單電子晶體管及其制造技術第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一內容提要微電子器件的發展趨勢及局限

單電子器件（SET）的發展及前景

SET的基本結構、工作原理及特性

SET的制作技術

問題及前景第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一微電子器件的發展從1959年第一塊集成電路問世大規模集成電路超大規模集成電路（單位平方毫米上大于一萬個門電路）；1993年：0.35μm技術；目前水平：0.18μm~0.1μm技術，2010年：將達到0.07μm技術，

第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一Intel公司的IC發展過程1971年英特爾公司生產的第一個芯片只含有2300個晶體管；1997年生產的“奔騰II”芯片集成了2000多萬個晶體管；2000年底推出的“奔騰４”芯片則集成了4200萬個晶體管；2010年，一個芯片上的晶體管數目將超過10億個晶體管。發展趨勢完全遵循“摩爾定理”第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一“摩爾定理”每18至24個月，集成電路芯片內的晶體管數量將翻一番，產品性能將提高一倍，成本將下降一半。1965年，發表在當年第35期《電子》雜志上，是他一生中最為重要的文章。這篇不經意之作也是迄今為止半導體歷史上最具意義的論文。1975年，摩爾做了一些修正，將翻番的時間從一年調整為兩年。實際上，后來更準確的時間是兩者的平均：18個月。第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一微電子器件的發展的局限器件散熱；光刻技術及工藝均勻性；柵氧化層漏電；大電場下的雪崩擊穿；信號串擾加聚；到達線寬物理加工極限；納米尺度下的宏觀量子隧道效應的出現。第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一局限1--高集成度帶來的散熱問題

據英特爾公司負責芯片內部設計的首席技術官蓋爾欣格預測，如果芯片的耗能和散熱問題得不到解決：到２００５年芯片上集成了２億個晶體管時，就會熱得像“核反應堆”；到２０１０年就會達到火箭發射時高溫氣體噴嘴的水平；２０１５年就會與太陽的表面一樣熱。

第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一局限2—光刻技術但當紫外光波長縮短到小于193nm時(蝕刻線寬0.18mm)，傳統的石英透鏡組會吸收光線而不是將其折射或彎曲。

下一代光刻技術NGL（NextGenerationLithography）包括：極紫外（EUV）光刻、離子束投影光刻技術（IonProjectionLithography,IPL）、SCALPEL（角度限制投影電子束光刻技術）以及X射線光刻技術。附圖顯示了今后10年內在光蝕刻技術方面的發展趨勢。

第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一局限3--理加工極限問題理論上講，在一平方毫米的硅芯片上能制作的門電路將不會超過23萬個；理論分析預言0.04~0.05微米是硅集成電路線寬的“極限”尺寸極限，線路與線路相互間的距離越來越窄，導致相互干擾；采取減小電流的方法來解決，導致信號的背景噪聲會變得很大；第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一局限4--信號串擾金屬布線層數持續增加，導致相鄰的溝道電容也會增加。 從0.35um工藝的4層或者5層發展到0.13um工藝中的超過7層金屬布線層。2.復雜設計中的電路門數的劇增使得更多、連線的加長，橫斷面減小都使得線上電阻增加，引入信號串擾。第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一局限5--納米尺度下的宏觀量子隧道效應MQT（MacroscopicQuantumTunneling）

對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。在微觀下，電子既具有粒子性又具有波動性，粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一發展的必然趨勢最多再用10年，量子器件將替代微電子元器單電子晶體管（SET）就是最有前途的、最現實的量子器件第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET的基本特征比較尺寸（nm）通過的電子數最小功率（mW）現有最小的晶體管1801000001德國研制的SET1011/1000荷蘭納米碳管SET1x2011/100000第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET的基本結構庫侖島隧道勢壘（隧道結約10nm以下）勢壘區源、漏區柵氧化層（幾十納米厚）柵極柵●2135漏極柵極第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一隧道結及SET工作等效原理圖第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET工作原理核心----單電子隧穿現象如果有一納米微粒尺寸足夠小且與其周圍外界在電學上是絕緣的，它與外界之間的電容可小到1fF(10－15F)，在這種情況下，某個電子隧穿進入該微粒產生“庫侖阻塞”效應，它會阻止第二個電子再進入該微粒，否則會導致系統總能的增加，因而可人為控制電子逐個穿進出該微粒，實現單電子隧穿過程。第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一“庫侖阻塞”效應 一個極小的（納米尺寸級）的金屬（或半導體）微粒，如果具有極小的系統電容C，一個電子進入微粒中并通過，就必須增加e2/2CΣ的能量，以克服微粒中的的電子對它的排斥。第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一“庫侖阻塞”效應第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用能級理論解釋“庫侖效應”庫侖島內電荷Q的靜電能為：

E=-QVg+Q2/2C（1）令Q0=CgVg

（Q0

為外部電荷）（1）改寫為

E=(Q-Q0)2/2C+常數島內電荷Q=Ne，當Q0=Ne時，見右圖。第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用能級理論解釋“庫侖效應”改變Vg

使Q0=（N+1/2）e時，Q=Ne與Q=(N+1)e的電子能態簡并。庫侖阻塞效應消失。第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET工作原理當Vg=0時，庫侖島內產生“庫侖阻塞”，源漏極電導為零。當Vg=e/2Cg時， 一個電子穿過隧道結，漏極電導最大。導體向庫侖島內增加一個電子需要增加e2/2CΣ的能量，這個能量的變化是由柵極電壓提供的。第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET工作原理（續1）柵極電壓繼續增加一個e/2Cg周期，島內又進入一個電子。因此，柵極電壓的不斷增加使得柵、漏極之間的電導出現周期振蕩（稱為庫侖振蕩）。將庫侖島內的電子能量量子化考慮，則會出現振幅的隨機性。振蕩周期對應的柵壓值稱為“庫侖間隙”。第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET工作原理（續2）柵壓一定，提高柵漏電壓，使庫侖島能態增加，通過庫侖島的電子數增加。柵漏電流隨柵漏電壓階梯上升，稱為“庫侖臺階”。第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一庫侖臺階第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET工作原理小結SET與MOSFET和庫侖系統有許多許多相似之處：

--結構上，各組成部分的命名借用了MOSFET和庫侖阻塞系統的名稱；

--工作形式，通過在柵極施加一定的電壓來控制源、漏電流。SET是用“隧道勢壘-庫侖島-隧道勢壘”取代MOSFET的溝道，所以工作機理完全不同。SET實際是基于庫侖阻塞效應和量子尺寸效應的一個受柵極控制的庫侖阻塞系統。第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET的應用前景實現超低功耗；超高集成度，制作超大集成度的存儲器；超高頻率響應；用于制作單光子器件；可制造超高靈敏靜電計。第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET的典型實際應用舉例多柵極的“或”門第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET的特性理論上講，SET的特性必須在一定的低溫下才能取得；SET的臨界工作溫度T0=e2/2KBCΣT0與C成反比，必須通過降低系統電容才能提高工作溫度。第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一降低C的問題不能依靠增大隧道結厚度，否則會限制隧道電流。不能采用增大柵氧化層厚度，否則會增大柵控電壓。第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一現實的方法選擇適合的材料和縮小庫侖島的尺寸SET隧道結面積/nmxnm結電容/aF臨界溫度/T100x100300330x30303010x103300SET單結尺寸與臨界溫度的關系第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一制作能在室溫下工作的SET的關鍵問題制作或形成均勻的、形狀和大小精確可控的極小三維庫侖島；制作或形成厚度起伏極小的隧道結；實現各部分的連接；實現與其他器件的隔離和連接；與現有硅工藝的兼容性第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一SET研究進展1988年，MIT的ScottThomas在200mK下偶然發現了SET現象；IBM的Meirav等采用MBE方法制造了完整的SET，并在4K溫度下觀測到SET特性；1997年，美國明尼蘇達州大學，斯蒂芬·喬小組研制出在室溫下工作的SET；日立劍橋實驗室，由哈魯·阿邁德小組宣布：一個單電子晶體管首次放大輸入的信號，雖然只能放大3.7倍，比傳統的晶體管小幾百倍；1999日本NTT公司研究成功了使用多個單電子晶體管構成的電子計算機邏輯電路，這種電路經過改進，可用于制造高性能的PC和便攜式通信終端設備。第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一國內SET研究進展1999年，北大納米研究中心成功地構造了“單分子隧道結/納米島”結構，不僅將au、cds納米粒子組裝在站立于基底的線狀分子上，而且還可組裝到掃描探針顯微鏡的針尖上。在多年碳富勒烯研究的基礎上，進一步研究了碳納米管的制備、結構和特性，掌握了有效制造和提純單壁碳納米管技術，目前純度達到90%。利用STM研究了生長于自組裝硫醇單分子膜上的、不同尺寸的二維金團簇和單層硫醇分子包裹的三維金團簇的I-V特性，澄清了庫侖阻塞效應和分立量子能級在金屬納米團簇的單電子隧穿過程中各自所起的作用。第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一目前比較成功的SET工藝技術以MBE生長異質結技術為特征的制備技術；以STM或AFM納米氧化技術為特征的制備技術；以EBL和SOI技術為特征的制備方法；以EBL與微結構材料技術結合的制備技術；用碳納米管制備SET。第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用MBE生長異質結技術制備SET在GaAs的基片上用MBE技術生長異質結形成一維或二維電子氣（2DEG），以限制電子在Z方向上的運動；再在GaAs上生長勢壘區（限制電子再Y方向的運動）和隧道結，形成庫侖島；在庫侖島上面制作柵極。第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用MBE生長異質結技術制備SET（續）第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用STM或AFM進行納米氧化制備SETSTM陽極納米氧化加工電流誘導局部氧化過程（CILO）第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一STM陽極納米氧化加工在Si/SiO2的基片上沉淀3nm厚的Ti；以STM探針作陰極，通過吸附在Ti表面的空氣中的水，形成納米尺寸的氧化鈦線；形成源極和漏極；制造柵極。

第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一STM陽極納米氧化加工（續1）用AFM觀測的加工結果典型參數：1TiOx線的寬為15-25nm，長為30-50nm。 2島尺寸為30-50nm乘35-50nm。 3隧道結電容10-19F。第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一STM陽極納米氧化加工（續2）典型參數：1TiOx線的寬為15-25nm，長為30-50nm。2島尺寸為30-50nm乘35-50nm。3隧道結電容10-19F。SET結構示意圖第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用EBL和SOI技術制備H.Ishikuro采用EBL技術與各向異性腐蝕技術在SIMOX襯底上制造了MOSFET型SET。在40K時出現振蕩尖脈沖；EffendiLeobandung采用EBL方法在頂層硅膜60nm厚的SIMOX襯底制造出SET，在170K下觀測到60meV的庫侖間隙；LeiZhuang改進了EffendiLeobandung的方法，制備了能在室溫下呈現明顯庫侖振蕩的SET；T.Sakamoto用EBL直接“寫”工藝制造出，在15K-3.5K下觀測的周期相等的單島SET；第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用EBL和SOI技術制備（續）H.Ishikuro又改進了EffendiLeobandung的方法，制造出在同一量子點和量子線結構上同時形成單電子SET和單空穴SET；王太宏教授針對EBL分辨率的限制、氧化工藝不均勻性以及Si/SiO2介面態、固定電荷對量子線和量子點形狀和尺寸的影響，提出了“納米電極對”理論，制造出單庫侖島的SET，在90K下，呈現單島振蕩特性。第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用EBL與微結構材料技術結合制備SETS.Tarucha用EBL和MBE在N性GaAs襯底上制備了縱向SET；W.Chen將EBL與離子束淀積金屬納米粒技術結合形成SET結構，在77K下呈現SET特性；ToshihikoSato將團簇化學技術與EBL結合制造出SET結構，在77K下呈現庫侖臺階。第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用碳納米管制備SET納米碳管中存在大量未成對電子，但其在納米碳管中的徑向運動卻受到限制，表現出典型的量子限域效應；而電子在軸向的運動不受任何限制。因此，可以認為納米碳管是一維量子導線。金屬性的納米碳管在低溫下表現出典型的庫侖阻塞效應。所以單根單層納米碳管和3個微電極,便可制成在室溫下工作的場效應三極管。當施加合適的柵極電壓時，納米碳管便由導體變為絕緣體，從而實現了0,1狀態的轉換。第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期一用碳納米管制備SET（續1）