(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）人工原子からなる第１、第２及び第３の量子ドットを備え、
（ｂ）前記第１の量子ドットはトンネル接合を通してソース電極に接続され、前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとはトンネル接合で接続され、前記第２の量子ドットはトンネル接合を通してドレイン電極に接続され、前記第３の量子ドットは前記第１の量子ドットとトンネル接合で接続され、前記第３の量子ドットは前記第２の量子ドットとキャパシタンスによる容量接合のみで接続され、前記各量子ドットには静電的ゲート電極が接続され、量子ドット間の単電子トンネリングにおけるクーロンブロッケイド現象を利用したことを特徴とする量子ドットダイオード型整流器。
【請求項２】
請求項１記載の量子ドットダイオード型整流器において、前記各量子ドットは、各量子ドットの静電的ポテンシャルが調整できる単一ゲート電極を具備することを特徴とする量子ドットダイオード型整流器。
【請求項３】
請求項１記載の量子ドットダイオード型整流器を半導体ヘテロ接合を用いて実現することを特徴とする量子ドットダイオード型整流器。
【請求項４】
請求項１記載の量子ドットダイオード型整流器を微小金属クラスターのアレイを用いて実現することを特徴とする量子ドットダイオード型整流器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２端子デバイスであり、ある電圧範囲内で、電流を一方向に流したり、反対方向への流れを妨げる極性を持つクーロンブロッケイド・量子ドットダイオード型整流器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の参照文献としては、以下に挙げるようなものがあった。
〔１〕Ｆｏｒ  ａ  ｒｅｃｅｎｔ  ｒｅｖｉｅｗ，ｓｅｅ  Ｐ．Ｒｅｉｍａｎｎ，ｃｏｎｄ−ｍａｔ／００１０２３７．
〔２〕Ｒ．Ｄ．Ａｓｔｕｍｉａｎ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．１００，１９０７５（１９９６）．
0004249430.tif 000002
【０００３】
〔４〕Ｋ．Ｗ．Ｋｅｈｒ  ａｎｄ  Ｚ．Ｋｏｚａ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ  ６１，２３１９（２０００）；ｓｅｅ  ａｌｓｏ  ｉｎｃｌｕｄｅｄ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ  ｏｎ  “ｔｏｔａｌｌｙ  ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  ｓｉｔｅｅｘｃｌｕｓｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ，”（ＴＡＳＥＰ）．
〔５〕Ｆ．Ｍａｒｃｈｅｓｏｎｉ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７７，２３６４（１９９６）．
0004249430.tif 000003
【０００４】
〔８〕Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，Ｈ．Ｇｒａｂｅｒｔａｎｄ  Ｍ．Ｈ．Ｄｅｖｏｒｅｔ，Ｅｄｓ．（Ｐｌｅｎｕｍ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９９２）．
〔９〕Ｈ．Ｌｉｎｋｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２８６，２３１４（１９９９）．
〔１０〕Ａ．Ｍ．Ｓｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８０，３８３１（１９９８）．
〔１１〕Ｈ．Ｐｏｔｈｉｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｅｕｒｏｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１７，２４９（１９９２）．
0004249430.tif 000004
【０００５】
〔１３〕Ｍ．Ｓｔｏｐａ，Ｙ．Ａｏｙａｇｉ  ａｎｄ  Ｔ．Ｓｕｇａｎｏ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ５１，５４９４（１９９５）．
〔１４〕Ｈ．Ｒｉｓｋｅｎ，ｔｈｅ  Ｆｏｋｋｅｒ−Ｐｌａｎｃｋ  Ｅｑｕａｔｉｏｎ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ（１９８９）；Ｎ．Ｇ．ｖａｎ  Ｋａｍｐｅｎ  ｉｎ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．ＸＸＸＩＶ，ｅｄ．ｂｙ  Ｉ．Ｐｒｉｇｏｇｉｎｅ  ａｎｄ  Ｓ．Ａ．Ｒｉｃｅ，（Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９７６）ｐｐ．２４５−３０９．
〔１５〕Ｇ．Ａ．Ｃｅｃｃｈｉ  ａｎｄ  Ｍ．Ｍａｇｎａｓｃｏ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７６，１９６８（１９９６）．
〔１６〕Ｃ．Ｓ．Ｏ’Ｈｅｒｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８６，１１１（２００１）．
〔１７〕Ａ．Ａｖｉｒａｍ  ａｎｄ  Ｍ．Ｒａｔｎｅｒ，Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２９，２７７（１９７４）；Ｃ．Ｊｏａｃｈｉｍ，Ｊ．Ｋ．Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ  ａｎｄ  Ａ．Ａｖｉｒａｍ，Ｎａｔｕｒｅ  ４０８，５４１（２０００）．
〔１８〕Ｍ．Ｓｔｏｐａ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ５４，１３７６７（１９９６）；Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１３，Ａ５５（１９９８）；Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｂ  ２４９−２５１，２２８（１９９８）．
〔１９〕Ｐ．Ｄｅｌｓｉｎｇ，Ｔ．Ｃｌａｅｓｏｎ，Ｋ．Ｋ．Ｌｉｋｈａｒｅｖａｎｄ  Ｌ．Ｓ．Ｋｕｚｍｉｎ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ４２，７４３９（１９９０）．
〔２０〕Ｍ．Ｓｔｏｐａ，Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ２７，６１７（２０００）；Ｍ．Ｓｔｏｐａ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ６４，１９３３１５（２００１）．
〔２１〕Ｓ−Ｈ．Ｃｈｕｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．７５，７９３（１９９８）．
〔２２〕Ｗ．Ｎｏｎｎｅｒ  ａｎｄ  Ｒ．Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇ，Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．７５，１２８７（１９９８）；Ｄ．Ｃｈｅｎ，Ｊ．Ｌｅａｒ  ａｎｄ  Ｒ．Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇ，Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．７２，９７（１９９７）．
〔２３〕Ｎｏｔｅ  ｈｏｗｅｖｅｒ  ｔｈｅ  ｃｏｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ  ａｎｄ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｒｅｆ．〔１５〕．
〔２４〕Ｋ．Ｏｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，ｕｎｐｕｂｌｉｓｈｅｄ．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、量子ドット間の単電子トンネリングにおけるクーロンブロッケイド現象を利用することにより、ある電圧範囲内で電流の整流作用を持たせることができる量子ドットダイオード型整流器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕量子ドットダイオード型整流器において、人工原子からなる第１、第２及び第３の量子ドットを備え、前記第１の量子ドットはトンネル接合を通してソース電極に接続され、前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとはトンネル接合で接続され、前記第２の量子ドットはトンネル接合を通してドレイン電極に接続され、前記第３の量子ドットは前記第１の量子ドットとトンネル接合で接続され、前記第３の量子ドットは前記第２の量子ドットとキャパシタによる容量接合のみで接続され、前記各量子ドットには静電的ゲート電極が接続され、量子ドット間の単電子トンネリングにおけるクーロンブロッケイド現象を利用したことを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の量子ドットダイオード型整流器において、前記各量子ドットは、各量子ドットの静電的ポテンシャルが調整できる単一ゲート電極を具備することを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載の量子ドットダイオード型整流器を半導体ヘテロ接合を用いて実現することを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔１〕記載の量子ドットダイオード型整流器を微小金属クラスターのアレイを用いて実現することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例を示すクーロンブロッケイド・量子ドットダイオード型整流器（ＱＤＤ／Ｒ）の模式図である。
【００１３】
この図において、１は第１の量子ドット、２は第２の量子ドット、３は第３の量子ドット、４はソース電極、５はドレイン電極、６，７，８はゲート電極、１１はソース電極４と第１の量子ドット１間に接続されるトンネル接合、１２は第１の量子ドット１と第２の量子ドット２間に接続されるトンネル接合、１３はドレイン電極５と第２の量子ドット２間に接続されるトンネル接合、１４は第１の量子ドット１と第３の量子ドット３間に接続されるトンネル接合、１５はゲート電極６と第１の量子ドット１間に接続されるキャパシタンスによる容量接合、１６はゲート電極７と第２の量子ドット２間に接続されるキャパシタンスによる容量接合、１７は第２の量子ドット２と第３の量子ドット３間に接続されるキャパシタンスによる容量接合、１８はゲート電極８と第３の量子ドット３間に接続されるキャパシタンスによる容量接合である。
【００１４】
このように、クーロンブロッケイド・量子ドットダイオード・整流器（ＱＤＤ／Ｒ）は、量子ドット間の単電子トンネリングにおけるクーロンブロッケイド現象を利用したものである。この量子ドットは、種々のシステム構成ができる小さな人工原子からなっている。ＱＤＤ／Ｒは、図１に示すように、第１の量子ドット１、第２の量子ドット２、第３の量子ドット３の３個の量子ドットからなっている。第１の量子ドット１は、トンネル接合１１を通してソース電極４に接続されている。同様に第１の量子ドット１と第２の量子ドット２はトンネル接合１２で接続されている。第２の量子ドット２はトンネル接合１３でドレイン電極５に接続されている。第３の量子ドット３は、第１の量子ドット１とトンネル接合１４で接続されており、第２の量子ドット２とはキャパシタンスによる容量接合１７のみで接合されている。
【００１５】
トンネル接合と容量接合の物理的差異は、トンネル接合は電子が物理的にある領域から他の領域へ遷移することであり、容量接合は完全な絶縁体であり、電圧のみを遷移させることである。
【００１６】
更に、３つの量子ドット１，２，３とソース電極４、ドレイン電極５系からなるＱＤＤ／Ｒは、各量子ドット１，２，３に静電的ゲート電極が接続されている。各量子ドット１，２，３は各量子ドットの静電的ポテンシャルが調整できる単一のゲート電極６，７，８が隣接接合されている。
【００１７】
次に、ＱＤＤ／Ｒの動作原理について説明する。
【００１８】
ＱＤＤ／Ｒの動作原理は、量子ドットのクーロンブロッケイド現象を利用している。ＱＤＤ／Ｒに隣接接合されているゲート電極のある電圧範囲を印加することにより、３つの量子ドットのアレイの中に１つの電子のみを入れることができるかあるいは電子を全くなくすこともできる。
【００１９】
ある量子ドットに電子が等しく入っている場合と全く入っていない場合の条件は“四重極点”と言われる。四重極点に接続されたゲート電極に、小さな電圧を各々の方向に印加すると、僅かな電流が流れる。
【００２０】
しかしながら、順方向の大きなバイアス電圧に対しては、第３の量子ドット３に入った電子は、そこに留め置かれる（トラップされる）。更に、ＱＤＤ／Ｒアレイに入ってくる電子を妨げようとする。すなわち、電流遮断効果を奏する。
【００２１】
逆方向電圧印加に関しては、第１の量子ドット１から第３の量子ドット３にトンネルする電子は、エネルギー的にみて第３量子ドット３にはトラップされない（留まらない）。しかし、第１の量子ドット１へ流れ戻ることが可能になる。
【００２２】
その結果は、図２のＩ−Ｖ特性に示されている。
【００２３】
デバイスの実現は、以下のように行われる。
【００２４】
ＱＤＤ／Ｒは、様々な物理的システムのなかで実現することができる。例えば、半導体ヘテロ（異種）接合や、微小金属クラスターのアレイを用いて実現することができる。ＱＤＤ／Ｒの特性は、量子ドット自身の容量Ｃを通して量子ドットのサイズに依存している。
【００２５】
量子ドットが小さくなるにしたがって、
▲１▼  量子ドット容量Ｃはより小さくなる。
【００２６】
▲２▼  ダイオードとして振る舞う電圧領域はより広くなる。
【００２７】
▲３▼  動作温度は効率的に増加する。ある温度Ｔｃ以上で、整流特性は無くなる。
【００２８】
この現象は、図２の挿入図として示されている。
【００２９】
ヘテロ構造スプリットゲートデバイス技術を用いた電流を利用することにより、数Ｋ（ケルビン）の温度領域で動作するＱＤＤ／Ｒを作製することが可能である。より小さなデバイス、例えば、金クラスタを用いることにより、室温動作が可能になる。
【００３０】
以下、本発明の具体的実施例を示すＱＤＤ／Ｒについて説明する。
【００３１】
このＱＤＤ／Ｒは、相互作用ダイナミクスの非線形性により、利用可能な状態のＨｉｌｂｅｒｔ空間を縮小することによって素子の固有の非対称性が大幅に高まる。デイスクリートチャージング素子（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｃｈａｒｇｉｎｇｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）は、構造的には混成分子電子整流素子と類似しており、一方、連続チャージング整流素子（ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｃｈａｒｇｉｎｇ  ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）は、人工的分岐を有するポア（イオンチャネル）内のイオン流のモデルに基づくものである。これらの素子は、形式的には、巻数：電流で置き換えられる空間周期性を有するラチェット系と関連している。
【００３２】
ラチェットは、一般に、反転対称性の欠如を主な特徴とするポテンシャルにおいて、非相互作用粒子の拡散または被駆動運動を伴う〔参照文献（１）〕。この「鋸歯状」ポテンシャルに代表されるカイラリティーは、有色ノイズまたはバイアスのない駆動力からエネルギーを取り出し、これによって系の各粒子に有向運動を与える。
【００３３】
ある一定の生化学的状況〔参照文献（２）〕では、一般に反応速度式によって決定される不連続反応座標の有向運動において、類似の「カイラル・ダイナミクス（ｃｈｉｒａｌ  ｄｙｎａｍｉｃｓ）」が見られる。
【００３４】
鋸歯状ポテンシャルにおける量子ブラウン問題〔参照文献（３）〕も、線形論の範囲を超えたとき、有効な個別の反応速度問題（ｒａｔｅ  ｐｒｏｂｌｅｍ）に帰し、この反応速度が準古典的極限におけるトンネリング経路積分によって決定されて、系は熱可逆的な整流を示すことが判明した。
【００３５】
相互作用を単に非明示的にのみ含む反応座標形式を別とすれば、ラチェット系における粒子間の相互作用は、サイト排除モデル（ｓｉｔｅ  ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ  ｍｏｄｅｌｓ）〔参照文献（４）〕、最近接ばね定数相互作用（ｎｅａｒｅｓｔ−ｎｅｉｇｈｂｏｒ  ｓｐｒｉｎｇ  ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ）〔参照文献（５）〕、Ｋｕｒａｍｏｔｏ形相互作用（Ｋｕｒａｍｏｔｏ−ｔｙｐｅ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ）〔参照文献（６）〕、有限サイズのハードコア斥力の研究〔参照文献（７）〕によって扱われてきた。
【００３６】
しかしながら、最近開発されたクーロンブロッケイド形式も、マスター方程式〔参照文献（８）〕について見れば、量子ドット、クラスタおよびアレイの多体状態間の（非干渉性）遷移を示しており、この状態は、（ゲートとリードにかかる電圧の他に）ドットの集合に関する電子の数ｎi によって特定される。さらに、最近では、輸送がチャージング効果によって支配される場合があることが知られているメゾスコピック系の整流効果の研究が活発に行われるようになってきた〔参照文献（９），（１０）〕。
【００３７】
したがって、当然の成り行きとして、単一電荷のクーロン相互作用の物理的性質によって、ラチェット機構やその他の整流機構の特徴である反応速度マトリックス（ｒａｔｅ  ｍａｔｒｉｃｅｓ）のパラメータ依存非対称が生成される系も検討されている。
【００３８】
図３に、原型として、三重ドット（ａ  ｔｒｉｐｌｅ  ｄｏｔ）のＱＤＤ／Ｒを示す。
【００３９】
この構造は、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）ヘテロ構造において容易に実現することができる。相互作用は、容量行列で導入されると好都合であり、輸送は、通常の単一電子トンネル効果形式〔参照文献（８）〕に従って進行する。
【００４０】
図３（Ｃ）は、そのような３ドットの「安定性ダイヤグラム」の一部分を、ソース・ドレインのバイアスがゼロの状態で示す。四重点は、各ドットに余分な電子が１つある状態、すなわち｜1 ＞、｜2 ＞、および｜3 ＞の状態で存在しており、電子ゼロの状態｜0 ＞はすべて互いに縮退している。
【００４１】
各ドットに隣接するゲートを、二重ドット電子ポンプ〔参照文献（１１）〕の動作原理に類似の方式で、この四重点に合わせることができる。温度が十分に低い場合は、クーロン相互作用によって、系の他の状態が抑制される。具体的には、アレイ内に２つの電子が同時に存在することはありえない。
【００４２】
第２の量子ドット２と第３の量子ドット３の間に無限トンネル障壁を配置することによって、これらのドットが容量的に相互作用し続ける場合でも、カイラリティーが導入される〔図３（Ａ）〕。
【００４３】
これら４つの状態の制限されたＨｉｌｂｅｒｔ空間において、系の状態の変化は、マスター方程式１Ｗ＝Γ（Ｖ）ｗで表される。ここで、Ｗは、４つの占有確率（ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎ  ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ）のベクトルであり、遷移行列Γ（Ｖ）の非対角要素は、「全体規則（ｇｌｏｂａｌ  ｒｕｌｅ）」〔参照文献（１２）、（８）〕によって、ｉ，ｊ＝０，１，２，３のとき、γij＝ΔＦij／｛ｅ2 Ｒt 〔ｃｘｐ（βΔＦij）−１〕｝である。
【００４４】
第３の量子ドット３が第１の量子ドット１以外のすべての点から孤立していることは、γ０３＝γ２３＝γ３０＝γ３２＝０であることを意味する。Γ（Ｖ）の対角要素は、同じ列内にある非対角要素の合計を差し引いたものである。系の全体自由エネルギーは、Ｆ＝Ａnmｑn （１／２ｑm −ρm ）−ΔI ＶI であり（和の規約を仮定して）、ΔＦijは、状態ｊから状態ｉへの遷移によるこのエネルギーの変化である。
【００４５】
ここでｑm は、量子ドットｍの過剰電荷であり、ρm は、量子ドットｍのゲート誘導電荷であり、行列Ａnmは、量子ドットだけを連結する（すなわち、リードやゲートを連結しない）容量部分行列の逆数である〔参照文献（１３）〕。また、ＶI は、リード電圧（Ｉ＝１，２）であり、ΔI は、リードＩからアレイへと輸送された総電荷を表す。反転温度はβ＝１／ｋB Ｔであり、ドット間のトンネル抵抗はＲt である。
【００４６】
占有状態｜1 ＞となる確率の安定状態の解は、以下のようになる〔参照文献（１４）〕。
Ｗ1 ＝〔１＋γ３１／γ１３＋｛γ１２γ０１＋γ０２（γ１０＋γ１２）｝／｛γ０２γ２１＋γ０１（γ２０＋γ２１）｝＋｛（γ１０＋γ１２）（γ２０γ１２＋γ１０（γ２０＋γ２１）｝／｛γ１０（γ２０γ１２＋γ１０（γ２０＋γ２１））＋γ２１（γ１０γ０２＋γ１２（γ０１＋γ０２））｝〕-1
また、Ｗ2 ＝−〔γ２１＋（γ２０／γ１０）（γ０１＋γ２１）〕（Ｗ1 ／Ｄ）であることが分かり、ここで、Ｄ≡−（γ２０γ１２／γ１０）−γ０２−γ１２であり、電流は、単純に、Ｉ（Ｖ）＝γ21Ｗ1 ‐γ12Ｗ2 で与えられる。ここで、Ｖ≡Ｖ2 −Ｖ1 である。
【００４７】
最近、Ｌｉｎｋｅら〔参照文献（９）〕は、線形ソース・ドレイン領域の外で、系内の伝達のためにＴ行列に非対称性を導入する２ＤＥＧチャネル内の三角形キャビティの整流挙動について考察した。この矢印型の実験装置は、ＣｅｅｃｈｉとＭａｇｎａｓｃｏ〔参照文献（１５）〕によって紹介されたような（以下を参照）弱い「ヘリンボーン・ラチェット」と類似している。
【００４８】
チャージング効果を含まない場合でも（すなわち、三重ドットを、孤立電子に対する固定ポテンシャル散乱体として扱う場合も）、純粋に量子力学的な一体散乱効果（ｏｎｅ−ｂｏｄｙ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）によって、この装置に整流が生じることになる。
【００４９】
しかしながら、チャージングエネルギーが、温度ｅ2 ／Ｃ≧ｋB Ｔ（Ｃは、典型的な容量）と同等またはそれ以上の場合は、相互作用が優勢になり、三重ドット系において余分な電子が最高でも１つになるように系のＨｉｌｂｅｒｔ空間が縮小されることが分かった。
【００５０】
その結果を以下に示す。
【００５１】
Ｖ＝０の近くでは、エネルギー順位の仮定した縮退によって電流はまだ対称的であり、Ｉ（Ｖ）＝−Ｉ（−Ｖ）〔図４（Ａ）を参照〕である。バイアスが有限の場合、リードと量子ドット間の容量結合によって、この縮退が中断される。
【００５２】
ソース・ドレインの順方向バイアスによって、｜1 ＞よりも｜3 ＞のエネルギーが低くなり、第３の量子ドット３に入る電子が、（ａ）トラップされ、（ｂ）他の電子が第１のドット１に入るのを妨げる。これは、事実上、ブロッケード作用〔参照文献（１６）〕である。
【００５３】
行列Γのバイアス依存の非対称性は、根本的に、電流−電圧対称性を損なう原因であり、Ｔが低いときに、「負性抵抗（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）」〔参照文献（１５）〕となる。ここで、第３の量子ドット３に入る割合を第３の量子ドット３から出る割合で割った値（γ３１／γ１３）＝ｅｘｐ（βΔＦ13）を、「トラッピング率」と定義することができる。ΔＦ13は、ソース電圧Ｖ1 に線形従属しており、ソースと様々な量子ドットとの間の容量によって変調される。このことは、バイアスが反転されたときに「妨害ドット（ｊａｍｍｉｎｇ  ｄｏｔ）」からのトンネリングが有利であることを意味している。この効果は、混成分子電子整流素子〔参照文献（１７）〕の効果と同様であることに注意されたい。
【００５４】
また、不連続なラチェット・モデルの整流〔参照文献（３）〕は、レート行列のパラメータ依存の非対称性によって起こる。
【００５５】
レート方程式は、ポテンシャルの単一期間をモデル化するためにしばしば簡略化され、巻数（このケースでは、ソース・ドレイン電流である）が、ある期間から次の期間に移される粒子をカウントする。
【００５６】
図３（Ｄ）の試作品ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ整流素子の電子構造の詳細な三次元シミュレーションによって、代表的な容量値が得られる。
【００５７】
これらのシミュレーション〔参照文献（１８）〕は、電子構造（ＧａＡｓウェハ・プロファイル、ゲート形状および電圧、ドナー密度、および広いリード領域を含む）の有効質量の局所的密度近似解であり、これは、密度汎関数理論の範囲内で行われる。さらに、ここに示した特定の結果は、２ＤＥＧｘ−ｙ平面における密度が、ｚ平面の密度と分離可能であり、２Ｄのトーマス−フェルミ近似によって与えられると仮定した。
【００５８】
表面より１４０ｎｍ下方に２ＤＥＧ層を、ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ界面より２０ｎｍ上方に密度３．１×１０11ｃｍ-2のドナー層を配置して、半径ｒが〜２００ｎｍの量子ドットを形成する。なお、各量子ドットにはそれぞれ約１５０個の電子が含まれる。量子ドット１個の自己容量は、チャージングエネルギーｅ2 ／Ｃ≒３ｍｅＶのとき、Ｃ≒５×１０-17 Ｆである。量子ドット間の容量は、障壁の厚さによって異なり、一般に、Ｃdd≒０．８×１０-17 Ｆ、すなわち自己容量のほぼ１５％である。これらの容量を用いて、Γにおける自由エネルギーの差を計算することができる。
【００５９】
図２に、定常状態の解によって上記したマスター方程式に与えられる電流を示す。また、この構造〔参照文献（１２），（１９）〕による場合の輸送の完全モンテカルロ（Ｍ−Ｃ）シミュレーションを示すが、この場合、Ｈｉｌｂｅｒｔ空間は、４つの状態だけに限定されない。両方の結果から、Ｖ＝０近傍の線形性とバイアスが大きいときの電流の妨害は明らかであるが、バイアスが十分に大きい場合は、Ｍ−Ｃシミュレーションから、電流が再び増大するのが分かる。このケースでは、バイアスは、系を四重点から引き離すのに十分であり、他の多重電子の荷電状態が利用可能になる。即ち、ブロッケード状態が克服される。
【００６０】
生物系は、ラチェットの科学の最も意味深い応用・用途が見いだされている分野であるが、一般にこの分野に対しては、量子力学的トンネル効果は適用できない。それにも関わらず、ドリフトや拡散によって特徴づけられる連続体系において、単一電荷の相互作用の相関効果が顕著に見られる場合がある。
【００６１】
生物学的イオンチャネル内のイオン流のために最近開発されたモデルでは、バックグラウンドの誘電媒体（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍｅｄｉｕｍ）（即ち、水）〔参照文献（２０）〕中のイオンの静電相互作用の一次元近似値を求めるために、クーロンブロッケード物理学の容量モデルが使用されている。容量アレイモデルの連続極限を利用することができ、それにより得られる方程式は、相互作用している粒子のドリフト拡散処理と等価である。
【００６２】
それにより、ランジュヴァン（Ｌａｎｇｅｖｉｎ）の力、イオン拡散性、ショートレンジのイオン対イオン反発力（「手で」追加された）を含むポアを通るイオン流のブラウン運動が、首尾一貫してシミュレートされた。シミュレーションの計算にかかる時間は、各時間ステップごとに完全な三次元ポアソン方程式を解くモデル〔参照文献（２１）〕よりも大幅に短縮される。
【００６３】
さらに、実際のイオンチャネルのＩ−Ｖ特性のモデル化にかなりの成功を収めた首尾一貫したドリフト拡散の研究結果〔参照文献（２２）〕と対照的に、モデルにはイオン電荷の不連続的性質が含まれ、それにより、ノイズ特性と単一電荷相関効果の処理が可能になる。
【００６４】
ここで、イオンチャネル様の系を使用し、単一電荷の現象によって連続体系において整流を行わせることができることを実証する。
【００６５】
図５（Ａ）に示すように、イオンチャネルに非対称的な分岐を１つ人為的に加える。分岐の端とリードの端との間の有限容量によって、モデルに非対称性が表れる。上記分岐〔参照文献（２３）〕は、生物学的には特に存在する理由のないものであるので、この分岐を別とすればあとは典型的なものであるイオンチャネルの構造から、静電パラメータと輸送パラメータを得る（拡散イオンとしてＮａを使用）〔参照文献（２１）〕〔図５（Ａ）参照〕。
【００６６】
誘電率κＨ2 Ｏ＝８０の誘電体で満たされκprotein ＝２の「タンパク質」によって囲まれた管の中心軸方向の一対の点電荷のクーロン相互作用の近似値を求める容量−長さは通常、Ｃ〜８×１０-20 Ｆｎｍである。地面（アース）に対する容量も含めなければならないが、これらのパラメータの場合、これは極めて小さい。
【００６７】
三重量子ドット・モデルの場合と同様に、上側分岐内へと拡散するイオンは、順方向バイアスでドレイン方向に引き寄せられ、そこでトラップされている間、その後に続くイオンが分岐接合部に近づくのを抑制する。逆方向バイアスでは、前述のイオンが分岐点から外に出るため、イオン流は妨げられない。チャネルの反対端にある２つのイオン間のクーロン相互作用は、約１５ｍｅＶすなわち約１７０Ｋである。Ｔ＝３００Ｋでも、個々の電荷間の反発力が、Ｉ−Ｖ特性に顕著な非対称を生じさせるのに十分な大きさを持つことが分かった〔図５（Ｂ）〕。
【００６８】
一見、非物理的のようであるが、この非対称性はより低い温度の場合に一層著しい。したがって、図５（Ａ）に示す形の「素子」は、揺動ポテンシャルまたは有色ノイズがある場合でも、イオンを逆バイアス方向にポンピングする。この構造は、参照文献〔１５〕において考察されているモデルと構成が似ていることに注意されたい。そのモデルとの主な違いは、粒子間の相互作用により、チャネルの間隙内に単一イオンがトラッピングされることで、他のイオンの流れが妨げられる点である。
【００６９】
ある流動粒子系を考えると、アクセス可能な位相空間は相互作用によって減少する。よって、系に組み込まれる非対称に依存して、一方の方向へのイオンの流れが閉塞または妨害され、同時に反対の方向への流れが妨害されないことが可能になる。本発明では、主にクーロンブロッケードの容量行列形式の範囲内で扱われる粒子間の相互作用によって生じる２つの実現可能な整流挙動だけを考察したが、多くの他の例を開発することができる。
【００７０】
最後の例として、最近、チャージングとパウリの排他原理との組合せによって位相空間ブロッケードを実現するダイオード〔参照文献（２４）〕に関して、非対称性の直列結合量子ドットのスピンブロッケードメカニズムが提案され、その結果、クーロン・スピンブロッケード整流素子とでも呼ばれるべきものが得られた。
【００７１】
以下、各図の詳細な説明をすると、図３の本発明にかかる三重量子ドットＱＤＤ／Ｒの模式図において、図３（Ａ）はトンネル接合部は、漏れのあるキャパシタであって、量子メカニズムの単一電子トンネリングを可能にする。ドット２および３は、容量的に相互作用するが、トンネリングは禁止され、構造を非対称にしている。ソース・ドレインのバイアスがゼロであると仮定すると、ドットに連結された外部ゲートによって、安定した電子構成の調整が可能となる。
【００７２】
図３（Ｂ）は三重量子ドットＱＤＤ／Ｒの各状態間の接続性の説明図であり、状態を文字で定義した。順方向バイアス状態で、レートγ３１がレートγ１３を指数関数的に超えているため、状態｜3 ＞はトラップである。
【００７３】
図３（Ｃ）は三重量子ドットが頂点を示す安定性の図であり、状態｜0 ＞、｜1 ＞、｜2 ＞、｜3 ＞は退縮している。ρｉは、ｉの隣りのゲートの電圧と比例した量子ドットｉ上の誘導電荷である。
【００７４】
図３（Ｄ）は三重量子ドットＱＤＤ／Ｒの表面ゲートパターンモデルを有するＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓの２ＤＥＧヘテロ構造の首尾一貫した電子構造計算によるポテンシャル等高線であり、量子ドットの中心は〜−１０ｍｅＶで、障壁の鞍点は−１４ｍｅＶ。Ｉ−Ｖ計算に使用された全ての容量は、このモデルを用いて決定した。量子ドットとリードの間の容量は、「量子点接触（ｑｕａｎｔｕｍ  ｐｏｉｎｔ  ｃｏｎｔａｃｔ）」の開口部（ゲートのギャップ）を制御するゲートを変調することによって調整可能である。
【００７５】
図４は三重量子ドットＱＤＤ／ＲのＩ−Ｖ特性図であり、順バイアス（Ｖ＞０）方向の電流は、第３の量子ドット３内の電子トラッピングによって強くブロッケードされており、Ｃ＝０．０３８ｆＦ、Ｃdd＝０．０２５ｆＦである。点線は、Ｔ＝０．０５Ｋ（Ｖ＞０の下側の曲線）および４．０Ｋのマスター方程式によるものである。
【００７６】
Ｔ＝０．０５、０．５、１．０、２．０および４．０Ｋ（Ｖ＞０の下から）の実線は、詳細なモンテカルロ・シミュレーションである。電圧によって素子に複数の電荷状態が生じるときには、誤差が生じる。Ｖ＜０の場合は、Ｔによる傾向が逆転する（すなわち、線がＶ＝０で交差する）。
【００７７】
図４の上側の挿入図〔図４（Ａ）〕はＴ＝０．０５Ｋの場合の低電圧領域の詳細図であり、グラフ上の線はマスター方程式、三角形は、モンテカルロである。図４の下側の挿入図〔図４（Ｂ）〕はＣ＝０．０５６ｆＦ、Ｃdd／Ｃ＝１／３．３（実線）、Ｃ＝０．０８３ｆＦ、Ｃdd／Ｃ＝１／３．３（点線）、Ｃ＝０．０８３ｆＦ、Ｃdd／Ｃ＝１／５（破点線）、およびＣ＝０．１６７ｆＦ、Ｃdd／Ｃ＝１／５（破線）のＩ−Ｖ（モンテカルロ）曲線であり、すべてＴ＝０．０５Ｋである。上の３つの曲線は、分かりやすくするために、それぞれ０．１、０．２、０．３ｐＡだけ垂直方向にずらしてある。
【００７８】
図５（Ａ）はチャネル整流素子を分岐する概略図である。
【００７９】
誘電性媒体（水）で満たした生物学的イオンチャネル構造の管に基づいて、分離されたイオンが、一定電位とＶ2 ＝−Ｖ1 において、電気化学的浴の間でブラウン運動を起こす。主チャネル長は３ｎｍ、分岐長さは０．５ｎｍ、チャネルおよび分岐の半径は０．１５ｎｍである。
【００８０】
一次元容量配列を使用してモンテカルロ・シミュレーションの各時間ステップごとに計算した相互作用エネルギーの合計は、κprotein ＝２の媒体で囲まれ誘電体を満たした円筒（誘電率κＨ2 Ｏ＝８０）内の実際の電荷の相互作用に適合するようにモデル化されている〔参照文献（２０）〕。
【００８１】
図５（Ｂ）はＶ＝０．３ｍＶにおいて下から、０．７５、１．５、３および６×１０6 の時間ステップの応答を使用してＴ＝１５０、２００、および３００ＫにおけるＭＣシミュレーションから得られたＩ−Ｖ特性図である。
【００８２】
一番上の曲線（一点鎖線）は、Ｔ＝３００Ｋの場合のＶ＜０１Ｖの線形外插である。質量ｎｍ＝３．８×１０-23 ｇｍ、半径ｒNa＝０．０９５ｎｍ、拡散係数ＤNa＝１．３×１０-5ｃｍ2 ｓ-1〔参照文献（２１）〕を含むナトリウム・イオンのパラメータを使用した。
【００８３】
図５（Ｂ）の挿入図は、上の曲線と同じ順序で電流をその鏡像に追加したものであり、室温条件でも整流を示している（一番上の破線はゼロ）。
【００８４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００８５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００８６】
（Ａ）量子ドット間の単電子トンネリングにおけるクーロンブロッケイド現象を利用することにより、ある電圧範囲内で電流の整流作用を持たせることができるクーロンブロッケイド・量子ドットダイオード型整流器を提供することができる。
【００８７】
（Ｂ）ヘテロ構造スプリットゲートデバイス技術を用いた電流を利用することにより、数Ｋ（ケルビン）の温度領域で動作させることができる。
【００８８】
（Ｃ）より小さなデバイス、例えば、金クラスタを用いることにより、室温動作が可能なデバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すクーロンブロッケイド・量子ドットダイオード型整流器（ＱＤＤ／Ｒ）の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示すクーロンブロッケイド・量子ドットダイオード型整流器（ＱＤＤ／Ｒ）のＩ−Ｖ特性図である。
【図３】本発明にかかる三重量子ドットのＱＤＤ／Ｒの模式図である。
【図４】三重量子ドットＱＤＤ／ＲのＩ−Ｖ特性図である。
【図５】チャネル整流素子を示す図である。
【符号の説明】
１    第１の量子ドット
２    第２の量子ドット
３    第３の量子ドット
４    ソース電極
５    ドレイン電極
６，７，８    ゲート電極
１１，１２，１３，１４    トンネル接合
１５，１６，１７，１８    容量接合
【図１】
0004249430.tif 000005
【図２】
0004249430.tif 000006
【図３】
0004249430.tif 000007
【図４】
0004249430.tif 000008
【図５】
0004249430.tif 000009