单电子晶体管

单电子晶体管第1页/共27页研究背景随着集成电路特征尺寸不断缩小,构成当前集成电路的基本元件——MOS晶体管的尺寸最终将会接近理论上的极限,如果尺寸再进一步缩小,由于沟道内电子数量的涨落将会出现逻辑状态的混乱。因此，科研人员开始寻求实现超高集成度、超低功耗、超高频率晶体管。单电子晶体管（SET）现象的发现及其深入研究就是人们作出的探索之一。

第2页/共27页SET发现历史1988年，MIT的ScottThomas在0.2K温度下测量极窄n沟硅MOS晶体管的沟道电导随栅压变化时偶然发现了SET现象。同一年，IBM的Meirav等人根据SET原理，采用MBE工艺，利用GaAs/AlGaAs异质结，制作出结构完整的SET，在4K温度下观测到SET特性。从此，SET引起了世界许多科研人员的重视和深入探讨，特别是近年来，通过采用迅速发展起来的纳米加工仪器、设备和工艺，在多种材料上研制出具有潜在应用价值和发展前景的SET，使SET向实用化方向大大迈进。第3页/共27页SET基本结构源漏栅势垒势垒隧道势垒栅氧化层库仑岛第4页/共27页SET工作原理量子隧穿效应：电子与某一势垒碰撞时，如果势垒的厚度减薄到能够与电子的德布罗意波长相当，那么电子具有一定的概率穿过该势垒。库仑阻塞效应：如果一个库仑岛的静电势能能级间隔比电子运动的能量大，那么该电子就难以隧穿进入该库仑岛。第5页/共27页SET工作原理C1C2CgVg设C为系统的电容,C=C1+C2+Cg库仑岛内电荷Q的静电能E为：E=-QVg+Q2/2C（1）令Q0=CVg,(1)式可改写为:

E=(Q-Q0)2/2C（2）电荷Q的数值只能取e的整数倍第6页/共27页SET工作原理对于式E=(Q-Q0)2/2C1.改变Vg使得Q0=Ne时,此时Q=Ne时能量取最小值2.改变Vg使得Q0=(N+1/2)e时,此时Q=Ne和Q=(N+1)e的最小能量是简并的，从源极进入库仑岛的电子不需要跨越e2/2C的势垒

3.当Vg继续增加,使得Q0=(N+1)e时,电导又出现极小值。库仑阻塞对应电导随栅压出现极小值库仑阻塞解除对应电导出现极大值第7页/共27页SET工作原理因此随着栅压增加,电导周期性振荡,振荡周期ΔVg为e/C。而振幅与特定能级的隧穿矩阵元相关，出现振幅的随机性：库仑震荡。第8页/共27页SET工作原理SET在正常工作时,必须满足两个条件:(1)KT<e2/2C的条件,C越小,T越高。

当C=10-15F时,工作温度为1K左右。如果使器件工作在室温下,C应小于3aF。(2)总电阻R大于量子电阻Rk(Rk≈26kΩ),这样才能避免由于量子涨落引起的波动。第9页/共27页SET制备方法MBE（分子束外延）生长异质结技术STM（扫描隧道显微镜）或AFM（原子力显微镜）纳米氧化技术EBL（电子束光刻）和SOI结合技术EBL与微结构材料技术结合第10页/共27页SET制备方法1.MBE生长异质结技术SET不能在较高的温度下工作，器件重复性差。2.STM或AFM纳米氧化技术加工时间长，探针的损耗和加工过程中环境变化使器件的重复性和稳定性受到影响。3.EBL技术受电子背散射的干扰，刻蚀图形的分辨率受到影响，同时曝光时间长也使其实用性受到限制。第11页/共27页SET类型单岛SETSET多岛SET第12页/共27页单岛SET金属基SET采用电子束曝光、悬挂掩模板技术和多角度蒸铝技术结合形成Al/Al2O3/Al岛。这种结构用来作为隧穿势垒,主要是因为Al2O3具有可控、均匀、稳定的特点。由它形成的隧穿势垒不但高，而且陡峭半导体SET

GaAs/AlGaAsSET结构示意图第13页/共27页单岛SET纳米粒子SET为了减小库仑岛的面积,研究人员把团簇化学技术应用到SET的制造中,这种技术与电子束光刻技术相结合,使库仑岛长度减小到10nm以下纳米粒子SET第14页/共27页多岛SET金属基SET这种方法优点是制造过程相对容易,适合大批制造,团粒的尺寸和势垒高度都很均匀。第15页/共27页多岛SET半导体SET现在,人们最感兴趣的是用SOI材料制造的SET。这种晶体管被认为是最有发展前途的单电子器件,因为它的制造工艺与CMOS超大规模集成电路兼容。这种器件一般都采用注入氧隔离技术或键合技术制备SOI材料。最大优势：具有可大面积生产，与硅微电子技术兼容第16页/共27页SET应用研究1.单电子存储器2.电子、电流检测和基准器件3.单电子数字集成电路第17页/共27页文献阅读

基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管制备与分析第18页/共27页摘要采用金纳米粒子阵列作为库仑岛阵列，束缚金纳米粒子的二氧化硅有序介孔骨架作为隧穿势垒，形成尺寸可控的库仑岛和隧穿势垒结构。通过巧妙设计单电子晶体管源极、漏极和栅极的位置与结构，精确控制源、漏极与库仑岛间的隧穿势垒，保证单电子晶体管整体结构的可设计性和室温下的正常工作。第19页/共27页引言二氧化硅有序介孔薄膜多孔材料可以按其孔径分为三类：小于2nm的为微孔，2~50nm的为介孔，大于50nm的为大孔。另外，有时也将小于0.7nm的微孔称为超微孔。有序介孔材料是一类孔径在2～50nm之间、孔径均一且孔道排列有序的多孔固体材料。二氧化硅有序介孔薄膜则是孔径在2～50nm之间、孔径均一且孔道排列有序的多孔二氧化硅薄膜。

其特点主要有：1.高度有序的孔道结构；2.孔径呈单一分布，且易于调控；3.可以具有不同的孔道拓扑形态4.具有很好的热稳定性和水热稳定性，能够经受高温工艺。第20页/共27页结构设计以二氧化硅有序介孔薄膜为核心结构，充分发挥了化学合成和蒸发诱导自组装工艺对二氧化硅有序介孔结构的分子级控制精度。基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管结构示意图第21页/共27页实验步骤主要分为三个阶段，依次为库仑岛阵列的制备，焊盘和微米级导线的制备和纳米级导线的制备。第22页/共27页结果讨论单电子晶体管的结构表征与分析基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管SEM细节照片第23页/共27页结果讨论电学特性测试与分析采用Agilent4156C半导体参数测试仪，WentworthPML8000微探针台等设备组成的系统进行测试，测试时房间温度为26.4℃，施加的栅极电压为0V。1.库仑阻塞和库仑台阶效应分析漏源电压与漏源电流关系图第24页/共27页结果讨论2.库仑振荡效应分析基本可以确定制备的基于有序介孔薄膜的单电子晶体管为三岛单电子晶体管，且可以在室温下显示库仑阻塞效应、库仑台阶效应和库仑振荡效应，具有室温工作能力。基本可以确定制备的基于有序介孔薄膜的单电子晶体