JPH0497564A - Semiconductor device - Google Patents
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Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に係り、とくに量子閉じ込め構造を
用いて情報の表現、伝達、記憶もしくは処理を行なう半
導体装置に関する。
[従来の技術]
最近の微細加工技術の進歩にともない、サブミクロンあ
るいはナノメータレベルの微細加工が可能になり、電子
のドブロイ波長と同程度あるいはそれ以下の微細な構造
を作製できるようになってきた。これと共に、従来のト
ランジスタ回路に替わる新しいデバイスあるいは情報処
理の方法が探索されるようになってきた。そのような提
案の一つとして1例えば、第1の公知例として米国特許
第626802号公報(対応日本出願:特開昭61−8
2473号公報)に記された″量子結合装置”がある。
また類似の素子に関しては、マーク・ニー・リード、シ
ンポジウム・オン・1986・ヴイエルエスアイ・テク
ノロジ、第1頁ないし第4頁、 (Nark、A、
Reed、 Symposiumon 1986 VL
SI Technology、 pp、1−4)及び、
デイ−・ケー・フェリー、フィジクス・アンド・テクノ
ロジ・オン・サブミクロン・ストラクチャーズ。
スプリンガー・フェアシー9,1988年、第232頁
ないし第236頁、 (D、に、FerryyPhy
sics and Technology of Su
bmicronStructures、 Spring
er−Verlag、 1988. pp、232−2
36)等において論じられている、この中で、上記第1
の公知例による″量子結合装置″は、第16図に示すよ
うにアレー状に′″量子ドツト” (3次元空間のすべ
ての方向で電子のドブロイ波長あるいはそれ以下の寸法
をもつ、低ポテンシヤル領域)を配列し、量子ドツト間
を電子がトンネル効果によって渡り歩き、これにより情
報処理を行なうものである。これの具体的構成としては
、例えば量子ドツトをG−aA−sで構成し、これをG
aAlAsでその周りを満たせば良い。The present invention relates to a semiconductor device, and particularly to a semiconductor device that expresses, transmits, stores, or processes information using a quantum confinement structure. [Conventional technology] With recent advances in microfabrication technology, it has become possible to perform microfabrication at the submicron or nanometer level, and it has become possible to create microstructures that are comparable to or smaller than the de Broglie wavelength of electrons. . At the same time, new devices and information processing methods to replace conventional transistor circuits have been sought. As one such proposal, for example, the first publicly known example is U.S. Pat.
There is a "quantum coupling device" described in Japanese Patent No. 2473). Regarding similar devices, see Mark Ni Reid, Symposium on 1986 VLSI Technology, pp. 1-4 (Nark, A.
Reed, Symposium 1986 VL
SI Technology, pp, 1-4) and
D.K. Ferry, Physics and Technology on Submicron Structures. Springer Fairy 9, 1988, pp. 232-236, (D., FerryyPhy
sics and Technology of Su
bmicronStructures, Spring
er-Verlag, 1988. pp, 232-2
36) etc., among which the above-mentioned first
A known example of a "quantum coupling device" as shown in FIG. ), and electrons move between the quantum dots by tunneling effect, thereby processing information. As a specific configuration of this, for example, quantum dots are made of Ga-aA-s, and this is made of G-aA-s.
It is sufficient to fill the surrounding area with aAlAs.
従来のトランジスタを用いた集積回路においては、トラ
ンジスタが動作する毎に、トランジスタ内部および配線
に付随した浮遊容量の充電、放電を行うため、大きな電
力消費が必要であった。今後、微細加工の進歩と共に消
費電力の制限により集積度が限界に達すると考えられる
。
また、従来のトランジスタを用いた回路では、多数のト
ランジスタを相互に金属の配線で接続するため、集積度
の増加とともに配線に要する面積、配線の抵抗などが増
加し、これも集積回路の性能を制限する大きな要因にな
っている。
また、微細化とともに集積回路中の素子も急激に複雑に
なってきている。例えば、ダイナミックRAMの記憶セ
ルは従来は平面に形成した単純な構造の容量を用いてい
たが、サブミクロンの領域では大きな静電容量を確保す
るため、溝型容量セルなどの極めて複雑な形状が必要に
なってきている。この傾向は今後もさらに続き、集積回
路の製造コストを増加する原因になると考えられる。
さらに、従来のトランジスタを用いた集積回路は動作速
度にも限界がある。従来のトランジスタでは、伝導キャ
リアが実際にソースからドレイン(バイポーラトランジ
スタではエミッタからコレクタ)に走行して電流となり
、この電流の有無をディジタル信号の110と対応させ
ている。従って、スイッチング動作にはトランジスタの
ソースからドレインまで実際に伝導キャリアが移動する
時間(走行時間)が必要である。しかし、伝導キャリア
の半導体中での速度は良く知られているように飽和速度
(1xlO’cm/s程度)が上限となる。従って、上
記走行時間も制限されてしまう。
上記第1の公知例の量子結合装置も、伝導キャリアであ
る電子が量子ドツト間を実際に走行することが動作の基
本となっている点では、従来のトランジスタとなんら変
わりはなく、トランジスタと同様の速度の制限を受ける
。
また、上記量子結合装置では量子ドツト中に1個の電子
が有るか無いかによってディジタル信号を表現している
。ダイナミックRAMの記憶セルにおいて、(リフレッ
シュ動作無しでは)情報が失われてしまうように、この
量子結合装置では情報が失われてしまうことは明らかで
ある。これは半導体中では、電子は再結合により消滅し
たり。
あるいは熱励起によって生成したりするためである。
以上により本発明の目的は極めて低消費電力で高速に情
報処理を行なうための、情報の表現、伝達、記憶、もし
くは処理を行なう半導体装置を提供することにある。
本発明の他の目的は高い誘電率(屈折率)を有し、かつ
高速に応答できる新しい半導体装置を提供することにあ
る。
本発明の他の目的は、大容量記憶に適した記憶媒体であ
る半導体装置を提供することである。
[課題を解決するための手段]
上記目的を達成するため、高抵抗半導体、絶縁体あるい
は半絶縁体からなる障壁領域(7)を有し、
該障壁領域(7)の中に複数の活性領域(6)を含み、
該活性領域(6)はその内部に伝導キャリア(4)を閉
じ込めることができ。
各々の上記活性領域(6)がドナー、あるいはアクセプ
タとして働く不純物原子(5)を含み、上記複数の活性
領域の1つの内部における上記伝導キャリアの局在によ
り電気双極子を発生せしめることを特徴とする半導体装
置を構成するものである。In a conventional integrated circuit using a transistor, a large amount of power is required to be consumed because stray capacitance inside the transistor and accompanying wiring is charged and discharged each time the transistor operates. In the future, it is thought that the degree of integration will reach its limit due to advances in microfabrication and restrictions on power consumption. In addition, in circuits using conventional transistors, many transistors are connected to each other with metal wiring, so as the degree of integration increases, the area required for wiring and the resistance of wiring increase, which also affects the performance of integrated circuits. This is a major limiting factor. Furthermore, with miniaturization, elements in integrated circuits are rapidly becoming more complex. For example, dynamic RAM memory cells have conventionally used capacitors with a simple planar structure, but in order to secure large capacitance in the submicron region, extremely complex shapes such as trench-shaped capacitor cells have been used. It's becoming necessary. It is believed that this trend will continue in the future and will cause an increase in the manufacturing cost of integrated circuits. Furthermore, integrated circuits using conventional transistors have limitations in operating speed. In conventional transistors, conduction carriers actually run from the source to the drain (from the emitter to the collector in bipolar transistors) to form a current, and the presence or absence of this current corresponds to the digital signal 110. Therefore, switching operation requires time (travel time) for conduction carriers to actually move from the source to the drain of the transistor. However, as is well known, the upper limit of the velocity of conduction carriers in a semiconductor is the saturation velocity (about 1xlO'cm/s). Therefore, the traveling time is also limited. The quantum coupling device of the first known example is no different from conventional transistors in that its basic operation is that electrons, which are conduction carriers, actually travel between quantum dots, and are similar to transistors. subject to speed limitations. Furthermore, in the quantum coupling device described above, a digital signal is expressed depending on whether or not there is one electron in a quantum dot. It is clear that information is lost in this quantum coupled device, just as information is lost in the storage cells of a dynamic RAM (without a refresh operation). This is because in semiconductors, electrons disappear due to recombination. Alternatively, it may be generated due to thermal excitation. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device that expresses, transmits, stores, or processes information in order to process information at high speed with extremely low power consumption. Another object of the present invention is to provide a new semiconductor device that has a high dielectric constant (refractive index) and can respond quickly. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device that is a storage medium suitable for mass storage. [Means for solving the problem] In order to achieve the above object, a barrier region (7) made of a high-resistance semiconductor, an insulator, or a semi-insulator is provided, and a plurality of active regions are provided in the barrier region (7). (6), the active region (6) being able to confine conduction carriers (4) therein. Each of the active regions (6) contains an impurity atom (5) that acts as a donor or an acceptor, and localization of the conductive carriers within one of the plurality of active regions generates an electric dipole. It constitutes a semiconductor device.
活性領域間が高抵抗半導体、絶縁体あるいは半絶縁体に
よる障壁領域で隔てられていることにより、伝導キャリ
アが活性領域の間を移動することがない。このため伝導
キャリアの走行に要する時間によって装置の動作速度が
制限されることがなく、高速の動作が達成できる。
また、上記活性領域の内部にドナーあるいはアクセプタ
として働く不純物原子により発生した伝導キャリアが閉
じ込められることにより、該伝導キャリアが該活性領域
から流出して失われることがなく、このため情報が失わ
れることがない。これによって情報の保持、記憶を行な
うことができる。
また、上記活性領域の内部における上記伝導キャリアの
局在によって電気双極子を発生せしめるコトニヨリ、該
電気双極子の方向や大きさにより情報を表現、記憶する
ことができる。またその内容を、外部から電界を与える
ことで制御することができる。また隣接する電気双極子
間に働く電界による相互作用を用いて情報の内容を順次
隣接する電気双極子へ伝達させ、これにより情報の伝達
を行なうことができる。
以下本発明の手段による各種の作用について、詳細に説
明する。
従来のトランジスタ回路では、トランジスタはスイッチ
として機能し、トランジスタがオン状態となるかオフ状
態となるかをディジタル信号と対応させている。この時
ミ信号は金属配線中の電位としてあられれる。
本発明の情報表現では、電気双極子の空間的な分布を情
報と対応づける。電気双極子は、電界によって容易に向
きや大きさを制御することができる。従って、金属の配
線を用いなくとも、遠距離から向きや大きさを変化させ
ることができる。しかも、電気双極子の向きや大きさを
変えるのには、トランジスタのように電流を流す必要が
ないので、本質的に低消費電力の動作に向いている。ま
た、多数の電気双極子を同時並列に遠隔制御することが
可能であるので、これを用いたプロッサは本質的に並列
処理に向いている。並列処理は高速な情報処理に極めて
重要であることはいうまでもない。
また、従来の金属配線によるクロック分配では、配線抵
抗によるクロックスキューのため多数の情報処理エレメ
ント間の同期を取るのは困難であり、高速動作の障害と
なっている。本発明では、電界により電気双極子を遠隔
操作するごとにより、クロックの分配は光の伝播速度で
行われるので、クロックスキューは極めて小さい。
また、電気双極子は、その周りに極めて異方性の強い電
界分布を作るので、隣接する電気双極子間の情報の伝達
は、やはり金属の配線を用いないで行うことができる。
また、有限の電気双極子を有する素子としては、伝導キ
ャリアを有限領域に閉じ込めることが必要である。この
ためには、電子親和力の異なる半導体を用いて、いわゆ
る量子閉じ込め構造を形成し、その中にドナーあるいは
アクセプタとなる不純物を添加すればよい。従って1本
発明の原理に基づく半導体装置は、従来のトランジスタ
に比べ極めて単純な構造を有する。
さらに、量子閉じ込め構造として、電子に対するポテン
シャルの低い領域が2領域ある構造(2重極小ポテンシ
ャル構造)を用いると、伝導キャリアは第1の低ポテン
シャルエネルギ領域に存在するか、第2の低ポテンシャ
ルエネルギ領域に存在するかによって2種類の電気双極
子能率ベクトルと対応付けすることができるのでディジ
タル信号処理、ディジタル信号記憶と適合する。
また量子閉じ込め構造は、ナノメータレベルの寸法に小
さくできるので、これを用いた信号処理チップ、記憶チ
ップは極めて高集積にできる。
また本発明によれば、障壁膜のwlM高さを調節して大
きな電子分極率を有する活性領域を実現し。
これを格子状に並べると、近傍の活性領域の電気双極子
が同方向に揃った状態が実現できる。これは、ある一つ
の活性領域に僅かな電気双極子が生じたとすると、これ
は隣の活性領域の場所に電界を作る。電子分極率が大き
いため、この活性領域は大きな電気双極子能率ベクトル
を持ち、もとの活性領域に大きな電界を作る。従って、
もとの活性領域も大きな電、気双極子能率ベクトルを持
つようになる。これは、誘電体物理の用語を用いると、
自発分極を持つことになるので、一種の人工的な強誘電
体を構成することができる。従来の強誘電体はイオン分
極の回転を利用するため応答速度が不十分であり、キャ
パシタを形成した場合高周波領域で誘電率が低下する問
題があった。しかし本発明の半導体装置による人工的強
誘電体は、電子のトンネル現象による移動を分極に用い
ているため、従来の強誘電体よりも格段に超高速の応答
がなされる。このため格段に超高速、超高周波用途のキ
ャパシタが形成できる。
また、このような2重極小ポテンシャルを持つ量子閉じ
込め構造を格子状に並べた構造を薄膜状にして、膜に垂
直な方向に電界を印加すると、大部分の量子閉じ込め構
造の電気双極子は電界の方向を向く、シかし、電界があ
まり強くない状態では、これらの電気双極子と反対向き
の電気双極子を持つ領域が存在しえる。しかも、この反
転分極領域は大きさが一定であり、大きな電界を印加し
て消去しないかぎり安定して存在する。これは、次に説
明するメカニズムによる。垂直方向の電界によって膜は
分極する。この時、膜表面に分極による表面電荷があら
れれ、この表面電荷の作る電界(反分極場)は分極を小
さくする向きである。
反対向きの分極を持つ領域ができることで表面電界が小
さくなり、全体のエネルギは小さくなる。
この反転分極領域は、大きさが一定で安定して存在する
ので、一種の粒子(あるいは擬粒子)としてふるまう。
この反転分極領域は−様な垂直電界のもとでは静止して
いるが、場所によって垂直電界が変化すると移動する性
質がある。従って、この反転分極領域の面内分布を情報
に対応させれば、情報を記録することができる
この記憶方式では、記tV密度が極めて大きい。
記憶保持に電力消費は不要であり、従って不揮発である
。
この反転分極領域をディジタル信号のIloと対応させ
れば、ディジタルの信号処理にも用いることができる。
これは、従来の半導体素子において伝導キャリアという
自然界にある粒子を用いているのに替えて、人工的な擬
粒子である反転分極領域を情報の坦体として用いること
を意味する。
不均一な垂直電界を印加すれば反転分極領域は移動する
か、従来の半導体デバイスとは次に述べる意味で本質的
な相違がある。まず、この反転分極領域の移動において
は、電子は各量子閉じ込め領域の中で極めて短い距離を
移動するだけである。
しかも電子が移動する方向は膜に垂直な方向であり、反
転分極領域の移動方向とは垂直の方向である。従来の半
導体装置では情報と同時に電子が半導体中を実際に移動
する必要があったが、本発明では情報の伝達はこのよう
な電子の移動を伴わない。実際には、電気双極子が作り
出す電界が半導体を光の伝播速度で伝わることになる。
従って、超高速に情報処理が行なわれる。また、従来の
半導体デバイスでは、電子が電界により加速され(すな
わちエネルギを得て)、障害物(結晶格子や不純物)に
衝突しながら走行するので、エネルギが熱に変わってし
まう。すなわち消費電力が大きく、チップ発熱も大きい
。これに対して本発明は、実際に電子が移動するわけで
はないので、このようなエネルギーの消費が極めて小さ
い。Because the active regions are separated by a barrier region made of a high-resistance semiconductor, an insulator, or a semi-insulator, conductive carriers do not move between the active regions. Therefore, the operating speed of the device is not limited by the time required for the conduction carrier to travel, and high-speed operation can be achieved. Furthermore, since conduction carriers generated by impurity atoms acting as donors or acceptors are confined inside the active region, the conduction carriers do not flow out of the active region and are lost, and therefore information is not lost. There is no. This allows information to be retained and stored. Furthermore, information can be expressed and stored by the localization of the conduction carriers inside the active region to generate electric dipoles, and by the direction and size of the electric dipoles. Moreover, the content can be controlled by applying an electric field from the outside. Further, the content of information can be sequentially transmitted to the adjacent electric dipoles by using the interaction caused by the electric field acting between adjacent electric dipoles, and thereby information can be transmitted. Various effects achieved by means of the present invention will be explained in detail below. In a conventional transistor circuit, a transistor functions as a switch, and whether the transistor is in an on state or an off state corresponds to a digital signal. At this time, the signal appears as a potential in the metal wiring. In the information representation of the present invention, the spatial distribution of electric dipoles is associated with information. The direction and size of an electric dipole can be easily controlled by an electric field. Therefore, the direction and size can be changed from a long distance without using metal wiring. Moreover, unlike transistors, it is not necessary to flow current to change the direction or size of the electric dipole, so it is inherently suitable for low power consumption operation. Furthermore, since it is possible to remotely control a large number of electric dipoles simultaneously and in parallel, a processor using this is inherently suitable for parallel processing. It goes without saying that parallel processing is extremely important for high-speed information processing. Furthermore, in conventional clock distribution using metal wiring, it is difficult to synchronize a large number of information processing elements due to clock skew due to wiring resistance, which is an obstacle to high-speed operation. In the present invention, clock distribution is performed at the propagation speed of light by remotely controlling an electric dipole using an electric field, so that clock skew is extremely small. Further, since electric dipoles create an extremely anisotropic electric field distribution around them, information can be transmitted between adjacent electric dipoles without using metal wiring. Further, as an element having a finite electric dipole, it is necessary to confine conductive carriers in a finite region. For this purpose, a so-called quantum confinement structure may be formed using semiconductors having different electron affinities, and an impurity serving as a donor or acceptor may be added into the structure. Therefore, a semiconductor device based on the principle of the present invention has a much simpler structure than a conventional transistor. Furthermore, if a structure with two low potential regions for electrons (double minimum potential structure) is used as a quantum confinement structure, conduction carriers exist in the first low potential energy region or in the second low potential energy region. Since it can be associated with two types of electric dipole efficiency vectors depending on whether it exists in a region, it is compatible with digital signal processing and digital signal storage. Furthermore, since quantum confinement structures can be made small to nanometer-level dimensions, signal processing chips and memory chips using them can be extremely highly integrated. Further, according to the present invention, an active region having a large electronic polarizability is realized by adjusting the wlM height of the barrier film. By arranging them in a grid, it is possible to realize a state in which the electric dipoles of nearby active regions are aligned in the same direction. This means that if a small electric dipole is generated in one active region, this will create an electric field in the adjacent active region. Due to the large electronic polarizability, this active region has a large electric dipole efficiency vector, creating a large electric field in the original active region. Therefore,
The original active region also has large electric and gas dipole efficiency vectors. Using the terminology of dielectric physics, this is
Since it has spontaneous polarization, it can form a kind of artificial ferroelectric material. Conventional ferroelectric materials have insufficient response speed because they utilize rotation of ion polarization, and when a capacitor is formed, the dielectric constant decreases in a high frequency region. However, since the artificial ferroelectric material produced by the semiconductor device of the present invention uses the movement of electrons by tunneling for polarization, it can respond much faster than conventional ferroelectric materials. Therefore, a capacitor for extremely high speed and ultra high frequency applications can be formed. Furthermore, when a structure in which such quantum confined structures with double minimum potential are arranged in a lattice is made into a thin film and an electric field is applied in a direction perpendicular to the film, most of the electric dipoles in the quantum confined structure are affected by the electric field. However, under conditions where the electric field is not very strong, there may be regions with electric dipoles pointing in the opposite direction to these electric dipoles. Moreover, this inverted polarization region has a constant size and remains stable unless erased by applying a large electric field. This is due to the mechanism explained below. A vertical electric field polarizes the membrane. At this time, a surface charge is generated on the membrane surface due to polarization, and the electric field (anti-polarization field) created by this surface charge has a direction that reduces the polarization. The formation of regions with opposite polarization reduces the surface electric field and reduces the overall energy. This reversed polarization region has a constant size and exists stably, so it behaves as a type of particle (or pseudoparticle). This inverted polarization region remains stationary under a -like vertical electric field, but has the property of moving when the vertical electric field changes depending on the location. Therefore, in this storage system, which can record information by making the in-plane distribution of the reversed polarization region correspond to information, the recorded tV density is extremely high. Memory retention requires no power consumption and is therefore non-volatile. If this inverted polarization region corresponds to Ilo of a digital signal, it can also be used for digital signal processing. This means that instead of using naturally occurring particles called conduction carriers in conventional semiconductor devices, reversed polarization regions, which are artificial pseudoparticles, are used as information carriers. If a non-uniform vertical electric field is applied, the inverted polarization region moves, and there is an essential difference from conventional semiconductor devices in the following sense. First, in moving in this reversed polarization region, electrons only move an extremely short distance within each quantum confinement region. Moreover, the direction in which electrons move is perpendicular to the film, and is perpendicular to the direction in which the reversed polarization region moves. In conventional semiconductor devices, it was necessary for electrons to actually move through the semiconductor at the same time as information, but in the present invention, information transmission does not involve such movement of electrons. In reality, the electric field created by the electric dipole travels through the semiconductor at the speed of light propagation. Therefore, information processing is performed at extremely high speed. Furthermore, in conventional semiconductor devices, electrons are accelerated (that is, gain energy) by an electric field and travel while colliding with obstacles (crystal lattices and impurities), resulting in energy being converted into heat. In other words, power consumption is large and chip heat generation is also large. In contrast, in the present invention, since electrons do not actually move, such energy consumption is extremely small.
以下本発明の第1の実施例を説明する。第1図(a)(
b)(c)には本発明の第1の実施例による量子閉じ込
め構造を用いた半導体装置を示す。
同図(a)は活性領域の構造を示す図である。
図に示すように1は第一量子井戸、2は薄い障壁膜、3
は第二量子井戸、5はドナーであり、これらから活性領
域6は構成されている。この活性領域は、障壁領域7の
中に埋め込まれている。同図(b)は活性領域における
ポテンシャルエネルギを示す図である。図に示すように
第一および第二量子井戸1,3は、障壁領域より電子親
和力の大きな半導体から構成され、中に伝導電子を閉じ
込めることができる。すなわち活性領域は量子閉じ込め
構造を構成する。薄い障壁膜2は量子井戸1,3より電
子親和力の小さな半導体(あるいは絶縁体)から構成さ
れている。また、薄い障壁膜にはドナーとなる不純物原
子が添加されている。ドナーから生じる伝導電子は第一
あるいは第二の量子井戸いずれかに存在する。薄い障壁
膜のエネルギー障壁の高さ及び膜厚は、量子井戸1から
3あるいは3から1へ有限の確率でトンネル効果あるい
は熱励起により電子が遷移できるように設定する。ここ
で活性領域間の距1!(双極子格子定数)をaとし、第
一および第二量子井戸の幅をdとし。
量子井戸間の障壁膜の厚さをtとし、この障壁膜の高さ
をbhとする。
障壁領域と量子井戸に用いる材料の組み合わせとしては
G a A I A sとGaAs、AlAsとGaA
s、TnPとGa I nPAs、GaPとGa1nP
As、Siと5iGe、SiC2とSi、5iGeとG
eなどの組み合わせが考えられる。一般には薄い障壁膜
2と障壁領域7とは違う材料を用いても良いが、同じ材
料を用いることもできる。具体的な一例を示すと、障壁
領域としてはG a A I A s (A Iの比率
は例えば20%)、第−及び第二量子井戸1,3は一辺
10nmのGaAsからなる立方体、薄い障壁膜として
は2nm厚のGaAIAs(Alの比率は例えば15%
)に−個のドナーSiが添加されたものを用いる。
上記構成は、ドナーの代わりにアクセプタを用いても実
現できる。この場合電子の代わりに正孔が活性領域中を
運動する。この例としては、障壁領域としてはSi、第
−及び第二量子井戸1.3は一辺5nmの5iGe (
Geの比率は例えば15%)からなる立方体、薄い障壁
膜としてはlnm厚のSiに一個のアクセプタBが添加
されたものがある。
さらに同図(c)は格子構造を示す図である。
図に示すように、活性領域6を障壁領域7の中に格子上
に配列する。
次に、この装置の動作を説明する。第1図(a)に示す
各々の活性領域ではドナーから発生した伝導電子4が量
子井戸1あるいは3のいずれかに存在する。電子が量子
井戸1にあるか3にあるかによって、この活性領域は有
限の電気双極子能率ベクトルすなわち電気双極その強さ
と方向を与えるベクトルを有する。電気双極子能率ベク
トルpは、次式で表わされる。
P=q 1 d
・・・・・・・・ (1)
qは電子の電荷量、ベクトルdは電子の平均位置とドナ
ーとの距離ベクトルである。従って。
第1図(a)の構造では、上向きか下向きの電気双極子
能率ベクトルを有する。
第1図(c)のように格子状に配列した構造では各活性
領域が上向きか下向きの電気双極子能率ベクトルを持つ
ので、例えばある瞬間の電気双極子の分布を見ると第1
図(c)のようになっている。各活性領域の電気双極子
能率ベクトルが独立であり、活性領域がn個ある場合に
は合計2″個の分布の仕方が考えられる。これをディジ
タル情報と対応させる規則を定めればnビットの情報と
対応付けすることができる。
これはnビットの情報を本実施例によって装置内部に表
現していることになる。各活性領域の電気双極子能率ベ
クトルが独立でない場合には。
この装置が表現できる情報量はnビット以下となる。
この格子構造を電極にはさんで、外部電界を印加すれば
、活性領域の電気双極子能率ベクトルをほぼ同時に変化
させることができる。各活性領域では、外部電界と他の
活性領域が作る電界の総和からなる電界を受け、電界変
化に応じて電気双極子能率ベクトルが変化する。各活性
領域は第2図に示すように、その周りに極めて異方性の
強い電界分布を作る。ベクトルr離れた点における双極
子の作る電界ベクトルE (r)は次式で表される。
E (r)= [3(p −r)r−r2pコ/
(4πε 、3) ・・・ (2)電界Eは、第2図
に示すように、電気双極子のベクトル方向の直線上では
、電気双極子と同じ方向であるが、電気双極子に垂直方
向の直線上では電気双極子と反対向きである。電気双極
子には、電気双極子を電界方向に向けようとする力が働
くので、これを利用して、ある方向の電気双極子能率を
増加したり、逆に抑制したりすることができる。これは
、活性領域間の情報の伝達を双極子相互作用で行ってい
ることになる。
その変化の仕方は、初期状態及び活性領域間の相互作用
によって具体的には様々であるが、これを制御して情報
処理装置として用いることができる。この情報処理装置
の扱えるデータは最大でnビットである。この時、情報
は光速で伝達するので、超高速に情報は伝達する。
また、本実施例のように活性領域においてポテンシャル
エネルギが極小となる領域が(量子井戸1及び2の)2
カ所ある場合には(2重極小ポテンシャル構造と以下呼
ぶことにする)、特に微小な電界変化で電気双極子能率
ベクトルを大きく変化させることができる。これは活性
領域の電子分極率αが極めて大きくなるためである。こ
れを以下に説明する。電子分極率は次式で定義される。
p=αE
・・・・・・・・・ (3)
ここでpは電気双極子能率ベクトル、Eは活性領域にお
ける電界ベクトルである。原子の電子分極率と同様に、
活性領域の電子分極率は量子力学の摂動論を用いて次式
で近似的に表わされる。
α=2 I <1 1 q d l 2> 12
/ (E2−E、)・・・・・・・・・ (4)
二こで、〈11は活性領域の基底状態の状態ベクトルを
Diracのブラ記号を用いて表わしたもの、12〉は
第一励起状態の状態ベクトルをDiracのケラト記号
を用いて表わしたもノ、従って<11qcl12>はエ
ネルキー表示での電気双極子能率ベクトルqdの行列要
素、Eユは基底状態のエネルギ、E2は第一励起状態の
エネルギである。簡単な計算の結果、障壁膜の障壁高さ
が高くなるに従い、この式の分母のE2−E工は単調に
減少し、従ってαは増大することがわかる。薄い障壁膜
の高さが無限大になると、E2−ElはOになり、αは
無限大となる。
すなわち電界がOでも有限の電気双極子能率ベクトルを
持つ、あるいは永久双極子を持つよう番こなる。いずれ
にしても2重極小ポテンシャルの活性領域では、薄い障
壁膜のポテンシャル障壁の高さによって電子分極率αの
大きさを極めて広い範囲で制御することができ、極めて
大きなαを実現できる。大きな電子分極率を持つ活性領
域はその定義から明らかなように、僅かな電界に対して
も大きな電気双極子能率ベクトルを持つ。
薄い障壁膜の障壁高さを調節して大きな電子分極率を有
する活性領域を実現し、これを第1図のように格子状に
並べると、近傍の活性領域の電気双極子能率ベクトルが
同方向に揃った状態が実現できる。これを、第3図に示
す。これは、以下のような理由による。ある一つの活性
領域に僅かな電気双極子能率ベクトルが生じたとすると
、これは隣の活性領域の場所に小さな電界を作る。電子
分極率が大きいため、この活性領域は大きな電気双極子
能率ベクトルを持ち、もとの活性領域に大きな電界を作
る。従って、もとの活性領域も大きな電気双極子能率ベ
クトルを持つようになる。このようなポジティブフィー
ドバックが隣から隣へと働くと、近い場所にある活性領
域は互いに同じ方向の電気双極子能率ベクトルを持つよ
うになる。このような活性領域の集団を以下では″分域
″と呼ぶことにする。活性領域の電気双極子能率ベクト
ルをスピン磁気双極子能率ベクトルに置き換えれば、本
実施例はちょうど強磁性体と良く似ている。
磁性体の分野ではスピンの揃った領域は分域と呼ばれて
おり、本発明でもこの呼び名をもちいる。本実施例の分
域は、活性領域が互いにフィードバックを及ぼしあうた
め、極めて安定であり、電界を印加しなくとも、電気双
極子能率ベクトルの向きを保持する。これは、誘電体物
理の用語を用いると、自発分極を持つと表現できる。
3次元の立方格子を持つ物質に自発分極が生じる条件と
しては下記のものが知られている。
これは、C0
Introcl
olid
第5版(J
Sons。
れば、
1著、
n t。
p h y s i c s 、 ”ley &
17−418頁によ
xtte
ucti。
tate
hnWi
Inc)、4
Nα〉3/4π。 ・・・・・・・
・・とあられされる。ここで、Nは双極子の密度であり
1本発明では活性領域の密度に対応する。
上記したように、αは薄い障壁膜のポテンシャルの高さ
を高くすれば極めて高くできるので、この条件を満たす
のは容易である。従って、自発分極の実現性は明らかで
ある。
薄い障壁領域の障壁高さ、あるいは厚みを増加させるこ
とにより、分極した状態の安定性が向上するので、高温
まで自発分極が維持できるようになる。
3次元の立方格子以外の場合、例えば、正方格子あるい
は2次元の格子の場合には、上記条件式の右辺の3/4
πが変化するものの、同様の条件式が成り立つ。
この自発分極の向きは、外部から印加する電界によって
反転させることができる。分極(単位体積当たりの電気
双極子能率)と外部電界の関係は、第4図に示すように
、ヒステリシスを持つ関係になる。このヒステリシスを
用いて情報の記憶を行うことができる。
これまでも自発分極を持つ物質として、B a T i
O,などの−群の強誘電体物質が知られている。これ
ら自然の強誘電体の電気双極子能率ベクトルは、主に結
晶を構成するイオンが変位することにより自発分極が発
生していた。
本発明では、電子が移動することにより電気双極子能率
ベクトルが生じる点でこれらとは大きな相違がある。電
子はイオンよりも遥かに軽いので、本発明は、自然の強
誘電体に比べ、電界に対する応答速度ははるかに高速で
ある。
本実施例の構造を電極間にはさみ込めば、高誘電率でか
つ超高速応答可能なキャパシタが形成できるa B a
T x Ozなどの強誘電体は、本質的に誘電率が高
いが、イオンの変位によって高い誘電率を実現している
ために、応答速度が低速であった。本発明では電子の変
位によって高い誘電率を実現しているため、応答速度は
通常の強誘電体よりも3桁以上高速である。
量子井戸の幅を大きく設計すると、電子の移動できる範
囲が広がるので、誘電率は大きくなる。また、量子閉じ
込め構造の密度を増加させる(格子間隔を短くする)こ
とによって、量子閉じ込め構造間の双極子相互作用が強
まるので。
やはり誘電率は高くなる。
これまで半導体超格子構造は盛んに研究されてきたが、
異種の半導体を組み合わせて、移動度、バンドギャップ
等の物性定数が異なる半導体を実現するに留まっていた
。これに対して、本発明は、半導体を組み合わせて1強
誘電体という全く質的に違う物質と同様の性質が実現で
きる点で従来とは、大きく異なっており、画期的な発明
と考えられる。
このように自発分極及び分域構造を有する本実施例では
、外部電界の印加により分域の発生。
消去及び境界位置の移動が可能である。
本発明では、量子閉じ込め構造の電気双極子の空間分布
により情報を表現するので、従来のトランジスタ回路で
の情報の表現方式に比べ様々な利点がある。(従来のト
ランジスタ回路では、トランジスタはスイッチとして機
能し、トランジスタがオン状態となるかオフ状態となる
かをディジタル信号と対応させている。この時、信号は
金属配線中の電位としてあられれる。)電気双極子は、
電界によって容易に向き・大きさを制御することができ
る。従って、金属の配線を用いなくとも、遠距離から向
き大きさを変化させることができる。すなわち、配線無
しに情報を伝達できる。
また、電気双極子の向きや大きさを変えるのには、トラ
ンジスタのように電流を流す必要がないので1本発明は
本質的に超低消費電力の動作に向いている。
電気双極子間の相互作用も光の伝播速度で伝わるので、
極めて高速である。情報の伝達速度に関して、従来の半
導体素子のような電子の飽和速度に起因する制限を受け
ない。
本発明は、有限の分極を電源なしに保持できるので、分
極の向き・大きさを場所により変化させて記録しておけ
ば、記憶媒体として用いることができる。高密度に量子
閉じ込め構造を配列することにより、通常の半導体記憶
装置より遥かに高い記憶密度を得ることができる。また
、磁気記録では書き込み時に磁場を発生する必要があり
、この時大きな電流を流す必要があるが。
本発明では電場を発生するだけでよいので、書き込み装
置の消費電力、サイズは磁気記録に比べ遥かに小さなも
のとなる。また、本発明は半導体を用いているため、こ
の記憶媒体と同一材料の上に、従来の半導体デバイス・
回路を作成することができるので、記憶の読みだし、書
き込み回路、通信用回路あるいは信号処理回路等を従来
技術で作成することも容易である。
本発明を用いた第2の実施例を以下に説明する。第5図
に本発明の第2の実施例による不揮発性ランダムアクセ
スメモリ(RAM)の記憶セルに用いる電界効果型トラ
ンジスタを示す。
ここで、8はp型シリコン基板、9はn中領域からなる
ソース領域、10は同じくn+領領域らなるドレイン領
域、11はソース端子、12は薄い障壁膜、13はゲー
ト端子、14はゲート電極、15は障壁領域、16は量
子井戸、17はドレイン端子である。量子井戸は多結晶
Siからなり、薄い障壁膜は、電子のトンネル電流が流
れる程度に薄く、かつn型にドープされたSiO2膜で
ある。障壁領域、量子井戸、薄い障壁膜からゲート絶縁
膜(18)が構成される。この中には第−及び第二活性
領域(19゜20)が含まれる。
次にこの第2の実施例による絶縁ゲート型電界効果型ト
ランジスタの動作を第6図を用いて説明する。ゲート絶
縁膜18の中では、第6図(a)、(b)に示す2通り
の状態が安定して存在する。即ち、電気双極子が上向き
の状態と下向きの状態である。薄いSiO□膜のドナー
不純物から生じる伝導電子は量子井戸に分布する。薄い
SiO2膜の領域では、ポテンシャルエネルギが高いた
め、電子の存在確率は必然的に小さくなる。このために
わずかな熱揺らぎによって中心から離れた量子井戸に電
子は存在しやすくなる。従って有限の電気双極子が発生
しやすい。第一の活性領域20が上向きの電気双極子を
持つとき、第二の活性領域には上向きの電界が印加され
る。従って活性領域2にはやはり上向きの電気双極子が
生じる。この第二の活性領域の電気双極子は第一の活性
領域にやはり上向きの電界を作るので、第一の活性領域
の上向きの電気双極子能率ベクトルはますます大きくな
る。以上述べたポジティブフィードバックの効果により
、上向きの状態が安定であることがわかった。まったく
同様の議論が下向きの電気双極子の状態についても成立
ち、やはり安定となる。このようにして、このゲート絶
縁膜18は内部に2つの安定状態を持つ。この絶縁ゲー
ト型電界効果トランジスタのソース、ドレインを接地し
て、ゲート電極に印加する電圧を変化させると第7図に
示すようなヒステリシスを持つ電流電圧特性が得られる
。ゲートソース間電圧が07時にも、トレイン電流が流
れる状態と流れない状態が実現できる。
以上の性質を用いることにより、不揮発の(電源が接続
されていないときにもデータを保持する)RAMが実現
できる。この構成の一例を第8図に示す。29は行方向
デコード回路、21はワード線、27はコントロール線
、22はデータ線、26はメモリセル、24は通常の絶
縁ゲート型電界効果トランジスタを用いた選択トランジ
スタ、25は第5図で説明した二安定状態を有する電界
効果型トランジスタによる記憶トランジスタ、28は列
方向デコード/選択回路、及びセンス回路である。
この不揮発RAMの書き込み及び、読み出し動作を次に
説明する。書き込み時には選択するワード線をローから
ハイにする。その他のワード線は、ローである。次に、
書き込みたいビットのコントロール線を書き込み電圧に
し、データ線をローレベルにする。このビットの記憶ト
ランジスタのゲートは書き込み電圧、ドレインはローレ
ベルとなるので、記憶トランジスタは低しきい値の状態
となる。すなわち、このビットのメモリにはローが書き
込まれた。次にハイを書き込む場合には以上のロー書き
込みの動作の後にコントロール線をローにして、かつハ
イを書き込みたいメモリセルのデータ線だけを書き込み
電圧にする。このとき記憶トランジスタのゲートソース
間にはローレベル、ドレインソー入間には書き込み用電
圧から選択トランジスタのしきい電圧だけ低いレベルが
印加される。
従って、ゲートドレイン間にはマイナス極性で書き込み
用電圧が印加され、記憶トランジスタは高しきい値状態
となる。すなわち、ハイが書き込まわる。
読みだし時には、ワード線をハイレベルにして、選択ト
ランジスタをオン状態とし、コントロール線をローレベ
ル、データ線を(読みだし用の)ハイレベルとする。記
憶トランジスタが低しきい値状態となっているメモリセ
ルでは、記憶トランジスタ、選択トランジスタともにオ
ン状態となるので、データ線の電荷をメモリセルが放電
し、データ線の電位が下がる。記憶トランジスタが高し
きい値状態となっているメモリセルでは、データ線はハ
イレベルのままである。このデータ線の信号をセンスア
ンプで増幅し、外部へ出力して読みだし動作が完了する
。
書き込み用の電圧は読みだし用の電圧よりも高く設定す
る。この実際の電圧値は記憶トランジスタのヒステリシ
ス特性により決める。
従来、半導体不揮発性メモリでは絶縁膜を介して電荷を
注入したり引き抜いたりするために、絶縁膜の長期的な
疲労により、データの書き換え回数に制限があった。絶
縁膜を薄くすれば、書替え回数は向上するか、これでは
データの保持期間が短くなってしまう。また、データの
消去/書替えには、絶縁膜を介して電荷を注入する必要
があり、ミリセカンド程度の時間が必要であった。これ
らのことより、計算機のマシンサイクル毎にデータを書
き替えるような用途には適さなかった。
これに対して、本実施例では双極子相互作用によるポジ
ティブフィードバックによってデータ保持を行っている
。すなわち、絶縁ゲート内部に2つの状態を安定に保つ
働きがある。従って、薄い障壁膜の厚さを10オングス
トローム以下に薄くしても、記憶の保持には影響がない
。
従って、上記長期疲労の問題は回避できる。特に、この
薄い障壁膜はエネルギーギャップの大きい半導体により
構成することもでき、この場合は、かりに厚い膜を用い
ても、長期疲労の問題はない。また、この記憶装置のデ
ータの消去あるいは書替え時間は、極めて高速であり1
ナノ秒以下にできる。これは、書替え時には少数のキャ
リアが障壁膜の上から下へ(あるいは下から上へ)移動
するだけでよいからである。
本発明の第3の実施例を以下に説明する。第9図(a)
は本発明第3の実施例による記憶装置の一例を示す。
同図(c)に示すように、第一の実施例と同様に、第一
量子井戸35、第二量子井戸36、薄い障壁膜34から
なる活性領域31が障壁領域37の中に格子状に埋め込
まれている。第一量子井戸35、第二量子井戸36は障
壁領域37より電子親和力の大きい材料により構成され
、薄い障壁膜34は第一量子井戸35、第二量子井戸3
6いずれよりも電子親和力の小さな材料からなる。33
はドナー不純物である。第一の実施例との違いは、第一
量子井戸35の電子親和力が第二量子井戸36の電子親
和力よりも大きく設定されている点であり、単独の活性
領域で考えると電子は第一量子井戸35に安定して存在
する。
この活性領域は、薄膜状の障壁領域の中で格子構造をし
ており、30は半導体あるいは金属からなる制御電極、
38はn+半導体からなる接地領域である。
次にこの動作について説明する。格子状に配列した活性
領域は、第1の実施例と全く同様の機構によって、自発
分極を持ちうる。本実施例の場合には、第一量子井戸が
第二量子井戸よりも電子親和力が大きいので、電子の存
在確率は第一量子井戸の方が大きくなる。従って下向き
の電気双極子(あるいは自発分極)が発生しやすい。但
し、本実施例では全体の形状を膜形状としているため(
水平方向の寸法が垂直方向の寸法に比べて、ずっと大き
いン、反分極場が生じる。反分極場は、膜状の物質が分
極したときに表面にできる電荷によって生じる電界であ
り、物質内部の分極を小さくする向きとなる。この反分
極場のために、第9図(b)に示すように、上向きの反
転した自発分極を有する微小領域(以後反転分極領域と
呼ぶ)31が安定して存在することができる。
この反転分極領域31の存在は以下のように定式化する
ことができる。この系のエネルギーは、以下の3項より
なる。
UT:UW+UE+UD ・−・−・ (6)ここ
で、UTはトータルのエネルギであり、−様に下向きに
分極している場合を基準としている。
Uwは反転分極領域とその他の領域の間の遷移領域ノ存
在によるエネルギーの増加分、UEは反転分極領域と外
部電界との相互作用を表わす項、UDは反分極場と反転
分極領域の相互作用を表わす項である。反転分極領域を
対称性より円形であると仮定すると、以下の解析式が得
られる。
Uw= 2πrσ ・・・・・・・・・
(7)UE= 2 πr”Ps (Eext十Δφ/
q d )・・・・・・・・・ (8)
UD=−2πr2PsPs (1−2N)/ε・・・・
・・・・・ (9)
二こで、rは反転分極領域の半径、σは単位面積当たり
の遷移領域のエネルギー、Psは自発分極の大きさ、E
extは膜に垂直方向下向きの外部電界、Δφは第一
量子井戸と第二量子井戸の間の電子親和力の差、qは電
子の電荷量、dは第一量子井戸と第二量子井戸の中心間
の距離、Nは反電場係数(直径2rが膜厚りと等しくな
ったとき約173となり、rが大きくなるに従い単調に
減少する)、Eは量子井戸の誘電率である。この実施例
では外部からは電界は印加していないが、第一量子井戸
と第二量子井戸とで電子親和力の違う材料を用いること
により、Δφ/qdが有限値である。
この式によって、エネルギーの半径rに対する依存性を
求めると第10図のようになる。同図によれば、rの安
定な点としてr = Oとr=r、の2つの条件がある
。r=oの点は、−様に分極して、反転分極が無い場合
であり、r=r、は半径r。の反転分極領域が発生する
場合に相当する。このどちらの条件においても、−度そ
の状態になると、状態を継続する。従って上記反転分極
領域をディジタル信号の”1″あるいは110′1と対
応させてディジタル情報の記録に用いることができる。
このような、反転分極は膜の方線方向と実質的に平行に
電界を印加し、該電界を制御することにより発生させる
ことは容易である。反転分極領域を発生させるには、膜
に上向きに電界を印加すれば良い。これは、膜の表面付
近に電極を形成し、これに負の電圧を印加すればよい。
このとき第11図に示すように、r=0が不安定となり
、有限のrだけが安定となる。この後、外部電界をOに
しても、有限のr値を保持する。
反転分極を移動させるには、膜に垂直な電界の強さに傾
斜を設けることによって達成できる。第12図に示すよ
うな傾斜電界のもとでは、反転分極領域は上向きの電界
が強くなる方向へ移動する。
第11図に示すように上向きの電界が強い場所の方がエ
ネルギーが低く、安定だからである。
反転分極領域を長距離にわたって移動させるには、第9
図(a)及び第13図に示すような方法を用いる。T型
制御電極39と工型制御電極40を第13図のように交
互に配置する。これに薄膜の面と実質的に平行方向の、
時間とともに向きが回転する電界(回転電界)をさらに
印加する。該平行方向の電界のもとで、制御電極は分極
し、端部に正あるいは負の電荷が生じる。負電荷の下に
ある活性領域には上向きの電界が印加されるので、反転
分極領域は負電荷の下に存在する方が安定である6回転
電界を印加すると1反転分極領域は制御電極の負電荷の
ある側に順次引き付けられて順次移動する。第13図に
示す動作の繰返しによって、反転分極領域は任意の場所
まで移動することができる。
以上述べたデバイスを同一チップ上に形成することによ
り、第14図(a)、(b)に示すようなシリアルメモ
リが形成できる。ここで、41は水平方向電界印加電極
、42は電源及び制御回路、43は記憶部、44はセン
ス回路及びI10ボート、45はマイナーループ、46
は転送ゲート、47はメジャーループである6デイジタ
ル情報は、反転分極領域の有無により記録し、マイナー
ループ上を回転電場により周回している。情報の読みだ
しは、転送ゲート46を開き、読み呂したい情報をメジ
ャーループに送りこんで工/○ポートを介して行う。情
報の書き込みはその逆に、I10ボートから反転分極領
域をメジャーループに転送し、転送ゲートを介してマイ
ナーループに送りこむことによって行う。
反転分極領域は一種の粒子(擬粒子)として動作し、情
報を保持、伝達することができる。この反転分極領域は
、従来の電子や正孔に換わる新しい情報の伝達坦体(キ
ャリア)として利用することができる。反転分極領域は
、それ自体エネルギー的に安定であり、電子のように再
結合により消滅することが無い。従来の電子を用いた情
報記憶。
情報処理では、多数の電子が移動することが必要であっ
た。本発明では1反転分極領域の移動に際しては、実際
の電子の移動は僅がであり、電界の分布が高速で移動す
る。従って、高速で電力消費の小さい情報伝達が可能に
なる。
次にこのような記録装置の効果について説明する。電源
なしに情報を保持できるので、不揮発性の記録装置であ
る。高密度に量子閉じ込め構造を配列することにより、
通常の半導体記憶装置より遥かに高い記憶密度を得るこ
とができる。また。
磁気記録では書き込みに磁場を発生する必要があり、こ
の時大きな電流を流す必要があるが、本発明では電場を
発生するだけでよいので、書き込み装置の消費電力、サ
イズは磁気記録に比べ遥かに小さなものとなる。また、
本発明は半導体を用いているため、この記憶媒体と同一
材料の上に、従来の半導体デバイス・回路を作成するこ
とができるので、記憶の読み呂し、書き込み回路、通信
用回路あるいは信号処理回路等を従来技術で作成するこ
とも容易である。
不均一な垂直電界を印加すれば反転分極領域は移動する
ことを上に述べたが、従来の半導体デバイスとは次に述
べる意味で本質的な相違がある。
まず、この反転分極領域の移動においては、電子は各量
子閉じ込め領域の中で第一量子井戸と第二量子井戸の間
の極めて短い距離を移動するだけである。しかも電子が
移動する方向は膜に垂直な方向であり、反転分極領域の
移動方向とは垂直の方向である。従来の半導体装置では
情報と同時に電子が半導体中を実際に移動する必要があ
ったが、本発明の情報の伝達ではこのような電子の移動
を伴わない(あるいは極めて僅かの移動しか伴わない)
。実際には、電気双極子が作り出す電界が半導体を光の
伝播速度で伝わることになる。従って、反転分極領域の
移動は超高速である。また、従来の半導体デバイスでは
、電子が電界により加速され(すなわちエネルギを得て
)、障害物(結晶格子や不純物)に衝突しながら走行す
るので、エネルギが熱に変わってしまう。すなわち消費
電力カ1大きく、チップ発熱も大きい。これに対して本
発明は、実際に電子が移動するわけではないので。
このようなエネルギーの消費が極めてtJXさい。
本実施例では、第一量子井戸と第二量子井戸の電子親和
力は異なる場合を示したが、電子親和力が同じ場合にも
、膜に垂直に電界を印加することにより同様の効果を得
ることができる。
本実施例では、活性領域にドナー不純物を添加し、電子
が活性領域中を移動する例を述へたが。
アクセプタ不純物を印加し正孔の運動を利用しても同様
の効果を得ることができる。
次に本実施例の製造プロセスについて第15図(a)、
(b)、(c)、(d)を用いて説明する。まずn型の
半導体基板の上に障壁領域となる膜、量子井戸となる膜
、薄い障壁領域となる膜、量子井戸となる膜、障壁領域
となる膜を次々に形成する。具体的な材料の一例をあげ
れば、半導体基板としてはSiを用い、障壁領域として
はノンドープのSi、量子井戸には5iGe、薄い障壁
領域にはBがドープされたSiを用いる。この場合、量
子井戸に閉じ込められるのは正孔となる。
こ九をホトリソグラフィ及びドライエツチングにより加
工して(同図(b))、量子閉じ込め構造を作製する。
この後、同図(C)に示すように。
障壁領域となる半導体領域を選択成長させる。最後に保
護膜及び制御電極を形成して本発明を得る。
第17図には、本発明の第4の実施例のランダムアクセ
スメモリを示す。同図(a)に示すように、第一量子井
戸49.第二量子井戸5 o、薄い障壁膜51からなる
活性領域52.53が障壁領域54の中に埋め込まれて
いる。第一量子井戸49、第二量子井戸50は障壁領域
54より電子親和力の大きい材料により構成され、薄い
障壁膜51は第一量子井戸49、第二量子井戸50いず
れよりも電子親和力の小さな材料からなる。55はドナ
ー不純物である。56は記憶セルであり、一対の活性領
域52.53からなる。この記憶セルをはさむ形でワー
ド線57及びデータ線58が形成されている。ワード線
及びデータ線は、高不純物濃度の半導体あるいは、金属
からなるものとする。さらに同図(b)の断面図に示す
ように、記憶セル、ワード線、データ線を積層して高密
度に並べる。
次に、本実施例の動作について説明する。記憶セルにデ
ジタルの情報を書き込むときは、以下のようにする。ワ
ード線を正の電圧■に設定し、データ線を負の電圧−■
に設定する。この時非選択のワード線、ビット線は接地
レベルとする、選択された記憶セルには2■の電圧が印
加さ才し、活性領域52の電子は第二量子井戸から第一
量子井戸へと移動する。これによって、活性領域52に
は、下向きの電気双極子が生じる。この電気双極子は活
性領域53に上向きの電界を作るので、この電界の影響
で活性領域53には上向きの電気双極子が生じる。これ
を状態1とする。反対の情報(0)を書き込むには、ワ
ード線に電圧−Vを印加し、データ線に電圧Vを印加す
れば良い。
この書き込み時、非選択セルにはVだけの電圧が印加さ
れるが、第一量子井戸と第二量子井戸の闇の障壁高さ及
び活性領域52と活性領域53の距離を調節することに
より、電圧■では状態は変化せずに、電圧2■では状態
が反転するように設計できる。
第18図に示すように、記憶セルは一対の電気双極子が
互いに双極子を大きくする方向の電界を印加し、正帰還
が生じるので安定に状態を保持する。これは同図に示す
ようにちょうどフリップフロップ(ラッチ回路)を電気
双極子によって!M4CJ。
したものとなっている。このような電気双極子によるフ
リップフロップ(ラッチ回路)としては第19図に示す
ような直列に接続したものも考えられる。
情報の読みだしは以下のようにする。ワード線に■の電
圧を印加し、データ線に一■の電圧を印加すると選択セ
ルには1が書き込まれる。この時、もともと記憶セルが
1の場合にはデータ線にながれる電流は僅かである。こ
れに対し、もともと0の場合には、記憶セルの電気双極
子を反転するのに必要な電荷が、記憶セルからデータ線
に流れ込む。この電荷を高感度のセンス増幅器により読
みだす。この時、記憶セルの情報は破壊されるので、読
みだし後、再書き込みを行う。
本実施例によれば、超高密度のメモリが構成できる。特
に、第17図(b)に示すように、3次元的に配列する
ことにより、大容量のメモリが構成できる。また、活性
領域の対という単純な構成により、ml的にスタティッ
クなフリップフロップ(ラッチ回路)を構成でき、安定
に状態を保持できるという特徴がある。従って、従来の
ダイナミンクRAMのようなリフレッシュ動作は不要で
ある。従って、本発明を用いた記憶装置の制御回路は簡
素なものとなる。
本発明の第5の実施例を用いて、ある動作温度を設定し
た時に、どのような構造を取ればよいかについて説明す
る。
第20図は、本発明節5の実施例による活性領域に電界
を印加した場合の、双極子内の分極によるキャリア位置
の変位と印加電界との関係を示す図である(具体的な構
造としては第1図に示す構造を考える)。電界を印加す
るとキャリアは活性領域の中心から変位する。この変位
の大きさは電界が小さい間は、電界に比例する。変位の
電界依存性すなわち変位の電界に対する比例係数は、低
温になるほど大きくなる。これは、低温になるとキャリ
アの熱エネルギーが小さくなるため、キャリアが第一量
子井戸もしくは第二量子井戸の一方に安定して存在する
確率が大きくなり、双極子が形成されやすくなるためで
ある。この比例係数があるしきい値より大きくなると、
活性領域は、自発的に変位する。このしきい値は1次の
ようにして決まる。ある活性領域のキャリアが、たまた
ま揺らぎによって変位すると、これによってこの周囲に
電界を作る。このため、周囲の活性領域は分極する(誘
起双極子を持つ)。この誘起双極子によりもともとの活
性領域にフィードバック電界が印加され、キャリアが変
位する。相互作用が充分強く、このキャリアの変位が始
めの揺らぎと等しいかあるいはそれより大きければ、外
部から電界を印加するすることなしに、自発的にキャリ
アは変位する。これは等価回路で考えると、フィードバ
ック増幅回路においてフィードバックループの利得が1
を超えると発振するのに対応している。
このような動作原理により、本発明による半導体装置の
誘電率の温度依存性は、従来の半導体に無い特異なもの
となる。上記誘電率の温度依存性と半導体装置の構造定
数との関係を計算機シミュレーションで計算した結果を
第21図ないし第28図に示す。第21図はS i /
p形S]02もしくはG a A s / p形Al
Asにおいて図に示した構造定数を設定した場合に、誘
電率の温度依存性を示したものである。充分高温ではキ
ャリアは熱エネルギーにより互いにランダムに分布し、
無秩序状態が形成される。このため、誘電率は低い。
温度低下に伴い、双極子間の相互作用が強くなり、双極
子は互いに強い正の相関を持って運動するようになる。
このため誘電率は急激に増加する。転移温度Tcでは、
全てのキャリアが強く相関しあうようになり、自発分極
(あるいは自発変位)が生しる。この時、誘電率は理想
的には無限大となる。転移温度TC以下では誘電率は同
様に理想的には無限大となる。転移温度Tc以下の低温
相では、自発分極のためキャリアが一方向に揃って変位
した状態すなわち秩序状態が形成される。転移温度Tc
は秩序/無秩序状態の相転移温度ということができる。
誘電率は実用的には例えば100付近以上、好ましくは
500付近以上、より好ましくは1000付近以上が必
要である。実用的にはこれらの必要な誘電率の値を定義
して、転移温度Tcを定義できる。
第21図の、単一量子井戸と記された曲線が示すように
、単一の量子井戸すなわち障壁膜のない量子井戸からな
る構造では相転移は発生せず、誘電率の値は小さく、温
度依存性はほとんど無い。
実施例1から実施例3までに説明したような情報の保持
、記憶が可能となるためには、この転移温度以下の温度
で動作させる必要がある。この転移温度は以下に明らか
にするように、本発明による半導体装置の各種の構造定
数に依存する。該各種の構造定数は第1図中に示した、
双極子格子定数a(活性領域の中心間の距離)、量子井
戸の幅d、量子井戸間の障壁膜の厚さt、障壁膜の障壁
高さbh、量子井戸内の有効質量m等である。
第22図には転移温度Tcの双極子格子定数a依存性、
第23図には転移温度Tcの量子井戸幅d依存性、第2
4図には転移温度Tcの量子井戸間隙壁厚さt依存性、
第25図には転移温度Tcの有効質量m/m、依存性、
第26図には転移温度T。の量子井戸間隙壁高さbh依
存性を示す、双極子格子定数aが大きくなると、活性領
域間の相互作用が弱くなるため、転移温度Tcは急激に
低下する。量子井戸幅dが大きくなると、量子井戸内に
閉じ込められていたキャリアの零点エネルギー(基底状
態のエネルギー)が低下し、障壁膜をトンネル効果によ
って通過する確率が減少するため、変位している状態の
安定性が強まる。このため転移温度が上昇する。量子井
戸間の障壁膜の厚さtを増加するとトンネル確率が減少
するため、同様に転移温度は上昇する。また、有効質量
mが大きくなるとやはりトンネル確率が減少するため、
転移温度が上昇する。また、量子井戸間の障壁高さbh
を増加するとやはりトンネル確率が減少するため転移温
度は上昇する。
第27図には各種の寸法を比例縮小(あるいは拡大)し
た場合の転移温度Tcの変化を示す。各種の寸法を互い
に比例させて変化させると、これらの効果が複合して作
用する。解析によれば寸法の比例拡大と共に転移温度が
上昇し、寸法の比例縮小と共に転移温度が低下する。
以上のような寸法と動作温度との関係をまとめると、近
似的には第28図のように表わすことができる。すなわ
ち、パラメータ5000・bh−t2・d2・m/(a
’a+a) [eV][nm)によって動作可能温度
範囲が決定される。
第28図の縦軸の動作可能温度Tの上限値が。
装置の冷却機構等で決まる装置温度よりも高い温度にな
るように、横軸のパラメータを決定する。
動作温度Tとして、例えば室温動作を想定すると。
Tは300(K)付近以上が必要である。また装置の冷
却機構に応じて、200 (K)、150(K)、10
0 (K)、等の値が選ばれる。また液体窒素で冷却す
る装置構成においては、液体窒素温度の77(K)以上
の動作温度を確保するように決められる。
第28図の指針によれば、ある動作温度を決めると、そ
れに対応した構造定数を決定することができる。特に第
28図の横軸に示すパラメータが、双極子格子定数aに
ついてはその3乗に比例し、他の構造定数についてはそ
の1乗乃至2乗に比例することから、双極子格子定数a
を設定することが主要な要件となりうる。−例として、
300(K)付近の室温動作を想定し、量子井戸にはS
iを、障壁膜としてはp型のS i O,を用いる場合
には、(第27図より)双極子格子定数8を2’Onm
とし、他の構造定数については量子井戸幅dを8nm、
障壁膜厚さtを3.4nmとすればよい。
[発明の効果]
従来のトランジスタを用いた集積回路においては、トラ
ンジスタが動作する毎に、トランジスタ内部および配線
に付随した浮遊容量の充電、放電を行うため、大きな電
力消費が必要であった。また、集積度の増加とともに配
線に要する面積、配線の抵抗などが増加してしまう。ま
た、素子構造の複雑化により、集積回路の製造コストは
微細化とともに急激に増加してきている。さらに、動作
速度も飽和速度により制限されてしまう。
本発明の情報表現方式では、電気双極子の空間的な分布
を情報と対応づける。従って、金属の配線の抵抗などが
増加してしまう。また、素子構造の複雑化により、集積
回路の製造コストは微細化とともに急激に増加してきて
いる。さらに、動作速度も飽和速度により制限されてし
まう。
本発明の情報表現方式では、電気双極子の空間的な分布
を情報と対応づける。従って、金属の配線を用いなくと
も、遠距離から向き大きさを変化させることができる。
しかも、電気双極子の向きや大きさを変えるのには、ト
ランジスタのように電流を流す必要がないので、極めて
低消費電力で動作できる。また、多数の電気双極子を同
時並列に遠隔制御することが可能であるので、これを用
いたプロッサは本質的に並列処理に向いている。
並列処理は高速な情報処理に極めて重要であることはい
うまでもない。また、従来の金属配線によるクロック分
配では、配線抵抗によるクロックスキューのため多数の
情報処理エレメント間の同期を取るのは困難であり、高
速動作の障害となっている9本発明では、電界により電
気双極子を遠隔操作することにより、クロックの分配は
光の伝播速度で行われるので、クロックスキューは極め
て小さい。
また、電気双極子は、その周りに極めて異方性の強い電
界分布を作るので、隣接双極子間の情報の伝達は、やは
り金属の配線を用いないで行うことができる。電気双極
子間の相互作用は光の伝播速度で伝わるので、極めて高
速であり、従来の半導体素子のような電子の飽和速度に
起因する制限を受けない。
また、本発明は、従来のトランジスタを相互配線した集
積回路に比へて極めて単純な構造を有する。
さらに、量子閉じ込め構造として、2重極小ポテンシャ
ル構造を用いると、伝導キャリアは第1の低ポテンシャ
ルエネルギ領域に存在するか、第2の低ポテンシャルエ
ネルギ領域に存在するかによって2種類の電気双極子と
対応付けすることができるのでディジタル信号処理、デ
ィジタル信号記憶と適合する。
量子閉じ込め構造は、ナノメータレベルの寸法に小さく
できるので、これを用いた信号処理チップ、記憶チップ
は極めて高集積にできる。
また、2重極小ポテンシャル構造では、電子分極率が極
めて大きくなるため、微小な電界で電気双極子能率ベク
トルを変化させることができる。
さらにこれを格子状に並べると、近傍の活性領域の電気
双極子能率ベクトルが同方向に揃った状態が実現できる
。すなわち、自発分極を持つ。この分極は電源なしに保
持できるので、分極の向き・大きさを場所により変化さ
せて記録しておけば、通常の半導体記憶装置より遥かに
高い記憶密度を得ることができる。また、磁気記録では
書き込みに磁場を発生する必要があり、この時大きな電
流を流す必要があるが、本発明では電場を発生するだけ
でよいので、書き込み装置の消費電力、サイズは磁気記
録に比べ遥かに小さなものとなる。また、本発明は半導
体を用いているため、この記憶媒体と同一材料の上に、
従来の半導体デバイス・回路を作成することができるの
で、記憶の読み出し、書き込み回路、通信用回路あるい
は信号処理回路等を従来技術で作成することも容易であ
る。
また、このような2重極小ポテンシャルを持つ量子閉じ
込め構造を格子状に並べた、これを薄膜形状にすると大
部分の電気双極子と反対向きの電気双極子を持つ微小な
反転分極領域が形成される。
この反転分極領域は大きさが一定であり、大きな電界を
印加して消去しないかぎり安定して存在するので、一種
の粒子(あるいは擬粒子)としてふるまう。この反転分
極領域は−様な垂直電界のもとでは静止しているが、場
所によって垂直電界が変化すると、移動する性質がある
。従って、この反転分極領域の面内分布を情報に対応さ
せれば。
情報を記録することができる。この記憶方式では、記憶
密度が極めて大きい、記憶保持に電力消費は不要であり
、従って不揮発である。
この反転分極領域をディジタル信号のIloと対応させ
れば、ディジタルの信号処理にも用いることができる。
本発明では情報の伝達は僅かな電子の移動と電界の伝播
により行う。従って光の伝播速度に近い速度で情報が伝
わる。従って、超高速に情報処理が行なわれる。また、
実際に電子の移動は極めて僅かであるので、エネルギー
の消費は極めて小さい。
従って、本発明を用いた情報の記憶装置、情報処理装置
は従来に比べ超高速で超低消費電力となり、その工業的
価値は極めて大きい。A first embodiment of the present invention will be described below. Figure 1(a) (
b) and (c) show a semiconductor device using a quantum confinement structure according to a first embodiment of the present invention. FIG. 5A is a diagram showing the structure of the active region. As shown in the figure, 1 is the first quantum well, 2 is the thin barrier film, and 3 is the first quantum well.
is a second quantum well, 5 is a donor, and the active region 6 is constituted by these. This active region is embedded within the barrier region 7. FIG. 5B is a diagram showing the potential energy in the active region. As shown in the figure, the first and second quantum wells 1 and 3 are made of a semiconductor having a higher electron affinity than the barrier region, and can confine conduction electrons therein. That is, the active region constitutes a quantum confined structure. The thin barrier film 2 is made of a semiconductor (or insulator) having a smaller electron affinity than the quantum wells 1 and 3. Further, impurity atoms serving as donors are added to the thin barrier film. Conduction electrons originating from the donor reside in either the first or second quantum well. The height and thickness of the energy barrier of the thin barrier film are set so that electrons can transition from quantum well 1 to quantum well 3 or from quantum well 3 to quantum well 1 with a finite probability by tunneling or thermal excitation. Here, the distance between active regions is 1! (dipole lattice constant) is a, and the width of the first and second quantum wells is d. Let the thickness of the barrier film between the quantum wells be t, and the height of this barrier film be bh. Combinations of materials used for the barrier region and quantum well include GaAs and GaAs, and AlAs and GaA.
s, TnP and GaI nPAs, GaP and Ga1nP
As, Si and 5iGe, SiC2 and Si, 5iGe and G
Possible combinations include e. Generally, different materials may be used for the thin barrier film 2 and the barrier region 7, but the same material may also be used. To give a specific example, the barrier region is Ga A I A s (the ratio of A I is, for example, 20%), and the first and second quantum wells 1 and 3 are cubic and thin barriers made of GaAs with sides of 10 nm. The film is 2 nm thick GaAIAs (Al ratio is 15%, for example).
) to which − donor Si is added. The above configuration can also be realized using an acceptor instead of a donor. In this case, holes move in the active region instead of electrons. In this example, the barrier region is Si, and the first and second quantum wells 1.3 are 5iGe (
An example of a cubic thin barrier film made of Ge (Ge ratio: 15%, for example) is one in which one acceptor B is added to 1 nm thick Si. Furthermore, FIG. 10(c) is a diagram showing a lattice structure. As shown in the figure, active regions 6 are arranged in a grid within barrier regions 7 . Next, the operation of this device will be explained. In each active region shown in FIG. 1(a), conduction electrons 4 generated from donors exist in either quantum well 1 or 3. Depending on whether the electron is in quantum well 1 or 3, this active region has a finite electric dipole efficiency vector, ie a vector giving the electric dipole's strength and direction. The electric dipole efficiency vector p is expressed by the following equation. P=q 1 d (1) q is the amount of charge of the electron, and vector d is the distance vector between the average position of the electron and the donor. Therefore. The structure shown in FIG. 1(a) has an electric dipole efficiency vector pointing either upward or downward. In a structure arranged in a lattice as shown in Figure 1(c), each active region has an electric dipole efficiency vector pointing upward or downward, so for example, looking at the distribution of electric dipoles at a certain moment, the
It looks like figure (c). If the electric dipole efficiency vectors of each active region are independent, and there are n active regions, a total of 2'' distributions can be considered.If a rule is established to associate this with digital information, n-bit This means that n bits of information are expressed inside the device by this embodiment.If the electric dipole efficiency vectors of each active region are not independent. The amount of information that can be expressed is less than n bits.By sandwiching this lattice structure between electrodes and applying an external electric field, it is possible to change the electric dipole efficiency vectors of the active regions almost simultaneously.In each active region, It receives an electric field consisting of the sum of the external electric field and the electric fields created by other active regions, and the electric dipole efficiency vector changes according to the change in the electric field.As shown in Figure 2, each active region has an extremely anisotropic structure around it. The electric field vector E (r) created by the dipole at a point away from the vector r is expressed by the following formula: E (r) = [3(p - r) r - r2p co/
(4πε, 3) ... (2) As shown in Figure 2, the electric field E is in the same direction as the electric dipole on a straight line in the vector direction of the electric dipole, but in the direction perpendicular to the electric dipole. On the straight line, it is in the opposite direction to the electric dipole. Since a force acts on an electric dipole that tends to direct the electric dipole in the direction of the electric field, this can be used to increase or conversely suppress the electric dipole efficiency in a certain direction. This means that information is transmitted between active regions by dipole interaction. The specific manner in which the change occurs varies depending on the initial state and the interaction between the active regions, but this can be controlled and used as an information processing device. This information processing device can handle up to n bits of data. At this time, information is transmitted at the speed of light, so information is transmitted at extremely high speed. In addition, as in this example, the region where the potential energy is minimum in the active region is 2 (of quantum wells 1 and 2).
If there are several locations (hereinafter referred to as a double minimum potential structure), the electric dipole efficiency vector can be significantly changed by a particularly small change in the electric field. This is because the electronic polarizability α of the active region becomes extremely large. This will be explained below. The electronic polarizability is defined by the following equation. p=αE (3) where p is the electric dipole efficiency vector and E is the electric field vector in the active region. Similar to the electronic polarizability of atoms,
The electronic polarizability of the active region is approximately expressed by the following equation using perturbation theory of quantum mechanics. α=2 I <1 1 q d l 2> 12
/ (E2-E,)・・・・・・・・・ (4) In the two lines, <11 is the state vector of the ground state of the active region expressed using Dirac's bra symbol, and 12> is the state vector of the ground state of the active region. The state vector of one excited state is expressed using Dirac's Kerat symbol, so <11qcl12> is the matrix element of the electric dipole efficiency vector qd in energy key representation, E is the energy of the ground state, and E2 is the first It is the energy of the excited state. A simple calculation shows that as the barrier height of the barrier film increases, the denominator of this equation, E2-E, decreases monotonically, and therefore α increases. When the height of the thin barrier film becomes infinite, E2-El becomes O and α becomes infinite. In other words, even if the electric field is O, it has a finite electric dipole efficiency vector or a permanent dipole. In any case, in the double minimum potential active region, the magnitude of the electronic polarizability α can be controlled over a very wide range by changing the height of the potential barrier of the thin barrier film, and an extremely large α can be achieved. As is clear from its definition, an active region with a large electronic polarizability has a large electric dipole efficiency vector even in response to a small electric field. By adjusting the barrier height of the thin barrier film to create an active region with large electronic polarizability, and arranging them in a grid as shown in Figure 1, the electric dipole efficiency vectors of neighboring active regions will be in the same direction. It is possible to achieve a state that is consistent with the following. This is shown in FIG. This is due to the following reasons. If a small electric dipole efficiency vector occurs in one active region, this creates a small electric field at the location of the adjacent active region. Due to the large electronic polarizability, this active region has a large electric dipole efficiency vector, creating a large electric field in the original active region. Therefore, the original active region also has a large electric dipole efficiency vector. When such positive feedback acts from neighbor to neighbor, active regions located close to each other will have electric dipole efficiency vectors in the same direction. Hereinafter, such a group of active regions will be referred to as a "domain." If the electric dipole efficiency vector in the active region is replaced with a spin magnetic dipole efficiency vector, this embodiment is very similar to a ferromagnetic material. In the field of magnetic materials, a region with aligned spins is called a domain, and this term is also used in the present invention. The domain of this embodiment is extremely stable because the active regions exert feedback on each other, and the direction of the electric dipole efficiency vector is maintained even without applying an electric field. Using the terminology of dielectric physics, this can be expressed as having spontaneous polarization. The following conditions are known for spontaneous polarization to occur in a substance with a three-dimensional cubic lattice. This is based on the C0 Introclid 5th Edition (J Sons. 1, nt. phys. ics, pp. 17-418), 4 Nα 3/4π.
...is hailed. Here, N is the dipole density, which in the present invention corresponds to the active region density. As mentioned above, α can be made extremely high by increasing the potential of the thin barrier film, so it is easy to satisfy this condition. Therefore, the feasibility of spontaneous polarization is clear. By increasing the barrier height or thickness of the thin barrier region, the stability of the polarized state is improved, making it possible to maintain spontaneous polarization up to high temperatures. In cases other than a three-dimensional cubic lattice, for example, in the case of a square lattice or a two-dimensional lattice, 3/4 of the right side of the above conditional expression
Although π changes, the same conditional expression holds true. The direction of this spontaneous polarization can be reversed by an externally applied electric field. The relationship between polarization (electric dipole efficiency per unit volume) and external electric field has hysteresis, as shown in FIG. This hysteresis can be used to store information. Until now, B a T i has been used as a material with spontaneous polarization.
-group ferroelectric materials such as O, are known. In the electric dipole efficiency vectors of these natural ferroelectric materials, spontaneous polarization occurs mainly due to the displacement of ions constituting the crystal. The present invention differs greatly from these methods in that an electric dipole efficiency vector is generated by the movement of electrons. Since electrons are much lighter than ions, the present invention has a much faster response to electric fields than natural ferroelectrics. By sandwiching the structure of this example between electrodes, a capacitor with a high dielectric constant and an ultra-high-speed response can be formed.a B a
Ferroelectric materials such as T x Oz inherently have a high dielectric constant, but because the high dielectric constant is achieved by displacement of ions, the response speed is slow. Since the present invention achieves a high dielectric constant through electron displacement, the response speed is three orders of magnitude faster than that of ordinary ferroelectric materials. If the width of the quantum well is designed to be large, the range in which electrons can move increases, and the dielectric constant increases. In addition, by increasing the density of the quantum confined structures (shortening the lattice spacing), the dipole interaction between the quantum confined structures becomes stronger. After all, the dielectric constant becomes high. Semiconductor superlattice structures have been extensively studied so far, but
Previous efforts have been limited to combining different types of semiconductors to create semiconductors with different physical constants such as mobility and band gaps. In contrast, the present invention is significantly different from conventional methods in that it is possible to combine semiconductors to achieve properties similar to those of a ferroelectric substance, which is a qualitatively different material, and is considered to be an epoch-making invention. . In this embodiment, which has a spontaneous polarization and a domain structure as described above, a domain is generated by applying an external electric field. It is possible to erase and move the border position. In the present invention, since information is expressed by the spatial distribution of electric dipoles in a quantum confined structure, there are various advantages over the conventional information expression method using a transistor circuit. (In conventional transistor circuits, the transistor functions as a switch, and the ON or OFF state of the transistor corresponds to a digital signal. At this time, the signal appears as a potential in the metal wiring.) The electric dipole is
The direction and size can be easily controlled by electric field. Therefore, the direction and size can be changed from a long distance without using metal wiring. In other words, information can be transmitted without wiring. Furthermore, unlike a transistor, it is not necessary to flow a current to change the direction or size of the electric dipole, so the present invention is essentially suitable for operation with ultra-low power consumption. Since the interaction between electric dipoles also propagates at the propagation speed of light,
Extremely fast. The information transmission speed is not limited by the saturation speed of electrons as in conventional semiconductor devices. Since the present invention can maintain finite polarization without a power source, it can be used as a storage medium by recording the polarization direction and magnitude while changing it depending on the location. By arranging quantum confined structures at a high density, it is possible to obtain a much higher storage density than a normal semiconductor memory device. Furthermore, magnetic recording requires the generation of a magnetic field during writing, which requires a large current to flow. In the present invention, since it is only necessary to generate an electric field, the power consumption and size of the writing device are much smaller than in magnetic recording. Furthermore, since the present invention uses a semiconductor, conventional semiconductor devices and
Since circuits can be created, it is also easy to create memory read/write circuits, communication circuits, signal processing circuits, etc. using conventional techniques. A second embodiment using the present invention will be described below. FIG. 5 shows a field effect transistor used in a storage cell of a nonvolatile random access memory (RAM) according to a second embodiment of the present invention. Here, 8 is a p-type silicon substrate, 9 is a source region made of an n medium region, 10 is a drain region also made of an n+ region, 11 is a source terminal, 12 is a thin barrier film, 13 is a gate terminal, and 14 is a gate 15 is a barrier region, 16 is a quantum well, and 17 is a drain terminal. The quantum well is made of polycrystalline Si, and the thin barrier film is an n-type doped SiO2 film that is thin enough to allow electron tunneling current to flow. A gate insulating film (18) is composed of a barrier region, a quantum well, and a thin barrier film. This includes the first and second active regions (19°20). Next, the operation of the insulated gate field effect transistor according to the second embodiment will be explained with reference to FIG. In the gate insulating film 18, two states shown in FIGS. 6(a) and 6(b) stably exist. That is, there are two states in which the electric dipole is directed upward and one in which it is directed downward. Conduction electrons generated from donor impurities in the thin SiO□ film are distributed in the quantum wells. In the region of the thin SiO2 film, the potential energy is high, so the probability of the existence of electrons is necessarily small. For this reason, electrons tend to exist in quantum wells that are far away from the center due to slight thermal fluctuations. Therefore, finite electric dipoles are likely to occur. When the first active region 20 has an upward electric dipole, an upward electric field is applied to the second active region. Therefore, an upward electric dipole is also generated in the active region 2. The electric dipole of this second active region also creates an upward electric field in the first active region, so that the upward electric dipole efficiency vector of the first active region becomes increasingly large. It was found that the upward state is stable due to the effect of positive feedback described above. Exactly the same argument holds true for the downward electric dipole state, which is also stable. In this way, this gate insulating film 18 has two stable states inside. When the source and drain of this insulated gate field effect transistor are grounded and the voltage applied to the gate electrode is varied, a current-voltage characteristic with hysteresis as shown in FIG. 7 can be obtained. Even when the gate-source voltage is 07, a state in which the train current flows and a state in which it does not flow can be realized. By using the above properties, a non-volatile RAM (which retains data even when power is not connected) can be realized. An example of this configuration is shown in FIG. 29 is a row direction decoding circuit, 21 is a word line, 27 is a control line, 22 is a data line, 26 is a memory cell, 24 is a selection transistor using an ordinary insulated gate field effect transistor, and 25 is explained in FIG. A storage transistor 28 is a field effect transistor having a bistable state, a column direction decode/selection circuit, and a sense circuit. Write and read operations of this nonvolatile RAM will be explained next. When writing, the selected word line is changed from low to high. The other word lines are low. next,
Set the control line of the bit you want to write to the write voltage, and set the data line to low level. Since the gate of the storage transistor for this bit is at a write voltage and the drain is at a low level, the storage transistor is in a low threshold state. That is, a row was written to this bit's memory. Next, when writing high, the control line is set to low after the above low write operation, and only the data line of the memory cell to which high is to be written is set to the write voltage. At this time, a low level is applied between the gate and source of the storage transistor, and a level lower than the write voltage by the threshold voltage of the selection transistor is applied between the drain and source. Therefore, a write voltage of negative polarity is applied between the gate and drain, and the storage transistor enters a high threshold state. In other words, a high is written. When reading, the word line is set to high level, the selection transistor is turned on, the control line is set to low level, and the data line is set to high level (for reading). In a memory cell in which the storage transistor is in a low threshold state, both the storage transistor and the selection transistor are turned on, so the memory cell discharges the charge on the data line, and the potential of the data line decreases. In a memory cell whose storage transistor is in a high threshold state, the data line remains at a high level. The signal on this data line is amplified by a sense amplifier and output to the outside to complete the read operation. The voltage for writing is set higher than the voltage for reading. This actual voltage value is determined by the hysteresis characteristics of the storage transistor. Conventionally, in semiconductor non-volatile memories, charge is injected and extracted through an insulating film, so the number of times data can be rewritten is limited due to long-term fatigue of the insulating film. If the insulating film is made thinner, the number of rewrites will increase, or the data retention period will become shorter. Furthermore, erasing/rewriting data requires injecting charges through an insulating film, which takes about milliseconds. For these reasons, it is not suitable for applications where data is rewritten every machine cycle of a computer. In contrast, in this embodiment, data is retained by positive feedback based on dipole interaction. That is, there is a function to keep two states stable inside the insulated gate. Therefore, even if the thickness of the thin barrier film is reduced to 10 angstroms or less, memory retention is not affected. Therefore, the above-mentioned problem of long-term fatigue can be avoided. In particular, this thin barrier film can be made of a semiconductor with a large energy gap, and in this case, even if a thicker film is used, there is no problem of long-term fatigue. In addition, the time required to erase or rewrite data in this storage device is extremely fast.
It can be done in less than a nanosecond. This is because only a small number of carriers need to move from the top to the bottom (or from the bottom to the top) of the barrier film during rewriting. A third embodiment of the invention will be described below. Figure 9(a)
shows an example of a storage device according to a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3C, similarly to the first embodiment, an active region 31 consisting of a first quantum well 35, a second quantum well 36, and a thin barrier film 34 is arranged in a lattice shape in a barrier region 37. embedded. The first quantum well 35 and the second quantum well 36 are made of a material having higher electron affinity than the barrier region 37, and the thin barrier film 34 is made of a material that has a higher electron affinity than the barrier region 37.
6. It is made of a material with a smaller electron affinity than either of them. 33
is the donor impurity. The difference from the first embodiment is that the electron affinity of the first quantum well 35 is set larger than the electron affinity of the second quantum well 36, and when considering a single active region, the electrons are It exists stably in well 35. This active region has a lattice structure within a thin film-like barrier region, and 30 is a control electrode made of semiconductor or metal;
38 is a ground region made of n+ semiconductor. Next, this operation will be explained. The active regions arranged in a lattice pattern can have spontaneous polarization by the same mechanism as in the first embodiment. In the case of this embodiment, since the first quantum well has a larger electron affinity than the second quantum well, the probability of existence of electrons is greater in the first quantum well. Therefore, downward electric dipoles (or spontaneous polarization) are likely to occur. However, in this example, since the overall shape is a membrane shape (
Since the horizontal dimension is much larger than the vertical dimension, a depolarizing field is created. A depolarization field is an electric field generated by charges created on the surface of a film-like substance when it is polarized, and has a direction that reduces the polarization inside the substance. Due to this anti-polarization field, as shown in FIG. 9(b), a minute region 31 having an upwardly inverted spontaneous polarization (hereinafter referred to as an inverted polarization region) can stably exist. The existence of this reversed polarization region 31 can be formulated as follows. The energy of this system consists of the following three terms. UT: UW+UE+UD ・−・−・ (6) Here, UT is the total energy, and is based on the case where it is polarized downward like -. Uw is the increase in energy due to the existence of a transition region between the reversed polarization region and other regions, UE is the term representing the interaction between the reversed polarization region and the external electric field, and UD is the interaction between the reversed polarization field and the reversed polarization region. This is a term that represents Assuming that the reversed polarization region is circular due to symmetry, the following analytical formula is obtained. Uw= 2πrσ ・・・・・・・・・
(7) UE = 2 πr”Ps (Eext + Δφ/
q d )・・・・・・・・・ (8) UD=−2πr2PsPs (1-2N)/ε・・・・
(9) where r is the radius of the reverse polarization region, σ is the energy of the transition region per unit area, Ps is the magnitude of spontaneous polarization, and E
ext is the downward external electric field perpendicular to the membrane, Δφ is the difference in electron affinity between the first and second quantum wells, q is the amount of electron charge, and d is the center of the first and second quantum wells. N is the anti-electric field coefficient (approximately 173 when the diameter 2r is equal to the film thickness, and decreases monotonically as r increases), and E is the dielectric constant of the quantum well. Although no electric field is applied from the outside in this example, Δφ/qd is a finite value by using materials with different electron affinities for the first quantum well and the second quantum well. Using this equation, the dependence of energy on radius r is determined as shown in FIG. According to the figure, there are two conditions for stable points of r: r=O and r=r. The point r=o is polarized in a --like manner and there is no reverse polarization, and r=r is the radius r. This corresponds to the case where an inverted polarization region occurs. Under either of these conditions, once the state is reached - the state continues. Therefore, the inverted polarization region can be associated with the digital signal "1" or 110'1 and used for recording digital information. Such reversed polarization can be easily generated by applying an electric field substantially parallel to the normal direction of the film and controlling the electric field. To generate an inverted polarization region, an electric field may be applied upward to the film. This can be done by forming an electrode near the surface of the film and applying a negative voltage to it. At this time, as shown in FIG. 11, r=0 becomes unstable, and only a finite r becomes stable. After this, even if the external electric field is set to O, the finite r value is maintained. Shifting polarization reversal can be achieved by providing a gradient in the strength of the electric field perpendicular to the membrane. Under a gradient electric field as shown in FIG. 12, the reversed polarization region moves in the direction where the upward electric field becomes stronger. This is because, as shown in FIG. 11, locations where the upward electric field is strong have lower energy and are more stable. In order to move the reversed polarization region over a long distance, the ninth
A method as shown in Figure (a) and Figure 13 is used. The T-shaped control electrodes 39 and the hollow-shaped control electrodes 40 are arranged alternately as shown in FIG. In addition, in a direction substantially parallel to the plane of the thin film,
An electric field whose direction rotates over time (rotating electric field) is further applied. Under the parallel electric field, the control electrode is polarized and a positive or negative charge is generated at the end. Since an upward electric field is applied to the active region under a negative charge, the inverted polarization region is more stable if it exists under the negative charge.When a 6-rotation electric field is applied, the 1-inverted polarization region is They are sequentially attracted to the charged side and move sequentially. By repeating the operation shown in FIG. 13, the inverted polarization region can be moved to any desired location. By forming the above-described devices on the same chip, a serial memory as shown in FIGS. 14(a) and 14(b) can be formed. Here, 41 is an electrode for applying a horizontal electric field, 42 is a power supply and control circuit, 43 is a storage section, 44 is a sense circuit and I10 port, 45 is a minor loop, 46
is a transfer gate, and 47 is a major loop. 6 Digital information is recorded depending on the presence or absence of an inverted polarization region, and is circulated on a minor loop by a rotating electric field. Reading of information is performed by opening the transfer gate 46, sending the information to be read to the major loop, and passing it through the work/○ port. Conversely, information is written by transferring the inverted polarization region from the I10 boat to the major loop and sending it to the minor loop via the transfer gate. The reversed polarization region operates as a type of particle (quasi-particle) and can retain and transmit information. This inverted polarization region can be used as a new information carrier instead of conventional electrons and holes. The reversed polarization region itself is energetically stable, and unlike electrons, it does not disappear due to recombination. Information storage using conventional electronics. Information processing requires the movement of large numbers of electrons. In the present invention, when the one-inversion polarization region moves, the actual movement of electrons is slight, and the electric field distribution moves at high speed. Therefore, information can be transmitted at high speed and with low power consumption. Next, the effects of such a recording device will be explained. It is a nonvolatile recording device because it can retain information without a power source. By arranging quantum confined structures in high density,
It is possible to obtain a much higher storage density than ordinary semiconductor memory devices. Also. In magnetic recording, it is necessary to generate a magnetic field for writing, and a large current needs to flow at this time, but in the present invention, it is only necessary to generate an electric field, so the power consumption and size of the writing device are far lower than that of magnetic recording. It becomes something small. Also,
Since the present invention uses a semiconductor, it is possible to create conventional semiconductor devices and circuits on the same material as the storage medium. etc. can be easily created using conventional technology. Although it was mentioned above that the inverted polarization region moves when a non-uniform vertical electric field is applied, there is an essential difference from conventional semiconductor devices in the following sense. First, in the movement of this reversed polarization region, electrons only move an extremely short distance between the first quantum well and the second quantum well within each quantum confinement region. Moreover, the direction in which electrons move is perpendicular to the film, and is perpendicular to the direction in which the reversed polarization region moves. In conventional semiconductor devices, it was necessary for electrons to actually move through the semiconductor at the same time as information, but the information transmission of the present invention does not involve such electron movement (or involves only a very small movement).
. In reality, the electric field created by the electric dipole travels through the semiconductor at the speed of light propagation. Therefore, the movement of the reversed polarization region is extremely fast. Furthermore, in conventional semiconductor devices, electrons are accelerated (that is, gain energy) by an electric field and travel while colliding with obstacles (crystal lattices and impurities), resulting in energy being converted into heat. In other words, the power consumption is increased by 1, and the chip heat generation is also increased. In contrast, in the present invention, electrons do not actually move. This type of energy consumption is extremely expensive. In this example, the case where the electron affinities of the first quantum well and the second quantum well are different is shown, but even when the electron affinities are the same, the same effect can be obtained by applying an electric field perpendicular to the film. can. In this embodiment, an example has been described in which donor impurities are added to the active region and electrons move within the active region. A similar effect can be obtained by applying an acceptor impurity and utilizing the movement of holes. Next, regarding the manufacturing process of this example, FIG. 15(a),
This will be explained using (b), (c), and (d). First, a film to be a barrier region, a film to be a quantum well, a film to be a thin barrier region, a film to be to be a quantum well, and a film to be to be a barrier region are successively formed on an n-type semiconductor substrate. To give an example of specific materials, Si is used for the semiconductor substrate, undoped Si for the barrier region, 5iGe for the quantum well, and B-doped Si for the thin barrier region. In this case, holes are confined in the quantum well. This structure is processed by photolithography and dry etching (FIG. 6(b)) to produce a quantum confined structure. After this, as shown in the same figure (C). A semiconductor region that will become a barrier region is selectively grown. Finally, a protective film and a control electrode are formed to obtain the present invention. FIG. 17 shows a random access memory according to a fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4(a), the first quantum well 49. An active region 52,53 consisting of a second quantum well 5o and a thin barrier film 51 is embedded in the barrier region 54. The first quantum well 49 and the second quantum well 50 are made of a material that has a higher electron affinity than the barrier region 54, and the thin barrier film 51 is made of a material that has a lower electron affinity than either the first quantum well 49 or the second quantum well 50. Become. 55 is a donor impurity. Reference numeral 56 denotes a memory cell, which consists of a pair of active regions 52 and 53. A word line 57 and a data line 58 are formed to sandwich this memory cell. The word line and data line are made of semiconductor or metal with high impurity concentration. Furthermore, as shown in the cross-sectional view of FIG. 2B, memory cells, word lines, and data lines are stacked and arranged in high density. Next, the operation of this embodiment will be explained. When writing digital information to a memory cell, do the following. Set the word line to a positive voltage ■, and the data line to a negative voltage -■
Set to . At this time, unselected word lines and bit lines are set to the ground level, a voltage of 2cm is applied to the selected memory cell, and the electrons in the active region 52 are transferred from the second quantum well to the first quantum well. Moving. This produces a downward electric dipole in the active region 52. Since this electric dipole creates an upward electric field in the active region 53, an upward electric dipole is generated in the active region 53 due to the influence of this electric field. This is called state 1. To write the opposite information (0), it is sufficient to apply a voltage -V to the word line and a voltage V to the data line. During this writing, a voltage of only V is applied to the unselected cells, but by adjusting the dark barrier height of the first quantum well and the second quantum well and the distance between the active region 52 and the active region 53, It can be designed so that the state does not change at voltage 2, but the state is reversed at voltage 2. As shown in FIG. 18, in the memory cell, a pair of electric dipoles applies an electric field to each other in a direction that increases the dipole, and positive feedback occurs, so that the state is stably maintained. This is just a flip-flop (latch circuit) using an electric dipole as shown in the figure! M4CJ. It has become. As such flip-flops (latch circuits) using electric dipoles, a type connected in series as shown in FIG. 19 can also be considered. Read the information as follows. When a voltage of 2 is applied to the word line and a voltage of 1 is applied to the data line, 1 is written into the selected cell. At this time, if the memory cell is originally 1, the current flowing to the data line is small. On the other hand, if it is originally 0, the charge necessary to invert the electric dipole of the memory cell flows from the memory cell to the data line. This charge is read out using a highly sensitive sense amplifier. At this time, the information in the memory cell is destroyed, so it is rewritten after reading. According to this embodiment, an ultra-high density memory can be constructed. In particular, by arranging them three-dimensionally as shown in FIG. 17(b), a large-capacity memory can be constructed. In addition, the simple configuration of a pair of active regions allows a static flip-flop (latch circuit) to be configured in terms of milliseconds, and is characterized in that the state can be stably maintained. Therefore, a refresh operation like the conventional dynamic RAM is not necessary. Therefore, the control circuit of the storage device using the present invention becomes simple. Using the fifth embodiment of the present invention, a description will be given of what structure should be adopted when a certain operating temperature is set. FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the displacement of the carrier position due to polarization in the dipole and the applied electric field when an electric field is applied to the active region according to the embodiment of Section 5 of the present invention (specific structure consider the structure shown in Figure 1). When an electric field is applied, carriers are displaced from the center of the active region. The magnitude of this displacement is proportional to the electric field while the electric field is small. The electric field dependence of displacement, ie, the proportionality coefficient of displacement to electric field, increases as the temperature decreases. This is because when the temperature becomes low, the thermal energy of carriers decreases, so the probability that carriers stably exist in either the first quantum well or the second quantum well increases, making it easier to form dipoles. When this proportionality coefficient becomes larger than a certain threshold,
The active region is spontaneously displaced. This threshold value is determined in a first-order manner. When carriers in an active region happen to be displaced by fluctuations, this creates an electric field around them. Therefore, the surrounding active region becomes polarized (has an induced dipole). This induced dipole applies a feedback electric field to the original active region, displacing carriers. If the interaction is strong enough and the displacement of this carrier is equal to or larger than the initial fluctuation, the carrier will be displaced spontaneously without applying an external electric field. Considering this in terms of an equivalent circuit, the gain of the feedback loop in the feedback amplifier circuit is 1.
This corresponds to the fact that oscillation occurs when the value is exceeded. Due to such an operating principle, the temperature dependence of the dielectric constant of the semiconductor device according to the present invention is unique, which is not found in conventional semiconductors. The results of computer simulation of the relationship between the temperature dependence of the dielectric constant and the structural constants of the semiconductor device are shown in FIGS. 21 to 28. Figure 21 shows S i /
p-type S] 02 or Ga As / p-type Al
This figure shows the temperature dependence of the dielectric constant when the structural constants shown in the figure are set for As. At sufficiently high temperatures, carriers are randomly distributed with respect to each other due to thermal energy,
Anarchy is formed. Therefore, the dielectric constant is low. As the temperature decreases, the interaction between dipoles becomes stronger, and the dipoles begin to move with a strong positive correlation to each other. Therefore, the dielectric constant increases rapidly. At the transition temperature Tc,
All carriers become strongly correlated, and spontaneous polarization (or spontaneous displacement) occurs. At this time, the dielectric constant ideally becomes infinite. Below the transition temperature TC, the dielectric constant ideally becomes infinite as well. In the low temperature phase below the transition temperature Tc, a state in which carriers are aligned in one direction, that is, an ordered state is formed due to spontaneous polarization. Transition temperature Tc
can be said to be the phase transition temperature of an ordered/disordered state. For practical purposes, the dielectric constant needs to be around 100 or more, preferably around 500 or more, more preferably around 1000 or more. Practically speaking, by defining these necessary dielectric constant values, the transition temperature Tc can be defined. As shown by the curve labeled single quantum well in Figure 21, in a structure consisting of a single quantum well, that is, a quantum well without a barrier film, no phase transition occurs, the dielectric constant value is small, and the temperature There are almost no dependencies. In order to be able to retain and store information as explained in Examples 1 to 3, it is necessary to operate at a temperature below this transition temperature. This transition temperature depends on various structural constants of the semiconductor device according to the invention, as will become clear below. The various structural constants are shown in FIG.
These are the dipole lattice constant a (distance between the centers of the active regions), the width d of the quantum well, the thickness t of the barrier film between the quantum wells, the barrier height bh of the barrier film, the effective mass m in the quantum well, etc. . FIG. 22 shows the dependence of the transition temperature Tc on the dipole lattice constant a,
Figure 23 shows the dependence of the transition temperature Tc on the quantum well width d, the second
Figure 4 shows the dependence of the transition temperature Tc on the quantum well gap wall thickness t;
FIG. 25 shows the dependence of the effective mass m/m of the transition temperature Tc,
FIG. 26 shows the transition temperature T. As the dipole lattice constant a, which shows dependence on the quantum well gap wall height bh, becomes larger, the interaction between the active regions becomes weaker, so that the transition temperature Tc decreases rapidly. As the quantum well width d increases, the zero point energy (ground state energy) of carriers confined within the quantum well decreases, and the probability of passing through the barrier film due to the tunnel effect decreases, so that the displaced state Stability is strengthened. This increases the transition temperature. As the thickness t of the barrier film between the quantum wells is increased, the tunneling probability decreases and the transition temperature similarly increases. Also, as the effective mass m increases, the tunneling probability decreases, so
The transition temperature increases. Also, the barrier height bh between quantum wells
Increasing the transition temperature also decreases the tunneling probability and therefore increases the transition temperature. FIG. 27 shows changes in transition temperature Tc when various dimensions are proportionally reduced (or enlarged). These effects are compounded when the various dimensions are varied in proportion to each other. The analysis shows that the transition temperature increases with a proportional increase in size, and decreases with a proportional decrease in size. The relationship between the dimensions and operating temperature as described above can be approximately expressed as shown in FIG. 28. That is, the parameter 5000・bh−t2・d2・m/(a
The operable temperature range is determined by 'a+a) [eV] [nm). The upper limit of the operable temperature T on the vertical axis in FIG. The parameters on the horizontal axis are determined so that the temperature is higher than the device temperature determined by the device's cooling mechanism, etc. Assuming that the operating temperature T is room temperature operation, for example. T needs to be around 300 (K) or more. Also, depending on the cooling mechanism of the device, 200 (K), 150 (K), 10
0 (K), etc. is selected. Furthermore, in a device configuration that uses liquid nitrogen for cooling, it is determined to ensure an operating temperature of 77 (K) or higher than the liquid nitrogen temperature. According to the guideline shown in FIG. 28, if a certain operating temperature is determined, the corresponding structural constants can be determined. In particular, the parameters shown on the horizontal axis in FIG.
A key requirement may be to set -For example,
Assuming room temperature operation around 300 (K), the quantum well is equipped with S.
When p-type S i O is used as the barrier film, the dipole lattice constant 8 is set to 2'Onm (from FIG. 27).
For other structural constants, the quantum well width d is 8 nm,
The barrier film thickness t may be 3.4 nm. [Effects of the Invention] In an integrated circuit using a conventional transistor, a large amount of power is required to be consumed because stray capacitance inside the transistor and accompanying wiring is charged and discharged each time the transistor operates. Further, as the degree of integration increases, the area required for wiring, the resistance of wiring, etc. increase. Furthermore, due to the complexity of element structures, the manufacturing cost of integrated circuits is rapidly increasing as the device becomes finer. Furthermore, the operating speed is also limited by the saturation speed. In the information representation method of the present invention, the spatial distribution of electric dipoles is associated with information. Therefore, the resistance of the metal wiring increases. Furthermore, due to the complexity of element structures, the manufacturing cost of integrated circuits is rapidly increasing as the device becomes finer. Furthermore, the operating speed is also limited by the saturation speed. In the information representation method of the present invention, the spatial distribution of electric dipoles is associated with information. Therefore, the direction and size can be changed from a long distance without using metal wiring. Moreover, unlike transistors, it is not necessary to flow current to change the direction or size of the electric dipole, so it can operate with extremely low power consumption. Furthermore, since it is possible to remotely control a large number of electric dipoles simultaneously and in parallel, a processor using this is inherently suitable for parallel processing. It goes without saying that parallel processing is extremely important for high-speed information processing. In addition, in conventional clock distribution using metal wiring, it is difficult to synchronize multiple information processing elements due to clock skew caused by wiring resistance, which is an obstacle to high-speed operation. By remotely controlling the dipole, clock distribution is performed at the propagation speed of light, so clock skew is extremely small. Furthermore, since electric dipoles create an extremely anisotropic electric field distribution around them, information can be transmitted between adjacent dipoles without using metal wiring. Since the interaction between electric dipoles propagates at the propagation speed of light, it is extremely fast and is not limited by the saturation speed of electrons as in conventional semiconductor devices. Furthermore, the present invention has an extremely simple structure compared to conventional integrated circuits in which transistors are interconnected. Furthermore, when a double minimum potential structure is used as a quantum confinement structure, conduction carriers can become two types of electric dipoles depending on whether they exist in the first low potential energy region or the second low potential energy region. Since it can be associated, it is compatible with digital signal processing and digital signal storage. Since quantum confinement structures can be made small to nanometer-level dimensions, signal processing chips and memory chips using them can be extremely highly integrated. Further, in the double minimum potential structure, the electronic polarizability becomes extremely large, so that the electric dipole efficiency vector can be changed with a minute electric field. Furthermore, by arranging them in a grid, it is possible to realize a state in which the electric dipole efficiency vectors of nearby active regions are aligned in the same direction. In other words, it has spontaneous polarization. Since this polarization can be maintained without a power source, by recording the polarization while changing its direction and magnitude depending on the location, it is possible to obtain a much higher storage density than a normal semiconductor memory device. Also, in magnetic recording, it is necessary to generate a magnetic field for writing, which requires a large current to flow, but in the present invention, it is only necessary to generate an electric field, so the power consumption and size of the writing device are lower than that of magnetic recording. It will be much smaller. In addition, since the present invention uses a semiconductor, on the same material as this storage medium,
Since conventional semiconductor devices and circuits can be created, it is also easy to create memory read/write circuits, communication circuits, signal processing circuits, etc. using conventional techniques. Furthermore, when quantum confinement structures with such double minimum potential are arranged in a lattice pattern and made into a thin film, a small inverted polarization region with an electric dipole in the opposite direction to the majority of the electric dipoles is formed. Ru. This reversed polarization region has a constant size and exists stably unless erased by applying a large electric field, so it behaves as a type of particle (or pseudoparticle). This inverted polarization region remains stationary under a -like vertical electric field, but has the property of moving when the vertical electric field changes depending on the location. Therefore, if we make the in-plane distribution of this reversed polarization region correspond to information. Information can be recorded. This storage system has extremely high storage density, requires no power consumption for memory retention, and is therefore non-volatile. If this inverted polarization region corresponds to Ilo of a digital signal, it can also be used for digital signal processing. In the present invention, information is transmitted by a slight movement of electrons and propagation of an electric field. Therefore, information is transmitted at a speed close to the propagation speed of light. Therefore, information processing is performed at extremely high speed. Also,
In fact, since the movement of electrons is extremely small, the energy consumption is extremely small. Therefore, the information storage device and information processing device using the present invention have extremely high speed and extremely low power consumption compared to conventional devices, and their industrial value is extremely large.
第1図(a)は本発明の第一の実施例の活性領域の構造
を示す図、第1図(b)は活性領域におけるポテンシャ
ルエネルギーを示す図、第1図(c)は格子構造を示す
図。第2図は、電気双極子の作る電界分布(電気力線)
を示す図、第3図は本発明の第一の実施例の分域構造を
示す図、第4図は本発明の第一の実施例の分極と電界の
関係を示す図、第5図は本発明の第二の実施例の記憶装
置のメモリセルに用いるトランジスタの構造を示す図、
第6図は本発明の第二の実施例のゲート絶縁膜における
ポテンシャルエネルギの分布と電子の分布を示す図、第
7図は本発明の第二の実施例のドレイン電流とゲートソ
ース間電圧の関係を示す図、第8図は本発明の第二の実
施例の記憶装置の回路図、第9図は本発明の第三の実施
例の情報処理装置の構造及びポテンシャルエネルギーを
示す図、第10図は本発明の第3の実施例のエネルギー
と反転分極領域の半径との関係を示す図、第11図は本
発明の第3の実施例のエネルギーと反転分極領域の半径
との関係において電界が印加されている場合の図、第1
2図は本発明第3の実施例において反転分極領域の傾斜
電界による移動を示す図、第13図は本発明第3の実施
例において反転分極領域の転送法を示す図、第14図(
a)は本発明第3の実施例による反転分極領域を用いた
シリアルメモリの構成を示す図、第14図(b)は本発
明第3の実施例によるシリアルメモリの記憶部を示す図
、第15図は本発明の第3の実施例における製造プロセ
スを示す図、第16図は従来の量子結合装置を示す図、
第17図(a)は本発明の第4の実施例のランダムアク
セスメモリの記憶セル部を示す図、第17図(b)は記
憶セルアレ一部の断面構造を示す図、第18図は活性領
域対とラッチ回路との類似を説明する図、第19図は直
列接続の活性領域とラッチ回路の類似を示す図である。
第20図は本発明筒5の実施例の活性領域に電界を印加
した場合の、キャリア位置の電界依存性を示す図5第2
1図は本発明の誘電率の温度依存性を示す図、第22図
は転移温度の格子定数依存性を示す図、第23図は転移
温度の量子井戸幅依存性を示す図、第24図は転移温度
の量子井戸間隙壁厚さ依存性を示す図、第25図は転移
温度の有効質量依存性を示す図、第26図は転移温度の
量子井戸間隙壁高さ依存性を示す図、第27図は全ての
寸法を比例縮小(あるいは拡大)した場合の転移温度の
変化を示す図である、第28図は本発明の動作可能範囲
を示す図である。
符号の説明
1・・第一量子井戸、2・・・薄い障壁膜、3・・・第
一量子井戸、5・・・ドナー、6・・・活性領域、8
p型シリコン基板、9・・・nヤ領域からなるソース領
域、1o・・n+領領域らなるトレイン領域、1トソー
ス端子、12・・・薄い障壁膜、ユ3 ゲート端子、1
4・・ゲート電極、15・・・障壁領域、16・・・量
子井戸、17・・・ドレイン端子、18山ゲート絶縁膜
。
19・・・第一活性領域、2o・・・第二活性領域、2
1・・・ワード線、22・・・データ線、26・・・メ
モリセル、24・・・通常の絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタを用いた選択トランジスタ、25・・・二安定
状態を有する電界効果型トランジスタによる記憶トラン
ジスタ、27・・・コントロール線、28・・列方向デ
コード/選択回路及びセンス回路、29・・・行方向デ
コード回路、3o・・・制御電極、31・・・反転分極
領域、32・・電子、33・・ドナー不純物、34・・
・薄い障壁膜、35・・・第一量子井戸、36・・・第
二量子井戸、37・・障壁領域、38・・接地領域、3
9・・・1字型制御電極、4o・・・■字型制御電極、
41・・水平方向電界印加電極、42・・・電源及び制
御回路、43・・記憶部、44・・・センス回路及び■
/○ボート、45・・・マイナーループ、46・・・転
送ゲート、47・・・メジャーループ、48・・量子ド
ツト。
49・・・第一量子井戸、50・・・第二量子井戸、5
1・・・薄い障壁膜、52.53・・・活性領域、54
・・・障壁領域、55・ドナー不純物である。56・記
憶セル、57・・・ワード線、58・・・データ線。
第1@
a1
世)
第2図
第4図
第3図
菓5図
第6図
第7図
ゲートソース間電圧
1.9図
第8図
行方向デコード回路(29)
第11図
第12図
位置
W、14図
第13図
第15図
第16図
材料で満たされている
l 812
第19図
[17図
第20図
規格化された電界
(a’)
第21図
温度(K)
はOl
67nm。
第22図
量子井戸幅4n重
量子井戸間障壁厚さ1゜
7nm
第23図
格子定数10n重
量子井戸間障壁厚さ1゜
67n重
量子井戸幅
(n m)
第24図
格子定数10n重
量子井戸幅4nm
格子定数10nm
有効質量
m/m。
第28図
格子定数10nm
有効質量O9
第27図
格子定数 1子井戸幅 1子井戸間障壁厚さ1:o、3
5:0.+7
格子定数
(n m)
手
続
補
正
書
(方式)
%式%
事件の表示
平成 2年
特
許
願
第
号
発明の名称
半
導
体
装
置
補正をする者
事件との関係
特
許
出
願
人
名称
株式会社
日
立
製
作
所
代 理 人
居所〒100
東京都千代田区丸の内−丁目5番1号
株式会社 日 立 製 作 所 自
平成
2年11月27日
補正の対象
明細書の図面の簡単な説明の欄
補正の内容
1.明細書第62頁第11行乃至第15行の「第14図
(a)は・・・シリアルメモリの記憶部を示す図、」の
記載を、「第14図は本発明第3の実施例による反転分
極領域を用いたシリアルメモリの構成および記憶部を示
す図、」と補正する。FIG. 1(a) is a diagram showing the structure of the active region of the first embodiment of the present invention, FIG. 1(b) is a diagram showing the potential energy in the active region, and FIG. 1(c) is a diagram showing the lattice structure. Figure shown. Figure 2 shows the electric field distribution (electric lines of force) created by electric dipoles.
FIG. 3 is a diagram showing the domain structure of the first embodiment of the present invention, FIG. 4 is a diagram showing the relationship between polarization and electric field of the first embodiment of the present invention, and FIG. A diagram showing the structure of a transistor used in a memory cell of a storage device according to a second embodiment of the present invention,
FIG. 6 is a diagram showing the potential energy distribution and electron distribution in the gate insulating film of the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a diagram showing the drain current and gate-source voltage of the second embodiment of the present invention. 8 is a circuit diagram of a storage device according to a second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a diagram showing the structure and potential energy of an information processing device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the energy and the radius of the reversed polarization region in the third embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the energy and the radius of the reversed polarization region in the third embodiment of the present invention. Figure 1 when an electric field is applied
2 is a diagram showing the movement of the reversed polarization region by a gradient electric field in the third embodiment of the present invention, FIG. 13 is a diagram showing the transfer method of the reversed polarization region in the third embodiment of the present invention, and FIG. 14 (
14(a) is a diagram showing the configuration of a serial memory using inverted polarization regions according to the third embodiment of the present invention, FIG. 14(b) is a diagram showing the storage section of the serial memory according to the third embodiment of the present invention, FIG. 15 is a diagram showing the manufacturing process in the third embodiment of the present invention, FIG. 16 is a diagram showing a conventional quantum coupling device,
FIG. 17(a) is a diagram showing a storage cell portion of a random access memory according to a fourth embodiment of the present invention, FIG. 17(b) is a diagram showing a cross-sectional structure of a part of the storage cell array, and FIG. FIG. 19 is a diagram illustrating the similarity between a pair of regions and a latch circuit, and FIG. 19 is a diagram illustrating the similarity between a series-connected active region and a latch circuit. FIG. 20 shows the dependence of the carrier position on the electric field when an electric field is applied to the active region of the embodiment of the cylinder 5 of the present invention.
Figure 1 shows the temperature dependence of the dielectric constant of the present invention, Figure 22 shows the lattice constant dependence of the transition temperature, Figure 23 shows the quantum well width dependence of the transition temperature, and Figure 24. 25 is a diagram showing the dependence of the transition temperature on the quantum well gap wall thickness, FIG. 25 is a diagram showing the effective mass dependence of the transition temperature, and FIG. 26 is a diagram showing the dependence of the transition temperature on the quantum well gap wall height. FIG. 27 is a diagram showing changes in transition temperature when all dimensions are proportionally reduced (or enlarged), and FIG. 28 is a diagram showing the operable range of the present invention. Explanation of symbols 1...first quantum well, 2...thin barrier film, 3...first quantum well, 5...donor, 6...active region, 8
p-type silicon substrate, 9...source region consisting of an n+ region, 1o...train region consisting of an n+ region, 1t source terminal, 12...thin barrier film, U3 gate terminal, 1
4... Gate electrode, 15... Barrier region, 16... Quantum well, 17... Drain terminal, 18 Mountain gate insulating film. 19...First active region, 2o...Second active region, 2
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Word line, 22... Data line, 26... Memory cell, 24... Selection transistor using a normal insulated gate field effect transistor, 25... Field effect having a bistable state 27: Control line, 28: Column direction decode/selection circuit and sense circuit, 29: Row direction decode circuit, 3o: Control electrode, 31: Inverted polarization region, 32...electron, 33...donor impurity, 34...
・Thin barrier film, 35...first quantum well, 36...second quantum well, 37...barrier region, 38...ground region, 3
9...1-shaped control electrode, 4o...■-shaped control electrode,
41...Horizontal electric field applying electrode, 42...Power supply and control circuit, 43...Storage section, 44...Sense circuit and ■
/○ boat, 45...minor loop, 46...transfer gate, 47...major loop, 48...quantum dot. 49...First quantum well, 50...Second quantum well, 5
1...Thin barrier film, 52.53...Active region, 54
...barrier region, 55/donor impurity. 56. Memory cell, 57.. Word line, 58.. Data line. Figure 1 @ a1) Figure 2 Figure 4 Figure 3 Figure 5 Figure 6 Figure 7 Gate-source voltage 1.9 Figure 8 Row direction decoding circuit (29) Figure 11 Figure 12 Position W , 14 Figure 13 Figure 15 Figure 16 Filled with material l 812 Figure 19 [17 Figure 20 Normalized electric field (a') Figure 21 Temperature (K) is Ol 67 nm. Figure 22: Quantum well width: 4n Barrier thickness between quantum wells: 1°7 nm Figure 23: Lattice constant: 10n quantum well barrier thickness: 1°67n quantum well width (n m) Figure 24: Lattice constant: 10n quantum wells Width 4nm Lattice constant 10nm Effective mass m/m. Figure 28 Lattice constant 10 nm Effective mass O9 Figure 27 Lattice constant Single well width Barrier thickness between single wells 1: o, 3
5:0. +7 Lattice constant (nm) Procedural amendment (method) % formula % Display of the case 1990 patent application No. Name of the invention Semiconductor device Amendment person Relationship with the case Patent applicant name Hitachi, Ltd. Agent Address: 5-1 Marunouchi-chome, Chiyoda-ku, Tokyo 100 Hitachi Manufacturing Co., Ltd. November 27, 1990 Brief explanation of drawings in the specification to be amended Contents of the amendment 1. On page 62 of the specification, lines 11 to 15, the statement "FIG. 14(a) is a diagram showing the storage section of a serial memory" has been changed to "FIG. 14 is the third embodiment of the present invention." A diagram illustrating the configuration and storage unit of a serial memory using an inverted polarization region according to the above.
Claims (1)
壁領域を有し、該障壁領域の中に複数の活性領域を含み
、該活性領域はその内部に伝導キャリアを閉じ込めるこ
とができ、各々の上記活性領域がドナー、あるいはアク
セプタとして働く不純物原子を含み、上記複数の活性領
域の1つの内部における上記伝導キャリアの局在により
電気双極子を発生せしめることを特徴とする半導体装置
。 2、上記複数の活性領域間に働く上記電気双極子の相互
作用によって、該活性領域の1つの内部における上記伝
導キャリアの局在を変化させることにより、上記活性領
域に生じた電気双極子の方向もしくは大きさを変化せし
め、該変化を隣接する電気双極子方向もしくは大きさの
変化として伝播させ、これにより情報が伝達されてなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装
置。 3、上記活性領域は、その中に、第1及び第2の低ポテ
ンシャルエネルギ領域を有することを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の半導体装置。 4、上記活性領域は、その中に、第1及び第2の低ポテ
ンシャルエネルギ領域を有し、 上記伝導キャリアが第1の低ポテンシャルエネルギ領域
に存在するか、第2の低ポテンシャルエネルギ領域に存
在するかによって上記電気双極子が形成されてなり、 複数の上記活性領域における電気双極子に対応させて情
報を保持することを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の半導体装置。 5、上記障壁領域と上記複数の活性領域を含む膜を具備
してなり、 該膜の方線方向と実質的に平行に電界を印加し、該電界
と実質的に同一方向もしくは実質的に反対方向の電気双
極子からなる微小領域を上記膜の内部に分布せしめ、 情報を保持することを特徴とすることを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載の半導体装置。 6、上記印加電界と実質的に同一方向もしくは実質的に
反対方向の上記電気双極子からなる上記微小領域をディ
ジタル信号の“1”あるいは“0”と対応させることを
特徴とする特許請求の範囲第5項記載の半導体装置。 7、上記膜の面の方向と実質的に平行に電界を印加し、
該電界の方向を回転せしめることによって、上記複数の
活性領域の間で電気双極子を転送することを特徴とする
特許請求の範囲第5項記載の半導体装置。 8、上記活性領域の1対を互いに隣接して配置すること
により、等価的にフリップフロップを擬似することを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。 9、上記擬似フリップフロップを複数個配置し、該複数
個の擬似フリップフロップにワード線とデータ線を接続
もしくは接近させて情報記憶装置を構成することを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。 10、上記半導体装置の動作温度の上限値が所定の値に
設定され、該上限値における上記電気双極子の極在によ
る誘電率が少なくとも所定の値を有する如く、上記複数
の電気双極子の間の距離が少なくとも設定されてなるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装置
。[Claims] 1. It has a barrier region made of a high-resistance semiconductor, an insulator, or a semi-insulator, and includes a plurality of active regions within the barrier region, and the active region confines conductive carriers therein. A semiconductor characterized in that each of the active regions contains an impurity atom that acts as a donor or an acceptor, and that localization of the conductive carriers within one of the plurality of active regions generates an electric dipole. Device. 2. The direction of the electric dipole generated in the active region by changing the localization of the conduction carrier within one of the active regions due to the interaction of the electric dipoles acting between the plurality of active regions. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein information is transmitted by changing the size or changing the size and propagating the change in the direction or size of adjacent electric dipoles. 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the active region has first and second low potential energy regions therein. 4. The active region has first and second low potential energy regions therein, and the conduction carriers are present in the first low potential energy region or present in the second low potential energy region. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the electric dipole is formed by a plurality of active regions, and information is held in correspondence with the electric dipoles in a plurality of the active regions. 5. A film including the barrier region and the plurality of active regions, wherein an electric field is applied substantially parallel to the normal direction of the film, and the electric field is applied in substantially the same direction or substantially opposite to the electric field. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein micro regions consisting of directional electric dipoles are distributed inside the film to retain information. 6. Claims characterized in that the micro region consisting of the electric dipole in the substantially same direction or substantially opposite direction to the applied electric field is made to correspond to "1" or "0" of the digital signal. The semiconductor device according to item 5. 7. Applying an electric field substantially parallel to the direction of the plane of the film,
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein electric dipoles are transferred between the plurality of active regions by rotating the direction of the electric field. 8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a flip-flop is equivalently simulated by arranging the pair of active regions adjacent to each other. 9. An information storage device is constructed by arranging a plurality of the pseudo flip-flops and connecting word lines and data lines to or close to the plurality of pseudo flip-flops. semiconductor devices. 10. An upper limit value of the operating temperature of the semiconductor device is set to a predetermined value, and a dielectric constant between the plurality of electric dipoles is set such that the dielectric constant due to the localization of the electric dipoles at the upper limit value has at least a predetermined value. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein at least a distance is set.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2214267A JP3020566B2 (en) | 1990-08-15 | 1990-08-15 | Semiconductor device |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2214267A JP3020566B2 (en) | 1990-08-15 | 1990-08-15 | Semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0497564A true JPH0497564A (en) | 1992-03-30 |
JP3020566B2 JP3020566B2 (en) | 2000-03-15 |
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ID=16652911
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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---|---|
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5604357A (en) * | 1994-07-12 | 1997-02-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor nonvolatile memory with resonance tunneling |
US7087946B2 (en) * | 2002-03-22 | 2006-08-08 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Electric device having nanoscale wires and gaps |
-
1990
- 1990-08-15 JP JP2214267A patent/JP3020566B2/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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JP3020566B2 (en) | 2000-03-15 |
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