[发明专利]基于半导体纳米结构的晶体管器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种基于一维半导体纳米线或纳米管的单电子晶体管结构及其制备方法。

背景技术

单电子晶体管(Single-Electron Transistor,SET)，顾名思义，是指器件在正常工作时载流子的传输是以极少量甚至单个电子进行输运，因此单电子晶体管在工作时具有非常低的漏电流，对于低功耗的电路设计具有非常潜在的应用价值。图1a示意了单电子晶体管的典型结构，其与传统的MOSFET器件结构类似，也包括栅极(Gate)1、源极(Souce)2和漏极(Drain)3，以及栅介质层(Gate Dielectric)4，与传统MOSFET不同的是，单电子晶体管在源漏之间包含一个零维的量子点结构(Quantum Dot)5，且源漏电极与量子点之间通过两个隧穿势垒(Tunneling Barrier)6相连。当在源漏两端施加一定偏压时，电子可以克服隧穿势垒跃迁至中间的量子点，而一旦某个电子隧穿至量子点，由于库仑排斥作用，将会阻止后续电子的进入，这就是典型的库仑阻塞效应(Coulomb Blockade)，直至该电子从量子点隧穿至另一电极，后续电子才会相继进行隧穿，因此，单电子晶体管在源漏偏压下通常表现出库仑台阶效应(Coulomb Stage)，如图1b所示。当给单电子晶体管同时施加栅压时，则通过栅压可以调节量子点上的电荷数，从而可使得库仑阻塞现象随着栅压变化而出现周期性振荡，这就是典型的库仑振荡效应(Coulomb Oscillation)，如图1c所示。

单电子晶体管在进行单电子输运时，穿过隧穿势垒所需的充电能需要克服电子的热运动能量，而电子的热运动能量随着温度升高会显著增大，因此单电子晶体管通常需要在极低温下才能表现出明显的库仑阻塞和库仑振荡效应，这是因为低温下电子热运动的能量非常小。一直以来，制备可在室温乃至更高温度下工作的单电子晶体管都是研究人员努力的目标，其主要挑战是如何形成小尺寸的隧穿势垒以及如何制备近似零维的量子点结构。

另一方面，如何拓展单电子晶体管的应用领域也成为研究人员需要解决的技术问题之一。

发明内容

本发明的主要目的旨在提供一种基于一维半导体纳米结构的晶体管器件及其制备方法，所制备的晶体管可兼顾场效应晶体管和单电子晶体管的功能，且其作为单电子晶体管工作时可望实现室温工作。

为达成上述目的，本发明提供一种基于一维半导体纳米结构的晶体管器件，具体包含以下部分：Si/SiO₂衬底；源极和漏极，形成于所述衬底上；一维的半导体纳米结构，形成于所述衬底上，其两端分别连接所述源极和漏极，且其表面覆盖一层高k栅介质层；分立栅极，形成于所述高k栅介质层上且为位于所述源极和漏极之间的二叉指结构；控制栅极，形成于所述高k栅介质层上，其位于所述二叉指结构的中间；所述二叉指结构与所述控制栅极均垂直于所述半导体纳米结构；其中，所述晶体管器件根据施加于所述分立栅极的电压而工作于场效应晶体管模式或单电子晶体管模式。

可选的，所述二叉指结构和所述控制栅极之间由侧墙结构隔离。

可选的，所述半导体纳米结构为半导体性碳纳米管，硅纳米线或III-V族纳米线。

可选的，所述半导体纳米结构的材料为P型半导体或N型半导体；当所述分立栅极上施加的电压为零时，所述晶体管器件工作于场效应管模式。

可选的，所述半导体纳米结构的材料为P型半导体；当所述分立栅极上施加的电压为正偏压时，位于所述二叉指结构下方的所述半导体纳米结构中形成两个隧穿势垒，位于所述控制栅极下方的所述半导体纳米结构中形成量子点，所述晶体管器件工作于单电子晶体管模式。

可选的，所述半导体纳米结构的材料为N型半导体；当所述分立栅极上施加的电压为负偏压时，位于所述二叉指结构下方的所述半导体纳米结构中形成两个隧穿势垒，位于所述控制栅极下方的所述半导体纳米结构中形成量子点，所述晶体管器件工作于单电子晶体管模式。

本发明还提供一种基于一维半导体纳米结构的晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：在所述Si/SiO2衬底上制作单根的所述半导体纳米结构；利用光刻和刻蚀工艺在所述半导体纳米结构两端制备所述源极和漏极；淀积所述高k栅介质层，并利用光刻和刻蚀工艺使所述高k栅介质层覆盖所述半导体纳米线结构；利用光刻和刻蚀工艺制备二叉指结构的所述分立栅极，所述二叉指结构垂直于所述半导体纳米结构；利用自对准工艺在所述二叉指结构之间淀积控制栅材料，并利用光刻和刻蚀工艺制备所述控制栅极。