專利名稱：全金屬量子點(diǎn)單電子存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種全金屬量子點(diǎn)單電子存儲器，適用于工業(yè)、國防、宇航、民用、科學(xué)研究等領(lǐng)域，尤其適用于集成電路芯片、計(jì)算機(jī)CPU、計(jì)算機(jī)內(nèi)存、信息存儲、通訊、數(shù)據(jù)采集記錄和處理、圖象語音信息處理、科學(xué)儀器、機(jī)載和艦載電子儀器儀表、衛(wèi)星和導(dǎo)彈控制、工業(yè)和民用電子儀器儀表。
電子器件經(jīng)歷了從電子管到晶體管，從分立器件到集成電路的發(fā)展。為了滿足迅速發(fā)展的信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)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(shù)追求的幾個主要指標(biāo)。目前工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的集成電路線寬已減小至0.3微米，而實(shí)驗(yàn)室已可制造出10納米以內(nèi)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(dāng)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(shí)，量子效應(yīng)將十分明顯，導(dǎo)致傳統(tǒng)宏觀概念失效，基于傳統(tǒng)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(jù)量子力學(xué)原理設(shè)計(jì)新的量子器件。從70年代中期到90年代，量子器件經(jīng)歷了從二維量子阱器件到一維量子線和零維量子點(diǎn)器件的發(fā)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(diǎn)器件尚在探索之中，已報(bào)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(yīng)和庫侖阻塞效應(yīng)。當(dāng)相互絕緣的兩個電極充分接近時(shí)就構(gòu)成一個隧道結(jié)，流過該隧道結(jié)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(shù)衰減。因此僅當(dāng)兩個導(dǎo)體間的距離減小到幾個納米以內(nèi)時(shí)，才有可觀的隧道電流。把兩個隧道結(jié)串聯(lián)起來，使中間兩個相連的電極縮小為一個納米量子點(diǎn)，并在其鄰近處新增一個柵極就構(gòu)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(gòu)件來組成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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(diǎn)，在該量子點(diǎn)的一邊是柵極，另一邊是摻雜硅溝道。工作時(shí)，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(jìn)入納米量子點(diǎn)，并存儲起來，實(shí)現(xiàn)電學(xué)“寫”。由于庫侖阻塞效應(yīng)，納米量子點(diǎn)上所存儲的電子數(shù)目與柵極上所加脈沖電壓大小呈量子關(guān)系，通過這些電子的多寡可以表示二進(jìn)制“0”和“1”或其他多進(jìn)制數(shù)。納米量子點(diǎn)上的這些電子會影響鄰近硅溝道的載流子濃度，從而導(dǎo)致其截止電流發(fā)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(diǎn)上所存儲的電子數(shù)目，實(shí)現(xiàn)電學(xué)“讀”。單電子硅三極管存儲器尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)速度快，幾乎不消耗能量，由這些量子點(diǎn)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(dǎo)體材料也可采用金屬材料進(jìn)行制作，而單電子硅三極管存儲器，為了實(shí)現(xiàn)電學(xué)“讀”，必須采用半導(dǎo)體材料進(jìn)行制作。采用半導(dǎo)體材料制作的器件工作時(shí)會受到一個很大的限制，即必須保證適當(dāng)?shù)沫h(huán)境溫度。在低溫時(shí)半導(dǎo)體會轉(zhuǎn)變成絕緣體，而高溫時(shí)半導(dǎo)體會轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體，完全失去半導(dǎo)體材料的特性，從而使器件不能正常工作。
本實(shí)用新型的目的是提供一種全金屬量子點(diǎn)單電子存儲器，采用由全金屬材料制作的雙SET結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電學(xué)“讀”和“寫”，從而提高器件的低溫性能，突破對半導(dǎo)體工藝的依賴，避免對超高質(zhì)量單晶硅的需求。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)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(diǎn)相距很近。其中SET1起存儲作用，當(dāng)給它施加一個脈沖“寫”電壓時(shí)，n個電子將隧道進(jìn)入其納米量子點(diǎn)Dot1上。由于庫侖阻塞效應(yīng)，進(jìn)入Dot1的電子數(shù)目n與“寫”脈沖電壓大小呈量子臺階關(guān)系。SET2起檢測作用，即“讀”出Dot1上存儲的電子數(shù)目n，流經(jīng)SET2的隧道電流I受其納米量子點(diǎn)Dot2上電荷多少的調(diào)制而呈正弦變化，I＝ASin(2πQ/e)其中Q是在Dot2上感應(yīng)產(chǎn)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(shù)差，二是Dot1上存儲的電子。Dot1上一個電子e可在Dot2上感應(yīng)產(chǎn)生相當(dāng)于fe大小的電荷量，系數(shù)f(＜1)與Dot1與Dot2之間的距離等因數(shù)有關(guān)，因此通過I可精確檢測Dot1上的電子數(shù)目n。為了抑制熱躁聲，正確顯示庫侖阻塞效應(yīng)，要求e2/2C＞＞KT，其中C是SET的隧道結(jié)電容，K是玻耳茲曼常數(shù)，T是溫度。一般當(dāng)T為室溫時(shí)，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(dǎo)體工藝的依賴，避免了對超高質(zhì)量單晶硅的需求。金屬材料溫度越低，電阻越小，同時(shí)環(huán)境溫變越低，量子噪音越小，因此全金屬量子點(diǎn)單電子存儲器可工作于直至絕對零度，其低溫性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單電子硅三極管存儲器。


圖1為全金屬量子點(diǎn)單電子存儲器結(jié)構(gòu)示意圖。
下面根據(jù)附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述電極1、電極4與納米量子點(diǎn)5分別相隔納米量級，組成兩個串聯(lián)隧道結(jié)，相當(dāng)于一個無柵極SET，電極6、電極8與納米量子點(diǎn)7分別相隔納米量級，組成兩個串聯(lián)隧道結(jié)，構(gòu)成另外一個無柵極SET。這兩個SET相鄰放置，使得納米量子點(diǎn)5與納米量子點(diǎn)7相隔在納米量級。構(gòu)成這兩個SET的所有電極、納米量子點(diǎn)和導(dǎo)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(shù)個平面上。一個適當(dāng)大小的脈沖電壓Vp通過導(dǎo)線9和10加在電極6和8上，使得n個電子隧道進(jìn)入納米量子點(diǎn)7，實(shí)現(xiàn)電學(xué)“寫”。適當(dāng)大個的恒定電壓V通過導(dǎo)線2和3加在電極1和4上，通過流過導(dǎo)線2或?qū)Ь€3的電流可以檢測納米量子點(diǎn)7上所存儲電子的多少，實(shí)現(xiàn)電學(xué)“讀”。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)體工藝的依賴，避免了對超高質(zhì)量單晶硅的需求。同時(shí)它又保持了單電子硅三極管存儲器的所有優(yōu)點(diǎn)，如密度高、速度快、功耗低?？晒ぷ饔谥敝两^對零度，其低溫性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單電子硅三極管存儲器。并且本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的雙SET電學(xué)“讀”和“寫”結(jié)構(gòu)同樣可用傳統(tǒng)工藝，在硅片上加工出來，從而充分利用目前已經(jīng)相當(dāng)成熟的半導(dǎo)體加工技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種全金屬量子點(diǎn)單電子存儲器，它由電極(1)、(4)、(6)、(8)、納米量子點(diǎn)(5)、(7)、導(dǎo)線(2)、(3)、(9)、(10)構(gòu)成，其特征是電極(1)、電極(4)與納米量子點(diǎn)(5)分別相隔納米量級，構(gòu)成一個無柵極SET，電極(6)、電極(8)與納米量子點(diǎn)(7)分別相隔納米量級，構(gòu)成另外一個無柵極SET，這兩個SET相鄰放置，使得納米量子點(diǎn)(5)與納米量子點(diǎn)(7)相隔納米量級。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全金屬量子點(diǎn)單電子存儲器，其特征是電極(1)、(4)、(6)、(8)、納米量子點(diǎn)(5)、(7)、導(dǎo)線(2)、(3)、(9)、(10)皆可由金屬材料制作。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種全金屬量子點(diǎn)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(fù)責(zé)電學(xué)“寫”,一個SET負(fù)責(zé)電學(xué)“讀”,其中每個SET由電極、納米量子點(diǎn)、電極組成的兩個串聯(lián)隧道結(jié)構(gòu)成,兩個SET的納米量子點(diǎn)相隔納米量級。本實(shí)用新型主要適用于集成電路、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)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(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)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(zhì)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(yōu)先權(quán)日1999年4月16日
發(fā)明者李志揚(yáng), 劉武, 沈嶸 申請人:華中師范大學(xué)