一種單電子晶體管及其制備方法

專利名稱：一種單電子晶體管及其制備方法
技術領域：
本發明涉及微電子器件及微加工方法。
傳統電子晶體管通過控制千萬以上的成群電子的集體運動來實現開關、振蕩和放大等功能；單電子晶體管則只要通過一個電子的行為就可實現特定的功能。隨著集成度的提高，功耗已成為微電子器件電路穩定性的制約因素。以單電子晶體管構成的元件可大大提高微電子的集成度并可使功耗減小到10-5。


圖1是已知的單電子晶體管的原理示意圖，由源極1，漏極2，量子點(或庫侖島)3，兩隧穿節4和5以及一調節庫侖島電子數的柵6組成。它的正常動作須兩個基本條件(1)源、漏極間的電阻大于量子電阻Rq＝h/e2≈26kΩ；(2)量子點的電容足夠小使得e2/2C＞＞kBT。其中C為量子點的電容，kB為玻爾茲曼常數，T為工作溫度。當量子點的有效直徑小于10納米時，單電子晶體管就能在室溫工作。
目前單電子晶體管從材料體系可分為(1)金屬單電子晶體管，(2)有機材料單電子晶體管，(3)半導體單電子晶體管。前兩種單電子晶體管主要用于技術探索和基本特性研究，最后一種可用于應用研究、甚至產品開發。這些單電子晶體管的制備方法主要有(1)掃描探針顯微鏡SPM技術，(2)聚焦離子束注入FIB技術，(3)電子束光刻技術。前兩種技術制備的單電子晶體管重復性和穩定性都比較差，并且第一種技術的微細加工時間太長。因而利用電子束光刻技術制備半導體單電子晶體管具有更重要的意義，特別是利用高遷移率二維電子氣結構的樣品來制備單電子晶體管有更潛在的意義。目前這方面的單電子晶體管的量子點結構都是通過大面積表面柵的負偏壓耗盡來實現。圖2為其中典型的單電子晶體管結構和原理示意圖，它主要由蓋冒層7、二維電子氣層8、蓋冒表面層9、以及表面柵6構成，在柵6上加足夠大的負偏壓形成量子點3(文獻1，R.C.Ashooriza，1996年2月1日，Nature)。這種表面柵單電子晶體管有以下不足(1)表面柵上的大負偏壓導致大的耗盡區，使量子點的幾何尺寸不能太小(如圖3所示)，必須大于(B1+B2)，否則晶體管將不導通。這種晶體管的量子點勢能分布平坦，耗盡寬度大，其量子點的幾何尺寸無法小到納米量級，因而它只能在極低溫下工作。(2)量子點的勢能廓不陡峭和大面積的表面柵引起的勢壘下總體雜質數目的增加，導致單電子晶體管的工作狀態不穩定。(3)量子點完全由表面柵來實現，從而限制了其應用并使它的集成成為不可能。
本發明的目的在于克服已有技術的不足，提供一種由一維波導及線條柵等組成的單電子晶體管，其工作溫度高、性能穩定、適于集成。本發明的單電子晶體管是利用一維波導和線條柵組合形成量子點的技術來制備的。通過“挖槽”等技術的應用減小了工藝損傷及提高了成品率。
本發明的目的是這樣實現的本發明的單電子晶體管是這樣構成的在襯底和緩沖層及臺面之間是二維電子氣層，利用二維電子氣層通過合金形成歐姆接觸作為源極和漏極，利用“挖槽”技術在源極和漏極之間形成一維波導，一維波導通過槽與其他臺面部分隔離，在一維波導上沉積形成兩條勢壘線條柵及兩條邊線條柵，在勢壘線條柵上加負偏壓，耗盡這兩條勢壘線條柵下的電子氣，從而在它們之間的波導中形成量子點。
它的量子點由一維波導和加在線條勢壘柵的負偏壓形成，這兩勢壘線條柵下的波導區就為單電子晶體管的兩隧穿結。邊柵上的偏壓可改變量子點中的電子數。
本發明的制備單電子晶體管方法是按以下步驟實現的(1)用分子束外延、液相外延或氣相外延等方法生長有二維電子氣層的樣品，從樣品表面到電子氣層的厚度不大于60納米。
(2)用常規光刻法或電子束光刻法通過金屬沉積剝離或臺面腐蝕技術制備套刻標記，標記的高度須大于200納米，否則將影響套刻精度。
(3)用普通光刻法制備器件的大面積部分，其中包括深腐蝕法制備器件臺面，快速退火制備歐姆接觸和金屬蒸發制備肖特基柵的引線接觸部分。
(4)用濕腐蝕法制備寬度Ww為200納米≥Ww≥1000納米的一維波導，采用“挖槽”技術(如圖4所示)則可減小器件在工藝過程中的損傷，通過控制“倒三角形”的腐蝕截面(如圖5所示)可減小柵極漏電電流和提高器件工作溫度，“挖槽”深度Hw為70納米≥Hw≥40納米，槽的寬度大于50納米，若要利用槽來形成平面柵，則它的寬度最好限制在500納米左右。該步驟也可用干法刻蝕來完成。
(5)利用電子束光刻法、X射線或移相掩膜法在波導上制備線條柵。若采用懸掛柵技術(圖5所示)可提高器件的成品率。由于臺階起伏表面上的條柵在局部有強的應力，它在剝離中很容易在局部出現斷裂；另外條柵局部應力的不均勻性會使條柵與波導表面虛接觸而不能形成肖特基勢壘，也會使條柵與腐蝕面的二維電子氣接觸而導致大漏電電流。為了避免以上的情況的出現，在蒸發過程中，使源蒸發角度和條柵方位成90度蒸發，選擇蒸發源金屬以使其和樣品表面的粘附性好、和樣品形成好的肖特基勢壘并有較高的勢壘高度、穩定性好且不易氧化。工藝過程中，要在釋放人體感應電后才可接近樣品，否則它的放電將毀壞窄溝道的波導和極微細的線條柵。
本發明的單電子晶體管的工作原理是電子被限制在一維波導中運動，這一電子波導相當于光學上的Fabry-Parot cavity，因而這種單電子晶體管更易顯示位相相干等量子效應；這種單電子晶體管結構中，表面柵面積的減少也降低了壘區雜子存在的幾率，提高了器件工作的穩定性；利用倒三角形的腐蝕截面和懸掛柵技術避免了柵和通道層的接觸，減少了漏電電流，并提高了器件的成品率；利用線條柵代替大面積表面柵，減弱了金屬柵對電子的屏蔽作用，并減小了量子點的電容，從而提高了器件的工作溫度；小的柵偏壓即可在柵下形成隧穿結，使量子點的勢能廓陡峭規則(圖6)并使器件的性能穩定、可靠。其量子點的尺寸可小達納米量級，從而大大提高器件的工作溫度。
下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明圖1是己知單電子晶體管的原理示意圖。
圖2是傳統單電子晶體管結構及原理示意圖。
圖3為傳統單電子晶體管的量子點勢能分布圖。
圖4是本發明單電子晶體管的結構示意圖。
圖5為利用濕腐蝕“挖槽”技術制備的一維波導和一懸掛線條柵。
圖6為本發明單電子晶體管的量子點勢能分布圖。
實施例1利用AlGaAs/InGaAs/AlGaAs調制摻雜二維電子氣樣品制備性能穩定、工作溫度高并適合應用的單電子晶體管(如圖1所示)。
樣品生長1)利用分子束外延技術在Si-GaAs襯底上生長750納米厚緩沖層11，生長溫度為750℃；2)在緩沖層上，在650℃生長二維電子氣層8即14.5納米的InGaAs層和1納米的GaAs層，其中In含量為0.18；3)襯底溫度升到780℃，生長10納米AlGaAs層和摻Si的30納米AlGaAs層，4)襯底溫度降到750℃生長10納米GaAs蓋冒層。其中步驟3)和4)經過腐蝕形成臺面10。
器件制備I)套刻標記制備1)將樣品分別在三氯乙烯、丙酮、無水乙醇中超聲清洗5分鐘；2)在110℃烘烤30分鐘，去掉樣品表面水汽；3)用勻膠機在樣品表面上甩上600納米的電子束光刻膠PMMA并在170℃烘烤60分鐘；4)用電子束光刻制備左右對稱的兩“+”字標記，其線寬為1-5微米，長度為1000微米；5)用甲基異丁基甲酮顯影30秒并用異丙酮定影50秒；6)用無水乙醇清洗樣品60秒并放進電子束蒸發室；7)當蒸發室的真空度達以上7×10-4Pa時，蒸發鈦(或鈮、鉻)50納米-100納米和金150納米以上；8)超聲剝離；9)長時間UV曝光60分以上并重復第二步步驟以去掉殘余的電子束光刻膠。II)用常規光刻法制備器件臺面10、歐姆接觸的源極1和漏極2以及大面積引線接觸部分；III)一維波導12的制備10)用電子束光刻制備“挖槽”圖形，重復前5步的步驟，但此時的電子束光刻膠的厚度為100納米，其光刻膠可為PMMA，也可為ZIP等等。11)用無水乙醇清洗樣品，選擇H2SO4∶H2O2∶H2O體系“挖槽”，其深度剛好達到二維電子氣層。利用濕法異性腐蝕控制“倒三角形”的腐蝕截面，形成槽17、18，一方面使有效波導寬度盡可能窄以提高器件工作溫度，另一方面避免了溝道中二維電子氣19和條柵13、14、15、16的可能直接接觸。為實現“倒三角形”的腐蝕截面，腐蝕邊應沿<011>和<0-11>方向，并選擇電化學控制的腐蝕液如稀硫酸、磷酸和氨酸等腐蝕體系，腐蝕速率控制在每秒0.1納米和1.6納米之間。12)用丙酮去掉光刻膠并重復第9步以去掉殘余的電子束光刻膠。IV)線條柵制備15)重復第10、7和8步的工藝，但此時蒸發鈦(或鈮、鉻)5納米-30納米和金20納米-30納米。在勢壘線條柵13、15之間的波導即為量子點3。
器件性能器件的成品率在95％以上并有相當好的穩定性。(1)在一個月內分別重復測量8個器件60次，單電子庫侖振蕩曲線各自完全重合；(2)一維波導寬為280納米、4條線條柵的寬度及相互間距都為50納米的器件都可在20K以上的溫度顯示清楚的單電子庫侖振蕩；(3)利用此單電子晶體管，我們探測到了單電子存儲器的單電子存儲過程并成功將它發展為對電荷的超敏感庫侖計。
實施例2利用AlGaAs/GaAs調制摻雜二維電子氣樣品(和實施例1的技術基本相同，除InGaAs換成層GaAs層外)制備了多種量子特性的單電子晶體管(1)量子波導型的單電子晶體管，觀察到量子相干特性對單電子庫侖振蕩幅度的調制作用；(2)在圖4的條柵16上加-1.2伏的偏壓，形成了雙量子點的單電子晶體管，觀察到了雙量子點的能級藕合效應；(2)條柵寬度和間距都等于50納米的單電子晶體管顯示了明顯的自旋庫侖阻塞效應。
實施例3用“常規光刻”來代替實施例1中“電子束光刻”制備套刻標記，制備了低溫單電子晶體管。其成品率為76％，遠比實施例1中的成品率低。
實施例4用“臺面腐蝕”來代替實施例1中“金屬沉積剝離技術”制備套刻標記，臺面腐蝕深度為500納米。單電子晶體管的成品率為68％。
實施例5用“臺面腐蝕”來代替實施例3中“金屬沉積剝離技術”制備套刻標記，臺面腐蝕深度為500納米。單電子晶體管的成品率為56％。
實施例6用干法腐蝕代替實施例1中的濕腐蝕制備一維波導，單電子晶體管的成品率為89％。單電子庫侖振蕩曲線重復測量很難完全重合。這主要是由于干法腐蝕對樣品有損害造成的。
實施例7實施例1中的樣品換為下列樣品1)利用分子束外延技術在Si-GaAs襯底上生長750納米厚緩沖層，生長溫度為750℃，2)在650℃生長14.5納米的Si-InGaAs層和1納米的GaAs層，其中In含量為0.18.3)襯底溫度升到780℃生長40納米AlGaAs層4)襯底溫度降到750℃生長10納米GaAs蓋冒層。
其單電子晶體管的特性都很復雜，顯示了非周期性的單電子庫侖振蕩。這主要是一維波導中含有多個量子點的緣故。
權利要求
1.一種單電子晶體管，其特征在于在襯底和緩沖層(11)及臺面(10)之間是二維電子氣層(8)，利用二維電子氣層通過合金形成歐姆接觸作為源極(1)和漏極(2)，利用“挖槽”技術在源極和漏極之間形成一維波導(12)，一維波導通過槽(17)和(18)與其他臺面部分隔離，在一維波導上沉積形成兩條勢壘線條柵(13)、(15)及兩條邊線條柵(14)、(16)，在勢壘線條柵(13)、(15)上加負偏壓，耗盡這兩條勢壘線條柵下的電子氣，從而在它們之間的波導中形成量子點(3)。
2.一種制備權利要求1的單電子晶體管的方法，其特征在于按以下步驟進行(1)用分子束外延方法生長有二維電子氣層的樣品，從樣品表面到電子氣層的厚度不大于60納米；(2)用電子束光刻法通過臺面腐蝕技術制備套刻標記，使標記的高度大于200納米；(3)用普通光刻法制備器件的大面積部分，即以深腐蝕法制備器件臺面、快速退火制備歐姆接觸和金屬蒸發制備肖特基柵的引線接觸部分；(4)用濕腐蝕法制備寬度Ww為200納米≥Ww≥1000納米的一維波導，采用“挖槽”技術及控制“倒三角形”的腐蝕截面，“挖槽”深度Hw為70納米≥Hw≥40納米，槽的寬度大于50納米；(5)利用電子束光刻法在波導上制備線條柵(13)、(14)、(15)和(16)，在蒸發過程中，使源蒸發角度和條柵方位成90度蒸發，選擇蒸發源金屬以使其和樣品表面的粘附性好、和樣品形成好的肖特基勢壘并有高的勢壘高度、穩定性好且不易氧化，工藝過程中，要在釋放人體感應電后才可接近樣品。
3.按權利要求2所述的制備方法，其特征在于其中步驟(1)還可以采用液相外延或氣相外延來生長有二維電子氣層的樣品。
4.按權利要求2所述的制備方法，其特征在于其中步驟(2)還可以采用常規光刻法制備套刻標記。
5.按權利要求2所述的制備方法，其特征在于其中步驟(2)還可以通過金屬沉積剝離技術制備套刻標記。
6.按權利要求2所述的制備方法，其特征在于其中步驟(4)還可以用干法刻蝕來制備一維波導。
7.按權利要求2所述的制備方法，其特征在于其中步驟(5)還可以采用X射線或移相掩膜法制備線條柵。
全文摘要
本發明涉及微電子及微加工方法。本發明提供一種由一維波導及線條柵等組成的單電子晶體管。本發明的單電子晶體管是利用一維波導和線條柵組合形成量子點等技術來制備的。本發明通過“挖槽”等技術的應用減小了工藝損傷,提高了成品率。本發明的單電子晶體管工作穩定性好,適于集成。本發明的量子點的尺寸可小達納米量級,從而大大提高了器件的工作溫度。
文檔編號H01L21/02GK1353461SQ0013351
公開日2002年6月12日 申請日期2000年11月9日 優先權日2000年11月9日
發明者王太宏 申請人:中國科學院物理研究所