專利名稱：全金屬量子點單電子存儲器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種全金屬量子點單電子存儲器，適用于工業、國防、宇航、民用、科學研究等領域，尤其適用于集成電路芯片、計算機CPU、計算機內存、信息存儲、通訊、數據采集記錄和處理、圖象語音信息處理、科學儀器、機載和艦載電子儀器儀表、衛星和導彈控制、工業和民用電子儀器儀表。
電子器件經歷了從電子管到晶體管，從分立器件到集成電路的發展。為了滿足迅速發展的信息和計算機技術的需要，集成電路線寬不斷減小，集成度不斷提高。高密度、高速度、低功耗是集成電路技術追求的幾個主要指標。目前工業化大規模生產的集成電路線寬已減小至0.3微米，而實驗室已可制造出10納米以內的線寬。減小線寬可以成比例地提高集成電路的密集度，但當器件某一維或多維尺寸減小到納米量級，以至特征尺寸小于由外界溫度所決定的非彈性散射自由程時，量子效應將十分明顯，導致傳統宏觀概念失效，基于傳統宏觀概念的三極管、二極管等也將不能正常工作，因此需要根據量子力學原理設計新的量子器件。從70年代中期到90年代，量子器件經歷了從二維量子阱器件到一維量子線和零維量子點器件的發展，目前成熟的二維量子阱器件已有很多，如諧振隧穿二級管、三級管、超晶格器件等，而零維量子點器件尚在探索之中，已報道的有單電子三極管(Single Electron Transistor，SET)和單電子硅三極管存儲器，它們的工作原理主要基于量子隧道效應和庫侖阻塞效應。當相互絕緣的兩個電極充分接近時就構成一個隧道結，流過該隧道結的隧道電流的大小與所加電壓成正比，而隨兩個電極間距離的增加成指數衰減。因此僅當兩個導體間的距離減小到幾個納米以內時，才有可觀的隧道電流。把兩個隧道結串聯起來，使中間兩個相連的電極縮小為一個納米量子點，并在其鄰近處新增一個柵極就構成了一個SET。從表面上看SET同普通三極管一樣有三個電極，但其I-V特性完全不同于普通三極管，單個SET既不具有放大功能也不具有整流功能，只能作為一個基本構件來組成更復雜的結構，完成某一具體功能。單電子硅三極管存儲器的核心是一個納米量子點，在該量子點的一邊是柵極，另一邊是摻雜硅溝道。工作時，先在柵極加一個脈沖電壓，一個或多個電子可從硅溝道隧道進入納米量子點，并存儲起來，實現電學“寫”。由于庫侖阻塞效應，納米量子點上所存儲的電子數目與柵極上所加脈沖電壓大小呈量子關系，通過這些電子的多寡可以表示二進制“0”和“1”或其他多進制數。納米量子點上的這些電子會影響鄰近硅溝道的載流子濃度，從而導致其截止電流發生變化。反過來通過硅溝道截止電流的變化可以檢測納米量子點上所存儲的電子數目，實現電學“讀”。單電子硅三極管存儲器尺寸小，結構簡單，可以實現多值存儲，以其為基本單元，可以制作超大容量存儲器。由于量子隧道效應速度快，幾乎不消耗能量，由這些量子點器件可以制作超高速、超低功耗的集成電路。單電子三極管既可采用半導體材料也可采用金屬材料進行制作，而單電子硅三極管存儲器，為了實現電學“讀”，必須采用半導體材料進行制作。采用半導體材料制作的器件工作時會受到一個很大的限制，即必須保證適當的環境溫度。在低溫時半導體會轉變成絕緣體，而高溫時半導體會轉變成導體，完全失去半導體材料的特性，從而使器件不能正常工作。
本實用新型的目的是提供一種全金屬量子點單電子存儲器，采用由全金屬材料制作的雙SET結構實現電學“讀”和“寫”，從而提高器件的低溫性能，突破對半導體工藝的依賴，避免對超高質量單晶硅的需求。
為達到上述目的，本實用新型采用以下技術方案把不帶有柵極的兩個SET相鄰放置，使它們的中心納米量子點相距很近。其中SET1起存儲作用，當給它施加一個脈沖“寫”電壓時，n個電子將隧道進入其納米量子點Dot1上。由于庫侖阻塞效應，進入Dot1的電子數目n與“寫”脈沖電壓大小呈量子臺階關系。SET2起檢測作用，即“讀”出Dot1上存儲的電子數目n，流經SET2的隧道電流I受其納米量子點Dot2上電荷多少的調制而呈正弦變化，I＝ASin(2πQ/e)其中Q是在Dot2上感應產生的總電荷，它主要來源于兩個方面，一是Dot1與Dot2之間的功函數差，二是Dot1上存儲的電子。Dot1上一個電子e可在Dot2上感應產生相當于fe大小的電荷量，系數f(＜1)與Dot1與Dot2之間的距離等因數有關，因此通過I可精確檢測Dot1上的電子數目n。為了抑制熱躁聲，正確顯示庫侖阻塞效應，要求e2/2C＞＞KT，其中C是SET的隧道結電容，K是玻耳茲曼常數，T是溫度。一般當T為室溫時，要求Dot1與Dot2的直徑小于10nm。由于上述兩個SET都可采用全金屬材料在絕緣基片上制作出來，這樣就突破了對半導體工藝的依賴，避免了對超高質量單晶硅的需求。金屬材料溫度越低，電阻越小，同時環境溫變越低，量子噪音越小，因此全金屬量子點單電子存儲器可工作于直至絕對零度，其低溫性能遠遠超出單電子硅三極管存儲器。
圖1為全金屬量子點單電子存儲器結構示意圖。
下面根據附圖對本實用新型作進一步詳細描述電極1、電極4與納米量子點5分別相隔納米量級，組成兩個串聯隧道結，相當于一個無柵極SET，電極6、電極8與納米量子點7分別相隔納米量級，組成兩個串聯隧道結，構成另外一個無柵極SET。這兩個SET相鄰放置，使得納米量子點5與納米量子點7相隔在納米量級。構成這兩個SET的所有電極、納米量子點和導線皆可用金屬材料制作，并且可處于一個平面上，互成一定角度，或分處于數個平面上。一個適當大小的脈沖電壓Vp通過導線9和10加在電極6和8上，使得n個電子隧道進入納米量子點7，實現電學“寫”。適當大個的恒定電壓V通過導線2和3加在電極1和4上，通過流過導線2或導線3的電流可以檢測納米量子點7上所存儲電子的多少，實現電學“讀”。
本實用新型與現有技術相比具有以下優點和效果可在絕緣基片上采用全金屬材料制作出來，突破了長期來對半導體工藝的依賴，避免了對超高質量單晶硅的需求。同時它又保持了單電子硅三極管存儲器的所有優點，如密度高、速度快、功耗低。可工作于直至絕對零度，其低溫性能遠遠超出單電子硅三極管存儲器。并且本實用新型設計的雙SET電學“讀”和“寫”結構同樣可用傳統工藝，在硅片上加工出來，從而充分利用目前已經相當成熟的半導體加工技術。
權利要求1.一種全金屬量子點單電子存儲器，它由電極(1)、(4)、(6)、(8)、納米量子點(5)、(7)、導線(2)、(3)、(9)、(10)構成，其特征是電極(1)、電極(4)與納米量子點(5)分別相隔納米量級，構成一個無柵極SET，電極(6)、電極(8)與納米量子點(7)分別相隔納米量級，構成另外一個無柵極SET，這兩個SET相鄰放置，使得納米量子點(5)與納米量子點(7)相隔納米量級。
2.根據權利要求1所述的一種全金屬量子點單電子存儲器，其特征是電極(1)、(4)、(6)、(8)、納米量子點(5)、(7)、導線(2)、(3)、(9)、(10)皆可由金屬材料制作。
專利摘要本實用新型公開了一種全金屬量子點單電子存儲器,它由兩個相鄰放置的無柵極單電子三極管(SET)組成,一個SET負責電學“寫”,一個SET負責電學“讀”,其中每個SET由電極、納米量子點、電極組成的兩個串聯隧道結構成,兩個SET的納米量子點相隔納米量級。本實用新型主要適用于集成電路、計算機等領域,以其為基本電路單元,可制作超大容量、超高速、低功耗存儲器。與現有技術相比本實用新型可在絕緣基片上采用全金屬材料制作出來,避免了對超高質量單晶硅的需求,可工作于直至絕對零度。
文檔編號H01L27/00GK2376676SQ9923751
公開日2000年5月3日 申請日期1999年4月16日 優先權日1999年4月16日
發明者李志揚, 劉武, 沈嶸 申請人:華中師范大學