Автореферат (1104201), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Исключение составляют лишь техники, использующие остриё иглызондового микроскопа. Поэтому одной из задач данной диссертационнойработы было создание метода изготовления одноатомных структур исключительно на основе таких технологических операций, которые используются повсеместно в полупроводниковой индустрии. Обоснована необходимость создать структуру с открытым каналом транзистора для возможности модифицировать изготовленную структуру травлением или ионнойимплантацией для получения желаемой конфигурации примесных атомов,а также для возможности использования полученных структур как высокочувствительных сенсоров.Во второй главе представлена разработанная технология изготовления системы планарных электродов молекулярного одноэлектронноготранзистора, а также результаты исследования электрических свойств системы на различных стадиях изготовления.
Технология содержит следующие основные стадии:1. Изготовление золотых нанопроводов сечением около15 × 50 нм2литографическими методами.2. Процесс электромиграции, то есть контролируемое сужения сечения нанопровода до нескольких квадратных нанометров.3. Релаксация полученной системы с формированием нанозазора.В первом параграфе этой главы описана технология изготовлениязолотых нанопроводов и подводящих к ним электродов с помощью электронно-лучевой и фото литографии. Наноструктуры формируются на изолированной кремниевой подложке методом так называемой “взрывной”(lift-off ) литографии.
Формировались следующие структуры из золота: нанопровода шириной 30 – 70 нм; электрод на расстоянии 100 – 150 нм отнанопровода — будущий затвор транзистора; система макропроводов шириной 1 – 100 мкм для соединения наноструктур с электронной аппаратурой.Полученная в результате структура представлена на рис. 1.Во втором параграфе описан разработанный алгоритм проведенияконтролируемого сужения золотого нанопровода, использующий эффектэлектромиграции атомов в тонких плёнках при пропускании через них токабольшой плотности. Основная особенность используемого метода заключается в необходимости реализации быстрой обратной связи.
Лабораторныйстенд для проведения процесса был создан на основе быстродействующихЦАП/АЦП. На выходе ЦАП создаётся плавно нарастающее напряжение.Показания АЦП позволяют непрерывно отслеживать сопротивление нанопровода. При условии небольшого изменения сопротивления, напряжение на выходе ЦАП обнуляется. Затем этот процесс циклически повторяется. Ключевые особенности созданной системы электромиграции, позво10а)б)10 μm100 nmРис.
1 — СЭМ-снимки образца после проведения всех литографическихпроцедур: (а) — система проводов для соединения с измерительнойаппаратурой; (б) — золотой нанопровод и затвор будущего транзистора.ляющие проводить плавное сужение нанопровода: малое время обратнойсвязи∆ ≈ 10 мкс,а также алгоритм, автоматически корректирующийуровень чувствительности обратной связи во время процесса.В результате работы алгоритма сопротивление образца плавно увеличивается с изначальных 500 – 700 Ом до 2 – 4 кОм, это означает чтополученный золотой провод имеет сечение ≈ 1 − 3 нм2и содержит всего15 – 40 фундаментальных каналов проводимости сечением(0.52/2)2ℎ ∼ ( /2)2 ≈2нм .
Такая система фактически является квантовым проводом.Изучению провода в этом промежуточном состоянии посвящён третий параграф. С помощью небольшого приложенного к нему зондирующего напряжения = 3 мВотслеживалась временная динамика его проводимости. Исследование показало, что практически все созданные квантовые провода сопротивлением более 2 кОм впоследствии в ходе релаксациизолотой плёнки разрываются, формируя нанозазор в нужном диапазонеразмеров. Время разрыва варьируется в широком диапазоне ∼ 10 − 105 с.Показано, что на завершающем этапе формирования зазора, проводимостьсистемы меняется скачкообразно, проходя через значения, кратные фундаментальному кванту проводимости0 = 2 /ℎ ≈ 3.874 × 10−5 См,чтосоответствует разрушению одиночных связей атомов золота. Также показано, что на протяжении практически всего времени своего существованияполученный квантовый провод находится в квазиравновесном состоянии:ковалентные связи атомов золота могут много раз образовываться и вновьразрушаться.Процесс релаксации проводов с меньшим сопротивлением после электромиграции протекает в среднем медленнее, а получающиеся в результатезазоры оказываются меньше.
Однако при сопротивлении нанопроводов заметно меньше 2 кОм нанопровод довольно часто остаётся неразорванным.Поэтому в дальнейшем для получения нанозазоров было решено прерывать работу алгоритма электромиграции при достижении сопротивления2 кОм. В результате описанная выше технология обеспечивает получение11нанозазоров величиной менее 5 нм с выходом годных более 90 %. Примерполученного зазора представлен на рис. 2.а)б)100 nm10 nmРис. 2 — СЭМ-снимки одного из нанозазоров после контролируемогоразрыва нанопровода методом электромиграции.В заключительном параграфе главы представлены исследованияэлектрических свойств полученных нанозазоров при температурах 77 и300 К.
Обнаружено влияние СЭМ-диагностики нанозазоров на их проводимость, связанное, по-видимому, с контаминацией, происходящей под электронным пучком. Образцы, прошедшие такую диагностику, показываюттуннельное сопротивление в широком интервале значений1011 ∼ 106 −Ом, то есть зачастую много меньше сопротивления молекулярных одноэлектронных устройств, которые требуется изучать (> 108 Ом).Поэтому данный вид диагностики далее проводился лишь после проведениявсех интересующих электрических измерений.
Сопротивление нанозазоров, не прошедших СЭМ-анализ, превышает 300 ГОм (за пределами возможностей используемой измерительной аппаратуры), поэтому такие нанозазоры полностью пригодны для создания молекулярных одноэлектронных устройств.Третья главапосвященаописаниюразработаннойтехнологиивстраивания наночастиц в нанометровые зазоры и исследованию электронного транспорта через них в диапазоне температур 77 – 300 K.
Былииспользованы коммерчески доступные малые золотые наночастицы размером 2 – 4 нм, функционализированные октантиолами. Тиолы в нашемэксперименте выполняли роль туннельных переходов одноэлектронноготранзистора.В первом параграфе описаны две разработанные методики встраивания наночастиц в зазоры: традиционное высушивание раствора, а такжеметод электротреппинга.В случае традиционного подхода образец на некоторое время погружался в раствор с наночастицами, а затем высушивался. При использовании данного подхода наночастица попадает в зазор лишь случайнымобразом с вероятностью, зависящей от концентрации раствора и времени12осаждения наночастиц. Был подобран режим, обеспечивающий их осаждение на поверхности в виде одиночных или малых групп наночастиц безобразования крупных кластеров. Выход годных транзисторов после одиночной процедуры подобного встраивания наночастиц составил около 1 –3 %. Годными транзисторами в данном случае считались те структуры, которые продемонстрировали электрические характеристики, типичные дляодноэлектронного транзистора.В случае реализации метода электротреппинга используется эффектдиэлектрофореза.
На образец, подключённый к измерительной аппаратуре, помещалась капля раствора с наночастицами. Затем на нанозазор подавалось медленно возрастающее напряжение. Параллельно с помощьюспециально созданной следящей системы на основе пикоамперметра отслеживалось сопротивление системы. При резком изменении его величинынапряжение обнулялось. Характерная зависимость сопротивления от времени представлена на рис. 3а.
Далее образец высушивался с помощью потока воздуха. СЭМ снимок типичной полученной структуры представленна снимке рис. 3 б.а)б)10 nmПопадание частицы в зазорРис. 3 — Контролируемое осаждение наночастиц методомэлектротреппинга: (а) — зависимость сопротивления одного из зазоров входе процесса, (б) — СЭМ снимок полученной в результате этого процессаструктуры, на снимке видны три наночастицы, оказавшиеся в зазоре.В результате выход годных транзисторов составил около 10 – 20 %.Основных механизмов, ограничивающих выход годных транзисторов, три.Первый — прилипание частиц в растворе друг к другу с формированиемкластеров, которые затем эффективнее притягиваются в область зазоранежели одиночные наночастицы. Второй механизм связан с недостаточной чистотой раствора.
Содержащиеся там примеси также могут изменятьисследуемую область, приводя к появлению паразитной проводимости илипрепятствуя встраиванию наночастиц в зазор. Третий механизм связан стем, что расположение встроенной в зазор наночастицы не всегда обеспечивает достаточный туннельный ток для его регистрации с помощью13имеющегося измерительного оборудования. То есть один из туннельныхпереходов оказывается слишком большим.Во втором параграфе представлены электрические измерения полученных структур при температуре 77 К.
Для полной характеризации системы были измерены так называемые диаграммы стабильности (ДС),представляющие собой зависимость тока через структуру от напряжениямежду стоком и истоком транзистора, а также от напряжения на затворе (рис. 4). Наблюдаемая на ДС ромбическая структура является доказательством одноэлектронного поведения системы. Вольт-амперные характеристики имеют ярко выраженную область подавления тока при низкихнапряжениях (Кулоновская блокада).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
