具有稳定开关特性的单电子晶体管制造技术

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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
自从1947年晶体管专利技术以来，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。
技术实现思路
1、技术问题本专利技术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、技术方案本专利技术由漏极、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。本专利技术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VSD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VG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Qe，即V＝Qe/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Vt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VG，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VG，纵坐标对应源漏两极的偏压VDS，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VG，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VG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Qe＝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Qe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kBT。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VDS-VG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VG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VG时的(dI/dVDS)-VDS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VDS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Qe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，即如本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁山，卢威，王兵，王海千，王晓平，侯建国，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]