單電子器件

目前半導體器件的尺寸已突破100nm向40nm尺寸進軍。如果繼續減小，器件的尺寸將接近電子的德布羅意波長，量子效應將變得更加顯著，尺寸小於83&O 將出現一些如庫侖阻塞等新的特性。在這種情況下，宏觀的器件理論將被替代，一些新的器件模型和理論被紛紛提出。其中認為現有器件較有希望的替代者是單電子晶體管（SET）和單電子內存（SEM）。

1969 年，Lambe和Jaklevic發現了單電子在箱勢阱中的電荷量子化。80年代中期，Averin和Likharev提出了單電子轉移振蕩現象和單電子晶體管模型。單電子器件是依據庫侖阻塞原理來控制一個或少數幾個電子的位置或移動，從而實現器件功能的新型器件。早期的工作主要集中在SED的邏輯電路、SET的工作溫度研究和單電子轉移器件。後來Fulton等在進行單電子高阻結轉移試驗時，注意到了I-V特性曲線明顯的時滯特性。同時SET的小尺寸、低功耗、高速度極具誘惑力，於是人們開始了對SEM探索。SED的發展十分迅速。十幾年的時間，其理論已經有了基本雛形，器件的性能不斷提高，應用範圍不斷拓寬。1995-1998年，各種類型的SET陸續被提出。8TT5 年日本NNT LSI實驗室做成室溫下工作的Si-SET ,1999年日本NEC實驗室做成是利用庫侖阻塞原理。它有幾種結構，都是依據與宏觀結構浮置柵相比，量子點接納一個電子需要大的充電能來設計的。它實際上是原來浮置柵器件的變形。其中量子點代替了原來的浮置柵。由於量子點的大的庫侖充電能，使得在很高的控制柵偏壓下，才能將一個電子隧穿進島。由於隧道勢壘取得合適，在控制柵壓移去后電子並不能隧穿出島，將保持漏源溝道感應導通和截止。只有在高於閾值的寫電壓或擦除電壓下，才能改變島中的電荷態。

首先，我們通過一個簡單的例子來描述單電子學的概念。如圖2.1所示，有一個小的導體（單電子學中習慣稱之為“島”）為電中性，也就是說在它的晶格內電子數目(m)和質子電荷數目嚴格相等。在這種情況下，島的邊緣以外就不能觀察到電場。這時一個微弱的外力F就可以使島帶有一個附加的電子，在大多數單電子器件中，載流子隧穿通過由薄絕緣介質層形成的勢壘而注入島中。這樣島中的凈電荷Q為-e，帶電的導體將在其周圍產生一個電場。這樣，任何其它電子想向島靠近，都將碰到靜電排斥力。如果這個島的半徑為1nm且放置在真空中，其表面上產生的電場將有14MV/cm大。這個靜電排斥力就是單電子學領域中最基本的庫侖阻塞效應的來源。

庫倫阻塞效應

早在 1951年 Gorter就採用庫侖阻塞的概念解釋了顆粒狀金屬的電阻隨溫度下降而反常增加的行為。1987 年，Fulton 和 Dolan 在兩個微型金屬隧穿結串聯而形成的系統上直接觀察並驗證了電導的庫侖振蕩。1989 年 Scott-Thomas 等人發現了半導體中的庫侖阻塞效應，觀察到由硅反型層形成的窄一維溝道結構中的電導隨柵壓變化的周期振蕩現象。之後，人們對半導體中的庫侖阻塞效應進行了大量的研究。

金屬隧穿結

按照經典物理理論，電子不可能通過絕緣層構成的勢壘，隧穿結就像一個電容器。把隧穿結連接到外電路，隧穿結的充電量為 Q=C V，V是所加電壓，Q是在電極中電子相對於背景正電荷移動而感應出的電荷。人們發現這樣小的隧穿結勢壘兩邊電荷分佈之間的相互作用仍然能夠使用充電能 Q /2C2來表示。

考慮到量子效應，電子有可能隧穿通過勢壘。每一次隧穿，電荷變化量為一個電子的電量。電子隧穿過程中，充電能的變化可以表示為 E e/2C。為了觀察單電子現象，必須將隧穿充電能CE 與電子熱能 kTB比較。如果，熱漲落不會引起電子隧穿，這一條件要求隧穿結電容非常小。在一個小系統中，勢能的改變可能大於熱能，特別是在低溫下。由於單一電荷的傳輸而引起如此大的靜電能的改變可以在費米能處產生一個能量間隙，在這個能量範圍內產生庫侖阻塞現象。此時電子的隧穿是禁止的，直到通過加偏置電壓使電子能夠克服充電能。

單電子器件是基於庫侖阻塞效應，以單電子電荷的精度控制電荷傳輸進行工作的器件。下面的簡單模型簡要說明了庫侖阻塞效應。在現有的工藝條件下，制 造的器件尺寸相對較大，因此KE 可忽略不計，aE 即由CE 表示。

SED 是納米量級的器件，它的製作工藝比較精細複雜，對設備要求很高。目前，SED 的製作主要有圖形相關氧化PDOX、邊緣錯開法SECO、量子點薄膜法、二維電子氣靜電約束法、掩膜斜蒸法SME。各種方法都是為了減小結電容和量子點尺寸，來獲得大的庫侖充電能。PDOX 是利用氧化和應力分佈相互作用，在氧化使尺寸變小的同時，自然形成島和隧道結。SECO方法是採取漏源電極與島錯開的方法，減小結正對面積，從而減小電容。量子點薄膜法是在漏源電極上生長或濺射一層量子點薄膜，使膜中量子點與漏源電極形成MTJ結構的方法。二維電子氣靜電約束法是通過異質結構形成的二維電子氣的靜電約束，來形成SET結構的一種方法。

SED器件的優點是明顯的。首先，它是基於單電子運動和存儲，因而其功耗特別小。第二，SED的電容特別小，隧道電阻幾十至幾百kΩ，而且隧穿過程時間很短，因而其工作速度特別快（可達幾十+CD）。第三，其尺寸特別小（納米量級），利於特大規模集成。第四，其伏安特性曲線庫侖台階的獨特性，便於實現多值邏輯和高頻振蕩，可以提高器件功能密度。SED的這些優點，使之成為未來微電子器件的最有前途的替代者以及納電子時代的承擔者。

SED器件目前還有許多問題等待解決。它是納米尺寸器件，在納米量級上進行器件的加工要求極精密的工藝和設備。因而，SED的製作，特別是重複性、一致性、批量性生產是一個急需解決的問題。

在討論SED的應用前景時冠以“潛在”的詞語, 是因為在研製SED方面還存在巨大的障礙。一些重要的原理或理論問題尚未解決, 如由多個量子點和量子阱構成的電路中能量的量子化對單電子充電效應究竟產生何種影響, 電子的相關轉移是否必定需有隧穿等等。

另一方面則出自於納米加工的工藝技術水準。由微細加全技術的進展導致了跨入量子器件時代, 而對量子器件的研究本身則又向微細加工, 特別是納米結構製備技術提出了更大的挑戰。目前製備有序的納米量級薄膜的技術主要有分子束外延(MBE) , 金屬有機氧化物氣相外延(MOCVD) , 化學束外延(CBE)等, 這些技術相應較成熟, 但需要十分昂貴的設備, 投資很大。相比較而言, 採用單分子層逐層由液相轉移至固體基片技術則顯得易於控制, 且投資較小, 同樣可以獲得分子水平上有序的固態超薄膜.

關於單電子學的研究，最早甚至可以追溯到19世紀末期，Joseph John Thomson發現了電子的存在，為此他於1906年獲得了諾貝爾獎。不久，Robert Millikan用他的油滴實驗證明了電子的電荷量是離散的和單值的。他設法讓只有少數的幾個電子停留在油滴上並測出了它們的基本電荷量。為此他於1923年獲得了諾貝爾獎。1951年，C. Gorter研究了低溫條件下金屬顆粒薄膜的電導特性，將低偏壓下電流抑制現象解釋為庫侖排斥，也就是庫侖阻塞效應。大約10年後，C.Neugebauer 7 和M.We bb, H.Zeller和I.Giaever, J.Lambe和R.Jaklevicy[8]在研究顆粒薄膜的過程中，觀測到了低偏壓下同樣的電流抑制現象。不過，直到1985年Dimitri Averin和Konstantin Likharev，在基於Kulik和Shekhter的早期研究基礎上，才明確地提出了單電子隧穿的正統理論，該理論能定量地描述單電子庫侖阻塞效應和庫侖振蕩效應。

對單電子學的快速發展起關鍵作用的一個事件是1981年掃描隧道顯微鏡(STM)的發明，為此，其發明者Gerd Binnig和Heinrich Rohrer於1986年獲得了諾貝爾獎。STM不僅是探測電子、原子結構材料的必不可少的工具，而且也可用來加工原子尺度的人造結構。它及其一些相關變體工具己被廣泛用於加工納米尺度下的單電子器件。一旦類似的加工方法能夠更快和并行地使用，將有希望實現室溫單電子器件、電路的大規模生產。

不過，STM加工方法並不是最早用於加工單電子器件的方法。Fulton和Dolan利用雙影蒸發工藝加工出了第一個單電子晶體管，成功觀測到了單電子效應。這種技術及其變體直到今天仍是一種在金屬材料(主要是Al/23AlO)系統內加工單電子器件的流行方法之一。

當單電子學的基本物理圖像變得清晰和至少有一種實驗室加工方法獲得成功后，單電子器件和電路的研究也就開始了它們的飛速發展。1990年Geerligs等人加工出了單電子旋轉柵。1 995年K.Matsumoto等人首次用STM/AFM方法加工出了室溫Ti/xTiO 單電子晶體管。1996年Mark W .Keller等人加工出了可用於精確的電流標準儀的單電子泵。同年Yano等人加工出了被認為是非常有應用前景的室溫單電子存儲單元。R .J. Schoelkopf等人於1998年加工出了電荷靈敏度< 10e/HZ−5的單電子靜電探測儀。1999年T.Bergsten等人加工出了單電子溫度測量儀。同年，Y.Ono等人加工出了Si基單電子倒相器。此外，研究者們還加工出了一些單電子器件和MOSFET的混合電路，如K. Uchida等人加工出了混合倒相器，Hiroshi Inokawa等人則加工出混合多值邏輯電路。

當然，與單電子器件和電路的加工研究相比較，研究者們提出了更多的單電子器件和電路的建議和設想，其中有的已經得到了實驗驗證，有的則由於目前加 工條件的限制或其他因素的影響，仍處在概念階段。從類CMOS邏輯設計，到基於二叉樹結構的邏輯設計，無線邏輯，隧穿相位邏輯，量子蜂窩自動機邏輯，參數激勵子邏輯，閾值邏輯等；從數模轉換器，到模數轉換器，玻耳茲曼機，神經元網路等；從類CMOS觸發器，到電子陷阱存儲器，環狀存儲器, T型存儲器，單島/多島存儲器，多值存儲器，隨機存取存儲器，納米晶體存儲器等。這些設計有的是基於現有的CMOS設計方案，有的則是充分利用了單電子隧穿的固有特性如庫侖阻塞、庫侖振蕩等。

SET振蕩和布洛赫振蕩可看作是單電子或庫柏電子對隧穿事件與時間相關。若將兩個以上的隧道結連接起來, 則它們之間也應是相關的。也就是每當一個電子隧穿其中的一TJ時, 就必然會有另外一個電子隧穿另一TJ, 兩者間響應時間極短。如果在連續兩個TJ的中間電極上連續注入(或抽去) 電荷, 就能對這種相關的隧穿進行控制。這就是單電子晶管產生的基礎。兩T J串聯后其中心電極點A 成為一個獨立的庫侖島, 由A 點引出一個控制柵極, 在此柵極上加v 。電壓, 通過電容靜電藕合從而達到連續改變A 點的靜電勢。A點上的凈電荷為V 。所感應的電荷與隧穿導致的積累電荷兩部分之和。由A 點極小的電荷量變化將引入不容忽視的庫侖能e( 2 / C > 腸T ), 所以只有在特定的能量條件下隧穿才是允許的。V的連續周期性變化將導致周期性地滿足發生隧穿的條件, 結構電導也隨之呈現出振蕩行為。

給出了一種最簡單的原理性的單電子器件，研究者稱其為“單電子盒”。這是因為在這裡通過單電子充電效應可以使電荷很好的聚集在庫侖島上，其結構設計使得單電子隧穿結被連接到高阻抗的“環境”：電容器。它有一個隧穿勢壘把一個大電極S(源電極或稱電子庫)隔離的庫侖島組成單電子隧穿結，再由另外一個被稱為柵電極 G 的點擊把一個外部電壓 加到庫侖島上。由一層很厚的絕緣層把柵電極和庫侖島隔開，使得這個高阻抗元件電容器 上沒有明顯的隧穿發生。該柵電極改變了庫侖島的電化學勢，並因此決定了系統的單電子隧穿條件。

SED至少具有以下幾方面的重要應用:

量子測量學技術。這包括對極其微弱電流的測定和可製成超高靈敏度的靜電計。前者將比目前各種測量系統的準確度高出100倍左右; 後者則可用於小到萬分之一的電荷測定, 這比現在市場上的靜電測量儀器的靈敏度幾乎高出106倍。同時,SED可直接用於形成高精度的電壓或電流基準。

形成新型數字集成電路。若將大量納米結構的隧道結集成起來能夠成為現實, 則必將導致形成兩類全新的數字VLSI電路。其一是基於雙結系統的單電子晶體管(SET)電路, 它們可用作實現放大器和倒相器等功能; 其二是採用單個電子的存在與否來標識信息的二進位碼。因此, 利用SED可構成實際的數字邏輯電路或存貯器。

高靈敏度紅外輻射探測器

在遠紅外波段至今仍缺乏高靈敏度的檢測器情況下, 採用SED 陣列製成對高頻電磁輻射的高靈敏度接收器, 是非常有意義的。其根據在於超小TJ 的I-V 特性呈現高非線性, 在CB 的閩值V , 附近, 隧穿電流的變化對吸收高頻輻射十分靈敏。