Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов» Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский институт электронной техники (технический университет)»
НАУЧНО ИНФОРМАЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ
по курсу: «Материалы для электронных наноструктур»
Москва 2009
Введение ........................................................................................................................ 3
Электрофизические свойства нанотрубок.................................................................. 4
Подвижность носителей ........................................................................................... 4
Баллистическое сопротивление ............................................................................... 5
Контакт с металлом .................................................................................................. 5
Приборы на нанотрубках ............................................................................................. 6
Полевые транзисторы ............................................................................................... 6
Диоды ......................................................................................................................... 6
Переключатели .......................................................................................................... 6
Сенсоры ..................................................................................................................... 7
Нанокатоды и полупроводниковая вакуумная электроника ................................ 7
Интерференционные транзисторы .......................................................................... 8
Библиографический список ....................................................................................... 10
2
Введение
Для
создания
радиационно-стойкой
и
термостойкой
элементной
базы
наноэлектроники одними из перспективных материалов являются алмазоподобные
(углеродные) структуры. Однако технология создания элементной базы электроники
на алмазоподобных структурах далека от завершения.
Открытие углеродных нанотрубок и супрамолекулярных материалов на их
основе дает новый импульс в создании специализированной электроники. Как
известно, графит используется для замедления и отражения нейтронов в ядерных
реакторах (имеет одно из минимальных сечений поглощения тепловых нейтронов
0,0035 барн, против кремния — основного материала микроэлектроники, у которого
сечение поглощения равно 0,171 барн, что в 49 раз больше). Его кристаллические
формы, в частности алмаз, менее подвержены разбуханию в сверхмощных
радиационных потоках. Поскольку прочность углеродных нанотрубок приближается
к алмазной, то с применением углеродных нанотрубок возможно продвижение в
создании специальной элементной базы электроники целиком на углеродной основе
[1].
Рис. 1 Структура различных аллотропных модификаций углерода.
Углеродные нанотрубки являются одной из аллотропных модификаций
углерода. Эти структуры получаются в результате сворачивания в цилиндр
гексагональной
графитовой
плоскости,
представляющей
собой
поверхность,
выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых находятся атомы
3
углерода.
Обычно
нанотрубка
заканчивается
полусферой,
которая
может
рассматриваться как половина молекулы фуллерена. На рис. 1 представлено
сравнение различных аллотропных модификаций углерода.
Главным технологическим приемом формирования нанотрубок в нужном месте
является в настоящее время их выращивание на катализаторах, в качестве которых
могут служить оксид алюминия, золото и другие материалы.
Нанотрубки являются совершенно новым физическим объектом. Их особые
свойства позволяют говорить о разнообразном и, более того, неожиданном
применение в микроэлектронике.
Электрофизические свойства нанотрубок
Нанотрубки на сегодняшний день – один из самых привлекательных физических
объектов. Также как и фуллерены, они по существу являются монокристаллическими
образованиями. Диаметр нанотрубок составляет 1÷2 нм. Физические свойства резко
отличаются от объемных кристаллов. Представляется целесообразным подробно
остановиться на их свойствах, поскольку именно эти свойства определяют возможное
применение нанотрубок в электронике.
Углеродные
нанотрубки
бывают
одностенными
(SWCNT),
двустенные
(DWCNT) и многостенными (MWCNT). Лучшими по физическим свойствам
являются одностенные нанотрубки.
Подвижность носителей
Главное, что определяет возможность практического применения
– в
наноэлектронике сверхбольшая величина подвижности. Измеренная на углеродных
нанотрубках с p-типом проводимости подвижность составляет при комнатной
температуре 105 см2/(В·с) [2]. Это превышает рекордное значение подвижности в
объемном полупроводнике InSb, которое равно 7,7·104 см2/(В·с).
Однако достоверность результатов измерения вызывает некоторые сомнения [3].
Для больших отрицательных напряжений на затворе, когда применение модели,
принятой для измерений
кажется более оправданным, подвижность дырок
становилась близкой к 1,5 · 104 см2/(В · с), что является типичным для объемного
4
графита [4]. Однако и это значение очень велико. Для сравнения в нелегированном
монокристаллическом кремнии подвижность не превышает 103 см2/(В · с).
Баллистическое сопротивление
Баллистическое сопротивление является контактным явлением, а не внутренним
свойством
нанотрубки.
В
нанотрубке
проводят
две
подзоны
поперечного
квантования, поэтому баллистическая проводимость ее равна двум квантам
проводимости 2G0 = 2 (2e2/h). Кванту проводимости отвечает сопротивление ~ 13
кОм.
Контакт с металлом
Существенным недостатком нанотрубок является их плохой контакт с
металлами, вызванный наличием потенциального барьера на границе. Высота барьера
при контакте металла с полупроводником обусловлена различной работой выхода
металла и полупроводника. Огромную роль в определении высоты барьера играют
заряженные дефекты границы и поверхностные состояния. В результате уровень
Ферми фиксируется вблизи середины запрещенной зоны полупроводника. Разброс
высоты барьера для контактов с различными металлами гораздо меньше, чем
вариации разности работ выхода.
Для
создания
омического
контакта
используют
сильное
легирование
полупроводника. Оно не приводит к понижению барьера, но вызывает его утончение,
поскольку ширина барьера W определяется шириной обедненного слоя, зависящей от
степени легирования N как W ~ (N)1/2.
Недавние исследования, проведенные в Исследовательском центре Уотсона
(IBM Watson Research Center) показали, что контакт нанотрубок с тремя различного
типа металлами (Ti, Pd, Al) обладает довольно высоким барьером [4]. Наименьший
барьер имеет контакт нанотрубки
с
палладием. Измерения
проводили
на
транзисторной структуре. Нанотрубки формировали путем лазерной абляции, затем
из раствора осаждали на поверхность p-Si, покрытую 10-нанометровым термическим
слоем SiO2. Контакты истока и стока формировали из различных металлов с помощью
электронно-лучевой литографии и стандартного процесса вскрытия (lift-off).
5
Подложка исполняла роль затвора. Было показано, что высота барьера существенно
зависит от диаметра нанотрубки. Кроме того, она зависит от приложенного
напряжения между истоком и стоком. При малом напряжении его высота составляет
~0,8 эВ. На контакте сильнолегированного кремния в контактах истока и стока в
полевом транзисторе и нелегированного канала тоже возникает барьер, однако его
высота составляет всего 0,02 эВ над уровнем Ферми в контакте [5]. Таким образом, по
качеству контактов нанотрубки значительно уступают кремниевым структурам.
Приборы на нанотрубках
Полевые транзисторы
Естественно, что первое применение нанотрубок в микроэлектронике – это
создание на их основе полевого транзистора [6]. Однако не удалось создать
транзистор, который мог бы конкурировать с кремниевыми полевыми транзисторами
(MOSFET). Даже ведущие фирмы, такие как IBM и Intel, не добились пока
впечатляющих результатов.
Подобного рода работы ведутся широко во всем мире; в России транзисторы на
нанотрубках изучаются в МИЭТе (г. Зеленоград), где изготовили и исследовали
характеристики логических ключей на основе полупроводниковых однослойных
углеродных нанотрубок (SWCNT) [7].
Диоды
Сотрудники California Institute of Technology [8] сообщают об изготовлении и
исследовании свойств диода Шотки на полупроводниковой одностенной углеродной
нанотрубке (s-SWNT). Высокочастотные свойства диода хороши из-за исключительно
малой емкости.
Переключатели
Совсем
недавно
обнаружилось
совершенно
неожиданное
применение
нанотрубок в микроэлектронике. Оказалось, что на них можно делать переключатели
из состояния с высокой проводимостью (ON) в состояние с низкой проводимостью
6
(OFF) [9,10]. Работа этих переключателей основана на накоплении пространственного
заряда на ловушках. Накопленный заряд выполняет функции плавающего затвора.
Канал переключается из состояния с высокой проводимостью в состояние с низкой
проводимостью. Очевидным их применением может быть оперативная память. На
таких переключателях можно, в принципе, сделать и процессор [11], правда, с весьма
низким быстродействием. Эффект переключения интенсивно исследуется в ведущих
мировых фирмах, специализирующихся в области микроэлектроники. Стоит обратить
на него внимание и в российских разработках.
Сенсоры
В настоящее время самым близким к коммерциализации проектом является
использование структур из нанотрубок в качестве сенсоров. Для их изготовления не
требуется сложная технология. Для работы сенсоров не столь важен разброс их
диаметров и ориентации относительно контактов. Для большого количества
нанотрубок эти разбросы усредняются. Длина нанотрубок велика, так что контактное
сопротивление не играет большой роли. Не требуется высокого быстродействия.
Осаждаемые на поверхность молекулы или наночастицы приводят к искажению
кристаллической решетки ввиду очень малого диаметра нанотрубок. Кроме того,
могут образовываться заряженные центры. Все это сказывается на проводимости. Для
селективного отбора молекул используют специальное покрытие нанотрубок, к
которому они прилипают.
Есть, правда, сенсоры которые работают по-другому. Нанотрубки подвешены, а
налипающее вещество изменяет ширину зазора, т. е. его емкость.
Нанокатоды и полупроводниковая вакуумная электроника
Ввиду малого диаметра нанотрубки на ее конце возникает большая
напряженность электрического поля, приводящая к большой величине туннельного
тока. Физическое объяснение этого основано на теории Фаулера–Нордгейма,
описывающей туннелирование через треугольный барьер.
7
Нанотрубки
могут
полупроводниковой
также
вакуумной
служить
катодами
электронике,
и
которая
в
так
называемой
копирует
устройство
электронных ламп в субмикронном масштабе.
В НИИФП им. Ф. В. Лукина (г. Зеленоград) разработана технология и
изготовлен эмиттер из углеродных нанотрубок необычной конструкции для
планарной эмиссионной вакуумной микро- и наноэлектроники. Полученный разброс
токов и параметры созданного «эмиттера-лезвия» свидетельствуют о реальной
готовности технологии для изготовления эмиссионных интегральных схем на
площади более 1 см2.
Авторы рассматривают возможность использования плоских эмиттеров для
создания программируемого постоянного запоминающего устройства большой
емкости (~ 1012 бит) при скорости считывания ~100 Мбит/с, а также для разработки
практически плоских (толщиной не более 1 мм) экранов и электрооптических
преобразователей.
Одной из мотиваций поиска новых видов транзисторов является уменьшение
энергии их переключения из открытого (ON) в закрытое (OFF) состояние в
логической схеме. Во всех используемых в настоящее время транзисторах такое
переключение осуществляется за счет перемещения электронов из одного места
пространства в другое. Эти положения разделяются потенциальным барьером,
изменяя высоту которого можно делать такой переход возможным или невозможным.
Фактически это означает управление термоэмиссией. Энергия переключения в
расчете на один электрон не может быть меньше kBT. В этом и состоит
фундаментальное ограничение. Интерференционные и спиновые транзисторы
работают совсем на других принципах, и это ограничение не реализуется.
Интерференционные транзисторы
Как было отмечено выше, при малом размере элементов квантовые эффекты
начинают играть существенную роль. Однако это часто не влечет за собой изменение
самого
принципа
работы
устройства,
а
только
влияет
на
его
выходные
характеристики. Подобная ситуация складывается, например, в нанометровых КНИ–
транзисторах.
8
Интерференционные транзисторы основаны на управлении интерференцией
носителей тока с помощью внешних потенциалов.
Все предложенные до сих пор конструкции пока оказываются нереализуемыми.
Возможно,
наиболее
перспективными
являются
Y-образные
нанотрубки.
Потенциалом затвора, расположенным в месте разветвления, можно направлять
пучок электронов в одно либо в другое русло. Важно понять, как формировать и
размещать подобные объекты в нужных местах структуры, ведь, как правило, Yобразные нанотрубки возникают случайным образом среди прочих обычных
нанотрубок.
Однако авторы работы [12] сообщили, как регулярным образом можно
выращивать именно Y-образное разветвление на нанотрубке. Авторы работы [13]
воспользовались
этим
приемом
для
изготовления
реальной
конструкции
трехтерминального устройства усилителя тока (рис. 2).
Рис. 2. Изображение (а) и схема (б) транзистора на Y-образной нанотрубке [13].
VD, VG – напряжение на стоке и затворе соответственно; ID, IG – ток на стоке и затворе
9
Библиографический список
1 «Нанотехнологии в электронике» под ред. Ю.А.Чаплыгина. Москва:
Техносфера, 2005. -448с.
2 T. Dürkop, S. A. Getty, E. Cobas, M. S. Fuhrer, “Extraordinary mobility in
semiconducting carbon nanotubes”, Nano letters, 2004, v. 4, pp. 35–39.
3 В. Вьюрков // ПерсТ, 2004, т. 11. вып. 4, стр. 2–4.
4 Zhihong Chen, Joerg Appenzeller, Joachim Knoch, Yu-ming Lin, Phaedon Avouris,
“The role of metal-nanotube contact in the performance of carbon nanotube field-effect
transistors”, Nano lett., 2005, v. 5, No 7, pp. 1497–1502.
5 А. А. Сидоров, В. В. Вьюрков, А. А. Орликовский, “Применение метода
Монте-Карло
для
моделирования
кремниевых
полевых
нанотранзисторов”,
Микроэлектроника, 2004, т. 33, № 4, стр. 243–255.
6 Sander J. Tans, Alwir R. M. Verschueren, Cees Dekker, “Room-temperature
transistor based on a single carbon nanotubes”, Nature, 1998, v. 393, No 6680, pp. 49–52.
7 S. Bandyopadhyay, M. Cahay, “Reexamination of some spintronic field-effect
device concepts”, Appl. phys. lett., 2004, v. 85, No 8, pp. 1433–1435.
8 H. M. Manohara, E. W. Wong, E. Schlecht, B. D. Hunt, P. H. Siegel, “Carbon
nanotube schottky diodes using Ti-Schottky and Pt-ohmic contacts fro high frequency
application”, Nano letters, 2005, v. 5, pp. 1469–1474.
9 S. Wang, P. Sellin, “Pronounced hysteresis and high charge storage stability of
single-walled carbon nanotube-based field effect transistors”, Appl. phys. lett., 2005, v. 87,
No 13, art. 133117.
10 E. Dujardin, V. Derycke, M. F. Goffman, R. Lefèvre, J. P. Bourgoin, “Selfassembled switches based on electroactuated multiwalled nanotubes”, Appl. phys. lett.,
2005, v. 87, No 19, art. 193107 (3 pages).
11 P. J. Kuekes, D. R. Stewart, R. S. Williams, “The crossbar latch: Logic value
storage, restoration, and inversion in crossbar circuits”, J. appl. phys., 2005, v. 97, No 3, art.
034301.
10
12 Jing Li, Chris Papadopoulos, Jimmy Xu, “Nanoelectronics: Growing Y-junction
carbon nanotubes”, Nature, 1999, v. 402, No 6759, pp. 253–254.
13 B. R. Perkins, D. P. Wang, D. Soltman, A. J. Yin, J. M. Xu, A. Zaslavsky,
“Differential current amplification in three-terminal Y-junction carbon nanotube devices”,
Appl. phys. lett., 2005, v. 87, No 12, art. 123504 (3 pages).
11