Основные вопросы наноэлектроники
Характеристика кремниевых транзисторов с изолированным затвором. Рассмотрение особенностей технологического процесса изготовления FinFET-транзистора. Анализ функций нанотранзисторов на основе углеродных нанотрубок. Знакомство с проблемами GaN-технологии.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.12.2013 |
| Размер файла | 547,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Разработана модель транзистора на ветвящихсяY-образных нанотрубках. Для создания таких структур на нанотрубку линейного типа наносят частицы каталически активного титана. Они формируют на стволе нанотрубки точку роста второй ветви. Y-образная нанотрубка, прикрепленная к подложке, представляет собой готовую транзисторную структуру (рисунок 19).
Исследования показали, что при приложении на «ствол» нанотрубки отрицательного напряжения протекание тока от истока к стоку прекращается. При положительном потенциале на стволе затвора наблюдается протекание тока от одной ветви к другой. Проводятся исследования по созданию транзисторных структур и на нанотрубках типа Т и X. Есть перспектива создания разветвленных сетей на основе нанотрубок, даже некоторого подобия чипов для компьютеров, которые будут отличаться сверхкомпактностью и сверхоперативностью.
Рисунок 19 - Структура транзистора на Y-образной нанотрубке и его условное обозначение
Исследователи из университета Беркли (Калифорния, США) разработали наножидкостной транзистор с использованием углеродных нанотрубок (рисунок 20). Примечательно, что конструкция и характеристики таких транзисторов схожи с МОП-транзисторами. В качестве носителей информации в этих структурах используются молекулы, а не электроны. Между резервуарами истока и стока расположен наноканал диаметром -30 нм, в качестве которого может служить нанотрубка. Канал заполнен водой с добавлением ионов растворенных солей и располагается между двумя слоями диоксида кремния. При подаче напряжения на электрод затвора (-75 В) протекание жидкости от резервуара истока к резервуару стока прекращается. Такой нанотранзистор можно использовать для детектирования химических соединений. Ожидается, что группа наножидкостных транзисторов может образовывать вычислительное устройство, сходное с кремниевыми процессорами.
Рисунок 20 - Структура наножидкостного транзистора: 1 -- наножидкостные каналы, 2 -- резервуар стока, 3 -- резервуар истока, 4 -- электрод затвора
3.2 Нанотранзисторы на основе графена
Открытие графена как нового материала микро- и наноэлектроники стало не только эволюционным, но и революционным событием в постоянно прогрессирующих высоких технологиях. Графен представляет собой двумерную аллотропную модификацию углерода и обладает уникальными механическими и электрическими свойствами. Прочность графена более чем на порядок превосходит прочность всех известных в настоящее время веществ. Высокая теплопроводность графена способствует быстрому рассеиванию тепла. Электроны проходят через графен, почти не встречая сопротивления материала и соответственно не выделяя джоу- лева тепла. Структура графена обусловливает отсутствие запрещенной зоны. В графене для электронов и дырок справедлив линейный закон дисперсии, как для релятивистских частиц. В этом случае электроны ведут себя как носители заряда, эффективная масса которых равна нулю. Подвижность обоих типов носителей в графене составляет более 20 м2/(В * с), тогда как в кремнии она равна 0,15 м2/(В * с).
С появлением графена интенсивно стали проводиться исследования по созданию транзисторных структур. Создание графено-вого транзистора может стать заметной вехой на пути преодоления 30-нанометрового барьера миниатюризации электронных устройств. Одной из первых таких конструкций стал транзистор с использованием квантовой точки в виде островка шириной -100 нм из графена (рисунок 21). Исток и сток также выполняются из графена. Островок представляет собой квантовую точку, в которую может туннелировать только один электрон в заданный момент времени. Другие электроны в силу кулоновской блокады на него не попадают. Напряжением на затворе можно заставить электрон туннелировать на этот электрод. Логический нуль соответствует отсутствию электрона на островке и, таким образом, наличие электрона на островке формирует логическую единицу.
Рисунок 21 - Графеновый тестовый транзистор на квантовой точке (40000 х); И -- исток; С -- сток; О -- островок
Разработана конструкция транзистора на основе графеновой наноленты (рисунок 22). Графеновая лента шириной -10 нм, выполняющая функцию канала переноса носителей, закрепляется на кристалле высокопроводящего кварца. На кварцевый затвор наносится пленка диоксида кремния толщиной 10 нм. Палладиевые контакты формируют электроды истока и стока. Управление транзистором осуществляется путем подачи соответствующего напряжения на затвор. Транзистор способен работать при комнатной температуре. Рабочая частота графенового транзистора во многом зависит от его размеров и составляет -20 ГГц. Терагерцовый транзистор будет создан при длине затвора -50 нанометров, но для этого нужно осуществить переход на кремниевую подложку и найти подходящий материал для подзатворного изолятора.
Весьма перспективная конструкция графенового транзистора использует в качестве затвора транзистора нанопроводник. Структура такого нанопроводника состоит из ядра на основе силицида кобальта (Co2Si) покрытого оболочкой из оксида алюминия (А1203). Такой нитевидный затвор располагается на графеновом листе (рисунок 23). Транзистор покрывается слоем платины толщиной в 10 нм с целью увеличить усиление по току. Длина канала, формируемого затвором в графене, составляет 100-300 нм. Транзистор может генерировать сигналы в частотном диапазоне до 300 ГГц при ширине канала -140 нм.
Рисунок 22 - Конструкция полевого транзистора на основе графено- вой ленты (7); И -- исток; С -- сток; 3 -- затвор
Рисунок 23 - Структура графенового транзистора с нанопроводником(а); нанопроводник покрыт изолирующей оболочкой (б)
3.3 Спиновой нанотранзистор
В традиционных транзисторных структурах используются носители зарядов в виде электронов и/или дырок. Однако у электрона есть еще спин, который может стать носителем информационного сигнала. Спин электрона, или собственный момент количества движения, -- внутренняя характеристика электрона, он имеет квантовую природу. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний. В случае совпадения направления спина с направлением намагниченности магнитного материала состояние называется «спин-вверх». В случае, если спин и намагниченность разнонаправлены, то это состояние называется «спин-вниз».
Спин электрона может передавать один бит двоичной информации в зависимости от ориентации спина, а также величины тока электронов. Обычно электроны в веществе в среднем неполяризованы -- электронов со спином вверх и со спином вниз примерно поровну. Для получения достаточно сильного тока однонаправленными спинами необходимо их поляризовать, упорядочив в одном направлении. Важно, чтобы еще и время жизни спина или время, в течение которого направление спина не меняется, было достаточно большим для передачи его на нужные расстояния.
Рисунок 24 - Структура кремниевого спинового транзистора (а), слои истока Co84Fe16 и Ni80Fe20 намагничены параллельно (б) и антипараллельно (в); F --ферромагнитные слои при истоке и стоке
Спиновой транзистор должен иметь исток или инжектор, который обеспечивает «впрыск» спин-поляризованных электронов в полупроводник, устройство управления спиновым током в канале полупроводника, например, приложенным напряжением, и, наконец, устройство прецизионного детектирования или измерения результирующего спинового тока (назовем этот электрод стоком). Как и у МОП-транзистора управляющее поле направлено перпендикулярно транспорту носителей. Структура спинового транзистора представляет собой слоистую структуру (рисунок 24, а). При приложении напряжения VE неполяризованные электроны эмиттируют из истока в ферромагнитный слой Co84Fe16,намагниченного, например, вверх. Часть электронов с выделенным направлением спина «спин-вниз» рассеиваются, потому что их ориентация не совпадает с направлением намагниченного слоя Co84Fe16. Электроны с ориентацией «спин-вверх» туннелируют через тонкий слой А1203. Туннельный барьер преодолевают только «горячие» электроны, формируемые напряжением VE. Эти электроны проникают через барьер Шоттки, сформированный на границе беспримесного полупроводника в виде монокристалла кремния. Под действием напряжения VCI происходит упорядоченное движение электронов через 350-микрометровый слой кремния.
Возникает ток ICI, который назовем током на стоке (детекторе). Второй ферромагнитный слой Ni80Fe20 регистрирует электроны с ориентацией «спин-вверх», которые эмиттируют в кремний n-типа. Этот поток измеряется как IC2. Таким образом, изменяя взаимную ориентацию магнитных полей в двух слоях ферромагнетика, можно включать или выключать спиновый ток на выходе. Это позволяет осуществлять логические операции над информацией путем использования двух устойчивых состояний прибора, при которых ток либо есть (логическая «1»), либо нет (логический «0»).
Определенный интерес представляет транзистор Датта-Даса -- баллистический (без рассеяния) полевой транзистор. Исток представляет собой источник спин-поляризованных электронов, а сток -- спиновый фильтр (рисунок 25). Исток и сток выполнены из ферромагнетика, затвор -- из полупроводника. В обычном полевом транзисторе напряжение, прикладываемое к затвору, управляет величиной тока между истоком и стоком. В релятивистском полевом транзисторе истоком и стоком должны служить ферромагнетики с параллельно ориентированными спинами электронов, соединенные узким полупроводниковым каналом. Спины инжектируемых в исток электронов устанавливаются параллельно магнитным полям истока и стока. Прецессия спина возникает благодаря спин-орбитальному взаимодействию и приложенному напряжению, которое для движущегося электрона трансформируется в эффективное магнитное поле (эффект Быч-кова-Рашбы).
Таким образом, от истока к стоку течет спин-поляризованный ток. При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1% от скорости света в вакууме.
Рисунок 25 - Спиновой полевой транзистор
Величина тока регулируется посредством приложенного напряжения. В соответствии со специальной теорией относительности у движущегося электрона появляется магнитное поле, напряженность которого определяется (в гауссовой системе единиц) формулой,H=±[vxE],где v -- скорость движения электронов, Е -- напряженность электрического поля, созданного приложенным к затвору потенциалом, а квадратные скобки обозначают векторное произведение. При достаточной величине напряженности магнитного поля спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает, и ток уменьшается. В стоке отбираются только электроны с определенной спиновой ориентацией, и поэтому электрический ток оказывается осциллирующей функцией приложенного к схеме напряжения.
Такой спиновый транзистор может успешно работать как полевой транзистор. Разработаны конструкции спиновых транзисторов, носящие имена их авторов: спин-полевой транзистор Датта-Даса, спиновой транзистор Джонсона, гибридный транзистор Монсма и другие. Заметим, что спиновые транзисторы являются весьма экономичными, поскольку энергии для переориентации спинов не требуется.
3.4 Наноэлектромеханический транзистор
Посчитано, что в микроэлектронных транзисторах для обеспечения логической единицы необходимо ~105 электронов. В нанотранзисторах для этих целей используется порядка сотни электронов. Потом появились одноэлектронные транзисторы и устройства на их основе (одноэлектронные приборы будут рассмотрены ниже). Американский профессор Роберт Блайк, открывший электромеханический осциллятор в диапазоне радиочастот (100 МГц), создал на его основе наноэлектромеханический транзистор (рисунок 26). Такой транзистор способен обрабатывать от сотен до одного электрона. Транзистор изготовлен по технологии «кремний на изоляторе» (КНИ-технология). Механический маятник и туннельные контакты маятника были вытравлены с помощью мокрого и сухого травления.
В центре устройства расположен вибрирующий маятник, названный «механической рукой». При приложении между точками G 1 и G 2 переменного напряжения маятник будет колебаться с частотой, пропорциональной частоте переменного напряжения. Маятник С конструктивно электрически изолирован от электродов G 1, G2, S, D изаземлен. Электроды S и D выполняют функции истока и стока. При приближении маятника к электроду Sв результате туннельного эффекта из истока на маятник переносится только один электрон. При приближении маятника к электроду D этот электрон переходит на сток. Приведем несколько технических характеристик такого нанотранзистора: расстояние между электродами S и D -300 нм.
84 аттофарады (10 Ф). Применение «механической руки» для переноса электронов от истока к стоку позволит использовать такой транзистор в условиях повышенной радиоактивности, например, в ядерных реакторах или на спутниках в космосе.
Рисунок 26 - Изображение наномеханического транзистора и схема его работы: VSD и ISD -- источник напряжения транзистора и регистратор переноса электрона соответственно
Предложена конструкция еще одного уникального устройства, способного выполнять функции транзистора, -- баллистического транзистора с отклоняющим полем. В основе работы такого транзистора лежит баллистический характер пролета электронов в ограниченном пространстве (рисунок 27). Эмиттированный электрон проходит между двумя электродами, которые условно.
Рисунок27 - Модель баллистического транзистора
можно назвать истоком и стоком, и в зависимости от приложенного к ним напряжения отклоняется вправо или влево. В одном направлении движения сигнал условно будет соответствовать логическому нулю, в другом -- логической единице. Ожидается значительный экономический эффект от использования таких устройств в чипах электронных схем.
3.5 Успехи и перспективы транзисторостроения
Годовой выпуск транзисторов составляет -1024 штук. Ни одна отрасль промышленности не выпускает столько одноименных качественных изделий. В области микроэлектроники, а также при переходе от микро- к наноэлектронике в зависимости от поставленной задачи конструкторы всегда могут выбрать тип транзистора с нужными характеристиками. Сложнее обстоит дело в области нанотранзисторов. Во-первых, еще нет промышленных интегральных схем на основе нанотранзисторов. Во-вторых, нанотранзисторы пока не выпускаются по групповой технологии, обеспечивающей высокий процент выхода годных изделий и их дешевизну. Но работы в области нанотранзисторостроения идут широким фронтом. Так, фирма «АМД» по обычной промышленной технологии создала транзистор с длиной затвора 10 нм, что позволяет разместить на микропроцессорном кристалле миллиард транзисторов.
Создана транзисторная структура, работающая на частоте 600 ГГц. Разрабатываются оптические транзисторные структуры, молекулярные транзисторы, ДНК-транзисторы и др. В «зонной» инженерии разрабатываются квантовые приборы, основанные вовсе не на принципах транзисторных структур, а на принципе передислокации волновых функций в гетероструктурах. Резерв идей транзисторизациинаноэлектроники -- идея одноэлектронного транзистора, графенового транзистора на квантовой точке.
4. Основы одноэлектроники
4.1 Эффект одноэлектронного туннелирования
При уменьшении линейных размеров информационных электронных приборов и устройств возникает проблема манипулирования и определения состояния отдельных носителей заряда. И прежде всего электронов. Это направление развития электроники получило название «твердотельнаяо дноэлектроника». Одноэлектронные устройства представляют собой перспективные наноэлектронные приборы, основанные на эффекте дискретного туннелирования отдельных электронов и обеспечивающие ультранизкие уровни потребляемой энергии при ультранизких рабочих напряжениях.
Рассмотрим процесс одноэлектронного туннелирования в типовой транзисторной структуре с использованием квантовой точки (рисунок 28). Туннельный переход формируется на основе двух проводников малого поперечного сечения, между которыми располагается тонкий слой диэлектрика. С помощью такой конструкции -- туннельного перехода -- можно управлять движением отдельных электронов. Согласно основным принципам квантовой механики, микрочастицы (в частности электроны) могут переходить через изолятор (диэлектрик) с одного проводника на другой -»туннелировать».
Рисунок 28 - Схема одноэлектронного транзистора с квантовой точкой: V3 -- напряжение на затворе, Vис -- напряжение на электродах исток-сток
В отличие от обычного движения электронов в проводнике, которое зависит лишь от их коллективных свойств, при туннелировании проявляются индивидуальные характеристики каждой частицы. Электроны проходят через слой диэлектрика по отдельности, что позволяет зарегистрировать перемещение с проводника на проводник даже одного из них. С точки зрения радиоэлектроники туннельный переход -- это простейший конденсатор, а процесс туннелирования электронов приводит к небольшой перезарядке такого конденсатора и, следовательно, к изменению напряжения на нем. Если площадь и, соответственно, емкость перехода достаточно малы, то перезарядка даже на один элементарный заряд приведет к заметному скачку напряжения.
Теория одноэлектронного туннелирования впервые была предложена профессором Московского государственного университета К. К. Лихаревым. Было показано, что в туннельных переходах малой площади между металлами, а также вырожденными полупроводниками наблюдается эффект дискретного туннелирования одиночных носителей тока сквозь туннельные барьеры. Эффект дискретного одноэлектронного туннелирования состоит в том, что в переходах с малой собственной емкостью С в результате туннелирования одиночного электрона изменяется напряжение на туннельном переходе на величину ДV -q/C. Следует заметить, что в соответствии с теорией информации энергия электрона Е=q"/2С должна быть больше термодинамических флуктуаций кТ и тогда Е»кТ, где к -- постоянная Больцмана, Т-- температура.
Рассмотрим туннельный переход между двумя металлическими контактами и тонким слоем диэлектрика между ними. По существу это устройство представляет собой плоский конденсатор емкостью Сс зарядом Q на его обкладках. Изменение емкости такого наноконденсатора происходит дискретно, а минимальное значение изменения энергии определяется элементарным зарядом ДE = q2/(2C). Появление дробного заряда несколько парадоксально. Такой парадокс можно объяснить тем, что если напряжение на обкладках конденсатора можно менять непрерывно, то переход электрона и, соответственно, заряд емкости происходит скачком. В качестве аналога процесса одноэлектронного туннелирования Лихаревым была предложена некоторая аналогия с капающей из крана водой: вода подтекает непрерывно, а срывается сформированной для данных условий каплей. Аналогично в описываемой ситуации: смещение электрона происходит непрерывно, а тунелирование электрона -- дискретно.
Заметим, что вследствие нанометровых размеров туннельных переходов электрический заряд в емкости перехода квантуется. Величину квантовых флуктуаций можно оценить из соотношения неопределенности: ДЕт «h, где т =RC, R -- сопротивление перехода. При квантовом переходе R»Rq, где Rq -h !Aq2 = = 6,45 кОм -- квантовое сопротивление. При определенных условиях процесс туннелирования электронов можно блокировать. Предположим, какой-то из электронов перешел сквозь изолятор незаряженного перехода. При этом на переходе сразу же появится напряжение, препятствующее движению следующих частиц, -- проскочивший электрон своим зарядом отталкивает другие электроны. Этот эффект получил название кулоновской блокады.Куло-новская блокада представляет собой явление отсутствия тока из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания при приложении напряжения к туннельному переходу.
Таким образом, вследствие кулоновской блокады очередной электрон пройдет через изолятор только тогда, когда предыдущий удалится от перехода. В результате частицы станут перескакивать с проводника на проводник через определенные промежутки времени, а частота таких перескоков -- одноэлектронных колебаний -- будет равна величине тока, деленной на заряд электрона. Частота повторения определяется соотношением: / = //#, где I -- ток через переход. Это так называемые одноэлектронные туннельные осцилляции. Поэтому для обеспечения процесса туннелирования через переход необходимо преодолеть силу кулоновского отталкивания электронов -- приложить напряжение Vk6 -q /(2С). Эффект кулоновской блокады позволяет управлять процессом туннелирования электронов.
Процесс протекания тока через одиночный туннельный переход происходит в несколько стадий (рисунок 29, а). На первой стадии граница между металлом и диэлектриком электрически нейтральна. Для поддержания электрического тока необходимо на одной стороне туннельного перехода накопить определенный заряд. На рисунке 29, б представлен процесс образования капли воды в трубе неплотно закрытого крана (интерпретация Лихарева). На второй стадии процесса к металлическим обкладкам прикладывается электрический потенциал, и на границе раздела накапливается заряд. Этот этап соответствует формированию капли. На третьей стадии происходит накопление заряда до тех пор, пока его величины не будет достаточно для преодоления туннельного перехода через диэлектрик. На аналоговой схеме этот этап соответствует образованию и отрыву капли. На четвертом этапе после акта туннелирования система возвращается в исходное состояние. При сохранении приложенного напряжения цикл повторяется по такому же сценарию.
Значение емкости, необходимое для наблюдения кулоновской блокады при данной температуре Г, можно получить, подставив
Рисунок 29 - Схема процесса одноэлектронного туннелирования(а) и схема процесса образования капли в трубе (б)
численные значения q и к. Получим, что для наблюдения эффекта С « q"! (2кТ). Расчеты показывают, что при 4,2 К необходима емкость « 2 * 1(Г16 Ф, а при 77 и 300 К -- « КГ17 и « 3 * 1СГ18Ф, соответственно. Таким образом, для работы приборов при высоких температурах (выше 77 К) необходима емкость 1(Г18т- 1СГ19Ф, или 0,1 -г 1 аФ. Если за счет теплового движения частица приобрела достаточно большую энергию, она может прорвать кулонов- скую блокаду. Поэтому для каждого одноэлектронного устройства существует своя критическая температура, выше которой оно перестает работать. Эта температура обратно пропорциональна площади перехода: чем меньше его емкость, тем больше скачок напряжения и тем выше барьер кулоновской блокады.
На рисунке 30, а представлена эквивалентная схема туннельного перехода. Прямоугольником обозначен туннельный переход. Данное графическое обозначение для кулоновского туннельного перехода является общепринятым. Переход характеризуется со противлением R и емкостью С, С' -- емкость подводящих контактов. К переходу приложено напряжение V. Из приведенной схемы видно, что если паразитная емкость С' больше емкости перехода, емкость системы будет определяться шунтирующей емкостью С'. В реальных приборах не удается получить шунтирующую емкость менее 10» ~ Ф, что как минимум на два порядка больше требуемой для наблюдения одноэлектронного туннелирования даже при температурах жидкого гелия.
Рисунок 30 - Эквивалентная схема туннельных переходов
Таким образом, наблюдение одноэлектронного туннелирования в системе с одним переходом при сегодняшнем развитии технологии проблематично. Для решения данной проблемы была предложена конструкция из двух туннельных переходов, включенных последовательно (рисунке 30, б). В этом случае емкость контактов уже не шунтирует емкость каждого перехода. Общую электростатическую энергию такой системы можно записать в видеЕ = QX / (2С,) + Qll (2С2), где 1, 2 -- индексы переходов. Физически такая конструкция представляет собой малую проводящую частицу, отделенную туннельными переходами от контактов, поэтому равенство Qx -Q2 ~Q соответствует заряду, находящемуся на частице.
Рассмотрим полуклассическую теорию транспорта носителей, в основе которой наряду с классическими кулоновскими эффектами имеет место процесс квантового туннелирования. Представим двухпереходную систему с несимметричными переходами (рисунке 30, б). Темп туннелирования через первый переход соответствует выражению = 5ЕХ/ (q2Rx), где 5 Ех =qVx -q2/(2Cx) -- изменение энергии на первом переходе при падении на нем напряжения Vx Подставив 8ЕХ в выражение для Г, получим: Г1 = Ki/(qr/?i) -- 1/2(/?|С'!). Аналогичное выражение можно записать для темпа туннелирования через второй переход Г2. Видно, что темп туннелирования зависит от R и С. Если значения параметров переходов R и С равны, то при увеличении напряжения будет происходить плавный рост тока, так как количество пришедших на кулоновский остров (квантовую точку) электронов будет равно количеству ушедших. Увеличение тока, обусловленное переходом с низким темпом туннелирования, будет медленным. В каждый момент времени на островке будет существовать определенное количество электронов, число которых зависит от приложенного напряжения. В результате вольтамперная характеристика двухпереходной системы имеет ступенчатый вид (рисунке 31). Такая ВАХ получила название «кулоновская лестница».
Ступеньки ВАХ будут тем ярче выражены, чем несимметричнее переходы. Ступеньки исчезают при симметрии переходов или при равенстве R- и С-констант. Семейство кулоновских лестниц, рассчитанное Лихаревым для различных значений Q0и для различных значений внешнего заряда (Gx<<G2,CX =2С2), представлено на рис. 4.30. Величина G называется кондактансом, она обратно пропорциональна сопротивлению; Q-Q0 +nq, где п -- целое число электронов на кулоновском острове. Заряд Qо имеет поляризационную природу, и им можно управлять с помощью затворного электрода, который располагают рядом с кулоновским островом. Условие кулоновской блокады будет периодически выполняться при непрерывном изменении Q0, так же как при изменении затворного напряжения периодически будет возникать кулоновская блокада. Зависимость тока, протекающего через квантовую точку (или напряжения на ней при постоянном токе), будет носить осцилляционный характер, представленный на рисунке 32.
Рисунок 31 - Семейство расчетных вольтамперных характеристик схемы с двумя переходами
Рисунок 32 - Зависимость напряжения на квантовой точке при постоянном токе через нее (/ = 300 нА) от напряжения на затворе V3
В системах с несколькими переходами имеет место процесс сотуннелирования, характеризующегося сохранением энергии между начальным и конечным состояниями всего массива переходов. В то же время поведение электрона на каждом отдельном переходе не определено. Было отмечено, что при использовании двух и более переходов между электродами находятся квантовые точки. Эти нульмерные объекты имеют энергетический спектр, представляющий собой набор дискретных уровней. На транспортные свойства квантовой точки влияют флуктуации потенциала, которые делают пики кулоновских осцилляций нерегулярными.
4.2 Транзисторные структуры одноэлектроники
Теоретически предложены и экспериментально реализованы различные конструкции приборов и устройств на основе одноэлектронного туннелирования. Первым механизмом для создания одноэлектронного транзистора был механизм кулоновской блокады, рассмотренный выше. В дальнейшем были созданы одноэлектронные транзисторы с использованием квантовых точек, в том числе транзисторы на гетероструктурах. С открытием графена был создан одноэлектронный транзистор на квантовой точке из графена размером в 10 нм. События в этой области электроники развиваются стремительно, и вот уже известно о создании даже одноэлектронного механического транзистора.
На сегодняшний день общепринятой классификации транзисторных структур одноэлектроники не существует прежде всего потому, что существует несколько независимых признаков классификации, а промышленного производства и соответствующих стандартов еще нет. Классификацию структур можно провести по независимым признакам: по направлению протекания тока, по количеству и способу формирования квантовых точек, по конструкции и числу туннельных переходов, по технологии изготовления и используемым материалам, по размерности -- нуль-мер-ный элемент (0D), одномерный массив (1D), двумерные матрицы (2D), трехмерный массив туннельных переходов (3D) и, наконец, по функциональному назначению -- «электронный насос», модулятор, память. Рассмотрим некоторые базисные элементы одноэлектронных схем.
Кремниевые одноэлектронные приборы появились в результате конструктивного и технологического прорыва при создании МОП-транзисторных структур. На рисунке 33, а представлен кремниевый одноэлектронный транзистор, сформированный на базе инверсионного слоя МОП-транзистора. Затвор состоит из двух частей -- верхней и нижней, которые электрически развязаны. При подаче на нижний затвор положительного напряжения в подложке формируется инверсионный п-канал. При подаче на верхний П-образный затвор отрицательного напряжения канал разрывается областями обеднения. Возникают потенциальные барьеры и формируется квантовая точка. На рисунке 33, б приведена вольтамперная характеристика тока стока от напряжения на нижнем затворе при различных напряжениях на верхнем затворе для одноточечного транзистора. Отдельные электроны на ВАХ проявляются в виде осцилляций. Если верхний затвор выполнить в Ш-образном виде, то в окнах между пластинами возникнут две квантовые точки. Характер ВАХ в таких транзисторах сохраняется. Транзисторы работают при температуре 4,2 К.Другая конструкция одноэлектронного транзистора с электронным либо дырочным типом проводимости и его ВАХ представлена на рис. 4.33. Транзистор изготовлен по технологии «кремний на изоляторе». Канал с квантовой точкой сформирован в верхнем кремниевом слое подложки. С помощью процесса термического подзатворного окисления удалось уменьшить размеры квантовой точки и одновременно увеличить высоту потенциальных барьеров между квантовой точкой и контактами. В зависимости от нужного типа проводимости исток, сток и канал изготовляли из кремния электронного (n-Si) или дырочного (p-Si) типов. Затвор выполняли из поликремния, который располагался над каналом. В зависимости от типа канала рабочая температура лежала в пределах от 80 К(р-Si) до 100 К (п-Si). На основе таких транзисторных структур можно реализовать комплементарные пары и соответствующие электронные схемы. Осцилляции тока ВАХ обусловлены процессом одноэлектронного туннелирования. Транзисторы этого типа отличает малое энергопотребление (~1(Г10 -г 10 12 Вт). В настоящее время разработано много типов кремниевых одноэлектронных транзисторов.
Рисунок 33 - Конструкция кремниевого одноэлектронного транзистора с двумя затворами и одиночной квантовой точкой (а) и его вольтампер-ная характеристика (ток стока -- напряжение на нижнем затворе) при различных напряжениях на верхнем затворе (б)
Рисунок 34 - Схема квантово-точечного транзистора с поликремниевым затвором (а) и зависимость тока стока от напряжения на затворе для различных температур (б)
Одноэлектронные транзисторы на основе гетероструктур созданы при формировании квантовых точек и области двумерного электронного газа (ДЭГ). Двумерный электронный газ можно создать в гетероструктуре типа GaAs/AlGaAs. В таких структурах осуществляются ограничение ДЭГ и формирование островков различными методами. ДЭГ образуется на границе раздела слоев GaAs и AlGaAs, его плотность контролируется напряжением, приложенным к проводящей подложке. При подаче отрицательных напряжений на затвор происходит обеднение ДЭГпод ними. В результате в ДЭГ формируется канал с малыми сегментами (островками) между обедненными участками (барьерами). Рабочая температура прибора -0,5 К. Формирование квантовых точек в гетероструктурах GaAs/AlGaAs, а также областей затворов, истока, стока и канала можно осуществлять путем электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления канавок в исходной пластине. В результате таких технологических процессов происходит ограничение ДЭГ в этих областях. В гетероструктурах Ge/Si с квантовыми точками в проводящем канале перенос электронов осуществляется туннельным механизмом по локализованным состояниям. Эти состояния формируются в результате размерного квантования электронного энергетического спектра в квантовых точках Ge. Одноэлектронные транзисторные металлические структуры -- один из видов одноэлектронных транзисторов. В такого типа транзисторах используются структуры типа Ме/МехО /Ме, которые получают, используя технологические процессы электронно-лучевой литографии, напыления и локального окисления с помощью сканирующего туннельного микроскопа. В качестве металла (Ме) чаще используют Al, Ni, Ni, Ст. Транзистор на основе туннельных переходов в структуре Ti/TiO/Ti представлен на рис. 4.34, а. Транзисторную структуру формируют методом окисления с помощью туннельного микроскопа. После нанесения пленки металла (Ti) ее поверхность окисляется анодированием с использованием острия СТМ в качестве катода. Конфигурация затвора у транзисторов различная: один из них имеет встречно-гребенчатую конфигурацию, другие -- вид параллельных плоскостей. Такой транзистор может работать при комнатной температуре.
Существует конструкция транзисторов на основе туннельных переходов А1/АЮХ/А1, сформированных методом линейного самосовмещения. Основная идея метода заключается в том, что туннельные переходы формируются по краям базового электрода (островка), ограничивая один из размеров переходов его толщиной. Формируя очень узкую полоску базового электрода распылением и взрывной литографией, второй из размеров туннельных переходов получают также малым. Транзистор на основе туннельных переходов Cr/Cr203/Cr, изготовленный методом ступенчатого торцевого среза, представлен на рис. 4.34, б. Основная идея метода заключается в том, что пленка проводника толщиной dx напыляется на предварительно изготовленную ступеньку диэлектрического материала толщиной d2. При dx<d2 электроды не имеют контакта на торцах ступеньки, а ток через структуру течет за счет процесса туннелирования (рис. 4.34, б). Рабочая температура такого транзистора составляет -15 К. Все описанные выше транзисторные структуры можно также отнести к разновидности пленочных структур.
Рисунок 35 - Структура металлического одноэлектронного транзистора на основе туннельных переходов (а) и структура транзистора на основе ступенчатого среза (б)
К другому типу металлических одноэлектронных структур относятся приборы на основе цепочек коллоидных частиц золота с молекулярными связями. Частицы золота формируют островки, а связывающие их органические молекулы служат туннельными барьерами. Частицы золота осаждаются на подложку с использованием аминосиланового адгезионного средства с предварительно изготовленными металлическими (Аи) электродами истока, стока и затвора. В результате соответствующей обработки образуются органические молекулы, связывающие осаждаемые коллоидные частицы и электроды истока и стока. Электронный транспорт в такой структуре осуществляется за счет туннелирования электронов через цепочку коллоидных частиц. Таким образом, данный прибор представляет собой многоостровковую цепочку. Рабочая температура прибора -4,2 К, хотя при 77 К нелинейность ВАХ сохраняется.
Молекулярный одноэлектронный транзистор. Большая часть экспериментов по изучению одноэлектронных структур выполнялась с помощью литографии. Для повышения рабочей температуры необходимо уменьшить характерный размер структуры d< 3. В этом случае удается понизить типичное значение емкости С (для работы при 300 К требуется С< 10~18 Ф). Однако технологически это довольно трудно осуществить. Низкие значения емкости для исследования одноэлектронного туннелирования при высоких температурах можно получить с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Игла СТМ, малая проводящая частица и подложка представляют собой простейшую одноэлектронную цепь из двух последовательных туннельных переходов. Для достаточно малых металлических частиц одноэлектронное заряжение сохраняется вплоть до комнатной температуры. Недостаток указанной технологии -- отсутствие управляющего электрода, с помощью которого можно было бы воздействовать на электронный транспорт. С помощью этой технологии создан действующий макет молекулярного одноэлектронного транзистора с металлическим затвором, который управляет туннелированием единичных электронов (рис. 4.35). Истоком служит графитовая подложка, а стоком -- игла сканирующего микроскопа.
Рисунок 36 - Схема одноэлектронного транзистора на основе единичной кластерной молекулы: 1 -- графитовая подложка; 2 -- изолирующая прослойка (А1203), 3 -- золотой электрод затвора
Рисунок 37 - Изображение золотого электрода затвора, сформированного перед осаждением монослоя («), вольтамперная характеристика и дифференциальный кондактанс при 300 К (б)
Монослои стеариновой кислоты (пленка Ленгмюра-Блоджетт) с внедренными в них металлоорганическими кластерами осаждались на подложку из пиролитического графита с заранее сформированным управляющим электродом (рис. 4.36). Электрод изготовлен с помощью стандартной техники электронной литографии и представляет собой систему тонких и узких (50 х 400 нм) золотых полосок, отстоящих друг от друга на расстоянии 400 нм (рис. 4.36, а).
Все полоски соединены последовательно и отделены от подложки изолирующей прослойкой (А1203) толщиной 50 нм. Среднее расстояние между кластерами составляло -20 нм. Размер и форма не были абсолютно воспроизводимыми, что может объясняться, например, различной ориентацией кластерных молекул в монослое.
Типичная ВАХ для случая туннелирования через кластерную молекулу показана на рисунке 38, 6. Она имеет четко выраженную лестничную форму (кулоновская лестница), которая отсутствует в случае, когда игла СТМ находится далеко от кластера. Ступеньки на характеристике соответствуют туннелированию отдельных электронов.
На характеристике различаются шесть ступенек, которые с хорошей точностью эквидистантны с периодом по напряжению -130 мВ. Также приведены результаты измерений дифференциального кондактанса (как функция напряжения смещения V) молекулярного одноэлектронного транзистора, полученные с помощью метода синхронного детектирования. Зависимость туннельного тока I от напряжения на затворе U3в случае, когда игла СТМ расположена над кластером, находящимся на расстоянии -100 нм от управляющего электрода, представлена кривой 1 на рис. 4.37. Эта зависимость имеет период -0,8 В. Аналогичную зависимость получали для образцов стеариновой кислоты (кривая 2). Когда игла СТМ расположена над плоским участком поверхности без кластеров, эффект периодичности на кривых ВАХ не наблюдается.
В предположении, что каждый период осцилляции кривой 1 соответствует одному дополнительному электрону, можно оценить зарядовую чувствительность молекулярного одноэлектронного транзистора как 10q Гц~1/2 (ширина частотной полосы измерительной системы составляет 16 кГц).
Рисунок 38 - Зависимости тока через молекулярный одноэлектронный транзистор от напряжения на затворе (/) и через иглу без кластера (2) при 300К
4.3 Устройства на одноэлектронных транзисторах
Аналоговые устройства. Создание стандарта постоянного тока -- одно из первых применений явления одноэлектронного туннелирования. В устройство на основе одиночного перехода, который вводится в режим одноэлектронных колебаний, подается высокочастотный сигнал с частотой / < 0,1т -1, где т =RC -- постоянная времени одноэлектронного перехода с сопротивлением R и емкостью С. Синхронизация осуществляется основной частотой / или одной из ее гармоник nf Синхронизация проявляется на вольтамперной характеристике перехода в виде серии горизонтальных «ступенек постоянного тока» при значениях генерируемого токаI - Iп -nqf, где п -- целое число. Стандарт постоянного тока строится на анализе ступенек на вольтамперной характеристике при условии точного задания частоты внешнего сигнала. Одноэлектронные туннельные транзисторы могут служить в качестве электрометрических усилителей, чувствительность которых ограничивается флуктуациями напряжения. Оценки показывают, что чувствительность такого усилителя по напряжению U может составить 10~9 В * Гц»12, а по заряду (Q = С0 С/) быть равной 4 * 10-6^ Гц»1/2 при С0 ~ 6 * 10~8 Ф.
Цифровые устройства. Явление дискретного одноэлектронного туннелирования может быть использовано в цифровых вычислительных устройствах. На основе одноэлектронных транзисторов созданы элементы как логических устройств, так и запоминающих. На рис. 4.38 приведены принципиальные схемы инверторов, реализованных на одноэлектронных туннельных переходах с емкостным (а) и резистивным (б) входами. При значении входного напряжения Uвх , соответствующего логическому нулю, явление кулоновской блокады запирает одноэлектронные переходы. На выходе устанавливается напряжение, соответствующее логической единице. При увеличении входного напряжения до уровня логической единицы кулоновская блокада снимается. Через одноэлектронные переходы протекает ток, выходное напряжение уменьшается, и устанавливается логический нуль.
Рисунок 39 - Схемы одноэлектронных инверторов: а -- емкостного; б -- резистивного
Расчет статических и динамических характеристик производится методом Монте-Карло. Разработаны схемы одноэлектронных инверторов, в которых в цепи смещения вместо резистора используется туннельный переход.
На рисунке 40 приведена схема логического элемента И-НЕ, собранная на одноэлектронных кластерных транзисторах. На основе этого логического элемента можно построить любую вычислительную схему. Пример практической реализации одноэлектронных логических элементов -- прибор на МТП-переходах (рисунок 41). В арсенидгаллиевой подложке методом металлоорганического химического осаждения формируется 5-легированный слой Si. Затем на поверхности подложки на глубину 120 нм травится арсенид галлия, и одновременно формируются область с квантовыми точками и боковой затвор. Этот затвор может быть использован для управления процессом кулоновской блокады.
Рисунок 40 - Гипотетическая схема логического элемента И-НЕ, собранного на основе кластерных транзисторов
Рисунок 41 - Схема одноэлектронной ячейки памяти (а) и конструкция прибора на многотуннельных переходах (б)
На основе прибора на многотуннельных переходах разработана ячейка памяти, схема которой представлена на рис 4.40, а. При подаче положительного импульса напряжения V3, величина которого достаточна для преодоления кулоновской блокады, конденсаторС3 заряжается до соответствующего напряжения.
При уменьшении значения V3 с последующим обращением в ноль емкость С з начинает разряжаться до тех пор, пока процесс разрядки не прервет кулоновская блокада. В этот момент на приборе МТП будет находиться избыточное количество электронов, а напряжение V будет меньше нуля. Вблизи напряжении кулоновской блокады Vk6 при условии V > -Vk6 происходит запись логического нуля. В случае подачи отрицательного импульса напряжения значение V> 0 и будет находиться вблизи положительного напряжения кулоновской блокады, другими словами, V <Vk6, и происходит запись логической единицы. На рис. 4.41 приведены временные характеристики процессов записи логических «0» и «1». На верхней осциллограмме кулоновская блокада отсутствует. Нижняя осциллограмма дает представление об эффекте памяти. Различие логических уровней составляет ~6 мВ. Все измерения проводятся при температуреТ= 1,8 К.
Для реализации 128-мегабитового модуля были использованы одноэлектронные запоминающие устройства. Эти устройства были реализованы на основе термически полученных нанокристаллов. Основная проблема развития этой технологии -- переход
Рисунок 42 - Временные характеристики записи логического нуля и единицы в одноэлектронную ячейку памяти от случайным образом полученной структуры к структуре со строго определенными параметрами, изготовленной по заданному технологическому процессу
Чтобы яснее понять отличия между структурами, полученными искусственным и естественным путем, а также связанные с этим проблемы, обратимся к рисунок 43, где показано семейство одноэлектронных или квантовых устройств, на которых в настоящее время сконцентрированы главные усилия разработчиков. Все три типа устройств используют квантовые точки. Структура квантовых транзисторов подобна обычному МОП-транзистору. Область между истоком и затвором представляет собой очень тонкую нанокристаллическую кремниевую пленку. Вещество пленки первоначально осаждается в аморфном состоянии, а затем кристаллизуется под воздействием высокой температуры.
Рисунок 43 - Семейство квантовых транзисторов
Естественным или искусственным образом сформированные нанокристаллы могут работать как сверхмалые области проводимости, где электроны могут накапливаться и образовывать вокруг этой области кулоновский барьер или блокаду, которая может управлять амплитудой тока, протекающего между истоком и стоком устройства, в зависимости от параметров смещения.
Действие устройства и его способность работать в качестве энергонезависимой ячейки памяти зависит от случайного формирования нанокристаллов, локализирующихся на потенциальной поверхности между истоком и стоком настолько близко к каналу протекания тока, что они могут влиять на проводимость этого канала. В представленном прототипе для подавления некоторых статистических эффектов, связанных со спецификой технологии изготовления, была использована комбинация методов эталонных ячеек и проверки записи. Из преимуществ устройств на основе нанокристаллов следует отметить высокую скорость записи/считывания, высокую плотность расположения ячеек и совместимость с существующими технологическими процессами.
Каковы ожидаемые пути развития приборов одноэлектроники? Во-первых, это традиционное направление -- построение обычных схем на основе одноэлектронных транзисторов. Во-вторых, особенности совокупности туннельных переходов позволяют рассчитать соединение проводников и транзисторов таким образом, что появляется возможность создания процессора, а также распределенной памяти. В-третьих, создание транзисторных структур на основе отдельных молекул. Одноэлектроника может предложить реальные и надежные механизмы обработки информации в молекулярных транзисторных структурах.
нанотранзистор углеродный технология
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Применение полевых транзисторов в усилителях. Виды полевых транзисторов (с управляющим переходом и с изолированным затвором). Преимущества и недостатки полевых транзисторов. Строение полевого транзистора с изолированным затвором со встроенным каналом.
курсовая работа [867,1 K], добавлен 09.05.2014Конструкция интегральной микросхемы на транзисторах. Преобразование и обработка входного сигнала. Технические условия для интегральных микросхем р-канального полевого транзистора с изолированным затвором. Нанесение пленки алюминия и фотолитография.
контрольная работа [1,8 M], добавлен 07.05.2013Биполярные транзисторы с изолированным затвором (РТ) новой технологии (IGBT) против полевых МОП транзисторов. Улучшенные динамические характеристики. Рабочие частоты и токи. Положительный температурный коэффициент. Потери проводимости и переключения.
статья [176,9 K], добавлен 27.09.2009Определение удельной емкости между затвором и подложкой. Равновесный удельный поверхностный заряд. Напряжение спрямления энергетических зон. Потенциал уровня Ферми. Крутизна МДП-транзистора в области насыщения. Расчет максимальной рабочей частоты.
контрольная работа [716,5 K], добавлен 13.08.2013Рассмотрение синтеза структуры транзистора с использованием расчетных соотношений и параметров материалов, применяемых в производстве. Расчет кремниевых эпитаксиально-планарных транзисторов, их конструктивные и технико-эксплуатационные характеристики.
курсовая работа [257,7 K], добавлен 21.09.2010Технологии получения углеродных нанотрубок. Использование их в эмиссионной электронике. Создание токопроводящих соединений, сверхбыстрых транзисторов на основе атомов углерода. Производство наноэлектронных приборов. Электрические свойства нанотрубки.
презентация [557,0 K], добавлен 24.05.2014Устройство и принцип действия полевого транзистора. Статические характеристики. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Схемы включения полевых транзисторов. Простейший усилительный каскад. Расчет электрических цепей с полевыми транзисторами.
лекция [682,2 K], добавлен 19.11.2008Конструкции полевых транзисторов с управляющим р-п переходом. Стоко-затворная и стоковая (выходная) характеристики, параметры и принцип действия транзисторов. Структура транзисторов с изолированным затвором. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью.
реферат [822,3 K], добавлен 21.08.2015Создание полупроводниковых приборов для силовой электроники. Транзисторы с изолированным затвором. Схемы включения полевых транзисторов. Силовые запираемые тиристоры. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Назначение защитной цепи.
реферат [280,5 K], добавлен 03.02.2011Физические основы полупроводниковых приборов. Принцип действия биполярных транзисторов, их статические характеристики, малосигнальные параметры, схемы включения. Полевые транзисторы с управляющим электронно-дырочным переходом и изолированным затвором.
контрольная работа [637,3 K], добавлен 13.02.2015Класифікація та умовні позначення польових транзисторів. Конструкція пристроїв з ізольованим затвором. Схема МДН-транзистора з вбудованим або індукованим каналом. Розрахунок електричних параметрів і передаточних характеристик польового транзистора КП301.
контрольная работа [510,5 K], добавлен 16.12.2013Применение мощных полевых транзисторов с изолированным затвором (МДП-транзисторы) в выходных каскадах усилителей мощности. Моделирование схемы усилителя НЧ на МДП-транзисторах в программе Multisim 8. Линейные и фазовые искажения, коэффициент гармоник.
дипломная работа [3,5 M], добавлен 30.04.2010Транзистор как электронный полупроводниковый усилительный прибор, предназначенный для усиления сигналов. Знакомство с особенностями и сферами применения полевых и биполярных транзисторов. Общая характеристика схем включения биполярного транзистора.
реферат [1,5 M], добавлен 21.05.2016Проектирование малошумящего полевого транзистора с затвором Шоттки. Расчет геометрических размеров конденсаторов и резисторов. Разработка технологии изготовления кристалла. Создание защитного слоя диэлектрика, проводящих дорожек и контактных площадок.
курсовая работа [5,8 M], добавлен 19.01.2016Топология и элементы МОП-транзистора с диодом Шоттки. Последовательность технологических операций его производства. Разработка технологического процесса изготовления полупроводниковых интегральных схем. Характеристика используемых материалов и реактивов.
курсовая работа [666,0 K], добавлен 06.12.2012Свойства МДП-структуры (металл–диэлектрик–полупроводник). Типы и устройство полевых транзисторов, принцип их работы. Влияние типа канала на вольтамперные характеристики МДП-транзисторов. Эквивалентная схема, расчет и быстродействие МДП-транзистора.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 18.12.2009Рассмотрение пакета Electronics Workbench, проведение исследований. Знакомство с наиболее важными параметрами биполярного транзистора "2N3947". Анализ схемы снятия статистических характеристик. Основные способы увеличения напряжения питания на величину.
контрольная работа [146,8 K], добавлен 22.03.2015Устройство и принцип действия биполярных транзисторов. Структура и технология изготовления полупроводниковых интегральных микросхем на основе биполярного транзистора с помощью метода диэлектрической изоляции; подготовка полупроводниковой подложки.
контрольная работа [710,2 K], добавлен 10.06.2013Властивості напівпровідникового матеріалу в транзисторах Шотткі. Структура, принцип дії польових транзисторів із затвором. Підсилювачі потужності, генератори. Електрофізичні параметри елементів приладу. Розрахунок напруги відсікання і насичення.
курсовая работа [640,7 K], добавлен 13.12.2011Рассмотрение устройства и принципа работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа. Построение семейства входных и выходных характеристик полевого транзистора. Измерение сопротивления канала, напряжения отсечки и насыщения.
лабораторная работа [142,9 K], добавлен 29.04.2012
