2 Одноэлектронный транзистор

Одноэлектронные приборы состоят из одной или нескольких квантовых точек, которые соединены туннельными переходами как между собой, так и с подводящими электродами. Простейшим одноэлектронным прибором является рассмотренная двухбарьерная структура, на основе которой создаются более сложные приборы.

Одноэлектронный транзистор представляет собой два последовательно включенных туннельных перехода, разделенных островком, представляющим собой квантовую точку. Это потенциальный кандидат в промышленные приборы, поскольку он имеет низкую потребляемую мощность, самую малую емкость и самую высокую плотность интеграции. Основной недостаток одноэлектронного транзистора — низкие рабочие температуры (T - 1,2 — 4,2 К) был преодолен за счет предложения японских ученых использовать поликремниевый затвор.

Одноэлектронный транзистор — это трехэлектродный переключающий прибор, в котором отдельные электроны переносятся от истока к стоку через разделяющую квантовую точку, электронные состояния в которой контролируются затвором. Структура и эквивалентная схема транзистора изображены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структура и эквивалентная схема транзистора

На рисунке 5 представлены эквивалентные схемы туннельных барьеров, связанных с истоком (а) и стоком (б). С использованием этих схем можно вывести соотношения для постоянного количества электронов n в квантовой точке для истока и стока соответственно:

(ne – e/2 – CЗUЗ)/CС < UС < (ne + e/2 – CЗUЗ)/CС,	(1)
(–ne + e/2 + CЗUЗ)/(CИ + СЗ) > UС > (ne + e/2 – CЗUЗ)/(CИ + СЗ).	(2)

Соотношения (1) для истока и (2) для стока получены из учета значений зарядов на рассматриваемом переходе, наведенных за счет приложенных потенциалов U_З, U_С и U_И = 0. Выражения (1) и (2) позволяют определить взаимосвязанные значения U_С и U_З, для числа n в качестве параметра, при которых наблюдается перенос электронов от истока к стоку, т. е. течет ток стока I_С, либо ток I_С = 0 и возникает кулоновская блокада. При выводе формул рассматривается схема с общим истоком, т. е. напряжения затвора U_З и стока U_С отсчитываются относительно истока.

Рисунок 5 - Эквивалентные схемы туннельных барьеров, связанных с истоком (а) и стоком (б)

Из указанных соотношений вытекает, что для переноса электронов от истока к стоку квантовая точка может иметь различное число электронов n, но не менее двух значений, например, число электронов в точке может быть равно нулю или единице. Число электронов, равное нулю (n = 0), предпочтительней для туннельного стокового перехода, а n = 1 — для истока. Это можно объяснить следующим образом. Если предположить, что первоначальное число электронов в квантовой точке равно нулю, то через истоковый переход туннелирует один электрон в эту квантовую точку. При туннелировании электрона через стоковый переход число электронов в точке становится равным нулю.

Таким образом, при последовательном туннелировании через истоковый и стоковый переходы квантовой точки осуществляется перенос заряда и в цепи сток—исток наблюдается ток I_C. Эта ситуация, как следует из формул (1) и (2), наблюдается для жестко связанных напряжений U_С и U_З: напряжение U_З должно принимать дискретные значения:

UЗ ≈ (2n + 1)е/(2СЗ).

(3)

В результате характеристики I_СИ = f(U_ЗИ) при U_СИ = const >> U_кб носят осциллирующий (импульсный) характер (кулоновская осцилляция, рисунок 6, а).

Рисунок 6 - Кулоновская осцилляция (а);

кулоновская осцилляция при U_ЗИ, отличающихся от нуля (б)

Стоковая характеристика I_СИ = f(U_СИ) для U_ЗИ = 0 аналогична характеристике для симметричной двухбарьерной одноэлектронной структуры, а при U_ЗИ отличающихся от нуля, вид стоковой характеристики существенно изменяется за счет описанных выше процессов (рисунок 6, б).

Разработанные конструкции одноэлектронных транзисторов весьма различны, их можно разделить по нескольким признакам: по направлению протекания тока — горизонтальные и вертикальные; по способу формирования квантовых точек — на постоянных и временных квантовых точках; по количеству квантовых точек — нульмерные (одноточечные), одномерные (цепочка точек) и двумерные (массив точек); по способу управления параметрами квантовых точек — неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные).

Ранее была рассмотрена обобщенная схема одноэлектронного транзистора (трехэлектродный прибор). Приведем примеры конструктивно-топологических схем транзисторов, реализованных при исследованиях в лабораторных условиях. На рисунке 7 изображена конструкция, основанная на принципе работы планарного МОП-транзистора с индуцированным каналом, с одной вре́менной квантовой точкой.

Затвор транзистора состоит из двух электрически не связанных частей. При подаче на нижний затвор положительного напряжения U_н.З за счет эффекта поля формируется инверсный n_канал в р_подложке, как в обычном (классическом) МДП-транзисторе. Если на верхний затвор подано отрицательное напряжение U_в.З, то оно за счет формы затвора разрывает (разбивает) индуцированный канал областями обеднения. В этом случае отрицательный потенциал на полосках формирует поле, выталкивающее электроны из инверсного слоя (канала), и в силу этого появляются области обеднения по обе стороны квантовой точки (рисунок 7). Зависимости тока стока I_С для одноточечного транзистора от напряжения на нижнем затворе U_н.З при различных U_в.З и различных температурах представлены на рисунке 8. На вставке (рисунок 8) в укрупненном масштабе показана статическая характеристика для Т = 2,4 K. На кривых хорошо видны квантовые осцилляции.

Рисунок 7 - Конструкция планарного МОП-транзистора с индуцированным каналом, с одной вре́менной квантовой точкой

Рисунок 8 - Зависимости I_С для одноточечного транзистора от напряжения на нижнем затворе U_н.З при различных U_в.З и различных температурах

Другой вариант одноэлектронного транзистора (рисунок 9) выполнен из подложки поликристаллического кремния, на которой формируется относительно толстый слой двуокиси кремния SiO₂. Далее с помощью электронной литографии и ионного травления создается островок Si — SiO₂. После этого термическим окислением на боковой поверхности получают тонкий слой окисла шириной ~ 2 нм (рисунок 9, б). Подводящие электроды истока и стока выполняются путем нанесения поликремния (на рисунке 9 обозначено «поли-Si»), при этом в качестве затвора используется подложка также из поли-Si (нижний слой структуры на рисунке 9). Островок из Si —SiО₂ (рисунок 9) выполняет роль квантовой точки, туннельные переходы осуществляются через тонкий (2 нм) боковой окисел. Паразитная емкость перекрытия контактов и островка за счет большой толщины слоя SiО₂ (50 нм) сверху островка является незначительной.

Рисунок 9 - Конструкция одноэлектронного транзистора

Помимо рассмотренных одноэлектронных транзисторов на одной квантовой точке были исследованы приборы с двумя и более квантовыми точками, а также приборы на основе двумерного электронного газа в гетероструктурах AlGaAs/GaAs. Эти приборы работают при температурах ниже 1 K. Кроме того, разработаны и исследованы приборы с использованием структур типа Al/Al_xO_y/Al. При изготовлении этих приборов используется техника теневого испарения. Явных преимуществ у каждого из рассмотренных и у других, не рассмотренных, вариантов транзисторов, нет. Общим существенным недостатком одноэлектронных приборов остается необходимость использования при их работе крайне низких криогенных температур.