一种基于金属隧穿结的可栅控开关器件的实现方法技术

本发明专利技术公布了一种基于金属隧穿结的可栅控开关器件的实现方法，属于纳米或原子尺度器件领域。该方法在隧穿结结构之外，引入一个开关控制电极，开关控制电极经由介质或空气与隧穿结隔开，实现电绝缘。在开关控制电极上施加电压，则开关控制电极与隧穿结之间也会形成电场。因开关控制电极电场的引入，改变了隧穿结表面的电场分布，产生了垂直于沟道方向的电场分量。垂直沟道方向的电场分量，对隧穿结表面的原子同样也有库仑力作用，可使原子沿垂直于沟道方向迁移，使得原本停留在隧穿电极对尖端的原子，将会向两侧移动，而离开尖端位置，从而实现了通过开关控制电极控制隧穿结电流大小的目的，实现了可栅控开关。实现了可栅控开关。实现了可栅控开关。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属隧穿结的可栅控开关器件的实现方法


[0001]本专利技术设计纳米/原子器件领域，具体是一种利用金属隧穿结的实现可栅控开关器件方法

技术介绍

[0002]随着集成电路工艺技术不断发展，目前半导体制程已经推进至5nm、3nm节点，微纳电子器件的特征尺寸(如晶体管栅极间距、金属间距)已经缩小至50nm～30nm范围。但根据台积电公布的指标信息，即使半导体制程推进至2nm节点，晶体管栅极间距和金属间距仍然分别在30nm和20nm，故硅基器件利用等比例缩小至10nm以下困难极大，如何将器件特征尺寸进一步缩小至亚十纳米，甚至原子尺度，极具挑战。对于金属
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氧化物
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半导体场效应晶体管(MOSFET)器件来说，进一步提高器件性能，需在材料、器件结构、加工工艺等方面同步进行改进才有可能，这不仅在技术上存在巨大挑战，也增加了经济成本。而新型纳米/原子尺度器件，例如纳米/原子尺度隧穿结器件，因其不同于传统微电子器件的工作原理和结构，可以实现更小的物理尺寸、更高的集成密度、更高的器件性能，因而近年来隧穿结器件受到了大量的关注。
[0003]隧穿结通常一金属电极对构成，在隧穿间隙内通常为真空或空气，构成隧穿势垒。当隧穿间隙时很小时，若施加偏压，改变两侧隧穿电极对的能级位置，一侧隧穿电极上的电子便可经由量子隧穿效应，从一侧电极到达另外一电极，从而产生隧穿电流，基于金属隧穿结，可以实现具有极高开关比的开关器件，且可应用于诸多领域，如存储器、量子器件、光电器件等。
[0004]但是目前隧穿结的器件只能用作两端器件，如开关、非易失性存储器等，隧穿结器件无法通过栅电极控制隧穿电流大小，无法实现类似场效应晶体管那样的三端器件，因而难易用于更复杂数字逻辑电路，其主要问题在于，迄今为止，隧穿结无法实现可栅控开关的功能，而可栅控开关器件是数字逻辑功能的核心器件。故利用隧穿结来实现可栅控开关的方法，具有十分重要的价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提供一种利用隧穿结来实现可栅控开关的方法
[0006]本专利技术的原理：
[0007]通过光刻或电子束曝光、金属沉积剥离工艺，或FIB沉积等方法，可以在衬底上制备金属纳米带。通过电迁移、可栅控机械裂解法、直接刻蚀等方法，可将金属纳米带进一步加工为金属隧穿结，具有纳米/原子尺度的隧穿间隙。在纳米或原子尺度的金属隧穿结中，隧穿结间隙内的静电场会对隧穿结表面原子迁移产生显著影响，若在隧穿结间隙附近、且在垂直于隧穿结的源漏电极连线方向上，通过栅电极施加电场，会改变隧穿结表面的电场分布，使隧穿结表面原子迁移的方向发生变化，从而改变隧穿间隙宽度，进而改变隧穿电流大小，最终实现了通过开关控制电极控制隧穿结开关的目的。
[0008]其物理机理如下：若在隧穿结上施加一定电压，在会隧穿间隙中存在静电场，产生隧穿电流，隧穿电子碰撞原子提供了能量和动量，形成电流力；静电场对原子实具有库仑力作用；隧穿电流同时产生焦耳热，使原子热运动加剧，具有更高的动能，更有可能克服迁移势垒。在上述因素的共同作用下，隧穿结表面的原子可以向隧穿结电极尖端迁移，并停留在尖端位置。这样，隧穿电极可以向前延伸，从而减小了隧穿间隙宽度，增大了隧穿电流。在隧穿结的底部、侧面或顶部制备栅电极，当施加栅电压时，会使原子迁移方向偏离沟道方向，从而使隧穿距离增大，隧穿电流减小。
[0009]基于上述原理，可以在隧穿结电极对结构之外，引入一个开关控制电极。开关控制电极经由介质或空气与隧穿结隔开，实现电绝缘。在开关控制电极上施加电压，则开关控制电极与隧穿结之间也会形成电场。因开关控制电极电场的引入，改变了隧穿结表面的电场分布，产生了垂直于沟道方向的电场分量。垂直沟道方向的电场分量，对隧穿结表面的原子同样也有库仑力作用，可使原子沿垂直于沟道方向迁移，使得原本停留在隧穿电极对尖端的原子，将会向两侧移动，而离开尖端位置。这一迁移导致隧穿间隙宽度增大，使隧穿结电流减小，从而实现了通过开关控制电极控制隧穿结电流大小的目的，实现了可栅控开关。
[0010]本专利技术提供的技术方案如下：
[0011]一种基于金属隧穿结的可栅控开关器件的实现方法，其步骤包括：
[0012]1)制备金属纳米带：可以通过光刻或电子束曝光、金属沉积和剥离技术，或聚焦离子束(FIB)局域沉积等方法，制备金属纳米带结构，金属纳米带的中间设有宽度小于100nm的颈部结构；
[0013]2)将金属纳米线制备成隧穿结：通过电迁移、可栅控机械裂解法、氦离子束刻蚀、硬掩膜
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等离子体刻蚀等方法，可将金属纳米带进一步加工为金属隧穿结。其中，隧穿间隙距离在纳米或原子尺度，尺度范围：50nm～0.1nm；
[0014]3)在所述隧穿结的底部、侧面或顶部制备开关控制电极，所述开关控制电极与隧穿结之间为真空或绝缘介质，隧穿结和开关控制电极构成可栅控开关；
[0015]4)将所述可栅控开关连接至控制器；
[0016]5)调节控制器，对隧穿结施加电压波形，进行I
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V扫描，确保其隧穿电流达到开启状态要求的数值，这一开启状态为可栅控开关的初始状态；
[0017]6)设定开关控制电压，通过控制器，对开关控制电极施加该电压，并保持稳定；
[0018]7)在施加开关控制电压的情况下，对隧穿结施加电压波形，进行I
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V扫描，以读取开关控制电极状态。此时，根据步骤(5)施加开关控制电压的大小，可以读取到不同大小的隧穿电流：若施加了较高的开关控制电压，则隧穿结的电导将降低，因而隧穿电流较小，说明隧穿结被转换到了关闭状态；若施加了较低或0V的开关控制电压，则隧穿结的电导不发生变化，隧穿电流维持步骤(5)中开启状态的大小，因而隧穿结仍然保持开启状态。
[0019]本专利技术根据开关控制电压大小，可以使隧穿结从同一初始状态，到达不同的终止状态，从而实现了可栅控开关的功能。
[0020]本方法中隧穿结的材料可以为金属(金、钯、铂、铝、铟、银、钽等)。开关控制电极结构可以用覆盖绝缘介质的导电衬底(包括并不限于二氧化硅
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低阻硅衬底、氮化硼
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石墨烯衬底、蓝宝石
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金属衬底等)作为控制电极，或是衬底表面的局域沉积的、与隧穿结相邻但不相连金属，在隧穿结的底部、侧面或顶部作为控制电极等；控制电极与隧穿结中可以填充或
不填充介质，如果需要填充介质，则介质可使用各种方法(包括并不限于湿法/干法热氧化、外延生长、蒸发、溅射、原子层沉积等)制备的绝缘氧化物层(二氧化硅、氧化锗等)、高介电常数介质(即High
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K介质，包括并不限于氧化铪、氧化铝等)、空气介质或真空等等。连接电路可以为商用设备，如探针台系统等；也可使用自行设计制备的连接电路，如PCB版，或经流片制备的片上电路等。控制器可以为商用电路仪器设备，或自行设计加工的控制电路等等。商用电路仪器设备包括并不限于半导体分析仪或其他源表，自本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金属隧穿结的可栅控开关器件的实现方法，其特征在于，步骤包括：1)制备金属纳米带：通过光刻或电子束曝光、金属沉积和剥离技术，或聚焦离子束局域沉积方法制备金属纳米带，金属纳米带的中间设有宽度小于100nm的颈部结构；2)将金属纳米带制备成金属隧穿结，其中隧穿间隙在纳米或原子尺度距离，具体范围：50nm～0.1nm；3)在上述金属隧穿结的底部、侧面或顶部设置开关控制电极，所述开关控制电极与隧穿结之间为真空或绝缘介质，金属隧穿结和开关控制电极构成可栅控开关；4)将所述可栅控开关连接至控制器；5)调节控制器，对隧穿结施加电压波形，进行I
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V扫描，确保其隧穿电流达到开启状态要求的数值，这一开启状态为可栅控开关的...

【专利技术属性】
技术研发人员：田仲政，于达程，任中阳，田姣姣，任黎明，傅云义，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：