纳米电子器件的制作方法

专利名称：纳米电子器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用电子在纳米数量级的小尺寸时的性能的纳米电子器件(nanoelectronic device)。
作为背景知识，众所周知在原子或分子大小或纳米(nm)时，在适当的材料中，电子的传输性能会发生显著改变。为了得到电子的无散射高迁移率、使得电子具有长的平均自由程(即可认为电子在其流动路径中是弹道式的)，通常要形成所谓的二维电子气(2DEG)。实现这一点的一种途径示于

图1A，即在掺有杂质14的几个微米厚的GaAs层12上形成非常薄的(≤100nm)AlGaAs层10。在高纯度的衬底16上形成层12。如图1B所示，在层10和12的边界18处电子的能级有一个“阱”。从电离了的杂质中出来的电子转移到阱18中。在此区域，电子沿生长方向具有量子化的能量状态，而且在这些层的平面内有非常长(约数微米)的平均自由程。此数字适用于接近绝对零度的温度，随着温度升高，散射光子的数量增多，这减小了平均自由程。
获得2DEG的另一种结构示于图2A，其中已经形成InP层20、22，在InP层20、22之间形成非常薄(约20nm厚)的GaInAs层24。这构成了一种量子阱器件，其能级示于图2B。在量子阱区域24中，电子具有长的平均自由程。
所谓的量子点触点是令人感兴趣的。点触点的形成就是将两个金属部件压在一起使电流可以流过这样形成的点触点。量子点触点在材料中形成一种窄的缩颈，电子可以流过，缩颈的宽度与电子在该材料中的费密波长可相比拟，大大小于其平均自由程。在这种触点中呈现量子力学效应。例如，图3A所示的量子点触点包括窄的缩颈32，在两个光滑的凸阻挡层34之间，宽度约为10-100nm。阻挡层34确定区域36的边界，在该区域中电子的费密波长大约为50-100nm。电子在低温下的平均自由程是几个微米。这种器件的理论表述可参阅Physical Review B 15 April 1990，41，pages 7906-7909“Quantised transmission of a saddle-point constriction”-M.Buttiker。缩颈把电子状态约束在跨接所述两个阻挡层的方向上。缩颈的相对的两侧的宽区域提供了局部均衡的电子储存器。储存器之间的电化学势能差感生了通过缩颈的电流，可以看出在线性响应状态下缩颈的电导具有“阶梯”形状，随在储存器中化学势能差μ而上升。
电子Y-分支开关(YBS)是这样一种器件即从Y的主干注入的电子在电场的作用下选择性地流入Y的两个分支。YBS及类似器件的性能已有研究--见例如Applied Physics Letters 60(2)13 January1992，pages 237-239“Analysis of an electron-wave Y-branchswitch”，Palm and Thylen。当做得足够小时，YBS可以看作是一个三端器件，其中Y的分支用来从器件中提供和支取电流，而在Y的主干测量电化学势能，--见IBM J.Res.Develop.Vol.32 No.3，May1988，p.317-331“Symmetry of Electrical Conduction”，-M.Buttiker。对于对称器件，在线性响应状态，主干上的电化学势能就是加在左右分支上的电化学势能的平均值，因此，在左右分支上所加的电压相等并相反时，在主干上测得的电压为零。
DE-A-19757525公开了一种整流装置，包括在共线电流流动通路之间的结处作三角形刻蚀，以便在与电流通路垂直的通路上感生整流电压。
Science，Volume 283，19，March 1999“An adiabatic quantumelectron pump”Swikes等，报道了一种量子抽运机制，可对开放量子点中约束势能的循环变形作出响应而产生DC电流或电压。
US-A-5369288公开了一种量子半导体器件的结构，其输出基本上没有散射效应。US-A-5270557公开了一种量子点触点，它在触点的缩颈区上有一个控制电极。EP-A-0626730公开了一种纳米级制造的逻辑器件，它包括能提供多种逻辑电平的非对称耦合量子点触点。EP-A-0461867公开了一种设置在两个量子点结构之间的折射结构，用以提供开关作用。
第一方面，本发明提供一种电子器件，它包括提供弹道式电子流的区域；提供流入或流出所述区域的电子流的至少第一和第二电导通路，每个通路的电导随其中电子能量而变化；用于将外部电位加到一个或两个通路上的装置；以及用于检测在所述区域建立的电位的装置。
按照本发明，在所述区域建立电位，所述电位取决于第一和第二电导通路的状态。按照本发明，在所加电位和检测电位之间通常存在非线性关系。因此，该器件在非线性状态下工作，所加电位可以是数伏，检测电位也是数伏。这与工作在线性状态的原有技术器件不同，这些器件的电位最大不过几毫伏。
检测电位可以用来影响邻近器件的工作，如下述，为此其中心区域可以采用提供探针的主干(stem)形式。但在实际中在某些情况下很难检测在该区域中建立的电位。
按照本发明的一种更具体的形式，本发明提供一种电子器件，它包括提供弹道式电子流的区域；提供流入或流出所述区域的电子流的至少第一、第二和第三电导通路，每个通路的电导随其中电子能量而变化；用于将外部电位加到一个或多个通路上的装置；以及用于检测一个或多个导电通路上的电位(或有关参数)的装置。
在通常的工作条件下，在所加电位和检测电位或有关参数之间存在非线性关系。其电导是线性响应电导，电导值G＝I/V。
所述外部电位通常是电压或电化学电位，但也可预见有其他的能量电位源。同理，检测电位一般也是电压或电化学电位，存在于远离所述区域的电导通路中。
利用电化学电位可以方便地说明本发明的器件以及进行测量，因为电化学电位可以精确地测定。电化学电位是与化学电位有关的、附加一项-eV的电位，其中-e是电子的电荷，V是所加电压。化学电位μ是定义明确的热力学量μdN＝dU+pdV-TdS式中各项具有热力学的通常意义。
通常在局部电子储存器上加上或检测电位(这些局部电子储存器存在于远离提供弹道电子流的所述区域的电导通路外端上的电触点处)，实际上执行这些操作更简单。在这种储存器中存在局部电化学电位。另一方面，或者以附加的方式，为了控制电导通路的电导，可以在位于靠近电导通路但却与之电绝缘的栅极上加外部电压。这种栅极通过调制电导通路内的耗尽区工作。加外部电压改变了注入电导通路的电子能量，感生了流过通路的电子流。因此每个电导通路形成用于电子流的端子或端口。可以在这些端子或端口上施加或监控电压和电流。在一些应用中，通路中不一定有电流流动，但可以监测在通路上建立的电压或将其作为探测电压。
按已知的方式，用触点构成本发明器件电导通路的外部电接触，以允许电流流动以及施加外部电压。该触点作为电子的局部储存器，是用于影响器件特性的工作储存器。
在另一方面，本发明提供一种电子器件，它包括提供弹道式电子流的区域；用于流入或流出所述区域的电子流的至少第一和第二电导通路，每个通路有一个限定电化学电位的至少暂时局部平衡的电子储存器；以及用于向各储存器施加第一和第二电压的装置，第一和第二电导通路具有这样的性质、使得通过每个第一和第二电导通路的电子流的电导值取决于所施加的电压，从而对于通过所述通路的电子流创建一种非线性整流或晶体管作用。
在再一个方面，本发明提供一种电子器件，它包括提供弹道式电子流的区域；用于流入或流出所述区域的电子流的至少第一、第二和第三电导通路，每个通路有一个限定电化学电位的至少暂时局部平衡的电子储存器；以及用于向与第一和第二通路相关联的储存器施加第一和第二电压的装置，所述第一、第二和第三电导通路具有这样的性质、使得通过每条通路的电子流的电导值取决于所加电压，从而对于通过所述通路的电子流创建一种非线性整流或晶体管作用。
电导通路在电导和通过电导通路的电子能量之间可以具有任何所需的关系，只要不是恒定(欧姆)的。电子能量一般取决于温度和所加电压以及任何其他施加的外力。在电导通路是量子点触点的情况下，如上述，线性响应电导在低温时呈阶梯形状，随储存器中的化学电位而上升。但也可预见有其他类型的电导通路，例如量子导线、电流和电压具有非线性关系的硅纳米导线器件、谐振隧道效应器件或量子点。对于谐振隧道效应器件或量子点，电导以一系列峰值来表示，用于提高电压或储存器中的化学电位。
所述区域可以包括在电导通路之间形成中心结的小区域。另一方面，该区域可以覆盖本发明的整个器件，则通过在该区域内刻蚀或其他方法来形成电导通路，以便形成进入或流出该中心区域的电子流通路。在这种结构中，整个器件可以看作是所谓的弹道结。
在电导通路是量子点触点时，它由电子流通路中的缩颈或鞍形点形成。缩颈用刻蚀法形成，以便提供阻挡壁的光滑轮廓。但可预见有其他形成缩颈的装置，例如，在流通通路的任一侧提供电子耗尽的叠加分割栅极。
该器件可以采取许多几何形状，通过电导通路的电子流通路从中心区以任何所需的角度延伸，形成具有例如T，Y，ε或箭头等形状的器件。此处说明的一种方便的形状是具有基座(或主干)和分支(或臂)的Y形；但本发明不限于该具体几何形状。
本发明的器件通常由三条电导通路形成，但在某些应用中可能需要多于三条通路。
在一种工作模式下，发现如果在两条电导通路上加交流电压，则在第三条电导通路上会感生单极性电压。换句话说，该器件起整流器的作用。实质上，流动通路的传输率取决于电子注入时的能量。这样，如果将正电压加到所述通路之一，那么，注入的电子能量将减小、因而该分支的传输率下降。如果将负电压加到另一条通路上，那么，电子能量增加、因而该分支的传输率增加。流入第三通路的负电子流将取决于来自传输率高的通路的电子流，而流出则取决于传输率低的通路。因此，当电压加在推挽式两条对称通路上时在第三通路中就会有电子的净积聚，所以有负电压输出。
在本发明的另一种工作模式下，发现当电压加在两条电导通路上使电子流从一条通路流到另一条时，电子流会受加到第三条电导通路的触点上的电压的影响。第三条电导通路的触点上的电压可以从外部源施加，或者该电压可以由其他两条通路之间的电压或电子流感生。而且，还发现在第三通路感生的电压与跨接其他两条通路的电压成线性关系。因此，对于一条导电通路的触点处的给定电压、在加在另一通路的触点的电压感生电子流的情况下，就会在第三通路感生电压，并且在第二通路触点的所加电压和第三通路的感生电压之间存在非线性关系。该非线性关系基本上分两级，最初是初始线性关系，然后是饱和区。这种特性与晶体管特性类似。在这种“晶体管”工作模式下，一条通路(比如说第一条)的触点保持在恒定电压，它表示某一电化学电位和费密能级。于是，当电压加到另一条通路(比如说第二条)的触点时，在第三电导通路感生电压，并且该感生电压会受第一电导通路触点上电压的影响。最初，对于第二电导通路的低电压，第一电导通路对于第三电导通路感生的电压作用极小。这就导致第三电导通路的电压随第二电导通路触点的电压升高而大致呈线性增加。但当第二电导通路触点的电压达到这样一种电平、即、相关的费密能级接近并低于第一电导通路触点处的费密能级时，第一电导通路就成为电子流的净提供者，且对于第二电导通路触点处升高的电压，第三电导通路的电压趋向于保持恒定不变。
在本发明的另一优选形式中，2DEG区域提供第一和第二电导通路之间的电子流通路。导电区自两条电导通路之间的电流通路延伸，形成感生电位的主干或突出物。此主干或突出物可以用作控制另一器件的控制探针或电极，例如在电子波导中它可以凸向电子流的通路以控制其中的电子流，从而获得整流作用。
本发明的器件可以用来从所加频率产生二次或更高次谐波振荡、即、产生二倍频或更高阶倍频。
本发明的器件可以用来实现逻辑“AND”或“OR”功能。
已知双极型和FET型晶体管已经达到小型化，不容易作得更小了。因此需要新型的器件。US-A-5367274和US-A6091267就是实例。但需要进一步的改进。
在另一方面，本发明提供一种电子器件，它包括第一、第二和第三端子，每个端子包括电触点，由向弹道电子流的中心区域提供电子流的相应的电导通路连接，该结构要使加在第一和第二端子上的输入信号电位按照预定的逻辑功能提供第三端子上的输出信号电位。
还有一个方面，本发明提供了一种电子器件，它包括第一，第二和第三端子，每个端子包括电触点，由向弹道电子流的中心区域提供电子流的各电导通路相连接，该结构具有这样的性质、使得加在第一和第二端子上的输入信号电位按照AND或OR逻辑功能在第三端子上提供输出信号电位。
图1A和1B是提供2DEG的已知异质结构的构造和能量特性的示意图；图2A和2B是提供2DEG的已知量子阱结构的截面结构和能量图；图3A是由光滑缩颈形成的量子点触点，用来解释本发明，而图3B是低温下具有鞍形点缩颈的点触点的线性响应电导与化学电位μ的关系的曲线图；图4是本发明第一实施例的示意图；图5是相对于加到侧栅极的电压绘制的与通过图4实施例的电导通路的电子相关联的传输轨迹；图6是显示图4的第三电导通路上测得的电压的曲线图，所述测得的电压是加在左电导通路上电压的函数，而右电导通路上的电压以推挽方式变化；图7是从第三电导通路输出的电压与加到左电导通路上电压之间关系的曲线图，这些值是表明实验和理论之间对应关系的计算值；图8是配置成二极管的图4器件的特性曲线；图9和10是图4的第一实施例中在各种电压加到第二电导通路的情况下第一和第三电导通路之间的计算的电压关系的曲线图；图11是本发明的第二实施例的平面图，包括器件中心部分的扫描电子显微图；图12是本发明器件的概念图；图13A和13B是说明本发明器件用作逻辑门的概念图；图14是显示关于输入扫描电压的输出电压的曲线图，举例说明本发明器件作为倍频器件的应用；图15是包括在提供AND功能的电路中的本发明器件的电路图；图16是包括为提供AND功能而互连的本发明的两个器件的逻辑电路的示意图；图17是包括为提供NAND功能而互连的本发明的两个器件的逻辑电路的示意图；以及图18是提供倒相器功能的本发明器件的示意的电路图。
优选实施例的描述在本发明的优选实施例中，电子器件在非线性范畴工作。器件由高迁移率的GaAs/AlGaAs异质结构构成。在高迁移率区域内形成三条互连的电导通路。该器件形成几何Y形，具有左右分支和主干。当有限电压Vl和Vr以推挽方式(Vl＝-Vr)加到左右分支，同时保持中心主干电导通路浮动时，主干电导通路的测得电压始终为负。对于用经典导体制成的已知对称的YBS，该结果是不能预期的，对于这类YBS，欧姆定律表示主干的零输出，Vc＝0。
显然，局部均衡的电子储存器连接到每个电导通路。每个储存器具有各自的局部费密能级和各自的电化学电位。在电导通路有欧姆触点的情况下，电化学电位将定义为欧姆触点处的电化学电位。
图4是采用电子束平印术和湿化学刻蚀法由调制掺杂的GaAs/AlGaAs异质结构制成的电子器件的区域40的示意的透视图。该器件具有二维电子气，位于表面下80nm。在未加工的硅圆片上，在4.2K测定的载流子密度和迁移率分别为3.7×1011cm-2和2×106cm2/Vs。区域40对电子流具有弹道传输特性，平均自由程远大于该区域的宽度。进行电子束平版印刷和湿化学刻蚀，以制造180nm宽和100nm深的沟槽52。这样就在区域40中形成了电导通路42、44、46。每个沟槽都成形具有量子点触点40q，其用平版印刷术形成的宽度为180nm、长度为100nm。设置在通路44和46附近延伸的侧栅极48，其上加有栅极电压。沟槽52将侧栅极48内的2DEG与通路42、44、46中的电子隔离。
左右通路44和46由电压Vl和Vr以推挽方式偏置，而侧栅极48通过施加电压Vg用来控制通路44和46中的耗尽。欧姆触点50将电压Vl、Vr、Vc、Vg连接到各通路和栅极上。
图5示出利用标准的锁定技术测得的，主干和与电导通路42、44相关的左储存器(Tlc)之间以及主干和与电导通路42、46相关的右储存器(Trc)之间器件的传输轨迹与加在侧栅极48上的电压Vg的关系。连接到侧栅极的触点50是欧姆型的。因此，侧栅极的电压可用连接在侧栅极电压源中的伏特计来检测。可以看出加在侧栅极上的电压要高于正阈值Vth＝0.28伏时器件在主干储存器和两个分支储存器之间才有导通。这是因为刻蚀过程引入侧壁上的表面状态，导致结构四周的强耗尽。在测得的传输率Tlc和Trc中清楚可见电导的量子化。图5还示出两个传输轨迹Tlc和Trc很难区分，表明该器件相对于主干而言几乎完全对称。在传输Tlc和Trc中第一台阶出现在1/2数值处不是由于消除了自旋简并性。该台阶是电子从主干到两个分支传输的完全绝热和弹道过程的结果。对于具有绝热边界的对称弹道器件，主干储存器到两个分支储存器之间的传输完全取决于主干的电导Gc，二者的关系为Trc＝Tlc＝(h/4e2)Gc，两个分支应足够宽，可以接收从主干储存器注入的电子。
如图4所示，电压连接到左右分支储存器，形成电化学电位差，而通过欧姆触点测量从浮动主干储存器输出的电压。结果示于图6，图中，中心主干储存器的测得电压是相对于加到器件的左储存器的电压Vl来绘制的。右电子储存器的电压为Vr＝-Vl，即电压是以推挽方式加到左右分支的。测得的曲线是相对于Vl＝0对称的。栅极电压为0.1V。测量是在室温下进行的。对于小的|Vl|值，大比例曲线显示对Vl的平方依赖关系，并在正Vl和负Vl时都具有负值。对于大的以伏测量的电压值，小比例曲线清楚表明了Vl和Vs之间的整流关系。这些测量清楚表明当有限电压以推挽方式(Vl＝-Vr)加到对称弹道器件时，输出主干电压Vs始终为负。此效应不仅在低压区，而且在加有高电压的区域也可观察到。该新颖特性不出现在电子传输的线性响应区，而且如果用典型的扩散导体构建器件，对于它们，欧姆定律表示主干的零输出，Vs＝0，也不能观察到此特性。
为了研究此新颖效应的物理起源，我们根据三端子弹道结(TBJ)的非线性响应概念对图4所示的器件进行了模型计算。在计算中，三个电导通路的每一个都用以V(x，y)＝Vo-1/2m*ω2x2+1/2m*ω2y2形式表示的鞍形点电位来描述，式中，Vo是鞍形处的静电电位，m*是电子的有效质量，x、y分别定义沿传输方向和与传输方向垂直的坐标。由于测量的器件是通过刻蚀法制成的，导致电导通路中强约束，在侧栅极上加电压不会改变约束电位的形状，而是改变鞍形处的电位Vo。对三条电导通路使用参数hωx＝6meV和hωy＝15meV，这些参数与侧栅极电压无关。但是，使用了数个Vo的值以模拟不同电压加到侧栅极的情况。取费密能级为μF＝14meV，对应于2DEG区域中3.9×1011cm-2的电子密度。将电压Vl和Vr加到左右分支储存器上时，这两个储存器的电化学电位分别变换为μl＝-eVl+μF和μr＝-eVr+μF浮动中心主干储存器的电化学电位μc由主干储存器处的电流Ic＝0的情况决定，而主干储存器的输出电压由公式Vc＝-(μc-μF)/e给出。对于对称弹道器件，电子传输率仅取决于主干的电导。因此，Vc相对Vl的功能特性主要取决于主干的传导性能，而YBS结构的具体布局并不重要。
图7示出对该器件工作在推挽方式下(Vl＝-Vr)的计算结果。对鞍形处电位Vo的三个值绘制了计算的Vc与Vl的关系。当Vo＝0meV，在能量μF＝14meV处传输率Tlc和Trc都处于高台(plateau)上。这种情况对应于在侧栅极上加1.0V的电压。因此，左分支和主干储存器之间的电流流动大致与两个储存器之间的电化学电位差成线形关系。右分支和主干储存器之间的电流流动亦如此。所以，该系统的工作就像一个用线形导体构建的三端子器件，此时欧姆定律适用。结果，以推挽方式工作的器件，在|Vl|数值小时其输出电压应大致保持在零，如图7的上部曲线所示。如果Vo＝4meV，对应于Vg＝0.6V的实验情况，在能量μF＝14meV处传输率Tlc和Trc都处于由高台所描述的数值之间。流入主干储存器的负电流(当任一分支储存器的电化学电位相对主干储存器的电位增加了e|Vl|时发生此情况)总是大于流出主干储存器的负电流(在另一分支储存器的电化学电位有等量减少时)。为了建立浮动主干中的电流平衡，电化学电位μc必须增加到μF和μF+e|Vl|之间的数值。这样，测得的主干储存器的输出电压可以见到总是负值，如图7的中间曲线所示。此外，对于小|Vl|，计算的Vc显示出与Vl平方的依赖关系。如果Vo＝12meV，则在能量μF＝14meV处传输率Tlc和Trc接近于夹断，如同Vg＝0.3V的实验情况(见图5)。对于Vl所有的有限值，输出主干电压Vc始终为负，与对Vo＝4meV的计算相同。但是，与该计算相比较，发现在给定的有限Vl下有比较大的负输出电压Vc，与实验情况相符。所有这些特征都可以与对Vo＝4meV情况下的计算类似地加以理解。
用基于三个弹道式耦合量子点触点的模型可以很好说明实验的观察结果。理论与实验的完全符合表明实验观察的新颖效应是在非线性响应范畴内三端弹道结(TBJ)的本征特性。计算也表明，如果器件的尺寸小于电子的平均自由程，只要三个导体(由它们构成三端结)的电导随电化学电位而增加，就能观察到此新颖的效应。该新颖的效应在室温下可观察到，因为有可能将这种器件尺寸作成100nm或更小，这与高迁移率材料在室温下的平均自由程可相比拟。
本发明提供了GaAs/AlGaAs弹道式Y-分支器件的一种新颖特性。在左右分支储存器上加两种电压时，浮动主干储存器的电化学电位趋向于取二分支储存器中电化学电位的较高值。因此，对于以推挽方式向二分支储存器加电压的对称器件，主干储存器的输出电压始终为负。该新颖效应已由根据电子传输的非线性理论所作的计算证实。器件中弹道传输的存在是该观察效应的前提。预计观察到的该新颖现象对于纳米级的器件都通用。将特征按比例缩小Si技术的推断为基于这类性能的极其小型的器件和电路提示了基础。
参阅图8，图中示出类似于图4的器件，由电导通路42，44，46提供量子点触点40q。图8的主要部分示出该器件的示意图。将该器件连接成起整流器的作用，电压V加在左分支上，在中心主干分支测量到电压Vs，右分支接地。在室温下进行测量，电压以伏测量。可以看到二极管特性，输出电压Vs维持在0V，直到输入电压V低于刚刚低于0V的阈值，此时输出电压快速下降。
可以使第一实施例工作在类似晶体管模式，如图9和10所示。图9是对于绝对温度4.2K，区域40的费密能级为10meV所作的曲线图。图10类似，工作温度为4.2K，区域40的费密能级为5meV。在这种工作方式下，右电导通路46的电压保持恒定在给定数值，并且示出连接电导通路42，44的触点之间的电压关系。可以看出，对于Vr的任何给定值，Vl和Vc之间的关系都是非线性的，对于Vl和Vc负值，有大致线性关系，对Vl正值，有饱和区，其中Vc保持恒定。可以看出，当电压Vr改变时，Vl和Vc之间的关系基本相同，但精确的数值发生改变，因而Vc的饱和电压在Vr正值时比在Vr负值时高得多。可以看出，这就产生了一族类似晶体管的曲线，并表明在电导通路46上加调制电压Vr，该器件就可像晶体管一样工作。
下面参阅图11，图中示出配置成晶体管的本发明的第二实施例。该器件包括被刻蚀过的隔离区70，72，74分开的导电区60，62，64，66。这些刻蚀的隔离区可以由绝缘材料充填。在此例中，导电区66通常为T形，有左臂76和右臂80。臂76和80之间是区域84，它提供电子的弹道传输，平均自由程远大于区域84的宽度。这样形成区域84中臂76和80的轮廓、以便提供量子点触点84q。突出物或分支86自区域84延伸，形成电压探针。导电区64在中心区域处变窄，形成电导通路90并形成量子点触点90q。导电区60、62提供栅极，用来加控制电压。
工作时，通过电导通路76，80和区域84的电子流在突出物86中感生电压。该电压靠耗尽来调制导电区64中通过电导通路90的电子流。因此，提供了类似晶体管的功能，在缩颈76，80中，为通过缩颈90的电子流提供电子流放大功能。
图11的器件可以用来对加在左右电导通路上的输入频率进行倍频，并且在通路90中得到频率之和及其谐波。此情况示于图14，图中在240秒的长扫描时间内将锯齿形斜坡电压加到左右分支上。整流电压波出现在中心分支，得到双频率的波形。也产生了较高次谐波。
虽然必须注意本发明的新颖的概念，但是，参考数学分析有可能更清楚地理解此概念。现考虑三端弹道结(TBJ)，即如图12所示的系统。为了揭示基本的物理原理，而避免冗长烦琐的计算，将本发明模型化，即连接三个(左，右，中心)量子点触点(QPC)作为电导通路，在其外储存器中具有外电化学电位μl，μr，μc，经过具有足够光滑(即绝热的)边界的区域。如果考虑对称情况，即左右分支做成完全相同，要问的问题是当偏压2|V|加在左右储存器之间时，假定|μl-μr|＝2e|V|，在浮动中心储存器μc的输出电压Vc是什么？为回答此问题，我们需要了解器件的三个探针储存器(i，j＝l，r或c)之间的各种传输概率Tij，反射概率Rii，并用下式计算中心触点的电流Ic=2eh{∫[Nc(E)-Rcc(E)]f(E-μc,T)dE-Σi=l,r∫Tci(E)f(E-μi,T)dE}---(1)]]>式中Nc是从中心储存器到中心QPC的引线(lead)中的量子沟道(占用的子带)数目，μl＝μF+eV和μr＝μF-eV是左右储存器的电化学电位(μF是在零偏压时TBJ中的电化学电位)，T为储存器的温度，而f(E-μcT)是Fermi-Dirac函数。
中心分支的输出电压V可由eVc＝-(μc-μF)计算，式中电化学电位μc需要从方程(1)令Ic＝0求得。
可以得到传输概率的各种对称性能，在没有磁场时，时间-反转的不变性意味着Tcl＝Tlc，Tcr＝Trc，以及Tlr＝Trl，而电流守恒给出
Nc(E)-Rcc(E)＝Tlc(E)+Trc(E)，Nl(E)-Rll(E)＝Tcl(E)+Trl(E)， (2)Nr(E)-Rrr(E)＝Tcr(E)+Tlr(E).
如果在其他两个QPC中有足够数量的开放沟道来接收电子的话，那么，通过QPC传输的电子被散射回来的概率非常小。在此绝热情况下，上述各方程的左侧与对应的QPC的线性响应电导成正比，例如Gc(E)＝(2e2/h)[Nc(E)-Rcc(E)]。因此，方程(2)可以改写为以三个QPC的线性电导来表示传输概率Tcl(E)=Tlc(E)=h4e2[Gc(E)+Gl(E)-Gr(E)],]]>Tcr(E)=Trc(E)=h4e2[Gc(E)+Gr(E)-Gl(E)],---(3)]]>Tlr(E)=Trl(E)=h4e2[Gl(E)+Gr(E)-Gc(E)].]]>这些简单的关系仅对具有绝热几何边界的器件，且仅在以下条件有效三个点触点组合使方程(3)中三个方程的右侧大于或等于零。
虽然方程(3)是为一般绝热器件而推导出来的，但对于对称器件(即器件的左右分支完全一样)的情况，该方程可以大大简化。此时，我们有Gl＝Gr。将其代入方程(3)，即得Tcl(E)＝Tcr(E)＝(h/4e2)Gc(E) and Tlr(E)＝Trl(E)＝(h/4e2)[2Gl(E)-Gc(E)]for Gl(E)≥(1/2)Gc(E).
于是，对于对称，绝热的TBJ，确定中心储存器中的电化学电位的条件可以写为∫Gc(E)f(E-μc,T)dE=12∫Gc(E)f(E-μl,T)dE+12∫Gc(E)f(E-μr,T)dE---(4)]]>
注意以下事实是很重要的当偏压加在对称的TBJ的左右分支时，浮动中心探针的电化学电位及其输出电压完全由中心QPC的电导Gc(E)决定，而与左右分支的结构以及二分支之间的角度无关，只要满足Gl(E)+Gr(E)≥Gc(E)。还应强调，方程(4)意味着如果TBJ由线性导体制成，而对于这种导体，Gc与注入电子的能量E无关，则当电压V和-V加到左右分支时中心探针的输出电压始终为零。
对于对称、绝热器件，按方程(4)两侧的V作Taylor展开(利用以下关系μc-μF＝-eVc；μl-μF＝-eVl；μr-μF＝-eVr)从方程(4)可以推导出的另一结果是在小数值的|V|下，输出电压Vc可以写为Vc=-12αV2+O(V4)---(5)]]>式中α=-e∫Gc(E)∂2f(E-μF,T)∂E2dE∫Gc(E)∂f(E-μF,T)∂EdE---(6)]]>于是，对于小|V|，Vc与V成平方关系。而且，对于Gc(μ)/μ＞0，可得α＞0。这样，当V和-V加到对称器件的左右分支时，总得Vc＜0。这就是说，中心探针的电化学电位μc总是向上移动，趋向于取μl和μr的较高值。进行具体的计算可以看到，μc的该特性响应不仅限于小|V|时有效，对于大的|V|值也可以有效。
有趣的是考虑一下在温度零度时的计算，可以推导出确定中心探针的电化学电位μc的简单方程∫μcμlTcl(E)dE=∫μrμcTcr(E)dE---(7)]]>这是因为Fermi-Dirac函数不再出现，并可对E从(负无限)到它们相应的电化学电位作三次积分。将左侧(4)分成两半，并重新排列，就得到(7)。
很清楚该方程满足了电流存储的要求。对于具有绝热边界的对称TBJ，有Tcl(E)＝Tcr(E)＝(h/4e2)Gc(E)[见方程(3)]。对于μl和μr之间的电化学电位窗口中具有Gc(μ)/μ＞0的中心QPC，方程(7)意味着中心探针的电化学电位μc始终处于比μl和μr的平均值要高的值。这再次表示，当V和-V加到TBJ的左右分支时，浮动中心探针的输出电压Vc始终为负。也可以在零温度情况下推导Vc与V在小数值|V|界限内的平方关系。结果是Vc=-eG′c(μF)2Gc(μF)V2+O(V4)---(8)]]>可以看出，在T＝0时，曲率的绝对值完全取决于中心QPC的电导特性，相对于费密能量，它与电导的一次导数G’c(μF)成正比，但它也与电导本身Gc(μF)的倒数成正比。
用三个鞍形点触点将三个QPC模型化。每个QPC的电化学电位为V(x,y)=Vo-12m*wx2x2+12m*wy2y2---(9)]]>式中Vo是在鞍形处的电化学电位，m*是电子有效质量，x定义沿传输方向的坐标，y为沿横向方向的坐标[19]。电位的曲率以频率Wx和Wy表示，一般取决于有效质量m*。鞍形点触点的哈密顿算符(由动态算符-h22/2m*补充的方程(9)给出)可以分为与能量 相关联的横向波函数和在有效电位 中沿x的波函数。对于这种鞍形点电位，传输概率具有简单的形式Tmn(E)=δmn11+eπϵn,---(10)]]>式中m和n是横向模式的指数，变量 而E是电子能量。鞍形点触点的电导由下式给出G(E)=2e2hT(E)=2e2hΣm,nTmn(E)]]>以上分析是对于器件是对称的情况进行的。但本发明不限于对称器件，即使器件的对称性被破坏，只要在左右分支上所加的相等但(极性)相反的电压|V|的幅度大于某一阈值，本发明的新颖特性仍可出现。
现参阅图13A和13B，图中示出本发明器件的使用，电压按图中所示表加到各电导通路上以产生AND或OR功能。当电压加到对称的TBJ的左右分支时，只有当所加的两个电压都是正时，输出的中心分支电压才为正(二进制数值1)，如果电压的负值定义为1，则器件起OR门的作用。
参阅图15，图中示出类似于图13和4所示的器件150，其中三个端子A，B，C分别包括左，右和中心通路(l，r，c)以及电触点152。设置侧栅极154，它同等地影响着左右通路中的耗尽。另一个电导通路156将器件的中心通路c与地参考电位互连。通路56具有欧姆电导值，但设置栅极158，它影响通路156的耗尽区以便改变通路156的电阻值。
工作时，选择性地加到端子A和B的电压具有地参考电位(0)或电源电压Vcc。电源电压为正，因此根据图中所示的表提供AND功能。两个栅极154和158可以调节输入电压电平和输出电压电平。从图15的第二个表中可以看出，由于输出电压基本上加在输入端，所以AND门器件中的内部电压损失很小。
应当指出，在此逻辑器件中，器件基本上是三端器件，不再需要其他的栅极来工作。所示栅极仅用于调节最佳工作条件。此外，该器件除通过输入端接入功率外不需要再施加外部功率。
在器件150由类似大小的左，右，中心臂构成的情况下，器件是完全对称的，因此，可以通过向三个端子中的任何两个端子提供输入信号并且从第三个端子获得输出信号，来提供AND功能。
参阅图16，图中示出逻辑电路，其中与图15所示的部件类似的部件用同样的标号表示。第二个三端器件(如图13所示)160连接到第一器件，器件150的臂c与器件160的左电导臂l结合为一体。器件160的中心臂c连接到地参考电位，栅极162影响臂c内的耗尽区。输出端子X’包括臂r。第二器件160不改变器件150提供的逻辑功能。第二器件160的功能是调节输出信号的参数。
现参阅图17，该图示出实现NAND功能的逻辑电路。提供两个逻辑器件170和172，其各自为图4和图13所示的类型，具有左、右、中心臂(l，r，c)和电触点174。器件170的中心臂c连接到栅极176，栅极176影响器件172的臂1中的耗尽。器件170具有连接成接收输入信号的输入端A和B。器件172的臂l、r分别连接到地参考电位和电源电压Vcc。在端子X处从器件172的中心臂c获得输出信号。端子X的输出信号的精确值由连接到中心臂c和地参考电位之间的电导通路179的栅极178控制。
所示电路完成表中所示的NAND功能。实质上，第二器件172提供第一器件170的输出信号的倒相信号。
参阅图18，图中示出提供倒相器功能的逻辑电路，其中器件180为图4和3所示的类型，具有左、右、中心臂l、r、c和电触点182。左臂l连接到地参考电位，右臂r连接到Vcc，中心臂c形成输出端子X。左臂l具有栅极184，用于控制左臂l中的耗尽区。栅极184接收端子A的输入信号。中心臂c和地基准点之间的电导通路186具有栅极188，用于控制其中的耗尽，以便调节在端子X处的输出信号的幅度。如表中所示，该结构提供倒相器功能。
权利要求
1.一种电子器件，它包括提供弹道电子流的区域；提供流入或流出所述区域的电子流的至少第一和第二电导通路，每条通路的电导随其中的电子能量而变化；用于将外部电位加到所述电导通路中一条通路或两条通路上的装置；以及用于检测在所述区域产生的电位的装置。
2.一种电子器件，它包括提供弹道式电子流的区域；提供流入或流出所述区域的电子流的至少第一、第二和第三电导通路，每条通路的电导随其中的电子能量而变化；用于将外部电位加到所述电导通路中一条通路或多条通路上的装置，以及用于检测所述电导通路中一条通路或多条通路上的电位或与电位有关的参数)的装置。
3.如权利要求1或2所述的器件，其特征在于所述外部电位是电压或电化学电位。
4.如上述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于所述检测的电位是电压或电化学电位，或者所述检测的参数是电流。
5.如上述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于所述一条或多条电导通路包括在提供弹道电子流的区域中形成的电导通路。
6.如权利要求5所述的器件，其特征在于所述区(area)被包括在所述提供弹道电子流的区域中。
7.如权利要求1到4中任一项所述的器件，其特征在于所述一条或多条电导通路包括量子点触点、窄导线、谐振隧道效应器件或量子点。
8.如上述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于每个电导通路具有关联的局部电子储存器，所述局部电子储存器远离所述区域并且限定局部电化学电位。
9.如权利要求8所述的器件，其特征在于所述储存器与所述器件的电触点相关联。
10.如权利要求2或引用权利要求2的任何权利要求所述的器件，其特征在于每个电导通路(i，j＝l，r，c)具有关联的局部储存器，所述局部储存器具有相应的电化学电位μ，并且其中所述第三电导通路c中的电流I由下式给出Ic=2eh{∫[Nc(E)-Rcc(E)]f(E-μc,T)dE-Σi=l,r∫Tci(E)f(E-μl,T)dE}]]>式中Nc是所述电导通路中量子沟道(占用的子带)的数目，μl和μr是左右储存器的电化学电位，T为储存器的温度，而f(E-μcT)是Fermi-Dirac函数。
11.如权利要求8所述的器件，其特征在于所述器件为对称形，所述第一和第二电导通路在形成中心通路(c)的所述第三电导通路的两侧形成对称的左右通路(l，r)。
12.如权利要求2或引用权利要求2的任何权利要求所述的器件，其特征在于所述第一、第二和第三电导通路具有其各自的电导G(E)和各自的电化学电位μ，其中∫Gc(E)f(E-μc,T)dE=12∫Gc(E)f(E-μl,T)dE+12∫Gc(E)f(E-μr,T)dE]]>式中f为Fermi-Dirac函数。
13.如权利要求10所述的器件，其特征在于对于加到左和/或右通路的幅度V的电压，在所述第三中心电导通路上的电压Vc为a.Vc=-12αV2+O(V4)]]>b.其中μc-μF＝-eVc；μl-μF＝-eV；以及μr-μF＝eV
14.如上述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于每个所述通路的电导以下式给出G(E)=2e2hT(E)=2e2hΣm,nTmn(E)]]>其中Tmn(E)=δmn11+eπϵn]]>
15.如上述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于在所施加电压V的幅度小的情况下，非线性关系为抛物线，或一般为抛物线。
16.如权利要求1所述的器件，其特征在于所述区域提供主干或突出物，所述主干或突出物设置在另一条电子流通路的另一条电导通路附近，以便提供探针来影响电子在所述另一条电子流通通路中的电导，从而实现放大作用。
17.如权利要求6所述的器件，其特征在于所述通路中至少一条通路是通过在所述区域的刻蚀法形成的。
18.一种电子器件，它包括提供弹道电子流的区域；用于电子流流入或流出所述区域的至少第一和第二电导通路，每条通路存在电子储存器或触点，所述储存器或触点处于限定局部电化学电位的至少暂时局部均衡状态；用于将第一和第二电压加到所述第一和第二通路上的装置，所述第一和第二通路具有这样性质、使得通过所述第一和第二通路中每一条通路的电子流电导值取决于所述施加的电压，从而对通过所述通路的电子流产生非线性整流或晶体管作用。
19.一种电子器件，它包括提供弹道电子流的区域；用于电子流流入或流出所述区域的至少第一、第二和第三电导通路，每条通路存在电子储存器或触点，所述电子储存器或触点至少处于暂时局部均衡状态以便限定局部电化学电位；以及用于将第一和第二电压加到所述第一和第二通路上的装置，所述第一和第二通路具有这样的性质、使得通过所述第一和第二通路中每一条通路的电子流的电导值取决于所述施加的电压，从而对通过所述通路的电子流产生非线性整流或晶体管作用。
20.如上述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于所述通路中至少一条通路具有相应的欧姆触点，用于传导电子并且用于施加外部电压，并在此处形成电子局部储存器，
21.如上述权利要求中任何一项所述的器件，其特征在于用于施加或检测电位的装置包括设置在一个或多个电导通路邻近但与其电绝缘的一个或多个栅极。
22.如权利要求2所述的器件，其特征在于包括用于施加跨接所述第一和第二通路的交流电压的装置；以及用于监测所述第三通路上的整流电压的装置。
23.如权利要求2所述的器件，其特征在于包括用于在所述第二通路上施加电压的装置；以及用于监控在所述第一通路上施加的所述电压和在所述第三通路上响应流经所述通路的电子流而产生的电压之间的关系的装置。
24.一种在电子器件中实现晶体管作用的方法，所述方法包括提供具有电子流弹道传导性能的区域；在所述区域中提供流入或流出所述区域的电子流的第一，第二和第三电导通路，每条通路的电导随所述通路中电子能量而变；以及将电压加到所述各通路中一条或多条通路上，以便以非线性方式调制通过其他两条通路的电子流的特性。
25.一种对交流电压进行整流的方法，所述方法包括提供具有电子流弹道传导性能的区域；提供用于电子流流入或流出所述区域的第一、第二和第三电导通路，每条通路的电导取决于通过所述通路的电子的能量；以及施加跨接两条所述通路的交流电压；以及从所述第三条通路导出整流电压。
26.如权利要求2到22中任一项所述的电子器件，其特征在于连接所述第一，第二和第三电导通路以便提供逻辑AND或OR功能。
27.如权利要求1到23中任一项所述的器件，其特征在于连接第一，第二和第三电导通路以便接收跨接所述一个或多个端口具有某些确定的频率的交流电压，并且在所述器件的另一条或多条通路上产生所述频率的总和和/或谐波。
28.一种电子器件，它包括第一、第二和第三端子，每个端子包括由相应的电导通路连接的、向弹道电子流的中心区域提供电子流的电触点，所述结构具有这样的性质、使得施加在所述第一和第二端子的交流电压在所述第三端子提供整流电压。
29.一种电子器件，它包括第一、第二和第三端子，每个端子包括由相应的电导通路连接的、向弹道电子流的中心区域提供电子流的电触点，所述结构具有这样的性质、使得向一个端子施加电压的操作能以非线性方式调制通过其它两个端子的电子流的特性。
30.一种电子逻辑器件，包括第一、第二和第三端子，每个端子包括由相应的电导通路连接的、向弹道电子流的中心区域提供电子流的电触点，所述结构具有这样的性质、使得施加在第一和第二端子的输入信号电位能按预定的逻辑功能在所述第三端子提供输出信号电位。
31.一种电子逻辑器件，它包括第一、第二和第三端子，每个端子包括由相应的电导通路连接的、向弹道电子流的中心区域提供电子流的电触点，所述结构具有这样的性质、使得施加在第一和第二端子的输入信号电位能按AND或OR逻辑功能在所述第三端子提供输出信号电位。
32.如权利要求30或31所述的器件，其特征在于用于操作所述器件的电功率是由所述输入信号中的功率提供的，所述输入信号包括加到所述第一和第二端子的外部电位。
33.如权利要求30或31所述的器件，其特征在于所述器件是对称的、使得所述输入信号可以加到所述第一、第二和第三端子中任意两个端子而所述输出信号从剩余的那个端子获得。
34.一种逻辑电路，它包括如权利要求30或31所述的器件，其特征在于将所述输出信号提供给类似于权利要求30或31的器件的第二器件，以便提供信号电平转换。
35.如权利要求34所述的电路，其特征在于所述第二器件具有连接成接收所述输出信号的第一端子、连接到地参考信号的第二端子和用于提供输出信号的第三端子。
36.一种逻辑电路，它包括如权利要求30或31所述的器件，其特征在于将输出信号提供给第二器件，以便提供NAND功能，所述第二器件包括第一、第二和第三端子，每个端子包括分别由相应的电导通路连接的、向弹道电子流的中心区域提供电子流的电触点；以及栅极，用于影响所述各电导通路之一的特性，将所述输出信号加到所述栅极上，以便在所述第二器件的端子上提供所述输出信号的倒相信号。
37.如权利要求36所述的电路，其特征在于所述第二器件的所述其它端子连接在电源电压和参考电位之间。
38.如权利要求30或31所述的器件，其特征在于所述各电导通路中至少一条电导通路连接到栅极上，外部电位可以加到所述栅极上以便调节所述电导通路的导电特性。
全文摘要
一种呈现非线性晶体管或整流作用的纳米级电子器件，它包括提供电子流的弹道传输特性的区域(40)，在区域(40)中形成具有量子点触点(40q)的电导通路(42，44，46)，每条通路具有关联的电子储存器或触点(50)，其电化学电位和线性响应电导取决于注入该通路的电子能量。将交流电压V
文档编号H03K19/08GK1471731SQ0181811
公开日2004年1月28日 申请日期2001年9月3日 优先权日2000年9月1日
发明者L·I·萨米尔森, H·徐, A·福歇尔, L·M·D·沃尔舍赫, D 沃尔舍赫, L I 萨米尔森 申请人:英国技术集团国际有限公司