CN1353461A

CN1353461A - 一种单电子晶体管及其制备方法

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Publication number: CN1353461A
Application number: CN 00133517
Authority: CN
Inventors: 王太宏
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2002-06-12
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: CN1159769C

Abstract

本发明涉及微电子及微加工方法。本发明提供一种由一维波导及线条栅等组成的单电子晶体管。本发明的单电子晶体管是利用一维波导和线条栅组合形成量子点等技术来制备的。本发明通过“挖槽”等技术的应用减小了工艺损伤,提高了成品率。本发明的单电子晶体管工作稳定性好,适于集成。本发明的量子点的尺寸可小达纳米量级,从而大大提高了器件的工作温度。

Description

一种单电子晶体管及其制备方法

本发明涉及微电子器件及微加工方法。

传统电子晶体管通过控制千万以上的成群电子的集体运动来实现开关、振荡和放大等功能；单电子晶体管则只要通过一个电子的行为就可实现特定的功能。随着集成度的提高，功耗已成为微电子器件电路稳定性的制约因素。以单电子晶体管构成的元件可大大提高微电子的集成度并可使功耗减小到10^-5。

图1是已知的单电子晶体管的原理示意图，由源极1，漏极2，量子点(或库仑岛)3，两隧穿节4和5以及一调节库仑岛电子数的栅6组成。它的正常动作须两个基本条件：(1)源、漏极间的电阻大于量子电阻R_q＝h/e2≈26kΩ；(2)量子点的电容足够小使得e²/2C＞＞k_BT。其中：C为量子点的电容，k_B为玻尔兹曼常数，T为工作温度。当量子点的有效直径小于10纳米时，单电子晶体管就能在室温工作。

目前单电子晶体管从材料体系可分为：(1)金属单电子晶体管，(2)有机材料单电子晶体管，(3)半导体单电子晶体管。前两种单电子晶体管主要用于技术探索和基本特性研究，最后一种可用于应用研究、甚至产品开发。这些单电子晶体管的制备方法主要有：(1)扫描探针显微镜SPM技术，(2)聚焦离子束注入FIB技术，(3)电子束光刻技术。前两种技术制备的单电子晶体管重复性和稳定性都比较差，并且第一种技术的微细加工时间太长。因而利用电子束光刻技术制备半导体单电子晶体管具有更重要的意义，特别是利用高迁移率二维电子气结构的样品来制备单电子晶体管有更潜在的意义。目前这方面的单电子晶体管的量子点结构都是通过大面积表面栅的负偏压耗尽来实现。图2为其中典型的单电子晶体管结构和原理示意图，它主要由盖冒层7、二维电子气层8、盖冒表面层9、以及表面栅6构成，在栅6上加足够大的负偏压形成量子点3(文献1，R.C.Ashooriza，1996年2月1日，Nature)。这种表面栅单电子晶体管有以下不足：(1)表面栅上的大负偏压导致大的耗尽区，使量子点的几何尺寸不能太小(如图3所示)，必须大于(B1+B2)，否则晶体管将不导通。这种晶体管的量子点势能分布平坦，耗尽宽度大，其量子点的几何尺寸无法小到纳米量级，因而它只能在极低温下工作。(2)量子点的势能廓不陡峭和大面积的表面栅引起的势垒下总体杂质数目的增加，导致单电子晶体管的工作状态不稳定。(3)量子点完全由表面栅来实现，从而限制了其应用并使它的集成成为不可能。

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种由一维波导及线条栅等组成的单电子晶体管，其工作温度高、性能稳定、适于集成。本发明的单电子晶体管是利用一维波导和线条栅组合形成量子点的技术来制备的。通过“挖槽”等技术的应用减小了工艺损伤及提高了成品率。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的单电子晶体管是这样构成的：在衬底和缓冲层及台面之间是二维电子气层，利用二维电子气层通过合金形成欧姆接触作为源极和漏极，利用“挖槽”技术在源极和漏极之间形成一维波导，一维波导通过槽与其他台面部分隔离，在一维波导上沉积形成两条势垒线条栅及两条边线条栅，在势垒线条栅上加负偏压，耗尽这两条势垒线条栅下的电子气，从而在它们之间的波导中形成量子点。

它的量子点由一维波导和加在线条势垒栅的负偏压形成，这两势垒线条栅下的波导区就为单电子晶体管的两隧穿结。边栅上的偏压可改变量子点中的电子数。

本发明的制备单电子晶体管方法是按以下步骤实现的：

(1)用分子束外延、液相外延或气相外延等方法生长有二维电子气层的

样品，从样品表面到电子气层的厚度不大于60纳米。

(2)用常规光刻法或电子束光刻法通过金属沉积剥离或台面腐蚀技术制

备套刻标记，标记的高度须大于200纳米，否则将影响套刻精度。

(3)用普通光刻法制备器件的大面积部分，其中包括深腐蚀法制备器件

台面，快速退火制备欧姆接触和金属蒸发制备肖特基栅的引线接触

部分。

(4)用湿腐蚀法制备宽度Ww为200纳米≥Ww≥1000纳米的一维波导，

采用“挖槽”技术(如图4所示)则可减小器件在工艺过程中的损

伤，通过控制“倒三角形”的腐蚀截面(如图5所示)可减小栅极漏

电电流和提高器件工作温度，“挖槽”深度Hw为70纳米≥Hw≥40

纳米，槽的宽度大于50纳米，若要利用槽来形成平面栅，则它的宽

度最好限制在500纳米左右。该步骤也可用干法刻蚀来完成。

(5)利用电子束光刻法、X射线或移相掩膜法在波导上制备线条栅。若采

用悬挂栅技术(图5所示)可提高器件的成品率。由于台阶起伏表

面上的条栅在局部有强的应力，它在剥离中很容易在局部出现断裂；

另外条栅局部应力的不均匀性会使条栅与波导表面虚接触而不能形

成肖特基势垒，也会使条栅与腐蚀面的二维电子气接触而导致大漏

电电流。为了避免以上的情况的出现，在蒸发过程中，使源蒸发角

度和条栅方位成90度蒸发，选择蒸发源金属以使其和样品表面的粘

附性好、和样品形成好的肖特基势垒并有较高的势垒高度、稳定性

好且不易氧化。工艺过程中，要在释放人体感应电后才可接近样品，

否则它的放电将毁坏窄沟道的波导和极微细的线条栅。

本发明的单电子晶体管的工作原理是电子被限制在一维波导中运动，这一电子波导相当于光学上的Fabry-Parot cavity，因而这种单电子晶体管更易显示位相相干等量子效应；这种单电子晶体管结构中，表面栅面积的减少也降低了垒区杂子存在的几率，提高了器件工作的稳定性；利用倒三角形的腐蚀截面和悬挂栅技术避免了栅和通道层的接触，减少了漏电电流，并提高了器件的成品率；利用线条栅代替大面积表面栅，减弱了金属栅对电子的屏蔽作用，并减小了量子点的电容，从而提高了器件的工作温度；小的栅偏压即可在栅下形成隧穿结，使量子点的势能廓陡峭规则(图6)并使器件的性能稳定、可靠。其量子点的尺寸可小达纳米量级，从而大大提高器件的工作温度。

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是己知单电子晶体管的原理示意图。

图2是传统单电子晶体管结构及原理示意图。

图3为传统单电子晶体管的量子点势能分布图。

图4是本发明单电子晶体管的结构示意图。

图5为利用湿腐蚀“挖槽”技术制备的一维波导和一悬挂线条栅。

图6为本发明单电子晶体管的量子点势能分布图。

实施例1：利用AlGaAs/InGaAs/AlGaAs调制掺杂二维电子气样品制备性能稳定、工作温度高并适合应用的单电子晶体管(如图1所示)。

样品生长：1)利用分子束外延技术在Si-GaAs衬底上生长750纳米厚缓冲层11，生长温度为750℃；2)在缓冲层上，在650℃生长二维电子气层8：即14.5纳米的InGaAs层和1纳米的GaAs层，其中In含量为0.18；3)衬底温度升到780℃，生长10纳米AlGaAs层和掺Si的30纳米AlGaAs层，4)衬底温度降到750℃生长10纳米GaAs盖冒层。其中步骤3)和4)经过腐蚀形成台面10。

器件制备：I)套刻标记制备：1)将样品分别在三氯乙烯、丙酮、无水乙醇中超声清洗5分钟；2)在110℃烘烤30分钟，去掉样品表面水汽；3)用匀胶机在样品表面上甩上600纳米的电子束光刻胶PMMA并在170℃烘烤60分钟；4)用电子束光刻制备左右对称的两“+”字标记，其线宽为1-5微米，长度为1000微米；5)用甲基异丁基甲酮显影30秒并用异丙酮定影50秒；6)用无水乙醇清洗样品60秒并放进电子束蒸发室；7)当蒸发室的真空度达以上7×10^-4Pa时，蒸发钛(或铌、鉻)50纳米-100纳米和金150纳米以上；8)超声剥离；9)长时间UV曝光60分以上并重复第二步步骤以去掉残余的电子束光刻胶。II)用常规光刻法制备器件台面10、欧姆接触的源极1和漏极2以及大面积引线接触部分；III)一维波导12的制备：10)用电子束光刻制备“挖槽”图形，重复前5步的步骤，但此时的电子束光刻胶的厚度为100纳米，其光刻胶可为PMMA，也可为ZIP等等。11)用无水乙醇清洗样品，选择H₂SO₄∶H₂O₂∶H₂O体系“挖槽”，其深度刚好达到二维电子气层。利用湿法异性腐蚀控制“倒三角形”的腐蚀截面，形成槽17、18，一方面使有效波导宽度尽可能窄以提高器件工作温度，另一方面避免了沟道中二维电子气19和条栅13、14、15、16的可能直接接触。为实现“倒三角形”的腐蚀截面，腐蚀边应沿<011>和<0-11>方向，并选择电化学控制的腐蚀液如稀硫酸、磷酸和氨酸等腐蚀体系，腐蚀速率控制在每秒0.1纳米和1.6纳米之间。12)用丙酮去掉光刻胶并重复第9步以去掉残余的电子束光刻胶。IV)线条栅制备：15)重复第10、7和8步的工艺，但此时蒸发钛(或铌、鉻)5纳米-30纳米和金20纳米-30纳米。在势垒线条栅13、15之间的波导即为量子点3。

器件性能：器件的成品率在95％以上并有相当好的稳定性。(1)在一个月内分别重复测量8个器件60次，单电子库仑振荡曲线各自完全重合；(2)一维波导宽为280纳米、4条线条栅的宽度及相互间距都为50纳米的器件都可在20K以上的温度显示清楚的单电子库仑振荡；(3)利用此单电子晶体管，我们探测到了单电子存储器的单电子存储过程并成功将它发展为对电荷的超敏感库仑计。

实施例2：利用AlGaAs/GaAs调制掺杂二维电子气样品(和实施例1的技术基本相同，除InGaAs换成层GaAs层外)制备了多种量子特性的单电子晶体管：(1)量子波导型的单电子晶体管，观察到量子相干特性对单电子库仑振荡幅度的调制作用；(2)在图4的条栅16上加-1.2伏的偏压，形成了双量子点的单电子晶体管，观察到了双量子点的能级藕合效应；(2)条栅宽度和间距都等于50纳米的单电子晶体管显示了明显的自旋库仑阻塞效应。

实施例3：用“常规光刻”来代替实施例1中“电子束光刻”制备套刻标记，制备了低温单电子晶体管。其成品率为76％，远比实施例1中的成品率低。

实施例4：用“台面腐蚀”来代替实施例1中“金属沉积剥离技术”制备套刻标记，台面腐蚀深度为500纳米。单电子晶体管的成品率为68％。

实施例5：用“台面腐蚀”来代替实施例3中“金属沉积剥离技术”制备套刻标记，台面腐蚀深度为500纳米。单电子晶体管的成品率为56％。

实施例6：用干法腐蚀代替实施例1中的湿腐蚀制备一维波导，单电子晶体管的成品率为89％。单电子库仑振荡曲线重复测量很难完全重合。这主要是由于干法腐蚀对样品有损害造成的。

实施例7：实施例1中的样品换为下列样品：1)利用分子束外延技术在Si-GaAs衬底上生长750纳米厚缓冲层，生长温度为750℃，2)在650℃生长14.5纳米的Si-InGaAs层和1纳米的GaAs层，其中In含量为0.18.3)衬底温度升到780℃生长40纳米AlGaAs层4)衬底温度降到750℃生长10纳米GaAs盖冒层。

其单电子晶体管的特性都很复杂，显示了非周期性的单电子库仑振荡。这主要是一维波导中含有多个量子点的缘故。

Claims

1.一种单电子晶体管，其特征在于：在衬底和缓冲层(11)及台面(10)之间是二维电子气层(8)，利用二维电子气层通过合金形成欧姆接触作为源极(1)和漏极(2)，利用“挖槽”技术在源极和漏极之间形成一维波导(12)，一维波导通过槽(17)和(18)与其他台面部分隔离，在一维波导上沉积形成两条势垒线条栅(13)、(15)及两条边线条栅(14)、(16)，在势垒线条栅(13)、(15)上加负偏压，耗尽这两条势垒线条栅下的电子气，从而在它们之间的波导中形成量子点(3)。

2.一种制备权利要求1的单电子晶体管的方法，其特征在于：按以下步骤进行：

(1)用分子束外延方法生长有二维电子气层的样品，从样品表面到电子气层的厚度不大于60纳米；

(2)用电子束光刻法通过台面腐蚀技术制备套刻标记，使标记的高度大于200纳米；

(3)用普通光刻法制备器件的大面积部分，即以深腐蚀法制备器件台面、快速退火制备欧姆接触和金属蒸发制备肖特基栅的引线接触部分；

(4)用湿腐蚀法制备宽度Ww为200纳米≥Ww≥1000纳米的一维波导，采用“挖槽”技术及控制“倒三角形”的腐蚀截面，“挖槽”深度Hw为70纳米≥Hw≥40纳米，槽的宽度大于50纳米；

(5)利用电子束光刻法在波导上制备线条栅(13)、(14)、(15)和(16)，在蒸发过程中，使源蒸发角度和条栅方位成90度蒸发，选择蒸发源金属以使其和样品表面的粘附性好、和样品形成好的肖特基势垒并有高的势垒高度、稳定性好且不易氧化，工艺过程中，要在释放人体感应电后才可接近样品。

3.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于：其中步骤(1)还可以采用液相外延或气相外延来生长有二维电子气层的样品。

4.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于：其中步骤(2)还可以采用常规光刻法制备套刻标记。

5.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于：其中步骤(2)还可以通过金属沉积剥离技术制备套刻标记。

6.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于：其中步骤(4)还可以用干法刻蚀来制备一维波导。

7.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于：其中步骤(5)还可以采用X射线或移相掩膜法制备线条栅。