（电子科学与技术专业论文）基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管模型优化与实验制备研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r ac t t h es i n g l ee l e c t r o nt r a n s i s t o ri so n et y p eo fn a n o s c a l ee l e c t r o n i cd e v i c e sb a s e do n q u a n t u mt u n n e l i n ge f f e c ta n dc o u l o m bb l o c k a d ee f f e c t , w h e r eo n eo rm o r ec o u l o m b i s l a n d sa r es a n d w i c h e db e t w e e nt w ot u n n e li u n c t i o n sw h i c hc o n n e c tr e s p e c t i v e l yw i t ht h e d r a i ne l e c t r o d ea n dt h es o u r c ee l e c t r o d e a n dc a p a c i t i v e l yc o u p l e d 诵t l lo n eo rm o r eg a t e e l e c t r o d e s i ti so n eo ft h em o s tp r o m is i n gc a n d i d a t e sf o rt h en a n o s c a l ee l e c t r o n i cd e v i c e s d u et oi t su l t r a s m a l ld i m e n s i o na n du l t r a l o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h er o o mt e m p e r a t u r e o p e r a t i o na n dt h ec o n t r o l l a b i l i t yo fd e v i c es t r u c t u r e sa r et h em o s ti m p o r t a n tt oe x p a n dt h e a p p l i c a t i o n so ft h es i n g l ee l e c t r o nt r a n s i s t o r s t h i st h e s i sp r e s e n t san e ws t r u c t u r eo ft h e s i n g l ee l e c t r o nt r a n s is t o rb a s e do nt h eo r d e r e dm e s o p o r o u st h i nf i l m ，w h ic he x p l o r e san e w w a yt os o l v et h ek e yi s s u e sm e n t i o n e da b o v e t h r e em a i nt h e o r e t i c a la n dt e c h n i c a l i n n o v a t i o n sa r ea c h i e v e dt or e a l i z et h en e wd e v i c ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h es e m i c l a s s i c a lm o d e l sf o rt h eu l t r a - s m a l li s l a n da n dm u l t i i s l a n ds i n g l e e l e c t r o nt r a n s i s t o r sa r eo p t i m i z e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eq u a n t u ml e v e ls p a c i n g i nt h eu l t r a s m a l lc o u l o m bi s l a n d sa n dt h et u n n e l i n gs t r u c t u r e so ft h ec o u l o m bi s l a n d c h a i n s a ni m p r o v e ds e m i - c l a s s i c a lm o d e l 、斩t 1 1e m p i r i c a lo p t i m i z a t i o n si sp r o p o s e d w h i c h l a y sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fr o o mt e m p e r a t u r es i n g l e e l e c t r o nt r a n s i s t o r s s e c o n d ，t h et e c h n i q u e s o f3 - dh e x a g o n a la n d3 - dc u b i cs t r u c t u r e so fg o l d n a n o p a r t i c l ea r r a y sa n ds u b - 10 n mn a n o t r e n c ha r r a y sf a b r i c a t i o nw i t hh i g hq u a l i t ya n dl o w c o s ta r ed e v e l o p e db a s e do nt h eo r d e r e dm e s o p o r o u st h i nf i l m ，a n dh i g ho r d e r e d c o n t r o l l a b l ec o u l o m bi s l a n da r r a y s ，t u n n e l i n gb a r r i e r sa n dn a n o t r e n c ha r r a y sa r ef a b r i c a t e d ， w h i c hl a y sat e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ef a b r i c a t i o no ft h er o o mt e m p e r a t u r es i n g l e e l e c t r o nt r a n s i s t o r sa n do r d 【e r e dn a n o s t r u c t u r e s t h i r d ，t h es t r u c t u r eo fs i n g l ee l e c t r o nt r a n s i s t o ri sd e s i g n e d ，t h ec o r r e s p o n d i n g f a b r i c a t i o np r o c e s si sd e v e l o p e da n dt h ee l e c t r o n i ct e s t b e n c hi sb u i l tf o rt h en a n o s c a l e e l e c t r o n i cd e v i c et e s t an e wk i n do fr o o mt e m p e r a t u r es i n g l ee l e c t r o nt r a n s i s t o rb a s e do n t h eo r d e r e dm e s o p o r o u st h i nf i l mi sf a b r i c a t e da n dt e s t e d t h er e s u l t so ft h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i z a t i o n s ，t h ee l e c t r o n i ct e s t s ，t h ep a r a m e t e re x t r a c t i o n sa n dt h em o d e is i m u l a t i o n s a r ec o n s i s t e n tw i t ht h ep r e d i c t i o no ft h ed e s i g n e dd e v i c ef e a t u r e s ，w h i c hc o n f i r m st h e s u c c e s s f u lf a b r i c a t i o na n dt h ea c c u r a c yo ft h eo p t i m i z e dm o d e lf o rt h er o o mt e m p e r a t u r e s i n g l ee l e c t r o nt r a n s i s t o r sb a s e do nt h eo r d e r e dm e s o p o r o u st h i nf i l m k e yw o r d s ：r o o mt e m p e r a t u r es i n g l ee l e c t r o nt r a n s i s t o r ，o r d e r e dm e s o p o r o u s t h i nf i l m ，n a n op a r t i c l ea r r a y ，s e m i - c l a s s i c a lm o d e l ，c o u l o m bi s l a n d ，m u l t i i s l a n d s i n g l ee l e c t r o nt r a n s i s t o r ，n a n o t r e n c ha r r a y 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 常见微小物体对应的典型尺寸1 表3 1 主要有序介孔材料结构分类表4 4 表4 1 基于有序介孔薄膜的三岛室温单电子晶体管电学参数表9 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 11 图1 1 2 图1 1 3 图1 1 4 图1 1 5 图1 1 6 图1 1 7 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图目录 不同维度电子态密度的比较4 单电子晶体管结构示意图6 单电子晶体管等效电路图6 单电子晶体管库仑振荡与库仑台阶m o n t e c a r l o 模拟图7 单电子晶体管工作原理示意图9 铝纳米线单电子晶体管s e m 照片和结构示意图1 5 硅纳米线单电子晶体管结构示意图1 6 硅纳米线多岛单电子晶体管s e m 照片1 6 石墨烯单电子晶体管s e m 照片及其库仑振荡测试曲线1 7 a u p d 多岛单电子晶体管结构示意图和s e m 照片1 7 a u 和c d s e 单电子晶体管1 8 碳纳米管单电子晶体管a f m 照片一18 与c m o s 工艺兼容的室温单电子晶体管s e m 照片1 9 a u 纳米团簇在双隧道结中的库仑阻塞和库仑台阶2 0 基于s t m 氧化加工的单电子晶体管2 0 铟量子点多岛单电子晶体管s e m 照片2 1 点接触平面栅单电子晶体管示意图2 1 库仑岛直径与库仑阻塞区域宽度的关系图3 0 不同直径库仑岛的单电子晶体管漏源电压与漏源电流关系图3 1 不同直径库仑岛的单电子晶体管栅源电压与漏源电流关系图31 多岛单电子晶体管漏源电压与漏源电流关系图3 6 双岛单电子晶体管栅源电压与漏源电流关系图3 7 单岛和多岛单电子晶体管栅源电压与漏源电流关系图4 0 多岛单电子晶体管库仑岛数目与漏源电流计算时间关系图4 l 两相界面外延生长方法制备二氧化硅有序介孔薄膜示意图4 7 e i s a 方法制备二氧化硅有序介孔薄膜示意图4 8 m c m - 4 1 形成机理图5 2 c t a b 一水体系相图5 3 氨基功能化二氧化硅薄膜的u e m 照片6 0 氨基功能化二氧化硅薄膜的傅里叶变换红外光谱6 l 金纳米粒子阵列- - 氧化硅有序介孔复合薄膜横截面的s e m 照片6 2 束缚在二氧化硅有序介孔复合薄膜中的金纳米粒子紫外可见吸收光谱6 3 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 图3 图3 图4 o l 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 _ 2 2 金纳米粒子能级间隔和紫外可见吸收峰与二氧化硅有序介孔孔径关系图6 4 基于二氧化硅有序介孔薄膜的纳米槽阵列制备工艺示意图6 7 基于二氧化硅有序介孔薄膜的纳米槽阵列h r t e m 照片6 8 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管结构示意图7 2 三维立方结构和三维六方结构库仑岛阵列结构示意图7 3 二氧化硅有序介孔薄膜表面结构示意图7 3 电极结构俯视图7 4 一维的库仑岛链隧穿结构示意图7 5 三维六方结构的库仑岛阵列隧穿结构示意图7 7 不同方向的隧穿路径示意图7 9 相邻三层的三维六方结构库仑岛阵列隧穿路径旋转示意图8 1 有序介孔薄膜倾斜示意图8 2 隧穿结构与有序介孔排列方向关系三维示意图8 2 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管制备流程示意图8 3 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管焊盘和微米级导线版图8 5 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管焊盘和微米级导线的s e m 照片8 6 金焊盘侧面的s e m 照片8 6 纳米级导线s e m 照片8 8 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管s e m 细节照片8 9 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管测试平台照片9 1 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管测试电路图9 l 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管漏源电压与漏源电流关系图9 2 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管漏源电压与栅源电流关系图9 3 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管等效电路图9 5 基于有序介孔薄膜的室温单电子晶体管i v 特性模拟与实测结果比较图9 6 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材科与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：基王直度企塾蔓塍的室逼望皇王昌佳篁搓型盆丝生塞验剑查盈究 学位论文作者签名： 丝重圭垫日期：丸哆年勿月肋日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国防 科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许 论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 学位论文作者签名：塑至篷：堡日期：撕9 辟矿月加日 作者指导教师签名：二一二三至j 却l 日期：) 弦9 年加月 厂驴日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 纳米科技、纳米电子学和单电子学 1 1 1 纳米科技 1 9 5 9 年，著名物理学家、量子理论的重要贡献人、诺贝尔奖获得者理查德费 曼( r i c h a r df e y n m a n ) 在美国加州理工大学作了“在底部还有很大空间( t h e r e s p l e n t yo f r o o ma tt h eb o t t o m ) ”的报告f 】。该报告中，费曼讲到：“如果能够一个一 个地移动原子，并按我们的需要排列起来，那会发生什么? “我不能确切地知 道会发生什么，但是我毫不怀疑能够得到更强大的物质和崭新的事业。他的报 告预言了微小尺度科技的前景，并被广泛认为标志了纳米科技的提出和诞生。 纳米( n a n o m e t e r ，n m ) 是一个计量长度的单位，一纳米等于十亿分之一米， 大约1 0 个原子直径大小。纳米科技主要研究0 1 1 0 0n m 尺度的物质与结构的运动 规律和特性，探索纳米尺度内物质运动的新现象和新规律，创造新的材料和器件， 并充分利用它们的特殊性能来实现特定功能。表1 1 列出了常见微小物体对应的 典型尺寸。一个原子的尺寸大约0 1 n m ，d n a 直径约l n m ，当前商用晶体管的最 小栅长3 2 n m ，病毒尺寸约1 0 0 n r n ，这些物体都可以作为纳米科技的研究对象。而 像细胞等更大尺寸的物体或原子核等更小尺寸的物质，则已经超出了纳米科技的 研究范围。 表1 1 常见微小物体对应的典型尺寸 物体典型尺寸 原子核 1 0 - s n m 原子 0 1 n m d n a 直径l n m 商用晶体管最小栅长 3 2 n m 病毒 1 0 0 n m 红细胞 1 0 4 n m 纳米科技是一门综合性很强的交叉学科，包括纳米电子学、纳米材料学、纳 米生物学、纳米机械学等，研究的内容涉及现代科技的广阔领域，综合了电子技 术、混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学、计算机技术、微电子技术、 扫描隧道显微镜技术、核分析技术等许多现代先进的科学技术。这些学科相互渗 第l 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 透，逐渐形成了纳米科技的三个主要领域：第一，新型纳米材料和纳米结构的研 究，比如各种具有特殊性质的纳米薄膜和涂层等；第二，新型纳米结构和纳米器 件的研究，比如纳米电子器件和纳米机械等；第三，新型纳米加工和测试手段的 开发，比如纳米压印、聚焦离子束和扫描隧道显微镜技术等。其中，纳米材料的 研究是纳米科技的根本，是制作纳米器件的基础；功能化纳米器件则是纳米科技 的核心，促进了纳米科技的应用；纳米加工测试手段为纳米材料的合成和纳米器 件的制备提供了支撑，直接推动纳米材料和纳米器件的发展 利用纳米科技，人类认识和改造物质世界的手段和能力将延伸到分子和原子， 这可能改变几乎所有的产品设计和制造方式，实现生产方式和生活方式的飞跃， 甚至改变人类的思维方式和方法。随着纳米科技的不断发展，以及在各个领域的 全面推广和应用，我们的时代将发生革命性的变化。目前，纳米科技的产业化尚 处于初期阶段，但已经展示了巨大的商业前景。据美国雷克斯研究公司( l u x r e s e a r c h ) 2 0 0 6 年统计：2 0 0 7 年全球纳米技术的年产值已经达到1 4 7 0 亿美元，2 0 1 5 年将达到3 1 万亿美元【2 1 。各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，争夺 纳米科技的制高点，都在加紧采取措施，促进产业化进程。 2 0 0 0 年1 月2 1 日，美国总统克林顿在加州理工学院演讲时正式宣布了一项新 的国家计划国家纳米技术计划( n a t i o n a ln a n o t e c h n o l o g yi n i t i m i v e ，r 叮n i ) t 3 1 ，并 被克林顿列为联邦政府科技研究与开发的第一优先计划。n n i 计划的重要领域之 一是对纳米器件的概念和结构进行研究，其目的是构筑分子结构与超微型化结构， 利用纳米器件的特性，实现微型化的强大功能系统。该计划认为，纳米科技将促 进信息技术硬件的革命，其意义可能会超过3 0 年前微电子取代真空电子管的革命。 微小的晶体管和存储芯片将成百万倍地提高计算机的速度和性能，成千倍地提高 单位面积的存储密度，电子存储器件可达到数千兆的存储容量，使数据能存储在 针尖上，数万倍地降低功耗。2 0 0 1 年，该计划资助金额4 6 5 亿美元，2 0 0 3 年8 6 3 亿美元，2 0 0 5 年1 2 亿美元，2 0 0 8 年1 5 5 亿美元。尽管当前美国处于严重金融危 机时期，但是n n i 已经为2 0 1 0 年制定了总额达1 6 4 亿美元的巨额预算【4 】。同时， 日本和欧洲等地区也在纳米科技上投入了大量资金。 国务院2 0 0 6 年2 月9 日发布了国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ，部署了四项重大科学研究规划，其中包括了纳米技术研究【5 】。 纲要指出，纳米科技己成为许多国家提升核心竞争力的战略选择，也是中国有望 实现跨越式发展的领域之一。未来1 5 年，中国在这一领域的重点研究将包括概念 性和原理性纳米器件、纳米电子学等。研究纳米电子器件的制备和工作机理，并 以其为基础实现计算功能，对我国未来高性能计算机研制和新型集成电路设计具 有重要的战略意义。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 1 2 纳米电子学 微电子学是2 0 世纪最重要的科技进展之一，它促进了劳动生产率的极大提高， 许多科学幻想得以成为现实，人类的生活水平也因而进入了前所未有的微电子时 代。带动微电子时代发展的关键因素是晶体管的小型化。1 9 6 5 年，戈登摩尔提出 了著名的摩尔定律( m o o r e sl a w ) 6 1 ，预言半导体每年集成度与速度提高一倍，后来 修正为微处理器每1 8 个月里，集成度提高一倍，成本降低一半。遵循摩尔定律的 规律，晶体管的特征尺寸逐渐减小，集成电路的集成度不断提高，电路功能迅速 增强，而成本却急剧降低。预计当传统晶体管的尺寸小于2 0 n m 后，晶体管的发展 将遇到前所未有的挑战。纳米尺度的晶体管行为表现出强烈的量子效应，不仅会 导致器件功耗的急剧增大，甚至会破坏器件的逻辑功能，限制器件特征尺寸的进 一步缩小。一种解决方法是采用新材料和新结构，千方百计克服量子效应带来的 影响，尽量保持晶体管的传统性质。然而，标准更加苛刻的微电子工艺会带来成 本的快速攀升，逐渐丧失集成电路的经济价值。 一种前瞻的解决方法是结合前沿的纳米科技，开展纳米电子学研究，低成本 地制备纳米结构，研发直接利用量子效应工作的纳米电子器件，实现传统晶体管 的逻辑功能。据i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a p f o rs e m i c o n d u c t o r s ) 预计， 在五到十年后，纳米电子学将发挥重大作用，新型的纳米电子器件将会被广泛采 用，从而改变集成电路制造产业的主流发展方向【。 纳米电子学主要研究纳米结构的量子效应，并利用量子效应开发纳米电子器 件，是纳米科技中最重要的学科之一。纳米电子学的主要研究内容有两方面：一 方面是研究原子和分子的自组装与人工操纵技术，制备具有特定性质的纳米结构， 如量子点、纳米线等，最终制作出具有特定功能的纳米电子器件；另一方面是研 究纳米结构和纳米电子器件中量子的运动规律，探测、识别和控制单个或少数几 个量子，如单电子、单光子、单原子、单分子等。 作为微电子学的进一步延伸，纳米电子学的研究以“更小、更快、更冷为 目标。“更小是指进一步缩小器件尺寸，提高芯片的集成度；“更快”是指利 用器件的量子特性，实现更快的信息处理速度； “更冷 是指进一步降低器件完 成某一特定功能的功耗。美国国防高等研究计划署( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t sa g e n c y ，d a r p a ) 提出的超电子学( u l t r ae 1 e c t r o n i c s ) 研发计划【8 】，就是 根据“更小，更快，更冷 的发展目标，要求未来的电子器件要比现有的微电子 器件的集成密度高5 1 0 0 倍，速度快1 0 1 0 0 倍，而功耗则要小于现在器件功耗的 二分之一。最终希望达到“双十二，即1 0 1 2 位的存储器容量( 1t e r a b i o 和每秒 1 0 1 2 次的运算器速度( 1 千亿次i s ) ，且廉价节能。 微电子器件中，半导体材料的晶格常数、热扰动、量子扰动、电磁扰动、量 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 子力学测不准原理和光速等将成为器件发展的原理性限制因素，迫使研究者基于 更底层的物质结构，乃至单个原子来考虑下一代电子器件的结构。因此，与目前 基于体材料中大量电子运动的传统晶体管工作原理不同，新型的纳米电子器件利 用了纳米尺度下出现的量子力学现象，在纳米尺度甚至分子尺度完成逻辑功能。 随着先进的微观操纵表征技术和自组装技术的应用，在纳米尺度中研究电子转移 过程已经变成可能。纳米加工技术日益完善和成熟，在纳米器件上完成电子行为 已经成为现实。研究人员已经提出了单电子晶体管【9 l 、分子开关( 1 q 、自旋逻辑器件 1 等纳米电子器件，并己成为集成电路领域的研究热点。这些新型的纳米电子器 件能够进行速度更快的开关、功耗更低的放大和密度更高的存储，必将引起一次 新的电子技术革命成为2 1 世纪信息系统的核心。 113 单电子学 单电子学是纳米电子学的一个重要分支，主要研究探测、识别和控制单个电 子或少数几个电子的技术，探索单个电子或少数几个电子在纳米结构中的运动规 律和特征，并依此制各出具有逻辑功能的器件、电路和系统。与单电子学相关的 量子效应主要有量子尺寸效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应。 当纳米结构的尺寸小到与电子或空穴的德布罗意( d e b r o g l i e ) 波长相当时， 载流子( 电子或空穴) 的运动被局限在一个小范围内。与宏观物体中电子的运动 状态不同，在这种限域性的运动状态下，电子运动允许的能量不再连续，而是分 裂成一些分立的能级区域。这些能级区域的宽度随着纳米结构尺寸的减小而减小。 图11 给出了不同维度物质中电子态密度的比较。当物体从三维块体缩小为纳米尺 度的量子点时，电子的态密度逐渐量子化，最终收缩为离散的能级。这种效应被 称为量子尺寸效应。传统微电子器件的理论基础是固体能带理论，这是从三维块 体的态密度出发的。当微电子器件缩小到纳米尺度时，电子能量不再连续，单个 电子的运动就会对器件的性质造成巨大影响，固体能带理论将逐渐失效。而新型 的单电子器件可咀根据单电子学的基本原理，直接利用量子尺寸效应来进行工作。 电子与某一势垒碰撞时，如果势垒的厚度减薄到能够与电子的德布罗意波长 第4 页 夕 f 一 ，。 h， 。图 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 相当，那么电子具有一定的概率穿过该势垒，这种现象称为量子隧穿效应。1 9 2 3 年，德布罗意提出物质波的概念1 1 2 】，即物质既有粒子性，又有波动性。而波动性 使得电子有隧穿的可能。1 9 2 6 年，薛定谔( s c h r 6 d i n g e r ) 发展了量子力学的波动方 程。求解该方程可以得到，电子具有一定的概率隧穿通过比它能量高的势垒，这 也是最早的电子隧穿理论【1 3 1 。1 9 2 8 年，f o w l e r 和n o r d h e i m 用电子的量子隧穿理 论解释了冷金属的电子发射f 1 4 】。随后，e s a k i t l 5 ，1 6 1 、g i a e v e r t l 7 】和j o s e p h s o n t l 8 】分别 因为隧道二极管、超导体中的电子隧穿和超导隧道结而获得了1 9 7 4 年的诺贝尔物 理学奖。通过这些实验和理论工作证明，当器件的尺寸缩小到一定程度时，传统 微电子器件中的p n 结势垒会逐渐失去对电子运动的阻挡作用，开关功能将逐渐失 效。 尽管量子隧穿效应降低了纳米结构对电子运动的约束，但库仑阻塞效应却有 望挽回局面。1 9 5 1 年，荷兰k a m e f l i n g ho n n e s 实验室的c o m e l l i sg o n e r 发现，在 由非常小的粒子组成的系统中，单个电子的充电效应对系统的特性有非常重要的 作用，也就是库仑阻塞效应【19 1 。1 9 6 9 年，g i a e v e r 和z e l l e r 在对低温下隧道结存在 的零偏置对应的高阻抗异常特性进行研究，也观察到了库仑阻塞的现象【2 们。当一 口2 个电子进入一个孤立的纳米区域时，该区域的静电势能( 即电容充电能) 会升高 z 乙 ( 其中e 为电子电量，c 为该区域的电容) 。此孤立区域称为库仑岛( c o u l o m bi s l a n d ) ，2 或量子点( q u a n t u md o t ) ，三为该库仑岛的静电势能能级间隔，也就是一个电子 2 【一 进出库仑岛的充放电能量。如果个库仑岛的静电势能能级间隔比电子运动的能 量大，那么该电子就难以隧穿进入该库仑岛，这就是库仑阻塞效应( c o u l o m b b l o c k a d e ) 。只有给电子提供更多的能量( 比如给系统施加电场、给电子加速等) ， 使得电子能量比库仑岛的静电势能能级间隔更大时，该电子才会有较大的概率隧 穿进出这个库仑岛。 因此，综合量子尺寸效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应的作用，就有可能 控制单个电子的隧穿过程，实现纳米尺度下的开关功能。 1 2 单电子晶体管 1 2 1 单电子晶体管概述 单电子晶体管是一种利用量子隧穿效应和库仑阻塞效应工作的纳米电子器 件，能够在纳米尺度实现逻辑操作。在当前主要的纳米逻辑器件中，单电子晶体 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 管由于其纳米范围的器件尺寸和超低功耗口“圳等优点被广泛认为是当前最有应用 前景的纳米电子器件之一。其基本结构包括两个电极( 源极和漏极) 、通过隧穿 势垒与两个电极连接的一个或多个库仑岛，以及与库仑岛电容耦合的栅极。根据 隧穿路径中库仑岛数目的不同，可以分为单岛单电子晶体管和多岛单电子晶体管。 图1 2 展示了两种单电子晶体管的结构示意图，图1 3 展示了两种单电子晶体管 的等效电路图。当库仑岛的静电势能能级位于漏源极电子势能之间时，电子能够 隧穿通过库仑岛，器件导通；反之电子不能隧穿通过库仑岛，器件截止。栅极的 电势能够控制库仑岛能级的移动，从而控制器件的通断。器件尺寸越小，性能越 优良。由于单电子晶体管利用了传统微电子器件极力避免的量子隧穿效应进行工 作，能够在纳米尺度实现与传统场效应晶体管相似的逻辑功能，特别有希望作为 未来纳米集成电路的基本单元，在纳米电子时代扮演重要角色。 一伊 ”7 。，一 f * ( 时卑岛单电子黼臂多船单电子黼臂 图1 2 单电子晶体管结构示意图 g a t o c ! g 上 一哥 i s l a m l ( a ) 单岛单电子晶体管 g 1 g ： g j c 上c 日j j c g n d r a i n - _ 6 _ 6 _ _ _ 珂6 _ 叮- s o u r c e c l l r c t j 融 c r z r z c t r nc r h r 1 ( b ) 多岛单电子晶体管 图1 3 单电子晶体管等效电路图 单电子晶体管具有与传统晶体管不同的两个独有电学性质一一库仑振荡 ( c o u l o m b o s c i l l a t i o n ) 和库仑台阶( c o u l o m bs t a i r c a s e ) 。图14 是采用m o n t e - c a r l o 方法模拟的单电子晶体管库仑振荡与库仑台阶效应。当固定漏源极之间电压，单 第6 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 电子晶体管的漏源电流将随栅源电压的变化而振荡，这称为库仑振荡效应；当隧 穿势垒特性不同时，固定栅源电压，漏源电流会随漏源电压呈台阶状变化，这称 为库仑台阶效应。 ( a ) 漏源电流与漏源电压关系模拟图( b ) 漏源电导与栅源电压关系模拟图 图1 4 单电子晶体管库仑振荡与库仑台阶m o n t e c a r l o 模拟图 要使单电子晶体管正常工作，必须满足下面两个要求： ( 1 ) 应该使库仑岛的静电势能能级间隔三显著大于电子本身的热运动能量 尼。丁，将电子能量随机热涨落造成的电子随机隧穿现象减弱到可以忽略的水平，即： 一e 2 k 口t (11)2c 。k1 1 夕 口 其中k r 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度。 为提高单电子晶体管的工作温度，需要降低库仑岛的电容。增加隧穿势垒的 厚度可以降低库仑岛的电容，但是同时也会导致隧穿概率的降低。所以，一般采 用减小库仑岛尺寸的方法降低其电容。要在室温下( t 3 0 0 k ) 产生此效应，库仑 岛的电容须小于3 a f ，这只有纳米尺度的库仑岛才能办到。 ( 2 ) 应该使隧穿过程引起的量子随机能量涨落减弱到可以忽略的水平。 设单电子隧穿时间为o ，根据r c 延时模型，可以形式上得到r r = r t c ，其 中b 为库仑岛的隧穿电阻。考虑单电子隧穿时间的不确定性，根据测不准原理易 得，隧穿过程引起的能量涨落占，其中h 为普朗克常数。为保证量子能量 涨落造成的电子随机隧穿现象减弱到可以忽略的水平， 仑岛的静电势能能级间隔，即 e 2h 一 2 c 2 勺 此能量涨落应显著小于库 ( 1 2 ) 第7 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 代入g t = 辟c 可得 辟 了h 2 6 施 ( 1 3 ) e 。 为生产能够在室温下正常工作的单电子晶体管，一般需要制备尺寸小于5 n m 的孤立结构来作为库仑岛。主流的单电子晶体管制备方法主要有自上而下法和自 下而上法两种。当前自上而下法( 如微纳米加工工艺) 只能支持尺寸1 0 n m 以上的 结构制作，不能保证单电子晶体管在室温下实现稳定的逻辑功能。自下而上法( 如 纳米粒子的自组织生长) 能够生长尺寸小于5 n m 的纳米结构，但不能有效控制纳 米结构的排列，制备出的器件性质具有随机性，很难集成为电路。直到目前，大 规模制备性质可控的室温单电子晶体管依旧十分困难。随着纳米加工技术的飞速 发展，室温单电子晶体管已看见实现的曙光。2 0 0 8 年，( ( n a t u r en a n o t e c h n o l o g y ) ) 2 4 1 和 s c i e n c e 嗍分别报道了分别采用垂直器件技术和石墨烯刻蚀两种新工艺实 现的室温单电子晶体管。 单电子晶体管作为最有竞争力的纳米电子器件之一，可能引发下一代信息技 术的革命【2 1 1 。工作温度的室温化和器件结构的精确控制是单电子晶体管大规模应 用的关键。因此，从基础研究出发，开展室温单电子晶体管的研究，不仅能够促 进纳米电子学的进步，而且对未来高性能计算的发展具有重要意义。 1 2 2 单电子晶体管的工作原理 单电子晶体管的工作基于量子隧穿效应和库仑阻塞效应，下面以单岛单电子 晶体管为例在说明其工作原理。图1 5 显示了单电子晶体管不同工作状态时的能级 示意图。左右两边分别为漏极和源极的电子势能。由于漏源极连接外部宏观电路， 因此其电子势能可连续变化且受外部电压控制。库仑岛通过隧穿势垒分别与漏极 耦合。由于尺寸极小，其静电势能( 即电子充电能) 分裂为离散的能级。栅极与 库仑岛电容耦合，能够使库仑岛中的电子充电能级移动。当外界未加电压偏置时， 设源极电子势能为u s ，漏极电子势能为u d ，库仑岛中已有n 1 个电子占据，第 n 一1 个电子静电势能为u n 1 ，如图1 5 ( a ) 所示。由于库仑岛第n 个电子的能级高于 u d 和u s ，且u d = u s ，所以电子从源极隧穿进入库仑岛占据u n 能级的概率等于从 漏极隧穿进出库仑岛占据u n 能级的概率。而库仑岛中能量最高的第n 一1 个电子能 级低于u d 和u s ，电子从库仑岛中u n 1 能级隧穿进入源极的概率也等于从库仑岛 中u n - l 能级隧穿进入漏极的概率。热运动和量子不确定性原理能够导致电子从低 能级隧穿到高能级，但是当电子热运动能量和量子不确定性能量远小于库仑岛静 电势能能级间隔时，此类隧穿的概率很小，可以忽略。此时，系统维持动态平衡， 没有宏观电流产生。 第8 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 给漏极施加偏置电压v d ，则漏极的电子势能下降e v d ，设u d = u d v d 。如果 此时库仑岛的能级未处于u d 和u s 之间( 如图1 5 ( b ) 所示) ，由于u n u s ，电子 从源极隧穿进入库仑岛占据u n 能级的概率很低。同时u n 1 二2 6 6 1 。 e ( 3 ) 单电子系统中库仑岛的量子能级间隔远小于静电势能能级间隔，从而只 须考虑库仑岛的充放电，而不须考虑复杂的能量量子化。 ( 4 ) 电子隧穿进出库仑岛的时间远小于两次相邻隧穿事件的间隔时间，因此， 可以看作隧穿是在瞬间完成的。 单电子正则理论认为，电子隧穿进出库仑岛是依次单个进行的。相应地，电 子隧穿事件发生的概率r 由隧穿事件前后系统自由能的变化量心决定，即【”】 r ( 舻) ：笋，_ ( 1 4 ) p 2 r ，il p k ri 。 其中尼是隧穿电阻。当t = 0 时， r 沁) = ( 1 5 ) 该理论出现的同时便得到实验的支持。由于该理论解析性强，无须自洽迭代， 以此理论为基础的单电子晶体管半经典模型层出不穷。基于单电子正则理论的半 经典计算模型主要有m o n t ec a r l o 模型和主方程模型。 ( 1 ) m o n t ec a r l o 模型 1 9 8 9 年，b a k h v a l o v 提出了模拟粒子微观变化过程的m o n t ec a r l o 方法【5 2 1 ，以 此模拟单电子系统中实际的电子输运过程和长期演化。 初始状态时单电子晶体管系统中电子发生某隧穿事件f 的概率为f 。，则电子 在t 时刻发生该隧穿事件的概率尸( f ) 可精确描述为尸0 ) = e 叫坩。在模拟中，用 o ， 1 区间均匀分布的随机数，模拟尸( f ) ，则可把此电子隧穿发生的时刻t 确定为 l n ，p 、 t = 兰￥。计算单电子晶体管中所有可能隧穿事件的发生时刻，把所有事件中最快 lf o 发生的事件作为真实发生的隧穿事件，然后在此事件发生的时间点更新各隧穿事 件的概率r ，重复上述模拟过程。通过长期的微观模拟过程后，便能统计得到系统 的宏观行为。模拟时间越长或模拟次数越多，结果的精确度也越高。 m o n t ec a r l o 模型的思想明确，对各种单电子晶体管结构的适应性强，计算结 果的精确程度高，己被广泛作为新模型的验证手段和小规模单电子晶体管电路的 模拟工具，当前如s i m o n l 5 3 1 、m o s e s | 5 4 l 、s e c s t 5 5 】等多款m o n t ec a r l o 单电子晶 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 体管模拟器均得到了较好应用，辅助设计验证了单电子译码器1 5 5 l 、单电子加法器 5 6 - - s 8 】等各种功能部件。 尽管m o n t ec a r l o 模型的精确性与适应性都较出色，但由于其求解过程基于对 大量微观状态的统计，计算十分耗时，能够支持的单电子晶体管电路规模有限。 另外，m o n t ec a r l o 算法与s p i c e 等模拟工具的算法完全不同，两者融合比较困难， 也使单电子晶体管与传统c m o s 的混合电路模拟验证复杂化。 ( 2 ) 主方程模型 与m o n t ec a r l o 模型的理论基础相同，主方程法也基于单电子隧穿的正则理论， 但不同的是并未使用m o n t ec a r l o 方法来模拟微观过程的长期演化，而是采用了统 计物理中处理随机过程的标准方法主方程法【5 9 1 。单电子隧穿过程是离散的随 机过程，可以采用离散统计的方法来求解系统的各物理量。 该模型首先引入了一个合理的