单电子三极管存储器

本实用新型涉及一种单电子三极管存储器，适用于工业、国防、宇航、民 用、科学研究等领域，尤其适用于集成电路芯片、计算机CPU、计算机内存、 信息存储、通讯、数据采集记录和处理、图象语音信息处理、科学仪器、机载 和舰载电子仪器仪表、卫星和导弹控制、工业和民用电子仪器仪表。

随着集成电路技术的发展，集成电路线宽不断减小，目前工业化大规模生 产的集成电路线宽已从70年代初的10微米减小至0.18微米，基本上每五年缩 小一倍，而且还在进一步减小。集成电路线宽的减小，一方面使得集成度不断 提高，集成电路芯片功能增加；另一方面由于器件尺寸减小，器件寄生电容随 之减小，电路RC常数减小，电路速度提高。总之只有集成电路线宽进一步减 小，才能满足迅速发展的信息和计算机技术的需要。目前实验室已可制造出10 纳米以内的线宽，按照现在的发展速度，工业化大规模生产的集成电路线宽也 将在不久的将来进入纳米量级。在纳米量级，量子效应将十分明显，不能简单 地通过比例减小传统半导体器件的尺寸来制造集成电路芯片。以半导体三极 管、二极管为例，它们的工作主要基于PN结，而PN结的厚度约100纳米上 下，因此当器件尺寸＜50纳米时，PN结将无法形成，三极管、二极管也就不能 工作。此时必须根据量子力学原理设计新的量子器件。1996年日本成功制作了 第一个单电子三极管(Single Electron Transistor,SET)，它的工作原理主要基于 量子隧道效应和库仑阻塞效应。当相互绝缘的两个电极充分接近时就构成一个 隧道结，把两个隧道结串联起来，使中间两个相连的电极缩小为一个纳米量子 点，并在其邻近处新增一个栅极就构成了一个SET。从表面上看SET同普通三 极管一样有三个电极，但其I-V特性完全不同于普通三极管，表现出宏观量 子特性。并且由于SET只包含两个隧道节，因此可采用金属材料进行制作，当 然也可采用半导体材料制作。1997年美国又报道了可工作于室温的单电子硅三 极管存储器，单电子硅三极管存储器的核心是一个纳米量子点，在该量子点的 一边是栅极，另一边是掺杂硅沟道。工作时，先在栅极加一个脉冲电压，一个 或多个电子可从硅沟道隧道进入纳米量子点，并存储起来，实现电学“写”。 由于库仑阻塞效应，纳米量子点上所存储的电子数目与栅极上所加脉冲电压大 小呈量子关系，通过这些电子的多寡可以表示二进制“0”和“1”或其他多进 制数。纳米量子点上的这些电子会影响邻近硅沟道的载流子浓度，从而导致其 电流发生变化。这样反过来通过硅沟道电流的变化就可以检测纳米量子点上所 存储的电子数目，实现电学“读”。尽管有以上优点，但单个SET不具备放大或 整流或存储等实际功能，而单电子硅三极管存储器，为了实现电学“读”，必须 依靠硅沟道内电流的变化。采用硅等半导体材料制作的器件工作时必须保证适 当的环境温度。在低温时半导体会转变成绝缘体，而高温时半导体会转变成导 体，完全失去半导体材料的特性，从而使器件不能正常工作。

本实用新型的目的是提供一种单电子三极管存储器，在单个SET内部再增加 一个或多个纳米量子点，实现存储功能，并且可采用金属材料制作，其工作不 依赖半导体材料的特性，从而提高器件的低温性能，突破对半导体工艺的依赖。

为达到上述目的，本实用新型在单个SET内部再增加一个纳米量子点Dot2， Dot2与原有的纳米量子点Dot1相距纳米量级。其中Dot2起存储作用，当在与 其相邻的第三个电极上施加一个脉冲“写”电压时，n个电子将隧道进入Dot2。 由于库仑排斥作用，进入Dot2的电子数目n与“写”脉冲电压大小呈量子台阶 关系。流经Dot1的隧道电流I受Dot2上电荷多少的调制而呈正弦变化，

I=ASin(2πQ/e) 其中Q是在Dot1上感应产生的总电荷，Dot2上一个电子e可在Dot1上感应产 生相当于fe大小的电荷量，系数f(＜1)与Dot1与Dot2之间的距离等因数有关， 因此通过I可精确检测Dot2上存储的电子数目n，实现电学“读”。为了抑制热 躁声，正确显示库仑阻塞效应，要求e2/2C＞＞KT，其中C是SET的隧道结电容， K是玻耳兹曼常数，T是温度。一般当T为室温时，要求Dot1与Dot2的直径 小于10nm。为了增加存储电荷的稳定性，纳米量子点Dot2可由一列量子点代 替。由于上述结构可采用金属材料制作出来，而不必一定采用半导体材料，这 样就突破了对半导体工艺的依赖。金属材料温度越低，电阻越小，同时环境温 度越低，量子噪音越小，因此用金属材料制作的单电子三极管存储器可工作于 直至绝对零度，其低温性能远远超出单电子硅三极管存储器。

单电子三极管存储器的结构如图1所示，其特征在于它由电极1、4、7、纳 米量子点5、6、导线2、3、8构成，电极1、电极4与纳米量子点5分别相隔 纳米量级，构成两个串联隧道结，纳米量子点6与纳米量子点5和电极7也分 别相隔纳米量级，纳米量子点6可由一列沿纳米量子点5与电极7的连线方向 排列的多个量子点代替，所有这些电极、纳米量子点和导线可处于一个平面上， 互成一定角度，或分处于数个平面上。所有电极、纳米量子点和导线皆可用金 属材料制作。一个相对较大的脉冲电压Vp通过导线8加在电极7和1上，电极 7接负极，使得n个电子隧道进入纳米量子点6，实现电学“写”。一个相对较 小的恒定电压V通过导线2和3加在电极1和4上，通过流过导线2或导线3 的电流I可以检测纳米量子点6上所存储电子的多少，实现电学“读”。为了增 加存储电荷的稳定性，纳米量子点6可由一列量子点代替。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点和效果：

一方面仅仅通过简单地增加一个纳米量子点，使SET具有存储功能。另一方 面它保持了单电子硅三极管存储器的所有优点，以其为基本单元，可以制作超 大容量存储器，而且由于量子隧道效应速度快，几乎不消耗能量，由这些量子 点器件可以制作超高速、超低功耗的集成电路。同时又不必利用半导体材料的 特性，可采用金属材料制作，突破了长期来对半导体工艺的依赖，可工作于直 至绝对零度，其低温性能远远超出单电子硅三极管存储器。当然本实用新型所 采用的结构同样可用传统工艺，在硅片上加工出来，从而充分利用目前已经相 当成熟的半导体加工技术。