Диссертация (Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба)

Национальный исследовательский центр"Курчатовский институт"Центр фундаментальных исследованийНа правах рукописиСтепанов Антон СергеевичИсследование электронного транспорта в планарных наноструктурахмолекулярного масштаба01.04.04 – физическая электроника01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физикиДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучные руководители:д.ф.-м.н. Снигирев О.В.к.ф.-м.н. Солдатов Е.С.Москва – 2014СодержаниеВведение и поставновка задачи4Глава 1.

Обзор методик создания металлических наноэлектродов для молекулярных наносистем141.1 Методика механического разрыва нанопровода161.2 Литографические методики формирования нанопроводов181.3 Электрохимическая методика создания нанопроводов201.4 Методика создания нанопроводов путем термического допыления 221.5. Методика электромиграции металлических нанопроводов23Глава 2. Создание многослойной интегрированной системынанопроводов для исследования электронного транспорта вмолекулярных наносистемах252.1 Формирование системы металлических наноэлектродовна образце252.2.

Создание многослойных систем электродов для управленияэлектронным транспортом в наносистемах37Глава 3. Изготовление нанозазоров с использованием эффектаэлектромиграции603.1 Геометрия золотых нанопроводов для электромиграции673.2 Особенности проведения и алгоритм электромиграции753.3 Саморазрыв нанопроводов в ходе электромиграции80Глава 4. Формирование молекулярной части наносистем884.1 Получение атомарно гладких поверхностей золотых пленок904.2 Встраивание наночастиц в нанозазоры982Глава 5. Транспорт электронов в структурах молекулярногомасштаба1095.1 Экспериментальная установка для измерения электронноготранспорта в наносистемах1095.2 Электрические характеристики нанозазоров в нанопроводахс размерами менее 5 нм1115.3 Электрические характеристики нанозазоров в нанопроводахс размерами более 5 нм1135.4 Транспорт электронов через туннельные наносиcтемына основе наночастиц115Заключение120Благодарности124Список публикаций автора125Литература1263Общая характеристика работыАктуальность темы исследования.

Идея о том, что молекулы иквантовые точки могут проводить электрический ток, была высказанадостаточно давно. Однако именно сейчас эта возможность становитсяособенно актуальной. Молекулы, молекулярные соединения и наночастицыобладаютфактическинеисчерпаемымразнообразиемэлектрических,оптических, магнитных свойств и характеристик. Это дает возможностьрассматривать их как перспективных кандидатов на создание электронныхэлементов - выпрямителей, диэлектриков, транзисторов и ячеек памятиследующего поколения [1, 2]. Предельно малые размеры (до 1 нм и меньше)молекулярных соединений, одиночных молекул или малых наночастицпозволяют говорить о возможном получении сверхплотной упаковки такихэлементов на поверхности (1012 - 1013 на см2). Исследование свойств молекул(или ее аналогов в виде наночастиц) на основе химических реакций далодовольно много для понимания их свойств и характеристик молекул, нозадумываться об их практическом применении в электронных устройствахнельзя без возможности прямого исследования электронного транспортачерез одиночные молекулы и молекулярные соединения.

Чем ближе такиепрямыеисследованиябудутктрадиционнымметодамизученияполупроводниковых материалов, тем легче в будущем молекулы найдутпрактическое применение в реальных цифровых устройствах.Сейчас поиск и исследование молекулярных соединений перестают бытьуделом научного сообщества. Большие полупроводниковые компанииактивно ищут новые подходы к созданию новой элементной базы.

На данныймоментприпроизводствезаказныхмикросхемиспользуютсятехнологические нормы 22 нм [3]. Дальнейшие увеличения плотностиэлементов и тактовой частоты микросхем невозможны без уменьшениятехнологических норм. Крупнейшие компании планируют переход напроизводственную норму 14 нм в ближайшем будущем [4 - 6]. При размерах4менее14нмвсеотчетливеестановитсяпонятнанепригодностьтрадиционных подходов к созданию полупроводниковых устройств. На стольмалых масштабах начинает существенно проявляться влияние примесей вполупроводниковых материалах, падает качество изолирующих слоев,возникают сложности в процессе литографии и совмещения разных слоевмасок между собой.При проектировании элементов с размерами менее 10 нм открываетсявозможностьиспользованияновыхсоздаваемымустройствам.Втомфизико-техническихчислестановитсяподходовквозможнымиспользование одиночных молекулярных кластеров в качестве рабочихэлементов. В последнее время стали появляться работы по конструированиюэлектронных устройств на наноуровне, в частности, путем размещения спомощью иглы атомно-силового микроскопа одиночных протеиновых белков(10 нм) между металлическими электродами [7].

Более того, недавноспомощью сканирующего туннельного микроскопа и водородной литографиив зазор между электродами, образующими исток-сток транзистора, былпомещен одиночный атом фосфора и исследован транспорт электронов черезнего [8]. Однако эти способы очень экзотичны и трудно проецируются напроизводственные технологии.Болееперспективным направлением может стать использованиеэффекта коррелированного туннелирования [9] электронов в туннельныхнаноструктурах.

Как показано в настоящей диссертации, это направлениесовместимо с современными технологиями создания комплементарныхструктур металл-оксид-полупроводник (КМОП) и может стать основным длясоздания электронных устройств нового поколения. Устройства на основеданного эффекта, так называемые одноэлектронные транзисторы, имеютмалый размер (единицы и десятки нм), сравнимый с размером большихмолекул или малых наночастиц, и беспрецедентно низкий уровеньвыделяемого тепла (нВт). Таким образом, крайне актуальными являются5задачи создания планарных туннельных наноструктур молекулярного(нанометрового) масштаба и исследования их электрических характеристик.Основным элементом электронных схем являютсятранзисторы.Поэтому создание лабораторного макета планарного транзистора, в которомиспользуется эффект коррелированного туннелирования электронов, оченьактуально.

Такой транзистор может стать одним из основных элементовпост-КМОП технологии.Первый 3х-мерный прототип такого одноэлектронного транзистора былреализован с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)[10]. В эксперименте транзистор представлял собой молекулу таллиевогопроизводного карборанового кластера 1.7-(СH3)2-1.2-C2B10H9Tl(OCOCF3)2,слабо связанную туннельными переходами с проводящей подложкой с однойстороны и иглой микроскопа с другой. Затвором для данного транзистораслужил металлический электрод, находящийся близко к используемой вкачестве «острова» транзистора молекуле. В таком 3х-мерном лабораторноммакететранзистораудалосьнаблюдатькоррелированныйтранспортодиночных электронов через молекулу-остров с регистрацией характеристикуправления при комнатной температуре, предельно высокой для эффектакоррелированного туннелирования электронов.Понятно, что построение каких-либо устройств [11, 12] на базе такоготранзистора возможно только при его планарной реализации.Основнымиэлементамиодноэлектронноготранзистораявляютсяцентральный остров (наночастица или молекула) и туннельные переходы кподводящим металлическим электродам истока и стока.

Размер наночастицыили молекулы, как центрального острова, по сути, влияет на размер всейструктуры в целом и, самое главное, определяет максимальную температуру,при которой устройство еще сохраняет свою работоспособность в режимекоррелированного(одноэлектронного)туннелирования[9].Эффекткоррелированного туннелирования может быть разрушен под влияниемфлуктуаций (как термических, так и квантовых), поэтому для его наблюдения6необходимо, чтобы эти флуктуации были малы по сравнению с зарядовойэнергией перехода [9]:1)22>> 2) >> =(1.1)ℎ2= 25.8 КОм(1.2)Данные требования накладывают жесткие ограничения на размерыодноэлектронного транзистора: для комнатной температуры Т = 300 К,соответствующая емкость составляет С = 10-18 – 10-19 Ф (для сравненияемкость плоского конденсатора с обкладками 100 нм х 100 нм, находящихсяна расстоянии 10 нм составляет 10−17 Ф), что приводит к необходимостииспользовать центральный остров транзистора размером 1 - 3 нм.

Привыполненииэтихусловийодноэлектронныйрежимработытакоготранзистора будет наблюдаться при комнатной температуре. Именно приэтом условии одноэлектронный транзистор, выполненный по планарнойтехнологии, будет иметь практическую ценность и возможность примененияв различных устройствах наноэлектроники. Указанный выше размер острова(3 нм) приводит на первом этапе к задачам создания и исследованиятранспорта электронов в наноструктуре электрод – молекула (илинаночастица) – электрод.В лабораторных условиях к настоящему времени не существует единогоподхода к построению таких структур.

Можно упомянуть некоторыенаиболее часто встречающиеся методы изготовления элементов планарноготранзистора размером в несколько нанометров: метод сужения зазора междуэлектродами напылениемдополнительного слоя металла [13, 14], методэлектрохимического заращивания [15, 16] и метод электромиграции золотойпленки [17, 18]. Однако все перечисленные методы не имеют достаточнойнадежности (низкий процент выхода годных образцов) и зачастуюнепригодны для создания на их основе наноструктур.

Таким образом,становится понятнаактуальность задачи построения и исследования7транспортаэлектроноввструктурахмолекулярного(нанометрового)масштаба.Целью работы являлись поиск и разработка практических методовсоздания наноструктур на основе одиночных молекул (наночастиц) иисследование особенностей электронного транспорта в наноструктурахмолекулярного масштаба.Для достижения этой цели в диссертации решались следующиезадачи:1.Поискиразработкалабораторнойтехнологиисозданиятонкопленочной многослойной структуры надежно изолированных друг отдруга нанопроводов (с ширинами менее 100 нм), пригодных для созданияэлектродов нанотранзистора.2.Созданиеустановки(стенда),позволяющейпроводитьэлектромиграцию атомов в нанопроводах и обладающей способностьюбыстро отслеживать изменение состояния нанопроводов для обеспеченияконтроля над процессом их разрыва.возможностьюизмеренийУстановка должна обладатьэлектрическиххарактеристиктуннельныхнаноструктур и иметь для этого достаточно большое входное сопротивление(более 10 ГОм).3.

Исследование процесса разрыва тонких металлических пленокметодом электромиграции с целью создания лабораторной технологииконтролируемого разрыва тонкопленочных нанопроводов и получения в нихпредельно малых (5 - 6 нм) нанозазоров, пригодных для размещенияодиночных молекул или наночастиц с размерами 2 - 3 нм.4.

Определение внешних условий и параметров контролируемогоразрывананопроводаиполучениянанозазорадляобеспечениястатистической достоверности результатов эксперимента и возможностидальнейшего использования таких нанозазоров при построении наносистеммолекулярного масштаба.85.