纳米器件与单电子晶体管

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1、万方数据-苎，滁戳№街R—一⋯·。：：篡Devicqe&剐T卜ec№-oa，纳米器件与单电子晶体管王太宏(中国科学院物理研究所．北京100080)摘要：报道了一种非常重要的纳米器件～一单电子晶体管，介绍了它的原理、基本特性、制备方法及其集成，着重分析讨论了两种新型的单电子晶体管即波导型单电子晶体管和点接触栅型单电子晶体管。关键词：单电子晶体管；纳米器件；超敏感探测；纳米加5-中图分类号：TN386．1；0488文献标识码：A文章编号：1671—4776(2002)0l一0028—05Nanodeyicesandsingle-el

2、ectrontransistorsWANGTai—hong怖tituteofPhysiex，ChiwseAcadem，ofS,cienees．Bei]'ing100080．Chi砌Abstract：Asingle—eleetrontransistor，amostimportantnanodevice，isreposed．Itsprincipleofoperation，characterization，fabricationandintegrationarereviewed，withemphasisonlwonewtypesofs

3、ingle—electrontransistors，onewithaelectronwaveguideandanotherwithin—planepointcontactgatesKeywards：single—electrontransistors；nanodevices；detectingwithsuper-sensitivity；nanofabriea—lion1引言出电导会不会因为短栅效应I『Ij增加到不切实际的纳米技术的发展使人们能够制作出0．1纳米到50纳米的结构和器件，这使得人们可以研究迄今为止实验技术人员一直无法

4、接近的领域中的新型器件的功能和物理。图l给出r各种器件尺度范匍示意图。从传统的角度来说，对迅猛发展的硅器件集成电路，随着集成度的不断提高，器什尺寸越来越小．各种问题纷纷涌现，比如电接触、单元间互连、可靠性等。但足，人们普遍关心的是当器件尺寸缩小时它还能否正常1‘作。以SiMOSFET为例，当栅电擞长度小于50纳米时器件能否像长栅器件一样正常工作，或者说，其输ffj[稿日期：200f—10—136+国家自然科学基金(69925410，19904015)资助琐日微纳电子技术2002年第1期oR度／r,m囝】名种】=!f能器件尺度示意

5、图万方数据≮Ij&卷噜}南j瓷永NanoelectronicDevice&Technology程度，为此研究人员希望能够找出一个临界尺寸，“{器件尺寸小于临界尺、，时，器件便不能按经典原理工作斫是表现出新的特性。因此，研究和发展纳米器件足传统器件技术发展的必然要求。现在，人们在纳米加工工艺发展的基础上已经开始研究一个全新的器件领域：单电了器件(SEDl。其中研究最广泛、理解最深刻的是单电子晶体管(SET)。通常的晶体管在工作时电子数日每次在106个以r时才能动作，而单电子品体管工作时每次动作只需一个电子，在其源极和漏极之间的电子

6、是一个一个通过的，每个电子的传输都是可以由外加栅压控制的。，做一个生动的比喻，可以说单电子晶体管与传统晶体管的差别就像微型注射器与流量很大的水龙头之

7、日J的差别，，如图2所示，注射器的水流量可以一滴一滴地精确控制．而水龙头却难以做到这一点。较传统晶体管而言，单电子晶体管可更大规模地集成，其体积可以缩小到l％．所需电力也能够减少到t万分之一以上。图2传统品悼臂邗单电子晶体管的碌理钻鞫单电子晶体管自从问世以来得到了广泛的研究，电学测量的温度由mK量级直到室温，器件种类包括金属单电子晶体管、超导单电了^晶体管、有机物单电子晶体管和半导

8、体单电子晶体管。人们对单电子器件的兴趣主要来源于两个方面：首先，低维的单电子器件的输运特性揭示了介观领域中电子输运的基本特征，如库仑阻塞效应、单电子隧道效应、量子点即人造原子的壳层结构、近藤效应(Kondoeffect)等。另一方面，单电子器件自从其实现之初就显示出了广阔的应用前景，利用常电子晶体管制作的电了旋转门器件可用于电流标准；单电了晶体管的电导对岛区电荷极为敏感，可以制成超灵敏静电计；还可以利用单电子隧穿效应制作单光子探测器；虹重要的是可以制作以啦电了：器件为基础的逻辑电路，进一步大幅提高电路的集成度。单电子器件领域的研

9、究进展极快，日奉电信电话公司(N1Tr)于1999年12月宣布已试制成功了使用多个单电子品体管的电子i1+算机逻辑电路(最初的电路是一个加法运算器)，2001年4月1日又宣布研制成功了基于硅衬底可以高密度集成化的单电子晶体管和单电子元件。把各种技术相结合，他们有