Квантовый супертранзистор

Реклама
PCT/EA02/0009 "QUANTUM SUPERTRANSISTOR" (15 claims)
Квантовый супертранзистор
Реферат
Предложены
разные
варианты
создания
квантовых
супертранзисторов.
В
этом
транзисторе
между
электродами
располагается наноструктурированный материал, состоящий из
кластеров с туннельно прозрачными оболочками. Кластеры имеют такие
размеры, при которых проявляются резонансные свойства электрона.
Этот размер определяется кольцевым радиусом волны электрона согласно
формуле r0  /(m e α 2 c)  7.2517 nm , где  - постоянная Планка, me – масса
электрона,  = 1/137,036 – постоянная тонкой структуры, с – скорость
света. Размер кластера задается в пределах от r0 до 4r0, причем толщина
туннельно прозрачного промежутка не превышает r0. Это позволяет
создать транзисторы с минимальным размером порядка 30 нм.
Учет
формы
волны
электрона
позволяет
создать
наноструктурированные материалы с квантоворазмерными эффектами.
Это открывает возможность изготовления
транзисторов с рабочей
температурой до 3250С и предельной рабочей частотой 350 ГГц,
разнообразной памяти и всевозможных логических устройств с
запоминанием предыдущего состояния при выключении питания.
Область техники
Настоящее изобретение относится к области электронных компонентов,
в частности, к многофункциональным и целевым электронным компонентам и
элементам ИС, имеющим минимальные предельно достижимые габаритные
размеры при максимальном быстродействии и максимально возможных
рабочих температурах. Такие элементы работают на основе квантоворазмерных
резонансных эффектов и используются для создания двумерных (планарных) и
трехмерных электронных устройств, предназначенных для обработки и
преобразования аналоговой и цифровой информации.
Уровень техники.
Существует тенденция к уменьшению размеров элементов интегральных
схем. Однако, при уменьшении размеров электронных элементов менее 100 нм
начинают проявляться дискретный характер носителей заряда и их
квантовомеханические характеристики, что также, должно повлиять на
конструктивные особенности активных приборов — транзисторов.
Вместе с тем, при размере менее 100 нм отдельные элементы
транзисторов, по существу, являются малыми частицами — кластерами [1]. При
уменьшении размера кластера может наступить условие, позволяющее
создавать приборы, способные управлять группами электронов или, даже,
одним электроном.
Известен большой класс электронных приборов, основанных на
одноэлектронном туннелировании через кластер малых размеров [2]. Такой
прибор, в простейшем случае, представляет некий аналог полевого
полупроводникового транзистора, между стоком и истоком которого находится
2
изолятор со встроенным в центре малым кластером. Этот транзистор принято
называть SET - (Single Electron Transistor).
Встроенный в изолятор SET прибора кластер имеет собственную емкость
относительно подложки Cс. Суть описанного в [2] эффекта заключается в том,
что при туннельном прохождении электрона с зарядом e через кластер, электрон
изменяет потенциал на нем на величину U=e/Cс и своим полем блокирует
прохождение других электронов на время нахождения электрона на кластере.
При этом необходимо, чтобы потенциал на кластере превышал потенциал
тепловых шумов емкости кластера:
U2kT/e
(1)
где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.
Например, сферический кластер из кремния с радиусом rс = 5 нм,
имеющий диэлектрическую проницаемость  = 11.7, будет обладать емкостью
Cс=40rс и, следовательно, исходя из (1) иметь максимальную температуру
эксплуатации прибора
Т=e 2/(80rсk)=143К(-1300С)
(2)
где 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума.
Это условие показывает, что в принципе, при переходе к материалам с
5.6 или к кластерам меньшего размера есть возможность создания
одноэлектронного квантового прибора, работающего при нормальной — 290300К (17-270С) температуре. Считается, что SET приборы будут иметь
минимальный дробовой шум по сравнению со всеми известными приборами.
Это связано с тем, что электроны проходят последовательно один за другим
через кластер. В обычных же полупроводниковых приборах свободные
носители формируются случайным образом по в объеме эмиттера или истока.
Поэтому этот механизм является основным источником дробового шума. Кроме
того, из-за отсутствия полупроводника в приборах электроны не захватываются
ловушками. Это приводит важному положительному эффекту - уменьшению
фликерных шумов.
Однако рассматривать отдельный кластер как компонент микросхемы
без учета емкостей электродов транзистора не имеет физического смысла.
Учтем все паразитные емкости SET прибора.
Как показано в [3], регистрация одного электрона возможна полевым
полупроводниковым транзистором с изолированным затвором. Причем,
структура самого канала транзистора на анализ не влияет. Поэтому, для любых
приборов такого типа, вплоть до нанометровых, необходимо учитывать как
входную емкость СI, так и выходную емкость Сa. Следовательно, формула (1)
должна быть дополнена множителем Сa/Сi, в соответствии с [3, формула (7.36)]
(Сa/Сi).(e/Cc)2kT/e
(3)
Из этого выражения следует, что при приемлемом размере проводника,
подводящего сигнал управления к затвору или кластеру, например, длине
проводника ~ 1000 нм и ширине ~ 10 нм, емкость проводника для кремниевой
подложки будет Сi  100Cc. Следовательно, при приемлемом быстродействии
рабочая температура прибора составит всего Т=1.430К (-271.720С). Именно
такая температура является предельной для большинства SET-приборов,
реализованных до настоящего времени [4-7]. В этих работах пытались
реализовать высокотемпературное одноэлектронное туннелирование, по
существу, одним способом, предложенным в работе [2]. Например, между
двумя электродами, нанесенными на диэлектрик, размещали металлические
2
3
кластеры размером меньше 50 нм [4]. Или аналогично, в слое диэлектрика
равномерно распределены кластеры фуллерена, имеющих размер всего 0.634 нм
[5]. В работах [6,7] уже рассмотрены всевозможные логические устройства для
создания цифровой памяти логических элементов с размерами структур от 0.2
нм до 100 нм. Однако, в работе [2], которая явилась прототипом всех этих
работ, была допущена принципиальная ошибка – не учтен безразмерный
множитель Сa/Сi. В результате, эта ошибка из работы [2] перешла в
большинство
патентов,
использующих
принцип
одноэлектронного
туннелирования. Это заблуждение сводит, как минимум, 25 выявленных
аналогов и прототипов [7] предлагаемой заявки в разряд работ, имеющих чисто
научное значение, но не имеющих какое-либо коммерческое применение.
Существует еще около 70 патентов и заявок на патенты, имеющих ту же
ошибку. Однако, устранить эту ошибку технически очень сложно, так как
между любыми активными элементами должны существовать связи
посредством электрических проводников, размер которых очень сложно свести
к размеру самого активного элемента. А, следовательно, всегда будет
существовать большая паразитная емкость подводящих электродов.
Из описаний вышеизложенных патентов следует, что в них не учли
пространственные емкости подводящих проводников к транзисторам. И,
естественно, здесь не удалось получить рабочих температур, превышающих
температуру жидкого гелия.
Другим вариантом создания нанометровых транзисторов может быть
создание транзисторов на горячих электронах. Горячими считаются те
электроны, энергия которых превышает энергию Ферми на несколько kT. Было
предложено много трехэлектродных структур, подобных биполярным
транзисторам, с переносом горячих электронов от эмиттера к коллектору со
структурами металл – окисел – металл, полупроводник – металл полупроводник. Лучшие характеристики имеет прибор со структурой металл диэлектрик – металл – диэлектрик – металл, в котором протекание тока в слое
диэлектрика происходило за счет туннелирования. Однако экспериментально
полученные коэффициенты усиления по току не превышали 0.3.
Было создано большое количество вариантов сверхбыстродействующих
транзисторов с проницаемой базой, с гетеропереходами. Как правило, они очень
сложно выполняются технологически и мало пригодны для интегральных схем.
Поэтому техника сориентировалась на производство полевых транзисторов с
малым размером канала [8]. Однако, при уменьшении размеров транзисторов
менее 100 нм
полупроводник в объеме таких габаритов транзистора
вырождается по существу в диэлектрик. Т.е., свободных носителей в объеме 10 5
нм3, например, в кремнии, при нормальной температуре просто не существует.
Увеличение рабочих температур или примесные легирования не решают
проблему свободных носителей. Кроме того, в полупроводниках естественно
образуются ловушки для основных носителей, что приводит к генерации
фликер шума. А случайная генерация свободных носителей в эмиттере
приборов вызывает увеличение дробового шума.
В теории перечисленных выше транзисторов используется диффузионнодрейфовое описание движения носителей, что уже не приемлемо для
наноразмерных габаритов. Здесь требуется переход на квантово-механический
анализ. Однако существующий аппарат квантовой механики не учитывает
пространственную структуру электрона. Поэтому использовать аппарат
квантовой механики для описания экспериментальных данных и
3
4
прогнозирования свойств вновь создаваемых приборов весьма сложно.
Поэтому большинство разработанных приборов нанометровых размеров, как
правило, работают только при сверхнизких температурах. Хотя в них не
используется одноэлектронный режим туннелирования, как описывалось выше,
а используются коллективные эффекты носителей. Вследствие этого остается
весьма актуальным создание приборов наноэлектронных размеров, работающих
при комнатных и выше температурах.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание транзистора с максимально
возможной рабочей температурой, мощностью и быстродействием.
Решить эту задачу возможно путем отказа от использования
полупроводников и переходу к совершенно новым материалам для
транзисторов на основе наноструктурированных сред с квантоворазмерными
эффектами.
Целью изобретения является создание транзисторов на основе
квантоворазмерных эффектов с максимальной рабочей температурой, удельной
мощностью и быстродействием.
В предлагаемом изобретении для одновременного увеличения
температуры, мощности и быстродействия предлагается использовать новый
механизм движения электронов в диэлектриках и полупроводниках с учетом
пространственной структуры волны электрона, опубликованный в Заявке PCT
[9].
В этой работе показано, что форма электрона – его зарядовая волна
изменяется в зависимости от скорости движения электрона и структуры
материала, в котором он движется. В наиболее простых случаях его форму
можно представить в виде заряженного тора, вращающегося вокруг своей оси.
Для электрона, находящегося в минимуме своей энергии, его можно
представить в виде тонкого, равномерно заряженного кольца с зарядом е,
вращающегося вокруг своей оси со скоростью 2с, где  - постоянная тонкой
структуры, а с – скорость света. Причем электростатическое поле такого
электрона сосредоточено в его же плоскости, т.е., он представляет собой
поперечную заряженную волну. В результате сечение взаимодействия между
такими электронами минимально. Такое состояние электрона можно наблюдать
в вакууме при движении его со скоростью относительно лабораторной системы
координат, меньшей 2с или при его движении в сверхпроводниках [9].
Диаметр такого электрона находится из эксперимента при «туннелировании»
электрона через вакуумный промежуток. Экспериментально установлено, что
туннельный эффект исчезает при расстоянии между электродами около 8 нм [8,
раздел 9.4 ; 10, с. ]. Этот исключительно важный экспериментальный факт
постоянно игнорируется. Будем считать, что радиус такого кольцевого
электрона связан с мировыми константами [9]:
r0 =  /(me2c)=7,2517 нм.
(4)
Предлагаемая теоретическая модель кольцевого электрона позволяет
описать с новых позиций большинство нестационарных и нелинейных
процессов, возникающих в конденсированной среде.
В определенных материалах можно искусственно создать условие
формирования кольцевого электрона с помощью внешних воздействий и/или с
помощью наноструктурирования среды. Тем самым создаются резонансные
4
5
условия работы квантовых супертранзисторов, позволяющие функционировать
им при нормальных температурах и выше.
За счет уменьшения сечения взаимодействия с ионами кристаллической
решетки диэлектрика возможно увеличить рабочую температуру квантового
супертранзистора до величины
Te  me 3 c 2 / 2k  1151.86 K
(878.710 C ) .
(5)
Этой температуре соответствует потенциал перехода электрона через
барьер Ue =0.09928В. При спаривании электронов с однонаправленными
спинами их энергия возрастает в два раза и т.д.
Если спариваются электроны с противоположными спинами, то энергия
связи за счет поворота в пространстве на  уменьшается до величины
T  Te /   366.65K
(93.50 C ) .
(6)
В зависимости от заданного режима работы температуры Te и T
являются
критическими
рабочими
температурами
квантовых
супертранзисторов.
Частота вращения электронного кольца будет определять предельную
рабочую частоту квантового супертранзистора
f e   2 c / 2r0  me ( 2 c) 2 / h  3.5037 1011 Hz
(7)
Предельно достижимая плотность тока в квантовом супертранзистора
je  ef e / r02  4eme3 8 c 4 / h 3  3.4 10 4 A / cm 2
(8)
Максимально допустимая напряженность поля, при котором начинает
происходить пробой в квантовом супертранзисторе
Ee  U e / r0  me2 5 c 3 / 2e  1.37 10 5 V / cm
(9)
Сопротивление материала будет определять токи утечки транзистора в
выключенном состоянии. Сопротивление можно вычислить в расчете на один
кластер следующим образом
Re  h / 2e 2  1.768 10 6 
(10)
При последовательном соединении таких кластеров сопротивление
возрастает прямо пропорционально и по существу не сказывается на токи
утечки транзистора, если напряженность поля меньше Ee и рабочая температура
ниже Te.
На основании этой модели стало возможным разработать совершенно
новый принцип работы и способы функционирования транзисторов с
наноструктурированным материалом в соответствии с приведенной ниже
формулой и описанием изобретения. В принципе можно создать любой дефект в
5
6
твердом материале, который будет неким резонатором для кольцевой волны с
радиусом r0 и эффективной добротностью 1/. Именно высокая добротность
резонатора определяет высокую рабочую температуру конденсатора.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Согласно одному из вариантов изобретения квантовый супертранзистор,
в дальнейшем транзистор, содержащий по крайней мере три электрода и
токопроводящий наноструктурированный материал, состоящий по крайней
мере из одного кластера и туннельно прозрачного промежутка, характеризуется
тем, что кластер имеет по меньшей мере один характерный размер,
определяемый из формулы:
r = ar0,
где r0 определяют как кольцевой радиус волны электрона согласно формуле:
r0  /(m e 2 c)  7.2517 nm ,
 - постоянная Планка, me – масса электрона,  = 1/137,036 – постоянная
где
тонкой структуры, с – скорость света, а – коэффициент, определяемый в
пределах 1  а  4, причем толщина туннельно прозрачного промежутка не
превышает r0, а расстояние между электродами превышает r0.
Кластер в таком транзисторе должен быть выполнен из материала,
выбранного из группы, состоящей из материалов-полупроводника, проводника,
сверхпроводника, высокомолекулярного органического материала (ВМОМ) или
их комбинации.
Кроме того, кластер может быть выполнен в виде полости, с оболочкой
из туннельно
прозрачного слоя, состоящего из полупроводника или
диэлектрика.
В ряде случаев кластер имеет центрально симметричную форму или
выполнен протяженным и имеет характерный поперечный размер,
определяемый по формуле d  b  r0 , где 2  b  4 .
Кроме того протяженный вдоль оси кластер может иметь регулярную
структуру с периодом, определяемым по формуле   b  r0 , где 1  b  4 .
Согласно дальнейшему развитию изобретения множество кластеров
могут располагаться регулярно, по меньшей мере, в одном слое, причем
промежутки между кластерами должны быть туннельно прозрачными и не
превышать r0 .
Кроме того, множество кластеров с туннельно прозрачными
промежутками могут располагаться регулярно в виде слоев. По меньшей мере, в
одном из слоев параметры кластеров должны отличатся от параметров
кластеров в соседних слоях, причем промежутки между кластерами должны
быть туннельно прозрачными и не превышать r0 .
Также множество кластеров могут выполненяться в виде полости с
оболочкой из туннельно прозрачного слоя и контактировать по крайней мере в
двух точках полости с соседними кластерами. Тогда они образуют
пеноподобный материал с открытыми порами, причем оболочка должна
выполняться из или полупроводники или из диэлектрика, или из ВМОМ, а поры
могут быть заполнены или газом, или полупроводником, или диэлектриком, с
отличными от материала оболочки свойствами.
В другом усовершенствовании по крайней мере к одному кластеру и/или
группе кластеров через туннельно прозрачный слой могут подключаться по
6
7
крайней мере три электрода, по крайней мере один из которых должен быть
управляющим.
Также по крайней мере к одному кластеру и/или группе кластеров
непосредственно могут подключаться по крайней мере два электрода через
туннельно прозрачный слой, и по крайней мере еще один дополнительный
управляющий электрод через диэлектрический слой.
Согласно другому варианту изобретения по крайней мере к одному
кластеру и/или группе кластеров непосредственно может быть подключено по
крайней мере три электрода, по крайней мере один из которых должен быть
управляющим.
Кроме того, по крайней мере к одному кластеру и/или группе кластеров
непосредственно можно подключить по крайней мере два электрода, и по
крайней мере еще один дополнительный управляющий электрод через
диэлектрический слой.
Для правильного функционирования транзистора в закрытом режиме
напряженность поля на один кластер в не должна превышать E  Emax ,где
Emax  me2 5 c 3 / 2e  1.37 10 5 V / cm , а напряженность поля в открытом режиме
не должна превышать E  4Emax .
Предельная рабочая плотность тока транзистора должна быть ограничена
величиной je  8eme3 8 c 4 / h 3  6.8 10 4 A / cm 2 .
Предельный коэффициент усиления транзистора будет определяться
величиной f e  me ( 2 c) 2 / h  3.5037 1011 Hz .
Примеры реализации этих устройств приведены ниже и изображены на
чертежах.
Перечень фигур, указанных на чертежах
Фиг.1 Квантовый супертранзистор с предельно минимальными
размерами.
Фиг. 2. Объемный квантовый супертранзистор, состоящий из
центральносимметричных кластеров.
Фиг. 3. Объемный квантовый супертранзистор, состоящий из
осесимметричных кластеров.
Фиг.4. Планарный квантовый супертранзистор.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображен один из вариантов квантового супертранзистора с
предельно минимальными размерами.
Здесь 1 – полость или кластер в транзисторе, который является
резонатором для электронов. Добротность такого резонатора равна 1/; 2 –
туннельно прозрачная оболочка кластера, 3 и 4 – электроды питания; 5 и 6 управляющие электроды. Полость в кластере 1 может быть заполнена
соответствующим материалом или газом для создания условий формирования
кольцевого резонансного
электрона. Туннельно прозрачная оболочка 2
разделяет кластеры между собой. Отметим, что кластер может быть
центральносимметричным. Главное, чтобы его полость обладала резонансными
свойствами для электрона.
7
8
Прибор является униполярным. Причем, если между 3 и 4 электродом
подать напряжение Ue =0.09928В, найденное из формулы (5), то из катода будет
эмиттирован электрон, который попадет в полость 1 и резонансно развернется в
кольцо. При увеличении напряжения до 2 Ue , в полость попадет второй
электрон и тоже резонансно развернется в кольцо. Совместно они образуют
достаточно устойчивую пару. При дальнейшем увеличении напряжения один из
электронов выйдет к аноду, а на его место придет новый электрон с катода. Тем
самым в цепи образуется импульсный ток. Важно, что при отключении питания
в кластере может остаться электронная пара, которая сохраняет информацию о
предыдущем состоянии транзистора. Это открывает возможность создания
электронной памяти сверхбольшой плотности упаковки порядка 28 Гбайт/см2.
Или создание всевозможных логических устройств с запоминанием
предыдущего состояния при выключении питания.
При подаче напряжения на управляющие электроды 5 или 6, режим
работы транзистора поменяется и электроны пойдут через управляющие
электроды. Тем самым первоначальная цепь 3-4 будет разорвана. Важно, что
эти транзисторы являются одноэлектронными и в них в принципе отсутствует
дробовой и фликер шумы. Такие транзисторы можно использовать в цифровых
интегральных схемах, которые имеют предельную рабочую частоту 350 ГГц и
предельную рабочую температуру 8780С. Фактически рабочая температура
близка к температуре деградации материала. Отметим, что реальная рабочая
температура может достигать порядка 3250С. При этих температурах
отсутствует диффузия материала электрода в кластер.
На фиг. 2 изображен объемный квантовый супертранзистор, состоящий
из центральносимметричных кластеров.
Здесь 7 и 8 – токопроводящие электроды питания; 9 – металлическая
сетка для управления током в транзисторе; 10 – центральносимметричные
кластеры.
На фиг. 3 изображен объемный квантовый супертранзистор, состоящий
из осесимметричных кластеров.
Здесь 11 и 12 – токопроводящие электроды питания; 13 – металлическая
сетка для управления током в транзисторе; 14 – осесимметричные кластеры.
По существу транзисторы на фиг.2 и фиг.3 работают по принципу
электронной лампы. При подаче положительных напряжений на сетку 9 или 13
относительно электродов 8 или 12 между этими электродами протекает ток.
Если на электроды 7 или 11 подано напряжение выше чем на сетке, то часть
тока ответвляется к электродам 7 или 11. Т.е., образуется режим аналогичный
режиму работы лампы с сеточным током. Если на сетку подано отрицательное
напряжение, то транзисторы переходят в режим работы, аналогичный режиму
работы лампы с отрицательным потенциалом на сетке. Если количество
кластеров в транзисторе достаточно большое, то выходные вольт-амперные
характеристики аналогичны вольт-амперным характеристикам ламп. Если
количество кластеров небольшое, то на выходной характеристике образуются
ступеньки. Предельные характеристики таких транзисторов определяются
уравнениями (8) и (9). Однако, частотные свойства транзисторов ухудшаться
пропорционально объему и количеству кластеров. В этом случае мы имеем
другой выигрыш – в мощности прибора и в рабочих напряжениях. Например,
один см3 такого материала может выдержать напряжение до 100 кВ. Это на
много превышает возможности полупроводниковых приборов.
На фиг. 4 изображен планарный квантовый супертранзистор,
8
9
Здесь на диэлектрической или полупроводниковой подложке 15 нанесен
слой кластеров 16; 17 и 18 - токопроводящие электроды питания; 19 – электрод
управления.
Этот прибор также является униполярным, но его удобно использовать в
интегральных схемах для увеличения быстродействия и рабочих температур.
Причем его конструкция и размер электродов могут быть взяты аналогично
применяемым сейчас полевым транзисторам, с существующим уровнем
литографического разрешения – порядка 100 нм. Такой транзистор будет
обладать меньшей потребляемой мощностью по сравнению с полевыми
транзисторами.
Примеры осуществления изобретения
Заявляемое изобретение открывает возможность создания транзисторов
с максимально возможной рабочей температурой, мощностью и
быстродействием с предельно возможной рабочей частотой.
Эти параметры определяют коммерческую реализуемость транзисторов.
Однако, встает вопрос, можно ли использовать существующие в настоящее
время технологии для производства предлагаемых транзисторов и будут ли они
рентабельны при массовом производстве таких приборов.
Рассмотрим возможности технической реализации.
Покажем, что
создание предлагаемых наноструктурированных материалов для транзисторов в
виде кластеров, разделенных туннельно прозрачными промежутками вполне
осуществимо на современной технологической базе.
Формирование сферических и сфероподобных частиц возможно двумя
способами [11]. Первый способ - из газовой фазы формируются металлические
или полупроводниковые кластеры диаметром до 37 нм с последующим их
окислением в потоке кислорода или подобных химических реагентов.
Образование таких частиц аналогично образованию градин в атмосфере Земли.
Второй способ - коллоидный. Он основан на осаждении кластеров из растворов
солей металлов с последующим их химическим покрытием соответствующими
оболочками.
Наноразмерные полые сферы из диоксида циркония автоматически
получаются в процессе высокочастотной плазмо-химической денитрации, и их
можно наносить на подложку непосредственно из плазмы [12]. Частицы 4-15 нм
автоматически получаются в материале Mo2N [13].
Создание планарных вертикальных наноканалов основано на
коллективных
способах
формирования.
Например,
по
технологии
электрохимического окисления Al, Ta, Nb, Hf и др. Образовавшийся канал
можно заполнить гальваническим способом металлом или полупроводником
[14].
В настоящее время интенсивно исследуется новый класс полых
цилиндрических нанокластеров на основе углерода – нанотрубочек. Эти
нанотрубочки выращиваются из газовой фазы. Диаметр и длина таких
нанотрубочек регулируется параметрами исходной плазмы. Изменяя режимы
выращивания можно получить нанотрубочки с резонансными свойствами для
электронов. На подложках нанотрубочки конденсируются произвольным в
пространстве образом и не создают регулярных структур. Поэтому их сложно
использовать в производстве больших транзисторов, но можно использовать в
производстве однокластерных транзисторов, например, для приемников в
мобильных телефонах [15].
9
10
Приведенные примеры показывают, что существующие в настоящее
время способы позволяют создавать наноструктурированные материалы для
квантовых супертранзисторов на основе существующих в настоящее время
технологиях.
Кроме того, в микроэлектронике существуют отработанные способы
создания сверхбольших интегральных схем а кремнии. Для уменьшения
потребляемой мощности и увеличения быстродействия можно применять
наноструктурированный материал для создания сверхбыстродействующих
транзисторов. Его можно непосредственно наносить из газовой фазы через
вскрытые окна маски. В этом случае можно на той же поверхности кремния
получить большее количество транзисторов и меньшее энергопотребление.
При этом важно, что эта технология совместима со стандартной кремниевой
технологией и расширяет ее возможности. При дальнейшем увеличении
разрешающей способности литографии до 30 нм кремниевая технология
перейдет в технологию наноструктурированных материалов. Сам кремний
будет использоваться в качестве подложек и, возможно, в качестве материалов
для создания буферных усилителей мощности.
Литература
1. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. М. Наука.1986, 368 с.
2. Лихарев К.К. О возможности создания аналоговых и цифровых
интегральных схем на основе эффекта дискретного одноэлектронного
туннелирования. Микроэлектроника. Том 16, вып.3. 1987, с.195-209.
3. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение. М. Мир. 1977
4. Патент США №.5731598
5. Патент США №5420746
6. Патент США №5677637
7. Патенты США №№5075736; 5166615; 5258625; 5323344; 5357548; 5401980;
5422496; 5426311; 5504366; 5540977; 5559328; 5559343;5581091; 5619035;
5629231; 5646559; 5694059; 5677637; 5714766; 5731717;5742071; 5754077;
5877511; 5937295; 5963471.
8. S.M. Sze. Physics of Semiconductor Devices. A Wiley-Interscience Publication
John Wiley&Sons. New York... 1981 [Русск. перевод. С. Зи. Физика
полупроводниковых приборов. М. Мир. 1984. В 2 томах]
9. Заявке PCT BY –99/00012 «Quantum-Size Electronic Devices and Operating
Conditions Thereof» (International Publication Number: WO 00/41247,
13.07.2000)
10.Бузанева Е.В. Микроструктуры интегральной электроники. М. Радио. 1990.
[Buzaneva E.V. Microstructures of integral electronics. M. Radio. 1990.]
11.Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. М.Наука.1986, 368 с.
12.Дедов Н.В. и др. Структурные исследования порошков на основе диоксида
циркония, полученных методом ВЧ - плазмохимической денитрации. Стекло
и керамика. 1991. №10, с.17-19.
13.J. Phys. Chem. 18. №15. 1994. P. 4083.
14.Аверьянов Е.Е. Справочник по анодированию. М. Машиностроение 1988.
15.Нанотрубочки
10
11
Формула изобритения
1. Квантовый супертранзистор, в дальнейшем транзистор, содержащий по
крайней мере три электрода и токопроводящий наноструктурированный
материал, состоящий по крайней мере из одного кластера и туннельно
прозрачного промежутка, отличающийся тем, что кластер имеет по меньшей
мере один характерный поперечный размер, определяемый в интервале:
7.2517nm  r  29.0068nm
причем толщина туннельно прозрачного промежутка не превышает
7.2517nm, а расстояние между электродами превышает 7.2517nm.
2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что кластер выполнен из материала,
выбранного из группы, состоящей из материалов-полупроводника,
проводника, сверхпроводника, высокомолекулярного органического
материала (ВМОМ) или их комбинации.
3. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что кластер выполнен в виде
полости, с оболочкой из туннельно прозрачного слоя, состоящего из
полупроводника или диэлектрика.
4. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что кластер имеет центрально
симметричную форму.
5. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что кластер выполнен протяженным
и имеет характерный поперечный размер, определяемый в интервале
14.5034nm  r  29.0068nm
6. Транзистор по п.5, отличающийся тем, что кластер выполнен протяженным
вдоль оси и имеет регулярную структуру с периодом, определяемым в
интервале
7.2517nm  r  29.0068nm
7. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что множество кластеров
расположено регулярно, по меньшей мере, в одном слое, причем
промежутки между кластерами являются туннельно прозрачными и не
превышают 7.2517nm.
8. Транзистор по п.п.1-7, отличающийся тем, что по меньшей мере один из
электродов транзистора выполнены из проводящего материала с
различными электрофизическими свойствами.
9. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что множество кластеров с туннельно
прозрачными промежутками расположены регулярно в виде слоев, по
меньшей мере, в одном из слоев параметры кластеров отличаются от
параметров кластеров в соседних слоях, причем промежутки между
кластерами являются туннельно прозрачными и не превышают 7.2517nm.
10. Транзистор по п.1, отличающийся тем, отличающийся тем, что множество
кластеров, выполненных в виде полостей с оболочками из туннельно
прозрачного слоя, сообщаются по меньшей мере в с одной из полостей
соседних кластеров, образуя пеноподобный материал с открытыми порами,
причем оболочка выполнена из или полупроводники или из диэлектрика,
или из ВМОМ, а поры заполнены или газом, или полупроводником, или
диэлектриком, с отличными от материала оболочки электрическими
свойствами.
11
12
11. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере к одному
кластеру и/или группе кластеров непосредственно подключено по крайней
мере два электрода через туннельно прозрачный слой, и по крайней мере
еще один дополнительный управляющий электрод через диэлектрический
слой
12. Транзистор по п.9, отличающийся тем, что по крайней мере к одному
кластеру и/или группе кластеров подключено по крайней мере три
электрода, по крайней мере один из которых является управляющим.
13. Транзистор по п.9, отличающийся тем, что по крайней мере к одному
кластеру и/или группе кластеров подключено по крайней мере два
электрода, и по крайней мере еще один дополнительный управляющий
электрод через диэлектрический слой.
14. Способ работы транзистора по п.п. 1-12, включающий приложение
электрического поля в рабочем диапазоне напряженностей, отличающийся
тем, что напряженность поля на один кластер в закрытом состоянии не
должна превышать
E  Emax ,
где Emax  me2 5c3 / 2e  1.37 105 V / cm , а напряженность поля в открытом
состоянии не должна превышать
E  4Emax =5.48*105 V/cm
15. Способ работы транзистора по п.п. 1-13, включающий ограничение
предельных рабочих плотностей тока транзистора величиной
je  8eme3 8 c 4 / h 3  6.8 10 4 A / cm 2 .
12
13
Рисунки
13
Скачать