[发明专利]全金属量子点单电子存储器

说明书

本发明涉及一种全金属量子点单电子存储器，适用于工业、国防、宇航、民用、科学研究等领域，尤其适用于集成电路芯片、计算机CPU、计算机内存、信息存储、通讯、数据采集记录和处理、图象语音信息处理、科学仪器、机载和舰载电子仪器仪表、卫星和导弹控制、工业和民用电子仪器仪表。

电子器件经历了从电子管到晶体管，从分立器件到集成电路的发展。为了满足迅速发展的信息和计算机技术的需要，集成电路线宽不断减小，集成度不断提高。高密度、高速度、低功耗是集成电路技术追求的几个主要指标。目前工业化大规模生产的集成电路线宽已减小至0.3微米，而实验室已可制造出10纳米以内的线宽。减小线宽可以成比例地提高集成电路的密集度，但当器件某一维或多维尺寸减小到纳米量级，以至特征尺寸小于由外界温度所决定的非弹性散射自由程时，量子效应将十分明显，导致传统宏观概念失效，基于传统宏观概念的三极管、二极管等也将不能正常工作，因此需要根据量子力学原理设计新的量子器件。从70年代中期到90年代，量子器件经历了从二维量子阱器件到一维量子线和零维量子点器件的发展，目前成熟的二维量子阱器件已有很多，如谐振隧穿二级管、三级管、超晶格器件等，而零维量子点器件尚在探索之中，已报道的有单电子三极管(Single Electron Transistor，SET)和单电子硅三极管存储器，它们的工作原理主要基于量子隧道效应和库仑阻塞效应。当相互绝缘的两个电极充分接近时就构成一个隧道结，流过该隧道结的隧道电流的大小与所加电压成正比，而随两个电极间距离的增加成指数衰减。因此仅当两个导体间的距离减小到几个纳米以内时，才有可观的隧道电流。把两个隧道结串联起来，使中间两个相连的电极缩小为一个纳米量子点，并在其邻近处新增一个栅极就构成了一个SET。从表面上看SET同普通三极管一样有三个电极，但其I-V特性完全不同于普通三极管，单个SET既不具有放大功能也不具有整流功能，只能作为一个基本构件来组成更复杂的结构，完成某一具体功能。单电子硅三极管存储器的核心是一个纳米量子点，在该量子点的一边是栅极，另一边是掺杂硅沟道。工作时，先在栅极加一个脉冲电压，一个或多个电子可从硅沟道隧道进入纳米量子点，并存储起来，实现电学“写”。由于库仑阻塞效应，纳米量子点上所存储的电子数目与栅极上所加脉冲电压大小呈量子关系，通过这些电子的多寡可以表示二进制“0”和“1”或其他多进制数。纳米量子点上的这些电子会影响邻近硅沟道的载流子浓度，从而导致其截止电流发生变化。反过来通过硅沟道截止电流的变化可以检测纳米量子点上所存储的电子数目，实现电学“读”。单电子硅三极管存储器尺寸小，结构简单，可以实现多值存储，以其为基本单元，可以制作超大容量存储器。由于量子隧道效应速度快，几乎不消耗能量，由这些量子点器件可以制作超高速、超低功耗的集成电路。单电子三极管既可采用半导体材料也可采用金属材料进行制作，而单电子硅三极管存储器，为了实现电学“读”，必须采用半导体材料进行制作。采用半导体材料制作的器件工作时会受到一个很大的限制，即必须保证适当的环境温度。在低温时半导体会转变成绝缘体，而高温时半导体会转变成导体，完全失去半导体材料的特性，从而使器件不能正常工作。    

本发明的目的是提供一种全金属量子点单电子存储器，采用由全金属材料制作的双SET结构实现电学“读”和“写”，从而提高器件的低温性能，突破对半导体工艺的依赖，避免对超高质量单晶硅的需求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

把不带有栅极的两个SET相邻放置，使它们的中心纳米量子点相距很近。其中SET1起存储作用，当给它施加一个脉冲“写”电压时，n个电子将隧道进入其纳米量子点Dot1上。由于库仑阻塞效应，进入Dot1的电子数目n与“写”脉冲电压大小呈量子台阶关系。SET2起检测作用，即“读”出Dot1上存储的电子数目n，流经SET2的隧道电流I受其纳米量子点Dot2上电荷多少的调制而呈正弦变化，