Особенности электронного транспорта в неоднородных одноэлектронных структурах, страница 2

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискатель:принял непосредственное участие в постановке задачи исследования [1–10],проведении экспериментов [1–10], анализе и обсуждении полученных резуль­татов [1–11] и самостоятельно выполнил численное моделирование [2–11].Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы, её положения и выводыбыли доложены, обсуждены и вызвали положительную оценку специалистовна ряде научных форумов, включая:∙ международную конференцию «Микро и Наноэлектроника» (ICMNE-2005)в 2005 г. (г. Звенигород, Россия),∙ международную конференцию «Nano and Giga Challenges in Microelectronics»в 2005 г.

(г. Краков, Польша),8∙ серию международных конференций по физике и технологии наноструктур (Nanostructures: physics and technology) в 2004 г. (г. Санкт-Петер­бург, Россия), 2005 г. (г. Санкт-Петербург, Россия), 2007 г. (г. Новоси­бирск, Россия) и 2009 г. (г. Минск, Республика Беларусь).Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии иприложения. Общий объем диссертации 128 страниц, 35 рисунков. Библио­графия включает 92 наименования.Содержание работыВо введении даётся краткий экскурс в развитие одноэлектроники, вклю­чая главные открытия в этой области и их применения. Описываются ос­новные работы, посвящённые теоретическому и экспериментальному иссле­дованию неоднородных одноэлектронных структур.

Обосновывается актуаль­ность диссертационной работы, формулируется её цель и отмечается научнаяновизна исследования.В первой главе рассмотрены основные положения одноэлектроники иих применение для теоретического и экспериментального исследования асим­метричных одноэлектронных структур. В частности, исходя из термодинами­ческого подхода, приведено описание основных положений ортодоксальнойтеории одноэлектронного туннелирования Аверина и Лихарева, введено по­нятие темпа туннелирования электронов и приведено кинетическое уравне­ния для функции распределения. Также обсуждаются условия и границыприменимости рассмотренных уравнений. На основе введённого формализмарассмотрены процессы, протекающие в одноэлектронном транзисторе, одно­мерных и двумерных многоконтактных одноэлектронных структурах и гра­нулированных плёнках (в том числе, кулоновская блокада и коррелированый9характер туннелирования электронов).

Особое внимание уделено описаниюпроцессов, происходящих в неоднородных структурах, включая АОТ и неод­нородные нанополоски, изучаемые нами экспериментально.Вторая глава посвящена описанию общих положений технологии изго­товления объектов исследования данной диссертации (асимметричного одно­электронного транзистора и неоднородных хромовых нанополосок), а такжетехнике измерения их электрических характеристик. В первой части второйглавы приведён обзор различных технологий изготовления наноструктур,применяемых в экспериментальной нанофизике и микроэлектронике. Средимногообразия таких технологий автором для изготовления обоих объектовисследования была выбрана и доработана технология многотеневого напыле­ния через подвешенную маску (технология Ниемаера-Долана).

Её описаниеприведено в разделе 2.1. Несмотря на схожесть технологических этапов из­готовления обоих объектов исследования, они имеют некоторые различия,подробному описанию которых посвящены разделы 3.1 и 4.1 в третьей и чет­вёртой главе, соответственно. Для проведения экспериментальных исследова­ний, представленных в данной работе, необходимо было применить охлажде­ние экспериментальных образцов до сверхнизких температур (25 мК), обес­печивающих малость термодинамических флуктуаций, а также проводитьизмерения сверхслабых сигналов (токов силой порядка единиц пикоампер).В разделе 2.2 описана структура экспериментальной установки, состоящейиз рефрижератора растворения с верхней загрузкой Oxford Instruments TLM400, а также специализированной программируемой многоканальной измери­тельной системы, сконструированной ранее в лаборатории криоэлектроникиМГУ и управляемой с помощью персонального компьютера посредством сре­ды LabView.Третья глава посвящена особенностям технологии изготовления, ре­зультатам экспериментального изучения и получисленного моделирования10(т.е.

моделирования, в котором основные расчёты выполняются аналитиче­ски при помощи ортодоксальной теории одноэлектронного туннелирования,а усреднение для различных типов управляющих сигналов проводится чис­ленно) для первого объекта исследования – асимметричного одноэлектронно­го транзистора. В разделе 3.1 подробно рассмотрены особенности процессаизготовления такого транзистора. Нами было предложено применение ори­гинальной стековой топологии, разработанной в лаборатории криоэлектро­ники МГУ, для изготовления одноэлектронных транзисторов, обладающихсущественной асимметрией туннельных переходов. Такая топология подра­зумевает необычное размещение элементов одноэлектронного транзистора:его остров размещается на поверхности первого подводящего электрода исверху “накрывается“ вторым электродом, образуя трёхслойную структуру стуннельными барьерами в промежутках, что отличает её от обычно исполь­зуемой планарной технологии, в которой оба подводящих электрода и обатуннельных перехода изготавливаются в одном слое.Изготовление АОТ проводилось в три этапа.

На каждом из этих эта­пов производилось напыления плёнок под тремя различными углами поотношению к поверхности образца через подвешенную маску. Напыление про­изводилось без разрыва вакуумного цикла (in-situ), при этом между первыми вторым, а также вторым и третьим напылением поверхность структурыподвергалась окислению в атмосфере кислорода для формирования окисныхбарьеров. Эти барьеры образовывали туннельные контакты между подводя­щими электродами и островом одноэлектронного транзистора.Показано, что применение стековой топологии позволяет получить боль­шую степень асимметрии характеристик туннельных переходов транзисторане только за счёт “зарастания“ (уменьшения площади открытых участков)маски в процессе напыления, а также благодаря возможности независимо за­давать и реализовывать прозрачность (суть толщину) нижнего и верхнего11туннельных переходов в транзисторе.Результаты экспериментального изучения электрических характеристикизготовленных образцов представлены в разделе 3.2.

Они заключаются вследующем. Вольт-амперные характеристики (ВАХ), АОТ изображённые наРис. 1, демонстрируют явление кулоновской блокады туннелирования в ши­роком диапазоне напряжений на затворе (горизонтальный участок характе­ристики). Характер изменения величины порога кулоновской блокады в за­висимости от напряжения на затворе существенно различается для положи­тельной и отрицательной ветвей вольт-амперных характеристик, что говорито существенной асимметрии параметров туннельных переходов изготовлен­ных транзисторов. Показано, что при определённых значениях напряженияна затворе данная асимметрия характеристик туннельных переходов тран­зистора может приводить к появлению конечного тока через образец принулевом постоянном напряжении смещения за счёт эффекта детектирова­ния (выпрямления) входного шумового сигнала.

Зависимость величины то­кового отклика от избыточного (наведённого) заряда острова 0 = имеет вид острых антисимметричных пиков, локализованных около значений0 ≈2+ , где — целое число, а и – ёмкость связи и напряжениена затворе транзистора, соответственно.Аналогичное поведение наблюдалось также в случае низкочастотногопеременного напряжения = sin , приложенного к образцу. Амплитудатоковых пиков сильно зависела от амплитуды приложенного напряжения и степени асимметрии туннельных переходов транзистора, но не зависела отчастоты подаваемого напряжения.

Характерный пример наблюдаемых пиковтока в зависимости от величины 0 = 0 − 2 − представлен на Рис. 2.Явление детектирования входного напряжения, возможное благодаряасимметрии одноэлектронного транзистора, даёт возможность его использо­вания в различных одноэлектронных экспериментах. Так, например, одно­12Рис. 1.

Пример вольт-амперных характеристик АОТ при разных значениях управляющегонапряжения . Измерения проводились при температуре = 25 мК.Рис. 2. Токовый отклик асимметричного одноэлектронного транзистора при накачке пере­менным сигналом амплитуды = 20 мкВ. Точки — экспериментальные данные, сплош­ная линия – данные моделирования. Отношение сопротивлений туннельных переходовтранзистора 1 / 2 = 60 кОм / 1.2 МОм = 1 / 20, отношение туннельных ёмкостей перехо­дов 1 / 2 = 2.6 фФ / 0.3 фФ ≈ 9. Вставка на графике показывает эквивалентную электри­ческую схему включения АОТ.13электронный транзистор может быть использован в качестве детектора уров­ня широкополосного и узкополосного шума, преобразующего его в постоян­ный ток.

Такой детектор может быть размещён непосредственно на одном чи­пе с другими одноэлектронными или джозефсоновскими структурами. Асим­метричный транзистор, работающий в режиме смещения переменным напря­жением, может быть также использован в качестве высокочувствительногоэлектрометра. Для исследованных экспериментальных образцов измереннаявеличина крутизны преобразования заряд-ток = |(0 = 0)/0 | насклоне пика характеристики составила величину 0.7 нА/e при величине ам­плитуды напряжения накачки = 20 мкВ и частоте /2 = 500 Гц.