Особенности электронного транспорта в неоднородных одноэлектронных структурах

На правах рукописиЗалунин Василий ОлеговичОсобенности электронного транспорта внеоднородных одноэлектронных структурах01.04.04 – физическая электроникаАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква– 2012Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы имикроэлектроники Физического факультета Московского ГосударственногоУниверситета им. М.В. ЛомоносоваНаучные руководители:д.ф.-м.н Зорин Александр Борисовичк.ф.-м.н Крупенин Владимир АлександровичОфициальные оппоненты:Лукичев Владимир Федорович,д.ф.-м.н, чл.-корр.

РАН, заместитель директора по научной работеФедерального государственного бюджетного учреждения науки «Физикотехнологический институт Российской академии наук»Хвостов Валерий Владимирович,к.ф.-м.н, доцент кафедры физической электроники Физического факультетаФедерального государственного бюджетного образовательное учреждениявысшего профессионального образования «Московский государственныйуниверситет имени М.В. Ломоносова»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институтрадиотехники и электроники им. В.А.

Котельникова РАН.Защита состоится «20» декабря 2012 года в 15-30 на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинскиегоры, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ. В. Ломоносова.Автореферат разослан «19» ноября 2012 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.КарташовОбщая характеристика работыАктуальность работыЭффект коррелированного туннелирования одиночных электронов в на­ноструктурах известен и широко изучается уже в течении почти четвертивека. Этот эффект, суть которого состоит в (кулоновской) блокаде электрон­ного транспорта и в упорядоченном движении элементарных зарядов, воз­никающих благодаря их взаимодействию посредством электрического поля,наблюдался в различных материалах и системах: металлах, полупроводни­ках, сверхпроводниках, кластерах, графене, молекулярных структурах.

Необ­ходимым условием наблюдения этого эффекта является наличие в твёрдыхтелах естественно или искусственно созданных малых проводящих гранул,разделённых туннельными переходами. Присутствие на таком малом остро­ве одного “лишнего“ элементарного заряда приводит к большому электриче­скому полю в его окрестности. Однако, несмотря на то, что на сегодняшниймомент теоретически описаны и экспериментально реализованы разнообраз­ные одноэлектронные устройства (такие, как одноэлектронный транзистор,ячейка памяти, логические элементы), постоянно обнаруживаются новые, донастоящего времени малоизученные стороны этого явления. Данная рабо­та посвящена весьма востребованному анализу одноэлектронного транспортав существенно неоднородных структурах.

При этом рассмотрены особенно­сти одноэлектронного транспорта в неоднородных структурах двух типов –в асимметричном одноэлектронном транзисторе-электрометре, т.е. системе содним островом, расположенным между двумя туннельными переходами, ив неоднородных тонких гранулированных плёнках хрома нанометровых по­перечных размеров размеров (нанополосках).

В некоторой степени свойстванеоднородных одноэлектронных структур ранее рассматривались в литерату­ре (в основном в применении к описанию поведения одномерных и двумерных3массивов туннельных переходов), где, как правило, изучалось влияние есте­ственных (как правило, небольших) флуктуаций параметров таких структурна их свойства. В данной диссертационной работе исследуются металличе­ские одноэлектронные структуры, в которых неоднородности (или асиммет­рия) являются большими из-за особенностей их изготовления, или сделанытаковыми специально.Цель диссертационной работыЦелью данной диссертационной работы является экспериментальное ис­следование особенностей электронного транспорта в неоднородных одноэлек­тронных структурах, проведение численного моделирования процессов проте­кания тока и самонагрева в этих структурах, а также сравнение результатовмоделирования с экспериментальными данными.В данной работе решались следующие основные задачи:1.

Разработка и усовершенствование технологии изготовления (а) асим­метричных алюминиевых () одноэлектронных транзисторов и (б) на­нополосок на основе неоднородных хромовых () гранулированныхплёнок.2. Измерения электрических характеристик (а) асимметричных одноэлек­тронных транзисторах и (б) двумерных структурах на основе неодно­родных гранулированных плёнок в широком диапазоне температур.3.

Проведение численного моделирования характеристик (а) асимметрич­ных одноэлектронных транзисторов и (б) нанополосок на основе грану­лированных плёнок. Сравнение результатов моделирования с экспери­ментальными данными.4. Анализ возможности практического использования (а) асимметричныходноэлектронных транзисторов и (б) нанополосок с существенными неод­4нородностями на основе гранулированных металлических плёнок.Объект исследованияОбъектом исследования в данной работе являются асимметричный одно­электронный транзистор (АОТ) с туннельными переходами типа / /малой площади (до 50 нм×100 нм), а также неоднородные тонкие гранули­рованные плёнки (нанополоски) шириной 100 нм и длиной от 200 нм до1000 нм, изготовленные с помощью модифицированной технологии многоте­невого напыления металлов через жёсткую подвешенную маску.Предмет исследованияПредметом исследования являются структурные и электрические свой­ства неоднородных одноэлектронных структур: сильно асимметричного одно­электронного транзистора и неоднородных тонких гранулированных нанопо­лосок, а также анализ влияния различных типов неоднородностей на электри­ческий транспорт в таких структурах.

Также анализируются обнаруженныеуникальные электрические свойства неоднородных одноэлектронных метал­лических структур (асимметричного транзистора и неоднородных нанополо­сок) на предмет их возможного использования в физических экспериментахи устройствах.Научная новизнаВ диссертационной работе получены следующие новые результаты:1. Разработаны методы изготовления нанополосок на основе тонких (тол­щиной 7-8 нм) гранулированных хромовых плёнок и исследованы ихэлектрические транспортные характеристики в широком диапазоне тем­ператур (25 мК-30 К).В частности, впервые обнаружено явление гистерезисного переключе­ния системы между состоянием кулоновской блокады (т.е. полным от­сутствием тока) и токонесущим состоянием, сопровождавшееся резким5изменением (скачком) транспортного тока амплитудой порядка долейнА.2.

Предложена модель гранулированной нанополоски, представляющая со­бой двумерную систему проводящих наногранул, связанных между со­бой туннельными переходами и имеющих несколько (от 1 до 5) локаль­ных неоднородностей. С помощью этой модели, методом Монте-Карлоисследованы особенности электронного транспорта, в том числе:∙ выявлено образование устойчивых зарядовых конфигураций принахождении системы в блокадном состоянии;∙ обнаружено образование нескольких токовых каналов при перехо­де системы из блокадного в проводящее состояние;∙ гистерезисное переключения тока объяснено в рамках модели, учи­тывающей выделения тепла при актах одноэлектронного туннели­рования, приводящего к повышения электронной температуры внаногранулах металла.3. Экспериментально реализован, аналитически и численно промоделиро­ван оригинальный режим работы асимметричного одноэлектронноготранзистора при нулевом постоянном смещении в присутствии накачкипеременным или шумовым сигналом.

При температуре =25 мК макси­мальное значение крутизны преобразования заряд-ток этого транзисто­ра составило = /0 = 1 нА/e, где 0 - заряд затвора транзистора,что сравнимо с типичными значениями в симметричных транзисто­рах в режиме постоянного смещения.Практическая значимостьПонимание процессов одноэлектронного транспорта в тонких нано­полосках является необходимым условием для разработки различных одно­6электронных устройств на базе гранулированных плёнок.

Результаты данныхисследований могут быть применены для построения одноэлектронной ячей­ки памяти с большим временем хранения и/или повышенной рабочей темпе­ратурой. Кроме того, данная ячейка может выполнять функцию пороговогоквантового детектора микроволнового излучения. Результаты, полученные входе исследования свойств АОТ, работающего в режиме накачки переменнымсигналом, могут быть использованы для реализации электрометра, имеющегоослабленное обратное влияние на источник сигнала, а также детектора уров­ня шума в измерительных криогенных установках при экспериментальном ис­следовании чувствительных одноэлектронных и джозефсоновских устройств.Достоверность полученных результатовВ диссертационной работе используются широко применяемые методикиэкспериментального исследования структурных и электрических характери­стик образцов. Численные, а также получисленные методы моделированияпроцессов в изучаемых наноструктурах базируются на применении хорошопроверенной классической ортодоксальной теории одноэлектронного тунне­лирования.

Достоверность результатов подтверждается соответствием междурезультатами математического моделирования и экспериментальными данны­ми.Личный вклад автораВ диссертации приведены результаты, полученные непосредственно авто­ром или при его активном участии. Совместно с соавторами автором разрабо­тана технологию изготовления хромовых нанополосок. Совместно с соавтора­ми проведены измерения электрических характеристик нанополосок присверхнизких температурах в рефрижераторе растворения. Совместно с со­авторами автором впервые наблюдалось явление гистерезисного переключе­ния хромовых гранулированных нанополосок между состоянием кулоновскойблокады и проводящим состоянием. Автором лично разработана математиче­7ская модель и методы численного моделирования процессов в неоднородныххромовых плёнках, проведено моделирование в широком диапазоне парамет­ров и сравнение его результатов с экспериментальными данными.

Авторомлично обнаружено образование устойчивых зарядовых конфигураций при на­хождении плёнки в блокадном состоянии и их резкий переход в устойчивыетоковые каналы в проводящем состоянии. Совместно с соавторами авторомпроведено моделирование процессов в АОТ, сравнение его результатов с экспе­риментальными данными, рассчитана зависимость крутизны преобразованияот степени асимметрии одноэлектронного транзистора. Совместно с соавтора­ми автор непосредственно участвовал в написании научных статей, а такжеподготовке и представлении докладов и постеров на научных конференциях.Публикации.По теме диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых научныхжурналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 8 тезисов докладов на Россий­ских и международных конференциях, список которых приведён в конце ав­тореферата.