[论文解读] Metallic single-electron transistor without traditional tunnel barriers

V. A. Krupenin, A. B. Zorin+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2000

Quantum and electron transport phenomena被引用 38

一句话总结

本文提出一种金属单电子晶体管（SET），用高电阻率铬（Cr）薄膜条替代传统的氧化物隧道势垒，实现了强库仑阻塞效应，并在超低电流（低至100 fA）下实现可重复的、e周期性的栅压调制。该器件表现出抑制的共隧道效应、低电荷噪声（10 Hz时为5×10⁻⁴ e/√Hz），且在电应力下性能稳定，展示出一种工艺更简单、可行的替代传统Al/AlOx/Al SET的方案。

ABSTRACT

We report on a new type of single-electron transistor (SET) comprising two highly resistive Cr thin-film strips (~ 1um long) connecting a 1 um-long Al island to two Al outer electrodes. These resistors replace small-area oxide tunnel junctions of traditional SETs. Our transistor with a total asymptotic resistance of 110 kOhm showed a very sharp Coulomb blockade and reproducible, deep and strictly e-periodic gate modulation in wide ranges of bias currents I and gate voltages V_g. In the Coulomb blockade region (|V| < 0.5 mV), we observed a strong suppression of the cotunneling current allowing appreciable modulation curves V-V_g to be measured at currents I as low as 100 fA. The noise figure of our SET was found to be similar to that of typical Al/AlOx/Al single-electron transistors.

研究动机与目标

• 开发一种不依赖易损氧化物隧道势垒的单电子晶体管（SET），以避免电击穿问题。
• 探索使用高电阻率Cr薄膜作为金属SET中隧道势垒的可行性。
• 在提升工艺鲁棒性与耐电压瞬变能力的前提下，实现亚电子电荷灵敏度。
• 从库仑阻塞、共隧道效应抑制及电荷噪声等方面评估器件性能，以用于精密电磁测量。

提出的方法

• 通过原位三角度蒸发工艺制备器件：底部铝电极、Cr电阻条、顶部铝电极，形成1-μm长的铝量子点岛。
• 采用厚度为6–8 nm、宽100 nm的Cr薄膜（面电阻最高达14 kΩ/□）在岛与电极之间形成电阻连接。
• 通过电容耦合的栅电极对岛进行静电调控，实现对库仑阻塞的调制。
• 在30 mK温度下测量I-V及V-Vg特性，以评估库仑阻塞、共隧道效应抑制及栅压调制深度。
• 通过谱分析表征电荷噪声，测得在10 Hz时δQ ≈ 5×10⁻⁴ e/√Hz，与传统Al/AlOx/Al SET性能相当。
• 在Cr条附近设置独立栅电极，以探测本征输运行为，并确认电阻连接中的库仑阻塞效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 高电阻率Cr薄膜能否有效替代单电子晶体管中的传统氧化物隧道势垒？
• RQ2 基于Cr薄膜的SET是否在超低电流下表现出强库仑阻塞及e周期性栅压调制？
• RQ3 与传统隧道势垒SET相比，该Cr薄膜SET中共隧道效应的抑制程度如何？
• RQ4 该Cr薄膜SET的电荷噪声水平与标准Al/AlOx/Al SET相比如何？
• RQ5 与传统SET相比，该器件结构是否在抗电击穿方面更具鲁棒性？

主要发现

• 器件表现出清晰的尖锐库仑阻塞，总电阻达110 kΩ，可明确观测到单电子效应。
• 栅压调制具有高度可重复性且严格遵循e周期性，即使在I = 100 fA的极低偏置电流下亦成立。
• 共隧道电流被显著抑制，阻塞区拐角处电流衰减指数α > 10，表明相关电子隧穿被有效抑制。
• 测得电荷噪声水平为δQ ≈ 5×10⁻⁴ e/√Hz（10 Hz），与传统Al/AlOx/Al SET性能相当。
• 开态下的I-V曲线呈非线性行为，满足I ∝ V^2.5，与传统隧道势垒SET的线性响应不同。
• 由于未使用易损的隧道势垒，器件对磁场不敏感，且对电冲击具有高度耐受性。