張賢高 方忠慧 陳坤基? 錢(qián)昕曄 劉廣元 徐 駿 黃信凡 何 飛

1)(南京大學(xué)物理系，固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，南京 210093)

2)(無(wú)錫華潤(rùn)華晶微電子有限公司，無(wú)錫 214061)

(2010年4月28日收到;2010年5月29日收到修改稿)

雙柵調(diào)控的硅量子線中的庫(kù)侖振蕩效應(yīng)*

張賢高1)方忠慧1)陳坤基1)?錢(qián)昕曄1)劉廣元1)徐 駿1)黃信凡1)何 飛2)

1)(南京大學(xué)物理系，固體微結(jié)構(gòu)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，南京 210093)

2)(無(wú)錫華潤(rùn)華晶微電子有限公司，無(wú)錫 214061)

(2010年4月28日收到;2010年5月29日收到修改稿)

基于單電子隧穿和庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，研究了硅量子線中的單電子輸運(yùn)特性.利用絕緣體上硅薄膜材料作為襯底構(gòu)建側(cè)柵結(jié)構(gòu)的硅量子線單電子晶體管，通過(guò)背柵和側(cè)柵對(duì)量子線的電子輸運(yùn)特性進(jìn)行調(diào)制.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在硅量子線中分別觀察到背柵和側(cè)柵調(diào)制的單電子效應(yīng)和庫(kù)侖振蕩現(xiàn)象.從微分電導(dǎo)的二維灰度輪廓圖，清楚地觀察到了庫(kù)侖阻塞區(qū)，說(shuō)明由于柵壓導(dǎo)致在硅量子線中形成了庫(kù)侖島.

庫(kù)侖振蕩，單電子效應(yīng)，硅量子線

PACS:73.23.Hk，73.63.－b

1.引 言

隨著器件尺寸不斷縮小，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)大規(guī)模集成電路將面臨諸多技術(shù)問(wèn)題，如短溝道效應(yīng)、寄生電阻和電容、功耗和散熱等問(wèn)題.在納米科學(xué)和納米電子學(xué)飛速發(fā)展的今天，基于單電子隧穿效應(yīng)和庫(kù)侖阻塞效應(yīng)的單電子晶體管得到廣泛的研究［1—3］.單電子晶體管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)電子的精確控制，在操作方面只有幾個(gè)甚至單個(gè)電子參與，因此它具有極低的功耗和超快的開(kāi)關(guān)速度，可以廣泛應(yīng)用于超高速、低功耗邏輯功能集成器件、微弱電流測(cè)量?jī)x、高靈敏靜電計(jì)、量子信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域［4—6］，是下一代低功耗、高密度集成電路的最基本元件［7，8］.

經(jīng)典的單電子晶體管由一個(gè)庫(kù)侖島和兩個(gè)隧穿結(jié)組成，電子通過(guò)隧穿實(shí)現(xiàn)從一個(gè)電極經(jīng)過(guò)庫(kù)侖島再到另一個(gè)電極的輸運(yùn)過(guò)程.當(dāng)有一個(gè)電子發(fā)生隧穿行為時(shí)，就會(huì)有一個(gè)電流峰.隨著外加?xùn)艍旱淖兓绰╇娏鲿?huì)呈現(xiàn)周期性的振蕩，這就是經(jīng)典的庫(kù)侖阻塞和庫(kù)侖振蕩.為了在室溫下看到庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，庫(kù)侖島的尺寸必須在納米量級(jí).當(dāng)前，已經(jīng)報(bào)道的硅基單電子晶體中庫(kù)侖島可以用自組織的生長(zhǎng)方式，或者用高精度的電子束曝光與圖形依賴(lài)氧化(PADOX)方法相結(jié)合來(lái)制備［9，10］.事實(shí)上，在高摻雜的硅量子線中，由于摻雜濃度的漲落，或是由于刻蝕工藝造成的邊緣粗糙不平可以形成隧穿勢(shì)壘［11，12］.這樣的勢(shì)壘也會(huì)形成隧穿結(jié)，電子在其中的傳輸也會(huì)呈現(xiàn)單電子效應(yīng)和庫(kù)侖阻塞效應(yīng).如果采用頂柵來(lái)控制庫(kù)侖島中的電流，需要將頂柵精確地置于量子線正上方，通常需要采用電子束曝光的套刻，并且對(duì)套刻的精度要求苛刻.采用配以側(cè)柵的量子線是一種很理想的器件構(gòu)建方式，因?yàn)閭?cè)柵和量子線可以在一次電子束曝光中形成，不需要套刻，可以大大簡(jiǎn)化器件的工藝流程.

本文在高摻雜的超薄絕緣體上硅薄膜(siliconon-insulator，SOI)上構(gòu)建雙柵調(diào)制的硅基單電子晶體管，并研究其中的單電子隧穿和庫(kù)侖振蕩現(xiàn)象.在該器件結(jié)構(gòu)中，用SOI的硅襯底作為背電極，與側(cè)柵一起構(gòu)成雙柵電極，通過(guò)在側(cè)柵和背柵分別施加電壓，在低溫下實(shí)現(xiàn)對(duì)單電子效應(yīng)的調(diào)制.

2.實(shí) 驗(yàn)

為了制備這個(gè)器件，實(shí)驗(yàn)中所采用SOI材料的頂層硅厚度為100 nm，埋層SiO2的厚度為200 nm.首先將頂層硅進(jìn)行磷離子注入摻雜并高溫退火.離子注入的能量和劑量分別為60 keV和5×1014cm－2，通過(guò)所測(cè)方塊電阻可以估算出摻雜濃度大約為1×1019cm－3.為了將頂層硅減薄，采用多次氧化的方法，每次氧化后將氧化層用緩沖的HF溶液去除，最終將頂層硅減薄至17 nm.然后采用電子束曝光和剝離技術(shù)(lift-off)相結(jié)合的方法形成 Al膜的圖形.其中曝光PMMA正型電子抗蝕劑的精細(xì)圖形利用了電子束曝光中由于電子散射導(dǎo)致的臨近效應(yīng)［13］.利用Al膜的圖形作掩蔽，采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到頂層硅上.刻蝕使用的反應(yīng)氣體為CHF3和O2混合氣體.最后在熱的磷酸溶液中去掉Al掩蔽并用標(biāo)準(zhǔn)的清洗工藝進(jìn)行樣品的清洗.至此，實(shí)驗(yàn)得到的硅量子線大約有17 nm高，50 nm寬，側(cè)柵與納米線之間的間隔小于80 nm.為了進(jìn)一步減小硅量子線的尺寸，將樣品在900℃的條件下干氧氧化20 min，最終得到的硅量子線大約有10 nm高，30 nm寬，其掃描電子顯微鏡照片如圖1(a)所示.此后，采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制備Al電極，在氮?dú)庵型嘶鹦纬蓺W姆接觸.采用Agilent 4156C精密半導(dǎo)體參數(shù)分析儀和Lake Shore低溫探針臺(tái)對(duì)器件進(jìn)行變溫的電學(xué)性能測(cè)量，測(cè)量溫度范圍為5.4 K到室溫.

圖1 (a)掃描電子顯微鏡照片，(b)器件的等效電路示意圖

3.結(jié)果與討論

圖1(b)給出了器件的等效電路示意圖，其中Cs和Cd是兩個(gè)隧穿結(jié)電容，Csg和 Cbg是兩個(gè)柵電容.柵電極通過(guò)電容與庫(kù)侖島進(jìn)行耦合，在背柵和側(cè)柵施加電壓Vbg和Vsg，調(diào)節(jié)庫(kù)侖島中的費(fèi)米能級(jí)，調(diào)制源漏電流.為了研究量子線中的庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，柵電極不加偏壓，在不同溫度下測(cè)量器件的電流-電壓特性(Ids-Vds).測(cè)量時(shí)，源漏電壓 Vds從－0.1 V掃描到0.1 V，圖2給出了源漏電流 Ids隨Vds的變化特征曲線.從圖中可以看出，在零偏置的情況下，室溫下的Ids-Vds特征曲線呈現(xiàn)線性的歐姆特性，量子線電阻約為50 MΩ.隨著測(cè)量溫度的降低，Ids-Vds特征曲線由線性向非線性轉(zhuǎn)化，量子線的阻值進(jìn)一步增大.在測(cè)量溫度為5.4 K時(shí)，可以看到電流曲線呈明顯的非線性特性.Vds在－15—15 mV范圍內(nèi)，電流幾乎為零，說(shuō)明此時(shí)電子的隧穿在很大程度上被抑制，源漏沒(méi)有電子輸運(yùn).這主要是因?yàn)殡S著溫度的降低，電子熱運(yùn)動(dòng)能的影響越來(lái)越小，庫(kù)侖阻塞效應(yīng)越來(lái)越明顯.從5.4 K時(shí)的微分電導(dǎo)曲線G-Vds(見(jiàn)圖2內(nèi)插圖)可以估計(jì)出庫(kù)侖間隙大約為30 mV.

圖2 不同溫度下的Ids-Vds曲線 內(nèi)插圖為T(mén)=5.4 K的微分電導(dǎo)曲線

為了研究量子線中的庫(kù)侖振蕩現(xiàn)象，側(cè)柵浮空，測(cè)量Ids隨背柵壓 Vbg的變化特征曲線.測(cè)量時(shí)，Vds的掃描范圍為－9.5—9.5 mV.圖3(a)給出的是器件在不同Vds下的一組 Ids-Vbg特征曲線.從圖中可以看出Ids呈明顯的周期性振蕩，振蕩的周期為ΔVbg=0.4 V.根據(jù)該結(jié)果，可以估算出柵電容 Cbg=e/ΔVbg=0.4 aF.圖3(b)給出了相應(yīng)的微分電導(dǎo) G隨Vds和Vbg變化的二維灰度輪廓曲線圖，其輪廓曲線呈現(xiàn)經(jīng)典的菱形形狀.在菱形內(nèi)部區(qū)域，由于庫(kù)侖島上被整數(shù)個(gè)電子所填充，它會(huì)阻礙下一個(gè)電子的隧穿，所有的傳輸也因?yàn)閹?kù)侖阻塞而被抑制，所以幾乎沒(méi)有電流.在菱形的外面會(huì)發(fā)生電子的隧穿躍遷.菱形的大小由柵電容和總電容來(lái)決定，菱形兩條邊的斜率在數(shù)值上分別等于Cd/Cbg和－(Cs+根據(jù)圖中的斜率，經(jīng)計(jì)算可以得到兩個(gè)隧穿結(jié)電容Cs和Cd的大小分別為1.6和2.0 aF，器件的總電容 CΣ=Cs+Cd+Cbg=4.0 aF.由此可以得出相應(yīng)的電荷充電能Ec=e2/2CΣ=20 meV.由于所形成的庫(kù)侖島縱向尺寸小于橫向尺寸，采用圓盤(pán)自洽電容公式 Cself=8ε0εsr，其中 ε0是真空介電常數(shù)，εs是相對(duì)介電常數(shù)，r是圓盤(pán)的半徑，取 SiO2的相對(duì)介電常數(shù)為3.9，根據(jù) Cself=CΣ可以計(jì)算出庫(kù)侖島的尺寸為30 nm，這個(gè)值與量子線的寬度是一致的.

圖3 (a)不同Vds下的源漏電流Ids-Vbg特性曲線，(b)微分電導(dǎo)G隨Vds和Vbg變化的二維灰度輪廓曲線圖

根據(jù)經(jīng)典的正統(tǒng)理論，為了觀測(cè)到庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，庫(kù)侖充電能Ec必須遠(yuǎn)大于電子的熱運(yùn)動(dòng)能kBT，其中kB是玻爾茲曼常數(shù).假設(shè)條件Ec=e2/2CΣ>3.5 kBT 得到滿(mǎn)足［11，15］，我們可以推導(dǎo)出器件的庫(kù)侖阻塞效應(yīng)將在50 K以后逐漸消失.為此，固定 Vds=10 mV，測(cè)量不同溫度下的Ids-Vbg特征曲線，測(cè)量溫度由5.4 K上升到50 K.圖4中給出的是相應(yīng)微分電導(dǎo)隨Vbg變化的特征曲線.隨著溫度的上升，背柵壓對(duì)溝道電流的調(diào)制作用越來(lái)越弱，甚至庫(kù)侖振蕩現(xiàn)象在50 K時(shí)消失，這個(gè)溫度其實(shí)也是對(duì)應(yīng)于觀察到單電子效應(yīng)的最大溫度，這與前面的分析是一致的.同時(shí)，由Vbg引起的Ids振蕩曲線所表現(xiàn)出來(lái)的周期性(ΔVg約為0.4 V)與圖3(a)的結(jié)果也是相符的.

圖4 微分電導(dǎo)G-背柵壓Vbg特征曲線隨溫度變化的依賴(lài)關(guān)系

測(cè)量分析了側(cè)柵對(duì)溝道電流的調(diào)制作用.首先在T=5.4 K的情況下，測(cè)量溝道電流Ids隨側(cè)柵電壓Vsg的變化關(guān)系曲線，如圖5所示.在測(cè)量的過(guò)程中，Vds從10 mV逐漸增加到 90 mV，從圖中可以看到側(cè)柵對(duì)溝道電流有明顯的調(diào)制作用，Ids呈現(xiàn)周期性的庫(kù)侖振蕩現(xiàn)象.盡管隨著Vds的增大，峰值電流也相應(yīng)增大，但其周期性是單一的，周期大約為0.8 V.

圖5 不同Vds下的Ids-Vsg特性曲線

同時(shí)也研究了側(cè)柵對(duì)溝道電流調(diào)制作用隨溫度的依賴(lài)關(guān)系.固定Vds=10 mV，測(cè)量溫度從5.4 K變到80 K，所測(cè)量的Ids-Vsg特性曲線如圖6所示.從圖中可以看出，隨著溫度的上升，側(cè)柵電壓對(duì)溝道電流的調(diào)制作用慢慢減弱，庫(kù)侖振蕩一直到80 K消失，振蕩的周期與圖5的結(jié)果保持一致.

圖6 Ids-Vsg特性曲線隨溫度的依賴(lài)關(guān)系

對(duì)于重?fù)诫s的硅可視為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)在導(dǎo)帶之上，常溫下量子線可以看做是導(dǎo)通的.同時(shí)，對(duì)于重?fù)诫s的硅，由于摻雜濃度的漲落，導(dǎo)帶有一定的起伏.在低溫下，費(fèi)米能級(jí)下降到部分導(dǎo)帶之下形成勢(shì)壘，這些勢(shì)壘使得在量子線中形成庫(kù)侖島和隧穿結(jié).因此在溫度低到一定的程度，也就是電子的熱擾動(dòng)能不足以對(duì)庫(kù)侖充電能產(chǎn)生影響，就可以觀測(cè)到庫(kù)侖阻塞效應(yīng).同時(shí)，柵壓也可以對(duì)庫(kù)侖振蕩效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制，這主要是通過(guò)柵壓改變島中的費(fèi)米能級(jí)形成電子發(fā)生隧穿的通道.

4.結(jié) 論

為了在硅量子線中研究單電子隧穿和庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，在SOI材料上構(gòu)建具有雙柵結(jié)構(gòu)的單電子晶體管.通過(guò)在背柵和側(cè)柵上施加電壓，分別觀察到源漏電流呈現(xiàn)周期性的振蕩特性，并且這種振蕩特性與溫度有很大的依賴(lài)關(guān)系.我們將這種現(xiàn)象歸因于柵壓改變島中的費(fèi)米能級(jí)形成電子發(fā)生隧穿的通道，形成周期性的振蕩.

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PACS:73.23.Hk，73.63.－b

Coulomb oscillations effect in dual gate controlled silicon nanowire*

Zhang Xian-Gao1)Fang Zhong-Hui1)Chen Kun-Ji1)?Qian Xin-Ye1)Liu Guang-Yuan1)Xu Jun1)Huang Xin-Fan1)He Fei2)
1)(State Laboratory of Solid State Microstructures，Department of Physics，Nanjing University，Nanjing 210093，China)
2)(Wuxi China Resources Huajing Micro Electronics Co.Ltd.，Wuxi 214061，China)
(Received 28 April 2010;revised manuscript received 29 May 2010)

The tunable single electron effect and Coulomb oscillations were observed in Si nanowire transistors.By measuring the channel current as function of applied back-gate and side-gate voltage，the tunable single electron effect and Coulomb oscillations are investigated.From the differential conductance characteristics，the Coulomb diamonds are clearly observed due to the gate voltage-induced quantum dots formation in the Si nanowire.

Coulomb oscillations，single electron effect，silicon nanowire

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2006CB932202)和國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):60571008，60721063)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:kjchen@nju.edu.cn

*Project supported by the State Key Development Program for Basic Research of China(Grant No.2006CB932202)and the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.60571008，60721063).

?Corresponding author.E-mail:kjchen@nju.edu.cn