CN103794494A - 制造机电晶体管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造机电晶体管的方法。提供了使用Janus微/纳米部件的机电晶体管及其制造方法。在一个方面，一种制造机电晶体管的方法包括以下步骤。提供晶片。在所述晶片的表面上形成彼此相对的源极电极和漏极电极，其中在所述源极电极和所述漏极电极之间存在间隙。在所述晶片的所述表面上在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙的相对侧上形成第一栅极电极和第二栅极电极。将至少一个Janus部件设置在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙中，其中所述Janus部件包括具有导电材料的第一部分和具有电绝缘材料的第二部分。

Description

制造机电晶体管的方法

技术领域

本发明涉及机电晶体管，更具体地，涉及使用Janus微/纳米部件（例如Janus颗粒、圆柱体、棱柱等）的机电晶体管及其制造工艺。

背景技术

微机电系统（MEMS）和纳米机电系统（NEMS）作为开关在存储器应用中的使用由于其良好的性能近来广受关注。例如，由于其是机械的，机电开关可降低待机状态下的泄漏电流。机电开关也潜在地比晶体管（其受60mV/dec的限制）具有更好的亚阈值特性。

但是，传统的机电开关设计要求大的控制栅极电压，这使得其很难缩放（scale）。传统的机电开关的可靠性也可成为问题。可靠性是指机电开关的寿命，例如机电晶体管能被开启和关断多少次、机电晶体管能在电阻小于特定值的情况下保持开启多久等。

因此，想要一种没有上述缺点的改善的机电开关设计。

发明内容

本发明提供了一种使用Janus微/纳米部件的机电晶体管及其制造技术。本发明的一个方面提供了一种制造机电晶体管的方法。该方法包括以下步骤。提供了晶片。源极电极和漏极电极在所述晶片的表面上彼此相对地形成，其中在所述源极电极和所述漏极电极之间存在间隙。第一栅极电极和第二栅极电极在晶片的表面上形成在所述源极电极和所述漏极电极之间的间隙的相对侧上。至少一个Janus部件被设置在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙中，其中该Janus部件包括具有导电材料的第一部分和具有电绝缘材料的第二部分。

本发明的另一方面提供了一种操作机电晶体管的方法。该方法包括以下步骤。所述机电晶体管被提供有1）在晶片的表面上彼此相对的源极电极和漏极电极，其中在所述源极电极和所述漏极电极之间存在间隙；2）在所述晶片的所述表面上在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙的相对侧上形成第一栅极电极和第二栅极电极；3）被设置在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙中的至少一个Janus部件，其中所述Janus部件包括具有导电材料的第一部分和具有电绝缘材料的第二部分。栅偏置被施加到所述第一栅极电极和所述第二栅极电极以移动所述Janus部件，以便将所述Janus部件的具有所述导电材料的所述第一部分设置在所述源极电极和所述漏极电极之间，所述第一部分用作所述源极电极和所述漏极电极之间的桥。

本发明的又一个方面提供了一种机电晶体管。该机电晶体管包括：在晶片表面上彼此相对的源极电极和漏极电极，其中在所述源极电极和所述漏极电极之间存在间隙；在所述晶片的所述表面上在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙的相对侧上的第一栅极电极和第二栅极电极；以及被设置在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙中的至少一个Janus部件，其中所述Janus部件包括具有导电材料的第一部分和具有电绝缘材料的第二部分。

以下将参考下列详细描述和附图获得对本发明的更完整的理解以及本发明进一步的特点和优势。

附图说明

图1A是示出根据本发明实施例的可根据本技术使用的示例性Janus颗粒的三维图；

图1B是示出根据本发明实施例的可根据本技术使用的示例性Janus圆柱体的三维图；

图1C是示出根据本发明实施例的可根据本技术使用的另一个示例性Janus圆柱体的三维图；

图1D是示出根据本发明实施例的可根据本技术使用的示例性Janus棱柱的三维图；

图2A是示出根据本发明实施例的具有Janus颗粒的本晶体管器件的示例性配置，其中该晶体管通过旋转Janus颗粒而被切换；

图2B是示出根据本发明实施例的具有Janus棱柱的本晶体管器件的示例性配置，其中该晶体管通过移动/平移Janus棱柱而被切换；

图3是示出根据本发明实施例用于制造基于Janus部件的晶体管的开始结构，该晶体管具有介质层上的源极电极（S）、漏极电极（D）和栅极电极（G1和G2）；

图4是示出根据本发明实施例用于锚定已在栅（G1和G2）电极之间的介电层中形成的Janus部件的沟槽（即，锚定沟槽）；

图5是示出根据本发明实施例已被转换为晶体管的Janus部件的图；

图6是示出根据本发明实施例已经被沉积在晶体管上的可选液体介质涂层的图；

图7是示出根据本发明实施例的当Janus部件是球形Janus颗粒（如图1A所示的）时该基于Janus部件的晶体管器件的操作的图；

图8是示出根据本发明实施例的当Janus部件是Janus圆柱体（如图1B所示的）时该基于Janus部件的晶体管器件的操作的图；

图9是示出根据本发明实施例的当Janus部件是Janus圆柱体时（如图1C所示的）该基于Janus部件的晶体管器件的操作的图；

图10是示出根据本发明实施例的当Janus部件是Janus棱柱（如图1D所示）时该基于Janus部件的晶体管器件的操作的图；

图11是示出根据本发明实施例的具有多个串行的Janus部件的晶体管器件的示例性配置的图；

图12是示出根据本发明实施例的具有多个串行的Janus部件和多个锚定沟槽的晶体管器件的示例性配置的图；

图13是示出根据本发明实施例的当使用多个球形Janus颗粒（如图1A所示）时的该基于Janus部件的晶体管器件的操作的图；

图14是示出根据本发明实施例的当使用多个Janus棱柱（如图1D所示）时该基于Janus部件的晶体管器件的操作的图；以及

图15是示出根据本发明实施例的用于功能化金属和介电表面的示例性化学的图。

具体实施方式

在此提供的是使用Janus微/纳米部件（例如Janus颗粒、圆柱体、棱柱等-见下）的机电晶体管及其制造方法。通常，Janus微/纳米部件是颗粒、圆柱体、棱柱等，其表面具有两种（或更多种）独特的物理特性。例如，如以下将详细描述的，Janus微/纳米部件可由两种不同的材料组成。

如以下将详细描述的，在机电晶体管中使用Janus微/纳米部件具有一些显著的优势：1）基于Janus微/纳米部件的机电晶体管具有可缩放的几何形状以减小电压；2）基于Janus微/纳米部件的机电晶体管比传统的机电晶体管展示了更好的可靠性；3）基于Janus微/纳米的机电晶体管可以用比传统的机电晶体管更低的成本来制造；4）基于Janus微/纳米部件的机电晶体管可适用于生物医学应用（例如生物开关）。如上所提供的，可靠性是指机电开关的寿命。传统的机电晶体管是基于悬臂（cantilever）的，且由此要求悬臂与电极接触以开启和关断。如以下将描述的，该技术涉及Janus部件的旋转或平移（translation）以开启或关断器件。Janus部件的该移动（旋转/平移）提供了比传统的悬臂设计在更长的寿命期间更可靠操作。

图1A-D是示出可根据本技术使用的示例性Janus微/纳米部件的三维图。当前有三种已知方法用于制造Janus颗粒、圆柱体和棱柱等。例如参见Lattuada等人的“Synthesis,properties and applications of Janusnanoparticles”，nanotoday,2011年6月第3刊第6卷，第286到308页（以下被称为“Lattuada”)，其全部内容通过引用结合与此。例如在Lattuada中描述的，一种制造Janus颗粒的方法是通过嵌段共聚物的自组装，以及纳米颗粒表面上的配体混合。制造Janus颗粒的另一个方法是通过掩蔽步骤，其中颗粒被俘获在两相之间的界面中，这样对于颗粒表面的改性仅发生在一个面上。又一种制造Janus颗粒的方法依赖于两种不同物质的相分离，通常是两种聚合物或聚合物和无机材料。

根据示例性实施例，根据本技术使用的Janus微/纳米部件包括由作为诸如金属的导电材料的第一材料制成的第一部分，以及由诸如介电材料（例如氧化物或氮化物介电材料）的电绝缘材料的第二材料制成的第二部分。例如，参见图1A，其示出了根据本技术使用的示例性的Janus颗粒。图1A示出的Janus颗粒具有由金属（在本例中是金（Au））组成的第一半球和由介电材料（在本例中是氧化物介电材料）组成的第二半球。因此颗粒的第一部分是导电的，而另一部分不是导电的。金（Au）是用于Janus部件的合适材料，因为其相对丰富且是生物相容的，尽管也可使用其他金属。仅通过举例的方式，用作该Janus部件的导电部分的合适金属包括但不限于金（Au）、铜（Cu）、铝（Al）、银（Ag）和钯（Pd）。

如所强调的，Janus微/纳米部件（此后也被称为“Janus部件”）的几何形状是可缩放的。在诸如图1A示出的Janus颗粒的情况下，可基于颗粒的直径d而测量颗粒的尺寸。仅通过举例的方式，Janus颗粒可具有从大约20纳米（nm）到大约20微米（μm）的直径d。而且，当Janus颗粒具有从大约100纳米（nm）到大约20微米（μm）的直径d时，其在此被认为是Janus微部件，而当Janus颗粒具有从大约20nm到大约100nm的直径d时，其在此被认为是Janus纳米部件。

图1B是示出可根据本技术使用的示例性Janus圆柱体。图1B中示出的Janus圆柱体由沿着其一部分长度的金属（在这种情况下是Au）和沿着其另一部分长度的介电材料（在这种情况是氧化物电介质）组成。因此一部分圆柱体是导电的，而另一部分不导电。如所提供的，除了Au，形成Janus部件的导电部分的其他合适金属包括但不限于Cu、Al、Ag和Pd。

图1B示出的Janus圆柱体的尺寸可基于圆柱体的长度L而被测量。仅通过举例的方式，Janus圆柱体可具有从大约20nm到大约100μm的长度L。而且，当Janus圆柱体具有大约从100nm到大约100μm的长度L时，其在此被认为是Janus微部件，而当Janus圆柱体具有从大约20nm到大约100nm的长度L时，其在此被认为是Janus纳米部件。

图1C是示出可根据本技术使用的另一个示例性Janus圆柱体的图。通过与图1B示出的Janus圆柱体进行比较，该Janus圆柱体由沿着圆柱体一侧的（全部长度的）金属（在该情况下是Au）和沿着圆柱体另一侧的（全部长度的）介电材料（在该情况下是氧化物介电材料）组成。因此，该圆柱体的一侧是导电的而另一侧是不导电的。以上提供了示例性Janus圆柱体尺寸。金（Au）在此被作为例子使用。如所提供的，除了Au，用于形成Janus部件的导电部分的其他合适的金属包括但不限于Cu、Al、Ag和Pd。

图1D是示出可根据本技术而被使用的示例性Janus棱柱的图。图1D示出的Janus棱柱具有由金属（在该情况中是Au）组成的第一部分和由介电材料（在该情况中是氧化物介电材料）组成的第二部分。因此棱柱的一部分是导电的，而另一部分不导电。图1D也示出了Janus部件的导电部分和不导电部分不必具有相同的尺寸。例如在图1A-C示出的例子中，金属和氧化物部分被示出为彼此具有相同的尺寸。在图1D示出的例子中，金属部分仅组成棱柱的一侧，而棱柱的剩余部分是氧化物。再次，金（Au）在此仅被用作一个例子。如上所提供的，除了Au以外，用于形成Janus部件的导电部分的其他合适的金属包括但不限于Cu、Al、Ag和Pd。

图1D示出的Janus棱柱的尺寸可基于棱柱的长度L、宽度W和高度H而被测量。仅通过举例的方式，Janus棱柱可具有长度L、宽度W和高度H，每个从大约20nm到大约20μm。而且，当Janus棱柱具有每个从大约100nm到大约20μm的长度L、宽度W和高度H时，其在此被认为是Janus微部件，而当Janus棱柱具有每个从大约20nm到大约100nm的长度L、宽度W和高度H时，其在此被认为是Janus纳米部件。

根据该技术，在Janus部件的金属部分的表面上产生固定电荷。可选地，也可在Janus部件的介电部分的表面上产生固定电荷，其与在金属部分的表面上产生的固定电荷具有相反的极性（即，固定负电荷在Janus颗粒的金属部分上被产生，而固定金属正电荷在介电部分的表面上被产生，或反之亦然）。如以下将详细描述的，该固定电荷（或多个固定电荷）允许Janus部件在晶体管器件的操作期间响应于施加的栅极电场而被致动（例如转动/移动）。根据一个示例性实施例，在Janus部件的金属部分的表面上产生的固定电荷是负固定电荷。仅通过举例的方式，含有具有带负电的功能基团（吡啶和羧基，例如SH-R-COO-）的硫醇化合物的自组装单层膜可被使用以在Janus部件的金属部分上产生该固定负电荷。硫醇对贵金属具有亲和性，且因此会自组装为Janus部件的金属部分的表面上的单层。如以上所强调的，相反极性的可选固定电荷（在该情况下是固定正电荷）可被产生在Janus部件的介电部分的表面上。为了在该Janus部件的介电部分的表面上产生固定正电荷，可使用含有具有带正电的功能基团的异羟肟（hydroxamic）化合物的自组装单层。如以下将结合图15所描述的，相同的（正或负）带电功能基团可被使用，但巯基优选地用于将分子固定到金属表面（诸如Janus部件的金属部分、源极电极和漏极电极等），而异羟肟基团优选地用于将分子固定到介电（例如氧化物或氮化物）表面。

Janus部件的选择性改性例如在Roh等人在Nature Materials第四卷（2005年10月）的“Biphasic Janus particles with nanoscale anisotropy”中（其描述了例如双相喷射）以及在Perro等人在J.Mater.Chem.15,3745-3760(2005)的“Design and synthesis of Janus micro-andnanoparticles”中被描述，其每个的内容通过引用结合于此。以上述同样的方式，固定负电荷可在金属部分的表面上被产生，且固定负电荷可在介电部分的表面上被产生。或者，在另一个示例性实施例中，可使用相反的场景，即，其中固定正电荷被产生在Janus部件的金属部分的表面上。如上所述，为了产生固定负电荷，含有具有带正电的功能基团（例如重氮）的硫醇化合物的自组装单层可被使用。相反极性的可选的固定电荷（在该情况下是固定的负电荷）可被产生在上述Janus部件的介电部分的表面上。结合以下图15的描述来描述用于功能化介电表面和金属表面的示例性化学。

现在通过参考图2A和2B提供对该基于Janus部件的晶体管的概述。晶体管的布局和切换操作将取决于在晶体管中使用的特定类型的Janus部件。也就是，当球体Janus部件（Janus颗粒）被使用时，则通过使用施加的栅极电场来旋转Janus部件以将Janus部件的金属部分设置在器件的源极接触和漏极接触之间，切换将发生。参见图2A和2B。当使用与图1B和1C中类似的圆柱体Janus部件时，通过旋转或平移Janus部件，可发生切换，取决于Janus部件的特定配置。仅通过举例的方式，当Janus部件为配置为如图1B示出的圆柱时，通过使用施加的栅极电场来平移（即从一个地方转移到另一个地方）Janus部件以便将Janus部件的金属部分被设置在器件的源极接触和漏极接触之间，切换将发生。通过比较，当Janus部件被如图1C所示地配置时，通过使用施加的栅极电场来选择Janus部件以将Janus部件的金属部分设置在器件的源极接触和漏极接触之间。在图7-10中分别示出了基于Janus颗粒、棱柱和圆柱体的晶体管的切换，如以下将讨论的。

如图2A所示，晶体管包括源极电极、漏极电极和设置在源极电极和漏极电极之间的至少一个Janus部件。在该情况下，Janus部件是单个球形Janus颗粒。如以下将讨论的，实施例在此被提供，其中多个Janus部件而不是单个部件被使用。但是，使用多个部件或单个部件的功能是一样的。锚定沟槽位于Janus部件之下，以将Janus部件保持在相对于源极接触和漏极接触的适当位置。第一电极和第二栅极电极被设置在锚定沟槽的相对端部，以便Janus部件位于在（第一和第二）栅极电极之间。

当栅极电场经由（第一和第二）栅极电极被施加到器件时，由于Janus部件的金属部分的表面上的固定负电荷（参见以上），Janus部件将旋转和/或平移。当Janus部件的该旋转发生时，部件的金属部分将被设置在源极电极和漏极电极之间以形成在源极电极和漏极电极之间的桥以及电接触。如以下将结合图7到9所描述的，当栅极电场从器件被移除，Janus部件的取向将保持为相同。也就是，相反方向的栅偏置需要切换回器件。因此，该器件可用作非易失性存储器基元。如图2A所示，可选的（绝缘）液体介质涂层可出现在晶体管上/围绕晶体管。这样的“液体封装”用作绝缘体，并阻止电极之间的发弧（arcing）。合适的液体介质包括但不限于基于油的介质（诸如市售的没有水气的高度精炼的变压器油）和绝缘液体。

涉及Janus棱柱的场景在图2B中示出。如以上，晶体管包括源极接触、漏极接触以及设置在源极接触和漏极接触之间的至少一个Janus部件。锚定沟槽出现在Janus部件下面以将Janus部件相对于源极接触和漏极接触保持在合适的位置。第一栅极电极和第二栅极电极被设置在锚定沟槽的相对端，以便Janus部件位于（第一和第二）栅极电极之间。

当栅极电场经由（第一和第二）栅极电极被施加到器件时，由于在Janus部件的金属部分的表面上的固定负电荷（参见以上），Janus部件的平移将发生。当Janus部件的平移发生时，部件的金属部分将被移入到源极电极和漏极电极之间的位置中，在源极电极和漏极电极之间形成桥并制造电接触。如图2B所示，可选的（绝缘）液体介质涂层可在晶体管上/围绕晶体管，以用作绝缘体并防止电极之间的发弧。

尽管图2A和2B示出了在晶体管中使用单个Janus部件，这仅是一种可能的配置。例如，晶体管可包括多个Janus部件，其以与上述相同的方式起作用。也就是，当栅极电场经由（第一和第二）栅极电极被施加到器件时，多个Janus部件将协同旋转和/或平移，以便每个Janus部件的金属部分将被移入到源极电极和漏极电极之间的位置，以与上述同样的方式形成源极电极和漏极电极之间形成桥并制造电接触。使用多个Janus部件的示例性器件配置在以下描述的图11-14中示出。

现在将参考图3-6描述用于制造该基于Janus部件的晶体管的示例性工艺流程。提供的例子涉及（球形）Janus颗粒-即，以便制造图2A示出的器件。但是，可对在此描述的任何其他Janus部件形状执行相同的处理步骤。

如图3所示，工艺中的第一步骤是形成源极电极、漏极电极和栅极电极。用于制造工艺的开始平台是其上具有介电层302的晶片。源极电极（用“S”标记）、漏极电极（用“D”标记）、第一栅极电极（用“G1”标记）和第二栅极电极（用“G2”标记）可使用传统的金属镀敷和剥离技术在晶片表面上形成。根据示例性实施例，源极电极、漏极电极和栅极电极由铜（Cu）形成。如图3所示，源极电极和漏极电极彼此相对地设置在晶片的表面上（即，介电层302）形成，以便在源极电极和漏极电极之间存在间隙（在该间隙中，其中至少一个Janus部件被设置）。栅极电极在晶片的表面上（即，介电层302）被彼此相对地设置，并垂直于源极电极和漏极电极。也就是，如在例子中示出的，源极电极和漏极电极在沿着晶片表面的第一方向彼此相对地形成，且第一栅极电极和第二栅极电极沿着晶片表面在第二方向上彼此相对地形成，其中第一方向垂直于第二方向。

接下来，在源极电极和漏极电极之间的间隙中形成锚定沟槽402，其中将设置Janus部件。参见图4。可使用传统的反应离子蚀刻处理在介电层上形成锚定沟槽402。至少一个Janus部件将被设置到锚定沟槽402中，且该锚定沟槽用来将Janus部件锚定到晶片并保持Janus部件相对于源极电极和漏极电极的定位。当栅极电场被施加给器件时，锚定沟槽也必须允许Janus部件旋转/平移。锚定沟槽402的尺寸取决于使用的Janus部件的尺寸和/或数量。仅通过举例的方式，在一个示例性实施例中，沟具有从大约20nm到大约200μm的长度l，从大约20nm到大约20μm的宽度w和从大约10nm到大约50nm的深度（根据图4示出的器件的取向构槽进入到页面的尺寸）。

可选地，源极电极和漏极电极可用固定电荷被功能化，以引起源极电极和漏极电极与Janus部件的金属部分之间的亲和性。源极电极和漏极电极上的固定电荷应当与Janus部件的金属部分上的固定电荷相反。因此，在以上提供的例子中，Janus颗粒的金属部分的表面被固定负电荷功能化。在这种情况下，源极电极和漏极电极可用正固定电荷被功能化，以便引起源极电极和漏极电极之间的亲和性。如果另一方面，Janus颗粒的金属部分的表面被正固定电荷功能化，则源极电极和漏极电极被用负固定电荷功能化。

用固定电荷功能化源极电极和漏极电极的步骤是可选的，并取决于使用什么特定技术（稍后在工艺中）以设置Janus部件。例如，如果使用化学方法来设置Janus部件（例如将器件浸泡在含有Janus部件的溶液中），则用正或负固定电荷来功能化源极电极和漏极电极的步骤（结合Janus部件上的（相反的）负或正固定电荷，以及锚定沟槽的存在）有助于将Janus部件固定在器件上的合适位置，并允许移除多余的Janus颗粒，即，清洗掉。另一方面，如果使用几何方法来设置Janus部件（例如如果旋涂过程被用来通过掩模沉积Janus部件），则功能化源极和漏极的步骤很可能是不必要的。

用固定电荷功能化源极电极和漏极电极的工艺与上述功能化Janus部件的一样。也就是说，为了在源极电极和漏极电极上产生固定正电荷，含有具有带正电的功能基团（例如重氮）的硫醇化合物的自组装单层可被使用。或者，为了在源极电极和漏极电极上产生固定负电荷，含有具有带负充功能基团（吡啶和羧基，例如SH-R-COO）的硫醇化合物的自组装单层可被使用。

接下来，至少一个Janus部件被转移到晶体管。参见图5。如上所述，在将Janus部件放到晶体管之前，每个Janus部件的金属部分的表面被（正或负）固定电荷功能化。在Janus部件上产生该固定电荷的单层的过程已在上面描述。

如上面所强调的，一些不同的技术可被用来将至少一个Janus部件设置在晶体管上。首先是“化学”方法，其中晶体管被浸泡在含有Janus部件的水溶液中。假设使用该技术可在相同的晶片上制造多个晶体管。因此该技术被配置为保证1）至少一个Janus部件被设置在合适的位置（例如相对于源极电极、漏极电极和栅极电极）以及2）所有的其他Janus部件可被容易地移除，留下适当设置的Janus部件在其合适的位置。保证合适的设置的第一措施是锚定沟槽，其将用来几何地限制落在沟内的至少一个沉积的Janus部件。保证合适的设置的第二措施是在Janus部件的沉积期间电场可被施加到栅极电极，其吸引在Janus部件中的一个的金属部分上的固定电荷。保证正确设置的第三措施是上述用固定电荷（与Janus部件的表面上固定的相反）来功能化源极电极和漏极电极的表面的可选步骤，该固定电荷结合Janus部件的金属部分上的固定电荷，用于吸引一个Janus部件。

用于定位晶体管上的至少一个Janus部件的第二方法是几何方法，其中掩模-例如光致抗蚀剂，被设置在晶体管上，且被构图为以允许将至少一个Janus部件设置在用于每个晶体管的恰当位置。Janus部件的溶液随后可通过掩模被沉积（例如使用旋涂处理）。在该情况下，由于设置Janus部件是由掩模指导的，功能化源极电极和漏极电极的表面的可选步骤很可能不是必须的，因为Janus部件将通过掩模被沉积到锚定沟槽中。

在晶体管中设置Janus部件后，晶片可被清洗（例如用蒸馏水）以移除额外沉积的Janus部件，且光致抗蚀剂（如存在）可通过传统工艺被移除。如上所述，锚定沟槽和/或Janus部件对栅极电极的亲和性和/或Janus部件对（功能化）源极电极和漏极电极的亲和性都用于在该清洗步骤中将至少一个Janus部件固定在合适位置。

可选的液体介质涂层可被沉积在晶体管上/周围。参见图6。如以上所强调的，液体介质涂层用作绝缘体并阻止电极间的发弧。该液体介质涂层也被称为“液体封装”。如以上所提供的，用于形成液体封装的合适的液体介质包括但不限于基于油的介质（诸如市售的高度提炼的、没有水气的变压器油）和绝缘液体。基于Janus部件的器件的制造现在被认为是完备的。

以下将通过参考图13和14描述示例性多部件（）实施例。如以下所描述的，图13和14描述了穿过器件切割，即，穿过锚定沟槽-例如沿着图6示出的线A1-A2-的横截面。

图7到9示意性地示出了该基于Janus部件的晶体管器件的操作。特别地，图7示出了当Janus部件是球形Janus颗粒（诸如图1A示出的Janus颗粒）时，基于Janus部件的晶体管器件的操作。如上所述，当Janus部件是Janus颗粒时，器件的切换通过旋转（以及同样，潜在地平移）颗粒而发生。在该示例性实施例中，出于描述目的单个Janus部件被示出。但是，如上所述，多个Janus部件可在给定的晶体管中被使用。如下所述，多部件晶体管在图11中被示出。

如上所述，在Janus颗粒的金属部分的表面上产生固定电荷。在图7中示出的例子中，假设在Janus颗粒的金属部分的表面上已被产生了固定负电荷。这仅是例子。如上所述，固定正电荷被产生在Janus部件的金属部分的表面上，随后栅偏置将与图7示出的相反。如图7所示，利用施加到栅极电极G1的负栅电压和施加到栅极电极G2的负栅电压，Janus颗粒的（示例性）带负电表面被吸引到栅极电极G2，由此定位源极电极S和漏极电极D之间的Janus部件的电绝缘部分（即，Janus部件的导电部分远离S和漏D电极）。因此，在源极电极和漏极电极之间没有电连续性。

通过施加合适的栅偏置（即，施加正栅电压到栅极电极G1以及负栅电压到栅极电极G2），Janus颗粒的（示例性）带负电表面现在被吸引到栅极电极G1。结果，如图7所示，Janus颗粒移动，即，旋转以将Janus部件的（金属）导电部分设置在源极电极S和漏极电极D之间，用作源极电极和漏极电极之间的桥。由于Janus颗粒可在锚定沟槽内移动，当栅偏置被切换时，以这种方式切换器件也可引起Janus部件的一些平移。因此，Janus颗粒除了旋转，可能存在的一些平移（尽管需要Janus颗粒的旋转以切换器件）。而且，如所强调的，当栅极电场从器件被移除时，Janus部件的取向将保持相同。也就是说，需要相反方向的栅偏置来切换回器件。因此，该器件可用作非易失性存储器基元。因此，利用图7左侧示出的配置，晶体管器件处于“关”状态且将保持在关状态，即使对栅极的供电被移除，直到在将器件切换到“开”状态时施加相反的栅偏置（按照图7右侧示出的配置）为止。

图8示出了当Janus部件是Janus圆柱体（诸如图1B示出的Janus圆柱体，具有沿着其长度的（导电）一部分的金属）时，基于Janus部件的晶体管器件的操作。如上所述，当Janus部件是具有沿着其长度的（导电）一部分的金属的Janus圆柱体时，器件的切换通过平移圆柱体而发生。在该示例性实施例中，单个Janus部件出于描述目的被示出。但是，尽管如上所述，多个Janus部件可被用在给定的晶体管中。多部件晶体管在图11中示出，如下所述。

如上所述，固定电荷在Janus圆柱体的金属部分的表面上被产生。在图8示出的例子中，假设固定负电荷已在Janus圆柱体的金属部分的表面上被产生。这仅是一个例子。如上所述，固定负电荷应当在Janus部件的金属部分的表面上被产生，随后栅偏置将与图8示出的相反。如图8所示，利用施加到栅极电极G1的负栅电压和施加到栅极电极G2的正栅电压，Janus圆柱体的（示例性）带负电表面被吸引到栅极电极G2。这使得Janus圆柱体在锚定沟槽内滑向电极G2（即，将Janus部件的导电部分设置为远离源S电极和漏D电极）。在这种状态中，在源极电极和漏极电极之间没有电连续性。

通过施加相反的栅偏置（即，施加正栅极电压到栅极电极G1和施加负栅极电压到栅极电极G2），Janus圆柱体的（示例性）带负电表面现在被吸引到栅极电极G1。结果，如图8所示，这使得Janus圆柱体移动，即，在锚定沟槽内朝着电极G1滑动，电极G1将Janus部件的（金属）导电部分定位在源极电极S和漏极电极D之间，用作源极电极和漏极电极之间的桥。而且，如上所强调的，当栅极电场被从器件移除时，Janus部件的取向将保持相同。也就是说，需要相反方向的栅偏置将器件切换回来。因此，该器件可用作非易失性存储器基元。因此，例如图8左侧示出的配置，晶体管器件处在“关”状态，且将保持在关状态-即使移除对栅极的供电，直到当器件切换到“开”状态时施加相反的栅极偏置（按照图8右侧示出的配置）为止。

图9示出了当Janus部件是Janus圆柱体（诸如图1C示出的Janus圆柱体-具有沿着圆柱体一侧的（全部长度的）金属）时基于Janus部件的晶体管器件的操作。如上所述，当Janus部件是具有沿着圆柱体一侧的（全部长度的）金属的Janus圆柱体时，器件的切换通过旋转（也可能是平移）圆柱体而发生。在该示例性实施例中，单个Janus部件出于说明的目的而被示出。但是如上所述，多个Janus部件可在给定的晶体管中被使用。在图11中示出多部件晶体管，如下描述。

如上所述，固定电荷在Janus圆柱体的金属部分的表面上产生。在图9示出的例子中，假设固定负电荷已被产生在Janus圆柱体的金属部分的表面上。这仅是一个例子。如上所述，如果固定正电荷应被产生在Janus部件的金属部分的表面上，则栅偏置将与图9示出的相反。如图9所示，利用施加到栅极电极G1的负栅电压和施加到栅极电极G2的正栅电压，Janus圆柱体的（示例性）带负电表面被吸引到栅极电极G2，由此将Janus圆柱体的电绝缘部分定位在源极电极S和漏极电极D之间（即，Janus部件的导电部分远离源极电极S和漏极电极D）。因此，在源极电极和漏极电极之间不存在电连续性。

通过施加相反的栅偏置（即，施加正栅电压到栅极电极G1和负栅电压到栅极电极G2），Janus圆柱体的（示例性）带负电表面现在被吸引到栅极电极G1。结果，如图9所示，Janus圆柱体移动，即，旋转以将Janus部件的（金属）导电部分定位在源极电极S和漏极电极D之间，用作源极电极和漏极电极之间的桥。由于Janus圆柱体可在锚定沟槽内移动，当栅偏置被切换时，以这种方式切换器件也引起Janus圆柱体的一些平移。因此，除了旋转，可能还存在Janus圆柱体的一些平移（然而，需要Janus圆柱体的旋转来切换器件）。而且，如上所强调的，当栅极电场被从器件移除时，Janus部件的取向将保持相同。也就是说，需要相反方向的栅偏置来切换回器件。因此，该器件可用作非易失性存储器基元。因此，例如图9左侧示出的配置，晶体管器件处于“关”状态，且将保持在关状态-即使对栅极的供电被移除，直到当器件被切换到“开”状态时施加相反的栅偏置（按照图9右侧示出的配置）为止。

图10示出了当Janus部件是Janus棱柱时（诸如图1D示出的Janus棱柱），基于Janus部件的晶体管器件的操作。如上所述，当Janus部件是Janus棱柱时，通过平移棱柱发生器件的切换。在该示例性实施例中，出于描述的目的示出单个Janus部件。但是，如上所述，多个Janus部件可被用在给定的晶体管中。多部件晶体管在图11中示出，如下所述。

如上所述，固定电荷在Janus棱柱的金属部分的表面上被产生。在图10示出的例子中，假设固定负电荷已被产生在Janus棱柱的金属部分的表面上。这仅是例子。如上所述，如果固定正电荷被产生在Janus部件的金属部分的表面上，则栅偏置将与图10示出的相反。如图10所示，利用施加到栅极电极G1的负栅电压和施加到栅极电极G2的正栅电压，Janus棱柱的（示例性）带负电表面被吸引到栅极电极G2。这使得Janus棱柱在锚定沟槽内向着电极G2滑动（即，离开源极电极S和漏极电极D地设置Janus部件的导电部分）。在这种情况下，在源极电极和漏极电极之间没有电连续性。

通过施加相反的栅偏置（即，施加正栅电压到栅极电极G1和负栅电压到栅极电极G2），Janus棱柱的（示例性）带负电表面现在被吸引到栅极电极G1。结果，如图10所示，这使得Janus棱柱移动，即，在锚定沟槽内朝着电极G1滑动，将Janus部件的导电部分定位源极电极S和漏极电极D之间，用作漏极电极和源极电极之间的桥。而且，如以上所强调的，当栅极电场被从器件移除时，Janus部件的取向将保持相同。也就是说，需要相反方向的栅偏置以将器件切换回来。因此，该器件可用作非易失性存储器基元。因此，利用图10左侧示出的配置，晶体管器件处于“关”状态，且将保持在关状态-即使对栅极的供电被移除，直到当器件被切换到“开”状态时施加相反的栅偏置（按照图10右侧示出的配置）为止。

如上所述，该晶体管器件可利用多个Janus部件，其以与单个部件相同的方式起作用（如上述示例性实施例所示）。根据示例性实施例，多个部件被串行或并行使用。示例性多部件器件在图11中示出，其中Janus部件被串行使用。注意到，图11示出的例子中的Janus部件是球形Janus颗粒，但是，相同的原理适用于在此描述的任何Janus部件形状。而且，图11示出了所使用的两个Janus颗粒，但这仅是示例性的。可以示出的相同方式使用多于两个的Janus部件。仅通过举例的方式，在一个非限制性例子中，多达10个的Janus部件（例如从1到3个Janus部件）被依次放在器件中。如图11所示，Janus部件的金属部分（其表面如上所示被固定电荷功能化）与栅偏置自对准，这样（如上所示）当提供特定的栅偏置时，Janus部件将旋转到在源极电极和漏极电极之间形成桥（电连续性）的位置。

由于图11示出的（球形）Janus颗粒的形状，可能期望在源极电极和漏极电极之间形成金属桥，以保证在颗粒之间实现连续性（当需要时-即，基于器件的切换，见上）。特别地，由于颗粒的球形形状，可用于颗粒间接触的表面面积的量小。金属桥增加该接触面积。尽管图11仅示出了一个金属桥，将理解多个金属桥可被使用来“桥接”Janus颗粒间的间隙，这取决于当在每对颗粒之间存在一个桥时有多少Janus颗粒存在。例如，如果三个Janus颗粒被串行使用，则优选地将利用两个金属桥。根据示例性实施例，例如，使用传统的金属镀敷和剥离技术，在形成源极电极、漏极电极和栅极电极的同时（由Cu）形成金属桥。

如上所述，Janus颗粒的球形形状限制了颗粒之间的接触面积（在多个颗粒串行的情况下），由此使得金属桥（如图11所示）是优选的。相反，当Janus部件是圆柱形或棱柱形状的，则金属桥的使用很可能不必要。

在图11中，使用一个锚定沟槽，多个Janus部件（串行）被固定。根据另一个示例性实施例，多个锚定沟槽被使用，其中每个锚定沟槽锚定至少一个Janus部件。参见图12。图12示出的器件的功能与图11示出的一样，且如上所述。注意金属桥也在该实施例中被使用。如上所述，如果Janus部件替代地为圆柱体或棱柱形状，金属桥的使用很可能是不必要的。

如上所述，利用多Janus部件实施例，部件可被串行（例如参见图11和12）或并行使用。并行配置提供了器件的冗余，且由此在一个Janus部件的情况下，提供了额外的安全性。例如，当部件被串行布置时，一个Janus部件中的缺陷将影响器件，但是当部件被并行布置时不会这样。也就是说，如下所详细描述的，当Janus部件并行出现时（例如以叠层配置），当器件被切换时多个部件与源极电极和漏极电极接触。这保证了如果一个Janus部件是故障的，则通过其他并行的部件连续性仍然存在。

图13是示出示例性多部件器件的图，其中Janus部件被并行使用。注意图13和14是穿过器件的切割，穿过锚定沟槽（例如沿着线A1-A2，参见图6）的横截面。在该示例性配置中，锚定沟槽具有比以上示出和描述的其他实施例更大的深度d。沟槽的深度取决于所使用的Janus部件的特定类型和形状。在上面提供了用于各种类型的Janus部件的示例尺寸。仅通过举例的方式，在一个非限制性例子中，多达10个的Janus部件（例如从1到3个Janus部件）被依次设置在器件中。在图13示出的例子中，4个Janus部件（在该情况下是（球形）Janus颗粒）被并行使用。从图13可明显看出，Janus部件被物理限制在锚定沟槽内，且当被设置在沟中时将作为叠层自对准（以与上述相同的方式）。器件的切换操作与单个部件实施例的相同（例如参见图7），除了在图13中部件作为叠层被一起旋转（且潜在地被平移，参见以上）。在其他方面，操作在单与多部件配置中是一样的。

为了描述的完整性，在图14中示出了多部件，其中Janus部件（在叠层中也自定向）-在该情况下是Janus棱柱，被作为叠层平移以切换器件。因此，器件的切换操作与单部件实施例一样（例如参见图10），除了在图14中部件被作为叠层一起平移之外。在其他方面，操作对于单和多部件配置是一样的。通过图13和14，示出了两种情况，其都分别涉及多个Janus部件器件配置的旋转或平移。例如，当Janus部件是如图1C所示的配置的圆柱体时，则多部件实施例将如图13所示地运作。当Janus部件是如图1B所示配置的圆柱体时，则多部件实施例将如图14所示地运作。

如上所提供的，Janus部件的一个或多个表面（以及同样潜在的源极电极和漏极电极的表面）可根据本技术用固定（正或负）电荷功能化。图15是示出用于功能化这些表面的示例性化学的图。如上所提供的，相同的带电的功能基团（即，带正或负电的基团）可被使用以功能化Janus部件、源极电极和漏极电极等。但是，将使用硫醇来将分子锚定在金属表面上（诸如Janus部件的金属部分、源极电极和漏极电极等），而异羟肟基团将被用来将分子锚定在介电（氧化物、氮化物等）表面（诸如Janus部件的介电部分）上。参见图15。

尽管在此已描述了本发明的说明性实施例，将理解本发明不限于这些精确的实施例，且本领域技术人员可做出各种其他变化和修改而不脱离本发明的范围。

Claims (25)

1.一种制造机电晶体管的方法，所述方法包括以下步骤：

提供晶片；

在所述晶片的表面上形成彼此相对的源极电极和漏极电极，其中在所述源极电极和所述漏极电极之间存在间隙；

在所述晶片的表面上在所述源极电极和所述漏极电极之间的间隙的相对侧上形成第一栅极电极和第二栅极电极；

将至少一个Janus部件设置在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙中，其中所述Janus部件包括具有导电材料的第一部分和具有电绝缘材料的第二部分。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述源极电极和所述漏极电极沿着所述晶片的所述表面在第一方向中彼此相对地形成，且其中所述第一栅极电极和所述第二栅极电极沿着所述晶片的所述表面在第二方向中彼此相对地形成，其中所述第一方向与所述第二方向垂直。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述晶片包括介电层以及其中所述源极电极、所述漏极电极、所述第一栅极电极和所述第二栅极电极在所述介电层上形成。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述源极电极、所述漏极电极、所述第一栅极电极和所述第二栅极电极由铜制成。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述导电材料是金属。

6.如权利要去5所述的方法，其中所述金属选自金、铜、铝、银和钯。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述电绝缘材料是介电材料。

8.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

用固定电荷功能化所述Janus部件的包括所述导电材料的所述第一部分的表面。

9.如权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

用具有与功能化所述Janus部件的包括所述导电材料的所述第一部分的表面的所述固定电荷相反的极性的固定电荷功能化所述Janus部件的包括所述电绝缘材料的所述第二部分的表面。

10.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

在所述晶片的所述表面中在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙中的形成锚定沟槽。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述锚定沟槽使用反应离子蚀刻而形成。

12.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

功能化所述源极电极的一个或多个表面以及所述漏极电极的一个或多个表面。

13.如权利要求12所述的方法，其中用固定电荷功能化所述源极电极的所述一个或多个表面以及所述漏极电极的所述一个或多个表面。

14.如权利要求1所述的方法，其中将所述Janus部件设置在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙中的步骤包括以下步骤：

将所述晶片浸泡在包括所述Janus部件的溶液中。

15.如权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

当将晶片浸泡在包括所述Janus部件的所述溶液中时，在所述第一栅极电极和所述第二栅极电极之间施加电场。

16.如权利要求1所述的方法，其中将所述Janus部件设置在所述源极电极和所述漏极电极之间的间隙中的步骤包括以下步骤：

在所述晶片上形成掩模；以及

通过所述掩模将所述Janus部件沉积在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙中。

17.如权利要求1所述的方法，其中所述Janus部件包括Janus颗粒。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述Janus颗粒具有大约20nm到大约20μm的直径。

19.如权利要求1所述的方法，其中所述Janus部件包括Janus圆柱体。

20.如权利要求19所述的部件，其中所述Janus圆柱体具有大约20nm到大约100μm的长度。

21.如权利要求1所述的方法，其中所述Janus部件包括Janus棱柱。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述Janus棱柱具有大约20nm到大约20μm的长度、大约20nm到大约20μm的宽度和大约20nm到大约20μm的高度。

23.一种操作机电晶体管的方法，所述方法包括以下步骤：

提供机电晶体管，所述机电晶体管具有1）在晶片的表面上彼此相对的源极电极和漏极电极，其中在所述源极电极和所述漏极电极之间存在间隙；2）在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙的相对侧上在所述晶片的所述表面上的第一栅极电极和第二栅极电极；以及3）在所述源极电极和所述漏极电极之间的所述间隙中设置的至少一个Janus部件，其中所述Janus部件包括包含导电材料的第一部分和包含电绝缘材料的第二部分；

施加栅偏置到所述第一栅极电极和所述第二栅极电极以移动所述Janus部件，以便将所述Janus部件的包含所述导电材料的所述第一部分设置在所述源极电极和所述漏极电极之间，所述第一部分用作所述源极电极和所述漏极电极之间的桥。

24.如权利要求23所述的方法，还包括以下步骤：

反转施加到所述第一栅极电极和所述第二栅极电极的所述栅偏置以移动所述Janus部件，以便将所述Janus部件的包含所述导电材料的所述第一部分设置为远离所述源极电极和所述漏极电极。

25.如权利要求23所述的方法，还包括以下步骤：

移除所述栅偏置，其中在移除所述栅偏置后，所述Janus部件的包含所述导电材料的所述第一部分保持为被设置在所述源极电极和所述漏极电极之间。

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