CN108346740B - 基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，包括两个自激励单电子自旋电磁晶体管，两个自激励单电子自旋电磁晶体管共接直流栅极电压源Vg，共接源极和漏极，组成一对称的环状电路，环状电路的一端与负载电阻R、电容C、漏电压Vp连接，另一端为输出端，在栅极电压Vg超过阈值时，输出漏电流随输入的漏电压Vp呈现谐振变化，形成顺时针和逆时针循环环路电流，在输出端两个晶体管的漏极形成干涉电流。本发明证实在栅极电压的阈值超过后，基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管的源漏电压与漏电流的关系呈现干涉现象。
Description
技术领域
本发明属于量子科学与技术领域，涉及量子干涉器件，具体地指一种基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管。
背景技术
自从1911年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)等人发现接近绝对零度的低温下个别金属呈现电阻为零和电压为零的超导现象以来，人类对于超导体的研究取得了瞩目成就，最重要的发现是1962年英国物理学家Josephson，BrianDavid发现后来以其名字命名的Josephson结。约瑟夫森计算了超导结的隧道效应并得出结论：如果两个超导体距离足够近，电子对可以通过超导体之间的极薄绝缘层形成超导电流，而超导结上并不出现电压；如果超导结上加有电压，可产生高频超导电流。约瑟夫森由于预言隧道超导电流而获得1973年度诺贝尔物理学奖。利用Josephson结发明了超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device system，squids)。如今，在各行各业的高精度磁场测试设备中都配备了squids。这一设备是灵敏度极高磁感应强度的测试器件。但它运行条件苛刻，就是在低温下运行，尽管现在有人采用高温超导体，但也是停留在液氮温区。这给在室温下需要运行量子干涉器件测试磁场强度带来了困难，发现和制造新的能够应用于室温下测试磁场现象的器件成为必要。
利用Josephson结建立超导弱连接，制造灵敏的电子测量装置，一直是活跃课题。Squids按照结构或工作方式可分为两种：即直流超导量子干涉仪，简称dc-squid，器件含有两个Josephson结的超导环；另一种是工作在射频10MHz～100GHz范围的单Josephson结的超导环，它配置一个与之耦合的射频谐振电路，称为射频超导量子干涉仪，简称rf-sqiuds。超导量子干涉仪是极为灵敏的磁通电压转换器。当外部磁通穿过squid环时，squid的状态就会变化，通过电子线路将这些磁通的变化转化为电压信号输出，从而检测出外部磁通的变化。它的灵敏度是自旋量子干涉晶体管之外的最灵敏磁通检测技术。尽管采用高温超导体制作squid实现了液氮温区的检测技术，由于高温超导体并不稳定，且制造工艺复杂，设备运行仍然显得笨拙和成本昂贵，发展室温下自旋量子干涉晶体管成为亟需。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，以纳米碳化硅薄膜和纳米线碳化硅材料的多型异质结构造晶体管，出现了室温下量子干涉现象，构造基于自旋晶体管的量子干涉器件。
为达到上述目的，本发明提及的一种基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，包括两个自激励单电子自旋电磁晶体管，所述两个自激励单电子自旋电磁晶体管共接直流栅极电压源Vg，共接源极和漏极，一个自激励单电子自旋电磁晶体管的源极、漏极与第一源漏极电压Vds1连接，另一个自激励单电子自旋电磁晶体管的源极、漏极与第二源漏极电压Vds2连接，组成一对称的环状电路，所述环状电路的一端与负载电阻R、电容C、漏电压Vp连接，另一端为输出端，在栅极电压Vg超过阈值时，输出漏电流随输入的漏电压Vp呈现谐振变化，形成顺时针和逆时针循环环路电流，在输出端两个晶体管的漏极形成干涉电流。
进一步地，所述自激励单电子自旋电磁晶体管包括衬底，所述衬底上设置有纳米碳化硅薄膜结构、源极、漏极、栅极，其特殊之处在于，所述纳米碳化硅薄膜结构由层状纳米碳化硅单晶体薄膜互嵌构成，所述纳米碳化硅薄膜结构的两端分别与源极和漏极接触，形成源漏极有源区，所述纳米碳化硅薄膜结构的上部依次设置有绝缘层、接触金属层，所述栅极从接触金属层引出。
进一步地，所述纳米碳化硅薄膜结构为多型纳米碳化硅单晶体构成，形成多型层互嵌结构。
更进一步地，所述纳米碳化硅薄膜结构的中间层为纯净碳化硅单晶体薄膜，其他层为轻掺杂碳化硅单晶体薄膜。
更进一步地，所述纳米碳化硅单晶体包括4H、6H、3C、15R、准晶态碳化硅中一种或多种。
更进一步地，所述纳米碳化硅薄膜结构中每一层纳米碳化硅单晶体薄膜的厚度为1～100nm。
更进一步地，所述纳米碳化硅薄膜结构的中间层为4H-SiC薄膜，一端置于一层6H-SiC薄膜端部的上方，另一端置于另一层6H-SiC薄膜端部的下方。
更进一步地，所述纳米碳化硅单晶体薄膜为P型掺杂或者N型掺杂的，分别构成纳米线异质结。
本发明通过设置由层状纳米碳化硅单晶体薄膜互嵌构成的纳米碳化硅薄膜结构形成的纳米线或带，作为晶体管有源区，源漏极用Pd作为接触金属，形成肖特基势垒，其中出现隧穿。在室温下，对一个晶体管回路环路进行Ramsey干涉实验测试，得出了其相干时间超过150ms，对另外一个晶体管回路进行Rabi谐振测试，其相干时间为156ms，证实在栅极电压的阈值超过后，本发明基于自激励单电子自旋电磁晶体管的源漏电压与漏电流的关系呈现干涉现象。
附图说明
图1为自激励单电子自旋电磁晶体管的结构示意图。
图2为图1中自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管的直流电路图。
图3为自激励单电子自旋电磁晶体管的Ramsey干涉实验测试结果示意图。
图4为自激励单电子自旋电磁晶体管的Rabi谐振测试结果示意图。
图中，衬底1，纳米碳化硅薄膜结构2，纳米碳化硅单晶体薄膜2-1，源极3，漏极4，绝缘层5，接触金属层6，栅极7。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明提出的一种基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，包括两个自激励单电子自旋电磁晶体管，所述两个自激励单电子自旋电磁晶体管共接直流栅极电压源Vg，共接源极和漏极，一个自激励单电子自旋电磁晶体管的源极、漏极与第一源漏极电压Vds1连接，另一个自激励单电子自旋电磁晶体管的源极、漏极与第二源漏极电压Vds2连接，组成一对称的环状电路，所述环状电路的一端与负载电阻R、电容C、漏电压Vp连接，另一端为输出端，在栅极电压Vg超过阈值时，输出漏电流随输入的漏电压Vp呈现谐振变化，形成顺时针和逆时针循环环路电流，在输出端两个晶体管的漏极形成干涉电流。自激励单电子自旋电磁晶体管栅极电压Vg的阈值以上的有效区间内以及源漏极电压Vds1、Vds2的有效区间内运行，以维持晶体管源漏极自旋电子电流的干涉。
其中，两个自激励单电子自旋电磁晶体管的结构为：包括衬底1，衬底1上设置有纳米碳化硅薄膜结构2、源极3、漏极4和栅极7。纳米碳化硅薄膜结构2的两端分别与源极3和漏极4接触，形成源漏极有源区。纳米碳化硅薄膜结构2由层状纳米碳化硅单晶体薄膜2-1互嵌构成。纳米碳化硅薄膜结构2的上部依次设置有绝缘层5、接触金属层6，栅极7从接触金属层6引出。
纳米碳化硅薄膜结构2为多型纳米碳化硅单晶体构成，纳米碳化硅单晶体包括4H、6H、3C、15R、准晶态碳化硅中一种或多种。一种或者多种纳米碳化硅单晶体相互叠加，形成多型层互嵌结构。每一层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1的厚度为1～100nm。中间层为纯净碳化硅单晶体薄膜，其他层为轻掺杂碳化硅单晶体薄膜。纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为P型掺杂或者N型掺杂的，分别构成纳米线异质结。
纳米碳化硅薄膜结构2的实施方式有多种，以下列举其中几种实施方式。1)纳米碳化硅薄膜结构2为三层结构，第一层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1、第三层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为6H-SiC薄膜，并进行重掺杂工艺处理，第二层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为纯净的4H-SiC碳化硅薄膜。2)纳米碳化硅薄膜结构2为三层结构，第一层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1、第三层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为4H-SiC薄膜，并进行轻掺杂工艺处理，第二层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为纯净的15R碳化硅薄膜。3)纳米碳化硅薄膜结构2为三层结构，第一层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1、第三层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为4H-SiC薄膜，并进行轻掺杂工艺处理，第二层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为纯净的3C碳化硅薄膜。4)纳米碳化硅薄膜结构2为三层结构，第一层、第二层、第三层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1均为3C薄膜，其中第一层、第三层掺杂P、N元素，形成N型掺杂，第二层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为纯净的3C碳化硅纯净半导体薄膜。5)纳米碳化硅薄膜结构2为三层结构，第二层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为掺杂B元素的准晶态薄膜，第一层碳化硅单晶体薄膜2-1、第三层纳米碳化硅单晶体薄膜2-1为3C碳化硅薄膜，轻掺杂B元素，形成P型掺杂。
采用自激励自旋单电子电磁晶体管构造量子干涉晶体管时：首先确定所测试信号的能量和功率具体参数范围，选择晶体管的栅极电容、源漏极电感，或者说源极和漏极和纳米线碳化硅构成的电感的参数。其它无源元件如电阻、电容和电感取相应的值，将其制备在一块衬底上。这样形成的晶体管谐振回路，在栅极电压脉冲下，随源漏电压变化，源漏电流脉冲，形成的电流具有谐波振荡特点，因此在中间的晶体管环路中形成谐振电流感应，从而在接受了谐振回路的能量时，受外磁场扰动，形成了新的感应反馈回右边的晶体管谐振回路，即储能槽，取出其电压或磁场信号，通过高频放大、检波后，获得被测磁场的电压信号。锁定回路将输出信号反馈到谐振回路上，从而在rf-squit内产生补偿磁场，构成锁定式。此时输出电压与外磁通成线性关系，从而可以更加准确地进行磁场测量。
在同一块SOI衬底1上，同时制备同样的相隔500nm两个晶体管模块，把源漏极使用同一电源，同样栅极接相近的栅极电压，结成回路，见图2。两个自激励自旋单电子电磁晶体管，共直流栅极电压源Vg，共源极和漏极，组成一对称的环状电路，俗称自激励自旋单电子电磁晶体管环路，在其栅极电压Vg超过阈值时，并保持在一定范围内，其输出漏电流随输入的漏电压呈现谐振变化，形成顺时针和逆时针循环环路电流，在输出端，即两个晶体管的漏极端形成干涉电流。
纳米碳化硅薄膜结构2形成的纳米线或带，作为晶体管有源区。源漏极用Pd作为接触金属，形成肖特基势垒，其中出现隧穿。在室温下，先把其中一个接通Vds，施加栅极电压Vg，其I-V曲线与上述单独的一个晶体管一样的I-V。依次测试另外一个。出现同样的现象。在室温下，现在测试两个晶体管的I-V特性。在施加同样或接近的栅极电压，在同样或接近的源漏极电压下，测试两个晶体管的源漏极I-V特性，出现干涉现象。形成干涉等幅振荡电流。在相同的源漏极电压下出现干涉。若在此基础上，引入一个磁场H，穿过晶体管环。随着磁感应强度B的增长，电流出现与施加电压一致的干涉现象。
在施加源漏极电压后，在栅电压一定阈值后，测试I-V特性出现顺时针和逆时针的循环电流。这是紫萱电流。制备同样的两个晶体管，把源漏极使用同一电源，同样加入接近的栅极电压，测试源漏极I-V特性，出现干涉现象。形成等幅振荡电流。
当自激励自旋单电子电磁场效应晶体管在栅电压超过阈值时，其源漏极I-V特性为：
以纳米碳化硅薄膜结构2为6H-SiC/4H-SiC/6H-SiC结构为例，考虑每次有1/2电子穿过多型互嵌的纳米线，源漏极之间有源区纳米碳化硅线由两个掺杂n型杂质的多型6H-SiC晶体之间所嵌入其中的低掺杂或纯净4H-SiC多型晶体的自旋电子电流，4H-SiC与两侧的6H-SiC之间的的宏观量子位相差有如下关系:
式中，I为自旋电子电流，Ic为临界自旋电子电流，
为两块6H-SiC之间的宏观量子位相差。
当栅极电压超过阈值Vg时，源漏极施加电压Vds,其相位差与极间电压Vds和栅极电压Vg之间的关系为：需说明e、
存在外加磁场H时，
其中
是势垒两侧(结两端)的自旋对照晶体管的量子波函数相位差，其中d为纳米线中4H-SiC多型的长度，H为外界磁场。λwire为磁场刺过6H-SiC的宽度；c为光速，
碳化硅介质的光速。n为自旋电子对密度，t为时间。
在无回归迟滞模式下工作的rf-squid，通过超导环的总磁通Φ随外加磁通Φe单调非线性增加，dΦ/dΦe呈周期性变化，周期为一个量子磁通Φ0。全磁通方程为：
Φ＝Φe-LsIcsin(2πΦ/Φ0)
该方程存在解析解：
上式中，Mn(βL)用第一类贝塞尔函数Jn(x)表示为：
其电流为：
I＝ICsin[(2π/Φ0)(Φdc+Φrf sin(ωrft))] 2πLIC<<Φ0
Z为谐振回路的阻抗，M＝k(LSLT)1/2是squid环和谐振回路的互感。
Z＝RT+i[ωrf(LT-M2/LS)-1/ωrfCT]
其谐振回路电压与IC的关系为
所以，磁通电压转换为VΦ
k为squit与谐振回路的耦合系数，Q为谐振回路的品质因数，βL为rf-squit的电感参量，ωrf为rf-squit的工作频率，容易看出，测量的电压信号随k2QβLωrfLT增大而增大，与M成反比，相应squid的灵敏度越高。
在室温下，对50个样品的其中一个晶体管回路环路进行Ramsey干涉实验测试，得出了其相干时间超过150ms，如图3所示。对50个样品的另外一个晶体管回路进行Rabi谐振测试，其相干时间为156ms，如图4所示。这些结果是对50个样品，进行测试后，挑选的两个样品的结果显示于此。
测试结果表明，在栅极电压的阈值超过后，源漏电压与漏电流的关系呈现干涉现象。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，其特征在于：包括两个自激励单电子自旋电磁晶体管，所述两个自激励单电子自旋电磁晶体管共接直流栅极电压源Vg，共接源极和漏极，一个自激励单电子自旋电磁晶体管的源极、漏极与第一源漏极电压Vds1连接，另一个自激励单电子自旋电磁晶体管的源极、漏极与第二源漏极电压Vds2连接，组成一对称的环状电路，所述环状电路的一端与负载电阻R、电容C、漏电压Vp连接，另一端为输出端，在栅极电压Vg超过阈值时，输出漏电流随输入的漏电压Vp呈现谐振变化，形成一个周期的半周期顺时针和另半周期逆时针循环环路电流，在输出端两个晶体管的漏极形成干涉电流。
2.根据权利要求1所述的基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，其特征在于：所述自激励单电子自旋电磁晶体管包括衬底(1)，所述衬底(1)上设置有纳米碳化硅薄膜结构(2)、源极(3)、漏极(4)、栅极(7)，所述纳米碳化硅薄膜结构(2)由层状纳米碳化硅单晶体薄膜(2-1)互嵌构成，所述纳米碳化硅薄膜结构(2)的两端分别与源极(3)和漏极(4)接触，形成源漏极有源区，所述纳米碳化硅薄膜结构(2)的上部依次设置有绝缘层(5)、接触金属层(6)，所述栅极(7)从接触金属层(6)引出。
3.根据权利要求2所述的基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，其特征在于：所述纳米碳化硅薄膜结构(2)为多型纳米碳化硅单晶体构成，形成多型层互嵌结构。
4.根据权利要求2所述的基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，其特征在于：所述纳米碳化硅薄膜结构(2)的中间层为纯净碳化硅单晶体薄膜，其他层为轻掺杂碳化硅单晶体薄膜。
5.根据权利要求2所述的基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，其特征在于：所述纳米碳化硅单晶体包括4H、6H、3C、15R中一种或多种。
6.根据权利要求2所述的基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，其特征在于：所述纳米碳化硅薄膜结构(2)中每一层纳米碳化硅单晶体薄膜(2-1)的厚度为1～100nm。
7.根据权利要求2所述的基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，其特征在于：所述纳米碳化硅薄膜结构(2)的中间层为4H-SiC薄膜，一端置于一层6H-SiC薄膜端部的上方，另一端置于另一层6H-SiC薄膜端部的下方。
8.根据权利要求7所述的基于自激励单电子自旋电磁晶体管的量子干涉晶体管，其特征在于：所述纳米碳化硅单晶体薄膜(2-1)为P型掺杂或者N型掺杂的，分别构成纳米线异质结。
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| CN (1) | CN108346740B (zh) |
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2018
- 2018-01-23 CN CN201810064170.4A patent/CN108346740B/zh active Active
Patent Citations (6)
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| 纳米线多型异质结碳化硅室温单电子晶体管研究;张洪涛 等;《固体电子学研究与进展》;南京电子器件研究所;20131031;第33卷(第5期);全文 * |
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| CN108346740A (zh) | 2018-07-31 |
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