Одноэлектронная ловушка (single-electron trap) схематически показана на рис. 3.29, а.

Одноэлектронная ловушка - наноструктура на основе однородной цепочки сверхмалых туннельных переходов, характеризующаяся способностью удержания на острове хранения избыточного заряда в несколько электронов. Изменение состояния ловушки регистрировались одноэлектронным транзистором. При рабочей температуре Т=35мК время хранения зарядового состояния составило свыше 8-ми часов.

Фотография одноэлектронной ловушки 1996 г. лаборатория криоэлектроники МГУ Цепочка туннельных переходов и остров хранения формируют управляемый потенциальный барьер, удерживающий добавленный на остров хранения электрон и препятствующий входу следующего электрона. Управление высотой барьера осуществляется изменением потенциала острова хранения с помощью емкостного затвора. При плавном изменении напряжения на затворе электроны входят на остров хранения строго один за другим. После входа единичного электрона на остров его потенциал изменяется, восстанавливая барьер для входа следующего электрона. При изменении напряжения в обратную сторону, происходит управляемое выталкивание добавленных электронов с острова также строго по одному. Уменьшая потенциальный барьер ловушки, возможно помещать на остров хранения некоторое количество добавочных электронов и, восстановив барьер до необходимой высоты, хранить их там. Таким образом логическая "1" в такой ячейке памяти будет кодироваться присутствием одного или нескольких добавочных электронов на острове хранения, а "0" - их отсутствием. Технология изготовления основана на теневом методе, суть которого заключается в напылении материалов структур на подложку в едином вакуумном цикле (“in situ”) через маску, “подвешенную” над подложкой на поддерживающем ее слое резиста. При этом чередуется напыление материалов под различными углами к поверхности образца и окисление напыленных слоев. Туннельные контакты образуются в местах наложения слоев друг на друга. В качестве маски используется так называемая трехслойная “жесткая” маска, где собственно маскирующим слоем является тонкая пленка Ge. Формирование изображения производится путем проведения электронно-лучевой литографии по слою электронного резиста ПММА, предварительно нанесенному на слой Ge, с последующим переносом изображения в низлежащие слои методом анизотропного реактивного ионного травления.

 

Ячейка динамической памяти Многоостровковая одноэлектронная структура может использоваться в качестве динамической памяти (dynamic memory сеll). Ее конфигурация показана на рис. 3.30. Наличие электронов в островке QD соответствует логической «1», а их отсутствие - логическому «0». Для записи логической « 1 » на вход ячейки подают импульс отрицательного напряжения, заставляя электроны туннелировать через промежуточные островки и туннельные барьеры и накапливаться в QD. Зарядовое состояние V_out островка QD регистрируется электростатически связанным с ним выходным электродом. Подача на вход ячейки импульса положительного напряжения V_in заставляет электроны покинуть островок QD, обеспечивая таким образом отсутствие в нем заряда, что соответствует логическому «0».

Рис. 3.30. Одноэлектронная динамическая память

Главные преимушества одноэлектронных приборов перед биполярными и полевыми полупроводниковыми транзисторами обусловлены их намного меньшими размерами ( < 100 нм) и расширенными функциональными возможностями. Однако следует иметь в виду и их недостатки. Во-первых, работоспособность одноэлектронных транзисторов обычно ограничена областью низких температур(< 77 К). Для того чтобы они могли работать при комнатной температуре, размер квантовой точки должен быть намного меньше 10 нм. Во-вторых, одноэлектронные транзисторы имеют высокий выходной импеданс, что связано с большим сопротивлением туннельных переходов, которое должно быть намного больше, чем h/e² (25,8 кОм). В-третьих, напряжение исток-сток для одноэлектронных транзисторов должно быть меньше, чем амплитуда (размах) напряжения затвора. Это необходимо для того, чтобы обеспечить возможность использования одноэлектронных транзисторов в качестве затворов, контролирующих переключающие приборы, поскольку ограничивающий потенциал квантовой точки очень чувствителен к напряжению исток-сток. В-четвертых, определенные трудности, связанные с воспроизводимостью характеристик одноэлектронных приборов, возникают из-за появления вблизи островка неконтролируемого заряда. Такой заряд появляется вследствие захвата диэлектрическим окружением островка хотя бы одного примесного атома. Заряд примеси поляризует островок и тем самым изменяет условия для кулоновской блокады в нем. По мере преодоления перечисленных ограничений одноэлектронные приборы будут превращаться из лабораторных образцов в промышленную продукцию.

Резонансное туннелирование. Туннелирование электронов в низкоразмерной структуре определяется не только характеристиками ограничивающих ее потенциальных барьеров, но и разрешенными энергетическими состояниями для электронов внутри самой структуры. При совпадении уровня Ферми инжектирующего электрода с дискретным уровнем низкоразмерной структуры, ограниченной двумя потенциальными барьерами, имеет место резкое возрастание протекающего через нее туннельного тока. Это явление получило название «резонансное туннелирование» (resonant tunneling). Оно приводит к появлению на вольтамперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что чрезвычайно привлекательно для создания твердотельных сверхвысокочастотных генераторов. Типичными структурами для наблюдения этого эффекта являются квантовые колодцы, ограниченные потенциальными барьерами конечной ширины. Энергетическая диаграмма двухбарьерной структуры и ее вольтамперная характеристика показаны на рис. 3.35.

Рис. 3.35. Энергетическая диаграмма и вольтамперная характеристика двухбарьерной структуры с квантовым колодцем

Классические двухбарьерные резонансно-туннельные структуры изготавливают на основе сверхрешеток GaAs/AlGaAs. В качестве «узкозонного» материала электродов и самого колодца используется GaAs, а барьеры формируются из «Широкозонного» тройного соединения GaAIAs. Возможно также создание резонансно-туннельных структур на основе комбинаций полупроводник-диэлектрик, например Si/CaF₂ или Si/SiО₂. Квантовое ограничение приводит к квантованию энергетических уровней колодца. В двумерной структуре (квантовой пленке толщиной а) образуется подзона, дно которой совпадает с энергией дискретного уровня колодца Е_1. Предполагается, что в отсутствие внешнего напряжения эта подзона располагается выше уровня Ферми Е_F в отделенных барьерами электродах. Электрод, с которого осуществляется инжекция электронов, называют эмиттером, а «собирающий» электрод - коллектором. Если к структуре приложено небольшое напряжение V, то основное падение напряжения приходится на области барьеров у эмиттера и коллектора, так как их электрическое сопротивление намного больше сопротивления колодца. Именно в них происходит наиболее существенное изменение потенциального профиля энергетических зон, которое характеризуется понижением энергии на границах эмиттерный барьер/колодец и коллекторный барьер/ коллектор. Однако электрический ток через структуру остается незначительным, до тех пор, пока уровень Е₁ лежит выше уровня Ферми эмиттера Е_F, с которого осуществляется эмиссия электронов. При увеличении приложенного напряжения уровень Е₁ в колодце понижается, что приводит к появлению туннельного тока через эмиттерный барьер. Ограничения на туннелирование электронов из колодца в коллектор отсутствуют, так как оно происходит с более высокого энергетического уровня на более низкий. Величина туннельного тока становится максимальной при совпадении уровня Ферми эмиттера с энергетическим уровнем Е₁ в колодце. Качественно это можно объяснить тем, что при Е_F = Е₁ электроны туннелируют в колодец, сохраняя свою энергию и импульс, и поэтому не задерживаются в колодце, быстро переходя из него в коллектор. Для симметричных эмиттерного и коллекторного барьеров резонансное прохождение электронов через структуру имеет место при V= 2Е₁ /е. При дальнейшем понижении уровня Е₁ электроны уже не могут туннелировать с сохранением энергии и импульса, поэтому они задерживаются в колодце. Ток через структуру уменьшается, что приводит к появлению на вольтамперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (negative differential resistance). Дальнейшее увеличение напряжения ведет к усилению термически активируемой, надбарьерной эмиссии электронов и к соответствующему росту тока через структуру.

Приборы на основе резонансного туннелирования. Явление резонансного туннелирования позволяет создавать диоды и транзисторы, времена переключения которых составляют единицы и десятые доли пикосекунд, что соответствует диапазону частот вплоть до нескольких терагерц (10¹² Гц).

В общем случае резонансно-туннельный диод (resonant tunneling diode, RTD) представляет собой периодическую структуру, которая состоит из последовательно расположенных квантовых колодцев, разделенных потенциальными барьерами. Электрические контакты при этом подводятся к двум крайним противоположным областям. Чаще всего резонансно-туннельные диоды являются двухбарьерными структурами с одним квантовым колодцем и одинаковыми барьерами. Это связано с тем, что по мере увеличения числа колодцев становится все труднее реализовать условия для согласованного резонансного переноса носителей заряда. Условное обозначение и эквивалентная схема такого диода, а также общий вид его основных электрических характеристик показаны на рис. 3.36.

Рис. 3.36. Условное обозначение резонансно-туннелъноrодиода (а), его эквивалентная схема (6), волътамперная и волътфарадная характеристики (в)

Эквивалентная схема резонансно-туннельного диода включает в себя управляемые напряжением источник тока l(V) и емкость C(V), а также последовательное сопротивление Rs. Здесь параллельная цепочка из J( V) и С( V) представляет собой собственно диод, а Rs является фактически суммой последовательных сопротивлений, таких как контактные сопротивления. Емкость С(V) чрезвычайно важна для увеличения быстродействия прибора. За исключением области напряжений вблизи токового резонанса, она приблизительно равна емкости, рассчитанной для нелегированного разделительного слоя и обедненного слоя прибора. Пик емкости в области отрицательного дифференциального сопротивления обусловлен электронами, накопленными в колодце. Их накопление происходит, поскольку при следующем за резонансом рассогласовании энергетических уровней эмиттера и колодца пришедшие в колодец электроны затрачивают определенное время на приведение своей энергии в соответствие с энергией разрешенного состояния. На такую релаксацию затрачивается конечное время, что должно учитываться при количественном расчете быстродействия. Отметим также, что J( V) и С( V) не зависят от частоты вплоть до предельных рабочих частот диода. Отличительной особенностью резонансно-туннельного диода является наличие на его вольтамперной характеристике области отрицательного дифференциального сопротивления, что используется в большинстве его практических применений. К наиболее важным электрическим параметрам диода относятся: пиковая плотность тока (peak cuпent density), пиковое напряжение (peak voltage) - напряжение в области пика плотности тока, долинная плотность тока (valley cuпent density) - плотность тока в минимуме, отношение этих плотностей тока - отношение пик-долина (peak-to-valley ratio). С ростом толщины барьера пиковая плотность тока уменьшается экспоненциально. Ее абсолютная величина, определенная путем численного моделирования, хорошо согласуется с экспериментом, тогда как расчетная величина долинной плотности тока оказывается на один-два порядка меньше эксрериментальной. Отношение пик-долина для реальных приборов при комнатной температуре варьируется от единиц до нескольких десятков (при низких температурах это отношение возрастает). Пиковая плотность тока почти не чувствительна к эффектам рассеяния, тогда как долинная плотность тока (а следовательно, и отношение пик-долина) в значительной степени определяются рассеянием носителей заряда на границах колодца. Для достижения высоких рабочих плотностей тока необходимо, чтобы барьеры были достаточно тонкими (несколько моноатомных слоев), а границы раздела - резкими и четкими. Однако экспериментально показано, что даже при оптимальных условиях формирования структуры границы раздела никогда не являются химически резкими и абсолютно плоскими. Так, например, переход между GaAs и AlAs в наиболее перспективных для практического применения сверхрешетках на основе этих полупроводников происходит в пределах 1-4 монослоев. Поэтому потенциальный барьер на их границе не имеет форму идеальной ступеньки, а размыт и зависит от рельефа поверхности границы. Это приводит к значительному уменьшению отношения пик-долина на вольтамперной характеристике диода и является одной из причин различия между теорией резонансного туннелирования и экспериментальными данными. С точки зрения практического использования резонансно-туннельных диодов наиболее привлекательной характеристикой является их чрезвычайно высокая скорость переключения. Обсуждая факторы, влияющие на быстродействие этих диодов, важно различать два характерных времени отклика: время, необходимое для туннелирования (оно обусловлено квантовыми механизмами), и время, которое требуется для зарядки емкости диода - так называемое RС-время. Время туннелирования определяется временем прохождения электрона через барьер и временем его жизни в потенциальном колодце. ·