静电控制的隧道晶体管 本发明的技术领域
本发明一般涉及固态开关和放大器件，即晶体管，特别涉及具有隧道结的隧道晶体管器件。背景技术
互补金属氧化物半导体(COMS)器件，例如MOSFET晶体管通常应用于高速、高集成电路上。集成电路制造商一直致力于提高操作速度和减小MOSFET晶体管的尺寸，以制造出尺寸小、速度快的具有更多功能的低价格的IC。
但是，对于尺寸在0.1微米以下的MOSFET器件还存在许多问题。例如，对于通道长度小于0.1微米的器件，要求通道掺杂级会很高。制造在整个晶片表面具有高的均匀性和高掺杂级的晶片是很困难的。因此，如果使用高的掺杂级，用同一晶片制造出的不同的MOSFET地特性可能完全不相同。同样，单一的MOSFET在漏区和源区域之间的电容耦合会变得很明显。而在批量生产这类器件时，也存在这些问题。
为此，研究人员曾在很小的器件上对晶体管器件的电子的量子性能进行了研究。现有技术中，利用电子隧道效应生产出了大量的此类器件。
例如，Baba等人的美国专利5,705,827公开了一种带有绝缘门的隧道晶体管器件。采用与门电极相邻的电流通道中的频带波束曲折操作该晶体管，就像在一个MOSFET器件中一样。漏极形成一个带电流通道的Esaki隧道结。
Harder等人的美国专利4,675,711公开了一种隧道晶体管，该隧道晶体管采用了一个位于邻近隧道层的绝缘的门电极。该隧道层具有的频带间隙能量不同于半导体源极和漏极触点的频带间隙能量。施加在该门上的电压改变了隧道层的能量阻挡高度，由此可以控制通过该隧道层的电流。该器件必须在低温下操作，以使热量激发载体不做为穿过该隧道层的导体。
Shibata的美国专利5,834,793公开了一种隧道MOSFET晶体管器件，它具有一绝缘门触点。邻近该门触点的是一短的电流通道。源极和漏极触点被约30埃厚的绝缘隧道阻挡而与电流通道分开。该器件由于在电流通道中的不连续的能量状态而具有负电阻特性。
Tamura的美国专利5,291,274公开了一种隧道晶体管。该晶体管在二隧道结之间具有一高介电常数材料的中间层。该中间层与门电极直接接触。源极和漏极与隧道结接触。当将一电压施加在门电极时，中间层的电位就改变，使电子进入源极和漏极间的隧道。该器件的问题是当该器件工作时，电流将流到门电极或从门电极流出，因此，为了连续工作，该器件要求连续的门电流。这在很多应用中非常不方便。
除上所述外，还有人对使用具有隧道结的单电子晶体管进行了研究。单电子晶体管的金属或半导体岛区非常小，其位于高电阻的隧道结之间。源极和漏极与隧道结相接触。一与该岛区电容耦合的门电极提供了开关控制。该岛区做得足够地小，使得用单电子对该岛区充电所需的能量大于源极和漏极触点的电子所能获得的热能，用单电子对该岛区充电所需的能量为Ec＝e2/zC，此处，e为电子的电荷，C为岛区的电容。对该岛区充电所需能量称为库伦阻碍。
在操作时，作用在门电极的电压使该岛区的电容电位上升或下降。当该岛区电位降低一定数量时，电子能穿过位于岛区上的一个隧道结，并穿过该岛区的另一隧道结。以这样的方式，在一定的门电压下，电流可流经该岛区。当门电压单调地变化时，该单电子晶体管进行振荡。
随温度增高，可获得的热能增加。当然，单电子晶体管具有一最高可操作温度。最大可操作温度取决于岛区的电容量，该电容量是岛区的尺寸的函数。在室温下操作该器件时，电容量C必须小于约10阿托法拉(Attofarad)。这样低的电容量要求岛区很小(例如每边小于10nm，)且位置距该源极、漏极和门电极要相当远。制作在室温下操作的单电子晶体管是非常困难的。
设计单电子晶体管的一个重要问题是隧道结的电阻。对单电子晶体管来说，其最好是具有一个电阻非常高的隧道结(即，大大高于量子电阻Rq＝h/ze2＝26K欧姆，此处：h为普朗克常数)。如果该隧道结电阻太低，则在该岛区的电子数不易确定。单电子晶体管的操作要求该隧道结具足够高的电阻，这可使电子就位易于确定，或是在岛区，或是在岛区外。但是，高的隧道电阻导致源极和漏极触点之间的高电阻，甚至在全通状态下仍为高电阻。高电阻限制了开关速度和增加了器件的能量消耗。因此，单电子晶体管在其电气特性上和可能的应用场合均受到了限制。
一个单电子晶体管的独特的特性为该岛区能用半导体材料或金属制做。该岛区无需用带有电子能量带间隙的材料制做。发明概述
本发明公开了一晶体管，包括一对隧道结(或阻挡层)，其电阻均小于或等于一个量子电阻。该遂道结分开地位于岛区二侧，该岛区由非均匀能量状态密度的材料形成(例如，至少一个包含有效能量状态的区域与至少一个不包含任何有效能量状态的区域相邻)。每一个所述的隧道结位于一对导体中的一个相应的(例如源极和漏极导体)导体与该岛区之间；以及一个门电极，该门电极与该岛区电容耦合。
在某些情况下，该岛区可用半导体材料，如硅、锗或任何其它的半导体材料形成。在另一些情况下，也可以使用超导材料。所述的隧道阻挡层可用形成半导体(和/或所述的门电极)或形成岛区的材料的氧化物形成，或用完全不同的材料形成。在操作时，可通过向门电极施加电位的方式来变换岛区的能量状态使各隧道结之间产生一导通路径。然后，电流即可经所述的源极和漏极而通过该导通路径。
在一个实施方案中，用于开关电流的装置具有一欧姆绝缘岛区，制做该岛区所用的材料(例如半导体材料如硅、锗等)具有一频带间隙。该岛区是足够地大，使该岛区具有的电子能量级可完全地以小于100mev来分级。该装置同样具有一源极触点以及一位于源极触点和岛区之间的第一隧道结阻挡层。该第一隧道结阻挡层具有这样的厚度和横截面积，以使得：由源极触点、第一隧道结阻挡层和该岛区相互连接而形成的第一隧道结的电阻小于量子电阻，即小于26K欧姆。该装置还具有一漏极触点以及一位于漏极触点和岛区之间的第二隧道结阻挡层。第二隧道结阻挡层具有这样的厚度和横截面积，以使得：由漏极触点、第二隧道阻挡层和岛区相互连接而形成的第二隧道结同样小于量子电阻。该装置还具有一与该岛区电容耦合的门电极。
在某些情况下，第一和第二隧道结的电阻可小于10K欧姆。进一步地，在其它实施方案中，所述的第二和第二隧道结的电阻可小于1K欧姆或甚至小于100欧姆。
该第一和第二隧道结阻挡层可用绝缘材料如二氧化硅或氧化铝来制做，分开的距离约为0.2-2.0微米。
优选的是，所述的装置还包括绝缘层，该绝缘层位于门极和岛区之间。附图简要说明
结合附图，用实施例的方式对本发明的晶体管进行说明，但这些实施例不是限制本发明，其中：
图1显示了本发明的一个实施例的晶体管的结构；
图2显示了图1所示的器件的能量带示意图，其表示岛区为n-掺杂的特例；
图3显示了图1所示的器件的应用电路图；
图4显示了图2所示的器件的能量带示意图，其中，在源极和漏极之间施加一电位，而在门极和漏极之间施加零电位；
图5显示了图2所示的器件的能量带示意图，其中，在源极和漏极之间施加一足以实现导通的电位；
图6显示了图2所示的器件的能量带示意图，其中，在相对于漏极的门电极上施加一正电位；
图7所示为按本发明设计的n-型器件的I-V(电流-电压)曲线图；
图8所示为本发明晶体管的一个实施例，其中，岛区为p-掺杂，即为p-型器件；
图9所示为按本发明设计的p-型器件的能量带示意图，其中，在门电极上施加负电位。详细说明
本发明公开了一种利用低电阻隧道结的开关器件。更详细地说，本发明公开了一种类似晶体管的器件，该器件具有一对隧道结，其中每一个隧道结的电阻均小于或等于一个量子电阻(Rq＝h/2e2)，并被一由非均匀能量状态密度的材料所形成的岛区所分开。低电阻隧道结的使用与单电子晶体管及其类似物的情况恰好相反。实质上，通过避开库伦阻挡，本电路能在室温下进行操作，而不会产生对于库伦阻挡器件来说所具有的对尺寸有严格限制的问题。进一步地，本发明的电路不同于调谐隧道晶体管(RTTS)及其类似物，这种晶体管在操作时是依靠量子井设定其能量范围。虽然本发明的器件是通过实施例的方式加以说明，在阅读了本发明所公开的内容之后，对于本技术领域的普通技术人员来说，可以以多种方式制备本发明的电路，并且可以在各种系统中应用本发明电路。因此，在下面的说明中，所述的实施例应视为举例性的，而不是限定本发明的范围。
更精确地说，本发明晶体管包括一个岛区，该岛区由具有频带间隙的材料制成。该岛区优选是足够地大，以使得其电子能量状态可被小于10mev(即，价带或导通带的能量状态，而非带隙的能量状态)所分级。因此，在室温下，该岛区的价带和导通带表现为连续的能量带。该岛区可视为不被欧姆导通路径连通到晶体管的任何其它区域的区域。各金属导体可用作源极和漏极，并且门电极可与所述的岛区电容耦合。所述的隧道结可由位于所述的岛区和源极以及漏极之间的隧道结阻挡层互相连接而形成，这些隧道结阻挡层可用绝缘材料构成。如上所述，所述的隧道结的电阻小于一个量子电阻，即小于26K欧姆。其可能实现的理由是由于本发明的晶体管不是依靠库伦阻碍而实现开关行为的。
图1示出了本发明晶体管的一个实施例。厚度为40的绝缘层22(例如SiO2)位于一基层20上。基层可由合适的半导体材料，例如硅制成。因此，层22可用半导体加工工艺中常规的湿或干氧化法生长。门电极24位于基层20和层22之间。
岛区26位于层22的顶部，与门电极24相对应，以使得所述的门电极和所述的岛区电容耦合。所述的岛区的掺杂级范围可以很宽，甚至可以不掺杂。源极触点28和漏极触点30位于岛区26的相对的二侧，一薄的绝缘膜32在源极28和岛区26之间形成了第一隧道结34。同样，膜32在漏极30和岛区26之间形成了第二隧道结36。第一隧道结34(即，在第一隧道结上的膜32)的厚度为35，第二隧道结36(即，在第二隧道结上的膜32)的厚度为37。厚度35、37是由膜32的厚度决定的。所述的膜32可由制备所述的岛区26的材料(例如，其氧化物)制成，也可由制备所述的源极和漏极触点28和30的材料(例如，其氧化物)制成，或者由与其完全不同的材料制成。
所述的源极触点28和漏极触点30优选由金属材料如铝、铜、金、钛或类似材料制备。优选用金属材料制备源极和漏极触点，因为金属具有高的载波活性。因此，金属源极和漏极触点具有优异的高频率性能，和开关功能以及低功率特性(例如，与用其他材料例如半导体材料制备的触点相比较)。
图1所示的装置为对称的，即，源极28和漏极30是可以互换的，隧道结34和36也是可以互换的。本发明的晶体管大部分实施例均为对称的。但是，在本发明晶体管的某些实施例中，第一和第二隧道结34和36是不同的，因此，在这些实施例中，所述的装置是不对称的。
膜32优选是非常薄的，这可使隧道结34、36可具有相对低的电阻。例如，膜32的厚度可以为1-40埃。膜32可由化学蒸发沉积(CVD)法来形成，或通过氧化所述的岛区材料来形成。当然，根据制备膜32所用的材料，也可用其它方法来形成膜32。在图中，显示出膜32覆盖整个岛区26，但在其它实施例中，膜32只覆盖与隧道结34、36相邻的区域。
岛区26由具有频带间隙的材料，例如硅、锗或任何其它半导体材料来制成。岛区26也可以由超导材料制成，所述的材料在冷却到其临界温度以下时具有带隙。岛区26不用金属材料制成。优选的是，岛区26由掺杂(或不掺杂)的半导体材料制成。因此，本发明晶体管的实施例包括带有p-和n-掺杂的半导体岛区的p-型和n-型器件。
隧道结34和36各自的电阻均小于一个量子电阻(例如约26K欧姆)。第一隧道结34的电阻取决于厚度35以及源极28和岛区26之间的膜32的触点的表面积(即结点面积)。第二隧道结36的电阻电阻取决于厚度37以及漏极30和岛区26之间的膜32的触点的表面积。隧道结34、36的电阻与结点面积(结点面积较大则电阻较小)成线性关系，与厚度(结点越薄则电阻越小)成指数比例。下述表中提供了举例性(近似)的数据，显示具有不同电阻的隧道结的厚度和结点面积。26K欧姆隧道结： 结点面积 膜厚 50nm×50nm 12埃 100nm×100nm 18埃 200nm×200nm 24埃13K欧姆隧道结： 结点面积 膜厚 50nm×50nm 9埃 100nm×100nm 15埃 200nm×200nm 21埃2.6K欧姆隧道结： 结点面积 膜厚 50nm×50nm 2埃 100nm×100nm 8埃 200nm×200nm 14埃
更优选的是，隧道结34和36中的每一个隧道结的电阻都小于10K欧姆，特别优选小于1000欧姆。通过适当选择隧道结34和36中的膜32的结点面积和厚度，可以使其电阻在所述的范围内。对本技术领域的普通技术人员来说，可以很容易地通过多种不同的结点厚度和结点面积的变化组合而使结点电阻小于量子电阻。
门电极24通过层22与岛区26电容耦合。厚度40应足够厚以使得所述的门电极24和岛区26之间的电阻很高，以使其实质上无电流通过。例如，所述的电阻约为108欧姆数量级或更高，更优选的是，约为1010-1012欧姆数量级或更高。由于门电极24和岛区26只是电容耦合，在门电极24和岛区26之间无隧道电流或欧姆电流能通过。
图2示出一n-型器件的频带示意图，其中在源极28，漏极30或门电极24上不施加电压。在该实施例中，岛区26用n-掺杂的半导体材料制成。源极28和漏极30为金属，因此其分别具有完全确定的费米能42s和42d。岛区26具有费米能43。岛区26具有频带间隙52，例如约为0.5-3伏。隧道结34和36(即位于源漏和岛区之间的隧道结阻挡)由绝缘材料制成，与岛区26相比较，其具有大的频带间隙50。同样，示出一岛区导通带54，和一岛区价带56。由于岛区26是由n-掺杂的半导体材料制成，价带56是完全充满，而导通带54为部分充满。同样，岛区费米能43与导通带54相对接近，且施主级45恰好在导通带边缘之下。
导通带54和价带56具有很多由水平线表示的电子能级58。如本技术领域所公知的，各能量级58之间的间隔取决于岛区26的尺寸以及岛区的材料。在本发明的晶体管中，所述的岛区26是如此设计的，以使得能级58按小于100mev进行分级，更优选的是以小于50mev进行分级，优选的是以小于25mev进行分级。本发明晶体管优选如此，因为它可保证在室温下，所述的价带和导通带的性能大体为连续的频带。这是因为在室温(即T约为300K)时，KbT约为25mev，此处Kb为波尔兹曼常数。换言之，如果能级58按小于25-100mev分级，电子在室温下具有足够的热能而各能量级58中运动。
图3为电路原理图，说明本发明的晶体管如何应用在(在一个实施例中)电路中的。其中示出了源极28、漏极30、岛区26和隧道结34、36。电容器60代表位于门电极24和岛区26之间的电容。偏压电源Vb61提供电压作用在源28和漏30之间。所述的偏压电源可向源极和漏极提供偏压。门电极电压源Vg62提供电压，作用在门电极24和漏极30之间。相对于漏极30，门电极电压电源62可向门电极24提供正或负电压。
图4示出n-型器件的频带示意图，其中，相对于漏电极30，偏压电源61向源电极28提供低的负电压。门电极电压Vg为零(即门电极24和漏极30的电压相同)。通过第一隧道结34的电压55与通过第二隧道结36的电压不相同，这部分是因为它们的结点电容量不相同。更普遍的是，通过隧道结34和36上的相对电压取决于源极28、岛区26、漏极30和门电极24之间的电容量。同样，通过隧道结34和36的不同的电压是由于门电极24的电压与漏极30的电压相同。
在源极28和漏极30之间无电流通过，这是由于导通带54的底边的能量高于源就极的费米能。因此，能量为源极费米能42s的电子不能导通到在导通带54上的能级58。同样，在价带56中的电子也不能导通到在漏极费米能量42d中的能级58。
图5表示所述的器件的频带示意图，其中，偏压电源58提供的偏压正好足以实现导通。门电极电压再次为Vg零。施加在图5中的偏压大于施加在图4中的偏压。实现导通所需的偏压(在门电极上不施加电压)为使所述的源极费米能42s与导通带54或施主级45相匹配时所需的电压。源极28中能量为费米能量Ef的电子64流向导通带54，然后电子66从该导通带54流向漏极30。所述的电子以高于漏极的费米能量42d的热电子到达所述的漏极中。同样地，通过隧道结34和36的电压是不相等的，这可能是由于相对电容量的不同，以及门电极24和漏极30的电压相同。我们注意到，在本发明的晶体管中，通过隧道结34和36的电压可以相等或不相等。
图6示出了n-型器件的频带间隙，其中，相对于漏极30，在门电极24上施加一正电压。所述的导通带54能量降低，以使得其与源极和漏极费米能量42s和42d相匹配。因此，相对于漏极30，将一负电压施加到源极28上时，电子能从源极28流经岛区26并到达漏极30。或者，施加到漏极30的负电压可以使电子从漏极30流经岛区26并到达源极28。因此，相对于漏极30，施加到门电极24上的足够的正偏压可以使得所述的装置实现双向导通电流。
综上所述，当岛区26由n-掺杂的半导体材料制成时，施加正的门电极电压Vg可以降低实现所述的导通所需的偏压Vb。相反，对于n-掺杂的装置，施加负的门电极电压Vg将会使实现所述的导通所需的偏压Vb增高。
图7示出了在不同的门电极电压Vg值时，偏压(即，在源极28和漏极30之间的电压)与漏极电流之间的图表。图7所示的图表是岛区26为n-掺杂半导体的装置。Vd代表漏极电压，Vs代表源极电压。一阈值偏压70为源极费米能量42s与所述的导通带54的底边相匹配时的电压。图5中的能量频带图表大约相当于所述的阈值偏压70。
一补充的阈值偏压72表示当将一负电压施加到漏极上时的偏压。所述的阈值偏压70和补充的阈值偏压72不是必须具有相同大小的电压。阈值偏压70和72定义为以零门电极电压。
我们注意到，所述的阈值偏压70和72部分地取决于所述的岛区26的频带间隙52。如果所述的频带间隙能量52高(例如4-5电子伏特)，则所述的阈值偏压70和72会相对增高。如果所述的频带间隙能量低(例如0.2-1.5电子伏特)，则所述的阈值偏压70和72会相对降低。
同样，阈值偏压70和72还取决于所述的岛区26的掺杂量。如果所述的岛区为高掺杂，则阈值偏压将会相对降低，如果所述的岛区为低掺杂，则阈值偏压将会相对增高。
阈值偏压70和72也取决于所述的隧道结34和36的相对电容量。例如，相对于漏极30，当源极28为负电压时，第一隧道结34具有相对低的电容量。施加在源极28和漏极30之间的电压将最大可能地通过第一隧道结34。因此，只需要一很低的电压便可以使源极费米能量42s与导通带56相匹配。即，阈值电压70将相对地降低。补充阈值电压72将会相对地升高。绝大多情况是，第一和第二隧道结的特性差异将会导致阈值偏压70和补充阈值偏压72之间的差异。
图8示出了本发明晶体管的一个实施例，其中所述的岛区为p-掺杂的，即为p-型装置。与图2所示的具有一n-掺杂岛区的装置相比，所述的导通带54和价带56的能量升高。图8中，所述的p-掺杂岛区26的受体状态78的位置稍高于价带的边缘。当价带56与源极费米能量24s或漏极费米能量42d相匹配时，所述的p-型装置将使得源极28和漏极30实现导通。
图9示出了向门电极施加负电压的p-型装置，其中价带56和受体状态78的能量升高并与源极费米能量42s和漏极费米能量42d相匹配。相对于漏极30，当将一负电压施加到源极28上时，电子80将在源极28、岛区26和漏极30之间导通。或者，相对于源极28，也可以将一负电压施加到漏极30上。当然，应注意的是，所述的岛区26也可以是未掺杂的。
对本技术领域中的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和实质的前提下，可以对上述实施例进行各种各样的改变。因此，本发明的保护范围由权利要求或其等同物予以界定。