CN1241268C

CN1241268C - 具有稳定开关特性的单电子晶体管

Info

Publication number: CN1241268C
Application number: CN 03131772
Authority: CN
Inventors: 鲁山; 卢威; 王兵; 王海千; 王晓平; 侯建国
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: CN1487593A

Abstract

具有稳定开关特性的单电子晶体管涉及一种以非晶纳米颗粒作为库仑岛的单电子管。该晶体管由漏极(1)、源极(2)、门极(3)和库仑岛(5)组成，其特征在于库仑岛5采用非晶纳米颗粒，位于源极和漏极之间，并与两边的源极(1)、漏极(2)分别以隧道结隔开。利用能级量子化受抑制的非晶纳米颗粒，例如非晶Pd纳米颗粒，作库仑岛，从而可以避免普通晶态金属、半导体纳米颗粒或单分子作库仑岛时其内部分立能级引起的不稳定性。这种非晶单电子管可以直接利用已有的制备单电子管技术，即纳米电极对和自组装技术，具有可行性和器件性能稳定性改进的优点。

Description

具有稳定开关特性的单电子晶体管

一、技术领域：

本发明涉及一种电子技术中用作开关的单电子晶体管，特别是涉及一种以非晶纳米颗粒作为库仑岛的单电子管。

二、背景技术：

自从1947年晶体管发明以来，晶体管的尺寸不断减小，开关速度不断提升。但是随着晶体管的尺寸不断减小当达到纳米尺度时，量子效应在器件工作时变得越来越重要。即到了介观尺度，会出现许多宏观体系中没有的新的物理现象。传统的基于经典物理的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET即metallic oxide semiconductor fieldeffect transistor)不能再正常工作。为了解决这一问题，1985年当时在莫斯科大学的Dmitri Averin和Konstantin Likharev提出了一种新的基于双隧道结结构中的单电子隧穿现象的三极电子器件：单电子管(SET即single-electron transistor)的设计思路(参见Single Charge Tunneling，edited by H.Grabert and M.H.Devoret(Plenum，NewYork，1992))。单电子管的核心部件是隧道结之间的库仑岛。为了得到室温下工作的单电子管，人们试图减小库仑岛的尺度，采用化学合成的纳米颗粒作库仑岛。由于纳米非晶颗粒的制备一直比较困难，对于纳米非晶材料中的电子学性质人们还缺乏认识，所以单电子管的库仑岛普遍都是采用晶态的金属或半导体。当颗粒的尺度小到几纳米时，晶态纳米颗粒内部电子能级不再是准连续的，库仑岛内部电子能级的量子化变得很重要，这就是量子限域效应，人们虽然能够利用单电子管中的量子限域效应，通过改变库仑岛的形状和成分来控制库仑岛的电子结构来研究纳米颗粒中的量子能级谱。但是量子限域效应对于作为器件使用的单电子管的稳定工作会产生不利影响，这个问题长期以来一直没有得到解决。

三、发明内容：

1、技术问题

本发明的目的是提出一种解决单电子管工作稳定性的具有稳定开关特性的单电子晶体管。

2、技术方案

本发明由漏极、源极、门极和库仑岛组成，其特征在于库仑岛采用非晶纳米颗粒，位于源极和漏极之间，并与两边的源极、漏极分别以隧道结隔开。其特点是采用非晶纳米颗粒作为单电子管的库仑岛，尤其是钯Pd的非晶纳米颗粒，利用非晶纳米颗粒的量子抑制效应克服量子能级对器件稳定工作带来的影响。

本发明的原理如下：

单电子管是一个三极器件，它由漏极，源极2，门极和库仑岛组成。库仑岛在源极和漏极之间并与两边的源漏两极分别以隧道结隔开。库仑岛与源漏两极的隧道结参数分别用C1，R1和C2，R2表示。偏置电压V_SD加在源漏两极上，在库仑岛一侧是一个门极，它与库仑岛之间以电容形式耦合，这个电容虽然与C1，C2两个隧道结很类似，但是由于它的厚度比后者要大的多，电子不会从这个结隧穿而过。通过加在门极上的电压V_G来调节耦合在库仑岛上电荷数。由于门电容Cg上的电荷仅仅代表大量电子相对于背景正离子的相对移位，而不同于以电子为电荷单位的隧穿，所以门电压可以连续的改变库仑岛上耦合的电量Q_e，即V＝Q_e/Cg。

单电子管是利用介观尺度下的库仑阻塞效应工作的。考虑如图2(a)所示库仑岛具有准连续的能态密度(DOS，即density of states)的情况。当库仑岛的总电容C(C＝C1+C2+Cg)足够小的时候，电子跳到库仑岛上需要克服一定的库仑能e²/2C，此时必须把偏压加到一定的阈值V_t时，才使得一个电子具有足够的能量能够通过隧道结从源极跳到库仑岛上，再通过另一个隧道结跳到漏极形成电流。改变门电压可以连续调节库仑岛上的感应电荷量，从而改变库仑岛的电化学势，隧穿所需的偏压阈值Vt也因此改变。单电子管的隧穿偏压阈值是随门电压周期性变化的，即调节门电压V_G，当偏压阈值Vt达到最大(库仑隙电压e/C)后若继续增大门电压，阈值会逐渐减小，当阈值减小到零后，再继续增大门电压，阈值又会逐渐变大直到最大阈值，周而复始。图3(a)是单电子管的工作稳定区域图，横坐标轴对应门电压V_G，纵坐标对应源漏两极的偏压V_DS，横轴上的菱形区域是库仑阻塞区，在菱形库仑阻塞区内电流是为零的。菱形区域内的n＝0，n＝1...表示此时库仑岛上所带的额外电子数。

偏压维持在低于库仑隙电压e/C的一个特定值V上，改变门电压V_G，对应着图3(a)中平行于x轴在y轴上偏置为V的一条水平直线，从中可以看出电流会随着V_G作周期为e/Cg的震荡。图4(a)就是偏压恒定，电流-门电压的这种震荡关系曲线。电流随门电压的这种震荡被称作“库仑震荡”，单电子管的工作正是基于这种特性。当利用门电压作开关时，门电压使得Q_e＝Vg(e/Cg)处在-1.5，-0.5，+0.5，+1.5...等半整数电荷时，电流达到峰值，单电子管相当于“开”的状态；当门电压使得Q_e处在-1，0，+1...等整数电荷时，电流截止，单电子管处于“关”的状态。另外，由于库仑岛上通过门电容耦合的电量发生半个电子电荷的改变，源漏极间的电流状态就从峰值改变到截止状态，电流变化对电量的改变非常灵敏，因此单电子管还可以用来作电量的灵敏探测。

虽然单电子管具有上面重要的应用价值，但是在实际工作中还是遇到很多实际困难。单电子管的工作中利用了库仑阻塞效应，为了防止热涨落能掩盖掉库仑阻塞效应，必须库仑充电能e²/2C远大于热涨落能k_BT。这就使得室温下工作的单电子管库仑岛的电容必须很小。为此人们采用各种技术不断的减小库仑岛的尺度，一种技术就是采用纳米颗粒作为库仑岛。这种单电子管在室温下已观察到了库仑阻塞现象。但是尺度的不断减小会带来另一个问题，即在纳米尺度下颗粒内部的电子结构不再象宏观材料具有准连续的能态密度(如图2(a))，由于量子限域效应，纳米颗粒内部将会出现分立的量子能级，其能态密度如图2(b)所示。量子能级的出现会使得V_DS-V_G稳定区域图中多出一些精细结构如图3(b)所示，与图3(a)相比，图3(b)在库仑阻塞区域之外，多了一些虚线，这些虚线处对应着电子通过量子能级发生共振隧穿，共振隧穿处电流会突增。另外库仑阻塞区在V_G方向上的周期也会展宽，展宽的部分大小反映了量子能级的间距。

量子能级在固定V_G时的(dI/dV_DS)-V_DS微分电导谱上表现为在等间距的单电子隧穿峰附近多出一些对应于共振隧穿的小峰。当固定V_DS而考察电流-门电压关系时，会发现在库仑阻塞区外电流不再是一个简单的单峰，在共振隧穿位置处会出现额外的峰，见图4(b)。I-Vg的曲线变得更复杂，这种复杂性对于器件应用是不利的，它使得用于作为“开关”状态的峰值位置变得不确定。原先门电压每改变e/2Cg，即电荷Q_e改变半个电子电荷e/2，电流就在峰值和截至状态改变。现在由于多峰结构的出现和周期性的破坏，不能再通过简单的电流变化来进行准确的电量测量。

可见，分离能级对单电子管的正常工作是有干扰的。然而这种分离能级现象在目前采用金属或半导体晶态纳米颗粒以及单个分子作为库仑岛的单电子管中是普遍存在的。

随着纳米胶体化学技术的发展，我们已经可以用化学二元法合成大小分布单一性很好的稳定的非晶纳米颗粒，例如非晶钯Pd纳米颗粒。我们通过对晶态和非晶钯Pd纳米颗粒的单电子隧穿的对比实验发现，非晶化可以抑制Pd纳米颗粒中的量子限域效应，这个新的发现为解决单电子管中的量子限域效应干扰提供了一种很好的途径，即：如果采用非晶化的纳米颗粒代替以往晶态纳米颗粒作单电子管的库仑岛，将会抑制住量子能级分离带来的干扰。图5是利用扫描隧道显微镜(STM，即Scanningtunneling microscope)对三组尺度分别为2.5，2.0和1.6nm的Pd纳米颗粒测得的dI/dV-V单电子隧穿谱。实验过程中，钯Pd纳米颗粒沉积在Au衬底上，扫描隧道显微镜的针尖定位于一个单个的钯Pd纳米颗粒的上方，由于化学制备过程的原因，Pd颗粒的表面覆盖着一层硫醇分子，这层硫醇分子把钯Pd颗粒同金Au衬底隔开构成一个隧道结，Pd颗粒同上方的扫描隧道显微镜的针尖之间也存在一个隧道结，这样Pd作为库仑岛，针尖和Au衬底作为源漏两极就构成了双隧道结结构。它跟单电子管唯一不同的地方在于没有门极，相当于V_G固定不能调节。针尖与衬底上所加偏压V相当于单电子管中的源漏两极上的偏压V_DS，改变V所得的dI/dV-V单电子隧穿谱相当于单电子管固定V_G时改变V_DS所得的(dI/dV_Ds)-V_DS微分电导谱。在曲线I，II，III中，每一组的上面的一条是非晶颗粒的，下面的一条是晶态颗粒的。从非晶颗粒的dI/dV谱中，可以观察到由库仑台阶引起的几个主峰，而单晶颗粒的dI/dV谱中，可以明显的看出许多复杂的小峰，这是由颗粒内部的分离能级造成的。从中可以看出在非晶Pd颗粒中，没有能级的分裂。进一步的研究表明，在单电子隧穿谱中，非晶Pd纳米颗粒中量子限域效应受抑制没有分离能级现象出现是由两方面原因引起的。一是静态效应：非晶纳米颗粒内部无序结构导致其内部电子能级间距比晶态纳米颗粒小。其次，还有动力学效应，纳米颗粒内部的电子相互作用比体材料中有所提高，电子态的寿命减小，因而能级展宽，由于晶态纳米颗粒内部原子堆积的密度大，其内部的能级展宽要比非晶的小，不足于抑制单电子谱中离散能级带来的小峰。

3、有益效果

通过纳米颗粒的非晶化就克服了晶态颗粒尺度减小带来的分立能级，用非晶纳米Pd颗粒作库仑岛就可以避免分离能级对器件的干扰，使器件工作更稳定。

四、附图说明：

图1是本发明的单电子管结构示意图。其中有漏极1、源极2、门极3、隧道结4、库仑岛5、门电压V_G、偏压V_DS。

图2(a)是体材料能级准连续的能态密度示意图。

图2(b)是纳米颗粒由于量子限域效应造成的分立能级的能态密度。

图3(a)是库仑岛内部能级准连续的情况下，微分电导dI/dV_DS分布稳态图。

图3(b)是库仑岛有分立能级的情况下，微分电导dI/dV_DS分布稳态图。

横坐标为门电压V_G，纵坐标为偏压V_DS

图4(a)是库仑岛内部能级准连续的情况下的I-V_G特征曲线。

图4(b)是库仑岛有分立能级的情况下的I-V_G特征曲线。

图5是非晶和晶态Pd纳米颗粒的单电子隧穿谱。横坐标轴是偏压V，纵坐标轴是微分电导dI/dV。

五、具体实施方式：

本发明的具有稳定开关特性的单电子晶体管，由漏极1、源极2、门极3和库仑岛5组成，其中库仑岛5采用非晶纳米颗粒，位于源极和漏极之间，并与两边的源极1、漏极2分别以隧道结隔开。非晶纳米颗粒采用钯Pd非晶纳米颗粒。

实施例1：

1、在掺杂的硅片(degenerately doped silicon wafer)表面利用磁控溅射的方法蒸发上一层60nm厚的二氧化硅层用作下一步的衬底，二氧化硅层下面的掺杂硅片可作为单电子管的门极3。

2、纳米电极对的制备，可采用英国《自然》(nature，1997，389，699)和美国《应用物理快报》(Appl.Phys.Lett.，1999，75，301)提供的方法制备：

(1)在二氧化硅衬底上涂聚甲基丙烯酸甲酯/聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙稀酰胺)(PMMA/P(MMA-MAA))双层胶作为电子束抗蚀剂；用电子束刻蚀方法在该双层胶表面刻蚀出宽度和深度约为200纳米的槽，所采用的电子束的加速电压为20千伏，束斑大小为0.1微米；再利用热蒸发仪在该表面蒸上约15纳米厚的金或铜，由此在槽中沉积形成金属纳米线；蒸发金属时，真空度须高于1.0×10^-3帕，控制二氧化硅衬底温度为室温，蒸发上的金属膜厚度可通过监控仪控制；然后用离子束刻蚀机把聚甲基丙烯酸甲酯/聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙稀酰胺)双层胶去掉，即得到金属纳米线；

(2)在金属纳米线两端加一电压，调节该电压，当该电压达到470毫伏时，金属原子在电场作用下迁移，使金属纳米线断裂，在断裂处形成宽约30纳米、厚约5纳米、裂缝间隙约5纳米、端部曲率半径约为5纳米的金属纳米电极对，这一纳米电极对就可以作为单电子管的漏极1和源极2；

3.用丙酮清洗上述制备的金属纳米电极，然后将该金属纳米电极放在氧焰中去除杂质，放入1毫摩尔浓度的癸烷双硫醇的乙醇溶液中浸泡36小时(或放入5毫摩尔浓度的癸烷双硫醇的乙醇溶液中浸泡24小时，或放入0.01毫摩尔浓度的癸烷双硫醇的乙醇溶液中浸泡48小时)，即在金属纳米电极表面形成自组装单层膜；将该纳米电极从溶液中取出，用无水乙醇清洗，除去剩余的癸烷双硫醇分子；

4、平均尺寸2纳米的非晶态纳米Pd颗粒的制备：

本实施例中反应所用的水都通N₂除氧30min。将2.0mg PdCl₂溶解于50ml浓度为0.1mol/L的盐酸水溶液中，取500mgPVP溶入该溶液中，另取0.5mgNaBH₄溶解在50ml水中，在30秒时间内将NaBH₄的水溶液在匀速加入PdCl₂溶液中，并充分搅拌，生成了黄色水溶液。取5μL十二烷基硫醇(dodecanethiol)溶解在20ml甲苯中，将其和20ml前面制备的黄色水溶液混合，在25℃下剧烈搅拌30min，静置后，得到两层溶液，上层甲苯层为黄色，下层水层为无色。分离出甲苯层，在25℃下减压蒸发，直至固体沉淀完全析出，用20ml无水乙醇洗涤3次，待乙醇完全挥发后，加入5ml甲苯溶解得到亮黄色溶液。该亮黄色溶液为十二烷基硫醇包裹的非晶态纳米Pd颗粒在甲苯中的溶液。

5、把制备好的含非晶钯纳米颗粒的溶液滴在表面有自组装单层膜的两个金属纳米电极上，由于自组装单层膜是双端硫醇，线状的硫醇分子的一端连接在金属电极上，另一端会吸附落在两个电极之间的非晶Pd纳米颗粒，当有一个非晶Pd纳米颗粒被固定在两个电极之间时就构成了单电子管，这时Pd金属纳米颗粒就作为单电子管的库仑岛5，而其表面的硫醇分子层4起着把库仑岛与两边电极隔离的作用，构成两个隧道结。

Claims

1.一种具有稳定开关特性的单电子晶体管，由漏极(1)、源极(2)、门极(3)和库仑岛(5)组成，其特征在于库仑岛(5)采用非晶纳米颗粒，位于源极和漏极之间，并与两边的源极(1)、漏极(2)分别以隧道结隔开。

2.根据权利要求1所述的具有稳定开关特性的单电子晶体管，其特征在于非晶纳米颗粒采用钯非晶纳米颗粒。