[發明專利]對電荷超敏感的庫侖計及其制備方法

無效

• 申請號: 01101944.1
• 申請日: 2001-01-18
• 公開（公告）號: CN1366178A
• 公開（公告）日: 2002-08-28
• 發明（設計）人: 王太宏
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: G01N27/42
• 分類號: G01N27/42;G01R29/24
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 李柏

本發明屬于微電子器件和微加工方法、納米器件和納米加工方法，特別是涉及一種對電荷超敏感的庫侖計，及利用微加工技術、納米加工技術制備該器件的方法。

納米技術發展的速度非常快，在不久的將來微電子器件將被納米器件所取代、至少被部分取代。現獲得成功并得到大家公認的納米器件有單電子晶體管和單電子存儲器。可以說，單電子晶體管是最有希望的納米器件。傳統電子晶體管通過控制千萬以上的成群電子的集體運動來實現開關、振蕩和放大等功能；單電子晶體管則只要通過一個電子的行為就可實現特定的功能。隨著集成度的提高，功耗已成為微電子器件電路穩定性的制約因素。以單電子晶體管構成的元件可大大提高微電子的集成度并可使功耗減小到10^-5。單電子晶體管如此極低的功耗可解決現集成化電路中因散熱引起的不穩定因素問題。它的高度集成化程度可遠遠超越目前大規模集成化的極限，并能達到海森堡不確定原理設定的極限而成為將來不可被取代的新型器件。另外，隨著微電子器件集成度的提高，單元器件尺寸不斷減小，所含電子數也不斷減少。當系統單元電子數少于10時，每漲落1個電子，系統中電子數的改變大于10％，電子數的漲落將嚴重影響集成電路的穩定性。現解決這一問題的唯一途徑就是：用單電子器件代替傳統的器件，并實現其集成。

單電子晶體管的集成化將依賴于各原器件的無線耦合(《應用物理快報》Appl.Phys.Lett.，1996，69，406)，這與傳統的大規模集成電路原理不同。基于這種單電子器件的集成原理，Nakazato等人(《電子快報》Electrinics?Letters，1993，29，384.《日本應用物理快報》Jpn.J.Appl.Phys.Part?1，1995，34，700)實現了有存儲功能的單電子存儲器和單電子邏輯電路。它們通過單電子晶體管間的隧穿耦合和電容耦合來實現單電子器件的集成。這種集成方法集成出的電子器件有下列不足：1)量子點大小不確定且漲落嚴重，2)量子點的數目無法確定，3)量子點的勢壘高度不可控制、不可調節，4)量子點間的耦合強度不可調節。因而，這種集成方法集成出的單電子器件、單電子電路有復雜難控和不穩定的缺點。Duncan等人(Appl.Phys.Lett.1999，74，1045)利用表面柵耗盡技術實現了兩個單電子晶體管的集成，但這兩個單電子晶體管間既有電容耦合又有隧穿耦合，且這兩種耦合不能完全獨立控制，這使得集成出的兩個單電子晶體管有復雜難控的缺點。

本發明的目的之一在于克服上述集成出的電子器件的缺陷，基于庫侖阻塞原理，提供一種利用單電子晶體管集成實現的對電荷超敏感的庫侖計。該對電荷超敏感的庫侖計可用于探測萬分之一的電子電荷，還可用于探測用已知技術無法測量的超弱電流，包括直流電流、交流電流。

本發明的再一目的是提供一種利用微加工技術、納米加工技術制備對電荷超敏感的庫侖計的方法。

本發明是通過混合的臺面限制和線條柵耗盡技術實現單電子晶體管的量子點的，量子點間再通過懸浮柵的電容耦合將所有單電子晶體管集成在一起。利用這種集成方法，將一懸浮柵和一單電子晶體管集成在一起就構成了對電荷超敏感的庫侖計。這種庫侖計可探測萬分之一的電子電荷，可在電子邏輯電路研究、納米器件、單光子探測和生物神經電流的探測方面有重要應用。

本發明的對電荷超敏感的庫侖計如圖2所示：

在襯底12上的導電材料層11中有源極1和漏極2；在導電材料層11的源極1和漏極2處有槽8和槽9，槽8和槽9之間的臺面形成連接源極和漏極的一維波導10，其寬度為3-800納米；在一維波導10上沉積有隧穿勢壘線條柵5、6和探頭線條柵7，隧穿勢壘線條柵5和6之間的一維波導為量子點3，在一維波導的量子點3處有邊線條柵4。

隧穿勢壘線條柵5和6上分別施加負偏壓，形成兩隧穿勢壘并將一維波導10分成3段，邊線條柵4用以調節、控制量子點3的靜電化學勢和其中的電子數。探頭線條柵7用于耦合連接探測對象。