量子规模电子器件及其工作条件制造技术

量子规模电子器件包含电极和至少一个由隧道透明间隙使其与电极分开的粒子团。该器件中组成元件的特性尺寸由范围公式１×４ｒ↓［０］决定，其中ｒ↓［０］＝ｈ／（ｍ↓［ｅ］（α↑［２］ｃ），ｈ为普朗克常数，ｍ↓［ｅ］为电子质量，α＝１／１３７，０３６为精细结构常数；ｃ为光速。该粒子团可由半导体材料、导体、超导体、高分子物质或隧道透明介质被覆制成。成熟的理论使得有可能设计常规条件和高温下以传递和／或存储若干电子的方式工作的逻辑器件。决定该器件的工作条件。本发明专利技术为构建基于本发明专利技术的高温超导元件和器件以及无损耗传送电子信号和能量提供基本条件。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子元件和导体领域，尤其涉及具有最小可进入轮廓尺寸、最高速度和最高工作温度的集成电路(IC)多功能电子元件。用基于量子规模谐振效应工作的元件和导体构成二维(平面)和三维电子器件以及IC。该IC设计用于处理和变换模拟和数字信息，并用于无损耗发送电信号和电能量。
技术介绍
IC组件趋向于减小规模。然而，IC组件规模减小到小于100nm时，电荷载体开始出现离散性及其量子力学特性，使有源器件(即晶体管)的结构特性受影响。同时，尺寸小于100nm时，独立晶体管组件实际上是小粒子，即粒子团[1]。粒子团(cluster)规模的减小会形成可设计能控制的电子群甚至1个电子的器件。已有技术阐述基于单电子隧道通过小规模粒子团的多类型电子器件[2]。该器件的最简单变型是一种模拟场效应半导体晶体管，其漏极和源极之间包含中心内建小粒子团的隔离体。该晶体管一般称为SET(Single ElectronTransistor单电子晶体管)。SET器件中内建粒子团的隔离体具有其本身相对基片的电容Cc。资料[2]所揭示效应的核心是粒子团被一个带e电荷的电子隧道通过时，该电子使该粒子团的电位改变ΔU＝e/Cc，并由其电场在其出现在该粒子团期间封锁其他电子通过。这过程中，需要粒子团的电位高于粒子团电容热噪声电位，即ΔU≥2kT/e(1)式中K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。例如，半径rc＝5nm、介质渗透率ε＝11.7的球形硅粒子团具有电容Cc＝4πεoεrc，因而根据式(1)，该器件最高工作温度为 T＝e2/(8πεoεrck)＝143k(-130℃)(2)式中εo是真空介质常数。此条件表示采用εo＜5.6的材料或小规模粒子团，一般具有设计单电子量子器件的可能性，该器件可工作于常温，即290～300K(17～27℃)。然而，考虑独立粒子团作为微电路元件而不考虑晶体管电极的电容，这是没有实际意义的。因此，存在考虑全部寄生电容的问题。如资料[3]所揭示，有隔离栅极的场半导体晶体管可寄存1个电子。这时，固有晶体管通道的结构不影响上述分析。因此，任何这种器件，包括纳米器件，都需要考虑输入电容Ci和输出电容Ca。这样，根据资料[3]的式(7.36)，式(1)必须增添乘数Ca/Ci，即Ca/Ci(e/Cc)≥2kT/e(3)由该式可知，在栅极或粒子团上有输入控制信号，导体具有可允许尺寸，例如长度为约～1000nm，宽度为约～10nm时，硅基片的导体电容为Ci≈100Cc。因而速度可接受时，器件的工作温度总体上为T＝1.43k(-271.72℃)。正是这个温度，成为多数已知SET器件的极限温度[4-7]。所述这些研究，说明实现高温度单一电子隧道的途径。各研究实际上都利用与资料[2]中所揭示相同的一种方法。例如将小于50nm的金属粒子团置于介质所加二个电极之间[4]，或同样将均为0.634nm的粒子团有规则地分布在介质层上[5]。[6]、[7]中探索设计具有结构规模从0.2nm至100nm的逻辑组件的数字存储器用的各种逻辑器件。同时，文件[2]作为全部上述文件的接近的已有技术解决方案，有原则性错误。具体而言，文件[2]中未考虑无量纲的系数Ca/Ci。结果，文件[2]的错误传播到采用单一隧道原理的多数专利。由于该错误，授予SET器件的大量专利变成属于纯技术文件，不能商用。同时，用技术方法很难纠正该错误，而全部有源元件必须连接电导体，该导体的体积又很难减小到多数有源元件的体积。因此，总是存在电源电极的大寄生电容。实际上，此问题唯一已知的解决方法出现在生物体。例如，动物的脑中有源元件(神经元)之间不是借助无源电导体，而是借助特殊导体(即轴突)传递信息。轴突实际上是有源分布通信线路，即轴突消耗外部能量，以建立传递电脉冲的过程。如果把神经-轴突链路当作最接近的已有技术，则其规模大(微米数量级)和离子型传导性造成的电子脉冲进行慢(每秒、几米)将带来问题。除此以外，此原理可作为本专利技术的良好已有技术解决方案。脑又是涉及自学习方式的分布计算系统(神经元型)。因此，作为脑组成单元的神经元可当作要求专利的本专利技术的已有技术逻辑单元。许多其他研究中[8]，较传统的方法在场晶体管栅极绝缘体中利用内建粒子团。仍由以隧道通过介质(绝缘体)的电子群对所述粒子团进行充电和放电，有可能改变场晶体管的特性，从而建立模拟或数字存储器。然而，这种情况下，电荷存储时间不充分。由上述专利的介绍显然可知这些专利没有考虑晶体管所接导体的空间电容，当然，这些专利得不到高于液体氦温度的工作温度。研究[9]相当于常规条件下提高SET器件工作温度方面的某些进步。该作者在间隔50nm距离的3nm厚钛电极之间放置30nm的钛粒子团。粒子团与电极之间的空隙填充隧道透明介质TiOx。在常温下提供小电压0.1～0.7V，从而在电压-电流特性曲线中产生4个N型区。由单电子隧道渡越解释此超常效应。同时，觉察钛氧化物具有ε＝24，另外又考虑粒子团和电极对基片的电容，显然工作温度会充分低于常温。这表明该研究者面临特定介质TiOx膜超常特性造成的影响。实际上，全部的介质都或多或少具有非线性区，其比阻率取决于电场强度。该响应的开头部分直到电场强度为104V/cm，比阻率都不变化。由于形成从阱施主释放的额外载流子，比阻率又下降[10，c.264]。如果介质是高分子化合物，电流就沿球粒(即长分子形成的某些通道)通过。电场强度超过105～106V/cm，一般引起介质不可逆的击穿，即直接在击穿路径开始产生物质传递和分子破坏。薄膜介质施主的体积含量不足以形成击穿路径，因而在较大的电场强度产生膜击穿。例如，厚度约15nm的Si2O3膜具有8.MV/cm以下的电场强度。如果阱施主充分，介质能存储通过所述路径的电荷。电子技术中广泛利用这种电荷存储能力设计再编程存储器。然而，所述存储器利用大量电子进行工作，在许多能量特性不同的阱累积这些电子。这导致阱不断泄漏电荷，从而改变器件的特性。因此，以单阱工作的纳米器件中不能采用。更显著的介质非线性特性是介质的雪崩放电。所述放电的功能使输出信号受到限制。此情况下，在例如大间隙半导体中进行放电，而材料无任何破坏，该材料设计成ZnO多层多晶膜。这些膜中晶粒子团的规模为0.2～15.0μm。这些粒子团由厚度2.0～10.0nm的Bi2O3隧道透明间隙分隔开[11]。同时这些研究者没有揭示晶粒减小到纳米规模(即小于0.1μm)时膜特性变化的性质。而且该输出信号阻止层缺乏任何放大特性，这限制其应用领域。众所周知，具有N型和S型特性的各类组件可对信号进行放大和非线性变换。普通常识是N型特性出现在形成电子跌落域的器件。S型特性的出现则通常是由于产生电流路径[12、13]。然而，所提供的非线性元件特性作为规律是从微米和较大规模样品得出的，不能机械地将该特性用于纳米规模的样品。此外，这些非线性特性仅专门用于二个电极的器件，限制其在纳米电子重要类型的非线性特性是基于超导体中约瑟夫森效应的迟滞环和类似的迟滞特性[14]。然而基于约瑟夫森效应和其他超导体与半导体、超导体与金属等等之间的隧道效应的器件，由施加的电流或施加的磁场进行控制。约瑟夫森器件控制电流源的设计要求相当高的电压，导致总能量损耗。此外，施加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子规模电子器件，包含电极、至少１个粒子团和隧道透明间隙，其特征在于，粒子团至少具有一种根据下式求出的独特规模：Ｄ＝ａｒ↓［ｏ］其中ｒ↓［ｏ］为按下式表示的电子波圆半径：ｒ↓［ｏ］＝＊／（ｍ↓［ｅ］α↑［２］Ｃ）其中＊为 普朗克常数，ｍ↓［ｅ］为电子质量，α＝为１／１３７，０３６，为精细结构常数，Ｃ为光速，ａ为１≤ａ≤４范围决定的系数；隧道透明间隙的厚度在ｒ↓［ｏ］以下，电极之间的间隔在ｒ↓［ｏ］以上。

【技术特征摘要】
BY 1998-12-30 PCT/BY98/000121.一种量子规模电子器件，包含电极、至少1个粒子团和隧道透明间隙，其特征在于，粒子团至少具有一种根据下式求出的独特规模D＝aro其中ro为按下式表示的电子波圆半径 其中 为普朗克常数，me为电子质量，α＝为1/137,036，为精细结构常数，C为光速，a为1≤a≤4范围决定的系数；隧道透明间隙的厚度在ro以下，电极之间的间隔在ro以上。2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，由导体制成所述粒子团。3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，由半导体制成所述粒子团。4.如权利要求1所述的器件，其特征在于，由超导体制成所述粒子团。5.如权利要求1所述的器件，其特征在于，由高分子有机物制成所述粒子团。6.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团制成具有隧道透明间隙护层的腔的形式。7.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团具有中心对称形式。8.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团具有轴对称的形式。9.如权利要求8所述的器件，其特征在于，所述粒子团制成可延伸状，并且具有由下式决定的独特截面尺寸d＝bro，2≤b≤4。10.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述粒子团制成沿轴延伸状，并且具有周期由下式决定的规则结构τ＝bro，1≤b≤4。11.如权利要求1所述的器件，其特征在于，多个粒子团有规则地至少位于一层中，并且粒子团之间的间隙是隧道透明的，小于ro。12.如权利要求1所述的器件，其特征在于，粒子团至少连接二个电极，其中一个为控制电极。13.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团至少连接三个电极，其中至少一个为控制电极。14.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由导体或/和半导体或/和超导体或/和传导有机材料制成。15.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团综合为组，从而形成一维或/和二或/和三维结构。16.如权利要求15所述的器件，其特征在于，所述粒子团借助分立电极的互易位置综合为组。17.如权利要求16所述的器件，其特征在于，所述粒子团借助分立电极的互易位置及其形状综合为组。18.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团综合为连接相应电极的绝缘空间组。19.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由导体制成，其电阻率为ρ≤10-3Ωcm。20.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由导体制成，其截面尺寸为d≥ro。21.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由超导体制成，其截面尺寸为d≥2ro。22.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电极由具有金属一半导体状态跃迁并且截面尺寸为d≥2ro的材料制成。23.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述粒子团连接至少二个控制电极，一组这样的粒子团形成一个存储单元阵。24.如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个串联粒子团连接至少二个控制电极，一组这样的粒子团形成一个存储单元阵。25.如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团至少通过一个电阻层连接至少二个电源电极。26.如权利要求25所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合为一层直接相互接触的粒子团的形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输出电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成“或”逻辑单元的输出。27.如权利要求25所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团综合为一维串联电路形式的组，所述电路的偶数单元通过电阻层连接第一电源电极，其奇数单元则通过电阻层连接第二电源电极，从而所述奇数单元形成逻辑移位寄存器。28.如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个粒子团或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。29.如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过在信号方向一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。30.如权利要求1所述的器件，其特征在于，通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，该粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，从而形成“非”逻辑单元的输出。31.如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过隧道透明间隙对连接其他粒子团的第二电极提供第二输入电压，每一粒子团中电阻元件的一些连接点连在一起，电阻元件的其他连接点接到输出电极，从而形成二个信号的模拟比较器的输出。32.如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过电阻元件连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，第一输出电极通过隧道透明间隙连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明间隙连接第一粒子团，从而形成双稳态触发器。33.如权利要求1所述的器件，其特征在于，可将一个或多个粒子团通过电阻层连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成神经元型逻辑元件-加权加法器。34.如权利要求1所述的器件，其特征在于，一个或多个粒子团至少通过一个附加粒子团层连接电源电极。35.如权利要求34所述的器件，其特征在于，可将二个或多个粒子团连接电源电极，并且连在一起成为一单层直接接触粒子团形式的组，并且一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，从而形成带存储器的“或”逻辑单元的输出。36.如权利要求34所述的器件，其特征在于，可将二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一单层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过厚度和宽度相同的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。37.如权利要求34所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接电源电极，综合成一单层形式的组，一个或多个粒子团连接控制输入电极，其他一个或多个粒子团连接输出电极，输入粒子团和输出粒子团通过在信号方向一侧逐渐缩小的附加电极连在一起，所述电极可连接下一组的一个或多个粒子团。38.如权利要求34所述的器件，其特征在于，可将一个或多个粒子团通过附加粒子团连接电源电压，形成由一个公共输出电极组合的孤立组，每一粒子团孤立组连接一个或多个控制输入电极，各组中的粒子团数根据输入信号决定加权函数，从而形成带存储器的神经元型逻辑元件-加权加法器。39.如权利要求1所述的器件，其特征在于，粒子团通过附加粒子团连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接粒子团的一个或多个控制电极直接提供输入电压，从而形成带存储器的反相逻辑单元。40.如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过附加粒子团连接电源电压，通过经隧道透明间隙连接一个粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，对通过隧道透明间隙连接另一粒子团的第二电极提供第二输入电压，各粒子团的电阻元件的一些连接点连在一起，并且通过该电阻元件连接电源电极，附加粒子团的其他连接点连接成为带存储器的双信号模拟比较器的输出的输出电极。41.如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个粒子团通过附加粒子团连接电源电压，其连接点接到输出电极，通过经隧道透明间隙连接第一粒子团的第一控制电极直接提供第一输入电压，通过经隧道透明间隙连接第二粒子团的第二控制电极直接提供第二输入电压，第一输出电极通过隧道透明间隙连接第二粒子团，第二输出电极通过隧道透明间隙连接第一粒子团，从而形成双稳态触发器。42.如权利要求1所述的器件，其特征在于，二个或多个粒子团连接至少二个控制电极，其中至少一个是光透明电极，粒子团之间的间隔填充光敏半导体，从而一组这样的粒子团形成一个光敏阵。43.如权利要求1所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个分布电极，其中至少一个是光透明电极，粒子团之间的间隔填充光敏半导体，从而形成光敏存储媒体。44.如权利要求1所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个电极，其中至少一个是光透明电极，粒子团之间的间隔填充光激励材料，从而形成显示屏。45.如权利要求1所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个电极，其中至少一个电极是对电子透明的栅极，粒子团之间的间隔填充电子在真空中逸出功低的材料，从而形成电子源。46.如权利要求1所述的器件，其特征在于，一层或多层粒子团连接至少二个做成谐振器形式的分布电极，从而形成高频发生器，其最大截止频率由下式决定47.如权利要求1所述的器件，其特征在于，一个或多个粒子团通过电极或直接接触连接电流源，其中至少一个接点连接输出电极，从而可形成标准电压源，其电压大小由下式决定U＝nα3c2me/2e，其中n为串联连接的粒子团数。48.权利要求1至47中任一项权利要求所述器件的工作方法，包括施加工作强度范围内的电场，其特征在于，一个粒子团的电场控制强度，其大小规定在以下范围内Emin≤E≤Emax，其中， Emax＝Emin/4πα， 为普朗克常数，me为电子质量，e为电子电荷量，α＝l/137,036，为精细结构常数，c为光速。49.如权利要求48所述的器件工作方法，其特征在于，馈给连续电源或/和脉冲电源。50.一种量子规模电子器件，包含电极，并且一层具有金属-半导体状态跃迁的材料位于该电极之间；其特征在于，具有金属-半导体状态跃迁的材料层制成至少一个粒子团具有由下式所决定截面尺寸的形式D＝aro其中ro为按下式表示的电子波圆半径 其中 为普朗克常数，me为电子质量，α＝为1/137,036，为精细结构常数，C为光速，a为2≤a≤4范围决定的系数；电极之间的间隔在ro以上。51.如权利要求50所述的器件，其特征在于，粒子团连接电源电极和至少一个负载，并通过隧道透明间隙连接一个或多个电极，隧道透明间隙的宽度在ro以下，电极间的距离在ro以上。52.如权利要求50所述的器件，其特征在于，电极由导体制成，其电阻率为ρ≤10-3Ωcm。53.如权利要求50所述的器件，其特征在于，电极由导体制成，其截面尺寸为d≥ro。54.如权利要求50所述的器件，其特征在于，电极由超导体制成，其截面尺寸为d≥2ro。55.如权利要求50所述的器件，其特征在于，所述电极由具有金属-半导体状态跃迁的材料制成，其截面尺寸为d≥2ro。56.如权利要求50所述的器件，其特征在于，一个或多个粒子团至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大米哈伊洛维奇伊尔雅诺克，
申请(专利权)人：量子香港有限公司，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]