单电子器件概述

1单电子器件概述一引言对于目前的电子器件来说，器件的最小尺寸要大于电子的德布罗意波长，也就是说我们都是将电子看成是经典的粒子，我们不妨将这种器件称为经典器件。但近些年来，随着微细加工技术的飞快发展和电子电路集成度的提高，都要求电子器件的尺寸越小越好。但是器件尺寸的缩小并不是无限度的，就像CMOS器件，它由于受固体结构特性的最小尺寸，电流、电压感应击穿，功率耗散，热噪声和海森堡测不准原理等因素的限制,已经接近物理极限,要想进一步发展大规模集成电路,就需要更小的器件。例如其沟道长度如果缩小到小于0.25微米，甚至几十纳米几纳米数量级时，因为量子隧穿，器件就会失效。也就是说随着器件尺寸的缩小就必须要考虑器件的量子效应，所以量子器件成为了人们的研究热点。今天我将给大家介绍一种量子器件--单电子器件。二什么是单电子器件？单电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本物理原理来控制一个或少数几个电子的位置和移动的一种新型纳米电子器件。（单电子效应：通过改变电压的方法来操纵电子一个一个的运动）三单电子器件的基本理论（库伦阻塞效应和单电子隧穿现象）1.我们先从一个简单的模型来解释库仑阻塞和单电子隧穿现象库伦阻塞效应最早是在微小隧道结实验中发现的，如图1所示，一个理想的没有旁路电导的金属隧穿结。它实际上就是一个平行板电容器，只不过电极板之间的间距只有十几个Å，结面积也很小所以隧穿结的电容也很小假设只有1×10-16F的量级。当有电子隧穿过隧道结时会使结两端的电位差发生变化，从而使节的静电能也发生变化，给结附加的充电能Ce2，如果此时的静电能远远大于低温下的热运动能量kBT(kB玻耳兹曼常数0.38066×10-23，T是绝对温度)。则由这个电子隧穿所引起的电位变化会对下一个电子隧穿产生阻止作用，这就是隧穿过程的库伦阻塞效应。图1隧穿结上充电电荷Q引入的静电能等于QCQdqCq022当电容C很小时它的贡献就不容忽视。在电子隧穿前，电容有初始电荷Qo，对应充电能eQo222当隧穿N个电子之后，电容的静电能为CNeQo2)(2电荷隧穿前后，电容静电能的变化ΔE等于)2(222)(2222ooooQNeCNeCNeQCeNCQCNeQE当2NeQo时，ΔE为正值，表明系统的总能量增加了，因此上述隧穿过程是不允许的，即只要电荷Q的绝对值小于2Ne，隧穿事件为库仑效应所阻塞。而随着Q增大到大于2Ne,就会发生隧穿事件，这从能量角度而言是允许的，库仑阻塞消失。伴随电荷隧穿通过结，结两端电压将发生大小为Ne/C的跃变，结上电荷Q将减小到稍大于2Ne的数值。随着时间的演化，上述过程将周而复始地重复，结电压会呈现出如图2所示的振荡.图2纵轴（电压轴）以e/C为单位，横轴（时间轴）以e/I为单位，A、B、C、D、E、F为不同的电流偏置点。四单电子晶体管（SET）及其工作原理（量子旋转门效应）既然电容上的电荷量可以决定是否出现库伦阻塞效应，那我们想可以通过人为的控制这个电荷量来控制电子的行为，那么这个器件就是单电子晶体管。将两个隧穿结串联起来后其中心电极就成为一个孤立的库仑岛。现在紧挨着中心电极附近再设置另一栅电极就形成了如下图4所示的等效电路。这是一个三极管式的电路，由于栅极电压可以完全控制器件的电导，因此这一由栅压控制的双结器件就具有晶体管的作用，称为单电子晶体管，是一种最基本的单电子器件。图3单电子晶体管示意图3根据上面的等效电路，我们来具体研究一下单电子隧穿晶体管的工作原理。利用分离栅技术在如图4(a)所示的异质结样品表面蒸镀上按一定图形配置而成的金属栅电极如图4(b)，这样就形成了一个简单的单电子晶体管。（c）图4(a)具有分离栅电极的异质结结构，外加负栅压使栅板下的二维电子气(2DEG)耗尽由金属栅电极1、C、2、F构成的半导体量子点（QD为量子点，QPC1、QPC2分别为控制电子进出QD的量子点接触）（c)单电子晶体管（SET）处在异质结界面的电子由于受界面处沿垂直界面方向势阱的束缚，已经成为准二维电子系统。因为势阱的宽度已经和电子的费米波长可相比拟，电子沿垂直界面方向不再能够自由运动，只能沿平面作二维自由运动，故称二维电子。现在如果在金属栅极上外加负偏压，在低温下可以将栅极覆盖下的二维电子全部耗尽。这样只有在图4(b)中由栅电极1、C、2、F所包围的中心部分尚有电子存在，形成了量子点结构而且只要栅电压选择合适，利用电极边缘电场效应可以保证1-C和2-C之间的窄缝隙下的电子也被完全耗尽，但是l-F和2-F之间的缝隙构成了控制电子进出的隧穿势垒，通常称它们为量子点接触(quantumpointcontract，QPC1和QPC2)。这样就构成了一个可以控制电子隧穿进出的半导体量子点，其能带图如图5所示。它给出了导带底EC沿横穿量子点截面上的变化【如图4(b)中点划线所示】．μl和μr分别表示量子点外左、右电极区内的电化学势，μ(N)则为当量子点内含有N个电子时的电化学势。μl-μr=V表示左、右电极之间的偏置电压。下面先从简单情况出发来讨论问题。点内总静电势：Ψ=Q/C+Φext是由两部分组成。其中，Φext是中心栅极C给量子点附加的外电势，它随栅压Vg连续变化。Q/C则为点内电子电荷的自洽电势，电荷Q只能取电子电荷-e的整数倍。相应的静电势能等于NeextNeC022(Ne)(Q)dQ，若用U(N)表示量子点中基态的总能量，则有ext2CNe-2(Ne)(N)EU(N)C(1)4其中EC(N)为量子点内N个电子的总动能。按定义点内电化学势μ(N)应当等于改变一个电子后基态总能的变化，也即exteNCeNUNUN)21()1()()(2(2)在推导上式时，假定了量子点中电子状态是准连续的，所以EC(N)≈EC(N-1)。由(2)式可以看出，如果量子点的电容c小到1×10-16F的量级，那么每增加一个电子所引起的电化学势变化e2／C会大于低温下的kBT值．假设当点内含有N个电子时，其电化学势μ(N)均低于点外左、右两侧电极的μl和μr。调节中心栅上的偏压以变改(2)式中eΦext项。在特定的偏压下可以使μ(N+1)恰好落在μl和μr之间的能量范围内[如图5所示].这样可想而知，当有电子从左侧隧穿过量子点接触QPC1落到μ(N+1)上，它就会再隧穿过QPC2，完成整个共振隧穿过程，而且整个过程只允许有一个电子隧穿，这是因为由于库仑阻塞的缘故，一旦向量子点引进一个电子，它所造成的库仑能增加足以阻止其后第二个电子再进人量子点。图5在图4(b)中电极1，2上分别外加相位刚好差l80度，频率为f的交流调制信号来控制量子点接触QPC1，QPC2的势垒高度。图7的(a)至(d)表示在一个调制信号周期内量子点的四种不同状态。图6（a）状态下量子点左、右势垒的高度相同，取热平衡的数值。图中的虚线箭头代表电子借助量子点内第μ(N+1)充电态的可能发生的隧穿事件。图中所示的5μ(N)低于μl和μr。（b）进人如(b)所示的调制信号的1／4周转时刻，相位相反的强制信号恰好使左边势垒下降，右边势垒上升。这时第N+1个电子进入量子点的几率最大，它从量子点右端逃逸出来的几率几乎等于零。但是第二个电子(也即第N+2个电子)因受库仑阻塞，它进入量子点的几率也为零。(c）(c)为信号演化到半周期时的情况，左、右势垒又都回复到等高的热平衡状况。与(a)不同之处，只是现在量子点内已有(N+1)个电子。（d）当进人(d)所示的3／4周期时，随右边势垒的降低第N+1个电子隧穿出量子电。同时左边势垒的抬高阻止了电子从左边进入量子点。当调制信号经历了一个完整周期的变化后又回复到(a)所示的初始情况。这样，在调制信号的控制下一个周期内只有单个电子流过量子点。这样的现象称为旋转门效应，表示它像饭店的旋转门一样，每转一圈之允许一个电子通过。若调制信号的频率为f，流过量子点的电流严格等于ef。增加量子点左、右电极之间的偏压，使得在μl-μr能隙中能包容不止一个充电态而是n个充电态，那样电流I应当等于nef。随着加在量子点上偏压的增加，μl-μr能隙中所容纳的充电状态数n逐一增加，I-V特性上将呈现一系列的库仑台阶。台阶高度为ef，所以说通过QDTS的电流是按ef量子化的。量子化电流平台的宽度约为e/C。五单电子器件的应用由于单电子器件具有高频、高速、功耗小、集成度高和适用作多值逻辑等特性,所以单电子器件得到了广泛的应用。1.量子计量由於单电子电晶体可以计算单位时间内所通过的电子数，所以可以用来制定电流标准（芬兰与美国的一个研究小组研制出单电子晶体管（SET）它能将振荡电压转换成非常精确的电流，这有望更精确重新定义电流的基本单位--安培），以及用于对极其微弱电流的测定和制成超高灵敏度的静电计(目前制备的超敏感静电计的灵敏度已达10-4e)。2.超大容量存储器以动态随机存储器为例（DRAMDynamicRandomAccessMemory系统内存）它的集成度差不多以每两年增加四倍的速度发展，目前的一般存储器每个存储单元中积累大约20万个电子的电荷。为了降低功耗，增大存储量，有效的方法是减少每一位中存储的电荷量。单电子晶体管每个存储元只包含了一个或少量电子，因此它将大大降低功耗，提高集成电路的集成度。3.形成新型数字集成电路在现代亚微米器件中，限制器件工作速度的是电容充放电时间，而单电子晶体管的电容可达10-18F量级，所以可望获得更高的工作速度。4.高灵敏度红外辐射探测器在红外波段至今仍缺乏高灵敏度的检测器的情况下，采用SED阵列制成对高频电磁辐射的高灵敏接收器，是非常有意义的。其根据在于超小隧道结(TJ)的I—V特性呈现出很高的非线性。在库仑阻塞(CB)的阈值。附近，隧穿电流的变化对吸收高频辐射十分灵敏。这种情形也称作“光致隧穿”现象。5.量子功能计算机等6.超高速微功耗特大规模量子功能器件6单电子器件研究还处于实验研究阶段。目前大多数单电子晶体管和IC工作温度都很低，通常在液氮温度（77k）。为了提高单电子晶体管的工作温度，必须使量子点的尺寸小于10纳米，目前世界各实验室都在想各种办法解决这个问题。有些实验室已制出室温下工作的单电子晶体管，观察到由电子输运形成的台阶型电流-电压曲线，但离实用还有相当的距离。六研究进展1.国际上Toshiba称，已经开发出了一种单电子晶体管电路，最终可以使手持类小型设备的功能更强大。该公司称，已经在室温下运行了该单电子晶体管。1999年日本电报电话公司NTT成功开发出使用多个单电子晶体管构成的电子计算机逻辑电路并在2000年制备出小电力、超小型个人电脑和便携式通讯器材的单电子元件。2001年7月一种能在室温下正常工作的单电子晶体管最近在荷兰实验室中诞生。这种单电子晶体管是以一个单独的纳米碳管为原材料制造出来的，它只有1nm宽、20nm长，整体上还不足人的头发丝直径的500分之一。(这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”的状态，即计算机中的“1”和“0”，由于它具有微型化和低耗能的特点，因而可成为分子计算机的理想材料。)2.国内国内的研究主要是基础性的研究，但较为成功的是2001年9月物理所研制出的点接触栅型单电子晶体管和波导型单电子晶体管的。