(57)【要約】【課題】単電子トンネリングは構造自体が本質的に小さく、高密度集積化に適しているが、クーロン島の大きさをナノメートルサイズ迄小さくして集積させ、更に室温で作動させる必要がある。現在、単電子トンネリングとしての室温動作の研究報告はなされているが、集積化(セル化)には至っていない。すなわち、多くの単電子トランジスタを微細な細線を用いて結ぶことは、従来の技術では不可能である。【解決手段】水素を含有した結晶合金および非晶質合金において、金属結晶多面体間もしくは金属クラスター間に侵入固溶した水素原子が、隣接する金属多面体間もしくは金属クラスター間の水素原子と、金属多面体もしくは金属クラスター間構成原子の伝導島を介してプロトンとして量子ドットトンネリングする集積微細構造(セル)を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有した結晶合金および非晶質合金において、金属結晶多面体間もしくは金属クラスター間に侵入固溶した水素原子が、隣接する金属多面体間もしくは金属クラスター間の水素原子と、金属多面体もしくは金属クラスター間構成原子の伝導島を介してプロトンとして量子ドットトンネリングする集積微細構造を有することを、特徴とする量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金。
【請求項２】
前記合金の構成元素として、水素に対する親和性が強い元素と親和性のない元素とから成ることを、特徴とする請求項１記載の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金。
【請求項３】
前記非晶質合金は、前記金属クラスター間に原子空孔が均一に分布していることを、特徴とする請求項１記載の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金。
【請求項４】
前記プロトンの量子ドットリングが極低温から５００℃迄作動可能であることを、特徴とする請求項１、２または３記載の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金。
【請求項５】
直流／交流増幅作用があることを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金。
【請求項６】
交流からの整流作用が可能であることを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金。
【請求項７】
極性の切替えによりスイッチング作用を持つ素子となりうることを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金。
【請求項８】
量子ドット間に生じる近接効果を利用して信号処理、画像処理、記憶処理、レーザー発振を行う素子となりうること、更にその応用としてエレクトロルミネッセンスやフォトルミネッセンスの出現を可能とすることを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金。
【請求項９】
従来型トランジスタとの混成回路もしくは層状多層サンドウィチ構造を形成可能であることを、特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属アモルファスを含む合金中にプロトンによる量子ドットの集積微細構造(セル)を自己組織的に形成させ、直流／交流増幅作用、交流からの整流作用、スイッチング作用、信号処理等が可能で、しかも従来素子との混成回路もしくは多層構造素子としたとき、常温及びそれ以上の温度で作動可能となることを実現させた、量子ドットトンネリングする集積微細構造（セル）である合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンを基盤とした半導体デバイスとそれを利用したコンピュータは、ムーアの法則に乗って急速なる発展を遂げてきた。しかし、従来のトランジスタは、１〜１０万個の電子からなる「電流」によって作動するため、その微細化によるデバイスの動作上の問題点と、集積度の向上に伴う発熱及びノイズの問題点とから、限界が近づいている。これを克服する一つの方法として、従来の集積回路に使われているトランジスタとは異なり、単一の電子もしくは原子で作動する新しい動作原理に基づくデバイス・システム及びその集積化が必要である。
【０００３】
単電子もしくは原子で作動するデバイス・システムの集積回路ができれば、従来の集積回路と較べて消費電力が１０万分の１程度まで減少でき、動作限界が緩和され、発熱による集積回路不能の問題も回避できる。
【０００４】
単電子作動のデバイス・システムは、クーロンブロッケイドと呼ばれ、単電子固有の新しい作動原理に基づいて機能する。この現象は、金属または半導体の物質サイズがナノサイズにまで小さくなると現れる量子効果の現象である。ナノメートルスケールサイズの金属または半導体（別名クーロン島）では、ナノメータの間隙（別名トンネルギャップ）で電極を繋いだ場合、電子の移動は阻止（ブロック）され、電極にある一定以上の電圧を負荷したときのみ、電子は電極からトンネリング現象によってこれらの島に移動する（例えば、非特許文献１参照）。プロトントンネリングは原子のトンネリングであり、その場合、電荷は＋１なので、極性は正反対となる。又、原子トンネリングでは、トンネル効果によるリーク電流の発生に伴い作動しなくなる、従来の半導体素子で生ずる欠点を克服することができる。
【０００５】
単電子トンネリングは、構造自体が本質的に小さく、高密度集積化に適しているが、クーロン島の大きさをナノメートルサイズ迄小さくして集積させ、更に室温で作動させる必要がある。現在、単電子トンネリングとしての室温動作の研究報告はなされている（例えば、非特許文献２参照）が、集積化(セル化)には至っていない。すなわち、多くの単電子トランジスタを微細な細線を用いて結ぶことは、従来の技術では不可能である。
【０００６】
このような従来技術の実情に鑑み、本発明者等は、予備研究として、低温ではあるが非晶質合金において、直流／交流増幅作用を発表している（例えば、非特許文献３参照）。
【０００７】
【非特許文献１】T.A.Fulton and G.J.Dolan, “Observation of Single-Electron Charging Effects in Small Tunnel Junctions”, Phys.Rev..Lett., 1987, 90, p.109-112
【非特許文献２】H.W.ChPostma, T.Teepen, Z.Yao, M.Crifoni and C.Dekker, “Carbon Nanotube Single-Electron Transisters at Room Temperature”, Science, 2001, 293, July 6, p.76
【非特許文献３】M.Fukuhara, A.Kawashima, S.Yamaura and A.Inoue, “Coulomb oscillation of a proton in a Ni-Nb-Zr-H glassy alloy with multiple junctions”, Appl.Phys.Lett., 2007, 90, p.203111
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、非特許文献３に記載の研究を更に発展させ、常温以上の温度において、金属アモルファスを含む合金の中に量子ドット集積微細構造(セル)を自己組織化的に形成させた集積微細組織(セル)を持つ、量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金を提供することを目的としている。
【０００９】
なお、金属アモルファスを含む合金は、四面体、八面体、十二面体、二十面体等の金属多面体構造、金属クラスター及びその派生構造の組み合わせから、部分的もしくは全面的に構成されている。これらの合金に水素原子が吸収される時、水素原子は金属多面体内もしくは金属クラスター内に侵入固溶される。その固溶限は水素原子との親和性がある元素によって異なるものの、水素原子が最大固溶限界まで固溶した組織は、ナノオーダーの均一な組織ネットワーク構造が系全体に作成されている理想的なナノマテリアルとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、新たな発想のもとに鋭意研究を行い、金属アモルファスを含む合金に電気分解やイオン注入法、ガス浸透法のような種々の方法により水素をチャージさせるという方法によって、本発明を完成することに至った。
【００１１】
本発明に係る量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金は、水素を含有した結晶合金および非晶質合金において、金属結晶多面体間もしくは金属クラスター間に侵入固溶した水素原子が、隣接する金属多面体間もしくは金属クラスター間の水素原子と、金属多面体もしくは金属クラスター間構成原子の伝導島を介してプロトンとして量子ドットトンネリングする集積微細構造を有することを、特徴とする。
【００１２】
この場合、金属アモルファスを含む合金には、水素との親和性が良い金属元素および親和性のない金属元素の両方を使用することが大事であり、かつ水素原子を侵入個溶する均一サイズの金属多面体構造もしくは金属クラスターから構成されていることが必要である。さらには、金属多面体構造もしくは金属クラスター間にナノスケールサイズの原子空孔が均一に分布していることも、欠かすことの出来ない条件である。
【００１３】
量子ドット現象の発生温度は、水素原子との親和性の高い金属元素の量によって制御できるので、各種の用途に応じて構成元素の種類とその組成は変化させねばならない。
【００１４】
さらに、量子ドット現象の感度は、親和性の高い金属元素と水素原子との比によって変動するため、用途に応じて選定が重要になる。例えば、四面体構造もしくは四面体金属クラスターの場合、金属元素対水素原子の比は４：１、八面体の場合、８：１が好ましい。
【００１５】
本発明に係る量子ドットトンネリングする均一サイズセルの集積微細構造である合金は、前記プロトンの量子ドットリングが極低温から５００℃迄作動可能であることが好ましい。また、直流／交流増幅作用があること、交流からの整流作用が可能であること、極性の切替えによりスイッチング作用を持つ素子となりうること、または、均一サイズの縦横に並んだ量子ドット間に生じる近接効果を利用して信号処理、画像処理、記憶処理、更には量子ドットアレイの活性層を持つ素子においてレーザー発振させることも可能となる。量子ドットレーザーでは、電気を光に変える「エレクトロルミネッセンス」や、ある波長の可視光を照射すると別の波長の光を放出する「フォトルミネッセンス」と呼ばれる現象を起こさせること、さらに、従来型トランジスタとの混成回路もしくは層状多層サンドウィチ構造を形成可能であることが好ましく、結晶質合金および非晶質合金であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
これらの集積微細構造（量子ドット集積構造）を用いると、配線がなくトンネル電流の漏洩もないことより電子輸送の機能化を最大限に利用できるので、情報処理を行う超高速集積・極低電力システムとなりうる。なお、従来の回路との混成回路や多層サンドイッチ構造による他機能との融合も可能である。
【００１７】
本発明の金属多面体構造もしくは金属クラスターネットワーク組織は、均一サイズの縦横に並んだ規則正しい構造なので細線ネットワーク配線も兼ねており、かつ個々の分岐スイッチにはソース・ドレイン電極がないので、配線の問題が起きず、高密度集積化に適している。
【００１８】
本発明の合金は、配線のない理想的なネットワーク組織をしているので、単電子（プロトン）の近接相互作用によって作動する量子ドットセルオートマトンになっている。平行に並んだセルオートマトンにおいて、各セル間では隣接するセルからの静電力は働くが、電子のトンネリングは起こらず、また配線同士のクロストークも回避でき、従来の半導体集積回路の欠点が完全に克服できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明における各種金属組成の薄膜の作成方法、水素チャージ方法およびその結果としての金属元素：水素原子比、金属多面体構造もしくはクラスターの種類を、各種合金について述べ、それらを用いてその実施例を説明する。
【００２０】
Ar雰囲気下、任意の組成にアーク溶解した合金インゴットから、炉冷もしくは冷却速度〜106m/sの単ロール液体急冷法にて、幅1mm、厚さ20μmのリボン状試料を作成した。水素のチャージは、常温下、0.5M  H2SO4に1.4g/lチオ尿素を添加した溶液中で、電流密度200A/m2の条件で行った。ガスチャージ法は、200〜300℃、一気圧の水素雰囲気中、１時間の条件で行った。表１には、各種材料の組成と（M+H）/H比（金属／水素原子比）、水素チャージ法、クラスターの種類を示してある。水素の定量は、不活性ガス搬送熱伝導度法によった。水素チャージにより金属多面体構造、金属クラスター間に自己組織化的に水素が固溶し、〜0．5at．％の自由体積（原子空孔）を有する集積微細構造(セル)が作成できる。なお、本発明が適用される材料は、上記請求項において包含される全ての金属元素が対象であり、表１に記載された材料に限定されるものではない。
【００２１】
【表１】
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【実施例１】
【００２２】
表１中の番号2の試料を用いて、直流下1mAでの四端子法による常温下の電圧抵抗測定における直流／交流増幅作用の実験回路と、その測定結果（周波数スペクトラム）を、各々図１および図２に示す。図２に示すように、プロトンの周波数543kHzに近似した560kHzを示し、直流／交流増幅作用の結果を示している。今まで半導体でしか成しえなかった直流／交流増幅作用が、非晶質合金で出現された例である。
【実施例２】
【００２３】
表１中の試料番号３を用いて、図３に示すように、変形MOS型の単電子(プロトン)整流素子を作成した。ゲート電極に負の電圧をかけると、ドット内のエネルギー準位が動き、ドットに入射したプロトンのエネルギーが離散エネルギーに等しいときだけ電流が流れる。ゲート電極の極性を変えると電流は流れないので、スイッチング作用を持つ素子となりうる。
【実施例３】
【００２４】
例えば、表１中の試料番号２，４，６，８のように、水素との親和性の高いZr、Ti、Pdを適切量選択することによって、常温〜５００℃迄の量子ドット現象の出現も可能となった。
【実施例４】
【００２５】
量子ドット集積構造で情報処理を行うための手法として、量子ドット間の電子相互作用を利用したセルオートマトンシステムがある。これは、図４に示すように、分散形の情報処理システムの一種であり、近接相互作用を行う請求項１〜４の集積微細構造（セル；演算要素）をマトリックス配列した構造をもつ。セルオートマトンは、並列画像処理と適合性の良いシステムであり、セル状態の遷移規則（相互作用ルール）を適切に設定することで、種々の画像状態処理も可能である。
【００２６】
量子ドットトンネリングする集積微細構造(セル)である結晶及び非晶質合金と従来のシリコン集積回路とで同一チップ上に混成回路を形成させたり、層状多層サンドウィチ構造を形成させたりすることにより、次世代の橋渡しとして過渡的な使用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金（非晶質合金(Ni36Nb24Zr40)89H11）の、四端子法による常温下の電圧抵抗測定回路を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金（非晶質合金(Ni36Nb24Zr40)89H11）の、直流／交流増幅作用の測定結果を示す周波数スベクトラムである。
【図３】本発明の実施の形態の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金を使用した、変形MOS型の単電子(プロトン)整流作用素子を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態の量子ドットトンネリングする集積微細構造である合金を使用した、セルオートマトンの構成概念を示す平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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