Реализация одноэлектронных приборов

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский институт электронной техники (технический университет)»
НАУЧНО ИНФОРМАЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
Использование кремниевых наноструктур в электронике
по курсу: «Кремний в наноэлектронике»
Москва 2009
Оглавление
Введение ........................................................................................................................ 3
Реализация одноэлектронных приборов ................................................................ 4
Кремниевые одноэлектронные приборы ............................................................ 6
Библиографический список ....................................................................................... 13
Введение
Современный
научно-технический
прогресс
несомненно
определяется
развитием электроники, основой которой являются достижения в различных
областях фундаментальных наук, главным образом, физики твердого тела, физики
полупроводников, а также твердотельной технологии. Последние достижения
науки
показывают,
что
в
отличие
от
традиционной
микроэлектроники,
потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому,
будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе
принципиально новых физических и технологических идей.
Так, на протяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и
быстродействия систем достигалось увеличением плотности размещения и
уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их
масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц
нанометров возникает качественно новая ситуация, состоящая в том, что
квантовые
эффекты
(туннелирование,
размерное
квантование,
интерференционные эффекты) оказывают определяющее влияние на физические
процессы в наноструктурах и функционирование приборов на их основе.
Многообещающим является также создание наноструктур, в которых роль
функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это
позволит
использовать
принципы
приема
и
переработки
информации,
реализуемые в биологических объектах (молекулярная наноэлектроника). Новые
возможности в повышении мощности, температурной и радиационной стойкости,
расширении
приборов
диапазона
открывает
частот,
улучшении
направление,
в
эргономических
котором
характеристик
синтезируются
идеи
и
технологические достижения вакуумной и твердотельной электроники (вакуумная
наноэлектроника).
Создание наноструктур базируется на новейших технологических достижениях в
области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и
многослойных структур с заданным электронным спектром и необходимыми
электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами. Требуемая зонная
структура таких искусственных материалов обеспечивается выбором веществ, из
которых изготовляются отдельные слои структуры ("зонная инженерия"), поперечных
размеров слоев (размерное квантование), изменением степени связи между слоями
("инженерия волновых функций"). Наряду с квантово-размерными планарными
структурами (двумерный электронный газ в квантовых ямах, сверхрешетки)
исследуются одно- и нульмерные квантовые объекты (квантовые нити и точки),
интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как
следствие,
на
получение
новых
возможностей
эффективного
управления
электронными и световыми потоками в таких структурах.
Таким образом, развитие "традиционной микроэлектроники" подразумевает переход
к
нанотехнологии.
Развитие
нанотехнологии
позволит
сконструировать
и
принципиально новые элементы ИС, такие, например, как "одноэлектронные"
устройства, потребляющие предельно малые энергии на переключение, или
сверхбыстродействующие биполярные Si-Ge транзисторы с базами толщиной в
несколько
нанометров.
Устройства
на
основе
наноструктур
принципиально
необходимы и для считывания информации в вычислительном процессе из-за
предельно низких
считывающие
уровней сигналов. Примером могут служить магнитные
устройства,
магнетосопротивления,
основанные
возникающем
на
в
эффекте
слоистых
гигантского
металлических
магнитоупорядоченных средах с толщиной слоев в несколько нанометров.
Реализация одноэлектронных приборов
Конструкции одноэлектронных приборов весьма различны, но их можно
классифицировать по нескольким признакам [1, 2].
По направлению протекания тока конструкции делятся на горизонтальные
(латеральные) и вертикальные. В горизонтальных приборах направление протекания
тока
параллельно
плоскости
поверхности
структуры,
в
вертикальных
–
перпендикулярно.
По способу формирования КТ бывают приборы на постоянных и временных
КТ.
Заметим, что термин «КТ» по отношению к малому объекту не всегда корректен,
так как квантования энергетического спектра может и не наблюдаться. Однако этот
термин широко используется в силу того, что для квантования спектра достаточно
понизить температуру. В дальнейшем будем придерживаться такой терминологии.
Постоянная КТ существует все время и представляет собой чаще всего какойлибо кластер (металлический или полупроводниковый). Временная КТ создается в
двумерном электронном газе путем приложения обедняющих напряжений, т. е.
существует лишь во время работы прибора. Кроме того, приборы на временных КТ
можно разделить по способу формирования двумерного электронного газа на
инверсные и гетероструктурные. В инверсных приборах двумерный электронный газ
образуется
в
инверсных
соответствующего
приповерхностных
напряжения.
В
каналах
гетероструктурных
путем
приложения
приборах
двумерный
электронный газ сосредоточен на гетерогранице.
По количеству КТ приборы могут быть нуль- (одноточечные), одно- (цепочка
точек) и двумерные (массив точек).
По управляемости параметрами КТ приборы делятся на неуправляемые
(двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные, с одним или несколькими
затворами).
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся конструкции одноэлектронных приборов
Кремниевые одноэлектронные приборы
а)
б)
Рис. 1.1. Схема кремниевого одноэлектронного транзистора с двумя затворами на
одиночной (а) и двойной (б) КТ (согласно работам [3] и [4] соответственно).
VUG, VLG – напряжения на верхнем и нижнем затворах соответственно; VD –
напряжение на стоке
Конструкция, основанная на принципе работы МОП–транзистора (металл–
оксид–полупроводник) с индуцированным каналом, предложена в работах [3–5]. В
работах [3, 5] описан транзистор на одной КТ, а в работе [4] – на двух. Конструкции
этих транзисторов приведены на Рис. 1.1. Затвор таких транзисторов состоит из двух
электрически не связанных частей. Подача на нижний затвор положительного
напряжения формирует инверсный n–канал в p–подложке, а подача на верхний затвор
отрицательного напряжения разрывает канал областями обеднения, формируя КТ.
Эти приборы являются планарными управляемыми приборами на одной или
двух временных КТ. На Рис. 1.2, а показаны зависимости тока стока для
одноточечного транзистора от напряжения на нижнем затворе при различных
напряжениях на верхнем затворе [4]. На Рис. 1.2, б представлены аналогичные
характеристики, но при различных температурах [4]. Осцилляции на этих
зависимостях соответствуют присутствию отдельных электронов.
Рис. 1.2. Зависимости тока стока от напряжения на нижнем затворе для различных
напряжений на верхнем затворе (а) при 4,2 К [3] и различных температур (б) при
VUG = −1 В и VD = 0,2 мВ [4]
Сделаны как электронный [6], так и дырочный [7] приборы, использующие
эффект кулоновской блокады (Рис. 1.3). В кремниевой подложке создавали
изолирующий слой путем имплантации кислорода, при помощи электронной
литографии и реактивного ионного травления формировали необходимый рисунок.
Затем проводили термическое подзатворное окисление, которое уменьшало размеры
КТ и увеличивало высоту потенциальных барьеров между точкой и контактами.
Сверху наносили поликристаллический кремниевый затвор. Разница заключалась в
использовании n-Si для электронного и p-Si для дырочного транзистора.
Рис. 1.3. Схема квантового одноэлектронного транзистора [6]
Описанные транзисторы являются управляемыми планарными приборами на
одной постоянной КТ. На Рис. 1.4 приведены изображения электронного и дырочного
транзисторов, полученные при помощи сканирующего электронного микроскопа
(СЭМ). Зависимость тока стока от затворного напряжения для электронного
транзистора при различных температурах представлена на Рис. 1.5. Аналогичные
зависимости получены и для дырочного транзистора.
а)
б)
Рис. 1.4. Изображения электронного (а) и дырочного (б) транзисторов,
полученные при помощи СЭМ (согласно работам [6] и [7] соответственно)
Рис. 1.5. Зависимости тока стока от напряжения на затворе для электронного
транзистора при различных температурах T [6]
Следует отметить, что эти два транзистора – единственные одноэлектронные
приборы (кроме реализованных при помощи СТМ), работающие при температурах
выше 77 К. Однако вопрос о воспроизводимости 10-нм структур при помощи
электронной литографии в работе [6] не рассматривали.
Конструкция с аналогичными характеристиками создана в работе [8]; транзистор
отличается большими размерами и работает до температуры 28 К.
В работе [9] предложена конструкция, показанная на Рис. 1.6. Прибор
изготавливали следующим образом: на поликремниевый слой наносили толстый слой
SiO2. При помощи электронной литографии и реактивного ионного травления
формировали островок Si–SiO2. Затем проводили термическое окисление для
получения тонкого (2 нм) оксида на боковой поверхности островка. После нанесения
еще одного слоя поликремния при помощи электронной литографии и реактивного
ионного травления формировали подводящие контакты (см. Рис. 1.6).
Рис. 1.6. Схема одноэлектронного транзистора [9]
Роль КТ играл островок, туннельные контакты осуществлялись через тонкий
боковой оксид. Емкость перекрытия контактов и островка уменьшалась за счет
большой толщины SiO2 (50 нм) сверху островка. В качестве затворного электрода
использовали подложку. Классификация прибора аналогична предыдущему.
Как видно из Рис. 1.6, площадь туннельного контакта определяется высотой
островка и шириной подводящего контакта, которые составляли 30 и 100 нм
соответственно. Таким образом, емкость контактов при толщине бокового оксида
2 нм составляла 50 фФ. Изображение структуры, полученное с помощью СЭМ,
показано на Рис. 1.7. На Рис. 1.8 представлены характерные одноэлектронные
осцилляции тока стока от напряжения на затворе (т. е. на подложке). Измерения
проводили при температуре 4,2 К.
Рис. 1.7. Изображение одноэлектронного транзистора (см. Рис. 1.6), полученное
при помощи СЭМ [8]
Рис. 1.8. Зависимость тока стока от напряжения на затворе [8]. Напряжение на
стоке 3 мВ
Другой
типичный
представляющего
собой
пример
реализации
элемент
памяти
одноэлектронного
МДП–типа
прибора,
(металл–диэлектрик–
полупроводник) с ультракоротким каналом, представлен в работе [9].
Рассмотрим металлический кластер (для определенности сферический, радиуса
R), помещенный в диэлектрическую среду с диэлектрической проницаемостью ε.
Потенциал такого кластера равен
U
q
,
C
(2.14)
где q – электрический заряд; C = εR – емкость.
Для кластера размером в несколько нанометров емкость составляет ~10−18 Ф.
Поэтому один электрон, помещенный в подобный кластер, создает потенциал
порядка 0,1 В. Такой потенциал может оказаться вполне достаточным для
кулоновской блокады транспорта других электронов. Это открывает возможности для
создания нового класса так называемых одноэлектронных приборов. Разработано
несколько типов приборных структур этого типа: одноэлектронные элементы памяти
(Рис. 1.9); полевые транзисторы, управляемые одиночным электроном на затворе;
одноэлектронный аналог биполярного транзистора; «одноэлектронный насос» и др. В
настоящее время практическая реализация таких структур, как правило, основана на
использовании прецизионной литографии тонких металлических пленок или
полупроводниковых слоев с двумерным газом. Пространственное разрешение,
характерное для этого подхода, в большинстве случаев не позволяет создать объекты
достаточно малого размера, что ограничивает рабочую температуру подобных
устройств на уровне температуры жидкого гелия и ниже. Следует, однако, отметить
значительный прогресс этой технологии, достигнутый в последнее время. Например,
имеется информация о создании одноэлектронной памяти, работающей при
комнатной температуре, на основе полевого транзистора с очень узким каналом и
плавающим затвором нанометрового размера.
Рис. 1.9. Одноэлектронное устройство памяти с наноразмерным кластером в
качестве плавающего затвора. Схематическое изображение структуры (а) и
энергетические диаграммы до (б) и после (в) захвата электрона на кластер. Захват
одного электрона приводит к запиранию узкого канала за счет эффекта кулоновской
блокады
Библиографический список
1. W. H. Richardson, “Possibility of a single electron tunneling diode and a controllable
saturated tunneling current”, Appl. phys. lett., 1997, v. 71, No 8, pp. 1113–1115.
2. И. Г. Неизвестный, О. В. Соколова, Д. Г. Шамирян, “Одноэлектроника. Ч. I”,
Микроэлектроника, 1999, т. 28, вып. 2, стр. 83–107.
3. И. Г. Неизвестный, О. В. Соколова, Д. Г. Шамирян, “Одноэлектроника. Ч. II.
Применение одноэлектронных приборов”, Микроэлектроника, 1999, т. 28, вып. 3,
стр. 163–174.
4. Hideyuki Matsuoka, Shin’ichiro Kimura, “Transport properties of a silicon singleelectron transistor at 4.2 K”, Appl. phys. lett., 1995, v. 66, No 5, pp. 613–615.
5. Hideyuki Matsuoka, Haroon Ahmed, “Transport properties of two quantum dots
connected in series formed in silicon inversion layers”, Jpn. j. appl. phys., Pt 2, 1996,
v. 35, No 4A, pp. L418–L420.
6. Hideyuki Matsuoka, Shin’ichiro Kimura, “Thermally enhanced co-tunneling of single
electrons in a Si quantum dot at 4.2 K”, Jpn. j. appl. phys., Pt. 1, 1995, v. 34, No 2B,
pp. 1326–1328.
7. Effendi Leobandung, Lingjie Guo, Yun Wang, Stephen Y. Chou, “Observation of
quantum effects and Coulomb blockade in silicon quantum dot transistors at
temperatures over 100 K”, Appl. phys. lett., 1995, v. 67, No 7, pp. 938–940.
8. Effendi Leobandung, Lingjie Guo, Stephen Y. Chou, “Single hole quantum dot
transistors in silicon”, Appl. phys. lett., 1995, v. 67, No 16, pp. 2338–2340.
9. A. Fujiwara, Y. Takahashi, K. Murase, M. Tabe, “Time-resolved measurement of
single-electron tunneling in a Si single-electron transistor with satellite Si islands”,
Appl. phys. lett., 1995, v. 67, No 20, pp. 2957–2959.
10. Akiko Ohata, Hiromi Niiyama, Toru Shibata, Kazuaki Nakajima, Akira Toriumi,
“Silicon-based single-electron-tunneling transistor operated at 4.2 K”, Jpn. j. appl.
phys., Pt 1, 1995, v. 34, No 8B, pp. 4485–4487.
11. Lingjie Guo, Effendi Leobandung, Stephen Y. Chou, “A room-temperature silicon
single-electron metal–oxide–semiconductor memory with nanoscale floating-gate and
ultranarrow channel”, Appl. phys. lett., 1997, v. 70, No 7, pp. 850–852.
12. T. Sakamoto, H. Kawaura, T. Baba, “Single-electron transistors fabricated from a
doped-Si film in a silicon-on-insulator substrate”, Appl. phys. lett., 1998, v. 72, No 7,
pp. 795–796.
13. Lei Zhuang, Lingjie Guo, Stephen Y. Chou, “Silicon single-electron quantum-dot
transistor switch operating at room temperature”, Appl. phys. lett., 1998, v. 72, No 10,
pp. 1205–1207.