納米級(jí)隧道效應(yīng)器件
集成電路問(wèn)世以來(lái),IC技術(shù)一直沿著電路和器件特征尺寸按比例縮小的辦法大踏步前進(jìn),特征尺寸越小,電路和器件的性能越好。正由于此,上世紀(jì)末,Intel公司將集成度和性能都達(dá)到空前高水平的奔騰4芯片和PC送到用戶手上。目前MOSFET的溝道長(zhǎng)度已趨近0.1mm(＝100nm）,按比例縮小的辦法還能繼續(xù)下去嗎？答案是否定的。早在20年以前,著名的“半導(dǎo)體器件物理”一書(shū)的作者Ｓ.Ｍ.Ｓze就預(yù)計(jì),傳統(tǒng)MOSFET的溝道長(zhǎng)度應(yīng)大于約70nm。IBM研究中心的D.J.F.rank盼望能作出溝道長(zhǎng)度達(dá)20-30nm的MOSFET,但是溝道再短就很困難了。也就是說(shuō)20-30nm可能就是器件特征尺寸的物理極限。
為了減小器件特征尺寸,從而達(dá)到整體提升器件性能的目的,人們希望找到其它的方法來(lái)避開(kāi)上述困難。在設(shè)法抑制短溝道效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)特征尺寸逼近物理極限時(shí),基于量子隧道效應(yīng)的隧道效應(yīng)器件比傳統(tǒng)MOSFET好。換言之,雙電子層隧道晶體管和共振隧道二極管等隧道效應(yīng)器件比MOSFET更適合于納米電子學(xué)。
這是由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Ｊ.Simmons等人首先研究的隧道效應(yīng)器件。它由一個(gè)絕緣勢(shì)壘和兩個(gè)二維量子阱組成,絕緣勢(shì)壘位于兩個(gè)量子阱之間。為使器件正常工作,量子阱和勢(shì)壘厚度都很小,分別為15nm和12.5nm。由于勢(shì)阱厚度很小,勢(shì)阱可看成是二維的,電子運(yùn)動(dòng)被限制在阱平面內(nèi)。Sandia的研究者們把Deltt和MOSFET作類比,稱上量子阱接觸(Topquantum well contact)為源(電極）。下量阱接觸(Bottom quantum well contact)為漏(電極）。器件工作時(shí),由于量子力學(xué)隧道效應(yīng),電子從上量子阱(Top quantum well)隧道穿過(guò)勢(shì)壘層到達(dá)下量子阱(Bottom quantum well)。
Deltt的結(jié)構(gòu)如圖１所示。和MOSFET相比,上量子阱相當(dāng)于源區(qū),下量子阱相當(dāng)于漏區(qū),勢(shì)壘區(qū)(Barrier)相當(dāng)于溝道,上控制柵(Top control gate)相當(dāng)于MOSFET的柵極;和上控制柵相對(duì)應(yīng),還有背控制柵(Back control gate）,這個(gè)柵通常不是必備的(optional）。從圖１可以看到,源漏電極都是平面型的。為了保證源電極只和上量子阱接觸,漏電極只和下量子阱接觸,Deltt還有背耗盡柵(Back depletion gate)和上耗盡柵(Top detletion gate）。
由量子力學(xué)理論可知：量子阱中的電子能級(jí)由阱的尺寸和勢(shì)壘高度決定,當(dāng)阱的尺寸很小時(shí),電子能級(jí)間隔很大;當(dāng)由勢(shì)壘隔開(kāi)的兩個(gè)量子阱中的電子能級(jí)相同(對(duì)準(zhǔn)）時(shí),產(chǎn)生電子由一個(gè)阱到另一個(gè)阱的量子隧穿效應(yīng),因?yàn)樵诹孔铀泶┻^(guò)程中,電子要遵守能量守恒和動(dòng)量守恒原理。一般來(lái)講,在未加外電壓（包括源－漏電壓和柵壓）時(shí),兩個(gè)量子阱中沒(méi)有相同的電子能級(jí),因而沒(méi)有源——漏電流,器件是截止的。加上外電壓時(shí),勢(shì)阱中電子能級(jí)會(huì)發(fā)生位移,電壓增大位移增大,當(dāng)兩個(gè)勢(shì)阱中的電子能級(jí)對(duì)準(zhǔn)時(shí)(共振）,隧道效應(yīng)發(fā)生,器件導(dǎo)通。
Deltt的工作有類似MOSFET的一面：在某個(gè)源——漏電壓下,可由柵壓開(kāi)關(guān)器件。但也有顯著不同的另一面：當(dāng)柵壓再上升,超過(guò)共振點(diǎn)時(shí),電子隧穿過(guò)程中止,器件關(guān)閉。也就是說(shuō),Deltt微分電阻可正可負(fù),在器件從導(dǎo)通態(tài)到截止態(tài)的工作區(qū)微分電阻為正,從導(dǎo)通態(tài)到截止態(tài)的工作區(qū),微分電阻為負(fù)。
