[发明专利]隧道效应器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于制造纳米电子学和计算机设备的功能元件的方法，更具体地说，它涉及隧道效应器件，可在制造工作于室温的单电子逻辑门、单电子存储电路和传感器方面得到应用。

背景技术

早在几年前，已对相关电子学隧道效应的现代理论的基础进行了精心研究。在该新的物理和技术领域中显示出的世界范围的兴趣与由单电子现象和基于该现象的新的有希望的技术发展中的进一步研究提供的巨大潜力和前景有关。

从物理的观点来看，该现象的意义在于与由于在各种微米和纳米尺度的结构中的电子的库仑静电相互作用引起的电子相关。另一方面，单电子学是开发这种电子器件的途径，该电子器件的工作原理基于由孤立电子引起的信息编码。

已知一种现有技术的三引线(三电极)的半导体器件(美国专利#4,286,275，NPC 357/12，1981)包括基区、发射区和收集区的组合以及与发射区、基区和收集区中的每一个的欧姆接触，其中，该基区具有多数载流子自由程长度数量级的物理尺寸；该发射区形成相对于基区的第1势垒，其特征是该势垒宽度足以实现量子力学的隧道效应；该收集区形成相对于基区的、比第1势垒低的势垒，其特征是该势垒宽度足够宽，以便抑制量子力学隧道效应。

所讨论的三引线(三电极)的半导体器件的特征在于约10^-12秒的转换时间和提供负的动态电阻，该器件由发射极部分中的薄势垒区构成，该发射极部分的势垒高度超过集电极部分中宽势垒区的势垒高度，该集电极部分被具有与多数载流子的自由程长度可比宽度的基极部分分离开。该器件的工作是基于量子力学的隧道效应作为穿过基区到达收集区的导电的主要机理。

应用领域：放大、转换和形成动态电阻。

具体特征：集电极势垒具有这样的宽度，以致流过该势垒的隧道电流是可忽略的。发射极-基极结：由于量子力学隧道效应引起的主电导。

尺寸：基极-100埃；

      发射极势垒宽度-80埃；

      集电极势垒宽度-120至150埃。

以上讨论的器件是基于量子力学的隧道效应作为从发射区到达基区的导电和转移热的多数载流子穿过基区到达收集区的主要机理。

已知另一种现有技术的基于量子阱的三引线(三电极)的半导体器件(美国专利#4,912,531，NPC 357/12，1990)的功能是作为金属氧化物半导体(MOS)晶体管。这意味着在一般意义上该器件的三引线是源、通道和漏。输出端利用隧道效应与许多量子阱的并联电路连接，该量子阱的每一个都足够小以便其中的能级不连续地量子化。在这种阱电路的每一个中将第2阱连接到第2公用导体，而将第1阱电连接到第1公用导体。

已知用于制造基于GaAs的、具有绝缘分子朗缪尔-布洛杰特(Langmuir-Blodgett)层的纳米电子学和计算机设备的电元件(美国专利#5,079,179，NPC 37/141，1992)的方法包括形成以Langmuir-Blodgett(LB)膜出现的、置于GaAs衬底和导电端之间的绝缘层。

所述层的厚度是可变的，以便建立该器件的功能特性。这样来选择LB膜分子的极性首基，使得用作衬底的GaAs的表面态钝化。对于分子的极性首已发现一些较为理想的酸基和氨基。已证实LB层增加场效应晶体管控制势垒的高度和钝化了GaAs衬底中的断裂键和表面裂缝，使反型模式的工作成为可能。该方法只适用于制备宏观器件，即场效应晶体管和二极管。

制造纳米电子学功能元件的最有希望的方法之一是制造包含有机材料的电子器件(EP#0469243 H01L 29/28，1992)，该方法为形成电子器件创造条件，其中电子流流过导电的单分子或多重单分子膜。

所述制造包含有机材料的电子器件的方法在于在其表面上备有绝缘膜的衬底上形成第1和第2电极；使用第1和第2电极作为掩模刻蚀去除绝缘膜；形成单分子或多重单分子膜，该膜在用作第3电极的衬底表面上直接或间接地包含可电解聚合的基；从第1电极到第2电极加上电压以使电解聚合基进行聚合；和从衬底去除第3电极。