Диссертация (1104202), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Более подробный анализ для случая двух примесных атомов был проведён вработах [86], [143]. В них, помимо обсуждавшихся выше деталей, авторы проанализировали переключения зарядового состояния одного из атомов, приводящеек скачкам тока на затворных характеристиках, похожих на наблюдавшиеся нанаших ДС (при ≈ 9 В на рис. 4.8 в и при ≈ 30 В на рис. 4.8 г).4.3Уменьшение размера нанопроводовВ данном параграфе будет описан разработанный метод получения одноэлектронных транзисторов на основе одиночных примесных атомов из кремниевых нанопроводов, созданию и исследованию которых были посвящены предыдущие параграфы этой главы. Очевидно, что для достижения поставленной цели необходимо уменьшать количество примесных атомов, участвующих в электронном транспорте через нанопровод.
Речь идёт о месте наибольшего их сужения. Это относится ко всем типам образцов, продемонстрированным в предыдущем параграфе. Для этого поперечное сечение кремниевых нанопроводов уменьшалось с помощью дополнительных процедур реактивно-ионного травления.Режим травления отличался от использованного ранее режима для переносарисунка алюминиевой маски в слой кремния (раздел 4.1). На этот раз былаиспользована плазма более высокого давления, обеспечивающая высокую изотропность травления созданных кремниевых структур. Высокая изотропностьтравления позволяла удалять верхние слои кремния в месте наибольшего сужения быстрее, нежели это происходило в широкой части нанопровода.
Таким образом, электроды, подводящие контакт к исследуемой структуре, содержащейнесколько примесных атомов, могли оставаться хорошо проводящими. Травление проводилось в смеси газов CF4 и O2 в соотношении 7 : 1 при давлении 20 Па.91В таком режиме скорость травления составляла примерно 0.3 – 0.5 нм/сек.
Время процесса составляло всего лишь 3 – 5 с, что соответствует удалению слоякремния толщиной 1 – 2.5 нм. После этой процедуры проводилась диагностикаобразца с помощью электрических измерений при температуре 4.2 К. Далее, вслучае необходимости, процедура травления повторялась. В общей сложностикаждый образец проходил через 5 – 15 подобных итераций. Изменение вольтамперной характеристики одного из образцов, изначально демонстрировавшеголинейную ВАХ, в результате нескольких таких итераций продемонстрированона рис. 4.9.Рисунок 4.9 — Вольт-амперные характеристики нанопровода на разных этапахитерационного процесса уменьшения сечения нанопровода: более поздниеэтапы соответствуют кривым с меньшей проводимостью.Электрические измерения показывают, что в результате сопротивление образцов из первой группы, демонстрировавших линейную ВАХ, постепенноувеличивалось после каждой такой итерации.
Причём, как правило, при достижении ≈ 200 − 500 кОм на их электрических характеристиках появлялисьописанные выше черты, свойственные образцам второй группы. Можно сказать, что образцы из первой группы становились образцами второй группы:одноэлектронными транзисторами с островом размером 10 – 30 нм.Похожим образом вели себя образцы второй группы. Дифференциальное сопротивление асимптотических участков их ВАХ увеличивалось по мереуменьшения поперечного сечения нанопровода.
Кроме того, наблюдалась тен92денция к увеличению размера кулоновской блокады, наблюдаемой на вольтамперных характеристиках этих образцов. При достижении дифференциального сопротивления ≈ 1 МОм их электрические характеристики, как правило, приобретали вид, свойственный для образцов третьей группы, где осуществляется электронный транспорт через локализованные примесные атомыфосфора. Обобщая можно сказать, что была продемонстрирована возможностьсоздания таких структур даже из образцов, демонстрирующих изначально линейную ВАХ. Структурные исследования подтверждают образование выемки вверхнем слое кремния после подобного итерационного травления нанопроводас изначально нетронутым верхним слоем.В процессе итерационного травления наиболее интересные изменения происходили с электрическими характеристиками образцов третьей группы.
Эволюция диаграммы стабильности одного из таких образцов в ходе пяти процедур изотропного реактивно-ионного травления представлена на рис. 4.10. Видно, что по мере уменьшения поперечного сечения нанопровода количество кулоновских ромбов на аналогичных участках ДС уменьшается. В данном случае это происходит в результате всех итераций травления, кроме последней(рис. 4.10 д, е). Эти изменения сигнализируют об уменьшении количества примесных атомов фосфора в наноразмерном кремниевом мостике, через которыеосуществляется электронный транспорт.а)б)в)г)д)е)Рисунок 4.10 — ДС одного из образцов на разных этапах итерационногопроцесса уменьшения сечения нанопровода.93Также в результате проведения итерационного травления уменьшаетсявлияние низкочастотных флуктуаций состояния зарядовых ловушек, окружающих канал создаваемого устройства.
Этот низкочастотный шум проявляется ввиде быстрых скачков, сдвигающих измеряемую диаграмму стабильности вдольоси и хорошо заметен на рис. 4.10 а, соответствующему исходному состояниютранзистора, не подвергшемуся воздействию изотропного травления. В то жевремя, в последующих состояниях, после “дотравливания”, подобные скачки наблюдались значительно реже. Это является ещё одним свидетельством уменьшения количества зарядовых центров в канале нанопровода.
На основании этого можно сделать вывод о том, что использованный режим реактивно-ионногоплазменного травления является достаточно мягким. Он не ведёт к появлениюдополнительных примесей и дефектов в кремнии, которые в принципемогут образовываться в процессе бомбардировки образца различными содержащимисяв плазме ионами [144].Тёмный участок, наблюдаемый на ДС при малых значениях затворногонапряжения на рис.4.10 в – е, соответствует запрещённой зоне в кремнии. Втоже время, такой участок не наблюдается на рис.4.10 а, б.
Это может бытьобъяснено сдвигом диаграммы стабильности вдоль оси в результате влияния зарядовых ловушек, случайно распределённых в нанопроводе вокруг атомов, обеспечивающих электронный транспорт. Как видно, достаточно значимоевлияние заряда окружения сохраняется и на завершающих этапах формирования устройства: диаграммы рис.4.10 д, е практически идентичны, но сдвинутыотносительно друг друга на ∆ ≈ 7 В. Стоит отметить, что такое смещениеДС происходило при каждом термоциклировании образца: нагреве до 300 К иповторном охлаждении до 4.2 К.В результате процесса итерационного травления была получена структура, демонстрирующая ДС (рис.4.10 е), близкую к наблюдавшимся в других исследованиях одноатомных одноэлектронных транзисторов, а также к теоретическим ДС подобных систем [94]. На рис.
4.11 представлено наглядное сравнение начального и конечного состояния транзистора третьей группы до и послеописанной в данном параграфе процедуры. Более подробное исследование полученных в результате устройств будет представлено в следующем параграфе.944.4Анализ электрических свойств полученных транзисторовДиаграмма стабильности устройства, полученного в результате всех описанных выше процедур, измеренная в широком диапазоне затворных напряжений, представлена на рис. 4.11 б. На ней эффект уменьшения зарядовой энергиис ростом выражен значительно ярче, чем на аналогичной исходной диаграмме (рис. 4.11 а). Величина максимальной кулоновской блокады каждого изромбов на этой диаграмме позволяет оценить эффективный диаметр примесного атома в соответствующих различных зарядовых состояниях.
К примеру,далее приведён подобный расчёт для зарядового состояния, соответствующегоинтервалу напряжений = 10 − 16 В на рис. 4.11 б. Суммарная ёмкость острова оказывается равной Σ = / ≈ 5 аФ. Глубина выемки в верхнем слоекремния данного образца может быть оценена исходя из скорости травления исоставляет примерно 30 — 35 нм. Это означает, что среднее расстояние междупримесными атомами лежит в диапазоне 3 — 8 нм, что примерно соответствует величине туннельных барьеров созданного одноэлектронного транзистора.Такие геометрические параметры системы позволяют использовать для грубойоценки соотношение Σ ≈ 30 , где 0 — это собственная ёмкость острова транзистора.
Далее, используя диэлектрическую проницаемость кремния Si ≈ 12,нетрудно получить оценку на радиус острова в данном зарядовом состоянии ≈ Σ /120 Si ≈ 1 нм. Такой результат находится в хорошем согласии с приведёнными выше теоретическими оценками (см. формулу 4.1), а также с болееточными теоретическими оценками, представленными в работах [145], [146], дающими для радиуса атома фосфора в кремнии ≈ 1.5 нм. Эта оценка ещё разподтверждает, что остров исследуемого транзистора был сформирован именнопримесным атомом фосфора.Электростатическую связь острова транзистора с затвором можно оценить исходя из изменения величины кулоновской блокады с напряжением на затворе ( / ≈ /Σ ), то есть, по наклону границ кулоновских ромбов. Такой анализ ДС показывает, что для наших образцов значение взаимной ёмкостиострова транзистора и затвора оказывается равной примерно 30 зФ(3×10−20 Ф).Данное значение оказывается сравнительно малым в сравнении с одноатомными транзисторами, продемонстрированными в других работах [84], [85], [140],[141].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
