專利名稱：靜電控制的隧道晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及固態(tài)開關(guān)和放大器件，即晶體管，特別涉及具有隧道結(jié)的隧道晶體管器件。
但是，對于尺寸在0.1微米以下的MOSFET器件還存在許多問題。例如，對于通道長度小于0.1微米的器件，要求通道摻雜級會很高。制造在整個晶片表面具有高的均勻性和高摻雜級的晶片是很困難的。因此，如果使用高的摻雜級，用同一晶片制造出的不同的MOSFET的特性可能完全不相同。同樣，單一的MOSFET在漏區(qū)和源區(qū)域之間的電容耦合會變得很明顯。而在批量生產(chǎn)這類器件時，也存在這些問題。
為此，研究人員曾在很小的器件上對晶體管器件的電子的量子性能進行了研究?，F(xiàn)有技術(shù)中，利用電子隧道效應(yīng)生產(chǎn)出了大量的此類器件。
例如，Baba等人的美國專利5,705,827公開了一種帶有絕緣門的隧道晶體管器件。采用與門電極相鄰的電流通道中的頻帶波束曲折操作該晶體管，就像在一個MOSFET器件中一樣。漏極形成一個帶電流通道的Esaki隧道結(jié)。
Harder等人的美國專利4,675,711公開了一種隧道晶體管，該隧道晶體管采用了一個位于鄰近隧道層的絕緣的門電極。該隧道層具有的頻帶間隙能量不同于半導(dǎo)體源極和漏極觸點的頻帶間隙能量。施加在該門上的電壓改變了隧道層的能量阻擋高度，由此可以控制通過該隧道層的電流。該器件必須在低溫下操作，以使熱量激發(fā)載體不做為穿過該隧道層的導(dǎo)體。
Shibata的美國專利5,834,793公開了一種隧道MOSFET晶體管器件，它具有一絕緣門觸點。鄰近該門觸點的是一短的電流通道。源極和漏極觸點被約30埃厚的絕緣隧道阻擋而與電流通道分開。該器件由于在電流通道中的不連續(xù)的能量狀態(tài)而具有負電阻特性。
Tamura的美國專利5,291,274公開了一種隧道晶體管。該晶體管在二隧道結(jié)之間具有一高介電常數(shù)材料的中間層。該中間層與門電極直接接觸。源極和漏極與隧道結(jié)接觸。當將一電壓施加在門電極時，中間層的電位就改變，使電子進入源極和漏極間的隧道。該器件的問題是當該器件工作時，電流將流到門電極或從門電極流出，因此，為了連續(xù)工作，該器件要求連續(xù)的門電流。這在很多應(yīng)用中非常不方便。
除上所述外，還有人對使用具有隧道結(jié)的單電子晶體管進行了研究。單電子晶體管的金屬或半導(dǎo)體島區(qū)非常小，其位于高電阻的隧道結(jié)之間。源極和漏極與隧道結(jié)相接觸。一與該島區(qū)電容耦合的門電極提供了開關(guān)控制。該島區(qū)做得足夠地小，使得用單電子對該島區(qū)充電所需的能量大于源極和漏極觸點的電子所能獲得的熱能，用單電子對該島區(qū)充電所需的能量為Ec＝e2/zC，此處，e為電子的電荷，C為島區(qū)的電容。對該島區(qū)充電所需能量稱為庫倫阻礙。
在操作時，作用在門電極的電壓使該島區(qū)的電容電位上升或下降。當該島區(qū)電位降低一定數(shù)量時，電子能穿過位于島區(qū)上的一個隧道結(jié)，并穿過該島區(qū)的另一隧道結(jié)。以這樣的方式，在一定的門電壓下，電流可流經(jīng)該島區(qū)。當門電壓單調(diào)地變化時，該單電子晶體管進行振蕩。
隨溫度增高，可獲得的熱能增加。當然，單電子晶體管具有一最高可操作溫度。最大可操作溫度取決于島區(qū)的電容量，該電容量是島區(qū)的尺寸的函數(shù)。在室溫下操作該器件時，電容量C必須小于約10阿托法拉(Attofarad)。這樣低的電容量要求島區(qū)很小(例如每邊小于10nm，)且位置距該源極、漏極和門電極要相當遠。制作在室溫下操作的單電子晶體管是非常困難的。
設(shè)計單電子晶體管的一個重要問題是隧道結(jié)的電阻。對單電子晶體管來說，其最好是具有一個電阻非常高的隧道結(jié)(即，大大高于量子電阻Rq＝h/ze2＝26K歐姆，此處h為普朗克常數(shù))。如果該隧道結(jié)電阻太低，則在該島區(qū)的電子數(shù)不易確定。單電子晶體管的操作要求該隧道結(jié)具足夠高的電阻，這可使電子就位易于確定，或是在島區(qū)，或是在島區(qū)外。但是，高的隧道電阻導(dǎo)致源極和漏極觸點之間的高電阻，甚至在全通狀態(tài)下仍為高電阻。高電阻限制了開關(guān)速度和增加了器件的能量消耗。因此，單電子晶體管在其電氣特性上和可能的應(yīng)用場合均受到了限制。
一個單電子晶體管的獨特的特性為該島區(qū)能用半導(dǎo)體材料或金屬制做。該島區(qū)無需用帶有電子能量帶間隙的材料制做。
在某些情況下，該島區(qū)可用半導(dǎo)體材料，如硅、鍺或任何其它的半導(dǎo)體材料形成。在另一些情況下，也可以使用超導(dǎo)材料。所述的隧道阻擋層可用形成半導(dǎo)體(和/或所述的門電極)或形成島區(qū)的材料的氧化物形成，或用完全不同的材料形成。在操作時，可通過向門電極施加電位的方式來變換島區(qū)的能量狀態(tài)使各隧道結(jié)之間產(chǎn)生一導(dǎo)通路徑。然后，電流即可經(jīng)所述的源極和漏極而通過該導(dǎo)通路徑。
在一個實施方案中，用于開關(guān)電流的裝置具有一歐姆絕緣島區(qū)，制做該島區(qū)所用的材料(例如半導(dǎo)體材料如硅、鍺等)具有一頻帶間隙。該島區(qū)是足夠地大，使該島區(qū)具有的電子能量級可完全地以小于100mev來分級。該裝置同樣具有一源極觸點以及一位于源極觸點和島區(qū)之間的第一隧道結(jié)阻擋層。該第一隧道結(jié)阻擋層具有這樣的厚度和橫截面積，以使得由源極觸點、第一隧道結(jié)阻擋層和該島區(qū)相互連接而形成的第一隧道結(jié)的電阻小于量子電阻，即小于26K歐姆。該裝置還具有一漏極觸點以及一位于漏極觸點和島區(qū)之間的第二隧道結(jié)阻擋層。第二隧道結(jié)阻擋層具有這樣的厚度和橫截面積，以使得由漏極觸點、第二隧道阻擋層和島區(qū)相互連接而形成的第二隧道結(jié)同樣小于量子電阻。該裝置還具有一與該島區(qū)電容耦合的門電極。
在某些情況下，第一和第二隧道結(jié)的電阻可小于10K歐姆。進一步地，在其它實施方案中，所述的第二和第二隧道結(jié)的電阻可小于1K歐姆或甚至小于100歐姆。
該第一和第二隧道結(jié)阻擋層可用絕緣材料如二氧化硅或氧化鋁來制做，分開的距離約為0.2-2.0微米。
優(yōu)選的是，所述的裝置還包括絕緣層，該絕緣層位于門極和島區(qū)之間。
詳細說明本發(fā)明公開了一種利用低電阻隧道結(jié)的開關(guān)器件。更詳細地說，本發(fā)明公開了一種類似晶體管的器件，該器件具有一對隧道結(jié)，其中每一個隧道結(jié)的電阻均小于或等于一個量子電阻(Rq＝h/2e2)，并被一由非均勻能量狀態(tài)密度的材料所形成的島區(qū)所分開。低電阻隧道結(jié)的使用與單電子晶體管及其類似物的情況恰好相反。實質(zhì)上，通過避開庫倫阻擋，本電路能在室溫下進行操作，而不會產(chǎn)生對于庫倫阻擋器件來說所具有的對尺寸有嚴格限制的問題。進一步地，本發(fā)明的電路不同于調(diào)諧隧道晶體管(RTTS)及其類似物，這種晶體管在操作時是依靠量子井設(shè)定其能量范圍。雖然本發(fā)明的器件是通過實施例的方式加以說明，在閱讀了本發(fā)明所公開的內(nèi)容之后，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以以多種方式制備本發(fā)明的電路，并且可以在各種系統(tǒng)中應(yīng)用本發(fā)明電路。因此，在下面的說明中，所述的實施例應(yīng)視為舉例性的，而不是限定本發(fā)明的范圍。
更精確地說，本發(fā)明晶體管包括一個島區(qū)，該島區(qū)由具有頻帶間隙的材料制成。該島區(qū)優(yōu)選是足夠地大，以使得其電子能量狀態(tài)可被小于10mev(即，價帶或?qū)◣У哪芰繝顟B(tài)，而非帶隙的能量狀態(tài))所分級。因此，在室溫下，該島區(qū)的價帶和導(dǎo)通帶表現(xiàn)為連續(xù)的能量帶。該島區(qū)可視為不被歐姆導(dǎo)通路徑連通到晶體管的任何其它區(qū)域的區(qū)域。各金屬導(dǎo)體可用作源極和漏極，并且門電極可與所述的島區(qū)電容耦合。所述的隧道結(jié)可由位于所述的島區(qū)和源極以及漏極之間的隧道結(jié)阻擋層互相連接而形成，這些隧道結(jié)阻擋層可用絕緣材料構(gòu)成。如上所述，所述的隧道結(jié)的電阻小于一個量子電阻，即小于26K歐姆。其可能實現(xiàn)的理由是由于本發(fā)明的晶體管不是依靠庫倫阻礙而實現(xiàn)開關(guān)行為的。


圖1示出了本發(fā)明晶體管的一個實施例。厚度為40的絕緣層22(例如SiO2)位于一基層20上?；鶎涌捎珊线m的半導(dǎo)體材料，例如硅制成。因此，層22可用半導(dǎo)體加工工藝中常規(guī)的濕或干氧化法生長。門電極24位于基層20和層22之間。
島區(qū)26位于層22的頂部，與門電極24相對應(yīng)，以使得所述的門電極和所述的島區(qū)電容耦合。所述的島區(qū)的摻雜級范圍可以很寬，甚至可以不摻雜。源極觸點28和漏極觸點30位于島區(qū)26的相對的二側(cè)，一薄的絕緣膜32在源極28和島區(qū)26之間形成了第一隧道結(jié)34。同樣，膜32在漏極30和島區(qū)26之間形成了第二隧道結(jié)36。第一隧道結(jié)34(即，在第一隧道結(jié)上的膜32)的厚度為35，第二隧道結(jié)36(即，在第二隧道結(jié)上的膜32)的厚度為37。厚度35、37是由膜32的厚度決定的。所述的膜32可由制備所述的島區(qū)26的材料(例如，其氧化物)制成，也可由制備所述的源極和漏極觸點28和30的材料(例如，其氧化物)制成，或者由與其完全不同的材料制成。
所述的源極觸點28和漏極觸點30優(yōu)選由金屬材料如鋁、銅、金、鈦或類似材料制備。優(yōu)選用金屬材料制備源極和漏極觸點，因為金屬具有高的載波活性。因此，金屬源極和漏極觸點具有優(yōu)異的高頻率性能，和開關(guān)功能以及低功率特性(例如，與用其他材料例如半導(dǎo)體材料制備的觸點相比較)。
圖1所示的裝置為對稱的，即，源極28和漏極30是可以互換的，隧道結(jié)34和36也是可以互換的。本發(fā)明的晶體管大部分實施例均為對稱的。但是，在本發(fā)明晶體管的某些實施例中，第一和第二隧道結(jié)34和36是不同的，因此，在這些實施例中，所述的裝置是不對稱的。
膜32優(yōu)選是非常薄的，這可使隧道結(jié)34、36可具有相對低的電阻。例如，膜32的厚度可以為1-40埃。膜32可由化學蒸發(fā)沉積(CVD)法來形成，或通過氧化所述的島區(qū)材料來形成。當然，根據(jù)制備膜32所用的材料，也可用其它方法來形成膜32。在圖中，顯示出膜32覆蓋整個島區(qū)26，但在其它實施例中，膜32只覆蓋與隧道結(jié)34、36相鄰的區(qū)域。
島區(qū)26由具有頻帶間隙的材料，例如硅、鍺或任何其它半導(dǎo)體材料來制成。島區(qū)26也可以由超導(dǎo)材料制成，所述的材料在冷卻到其臨界溫度以下時具有帶隙。島區(qū)26不用金屬材料制成。優(yōu)選的是，島區(qū)26由摻雜(或不摻雜)的半導(dǎo)體材料制成。因此，本發(fā)明晶體管的實施例包括帶有p-和n-摻雜的半導(dǎo)體島區(qū)的p-型和n-型器件。
隧道結(jié)34和36各自的電阻均小于一個量子電阻(例如約26K歐姆)。第一隧道結(jié)34的電阻取決于厚度35以及源極28和島區(qū)26之間的膜32的觸點的表面積(即結(jié)點面積)。第二隧道結(jié)36的電阻電阻取決于厚度37以及漏極30和島區(qū)26之間的膜32的觸點的表面積。隧道結(jié)34、36的電阻與結(jié)點面積(結(jié)點面積較大則電阻較小)成線性關(guān)系，與厚度(結(jié)點越薄則電阻越小)成指數(shù)比例。下述表中提供了舉例性(近似)的數(shù)據(jù)，顯示具有不同電阻的隧道結(jié)的厚度和結(jié)點面積。26K歐姆隧道結(jié)
13K歐姆隧道結(jié)
2.6K歐姆隧道結(jié)
更優(yōu)選的是，隧道結(jié)34和36中的每一個隧道結(jié)的電阻都小于10K歐姆，特別優(yōu)選小于1000歐姆。通過適當選擇隧道結(jié)34和36中的膜32的結(jié)點面積和厚度，可以使其電阻在所述的范圍內(nèi)。對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以很容易地通過多種不同的結(jié)點厚度和結(jié)點面積的變化組合而使結(jié)點電阻小于量子電阻。
門電極24通過層22與島區(qū)26電容耦合。厚度40應(yīng)足夠厚以使得所述的門電極24和島區(qū)26之間的電阻很高，以使其實質(zhì)上無電流通過。例如，所述的電阻約為108歐姆數(shù)量級或更高，更優(yōu)選的是，約為1010-1012歐姆數(shù)量級或更高。由于門電極24和島區(qū)26只是電容耦合，在門電極24和島區(qū)26之間無隧道電流或歐姆電流能通過。
圖2示出一n-型器件的頻帶示意圖，其中在源極28，漏極30或門電極24上不施加電壓。在該實施例中，島區(qū)26用n-摻雜的半導(dǎo)體材料制成。源極28和漏極30為金屬，因此其分別具有完全確定的費米能42s和42d。島區(qū)26具有費米能43。島區(qū)26具有頻帶間隙52，例如約為0.5-3伏。隧道結(jié)34和36(即位于源漏和島區(qū)之間的隧道結(jié)阻擋)由絕緣材料制成，與島區(qū)26相比較，其具有大的頻帶間隙50。同樣，示出一島區(qū)導(dǎo)通帶54，和一島區(qū)價帶56。由于島區(qū)26是由n-摻雜的半導(dǎo)體材料制成，價帶56是完全充滿，而導(dǎo)通帶54為部分充滿。同樣，島區(qū)費米能43與導(dǎo)通帶54相對接近，且施主級45恰好在導(dǎo)通帶邊緣之下。
導(dǎo)通帶54和價帶56具有很多由水平線表示的電子能級58。如本技術(shù)領(lǐng)域所公知的，各能量級58之間的間隔取決于島區(qū)26的尺寸以及島區(qū)的材料。在本發(fā)明的晶體管中，所述的島區(qū)26是如此設(shè)計的，以使得能級58按小于100mev進行分級，更優(yōu)選的是以小于50mev進行分級，優(yōu)選的是以小于25mev進行分級。本發(fā)明晶體管優(yōu)選如此，因為它可保證在室溫下，所述的價帶和導(dǎo)通帶的性能大體為連續(xù)的頻帶。這是因為在室溫(即T約為300K)時，KbT約為25mev，此處Kb為波爾茲曼常數(shù)。換言之，如果能級58按小于25-100mev分級，電子在室溫下具有足夠的熱能而各能量級58中運動。
圖3為電路原理圖，說明本發(fā)明的晶體管如何應(yīng)用在(在一個實施例中)電路中的。其中示出了源極28、漏極30、島區(qū)26和隧道結(jié)34、36。電容器60代表位于門電極24和島區(qū)26之間的電容。偏壓電源Vb61提供電壓作用在源28和漏30之間。所述的偏壓電源可向源極和漏極提供偏壓。門電極電壓源Vg62提供電壓，作用在門電極24和漏極30之間。相對于漏極30，門電極電壓電源62可向門電極24提供正或負電壓。
圖4示出n-型器件的頻帶示意圖，其中，相對于漏電極30，偏壓電源61向源電極28提供低的負電壓。門電極電壓Vg為零(即門電極24和漏極30的電壓相同)。通過第一隧道結(jié)34的電壓55與通過第二隧道結(jié)36的電壓不相同，這部分是因為它們的結(jié)點電容量不相同。更普遍的是，通過隧道結(jié)34和36上的相對電壓取決于源極28、島區(qū)26、漏極30和門電極24之間的電容量。同樣，通過隧道結(jié)34和36的不同的電壓是由于門電極24的電壓與漏極30的電壓相同。
在源極28和漏極30之間無電流通過，這是由于導(dǎo)通帶54的底邊的能量高于源就極的費米能。因此，能量為源極費米能42s的電子不能導(dǎo)通到在導(dǎo)通帶54上的能級58。同樣，在價帶56中的電子也不能導(dǎo)通到在漏極費米能量42d中的能級58。
圖5表示所述的器件的頻帶示意圖，其中，偏壓電源58提供的偏壓正好足以實現(xiàn)導(dǎo)通。門電極電壓再次為Vg零。施加在圖5中的偏壓大于施加在圖4中的偏壓。實現(xiàn)導(dǎo)通所需的偏壓(在門電極上不施加電壓)為使所述的源極費米能42s與導(dǎo)通帶54或施主級45相匹配時所需的電壓。源極28中能量為費米能量Ef的電子64流向?qū)◣?4，然后電子66從該導(dǎo)通帶54流向漏極30。所述的電子以高于漏極的費米能量42d的熱電子到達所述的漏極中。同樣地，通過隧道結(jié)34和36的電壓是不相等的，這可能是由于相對電容量的不同，以及門電極24和漏極30的電壓相同。我們注意到，在本發(fā)明的晶體管中，通過隧道結(jié)34和36的電壓可以相等或不相等。
圖6示出了n-型器件的頻帶間隙，其中，相對于漏極30，在門電極24上施加一正電壓。所述的導(dǎo)通帶54能量降低，以使得其與源極和漏極費米能量42s和42d相匹配。因此，相對于漏極30，將一負電壓施加到源極28上時，電子能從源極28流經(jīng)島區(qū)26并到達漏極30。或者，施加到漏極30的負電壓可以使電子從漏極30流經(jīng)島區(qū)26并到達源極28。因此，相對于漏極30，施加到門電極24上的足夠的正偏壓可以使得所述的裝置實現(xiàn)雙向?qū)娏鳌?br> 綜上所述，當島區(qū)26由n-摻雜的半導(dǎo)體材料制成時，施加正的門電極電壓Vg可以降低實現(xiàn)所述的導(dǎo)通所需的偏壓Vb。相反，對于n-摻雜的裝置，施加負的門電極電壓Vg將會使實現(xiàn)所述的導(dǎo)通所需的偏壓Vb增高。
圖7示出了在不同的門電極電壓Vg值時，偏壓(即，在源極28和漏極30之間的電壓)與漏極電流之間的圖表。圖7所示的圖表是島區(qū)26為n-摻雜半導(dǎo)體的裝置。Vd代表漏極電壓，Vs代表源極電壓。一閾值偏壓70為源極費米能量42s與所述的導(dǎo)通帶54的底邊相匹配時的電壓。圖5中的能量頻帶圖表大約相當于所述的閾值偏壓70。
一補充的閾值偏壓72表示當將一負電壓施加到漏極上時的偏壓。所述的閾值偏壓70和補充的閾值偏壓72不是必須具有相同大小的電壓。閾值偏壓70和72定義為以零門電極電壓。
我們注意到，所述的閾值偏壓70和72部分地取決于所述的島區(qū)26的頻帶間隙52。如果所述的頻帶間隙能量52高(例如4-5電子伏特)，則所述的閾值偏壓70和72會相對增高。如果所述的頻帶間隙能量低(例如0.2-1.5電子伏特)，則所述的閾值偏壓70和72會相對降低。
同樣，閾值偏壓70和72還取決于所述的島區(qū)26的摻雜量。如果所述的島區(qū)為高摻雜，則閾值偏壓將會相對降低，如果所述的島區(qū)為低摻雜，則閾值偏壓將會相對增高。
閾值偏壓70和72也取決于所述的隧道結(jié)34和36的相對電容量。例如，相對于漏極30，當源極28為負電壓時，第一隧道結(jié)34具有相對低的電容量。施加在源極28和漏極30之間的電壓將最大可能地通過第一隧道結(jié)34。因此，只需要一很低的電壓便可以使源極費米能量42s與導(dǎo)通帶56相匹配。即，閾值電壓70將相對地降低。補充閾值電壓72將會相對地升高。絕大多情況是，第一和第二隧道結(jié)的特性差異將會導(dǎo)致閾值偏壓70和補充閾值偏壓72之間的差異。
圖8示出了本發(fā)明晶體管的一個實施例，其中所述的島區(qū)為p-摻雜的，即為p-型裝置。與圖2所示的具有一n-摻雜島區(qū)的裝置相比，所述的導(dǎo)通帶54和價帶56的能量升高。圖8中，所述的p-摻雜島區(qū)26的受體狀態(tài)78的位置稍高于價帶的邊緣。當價帶56與源極費米能量24s或漏極費米能量42d相匹配時，所述的p-型裝置將使得源極28和漏極30實現(xiàn)導(dǎo)通。
圖9示出了向門電極施加負電壓的p-型裝置，其中價帶56和受體狀態(tài)78的能量升高并與源極費米能量42s和漏極費米能量42d相匹配。相對于漏極30，當將一負電壓施加到源極28上時，電子80將在源極28、島區(qū)26和漏極30之間導(dǎo)通?；蛘?，相對于源極28，也可以將一負電壓施加到漏極30上。當然，應(yīng)注意的是，所述的島區(qū)26也可以是未摻雜的。
對本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的精神和實質(zhì)的前提下，可以對上述實施例進行各種各樣的改變。因此，本發(fā)明的保護范圍由權(quán)利要求或其等同物予以界定。
權(quán)利要求
1.一種用于開關(guān)電流的裝置，包括a.一個歐姆絕緣島區(qū)，該島區(qū)包括具有頻帶間隙的材料，其中，所述的島區(qū)足夠大，使得該島區(qū)的電子能量可按小于100mev分級；b.一個源極觸點；c.一個位于所述的島區(qū)和源極觸點之間的第一隧道結(jié)阻擋層，其中，所述的第一隧道結(jié)阻擋層具有這樣的厚度和橫截面積，以使得由源極觸點、第一隧道結(jié)阻擋層和島區(qū)構(gòu)成的第一隧道結(jié)的電阻小于一個量子電阻；d.一個漏極觸點；e.一個位于所述的島區(qū)和漏極觸點之間的第二隧道結(jié)阻擋層，其中，第二隧道結(jié)阻擋層具有這樣的厚度和橫截面積，以使得由漏極觸點、第二隧道結(jié)阻擋層和島區(qū)構(gòu)成的第二隧道結(jié)的電阻小于一個量子電阻；f.一個與所述的島區(qū)電容耦合的門電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于開關(guān)電流的裝置，其中，所述的島區(qū)包括半導(dǎo)體材料，該半導(dǎo)體材料選自由硅和鍺組成的一組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于開關(guān)電流的裝置，其中，所述的第一隧道結(jié)和第二隧道結(jié)各自的電阻都小于10K歐姆。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于開關(guān)電流的裝置，其中，所述的第一隧道結(jié)和第二隧道結(jié)各自的電阻都小于1K歐姆。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于開關(guān)電流的裝置，其中，所述的第一隧道結(jié)和第二隧道結(jié)各自的電阻都小于100歐姆。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于開關(guān)電流的裝置，其中，所述的第一隧道結(jié)阻擋層和第二隧道結(jié)阻擋層各自的厚度都小于24埃，其各自的橫截面積都大于0.04平方微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于開關(guān)電流的裝置，其中，所述的第一隧道結(jié)阻擋層和第二隧道結(jié)阻擋層各自的厚度都小于18埃，其各自的橫截面積都大于0.01平方微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于開關(guān)電流的裝置，其中，所述的第一隧道阻擋層和第二隧道阻擋層各自的厚度都小于12埃，其各自的橫截面積都大于0.0025平方微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于開關(guān)電流的裝置，其中，所述的第一和第二隧道結(jié)阻擋層包括絕緣材料，所述的絕緣材料選自由氧化硅和氧化鋁組成的一組。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于開關(guān)電流的裝置，進一步包括一個位于門電極和島區(qū)之間的門電極絕緣層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于開關(guān)電流的裝置，其中，位于所述的第一隧道結(jié)和第二隧道結(jié)之間的通道長度在0.02-0.2微米范圍內(nèi)。
12.一個電路，包括一對隧道結(jié)，每一個隧道結(jié)的電阻小于或約等于一個量子電阻，其被由非均勻能量狀態(tài)密度的材料制成的島區(qū)所分開，每一個隧道結(jié)均由所述的島區(qū)和一對導(dǎo)體中的相應(yīng)一個導(dǎo)體通過隧道結(jié)阻擋層相互連接而形成；以及一個與島區(qū)電容耦合的門電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路，其中，所述的島區(qū)由超導(dǎo)體材料制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路，其中，所述的島區(qū)由半導(dǎo)體材料制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電路，其中，所述的半導(dǎo)體材料包括硅。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電路，其中，所述的半導(dǎo)體材料包括鍺。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路，其中，所述的隧道結(jié)阻擋層由制備導(dǎo)體的氧化物材料制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述的門電極由制備導(dǎo)體所用的相同材料制成。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路，其中，所述的隧道結(jié)阻擋層由用于制備島區(qū)的氧化物材料制成。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路，其中，所述的隧道結(jié)阻擋層由不同于制備島區(qū)的材料并且不同于制備導(dǎo)體的材料所制成。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路，其中，所述的島區(qū)由非摻雜材料制成。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路，其中，所述的非均勻能量狀態(tài)密度包括至少一個區(qū)域，該區(qū)域包含有效的能量狀態(tài)，該區(qū)域和至少一個不包含任何有效的能量狀態(tài)的區(qū)域相鄰。
23.一種方法，包括通過變換一個島區(qū)的能量狀態(tài)而在一對隧道結(jié)之間形成一條導(dǎo)通路徑，其中，所述的一對隧道結(jié)中的每一個隧道結(jié)的電阻均小于或近似等于一個量子電阻，所述的島區(qū)由具有非均勻能量狀態(tài)密度的材料所制成，所述的島區(qū)位于所述的隧道結(jié)之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述的島區(qū)的能量狀態(tài)的變化是通過向與所述的島區(qū)電容耦合的電極施加或除去電壓來完成的。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，進一步包括通過與所述的隧道結(jié)耦合的電極使電流流過所述的導(dǎo)通路徑。
全文摘要
通過改變位于兩個隧道結(jié)(34、36)之間的島區(qū)(26)的靜電電位來操作的晶體管,該晶體管具有一島區(qū)(26),該島區(qū)用具有一頻帶間隙的材料(例如半導(dǎo)體或超導(dǎo)體材料)制成。該晶體管具有源極(28)和漏極(30)觸點。該晶體管具有位于島區(qū)(26)和漏極(30)之間的第一隧道結(jié)阻擋層(36),該島區(qū)(26)與晶體管的其它部分以及基層(20)是歐姆絕緣的。門電極(24)與島區(qū)(26)電容耦合,使作用在門電極上的電位可改變該島區(qū)的電位。該晶體管具有n－型和p－型實施例。當使用時,通過施加門電極電位以降低(例如,用正的門電極偏壓)或升高(例如,負的門電極偏壓)該島區(qū)的導(dǎo)通帶(54)或價帶(56)。當該導(dǎo)通帶(54)或價帶(56)與源極和漏極的費米能量(42)相匹配時,導(dǎo)通電流能經(jīng)過所述的源極、島區(qū)和漏極。
文檔編號H01L29/78GK1347571SQ00806509
公開日2002年5月1日 申請日期2000年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月22日
發(fā)明者丹尼爾·E·格拉普 申請人:阿考恩技術(shù)公司