DE102014222185B4

DE102014222185B4 - Quanteninterferenzbasierte Logikvorrichtungen, die einen Elektronen-Monochromator umfassen

Info

Publication number: DE102014222185B4
Application number: DE102014222185.4A
Authority: DE
Inventors: Borna J. Obradovic; c/o Samsung Semiconductor In Bowen Robert C.
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: US9112130B2; TWI640094B; US20150123701A1; TW201519444A; KR20150051169A; DE102014222185A1; KR102181082B1

Abstract

Logikvorrichtung (100), umfassend:einen Elektronen-Monochromator (110; 110A), der einen Quantenpunkt (240) umfasst, der zwischen einer ersten und einer zweiten Tunnelbarriere (230; 250) angeordnet ist, einen Emitter (220), der an die erste Tunnelbarriere (230) gekoppelt ist, und einen Kollektor (260), der an die zweite Tunnelbarriere (250) gekoppelt ist; undeine Quanteninterferenzvorrichtung (120), die eine Source umfasst, die an den Kollektor (260) des Elektronen-Monochromators (110; 110A) gekoppelt ist.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Quanteninterferenzvorrichtungen und insbesondere Quanteninterferenzvorrichtungen, die kombinatorische Logik bereitstellen.
HINTERGRUND
Quanteninterferenzvorrichtungen (QIDs) können als Alternative zu thermionisch-injizierten FETs, als Mittel zur Implementierung von niederenergetischer high-performance kombinatorischer Logik genutzt werden. Das Funktionsprinzip einer QID ist analog zu dem optischen Mach-Zender-Interferometer. Zum Beispiel kann eine QID durch Aufteilen einer Elektronenwelle in zwei Arme und erneutes Zusammenfügen dieser Arme an dem Ausgang funktionieren. Die Wellenlänge der Elektronen in einem oder beiden der Arme kann durch eine Gate-Elektrode moduliert werden. Durch Modulation der Wellenlängen kann konstruktive oder destruktive Interferenz am Ausgang erreicht werden. Für eine optimale Interferenz sollte die Energie der Elektronen, die in die QID eintreten, einheitlich sein.
Quanteninterferenzvorrichtungen werden ebenfalls diskutiert, beispielsweise in den Druckschriften US 5 130 766 A , US 5 497 015 A , US 7 786 472 B2 , EP 0 381 591 A1 und EP 0 493 258 B1 .
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einigen Ausführungsformen der erfinderischen Idee, wird eine Logikvorrichtung erbracht. Die Logikvorrichtung kann einen Elektronen-Monochromator umfassen. Der Elektronen-Monochromator kann einen Quantenpunkt umfassen, der zwischen einer ersten und einer zweiten Tunnelbarriere angeordnet ist, einen Emitter, der an die erste Tunnelbarriere gekoppelt ist, und einen Kollektor, der an die zweite Tunnelbarriere gekoppelt ist. Die Logikvorrichtung kann auch eine Quanteninterferenzvorrichtung umfassen. Die Quanteninterferenzvorrichtung kann eine Quelle umfassen, die an den Kollektor des Elektronen-Monochromators gekoppelt ist.
Aus der US 7 566 897 B2 ist Quanteninterferenztransistor bekannt, der einen Source-Bereich zum Emittieren von Elektronenwellen in ein Vakuum, einen Drain-Bereich zum Sammeln der Elektronenwellen, eine sich wiederholende Nanostruktur in einem Bereich zwischen den Source- und Drain-Bereichen zum Einführen einer konstanten Phasenverschiebung zwischen mehreren Elektronenwellen, und ein Gate zum Steuern der durch die Nanostruktur eingeführten Phasenverschiebung umfasst. Die sich wiederholende Nanostruktur weist ein scharf definiertes geometrisches Muster oder Einkerbungen mit einer Abmessung auf, die De-Broglie-Wellen-Interferenz erzeugt.
Aus der US 2012 / 0 248 413 A1 ist eine resonante Tunneleinrichtung bekannt, die ein erstes Halbleitermaterial mit einer ersten Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsbändern sowie ein zweites Halbleitermaterial mit einer zweiten Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsbändern aufweist, die voneinander verschieden sind. Die Einrichtung weist des Weiteren eine energieselektiv übertragende Grenzfläche auf, welche die ersten und zweiten Halbleitermaterialien verbindet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Logikvorrichtungen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Hauptansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Größe des Quantenpunkts kann in mehr als einer Dimension eingeschränkt sein, um einen einzelnen gebundenen Zustand bereitzustellen. Die Größe des Quantenpunkts kann in allen Raumdimensionen so eingeschränkt werden, um einen einzelnen gebundenen Zustand zu erbringen.
Der Elektronen-Monochromator kann eine Nanodrahtstruktur umfassen.
Der Elektronen-Monochromator und die Quanteninterferenzvorrichtung können Halbleitermaterialien umfassen. Der Elektronen-Monochromator kann eine vertikale III-V-Resonanztunneldiode umfassen. Das Halbleitermaterial des Elektronen-Monochromators kann gitterangepasst zu dem Halbleitermaterial der Quanteninterferenzvorrichtung sein. Der Quantenpunkt und die Quanteninterferenzvorrichtung können jeweils InAs umfassen und die Tunnelbarrieren können AlSb umfassen. Der Quantenpunkt und die Quanteninterferenzvorrichtung können jeweils InSb umfassen. Die Tunnelbarrieren können CdTe umfassen. Der Emitter, der Quantenpunkt, der Kollektor und die Quanteninterferenzvorrichtung können jeweils ein erstes Halbleitermaterial umfassen. Die erste und zweite Barriere können jeweils ein zweites Halbleitermaterial umfassen. Der Elektronen-Monochromator und die Quanteninterferenzvorrichtung können jeweils Hochmobilitäts-Halbleitermaterialien umfassen. Eine Streulänge des Hochmobilitäts-Halbleitermaterials des Elektronen-Monochromators kann gleich oder länger sein, als eine Länge der Quanteninterferenzvorrichtung.
Der Elektronen-Monochromator kann ein Graphenband aufweisen. Die erste und zweite Barriere können Spalte umfassen, die aus dem Graphenband geätzt sind. Der Quantenpunkt kann eine Insel von Graphen zwischen den Spalten enthalten. Die Quanteninterferenzvorrichtung kann Graphenbänder umfassen.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung wird eine Logikvorrichtung erbracht. Die Logikvorrichtung kann einen Elektronen-Monochromator umfassen. Der Elektronen-Monochromator kann einen Quantenpunkt umfassen, der zwischen zwei Tunnelbarrieren angeordnet ist. Der Elektronen-Monochromator kann so konfiguriert sein, um eine Vorwärts-Vorspannung zu empfangen und einen Schmalbandelektronenstrom zu liefern. Die Logikvorrichtung kann eine Quanteninterferenzvorrichtung umfassen, die dazu ausgelegt ist, den Schmalbandelektronenstrom zu empfangen, und eine Logikausgabe zu liefern, die auf einer oder mehreren Logikeingaben beruht.
Die Vorwärts-Vorspannung kann einen Eingangsstrom durch den Elektronen-Monochromator erzeugen. Eine Ausbreitungselektronenverteilung des Stroms kann auf einen reduzierten Bereich von Energieniveaus eingeschränkt werden, um den Schmalband-Elektronen-Ausgangsstrom zu liefern. In einigen Ausführungsformen ist die Ausbreitungselektronenverteilung des Eingangsstroms auf innerhalb von etwa 5meV reduziert. In einigen Ausführungsformen ist die Ausbreitungselektronenverteilung des Eingangsstroms auf innerhalb von etwa 1meV reduziert.
Die Größe des Quantenpunkts kann in mehr als einer Raumdimension eingeschränkt sein, um einen einzelnen gebundenen Zustand bereitzustellen. Die Größe des Quantenpunkts kann in allen Raumdimensionen so eingeschränkt werden, um einen einzelnen gebundenen Zustand zu erbringen.
Der Elektronen-Monochromator kann einen schmalen Schmalbandelektronenstrom bei Temperaturen von oder oberhalb von 21 °C (70 °F) bereitstellen.
Die Quanteninterferenzvorrichtung kann die Logikausgabe bereitstellen durch Teilen des Schmalbandelektronenstroms in eine Vielzahl von Strompfade, selektives Modulieren eines oder mehrerer der Vielzahl von Strompfaden, basierend auf der einen oder den mehreren Logikeingaben, und Rekombinieren der Vielzahl von Strompfaden, um konstruktive oder dekonstruktive Interferenz zu erzielen. Die Quanteninterferenzvorrichtung kann in einen Zustand niedrigen Widerstands eingestellt werden, basierend auf konstruktiver Interferenz oder in einen Zustand hohen Widerstands eingestellt werden, basierend auf destruktiver Interferenz.
Die Quanteninterferenzvorrichtung kann einen vollständigen kombinatorischen Logikblock erbringen.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu schaffen, und sind in die Beschreibung einbezogen und bilden einen Teil dieser Beschreibung. Die Zeichnungen veranschaulichen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erläutern.

1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Logikvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen in 1 gezeigten Elektronen-Monochromator, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
3A ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Energie eines Elektrons und Position innerhalb des Elektronen-Monochromators aus 1, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
3B ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Energie eines Elektrons und eines Transmissionskoeffizienten des Elektronen-Monochromators aus 1, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
4 ist eine Draufsicht, die schematisch einen in 1 gezeigten Elektronen-Monochromator, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine in 1 gezeigte Quanteninterferenzvorrichtung, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung zeigt; und
6 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Vor-Ladungsschaltung aus 1, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen werden im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die erfinderische Idee kann jedoch durch vielerlei verschiedene Formen verkörpert werden und sollte nicht als beschränkend, auf nur die veranschaulichten Ausführungsformen ausgelegt werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen geliefert, so dass diese Offenbarung sorgfältig und vollständig sein wird, und dass Konzept der beispielhaften Ausführungsformen vollständig an den Fachmann vermittelt wird. Wenn nicht anders beschrieben, bezeichnen in den angehängten Zeichnungen und der geschriebenen Beschreibung durchgehend gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente, und folglich werden Beschreibungen nicht wiederholt.
Das hierin benutzte Fachvokabular hat nur den Zweck bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und ist nicht dazu gedacht, die beispielhaften Ideen einzuschränken. Die hierin benutzten Singularformen „ein(e)“ und „der/die/das“, sind so auszulegen, dass sie ebenso die Pluralformen beinhalten, es sei denn, der Kontext deutet dies eindeutig nicht an. Der hierin benutzte Begriff „und/oder“ beinhaltet jede Kombination von einem oder mehreren der dazugehörigen, aufgelisteten Gegenstände. Es versteht sich, dass wenn ein Element als „verbunden mit“, oder „befestigt mit“ einem anderen Element bezeichnet wird, so kann es direkt verbunden oder befestigt mit dem anderen Element, oder es können dazwischenliegende Elemente vorhanden sein.
In ähnlicher Weise versteht es sich, dass, wenn ein Element wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat als „auf“ einem anderen Element bezeichnet wird, es direkt auf dem anderen Element sein kann oder dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu bedeutet der Ausdruck „direkt“, dass es keine dazwischenliegenden Elemente gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhaltet“ und/oder „beinhaltend“, wenn sie hierin benutzt werden, die Anwesenheit von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, und/oder Komponenten angeben, jedoch nicht die Anwesenheit oder Ergänzung von weiteren, einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten, und/oder daraus bestehenden Gruppen ausschließt.
Es versteht sich, dass auch wenn die Begriffe erste(r), zweite(r), usw. hierin benutzt werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente nicht auf diese Begriffe eingeschränkt werden. Diese Begriffe werden benutzt, um ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. So könnte ein erstes Element in einigen Ausführungsformen als ein zweites Element in anderen Ausführungsformen bezeichnet werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ausführungsbeispiele der Aspekte der vorliegenden Erfindung, die hierin erläutert und dargestellt sind, umfassen deren komplementäre Gegenstücke.
Darüber hinaus werden Ausführungsbeispiele hierin mit Bezug auf Querschnittsdarstellungen und/oder plane Darstellungen gezeigt, die idealisierte beispielhafte Abbildungen sind. Demzufolge sind Variationen in den Formen der Darstellungen, beispielsweise aufgrund von Herstellungstechniken und/oder Toleranzen zu erwarten. Folglich sollten beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung nicht als, auf die besonderen Formen von hierin dargestellten Bereichen, beschränkend ausgelegt werden, sondern können Abweichungen in ihren Formen aufweisen, welche zum Beispiel von der Herstellung kommen. Zum Beispiel wird ein Ätzbereich, der als ein Rechteck gezeigt ist, typischerweise abgerundete oder gekrümmte Merkmale aufweisen. Somit sind die Bereiche in den Figuren schematischer Natur und ihre Formen sind nicht dazu vorgesehen, die tatsächliche Form eines Bereichs einer Vorrichtung zu veranschaulichen und sind nicht zur Begrenzung des Umfangs der beispielhaften Ausführungsformen vorgesehen.
Wenn nicht anders festgelegt, so haben alle hierin benutzten Begriffe (einschließlich technische und wissenschaftliche Begriffe) die selbe Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet der Technik, zu welchem die beispielhaften Ausführungsformen gehören, verstanden werden. Es versteht sich weiterhin, dass Begriffe, wie zum Beispiel solche, die in allgemein benutzten Wörterbüchern festgelegt werden, so verstanden werden, dass sie eine Bedeutung haben, welche konsistent ist mit ihrer Bedeutung im Zusammenhang der relevanten Technik und/oder der zu Grunde liegenden Anmeldung, und sollte nicht in einer idealisierten oder übermäßig formalen Art interpretiert werden, es sei denn, dies ist hierin ausdrücklich so festgelegt.
Wie durch die vorliegende Erfindung erkannt wird, können Vorrichtungen und Verfahren zum Bilden von Vorrichtungen nach verschiedener hier beschriebener Ausführungsformen in mikroelektronischen Vorrichtungen, wie integrierte Schaltungen, verkörpert werden, wobei eine Vielzahl von Vorrichtungen nach verschiedenen hier beschriebener Ausführungsformen in der gleichen mikroelektronischen Vorrichtung integriert werden. Dementsprechend können die Querschnitte, die hierin veranschaulicht sind, in zwei unterschiedliche Richtungen, die nicht orthogonal sein müssen, in der mikroelektronischen Vorrichtung repliziert werden. Somit kann eine Draufsicht der mikroelektronischen Vorrichtung, die Vorrichtungen nach verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen verkörpert, eine Vielzahl von Vorrichtungen in einer Anordnung und/oder in einem zweidimensionalen Muster umfassen, das auf der Funktionalität der mikroelektronischen Vorrichtung beruht.
Die Vorrichtungen, gemäß verschiedener hier beschriebener Ausführungsformen, können unter anderen Vorrichtungen, abhängig von der Funktionalität der mikroelektronischen Vorrichtung, unterbrochen werden. Darüber hinaus können mikroelektronische Vorrichtungen, nach verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen, in eine dritte Richtung repliziert werden, die orthogonal zu den beiden unterschiedlichen Richtungen sein kann, um dreidimensionale integrierte Schaltungen zu erbringen.
Eine Quanteninterferenzvorrichtung (Quantum Interference Device, QID) kann in einen Zustand niedrigen oder hohen Widerstands gebracht werden, abhängig von einer Reihe von Logikeingaben (logic inputs). Hoher Widerstand kann Ergebnis von destruktiver Interferenz sein, die von den verschiedenen Armen des Interferometers der QID gebildet wird, während niedriger Widerstand Ergebnis von wenigstens einigen der Pfade durch die QID sein kann, was zu konstruktiver Interferenz führt. Um eine optimale Interferenz zu erhalten, sollte die Energie der Elektronen in der QID einheitlich sein. Wie von den Erfindern erkannt, kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung, ein Elektronen-Monochromator, der eine Quantenpunkt-Doppelresonanztunnelbarrierevorrichtung (quantum dot double barrier resonant tunneling device) umfasst, die propagierende Elektronenverteilung auf einen engen Bereich von Wellenlängen begrenzen. Dementsprechend kann der enge Wellenlängenbereich eine gleichmäßige Energie für die Elektronen erbringen, die in die QID in einigen Ausführungsformen der Erfindung eintreten.
1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine Logikvorrichtung, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung zeigt. Gemäß 1 kann ein kombinatorischer Logikblock 100 einen Elektronen-Monochromator 110, eine QID 120, eine Vor-Ladungsschaltung (pre-charge circuit) 130 und Leseschaltung 140 umfassen. Der Elektronen-Monochromator 110 kann eine Elektronenwelle bereitstellen, die Wellenlängen aufweist, die wesentlich kleiner sind, als die Gesamtlänge der QID. Der Elektronen-Monochromator 110 kann eine Elektronenwelle bereitstellen, die Wellenlängen in einem engen Bereich aufweist, so dass sie nahezu monochromatisch sind. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen der Elektronen-Monochromator 110 eine Elektronenwelle mit einer Wellenlänge von etwa 3nm bereitstellen, was einer Energie von etwa 100meV über dem Fermi-Niveau entspricht, für eine QID von etwa 20nm in der Länge. In einigen Ausführungsformen kann der Elektronen-Monochromator 110 eine Elektronenwelle bereitstellen, mit der Wellenlänge in einem Bereich zwischen etwa 2.98nm und etwa 3.02nm.
Die Elektronenwelle kann durch die QID 120 propagieren, die konstruktive oder destruktive Interferenz auf der Grundlage einer Anzahl von Logikeingaben erstellen kann, um eine Ausgangselektronenwelle bereitzustellen. Die Vor-Ladungsschaltung 130 kann einen Eingangsknoten für die Leseschaltung 140 vorbereiten. Die Leselogik 140 kann einen Spannungspegel des Eingangsknotens messen, um eine Logikausgabe auf der Grundlage zu bestimmen, ob die QID konstruktive oder destruktive Interferenz aufweist, basierend auf den Logikeingaben.
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen in 1 gezeigten Elektronen-Monochromator, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindun zeigt. Gemäß 2, kann ein Elektron-Monochromator 110A eine Quantenpunkt-Doppelresonanztunnelbarrierevorrichtung umfassen. Der Resonanztunnelvorrichtung kann einen Quantenpunkt 240 umfassen, der zwischen einer ersten Barriere 230 und einer zweiten Barriere 250 angeordnet ist. Ein Emitterbereich 220 kann die erste Barriere 230 elektrisch mit einem Kontakt 210 verbinden. Der Kontakt 210 kann elektrisch mit einer Erde oder einem niedrigerem Spannungspotential verbunden sein. Ein Kollektorbereich 260 kann elektrisch die zweite Barriere 250 mit der Source der QID 120 verbinden.
Die Resonanztunnelvorrichtung kann Halbleitermaterialien umfassen, die auf einem Halbleitersubstrat 270 angeordnet werden können. Zum Beispiel kann die Resonanztunnelvorrichtung eine III-V-Resonanztunnelvorrichtung umfassen. Mit anderen Worten, die Resonanztunnelvorrichtung kann III-V-Halbleitermaterialien umfassen. Genauer gesagt, können der Emitter 220, der Quantenpunkt 240 und der Kollektor 260 InAs umfassen und die Tunnelbarrieren 230 und 250 können AlSb umfassen. Alternativ kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung, die Resonanztunnelvorrichtung III-V- und II-VI-Halbleitermaterialien umfassen. Zum Beispiel kann der Emitter 220, der Quantenpunkt 240, und der Kollektor 260 InSb umfassen und die Tunnelbarrieren 230 und 250 können CdTe umfassen. Die QID 120 kann das Halbleitermaterial des Kollektors 260 umfassen. Die Halbleitermaterialien der Resonanztunnelvorrichtung können gitterangepasst (lattice matched) mit dem Halbleitermaterial der QID 120 sein. Die Halbleitermaterialien können Hochmobilitätsmaterialien umfassen. Zum Beispiel kann eine Streulänge der Hochmobilitätsmaterialien wenigstens etwa in einer Länge der QID 120 sein. Die Länge der QID 120 kann die Länge eines Pfads sein, das ein Elektron zurücklegen würde, um die QID 120 zu durchqueren. Die Länge kann eine Länge umfassen, um den Elektronen-Monochromator 110 mit dem QID 120 zu verbinden.
Die Resonanztunnelvorrichtung kann eine vertikale Resonanztunnelvorrichtung umfassen. Zum Beispiel kann die Resonanztunnelvorrichtung eine Nanodrahtstruktur umfassen. Abwechselnde schmale Halbleitermaterialschichten können auf dem Halbleitersubstrat 270 angeordnet werden, um die Resonanztunnelvorrichtung zu bilden. Die Barrieren 230 und 250 können jeweilige Dicken aufweisen, die im Vergleich zu den Dicken des Emitters 220 und des Kollektors 260 relativ klein sind. Die propagierende Elektronenverteilung kann durch die Dicke der Tunnelbarrieren konfiguriert werden. Dickere Barrieren können eine engere Verteilung erzeugen, aber können auch den Gesamtstrom durch die Resonanztunnelvorrichtung beschränken. Dünnere Barrieren können einen höheren Gesamtstrom durch die Resonanztunnelvorrichtung ermöglichen, aber erzeugen eine breitere Verteilung. Die Dicken der Barrieren 230 und 250 können relativ dünn sein, um einen höheren Strom von Elektronen zum Tunneln durchzulassen, aber können dick genug sein, um eine Verbreiterung der Energieniveaus der gebundenen Zustände zu ermöglichen. Die Dicken der Barrieren 230 und 250 können basierend auf den Halbleitermaterialien der Resonanztunnelvorrichtung optimiert werden.
Eine Metallschicht kann auf die alternierenden Schichten von Halbleitern angeordnet werden, um den Kontakt 210 zu bilden. Eine Breite des Nanodrahts kann viel kleiner sein, als die Länge des Nanodrahts. Die Breite des Nanodrahts kann so gewählt werden, um eine Breite des Quantenpunkts 240 zu bilden.
Die Größe des Quantenpunkts 240 kann in mehr als einer Dimension eingeschränkt sein. Beispielsweise kann die Größe des Quantenpunkts in allen drei Raumrichtungen eingeschränkt sein. Mit anderen Worten, kann die Größe des Quantenpunkts in Länge, Breite und Höhe begrenzt sein. Die Größe des Quantenpunkts 240 kann klein genug sein, um Elektronen in dem Quantenpunkt 240 in einen einzigen oder fast einzigen gebundenen Zustand einschränken zu können.
Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Größe des Quantenpunkts 240 ungefähr 3nm in allen Raumdimensionen sein. Die Barrieren können jeweils eine Dicke von etwa 3nm aufweisen. Eine Gesamtlänge des Nanodrahts kann viel geringer sein, als die mittlere freie Weglänge. Zum Beispiel kann eine Gesamtlänge des Nanodrahts etwa 10nm oder weniger sein.
3A ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Energie eines Elektrons und Position innerhalb des Elektronen-Monochromators aus 1 zeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. Gemäß 3A zeigt eine erste Elektronenverteilung 330 eine Energiewahrscheinlichkeitsverteilung der Elektronen in den Emitter 220, wenn eine kleine Vorwärts-Vorspannung über der Resonanztunnelvorrichtung vorhanden ist. Tunnelbarrierenniveaus 310 und 320 stellen eine Fähigkeit von Barrieren 230 und 250 dar, Elektronen unter einem bestimmten Energieniveau zu blockieren, wie dargestellt. Barrieren 230 und 250 können jedoch dünn genug sein, damit Quantentunneln auftritt. Daher können einige Elektronen durch die erste Barriere 230 in den Quantenpunkt 240 tunneln. Die zweite Elektronenverteilung 340 zeigt, dass Elektronen im Quantenpunkt 240 in einem einzigen gebundenen Zustand existieren können. Einige Elektronen mit dem einzigen gebundenen Quantenpunkt-Zustand können durch die zweite Barriere 250 und in den Kollektor 260 tunneln. Die dritte Elektronenverteilung 350 zeigt eine Energiewahrscheinlichkeitsverteilung von Elektronen innerhalb des Kollektors 260. Da die Elektronen in dem Quantenpunkt in einem einzigen gebundenen Zustand vorliegen können, können die Elektronen in dem Kollektor auf einen reduzierten Energiebereich eingeschränkt werden.
3B ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Energie eines Elektrons und eines Transmissionskoeffizienten des Elektronen-Monochromators aus 1 zeigt, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung. Gemäß 3B kann die Resonanztunnelvorrichtung einen geringeren Transmissionskoeffizienten für Elektronen haben, die über und unter dem Niveau 360 des gebundenen Zustands sind. Der Transmissionskoeffizient kann in höheren Energieniveaus größer sein, da Elektronen genügend Energie aufweisen können, um die Barrieren 230 und 250 zu durchqueren. Anwenden der ersten Elektronenverteilung 330 auf den Zusammenhang, der in 3B gezeigt ist, muss die Energiewahrscheinlichkeitsverteilung von Elektronen innerhalb des Emitters 220, wie von der ersten Elektronenverteilung 330 veranschaulicht ist, die effektiven Barriereniveaus 310 und 320 nicht annähern. Wenn daher eine kleine Vorwärts-Vorspannung über der Resonanztunnelvorrichtung vorhanden ist, kann der Elektronen-Monochromator 110 einen Schmalbandelektronenstrom bereitstellen, wenn eine kleine Vorwärts-Vorspannung angelegt ist. Der Schmalbandelektronenstrom kann auf einen reduzierten Bereich eingeschränkt sein. Der Schmalbandelektronenstrom kann fast monochromatisch sein. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung der Schmalbandelektronenstrom auf eine Elektronenwelle mit einer Wellenlänge in einem Bereich zwischen 2.98nm und 3.02nm eingeschränkt werden, um nahezu monochromatisch zu sein.
4 ist eine Draufsicht, die schematisch einen in 1 gezeigten Elektronen-Monochromator, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt. Gemäß 4 kann ein Elektronen-Monochromator 1108 Graphen umfassen. Zum Beispiel kann der Elektronen-Monochromator 110B Graphen-Nanobänder umfassen. Der Elektronen-Monochromator 110B kann eine Quantenpunkt-Doppelresonanztunnelbarrierevorrichtung umfassen. Die Resonanztunnelvorrichtung kann einen Quantenpunkt 440 umfassen, der zwischen einer ersten Barriere 420 und einer zweiten Barriere 430 angeordnet ist. Ein Emitterbereich 410 kann die erste Barriere 420 mit einem Kontakt elektrisch verbinden, der elektrisch mit einem Massepotential verbunden sein kann. Ein Kollektorbereich kann elektrisch die zweite Barriere 430 mit der Source der QID verbinden. Die QID 120 kann auch Graphen-Nanobänder umfassen. Die Barrieren 420 und 430 können Spalte (splits) umfassen, die in dem Graphen-Nanoband geätzt werden. Der Quantenpunkt 440 kann eine kleine Insel von Graphen umfassen, die durch die Barrieren 420 und 430 definiert sind. Die Größe des Quantenpunkts kann in allen Raumdimensionen so eingeschränkt werden, dass Elektronen in einem einzelnen gebundenen Zustand enthalten sind. Zum Beispiel kann die Breite des Graphen-Nanobands schmal sein. Die Barrieren 420 und 430 können nahe beieinander ausgebildet werden, um eine kleine Länge des Quantenpunkts zu definieren. Die Dicke des Graphen-Nanobands kann dünn sein.
Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Breite des Graphen-Nanobands etwa 5nm sein. Die Barrieren 420 und 430 können jeweilige Breiten von etwa 3nm in einer Dimension aufweisen, die senkrecht zu der Breite des Graphen-Nanobands ist. Die Länge des Quantenpunkts kann etwa 3nm sein. Die Dicke der Graphen-Nanobands kann eine einzige Monolage sein.
5 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine in 1 gezeigte Quanteninterferenzvorrichtung, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung zeigt. Gemäß 5 kann ein Eingangsstrom an einer Source 510 empfangen werden. Der Eingangsstrom kann zu einem Spalt 520 verlaufen, wobei der Eingangsstrom in zwei Ströme aufgeteilt ist, die in getrennte Pfade 530 und 540 verlaufen, die manchmal als Arme bezeichnet werden. Gateelektroden 550 und/oder 560 können die Phase der Elektronen in dem jeweiligen der beiden geteilten Ströme modulieren. Die Gateelektroden 550 und 560 können die Phase von Elektronen, basierend auf Logikeingaben A und B modulieren. Die Gateelektroden 550 und 560 können durch Anlegen einer Gate-Spannung betrieben werden. Gate-Spannungen können beispielsweise für einen logischen H-Pegel (logic high level) etwa 100mV sein. Die Gateelektroden 550 und 560 können die Phase der Elektronen modulieren. Die Pfade der beiden geteilten Ströme verbinden sich zu einem kombinierten Ausgangsstrom an einem Zusammenführungspunkt (merger point) 570. Die Strompfade 530 und 540 können von gleicher Länge von dem Spalt 520 bis zu dem Zusammenführungspunkt 570 sein. Daher kann, basierend auf der relativen Phasenmodulation der beiden Ströme, der kombinierte Strom durch konstruktive oder destruktive Interferenz jeweils erhöht oder reduziert werden. Somit kann der Betrieb der QID 120 analog zu einem Betrieb eines optischen Mach-Zehnder-Interferometers sein. Die QID 120 kann zusätzliche Spalte, Gate-Elektroden und/oder Zusammenführungspunkte umfassen, um komplexere Logikfunktionen zu implementieren. Somit kann die QID 120 einen komplexen Baum der kombinatorischen Logik implementieren.
6 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Vor-Ladungsschaltung aus 1, gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung darstellt. Gemäß 6 kann ein Knoten 660 elektrisch mit der Leselogik 140 verbunden sein. Eine Vor-Ladungsfreigabetransistor 630 kann so konfiguriert sein, um eine Vor-Ladungsspannungsquelle 650 mit dem Knoten 660, auf der Basis eines Vor-Ladungsfreigabesignals 640 zu verbinden. Ein Lesefreigabetransistor 610 kann so konfiguriert sein, um den Ausgang der QID 120 mit dem Knoten 660, auf Basis eines Lesefreigabesignals 620 zu verbinden. Die Vor-Ladungsfreigabetransistor 630 und der Lesefreigabetransistor 610 können CMOS-Transistoren umfassen.
Die Leselogik 140 kann eine Spannungs-Leseschaltung mit CMOS-Transistoren sein. Die Leselogik 140 kann einen Spannungspegel des Knotens 660 erfassen, um einen Ausgangslogikpegel zu bestimmen. Der Ausgangslogikpegel kann auf einer Funktion der Logikeingaben basieren.
Die Vor-Ladungsschaltung 130 kann eine Operation des kombinatorischen Logikblocks 100 steuern. Zum Beispiel kann ein Vor-Ladungsfreigabesignal 640 einen Vor-Ladungsfreigabetransistor 630 steuern, um einen Knoten 660 mit einem Vor-Ladungsspannungspegel zu verbinden. Der verwendete Vor-Ladungsspannungspegel kann niedriger sein, als ein Standard-CMOS-Spannungspegel. Zum Beispiel kann die Vor-Ladespannung zum Beispiel etwa 100 mV betragen. Eingangsspannungen können an die Logikeingänge der QID 120 angelegt werden. Das Lesefreigabesignal 620 kann den Lesefreigabetransistor 610 steuern, um den Knoten mit dem Ausgang der QID 120 zu verbinden. Da der Ausgang der QID 120 elektrisch mit dem Kollektor 260 des Elektronen-Monochromators 110 durch die QID 120 verbunden ist, kann der Vor-Ladungsspannungspegel des Knotens 660 eine Vorwärts-Vorspannung über der Resonanztunnelvorrichtung darstellen, welche einen Stromfluss erzeugen kann, der den Vor-Ladungsspannungspegel des Knotens 660 entladen kann. Die Rate der Entladung kann von dem Zustand der QID 120 abhängen. Wenn beispielsweise der Zustand so ist, dass eine destruktive Interferenz auftritt, kann die Entladerate geringer sein, als wenn der Zustand konstruktive Interferenz ermöglicht. Nach einer Zeitspanne, kann das Lesefreigabesignal 620 deaktiviert werden, um eine weitere Entladung zu verhindern. Anschließend kann der Knoten 660 einen Spannungspegel speichern, der höher oder niedriger ist, je nach dem Zustand der QID 120. Die Leselogik 140 kann den gespeicherten Spannungspegel auslesen. Ein Schwellwert der Leselogik 140 kann gesetzt werden zwischen dem erwarteten Spannungspegel, der verbleibt, wenn der Zustand der QID 120 destruktive Interferenz ermöglicht, und dem erwarteten Spannungspegel, der verbleibt, wenn der Zustand die QID 120 konstruktive Interferenz ermöglicht.
In manchen Ausführungsformen der Erfindung kann die Leselogik 140 eine Strommessschaltung anstelle einer Spannungs-Leseschaltung sein. Die Strommessschaltung kann so konfiguriert sein, um den Ausgangsstrom der QID 120 zu erfassen. In diesen Ausführungsformen muss der kombinatorische Logikblock keine Vor-Ladungsschaltung enthalten. Stattdessen kann eine Spannung über die QID 120 angelegt werden. Basierend darauf, ob der Zustand der QID 120 konstruktive oder destruktive Interferenz ermöglicht, kann die Strommessschaltung eine Differenz in dem Strom feststellen, der durch die QID 120 fließt, um einen Ausgangslogikpegel zu bestimmen.
Wie durch die Erfinder erkannt, werden einige QID-Vorrichtungen nicht oberhalb von sehr niedrigen Temperaturen funktionieren. Jedoch kann der Quantenpunkt-Elektronen-Monochromator 110 eine nahezu monochromatische Elektronenverteilung erzielen, ohne dabei Kühlung zu benötigen. In einigen Ausführungsformen gemäß der Erfindung, kann der kombinatorische Logikblock 100 bei einer Temperatur von 400K oder weniger arbeiten. Daher kann der kombinatorische Logikblock 100 bei einer Raumtemperatur von etwa 21°C (70°F) betrieben werden.
Die QID 120 kann eine geringere Kapazität haben, als ein entsprechender CMOS kombinatorischer Logikblock. Zusätzlich können die Gateelektroden 550 und 560 bei einer geringeren Spannung, als äquivalente CMOS-Eingänge betrieben werden. Daher kann der logische Zustand des kombinatorischen Logikblocks 100 in einer kürzeren Zeit, als in einem äquivalenten CMOS kombinatorischen Logikblock hergestellt werden. Eine Auswertungszeit für den kombinatorischen Logikblock 100 kann von einer Zeit dominiert werden, die von der Leselogik 140 benötigt wird. Allerdings kann die Auswertungszeit für den kombinatorischen Logikblock 100 weitestgehend unabhängig von der Komplexität der logischen Funktion sein. Große kombinatorische Blöcke, die traditionell mehrstufige CMOS-Transistor-Logik benötigen, können mit einer einzigen QID 120 ausgewertet werden. Je größer der kombinatorische Block, desto größer ist die Verbesserung, die durch die QID 120 erlangt wird.
Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht der Fachmann, dass vielerlei Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können.

Claims

Logikvorrichtung (100), umfassend: einen Elektronen-Monochromator (110; 110A), der einen Quantenpunkt (240) umfasst, der zwischen einer ersten und einer zweiten Tunnelbarriere (230; 250) angeordnet ist, einen Emitter (220), der an die erste Tunnelbarriere (230) gekoppelt ist, und einen Kollektor (260), der an die zweite Tunnelbarriere (250) gekoppelt ist; und eine Quanteninterferenzvorrichtung (120), die eine Source umfasst, die an den Kollektor (260) des Elektronen-Monochromators (110; 110A) gekoppelt ist.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Elektronen-Monochromator (110; 110A) eine Nanodrahtstruktur umfasst.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Elektronen-Monochromator (110; 110A) und die Quanteninterferenzvorrichtung (120) Halbleitermaterialien umfassen.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei der Elektronen-Monochromator (110; 110A) eine vertikale III-V-Resonanztunneldiode aufweist.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei das Halbleitermaterial des Elektronen-Monochromators (110; 110A) gitterangepasst zu dem Halbleitermaterial der Quanteninterferenzvorrichtung (120) ist.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei der Quantenpunkt (240) und die Quanteninterferenzvorrichtung (120) InAs umfassen und die Tunnelbarrieren (230; 250) AlSb umfassen.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei der Quantenpunkt (240) und die Quanteninterferenzvorrichtung (120) InSb umfassen und die Tunnelbarrieren (230; 250) CdTe umfassen.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei der Emitter (220), der Quantenpunkt (240), der Kollektor (260), und die Quanteninterferenzvorrichtung (120) ein erstes Halbleitermaterial umfassen und die erste und zweite Tunnelbarriere (230; 250) ein zweites Halbleitermaterial umfassen.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei der Elektronen-Monochromator (110; 110A) und die Quanteninterferenzvorrichtung (120) Hochmobilitäts-Halbleitermaterialien umfassen.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei eine Streulänge des Hochmobilitäts-Halbleitermaterials des Elektronen-Monochromators (110; 110A) gleich oder länger als eine Länge der Quanteninterferenzvorrichtung (120) ist.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Elektronen-Monochromator (110; 110A) ein Graphenband umfasst.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die erste und die zweite Barriere (230; 250) Spalten umfassen, die aus dem Graphenband geätzt sind, und der Quantenpunkt (240) eine Insel von Graphen zwischen den Spalten umfasst.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die Quanteninterferenzvorrichtung (120) Graphenbänder aufweist.
Logikvorrichtung (100), umfassend: einen Elektronen-Monochromator (110; 110A), der einen Quantenpunkt (240) umfasst, der zwischen zwei Tunnelbarrieren (230; 250) angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine Vorwärts-Vorspannung zu empfangen und einen Schmalbandelektronenstrom zu liefern; und eine Quanteninterferenzvorrichtung (120), die dazu ausgelegt ist, den Schmalbandelektronenstrom zu empfangen, und eine Logikausgabe zu liefern, die auf einer oder mehreren Logikeingaben basiert.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei die Vorwärts-Vorspannung einen Eingangsstrom durch den Elektronen-Monochromator (110; 110A) erzeugt und eine Ausbreitungselektronenverteilung des Stroms auf einen reduzierten Bereich des Energieniveaus begrenzt ist, um dem Schmalband-Elektronen-Ausgangsstrom bereitzustellen.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei die Ausbreitungselektronenverteilung des Eingangsstroms auf innerhalb von 5 meV reduziert ist.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei der Elektronen-Monochromator (110; 110A) ein Schmalband-Elektronenstrom bei Temperaturen von oder über 21 °C bereitstellt.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei die Quanteninterferenzvorrichtung (120) die Logikausgabe bereitstellt durch Teilen des Schmalbandelektronenstroms in eine Vielzahl von Strompfade, selektives Modulieren eines oder mehrerer der Vielzahl von Strompfaden, basierend auf der einen oder den mehreren Logikeingaben, und Rekombinieren der Vielzahl von Strompfaden, um konstruktive oder destruktive Interferenz zu erzielen.
Logikvorrichtung (100) nach Anspruch 18, wobei die Quanteninterferenzvorrichtung (120) in einen Zustand mit geringem Widerstand basierend auf konstruktiver Interferenz oder in einen Zustand von hohem Widerstand basierend auf destruktiver Interferenz gesetzt wird.
Logikvorrichtungen (100) nach Anspruch 14, wobei die Quanteninterferenzvorrichtung (120) einen vollständigen kombinatorischen Logikblock bereitstellt.