[实用新型]有自校准功能的对电荷超敏感的库仑计

说明书

本实用新型属于微电子器件和纳米器件，特别是涉及一种有自校准功能的对电荷超敏感的库仑计。

纳米技术发展的速度非常快，在不久的将来微电子器件将被纳米器件所取代、至少被部分取代。现获得成功并得到大家公认的纳米器件有单电子晶体管和单电子存储器。可以说，单电子晶体管是最有希望的纳米器件。传统电子晶体管通过控制千万以上的成群电子的集体运动来实现开关、振荡和放大等功能；单电子晶体管则只要通过一个电子的行为就可实现特定的功能。随着集成度的提高，功耗已成为微电子器件电路稳定性的制约因素。以单电子晶体管构成的元件可大大提高微电子的集成度并可使功耗减小到10^-5。单电子晶体管如此极低的功耗可解决现集成化电路中因散热引起的不稳定因素问题。它的高度集成化程度可远远超越目前大规模集成化的极限，并能达到海森堡不确定原理设定的极限而成为将来不可被取代的新型器件。另外，随着微电子器件集成度的提高，单元器件尺寸不断减小，所含电子数也不断减少。当系统单元电子数少于10时，每涨落1个电子，系统中电子数的改变大于10％，电子数的涨落将严重影响集成电路的稳定性。现解决这一问题的唯一途径就是：用单电子器件代替传统的器件，并实现其集成。

单电子晶体管的集成化将依赖于各原器件的无线耦合(《应用物理快报》Appl.Phys.Lett.,1996,69,406)，这与传统的大规模集成电路原理不同。基于这种单电子器件的集成原理，Nakazato等人(《电子快报》Electrinics Letters,1993,29,384.《日本应用物理快报》Jpn.J.Appl.Phys.Part 1,1995,34,700)实现了有存储功能的单电子存储器和单电子逻辑电路。它们通过单电子晶体管间的隧穿耦合和电容耦合来实现单电子器件的集成。这种集成方法集成出的电子器件有下列不足：1)量子点大小不确定且涨落严重，2)量子点的数目无法确定，3)量子点的势垒高度不可控制、不可调节，4)量子点间的耦合强度不可调节。因而，这种集成方法集成出的单电子器件、单电子电路有复杂难控和不稳定的缺点。Duncan等人(Appl.Phys.Lett.1999,74,1045)利用表面栅耗尽技术实现了两个单电子晶体管的集成，但这两个单电子晶体管间既有电容耦合又有隧穿耦合，且这两种耦合不能完全独立控制，这使得集成出的两个单电子晶体管有复杂难控的缺点。

本实用新型的目的在于克服上述集成出的电子器件的缺陷，基于库仑阻塞原理，提供一种利用单电子晶体管集成实现的有自校准功能的对电荷超敏感的库仑计。该有自校准功能的对电荷超敏感的库仑计可用于探测万分之一的电子电荷，还可用于探测用已知技术无法测量的超弱电流，包括直流电流、交流电流。

本实用新型是通过混合的台面限制和线条栅耗尽技术实现单电子晶体管的量子点的，量子点间再通过悬浮栅的电容耦合将所有单电子晶体管集成在一起。利用这种集成方法，将两单电子晶体管通过一悬浮栅集成在一起，就构成了有自校准功能的对电荷超敏感的库仑计。有自校准功能的对电荷超敏感的库仑计实际上是两个对电荷超敏感的库仑计的集成，它们之间可相互校准，可诊断两个单电子晶体管的各自量子点的状态包括其中的电子数、能级分布以及电子的自旋分布。它在电子逻辑电路、存储器、单光子探测和生物神经电流的探测方面有重要应用。这种库仑计可探测万分之一的电子电荷，可在电子逻辑电路研究、纳米器件、单光子探测和生物神经电流的探测方面有重要应用。

本实用新型的有自校准功能的对电荷超敏感的库仑计如图2所示：

在衬底25上的导电材料层24中有源极1、源极2和漏极3、漏极4；在导电材料层24的源极1和漏极3处有槽13和槽15，槽13和槽15之间的台面形成连接源极1和漏极3的一维波导17，其宽度为3-800纳米；在一维波导17上沉积有隧穿势垒线条栅19和21，隧穿势垒线条栅19和21之间的一维波导17为量子点5；在一维波导17的量子点5处有线条栅7。

在导电材料层24的源极2和漏极4处有槽14和槽16，槽14和槽16之间的台面形成连接源极2和漏极4的一维波导18，其宽度为3-800纳米；在一维波导18上沉积有隧穿势垒线条栅20和22，隧穿势垒线条栅20和22之间的一维波导18为量子点6；在一维波导18的量子点6处有线条栅8。

在一维波导17的量子点5和一维波导18的量子点6处，有连接量子点5和6的悬浮栅23。

源极1、漏极3、一维波导17、量子点5、线条栅19、21、7构成单电子晶体管1；源极2、漏极4、一维波导18、量子点6、线条栅20、22、8构成单电子晶体管2。