Тема 5. Перенос носителей заряда в низкоразмерных структурах и приборы на их основе Электронные приборы на основе интерференционных эффектов и баллистического транспорта носителей заряда. Приборы на основе одноэлектронного туннелирования. Приборы на основе резонансного туннелирования. Спин-зависимый транспорт носителей заряда.. Гигантское магнитосопротивление. Спин -контролируемое туннелирование. Управление спинами носителей заряда в полупроводниках. Спинтронные приборы.

Электронные приборы на основе интерференционных эффектов и баллистического транспорта носителей заряда.

Использование явления квантовой интерференции. Квантовая механика описывает свободные электроны как волны, которые распределены и распространяются по всему проводнику или полупроводнику. Как волны, они характеризуются своими скоростью распространения (или волновым вектором), частотой (или длиной волны), амплитудой и фазой. Если волна распространяется свободно, то разные ее части остаются когерентными, т.е. могут интерферировать между собой. При неупругих рассеяниях когерентность теряется. Среднее расстояние, которое электронная волна проходит, сохраняя когерентность, называют длиной когерентности. Интерференция электронных волн имеет место в структурах с размерами меньше или порядка длины фазовой когерентности электрона, что типично для твердотельных структур с нанометровыми размерами. При этом проводимость структуры определяется эффектами, связанными с интерференцией, и осуществляется в баллистическом или квазибаллистическом режимах переноса носителей заряда. Последний допускает слабое рассеяние носителей, что является типичным для большинства наноструктур, рассматриваемых как системы с незначительным атомным беспорядком. В этом случае их критический размер определяется средней длиной свободного пробега носителей заряда при неупругом рассеянии.

На рис. 3.11 слева показан проводящий (полупроводниковый) элемент, который имеет вход, разветвление (1 и 2) и выход. Если размеры элемента меньше длины когерентности, то электронная волна, распространяясь вдоль ветвей 1 и 2, сохраняет когерентность, благодаря чему ее части, объединяясь на выходе, могут интерферировать. Результат интерференции зависит от разности их фаз: если фазы противоположны, то электронные волны, встречаясь, гасят одна другую, и электрический ток на выходе близок к нулю (деструктивная интерференция). Если же фазы совпадают, то электронные волны усиливают одна другую, и электрический ток на выходе максимальный (конструктивная интерференция).

Рис. 3.11. Слева – топология элемента с квантовой интерференцией. Справа – конструкция интерференционного транзистора

Разность фаз электронных волн, распространяющихся вдоль разных ветвей структуры, может зависеть от различных факторов. Например, если над одной из ветвей нанести тонкий слой диэлектрика и сформировать на нем электрод затвора, то электрическое поле этого затвора будет несколько изменять волновой вектор электронов.

В результате между электронными волнами, которые приходят к стоку, возникнет разность фаз

( 3.31)

где – волновой вектор электронов в подзатворной области (он зависит от напряжения на затворе), – волновой вектор во всех других местах, – длина пути, который проходят электроны под затвором. Такую структуру называют квантовым интерференционным транзистором (англ. quantum interference transistor). Электрический ток стока синусоидально зависит в нем от потенциала затвора.

Другой вариант квантового интерференционного транзистора показан на рис. 3.12 слева. Электронная волна от истока разделяется на 2 части. Одна движется к стоку коротким путем (1), а другая (2) сначала движется к затвору.

Рис. 3.12. Слева – другая конструкция интерференционного транзистора. Справа – схема наблюдения эффекта Ааронова–Бома

Когда к затвору приложено отрицательное напряжение, то электроны отталкиваются электрическим полем и поэтому, не доходя до затвора, электронная волна отражается и движется в противоположном направлении. На электроде стока электронные волны 1 и 2 интерферируют. Результат интерференции зависит от разности фаз между ними, а она, в свою очередь, зависит от расстояния . Расстояние это тем меньше, чем больше по абсолютной величине отрицательный потенциал на затворе. Незначительные изменения этого потенциала могут приводить к значительным изменениям тока стока. Если в активной области прибора электронами заполнена только одна энергетическая подзона, то в нем могут распространяться только электронные волны с одной длиной волны, что соответствует одномодовому режиму работы прибора. Это обеспечивает возможность управления током за счет интерференции электронных волн, пришедших в сток по траекториям различной протяженности. Проводимость между истоком и стоком можно переключать между состояниями «включено» и «выключено» путем изменения разности хода L всего лишь на несколько электронных длин волн. Кольцевой интерференционный транзистор имеет кольцевую конструкцию, в которой одну сторону кольца пересекает узкий затвор шириной ΔL (рис. 3. 11). Затвор может быть использован для изменения электронной плотности, что приводит к возникновению разности хода между электронными волнами, распространяющимися через различные половинки кольца, т. е. через разные ветви. Электроны из разных ветвей покидают кольцо в одной и той же точке и, если разность фаз кратна 2π, конструктивно интерферируют, в результате чего проводимость кольца оказывается максимальной. Следовательно, проводимость может осциллировать с определенным периодом. Модуляция может в принципе достигать 100% для одномодовых колец.

В обоих вариантах квантовый интерференционный транзистор может иметь значительный коэффициент усиления и высокое быстродействие. Ведь скорость электронных волн достаточно велика, а расстояния – порядка нанометров. Например, в арсениде галлия м/с, и при нм время распространения волны от истока к стоку составляет порядка с. Поэтому соответствующая частота переключений транзистора теоретически может быть порядка сотен гигагерц. Практически же предельная частота зависит от "паразитных" параметров схемы, в первую очередь, от времени перезарядки электрических емкостей затвора и стока.

Еще одним фактором получения разности фаз электронных волн, распространяющихся вдоль различных ветвей проводника, и управления величиной тока на выходе может служить магнитное поле ( рис. 3.12 справа). В условиях существования квантовой интерференции в замкнутом проводящем или полупроводниковом кольце (контуре) оказываются допустимыми лишь такие электронные волны, при которых сквозь отверстие контура проникает целое число квантов магнитного потока

( 3.32)

где – постоянная Планка, – электрический заряд электрона. Если внешнее магнитное поле создает магнитный поток , который не равняется целому числу квантов, то в контуре возникает дополнительный циркулирующий ток, который создает магнитный поток сквозь отверстие контура, равный разности . А это приводит к сдвигу фаз между электронными волнами, которые распространяются вдоль разных ветвей контура, на величину

( 3.33)

Это явление называют эффектом Ааронова–Бома (англ. Aharonov-Bohm effect). Его тоже можно использовать в электронике. Наиболее ярким экспериментальным проявлением эффекта Ааронова-Бома является изменение сопротивления углеродных нанотрубок, помещенных в магнитное поле (рис. 3.2). Так как нанотрубка представляет собой цилиндрический проводник, то электроны в ней могут распространяться или по часовой стрелке, или против часовой стрелки. Взаимодействие этих двух групп электронов приводит к периодической модуляции продольного электрического сопротивления трубки, поскольку изменяется магнитный поток через нее. Сопротивление имеет максимумы при значениях напряженности магнитного поля, определяемых потоком магнитного поля и площадью поперечного сечения трубки.

Рис. 3.2. Схема измерения сопротивления углеродных нанотрубок, помещенных в магнитное поле (а) и наблюдаемое изменение сопротивления (б)

Рис. 3.11. Кольцевая конструкция квантового интерференционного транзистора

Рис. 3.12. Квантовый интерференционный транзистор на молекуле бензола: 1, 2 и 3 - молекулярные блоки, связывающие молекулу бензола с соответствующими управляющими электродами

Интерес к квантовому интерференционному транзистору обусловлен тем, что этот прибор может обладать быстродействием и иметь большой коэффициент усиления. Быстродействие связано главным образом с его малыми размерами (скорость движения электронов в GaAs составляет около 10⁵ м/с, и поэтому время переноса носителей зарядов (время пролета) через активную область протяженностью 100 нм составляет всего 10^-12 с). Конечно, как и в обычных полевых транзисторах, максимальная рабочая частота будет ограничена паразитными параметрами, такими как время зарядки RC цепочки затвора. На практике быстродействие квантового интерференционного транзистора почти такое же, как у короткоканальных полевых транзисторов, а преимущество связано с потенциально высокой крутизной характеристики прямой передачи. Оригинальная конструкция интерференционного транзистора схематически показана на рис. 3.12. Здесь в качестве кольцевого интерферометра используется молекула бензола, которая присоединяется к управляющим металлическим электродам с помощью промежуточных проводящих молекулярных блоков. В качестве последних могут выступать линейные и циклические молекулы полимеров, а также квантовые шнуры из неорганических материалов. Электронные волны, выходящие из электрода 1, интерферируют у входа к молекулярному блоку, соединяющему молекулу бензола с электродом 3. Интерференцией электронов (конструктивной или деструктивной) управляет электрод 2 посредством зарядового или туннельного эффектов. Предложенный принцип построения интерференционных транзисторов допускает использование в качестве рабочей не только молекулы бензола, но и молекул моноциклических ароматических углеводородов, а также молекул с кольцеобразной конфигурацией, например металлсодержащих фталоцианинов.

Идея создания молекулярных интерференционных транзисторов хотя и получила достаточное теоретическое обоснование, пока практически не освоена. В целом, наряду с очевидными достоинствами квантовых интерференционных транзисторов (малые размеры, низкая потребляемая мощность) есть факторы, ограничивающие их практическое применение. Это, в первую очередь, низкие рабочие температуры, что диктуется необходимостью отсугствия рассеяния носителей заряда в рабочей области прибора. Даже если использовать чистые материалы, все равно при нанометровых размерах рабочих областей приемлемые по длине фазовой когерентности условия удается реализовать лишь при температурах жидкого азота (77 К) и ниже. Другим существенным ограничением является требование одномодовости проводящего канала. Это приводит к тому, что рабочие токи в интерференционных транзисторах должны быть очень маленькими. Как следствие, такие приборы нуждаются в дополнительных усилителях и имеют очень низкую помехоустойчивость. Названные ограничения пока сдерживают применение интерференционных транзисторов в современных интервальных схемах.

Приборы на основе одноэлектронного туннелирования. Туннелирование электрона через потенциальный барьер - типичный пример проявления его волновых свойств. В низкоразмерных структурах это явление приобретает специфические особенности, связанные с дискретностью переносимого электроном заряда и с квантованием энергетических состояний в таких структурах из-за квантового ограничения. Наиболее характерно такие особенности проявляются в одноэлектронном туннелировании и в резонансном туннелировании, которые и будут рассмотрены в этом разделе.

Одноэлектронное туннелирование. Туннелирование электронов в условиях кулоновской блокады. Наличие у электрона неделимого отрицательного заряда наряду с его волновыми свойствами определяют анализируемую ниже специфику его туннелирования в твердотельных наноструктурах. Известно, что электрический ток в твердотельном проводнике обусловлен движением электронов относительно неподвижных ионов решетки. Хотя каждый электрон несет на себе дискретный элементарный заряд, общий перенесенный через проводник заряд (представляющий собой соответствующее квантовомеханическое среднее) изменяется не скачкообразно, как можно было бы ожидать, а непрерывно, поскольку, согласно квантовой механике, вероятности нахождения электрона в разных областях проводника меняются непрерывно во времени. При этом для каждого электрона сумма вероятностей его нахождения в разных областях проводника всегда остается равной единице. Так, например, если в начальный момент времени t = 0 электрон находится в квантовой точке А, то сначала вероятность Р_А обнаружить его в этой точке равна, единице, а вероятность Рв обнаружить его в точке В, куда он движется, равна нулю. Это означает, что заряд точки А равен -е, а заряд точки В равен нулю. С течением времени величина Р_А монотонно уменьшается до нуля, а Рв увеличивается до единицы, но при этом Р_А(t) + Рв (t) = 1. Поэтому в произвольный момент времени t заряды точек А и В будут равны -еР_А(t) и -eP_В(t) соответственно, т. е. их абсолютные величины могут быть меньше элементарного заряда электрона.

В структуре, состоящей из двух областей проводника, разделенных потенциальным барьером из тонкого слоя диэлектрика, заряд переносится комбинированным образом: непрерывно в проводнике и дискретно через диэлектрик. Первоначально граница раздела между проводником и диэлектриком электрически нейтральна. При подаче на внешние контакты структуры электрического потенциала начинается непрерывное изменение заряда в проводнике. Оно сопровождается накоплением заряда на границе с диэлектриком. Накопление заряда продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва от границы и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения этот процесс повторяется неоднократно. Электрон приобретает возможность туннелировать через диэлектрик, когда накопленный заряд становится больше +е/2 (туннелирование в «прямом» направлении) или меньше -е/2 (туннелирование в «обратном» направлении), поскольку только при этом условии электростатическая энергия системы уменьшается. При промежуточных значениях накопленного заряда туннелирование невозможно из-за кулоновского взаимодействия электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в проводнике. Данное явление называют кулоновской блокадой (Соulomb blockade). Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады было теоретически описано советскими учеными . На основе их работ в 90-х годах ХХ века сформировалось новое направление в наноэлектронике - одноэлектроника (single-electronics).

Cущественное влияние на электронный транспорт эффект одноэлектронного туннелирования может оказывать в структурах с наноразмерными областями. Такая возможность имеется, в частности, благодаря явлению кулоновской блокады. Кулоновская блокада — блокирование прохождения электронов через квантовую точку, включённую между двумя туннельными контактами, обусловленное отталкиванием электронов в контактах от электрона на точке, а также дополнительным кулоновским потенциальным барьером, который создаёт электрон, усевшийся на точке. Аналогично тому, как поле ядерных сил при альфа-распаде препятствует вылету альфа-частицы, кулоновский барьер препятствует вылету электрона из точки, а также попаданию новых электронов на неё. Экспериментально кулоновская блокада проявляется как пикообразная зависимость проводимости точки от потенциала точки, то есть от напряжения на дополнительном электроде (затворе). Это явление наблюдается тогда, когда кулоновская энергия e²/2C (обусловленная даже одним электроном с зарядом e; C-ёмкость точки) квантовой точки заметно больше, чем температура и расстояние между уровнями квантовой точки. Одноэлектронный транзистор (англ. Single-electron transistor, SET) — транзистор, в основе концепции которого лежит возможность получения заметных изменений напряжения при манипуляции с отдельными электронами. Аналогично полевому полупроводниковому транзистору, одноэлектронный транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. В области между электродами располагаются два туннельных перехода, разделённых дополнительным металлическим или полупроводниковым электродом с малой ёмкостью, который называется «островом». Остров представляет собой наночастицу или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определённых условиях происходить движение электрона. Электрический потенциал острова может регулироваться изменением напряжения на затворе, с которым остров связан ёмкостной связью. Если приложить напряжение между истоком и стоком, то ток, вообще говоря, протекать не будет, поскольку электроны заблокированы на наночастице. Когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, кулоновская блокада прорвётся, электрон пройдёт через барьер, и в цепи исток-сток начнёт протекать ток. При этом ток в цепи будет протекать порциями, что соответствует движению единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через кулоновские барьеры одиночные электроны. Количество электронов в наночастице должно быть не более 10 (а желательно и меньше). Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм.

Рис. 1. Схема одноэлектронного транзистора. Одноэлектронный транзистор (англ. single electron transistor сокр., SET) - трехэлектродный туннельный прибор, на эффекте кулоновской блокады, состоящий из проводящего островка с малой собственной емкостью, соединенного с истоковым и стоковым электродами туннельными переходами с малой емкостью и проводимостью, и имеющего емкостную связь с электродом затвора.

Рассмотрим более подробно конструкцию и принцип работы одноэлектронного транзистора. Также как и полевой полупроводниковый транзистор, он имеет три электрода, называемые истоком, стоком и затвором. В области между электродами (рис. 1.) располагается дополнительный металлический или полупроводниковый «наноостровок» - наночастиица или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определенных условиях происходить движение электрона. Если приложить напряжение между истоком и стоком транзистора, то ток протекать не будет, поскольку электроны в данный момент заблокированы на наночастице. Для появления тока необходимо увеличить потенциал на управляющем электроде - затворе. Только когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, блокада прорывается, электрон получает способность пройти через барьер, и в цепи исток-сток начинает протекать ток. При этом электрический ток в цепи протекает порциями, что соответствует движениям единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через барьеры одиночные электроны.

Объяснением работы SET являются квантовые состояния электрона при разных потенциалах на затворе. В блокированном состоянии у электрона на истоке нет доступных энергетических уровней в пределах диапазона туннелирования (красная точка на рис. 2). Все уровни с меньшей энергией на острове заняты.

Рис. 2. Энергетические уровни истока, проводящего канала (острова) и стока (слева направо) в одноэлектронном транзисторе для закрытого (верхняя часть) и проводящего (нижняя часть) состояний.

Когда к затвору прикладывается положительный потенциал, энергетические уровни на острове понижаются. Электрон (зелёный 1.) может туннелировать на остров (зелёный 2.), занимая свободный энергетический уровень. Отсюда он может туннелировать на сток (зелёный 3.), где он неупруго рассеивается и достигает на нём уровня Ферми (зелёный 4.).

Энергетические уровни на острове распределены равномерно; расстояние между ними () равно энергии, необходимой каждому последующему электрону для попадания на остров, обладающий ёмкостью . Чем ниже , тем больше .

При нулевом значении приложенного напряжения, уровень Ферми на металлических электродах будет находиться внутри энергетической щели. При повышении напряжения до порогового значения возникает туннелирование слева направо, а при повышении обратного напряжения выше пороговой возникает туннелирование справа налево.

Существование кулоновской блокады четко видно на вольт-амперной характеристике

Рис. 3.6.

а) Структура туннельного перехода. Справа – временные диаграммы: б) включения напряжения; в,г) электрического тока и напряжения на переходе, когда напряжение мало; д,е) напряжения на переходе и электрического тока, когда приложенное напряжение превышает U_К. ж) Зависимость среднего тока сквозь туннельный переход от приложенного напряжения одноэлектронного транзистора (графике зависимости тока стока от напряжения на затворе).

При низких (по абсолютному значению) напряжениях на затворе ток стока будет равен нулю, а при повышении напряжения выше порога переходы ведут себя подобно омическому сопротивлению.

Интересным оказался случай двойного туннельного барьера (рис. 3.7.а), когда наноостровок НО из металла или полупроводника находится в диэлектрике Д между двумя электродами Эл1 и Эл2 и отделен от них тонкими туннельными барьерами. Если материалы электродов и ширина обоих барьеров приблизительно одинаковы, то ВАХ такой двойной туннельной структуры подобна ВАХ на рис. 3.6.ж, но, как правило, немного сдвинута в ту или другую сторону вдоль горизонтали ( рис. 3.7.б). Это связано с начальным (при ) зарядовым состоянием наноостровка.

Рис. 3.7. а) Структура двойного туннельного барьера. б) ВАХ приблизительно одинаковых барьеров. в) ВАХ в случае существенно разных барьеров – "кулоновская лестница"

Если же туннельные барьеры с двух сторон наноостровка значительно отличаются (шириной или высотой), то наблюдается непривычная форма ВАХ, которую называют "кулоновской лестницей" (англ. Coulomb staircase). Она объясняется тем, что сквозь один из туннельных барьеров (например, левый) электроны туннелируют значительно легче. Поэтому на наноостровок из левого электрода может туннелировать второй электрон, когда первый еще не успел туннелировать из наноостровка на правый электрод. Итак, в случае, когда проницаемость туннельных барьеров сильно отличается (), возникает ступенчатая ВАХ одноэлектронного транзистора. Электрон туннелирует на островок через первый переход и удерживается на нём, вследствие высокого значения туннельного сопротивления второго перехода. Через некоторый промежуток времени электрон туннелирует через второй переход, однако этот процесс вызывает туннелирование второго электрона на островок через первый переход. Поэтому бо́льшую часть времени островок заряжен с превышением одного заряда. Для случая с обратной зависимостью проницаемости (), островок будет незаселён и его заряд будет уменьшаться ступенчато. Только теперь можно понять принцип работы одноэлектронного транзистора. Его эквивалентную схему можно представить в виде последовательного соединения двух туннельных переходов, к точке соединения которых добавлен ещё один управляющий электрод (затвор), который соединен с островом через ёмкость управления.

Преимуществами одноэлектронных транзисторов являются малые размеры (вплоть до размеров нескольких атомов) и связанная с ними возможность высокой степени интеграции, а также чрезвычайно низкая потребляемая мощность. Разработано два метода реализации логических операций в схемах на одноэлектронных транзисторах. В одном из них один бит информации представляется одним электроном. Также одноэлектронные приборы используются как устройства, позволяющие осуществлять перенос электронов один за другим, то есть контролировать каждый бит информации, представленной таким образом. В другом методе один бит информации представлен, как и в классической микроэлектронике, двумя состояниями одноэлектронного транзистора - включен (ток течет через прибор) и выключен (ток через прибор не течет). С точки зрения потребляемой мощности первый метод является более предпочтительным. Однако в этом случае даже один ложный электрон, обусловленный шумами или тепловым возбуждением, полностью видоизменяет результаты работы. Поэтому с точки зрения рабочей стабильности второй метод предпочтительнее.

Интересным с практической точки зрения примером одноэлектронных транзисторов, совместимых с кремнием и работающих при комнатной температуре, являются туннельные структуры типа металл / оксид металла / металл, которые создаются с помощью электронно-лучевой литографии и локального окисления. В качестве металла используют Ti, Al, Ni, Cr. Конструкция первого одноэлектронного транзистора на основе туннельных переходов в структуре Ti/TiOxfТi показана на рис. 3.27. Он создан путем нанесения пленки титана толщиной 3 нм на термически окисленную (100 нм SiО₂) кремниевую подложку с последующим локальным анодным окислением титана при использовании в качестве катода зонда сканирующего туннельного микроскопа. Размеры сформированного таким образом металлического (Ti) островка составили около 30 х 35 нм² , а туннельные барьеры из ТiОх имели ширину в диапазоне 2-3 нм. Благодаря малым размерам островка его электрическая емкость составила около 10^-19 Ф, что и обеспечило работоспособность данного одноэлектронного транзистора при комнатной температуре.

Рис. 3.27. Одноэлектронный транзистор на основе островка Тi и туннельных барьеров Ti/TIOx/Тi

Рис. 4.1. а) Топологическая схема одноэлектронного транзистора. б) Его эквивалентная электрическая схема. в) Условное изображение одноэлектронного транзистора в горизонтальном, г) в вертикальном положениях

Было установлено, что одноэлектронные транзисторы с плоской конфигурацией на основе туннельных переходов Nb/NbOx/Nb и Ti/TiOx/Ti имеют приемлемые значения предельных параметров (рабочей температуры и граничной частоты) по сравнению с рядом структур на других соединениях металлов с такой же конфигурацией. В результате проведенного исследования было установлено следующее. Различие в величине тока для приборов одинаковых размеров при фиксированных смещениях и температурах для различных материалов может быть существенным, в частности, может составлять около 3 порядков для структур на основе Nb и Ti. Наличие в приборе бокового затвора, к которому прикладывается смещение, существенным образом изменяет область кулоновской блокады и мало влияет на силу тока стока. Уменьшение ширины туннельных переходов истока и стока, увеличение размеров проводящего островка, повышение температуры приводят к увеличению тока стока в структуре. Отличие в значениях ширины туннельных переходов для истока и стока, понижение температуры окружающей среды приводят к более ярко выраженной ступенчатой форме ВАХ, причем последнее зависит и от используемого материала. Так, для транзистора на основе Ti/TiOx/Ti характерны больший период и более четкая форма ступенек, чем для прибора на основе Nb/NbOx/Nb, при одинаковых конструктивно-технологических параметрах, смещениях и рабочей температуре.

Одноэлектронный транзистор с подводящими контактами из ниобия и алюминиевым островом.

На ВАХ транзистора существенное влияние оказывают ширина туннельных переходов истока, стока и размеры проводящего островка. Увеличение ширины туннельных переходов истока и стока приводит к уменьшению тока в структуре, а увеличение размеров островка - к его возрастанию. При совместном изменении этих геометрических параметров может происходить взаимная компенсация их воздействия. Так, проведенные расчеты ВАХ прибора на основе Nb/NbOx/Nb позволили получить следующие результаты. При напряжении на стоке 0.1 В величина тока в транзисторе при значениях ширины туннельных переходов истока и стока d_s = d_d = 17.5нм приблизительно в 6 раз больше, чем при d_s = d_d = 18 нм; при размерах островка 50 х 50 нм² - приблизительно в 10 раз больше, чем при размерах 20 х 20 нм². Расчеты проведены для рабочей температуры 103 K.

Разработана (Россия, МГУ) технология и изготовлен одноэлектронный транзистор на основе высокодопированного кремния на изоляторе (КНИ). Экспериментальные структуры были изготовлены из высокодопированного (до концентраций носителей порядка 10 ²⁰ cm^-3) кремния на изоляторе с толщиной верхнего «рабочего» слоя кремния ~ 50 нм. Толщина оксида SiO₂ между верхним слоем и кремниевой подложкой составляла 150 нм. Размер острова транзистора составлял величину порядка 100 нм (рис.), что, разумеется, не является пределом предложенного метода изготовления. Максимальная зарядовая чувствительность транзистора на основе высокодопированного КНИ достигается при напряжении сток-исток 1 мВ, его чувствительность лучше, чем типичная чувствительность металлического одноэлектронного транзистора.

Перспективной представляется конструкция одноэлектронного транзистора (рис. 3.28), в которой островок и электроды выполнены из графена. Благодаря малым размерам островка его диапазон рабочих температур увеличился вплоть до 300 К.

Прототип одноэлектронного транзистора на основе графена

Исключительные электронные свойства графена - двумерного кристалла углерода - позволили изготовить самый маленький в мире транзистор. Группа ученых из университета в Манчестере (А. Гейм, К. Новоселов, Л. Пономаренко и др.) опубликовала на прошлой неделе в журнале Science статью с описанием эксперимента, в котором доказана принципиальная возможность создания одноэлектронного транзистора размерами около 10 нм. Подобный одноэлектронный транзистор является единичным элементом будущих графеновых микросхем. Одноэлектронный транзистор содержит только одну область проводимости, соединенную с истоковым и стоковым электродами туннельными барьерами. Электрод затвора управляет протекающим через область проводимости током c помощью емкостной связи. В основе концепции одноэлектронного транзистора лежит возможность получить заметные изменения напряжения при манипуляции с отдельными электронами.

В новой статье британских исследователей было сообщение о создании транзистора на одноатомном слое из нанолент графена шириной в 50 атомов, разделенных еще более узкой полоской графена. Прототип транзистора показал отличные электрические свойства и принципиальную возможность управления потоком электронов.

Там применен иной подход - в едином листе графена с помощью электронно-лучевой литографии и реактивного плазменного травления вырезают квантовую точку (по сути, удаляется несколько атомов углерода), которая является своеобразным островом, присоединенным к остальной части листа через очень тонкие контакты. Размеры этого отдельного фрагмента графена таковы, что начинают проявляться квантовые свойства вещества, которые и определяют возможность управления отдельными электронами.

В сформированном таким образом транзисторе провели исследование поведения электронов в ограниченном пространстве. Электроны, попавшие внутрь квантовой точки, не в состоянии выбраться оттуда без внешнего поля, и при этом другие электроны попасть с электродов в квантовую точку также уже не могут. Этот эффект можно наблюдать даже при комнатной температуре. Очень важно, что прототип имеет размеры около 10 нм - это область, где традиционная кремниевая микроэлектроника работать уже не будет, по мнению специалистов. Исследователи графена считают, что можно сократить размеры квантовой точки и до 1 нм, при этом физические характеристики транзистора не должны измениться.

Рис. 3.28. Одноэлектронный графеновый транзистор

Различные одноэлектронные приборы можно получить при увеличении количества туннельно-связанных наноостровов. Один из таких приборов — одноэлектронная ловушка. Главное свойство данного прибора — это так называемая би- или мультистабильная внутренняя зарядовая память. У одноэлектронной ловушки в пределах некоторого диапазона напряжения, прикладываемого к затвору, один из наноостровов (обычно ближайший к затвору) может быть в одном, двух или более устойчивых зарядовых состояниях, то есть содержать один, два или несколько электронов. На этой основе уже сегодня создаются различные логические элементы, которые в ближайшем будущем могут стать элементной базой нанокомпьютеров.