の励起準位に存在するキャリアが基底準位に落ち、その後前記第１、第２、第３のキャリア閉じ込め領域の各キャリア間での遷移がなされることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる相関トンネル素子は、少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第１キャリア閉じ込め領域と、前記第１キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第１キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第１量子ドット構造；
少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第２キャリア閉じ込め領域と、前記第２キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第２キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第２量子ドット構造；
を具備し、以下に示す(I) から(III) の特徴を有する。
【０００８】
(I) 前記第１キャリア閉じ込め領域に隣接する前記キャリア伝導領域から前記第１キャリア閉じ込め領域を介してこれに隣接する前記キャリア伝導領域へキャリアが透過する際に、前記キャリアのエネルギーが前記第１キャリア閉じ込め領域中において変化する。
【０００９】
(II)前記第２キャリア閉じ込め領域に隣接する前記キャリア伝導領域から前記第２キャリア閉じ込め領域を介してこれに隣接する前記キャリア伝導領域へキャリアが透過する際に、前記キャリアのエネルギーが前記第２キャリア閉じ込め領域中において変化する。
【００１０】
(III) 前記第１のキャリア閉じ込め領域においてキャリアの占有するエネルギー準位と前記第２のキャリア閉じ込め領域においてキャリアが占有するエネルギー準位との間には相関を有する。
【００１１】
前記第１量子ドット構造を構成する前記キャリア伝導領域は、前記第１キャリア閉じ込め領域に対して２つ隣接して配置されることをことを許容する。この場合、トンネル障壁は前記第１キャリア閉じ込め領域とこれに隣接する２つのキャリア伝導領域の間にそれぞれ配置される。このような第１量子ドット構造において、前記(I) で記載したキャリアの透過は次のようになされる。
【００１２】
キャリアは、前記一方の伝導領域から前記トンネル障壁を通して前記第１キャリア閉じ込め領域にトンネルされ、この閉じ込め領域でエネルギーを変化されられたキャリアは前記トンネル障壁を通して前記他方の伝導領域にトンネルされる。前記第１閉じ込め領域でのキャリアのエネルギー変化は、前記第１キャリア閉じ込め領域と前記一方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位から前記第１キャリア閉じ込め領域と前記他方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位への遷移によりなされる。
【００１３】
前記第２量子ドット構造を構成する前記キャリア伝導領域は、前記第２キャリア閉じ込め領域に対して２つ隣接して配置されることをことを許容する。この場合、トンネル障壁は前記第２キャリア閉じ込め領域とこれに隣接する２つのキャリア伝導領域の間にそれぞれ配置される。このような第２量子ドット構造において、前記(II)で記載したキャリアの透過は次のようになされる。
【００１４】
キャリアは、前記一方の伝導領域から前記トンネル障壁を通して前記第２キャリア閉じ込め領域にトンネルされ、この閉じ込め領域でエネルギーを変化されられたキャリアは前記トンネル障壁を通して前記他方の伝導領域にトンネルされる。前記第２閉じ込め領域でのキャリアのエネルギー変化は、前記第２キャリア閉じ込め領域と前記一方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位から前記第２キャリア閉じ込め領域と前記他方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位への遷移によりなされる。
【００１５】
本発明に係わるトンネル素子は、前記キャリア伝導領域の電気化学ポテンシャルのうち、いずれか一つ以上のキャリア伝導領域の電気化学ポテンシャルを制御する手段を有することを許容する。
【００１６】
前記(III) に記載された相関は、例えば前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域中の荷電キャリア間に働くクーロン相互作用により生じる。このような相関は、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域を互いに隣接して配置することにより実現される。
【００１７】
本発明に係わるトンネル素子は、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域を互いに隣接して配置する形態において、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域中のキャリア間に働く前記クーロン相互作用の大きさを制御する手段を有することを許容する。
【００１８】
以上説明した本発明に係わる相関トンネル素子は、少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第１キャリア閉じ込め領域と、前記第１キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第１キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第１量子ドット構造；少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第２キャリア閉じ込め領域と、前記第２キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第２キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第２量子ドット構造；を具備し、前述した(I) から(III) の特徴を有する。このような相関トンネル素子は、第１、第２の量子ドット構造間の相互作用によって生じる量子状態間振動によって回路間でエネルギーの振り替えが起こるため、従来型の能動素子ではフォノン散乱等によってジュール熱として外界に放出されていたエネルギーを回復することができる。この機構を活用することによって、比較的高いバイアス電圧で動作を考える場合でもエネルギーの散逸を低減でき、駆動力を犠牲にせずに低消費電力化の達成が可能な素子を実現できる。
【００１９】
本発明に係わる別の相関トンネル素子は、少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第１キャリア閉じ込め領域と、前記第１キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第１キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第１量子ドット構造；
少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第２キャリア閉じ込め領域と、前記第２キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第２キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第２量子ドット構造；
少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第３キャリア閉じ込め領域と、前記第３キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第３キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第３量子ドット構造；
を少なくとも具備し、以下に示す(I) から(IV)の特徴を有する。
【００２０】
(I) 前記第１キャリア閉じ込め領域に隣接する前記キャリア伝導領域から前記第１キャリア閉じ込め領域を介してこれに隣接する前記キャリア伝導領域へキャリアが透過する時に、前記キャリアのエネルギーが前記第１キャリア閉じ込め領域中において変化する。
【００２１】
(II)前記第２キャリア閉じ込め領域に隣接する前記キャリア伝導領域から前記第２キャリア閉じ込め領域を介してこれに隣接する前記キャリア伝導領域へキャリアが透過する時に、前記キャリアのエネルギーが前記第２キャリア閉じ込め領域中において変化する。
【００２２】
(III) 前記第３キャリア閉じ込め領域に隣接する前記キャリア伝導領域から前記第３キャリア閉じ込め領域を介してこれに隣接する前記キャリア伝導領域へキャリアが透過する時に、前記キャリアのエネルギーが前記第３キャリア閉じ込め領域中において変化する。
【００２３】
(IV)前記第１のキャリア閉じ込め領域においてキャリアが占有するエネルギー準位と前記第２のキャリア閉じ込め領域においてキャリアが占有するエネルギー準位との間、および前記第２のキャリア閉じ込め領域においてキャリアが占有するエネルギー準位と前記第３のキャリア閉じ込め領域においてキャリアが占有するエネルギー準位との間、にはそれぞれ相関を有する。
【００２４】
前記第１量子ドット構造を構成する前記キャリア伝導領域は、前記第１キャリア閉じ込め領域に対して２つ隣接して配置されることをことを許容する。この場合、トンネル障壁は前記第１キャリア閉じ込め領域とこれに隣接する２つのキャリア伝導領域の間にそれぞれ配置される。このような第１ドット構造において、前記(I) で記載したキャリアの透過は次のようになされる。
【００２５】
キャリアは、前記一方の伝導領域から前記トンネル障壁を通して前記第１キャリア閉じ込め領域にトンネルされ、この閉じ込め領域でエネルギーを変化されられたキャリアは前記トンネル障壁を通して前記他方の伝導領域にトンネルされる。前記第１閉じ込め領域でのキャリアのエネルギー変化は、前記第１キャリア閉じ込め領域と前記一方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位から前記第１キャリア閉じ込め領域と前記他方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位への遷移によりなされる。
【００２６】
前記第２量子ドット構造を構成する前記キャリア伝導領域は、前記第２キャリア閉じ込め領域に対して２つ隣接して配置されることをことを許容する。この場合、トンネル障壁は前記第２キャリア閉じ込め領域とこれに隣接する２つのキャリア伝導領域の間にそれぞれ配置される。このような第２ドット構造において、前記(II)で記載したキャリアの透過は次のようになされる。
【００２７】
キャリアは、前記一方の伝導領域から前記トンネル障壁を通して前記第２キャリア閉じ込め領域にトンネルされ、この閉じ込め領域でエネルギーを変化されられたキャリアは前記トンネル障壁を通して前記他方の伝導領域にトンネルされる。前記第２閉じ込め領域でのキャリアのエネルギー変化は、前記第２キャリア閉じ込め領域と前記一方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位から前記第２キャリア閉じ込め領域と前記他方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位への遷移によりなされる。
【００２８】
前記第３量子ドット構造を構成する前記キャリア伝導領域は、前記第３キャリア閉じ込め領域に対して２つ隣接して配置されることをことを許容する。この場合、トンネル障壁は前記第３キャリア閉じ込め領域とこれに隣接する２つのキャリア伝導領域の間にそれぞれ配置される。このような第３ドット構造において、前記(III) で記載したキャリアの透過は次のようになされる。
【００２９】
キャリアは、前記一方の伝導領域から前記トンネル障壁を通して前記第３キャリア閉じ込め領域にトンネルされ、この閉じ込め領域でエネルギーを変化されられたキャリアは前記トンネル障壁を通して前記他方の伝導領域にトンネルされる。前記第３閉じ込め領域でのキャリアのエネルギー変化は、前記第３キャリア閉じ込め領域と前記一方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位から前記第３キャリア閉じ込め領域と前記他方の伝導領域との間でのキャリアのやり取りに主に寄与する前記閉じ込め領域にできるエネルギー準位への遷移によりなされる。
【００３０】
本発明に係わるトンネル素子は、前記伝導領域の電気化学ポテンシャルのうち、いずれか一つ以上の伝導領域の電気化学ポテンシャルを制御する手段を有することを許容する。
【００３１】
前記(IV)に記載された第１、第２のキャリア閉じ込め領域におけるエネルギー準位の相関は、例えば前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域中の荷電キャリア間に働くクーロン相互作用により生じる。このような相関は、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域を互いに隣接して配置することにより実現される。前記(IV)に記載された第２、第３のキャリア閉じ込め領域におけるエネルギー準位の相関は、例えば前記第２、第３のキャリア閉じ込め領域中の荷電キャリア間に働くクーロン相互作用により生じる。このような相関は、前記第２、第３のキャリア閉じ込め領域を互いに隣接して配置することにより実現される。
【００３２】
本発明に係わる別の相関トンネル素子は、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域を互いに隣接して配置し、前記第２、第３のキャリア閉じ込め領域を互いに隣接して配置する形態において、前記第１、第２のキャリア閉じ込め領域中のキャリア間に働く前記クーロン相互作用の大きさおよび前記第２、第３のキャリア閉じ込め領域中のキャリア間に働く前記クーロン相互作用の大きさをそれぞれ制御する手段を有することを許容する。
【００３３】
以上説明した本発明に係わる別の相関トンネル素子は、少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第１キャリア閉じ込め領域と、前記第１キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第１キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第１量子ドット構造；少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第２キャリア閉じ込め領域と、前記第２キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第２キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第２量子ドット構造；少なくとも二つの離散的エネルギー準位を有する第３キャリア閉じ込め領域と、前記第３キャリア閉じ込め領域に隣接したキャリア伝導領域と、前記第３キャリア閉じ込め領域と前記伝導領域の間に配置したトンネル障壁とを有する第３量子ドット構造；を少なくとも具備し、前述した(I) から(IV)の特徴を有する。このような相関トンネル素子は、相互作用すす量子ドット構造において生じる量子状態間振動によって回路間でエネルギーの振り替えが起こるため、従来型の能動素子ではフォノン散乱等によってジュール熱として外界に放出されていたエネルギーを回復することができる。この機構を活用することによって、比較的高いバイアス電圧で動作を考える場合でもエネルギーの散逸を低減でき、駆動力を犠牲にせずに低消費電力化が達成された素子を実現できる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例１では、本発明の背景にある「クーロン相互作用による荷電キャリアの空間的相関」という物理的特性を利用し、かつ話を分かり易くするために荷電キャリアが電子である場合を例に取って相関トンネル素子の基本的な動作を説明する。
【００３５】
図１は、本実施例１の相関トンネル素子の模式図である。第１量子ドット構造１０は、第１閉じ込め領域（量子ドット）１１と、この第１量子ドット１１に隣接された第１、第２の伝導領域１４、１５と、前記第１量子ドット１１と第１、第２の伝導領域１４、１５との間にそれぞれ配置された第１、第２のエネルギー障壁１２、１３とから構成されている。第２量子ドット構造２０は、第２閉じ込め領域（量子ドット）２１と、この第２量子ドット２１に隣接された第３、第４の伝導領域２４、２５と、前記第２量子ドット２１と第３、第４の伝導領域２４、２５との間にそれぞれ配置された第３、第４のエネルギー障壁２２、２３とから構成されている。一般的に、離散化されたエネルギー準位構造を有する量子ドットにおいて、そのエネルギー準位間隔は量子ドットのサイズを表す特徴的長さの自乗に反比例する。即ち、量子ドットのサイズを小さくすればエネルギー準位間隔はその特徴的長さの自乗に反比例して増大する。それ故に、量子ドットのサイズを十分小さくすれば、基底準位と第一励起準位からなる二準位系と見倣せる状況が作れる。以下では、次の条件（１）、（２）が満たされる場合を考える。（１）前記各量子ドットのサイズは十分に小さく、図２に示すように各量子ドット内にエネルギーの基底準位とエネルギーの第一励起準位の二つの準位が形成されるものとする。（２）図２のエネルギーバンド構造で示されるように前記第１、第２の量子ドット１１、２１が井戸型閉じ込めポテンシャルで近似できるものとする。
【００３６】
図２に示すように第１量子ドット１１はエネルギー準位Ｅ1l（基底準位）とＥ1u（第一励起準位) からなる量子状態を有し、第２量子ドット２１はエネルギー準位Ｅ2l（基底準位）とＥ2u（第一励起準位) からなる量子状態を有するものとする。ただし、Ｅ1l＜Ｅ1u、Ｅ2l＜Ｅ2uの関係を満たしている。この時、前記第１量子ドット１１に隣接された第１、第２の伝導領域１４、１５はそれらのエネルギーバンド構造が図２で示される構造になるよう作られている。前記第２量子ドット２１に隣接された第３、第４の伝導領域２４、２５はそれらのエネルギーバンド構造が図２で示される組合せになるように作られている。
【００３７】
すなわち、前記第１量子ドット構造１０においては一方の伝導領域（第１伝導領域１４）のエネルギーバンド構造は禁制帯１４ｆの上に伝導帯１４ｃがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、禁制帯１４ｆはその上端が前記第１量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lより大きく、かつ励起エネルギー準位Ｅ1uよりも小さいエネルギー領域になるように広がっている。つまり、前記禁制帯１４ｆがその上方にある伝導帯１４ｃと前記第１量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lとの間で直接に電子のトンネルが起こらない程度のエネルギー幅をもって広がっているようにする。他方の伝導領域（第２伝導領域１５）のエネルギーバンド構造は、伝導体１５ｃの上に禁制帯１５ｆがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、伝導帯１５ｃは前記第１量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lを含み励起準位Ｅ1uに較べて小さいエネルギー領域まで広り、その上方に、禁制帯１５ｆが前記量子ドット１１の励起準位Ｅ1uと前記伝導帯１５ｃとの間で直接に電子のトンネルが起こらない程度に前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uを含んで広がっているようにする。
【００３８】
また、前記第２量子ドット構造２０も前記第１量子ドット構造１０と同様に、一方の伝導領域（第３伝導領域２４）のエネルギーバンド構造は、禁制帯２４ｆの上に伝導帯２４ｃがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、禁制帯２４ｆはその上端が前記量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lより大きく、かつ励起エネルギー準位Ｅ2uよりも小さいエネルギー領域になるように広がっている。つまり、前記禁制帯２４ｆがその上方にある伝導帯２４ｃと前記第２量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lとの間で直接に電子のトンネルが起こらない程度のエネルギー幅をもって広がっているようにする。他方の伝導領域（第４伝導領域２５）のエネルギーバンド構造は、伝導帯２５ｃの上に禁制帯２５ｆがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、伝導帯２５ｃが前記量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lを含み励起準位Ｅ2uに較べて小さいエネルギー領域まで広り、その上方に、禁制帯２５ｆが前記第２量子ドット２１の励起準位Ｅ2uと前記伝導帯２５ｃとの間で直接に電子のトンネルが起こらないように前記第２量子ドット２１の励起準位Ｅ2uを含んで広がっているようにする。
【００３９】
このような伝導領域のエネルギーバンド構造により、前記第１、第２の量子ドット１１、２１内のいずれかのエネルギー準位に存在する電子は、その置かれるエネルギー準位によってトンネル障壁を通してトンネルできる伝導領域が規定される。例えば、第１量子ドット１１において、電子が前記量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lに存在すれば、電子は基底エネルギー準位Ｅ1l付近に伝導帯１５ｃが存在する第２伝導領域１５に第２トンネル障壁１３を通してトンネルでき、これ以外の伝導領域、つまり第１伝導領域１４にはトンネルできない。一方、電子が前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uに存在すれば、電子は励起準位Ｅ1u付近に伝導帯１４ｃが存在する第１伝導領域１４に第１トンネル障壁１２を通してトンネルできる。前記第２量子ドット２１においても、第３伝導領域２４と前記第２量子ドット２１間、第４伝導領域２５と前記第２量子ドット２１間、で同様な電子のトンネリングが起こる。
【００４０】
ここでは、電子が存在できない領域として禁制帯を用いたが、禁制帯の代わりに禁制帯と同等の役割を有する、つまり電子に対して有効なエネルギーレベルのない状態ならばどのようなものを利用しても構わない。同様に、伝導帯でなくとも伝導に寄与するエネルギーレベルさえできていれば、伝導帯の代わりになる。
【００４１】
上述したエネルギー準位とバンド構造を有する第１、第２の量子ドット構造１０、２０に備わる第１、第２の量子ドット１１、２１をその中に存在する電子が互いに相互作用を及ぼし合う程度に隣接して配置して結合量子ドット構造を構成する。以下、対象とする量子ドット構造は次のような特徴を備えている。
【００４２】
(a) 一つの量子ドット内に二個以上の電子が存在する確率は非常に小さい。つまり、殆どの場合は一つの量子ドット内には一つの電子しか存在できない。例えば、第１量子ドットに関していえば二つのエネルギー準位Ｅ1l、Ｅ1uのうち、電子はどちらか一方を占有する。
【００４３】
(b) 二つの量子ドットの両方に電子が入る場合には、両方の量子ドットで同等の対称性を有するエネルギー準位を同時に占有する状態は起こり難い。例えば、第１量子ドット１１で基底エネルギー準位Ｅ1lに電子が存在すれば、第２量子ドット２１には別のエネルギー準位（励起準位）Ｅ2uに電子が入る。つまり、電子が二つの量子ドットに入る場合には対称性において互いに異なるエネルギー準位を占有する。
【００４４】
前記(a) について詳述すれば、量子ドットが小さいとドット内部ではクーロン相互作用が非常に強く働くために、電子が一つの同じ量子ドット内に同時に二つ以上入ることはエネルギー的に排除されるからである。
【００４５】
前記(b) について詳述すれば、二つの量子ドットにおいて波動函数が同じ対称性を持つと、電子が空間的に近い位置に存在する確率が大きくなるために、量子ドット間のクーロン相互作用が増大することに起因する。つまり、もし両方の量子ドットで同じエネルギー準位に電子が入ると、量子ドット内の波動函数は同じ対称性を有することになるので、二つの量子ドットでは互いに異なるエネルギー準位に電子が入るように作用する。
【００４６】
前記(a) 、(b) の現象は、いずれも空間的クーロン相関によるものであるが、前記 (a)は量子ドット内のクーロン相関、前記(b) は量子ドット間のクーロン相関、である。
【００４７】
このような(a) 、(b) の現象に基づいて、電子が二つの量子ドット（第１、第２の量子ドット１１、２１）の両方に存在することとする。図３の（Ｉ）に示すように前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uと前記第２量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ1lに電子がそれぞれ存在する状態を初期状態とすると、暫くの後には図３の（II）に示すように前記第１量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lと前記第２量子ドット２１の励起準位Ｅ2uに電子がそれぞれ存在する状態に移る。つまり、前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uに存在した電子が基底エネルギー準位Ｅ1lに落ちると、前記 (a)、(b) で述べた第１、第２の量子ドット１１、２１内および第１、第２の量子ドット１１、２１間のクーロン相関によって、前記第２量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lに存在していた電子は図３の（II）のように励起準位Ｅ2uに押し上げられる。そしてまた暫く後に図３の（Ｉ）で示される状態に戻る。このように結合量子ドット構造においては、第１、第２の量子ドット１１、２１に電子が入っていると、図３で示される二つの状態（Ｉ）、（II）間で振動が起こる。その単位時間当たりの振動数は、第１、第２の量子ドット１１、２１間の結合の強さに比例する。
【００４８】
以上のように二つの量子ドット１１、２１が結合して生じる図３で示される二つの状態（Ｉ）、（II）間での振動を利用して、前述した図１、図２に示す二つの量子ドット構造１０、２０からなる相関トンネル素子において電子が流れる様子を具体的に説明する。なお、前記第１量子ドット１１に隣接した第１、第２の伝導領域１４、１５のうち、伝導帯１４ｃが前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uに亘った第１の伝導領域１４の電気化学ポテンシャルをμ1Lとし、伝導帯１５ｃが前記量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lに亘った第２の伝導領域１５の電気化学ポテンシャルをμ1Rとする。同様に、前記第２量子ドット２１に隣接した第３、第４の伝導領域２４、２５のうち、伝導帯２４ｃが前記第２量子ドット２１の励起準位Ｅ2uに亘った第３の伝導領域２４の電気化学ポテンシャルをμ2Lとし、伝導帯２５ｃが前記第２量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lに亘った第４の伝導領域２５の電気化学ポテンシャルをμ2Rとする。
【００４９】
前記第１量子ドット構造１０における第１、第２の伝導領域１４、１５にそれら伝導領域１４、１５の電気化学ポテンシャルμ1L、μ1Rが
μ1L＞Ｅ1u＞Ｅ1l＞μ1R    …（１）
となるように電圧を印加する。このような電圧の印加により、前記第１伝導領域１４の伝導帯１４ｃの電子は第１トンネル障壁１２を通して前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uにトンネルできるようになる。ただし、前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uにトンネルした電子はそのままエネルギーを保存した状態で前記第１量子ドット１１と結合したもう一つの伝導領域、つまり第２伝導領域１５に抜けることはできない。これは、前記第２伝導領域１５はその禁制帯１５ｆが励起準位Ｅ1uに亘っているからである。したがって、前記第１量子ドット１１に移行された電子は、一度、前記第１量子ドット１１のエネルギーの低い準位（基底エネルギー準位）Ｅ1lに落ちるプロセスを経れば、前記第１量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lから前記第２の伝導領域１５の伝導帯１５ｃにトンネルして抜けることができる。通常、量子ドット内で電子が励起準位Ｅ1uから基底エネルギー準位Ｅ1lに落ちるプロセスではフォノン散乱などのエネルギー散逸過程が伴う。このようなエネルギー散逸が生じると、Ｅ1u−Ｅ1lの差に相当するジュール熱を発生するばかりか、消費電力の増大にもつながる。
【００５０】
本発明に係わる結合量子ドット構造においては、前述した図３の（Ｉ）、（II）で説明したように第１、第２の量子ドット１１、２１の結合による量子状態遷移を起こさせている。つまり、前記結合量子ドット構造においては基底エネルギー準位Ｅ1l（Ｅ2l）から励起準位Ｅ1u（Ｅ2u）への押し上げ、および励起準位Ｅ2u（Ｅ1u）から基底エネルギー準位Ｅ2l（Ｅ1l）への落下、を起こせている。このような状態間遷移による振動を利用することにより、フォノン散乱などに起因するエネルギー損失を伴わずに、前記第１量子ドット１１内で電子を励起準位Ｅ1uから基底エネルギー準位Ｅ1lへ落とすことができる。したがって、前記作用によって余分なジュール熱の発生を抑制でき、素子の消費電力を低減することが可能になる。
【００５１】
さて、前記式（１）を満たす条件下において、前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uには第１伝導領域１４からトンネリングした電子が存在する。したがって、量子状態（Ｉ）、（II）間での状態間振動を起こすためには第２量子ドット２１において電子が励起エネルギー準位Ｅ2u以外、つまり基底エネルギー準位Ｅ2lに供給されることが必要である。
【００５２】
そこで、前記第２量子ドット構造２０における第３、第４の伝導領域２４、２５にそれら伝導領域２４、２５の電気化学ポテンシャルμ2L、μ2Rが
Ｅ2l＜μ2R＜μ2L＜Ｅ2u    …（２）
となるように電圧を印加する。このような電圧の印加により、第４伝導領域２５の伝導帯２５ｃの電子は第４トンネル障壁２３を通して前記第２量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lにトンネルすることができるようになる。前記第２量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lにトンネルした電子は、前記第２量子ドット２１と結合したもう一つの伝導領域、つまり第３伝導領域２４に抜けることはできない。これは、トンネル後の行き先になる前記第３伝導領域２４はその禁制帯２４ｆが基底エネルギー準位Ｅ2lに亘っているからである。この状態は、前述した図３の（Ｉ）に対応している。前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uに第１の伝導領域１４からトンネリングした電子が存在し、かつ前記第２量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lに第４伝導領域２５からトンネリングした電子が存在した状態（Ｉ）の結合量子ドット系において、状態間振動が生じると、理想的な場合はエネルギーの損失を招くことなく、図３の（II）の状態に移れる。実際のエネルギーの散逸は、ΔＥ2 −ΔＥ1 に依存して変化する。ここで、ΔＥi （ｉ＝１，２）は第ｉ量子ドットにおけるエネルギー準位の間隔；ΔＥi ＝Ｅiu−Ｅilである。ΔＥ1 およびΔＥ2 が異なっていても前記状態間振動は生じるが、ΔＥ1 とΔＥ2 が等しい時に最もエネルギーの損失が低減される。したがって、２つの量子ドット１１、２１はΔＥ1 とΔＥ2 が等しくなるように構成することが好ましい。この効果によって、前記第１量子ドット１１内で電子が励起準位Ｅ1uから基底エネルギー準位Ｅ1lへ落ち、前記第２量子ドット２１内では電子が基底エネルギー準位Ｅ2lから励起準位Ｅ2uへ汲み上げられる。そして、前記第１量子ドット１１で基底エネルギー準位Ｅ1lに落ちた電子は、第２トンネル障壁１３をトンネルして第２伝導領域１５の伝導帯１５ｃに抜ける。一方、第２量子ドット２１で励起準位Ｅ2uに押し上げられた電子は、第３トンネル障壁２２をトンネルして第３伝導領域２４の伝導帯２４ｃに抜ける。
【００５３】
このようなプロセスの繰り返しで、前記第１量子ドット構造１０においては第１伝導領域１４から第１量子ドット１１を経て第２伝導領域１５に電子が流れる（電流は逆向きに流れる) 。一方、第２量子ドット構造２０においては第４伝導領域２５から第２量子ドット２１を経て第３伝導領域２４に電子が汲み上げられる（電流は逆向きに流れる) 。ここで注目すべきことは、第２量子ドット構造２０では電流が電位の低い方から電位の高い方に流れることである。それ故に、この過程によって第１量子ドット構造１０で（μ1L−μ1R）のエネルギーが消費されるものの、第２量子ドット構造２０において（μ2L−μ2R）に相当するエネルギーが回復されるため、消費電力を低減することができる。ここで、ＭＯＳＦＥＴのような従来型の素子ではμ1L−μ1Rが本来消費されるべきエネルギーである。
【００５４】
（実施例２）
本実施例２は、前述した実施例１の相関トンネル素子を用いて三端子のスイッチング素子を構成できることを説明する。
【００５５】
前述した相関トンネル素子において、例えば前記第１量子ドット１１に結合される第１、第２の伝導領域１４、１５をそれぞれソース電極、ドレイン電極とし、前記第２量子ドット２１に結合される第３の伝導領域２４をゲート電極とすることにより、三端子のスイッチング素子が構成される。
【００５６】
図４は、前記第３伝導領域２４に印加するゲート電圧によってμ2Lを変えたときに、前記第１、第２の量子ドット構造１０、２０を含む回路系を流れる電流Ｉ1 、Ｉ2 の変化を示した電流電圧特性図である。図４の横軸は、Δμ2L＝Ｅ2u−μ2Lである。すなわち、励起準位Ｅ2uからμ2L＜Ｅ2uの向きに測ったポテンシャル値であり、印加電圧の増加する向きとΔμ2Lを増加する向きが対応している。各電流の向きは、電位の高い方から電位の低い方に流れる場合を正とする。図４には、電流Ｉ1 が実線、−Ｉ2 が破線で示されている。この図４より明らかなように前記三端子に構成された相関トンネル素子は、前記第３伝導領域２４をゲート電極とし、ゲート電極に印加される電圧を変化させ、その電気化学ポテンシャルと励起準位Ｅ2uとの関係がμ2L＜Ｅ2uになると、電流が急激に流れ、鋭いスイッチング特性を示すことがわかる。
【００５７】
また、前記第１、第２の量子ドット間のエネルギー転送効率はそれら量子ドット間の結合の強さ、別の言い方をすれば状態間振動の速さによって左右される。これを利用することによって、前記三端子スイッチング素子の電流レベルを制御することが可能になる。前記第１、第２の量子ドット間の結合強さを制御するには、例えば図５に示すように第１、第２の量子ドット１１、２１の周囲にコントロールゲートＣＧ1 、ＣＧ2 を設け、前記コントロールゲートＣＧ1 、ＣＧ2 の電位または電子濃度を調節することによりなされる。具体的には、図５に示すコントロールゲートＣＧ1 、ＣＧ2 の配置、つまり第１、第２の量子ドット１１、２１を挟んでその両側にコントロールゲートＣＧ1 、ＣＧ2 を配置する形態において、前記コントロールゲートＣＧ1 、ＣＧ2 の電子濃度を増大すると、第１、第２の量子ドット１１、２１間の結合強さが増大される。図６は、前述した図４の電流電圧特性図においてΔμ2Lを電流が流れる値に固定し、前記コントロールゲートＣＧ1 、ＣＧ2 の電子濃度を調節して第１、第２の量子ドット１１、２１間の結合強さを変化させた時の電流レベルの変化を示したものである。このような新たなゲート構造を採用することによっても、スイッチング特性を制御することが可能になる。
【００５８】
なお、コントロールゲートは量子ドットの結合の強さを制御できるものであればどのような形態でもよい。例えば、一方の量子ドットの周囲のみに配置してもよいし、コントロールゲートの代わりに磁性体を用いて、第１、第２の量子ドットに入れる電子のスピンを規定することにより量子ドット間の相関を制御してもよい。また、２つの量子ドットの間に伝導的な層を設けて量子ドットの結合の強さを制御してもよい。
【００５９】
さらに、量子ドットと伝導領域の結合の度合で前記第１、第２の量子ドット間のエネルギー転送効率が変化する。この効果もスイッチング特性を制御するために利用できる。例えば、トンネル障壁の厚さたはポテンシャルの高さを制御することにより、量子ドットから伝導領域への電子のトンネルの容易性を変化させることにより達成できる。
【００６０】
（実施例３）
本実施例３は、前記スイッチング素子をメモリに適用した例である。
図７は、メモリ素子の一ユニットを表した模式図である。ＱＤ１は、第１量子ドット、ＱＤ２は第２量子ドットである。前述した実施例２と同様に第１量子ドットＱＤ１に隣接して配置される第１、第２の伝導領域をそれぞれソース電極、ドレイン電極とし、前記第２量子ドットＱＤ２に付帯する第３伝導領域をゲート電極とする。前記第２量子ドットＱＤ２のゲート電極は、キャパシタＣを介して電源電圧Ｕでバイアスされている。
【００６１】
まず、電源電圧Ｕの大きさは前述した式（２）；Ｅ2l＜μ2R＜μ2L＜Ｅ2uを満たすように設定しておく。メモリの状態（１，０）はキャパシタＣがチャージアップされているか否かで決まる。ここで、第１量子ドットＱＤ１のソース電圧ＶS とドレイン電圧ＶD を前述した式（１）；μ1L＞Ｅ1u＞Ｅ1l＞μ1Rを満たすように印加すると、前記第１、第２の量子ドットＱＤ１、ＱＤ２では、それぞれ図７中のＩ1 、Ｉ2 で示される向きに電流が流れ、キャパシタＣが徐々に充電される。キャパシタＣの充電が進むと、前記第２量子ドットＱＤ２において前記式（２）が満たされなくなる。それと同時に、回路系に電流が殆ど流れなくなる（Ｉ1 〜０〜Ｉ2 ）。このキャパシタＣへの充電過程がメモリへの書き込み操作に対応する。
【００６２】
メモリの状態は、ＶS −ＶD 間に電流が流れる時と流れない時とをセンスすることによりなされる。前記センスは、例えば前述した図４から理解されるように、ＶS −ＶD 間のコンダクタンスが劇的に変化することを利用すればよい。つまり、コンダクタンスが大きいときはキャパシタＣがチャージアップされていない状態であってメモリの状態は“０”に対応する。一方、コンダクタンスが小さいときはキャパシタＣがチャージアップされている状態であってメモリの状態は“１”に対応する。
【００６３】
メモリに書き込まれた情報の消去操作を行うためには、図７に示されているように前記キャパシタＣに充電された電荷を解放できるようにスイッチＳＷ１を前記回路系に設ければよい。すなわち、スイッチＳＷ１を閉じることにより前記キャパシタＣの電荷がグランド側に流れて、メモリの情報が消去される。
【００６４】
以上説明した実施例３から、本発明の相関トンネル素子はいわゆるＤＲＡＭように使うこともできる。
また、例えば第２量子ドット構造の第３伝導領域の電気化学的ポテンシャルΔμ2Lが０を境にして僅かに変化するだけで第１量子ドットの第１、第２の伝導領域間のコンダクタンス、つまりＶS −ＶD 間のコンダクタンスが劇的に変化することを利用すれば、本発明の相関トンネル素子を高感度センサーとしても応用することができる。
【００６５】
（実施例４）
本実施例４では、本発明に係わる相関トンネル素子において要請される量子ドットのエネルギー準位、及びそれに結合された伝導領域のエネルギーバンド構造を実現するための一方法について述べる。
【００６６】
本発明に係わる量子ドット構造は、代表的には図８の（Ｂ）で示されように、数種類の電気陰性度の異なる化合物半導体を積層して構成される。この例では、半絶縁性バルクＧａＡｓ基板４１上に厚さ２００ｎｍ程度のｎ型Ｇａy Ｉｎ1-y Ａｓ層４２を積層し、このｎ型Ｇａy Ｉｎ1-y Ａｓ層４２上に厚さＬDBのＡｌＳｂバリア層４４、厚さＬDWのＧａx Ｉｎ1-x Ａｓ量子井戸層４５、厚さＬDBのＡｌＳｂバリア層４６、ＩｎＡｓ−ＡｌＳｂ超格子層４７およびＩｎＡＳバッファー層４８をこの順に積層する。
【００６７】
ここで、前記ｎ型Ｇａy Ｉｎ1-y Ａｓ層４２の混晶比ｙは０．７５程度、前記Ｇａx Ｉｎ1-x Ａｓ量子井戸層４５の混晶比ｘは０．５程度であることが望ましい。前記バリア層４４、４６の厚さＬDBは５ｎｍ以下、前記量子井戸層４５の厚さＬDWは８ｎｍ程度とする。また、前記ＩｎＡｓ−ＡｓＳｂ超格子層４７は量子ドットの基底準位Ｅl 程度の箇所に伝導的なミニバンド４７ｍができるように、厚さＬSWが７〜８ｎｍのＩｎＡｓ層４７ｗと厚さＬSBが３ｎｍ以下のＡｌＳｂ層４７ｂを交互に周期的に積み上げて作られる。
【００６８】
このように作られた量子ドット構造の層方向に沿ったエネルギーバンド図を図８の（Ａ）に示す。
このような図８の（Ｂ）に示す構造を採用することによって、本発明に係わる相関トンネル素子において要請される、量子ドット−伝導領域間でのキャリアの輸送を制限したエネルギーバンド構造を有する量子ドット構造が実現される。
【００６９】
（実施例５）
前記構成の量子ドットを二つ組み合わせた結合量子ドット構造の製造方法を図９〜図１４を参照して説明する。
【００７０】
まず、図９に示すように半絶縁性バルクＧａＡｓ基板４１上に約２０ｎｍ幅のストライプ状のシリコン酸化膜４３を残した後、ＭＢＥ法もしくはＭＯＣＶＤ法により厚さ約０．２μｍｎ型ＧａＡｓまたはＧａy Ｉｎ1-y Ａｓの層４２をエピタキシャル成長させる。Ｇａy Ｉｎ1-y Ａｓの場合には、ｙ＝０．７５以上であることが望ましい。また、ｎ型エピタキシャル基板またはＧａy Ｉｎ1-y Ａｓにエッチングで溝を開けてもよい。さらに、シリコン酸化膜の代わりに他の絶縁膜を用いてもよい。
【００７１】
次いで、図１０に示すように前記シリコン酸化膜４３を含む前記層４２上にＭＢＥ法もしくはＭＯＣＶＤ法により厚さ５ｎｍ程度のＡｌＳｂバリア層４４、厚さ約８ｎｍ程度のＧａx Ｉｎ1-x Ａｓ量子井戸層４５および厚さ５ｎｍ程度のＡｌＳｂバリア層４６を連続的に成長させる。これらの層４４、４５、４６により量子ドットの障壁層が形成される。前記Ｇａx Ｉｎ1-x Ａｓ量子井戸層４５は、ｘが０．５程度であること望ましい。つづいて、図１１に示すように典型的には厚さ８ｎｍのＩｎＡｓ層４７ｗと厚さ３ｎｍのＡｌＳｂ層４７ｂと交互にそれぞれ１０層程度成長して積層させる。このような積層構造部によりＩｎＡｓ−ＡｌＳｂ超格子層４７が形成され、かつ内部に前述した図８の（Ａ）に示すミニバンドが形成される。前記ＩｎＡｓ−ＡｌＳｂ超格子層４７は、１０層としたが、これは使用する電圧あるいは動作温度等によっても任意に変更することが可能である。この後、前記超格子層４７の最上層にオーミックコンタクトが形成できるようにＩｎＡｓバッファ層４８を成長させる。
【００７２】
次いで、前記基板４１上の各層を垂直方向にエッチングすることによって一つ一つの量子ドットを分離する。ここでは二つの量子ドット間の相互作用が重要であるので、その部分について説明する。
【００７３】
図１２に示すように超格子４７の上部電極の部分および量子ドット部の部分を８ｎｍ残し、８ｎｍの空間を垂直にエッチングする。この時、エッチングに８０°程度の順テーパをつけることによって、二つの量子ドット部分の間隔は５ｎｍ程度になる。このようなエッチングによって、本デバイスの基本部分である量子ドット部が二つ並列に接続されたものが形成される。これによって形成されるエネルギー・バンドダイアグラムは前述した図８の（Ａ）のようになる。また、テーパを付けたエッチングにより量子ドット構造間のクーロン相互作用は量子ドット部分で大きくなり、前述した実施例１で述べたような相関トンネル素子の機能が達成される。
【００７４】
次いで、図１３に示すように絶縁膜４９を介してゲート５０を側壁に形成する。これはリフトオフ法によってゲートとなる金属を形成できる。前記ゲート５０は、通常のリソグラフィーによるパターニングを用いて行ってもよい。図１４は、本実施例５の相関トンネル素子構造の完成状態を示す斜視図である。
【００７５】
（実施例６）
本実施例６では、３つの量子ドットを平面的に互いに隣接して配置した構造の相関トンネル素子を例にして説明する。なお、本実施例６では前述した実施例１と同様に「クーロン相互作用による荷電キャリアの空間的相関」という物理的特性を利用し、かつ荷電キャリアが電子である場合を例にして説明する。
【００７６】
図１５は、本実施例６の相関トンネル素子の模式図である。第１量子ドット構造１０は、第１閉じ込め領域（量子ドット）１１と、この第１量子ドット１１に隣接された第１、第２の伝導領域１４、１５と、前記第１量子ドット１１と第１、第２の伝導領域１４、１５との間にそれぞれ配置された第１、第２のエネルギー障壁１２、１３とから構成されている。第２量子ドット構造２０は、第２閉じ込め領域（量子ドット）２１と、この第２量子ドット２１に隣接された第３、第４の伝導領域２４、２５と、前記第２量子ドット２１と第３、第４の伝導領域２４、２５との間にそれぞれ配置された第３、第４のエネルギー障壁２２、２３とから構成されている。第３量子ドット構造３０は、第３閉じ込め領域（量子ドット）３１と、この第３量子ドット３１に隣接された第５、第６の伝導領域３４、３５と、前記第３量子ドット３１と第５、第６の伝導領域３４、３５との間にそれぞれ配置された第５、第６のエネルギー障壁３２、３３とから構成されている。
【００７７】
一般的に、離散化されたエネルギー準位構造を有する量子ドットにおいて、そのエネルギー準位間隔は量子ドットのサイズを表す特徴的長さの自乗に反比例する。即ち、量子ドットのサイズを小さくすればエネルギー準位間隔はその特徴的長さの自乗に反比例して増大する。それ故に、量子ドットのサイズを十分小さくすれば、基底準位と第一励起準位からなる二準位系と見倣せる状況が作れる。以下では、次の条件（１）、（２）が満たされる場合を考える。（１）前記各量子ドットのサイズは十分に小さく、図１６に示すように各量子ドット内にエネルギーの基底準位とエネルギーの第一励起準位の二つの準位が形成されるものとする。（２）図１６のエネルギーバンド構造で示されるように前記第１〜第３の量子ドット１１、２１、３１が井戸型の閉じ込めポテンシャルで近似できるものとする。実際には、量子ドットが２つ以上のエネルギー準位を有する多準位系であっても構わず、量子ドットの閉じ込めポテンシャルが井戸型である必要はない。ここでは、話を簡単にするために（１）、（２）が満たされている場合を考える。
【００７８】
図１６に示すように第１量子ドット１１はエネルギー準位Ｅ1l（基底準位）とＥ1u（第一励起準位) からなる量子状態を有し、第２量子ドット２１はエネルギー準位Ｅ2l（基底準位）とＥ2u（第一励起準位) からなる量子状態を有し、さらに第３量子ドット３１はエネルギー準位Ｅ3l（基底準位）とＥ3u（第一励起準位) からなる量子状態を有するものとする。ただし、Ｅ1l＜Ｅ1u、Ｅ2l＜Ｅ2u、Ｅ3l＜Ｅ3uの関係を満たしている。この時、前記第１量子ドット１１に隣接された第１、第２の伝導領域１４、１５、前記第２量子ドット２１に隣接された第３、第４の伝導領域２４、２５、および前記第３量子ドット３１に隣接された第５、第６の伝導領域３４、３５はそれぞれそれらのエネルギーバンドが図１６で示される構造になるように作られている。
【００７９】
すなわち、前記第１量子ドット構造１０においては一方の伝導領域（第１伝導領域１４）のエネルギーバンド構造は禁制帯１４ｆの上に伝導帯１４ｃがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、禁制帯１４ｆはその上端が前記第１量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lより大きく、かつ励起準位Ｅ1uよりも小さいエネルギー領域まで広がっている。つまり、前記禁制帯１４ｆがその上方にある伝導帯１４ｃと前記第１量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lとの間で直接に電子のトンネルが起こらない程度のエネルギー幅をもって広がっているようにする。他方の伝導領域（第２伝導領域１５）のエネルギーバンド構造は、伝導体１５ｃの上に禁制帯１５ｆがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、伝導帯１５ｃは前記第１量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lを含み励起準位Ｅ1uに較べて小さいエネルギー領域まで広り、その上方に、禁制帯１５ｆが前記量子ドット１１の励起準位Ｅ1uと前記伝導帯１５ｃとの間で直接に電子のトンネルが起こらない程度に前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uを含んで広がっているようにする。
【００８０】
また、前記第２量子ドット構造２０も前記第１量子ドット構造１０と同様に、一方の伝導領域（第３伝導領域２４）のエネルギーバンド構造は、禁制帯２４ｆの上に伝導帯２４ｃがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、禁制帯２４ｆはその上端が前記量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lより大きく、かつ励起準位Ｅ2uよりも小さいエネルギー領域まで広がっている。つまり、前記禁制帯２４ｆがその上方にある伝導帯２４ｃと前記第２量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lとの間で直接に電子のトンネルが起こらない程度のエネルギー幅をもってに広がっているようにする。他方の伝導領域（第４伝導領域２５）のエネルギーバンド構造は、伝導帯２５ｃの上に禁制帯２５ｆがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、伝導帯２５ｃが前記量子ドット２１の基底エネルギー準位Ｅ2lを含み励起準位Ｅ2uに較べて小さいエネルギー領域まで広り、その上方に、禁制帯２５ｆが前記第２量子ドット２１の励起準位Ｅ2uと前記伝導帯２５ｃとの間で直接に電子のトンネルが起こらないように前記第２量子ドット２１の励起準位Ｅ2uを含んで広がっているようにする。
【００８１】
さらに、前記第３量子ドット構造３０においては一方の伝導領域（第５伝導領域３４）のエネルギーバンド構造は禁制帯３４ｆの上に伝導帯３４ｃがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、禁制帯３４ｆはその上端が前記第３量子ドット３１の基底エネルギー準位Ｅ3lより大きく、かつ励起準位Ｅ3uよりも小さいエネルギー領域まで広がっている。つまり、前記禁制帯３４ｆがその上方にある伝導帯３４ｃと前記第３量子ドット３１の基底エネルギー準位Ｅ3lとの間で直接に電子のトンネルが起こらない程度のエネルギー幅をもって広がっているようにする。他方の伝導領域（第６伝導領域３５）のエネルギーバンド構造は、伝導体３５ｃの上に禁制帯３５ｆがエネルギー順に配列された構成になっている。ただし、伝導帯３５ｃは前記第３量子ドット３１の基底エネルギー準位Ｅ3lを含み励起準位Ｅ3uに較べて小さいエネルギー領域まで広り、その上方に、禁制帯３５ｆが前記量子ドット３１の励起準位Ｅ3uと前記伝導帯３５ｃとの間で直接に電子のトンネルが起こらない程度に前記第３量子ドット３１の励起準位Ｅ3uを含んで広がっているようにする。
【００８２】
このような伝導領域のエネルギーバンド構造により、前記第１〜第３の量子ドット１１、２１、３１内に存在する電子は、その置かれるエネルギー準位によってトンネル障壁を通してトンネルできる伝導領域が規定される。例えば、第１量子ドット１１において、電子が前記量子ドット１１の基底エネルギー準位Ｅ1lに存在すれば、電子は基底エネルギー準位Ｅ1l付近に伝導帯１５ｃが存在する第２伝導領域１５に第２トンネル障壁１３を通してトンネルでき、これ以外の伝導領域、つまり第１伝導領域１４にはトンネルできない。一方、電子が前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uに存在すれば、電子は励起準位Ｅ1u付近に伝導帯１４ｃが存在する第１伝導領域１４に第１トンネル障壁１２を通してトンネルできる。なお、前記第２量子ドット２１においても、第３伝導領域２４と前記第２量子ドット２１間、第４伝導領域２５と前記第２量子ドット２１間、で同様な電子のトンネリングが起こる。また、前記第３量子ドット３１においても、第６伝導領域３５と前記第３量子ドット３１間、第５伝導領域３４と前記第３量子ドット３１間、で同様な電子のトンネリングが起こる。
【００８３】
ここでは、電子が存在できない領域として禁制帯を用いたが、禁制帯の代わりに禁制帯と同等の役割を有するもの、つまり電子に対して有効なエネルギーレベルのない状態ならばどのようなものを利用しても構わない。同様に、伝導帯でなくとも伝導に寄与するエネルギーレベルさえできていれば、伝導帯の代わりになる。
【００８４】
上述したエネルギー準位とバンド構造を有する第１、第２の量子ドット構造１０、２０に備わる第１、第２の量子ドット１１、２１は、前記第１量子ドット１１内のキャリアと前記第２量子ドット２１内のキャリアとに対してクーロン相互作用が有効に働く程度の間隔で、互いに隣接して配置する。これによって、前記第１量子ドット１１内でキャリアが占有するエネルギー準位と、前記第２量子ドット２１内でキャリアが占有するエネルギー準位との間に相関が生じる。具体的には、前記第１量子ドット１１の励起準位Ｅ1uにキャリアが入っていたとすると、前記第２量子ドット２１には基底準位Ｅ2lにキャリアが入り、励起準位Ｅ2uにはキャリアが入れないようになる。一方、前記第１量子ドット１１の基底準位Ｅ1lにキャリアが入っていたとすると、前記第２量子ドット２１の励起準位Ｅ2uにキャリアが入り、基底準位Ｅ2lにはキャリアが入れないようになっている。
【００８５】
また、同様に上述したエネルギー準位とバンド構造を有する第２、第３の量子ドット構造２０、３０に備わる第２、第３の量子ドット２１、３１は、前記第２量子ドット２１内のキャリアと前記第３量子ドット３１内のキャリアとに対してクーロン作用が有効に働く程度の間隔で、互いに隣接して配置する。これによって、前記第２量子ドット２１内でキャリアが占有するエネルギー準位と、前記第３量子ドット３１内でキャリアが占有するエネルギー準位との間に相関が生じる。具体的には、前記第２量子ドット２１の励起準位Ｅ2uにキャリアが入っていたとすると、前記第３量子ドット３１には基底準位Ｅ3lにキャリアが入り、励起準位Ｅ3uにはキャリアが入れないようになる。一方、前記第２量子ドット２１の基底準位Ｅ2lにキャリアが入っていたとすると、前記第３量子ドット３１の励起準位Ｅ3uにキャリアが入り、基底準位Ｅ3lにはキャリアが入れないようになっている。
【００８６】
さらに、前記第１〜第３の量子ドット１１、２１、３１はそれらのエネルギー準位が下記式（３）を満たすようにする。
ΔＥ2 〜ΔＥ1 ＋ΔＥ3           …（３）
ここで、ΔＥi （ｉ＝１，２，３）は、前記各量子ドットの基底準位と励起準位とのエネルギー差；ΔＥi ＝Ｅiu−Ｅil（ｉ＝１，２，３）である。
【００８７】
すなわち、前記第２量子ドット２１内の準位間隔が第１量子ドット１１と前記第３量子ドット３１の準位間隔の和にほぼ等しくなるようにする。前述したように量子ドットに結合した伝導領域のエネルギーバンドは、キャリアが量子ドットを通過する時に必ずエネルギー変化を伴うように規定されている。しかしながら、前記条件（３）によって各量子ドットのトータルとしてエネルギー変化が殆ど起こらない。勿論、前記式（３）において両辺の値が一致する場合が最も好ましい。
【００８８】
このような条件下において、図１７で示されるエネルギー準位Ｅ1u，Ｅ2l，Ｅ3uにキャリアが存在する量子状態（Ｉ）とエネルギー準位Ｅ1l，Ｅ2u，Ｅ3lにキャリアが存在する量子状態（II）はエネルギー的に等価な縮退した状態になる。図１７の（Ｉ）に置かれた状態は時間と共に図１７の（II）に遷移し、その後また状態（Ｉ）に戻る。そして、（Ｉ）→（II）→（Ｉ）のプロセスが繰り返される。このような状態（Ｉ）と（II）の間の振動によって結合した量子ドット構造では、全体としエネルギーの散逸が殆どないようなキャリアの移動が可能になる。そのためには前記第１〜第３の量子ドット構造１０、２０、３０を構成する第１〜第６のキヤリア伝導領域１３、１４、２３、２４、３４、３５の電気化学ポテンシャルμ1L、μ1R、μ2L、μ2R、μ3L、μ3Rが下記式（４；４−１〜４−３）または式（５；５−１〜５−３）を満すように前記第１〜第６のキヤリア伝導領域１３、１４、２３、２４、３４、３５にバイアス電圧を印加すればよい。
【００８９】
μ1L＞Ｅ1u＞Ｅ1l＞μ1R  …（４−１）
Ｅ2u＞μ2L＞μ2R＞Ｅ2l  …（４−２）
μ3L＞Ｅ3u＞Ｅ3l＞μ3R  …（４−３）
または
Ｅ1u＞μ1L＞μ1R＞Ｅ1l  …（５−１）
μ2L＞Ｅ2u＞Ｅ2l＞μ2R  …（５−２）
Ｅ3u＞μ3L＞μ3R＞Ｅ3l  …（５−３）
前記条件に関して、キャリアが電子の場合を例にして説明する。
【００９０】
前記式（４）の場合、電子は第１量子ドット構造１０では伝導領域１４から伝導領域１５の向きに、第２量子ドット構造２０では伝導領域２５から伝導領域２４の向きに、第３量子ドット構造３０では伝導領域３４から伝導領域３５の向きに、それぞれ流れる。第１、第３の量子ドット構造１０、３０に関しては、電子の流れは電気化学ポテンシャルの高い方から低い方に向かっているので、電流は印加バイアスに対して順方向である。これに対し、第２量子ドット構造２０に関しては電子の流れは電気化学ポテンシャルの低い方から高い方に向かっているので、電流は印加バイアスに対して逆方向である。すなわち、第２量子ドット２１により前記第１、第３の量子ドット１１、３１から放出されたエネルギーを回復している。
【００９１】
前記式（５）の場合、電子は第１量子ドット構造１０では伝導領域１５から伝導領域１４の向きに、第２量子ドット構造２０では伝導領域２４から伝導領域２５の向きに、第３量子ドット構造３０では伝導領域３５から伝導領域３４の向きに、それぞれ流れる。第２量子ドット構造２０に関しては電子の流れは、電気化学ポテンシャルの高い方から低い方に向かっているので、電流は印加バイアスに対して順方向である。これに対し、第１、第３の量子ドット構造１０、３０に関しては電子の流れは電気化学ポテンシャルの低い方から高い方に向かっているので、電流は印加バイアスに対して逆方向である。すなわち、前記第１、第３の量子ドット１１、３１により前記第２量子ドット２１から放出されたエネルギーを回復している。
【００９２】
一方、前記式（４）に記載された条件のうち、いずれか一つでも外れると、全ての量子ドットでキャリアの流れが急峻に抑制される。前記式（５）に記載された条件に関しても同様である。
【００９３】
このような特徴を利用して二入力の論理素子を構成することができる。初めに、二入力の「ＡＮＤ」ロジック素子について以下に説明する。ただし、以下の説明ではキャリアが電子で、前記式（４）の条件を満すときに電流が流れ、第１量子ドット構造１０と第３量子ドット構造３０が同じエネルギー準位（バンド）構造を有する場合を考える。
【００９４】
第１量子ドット構造１０の第２伝導領域１５および第３量子ドット構造３０の第６伝導領域３５の電気科学ポテンシャルμ1R、μ3Rを制御するために印加する電圧Ｖ1R、Ｖ3Rを二つの入力とする。前記電気化学ポテンシャルμ1R、μ3R以外の電気化学ポテンシャルは前記式（４）の条件を満たすように固定する。２つの入力のＡＮＤ演算結果（出力）は、第２量子ドット構造２０に流れる電流のＯＮ／ＯＦＦで判断する。すなわち、ＯＮの場合は“１”、ＯＦＦの場合は“０”である。前記電気化学ポテンシャルμ1R、μ3Rにおいて、μ1R＞Ｅ1l＝Ｅl またはμ3R＞Ｅ3l＝Ｅl を満たし、電流が生じないように設定された化学ポテンシャルをμhigh,Rとする。また、μ1R＜Ｅ1l＝Ｅl またはμ3R＜Ｅ3l＝Ｅl を満たし、電流が生じるように設定された化学ポテンシャルをμlow,R とする。μhigh,R、μlow,R は、伝導領域に印加するバイアス電圧に焼き直すと、Ｌｏｗ  Ｌｅｖｅｌ入力電圧Ｖlow,R 、Ｈｉｇｈ  Ｌｅｖｅｌ入力電圧Ｖhigh,Rにそれぞれ対応する。この時の第２量子ドット構造の出力電流は下記表１、論理ゲートの入出力状態は下記表２のようになる。
【００９５】
【表１】
0003871363.tif 000002
【００９６】
【表２】
0003871363.tif 000003
【００９７】
したがって、前述した構成の相関トンネル素子により低消費電力の「ＡＮＤ」ロジック素子を実現できる。
次に、二入力の「ＮＯＲ」ロジック素子について以下に説明する。ただし、以下の説明ではキャリアが電子で、前記式（４）の条件を満すときに電流が流れ、第１量子ドット構造１０と第３量子ドット構造３０が同じエネルギー準位（バンド）構造を有する場合を考える。
【００９８】
第１量子ドット構造１０の第１伝導領域１４および第３量子ドット構造３０の第５伝導領域３４の電気化学ポテンシャルμ1L、μ3Lを制御するために印加する電圧Ｖ1L、Ｖ3Lを二つの入力とする。前記電気化学ポテンシャルμ1L、μ3L以外の電気化学ポテンシャルは前記式（４）の条件を満たすように固定する。２つの入力のＮＯＲ演算結果（出力）は、第２量子ドット構造２０に流れるべき電流のＯＮ／ＯＦＦで判断する。すなわち、ＯＮの場合は“１”、ＯＦＦの場合は“０”である。前記電気化学ポテンシャルμ1L、μ3Lにおいて、μ1L＞Ｅ1u＝Ｅu またはμ3L＞Ｅ3u＝Ｅu を満たし、電流が生じる設定された電気化学ポテンシャルをμhigh,Lとする。また、μ1L＜Ｅ1u＝Ｅu またはμ3L＜Ｅ3u＝Ｅu を満たし、電流が生じないように設定された電気化学ポテンシャルをμlow,L する。μhigh,L、μlow,L は、伝導領域に印加するバイアス電圧に焼き直すと、Ｌｏｗ  Ｌｅｖｅｌ入力電圧Ｖlow,L 、Ｈｉｇｈ  Ｌｅｖｅｌ入力電圧Ｖhigh,Lにそれぞれ対応する。この時の第２量子ドット構造の出力電流は下記表３、論理ゲートの入出力状態は下記表４のようになる。
【００９９】
【表３】
0003871363.tif 000004
【０１００】
【表４】
0003871363.tif 000005
【０１０１】
したがって、前述した構成の相関トンネル素子により低消費電力の「ＮＯＲ」ロジック素子を実現できる。
この「ＮＯＲ」ロジック素子は、前記表４から明らかなように第１量子ドット構造１０の第１キャリア伝導領域１４の電気化学ポテンシャルμ1Lを制御するための電圧Ｖ1LをＶlow,L に固定すれば、第５キャリア伝導領域を制御するための電圧Ｖ3Lを１つの入力とするインバータとして動作させることが可能になる。
【０１０２】
また、第２の実施例によれば２つの量子ドットが結合した結合量子ドット構造によってもインバータ動作する相関トンネル素子を構成することが可能である。なお、前記実施例６では３つの量子ドットが結合した相関トンネル素子について説明したが、４つ以上の量子ドットが結合した相関トンネル素子の場合にも本発明の思想がそのまま拡張できる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、互いに結合した量子ドット間において生じる量子状態間振動に基づくエネルギー転送効果によって、バイアスＶで駆動される素子単体において、電荷ｑのキャリアによって本来ジュール熱となって放出され、消費されるべきエネルギーｑＶのうち、大部分を別の回路系に転送してエネルギー損失を回復することができる。その結果、素子中で消費されるエネルギーを低減でき、しかも比較的高いバイアス電圧で動作させられるので、駆動力の落ちない超低消費電力のトンネル素子が構成できる。
また、本発明に係わる相関トンネル素子を大規模集積回路などに適用すれば、駆動力を犠牲にせずに低消費電力・低発熱化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における二つの量子ドット構造を有する相関トンネル素子を示す模式図。
【図２】図１に示す相関トンネル素子の代表的なバンド図。
【図３】図１の二つの量子ドット構造における二状態間遷移の様子を示す概略図。
【図４】本発明の実施例２における相関トンネル素子を三端子素子として適用した時の電流電圧特性図。
【図５】本発明の実施例１における相関トンネル素子において量子ドット間の結合の強さを制御するためのコントロールゲートを設けた構成を示す模式図。
【図６】第１、第２の量子ドット間の結合の強さを変化させた時の電流レベルの変化を示す特性図。
【図７】本発明の実施例３における相関トンネル素子をメモリに適用例を示した図。
【図８】本発明の実施例４における量子ドット構造のエネルギーバンドおよび量子ドット構造を示す図。
【図９】本発明の実施例５における相関トンネル素子の製造工程を示す断面図。
【図１０】本発明の実施例５における相関トンネル素子の製造工程を示す断面図。
【図１１】本発明の実施例５における相関トンネル素子の製造工程を示す断面図。
【図１２】本発明の実施例５における相関トンネル素子の製造工程を示す断面図。
【図１３】本発明の実施例５における相関トンネル素子の製造工程を示す断面図。
【図１４】図９〜図１３の製造工程により得られた素子構造の完成状態を示す斜視図。
【図１５】本発明の実施例６における三つの量子ドット構造を有する相関トンネル素子を示す模式図。
【図１６】図１５に示す相関トンネル素子の代表的なバンド図。
【図１７】図１５の３つの量子ドット構造における二状態間遷移の様子を示す概略図。
【符号の説明】
１０、２０、３０…量子ドット構造、１１、２１、３１…量子ドット、１２、１３、２２、２３、３２、３３…エネルギー障壁、１４、１５、２４、２５、３４、３５…伝導領域、１４ｃ、１５ｃ、２４ｃ、２５ｃ、３４ｃ、３５ｃ…伝導帯、１４ｆ、１５ｆ、２４ｆ、２５ｆ、３４ｆ、３５ｆ…禁止帯、ＣＧ1 、ＣＧ2 …コントロールゲート、４１…半絶縁性バルクＧａＡｓ基板、４２…ｎ型Ｇａy Ｉｎ1-y Ａｓ層、４４、４６…ＡｌＳｂバリア層、４５…Ｇａx Ｉｎ1-x Ａｓ量子井戸層、４７…ＩｎＡｓ−ＡｌＳｂ超格子層、４７ｗ…ＩｎＡｓ層、４７ｂ…ＡｌＳｂ層、４７ｍ…ミニバンド、４８…ＩｎＡｓバッファ層。
【図１】
0003871363.tif 000006
【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】
0003871363.tif 000021
【図１７】
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