JP3125332B2 - 量子ドットトンネル素子とそれを用いた情報処理装置及び情報処理方法 - Google Patents
量子ドットトンネル素子とそれを用いた情報処理装置及び情報処理方法Info
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- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
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- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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- G—PHYSICS
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- G—PHYSICS
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- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電子を空間的に閉じ込め
るための量子ドットを形成した量子ドットトンネル素子
に関する。
るための量子ドットを形成した量子ドットトンネル素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在のＶＬＳＩ技術では配線技術が不可
欠であり、集積度が高くなるにつれて、配線の占める割
合が増大する。このように配線の占有率が高くなったき
た場合には、逆に処理速度が制限されてしまう。そこ
で、金属膜や導電膜による配線ではなく、光を用いた配
線による集積回路も考えられており、３次元化した集積
回路の間の信号の交換を光エネルギーによって行う装置
も存在する（例えば、「Design of 4-kbit×4-Layer Op
tically Coupled Three-Dimensional Common Memory fo
r Parallel Processor System 」，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲ
ＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩ
ＴＳ，ＶＯＬ．２５，Ｎｏ，１，ＦＥＢＲＵＲＹ １９
９０，第１１頁〜第１８頁参照。）。
欠であり、集積度が高くなるにつれて、配線の占める割
合が増大する。このように配線の占有率が高くなったき
た場合には、逆に処理速度が制限されてしまう。そこ
で、金属膜や導電膜による配線ではなく、光を用いた配
線による集積回路も考えられており、３次元化した集積
回路の間の信号の交換を光エネルギーによって行う装置
も存在する（例えば、「Design of 4-kbit×4-Layer Op
tically Coupled Three-Dimensional Common Memory fo
r Parallel Processor System 」，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲ
ＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩ
ＴＳ，ＶＯＬ．２５，Ｎｏ，１，ＦＥＢＲＵＲＹ １９
９０，第１１頁〜第１８頁参照。）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、光配線によ
る集積回路（ＯＥＩＣ）等であっても、基本的な回路構
成は従来の回路構成の延長上にあり、ハードウエアの一
部で高速動作の機能を示すに過ぎない。例えば関数論や
流体力学の基本的な問題を数値計算により解く場合で
は、差分法やモンテカルロ法によるアルゴリズムを用い
ても、計算量が大きくて収束しない場合もあり、その計
算能力には限界がある。
る集積回路（ＯＥＩＣ）等であっても、基本的な回路構
成は従来の回路構成の延長上にあり、ハードウエアの一
部で高速動作の機能を示すに過ぎない。例えば関数論や
流体力学の基本的な問題を数値計算により解く場合で
は、差分法やモンテカルロ法によるアルゴリズムを用い
ても、計算量が大きくて収束しない場合もあり、その計
算能力には限界がある。
【０００４】そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑
み、従来の情報処理能力に比べて革新的な処理速度と正
確度をもった新規なメゾスコピックエレクトロニクス素
子とそれを用いた情報処理装置及び情報処理方法の提供
を目的とする。
み、従来の情報処理能力に比べて革新的な処理速度と正
確度をもった新規なメゾスコピックエレクトロニクス素
子とそれを用いた情報処理装置及び情報処理方法の提供
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明の素子は、量子効果を応用した量子ドットトンネル
素子であり、電子を空間的に閉じ込める複数の量子ドッ
トを該量子ドット相互のトンネル遷移確率が所定の情報
処理に対応してなる位置及び形状に形成し、前記量子ド
ットにおける電子の空間的分布によって前記情報処理を
行うことを特徴とする。前記量子ドットは、電子の量子
的閉じ込め効果が得られるサイズの領域であり、例え
ば、量子力学的な電子波長程度に区切られた領域であ
る。所定の情報処理とは、具体的には、数値計算，制
御，問題解決，パターン認識，言語理解，推論処理など
の各種の情報処理が適応でき、より具体的には、微分方
程式に解を求めることが可能な高度な計算処理、例えば
天気予報や、拡散方程式等にも適用可能である。前記情
報処理に対応した位置は、適用される情報処理の内容に
よって異なるものであるが、その情報処理のアルゴリズ
ム中の微分方程式等を量子ドット間の結合に対応させる
ことで位置が決まる。量子ドット間の結合、ここではト
ンネルにより電子が移動するために量子ドット間のトン
ネル遷移確率は、一般に両者の距離や形状に依存する。
従って、適用される情報処理の内容によって量子ドット
の形状やドット間の距離を決めれば良い。すなわち、例
えば、ある関数の微分方程式を計算機を用いて解く場
合、空間を差分化し各セルに分割し、あるセルにおける
関数の値と周囲のセルにおける関数の値とがどのような
関係にあるのかを記述して、逐次的に計算処理を行うの
が一般的であり、周知のことである。そこで、本願発明
においては、例えば、関数の値を量子ドットにおける電
子の有無によって、また、各セルにおける関数の値と周
囲のセルにおける関数の値の関係を量子ドットの位置関
係によって表現するものである。
発明の素子は、量子効果を応用した量子ドットトンネル
素子であり、電子を空間的に閉じ込める複数の量子ドッ
トを該量子ドット相互のトンネル遷移確率が所定の情報
処理に対応してなる位置及び形状に形成し、前記量子ド
ットにおける電子の空間的分布によって前記情報処理を
行うことを特徴とする。前記量子ドットは、電子の量子
的閉じ込め効果が得られるサイズの領域であり、例え
ば、量子力学的な電子波長程度に区切られた領域であ
る。所定の情報処理とは、具体的には、数値計算，制
御，問題解決，パターン認識，言語理解，推論処理など
の各種の情報処理が適応でき、より具体的には、微分方
程式に解を求めることが可能な高度な計算処理、例えば
天気予報や、拡散方程式等にも適用可能である。前記情
報処理に対応した位置は、適用される情報処理の内容に
よって異なるものであるが、その情報処理のアルゴリズ
ム中の微分方程式等を量子ドット間の結合に対応させる
ことで位置が決まる。量子ドット間の結合、ここではト
ンネルにより電子が移動するために量子ドット間のトン
ネル遷移確率は、一般に両者の距離や形状に依存する。
従って、適用される情報処理の内容によって量子ドット
の形状やドット間の距離を決めれば良い。すなわち、例
えば、ある関数の微分方程式を計算機を用いて解く場
合、空間を差分化し各セルに分割し、あるセルにおける
関数の値と周囲のセルにおける関数の値とがどのような
関係にあるのかを記述して、逐次的に計算処理を行うの
が一般的であり、周知のことである。そこで、本願発明
においては、例えば、関数の値を量子ドットにおける電
子の有無によって、また、各セルにおける関数の値と周
囲のセルにおける関数の値の関係を量子ドットの位置関
係によって表現するものである。
【０００６】また、本発明の量子ドットトンネル素子を
用いた情報処理装置及び情報処理方法では、前述の本発
明にかかる量子ドットトンネル素子と、前記量子ドット
トンネル素子に対して光を照射することによりデータ入
力を行うデータ入力手段と、前記量子ドットトンネル素
子の電子の空間的分布を検出してデータ出力を行うデー
タ出力手段を有し、前記素子の量子ドットに光を照射し
てデータ入力を行い、電子のトンネル遷移の後、前記量
子ドットの電子の空間的分布を検出してデータ出力を行
うことを特徴とする。
用いた情報処理装置及び情報処理方法では、前述の本発
明にかかる量子ドットトンネル素子と、前記量子ドット
トンネル素子に対して光を照射することによりデータ入
力を行うデータ入力手段と、前記量子ドットトンネル素
子の電子の空間的分布を検出してデータ出力を行うデー
タ出力手段を有し、前記素子の量子ドットに光を照射し
てデータ入力を行い、電子のトンネル遷移の後、前記量
子ドットの電子の空間的分布を検出してデータ出力を行
うことを特徴とする。
【０００７】ここで、前記データ出力手段についても光
の照射を利用することができ、例えばデータ入力手段と
データ出力手段では、異なる波長の光を用いることで区
別可能である。
の照射を利用することができ、例えばデータ入力手段と
データ出力手段では、異なる波長の光を用いることで区
別可能である。
【０００８】
【作用】本発明の量子ドットトンネル素子によれば、情
報処理が量子ドット間のトンネル遷移によって進められ
ることになり、従来にはない画期的な高速かつ高精度の
処理がなされる。すなわち、量子ドット間の結合は、所
定の情報処理に沿ったアルゴリズムと等価とされ、これ
ら量子ドット間の電子のトンネル遷移がコンピューター
のプログラムの実行に該当する。量子ドット間のトンネ
ル遷移は、波動工学的に厳密な精度を以てなされること
から、極めて高い精度の情報処理が可能となる。また、
トンネル遷移による電子の空間的分布は並列処理である
ため、演算速度も高速化する。言うまでもないが、本発
明の素子では、配線等がないために動作の遅延等の問題
も生じない。
報処理が量子ドット間のトンネル遷移によって進められ
ることになり、従来にはない画期的な高速かつ高精度の
処理がなされる。すなわち、量子ドット間の結合は、所
定の情報処理に沿ったアルゴリズムと等価とされ、これ
ら量子ドット間の電子のトンネル遷移がコンピューター
のプログラムの実行に該当する。量子ドット間のトンネ
ル遷移は、波動工学的に厳密な精度を以てなされること
から、極めて高い精度の情報処理が可能となる。また、
トンネル遷移による電子の空間的分布は並列処理である
ため、演算速度も高速化する。言うまでもないが、本発
明の素子では、配線等がないために動作の遅延等の問題
も生じない。
【０００９】データ入力手段については、光の照射を利
用し、素子の一部の領域を局所的に照射して、その被照
射領域の電子が量子ドット内の量子化された準位に励起
される。これが一般のコンピューターのデータ入力に対
応する。この時、同時に発生する正孔は電界を加えて抜
き取れば良い。また、データ出力手段は、電子の空間的
分布を検出するものであり、一例として、光の照射を用
いる場合には、データ入力の如きバンドギャップ程度の
ものではなく、例えば基底準位から第１励起準位程度の
エネルギー差に対応した低エネルギーの光を用い、その
光吸収により電子の分布を検出する。
用し、素子の一部の領域を局所的に照射して、その被照
射領域の電子が量子ドット内の量子化された準位に励起
される。これが一般のコンピューターのデータ入力に対
応する。この時、同時に発生する正孔は電界を加えて抜
き取れば良い。また、データ出力手段は、電子の空間的
分布を検出するものであり、一例として、光の照射を用
いる場合には、データ入力の如きバンドギャップ程度の
ものではなく、例えば基底準位から第１励起準位程度の
エネルギー差に対応した低エネルギーの光を用い、その
光吸収により電子の分布を検出する。
【００１０】
【実施例】本発明の好適な実施例を図面を参照しながら
説明する。
説明する。
【００１１】まず、本実施例の量子ドットトンネル素子
の各量子ドットについて図１を参照しながら説明する。
各量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,…，ＱＤi+9 は、それぞれ
電子ｅを閉じ込めるサイズすなわち電子の量子力学的波
長程度の大きさで形成されており、それぞれ円筒形の形
状を有する。ここでは各量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,…，
ＱＤi+9 は、円筒形状であるが、他の形状、例えば方形
状や矩形状のものや円錐や角錐状のもの等でも良い。ま
た、各量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,…，ＱＤi+9 は、同一
サイズであるが、各量子ドットは異なるサイズや形状を
有していても良い。これら各量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,
…，ＱＤi+9 は、例えば半導体特に化合物半導体などに
より形成される。量子ドットの構成材料は、後述するよ
うにデータの入出力の波長との関係から選択するように
しても良い。
の各量子ドットについて図１を参照しながら説明する。
各量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,…，ＱＤi+9 は、それぞれ
電子ｅを閉じ込めるサイズすなわち電子の量子力学的波
長程度の大きさで形成されており、それぞれ円筒形の形
状を有する。ここでは各量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,…，
ＱＤi+9 は、円筒形状であるが、他の形状、例えば方形
状や矩形状のものや円錐や角錐状のもの等でも良い。ま
た、各量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,…，ＱＤi+9 は、同一
サイズであるが、各量子ドットは異なるサイズや形状を
有していても良い。これら各量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,
…，ＱＤi+9 は、例えば半導体特に化合物半導体などに
より形成される。量子ドットの構成材料は、後述するよ
うにデータの入出力の波長との関係から選択するように
しても良い。
【００１２】これらの各量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,…，
ＱＤi+9 は、それぞれ単数若しくはそれ以上の他の量子
ドットに近接配置される。これら量子ドットＱＤi,ＱＤ
i+1,…，ＱＤi+9 の近接配置される距離は、波動関数が
重なる距離であり、トンネル遷移確率が存在する距離で
ある。或る量子ドットＱＤx は１つの他の量子ドットＱ
Ｄx+1 にしか近接配置されないが、また、他の或る量子
ドットＱＤz は、複数の量子ドットＱＤz+1,ＱＤz+2,…
に近接配置されると言ったようなアレイを全体では構成
する。本実施例では、量子ドット間の距離は平面内の距
離であるが、３次元的な距離でも良い。図１では、２つ
の量子ドット間の遷移確率をΦで示し、例えば量子ドッ
トＱＤi,ＱＤi+1 の間の遷移確率はΦi,i+1 としてい
る。この遷移確率Φは波動関数の二乗に依存する。電子
の１つの量子ドットから他の量子ドットへの遷移を考え
た場合、その電子の流れは電子数と遷移確率Φの積で表
すことができる。
ＱＤi+9 は、それぞれ単数若しくはそれ以上の他の量子
ドットに近接配置される。これら量子ドットＱＤi,ＱＤ
i+1,…，ＱＤi+9 の近接配置される距離は、波動関数が
重なる距離であり、トンネル遷移確率が存在する距離で
ある。或る量子ドットＱＤx は１つの他の量子ドットＱ
Ｄx+1 にしか近接配置されないが、また、他の或る量子
ドットＱＤz は、複数の量子ドットＱＤz+1,ＱＤz+2,…
に近接配置されると言ったようなアレイを全体では構成
する。本実施例では、量子ドット間の距離は平面内の距
離であるが、３次元的な距離でも良い。図１では、２つ
の量子ドット間の遷移確率をΦで示し、例えば量子ドッ
トＱＤi,ＱＤi+1 の間の遷移確率はΦi,i+1 としてい
る。この遷移確率Φは波動関数の二乗に依存する。電子
の１つの量子ドットから他の量子ドットへの遷移を考え
た場合、その電子の流れは電子数と遷移確率Φの積で表
すことができる。
【００１３】このような量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,…，
ＱＤi+9 のアレイは、１つの情報処理のためのシステム
を構成する。この素子では、量子ドット間の遷移確率Φ
を局所的にシステムのアルゴリズムに則した微分方程式
に従わせる。量子ドット間の結合の非線型な部分はクー
ロン相互作用により実現できる。その結果、電子は量子
ドット間を遷移確率Φに従ってトンネル遷移し、前記情
報処理の微分方程式に従って電子の空間的な分布が変化
して行く。例えば、当該量子ドットトンネル素子が或る
拡散方程式を解くための素子すなわち一種のシミュレー
ションエンジンである場合、各量子ドット間の結合が拡
散方程式に従ったものとされ、拡散現象の初期値として
或る単数若しくは複数の量子ドットに対して電子が供給
或いは励起され、その電子の空間的な分布を電子のトン
ネル遷移の後で検出することで、拡散方程式に従った拡
散現象のシミュレーションが行われることになる。本実
施例の量子ドットトンネル素子では、各量子ドットＱＤ
i,ＱＤi+1,…，ＱＤi+9 が複合的に配置されるため、本
実施例の素子は順序回路（sequential circuit）を構成
する。同時に複数の要素を取り扱うこともできる。
ＱＤi+9 のアレイは、１つの情報処理のためのシステム
を構成する。この素子では、量子ドット間の遷移確率Φ
を局所的にシステムのアルゴリズムに則した微分方程式
に従わせる。量子ドット間の結合の非線型な部分はクー
ロン相互作用により実現できる。その結果、電子は量子
ドット間を遷移確率Φに従ってトンネル遷移し、前記情
報処理の微分方程式に従って電子の空間的な分布が変化
して行く。例えば、当該量子ドットトンネル素子が或る
拡散方程式を解くための素子すなわち一種のシミュレー
ションエンジンである場合、各量子ドット間の結合が拡
散方程式に従ったものとされ、拡散現象の初期値として
或る単数若しくは複数の量子ドットに対して電子が供給
或いは励起され、その電子の空間的な分布を電子のトン
ネル遷移の後で検出することで、拡散方程式に従った拡
散現象のシミュレーションが行われることになる。本実
施例の量子ドットトンネル素子では、各量子ドットＱＤ
i,ＱＤi+1,…，ＱＤi+9 が複合的に配置されるため、本
実施例の素子は順序回路（sequential circuit）を構成
する。同時に複数の要素を取り扱うこともできる。
【００１４】このような量子ドットＱＤi,ＱＤi+1,…を
用いた量子ドットトンネル素子では、量子ドット間のト
ンネル遷移は波動関数により精密に計算でき、極めて正
確なデータを得ることができる。量子ドットの数を多数
とすることで、量子ドット間の結合を大規模化すること
ができ、誤差を小さくしながら高精度化を図ることがで
きる。電子の分布の遷移は、配線等を必要としないた
め、配線抵抗に影響されない。また、処理は並列処理と
なるために高速化できる。さらに室温動作も可能であ
る。
用いた量子ドットトンネル素子では、量子ドット間のト
ンネル遷移は波動関数により精密に計算でき、極めて正
確なデータを得ることができる。量子ドットの数を多数
とすることで、量子ドット間の結合を大規模化すること
ができ、誤差を小さくしながら高精度化を図ることがで
きる。電子の分布の遷移は、配線等を必要としないた
め、配線抵抗に影響されない。また、処理は並列処理と
なるために高速化できる。さらに室温動作も可能であ
る。
【００１５】さらに、コンピューターと比較した場合で
は、ソフトウエアの機能を量子ドット間の結合自体が果
たすため、従来にはない画期的な情報処理が実現され
る。
は、ソフトウエアの機能を量子ドット間の結合自体が果
たすため、従来にはない画期的な情報処理が実現され
る。
【００１６】次に、図２と図４を参照して、本実施例の
量子ドットトンネル素子へのデータ入力について説明す
る。
量子ドットトンネル素子へのデータ入力について説明す
る。
【００１７】図２は本実施例の量子ドットトンネル素子
の量子ドットアレイ１を示しており、図２中、●（黒
丸）は電子の存在する量子ドットを示し、同図中、○
（白丸）は電子の存在しない量子ドットを模式的に示
す。各量子ドットのサイズＳは電子の量子力学的波長程
度であり、量子ドット間の距離Ｄは遷移確率に対応した
距離である。サイズＳ，距離Ｄ共に十〜百Åオーダー程
度の値を有する。このようなアレイ１に対して、データ
入力の際には、図２中太い矢印で示すように局所的に光
（ｈν）が照射される。この光は、特に波長が１ミクロ
ン程度のものとされ、レーザー等により生成される。
の量子ドットアレイ１を示しており、図２中、●（黒
丸）は電子の存在する量子ドットを示し、同図中、○
（白丸）は電子の存在しない量子ドットを模式的に示
す。各量子ドットのサイズＳは電子の量子力学的波長程
度であり、量子ドット間の距離Ｄは遷移確率に対応した
距離である。サイズＳ，距離Ｄ共に十〜百Åオーダー程
度の値を有する。このようなアレイ１に対して、データ
入力の際には、図２中太い矢印で示すように局所的に光
（ｈν）が照射される。この光は、特に波長が１ミクロ
ン程度のものとされ、レーザー等により生成される。
【００１８】このようにデータ入力のために光が照射さ
れ、照射された領域２にかかる各量子ドットでは電子が
励起される。図４はその書き込み時の状態を模式的に示
したものであり、３つの量子ドットＱＤでは、それぞれ
価電子帯から伝導帯の量子化されている基底準位に電子
ｅが励起される。各量子ドットにおけるエネルギーギャ
ップは約１ｅＶ程度であり、波長が１ミクロン程度であ
れば励起可能となる。
れ、照射された領域２にかかる各量子ドットでは電子が
励起される。図４はその書き込み時の状態を模式的に示
したものであり、３つの量子ドットＱＤでは、それぞれ
価電子帯から伝導帯の量子化されている基底準位に電子
ｅが励起される。各量子ドットにおけるエネルギーギャ
ップは約１ｅＶ程度であり、波長が１ミクロン程度であ
れば励起可能となる。
【００１９】このように光の照射によりデータ入力され
た素子は、時間と共に電子の分布が拡がりをみせる。ま
た、同時にデータ入力の過去の履歴にも依存して電子が
空間的に分布する。素子中の電子分布を時間的に追うこ
とで、微分方程式の過渡解を得ることも可能である。
た素子は、時間と共に電子の分布が拡がりをみせる。ま
た、同時にデータ入力の過去の履歴にも依存して電子が
空間的に分布する。素子中の電子分布を時間的に追うこ
とで、微分方程式の過渡解を得ることも可能である。
【００２０】次に、図３と図５を参照して、本実施例の
量子ドットトンネル素子からのデータ出力について説明
する。
量子ドットトンネル素子からのデータ出力について説明
する。
【００２１】図３は図２と同様な本実施例の量子ドット
トンネル素子の量子ドットアレイ１を示す図であり、図
３中、●（小さい黒丸）は電子の存在する量子ドットを
示し、同図中、○（白丸）は電子の存在しない量子ドッ
トを模式的に示す。この図３の状態では、素子中の電子
は情報処理結果に応じた空間的分布状態を示している。
そして、データ出力すなわちデータの読み出しは、光を
照射することで行われる。図３中、スポット３は光源か
らの光束を示し、その光束によって照射される領域４が
読み出しにかかる領域である。この光束は量子ドットア
レイ１を透過する。その透過したスポット５は電子の局
所的な分布情報を含んだものとなり、スポット５を光検
出素子に受光させることで、情報処理の結果すなわち出
力データが得られることになる。ここで読み出しのため
の光源は、例えばその波長が数ミクロン程度のものとさ
れる。この読み出し用の光源の波長は、データ入力とは
異なる波長とされ、少なくとも価電子帯から伝導帯の基
底準位に亘る励起を発生させないような低いエネルギー
の波長とされる。
トンネル素子の量子ドットアレイ１を示す図であり、図
３中、●（小さい黒丸）は電子の存在する量子ドットを
示し、同図中、○（白丸）は電子の存在しない量子ドッ
トを模式的に示す。この図３の状態では、素子中の電子
は情報処理結果に応じた空間的分布状態を示している。
そして、データ出力すなわちデータの読み出しは、光を
照射することで行われる。図３中、スポット３は光源か
らの光束を示し、その光束によって照射される領域４が
読み出しにかかる領域である。この光束は量子ドットア
レイ１を透過する。その透過したスポット５は電子の局
所的な分布情報を含んだものとなり、スポット５を光検
出素子に受光させることで、情報処理の結果すなわち出
力データが得られることになる。ここで読み出しのため
の光源は、例えばその波長が数ミクロン程度のものとさ
れる。この読み出し用の光源の波長は、データ入力とは
異なる波長とされ、少なくとも価電子帯から伝導帯の基
底準位に亘る励起を発生させないような低いエネルギー
の波長とされる。
【００２２】このように局所的な透過光によってデータ
の読み出しができるのは、次の原理により説明される。
読み出し時に照射される光は、そのエネルギーから量子
ドット内の電子を基底準位から第一励起準位に励起す
る。この光は価電子帯から電子を励起する程はエネルギ
ーを有しないため、電子が存在する量子ドットのみで光
吸収が生ずる。すなわち、図５に示すように、電子が存
在する量子ドットＱＤｅでは、光源からの光が量子ドッ
トアレイ１を透過する際に、光の吸収が発生して電子の
第１励起準位への励起が起こるが、電子の存在しない量
子ドットＱＤｖでは、光が照射されても電子の励起が起
こらず、光吸収はない。このことから光を照射した領域
４で、電子の空間的な分布が密であれば透過光は光強度
が弱くなり、電子の空間的な分布が疎であれば透過光は
光強度が吸収が小さいために強くなる。従って、透過光
の光強度を測定することで、電子の空間的な分布が判
り、この分布から処理された結果が判ることになる。
の読み出しができるのは、次の原理により説明される。
読み出し時に照射される光は、そのエネルギーから量子
ドット内の電子を基底準位から第一励起準位に励起す
る。この光は価電子帯から電子を励起する程はエネルギ
ーを有しないため、電子が存在する量子ドットのみで光
吸収が生ずる。すなわち、図５に示すように、電子が存
在する量子ドットＱＤｅでは、光源からの光が量子ドッ
トアレイ１を透過する際に、光の吸収が発生して電子の
第１励起準位への励起が起こるが、電子の存在しない量
子ドットＱＤｖでは、光が照射されても電子の励起が起
こらず、光吸収はない。このことから光を照射した領域
４で、電子の空間的な分布が密であれば透過光は光強度
が弱くなり、電子の空間的な分布が疎であれば透過光は
光強度が吸収が小さいために強くなる。従って、透過光
の光強度を測定することで、電子の空間的な分布が判
り、この分布から処理された結果が判ることになる。
【００２３】図５は量子ドットトンネル素子を用いた情
報処理装置の一例を示す。この装置では、平面的な量子
ドットアレイが用いられ、量子ドットトンネル素子１０
は平板状とされる。この量子ドットトンネル素子には、
複数の量子ドットが処理すべき情報のアルゴリズムに従
って配されている。この量子ドットトンネル素子１０の
一方の主面側には、書き込み用レーザー１１と読み出し
用レーザー１２が配されている。書き込み用レーザー１
１はその波長が１ミクロン程度とされ、各量子ドットに
そのレーザー光が吸収された場合には、電子が量子ドッ
ト内に発生する。図中、電子の存在する量子ドットＱＤ
ｅを●（黒丸）で示し、電子の存在しない量子ドットＱ
Ｄｖを○（白丸）で示す。書き込み用レーザー１１は、
局所的に光を照射する。この書き込み用レーザー１１に
は、図示しない走査機構を設けて、任意の領域への光照
射を可能としても良い。逆に、量子ドットトンネル素子
１０の方を回転や移動させるものでも良い。また、読み
出し用レーザー１２はその波長が数ミクロン程度とさ
れ、電子の存在する量子ドットＱＤｅではそのレーザー
光が吸収される。電子の存在しない量子ドットＱＤｖで
は読み出し用レーザー１２のレーザー光の吸収がない。
この読み出し用レーザー１２は、広い範囲で量子ドット
トンネル素子１０に対して照射するものでも良い。レー
ザー１１，１２の反対側の量子ドットトンネル素子１０
の裏面側には、２次元光検出器１３が配される。この２
次元光検出器１３は、読み出し時に使用されるものであ
り、電子の存在する量子ドットＱＤｅの空間的に分布に
沿った領域１４では光強度が弱くなる。この２次元光検
出器１３に検出された光強度分布が当該量子ドットトン
ネル素子の演算結果となる。
報処理装置の一例を示す。この装置では、平面的な量子
ドットアレイが用いられ、量子ドットトンネル素子１０
は平板状とされる。この量子ドットトンネル素子には、
複数の量子ドットが処理すべき情報のアルゴリズムに従
って配されている。この量子ドットトンネル素子１０の
一方の主面側には、書き込み用レーザー１１と読み出し
用レーザー１２が配されている。書き込み用レーザー１
１はその波長が１ミクロン程度とされ、各量子ドットに
そのレーザー光が吸収された場合には、電子が量子ドッ
ト内に発生する。図中、電子の存在する量子ドットＱＤ
ｅを●（黒丸）で示し、電子の存在しない量子ドットＱ
Ｄｖを○（白丸）で示す。書き込み用レーザー１１は、
局所的に光を照射する。この書き込み用レーザー１１に
は、図示しない走査機構を設けて、任意の領域への光照
射を可能としても良い。逆に、量子ドットトンネル素子
１０の方を回転や移動させるものでも良い。また、読み
出し用レーザー１２はその波長が数ミクロン程度とさ
れ、電子の存在する量子ドットＱＤｅではそのレーザー
光が吸収される。電子の存在しない量子ドットＱＤｖで
は読み出し用レーザー１２のレーザー光の吸収がない。
この読み出し用レーザー１２は、広い範囲で量子ドット
トンネル素子１０に対して照射するものでも良い。レー
ザー１１，１２の反対側の量子ドットトンネル素子１０
の裏面側には、２次元光検出器１３が配される。この２
次元光検出器１３は、読み出し時に使用されるものであ
り、電子の存在する量子ドットＱＤｅの空間的に分布に
沿った領域１４では光強度が弱くなる。この２次元光検
出器１３に検出された光強度分布が当該量子ドットトン
ネル素子の演算結果となる。
【００２４】このような情報処理装置により高速な情報
処理ができ、高精度のデータ出力が得られる。量子ドッ
トトンネル素子１０は処理すべき情報により固有のもの
とされるため、他の量子ドットアレイを有する量子ドッ
トトンネル素子と交換することで、他の情報処理が可能
である。また、３次元的に量子ドットトンネル素子を構
成して、複数のデータを同時に取り出すようにすること
もできる。
処理ができ、高精度のデータ出力が得られる。量子ドッ
トトンネル素子１０は処理すべき情報により固有のもの
とされるため、他の量子ドットアレイを有する量子ドッ
トトンネル素子と交換することで、他の情報処理が可能
である。また、３次元的に量子ドットトンネル素子を構
成して、複数のデータを同時に取り出すようにすること
もできる。
【００２５】
【発明の効果】本発明の量子ドットトンネル素子では、
複数の量子ドットが所定の情報処理に応じた量子ドット
間遷移確率を有するため、その電子の空間的な分布が情
報処理に対応したものとなる。その電子の空間的な分布
は、複数の量子ドット間のトンネル遷移に従うため、並
列処理が可能であり、配線遅延等もないために、高速な
処理が可能である。しかも、アルゴリズム自体は固体で
ある量子ドットの配置で表現されるため、通常のコンピ
ューターの如き演算とならずに瞬時に演算処理できる。
また、情報処理の精度に着目すると、本発明の量子ドッ
トトンネル素子では、多数の量子ドットのメッシュによ
る誤差を小さく抑えた処理が可能であり、さらに量子ド
ット間のトンネル遷移は、波動工学的に厳密な精度を以
てなされることから、極めて高い精度の情報処理が可能
となる。
複数の量子ドットが所定の情報処理に応じた量子ドット
間遷移確率を有するため、その電子の空間的な分布が情
報処理に対応したものとなる。その電子の空間的な分布
は、複数の量子ドット間のトンネル遷移に従うため、並
列処理が可能であり、配線遅延等もないために、高速な
処理が可能である。しかも、アルゴリズム自体は固体で
ある量子ドットの配置で表現されるため、通常のコンピ
ューターの如き演算とならずに瞬時に演算処理できる。
また、情報処理の精度に着目すると、本発明の量子ドッ
トトンネル素子では、多数の量子ドットのメッシュによ
る誤差を小さく抑えた処理が可能であり、さらに量子ド
ット間のトンネル遷移は、波動工学的に厳密な精度を以
てなされることから、極めて高い精度の情報処理が可能
となる。
【００２６】また、本発明の量子ドットトンネル素子を
用いた情報処理装置及び情報処理方法では、光の照射を
有効に用いて量子ドットへの書き込みや読み出しを行う
ため、本発明の量子ドットトンネル素子の有効性を十分
に引き出すことができる。
用いた情報処理装置及び情報処理方法では、光の照射を
有効に用いて量子ドットへの書き込みや読み出しを行う
ため、本発明の量子ドットトンネル素子の有効性を十分
に引き出すことができる。
【図１】本発明の量子ドットトンネル素子の一例の複数
の量子ドットを示す模式図である。
の量子ドットを示す模式図である。
【図２】本発明の量子ドットトンネル素子の一例へのデ
ータ入力（書き込み）を示す模式図である。
ータ入力（書き込み）を示す模式図である。
【図３】本発明の量子ドットトンネル素子の一例からの
データ出力（読み出し）を示す模式図である。
データ出力（読み出し）を示す模式図である。
【図４】本発明の量子ドットトンネル素子の一例におけ
る光の照射にかかる量子ドットでのデータ入力（書き込
み）を電子の遷移により示すエネルギーポテンシャル図
である。
る光の照射にかかる量子ドットでのデータ入力（書き込
み）を電子の遷移により示すエネルギーポテンシャル図
である。
【図５】本発明の量子ドットトンネル素子の一例におけ
る量子ドットでのデータ出力（読み出し）を光の吸収に
応じた電子の遷移で示すエネルギーポテンシャル図であ
る。
る量子ドットでのデータ出力（読み出し）を光の吸収に
応じた電子の遷移で示すエネルギーポテンシャル図であ
る。
【図６】本発明の量子ドットトンネル素子を用いた情報
処理装置の一例を示す模式図である。
処理装置の一例を示す模式図である。
１…量子ドットアレイ ２，４，１４…領域 ３，５…スポット １０…量子ドットトンネル素子 １１…書き込み用レーザー １２…読み出し用レーザー １３…２次元光検出器 ＱＤ…量子ドット ｅ…電子
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−273715（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−244611（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−11909（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−251829（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−214774（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−220591（ＪＰ，Ａ) 高橋 清「材料に知能を与える」電子 情報通信学会誌、ｖｏｌ75、ｎｏ４、ｐ ｐ379−384、1992年４月 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G06G 7/00 H01L 21/20 H01L 27/15 H01L 29/80
Claims (6)
- 【請求項１】 量子を空間的に閉じ込める複数の量子ド
ットが形成された量子ドットトンネル素子であって、 前記量子ドット相互のトンネル遷移確率が所定の情報処
理のアルゴリズムに対応するような量子ドットの形状及
びドット間の距離とされた前記量子ドットを形成し、前
記量子ドットにおける電子の空間的分布によって前記情
報処理を行うことを特徴とする量子ドットトンネル素
子。 - 【請求項２】 上記量子ドットの形状及びドット間の距
離は、量子ドット間の遷移確率を上記所定の情報処理の
アルゴリズムに則した微分方程式に従わせるように決定
することを特徴とする請求項１記載の量子ドットトンネ
ル素子。 - 【請求項３】 量子を空間的に閉じ込める複数の量子ド
ットが形成された量子ドットトンネル素子であって、前
記量子ドット相互のトンネル遷移確率が所定の情報処理
のアルゴリズムに対応するような量子ドットの形状及び
ドット間の距離とされた前記量子ドットを形成し、前記
量子ドットにおける電子の空間的分布によって前記情報
処理を行う量子ドットトンネル素子と、 前記量子ドットトンネル素子に対して光を照射すること
によりデータ入力を行うデータ入力手段と、 前記量子ドットトンネル素子の電子の空間的分布を検出
してデータ出力を行うデータ出力手段とを具備すること
を特徴とする量子ドットトンネル素子を用いた情報処理
装置。 - 【請求項４】 上記量子ドットの形状及びドット間の距
離は、量子ドット間の遷移確率を上記所定の情報処理の
アルゴリズムに則した微分方程式に従わせるように決定
することを特徴とする請求項３記載の量子ドットトンネ
ル素子を用いた情報処理装置。 - 【請求項５】 電子を空間的に閉じ込める複数の量子ド
ットについて、該量子ドット相互のトンネル遷移確率が
所定の情報処理のアルゴリズムに対応するような量子ド
ットの形状及びドット間の距離とされた前記量子ドット
を形成し、 前記量子ドットに光を照射してデータ入力を行い、 電子の前記量子ドット間のトンネル遷移の後、前記量子
ドットの電子の空間的分布を検出してデータ出力を行う
ことを特徴とする量子ドットトンネル素子を用いた情報
処理方法。 - 【請求項６】 上記量子ドットの形状及びドット間の距
離は、量子ドット間の遷移確率を上記所定の情報処理の
アルゴリズムに則した微分方程式に従わせるように決定
することを特徴とする請求項５記載の量子ドットトンネ
ル素子を用いた情報処理方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03150446A JP3125332B2 (ja) | 1991-06-21 | 1991-06-21 | 量子ドットトンネル素子とそれを用いた情報処理装置及び情報処理方法 |
| US08/320,375 US5613140A (en) | 1991-06-21 | 1994-10-11 | Quantum dot-tunnel device which can be selectively excited by a first light emitting source and the information thus stored can be read with a second light emitting source |
| US08/766,946 US5671437A (en) | 1991-06-21 | 1996-12-16 | Quantum dot-tunnel device and information processing apparatus and method using same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03150446A JP3125332B2 (ja) | 1991-06-21 | 1991-06-21 | 量子ドットトンネル素子とそれを用いた情報処理装置及び情報処理方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0581449A JPH0581449A (ja) | 1993-04-02 |
| JP3125332B2 true JP3125332B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=15497116
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03150446A Expired - Fee Related JP3125332B2 (ja) | 1991-06-21 | 1991-06-21 | 量子ドットトンネル素子とそれを用いた情報処理装置及び情報処理方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5613140A (ja) |
| JP (1) | JP3125332B2 (ja) |
Families Citing this family (38)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| AUPO926897A0 (en) * | 1997-09-17 | 1997-10-09 | Unisearch Limited | Quantum computer |
| US6607829B1 (en) | 1997-11-13 | 2003-08-19 | Massachusetts Institute Of Technology | Tellurium-containing nanocrystalline materials |
| US6207392B1 (en) | 1997-11-25 | 2001-03-27 | The Regents Of The University Of California | Semiconductor nanocrystal probes for biological applications and process for making and using such probes |
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Non-Patent Citations (1)
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Also Published As
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