单电子晶体管.pptx

Contents文献阅读文献阅读SET分类应用分类应用SET制备方法制备方法SET结构原理结构原理SET背景背景研究背景研究背景v随着集成电路特征尺寸不断缩小随着集成电路特征尺寸不断缩小,构成当前构成当前集成电路的基本元件集成电路的基本元件MOS晶体管的晶体管的尺寸最终将会接近理论上的极限尺寸最终将会接近理论上的极限,如果尺寸如果尺寸再进一步缩小再进一步缩小,由于沟道内电子数量的涨落由于沟道内电子数量的涨落将会出现逻辑状态的混乱。将会出现逻辑状态的混乱。v因此，科研人员开始寻求实现超高集成度、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。单电子晶体超低功耗、超高频率晶体管。单电子晶体管（管（SET）现象的发现及其深入研究就是）现象的发现及其深入研究就是人们作出的探索之一。人们作出的探索之一。SET发现历史发现历史v1988年，年，MIT的的Scott Thomas在在0.2K温度下测量极温度下测量极窄窄n沟硅沟硅MOS 晶体管的沟道电导随栅压变化时偶然发现晶体管的沟道电导随栅压变化时偶然发现了了SET现象。现象。v同一年，同一年，IBM的的Meirav等人根据等人根据SET原理，采用原理，采用MBE工艺，利用工艺，利用GaAs/AlGaAs异质结，制作出结构完整的异质结，制作出结构完整的SET，在，在4K温度下观测到温度下观测到SET特性。特性。v从此，从此，SET引起了世界许多科研人员的重视和深入探讨，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、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展前景的SET，使，使SET向实用化方向大大迈进。向实用化方向大大迈进。SET基本结构基本结构源漏栅势垒势垒势垒势垒隧道势垒隧道势垒栅氧化层栅氧化层库仑岛SET工作原理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。SET工作原理工作原理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SET工作原理工作原理v对于式对于式E=(Q-Q0)2/2Cv1.改变改变Vg使得使得Q0=Ne时时,此时此时Q=Ne时能量取时能量取最小值最小值v2.改变改变Vg使得使得Q0=(N+1/2)e时时,此时此时Q=Ne和和Q=(N+1)e的最小能量是简并的，从源极进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入库仑岛的电子不需要跨越e2/2C的势垒的势垒 v 3.当当Vg继续增加继续增加,使得使得Q0=(N+1)e时时,电导又出现电导又出现极小值。极小值。库仑阻塞库仑阻塞对应电导随栅压出现对应电导随栅压出现极小值极小值库仑阻塞解除库仑阻塞解除对应电导出现极大值对应电导出现极大值SET工作原理工作原理v因此随着栅压增加因此随着栅压增加,电导周期性振荡电导周期性振荡,振荡周期振荡周期Vg为为e/C。而振幅与特定能级的隧穿矩阵元相关，。而振幅与特定能级的隧穿矩阵元相关，出现振幅的随机性出现振幅的随机性：库仑震荡库仑震荡。SET工作原理工作原理vSET在正常工作时在正常工作时,必须满足两个条件必须满足两个条件:(1)KTe2/2C的条件的条件,C越小越小,T越高。越高。当当 C=10-15F时时,工作温度为工作温度为1 K左右。左右。如果使器件工作在室温下如果使器件工作在室温下,C应小于应小于3 aF。(2)总电阻总电阻R大于量子电阻大于量子电阻Rk(Rk26 k),这这样才能避免由于量子涨落引起的波动。样才能避免由于量子涨落引起的波动。SET制备方法制备方法vMBE（分子束外延）生长异质结技术（分子束外延）生长异质结技术vSTM（扫描隧道显微镜）或（扫描隧道显微镜）或AFM（原子力显（原子力显 微镜）纳米氧化技术微镜）纳米氧化技术vEBL（电子束光刻）和（电子束光刻）和SOI结合技术结合技术vEBL与微结构材料技术结合与微结构材料技术结合SET制备方法制备方法1.MBE生长异质结技术生长异质结技术 SET不能在较高的温度下工作，器件重复性差。不能在较高的温度下工作，器件重复性差。2.STM或或AFM纳米氧化技术纳米氧化技术 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。使器件的重复性和稳定性受到影响。3.EBL技术技术 受电子背散射的干扰，刻蚀图形的分辨率受到影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。响，同时曝光时间长也使其实用性受到限制SET类型类型单岛SETSET多岛SET单岛单岛SETv金属基金属基SETv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岛。这种结构用来作为隧穿势垒,主要是因为主要是因为Al2O3具有具有可控、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v半导体半导体SETGaAs/AlGaAs SET结构示意图单岛单岛SETv纳米粒子纳米粒子SETv为了减小库仑岛的面积为了减小库仑岛的面积,研究人员把团簇化学技术研究人员把团簇化学技术应用到应用到SET的制造中的制造中,这种技术与电子束光刻技术这种技术与电子束光刻技术相结合相结合,使库仑岛长度减小到使库仑岛长度减小到10 nm以下以下纳米粒子SET多岛多岛SETv金属基SETv这种方法优点是制造过程相对容易这种方法优点是制造过程相对容易,适合大批制造适合大批制造,团粒的尺寸和势垒高度都很均匀。团粒的尺寸和势垒高度都很均匀。多岛多岛SETv半导体半导体SETv现在现在,人们最感兴趣的是用人们最感兴趣的是用SOI材料制造的材料制造的SET。这种晶。这种晶体管被认为是最有发展前途的单电子器件体管被认为是最有发展前途的单电子器件,因为它的制造因为它的制造工艺与工艺与CMOS超大规模集成电路兼容。这种器件一般都采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用注入氧隔离技术或键合技术制备SOI材料。材料。最大优势：具有可大面积生产，与硅微电子技术兼容SET应用研究应用研究1.单电子存储器单电子存储器2.电子、电流检测和基准器件电子、电流检测和基准器件3.单电子数字集成电路单电子数字集成电路文献阅读文献阅读 基于有序介孔薄膜的室温单电子基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管制备与分析晶体管制备与分析 摘要摘要v采用金纳米粒子阵列作为库仑岛阵列，束缚金纳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，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，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。的正常工作。引言引言v 二氧化硅有序介孔薄膜二氧化硅有序介孔薄膜v多孔材料可以按其孔径分为三类：小于多孔材料可以按其孔径分为三类：小于 2nm 的为微孔，的为微孔，250nm 的为的为介孔介孔，大于，大于 50nm 的为大孔。另外，有时也将小于的为大孔。另外，有时也将小于0.7nm 的的微孔称为超微孔。微孔称为超微孔。v有序介孔材料是一类孔径在有序介孔材料是一类孔径在 250nm 之间、孔径均一且孔道排列之间、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有序的多孔固体材料。二氧化硅有序介孔薄膜则是孔径在 250nm 之间、孔径均一且孔道排列有序的多孔二氧化硅薄膜。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：其特点主要有：v1.高度有序的孔道结构；高度有序的孔道结构；v2.孔径呈单一分布，且易于调控；孔径呈单一分布，且易于调控；v3.可以具有不同的孔道拓扑形态可以具有不同的孔道拓扑形态v4.具有很好的热稳定性和水热稳定性，能够经受高温工艺。具有很好的热稳定性和水热稳定性，能够经受高温工艺。结构设计结构设计v以二氧化硅有序介孔薄膜为核心结构，充分发挥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。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实验步骤实验步骤v主要分为三个阶段，依次为主要分为三个阶段，依次为库仑岛阵列的制备库仑岛阵列的制备，焊盘和微米级导线的制备焊盘和微米级导线的制备和和纳米级导线的制备纳米级导线的制备。结果讨论结果讨论v单电子晶体管的结构表征与分析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 细节照片结果讨论结果讨论v电学特性测试与分析电学特性测试与分析v采用采用Agilent 4156C 半导体参数测试仪半导体参数测试仪，Wentworth PML 8000 微探针台等设备组成的系统微探针台等设备组成的系统进行测试，测试时房间温度为进行测试，测试时房间温度为 26.4，施加的栅极电压，施加的栅极电压为为0V。v1.库仑阻塞和库仑台阶效应分析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结果讨论结果讨论v2.库仑振荡效应分析库仑振荡效应分析v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。效应和库仑振荡效应，具有室温工作能力。v基本可以确定制备的基于有序介孔薄膜的单电子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，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，实现了预期设计目的。具有室温工作能力，实现了预期设计目的。漏源电压与栅源电流LOGOC l i c k t o e d i t c o m p a n y s l o g a n .THANK YOU!