[實用新型]單電子三極管存儲器

無效

• 申請號: 00229474.5
• 申請日: 2000-03-21
• 公開（公告）號: CN2447913Y
• 公開（公告）日: 2001-09-12
• 發明（設計）人: 李志揚;劉武
• 申請（專利權）人: 華中師范大學
• 主分類號: G11C11/40
• 分類號: G11C11/40
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實用新型涉及一種單電子三極管存儲器，適用于工業、國防、宇航、民用、科學研究等領域，尤其適用于集成電路芯片、計算機CPU、計算機內存、信息存儲、通訊、數據采集記錄和處理、圖象語音信息處理、科學儀器、機載和艦載電子儀器儀表、衛星和導彈控制、工業和民用電子儀器儀表。

隨著集成電路技術的發展，集成電路線寬不斷減小，目前工業化大規模生產的集成電路線寬已從70年代初的10微米減小至0.18微米，基本上每五年縮小一倍，而且還在進一步減小。集成電路線寬的減小，一方面使得集成度不斷提高，集成電路芯片功能增加；另一方面由于器件尺寸減小，器件寄生電容隨之減小，電路RC常數減小，電路速度提高。總之只有集成電路線寬進一步減小，才能滿足迅速發展的信息和計算機技術的需要。目前實驗室已可制造出10納米以內的線寬，按照現在的發展速度，工業化大規模生產的集成電路線寬也將在不久的將來進入納米量級。在納米量級，量子效應將十分明顯，不能簡單地通過比例減小傳統半導體器件的尺寸來制造集成電路芯片。以半導體三極管、二極管為例，它們的工作主要基于PN結，而PN結的厚度約100納米上下，因此當器件尺寸＜50納米時，PN結將無法形成，三極管、二極管也就不能工作。此時必須根據量子力學原理設計新的量子器件。1996年日本成功制作了第一個單電子三極管(Single?Electron?Transistor,SET)，它的工作原理主要基于量子隧道效應和庫侖阻塞效應。當相互絕緣的兩個電極充分接近時就構成一個隧道結，把兩個隧道結串聯起來，使中間兩個相連的電極縮小為一個納米量子點，并在其鄰近處新增一個柵極就構成了一個SET。從表面上看SET同普通三極管一樣有三個電極，但其I-V特性完全不同于普通三極管，表現出宏觀量子特性。并且由于SET只包含兩個隧道節，因此可采用金屬材料進行制作，當然也可采用半導體材料制作。1997年美國又報道了可工作于室溫的單電子硅三極管存儲器，單電子硅三極管存儲器的核心是一個納米量子點，在該量子點的一邊是柵極，另一邊是摻雜硅溝道。工作時，先在柵極加一個脈沖電壓，一個或多個電子可從硅溝道隧道進入納米量子點，并存儲起來，實現電學“寫”。由于庫侖阻塞效應，納米量子點上所存儲的電子數目與柵極上所加脈沖電壓大小呈量子關系，通過這些電子的多寡可以表示二進制“0”和“1”或其他多進制數。納米量子點上的這些電子會影響鄰近硅溝道的載流子濃度，從而導致其電流發生變化。這樣反過來通過硅溝道電流的變化就可以檢測納米量子點上所存儲的電子數目，實現電學“讀”。盡管有以上優點，但單個SET不具備放大或整流或存儲等實際功能，而單電子硅三極管存儲器，為了實現電學“讀”，必須依靠硅溝道內電流的變化。采用硅等半導體材料制作的器件工作時必須保證適當的環境溫度。在低溫時半導體會轉變成絕緣體，而高溫時半導體會轉變成導體，完全失去半導體材料的特性，從而使器件不能正常工作。

本實用新型的目的是提供一種單電子三極管存儲器，在單個SET內部再增加一個或多個納米量子點，實現存儲功能，并且可采用金屬材料制作，其工作不依賴半導體材料的特性，從而提高器件的低溫性能，突破對半導體工藝的依賴。

為達到上述目的，本實用新型在單個SET內部再增加一個納米量子點Dot2，Dot2與原有的納米量子點Dot1相距納米量級。其中Dot2起存儲作用，當在與其相鄰的第三個電極上施加一個脈沖“寫”電壓時，n個電子將隧道進入Dot2。由于庫侖排斥作用，進入Dot2的電子數目n與“寫”脈沖電壓大小呈量子臺階關系。流經Dot1的隧道電流I受Dot2上電荷多少的調制而呈正弦變化，

I=ASin(2πQ/e)其中Q是在Dot1上感應產生的總電荷，Dot2上一個電子e可在Dot1上感應產生相當于fe大小的電荷量，系數f(＜1)與Dot1與Dot2之間的距離等因數有關，因此通過I可精確檢測Dot2上存儲的電子數目n，實現電學“讀”。為了抑制熱躁聲，正確顯示庫侖阻塞效應，要求e²/2C＞＞KT，其中C是SET的隧道結電容，K是玻耳茲曼常數，T是溫度。一般當T為室溫時，要求Dot1與Dot2的直徑小于10nm。為了增加存儲電荷的穩定性，納米量子點Dot2可由一列量子點代替。由于上述結構可采用金屬材料制作出來，而不必一定采用半導體材料，這樣就突破了對半導體工藝的依賴。金屬材料溫度越低，電阻越小，同時環境溫度越低，量子噪音越小，因此用金屬材料制作的單電子三極管存儲器可工作于直至絕對零度，其低溫性能遠遠超出單電子硅三極管存儲器。