p1388-1394 (Реферат по электронике)

Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 11

Классификация приборных структур одноэлектроники

© И.И. Абрамов^, Е.Г. Новик

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220027 Минск, Белоруссия

(Получена 30 декабря 1998 г. Принята к печати 25 марта 1999 г.)

Предложена классификация одноэлектронных приборных структур, в основу которой положены выде­ленные в работе принципы. Большое количество известных в настоящее время наноэлектронных приборов рассмотренного типа может быть описано в рамках данной классификации. На ее основе могут быть также предложены новые приборы одноэлектроники.

1. Введение

Структуры на основе эффекта одноэлектронного тун-нелирования (кулоновской блокады)[1] являются пер­спективными для создания широкого спектра твердотель­ных приборов [2-4], в том числе интегральных схем нового поколения сверхвысокой степени интеграции. Из­вестно большое количество структур рассматриваемого типа различной конфигурации и назначения, и число пу­бликаций в данном направлении продолжает возрастать. Становится достаточно сложно ориентироваться в этой области, так как в настоящее время полная классифи­кация приборов одноэлектроники отсутствует. В связи с этим целью данной работы является классификация приборных структур одного типа (одноэлектронных), доминирующим для функционирования которых оказы­вается отмеченный выше эффект. Достоинством класси­фикации является то, что известные в настоящее время структуры рассматриваемого типа могут быть описаны с ее использованием, а также то, что на ее основе могут быть предложены новые приборы одноэлектроники.

2. Принципы классификации

В основе предложенной классификации лежат следу­ющие принципы.

I. На основе выделения характерных активных обла­стей приборов различаются следующие классы одноэлек-тронных структур.

1. Однотуннельные приборы. Такие структуры со­держат только один туннельный переход. Примером может служить одноэлектронный диод [5], содержащий p—n-переход с вырожденным газом носителей заряда, или одноэлектронный бокс [6], в котором туннельный переход подсоединен к источнику напряжения через конденсатор.

2. Цепочки туннельных переходов. К этому классу относятся структуры, содержащие два и более туннель­ных переходов в активной области, соединенные по­следовательно. Один из наиболее изученных приборов, относящихся к этому классу, — одноэлектронный тран­зистор [7-9]. Он содержит два туннельных перехода, отделяющих очень малый "островок" полупроводника от

^ E-mail: device@micro.rei.minsk.by

областей истока и стока. Большинство других известных в настоящее время одноэлектронных приборов относит­ся к этому классу: "насос" [ 10,11 ],модулятор [11,12], одноэлектронная память [13] и др.

1. Матрицы туннельных переходов. Структуры этого класса содержат в активной области последовательное и параллельное соединение туннельных переходов в плоскости. Примером такой структуры может быть гра­нулированная микроперемычка [14].

2. Массивы туннельных переходов. Такие структуры содержат последовательное и параллельное соединение туннельных переходов в различных измерениях.

Каждому из отмеченных классов может быть поставле­на в соответствие определенная размерность, а именно: однотуннельным приборам —нульмерный элемент (0D); цепочкам туннельных переходов — одномерный массив (1D); матрицам — двумерный (2D) и массивам туннель­ных переходов — трехмерный массив элементов (3D).

II. Каждый из отмеченных классов структур (соответ­ствующей размерности) может быть представлен опре­деленным видом принципиальной структурной схемы. Приведем структурные схемы приборов, относящихся к перечисленным классам.

1 ) Бокс (однотуннельный прибор). Структурная схема этого прибора соответствует нульмерной размерности 0D (рис. 1 ). В качестве островка выступает проме­жуточный электрод между туннельным переходом и конденсатором затвора.

2) Транзистор (цепочка туннельных переходов) со­держит два туннельных перехода, соединенные после­довательно, и островок между ними. Управление током через структуру осуществляется посредством затвора. На рис. 1 представлен один из вариантов принципи­альных структурных схем этого прибора. Соответству­ющая размерность схемы — 1 D. Существуют и другие варианты принципиальных структурных схем одноэлек-тронного транзистора [15]. Эти схемы отличаются расположением островка и затвора относительно истока и стока, а также конфигурацией затвора. Островок может находиться как в плоскости истока и стока, так и выше либо ниже этой плоскости. Конфигурация затвора может быть различной. Одна из конфигураций, часто использу­емая в одноэлектронных структурах, — расщепленный затвор [11]. Затвор может располагаться как в плоскости

о
стровка (сбоку от него), так и сверху (снизу) островка, непосредственно над (под) ним или сбоку от него. В реальном транзисторе количество затворов может быть различным, причем в одном приборе могут использо­ваться затворы разной конфигурации и с различным расположением относительно островка.

1. Принципиальная структурная схема для "много-островковой" цепочки туннельных переходов отличается от схемы транзистора количеством островков (рис. 1). Так же как и для транзистора, расположение островков относительно истока и стока, а также конфигурация, количество и расположение затворов могут быть различ­ными [15].

2. Микроперемычка (матрица туннельных перехо­дов) — принципиальная структурная схема этого при­бора приведена на рис. 1 и соответствует размерности 2D. Схема содержит двумерный массив островков. Управление током через структуру осуществляется за­твором, расположенным над островками (на схеме он не показан).

Ш.Условно (так как обычно одноэлектронные струк­туры состоят из различных материалов) выделим сле­дующие виды одноэлектронных структур по материалам островка (островков).

1) Металлические. К этому виду относятся пленочные
структуры, в которых металлические островки разделе-
ны туннельными барьерами в виде диэлектрических сло-
ев [16-18], или структуры на основе гранулированных
пленок [14,19], или на основе металлических коллоидных
частиц [20] и т.д. В таких структурах имеет место
ограничение трехмерного электронного газа в островках.

2) Полупроводниковые. Примером таких структур
могут быть, например, приборы на основе следую-
щих гетероструктур: GaAs/AlGaAs [21-24],GaAs с
5-легированным слоем [10,13], AlGaAs/InGaAs/GaAs [24]
и др. В этих структурах осуществляется ограничение
двумерного электронного газа (ДЭГ) в малые лужицы
( островки) различными методами: в результате прикла-
дывания определенных смещений к затворам [21,22],
путем использования электронно-лучевой литографии и травления структуры [ 23] , при использовании ионно-лучевой имплантации Ga [24] и т. д. К этому виду также относятся кремниевые одноэлектронные структуры: на основе МОП полевого транзистора [8,25]; структуры, полученные методом осаждения наноразмерных крем­ниевых кристаллов [ 26] ; структуры, выполненные на подложке кремний-на-изоляторе [ 9,27] ; структуры на основе 5-легированного SiGe [28] и др.

1. Диэлектрические. В этом случае диэлектрические островки должны быть разделены слоями с меньшей проницаемостью по сравнению с материалом островков. В настоящее время примеров изготовления приборов, относящихся к этому виду, нет.

2. Органические. Примером такой структуры может служить, например, транзистор на основе пленки из сме­си стеариновой кислоты и карбонатовых кластеров [ 29] . Последние выступают в качестве островков.

5 ) Композиционные. В этом случае островки изгото­влены из композиционного материала или из различных материалов. К этому виду можно отнести структуры, которые не подходят ни к одному из ранее выделенных видов одноэлектронных структур.

IV. По технологическим методам изготовления, мате­риалам, формирующим различные области, управляю­щим электродам и другим принципам можно выделить разновидности одноэлектронных структур. Приведем не­которые из них.

Так, например, металлические одноэлектронные структуры могут различаться по технологическому процессу изготовления. В настоящее время известны следующие методы получения таких структур: 1 ) элект­ронно-лучевой литографии (ЭЛЛ) инапыления [16,17]; 2) линейного самосовмещения [ 30] ;3) окисления с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)[18];4) SECO (step edge cut-of— ступенчатого торцевого среза)[31 ] ;5) анодирования переходов, изготовленных методом ЭЛЛ и напыления [ 32] , и др.

Полупроводниковые структуры имеют следующие раз­новидности.

По материалам, формирующим активную область, раз­личают кремниевые, на основе полупроводников типа A¹¹¹ B^V (например, GaAs-структуры и др).Поспосо-бу формирования активных областей среди кремниевых структур в свою очередь различают: 1 ) структуры, полу­ченные в инверсионном слое кремниевого МОП полево­го транзистора с двойным затвором [ 8,33] ;2) структуры, сформированные на подложке кремний-на-изоляторе с использованием ЭЛЛ и реактивного ионного травле­ния [ 9,27,34,35] ;3) структуры на основе наноразмерных кремниевых кристаллов, полученных методом обработки в СВЧ плазме и используемых в качестве островков [26], и др.

Какидлякремниевых,такидляодноэлектронных структур на основе GaAs существуют различные технологические методы их получения. Основным отличием этих методов является способ ограничения

Д
ЭГ в структурах, малые "лужицы" которого используются в качестве островков. В настоящее время известны следующие способы такого ограничения ( или формирования одноэлектронных структур на основе GaAs):1) ограничение расщепленными затворами Шоттки двумерного электронного газа формируемого в гетероструктуре GaAs/AlGaAs [ 11,21 ];2) ЭЛЛ и реактивное ионное травление гетероструктуры GaAs/AlGaAs для формирования областей истока, стока, канала и затворов [ 23] ;3) ЭЛЛ и вытравливание меза-структур в GaAs/AlGaAs и формирование затворов Шоттки [ 36,37] ;4) ограничение боковым затвором ДЭГ в 5-легированном GaAs ( контуры структуры очерчены ЭЛЛ и травлением)[13,38] ;5) ионно-лучевая имплан­тация Ga в селективно-легированные гетероструктуры GaAs/AlGaAs или AlGaAs/InGaAs/GaAs [24,39],и т.д.

Таким образом, известные в настоящее время одно-электронные приборные структуры можно отнести к определенному классу, виду и разновидности. При этом они характеризуются определенным видом принципи­альных структурных схем ( рис. 1 ) . Проиллюстриру­ем сказанное на примере конкретных наноэлектронных приборов.

3. Приборные структуры одноэлектроники

3.1. Металлические структуры

Рассмотрим ряд одноэлектронных структур, которые относятся к виду металлических. Наиболее изученным прибором, принадлежащим к типу одноэлектронных структур, в настоящее время является одноэлектронный транзистор. Как было отмечено ранее, он относится к классу цепочек туннельных переходов и соответствует размерности 1D (рис. 1). Металлические одноэлек-тронные транзисторы ( один из видов одноэлектронных транзисторов) могут отличаться методом изготовления и некоторыми другими признаками, которые будут опи­саны далее.

Так, в работе [ 16] были предложены структуры од-ноэлектронных транзисторов на основе Al/AlO_x/Al-(тун­нельных переходов), изготовленных методом ЭЛЛ и напыления. Причем конфигурация затвора у этих прибо­ров различная: один из них имеет встречно-гребенчатую конфигурацию конденсатора затвора, другой — с па­раллельными плоскостями затвора и островка. Рабочая температура таких структур около 0.1 K. Другой из­вестный метод изготовления транзисторов на основе туннельных переходов Al/AlO_x/Al — метод линейного самосовмещения [ 30] . Основная идея метода заключа­ется в следующем: туннельные переходы формируются по краям базового электрода ( островка) , ограничивая один из размеров переходов его толщиной. Формируя очень узкую полоску базового электрода распылением и взрывной литографией, второй из размеров туннельных

Рис. 3. Транзистор, изготовленный методом ступенчатого торцевого среза.

переходов получают также малым. Исток и сток форми­руются при вторичном осаждении металлического слоя. Рабочая температура прибора — до 1 K.