一种基于金属纳米间隙的原子尺度栅控开关器件的实现方法

本发明属于纳电子学领域，是一种基于金属纳米间隙的原子尺度栅控开关器件的实现方法。

背景技术：

1、原子尺度栅控开关器件在纳电子学领域中具有重要的应用价值，优势包括：(1)可作为原子尺度器件，能够将设备的尺寸缩小到纳米级甚至原子尺度。(3)信号线和控制线是分开，可以通过独立的栅极来控制和切换通过原子级器件的电流，可构建于逻辑电路。(2)功耗非常小，尤其是关断过程。

2、制备技术通常基于电化学技术，其典型结构由电解质中的一个栅极和一个位于源极和漏极之间的qpc组成。两个金工作电极作为源极和漏极沉积在玻璃基板上，活跃金属线作为栅极。当在栅极施加相对于金电极的正电位时，在两个金电极上形成原子岛，两个岛最终通过形成原子级接触而最终导通。通过栅极电位的变化，开关在非导电“关断状态”和1g时的量子化“导通状态”之间切换。虽然原子栅控开关有以上优势，但其也存在制备工艺复杂、集成极为困难，器件耐久性较差等，例如，使用电解质聚合物制备的qpc器件，其材料无法与cmos工艺兼容，大规模器件阵列的制备较为困难。电解质的材质仍会对离子扩散产生影响，导致开关速度较慢。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于金属纳米间隙的原子尺度栅控开关器件的实现方法，本发明可以在栅端电流限制在pa范围的条件下，利用三维金属凸起物产生、消失，得到原子尺度栅控开关器件。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种基于金属纳米间隙的栅控开关器件的实现方法，其步骤包括：

4、(1)在衬底上制备金属电极对：电子束光刻图形化定义金属电极对区域，电子束蒸镀金属材料后lift-off工艺剥离掉多余金属，形成间隙为纳米尺度的金属电极对；金属的材料包括但不限于金、银、钯、铂、铝、钽和铟等金属。纳米间隙宽度范围为10nm至500nm，金属电极对厚度范围为10nm至1000nm，宽度范围为20-1000nm。

5、(2)在衬底上制备悬空桥结构：电子束曝光制备pmma牺牲层，再次曝光定义悬空桥区域，电子束蒸镀金属、lift-off工艺剥离掉多余金属，icp清除牺牲层，得到金属悬空桥结构，该金属悬空桥结构和步骤1)制备的金属电极对呈十字交叉，且位于金属电极对中的一个金属电极的上方；

6、(3)实现电学连接：悬空桥作为漏端，金属电极对中一金属电极为源端，金属电极对中另一金属电极为栅端，构成原子尺度的器件，将器件放置于探针台表面。探针台可以采用商用探针台系统，或是自行搭建的探针台系统。要求器件的三端分别与三个电极极板相连，电极极板再与探针接触(如图1)。源漏两探针通过导线，连接至半导体参数分析仪的两个端口上，栅端探针连接至半导体参数分析仪的脉冲发生器，保证良好的电学连接。

7、(4)器件开关的控制操作：栅控施加正脉冲电压。位于悬空桥下方的金属电极表面的原子电离成金离子，在场致表面迁移到作用下，不断运动到hillock顶端形成金属凸起，该金属凸起直至和漏端接触，使源漏电导达到量子电导(g0＝2e2/h，e是电子的电荷，并且h是普朗克常数)水平；器件为导通状态；reset过程中，栅控施加负脉冲电压。hillock顶部金离子向负电位移动，金属凸起消失，使得上述接触断开，源漏电导降低到0g0附近，器件为断开状态。

8、本发明的有益效果如下：

9、本发明基于金属纳米间隙和悬空桥制备原子尺度的可栅控开关器件，再采用半导体参数分析仪及脉冲发生器，通过调控栅压的正负实现器件的导通和断开。不需要使用电解质，便于制备和集成。

技术特征：

1.一种基于金属纳米间隙的栅控开关器件的实现方法，其步骤包括：

2.如权利要求1所述的基于金属纳米间隙的栅控开关器件的实现方法，其特征在于，步骤1)制备的金属电极对之间间隙的宽度范围为10nm至500nm。

3.如权利要求1所述的基于金属纳米间隙的栅控开关器件的实现方法，其特征在于，步骤1)中金属材料包括但不限于金、银、钯、铂、铝、钽或铟金属。

4.如权利要求1所述的基于金属纳米间隙的栅控开关器件的实现方法，其特征在于，步骤1)制备的金属电极对的厚度范围为10nm至1000nm，宽度范围为20-1000nm。

5.如权利要求1所述的基于金属纳米间隙的栅控开关器件的实现方法，其特征在于，步骤3)中探针台采用商用探针台系统或是自行搭建的探针台系统。

技术总结本发明公开一种基于金属纳米间隙的原子尺度栅控开关器件的实现方法，属于纳电子学领域。本发明利用金属纳米间隙和悬空桥制备原子尺度的可栅控开关器件，再采用半导体参数分析仪及脉冲发生器，通过调控栅压的正负实现器件的导通和断开。本发明不需要使用电解质，便于制备和集成。技术研发人员：于达程,田仲政,任中阳,田姣姣,夏晨皓,任黎明,傅云义受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5