单电子晶体管.docx

20091120217谭新梅 电子科学与技术二班单电子晶体管1、 加工工艺：原始材料是用(100)晶向，P型SIMOX硅片,SIMOX结构的表面硅层厚度约 为200nm，-二氧化硅层厚度为400n m,主要工艺过程为：①通过热氧化和腐 蚀使表面硅层厚度减薄到70〜80nm②用普通光刻工艺结合电子束光刻技术 和反应离子刻蚀方法-在二氧化硅层上面的硅薄层中刻蚀出硅量子线及源漏 区-量子线两边连接着两维源区和漏区-光刻胶为.PMMA，量子线的宽度、长 度分别为98nm和500nm,再通过氧化减小量子线的尺寸如图1的AFM图像所 示-通过氧化和刻蚀-可以减小 量子线的高度和宽度并形成 多个量子点③源区和漏区 被用磷离子注入掺杂-注入计 量和能量分别为1x10i4dos/cm2 和,30keV源区和漏区被用磷 离子注入掺杂后-在氮气气氛 中退火④生长栅极氧化#厚 度约为30〜40n m,生长氧化层 的同时也会减小量子线的高 度和宽度,而且由于在量子线 的边缘区增强氧化#会使量子线形成量子点⑤制备源漏栅电极 图12、原理：FET 的工作原理是电子运动不需要按量子力学的规律,而单电子晶体管SET与FET器件不同，它是基于内在的量子现象：穿过一个金属-绝缘N.OO$(b)印忙的电路图閤2申电r隧逍效应晶体辔滋机)(a)弘丁的简单结均困体- 金属结的隧道效应。

当两个金属电极由 一个厚度仅为1 nm 的绝缘层隔开时,在 Fermi 能量级的电子能够穿过绝缘体,而在 传统的运动中,这样的电子能量就太低,以 至于不能克服绝缘区的大势垒隧道效应表 现为绝缘层的一个有限电阻RT,这个电阻取 决于对电子波阻碍的传输系数T和撞击绝 缘层的独立电子波方式的数量MSET利用 了多电子系统中隧道效应的一个关键性质 是：对于绝缘层有TM W1,通过绝缘层迁 移的电荷Q变为量子化是Q= Ne,其中N为 整数对电子波动而言N不是主题，所以结 电阻一定比电阻量子要大，即，RT^h / e2 = RK = 25.8 KQ单电子晶体管SET是由两个 以串联放置的隧道结构成，如图2 (a)所示 显然,在两个结之间因而就形成了一个“岛”,栅极与这个岛有静电的连接因此可以将SET描述为一个FET,只不过此时 FET中的半导体沟道已由SET中夹在两个隧道结之间的金属岛来取代这 个岛有总电容为C，它是栅极电容和各隧道结电容之和，即为C = Cg + CJZ Z l+ CJ 如果岛的尺寸足够地小，当一个单电子从外面隧穿进入这个岛时， 将会2使岛中这个额外电子的电荷能量EC = e2 / 2 C变得比热运动能量KTZB 大的多，即E 2KT，这里K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。

这种情况下C B B 会出现库仑阻塞现象：一旦某个电子隧穿进入该岛，它将会阻止随后的第二 个电子再进入该岛，否则将导致系统总能量的增加，因而是不允许发生的过 程显然，只有等待某个电子离开该岛后，另外的电子才有可能再进入，从 而可以利用库仑阻塞现象控制单个电子逐一进入、离开岛区，实现单电子隧 穿过程因为当电子通过岛时经过库仑互相作用后，电子有激烈地互相作用， 所以SET的分析与FET的分析是完全不同的在FET中，电子独立地从源 极到漏极，电的输运是由简单地增加每个电子的运动来产生，以扩散-漂移 输运为主，控制的是成群电子的运动状态而在SET中，电的输运产生于 本系统的集体电荷状态之间的跃迁这些电荷的状态可由已经穿过隧道结的 两个电子数量N1和N2来描述，如图2 (b)所示，图中带横线的方框符号表 示一个隧道结，每个结的特性用其电容和隧道电阻表示SET器件的特性通 过下式所表示的全部静电能量来控制：EGLs = EC : N2 - Nl - (Cg Vgs / e)- (C2 Vd / e) + q0] 2 - eN2 Vd (l)此能量包括存储在结电容和栅极电容中的 能量，以及电压源所提供的能量。

其中，lgs和Ids是分别施加在栅源之间和 漏源之间的电压gO为失调栅极电荷，若只涉及SET的放大机理，则可将 它看作常数隧穿过程将以全部能量控制的几率独立发生在每个结中，若结 电阻满足RT1，RT22RK，且电压源Vgs和Vds具有很小的内阻抗，按电阻量 子的比例大约为库仑频率EC / h在这个状态下，每个隧穿过程产生一个电 子- 空穴对，这个电子和空穴在结的对应两边连续的隧穿过程构成一个 Poisson过程更明确地，一个隧穿过程若发生在隧道结i中，将有以下给 定的几率：「i = l/RTie2*REi/(1 - exp (-▽Ei / KBT) )] (2)式中：^Ei是隧穿过程引起体系静电能量的降低量，^Ei = Eels {Nib，Nj} -Eels {Nia，Nj}，Eels是由式(1)确定的，Nib和Nia分别表示第i个隧道 结隧穿前后的电子数量显然，^Ei越大则隧穿几率"i也越大3、性能：(1) 电学特性： 该器件的电学特性是用HP4155A半导体特性测试仪测量 的,器件被放置在低温装置中!如y 右图所示:在微分电导dIds/dVds~Vds特性 曲线上可看到微分电导随电压变化 的电导振荡峰，在Id〜Vd特性上可 观测到零电压附近有明显的库仑阻 塞区，以及随着vds电压的增大库仑 阻塞被解除而表现出的库仑台阶。

由以上这些周期性的振荡特性，可以估算出器件漏区隧道结的电容Cd约为1.47aF，假定源区隧道结的电容Cs与Cd 相等，则Cs~Cd从图的Id〜Vgs特性可以观察到在固定的Vd电压下，源漏电流Ids随栅极电压 Vgs变化的一系列周期变化的振荡峰这些电流振荡峰值是因为随着栅电压的增 加#改变了量子点内电子的量子化能级，不断克服库仑阻塞和单电子隧穿所形成 的!大的振荡峰的平均周期约为AV [=180mV,小的振荡峰的平均周期约为△ Vg2=30mV当测量温度从2.5K变化到32K时，大的振荡峰的位置和周期是固定 的，而有些小的振荡峰则随着温度的增加而消失这些不同的振荡峰是由多个尺 寸不同量子点的单电子隧穿效应引起的可计算得到栅电容Cg]=0.89aF (Cg1=e/ △Vg1)和Cg2=5.33aF(Cg2=e/AVg2),总的栅电容Cg=6.22aF(Cg=Cg1+Cg2)，该器 件的总电容C^=Cd+Cs+Cg~9.16aF对于这样小电容的单电子晶体管，其库仑充 电能为8.7meV,大于77k温度时的热振动能(6.6meV)因此，在77k温度下也 可以观测到明显的振荡特性，如图所示2) 稳定、可集成的单电子晶体管 单电子晶体管从材料体系可分为：(1)金属单主要由盖帽层、维电子气屡、 盖帽表面层以及表面栅构成，在栅上加足够大的负偏压形成最子点，这种表面栅 单电子d6体管有以下不足：(1)表面栅上的大负偏压导致大的耗尽区，使量子点的 儿何尺、不能太小，否则将不导通。

这种晶体管的量子点势能分布平坦，耗尽宽 度大．其鼍子点的几何尺寸无法小到纳米量级，因而它只能在极低温下工作作；(2)量子点的势能廓不陡峭干大面积的表面栅引起的势垒下总体杂质数日的增加，导致单电子晶体管的工作状态不稳定；(3)量子点完全由表面栅柬实现，从 而限制了其应用并使它不可能集成图右图是一种新型的波导型单电子晶体管”I,是由一维波导及线条栅等组成的单电子品体管，其工作温度高、性能稳定、适于集成它是利用一维波导和线条栅组合形成墙子点的技术来制备的在衬底和缓冲层 及台面之间是二维电子气层，利用二维电子 气层通过合金形成欧姆接触作为源极和漏 极．利用“挖槽”技术在源极和漏极之间形 成一维波导，一维波导通过槽与其他台面部 分隔离，在一维波导上沉积形成两条势卑' 线条栅及两条边线条栅．在势牟线条栅施加 负偏压．耗尽这两条势争线条栅下的电子 气，从而在它们之间的波导中形成量子点一它的量子点由一维波导和加条势 垒栅的负偏压形成，这两势垒线条栅F的波导区就为单电子晶体管的两隧穿结.边 栅上的偏压可改变量了点中的电子数其电子被限制在一维波导中运动，这一电 子波导枵当于光学上的Fabry—Parecavity, NN. G—种基于晶体管更易显示位相 相干等量子效应。

这种单电子晶体管结构中，表面栅面积的减少也降低r垒区杂 质存在的几率，提高了器件工作的稳定性；利用倒三角形的腐蚀截面羽『悬挂栅 技术避免了栅和通道层的接触.减少r漏电电流，并提高r器件的成品率；利用线 条栅代替大面积表面栅，减弱了金属栅对电子的屏蔽作用，并减小了量子点的电 容，从而提高r器件的I：作温度；小的栅偏压即可在栅下形成隧穿结，使量子点 的势能廓陡峭规则并使器件的性能稳定、可靠，其量子点的尺寸小到纳米母级， 从而大大提高器件的工作温度3) 高温单电子晶体管如右图是一种高温单电子晶体管， 我们称它为点接触平面栅型单电子晶体 管㈦，结构如右图所示：在Si衬底上的 导电材料层中有源极和漏檄；在源擞和 漏极之间是一含有量子点的窄通道：在 窄通道两边足点接触平面栅，在导电材 料J去上为.沉{{}{的SiOz绝缘材料层； 在绝缘材料层上覆盖有表面栅通过点 接触平面栅上的负偏压挤压可使窄通道进一步变窄，从而导致只受单一量子点 杯；制的窄通道窄通道中的鼍子点由材料制备中的自组装方法或工艺过程中腐 蚀、氧化等原因形成若导电材料层本身为一非导通层，通过加存表面栅上的上 偏压，在导电材料层形成反型二维电子气，并凋节电子数和源漏极间的电流、若 导电材料层本身为一掺杂导通层，则点接触平面栅和窄通道之间适应沉积或氧化 一绝缘层，这时表面栅主要用来调节、控制单一量子点巾的电子教和源漏极问的 电流。

缓冲外延屡可进 步提高导电材料层的质量若缓冲外延层为非掺杂层，作为掺杂衬底与导电材料层的绝缘层，以阻漏电电流的产生缓冲外延层可和构 成导电材料层的各种材料相同，但材料的组合小相同，结构也不相同4、单电子晶体管（SET ）的一些应用单电子晶体管（SET）是微电子科学的一 个重要发现由于可以控制在微小隧道结体系 中单个电子的隧穿过程，因而利用它可以设计 出多种功能器件在现代亚微米器件中，限制 器件工作速度的是电容充放电时间，而单电子 晶体管的电容大约只有10 - 16F,且只要控制单 个电子即可实现某种特定功能，所以它的响应 速度和功耗都比传统晶体管的极限数据优于 上千倍目前日本已经研制成功在室温条件下 工作的单电子晶体管SET它至少可以在以下 三个方面有重要应用：Qubit （ Read-i）ut也■读叶创胪屯麺1）对极微弱电流的测量和制成超高灵敏度的静电计； 2）构成新机理的超高 速微功耗特大规模量子功能器件、电路和系统，以及量子功能计算机； 3）研究高灵敏度红外辐射检测器本文以单电子晶体管SET 用于实现量子计算机的读出器为，说明SET可用于 放大相关单个量子信号图3为用SET读出“gubit” 的电路。

图中带横线的方框符号表示一个隧道结，虚 线左边为“gubit”电路，右边为“read - out”电路a） 基本设计基帛设计一匕互补型邀计便U单屯『融发器4D百$申“gubit”电路是借助于具有Josephson耦合能的 Josephson隧道结，由库仑能为Ec的超导岛连接一个 超导电容构成通过与电压源连接的栅极电容Cg可 以静电地影响此岛而“read - out”电路是由单电子 晶体管SET构成，用于读出这个gubit另一个用SET 设计的例子是模仿传统的存储器设计，例如静态存储 器单元或者称为触发器设计电路如图4 所示，其工 作原理与传统触发器相同图4 (a)中，隧道结J2和J3构成一个单电子晶体管， 图4 (b)互补型设计图4单电子触发器为负载电阻，它是具有典型的隧道电。