Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов (1104016), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В результате, приповерхностная частьверхнего слоя пластины (∼ 30 нм) имела степень легирования ∼1020 см−3 ,что делало её вырожденным полупроводником с крайне малой запрещённойзоной («квазиметалл»). Нижняя часть слоя (∼ 50 нм) имела степень легирования менее 1018 см−3 и являлась обычным полупроводником.Предложен оригинальный метод изготовления транзисторов с каналомнанопроводом, заключающийся в формировании из полученного неравномерно легированного КНИ структуры транзистора, НП и проводящих электродов, и избирательном удалении квазиметаллического слоя с чувствительногоэлемента транзистора — канала-нанопровода. Предложено два варианта удаления высоколегированного слоя.
В первом случае удаление приповерхностного слоя происходило на этапе формирования НП в процессе изотропногореактивного ионного травления. Форма нанопровода и толщина удалённогослоя определялись размерами маски и регулировались параметрами травления. Во втором случае сначала в процессе анизотропного травления в неравномерно легированном слое КНИ формировалась структура НП с подводящими электродами, а затем происходило последовательное избирательное удаление верхнего слоя с нанопровода с промежуточным контролем проводимостиструктуры.
Многостадийный процесс позволяет точнее контролировать сте15пень легирования канала транзистора, а также упрощает изготовление НП сформой отличной от прямой, например, V-образной, что оказывается важнымдля изготовления локальных полевых зондов на их основе.Измерены транспортные характеристики изготовленных транзисторов вдиапазоне температур 4,2-300 К. Зависимость транспортного тока от напряжения на затворе наблюдается во всем температурном диапазоне. При измерениях ВАХ в области малых напряжений сток-исток (∼10 мВ) при температуре T=4,2 К было обнаружено, что транспорт тока осуществляется врежиме одноэлектронного туннелирования с характерными участками кулоновской блокады и квазипериодической зависимостью от затворного напряжения.
Данный эффект объясняется туннельным транспортом электронов внеоднородном массиве, образованном единичными допантами.Представленный метод изготовления наноструктур полевых транзисторов с каналом-нанопроводом на основе неоднородно легированного КНИ отличается простотой и позволяет контролировать и изменять в процессе изготовления основной параметр устройства — проводимость канала транзистора, а также обеспечивает омический контакт подводящих электродов извысоколегированного кремния к нанопроводу.
Изготовленные предложеннымметодом транзисторы могут быть использованы в качестве чувствительногоэлемента полевых зондовых систем локального и сканирующего типов3,4 .Результаты четвертой главы опубликованы в работах [4, 6].Пятая глава посвящена созданию и исследованию одноэлектронныхтранзисторов из сильно легированного мышьяком КНИ. Из вырожденногослоя КНИ при помощи электронной литографии и реактивного ионного травления формировалась структура будущего транзистора: остров, резистивныепереходы к подводящим электродам и боковой затвор (Рисунок 6). Затем пу3Yoo M.J., Fulton T.A., Hess H.F. et al.
Scanning single-electron transistor microscopy: imaging individualcharges // Science. 1997. Vol. 276, no. 5312. P. 579 –582.4Chen L.H., Topinka M A., LeRoy B.J. et al. Charge-imaging field-effect transistor // Applied PhysicsLetters. 2001. Vol. 79, no. 8. P. 1202.16Рис. 6. Протравленная структура одноэлектронного транзистора в кремнии.тём итерационного дотравливания полученной структуры с промежуточнымконтролем её ВАХ, происходило утонение, тонких резистивных переходов.При достижения условия сток-исток ≫ =ℎ2≈ 25, 8 кОм транзистор начинал демонстрировать одноэлектронное поведение.Основные исследования одноэлектронных структур проводились при температурах от 15 мК до 4,2 К (ВАХ представлены на Рисунке 7), когда появлялись характерные особенности поведения одноэлектронных структур: Кулоновская блокада транспортного тока и периодическая зависимость его величины от напряжения на затворе транзистора.
Подробно была исследованазарядовая чувствительность транзистора, для этого при различных транспортных напряжениях были проведены измерения спектральной плотностифлуктуаций тока в диапазоне частот 0,5-250 Гц на участке модуляционнойкривой в 1,6 периода в 50 точках. Полученные данные позволяют говорить озарядовой природе флуктуаций тока, обусловленной, поляризационным влиянием электродинамического окружения на остров транзистора, а также отом, что оптимальная рабочая точка транзистора находится в области с наибольшей крутизной модуляционной характеристики. В этом случае порог за√рядовой чувствительности минимален и достиг величины 1,6·10−4 / Гц на17a)10I (нА)50−5Vз =0,72Vз =0,64Vз =0,56Vз =0,48Vз =0,40−10−15−10−505ВВВВВ10Vсток-исток (мВ)б)0,6Vсток-исток =1,8 мВVсток-исток =1,4 мВVсток-исток =1,0 мВ0,5I (нА)0,40,30,20,1000,511,522,5Vз (В)Рис.
7. а) ВАХ одноэлектронного транзистора при различных напряжениях на затворе; б)модуляционные характеристики одноэлектронного транзистора при различных напряженияхсмещения; рабочая температура T=15 мК18частоте 10 Гц при температуре 15 мК. Представленные в работе данные демонстрируют тенденцию плавного увеличения зарядового шума при увеличении транспортного тока, что является характерным для традиционных металлических одноэлектронных транзисторов. В работе5 при исследовании подобных транзисторов на основе сильно легированного фосфором КНИ отмеченоувеличение шума в областях максимума тока на модуляционной кривой посравнению с традицирнными металлическими структурами, что объясняется повышенным уровнем флуктуаций проводимости резистивных переходовтранзистора.
Исследуемые в настоящей работе транзисторы демонстрируютсущественно меньший уровень шума в областях максимума модуляционнойкривой, что может быть связано с более высоким качеством процесса легирования КНИ.При используемых концентрациях допантов и характерных размерахизготавливаемых наноструктур х значительное влияние на свойства транзистора начинает оказывать дискретность распределения примесей ( ·х3 ≈ 1).Благодаря этому удалось изготовить и исследовать одноатомный одноэлектронный транзистор — устройство на основе единичного допанта (диаграммастабильности представлена на Рисунке 8). Доказательством этого факта служат ступени на ВАХ, свидетельствующие о дискретности спектра, и высокоеблокадное напряжение ∼70 мВ, нехарактерное для традиционных одноэлектронных транзисторов, указывающие на малость размеров острова (<7 нм).Наиболее вероятно, что островом транзистора является одиночный атом мышьяка.
Кроме того, результаты измерений совпадают с данными по спектроскопии одиночных допантов в кремнии, представленными в других работах6 .Транзисторы данного типа могут стать ячейкой твердотельной электроникинового поколения, работающей на иных физических принципах, способных5Крупенин В.А., Преснов Д.Е., Власенко B.C. Зарядовый шум в одноэлектронном транзисторе из высокодопированного кремния-на-изоляторе // Радиотехника. 2008. Vol. 1, no. 1. P. 78–83.6Pierre M., Wacquez R., Jehl X. et al. Single-donor ionization energies in a nanoscale CMOS channel //Nature Nanotechnology.
2010. Vol. 5, no 2. P. 133–137.19|G| (2 /ℎ)10−1Vсток-исток (мВ)7510−2502510−3010−4−25−502025303540Vз (В)45505510−5Рис. 8. Диаграмма стабильности одноатомного транзистора.обеспечить её работоспособность в условиях приближения технологическогопроцесса микропроизводства к естественному пределу (атомарный размер).Основные результаты пятой главы опубликованы в работе [5].В Заключении перечислены выносимые на защиту основные результатыи положения, которые также перечислены ниже:• Разработан метод изготовления из кремния на изоляторе биосенсора наоснове полевого транзистора с каналом в форме нанопровода ширинойменее 100 нм.
Создан биосенсор на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом, обладающий pH-чувствительностью близкой к предельной, ∼60 мВ/pH. Продемонстрировано детектирование биосенсоромспецифической реакции антиген (белок G) - антитело (моноклональныемышиные антитела к трансферрину).• Изготовлены полевые транзисторы с металлическими (Ti и Pt) контактами к каналу-нанопроводу (диаметр 100 нм, длина 2 мкм).
Исследованы их шумовые характеристики в диапазоне частот 0,2–100 Гц20(Т=300 К). Получена оценка пороговой зарядовой чувствительности√транзистора лучше, чем 1 e/ Гц на частоте 10 Гц.• Разработан метод изготовления полевого транзистора с омическимиконтактами к каналу-нанопроводу из неравномерно легированного мышьяком кремния на изоляторе, работающий в диапазоне температур4,2-300 К.• Изготовлены одноэлектронные транзисторы из сильно легированногомышьяком кремния на изоляторе. Впервые подробно исследованы ихтранспортные и шумовые характеристики в диапазоне температур от15 мК до 4,2 К.
Порог зарядовой чувствительности транзистора соста√вил 1,6·10−4 e/ Гц на частоте 10 Гц при T=15 мК. Впервые создан одноатомный одноэлектронный транзистор на основе единичных допантовмышьяка в кремнии и исследованы его транспортные характеристикипри Т=4,2 К.Исследования, проведённые в данной работе, на взгляд автора, лежат воснове практического применения высокочувствительных полевых сенсоров,которое может начать лавинообразное развитие в ближайшее десятилетие.Использование полевых транзисторов с каналом-нанопроводом в ролибиосенсоров, по сути, ограничивается лишь отсутствием успехов в смежныхобластях, в первую очередь, биохимии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
