Технология изготовления одноэлектронных транзисторов

Изготовление одноэлектронных транзисторов возможно различными методами, отличающимися используемыми технологическими операциями, а также материалом электродов и квантово-размерного «наноострова». Материалом для изготовления «наноострова» могут быть полупроводники (обычно кремний или соединения А³В⁵), металлы, молекулярные кластеры, углеродные нанотрубки и графен. Полупроводниковый «наноостров» можно сформировать в приповерхностном слое полупроводника с помощью электродов специальной формы. Прикладывая к ним напряжения, можно получать инверсные и обедненные области, из которых и образуется квантово-размерная структура. Альтернативный вариант для кремния – использование предварительно сформированной структуры «кремний-на-изоляторе» (КНИ) и литографии высокого разрешения. Можно вместо структуры КНИ использовать гетероструктуру на основе полупроводников А³В⁵ (например, гетероструктуру GaAs/AlGaAs).

В металлических одноэлектронных транзисторах используются структуры типа Ме/Ме_хО_y/Me, которые получают с помощью электронно-лучевой литографии, напыления и локального окисления. В качестве металла Me чаще всего используют Al, Ni, Cr и Ti. Локальное окисление можно осуществить, например, с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Альтернативным вариантом является метод ступенчатого среза. Идея метода заключается в том, что тонкий проводник с помощью напыления наносится на предварительно изготовленную ступеньку из диэлектрического материала. Если высота ступеньки превышает толщину металлического проводника, то он разрывается в двух местах, в результате чего между истоком и стоком образуется «остров» с туннельно-прозрачными контактами (см. рис. 3.49).

Как уже отмечалось, для проявления эффекта кулоновской блокады при комнатной температуре необходимо, чтобы емкость структуры «затвор-наностров» была на уровне аттофарад (10^‑18 Ф). Получить такую величину емкости на основе полупроводниковых и металлических одноэлектронных транзисторов очень непросто. Поэтому весьма перспективными являются приборные реализации одноэлектронных транзисторов, где в качестве затвора используются молекулярные элементы, углеродные нанотрубки или графен.

Основоположником одноэлектроники можно считать профессора МГУ им. Ломоносова К. Лихарева, который в середине 80-х годов создал теоретическую базу одноэлектроники и экспериментально подтвердил эффект кулоновской блокады. Под его руководством был реализован туннельный одноэлектронный транзистор, работающий при гелиевых температурах (одновременно это же сделали американские ученые). В 1987 году Лихарев предложил использовать отдельные молекулы в качестве активных элементов в одноэлектронных системах, но тогда эта идея казалась утопической. Несколькими годами позже в МГУ начались исследования, целью которых было создание одноэлектронного транзистора на основе искусственных кластеров (синтезированных молекул с заранее заданными характеристиками) в качестве функциональных элементов транзистора. Однако препятствием стала необходимость создания стабильных упорядоченных структур и сложность манипулирования такими малыми объектами, как молекулярные кластеры.

В 1996 году российские ученые из МГУ впервые создали прототип одноэлектронного молекулярного нанокластерного транзистора, работающего при комнатной температуре. Правда, для этого им пришлось задействовать сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволял определять положение нанокластеров в мономолекулярной пленке с точностью до 1 нм, а затем измерять их рабочие характеристики. Пленка создает высокоупорядоченную планарную наноструктуру для механической стабилизации кластеров в фиксированной пространственной конфигурации. При этом ее толщина не превышает диаметра кластера, что обеспечивает компактность всего ансамбля. Схема такого транзистора представлена на рис. 3.46.

Рис. 3.46. Упрощенная схема молекулярного одноэлектронного транзистора: Э1 – игла-электрод СТМ; Э2 – электропроводящая подложка; Э3 – управляющий электрод; Д – диэлектрик

Понятно, что изготовленный ими одноэлектронный транзистор это всего лишь макет транзистора, в котором роль управляющего электрода выполняет зонд сканирующего туннельного микроскопа. Но с его помощью удалось доказать, что такая конструкция сохраняет свою функциональность вплоть до комнатных температур.

Одна из первых конструкций одноэлектронного транзистора, созданного по технологии изготовления кремниевых интегральных микросхем, была разработана японским учеными Х. Мацуока и Ш. Кимура в 1995 году (рис. 3.47). В ней два электрически независимых электрода (верхний П-образный и нижний прямоугольный) образуют структуры с расщепленным затвором. При подаче на нижний электрод положительного относительно подложки напряжения в ней образуется инверсионный канал n-типа проводимости. При подаче на верхний П-образный электрод отрицательного напряжения инверсионный канал разрывается областями обеднения. Возникающие разделительные потенциальные барьеры формируют квантовую точку, выполняющую функции «острова» одноэлектронного транзистора. Площадь сформированного таким образом «острова» составила 3500 нм², а его собственная емкость – 2,8 10^-17 Ф. Надежное функционирование этого прибора в качестве одноэлектронного транзистора возможно при температуре не выше 4,2 К.

Рис. 3.47. Одноэлектронный транзистор с двумя затворами и одиночной квантовой точкой

В МГУ им. Ломоносова был создан металлический одноэлектронного транзистора на структуре КНИ («кремний-на-изоляторе»). Увеличенное изображение транзистора представлено на рис. 3.48. Толщина слоя оксида кремния SiO₂ в структурах КНИ составляла примерно 140 нм, а толщина верхнего слоя кремния – 60 нм. Предварительно перед изготовлением образцов транзисторов, верхний слой кремния был сильно легирован фосфором так, что электропроводящие свойства полупроводника стали близки к металлическим. Затем с помощью электронной литографии формировалась маска из напыленного на пластину тонкого слоя алюминия. После этого с помощью реактивного ионного травления кремния через алюминиевую маску формировалась структура транзистора.

Рис. 3.48. Увеличенное изображение одноэлектронного транзистора на структуре КНИ

В Института физики полупроводников РАН (г. Новосибирск) в 1999 году был создан одноэлектронный транзистор с наностровом из титана Ti, созданный методом разрыва тонкопленочного проводника на ступени из нитрида кремния Si₃N₄. Схема транзистора и его увеличенное изображение представлены на рис. 3.49. Функционирует такой транзистор только при температурах жидкого гелия.

а) б)

Рис. 3.49. Схема металлического одноэлектронного транзистора (а) и его изображение (б)

В 2001 году сотрудники IBM представили первый одноэлектронный транзистор на основе нанотрубок. Транзистор представляет собой многослойную нанотрубку, один конец которой закреплен на истоке, а другой электростатически взаимодействует с электродом-стоком. Это устройство использует туннельный принцип. Под действием приложенной разности потенциалов нанотрубка способна изгибаться в направлении электрода-стока. Когда расстояние между ними сокращается до 1 нм, начинается туннелирование носителей заряда. Вследствие наличия в цепи резистора разность потенциалов снижается до уровня, при котором нанотрубка возвращается в исходное положение. В числе преимуществ устройств на нанотрубках можно назвать, в частности, их высокую степень интеграции (до 10¹² см^-2), высокую тактовую частоту (до 100 ГГц), а также низкое энергопотребление (менее 10⁻¹⁸ ватт на элемент).

В этом же году была опубликована работа, в которой реализован одноэлектронный транзистор на одиночной изогнутой углеродной нанотрубке (УНТ), работающий при температуре 260 К. На рис. 3.50а показана последовательность операций его изготовления, на рис 3.50б – зависимость проводимости транзистора от напряжения на затворе.

а) б)

Рис. 3.50. Процесс изготовления одноэлектронного транзистора на УНТ (а) и осцилляции проводимости при изменении напряжения на затворе (б)

Изготовление транзистора происходило следующим образом. Однослойная УНТ длиной 200 нм располагалась между двумя золотыми электродами на подложке Si/SiO₂. Первоначальное сопротивление нанотрубки не зависило от напряжения на затворе и составляло 50 кОм. Затем путем воздействия острием атомно-силового микроскопа в двух разных направлениях на нанотрубке создавали 2 изгиба, разделенные промежутком длиной 20 нм. При этом изогнутые участки играли роль изолирующих барьеров, отделяющих проводящий участок нанотрубки. Сопротивление нанотрубки при этом увеличивалось на порядок. Характеристики электронного переноса исследовались путем изменения напряжения на верхнем электроде и измерения тока на нижнем электроде. Дифференциальная проводимость dI/dU изменялась (осциллировала) в зависимости от напряжения на затворе, в роли которого выступала кремниевая подложка.

В 2008 году группа ученых из университета Манчестера (Гейм, Новоселов, Пономаренко и др.) сообщила о результатах эксперимента, в котором доказана принципиальная возможность создания одноэлектронного транзистора на графене c размерами около 10 нм. На рис. 3.51а показана схема транзистора, состоящего из графеновых истока (source) и стока (drain), соединенных островком (island) из проводящего материала или из квантовой точки. Справа показан тестовый транзистор, изображение которого увеличено в 40 тысяч раз. Подобный одноэлектронный транзистор может являться единичным элементом будущих графеновых микросхем. Исследователи считают, что можно сократить размеры квантовой точки до 1 нм, при этом физические характеристики транзистора не должны измениться. По оценкам ученых при уменьшении размеров квантового острова до 100 нм и ниже графеновый одноэлектронный транзистор будет способен работать при комнатной температуре.

а) б)

Рис. 3.51. Схема одноэлектронного транзистора на графене (а) и его увеличенное изображение (б)

Таким образом, создание одноэлектронных транзисторов в единичных экземплярах является уже вполне обыденным событием. Проблемой является изготовление транзисторов в промышленных масштабах с достаточно высокой производительностью, способных работать при комнатной температуре. Кроме этого, отдельные транзисторы сами по себе большого практического интереса не представляют. Они не отличаются какими-то особыми усилительными свойствами, но зато эффективны в качестве сверхбыстродействующих переключателей, что делает их перспективными для реализации интегральных цифровых схем.

В последние годы нескольким научным коллективам удалось создать ряд цифровых устройств на одноэлектронных транзисторах. Так, например, исследовательская группа из Голландии продемонстрировала работающий одноэлектронный инвертор. Инвертор, как известно, является одним из базовых структурных элементов транзисторной логики, преобразующий высокое входное напряжение (лог. 1) в низкое выходное (лог. 0) и наоборот. При температуре 25 мК удалось достичь усиления по напряжению 2,6, при этом коэффициент усиления по напряжению оставался больше единицы до температуры 140 мК.

В 2012 году исследователи из Южной Кореи и Великобритании изготовили также один из базовых логических элементов – полусумматор из пяти одноэлектронных транзисторов. Уровень потребляемого тока полусумматора составляет несколько наноампер. В настоящее время экспериментальное устройство может работать только при охлаждении до 10 К.