技术领域
[0001] 本
发明涉及纳米电子器件技术领域，特别涉及一种岛动式单电子晶体管的制备方法。
背景技术
[0002] 以金属
氧化物
半导体场效应晶体管器件为主流的集成
电路的特征尺寸已发展到纳米量级，应用受到限制，进一步研发新的纳米尺寸的电子逻辑器件成为发展需求。在当前主要的纳米单电子器件中，单电子晶体管由于小尺寸、高灵敏度和低功耗等优点而备受关注。它能够在纳米尺度下实现逻辑运算和信息存储，是基于库仑阻塞效应和
单电子隧穿效应的新型纳米电子器件。
[0003] 单电子现象的研究国外开展较早，1951年，荷兰卡末林·昂内斯实验室的Cornellis Gorter报道了库仑阻塞现象。2008年，M. Manoharan等人在P元素掺杂的SOI材料上，采用电子束
光刻、反应离子
刻蚀及热氧化等技术手段图形化得到了一个单岛结构的单电子晶体管，器件最高
工作温度达到12.5 K；Ray等利用小尺寸的Au
纳米粒子制备了室温下工作的单电子晶体管，其工艺与CMOS工艺兼容；英国曼彻斯特大学的Ponomarenko等则采用
石墨烯作为单电子晶体管的隧穿结构，在室温下获得了清晰的库仑台阶和库仑振荡曲线。2010年，S. J. Shin等人在SOI材料上，采用
电子束曝光，反应离子刻蚀和热氧化等传统工艺手段，制备出具有尺寸小于5 nm库仑岛的单电子晶体管；Hidehiro Yamaguchi等人利用噻吩
聚合物（oligothiophene pentamer）将Au
量子点组装在纳米
电极间，制备出12 K条件下工作的单电子晶体管。
[0004] 上个世纪90年代，国内开始对单电子现象予以关注，中科院半导体所夏建白院士就曾经指出单电子晶体管将是未来大容量
存储器的最好选择，并认为单电子现象的研究将开辟一
门新的“人造
原子物理学”。北京大学吴全德院士领导的研究组曾经联合中科院物理所、上海交大、南京大学、吉林大学等多家单位开展纳米电子学
基础研究，取得了很多原创性的成果。2007年，中科院微电子所刘明教授研究组采用电子束曝光和反应离子刻蚀技术，在SOI材料上制备了库仑岛尺寸~10 nm的单电子晶体管。湖南大学王太宏教授研究组在微纳器件研究方面进行了大量工作，也开展了一系列的单电子晶体管研究工作，他们利用金属栅对量子线的势垒受限形成库仑岛，制备了库仑岛有效尺寸可调的单电子晶体管[0005] 然而，当前现有单电子晶体管制备普遍存在三个关键技术问题：小尺寸库仑岛的可控制备；库仑岛的可控
定位组装；库仑岛与电极之间隧穿势垒大小的精确控制。这关系到器件的工作温度及其性能的一致性。其中，精确控制库仑岛与电极之间的势垒大小尤为困难，如果将势垒大小由某一确定值改为一个可变范围，将大大降低器件的制备难度，有利于应用推广。
[0006] 2006年，O. E. Raichev率先提出了场发射与库仑阻塞并存的效应，基于这种效应，我们提出了岛动式单电子晶体管的制备方案。
发明内容
[0007] 本发明所要解决的技术问题是：打破单电子晶体管制备中势垒大小需要精确控制的难题，制备势垒大小可变动的岛动式单电子器件，器件将表现出场发射效应与库仑阻塞相结合的效应。
[0008] 为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0009] 所述岛动式单电子晶体管的制备方法，其以
硅基片、源极、漏极、栅极、岛区和库仑岛为单电子晶体管基本结构，将源极、漏极、栅极集成设置在硅基片表面形成的
二氧化硅衬底上，在源极、漏极、栅极之间围成的区域中刻蚀出作为库仑岛活动区域的岛区，将库仑岛组装于岛区中；具体包括如下步骤：
[0010] （1）热氧化处理清洗后的硅基片，使硅基片表面形成作为衬底的二氧化硅绝缘层，即二氧化硅衬底；
[0011] （2）通过聚焦电子束诱导沉积法，或者电子束曝光及
蒸发镀膜法等在二氧化硅衬底上制备出纳米尺寸的源极、漏极和栅极，并可通过紫外光刻法或聚焦离子束沉积法等在衬底上制备出分别与源极、漏极、栅极相连的用于将岛动式单电子晶体管器件过渡到宏观电路的微米级引线电极；
[0012] （3）通过聚焦离子束刻蚀法或者反应离子蚀刻法在源极、漏极和栅极之间的区域刻蚀出作为岛区的凹坑；
[0013] （4）通
过热氧化或双束设备诱导沉积法等使岛区内部四周及底面形成二氧化硅绝缘层；
[0014] （5）通过
水相还原法制备粒径为2～15 nm的金纳米颗粒，作为库仑岛；
[0015] （6）利用静电自组装法，以反馈式原子
力显微探针辅助，将库仑岛组装在岛区内。
[0016] 其中，所述二氧化硅衬底厚度为200～500 nm；所述源极、漏极和栅极可采用电子束曝光及蒸镀法制备，此时，采用Ti作为金属粘附层，粘附层厚度为2～3 nm，采用Au作为沉积材料，沉积材料厚度为5～25 nm；所述源极、漏极和栅极还可以采用聚焦电子束诱导沉积技术制备，此时，采用Pt或W为沉积材料，沉积材料厚度为15～30 nm；所述源极和漏极的间距、所述栅极与源极和漏极的间距以及所述岛区的大小可以根据工艺及设计适当调整，优选地，所述源极和漏极在二氧化硅衬底上的间距为30 nm；所述栅极与源极和漏极在衬底上的间距为50～500 nm，所述岛区的大小为20×30×10 nm3；所述库仑岛为Au纳米粒子。
[0017] 上述技术方案中，所采用的聚焦离子束/电子束诱导沉积、电子束曝光、紫外光刻、蒸镀、热氧化等均为本领域公知的成熟技术。使用上述方法所需的设备均可市购：双束系统可以采用美国FEI的Helios NanoLab 600i；电子束曝光系统可以采用日本电子的JBX5500ZA电子束曝光机；紫外光刻系统可以采用德国SUSS MicroTec公司的SUSS MA/BA6
光刻机；
电子束蒸发镀膜系统可以采用日本ULVAC公司的高
真空蒸发镀膜系统ei-5z。
[0018] 下面结合本发明的设计原理及有益效果对本发明做进一步说明：
[0019] 在本发明中，通过热氧化处理硅基片使硅基片表面形成作为衬底的二氧化硅绝缘层，源极、漏极、栅极集成设置在二氧化硅衬底上，在源极、漏极和栅极之间的区域刻蚀出岛区并使岛区内部四周及底面形成二氧化硅绝缘层；采用成熟的胶体Au制备技术，即水相还原法，获得库仑岛，即Au量子点，其粒径能在2～15 nm间可控，并通过静电自组装将库仑岛装配到岛区中，同时可利用反馈型的原子力显微探针技术移动或者搬运库仑岛，以使库仑岛在岛区精确装配，库仑岛完全独立于源极、漏极和栅极，栅极用于调控库仑岛能级。
[0020] 与
现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的库仑岛在岛区
电场作用下可以活动，电极与库仑岛之间的势垒大小具有可变动性，无需精确控制势垒大小；利用成熟的胶体Au制备技术，能精确制备出2~15 nm间某一粒径的库仑岛；利用静电自组装及反馈式原子力显微探针技术，能实现Au量子点在岛区的精确装配。本发明解决了单电子晶体管制备过程中，库仑岛大小及其定位组装不可控的问题，避开了势垒大小需要精确控制的难题，显著降低了单电子晶体管制备的难度。
附图说明
[0021] 图1为本发明方法制备出的一种岛动式单电子晶体管的结构示意图；
[0022] 图2为图1所示岛动式单电子晶体管的源、漏和栅极，以及源、漏和栅极与外部联系微电极的扫描电镜图；
[0023] 图3为图2的框区局部放大图；
[0024] 图4为图3的框区局部放大图；
[0025] 图5为图4的框区局部放大图；
[0026] 图6为图1所示岛动式单电子晶体管在特定栅压下的I-V特性曲线。
[0027] 图中：1、硅基片；2、衬底；3、源极；4、库仑岛；5、栅极；6、漏极；7、岛区；8、与源极相连的引线电极；9、与漏极相连的引线电极；10、与栅极相连的引线电极。
具体实施方式
[0029] 岛动式单电子晶体管制备：
[0030] （1）清洗硅基片1；
[0031] （2）在氧化炉中1000°C条件下将硅基片1氧化2h，使硅基片1表面形成作为衬底2的二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层厚度约200 nm；
[0032] （3）通过电子束曝光及蒸发镀膜法在衬底2上制备出源极3、漏极6和栅极5，此时，采用Ti作为金属粘附层，粘附层厚度约2 nm，采用Au作为沉积材料，沉积材料厚度约5 nm，其中，电极最小线宽约25 nm，所述源极和漏极在衬底上的间距约30 nm；所述栅极与源极和漏极在衬底上的间距约50 nm；并通过普通光刻法或聚焦离子束沉积法在衬底2上制备出分别与源极3、漏极6、栅极5相连的用于将岛动式单电子晶体管器件过渡到宏观电路的微米级引线电极8、9、10，其中，电极最小线宽约2 μm；
[0033] （4）通过聚焦离子束刻蚀法或者反应离子蚀刻法在源极、漏极和栅极之间的区域刻蚀出作为岛区7的20×30×10 nm3凹坑；
[0034] （5）在1000°C条件下氧化2h，使岛区7内部四周及底面形成二氧化硅绝缘层；至此，形成已制备好电极和岛区的晶体管器件；
[0035] （6）利用水相还原氯金酸的方法制备出粒径约5 nm的Au纳米粒子的
胶体溶液；
[0036] （7）量取氯仿20 mL，再用微量取样器量取3-
氨丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane, APTES）约40 μL，配制出APTES的氯仿溶液；
[0037] （8）将前述制备好的晶体管器件浸没在APTES氯仿溶液中，做好密封，室温下保持24 h，取出后用异丙醇冲洗，再用氮气吹干，然后将其浸泡在步骤（6）所制备好的Au纳米粒子的胶体溶液中，完成Au量子点初步定位组装；
[0038] （9）利用扫描电子
显微镜观察器件，标记组装不成功的岛区；
[0039] （10）利用反馈式原子力显微探针技术使所有岛区装配有Au量子点；
[0040] （11）使用引线机进行金丝球焊，将晶体管器件封装在管座上，完成该岛动式单电子晶体管的制备。
[0041] 对制备好的岛动式单电子晶体管进行I-V特性曲线测试，预计结果如图6所示，将表现出有规律的电子发射与阻塞现象。
[0042] 实施例2
[0043] 岛动式单电子晶体管制备：
[0044] （1）清洗硅基片1；
[0045] （2）在氧化炉中1000°C条件下将硅基片1氧化2h，使硅基片1表面形成作为衬底2的二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层厚度约300 nm；
[0046] （3）通过聚焦离子束/电子束诱导沉积法在衬底2上制备出源极3、漏极6和栅极5，此时，采用Pt或W作为沉积材料，沉积材料厚度15～30 nm，其中，电极最小线宽约25 nm，所述源极和漏极在衬底上的间距约30 nm；所述栅极与源极和漏极在衬底上的间距约300 nm；并通过普通光刻法或聚焦离子束沉积法在衬底2上制备出分别与源极3、漏极6、栅极5相连的用于将岛动式单电子晶体管器件过渡到宏观电路的微米级引线电极8、9、10，其中，电极最小线宽约2 μm；
[0047] （4）通过反应离子蚀刻法在源极、漏极和栅极之间的区域刻蚀出作为岛区7的20×30×10 nm3凹坑；
[0048] （5）在1000°C条件下氧化2h，使岛区7内部四周及底面形成二氧化硅绝缘层；至此，形成已制备好电极和岛区的晶体管器件；
[0049] （6）利用水相还原氯金酸的方法制备出粒径为2 nm的Au纳米粒子的胶体溶液；
[0050] （7）量取氯仿20 mL，再用微量取样器量取3-氨丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane, APTES）约40 μL，配制出APTES的氯仿溶液；
[0051] （8）将前述制备好的晶体管器件浸没在APTES氯仿溶液中，做好密封，室温下保持24 h，取出后用异丙醇冲洗，再用氮气吹干，然后将其浸泡在步骤（6）所制备好的Au纳米粒子的胶体溶液中，完成Au量子点初步定位组装；
[0052] （9）利用扫描电子显微镜观察器件，标记组装不成功的岛区；
[0053] （10）利用反馈式原子力显微探针技术使所有岛区装配有Au量子点；
[0054] （11）使用引线机进行金丝球焊，将晶体管器件封装在管座上，完成该岛动式单电子晶体管的制备。
[0055] 产品检测效果同实施例1。
[0056] 实施例3
[0057] 岛动式单电子晶体管制备：
[0058] （1）清洗硅基片1；
[0059] （2）在氧化炉中1000°C条件下将硅基片1氧化2h，使硅基片1表面形成作为衬底2的二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层厚度约500 nm；
[0060] （3）通过电子束曝光及蒸发镀膜法在衬底2上制备出源极3、漏极6和栅极5，此时，采用Ti为金属粘附层，粘附层厚度约3 nm，采用Au为沉积材料，沉积材料厚度约25 nm，其中，电极最小线宽约25 nm，所述源极和漏极在衬底上的间距约30 nm；所述栅极与源极和漏极在衬底上的间距约500 nm；并通过普通光刻法或聚焦离子束沉积法在衬底2上制备出分别与源极3、漏极6、栅极5相连的用于将岛动式单电子晶体管器件过渡到宏观电路的微米级引线电极8、9、10，其中，电极最小线宽约2 μm；
[0061] （4）通过聚焦离子束刻蚀法或者反应离子蚀刻法在源极、漏极和栅极之间的区域刻蚀出作为岛区7的20×30×10 nm3凹坑；
[0062] （5）在1000°C条件下氧化2h，使岛区7内部四周及底面形成二氧化硅绝缘层；至此，形成已制备好电极和岛区的晶体管器件；
[0063] （6）利用水相还原氯金酸的方法制备出粒径约15 nm的Au纳米粒子的胶体溶液；
[0064] （7）量取氯仿20 mL，再用微量取样器量取3-氨丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane, APTES）约40 μL，配制出APTES的氯仿溶液；
[0065] （8）将前述制备好的晶体管器件浸没在APTES氯仿溶液中，做好密封，室温下保持24 h，取出后用异丙醇冲洗，再用氮气吹干，然后将其浸泡在步骤（6）所制备好的Au纳米粒子的胶体溶液中，完成Au量子点初步定位组装；
[0066] （9）利用扫描电子显微镜观察器件，标记组装不成功的岛区；
[0067] （10）利用反馈式原子力显微探针技术使所有岛区装配有Au量子点；
[0068] （11）使用引线机进行金丝球焊，将晶体管器件封装在管座上，完成该岛动式单电子晶体管的制备。
[0069] 产品检测效果同实施例1。
