Диссертация (1104202), страница 18

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

Текст из файла (страница 18)

Это приводит к необходимости использовать более широкий интервал за­95а)б)Рисунок 4.11 — Диаграммы стабильности одноэлектронного транзистора,измеренные в широком диапазоне : (а) — до итерационного процессатравления, (б) — после завершения всех технологических процедур.творных напряжений при измерениях. Такая разница связана с тем, что в упо­мянутых работах затвор полностью закрывал канал транзистора с разных сто­рон и был отделён от него лишь тонким слоем диэлектрика толщиной ℎ ∼ 10 нм.В нашем случае изначально такой затвор не формировался, т. к.

предложенныйнами метод изготовления подразумевает необходимость дополнительного трав­ления образца, что возможно лишь в случае открытой геометрии канала тран­зистора. Однако итоговая геометрия полученных образцов допускает, в случаенеобходимости, возможность создания такого затвора после завершения проце­дуры сужения нанопровода.Более детальный анализ представленных на рис. 4.11 б электрических ха­рактеристик полученного устройства позволяет выявить некоторые отличия по­ведения системы от ожидаемого для транзистора на одиночном атоме [91].

Упо­мянутые особенности наблюдаются в окрестностях точек вырождения на ДС.96Точками вырождения традиционно называют точки “соприкосновения” двухблокадных кулоновских ромбов. К примеру, на рис. 4.11 б их можно наблюдатьпри значениях управляющих напряжений ≈ 10, 17, 23 и 28 В (при напряже­нии сток-исток = 0). При таких значениях напряжения на затворе транзисторнаходится в открытом состоянии, то есть на вольт-амперных характеристикахобразца не наблюдается кулоновская блокада. Положение точек вырожденияобычно легко определить по характеристикам управления, измеренным при ма­лых значениях напряжения сток-исток.

На таких характеристиках ток будетравен нулю практически при всех значениях , за исключением узких интер­валов, в которых транзистор оказывается в открытом состоянии. В этих узкихинтервалах будут наблюдаться токовые пики. Отличие характеристик нашейсистемы от известных характеристик одноэлектронного транзистора заключа­ется в следующем. Около точек вырождения, соответствующих ≈ 17, 23, 26наблюдается наличие дополнительных кулоновских ромбов малого размера свеличиной блокады менее 10 мВ и шириной не более 2 В по затворному напря­жению. На рис.4.12 представлены данные из обсуждаемой ДС в виде семействахарактеристик управления около одной из точек вырождения ( ≈ 17 В).

Наэтом участке характеристики обсуждаемые особенности видны наиболее отчёт­ливо. Видно, что на характеристиках управления упомянутый эффект прояв­ляется в виде наличия двух близко расположенных пиков тока вместо одного.Рисунок 4.12 — Семейство характеристик управления итоговогоодноэлектронного транзистора в узком диапазоне значений около точкивырождения.97Такое поведение может быть объяснено наличием двух примесных ато­мов внутри сформированного кремниевого мостика, через которые параллельнои независимо происходит перенос заряда между стоком и истоком транзисто­ра.

Очень похожие свойства наблюдались в работе [86], где также наблюдалсяпараллельный электронный транспорт через два примесных атома. Также по­хожие характеристики упомянуты в работах, где проводилось моделированиеодноэлектронного транспорта через 2 – 3 квантовые точки [147]—[149]. Снятиезапрета туннелирования (кулоновской блокады) через один из атомов в случаемалого напряжения между стоком и истоком имеет место в узких интервалахзначений и проявляется в виде узких пиков тока на характеристиках управ­ления. В случае, если параллельные каналы проводимости имеют одинаковыесобственные и взаимные с электродами ёмкости, то положения пиков, соответ­ствующих туннелированию через разные атомы, будут совпадать.

Однако вза­имная ёмкость сформированных этими атомами зарядовых центров с затвором(1 , 2 ) должна немного отличаться вследствие небольшой разницы в их рас­положении. Это приводит к несовпадению положений токовых пиков, соответ­ствующих разным примесным атомам. Учитывая геометрию транзистора (ши­рина мостика ≈ 20 нм, расстояние от него до затвора ≈ 100 нм), нетруднополучить, что взаимные ёмкости примесных атомов с затвором несильно отли­чаются друг от друга: 1 − 2 < 0.1(1 + 2 ) [150]. Разницу этих величинможно получить и из экспериментальных данных. На рис. 4.11 около первойточки вырождения, соответствующей ≈ 10 В, не наблюдается дополнитель­ных блокадных ромбов (по-видимому, положения пиков, соответствующих раз­ным примесям, близки).

В то же время, около следующей точки вырождения( ≈ 17 В) наблюдается два пика тока, отстоящих друг от друга на 1 В: одинна расстоянии 7 В от первой точки вырождения, другой а расстоянии 8 В от неё.Это значит, что влияние затвора на один из островов эффективнее примерно в8/7 раз, чем на другой. Отсюда с помощью несложных вычислений получаем1 − 2 ≈ 0.07(1 + 2 ).Зарядовая энергия = 2 /2Σ сформированных одноэлектронных тран­зисторов на основе одиночных примесных атомов превышает 10 мэВ, что теоре­тически позволяет наблюдать коррелированное туннелирование при температу­ре жидкого азота ( 77 ≈ 6.6 мэВ). Поэтому электрические характеристикиполученного в результате образца были дополнительно исследованы при темпе­ратуре 77 К.

Полученные результаты представлены на рис. 4.13.98а)б)в)г)Рисунок 4.13 — Электрические характеристики итогового транзистора притемпературе 77 К: (а) — вольт-амперная характеристика,(б) — характеристикауправления,(в) — диаграмма стабильности, (г) — дифференциальнаядиаграмма стабильности.По ДС образца (рис. 4.13 в) видно, что электрические характеристики по­лученной наноструктуры очень близки к характеристикам полевого транзисто­ра [151].

Однако, в то же время, их вольт-амперные характеристики (рис. 4.13 а)и характеристики управления (рис. 4.13 б) содержат детали, типичные для од­ноэлектронной системы. На ВАХ наблюдается участки пониженной проводимо­сти при низких напряжениях | | < 50 мВ и линейные участки при | | > 50 мВ.Это поведение, типичное для одноэлектронного транзитора в условиях тепло­вых флуктуаций, близких к зарядовой энергии острова [6]. Экстраполирован­ные на ось асимптотические участки ВАХ пересекают её при ≈ 20 − 40 мВ,что согласуется с величиной Кулоновской блокады, полученной при 4.2 К.

Нахарактеристиках управления наблюдаются участки с отрицательным значени­ем / , что также указывает на наличие коррелированного туннелирова­99ния через структуру. Упомянутые особенности могут быть выявлены на диа­грамме стабильности с помощью применения к ней традиционно используемойпри анализе ДС одноэлектронных транзисторов процедуры дифференцирова­ния (рис. 4.13). Обобщая полученные во время измерений при 77 К результаты,можно сделать вывод, что при такой температуре в созданной системе нарядус электронным транспортом, обеспечиваемом свободными носителями заряда,наблюдается также и коррелированное туннелирование электронов.Насколько нам известно, работоспособность одноэлектронного устрой­ства, основанного на одиночных примесных атомах, при такой сравнительновысокой температуре была продемонстрирована нами впервые.

Однако, стоитотметить, что теоретически рабочая температура подобного рода устройств мо­жет быть значительно выше. Очевидно, что в первую очередь для этого необ­ходимо и далее увеличивать зарядовую энергию острова транзистора. Крометого, необходимо использовать материалы с малой концентрацией собственныхсвободных носителей заряда, мешающих наблюдению одноэлектронных эффек­тов. Этого можно добиться применением других материалов в качестве осно­вы для формирования одноэлектронных устройств, основанных на одиночныхпримесных атомах.

Использованные в данной работе материалы (кремний ифосфор) являются стандартными для полупроводниковой индустрии. Они бы­ли выбраны, т. к. технологические операции, применяемые при создании нано­устройств на основе этих материалов, являются довольно хорошо изученнымии отработанными.

Однако стандартные материалы, применяемые для легирова­ния кремния (B, P, As, Sb), не являются оптимальными с точки зрения зарядо­вой энергии локализованных примесных атомов. Наибольшей зарядовой энер­гией будут обладать зарядовые центры на основе глубоко лежащих примесей,уровень которых максимально удалён от границ запрещённой зоны кристалла[152]. Стандартные же примеси, напротив, имеют уровень, лежащий довольноблизко к границе запрещённой зоны, позволяющий обеспечить высокий уровеньносителей свободного заряда.

По тем же соображениям оптимальным было быиспользование в качестве основы для создания одноатомных одноэлектронныхустройств кристаллов с большой величиной запрещённой зоны (диэлектриков),что одновременно позволило бы решить проблему с собственными свободныминосителями заряда. Однако, стоит отметить, что это потребовало бы не простоотработки аналогичных технологических процедур для новых материалов, нотакже увеличило бы требования к разрешению использованных литографиче­100ских процедур в связи с уменьшением эффективного размера острова и увеличе­нием величины энергетического туннельного барьера.

Предложенный в даннойработе метод последовательного уменьшения количества примесных атомов вканале транзистора может быть одним из возможных решений данной непро­стой задачи. А исследования в обозначенном направлении были бы логичнымпродолжением представленной здесь работы.В завершение подведём основные итоги главы 4. В начале главы проде­монстрирован разработанный метод изготовления кремниевых нанопроводовшириной менее 30 нм из неравномерно легированного кремния на изоляторе.Продемонстрировано, что среди изготовленных образцов реализуется несколь­ко основных типов структур: нанопровода с омическим сопротивлением, одно­электронные транзисторы на основе острова размером более 10 нм, одноэлек­тронные транзисторы на основе отдельных примесных атомов.

Представленоописание разработанного метода постепенного уменьшения поперечного сече­ния кремниевого нанопровода до состояния, когда электронный транспорт вместе наибольшего сужения проходит через 1 – 3 примесных атома. Высокоезначение зарядовой энергии ≈ 10 − 15 мэВ полученных одноэлектронныхтранзисторов на основе одиночных примесных атомов фосфора в кремнии поз­волило наблюдать коррелированное туннелирование при температуре 77 К.101ЗаключениеЦелями данной работы являлись 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 исследованияи физическая интерпретация полученных экспериментальных данных.

Характеристики

Список файлов диссертации