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量子ドットを用いた電子装置

国内特許コード P110004432
整理番号 I024P002WO
掲載日 2011年7月14日
出願番号 特願2009-544705
登録番号 特許第5397905号
出願日 平成20年12月4日(2008.12.4)
登録日 平成25年11月1日(2013.11.1)
国際出願番号 JP2008072035
国際公開番号 WO2009072550
国際出願日 平成20年12月4日(2008.12.4)
国際公開日 平成21年6月11日(2009.6.11)
優先権データ
  • 特願2007-316648 (2007.12.7) JP
発明者
  • ミシェル ピオロ-ラドリエル
  • 小幡 利顕
  • 申 潤錫
  • 久保 敏弘
  • 樽茶 清悟
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 量子ドットを用いた電子装置
発明の概要 多量子ビットの各々に個別にしかも省電力な方法でESR制御を行い量子計算を実現するための強磁性体微小磁石を有する量子ドットを用いた電子装置を提供する。
複数個配列した半導体量子ドットの各量子ドット8,9近傍もしくは強磁性体微小磁石10を配置した構造の電子装置であって、強磁場を印加して電子スピン共鳴(ESR)を生じさせ、強磁性体微小磁石10の配置を変えることにより、各量子ドット8,9の共鳴周波数を制御できる。この各量子ドット8,9の共鳴周波数を制御した状態で、各量子ドット8,9間の電子スピンのスワッピングを行い、量子計算に必要な量子ビット(QUBIT)を作る。
従来技術、競合技術の概要


従来、複数個配列した半導体量子ドット構造を用いて、多量子ビットを形成して量子計算を行う方法が考案されている。この半導体量子ドットを用いて多量子ビットを形成するための方法としては、電子スピンを用いる方法が提案されている。強磁場下で電子スピンは本質的な2準位系であり、電子スピン上向き、電子スピン下向きの2状態を1ビット状態に対応させる。また、ビットの操作として電子スピン共鳴 (ESR) を利用する方法が提案されている。強磁場下で高周波磁場を照射しESR制御で電子スピン状態を確定した後、量子ドット間相互作用を変え量子演算をすることが提唱されている (下記非特許文献1,2及び3参照)。



さらに、半導体量子ドット中の電子スピンのESRを制御する方法として、量子ドット上に形成されたマイクロコイルにマイクロ波を印加する方法 (下記非特許文献3参照)、あるいは制御電極に直接マイクロ波を印加する方法 (下記非特許文献4,5参照)が提案されている。
半導体量子ドット中の電子スピンのESRを制御する従来の方法を下記非特許文献3の方法に従って説明する。



図1は従来の量子ドットを用いた電子装置の上面図を示す。図2にはその電子装置の側面概略図を示す。
これらの図に示すように、ガリウムヒ素 (GaAs) 結晶基板11上にアルミニウム・ガリウム・ヒ素(AlGaAs)結晶層12をエピタキシャル成長させると、両結晶のヘテロ接合界面に10nm程度の厚さの2次元電子ガス層(2DEG層)13が形成される。この2DEG層13はAlGaAsエピタキシャル層であるAlGaAs結晶層12表面より約100nmの位置にある。AlGaAs結晶層12上にはゲート電極2,3,4,5(量子ドット結合制御電極2、右側量子ドット形成電極3、左側量子ドット形成電極4、中央ゲート電極5)が形成される。これらのゲート電極2,3,4,5に負の電圧を印加することにより、ゲート電極2,3,4,5直下より空乏層が伸びる。この空乏層が2DEG層13まで伸び、さらにゲート電極2,3,4,5に印加する負電圧を増大させると、空乏層が到達した部分より2DEG層13は電子キャリアを無くして行く。さらに負印加電圧を増大してゆくと、2DEG層13に電子キャリアが島状(ほぼ円盤状) に取り残される。これが量子ドット8,9である。さらに、半導体結晶基板1上面にカリックスアーレン絶縁膜14を塗布する。このカリックスアーレン絶縁膜14上に高周波マイクロコイル34のパターンを電子ビーム真空蒸着してゲート電極2,3,4,5の表面から90nm離れた位置に形成する。ゲート電極2,3,4,5への印加電圧を調整することで、両量子ドット8,9には電子が1個のみ存在するようにすることができる。電子スピンのエネルギー状態を固定するために外部磁場17を印加する。



当該電子装置を用いて量子ビットを形成するため、まず、全量子ドットの電子スピン情報を初期化(イニシャライズ) した後、ESR操作を用いて最初の量子ドットに情報を書き込む(A)。図1,図2に示された高周波マイクロコイル34に高周波電流を流し、高周波磁場を誘起する。そして、量子ドット8中の電子スピンをESR操作する。このESR操作を、図3に示すエネルギーダイアグラムに即して説明する。図3の(a)~(c)は、ESR操作に伴い経時変化した状態を示している。ここで、35はドレイン電極のエネルギー状態を、36はソース電極のエネルギー状態をそれぞれ示しており、塗りつぶした部分は電子が詰まっているため上端面以下のエネルギー状態の電子は流れない。37はトンネル障壁で、38は上向きの基底状態の電子スピン、39は下向きの励起状態の電子スピンを示している。



まず、左側の量子ドット8に電子を電極操作により入れる。十分長い時間(1ミリ秒~1秒) 待つと両方の量子ドット8,9で電子スピンが揃い、パウリ原理により電流が流れなくなる(下記非特許文献6参照)。つまり、図3(a)において、40は量子ドット8,9間に電流が流れなくなったことを示しており、電子スピン情報が初期化されたことを示している。その後、高周波磁場を与えESR操作をする。図3(b)に示すように、ESRにより電子スピン39が反転する。さらに、量子ドット間のトンネル確率が十分高ければ、ESR操作が行われたことが量子ドット間電流16の流れとして観測される〔図3(c)〕。このようにESR操作により電子スピンの状態が変化することが分かる。



当該電子装置を用いて、多量子ビットを作製するためには、各量子ドット間の電子スピン結合状態の精密制御と各量子ドット内の電子スピンの高速制御が必要である(B)。下記非特許文献2の方法に即して電子スピン間の結合状態を制御する方法を図4に示す。デバイスは図1,図2とほぼ同じものであるので同じ図を用いて説明する。まず、図4(a)に示すように、初期状態で2つの電子スピン38,39が逆向きであるものとする。上記記載の(A)とは異なり、電子スピン38,39のエネルギー状態はドレイン電極・ソース電極のエネルギー状態35,36よりも低く、電流は流れていないものとする。緩和して電子スピン38,39がそろい電子スピンブロックが起きる前に、図4(b)に示すように、左側量子ドット形成ゲート電極4への印加電圧を電荷の移動がない程度に少しだけ強めるか、もしくは相対的に中央ゲート電極5の下の空乏層を弱めることにより、電子スピン間の相互作用20を強めることができる。その後、図4(c)に示すように、電子スピンは相互作用し向きの揃った状態となる。このように電子は相互作用し向きの揃った状態、逆向きの状態を往復運動する。相互作用の時間を一定にすることで電子の向きを始めの状態とはいつも逆向きにすることができる。この作用は、NOT操作を表している。上記(A)と(B)とを組み合わせれば、量子ビット、量子計算は一見容易なように考えられる。
【非特許文献1】
Loss,D.& DiVincenzo D.P.,Quantum computation with quantum dots. Phys.Rev.A 57,pp.120-126 (1998)
【非特許文献2】
Petta,J.R.et al.,Coherent manipulation of coupled electron spins in semiconductor quantum dots,Science 309,pp.2180-2184 (2005)
【非特許文献3】
Koppens,F.H.L.et al.,Driven coherent oscillations of a single electron spin in a quantum dot,Nature 442,pp.766 (2006)
【非特許文献4】
Nowack,K.C.et al.,Coherent Control of a Single Electron Spin with Electric Fields,Science Published Online November 1 (2007)
【非特許文献5】
Laird E.A.et al.,http: //arxiv.org/abs/0707.0557 (2007)
【非特許文献6】
Ono,K.et al.,Current rectification by Pauli exclusion in a weakly coupled double quantum dot system,Science 297,pp.1313-1317 (2002)
【非特許文献7】
Tarucha et al.,Phys.Rev.Lett.77,pp.3613 (1996)

産業上の利用分野



本発明は、量子計算、量子情報処理の実現のための有力候補である複数個の結合した量子ドットを有する電子装置に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
半導体結晶基板内に形成される複数個並べられた半導体量子ドットと、前記半導体結晶基板の表面に形成される複数のゲート電極と、ESR信号印加電極と、前記半導体結晶基板上に形成される誘電体膜と、該誘電体膜の表面で、かつ前記量子ドットの上方に形成され、高周波電場を高周波磁場に変換する、強磁性体薄膜からなる強磁性体微小磁石と、前記量子ドット間の中間に配置される制御電極とを備え、前記制御電極に電圧を印加することにより前記制御電極下の空乏層を伸縮させ、電子の結合状態を制御する量子ドットを用いた電子装置であって、前記量子ドットは、ガリウムヒ素とアルミニウムガリウムヒ素とのヘテロ接合界面に2次元電子ガス層を有する半導体結晶基板表面に量子ドット形成ゲート電極を配置した構造を有する横型量子ドットからなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項2】
半導体結晶基板内に形成される複数個並べられた半導体量子ドットと、前記半導体結晶基板の表面に形成される複数のゲート電極と、ESR信号印加電極と、前記半導体結晶基板上に形成される誘電体膜と、該誘電体膜の表面で、かつ前記量子ドットの上方に形成され、高周波電場を高周波磁場に変換する、強磁性体薄膜からなる強磁性体微小磁石と、前記量子ドット間の中間に配置される制御電極とを備え、前記制御電極に電圧を印加することにより前記制御電極下の空乏層を伸縮させ、電子の結合状態を制御する量子ドットを用いた電子装置であって、前記量子ドットは、シリコンとシリコンゲルマニウムとのヘテロ接合界面に2次元電子ガス層を有する半導体結晶基板表面に量子ドット形成ゲート電極を配置した構造を有する横型量子ドットからなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項3】
請求項記載の量子ドットを用いた電子装置において、2重ヘテロ構造間に前記2次元電子ガス層を有する半導体結晶基板の前記2次元電子ガス層を幾何学的に切り出し、金属電極を周囲に配置した構造からなる縦型量子ドットからなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項4】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、1.6GHz以上300GHz以下であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項5】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、1.6GHz以上3GHz以下であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項6】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、3GHz以上30GHz以下であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項7】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、30GHz以上300GHz以下であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項8】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がコバルト又はコバルトを50%以上含むコバルト合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項9】
請求項8記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが0.05μmから1μm、前記強磁性体薄膜の幅が0.3μmから0.4μm、前記強磁性体薄膜の長さが1μmであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項10】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がニッケル又はニッケルを50%以上含むニッケル合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項11】
請求項10記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが0.15μmから3μm、前記強磁性体薄膜の幅が0.3μmから0.4μm、前記強磁性体薄膜の長さが1μmであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項12】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がジスプロシウム又はジスプロシウムを50%以上含むジスプロシウム合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項13】
請求項12記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが0.025μmから1μm、前記強磁性体薄膜の幅が0.3μmから0.4μm、前記強磁性体薄膜の長さが1μmであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項14】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜が鉄又は鉄を50%以上含む鉄合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項15】
請求項14記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが0.025μmから1μm、前記強磁性体薄膜の幅が0.3μmから0.4μm、前記強磁性体薄膜の長さが1μmであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項16】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がクロム又はクロムを50%以上含むクロム合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項17】
請求項16記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが0.025μmから1μm、前記強磁性体薄膜の幅が0.3μmから0.4μm、前記強磁性体薄膜の長さが1μmであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項18】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜が発生する磁場により前記量子ドット面に対する傾斜磁場および平行磁場を発生することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項19】
請求項18記載の量子ドットを用いた電子装置において、極低温下で外部強磁場を印加して前記量子ドット中の電子スピンのエネルギー状態を変え、前記平行磁場の作用により前記各量子ドットで独立なエネルギー状態を持つことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項20】
請求項18記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットの近傍に配置された電子を電気的に駆動し、前記傾斜磁場の介在により電子スピン共鳴を実現することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項21】
請求項20記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記電子スピン共鳴により、電子スピン状態を上向き、下向きに操作でき、前記電子スピン状態をビットに対応させることで量子ビットを設定することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項22】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記複数個の量子ドットの各々が前記強磁性体微小磁石の作用により異なるエネルギー状態を持つようにしたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項23】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットに異なった周波数の高周波電場を与えることにより、電子スピン共鳴の原理により独立な電子スピン操作が可能であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項24】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記量子ドット中に存在する電子が互いに電子的結合状態を形成することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項25】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記電子の結合状態を操作し、量子演算を実行することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項26】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石が強磁性体金属か、あるいは酸化物強磁性体金属、超伝導体金属または酸化物超伝導体金属からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項27】
請求項1記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石と前記各量子ドットとの間の距離が異なることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項28】
請求項27記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石と前記各量子ドットとの間の距離が0.15μmから0.5μmまで変化し、前記強磁性体微小磁石の厚みが0.1μmであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項29】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットに最隣接の強磁性体微小磁石の厚さを変化させたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項30】
請求項29記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石の厚みが0.025μmから1μmまで変化することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項31】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記制御電極および量子ドット形成ゲート電極と前記強磁性体微小磁石との間に誘電体膜を挟み込んだことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項32】
請求項31記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記誘電体膜が電子ビーム描画レジスト、フォトレジストまたは二酸化ケイ素、シリコンナイトライドであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項33】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石並びに前記制御電極および量子ドット形成ゲート電極の大きさを一様に変化させ、印加される電圧の操作の大きさで不変な機能をもたらすようにしたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項34】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記量子ドットの近傍に制御電極および量子ドット形成電極並びに読み取り用量子ポイントコンタクトゲート電極を配置することにより1次元の量子化された伝導現象を呈する、量子ポイントコンタクトを具備することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項35】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、近隣の量子ドットの電荷数により伝導率を変化させる、量子ポイントコンタクトを具備することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項36】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記量子ドット間の電子の結合状態や電荷検出を介在させた電子スピン状態の読み取りを行うことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項37】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の近傍に対して漏れ磁場による電子スピン配列を利用した電子スピン分極した電流を注入可能にしたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項38】
請求項1又は2記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットの電子スピン状態を一意に制御し、フリップフロップ動作が可能にすることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。

【請求項39】
請求項19記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各電子スピン間の結合状態を制御して量子演算を可能にしたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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出願権利状態 登録
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