[實用新型]對電荷超敏感的庫侖計

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 01201857.0
• 申請日: 2001-01-18
• 公開（公告）號: CN2462399Y
• 公開（公告）日: 2001-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王太宏
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院物理研究所
• 主分類號: G01R29/24
• 分類號: G01R29/24
• 代理公司: 上海華東專利事務(wù)所
• 代理人: 李柏

本實用新型屬于微電子器件和納米器件，特別是涉及一種對電荷超敏感的庫侖計。

納米技術(shù)發(fā)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(xiàn)獲得成功并得到大家公認(rèn)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(tǒng)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(xiàn)開關(guān)、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(xiàn)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(wěn)定性的制約因素。以單電子晶體管構(gòu)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(xiàn)集成化電路中因散熱引起的不穩(wěn)定因素問題。它的高度集成化程度可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越目前大規(guī)模集成化的極限，并能達(dá)到海森堡不確定原理設(shè)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(shù)也不斷減少。當(dāng)系統(tǒng)單元電子數(shù)少于10時，每漲落1個電子，系統(tǒng)中電子數(shù)的改變大于10％，電子數(shù)的漲落將嚴(yán)重影響集成電路的穩(wěn)定性。現(xiàn)解決這一問題的唯一途徑就是：用單電子器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的器件，并實現(xiàn)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(yīng)用物理快報》Appl.Phys.Lett.,1996,69,406)，這與傳統(tǒng)的大規(guī)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(yīng)用物理快報》Jpn.J.Appl.Phys.Part1,1995,34,700)實現(xiàn)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(xiàn)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(yán)重，2)量子點的數(shù)目無法確定，3)量子點的勢壘高度不可控制、不可調(diào)節(jié)，4)量子點間的耦合強度不可調(diào)節(jié)。因而，這種集成方法集成出的單電子器件、單電子電路有復(fù)雜難控和不穩(wěn)定的缺點。Duncan等人(Appl.Phys.Lett.1999,74,1045)利用表面柵耗盡技術(shù)實現(xiàn)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(fù)雜難控的缺點。

本實用新型的目的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(xiàn)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(shù)無法測量的超弱電流，包括直流電流、交流電流。

本實用新型是通過混合的臺面限制和線條柵耗盡技術(shù)實現(xiàn)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(gòu)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(jīng)電流的探測方面有重要應(yīng)用。

本實用新型的對電荷超敏感的庫侖計如圖2所示：

在襯底12上的導(dǎo)電材料層11中有源極1和漏極2；在導(dǎo)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(dǎo)10，其寬度為3-800納米；在一維波導(dǎo)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(dǎo)為量子點3，在一維波導(dǎo)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(fù)偏壓，形成兩隧穿勢壘并將一維波導(dǎo)10分成3段，邊線條柵4用以調(diào)節(jié)、控制量子點3的靜電化學(xué)勢和其中的電子數(shù)。探頭線條柵7用于耦合連接探測對象。