Автореферат (1104201), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Размер этой области периодическименяется с изменением напряжения на затворе, достигая максимальногозначения в 150 – 250 мВ в зависимости от образца. Исходя из величины ку­лоновской блокады был оценён эффективный размер острова транзистора,полученное значение совпадает с размером использованных наночастиц. Всовокупности с результатами последующего СЭМ анализа образцов можнозаключить, что наблюдаемый электронный транспорт обусловлен одиноч­ными наночастицами золота.Рис. 4 — Экспериментально полученная диаграмма стабильностиодноэлектронного транзистора на одиночной наночастице золота при = 77 КТакже при 77 К были исследованы электрические характеристики об­разцов с большим количеством наночастиц (> 10),расположенных в об­ласти зазора.

Продемонстрировано, что такие структуры могут иметь по­вышенную область подавления тока на вольт-амперных характеристиках,лежащую в диапазоне от 200 мВ до 1 В. Однако ток через такие структурыпрактически не зависит от напряжения на затворе.В третьем параграфе продемонстрированы результаты электриче­ских измерений одноэлектронных транзисторов на основе одиночных на­ночастиц золота в диапазоне температур от 77 до 300 К. Для проведенияподобного эксперимента низкотемпературный зонд сначала охлаждался дотемпературы 77 К, а затем медленно (∼1420 мин)отогревался до комнатнойтемпературы. Одновременно с этим непрерывно проводились электриче­ские измерения с температурным интервалом в несколько градусов.

Нарис. 5 представлены электрические характеристики транзистора для трёхзначений температуры из исследуемого интервала. Продемонстрированаработоспособность изготовленных одноэлектронных транзисторов при вы­соких температурах вплоть до 220 К. Основным критерием оценки работо­способности являлось наличие регулярной и воспроизводимой зависимоститока через транзистор от напряжения на затворе. Таким образом, разра­ботанная технология изготовления транзисторов на основе малых наноча­стиц золота позволяет получать планарные одноэлектронные устройствадля высокотемпературных применений.б)a)Рис. 5 — Электрические характеристики одноэлектронного транзисторана золотой наночастице при различных температурах: (а) —вольт-амперные характеристики, (б) — характеристики управления.Также стоит отметить, что у некоторых транзисторов на вольт-ампер­ных характеристиках участок с подавлением тока при низких напряжени­ях, определяемый по характерному изгибу ВАХ, сохраняется даже приповышении температуры до 300 К, что является свидетельством одноэлек­тронного транспорта через наночастицу.

По-видимому, такое поведение ха­рактерно для частиц с наименьшим размером из диапазона 2 – 4 нм. Од­нако при комнатной температуре ни на одном из образцов не наблюдаласьвоспроизводимая зависимость тока от напряжения на затворе. Это связа­но с возрастающим влиянием флуктуаций заряда в зарядовых ловушкахслучайно расположенных в непосредственной близости к острову транзи­стора. Как правило, эти ловушки расположены в подложке. Возможно, вбудущем данную проблему удастся решить, подвешивая транзистор надподложкой.Четвёртая глава посвящена созданию и изучению одноатомных од­ноэлектронных транзисторов на основе одиночных примесных атомов.В первом параграфе описана технология изготовления кремниевыхнанопроводов, из которых далее и будет формироваться одноатомныйтранзистор.

Основой служил слой кремния-на-изоляторе (КНИ) толщи­15ной 55 нм, изолированный от подложки слоемSiO2 .С помощью ионнойимплантации слой кремния был неравномерно легирован атомами фосфо­ра (рис. 6 а). Около поверхности был создан слой с высокой концентрациейпримесей, обеспечивающий практически металлическую проводимость. Вглубине их концентрация падает, поэтому там реализуется исключительнотуннельный транспорт электронов.а)Crб)200 nmAlSiв)100 nmг)CrSiCr20 nmSiSiO2SiO2Рис. 6 — Изготовление кремниевых нанопроводов: (а) — зависимостьконцентрации и среднего расстояния между атомами фосфора отглубины; (б) – (г) — СЭМ снимки структур в искусственных цветах; (б) —после двух этапов литографии; (в) – (г) — после реактивно-ионноготравления; (в) — с полностью целым верхним слоем кремния, (г) — сзазором в верхнем слое кремния.Далее на поверхности образца с помощью электронно-лучевой ли­тографии формировалась система электродов из хрома, обеспечивающаяэлектрический контакт к формируемым впоследствии электродам транзи­стора: стоку, истоку и затворам (рис.6 б — г).

Затем с помощью ещё однойлитографической процедуры формировалась маска из алюминия, защища­ющая канал формируемого транзистора от реактивно-ионного травления(рис.6 б). После процедуры травления формировался кремниевый нанопро­вод шириной менее 30 нм (рис.6 в, г), после чего алюминиевая маска уда­лялась в раствореKOH.Некоторые нанопровода имели выемку в верх­нем высоколегированном слое кремния рис. 6 г в связи с тем, что процесстравления не был идеально анизотропным. Создание такой выемки и было16целью технологии, т.

к. в этом случае электронный транспорт осуществ­ляется лишь через нижний слаболегированный слой кремния, верхний жеслой кремния играет роль электродов с наноразмерным зазором.Второй параграф посвящён исследованию электрических характери­стик изготовленных структур при температуре 4.2 К. Их можно разделитьна несколько групп в зависимости от вида их электрических характери­стик.

Среди них есть образцы с омической проводимостью, а также одно­электронные транзисторы с величиной кулоновской блокады 3 – 10 мВ, чтооценочно соответствует острову размером & 10 нм.Больший интерес представляют образцы, демонстрирующие более об­ширную область кулоновской блокады величиной до 20 мВ (рис. 7 а), чтоуказывает на характерный размер острова менее 10 нм.

Ток через такиеобразцы в зависимости от напряжения на затворе осциллирует, однакоего зависимость далека от периодической (рис. 7 б). С увеличением напря­жения на затворе средняя величина транспортного тока увеличивается, аразмер кулоновской блокады уменьшается. Такое поведение типично дляодноатомных структур.б)а)в)г)Рис.

7 — Электрические характеристики образца с параллельнымтранспортом электронов через локализованные зарядовые центрыатомарного масштаба: (а) — вольт-амперные характеристики, (б) —характеристика управления, (в) – (г) — диаграммы стабильности.17Однако ДС подобных структур (рис.

7 в, г) содержат в себе особенно­сти, нехарактерные для одноатомного транзистора. Среди них стоит выде­лить наличие на ДС областей, состоящих из 5 – 6 расположенных рядомкулоновских ромбов близкого размера, вместе образующих более крупно­масштабный кулоновский ромб (рис. 7 в). Наблюдаемые особенности пове­дения можно объяснить, если предположить, что электронный транспорт внекоторой области мостика осуществляется параллельно через небольшоеколичество (оценочно менее 10) зарядовых центров.В третьем параграфе представлен разработанный метод последова­тельного уменьшения размера кремниевого мостика с помощью коротких(3 – 5 с) сеансов изотропного реактивно-ионного травления.

После каж­дого сеанса травления электрические характеристики каждой структурыизмерялись в тех же условиях, что и ранее, а затем процедура травленияповторялась. Было замечено, что в ходе такого итерационного процессасопротивление образцов увеличивалось. У образцов, демонстрировавшихранее линейную ВАХ, могла появиться кулоновская блокада. Размер куло­новской блокады, определяемый по асимптотическим веткам ВАХ, имелтенденцию увеличиваться по мере травления, достигая в итоге для некото­рых структур значений, типичных для одноатомных транзисторов.а)б)в)г)д)е)Рис. 8 — Изменение электрических характеристик одного из образцов врезультате последовательного уменьшения сечения кремниевого мостикаНаиболее интересные изменения происходили с образцами, уже де­монстрировавшими высокое значение кулоновской блокады. На рис. 8 по­казано изменение поведения такого образца в результате пяти последова­тельных сеансов травления.

Количество кулоновских ромбов на ДС снижа­ется. Также снижается и влияние переключения зарядовых ловушек вбли­зи канала транзистора. Оно хорошо заметно на ДС исходного транзистора18(рис. 8 a), “рваная” структура которой связана со сменой зарядового состоя­ния одной или нескольких зарядовых ловушек вблизи острова транзистора.Подобные изменения связаны с уменьшением количества атомов фосфорав кремниевом мостике. В результате последнего травления была полученаструктура с характеристиками, практически идентичными наблюдаемымв одноатомных транзисторах (рис. 8 е).а)б)в)г)Рис.

9 — Электрические характеристики одноэлектронного транзисторана основе одиночных примесных атомов фосфора при температуре 77 КВ четвёртом параграфе приведено обсуждение результатов измере­ний одноэлектронного транзистора на одиночных примесных атомах. По­лученное высокое значение зарядовой энергии острова транзистора10 − 15 мэВ ≈говорит о потенциально высокой рабочей температуре подоб­ных транзисторов. Для проверки этого утверждения, электрические харак­теристики готовых устройств были дополнительно изучены при темпера­туре 77 К. Зависимость тока от напряжений на электродах полученногоустройства (рис.

9 а) практически не отличается от поведения классическо­го полевого транзистора. Такое поведение является следствием наличиясвободных носителей заряда в кремнии при 77 К. Однако если применитьдифференцирование упомянутой ДС по затворному напряжению (проце­дура, традиционно используемая для анализа ДС одноэлектронных тран­зисторов), то на диаграмме видны особенности, которые являются свиде­19тельством наличия коррелированного транспорта электронов через иссле­дованную структуру (рис. 9 г).В заключении приведены основные результаты работы, которые за­ключаются в следующем:1. Впервые экспериментально исследована при комнатной темпера­туре временная динамика состояния квантового провода, образую­щегося в результате проведения процесса электромиграции в местенаибольшего сужения нанопровода и содержащего в поперечномсечении менее 20 атомов золота.

Продемонстрирована квантоваяприрода проводимости в таком проводе. Определён диапазон ха­рактерного времени разрушения провода ∼ 10 − 105 с2. Экспериментально исследованы электрические характеристики на­нозазоров менее 5 нм между золотыми электродами. Продемон­стрировано их высокое сопротивление (> 300 ГОм), а значит, ихпригодность для создания молекулярных устройств. Также впер­вые продемонстрировано влияние контаминации, образующейсяпод электронным лучом во время сканирующей электронной мик­роскопии, на проводимость исследуемых наносистем. Сопротивле­ние утечки в них после исследования в электронном микроскопепадает до величин ∼ 106 − 1011 Ом3.

Характеристики

Список файлов диссертации