p1388-1394 (555682), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Известны металлические одноэлектронные транзисто­ры на основе других материалов. На рис. 2 пред­ставлен транзистор на основе туннельных переходов Ti/TiO_x/Ti. Он получен методом окисления с использо­ванием СТМ [18]. После нанесения пленки металла (Ti) ее поверхность окисляется анодированием с использова­нием острия СТМ в качестве катода. Такой транзистор может работать при комнатной температуре. Структура на рис. 3 — транзистор на основе туннельных перехо­дов Cr/Cr2O3/Cr, изготовленный методом ступенчатого торцевого среза [31]. Основная идея метода: пленка проводника толщиной d 1 напыляется на предварительно изготовленную ступеньку диэлектрического материала толщиной d2. При d 1 < d2 электроды не имеют кон­такта на торцах ступеньки, а ток через структуру течет за счет туннелирования. Рабочая температура прибора — около 15 K. Все описанные выше транзисторные струк­туры можно также отнести к разновидности пленочных структур.

К
классу цепочек туннельных переходов, кроме тран­зисторов, относятся многоостровковые цепочки. Одной из разновидностей таких структур являются приборы на основе гранулированных пленок. Примером может служить структура на основе гранулированной пленки Au/Al₂O₃ [19], полученной совместным распылением Au иAl₂O₃ на Au-подложку. Над этой пленкой располага­лась игла СТМ. Для такой структуры были измерены электрические характеристики, которые хорошо согла­совывались с теоретически рассчитанными характери­стиками для цепочки туннельных переходов. Эффект од-ноэлектронного туннелирования в структуре в большой степени зависит от содержания Au в пленке и положения иглы СТМ. Рабочая температура структуры — до 77 K. Другой пример прибора, относящегося к разновидно­сти гранулированных структур, — микроперемычка на основе гранулированной пленки NbN (рис. 4). Разме­ры пленки выбираются меньше эффективного размера зарядового солитона, что приводит к квазинульмерно­сти свойств электронной проводимости структуры. При­бор изготовлен "методом, зависящим от края" (edge-defined process)[14]. Управление током через структуру осуществляется посредством затвора, расположенного над островками. Рабочая температура микроперемычки около 4.2 K. В отличие от ранее приведенных структур данный прибор относится к классу матриц туннельных переходов. Его принципиальная структурная схема имеет размерность 2D (рис. 1).

Другая разновидность металлических одноэлектрон-ных структур — приборы на основе цепочек коллоидных частиц золота с молекулярными связями [ 20] . Эти части­цы Au являются островками, а органические молекулы, их связывающие, — туннельными барьерами. Частицы Au осаждаются с использованием аминосиланового адге­зионного средства на подложку с предварительно изго­товленными металлическими (Au) электродами истока, стока и затвора. В результате соответствующей обра­ботки образуются органические молекулы, связывающие осаждаемые коллоидные частицы и электроды истока и стока. Электронный транспорт в такой структуре осу­ществляется за счет туннелирования электронов через цепочку коллоидных частиц. Таким образом, данный прибор представляет собой многоостровковую цепочку и может быть описан принципиальной структурной схемой размерности 1D (рис. 1). Рабочая температура прибора около 4.2 K, хотя при 77 K нелинейность вольт-амперной характеристики (ВАХ) сохраняется.

Интересный способ изготовления металлических од­ноэлектронных структур был предложен в работе [40]. На подложку со слоем Sb на поверхности осаждалась пленка Ag. Из-за отсутствия смачивания этой пленки на поверхности подложки образовывались малые капли Ag ( островки) . С использованием СТМ, игла которо­го размещалась над одним из таких островков, была получена структура: (игла СТМ)-островок-подложка. Данная структура является двойным туннельным пе­реходом ( частный случай многоостровковой цепочки) . ВАХ структуры чувствительна к горизонтальной пози­ции иглы СТМ. Эффект одноэлектронного туннелирова-ния в структуре наблюдался при комнатной температуре.

3.2. Полупроводниковые структуры

Рассмотрим ряд разновидностей полупроводниковых структур по методу их изготовления.

Кремниевый одноэлектронный транзистор ( предста­витель класса цепочек туннельных переходов) —это прибор, исследованию которого уделяется в настоя­щее время большое внимание. Поэтому остановимся на описании разновидностей этой структуры. На рис. 5 представлен кремниевый одноэлектронный транзистор, сформированный в инверсионном слое МОП полевого транзистора с двойным затвором [ 8] . Нижний и верхний затворы получены методом ЭЛЛ и сухого химического

V gh Upper gate Т

т
равления. Нижний затвор ( положительно смещенный) формирует инверсионный канал, верхний затвор ( отри­цательно смещенный) — потенциальные барьеры. Рабо­чая температура прибора около 4.2 K.

К другой разновидности относится квантово-точечный транзистор ( рис. 6)[9] . Он изготовлен на основе структуры кремний-на-изоляторе с использованием ЭЛЛ и реактивного ионного травления. Канал с островком сформированы в верхнем кремниевом слое подложки. В отличие от предыдущего прибора данный транзистор имеет только один поликремниевый затвор, расположен­ный над каналом. В режиме туннелирования в структуре наблюдаются осцилляции тока в зависимости от напря­жения на затворе по причине двух эффектов: квантового ограничения и одноэлектронного туннелирования. При­чем были изготовлены квантово-точечные транзисторы с каналом п-и p-типа проводимости. Рабочая температура n-канального транзистора — до 100 K, p-канального — до 81 K [41]. Реализация таких структур открывает новые возможности для создания и использования комплимен­тарных пар квантово-точечных транзисторов. К этой же разновидности по методу изготовления относятся дру­гие приборы, например одноэлектронная память [ 27,42] . Структура этого прибора подобна структуре квантово-точечного транзистора ( рис. 6) , поэтому также относит­ся к классу цепочек туннельных переходов. Ее отличие от транзистора состоит в том, что в качестве островка выступает квантово-точечный плавающий поликремние­вый затвор. Хранение электрона на плавающем затворе приводит к экранированию канала от потенциала на управляющем затворе и сдвигу порогового напряжения. Известны различные методы получения плавающего за­твора: осаждение и второй этап ЭЛЛ и реактивного ион­ного травления [27], метод самосовмещения [42].Этот прибор может работать при комнатной температуре. Другой пример такой же разновидности — многоостров-ковая цепочка на основе квантового провода с двойным боковым затвором [ 34] . Туннельные переходы формиру­ются в результате образования обедненных областей в квантовом проводе при подаче напряжений на боковые затворы. Рабочая температура прибора около 2 K, хотя нелинейность в ВАХ наблюдается до 46 K.

Как одну из разновидностей кремниевых приборов по методу изготовления можно рассматривать структуры на основе наноразмерных кремниевых кристаллов, ис­пользуемых в качестве островков [26]. Наноразмерные кристаллы были получены обработкой в СВЧ плазме и покрыты слоем оксида. После этого они были оса­ждены на структуру с предварительно изготовленными электродами. Структура является квазиодномерной це­почкой туннельных переходов, так как ток течет через путь с наименьшим сопротивлением. Эффект одноэлек-тронного туннелирования наблюдается в структуре при комнатной температуре.

Интенсивно разрабатываются и одноэлектронные по­лупроводниковые структуры на основе GaAs. В таких структурах осуществляется ограничение ДЭГ в островки различными методами. По способу такого ограничения можно выделить ряд разновидностей структур. Рассмо­трим их на примере конкретных приборов.

n⁺ GaAs Substrate

Н

а рис. 7 показан прибор, который представляет собой двойной туннельный переход на основе гетероструктуры GaAs/AlGaAs [21]. В этом приборе ограничение ДЭГ в островки осуществляется посредством прикладывания напряжения к металлическим расщепленным затворам Шоттки, расположенным на поверхности структуры. ДЭГ формируется на границе раздела слоев GaAs и AlGaAs, его плотность контролируется напряжением, приложенным к проводящей подложке. При подаче от­рицательных напряжений на расщепленные затворы про­исходит обеднение ДЭГ под ними. В результате в ДЭГ формируется канал с малыми сегментами ( островками) между обедненными участками ( барьерами)[43,44] .Ра­бочая температура прибора около 0.5 K.

Другая разновидность может быть представлена тран­зистором на основе гетероструктуры GaAs/AlGaAs, в котором области затворов, истока, стока, островка и канала получены путем ЭЛЛ и реактивного ионного травления канавок в исходной пластине [23].Вре-зультате такого технологического процесса происходит ограничение ДЭГ в этих областях. В отличие от прибора, приведенного на рис. 7, в такой структуре затворы лежат в одной плоскости с областями истока, стока и островка (планарные затворы). Рабочая температура прибора около 22 мК.

Как одну из разновидностей отмеченных структур можно рассматривать транзистор на основе GaAs/AlGaAs, изготовленный методом ЭЛЛ и жид­костного химического вытравливания меза-структуры и формирования затворов Шоттки [36]. ДЭГ формируется на границе раздела слоев GaAs и AlGaAs. На боковых стенках полученного при травлении канала с ДЭГ сфор­мированы планарные затворы Шоттки электрохимиче­ским способом. Напряжение, подаваемое на эти затворы, обеспечивает ограничение ДЭГ в островки. Если в струк­туре с расщепленным затвором (рис. 7) электрическое поле приложено перпендикулярно ДЭГ, то горизонталь­ное электрическое поле, вызванное напряжением на планарном затворе Шоттки, действует на электроны в направлении, параллельном ДЭГ, вызывая его сильное ограничение. Рабочая температура прибора — до 20 K.

Существует ряд одноэлектронных структур с ДЭГ в 5-легированной пластине GaAs [13,38]. В таких струк­турах ДЭГ лежит выше 5-легированного слоя. Конту­ры структур (исток, сток, затворы и канал) очерчены методами ЭЛЛ и травления меза-структуры в пластине GaAs с 5-легированным слоем. В результате приклады­вания напряжения к боковым затворам, а также ввиду наличия примесей и шероховатостей границ в структуре происходит разделение канала с ДЭГ на ряд островков. Такие структуры относятся к классу цепочек туннельных переходов и могут использоваться при создании одно-электронной памяти. Рабочая температура структур с ДЭГ в 5-легированной структуре GaAs около 4.2 K.

3.3. Органические структуры

Примером органической структуры может быть, на­пример, транзистор на основе пленки из смеси стеарино­вой кислоты и карбонатовых кластеров, которые являют­ся островками [29]. Прибор был изготовлен следующим образом. На атомарно гладкую поверхность графита с предварительно сформированным электродом управле­ния осаждалась смешанная пленка стеариновой кисло­ты с включенными в нее карбонатовыми кластерами. Электрод из тонких двухслойных полосок (слой Au на Al2O3) формировался методом электронной нанолито-графии. Характеристики такой структуры исследовались с использованием СТМ, игла которого размещалась над кластерами. Эффект одноэлектронного туннелирования наблюдается в приборе при комнатной температуре.

4. Заключение

Ряд одноэлектронных структур не рассмотрен в статье в виду их большого разнообразия [45,46] иограничен-ности объема статьи. Некоторые из них функционируют на основе не только эффекта одноэлектронного тунне-лирования, но и других механизмов транспорта [47-49] (приборные структуры смешанного типа),втомчисле на явлении квантовой интерференции [50], например квантовые интерферометры на основе расщепленных колец Ааронова-Бома с квантовой точкой в одном из плеч [ 51,52]. В последнее время появились также структуры, которые можно отнести к функционально-интегрированным элементам или простейшим инте­гральным схемам [53,54], однако и они могут быть классифицированы согласно приведенным в статье прин­ципам.

Таким образом, предложена классификация прибор­ных структур наноэлектроники одного типа, в осно­ву которой положены выделенные в работе принципы. Большое количество известных в настоящее время на-ноэлектронных приборов рассмотренного типа может быть описано в рамках данной классификации. На ее основе могут быть также предложены новые приборы одноэлектроники.

Работа выполнена при частичной финансовой под­держке Республиканских научно-технических программ Белоруссии: "Информатика", "Низкоразмерные систе­мы" и "Наноэлектроника".

Список литературы

[1] Д.В. Аверин, К.К. Лихарев. ЖЭТФ, 90, 733 (1986).

[2] Single Charge Tunneling: Coulomb Blockade Phenomena

in Nanostructures, ed. by H. Grabert and M.H. Devoret.

NATO ASI Series B: Physics (Plenum, N. Y., 1992) v. 294. [ 3 ] Special Issue on Single Charge Tunneling,ed.byH.Grabert.

Z. Physik B, 85,№3 (1991). [4] Ж.И. Алферов. ФТП, 32,3 (1998). [5] W.H. Richardson. Appl. Phys. Lett., 71, 1113 (1997). [6] P. Lafarge, H. Pothier, E.R. Williams, D. Esteve, C. Urbina,

M.H. Devoret. Z. Phys., B, 85, 327 (1991). [7] K.K. Likharev. IEEE Trans. Magn., 23, 1142 (1987).

Характеристики

Список файлов учебной работы