量子器件与量子信息技术

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1、趋势与展望量子器件与量子信息技术曾云，晏敏，王玉永（湖南大学微电子研究所，湖南长沙，410082）摘要：从信息社会的发展分析提出了量子器件及量子信息技术产生和发展的必然性，介绍了谐振隧穿器件、单电子器件、电子波导晶体管等纳米电子器件及其特点，对量子激光器和量子信息技术及其性能作了简要介绍，并给出了应用前景。关键词：量子器件；谐振隧穿器件；单电子器件；电子波导晶体管；量子信息技术中图分类号：TN301文献标识码：A文章编号：1003-353X(2004)03-0018-04Quantumdevicesan

2、dquantuminformationtechnologyZENGYunYANMinWANGYu-yong(MicroelectronicInstitute,HunanUniversity,Changsha410082,China)Abstract:Theinevitabilityofquantumdeviceandquantuminformationtechnology’sinventionanddevelopmentisimpliedformtheanalysisofinformationalsoc

3、iety’sdevelopment.Thecharacteristicsofresonanttunnelingdiodes,signalelectrondevicesandelectronwave-guidetransistorsareintroduced.Thenovelperformancesofquantumlaserandquantuminformationtech-nologyareintroducedbriefly.Andtheirspectacularprospectarealsopoin

4、tout.Keywords:quantumdevice;resonanttunnelingdiodes;signalelectrondevices;electronwave-guidetransistors;quantuminformationtechnology.一个芯片上晶体管数目相当多，散热和能耗的问题1引言越来越突出。据因特尔公司负责芯片设计的首席技自从集成电路问世以来，因其体积小、功耗术官盖尔欣格预测，到2005年芯片上集成2亿只晶低、速度快、可靠性高及价格低等特点，得到了体管的时候，就会热得

5、像“核反应堆”[1]。迅猛发展，现已成为现代人类信息社会的重要支科学技术的日益发展也带动了人类认识的提柱。硅集成电路的发展遵循著名的摩尔定律：硅集高。微电子技术的发展带动了微细加工技术的进成电路每18个月为一代，每代晶体管的集成度提高步，将人类对微观世界的认识提高到一个新的阶一倍，特征尺寸降低30%，生产成本降低一半，段。目前人们利用分子束外延技术（MBE）和化工作速度提高一倍。目前微电子的特征尺寸已经达学有机物汽相沉积技术（MOCVD）等，成功地到了0.1mm,工作速度已达G（109Hz）的数量级。制

6、备出了共振隧穿器件、单电子器件、量子激光器信息社会的发展要求越来越强的信息处理能等新型的纳米器件，并从理论上研究了制造量子计力，如果按照摩尔定律推测，在不到20年的时间算机的可行性，并做了大量的实验。一门新的技术内，集成电路上的晶体管会达到分子大小。在这样——微纳信息技术正在逐步形成。由于构成纳米信的尺度下，一方面，电子会表现出很强的量子效息技术载体的纳米器件有着不同于微电子器件的奇应，使得在牛顿经典物理机制下半导体器件的工作特性能，可以毫不夸张地说，纳米信息技术对人类原理完全失效；另一方面，由于集成度

7、的提高，在的影响将决不亚于微电子技术。本文对量子器件及18半导体技术第29卷第3期二OO四年三月趋势与展望其性能特点作了简要介绍。大大减少器件数目，组合各种低功耗超高速电路。例如有些门级电路需要7~8个普通晶体管，如果采用2量子电子器件及其特点谐振隧穿器件，则只需一个。在硅材料制备的金属量子电子器件的尺寸在纳米数量级之内，在纳氧化物半导体（MOS）集成电路中，如果晶体管米尺度下，粒子表现出一定的量子效应，例如隧穿的面积和速度功耗相同，在电路中用一个谐振隧穿效应、干涉效应、库仑阻塞效应等。而量子电子器件取

8、代n个普通晶体管的话，集成电路的速度功耗器件正是利用电子的量子效应作为工作机制的电子积将是原来的n2分之一，从而大大改善了速度和功器件。利用不同的量子效应，又可构成不同类型的耗性能[4]。另外，由于谐振隧穿器件具有负阻微分量子器件，同时也分别具有各种不同的奇特性能。效应，将其与普通晶体管结合，可构成多值逻辑电路和倍频器。2.1谐振隧穿器件谐振隧穿器件是利用电子的共振隧穿机制进行2.2单电子器件工作的器件，一般由两个距离很近的、能够产生单电子