[发明专利]静电控制的隧道晶体管

说明书

本发明的技术领域

本发明一般涉及固态开关和放大器件，即晶体管，特别涉及具有隧道结的隧道晶体管器件。

背景技术

互补金属氧化物半导体(COMS)器件，例如MOSFET晶体管通常应用于高速、高集成电路上。集成电路制造商一直致力于提高操作速度和减小MOSFET晶体管的尺寸，以制造出尺寸小、速度快的具有更多功能的低价格的IC。

但是，对于尺寸在0.1微米以下的MOSFET器件还存在许多问题。例如，对于通道长度小于0.1微米的器件，要求通道掺杂级会很高。制造在整个晶片表面具有高的均匀性和高掺杂级的晶片是很困难的。因此，如果使用高的掺杂级，用同一晶片制造出的不同的MOSFET的特性可能完全不相同。同样，单一的MOSFET在漏区和源区域之间的电容耦合会变得很明显。而在批量生产这类器件时，也存在这些问题。

为此，研究人员曾在很小的器件上对晶体管器件的电子的量子性能进行了研究。现有技术中，利用电子隧道效应生产出了大量的此类器件。

例如，Baba等人的美国专利5,705,827公开了一种带有绝缘门的隧道晶体管器件。采用与门电极相邻的电流通道中的频带波束曲折操作该晶体管，就像在一个MOSFET器件中一样。漏极形成一个带电流通道的Esaki隧道结。

Harder等人的美国专利4,675,711公开了一种隧道晶体管，该隧道晶体管采用了一个位于邻近隧道层的绝缘的门电极。该隧道层具有的频带间隙能量不同于半导体源极和漏极触点的频带间隙能量。施加在该门上的电压改变了隧道层的能量阻挡高度，由此可以控制通过该隧道层的电流。该器件必须在低温下操作，以使热量激发载体不做为穿过该隧道层的导体。

Shibata的美国专利5,834,793公开了一种隧道MOSFET晶体管器件，它具有一绝缘门触点。邻近该门触点的是一短的电流通道。源极和漏极触点被约30埃厚的绝缘隧道阻挡而与电流通道分开。该器件由于在电流通道中的不连续的能量状态而具有负电阻特性。

Tamura的美国专利5,291,274公开了一种隧道晶体管。该晶体管在二隧道结之间具有一高介电常数材料的中间层。该中间层与门电极直接接触。源极和漏极与隧道结接触。当将一电压施加在门电极时，中间层的电位就改变，使电子进入源极和漏极间的隧道。该器件的问题是当该器件工作时，电流将流到门电极或从门电极流出，因此，为了连续工作，该器件要求连续的门电流。这在很多应用中非常不方便。

除上所述外，还有人对使用具有隧道结的单电子晶体管进行了研究。单电子晶体管的金属或半导体岛区非常小，其位于高电阻的隧道结之间。源极和漏极与隧道结相接触。一与该岛区电容耦合的门电极提供了开关控制。该岛区做得足够地小，使得用单电子对该岛区充电所需的能量大于源极和漏极触点的电子所能获得的热能，用单电子对该岛区充电所需的能量为Ec＝e²/zC，此处，e为电子的电荷，C为岛区的电容。对该岛区充电所需能量称为库伦阻碍。

在操作时，作用在门电极的电压使该岛区的电容电位上升或下降。当该岛区电位降低一定数量时，电子能穿过位于岛区上的一个隧道结，并穿过该岛区的另一隧道结。以这样的方式，在一定的门电压下，电流可流经该岛区。当门电压单调地变化时，该单电子晶体管进行振荡。

随温度增高，可获得的热能增加。当然，单电子晶体管具有一最高可操作温度。最大可操作温度取决于岛区的电容量，该电容量是岛区的尺寸的函数。在室温下操作该器件时，电容量C必须小于约10阿托法拉(Attofarad)。这样低的电容量要求岛区很小(例如每边小于10nm，)且位置距该源极、漏极和门电极要相当远。制作在室温下操作的单电子晶体管是非常困难的。

设计单电子晶体管的一个重要问题是隧道结的电阻。对单电子晶体管来说，其最好是具有一个电阻非常高的隧道结(即，大大高于量子电阻Rq＝h/ze²＝26K欧姆，此处：h为普朗克常数)。如果该隧道结电阻太低，则在该岛区的电子数不易确定。单电子晶体管的操作要求该隧道结具足够高的电阻，这可使电子就位易于确定，或是在岛区，或是在岛区外。但是，高的隧道电阻导致源极和漏极触点之间的高电阻，甚至在全通状态下仍为高电阻。高电阻限制了开关速度和增加了器件的能量消耗。因此，单电子晶体管在其电气特性上和可能的应用场合均受到了限制。

一个单电子晶体管的独特的特性为该岛区能用半导体材料或金属制做。该岛区无需用带有电子能量带间隙的材料制做。

发明概述