[发明专利]用纳米晶材料作为库仑岛的纳米电子器件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及纳米电子器件及纳米加工技术，特 别是一种用纳米晶材料作为库仑岛的纳米电子器件及其制作方法。

背景技术

以互补性金属-氧化物-半导体(CMOS)器件为主流技术的集成电路 一直遵循着摩尔定律迅速发展，在2004年集成电路已进入90纳米技术节 点。随着特征尺寸进入到纳米级，传统的CMOS技术面临着越来越严重的 挑战，因此，基于新原理的纳米电子器件成为研究的热点。

单电子晶体管是一种典型的纳米电子器件，具有尺寸小、速度快、功 耗低、可大规模集成等优点，而且具有十分广阔的应用前景，如可用来制 作单电子存储器、单电子逻辑电路、电流标准、电阻标准、温度标准、超 灵敏静电计、微波或红外探测器等。因此，单电子晶体管已经成为未来替 代MOS晶体管的重要侯选器件之一。

一般情况下，单电子晶体管由一个库仑岛结构构成。如图1所示，图 1为库仑岛结构的示意图。库仑岛结构包括源101、漏102、库仑岛103、 隧道结104和隧道结105，还可以进一步包括侧栅106和侧栅107，其核 心部分是库仑岛103、隧道结104和隧道结105。库仑岛103由极微小金 属或半导体量子点颗粒构成，它在某一方向上分别通过两侧的隧道结104 和105与源101、漏102相连接。源101和漏102位于库仑岛103的两侧。 隧道结104和105一般由绝缘层、异质结势垒、以及由界面态或外加电压 等引起的势场构成。栅起到调节岛的电化学势从而控制岛中的电子数的作 用。源101、漏102、侧栅106和107一般由金属或掺杂半导体构成，与 外部连接。

单电子晶体管要正常工作必须满足库仑岛的充电能大于热能的条件， 即e²/2C＞＞k_BT，其中k_B为玻尔兹曼常数，因此必须通过降低岛的电容C 来提高单电子晶体管的工作温度T，这样就必须通过尽量缩小隧道结面积 特别是库仑岛尺寸来实现。因此，如何获得小尺寸的库仑岛结构是制作高 温甚至常温单电子器件的关键。

目前，在制作单电子晶体管的库仑岛结构时大多采用电子束光刻和刻 蚀直接加工或进一步利用氧化方法获得和减小库仑岛的尺寸，但用这种方 法制备的器件的工作温度不高，而且一般都存在制作工艺复杂、制作成本 高等缺点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足，本发明的一个目的在于提供一种用纳 米晶材料作为库仑岛的纳米电子器件，以简化器件结构，提高可靠性及与 传统CMOS工艺的兼容性。

本发明的另一个目的在于提供一种用纳米晶材料作为库仑岛的纳米 电子器件的制作方法，以简化制作工艺、降低制作成本和提高制作效率。

(二)技术方案

为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种用纳米晶材料作为库 仑岛的纳米电子器件，该纳米电子器件由源、漏、栅、库仑岛、栅介质构 成，利用衬底上的一对纳米电极作为源和漏电极，利用纳米电极之间的纳 米晶作为库仑岛，利用纳米电极上生长的绝缘介质作为栅介质，利用绝缘 介质上生长的电极作为栅电极。

上述方案中，所述衬底为平整、洁净的绝缘衬底，包括SiO₂、Si₃N₄、 Al₂O₃、MgO、CaO和聚酰亚胺中的一种，或者为平整、洁净的本征半导 体衬底，包括Si、Ge、GaAs、GaN、GaSb、GaP、AlAs、InAs、InP、InSb、 SiC、ZnO、ZnS、CdS、CdTe和金刚石中的一种。

上述方案中，所述纳米电极的间距为5纳米至100纳米，纳米电极的 厚度为20纳米至50纳米，纳米电极的材料为Al、Pt、Au、Ag、W、Ti、 Cr和ITO中的一种。

上述方案中，所述纳米晶的材料为Si、Ni、Cu、Al、Pt、Au、Ag、 W、Ti、Cr和WTi中的一种，纳米晶的直径为2至20纳米。

上述方案中，所述生长的绝缘介质为SiO₂、Si₃N₄、HfO₂、HfAlO和 HfSiON中的一种，厚度为5至20纳米。