單電子器件概述

1、.單電子器件概述一 引言對于目前的電子器件來說，器件的最小尺寸要大于電子的德布羅意波長，也就是說我們都是將電子看成是經(jīng)典的粒子，我們不妨將這種器件稱為經(jīng)典器件。但近些年來，隨著微細(xì)加工技術(shù)的飛快發(fā)展和電子電路集成度的提高，都要求電子器件的尺寸越小越好。但是器件尺寸的縮小并不是無限度的，就像CMOS器件，它由于受固體結(jié)構(gòu)特性的最小尺寸，電流、電壓感應(yīng)擊穿，功率耗散，熱噪聲和海森堡測不準(zhǔn)原理等因素的限制, 已經(jīng)接近物理極限, 要想進(jìn)一步發(fā)展大規(guī)模集成電路, 就需要更小的器件。例如其溝道長度如果縮小到小于0.25微米，甚至幾十納米幾納米數(shù)量級時(shí)，因?yàn)榱孔铀泶骷蜁?。也就是說隨著器件尺寸的縮小

2、就必須要考慮器件的量子效應(yīng)，所以量子器件成為了人們的研究熱點(diǎn)。今天我將給大家介紹一種量子器件-單電子器件。二 什么是單電子器件？單電子器件是基于庫侖阻塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的基本物理原理來控制一個或少數(shù)幾個電子的位置和移動的一種新型納米電子器件。（單電子效應(yīng)：通過改變電壓的方法來操縱電子一個一個的運(yùn)動）三 單電子器件的基本理論（庫倫阻塞效應(yīng)和單電子隧穿現(xiàn)象）1. 我們先從一個簡單的模型來解釋庫侖阻塞和單電子隧穿現(xiàn)象庫倫阻塞效應(yīng)最早是在微小隧道結(jié)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，如圖1所示，一個理想的沒有旁路電導(dǎo)的金屬隧穿結(jié)。它實(shí)際上就是一個平行板電容器，只不過電極板之間的間距只有十幾個，結(jié)面積也很小所以隧穿結(jié)的電

3、容也很小假設(shè)只有110-16F 的量級。當(dāng)有電子隧穿過隧道結(jié)時(shí)會使結(jié)兩端的電位差發(fā)生變化，從而使節(jié)的靜電能也發(fā)生變化，給結(jié)附加的充電能，如果此時(shí)的靜電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低溫下的熱運(yùn)動能量kBT( kB玻耳茲曼常數(shù)0.3806610-23，T是絕對溫度)。則由這個電子隧穿所引起的電位變化會對下一個電子隧穿產(chǎn)生阻止作用，這就是隧穿過程的庫倫阻塞效應(yīng)。圖 1隧穿結(jié)上充電電荷Q引入的靜電能等于 當(dāng)電容C很小時(shí)它的貢獻(xiàn)就不容忽視。在電子隧穿前，電容有初始電荷Qo，對應(yīng)充電能當(dāng)隧穿N個電子之后，電容的靜電能為電荷隧穿前后，電容靜電能的變化E等于當(dāng)時(shí)，E為正值，表明系統(tǒng)的總能量增加了，因此上述隧穿過程是不允許的，即

4、只要電荷Q的絕對值小于，隧穿事件為庫侖效應(yīng)所阻塞。而隨著Q增大到大于,就會發(fā)生隧穿事件，這從能量角度而言是允許的，庫侖阻塞消失。伴隨電荷隧穿通過結(jié)，結(jié)兩端電壓將發(fā)生大小為 Ne/C 的躍變，結(jié)上電荷Q 將減小到稍大于的數(shù)值。隨著時(shí)間的演化，上述過程將周而復(fù)始地重復(fù)，結(jié)電壓會呈現(xiàn)出如圖2所示的振蕩.圖 2縱軸（電壓軸）以e/C為單位，橫軸（時(shí)間軸）以e/I為單位，A、B、C、D、E、F為不同的電流偏置點(diǎn)。四 單電子晶體管（SET）及其工作原理（量子旋轉(zhuǎn)門效應(yīng)） 既然電容上的電荷量可以決定是否出現(xiàn)庫倫阻塞效應(yīng)，那我們想可以通過人為的控制這個電荷量來控制電子的行為，那么這個器件就是單電子晶體管。將兩

5、個隧穿結(jié)串聯(lián)起來后其中心電極就成為一個孤立的庫侖島?，F(xiàn)在緊挨著中心電極附近再設(shè)置另一柵電極就形成了如下圖4所示的等效電路。這是一個三極管式的電路，由于柵極電壓可以完全控制器件的電導(dǎo)，因此這一由柵壓控制的雙結(jié)器件就具有晶體管的作用，稱為單電子晶體管，是一種最基本的單電子器件。圖 3 單電子晶體管示意圖根據(jù)上面的等效電路，我們來具體研究一下單電子隧穿晶體管的工作原理。利用分離柵技術(shù)在如圖4(a)所示的異質(zhì)結(jié)樣品表面蒸鍍上按一定圖形配置而成的金屬柵電極如圖4(b)，這樣就形成了一個簡單的單電子晶體管。 （c）圖 4(a) 具有分離柵電極的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，外加負(fù)柵壓使柵板下的二維電子氣(2DEG)耗盡由金

6、屬柵電極1、C、2、F構(gòu)成的半導(dǎo)體量子點(diǎn)（QD為量子點(diǎn)，QPC1、QPC2分別為控制電子進(jìn)出QD的量子點(diǎn)接觸）（c)單電子晶體管（SET） 處在異質(zhì)結(jié)界面的電子由于受界面處沿垂直界面方向勢阱的束縛， 已經(jīng)成為準(zhǔn)二維電子系統(tǒng)。因?yàn)閯葳宓膶挾纫呀?jīng)和電子的費(fèi)米波長可相比擬，電子沿垂直界面方向不再能夠自由運(yùn)動，只能沿平面作二維自由運(yùn)動，故稱二維電子?，F(xiàn)在如果在金屬柵極上外加負(fù)偏壓，在低溫下可以將柵極覆蓋下的二維電子全部耗盡。這樣只有在圖4(b)中由柵電極1、C、2、F所包圍的中心部分尚有電子存在，形成了量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)而且只要柵電壓選擇合適，利用電極邊緣電場效應(yīng)可以保證1-C和2-C 之間的窄縫隙下的電子也

7、被完全耗盡，但是l-F和2-F之間的縫隙構(gòu)成了控制電子進(jìn)出的隧穿勢壘，通常稱它們?yōu)榱孔狱c(diǎn)接觸(quantum point contract，QPC1和QPC2 )。 這樣就構(gòu)成了一個可以控制電子隧穿進(jìn)出的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，其能帶圖如圖5所示。它給出了導(dǎo)帶底EC沿橫穿量子點(diǎn)截面上的變化【如圖4(b)中點(diǎn)劃線所示】l 和r 分別表示量子點(diǎn)外左、右電極區(qū)內(nèi)的電化學(xué)勢，(N)則為當(dāng)量子點(diǎn)內(nèi)含有N個電子時(shí)的電化學(xué)勢。l -r=V 表示左、右電極之間的偏置電壓。下面先從簡單情況出發(fā)來討論問題。點(diǎn)內(nèi)總靜電勢：=Q/C+ext 是由兩部分組成。其中，ext是中心柵極C給量子點(diǎn)附加的外電勢，它隨柵壓Vg連續(xù)變化。Q

8、/C則為點(diǎn)內(nèi)電子電荷的自洽電勢，電荷Q只能取電子電荷-e的整數(shù)倍。相應(yīng)的靜電勢能等于 ，若用U(N)表示量子點(diǎn)中基態(tài)的總能量，則有 (1)其中EC (N)為量子點(diǎn)內(nèi)N個電子的總動能。按定義點(diǎn)內(nèi)電化學(xué)勢(N)應(yīng)當(dāng)?shù)扔诟淖円粋€電子后基態(tài)總能的變化，也即 (2)在推導(dǎo)上式時(shí)，假定了量子點(diǎn)中電子狀態(tài)是準(zhǔn)連續(xù)的，所以EC(N) EC(N-1)。由(2)式可以看出，如果量子點(diǎn)的電容c小到110 -16F 的量級，那么每增加一個電子所引起的電化學(xué)勢變化e2C 會大于低溫下的kBT值假設(shè)當(dāng)點(diǎn)內(nèi)含有N個電子時(shí)，其電化學(xué)勢(N)均低于點(diǎn)外左、右兩側(cè)電極的l 和r。調(diào)節(jié)中心柵上的偏壓以變改(2) 式中 eext項(xiàng)。

9、在特定的偏壓下可以使(N+ 1)恰好落在l 和r之間的能量范圍內(nèi)如圖5所示.這樣可想而知，當(dāng)有電子從左側(cè)隧穿過量子點(diǎn)接觸QPC1落到(N+ 1)上，它就會再隧穿過QPC2，完成整個共振隧穿過程，而且整個過程只允許有一個電子隧穿，這是因?yàn)橛捎趲靵鲎枞木壒?，一旦向量子點(diǎn)引進(jìn)一個電子，它所造成的庫侖能增加足以阻止其后第二個電子再進(jìn)人量子點(diǎn)。圖 5 在圖4(b)中電極1，2上分別外加相位剛好差l80度，頻率為f的交流調(diào)制信號來控制量子點(diǎn)接觸QPC1，QPC2的勢壘高度。圖7的(a)至(d)表示在一個調(diào)制信號周期內(nèi)量子點(diǎn)的四種不同狀態(tài)。 圖 6 （a）狀態(tài)下量子點(diǎn)左、右勢壘的高度相同，取熱平衡的數(shù)值。

10、圖中的虛線箭頭代表電子借助量子點(diǎn)內(nèi)第(N+ 1)充電態(tài)的可能發(fā)生的隧穿事件。圖中所示的(N)低于 l 和r。 （b）進(jìn)人如(b)所示的調(diào)制信號的14周轉(zhuǎn)時(shí)刻，相位相反的強(qiáng)制信號恰好使左邊勢壘下降，右邊勢壘上升。這時(shí)第N + 1個電子進(jìn)入量子點(diǎn)的幾率最大，它從量子點(diǎn)右端逃逸出來的幾率幾乎等于零。但是第二個電子(也即第N + 2個電子)因受庫侖阻塞，它進(jìn)入量子點(diǎn)的幾率也為零。 (c）(c)為信號演化到半周期時(shí)的情況，左、右勢壘又都回復(fù)到等高的熱平衡狀況。與(a)不同之處，只是現(xiàn)在量子點(diǎn)內(nèi)已有(N+ 1)個電子。 （d）當(dāng)進(jìn)人(d)所示的34周期時(shí)，隨右邊勢壘的降低第N+ 1個電子隧穿出量子電。同時(shí)

11、左邊勢壘的抬高阻止了電子從左邊進(jìn)入量子點(diǎn)。 當(dāng)調(diào)制信號經(jīng)歷了一個完整周期的變化后又回復(fù)到(a)所示的初始情況。這樣，在調(diào)制信號的控制下一個周期內(nèi)只有單個電子流過量子點(diǎn)。這樣的現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)門效應(yīng)，表示它像飯店的旋轉(zhuǎn)門一樣，每轉(zhuǎn)一圈之允許一個電子通過。若調(diào)制信號的頻率為f，流過量子點(diǎn)的電流嚴(yán)格等于ef。增加量子點(diǎn)左、右電極之間的偏壓，使得在l -r能隙中能包容不止一個充電態(tài)而是n個充電態(tài)， 那樣電流I應(yīng)當(dāng)?shù)扔趎ef。隨著加在量子點(diǎn)上偏壓的增加，l -r能隙中所容納的充電狀態(tài)數(shù)n逐一增加，I-V特性上將呈現(xiàn)一系列的庫侖臺階。臺階高度為 ef，所以說通過QDTS 的電流是按ef量子化的。量子化電流平臺

12、的寬度約為e/C。五 單電子器件的應(yīng)用由于單電子器件具有高頻、高速、功耗小、集成度高和適用作多值邏輯等特性, 所以單電子器件得到了廣泛的應(yīng)用。 1.量子計(jì)量 由於單電子電晶體可以計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)所通過的電子數(shù)，所以可以用來制定電流標(biāo)準(zhǔn)（芬蘭與美國的一個研究小組研制出單電子晶體管（SET）它能將振蕩電壓轉(zhuǎn)換成非常精確的電流，這有望更精確重新定義電流的基本單位-安培），以及用于對極其微弱電流的測定和制成超高靈敏度的靜電計(jì)(目前制備的超敏感靜電計(jì)的靈敏度已達(dá)10-4e)。 2.超大容量存儲器 以動態(tài)隨機(jī)存儲器為例（DRAM Dynamic Random Access Memory 系統(tǒng)內(nèi)存）它的集成度

13、差不多以每兩年增加四倍的速度發(fā)展，目前的一般存儲器每個存儲單元中積累大約20萬個電子的電荷。為了降低功耗，增大存儲量，有效的方法是減少每一位中存儲的電荷量。單電子晶體管每個存儲元只包含了一個或少量電子，因此它將大大降低功耗，提高集成電路的集成度。 3.形成新型數(shù)字集成電路 在現(xiàn)代亞微米器件中，限制器件工作速度的是電容充放電時(shí)間，而單電子晶體管的電容可達(dá)10-18F量級，所以可望獲得更高的工作速度。 4.高靈敏度紅外輻射探測器 在紅外波段至今仍缺乏高靈敏度的檢測器的情況下，采用SED陣列制成對高頻電磁輻射的高靈敏接收器，是非常有意義的。其根據(jù)在于超小隧道結(jié)(TJ)的IV特性呈現(xiàn)出很高的非線性。在

14、庫侖阻塞(CB)的閾值。附近，隧穿電流的變化對吸收高頻輻射十分靈敏。這種情形也稱作“光致隧穿”現(xiàn)象。 5.量子功能計(jì)算機(jī)等6.超高速微功耗特大規(guī)模量子功能器件 單電子器件研究還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。目前大多數(shù)單電子晶體管和IC工作溫度都很低，通常在液氮溫度（77k）。為了提高單電子晶體管的工作溫度，必須使量子點(diǎn)的尺寸小于10納米，目前世界各實(shí)驗(yàn)室都在想各種辦法解決這個問題。有些實(shí)驗(yàn)室已制出室溫下工作的單電子晶體管，觀察到由電子輸運(yùn)形成的臺階型電流-電壓曲線，但離實(shí)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x。六 研究進(jìn)展1.國際上Toshiba稱，已經(jīng)開發(fā)出了一種單電子晶體管電路，最終可以使手持類小型設(shè)備的功能更強(qiáng)大。該公司稱， 已經(jīng)在室溫下運(yùn)行了該單電子晶體管。1999年日本電報(bào)電話公司NTT成功開發(fā)出使用多個單電子晶體管構(gòu)成的電子計(jì)算機(jī)邏輯電路并在2000年制備出小電力、超小型個人電腦和便攜式通訊器材的單電子元件。2001年7月一種能在室溫下正常工作的單電子晶體管