单电子器件的基本物理原理是源于纳米隧道结中单个电子输运产生的库仑阻塞效应，其通过操纵单个或少数几个电子的运动来完成器件工作。它具有极低功耗、极小尺寸和一些固有的功能特性，如库伦振荡等优点。即使器件缩小到分子尺度其器件功能仍然有效，且理论上讲，性能随着尺寸的减小而提高，极有可能称为未来大规模集成电路的重要组成部分之一。

目前半导体器件的尺寸已突破100nm向40nm尺寸进军。如果继续减小，器件的尺寸将接近电子的德布罗意波长，量子效应将变得更加显著，尺寸小于83&O 将出现一些如库仑阻塞等新的特性。在这种情况下，宏观的器件理论将被替代，一些新的器件模型和理论被纷纷提出。其中认为现有器件较有希望的替代者是单电子晶体管（SET）和单电子内存（SEM）。

1969 年，Lambe和Jaklevic发现了单电子在箱势阱中的电荷量子化。80年代中期，Averin和Likharev提出了单电子转移振荡现象和单电子晶体管模型。单电子器件是依据库仑阻塞原理来控制一个或少数几个电子的位置或移动，从而实现器件功能的新型器件。早期的工作主要集中在SED的逻辑电路、SET的工作温度研究和单电子转移器件。后来Fulton等在进行单电子高阻结转移试验时，注意到了I-V特性曲线明显的时滞特性。同时SET的小尺寸、低功耗、高速度极具诱惑力，于是人们开始了对SEM探索。SED的发展十分迅速。十几年的时间， 其理论已经有了基本雏形，器件的性能不断提高，应用范围不断拓宽。1995-1998年，各种类型的SET陆续被提出。8TT5 年日本NNT LSI实验室做成室温下工作的Si-SET ,1999年日本NEC实验室做成是利用库仑阻塞原理.它有几种结构，都是依据与宏观结构浮置栅相比，量子点接纳一个电子需要大的充电能来设计的。它实际上是原来浮置栅器件的变形。其中量子点代替了原来的浮置栅。由于量子点的大的库仑充电能，使得在很高的控制栅偏压下，才能将一个电子隧穿进岛。由于隧道势垒取得合适，在控制栅压移去后电子并不能隧穿出岛，将保持漏源沟道感应导通和截止。只有在高于阈值的写电压或擦除电压下，才能改变岛中的电荷态。

首先，我们通过一个简单的例子来描述单电子学的概念。如图2.1所示，有一个小的导体（单电子学中习惯称之为“岛”）为电中性，也就是说在它的晶格内电子数目(m)和质子电荷数目严格相等。在这种情况下，岛的边缘以外就不能观察到电场。这时一个微弱的外力F就可以使岛带有一个附加的电子，在大多数单电子器件中，载流子隧穿通过由薄绝缘介质层形成的势垒而注入岛中。这样岛中的净电荷Q为-e，带电的导体将在其周围产生一个电场。这样，任何其它电子想向岛靠近，都将碰到静电排斥力。如果这个岛的半径为1nm且放置在真空中，其表面上产生的电场将有14MV/cm大。这个静电排斥力就是单电子学领域中最基本的库仑阻塞效应的来源。

库伦阻塞效应

早在 1951年 Gorter就采用库仑阻塞的概念解释了颗粒状金属的电阻随温度下降而反常增加的行为。1987 年，Fulton 和 Dolan 在两个微型金属隧穿结串联而形成的系统上直接观察并验证了电导的库仑振荡。1989 年 Scott-Thomas 等人发现了半导体中的库仑阻塞效应，观察到由硅反型层形成的窄一维沟道结构中的电导随栅压变化的周期振荡现象。之后，人们对半导体中的库仑阻塞效应进行了大量的研究。

金属隧穿结

按照经典物理理论，电子不可能通过绝缘层构成的势垒，隧穿结就像一个电容器。把隧穿结连接到外电路，隧穿结的充电量为 Q=C V，V是所加电压，Q是在电极中电子相对于背景正电荷移动而感应出的电荷。人们发现这样小的隧穿结势垒两边电荷分布之间的相互作用仍然能够使用充电能 Q /2C2来表示。

考虑到量子效应，电子有可能隧穿通过势垒。每一次隧穿，电荷变化量为一个电子的电量。电子隧穿过程中，充电能的变化可以表示为 E e/2C。为了观察单电子现象，必须将隧穿充电能CE 与电子热能 kTB比较。如果，热涨落不会引起电子隧穿，这一条件要求隧穿结电容非常小。在一个小系统中，势能的改变可能大于热能，特别是在低温下。由于单一电荷的传输而引起如此大的静电能的改变可以在费米能处产生一个能量间隙，在这个能量范围内产生库仑阻塞现象。此时电子的隧穿是禁止的，直到通过加偏置电压使电子能够克服充电能。

单电子器件是基于库仑阻塞效应，以单电子电荷的精度控制电荷传输进行工作的器件。下面的简单模型简要说明了库仑阻塞效应。在现有的工艺条件下，制 造的器件尺寸相对较大，因此KE 可忽略不计，aE 即由CE 表示。

SED 是纳米量级的器件，它的制作工艺比较精细复杂，对设备要求很高。目前，SED 的制作主要有图形相关氧化PDOX、边缘错开法SECO、量子点薄膜法、二维电子气静电约束法、掩膜斜蒸法SME。各种方法都是为了减小结电容和量子点尺寸，来获得大的库仑充电能。PDOX 是利用氧化和应力分布相互作用，在氧化使尺寸变小的同时， 自然形成岛和隧道结。SECO方法是采取漏源电极与岛错开的方法，减小结正对面积，从而减小电容。量子点薄膜法是在漏源电极上生长或溅射一层量子点薄膜，使膜中量子点与漏源电极形成MTJ结构的方法。二维电子气静电约束法是通过异质结构形成的二维电子气的静电约束，来形成SET结构的一种方法。

SED器件的优点是明显的。首先，它是基于单电子运动和存储， 因而其功耗特别小。第二，SED的电容特别小，隧道电阻几十至几百kΩ，而且隧穿过程时间很短， 因而其工作速度特别快（可达几十+CD）。第三，其尺寸特别小（纳米量级），利于特大规模集成。第四，其伏安特性曲线库仑台阶的独特性，便于实现多值逻辑和高频振荡， 可以提高器件功能密度。SED的这些优点，使之成为未来微电子器件的最有前途的替代者以及纳电子时代的承担者。

SED器件目前还有许多问题等待解决。它是纳米尺寸器件，在纳米量级上进行器件的加工要求极精密的工艺和设备。因而，SED的制作，特别是重复性、一致性、批量性生产是一个急需解决的问题。

在讨论SED的应用前景时冠以“ 潜在” 的词语, 是因为在研制SED方面还存在巨大的障碍。一些重要的原理或理论问题尚未解决, 如由多个量子点和量子阱构成的电路中能量的量子化对单电子充电效应究竟产生何种影响, 电子的相关转移是否必定需有隧穿等等。

另一方面则出自于纳米加工的工艺技术水准。由微细加全技术的进展导致了跨入量子器件时代, 而对量子器件的研究本身则又向微细加工, 特别是纳米结构制备技术提出了更大的挑战。目前制备有序的纳米量级薄膜的技术主要有分子束外延(MBE) , 金属有机氧化物气相外延(MOCVD) , 化学束外延(CBE)等, 这些技术相应较成熟, 但需要十分昂贵的设备, 投资很大。相比较而言, 采用单分子层逐层由液相转移至固体基片技术则显得易于控制, 且投资较小, 同样可以获得分子水平上有序的固态超薄膜.

关于单电子学的研究，最早甚至可以追溯到19世纪末期，Joseph John Thomson发现了电子的存在，为此他于1906年获得了诺贝尔奖。不久，Robert Millikan用他的油滴实验证明了电子的电荷量是离散的和单值的。他设法让只有少数的几个电子停留在油滴上并测出了它们的基本电荷量。为此他于1923年获得了诺贝尔奖。1951年，C. Gorter研究了低温条件下金属颗粒薄膜的电导特性，将低偏压下电流抑制现象解释为库仑排斥，也就是库仑阻塞效应。大约10年后，C.Neugebauer 7 和M.We bb, H.Zeller和I.Giaever, J.Lambe和R.Jaklevicy[8]在研究颗粒薄膜的过程中，观测到了低偏压下同样的电流抑制现象。不过，直到1985年Dimitri Averin和Konstantin Likharev，在基于Kulik和Shekhter的早期研究基础上，才明确地提出了单电子隧穿的正统理论，该理论能定量地描述单电子库仑阻塞效应和库仑振荡效应。

对单电子学的快速发展起关键作用的一个事件是1981年扫描隧道显微镜(STM)的发明，为此,其发明者Gerd Binnig和Heinrich Rohrer于1986年获得了诺贝尔奖。STM不仅是探测电子、原子结构材料的必不可少的工具，而且也可用来加工原子尺度的人造结构。它及其一些相关变体工具己被广泛用于加工纳米尺度下的单电子器件。一旦类似的加工方法能够更快和并行地使用，将有希望实现室温单电子器件、电路的大规模生产。

不过，STM加工方法并不是最早用于加工单电子器件的方法。Fulton和Dolan利用双影蒸发工艺加工出了第一个单电子晶体管，成功观测到了单电子效应。这种技术及其变体直到今天仍是一种在金属材料(主要是Al/23AlO)系统内加工单电子器件的流行方法之一。

当单电子学的基本物理图像变得清晰和至少有一种实验室加工方法获得成功后，单电子器件和电路的研究也就开始了它们的飞速发展。1990年Geerligs等人加工出了单电子旋转栅。1 995年K.Matsumoto等人首次用STM/AFM方法加工出了室温Ti/xTiO 单电子晶体管。1996年Mark W .Keller等人加工出了可用于精确的电流标准仪的单电子泵。同年Yano等人加工出了被认为是非常有应用前景的室温单电子存储单元。R .J. Schoelkopf等人于1998年加工出了电荷灵敏度< 10e/HZ−5的单电子静电探测仪。1999年T.Bergsten等人加工出了单电子温度测量仪。同年，Y.Ono等人加工出了Si基单电子倒相器。此外，研究者们还加工出了一些单电子器件和MOSFET的混合电路，如K. Uchida等人加工出了混合倒相器，Hiroshi Inokawa等人则加工出混合多值逻辑电路。

当然，与单电子器件和电路的加工研究相比较，研究者们提出了更多的单电子器件和电路的建议和设想，其中有的已经得到了实验验证，有的则由于目前加 工条件的限制或其他因素的影响，仍处在概念阶段。从类CMOS逻辑设计，到基于二叉树结构的逻辑设计，无线逻辑，隧穿相位逻辑，量子蜂窝自动机逻辑，参数激励子逻辑，阈值逻辑等；从数模转换器，到模数转换器，玻耳兹曼机，神经元网络等；从类CMOS触发器，到电子陷阱存储器，环状存储器, T型存储器，单岛/多岛存储器，多值存储器，随机存取存储器，纳米晶体存储器等。这些设计有的是基于现有的CMOS设计方案，有的则是充分利用了单电子隧穿的固有特性如库仑阻塞、库仑振荡等。

SET振荡和布洛赫振荡可看作是单电子或库柏电子对隧穿事件与时间相关。若将两个以上的隧道结连接起来, 则它们之间也应是相关的。也就是每当一个电子隧穿其中的一TJ时, 就必然会有另外一个电子隧穿另一TJ, 两者间响应时间极短。如果在连续两个TJ的中间电极上连续注入(或抽去) 电荷, 就能对这种相关的隧穿进行控制。这就是单电子晶管产生的基础。两T J串联后其中心电极点A 成为一个独立的库仑岛, 由A 点引出一个控制栅极, 在此栅极上加v 。电压, 通过电容静电藕合从而达到连续改变A 点的静电势。A点上的净电荷为V 。所感应的电荷与隧穿导致的积累电荷两部分之和。由A 点极小的电荷量变化将引入不容忽视的库仑能e( 2 / C > 肠T ), 所以只有在特定的能量条件下隧穿才是允许的。VC的连续周期性变化将导致周期性地满足发生隧穿的条件, 结构电导也随之呈现出振荡行为。

单电子盒(Single Electron Box)给出了一种最简单的原理性的单电子器件，研究者称其为“单电子盒”。这是因为在这里通过单电子充电效应可以使电荷很好的聚集在库仑岛上，其结构设计使得单电子隧穿结被连接到高阻抗的“环境”：电容器 。它有一个隧穿势垒把一个大电极S(源电极或称电子库)隔离的库仑岛组成单电子隧穿结，再由另外一个被称为栅电极 G 的点击把一个外部电压 加到库仑岛上。由一层很厚的绝缘层把栅电极和库仑岛隔开，使得这个高阻抗元件电容器 上没有明显的隧穿发生。该栅电极改变了库仑岛的电化学势，并因此决定了系统的单电子隧穿条件。

SED至少具有以下几方面的重要应用:

量子测量学技术。这包括对极其微弱电流的测定和可制成超高灵敏度的静电计。前者将比目前各种测量系统的准确度高出100倍左右; 后者则可用于小到万分之一的电荷测定, 这比现在市场上的静电测量仪器的灵敏度几乎高出106倍。同时,SED可直接用于形成高精度的电压或电流基准。

形成新型数字集成电路。若将大量纳米结构的隧道结集成起来能够成为现实, 则必将导致形成两类全新的数字VLSI电路。其一是基于双结系统的单电子晶体管(SET)电路, 它们可用作实现放大器和倒相器等功能; 其二是采用单个电子的存在与否来标识信息的二进制码。因此, 利用SED可构成实际的数字逻辑电路或存贮器。

高灵敏度红外辐射探测器

在远红外波段至今仍缺乏高灵敏度的检测器情况下, 采用SED 阵列制成对高频电磁辐射的高灵敏度接收器, 是非常有意义的。其根据在于超小TJ 的I-V 特性呈现高非线性, 在CB 的闽值V , 附近, 隧穿电流的变化对吸收高频辐射十分灵敏。