[发明专利]一种聚苯乙烯微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法

说明书

一种聚苯乙烯微球模板组装金颗粒制备单电子晶体管的方法，硅基片表面形成二氧化硅衬底，库仑岛和电极集成设置在二氧化硅衬底上，在二氧化硅衬底上制备出均匀紧密排布的聚苯乙烯微球单层膜模板，利用电子束蒸发镀膜的方法在聚苯乙烯微球单层膜模板表面镀金薄膜，再利用化学腐蚀方法和后处理得到金纳米颗粒阵列；然后采用原子层沉积在金纳米颗粒阵列之上形成氧化铝势垒层，采用电子束曝光、电子束蒸发镀膜和/或剥离的方法制备电极，最后采用原子层沉积在电极和氧化铝势垒层上制备氧化铝保护层。本发明库仑岛尺寸可控且为阵列，方便定位和批量制备；库仑岛与电极间势垒的大小精确可控。在光子、电子、环境、安全等领域应用广泛。

技术领域

本发明涉及纳米电子器件技术领域，特别涉及一种用聚苯乙烯微球单层膜模板组装金纳米颗粒阵列制备单电子晶体管的方法。所述金颗粒为纳米金颗粒。

背景技术

1985年提出的单电子学概念预测人们将可能控制单个电子进出库仑岛的运动，而且随着库仑岛尺寸的减小，这种现象将不断增强，为制造具有潜在应用的单电子器件提供了物理基础。在当前主要的单电子器件中，单电子晶体管由于小尺寸、高开关速度和低功耗等优点而备受关注。

单电子晶体管的研究国外开展较早，1951年，Gorter就报道了库仑阻塞现象。最早采用纳米加工技术来进行单电子晶体管研究的是贝尔实验室的Fulton等人，1987年，他们采用掩膜技术制备了尺寸约30nm的铝量子点为库仑岛，在1.7K的超低温下观察到了单电子效应。1989年，MIT的Scott-Thomas等采用X射线光刻的方法，在硅反型层上用狭缝电极做了一个窄的电子通道，宽约30nm、长为1～10μm，在400mK下发现通道的电导随电极电压呈现周期性的振荡。采用微电子工艺，很多研究小组制备了低温下工作的单电子晶体管。工作温度一直是困扰单电子晶体管走向应用的一个关键问题，因此室温单电子效应的研究成为目前纳电子学研究领域的热点。要提高单电子晶体管的工作温度从本质上讲就是设法提高电子隧穿进出库仑岛的电容的充放电能量，使其远远高于工作温度下的热能，一般通过减小库仑岛的尺寸。也就是说，在同样的情况下，库仑岛的尺寸越小，其工作温度就越高。随着微电子工艺的进步，单电子晶体管能够正常工作的温度也逐渐提高。首次室温下观察单电子效应是由等在1992年用扫描隧道显微镜完成的。2003年，Saitoh等用湿法刻蚀和轻微热氧化法制成极窄量子线上的多岛单电子晶体管，在室温下得到了明显的单电子效应。

上面的微电子工艺实际上属于一种自上而下的单电子晶体管制备方法，另一种进行单电子晶体管制备的途径是自下而上——自组织生长法。人们很早就通过物理或化学的方法制备尺寸只有几个纳米的粒子，将这些纳米粒子作为单电子晶体管的库仑岛。1995年，Chen等制备了尺寸2～3nm的AuPd纳米粒子，以此构建的单电子晶体管在77K温度下表现出显著的库仑阻塞效应。1996年，Klein等采用尺寸约5.8nm的Au纳米粒子和CdSe纳米粒子，在温度77K下观察到了清晰的库仑台阶曲线。2001年，荷兰Delft理工大学Dekker等通过弯曲金属性的碳纳米管，在室温下观察到了单电子效应。2008年，Ray等利用小尺寸的Au纳米粒子制备了室温下工作的单电子晶体管，其工艺与CMOS工艺兼容；英国Manchester大学的Ponomarenko等则采用石墨烯作为单电子晶体管的隧穿结构，在室温下获得了库仑台阶和库仑振荡曲线。2009年，Bernand-Mantel等以磁性电极为栅极，对单个纳米粒子的单电子效应进行了研究。2010年，De Franceschi研究组利用分子束外延自组装出SiGe纳米晶以及GaN/AlN异质结构，在低温下观察到了明显的库仑阻塞效应。

上个世纪90年代，国内开始对单电子现象予以关注，中科院半导体所夏建白院士就曾经指出单电子晶体管将是未来大容量存储器的最好选择，并认为单电子现象的研究将开辟一门新的“人造原子物理学”。北京大学吴全德院士领导的研究组曾经联合中科院物理所、上海交大、南京大学、吉林大学等多家单位开展纳米电子学基础研究，取得了很多原创性的成果。中科院微电子所刘明教授研究组、湖南大学王太宏教授研究组在微纳器件研究方面进行了大量工作，也开展了一系列的单电子晶体管的研究工作。