Марголин В.И. Основы нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

пример, ступенчатое изменение тока насыщения с периодом е/2С в

зависимости от напряжения. Пока неясно, как реализовывать такой диод, так как

емкость контактов будет шунтировать емкость туннельного перехода, что воспре-

пятствует явлению одноэлектронного туннелирования. Экспериментальные иссле-

дования пока в основном проводятся с использованием СТМ, поэтому, естествен-

но, пока практического воплощения

не получили, так как сверхминиатюрный тун-

нельный переход для своего существования требует наличия не очень миниатюр-

ного СТМ.

Приведем результаты анализа простейших систем с туннельными переходами

малой площади и используем эти результаты для оценки важнейших характеристик

этих систем. Такие оценки зависят в основном и в первую очередь от емкости С

используемых туннельных переходов и, следовательно, в основном − от их площа-

ди S, поскольку в интересующем нас диапазоне прозрачностей туннельных барье-

ров (RS = 10

−5

...10

−7

Ом⋅см

) удельная емкость переходов C/S меняется мало и для

нее может быть взято типичное значение 3⋅10

−6

Ф/см

Кроме того чрезвычайно интересно оценить быстродействие получаемых

структур, которое напрямую связано со временем релаксации τ, также приведен-

ном в таблице.

Таблица

Приближенные значения основных параметров и характеристик туннельных

переходов в режиме дискретного одноэлектронного переноса для четырех значе-

ний площади перехода.

Пара-

метры и ха-

рактеристи-

ки

нм

Ом

=RC

/2C

мВ

мк

Вт

мах

−3

Уровень

0×

.15

0.3 0.0

3⋅1

−12

∼

Уровень

×30

3 0.1

3⋅1

−10

∼

Уровень

×10

3 1

1 30 1

3⋅1

−8

∼

Уровень

3×

300 10

3⋅1

−6

В данной таблице под первым уровнем технологии понимается

современная промышленная технология изготовления торцевых туннельных пере-

ходов, под вторым уровнем понимается уровень ближайшей перспективы, третий

уровень соответствует более отдаленной перспективе, которая может быть достиг-

нута с учетом современных успехов нанолитографии и туннельно-зондовой техно-

логии, четвертый уровень соответствует мечтательным грезам далеких

от практи-

ческой деятельности исследователей и соответствует молекулярному разрешению.

Эти технологические уровни прямо и непосредственно коррелируются с размерами

туннельного перехода и занимаемой им площадью S, которая представлена во вто-

ром столбце.

11.4. Реализация одноэлектронных приборов

Конструкции одноэлектронных приборов различны, однако их можно класси-

фицировать по следующим признакам.

По направлению протекания тока конструкции делятся на горизонтальные (ла-

теральные) и вертикальные. В горизонтальных приборах направление протекания

тока параллельно плоскости поверхности структуры. В вертикальных − направле-

ние тока перпендикулярно плоскости поверхности.

По способу формирования квантовых точек конструкции делятся на приборы

на постоянных и временных (индуцированных) квантовых точках. Следует отме-

тить, что термин "квантовая точка" по отношению к малому объекту не всегда

корректен, так как квантования энергетического спектра может и не наблюдаться.

Однако данный термин широко используется в силу того, что для квантования

спектра достаточно понизить

температуру.

Постоянная квантовая точка существует все время и представляет собой чаще

всего какой-либо кластер (металлический или полупроводниковый). Индуцирован-

ная квантовая точка создается в двумерном электронном газе путем приложения

обедняющих напряжений, т. е. существует лишь во время работы прибора. Кроме

того, приборы на индуцированных квантовых точках можно разделить по способу

формирования

двумерного электронного газа на инверсные и гетероструктурные.

В инверсных приборах двумерный электронный газ формируется в инверсионных

приповерхностных каналах путем приложения соответствующего напряжения. В

гетероструктурных приборах двумерный электронный газ существует на гетеро-

границе.

По количеству квантовых точек приборы делятся на нульмерные (одноточеч-

ные), одномерные (цепочка точек) и двумерные (массив точек).

По управляемости параметрами квантовых точек приборы делятся на

неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные, с одним или

несколькими затворами).

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся конструкции одноэлектронных

приборов.

11.5 Приборы на основе сканирующего электронного микроскопа

Примером вертикального одноэлектронного прибора служит конструкция с ис-

пользованием сканирующего туннельного электронного микроскопа. Идея данной

реализации заключается в следующем. Между проводящей подложкой и

иглой ска-

нирующего туннельного микроскопа располагается некоторая малая металлическая

частица (металлический кластер), изолированная туннельными переходами как от

подложки, так и от иглы. Таким образом, металлическая частица играет роль куло-

новского острова. По рассмотренной нами классификации это вертикальный нуль-

мерный неуправляемый прибор на постоянной квантовой точке. Следует отметить,

что реализованный при помощи

СТМ одноэлектронный прибор, был первым, рабо-

та которого была осуществлена при комнатной температуре.

Существуют различные способы изоляции частицы от подложки. Частица либо

высаживается на тонкий изолирующий слой, например, оксида материала подлож-

ки или какой-либо другой специально нанесенный изолирующий подслой, либо

металлический кластер окружают непроводящие органические лиганды. Схемати-

ческий вид

общей структуры представлен на рис. 11.7.

Рассмотрим уже реализованные структуры "подложка - изолятор - частица -

игла". В качестве металлических частиц в подавляющем большинстве эксперимен-

тов использовалось золото, однако материалы, использовавшиеся для подложки и

изолятора отличаются большим разнообразием. Для подложки используют золото,

индий и алюминий, в качестве изоляторов применяют окись циркония

, полимер-

ную пленку дитиола и окись алюминия толщиной порядка 1 нм. Способ формиро-

вания частиц примерно одинаковый - на изолирующую пленку наносится тонкий

(от 0.2 до 1 нм) слой золота, который собирается в кластеры размером несколько

нм, либо на изолятор осаждаются предварительно сформированные кластеры.

В случае исследования металлических частиц, окруженных металлическими

молекулами (лигандами

), в качестве ядра используют платину, частицу которой

погружают в водный раствор поливинилпорролидона, в результате чего вокруг

частицы - кластера образовывается "шуба" из полимерных металлофильных мо-

лекул. Иногда в качестве таких молекул используют фенантролин - Phen - и моле-

кула имеет вид: Pt

300

Phen

Вольт-амперные характеристики, полученные для всех этих вариантов,

сходны и имеют лишь небольшие количественные отличия. Во всех случаях отчет-

ливо наблюдалась кулоновская блокада и кулоновская лестница как при 4.2° К, так

и при комнатной температуре, однако при комнатной температуре эффекты менее

выражены.

Проводились эксперименты и по изучению эмиссии видимого света

, возни-

кающей при инжектировании электрона с иглы СТМ в подложку. Максимальная

энергия излучаемого фотона

eVh

, где V - приложенное напряжение. Данное

утверждение справедливо для макроскопических образцов. При малых размерах

частиц, т. е. при наличии кулоновской блокады, максимальная энергия должна

уменьшится на величину, необходимую для преодоления кулоновской блокады

. Таким образом, смещение составит

C2/eE

EhE

−

∆

Было проведено исследование на поверхности двух частиц: "большой", площа-

дью 490 нм

и "маленькой", площадью 32 нм

. Для большой частицы сдвиг ∆Е со-

ставил 3.8 мэВ, для маленькой - 58 мэВ. Таким образом, расчетная разница между

сдвигами должна составить = 54 мэВ. Как показал проведенный эксперимент, она

составила 80 мэВ, что вполне согласуется с грубыми оценками.

При измерениях на металлических частицах, окруженных полимерными моле-

кулами, была обнаружена большая нестабильность характеристик во времени

, за-

висимость диэлектрической постоянной и толщины оболочки от расстояния игла −

частица, что напрямую связано с природой органических молекул. Имелись по-

а б

4 5

Рис. 11.7. Экспериментальная реализация двухпереходной системы: а - игла 3 СТМ

асполагается над металлической частицей - кластером 2, лежащей на изолирующем

слое оксида 4; б - металлическая частица - кластер 2 окружена изолирующим слоем

лигандов 5, которые играют роль туннельного барьера. 1 - подложка.

пытки использовать в качестве кулоновского острова органические

молекулы жидких кристаллов и молекулы фуллерена. Кулоновские эффекты рас-

сматриваются как с точки зрения классической теории, так и с точки зрения реше-

ния уравнения Шредингера. В ИФП СО РАН разработана математическая модель,

позволяющая определять параметры одноэлектронных приборов по измеренным

характеристикам. Мацумото (не путать

с Хакамадой) использовал СТМ для изго-

товления одноэлектронного транзистора. На подложку из окисленного кремния

(толщина SiO

100 нм) наносился тонкий (3 нм) слой титана. При подаче на иглу

СТМ отрицательного относительно пленки титана потенциала, происходило анод-

ное окисление пленки, так как процесс производился на воздухе, в котором при-

сутствует влага. Вследствие малой толщины, пленка Ti окислялась до нижележа-

щего слоя SiO

. Ширина полоски TiO

зависела от влажности воздуха и составляла

от 10 до 64 нм. Таким образом был создан одноэлектронный транзистор, работаю-

щий вплоть до комнатной температуры, однако вряд ли эта технология имеет пер-

спективу для массового производства.

11.6 Вертикальные одноэлектронные приборы на основе сэндвичевых

структур

Одним из возможных путей реализации одноэлектронных приборов является

применение многослойных

структур, выращенных при помощи молекулярно-

лучевой эпитаксии. Поскольку МЛЭ позволяет выращивать слои с точностью до

одного монослоя, то для формирования квантовых точек их остается ограничить в

двух других измерениях для получения объектов необходимых размеров. В качест-

ве материала используются в основном гетероструктуры на основе GaAs / AlGaAs,

как показано на рис. 11.7, где приведена двухбарьерная

резонансная туннельная

структура.

После выращивания двухбарьерной структуры на поверхность наносились

верхние контакты диаметром d = 0.3, 0.4, 0.5 и 0.7 мкм. Затем, используя верхний

контакт в качестве маски, стравливался слой 3000 Å и наносился затворный кон-

такт. Расстояние от затвора до двухбарьерной структуры составляло 500 Å. Подача

на затвор отрицательного напряжения создает области обеднения, которые ограни-

чивают квантовую

яму между двумя барьерами. Таким образом, данная конструк-

ция представляет собой вертикальный управляемый прибор на одной индуциро-

ванной точке.

При отсутствии напряжения на затворе такая структура ведет себя как резо-

нансно-туннельный диод, а при отрицательном напряжении на затворе, т. е. при

формировании квантовой точки, отчетливо видна кулоновская блокада.

Интерес представляют вертикальные одноэлектронные транзисторы, в ко-

торых используются самоорганизующиеся квантовые точки. Механизм образова-

ния таких точек состоит в следующем. При молекулярно-лучевой эпитаксии кри-

сталлического вещества, имеющего некоторое рассогласование постоянной решет-

ки с подложкой, пленка сначала растет напряженной псевдоморфной, а затем раз-

рывается на отдельные островки нанометровых размеров, которые

и используются

в качестве квантовых точек. Безусловно, этот процесс с точки зрения технологии

абсолютно не готов к промышленному воспроизведению, как и практически все

явления одноэлектроники.

Двухбарьерная

ст

ру

кт

ура

9.2

нм Al

0.28

0.72

8.5 нм GaAs

7.8 íì Al

0.28

0.72

1затво

затво

2 2

подложка (сток)

Рис. 11.7. Схематическая диаграмма субмикронного вертикального одно-

электронного транзистора. 1 - исток, 2 - обедненная область

Приборы на основе массивов квантовых точек

Технология создания массивов квантовых точек включает в себя следующие

операции. На поверхности AlGaAs/GaAs структуры с двумерным электронным га-

зом, залегающим на глубине 77 нм, с помощью электронной литографии создаются

крестообразные точки с периодом 0.8 мкм, промежутки между которыми протрав-

ливались на 80 нм, т. е. глубже залегания двухмерного электронного газа. Весь

массив состоял из 200

×200 точек, сверху на него накладывался Cr/Au затвор. Та-

ким образом вся структура представляет собой управляемый планарный двумер-

ный прибор на постоянных квантовых точках.

В последнее время появилась тенденция к использованию

хаотических двумерных массивов квантовых точек. Наилучшими характеристика-

ми для цифрового применения будут обладать приборы, основанные на цепочках

кулоновских островков. Однако изготовить ровную цепочку из достаточно малых

точек на данном этапе развития нанотехнологии не представляется возможным, но

между электродами можно создать неупорядоченный двумерный массив

самоорга-

низующихся квантовых точек, в которых туннелирование будет происходить по

наиболее энергетически выгодному пути, соответствующему некоторой цепочке

квантовых точек. Недостаток заключается в возможности существования несколь-

ких таких цепочек.

К этим конструкциям можно отнести прибор на самообразующихся InAs кван-

товых точках, находящихся в GaAs, на поверхность которого осаждалось 2.5 моно-

слоя InAs, который собирался в

островки со средним диаметром 26 нм со стан-

дартным отклонением 11 %, плотностью 8.7 × 10

островков/см

. Высота остров-

ков составляла 5 нм. Среднее расстояние между центрами островков − 26 нм, т. е.

при отклонении в большую сторону островки сливались. Небольшое расстояние

между островками создавало высокую вероятность туннелирования.

Кремниевые одноэлектронные приборы

Кремниевый одноэлектронный транзистор, разработанный к настоящему вре-

мени и использующий эффект кулоновской блокады, может существовать как в

электронном, так и в дырочном варианте. Схематично транзистор представлен на

рис. 9.8, где 1 − исток; 2 − кремний; 3 − сток; 4 − захороненный оксид; 5 − крем-

ниевая подложка. При создании транзистора в кремниевой подложке создается

изолирующий

слой путем имплантирования кислорода и затем при помощи элек-

тронной литографии и реактивного ионного травления формируется необходимый

рисунок. После этого производится термическое подзатворное окисление, которое

уменьшает размеры квантовой точки и увеличивает высоту потенциальных барье-

ров между точкой и контактами. Сверху наносится поликристаллический кремние-

вый затвор. Разница заключается в использовании n − Si для

электронного и p− Si

для дырочного транзистора. Таковые транзисторы являются управляемыми пла-

нарными приборами на одной постоянной квантовой точке. Эти транзисторы были

первыми одноэлектронными приборами (кроме реализованных при помощи скани-

рующего туннельного микроскопа), работа которых была осуществлена при тем-

пературах выше 77 К.

Успехи в их разработке и исследовании привели к некоторым

усовершенство-

ваниям в их конструкции. По самосовмещенной технологии над каналом была из-

готовлена кремниевая точка. При помощи электронной литографии создавался

объект размерами от 25 нм, а затем окислялся до размеров 7 нм × 7 нм.

Получалась так называемая "плавающая точка", которая при зарядке одним или

несколькими электронами изменяла напряжение отсечки транзистора. Точка заря-

жалась подачей на затвор 10 мс импульсов, причем при плавном увеличении на-

пряжения импульса напряжение отсечки изменялось ступенчато с периодом

55 мВ,

что говорит о зарядке точки отдельными электронами. Заряд на точке сохранялся в

течение 5 с.

Все измерения проводились при комнатной температуре. Эти данные позволя-

ют говорить о создании одноэлектронной ячейки памяти, работающей при комнат-

ной температуре, хотя еще не ясен вопрос о ее быстродействии и воспроизводимо-

сти применяемой технологии.

Приборы на основе структуры Al/Al

/Al.

В приборах такого типа используется возможность получения тонкого окисла

алюминия и чаще всего применяется техника так называемого теневого испарения

(shadow evaporation), последовательные стадии которой показаны на рис. 9. 9.

поли

−

Рис. 11. 8. Схематическое изображение квантового одноэлек-

тронного транзистора

На стадии (а) на трехслойный резист ПММА - Ge - ПММА наносится рисунок

с помощью электронной литографии. На этой стадии основной сложностью явля-

ется получение трехслойной резистной структуры, тем более что два слоя пред-

ставляют собой органическую композицию (основа ПММА - полиметилметакри-

лат, выдерживающий температуру порядка 120 ºС), а заключенный между ними

подслой - тонкая полупроводниковая пленка. Стадии (б) - (г) это

последовательное травление трехслойного резиста. Стадия (д) - изотропное селек-

тивное травление нижнего слоя резиста ПММА с образованием висящих Ge мос-

тиков. Стадия (е) - последовательно напыление алюминия под разными углами,

после первого напыления алюминия алюминий окисляется и напыляется второй

слой алюминия

под другим углом так, чтобы тень от германиевого мостика нахо-

дилась в другом месте. В месте перекрытия первого и второго слоя алюминия об-

разуется туннельный контакт. На стадии (ж) удаляется оставшийся резист.

(а)

ПММА

SiO

(б)

(в)

(г

)

(д)

(е)

(ж)

Рис. 11 9. Схема п

есса теневого испа

ения

В настоящее время параллельно разрабатываются рассмотренные нами конст-

рукции и масса других и пока трудно сказать, которые окажутся

перспективными

для промышленной технологии. Рассмотрим теперь применение одноэлектронных

приборов.

11.7 Применение одноэлектронных приборов

Основоположник одноэлектроники Лихарев еще в ранних работах предлагал

использовать одноэлектронные приборы в качестве электрометров вследствие их

высокой чувствительности к внешнему заряду. Кроме того совершенно явно на-

прашивается использование одноэлектронных приборов в качестве

логических элементов цифровых интегральных схем, и именно эта область в на-

стоящее время представляется важнейшей. На рис. 11.10 представлены инвертор-

ные схемы на одноэлектронных транзисторах с резистивным и емкостным входа-

ми.

(a)

вых

вх

вых

(б)

вых

вх

Рис. 11. 10 Принципиальные схемы одноэлектронных инверторов: (а)

−

емкостного и

(б)

−

резистивного

Принцип работы таких инверторов заключается в следующем. Если входное

напряжение V

вх

мало, т. е. соответствует логическому нулю, и недостаточно для

преодоления кулоновской блокады, то ток через транзистор не протекает и выход-

ное напряжение V

вых

соответствует логической единице. При увеличении входного

напряжения до значения, снимающего кулоновскую блокаду (что соответствует

логической единице), через транзистор начинает течь ток и потенциал V

вых

пони-

жается до логического нуля. Расчет характеристик проводится не в аналитической

форме, а с помощью метода Монте-Карло.

Результатом таких исследований является утверждение их авторов о том, что

резистивная схема имеет более высокий коэффициент усиления по напряжению,

большую стабильность рабочей точки и разделение входа − выхода, однако имет

меньшую разницу

логических уровней, чем емкостная схема.

Выходные сигналы осциллируют во времени из-за стохастического характера

одноэлектронного туннелирования (термин стохастический является полным си-

нонимом понятия вероятностный, но звучит не в пример более мозгоушибительно).

Время переключения составляет 100R

. Логические уровни становятся стабиль-

ными в длинных цепочках инверторов. Пока такие схемы изготовляются и иссле-