[实用新型]单电子三极管存储器

说明书

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。