gerasimenko_n_n_zaicev_s_a_tehnologii_izgotovleniya_nanostru

Одноэлектроника

Рис. 9.7. Зависимость напряжения на КТ при постоянном токе через нее I = 300 пА в зависимости от напряжения на затворе [8]

9.3. Сотуннелирование

В системах с несколькими переходами, помимо последовательных событий туннелирования, возможно также туннелирование более высокого порядка, так называемое сотуннелирование (co-tunneling) [8], при котором сохраняется энергия лишь между начальным и конечным состояниями всего массива переходов.

Другими словами, массив переходов является «черным ящиком», на входе и выходе которого энергия проходящего через него электрона сохраняется, но поведение электрона на каждом отдельном переходе неопределенно. Кроме того, возможно также неупругое туннелирование, при котором происходят генерация или рекомбинация элек- тронно-дырочных пар.

9.4. Квантовые размерные эффекты

Изложенная выше теория является полуклассической, так как наряду с классическими кулоновскими эффектами присутствует квантовое туннелирование. Однако в одноэлектронных системах возможны и чисто квантовые эффекты, связанные с пространственными ограничениями объектов.

121

Одноэлектроника

При использовании двух и более переходных систем между двумя электродами находятся малые объекты, которые при определенных условиях (геометрические размеры и температура) можно считать КТ, т. е. нульмерными объектами, в которых энергетический спектр представляет собой набор дискретных уровней. Проведя несложный анализ [7], можно увидеть, что для зерна Al с характерным размером 4,3 нм для наблюдения квантово-размерных эффектов необходима температура меньше 1,5 К.

Для полупроводниковых точек, однако, необходимая температура будет выше из-за более низкой плотности состояний и малой эффективной массы электрона. При наличии в зерне отдельных энергетических уровней электрон сможет туннелировать только через них, и на ВАХ одноэлектронной системы на кулоновской лестнице будет проявляться структураэнергетическихуровней.

Это хорошо видно на рис. 9.8, где показана одна ступенька кулоновской лестницы при наличии квантовых размерных эффектов. Подробно транспорт через дискретные энергетические уровни в КТ рассмотрен с теоретической точки зрения в работе [11]. В ней обсуждено влияние флуктуаций потенциала на транспортные свойства КТ. Показано, что наличие таких флуктуаций делает пики кулоновских осцилляций нерегулярными.

Рис. 9.8. ВАХ (а), снятая при 0,32 К, соответствующая началу кулоновской лестницы, и производная dI/dV (б) [7]

122

Одноэлектроника

9.5. Эффекты, связанные с кулоновской блокадой

Внекоторых работах помимо собственно эффекта кулоновской блокады исследованы эффекты, которые могут возникать при кулоновской блокаде, и их влияние на саму блокаду. Так, в работе

[12]рассмотрен случай, когда кулоновский островок может изменять положение относительно электродов, что имеет место при использовании в качестве туннельных диэлектриков органических материалов. Показано, что кулоновский островок будет периодически менять положение относительно электродов, курсируя между ними наподобие челнока при передаче электронов. В результате даже при равенстве толщин туннельных барьеров возникает кулоновская лестница.

Вработе [13] проанализировано влияние изменения формы кулоновского островка в режиме кулоновской блокады. Такая ситуация может быть, если кулоновский островок образован ограничивающим потенциалом (областями обеднения). Определено, что это влияние скажется на емкости островка, однако никаких качественных изменений не произойдет.

Работа [14] посвящена теоретическому исследованию возможности одноэлектронного туннелирования в туннельных диодах. Установлено, что свойства одноэлектронного туннельного диода будут существенно отличаться от свойств обычных туннельных диодов. Среди отличий, например, следует отметить ступенчатое изменение тока насыщения с периодом e/(2C).

9.6. Реализация одноэлектронных приборов

Конструкции одноэлектронных приборов весьма различны, но их можно классифицировать по нескольким признакам [15, 16].

По направлению протекания тока конструкции делятся на гори-

зонтальные (латеральные) и вертикальные. В горизонтальных приборах направление протекания тока параллельно плоскости поверхности структуры, в вертикальных – перпендикулярно.

По способу формирования КТ бывают приборы на постоянных и временных КТ.

Заметим, что термин «КТ» по отношению к малому объекту не всегда корректен, так как квантования энергетического спектра может и не наблюдаться. Однако этот термин широко используется в силу того, что для квантования спектра достаточно понизить температуру. В дальнейшем будем придерживаться такой терминологии.

123

Одноэлектроника

Постоянная КТ существует все время и представляет собой чаще всего какой-либо кластер (металлический или полупроводниковый). Временная КТ создается в двумерном электронном газе путем приложения обедняющих напряжений, т. е. существует лишь во время работы прибора. Кроме того, приборы на временных КТ можно разделить по способу формирования двумерного электронного газа на инверсные и гетероструктурные. В инверсных приборах двумерный электронный газ образуется в инверсных приповерхностных каналах путем приложения соответствующего напряжения. В гетероструктурных приборах двумерный электронный газ сосредоточен на гетерогранице.

По количеству КТ приборы могут быть нуль- (одноточечные), одно- (цепочка точек) и двумерные (массив точек).

По управляемости параметрами КТ приборы делятся на не-

управляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные, с одним или несколькими затворами).

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся конструкции одноэлектронных приборов.

9.7. Кремниевые одноэлектронные приборы

Рис. 9.9. Схема кремниевого одноэлектронного транзистора с двумя затворами наодиночной(а) идвойной(б) КТ(согласноработам[17] и[18] соответственно).

VUG, VLG – напряжения на верхнем и нижнем затворах соответственно;

VD – напряжение на стоке.

Конструкция, основанная на принципе работы МОП–транзистора (металл–оксид–полупроводник) с индуцированным каналом, предложена в работах [17–19]. В работах [17, 19] описан транзистор на одной КТ, а в работе [18] – на двух. Конструкции этих транзисторов приведены на рис. 9.9. Затвор таких транзисторов состоит из двух электри-

124

Одноэлектроника

чески не связанных частей. Подача на нижний затвор положительного напряжения формирует инверсный n–канал в p–подложке, а подача на верхний затвор отрицательного напряжения разрывает канал областями обеднения, формируя КТ.

Эти приборы являются планарными управляемыми приборами на одной или двух временных КТ. На рис. 9.10, а показаны зависимости тока стока для одноточечного транзистора от напряжения на нижнем затворе при различных напряжениях на верхнем затворе [17]. На рис. 9.10, б представлены аналогичные характеристики, но при различных температурах [18]. Осцилляции на этих зависимостях соответствуют присутствию отдельных электронов.

Рис. 2.10. Зависимости тока стока от напряжения на нижнем затворе для различных напряжений на верхнем затворе (а) при 4,2 К [17] и различных температур (б) при VUG = −1 В и VD = 0,2 мВ [18]

Сделаны как электронный [20], так и дырочный [21] приборы, использующие эффект кулоновской блокады (рис. 9.11). В кремниевой подложке создавали изолирующий слой путем имплантации кислорода, при помощи электронной литографии и реактивного ионного травления формировали необходимый рисунок. Затем проводили термическое подзатворное окисление, которое уменьшало размеры КТ и увеличивало высоту потенциальных барьеров между точкой и контактами. Сверху наносили поликристаллический кремниевый затвор. Разница заключалась в исполь- зованииn-Si дляэлектронногоиp-Si длядырочноготранзистора.

125

Одноэлектроника

Рис. 9.11. Схема квантового одноэлектронного транзистора [20]

Описанные транзисторы являются управляемыми планарными приборами на одной постоянной КТ. На рис. 9.12 приведены изображения электронного и дырочного транзисторов, полученные при помощи растрового электронного микроскопа (РЭМ). Зависимость тока стока от затворного напряжения для электронного транзистора при различных температурах представлена на рис. 9.13. Аналогичные зависимости получены и для дырочного транзистора.

а) б)

Рис. 9.12. Изображения электронного (а) и дырочного (б) транзисторов, полученные при помощи РЭМ (согласно работам [20] и [21] соответственно)

126

Одноэлектроника

Рис. 9.13. Зависимости тока стока от напряжения на затворе для электронного транзистора при различных температурах T [23]

Следует отметить, что эти два транзистора – единственные одноэлектронные приборы (кроме реализованных при помощи СТМ), работающие при температурах выше 77 К. Однако вопрос о воспроизводимости 10-нм структур при помощи электронной литографии в работе [20] не рассматривали.

Конструкция с аналогичными характеристиками создана в работе [22]; транзистор отличается большими размерами и работает до температуры 28 К.

В работе [23] предложена конструкция, показанная на рис. 9.14. Прибор изготавливали следующим образом: на поликремниевый слой наносили толстый слой SiO2. При помощи электронной литографии и реактивного ионного травления формировали островок Si–SiO2. Затем проводили термическое окисление для получения тонкого (2 нм) оксида на боковой поверхности островка. После нанесения еще одного слоя поликремния при помощи электронной литографии и реактивного ионного травления формировали подводящие контакты (см.

рис. 9.14).

127

Одноэлектроника

Рис. 9.14. Схема одноэлектронного транзистора [23]

Роль КТ играл островок, туннельные контакты осуществлялись через тонкий боковой оксид. Емкость перекрытия контактов и островка уменьшалась за счет большой толщины SiO2 (50 нм) сверху островка. В качестве затворного электрода использовали подложку. Классификация прибора аналогична предыдущему.

Как видно из рис. 9.14, площадь туннельного контакта определяется высотой островка и шириной подводящего контакта, которые составляли 30 и 100 нм соответственно. Таким образом, емкость контактов при толщине бокового оксида 2 нм составляла 50 фФ. Изображение структуры, полученное с помощью РЭМ, показано на рис. 9.15. На рис. 9.16 представлены характерные одноэлектронные осцилляции тока стока от напряжения на затворе (т. е. на подложке). Измерения проводили при температуре 4,2 К.

Рис. 9.15. Изображение одноэлектронного транзистора (см. рис. 2.14), полученное при помощи РЭМ [23]

128

Одноэлектроника

Рис. 9.16. Зависимость тока стока от напряжения на затворе [26]. Напряжение на стоке 3 мВ

Другой типичный пример реализации одноэлектронного прибора, представляющего собой элемент памяти МДП–типа (металл– диэлектрик–полупроводник) с ультракоротким каналом, представлен в работе [24].

Рассмотрим металлический кластер (для определенности сферический, радиуса R), помещенный в диэлектрическую среду с диэлектрической проницаемостью ε. Потенциал такого кластера равен

где q – электрический заряд; C = εR – емкость.

Для кластера размером в несколько нанометров емкость составляет ~10−18 Ф. Поэтому один электрон, помещенный в подобный кластер, создает потенциал порядка 0,1 В. Такой потенциал может оказаться вполне достаточным для кулоновской блокады транспорта других электронов. Это открывает возможности для создания нового класса

129

Одноэлектроника

так называемых одноэлектронных приборов. Разработано несколько типов приборных структур этого типа: одноэлектронные элементы памяти (рис. 9.17); полевые транзисторы, управляемые одиночным электроном на затворе; одноэлектронный аналог биполярного транзистора; «одноэлектронный насос» и др. В настоящее время практическая реализация таких структур, как правило, основана на использовании прецизионной литографии тонких металлических пленок или полупроводниковых слоев с двумерным газом. Пространственное разрешение, характерное для этого подхода, в большинстве случаев не позволяет создать объекты достаточно малого размера, что ограничивает рабочую температуру подобных устройств на уровне температуры жидкого гелия и ниже. Следует, однако, отметить значительный прогресс этой технологии, достигнутый в последнее время. Например, имеется информация о создании одноэлектронной памяти, работающей при комнатной температуре, на основе полевого транзистора с очень узким каналом и плавающим затвором нанометрового размера.

Рис. 9.17. Одноэлектронное устройство памяти с наноразмерным кластером

вкачестве плавающего затвора. Схематическое изображение структуры (а)

иэнергетические диаграммы до (б) и после (в) захвата электрона на кластер. Захват одного электрона приводит к запиранию узкого канала за счет эффекта

кулоновской блокады

130