Диссертация (1104202)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиДагесян Саркис АрменаковичОДНОЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ВЫСОКОЙЗАРЯДОВОЙ ЭНЕРГИЕЙСпециальность 01.04.04 —«Физическая электроника»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:кандидат физико-математических наукСолдатов Евгений СергеевичМосква — 20172ОглавлениеСтр.ВведениеГлава 1.. . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4Обзор реализаций одномолекулярных и одноатомных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11Методы механического создания зазора . . . . . . . . . . . . . . .131.1.1Зондовый метод . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .131.1.2Механически контролируемый разрыв соединения . . . . .15Создание планарных электродов молекулярного транзистора . . .171.2.1Возможности современной литографии . . . . . . . . . . .171.2.2Методики уменьшения размера зазора . .
. . . . . . . . .191.2.3Метод электромиграции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201.3Методы встраивания молекулярных объектов . . . . . . . . . . .231.4Методы создания одноатомных транзисторов . . . . . . . . . . . .251.5Одноэлектронные транзисторы при высоких температурах . . . .28транзисторов1.11.2Глава 2.Изготовление и изучение планарной системы. . . . .
. . . . .322.1Электронно-лучевая и фотолитография . . . . . . . . . . . . . . .322.2Электромиграция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372.2.1Физическая модель и мировой опыт . . . . . . . . . . . . .382.2.2Эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .422.3Релаксация квантового провода . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .462.4Проводимсть нанозазора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .502.4.1Модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .512.4.2Эксперимент . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53электродов молекулярного транзистораГлава 3.Исседование электронного транспорта через золотые. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .60Встраивание наночастиц золота . . . . . . . . . . . . . . . . . . .603.1.1Метод высушивания раствора . . . . . . . . . . . . . . . .613.1.2Метод электротреппинга . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64наночастицы3.133.2Измерения при 77 К . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .693.3Высокотемпературный эксперимент . . . .
. . . . . . . . . . . . .75Глава 4.Изготовление одноэлектронных транзисторов наоснове одиночных примесных атомов4.1. . . . . . . . . . . .79Формирование металлических электродов и кремниевогонанопровода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .794.2Электрические измерения сформированных нанопроводов . . . .844.3Уменьшение размера нанопроводов . . . . . . . . . . . . . . . . .904.4Анализ электрических свойств полученных транзисторов . . . . .94Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Список цитируемой литературы. . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 1054ВведениеРазрешающая способность современных промышленных нанолитографических систем непрерывно растёт уже более полувека. Ширина канала полевыхтранзисторов современных процессоров достигла 14 нм [1].
Разделены каналытранзисторов интервалом в 42 нм. Есть серьёзные основания полагать,что размер электронных компонент на чипе будет и дальше уменьшаться. Уже сейчас активно используются в промышленности для формирования изолирующихслоёв различные методы атомно-слоевого осаждения [2]. Развивается технология нанолитографии, в том числе разрабатываются альтернативные процессы,такие как EUV литография [3], многолучевая электронная литография [4].
Ужеанонсирован выход в серийное производство в 2017 году чипов, изготовленныхпо норме 7 нм [5]. Современная индустрия приближается к возможности стабильно создавать планарные элементы электронных схем практически на атомарном масштабе. На таком масштабе классический подход к созданию электронных устройств на основе легированных полупроводниковых полевых транзисторов сталкивается с серьёзными проблемами. Однако открывается возможность использования физических эффектов, проявляющихся на столь малыхмасштабах. Одним из таких эффектов является одноэлектронное туннелирование [6].Первые одноэлектронные устройства были созданы уже более 25 лет назад [7].
Такие устройства обладают рядом уникальных свойств [8]. На их основесоздан термометр для измерения криотемператур [9], наиболее точный метрологический стандарт тока с относительной точностью до 10−9 [10]. Перспективноих применение в качестве сенсоров электрического заряда, т. к. полученныерекордно низкие значения зарядового шума одноэлектронных устройств лишь√немного отличаются от квантового предела ∼ 10−6 / Гц [11]. Кроме того, одноэлектронные элементы обладают рекордно малой потребляемой мощностью ( ∼ 10−9 − 10−12 Вт). В связи с этим они уже нашли своё применение вметрологических целях, а также в качестве вспомогательного устройства (сенсора) в ряде уникальных экспериментов [12].Однако применение таких устройств сильно ограничено по температуре.Поначалу одноэлектронные эффекты наблюдались исключительно в диапазонетемператур ниже 1 К.
Рабочая температура одноэлектронных устройств прямо5пропорциональна кулоновской энергии зарядовых центров, на основе которыхони созданы. В свою очередь, кулоновская энергия тем выше, чем меньше размер этих зарядовых центров. В этом смысле оптимальным было бы использование предельно малых объектов как основы одноэлектронных устройств. Очевидно, что максимальной зарядовой энергией будут обладать одноэлектронныеустройства на основе одиночных атомов внутри кристаллической решётки илисложной молекулы. Предельно малые размеры таких объектов и высокая энергоэффективность одноэлектронных устройств позволяют говорить о принципиальной возможности сверхплотной упаковки таких элементов ( ∼ 1012 см−2 )Простейшим и важнейшим элементом, в котором наблюдаются одноэлектронные эффекты, является одноэлектронный транзистор.
Основными составляющими одноэлектронного транзистора являются остров (ключевой элементустройства), надёжно отделённый туннельными переходами от стока и истока,а также электрод управления (затвор), влияющий на остров исключительно засчёт емкостной связи. В случае высокотемпературного одноэлектронного транзистора островом должен быть объект размером менее 5 нм: одиночная наночастица, молекула, молекулярный кластер или примесный атом в кристаллической решётке. Создание такого устройства является нетривиальной задачейв связи со сложностью манипулирования отдельными объектами столь малогоразмера, а также в связи с необходимостью очень близко подводить электродытранзистора к ним для создания туннельных переходов.На сегодняшний день уже существует множество экспериментальных работ, где продемонстрированы различные варианты реализации одноэлектронных устройств на основе одиночных молекул или атомов [13], [14].
В них продемонстрирован ряд интересных квантовых эффектов, наблюдающихся при низких температурах [15]. Однако применение одноэлектронных устройств длявысокотемпературных приложений до сих пор остаётся нерешённой задачей,несмотря на то, что принципиальная возможность наблюдения коррелированного туннелирования электронов даже при комнатной температуре давно экспериментально показана [16]. Дело в том, что сама технология изготовленияподобных устройств достаточна специфична. Это либо методы, использующиеиглу сканирующего туннельного микроскопа в качестве одного из электродов[16], либо методы, дающие крайне низкий выход годных образцов [17]. Поэтому разработка технологии изготовления одноэлектронных устройств на основеодиночных атомов и молекул в наиболее практически употребимой планарной6геометрии и исследование их свойств является на сегодняшний день актуальнойзадачей.Цельюданной работы является разработка лабораторной методики создания одноэлектронных транзисторов на основе объектов молекулярного (наночастицы золота 2 – 4 нм) и атомарного (примесные атомы в решётке кремния)масштаба, а также их воспроизводимое изготовление, исследование транспорта электронов в изготовленных элементах при различных температурах, в томчисле высоких для одноэлектронных эффектов, их структурные исследования,физическая интерпретация полученных экспериментальных данных.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1.
Разработать лабораторную методику изготовления планарных электродов молекулярного транзистора на основе электронно-лучевой литографии и метода, использующего эффект электромиграции атомов в тонких плёнках.2. Исследовать динамику разрыва нанопровода в результате проведенияпроцесса электромиграции.3. Исследовать электрические структурные характеристики полученныхэлектродов для верной интерпретации данных последующих измеренийзазоров со встроенными наночастицами.4. Разработать лабораторную методику встраивания острова высокотемпературного одноэлектронного транзистора в полученный нанозазормежду электродами.5. Исследовать электрические характеристики одноэлектронных транзисторов молекулярного масштаба в широком диапазоне температур.
Сопоставить данные электрических измерений со структурными исследованиями наносистем.6. Разработать технологию изготовления кремниевых нанопроводов ссужением менее 50 нм из неравномерно легированного кремния-на-изоляторе (КНИ). Исследовать электронный транспорт в таких нанопроводах при температуре 4.2 К.7. Разработать методику контролируемого уменьшения размера кремниевого нанопровода до состояния, когда в месте наибольшего сужениянанопровода электронный транспорт проходит через 1 – 3 примесныхатома.78. Исследовать электрические характеристики полученных одноэлектронных транзисторов на основе одиночных примесных атомов при температуре 4.2 К и 77 К.Научная новизна:1.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
