3. Структура и технологии нанотранзисторов

Структуры полевых МОП-транзисторов ((MOSFET)

В современной технологии вообще (и в микроэлектронике в частности)) огромное значение имеют полевые МОП-транзисторы (MOSFET). Такие транзисторы являются элементами сверхбольших интегральных схем. Транзисторы такого типа образованы МОП-структурой и двумя p-n+ переходами, в которых полупроводник n-типа сильно легирован (рис.5.1, а) [2, 162] и действует в качестве истока и стока в полевом транзисторе. Затвором (управляющим электродом) такого транзистора выступает МОП-структура. В качестве полупроводника обычно используется кремний р-типа, на котором термическим окислением выращивается тонкий слой подзатворного окисла.

Рис. 5.1 (а) Структура МОП-транзистора; (б) Зонная диаграмма МОП-структуры при достаточно сильном положительном смещении на вентиле.

Принцип действия этих приборов подробно описан в курсе «Физика полупроводниковых приборов». Для исследования поведения электронов в потенциальных ямах очень важным оказалось осознание, что электроны инверсного слоя следует рассматривать в качестве двумерной электронной системы, «погруженной» в потенциальные ямы треугольной формы (раздел 4.4.2), расположенной внутри полупроводника, очень близко к оксидному слою. В МОП-структурах движение электронов в перпендикулярном к поверхности направлении ограничено, однако они могут свободно перемещаться вдоль поверхности раздела. Квантованные значения энергии для ограниченного движения имеют вид (4.2)

, (5.1)

где величины означают разрешенные уровни энергии в треугольной потенциальной яме в соответствии с уравнением

(5.2)

Уравнение (5.1) представляют параболы (рис.4.1) в обратном пространстве, где значения Е_n соответствуют минимумам кривых. Аналогично функция плотности состояний, соответствующая двумерному случаю, принимает вид

, (5.3)

где дополнительный коэффициент вводится для учета вырождения долины зоны проводимости. Вырождение обусловлено тем, что эквиэнергетические поверхности зоны проводимости кремния образуются шестью эллипсоидами в направлении <100> пространства импульсов (3.3). Продольные оси эллипсоидов соответствуют продольным эффективным массам , а две одинаковые короткие оси – поперечной эффективной массе , использованной в уравнении (5.13) , вследствие чего мы получаем два минимума зоны проводимости (соответствующие тяжелой электронной массе) и четыре минимума для легкой массы. Решая уравнение Шредингера и пренебрегая взаимодействием электронов в различных минимумах зоны проводимости, можно получить два различных набора значений энергии для подзон, которые называют лестницами подзон для плоскости <001> кремния. Рассмотрим сначала поведение электронов в минимумах (долинах), расположенных перпендикулярно к границам раздела. В уравнение (5.2) войдет эффективная масса . Кроме этого, в уравнении (5.1) и значение коэффициента g_v = 2, что приводит к подзонам с низшей энергией (при более высоком значении эффективной массы). Очевидно, что лестница второй подзоны должна возникать в тех случаях, когда рассматриваются параллельно расположенные долины. В этом случае в выражение (5.2) для Е_n следует подставлять эффективную массу и значение коэффициента g_v = 4.

На рис.5.2 приведены результаты расчета энергий для кремниевого полевого МОП-транзистора с изолированным оксидным слоем на поверхности кремния <001>. На рисунке представлен так же профиль потенциала дна зоны проводимости V(z) (сплошная кривая) и квадраты значений волновых функций для уравнений двух подзон.

Рис. 5.2 Последовательности подзон, форма зоны проводимости V(z) и его значения квадратов волновых функций для потенциальной ямы в МОП-структуре для Si <111>.

Гетеропереходы с модулированным легированием

Гетеропереходы, представляющие собой поверхности раздела между двумя полупроводниками с различными запрещенными зонами, являются чрезвычайно важными и разнообразными блоками электронных приборов, особенно создаваемых на основе полупроводниковых соединений A^IIIB^V. Наиболее изученной в настоящее время гетероструктурой является, та, которая образована Al_xGa_1–xAs (n-типа) и почти беспримесным или слаболегированным GaAs p-типа. Также, как и в случае МОП-структур, внутри GaAs очень близко к поверхности раздела GaAs–AlGaAs образуется инверсный слой электронов. Посколько поверхности раздела оксидов и изоляторов, осаждаемых на поверхности GaAs, являются недостаточно качественными, в большинстве важных технических измерений используются структуры Шоттки типа металл– AlGaAs– GaAs (рис.5.3а).

Рис. 5.3 (а) Модулировано-легированный гетеропереход AlGaAs–GaAs; (б) соответствующая зонная диаграмма.

Предположим (рис.5.4), что в рассматриваемом гетеропереходе GaAs–AlGaAs слева располагается полупроводник арсенида галлия, легированный алюминием, а справа – почти беспримесный материал GaAs. Такая структра называется гетеропереходом с модулированным легированием, а метод создания модулированным легированием.

Рис. 5.4 Формирование зонной диаграммы в модульно-легированном гетеропереходе AlGaAs–GaAs при контакте этих полупроводников.

На рис.5.4 показана гипотетическая ситуация формирования зонной диаграммы гетероперехода. Обозначив через _А и _В электронное сродство материалов AlGaAs и GaAs соответственно .

Когда AlGaAs и GaAs вступают в контакт, часть электронов от доноров материала n-типа пересекают поверхность раздела и попадают в нелегированный GaAs, в результате чего (как и в случае p-n перехода) возникает внутренне электрическое поле, которое попадает от некомпенсированных доноров в AlGaAs в сторону GaAs с дополнительным отрицательным зарядом. Такое поле приводит к искривлению (изгибу) зоны, как показано на рис.5.3 б.

Форма квантовой ямы для электронов, образующейся на поверхности раздела GaAs–AlGaAs, близка к треугольной и напоминает яму для случая МОП-структур.

Наиболее важной физической особенностью описываемых гетеропереходов выступает то, что носители заряда локализуются в некоей области (в основном в материале GaAs), которая пространственно отделена от полупроводника AlGaAs, в котором и возникают свободные электроны. Электроны в такой яме должны обладать очень высокой подвижностью в плоскости (x, y), так как они двигаются внутри GaAs, в котором практически отсутствуют легирующие примеси. Из этого следует, что подвижность электронов в таких переходах должна быть значительно выше, чем в МОП-структурах.

Приведенные выше доводы выглядят качественными, но они позволяют достаточно точно описать многие свойства гетеропереходов AlGaAs– GaAs. При более строгом описании мы, должны были получить самосогласованные решения уравнений Пуассона (для потенциала) и Шредингера (для волновых функций электрона).

Создавая полевой транзистор на основе гетероперехода AlGaAs– GaAs, необходимо изготовить сток и исток, так как показано на рис.5.1. для полевого транзистора. Прикладывая к затвору разность потенциалов, мы можем регулировать число носителей в канале (а, следовательно, и его проводимость). Для того, чтобы подчеркнуть значение модулированного легирования, такие структуры называют модулировано- легированными полевыми транзисторами (MODFET) или полевыми транзисторами с высокой подвижностью электронов (HEMT).

Модуляционно-легированные полевые транзисторы (MODFET)

Наличие потенциальной ямы очень малых размеров, сформированной в гетеропереходах структуры AlGaAs– GaAs, может приводить к квантованию уровней энергии, соответствующих движению электронов в направлении, перпендикулярном поверхности раздела хотя движение электронов в плоскости, параллельной поверхности раздела, практически не отличается от движения свободных частиц.

Модуляционно-легированные полевые транзисторы (MODFET) могут служить наглядным примером приборов, в которых высокие технические характеристики достигаются за счет использования квантового поведения электронов, локализованных в нанометровых потенциальных ямах с размером меньше длины волны де Бройля электронов ( ).

Полевые транзисторы на гетероструктурах имеют слоистую структуру, позволяющую создавать двумерный электронный газ с высокой подвижностью. На рис.9.2, а схематически представлено сечение типичного модуляционно-легированного полевого транзистора (MODFET). Наиболее характерной особенностью транзисторов этого типа выступает квантовая яма для электронов, образующаяся между n-легированным слоем полупроводника AlGaAs и слоем обычного нелегированного GaAs. Обычно ширина такой квантовой ямы (приблизительно треугольной формы) составляет около 8 нм, т.е. является настолько тонкой, что электронный газ действительно может образовывать двумерную систему. Н рис.9.2, б показан только один энергетический уровень. Прослойка из нелегированного AlGaAs вводится в структуру для того, чтобы еще больше удалить проводящий канал от слоя AlGaAs n-типа (где генерируются носителями) и тем самым повысить подвижность электронов вследствие ослабления взаимодействия с ионизированными донорами. Типичная ширина такой прослойки составляет около 50Å.

Рис. 9.2 (а) Схема сечения типичного модулировано-легированного полевого транзистора (MODFET или HEMPT); (б) схематическое представление зоны проводимости в направлении, перпендикулярном структуре.

Показанная на рис. 9.2 структура MODFET или НЕМТ очень похожа на полевые МОП-транзисторы. Обычный режим работы полевых транзисторов с высокой подвижностью носителей (НЕМТ) похож на режим полевых МОП-транзисторов, в которых поток электронов движется от истока к стоку под воздействием приложенного напряжения. Такой ток может модулироваться сигналом напряжения, подаваемого на затвор. Аналитическое выражение для тока насыщения T_Dsat от напряжения на затворе VG имеет вид: , где величина V_T – dвеличина порогового напряжения. Поэтому вольт-амперные характеристики модулировано-легированных полевых транзисторов очень похожи на характеристики полевых МОП-транзисторов. Скорость переключения и высокочастотные характеристики таких транзисторов могут быть повышены за счет уменьшения времени пролета электронов, t_r, для чего конструкторы таких устройств стремятся максимально сократить длину затвора L (которая обычно составляет около 100 нм), одновременно стараясь увеличить ширину затвора, поскольку это позволяет повысить величину сигнала и так называемую крутизну транзистора. Известно, что для изготовления полевых транзисторов с барьером Шоттки для достижения высокой крутизны необходимо использовать высоколегированные материалы (с уровнем легирования порядка 10¹⁸–10¹⁹ см^–3), что ограничивает дрейфовую скорость электронов из-за рассеяния на большом числе примесных атомов. Таким образом, использование модулировано-легированных полевых транзисторов представляет конструкторам приборов дополнительные преимущества, так как в таких структурах транспорт носителей осуществляется в нелегированном слое (GaAs). В новейших гетероструктурах систем AlGaAs–InGaAs–GaAs не только квантовая локализация электронов в ямах более эффективна, чем в гетеропереходах на основе AlGaAs–GaAs, но и электроны двигаются в слое InGaAs с более высокой скоростью насыщения, чем в GaAs.

Одноэлектронные транзисторы

Концепция одноэлектронных транзисторов (SET) связана , прежде всего с поведением нульмерных (0D) нанометрических структур, типа квантовых точек, в которых электроны распределены по дискретной системе энергетических уровней. Одной из наиболее интересных особенностей таких структур, обусловленной квантованием энергетических уровней, является так называемый эффект кулоновской блокады. Эффект связан стем, что в очень малых областях проводящего материала (т.е. с тем, что в очень малых областях проводящего материала (т.е. в так называемых «островковых» структурах) электростатический потенциал может существенно изменяться при добавлении или удалении из системы отдельных электронов.

Электрическая энергия, связанная с попаданием электрона в квантовую яму или вылетом из нее (эту величину можно называть энергией зарядки), должно значительно превышать значение kT системы, что в терминах емкости может быть записано как в уравнении: C<<kT. Кроме этого, сопротивление R_T туннельного перехода должно быть достаточно большим по сравнению с определенным квантовым сопротивлением равным примерно ~ 25,8Ком, что необходимо для исключения флуктуации числа электронов в квантовой точке по принципу неопределенности Гейзенберга.

До сих пор мы рассматривали квантовые точки в качестве двухполюсных усройств, однако для создания транзисторов на основе эффекта кулоновской блокады, очевидно, необходимо три контакта. Один из них должен использоваться в качестве затвора для управления потоком электронов через квантовую точку. Поэтому одноэлектронный транзистор должен содержать квантовую точку, связанную со стоком и истоком посредством туннельных переходов. Электрод затвора при этом должен быть отделен от квантовой точки изолирующим материалом, чтобы электроны не могли туннелировать через барьер. Поскольку электрический ток в стоке и истоке структуры регулируется затвором, описанное трехполюсное устройство может работать в качестве транзистора, но не может использоваться для усиления сигналов. Пользуясь терминологией, используемой для контактов в полевых МОП-транзисторах, можно сказать, что квантовая точка в такой структуре играет роль области канала в полевом МОП-транзисторе.

На рис.911, а представлена общая схема одноэлектронного транзистора, на рис. 9.11 в, – соответствующая ей эквивалентная электрическая цепь трехполюсного устройства, где квантовая точка с полным электрическим зарядом Ne (ее обычно называют кулоновским островом) подсоединена к стоку и истоку двумя туннельными барьерами. Число электронов в кулоновском острове при этом определяется внешним напряжением V_G через эквивалентную емкость барьера полупроводниковой структуры, добавляемой для создания транзистора. В отличие от потенциальных барьеров истока и стока через этот контакт, туннельный ток отсутствует.

Рис. 9.11 (а) общая схема одноэлектронного транзистора (SET); (б) эквивалентная трехполюсная электрическая схема; (в) зависимость тока от напряжения на затворе.

Вольт-амперная характеристика одноэлектронного транзистора может быть получена при измерениях, осуществляемых при непрерывно возрастающем напряжении V_G , подаваемом на электрод затвора. Это напряжение создает заряд GV_G на противоположной обкладке конденсатора, что компенсируется туннелированием одного электрона в квантовую точку, в результате чего возникает конкурентный механизм между индуцированным зарядом и дискретным зарядом, туннелирующим через барьеры. В результате такого процесса возникают так называемые кулоновские осцилляции, обусловленные прохождением дискретных зарядов через туннельный барьер, которые можно зарегистрировать, измеряя колебания ICB между стоком и истоком ( в виде функции от напряжения затвора), как показано на рис. 9.11 в. Отсутствие тока между двумя последовательными пиками означает, что число электронов в квантовой точке не изменяется, вследствие чего в системе и не возникает никаких токов. Периодичность пиков напряжения на представленных зависимостях определяется изменением числа электронов, уже содержащихся в данной квантовой яме на единицу (т.е. ), поэтому емкость квантовой ямы может быть определена просто измерением разности напряжений между двумя соседними пиками).

Полевые транзисторы с нанотрубками (nanotube FETs) отличаются исключительно высокими характеристиками по подвижности носителей (около 10000 см²/с, большой геометрической емкостью и большой крутизной.

Технологии нанотранзисторов

В Кембриджском университете и токийской Japan Science & Technology Corporation разработан одноэлектронный транзистор, функционирующий при комнатной температуре [1] [3]. Его устройство и схема включения показаны на рис. 2. Проводящий канал транзистора (остров) отделен от стока и истока туннельными барьерами из тонких слоев изолятора. Чтобы транзистор мог работать при комнатной температуре, размеры острова не должны превышать 10 нм. Высота потенциального барьера равна 0,173 эВ. В более ранней (2001 г.) конструкции тех же разработчиков остров был крупнее, высота потенциального барьера была 0,04 эВ, и рабочая температура не превышала 60 °К. Материалом для острова служит отдельный кластер аморфного кремния, поверхность которого оксидирована при низкой температуре для создания тонкого барьерного слоя

Одно из основных требований к технологии изготовления нанотранзисторов — высокая производительность их получения. Например, с помощью нанометровых роботов-манипуляторов, использующих технику туннельной сканирующей микроскопии, можно собирать нанотранзисторы буквально по одному атому, однако этот процесс очень медленный. Даже если укладывать атомы за одну операцию целыми кластерами, на сборку одного наночипа все равно потребуются десятки лет. Поэтому в настоящее время идут интенсивные поиски технологических процессов, которые бы позволили с помощью небольшого числа операций одновременно производить большое число нанотранзисторов.

Например, сотрудники IBM развивают кластерную технологию, работая с углеродными нанотрубками, открытыми сотрудником NEC. Такие трубки могут состоять лишь из нескольких атомных слоев и при этом быть в тысячу раз прочнее стали. В зависимости от размера и формы, углеродные нанотрубки могут обладать полупроводниковыми или металлическими свойствами. В настоящее время отработан метод получения углеродных кластеров путем создания электрического разряда между графитовыми электродами в специальных условиях. Таким путем создают не только нанотрубки, но и различные фуллерены — пустотелые шары и эллипсоиды нанометровых размеров (Фуллерены C60 открыли в 1985 г. H. W. Kroto из Университета Сассекса (University of Sussex) и James Heath, Sean O’Brien, R. E. Smalley и R. F. Curl из Университета Райса (Rice University). За это открытие Kroto, Curl и Smalley получили Нобелевскую премию в 1996 г).

Ученые IBM работают над технологией системной интеграции полупроводниковых и металлических углеродных трубок на одной подложке с целью создания в будущем полнофункциональных электронных наносхем. Технология еще далека от завершения, однако ряд технологических приемов уже опробован. На подложку — пластину из оксидированного полированного кремния — наносится композиция, состоящая из пучков слипшихся полупроводниковых и металлических нанотрубок углерода, которые трудно отделить друг от друга при массовом производстве. Поверх полученной пленки литографическим методами наносятся узкие полоски обычного металла. С помощью электрического сигнала можно переводить углеродные нанотрубки из полупроводникового состояния в состояние изолятора. Это дает возможность путем управляемого электрического пробоя разрушать нанотрубки металлического типа проводимости и получать большие регулярные массивы, состоящие из отрезков полупроводниковых углеродных нанотрубок. Каждый такой отрезок — основа будущего нанотранзистора.

В той же корпорации разработана методика «обточки» углеродных нанотруб путем электрически управляемого снятия с них лишних атомных слоев. Уже в 2001 году таким способом в IBM научились получать полевые транзисторы с требуемой шириной запрещенной зоны. Их назвали NT-FET (nanotube field-effect transistors). Все это позволяет надеяться, что закон Мура о росте числа логических вентилей на чипе будет действовать даже тогда, когда обычная кремниевая электроника дойдет до своего естественного предела, обусловленного атомной структурой кристалла.

Что касается углеродных кластеров, то здесь работы ведутся в нескольких направлениях — с однослойными нанотрубками SWNT (single-walled nanotube), многослойными нанотрубками MWNT (multi-walled nanotube) и различными фуллеренами (C60, C70 и др.) Кластеры такого типа являются средами с пониженной размерностью. Например, нанотрубка преимущественно одномерна, что роднит ее с одной из новых моделей квантовой механики, квантовой нитью. А вот фуллерены, своего рода пузыри нанометровых масштабов, — двумерны. В силу особых квантовых условий движения электронов в средах с пониженной размерностью они зачастую обладают уникальными свойствами. Например, металлические нанотрубки могут выдерживать очень большую плотность тока (в 100–1000 раз больше, чем обычные металлы). Полупроводниковые нанотрубки обладают способностью переключаться под действием внешнего электрического поля в состояние изолятора. При этом ширина запрещенной зоны обратно пропорциональна диаметру трубки: Eg~1/d. Фуллерены, допированные некоторыми металлами, являются к тому же высокотемпературными сверхпроводниками.

Длина углеродных нанотрубок может в тысячу и более раз превышать их диаметр. В принципе, это дает возможность использовать трубки как проводники для трехмерного монтажа наносхем.

В Lawrence Berkeley National Laboratory (США) в 1998 г. также сначала были созданы образцы нанотранзисторов на основе углеродных нанотрубок. В дальнейшем (2000 г.) были получены нанотранзисторы на основе фуллереновых кластеров C60. Нанотранзистор изготавливался следующим образом. Сначала с помощью электронно-лучевой литографической машины Nanowriter на кремниевой пластине создавалась решетка из узких золотых проводников шириной 200 нм и толщиной 10 нм. Пропуская по решетке электрический ток большой плотности, можно было вызывать электромиграцию атомов золота. В результате провода истончались до нанометровых размеров и разрывались в строго определенных местах, образуя зазоры шириной около 1 нм. Затем пластина покрывалась тонким слоем водного раствора фуллереновых кластеров. Далее растворитель испарялся, а кластеры C60 оказывались в зазоре между двумя электродами — истоком и стоком. Электрод затвора отделялся от остальных электродов изолирующим слоем двуокиси кремния.

С помощью нанотранзисторов на основе углеродных нанотрубок, структура которых показана на рис. 3, сотрудники Технического университета Дельфта (Delft University of Technology) уже в 2001 г. реализовали логический элемент ИЛИ-НЕ (physicsweb.org). Благодаря своим необычайно малым размерам нанотранзисторные схемы данного типа способны работать при комнатной температуре. Углеродные нанокластеры изготавливались отдельно, а затем размещались на подложке. Теперь исследователи разрабатывают технологию выращивания нанотрубок непосредственно на чипе.

Таким образом, в конце ХХ — начале XXI веков были опробованы базовые идеи квантовомеханических и молекулярно-кластерных технологий в новой области — наноэлектронике. В настоящее время в исследовательских центрах идет проработка технологических процессов производства наноэлектронной техники. Прикладные работы, в силу их стратегической важности для экономики промышленно развитых стран, скрыты от глаз обозревателей, но уже сейчас ясно, что экономическую, социальную и военно-политическую значимость информационных нанотехнологий невозможно переоценить.

МОП и гетероструктуры