4. Транзи­сторы на основе туннельных перехо­дов мдм

Метал­лические одноэлектронные транзисторы являются одним из видов одноэлектронных транзисторов. В таком типе транзисторов исполь­зуются структуры типа Ме/МеxОy /Ме, которые получают используя технологические процессы электронно-лучевой литографии, напыления и локального окисления. В качестве металла Me чаше исполь­зуют Al, Ni, Сг, Ti.

Транзистор на основе туннельных переходов в структуре Ti/TiO_x /Ti представлен на рис. 3.24.

Рис. 3.24. Структура металличе­ского одноэлекгронного транзи­стора на основе туннельных пе­реходов.

Транзисторную структуру формируют методом окисления с по­мощью туннельного микроскопа. После нанесения пленки металла (Ti) ее поверхность окисляется анодированием с использованием ос­трия СТМ в качестве катода. Кон­фигурации затвора у транзисторов различные: одни имеют встречно­гребенчатую конфигурацию, другие в виде параллельных плоскостей. Такой транзистор может работать при комнатной температуре!

Транзистор на основе туннельных переходов А1/АlO_x/А1, сформированных методом линейного самосовмещения. Основная идея метода заключается в том, что туннельные переходы фор­мируются по краям базового электрода (островка), ограничивая один из размеров переходов его толщиной. Формируя очень узкую полоску базового электрода распылением и взрывной литографией, второй из размеров туннельных переходов получают также малым.

Транзистор на основе туннельных переходов Сг/Сг₂0₃/Сг, изго­товленный методом ступенчатого торцевого среза, представлен на рис. 3.25. Основная идея метода заключается в том, что пленка про­водника толщиной d₁ напыляется на предварительно изготовленную ступеньку диэлектрического материала толщиной d₂. При d₁< d₂, электроды не имеют контакта на торцах ступеньки, а ток через структуру течет за счет процесса туннелирования. Рабо­чая температура такого транзистора со­ставляет примерно 15 К.

Описанные выше транзисторные структуры можно отнести к разновидно­сти пленочных структур.

Рис. 3.25. Схема одноэлектронного транзистора на ос­нове ступенчатого среза.

5. Прибо­ры на основе цепочек коллоидных час­тиц золота.

Частицы золота осаждаются на подложку с использованием аминосиланового адгезионного сред­ства с предварительно изготовленными металлическими (Аи) элек­тродами истока, стока и затвора, при этом они формируют остро­вки, а их органические молекулы служат туннельными барьерами. 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. Рабочая температура прибора около 4,2 К, хотя при 77 К нелинейность ВАХ сохраняется.

6. Молекулярный одноэлектронный транзистор.

Боль­шая часть экспериментов по изучению одноэлектронных структур, полученных с помощью литографии, выполнялась при температуре около 1 К. Для повышения рабочей температуры необходимо умень­шить характерный размер структуры d, чтобы понизить типичное значение емкости С (для работы при Т = 300 К требуется С ≈10^-18 Ф соответствующее d ≈ 3 нм), и это довольно серьезная проблема. Технология, позволя­ющая легко получать низкие значения емкости, которая фак­тически и была первой методи­кой, примененной для исследо­вания одноэлектронного тунне­лирования при высоких температурах, основана на ис­пользовании сканирующего тун­нельного микроскопа (СТМ).

Игла СТМ, малая проводящая частица и подложка представля­ют собой простейшую одноэлек­тронную цепь из двух последо­вательных туннельных перехо­дов. Для достаточно малых металлических частиц одноэлектронный заряд сохраняется вплоть до комнатной температуры. Недостатком этой технологии было от­сутствие управляющего электрода, с помощью которого можно было бы воздействовать на электронный транспорт.

С помощью этой технологии создан действующий макет молеку­лярного одноэлектронного транзистора с металлическим затвором, который управляет туннелированием единичных электронов с иглы СТМ на подложку через кластерную молекулу (Рис. 3.26.).

Рис. 3.26. Схема одноэлектронного транзистора на основе единичной кластерной молекулы:

1- подложка;

2- изолирующая прослойка А1₂0₃;

3- золотой электрод затвора;

4- СТМ - сканирующий туннельный мик­роскоп.

Ленгмюр-блоджеттовские (ЛБ) монослои стеариновой кислоты с внедренными в них металлоорганическими кластерами осаждались на подложку из пиролитического графита с заранее сформирован­ным управляющим электродом (рис. 3.26).

Электрод изготовлен с помошью стандартной техники электрон­ной литографии и представляет собой систему тонких (50 нм) и узких (400 нм) золотых полосок, отстоящих друг от друга на рассто­янии 400 нм (рис. 3.26). Все полоски соединены последовательно и отделены от подложки изолирующей про­слойкой (А1₂0₃) толщиной 50 нм. Среднее расстояние между кластерами составляет около 20 нм. Размер и форма не являются абсолютно воспроизводимыми, что может объясняться, например, различной ориента­цией кластерных молекул в монослое.

Типичная вольт-амперная характеристи­ка для случая туннелирования через кластер­ную молекулу показана на рис. 3.27. Она имеет четко выраженную лестничную фор­му, которая отсутствует в случае, когда игла СТМ находится далеко от кластера. На ха­рактеристике различаются шесть ступенек, которые с хорошей точностью являются экви­дистантными с периодом по напряжению около 130 мВ. Показан ре­зультат измерений дифференциальной проводимости, полученный с помощью метода синхронного детектирования.

Рис. 3.27. Вольт-амперная характеристика и дифференциальная проводимость (как функция напряжения смешения Uс) молекулярного одноэлектронного транзистора.

Рис. 3.28. Зависимость тока через молекулярный одноэлектронный транзи­стор от напряжения на затворе

1 — зависимость тока через молекулярный кластерный транзистор; 2 - зависимость тока через иглу без кластера.

Зависимость туннельного тока I от напряжения на затворе U _з в случае, когда игла СТМ расположена над кластером, находящимся на расстоянии около 100 нм от управляющего электрода, представлена кривой 1 на рис. 3.28. Эта зависимость имеет периодический вид с пе­риодом около 0,8 В. Аналогичная зависимость наблюдается в случае, когда игла СТМ расположена над стеариновой кислотой. Когда игла СТМ расположена над плоским участком поверхности без кластеров, этот эффект на кривых ВАХ не наблюдается (кривая 2).

Итак, показано, что возможно получить управляемую одноэлек­тронную систему на основе единичного кластера или молекулы. При комнатной температуре наблюдается функционирование транзи­сторной структуры с явно выраженной кулоновской лестницей.