专利名称：用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于存储器，特别是涉及一种利用量子点库仑阻塞效应和具有垂直结构的碳纳米管晶体管设计制备的可在室温下工作的具有高集成度的单电子存储器。
目前，人们已经开始对纳米量级的存储器件进行研究，希望能够找到解决问题的办法。在过去的几年里，研究工作主要集中在单电子器件上，一些基于单电子现象的器件已经被制备出来，并且在一定条件下显示出稳定的工作状态。这些单电子存储器件按结构的不同可以分为以下三类(1)量子点作为器件的浮栅，利用阈值电压的漂移来实现信息的存储(Jpn.J.Appl.Phys.2000，Part 2，39，L792)；(2)两个单电子晶体管(SET)之间的集成，一个SET用来控制量子点中的电荷数，另一个起静电计的作用，用来探测存储结中存储的额外电子数，这样来实现存储器的读写功能(Appl.Phys.Lett.1998，73，2134)；(3)单电子晶体管和传统MOSFET的集成，依靠MOSFET来实现数据的读出(Appl.Phys.Lett.，1999，74，1293)。这些器件尽管解决了一些单电子存储器遇到的困难，但是还存在一些困难。第一类器件因为量子点的尺寸可以在10纳米以下，因此可以在常温下实现数据的存储，但是器件存储性质受量子点位置和其尺寸涨落的影响，并且保存时间很短，通常只有几百秒。第二类存储器中的一个单电子晶体管用作静电计，工作时源漏偏压很大，其漏极电流的大小对存储结中存储的额外电子数目呈现线性关系，但是此时器件工作的增益很小，不利于器件数据的读取；此外这种存储器的工作温度很低。利用单电子晶体管和传统的MOSFET可以解决数据读出增益小的问题，但是器件工作需要的电子数目增多了，至少需要上百个，事实上因为MOSFET的存在使得困扰传统半导体产业的问题依然没有得到根本上的解决，也就是说器件的集成度要受MOSFET的制约，此外器件仍很难实现常温下的工作。由此可见，必须要找到具有更高集成度、更高工作频率和更高工作温度的单电子存储器及制备方法。
本实用新型的目的是这样实现的本实用新型所提供的用碳纳米管设计的高集成度单电子存储器，包括以硅作为衬底，其上氧化形成一个二氧化硅绝缘层；在绝缘层上制备出一个垂直结构的碳纳米管晶体管，它包括在二氧化硅绝缘层上设置一根单壁半导体性碳纳米管，在其两端制备出源极和漏极，并与该碳纳米管发生欧姆接触；在该碳纳米管、源极和漏极的上方的整个二氧化硅绝缘层上制备出一层栅极绝缘层，并在位于该碳纳米管的上方、源极和漏极之间的栅极绝缘层上设置碳纳米管晶体管的方形栅极；方形栅极相对应的一侧的栅极绝缘层上设置一存储器的金属字线，金属字线和方形栅极通过第二根碳纳米管欧姆接触连接在一起，其第二根碳纳米管设置方向与第一根碳纳米管方向垂直，并在第二根碳纳米管上存在至少两个隧穿结。
所述的衬底材料包括p型或n型硅。
所述的衬底上的二氧化硅层厚度为1纳米到100微米；所述的碳纳米管晶体管中的碳纳米管为单壁半导体性碳纳米管，其直径为小于3纳米。
所述的栅极绝缘层的材料包括二氧化硅、Si3N4等，因为该栅极绝缘层只是起到隔离作用即可。
所述的碳纳米管晶体管的源极和漏极由Al、Au、Pt或Ti等金属来制备，厚度没有严格的要求，只起到电极的作用即可；其中源极和漏极之间的距离为1纳米到1毫米。
所述的碳纳米管晶体管的栅极材料为金属包括Al、Au、Pt或Ti等金属，或掺杂后的硅，其厚度为1纳米到1微米；所述的栅极的面积小于1平方毫米。
所述的金属字线和栅极之间的碳纳米管为金属性碳纳米管，其直径没有限止。
所述的金属字线包括Al、Au、Pt或Ti等金属制备的，其厚度与栅极相同；其中金属字线和栅极之间的距离为1纳米到1毫米。
所述的碳纳米管上的隧穿结是通过扫描探针技术使碳纳米管发生局部形变形成的；碳纳米管上相邻的两个隧穿结间距小于100纳米；所述的在金属性碳纳米管上制备隧穿结的方法，是利用探针使金属性碳纳米管局部发生形变，形变处的碳纳米管性质发生改变，这样就形成一个隧穿结。
本实用新型的具有高集成度的单电子存储器有两根碳纳米管，其中一根金属性碳纳米管具有一个或多个纳米尺度的量子点，利用量子点的库仑阻塞效应，控制场效应晶体管的栅极电压，实现数据的存储；而另一根半导体性碳纳米管则构成了碳纳米管晶体管结构。
本实用新型的存储器正常工作有两个基本条件(1)金属性碳纳米管上两隧穿结间的量子点足够小以至于可以出现库仑阻塞区域，并且这个库仑阻塞区域要足够大；(2)碳纳米管晶体管的栅极作为存储器额外电子的存储部分可以拥有两个稳定的存储状态，这两个稳定存储状态对应的碳纳米管晶体管漏极电流的差异要足够大，以保证存储器可以准确地读出系统存入的数据和信息。
本实用新型的优点在于本实用新型的存储器正是利用碳纳米管晶体管取代传统的MOSFET来获得更高的集成度。器件使用金属性碳纳米管上两隧穿结间的量子点取代传统的多隧穿结(MTJ)结构，省去了大面积的耗尽栅，可以充分利用碳纳米管的独特电学、力学和化学性质，因此设计出的存储器结构比以前基于MTJ/MOSFET设计的单电子存储器具有更高的存储密度，并且可以在室温下正常工作，所以这种存储器不但解决了传统存储器面临的困难，还提高了单电子存储器件的性能；同时，碳纳米管的化学惰性和良好的韧性决定了器件具有很长的使用寿命，这些优点使得本实用新型可以很好解决存储器发展过程中所面临的困境，与其它类型的存储器相比，具有多方面的优势。总之，本实用新型的单电子存储器较传统存储器具有以下优点1)结构简单；2)易于集成；3)工作频率高；4)存储密度大；5)功耗低；6)散热量小；7)工作温度为室温；8)制备方法简单，易于工业化生产。
利用原子力显微镜在金属字线8和栅极7之间定为一根金属性碳纳米管9，长为600纳米，直径为2纳米；利用扫描探针技术使碳纳米管9上发生两次形变，每处形变形成了一个隧穿结，两个隧穿结10的间距为25纳米，这样就形成了量子点11，如图3所示。最后对器件封装就完成了本实用新型存储器的制备。
如图4所示，本实用新型存储器输入不同方向的三角形脉冲电压对碳纳米管栅极电位的影响，其中VW为字线电压，VM为碳纳米管晶体管的栅极电压。
如图5所示，本实用新型存储器输入不同方向的方波脉冲电压对碳纳米管栅极电位的影响，其中VW为字线电压，VM为碳纳米管晶体管的栅极电压利用原子力显微镜在字线8和栅极7之间设定为一根金属性碳纳米管9，长为600纳米，直径为2纳米；利用扫描探针技术使碳纳米管9上发生两次形变，每处形变形成了一个隧穿结，两个隧穿结10的间距为25纳米，这样就形成了量子点11，如图3所示。最后对器件封装就完成了本实用新型存储器的制备。
权利要求1.一种用碳纳米晶体管设计的高集成度单电子存储器，包括以硅作为衬底，其上氧化形成一个二氧化硅绝缘层；在绝缘层上制备出一个碳纳米管晶体管，它包括在二氧化硅绝缘层上设置一根单壁碳纳米管，在其两端制备出源极和漏极，并与该碳纳米管发生欧姆接触；其特征在于在该碳纳米管、源极和漏极的上方的整个二氧化硅绝缘层上制备出一层栅极绝缘层，并在位于该碳纳米管的上方、源极和漏极之间的栅极绝缘层上设置碳纳米管晶体管的方形栅极；方形栅极相对应的一侧的栅极绝缘层上设置一存储器的金属字线，金属字线和方形栅极通过第二根碳纳米管欧姆接触连接在一起，其第二根碳纳米管设置方向与第一根碳纳米管方向垂直，第二根碳纳米管上存在至少两个隧穿结。
2.按权利要求1所述的用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器，其特征在于所述的衬底材料包括p型或n型单晶或多晶硅。
3.按权利要求1所述的用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器，其特征在于所述的衬底上的二氧化硅层厚度为1纳米到100微米；
4.按权利要求1所述的用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器，其特征在于所述的碳纳米管晶体管的源极和漏极材料包括Al、Au、Pt或Ti金属材料制备的。
5.按权利要求1所述的用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器，其特征在于所述的碳纳米管晶体管的栅极材料包括Al、Au、Pt、Ti金属或掺杂后的硅；其厚度为1纳米到1微米；其栅极的面积小于1平方毫米。
6.按权利要求1所述的用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器，其特征在于所述的碳纳米管晶体管中的碳纳米管为单壁半导体性碳纳米管，其直径为小于3纳米。
7.按权利要求1所述的用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器，其特征在于所述的字线和栅极之间的碳纳米管为金属性碳纳米管。
8.按权利要求1所述的用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器，其特征在于所述的碳纳米管上的隧穿结至少有2个，相邻的两个隧穿结间距小于100纳米。
9.按权利要求1所述的用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器，其特征在于所述的栅极绝缘层的材料包括二氧化硅、Si3N4。
专利摘要本实用新型涉及用碳纳米管晶体管设计的高集成度单电子存储器，包括以硅作为衬底，其上氧化形成一个二氧化硅绝缘层；在绝缘层上制备出一个垂直结构的碳纳米管晶体管，还包括在二氧化硅绝缘层上有一根单壁碳纳米管，在其两侧制备出源极和漏极并与碳纳米管发生欧姆接触；在该碳纳米管的上方制备出栅极绝缘层，其上设置该碳纳米管晶体管的栅极；栅极一侧的栅极绝缘层上设置一条存储器的字线，字线和栅极通过一根金属性碳纳米管连接在一起，此碳纳米管上制备出至少两个隧穿结。该方法制备出的量子点可以在室温下出现库仑阻塞现象，因此本实用新型的器件可在室温下工作，通过测量碳纳米管晶体管的漏极电流可以实现存储器数据的读出。
文档编号H01L21/70GK2570984SQ0225707
公开日2003年9月3日 申请日期2002年9月24日 优先权日2002年9月24日
发明者孙劲鹏, 王太宏 申请人:中国科学院物理研究所