单电子器件

    单电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应( single -electron tunnel effect)的基本物理原理，而产生的一种新型的纳米电子器件。单电子器件包括单电子晶体管和单电子存储器。单电子晶体管( single electron transistor，SET)比较普遍，也最重要。它在未来的微电子学和纳米电子学领域将占有最重要的地位。

    早在20世纪50年代初期，人们就发现了库仑阻塞效应和单电子隧道效应。库仑阻塞效应如图5 -3所示。库仑阻塞效应和单电子隧道效应的直接应用就是设计和制造单电子晶体管。但直到20世纪80年代后期，人们才成功地实现了利用这些效应的电子线路。实践滞后于理论长达近40年，主要原因是：在此之前，人们无法加工出所需的非常微小的电极以及对这些电极的精确定位。20世纪80年代末期，观测到库仑阻塞效应和单电子隧道效应。如果将器件的结构尺寸减小到数纳米时，就有可能制造出在液氮温度以上工作的单电子晶体管。一个新物理现象刚刚发现，马上就会提出基于这一新现象的新器件设计和性能预测，这就是科学的发展与进步。1993年，Nature杂志的副主编在该杂志上著文评论时指出，以单电子隧道效应为基础的单电子晶体管很可能在2000年以后问世。然而，一年后，利用10 nm左右的硅和二氧化钛材料研制成功了单电子晶体管。单电子晶体管的结构示意图如图5-4所示。稍后，同样基于单电子隧道效应和库仑阻塞效应的单电子存储器也开发出来。在这类新材料、新器件的设计和研制过程中，反过来又提出不少新的物理问题，需要理论和实验工作者给出更进一步的论证阐明。在这个领域，材料设计的理论工作一直起着重要的作用。

    图5-3    库仑阻塞效应的示意图

    图5-4    单电子晶体管结构

    图5-5    普通电子晶体管结构示意图

    在普通的硅芯片半导体电路中，微晶体二极管通过电路的接通和断开代表二进制中的“1”和“0”，实现这样一个过程大约需要10万个电子，如图5-5所示。实验已经证实，由55个金原子在平面分布形成的所谓“纳米簇”可以达到同样的功能，实现电路的接通和断开只需要一个电子。比较图5-5与图5-4，可看出单电子晶体管与普通电子晶体管的工作原理的差异。

    电子隧穿就是电子一个一个地从一极到另一极，如图5-4中所示。通过结的电荷只能取电子电荷的整数倍的分立值，但与岛相连的外部电路中的电流，即单位时间通过导线横截面的电荷应是连续的，没有必要一定按电子电荷的整数数值进行。根据电流连续性原理，与导线相连的岛区电荷Q也应连续，即Q完全可以连续取任意数值。这是因为岛区电荷Q反映岛中的所有自由电子相对于材料晶格上正离子的相对位移的总和，它体现系统对电中性的偏离，而这种相对位移是连续的。

    单电子晶体管器件具有许多特点：

    ①功耗低，灵敏度高，易于集成等；

    ②高频高速工作，由于隧穿机制为一高速过程，同时单电子晶体管具有极小的电容，故工作速度非常快；

    ③功耗非常小，因其输运过程为单电子性的，所以电流和功耗非常低；

    ④适用于多值逻辑，由于单电子晶体管的I-V特性为台阶状，不同电压对应多个稳定的电流值，故适宜用作多值逻辑。

    单电子器件的研究核心主要集中在器件的制备与集成两个方面。这是一个广泛涉及到材料类型、设计方案、结构形式和工艺技术等方面的复杂问题。采用合理的结构形式和适宜的工艺技术，以制备出能够在较高温度下工作，而且性能稳定可靠和易于实现大规模集成的单电子器件，一直是人们所追求的目标。

    与常规的半导体器件不同，人们研究单电子器件的主要目的，不是设计和制造单个孤立器件，而是着眼于它们的大规模集成，以实现其逻辑运算和信息存储等功能。然而，与传统的集成电路有所不同，单电子集成电路是依靠单个器件之间的无线耦合形成，而并非依靠互连引线形成，因而工艺技术难度很大。

    不过目前人们已提出了一些集成方法，用于单电子器件的大规模集成，如多隧道结隧穿耦合集成方式、量子点浮置栅全电容耦合集成方式。

    单电子器件结构形式包括三种类型。

    第一类是微小隧道结型单电子器件。世界上首例库仑阻塞现象就是在微小金属隧道结中发现的。隧道结依据个数的不同，可分为单隧道结、双隧道结和多隧道结等。此外，由于构成微小隧道结的材料类型不同和工艺技术相异，可以形成的微小隧道结在结构形式上亦各不相同。目前，由于硅工艺具有成熟性、灵活性与兼容性等优点，使得硅基隧道结单电子器件成为研究的主流。

    第二类是二维电子气( 2DEG)型单电子器件。在半导体位垒的某一侧可形成2DEG，最早是在硅基一金属氧化物场效应晶体管(Si - MOFET)上实现一个维度方向加以限制的低维系统。由于Si和SiO，界面导带的不连续，形成了一个三角势阱，将电子限制在其中，电子既不能穿过氧化层，也不能进入Si的体内，电子的运动被限制在二维界面内。目前多用分子束外延生长的镓砷、镓铝砷( CaAs/GaAIAs)来制造2DEG的典型量子器件。图5-6所示是二维电子气三极管，通过漏电极和门电压可以实现信号放大。它具有高的输出电阻和低的输入电容，可以实现高频高速的信号放大。结构小到纳米量极，限制电子在二维系统中输运，呈现出显著的量子效应。利用二维电子气构造各种纳米电子器件，是硅技术目前研究的重要内容。基于徽电子加工技术基础，构造二维电子气器件的集成电路，研究各单元器件间的耦合作用，揭示纳米电子集成电路的一些规律和现象。

    图5-6    二维电子气三极管

    第三类是纳米量子点型单电子器件。这种器件结构的有源区是利用自组织方法，在衬底表面上形成的具有一定结构形状、尺寸大小和密度分布的纳米量子点。研究证实，采用这种自然分布的纳米量子点，可以形成无损伤、无缺陷、高密度（~1012个/cm3）和小尺寸(<10 nm)的小量子岛。人们已采用这种结构制备了CdSe、InAs、SiGe以及Si等纳米量子点，用于制备单电子晶体管，并在77~292 K温度范围内清楚地观测到了电流的库仑台阶现象。随着纳米加工技术的飞速发展，单电子晶体管不仅在尺寸上已经达到了数纳米的尺度，其工作温度也达到了室温的条件。但是，不足之处是目前还不能有效地控制其尺寸大小和密度分布。