Одноэлектронный транзистор

Введение

История открытия одноэлектронного транзистора Кулоновская блокада Конструкция и принцип работы одноэлектронного транзистора Вольт-амперные характеристики одноэлектронных транзисторов Наноэлектромеханический одноэлектронный транзистор с «механической рукой»

Прототип одноэлектронного транзистора на основе графена Заключение Литература

На современном этапе развития технологических методов электроники явилась возможность создавать структуры с наноразмерными областями. На электронный транспорт в таких структурах существенное влияние может оказать эффект одноэлектронного туннелирования. В настоящее время интенсивно проводятся экспериментальные исследования одноэлектронных структур и одним из наиболее перспективных является одноэлектронный транзистор. Наряду с экспериментальными исследованиями эффекта одноэлектронного туннелирования возникает необходимость в моделях, которые позволили бы адекватно описать физические процессы, протекающие в структурах, а также в анализе характеристик приборов в зависимости от конструктивно-технологических и электрофизических параметров. Такое исследование позволяет определить необходимые размеры, подобрать подходящие материалы на этапе разработки одноэлектронных приборов, спрогнозировать их выходные характеристики.

История открытия одноэлектронного транзистора

Одноэлектронный транзистор (англ. single electron transistor сокр., SET) — трехэлектродный туннельный прибор, на эффекте кулоновской блокады, состоящий из проводящего островка с малой собственной емкостью, соединенного с истоковым и стоковым электродами туннельными переходами с малой емкостью и проводимостью, и имеющего емкостную связь с электродом затвора.

В России проблема построения одноэлектронного туннельного транзистора исследовалась с 1985 г. на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова К.К. Лихаревым, который теоретически рассчитал, а потом экспериментально обнаружил эффект одноэлектронного туннелирования. Вместе с Л. С. Кузьминым они построили туннельный одноэлектронный транзистор, работающий при сверхнизких температурах (одновременно это же сделали американцы). Сверхнизкими называют температуры вблизи нуля по шкале Кельвина (—273°С), они неприемлемы при массовом производстве каких бы то ни было устройств. Гораздо больший интерес представляли бы транзисторы, функционирующие при комнатной температуре (около 20°С). Для этого требуется уменьшить размеры их функциональных элементов до нескольких нанометров.

Еще в 1987 г. Лихарев предложил использовать отдельные молекулы в качестве активных элементов в одноэлектронных системах (их размер как раз составляет около 1 нм), но тогда эта идея казалась утопической. Уверенности, что это возможно, ученым придавал тот факт, что молекулярные одноэлектронные туннельные системы, функционирующие при комнатной температуре, давно существуют в природе и используются живыми организмами в процессе получения энергии.

С 1990 г. коллектив Е. С. Солдатова (МГУ) обратил внимание на возможность применения 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. Параллельно ученые Англии, Японии и США искали решение этой проблемы альтернативными путями. Но именно в группе Г. Б. Хомутова впервые были созданы упорядоченные стабильные планарные ансамбли нанокластеров, внедренных в мономолекулярные пленки. В 1996 г. российские ученые из МГУ и РАН С. П. Губин, В. В. Колесов, Е. С. Солдатов, А. С. Трифонов, В. В. Ханин, Г. Б. Хомутов, С. А. Яковенко впервые в мире создали одноэлектронный молекулярный нанокластерный транзистор, работающий при комнатной температуре (см. рис. 1.).

Рис. 1. Одноэлектронный молекулярный нанокластерный транзистор Применение СТМ позволяло определять положение нанокластеров в мономолекулярной пленке с точностью до 1 нм, а затем измерить 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.

Кулоновская блокада

Кулоновская блокада — блокирование прохождения электронов через квантовую точку, включённую между двумя туннельными контактами, обусловленное отталкиванием электронов в контактах от электрона на точке, а также дополнительным кулоновским потенциальным барьером, который создаёт электрон, усевшийся на точке. Аналогично тому, как поле ядерных сил при альфа распаде препятствует вылету альфа-частицы, кулоновский барьер препятствует вылету электрона из точки, а также попаданию новых электронов на неё. Экспериментально кулоновская блокада проявляется как пикообразная зависимость проводимости точки от потенциала точки, то есть от напряжения на дополнительном электроде (затворе). Это явление наблюдается тогда, когда кулоновская энергия eІ/2C (обусловленная даже одним электроном с зарядом e; C-ёмкость точки) квантовой точки заметно больше, чем температура и расстояние между уровнями квантовой точки.

Понять это явление можно следующим образом. Пусть с помощью дополнительного электрода потенциал точки установлен в V и на точке находятся N дополнительных электронов. Пусть C — ёмкость точки. Тогда, чтобы посадить на точку дополнительный электрон нужно совершить работу Где — дополнительная энергия, обусловленная разностью уровня Ферми электронов на точке и в контактах. При определённом подборе напряжения на затворе и относительных положений уровней Ферми контактов и точки выполняют соотношение, то есть потенциальный барьер для перехода электрона из контакта в точку исчезает. Это и наблюдается как пик в проводимости точки. Из-за конечной температуры точки уровень Ферми в контактах слегка размыт, это делает ширину пиков кулоновской блокады конечной. То есть обычно ширина пика в единицах eV порядка температуры точки в единицах .

Конструкция и принцип работы одноэлектронного транзистора

Рис. 2. Одноэлектронный транзистор Рассмотрим более подробно конструкцию и принцип работы одноэлектронного транзистора. Также как и полевой полупроводниковый транзистор, он имеет три электрода, называемые истоком, стоком и затвором. В области между электродами (рис. 2.) располагается дополнительный металлический или полупроводниковый «наноостровок» — наночастиица или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определенных условиях происходить движение электрона. Если приложить напряжение между истоком и стоком транзистора, то ток протекать не будет, поскольку электроны в данный момент заблокированы на наночастице. Для появления тока необходимо увеличить потенциал на управляющем электроде — затворе. Только когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, блокада прорывается, электрон получает способность пройти через барьер, и в цепи исток-сток начинает протекать ток. При этом электрический ток в цепи протекает порциями, что соответствует движениям единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через барьеры одиночные электроны. Количество электронов в наночастице должно быть не более 10 (а желательно и меньше). Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм.

Преимуществами одноэлектронных транзисторов являются малые размеры (вплоть до размеров нескольких атомов) и связанная с ними возможность высокой степени интеграции, а также чрезвычайно низкая потребляемая мощность. Разработано два метода реализации логических операций в схемах на одноэлектронных транзисторах. В одном из них один бит информации представляется одним электроном. Также одноэлектронные приборы используются как устройства, позволяющие осуществлять перенос электронов один за другим, то есть контролировать каждый бит информации, представленной таким образом. В другом методе один бит информации представлен, как и в классической микроэлектронике, двумя состояниями одноэлектронного транзистора — включен (ток течет через прибор) и выключен (ток через прибор не течет). С точки зрения потребляемой мощности первый метод является более предпочтительным. Однако в этом случае даже один ложный электрон, обусловленный шумами или тепловым возбуждением, полностью видоизменяет результаты работы. Поэтому с точки зрения рабочей стабильности второй метод предпочтительнее.

Вольт-амперные характеристики одноэлектронных транзисторов

Было установлено, что одноэлектронные транзисторы с плоской конфигурацией на основе туннельных переходов Nb/NbOx/Nb и Ti/TiOx/Ti имеют приемлемые значения предельных параметров (рабочей температуры и граничной частоты) по сравнению с рядом структур на других соединениях металлов с такой же конфигурацией. Расчеты выполнялись по предложенной двумерной численной модели. В результате проведенного исследования было установлено следующее. Различие в величине тока для приборов одинаковых размеров при фиксированных смещениях и температурах для различных материалов может быть существенным, в частности, может составлять около 3 порядков для структур на основе Nb и Ti. Наличие в приборе бокового затвора, к которому прикладывается смещение, существенным образом изменяет область кулоновской блокады и мало влияет на силу тока стока. Уменьшение ширины туннельных переходов истока и стока, увеличение размеров проводящего островка, повышение температуры приводят к увеличению тока стока в структуре. Отличие в значениях ширины туннельных переходов для истока и стока, понижение температуры окружающей среды приводят к более ярко выраженной ступенчатой форме ВАХ, причем последнее зависит и от используемого материала. Так, для транзистора на основе Ti/TiOx/Ti характерны больший период и более четкая форма ступенек, чем для прибора на основе Nb/NbOx/Nb, при одинаковых конструктивно-технологических параметрах, смещениях и рабочей температуре. Установленные закономерности покажем на конкретных примерах. Были проведены расчеты ВАХ для двух структур на основе туннельных переходов Nb/NbOx/Nb одинаковых размеров, одна из которых не имеет, а вторая имеет боковой затвор, к которому прикладывается смещение 0.2 B. В результате были получены зависимости с различием в величине тока не более 10%. Кроме того, полученная ВАХ транзистора с боковым затвором, в отличие от характеристики прибора без затвора, не имеет области кулоновской блокады (участок на характеристике прибора в области малых напряжений на стоке с нулевым значением тока). На ВАХ транзистора существенное влияние оказывают ширина туннельных переходов истока, стока и размеры проводящего островка. Увеличение ширины туннельных переходов истока и стока приводит к уменьшению тока в структуре, а увеличение размеров островка — к его возрастанию. При совместном изменении этих геометрических параметров может происходить взаимная компенсация их воздействия. Так, проведенные расчеты ВАХ прибора на основе Nb/NbOx/Nb позволили получить следующие результаты. При напряжении на стоке 0.1 В величина тока в транзисторе при значениях ширины туннельных переходов истока и стока ds = dd = 17.5нм приблизительно в 6 раз больше, чем при ds = dd = 18 нм; при размерах островка 50 Ч 50нм2 — приблизительно в 10 раз больше, чем при размерах 20 Ч 20 нм2. На рис. 3, a представлены ВАХ для одноэлектронных транзисторов на основе Ti/TiOx/Ti для различных значений ширины туннельных переходов истока (ds = 17.5нм) истока (dd = 18нм) и для равных значений этих параметров (ds = dd = 18нм) (соответственно кривые 2 и 1). Расчеты проведены для рабочей температуры 103 K. Из рисунка видно, что кривая 2 имеет более выраженную ступенчатую форму по сравнению с кривой 1. Было проведено также исследование влияния асимметричности структуры (различия в ширине туннельных переходов для истока и стока) для прибора на основе Nb/NbOx/Nb (рис. 3, b).

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики одноэлектронных транзисторов на основе туннельных переходов Ti/TiOx/Ti (a) и Nb/NbOx/Nb (b) для одинаковых (кривая 1) и различных (кривая 2) значений ширины туннельных переходов истока и стока

Характеристики были получены при тех же исходных данных, что и в случае транзистора на основе Ti/TiOx/Ti: кривая 1 соответствует значениям ширины переходов истока и стока ds = dd = 18 нм, а кривая 2 — ds = 17.5нм и dd = 18нм. Из полученных зависимостей (рис. 3) видно, что асимметричность структуры приводит к появлению на ВАХ ступенек, которые являются одним из признаков эффекта одноэлектронного туннелирования при малых температурах и (или) размерах структуры. Для различных систем (Nb/NbOx/Nb и Ti/TiOx/Ti) период и размер ступенек различны. Расчеты ВАХ для двух структур на основе Nb/NbOx/Nb и Ti/TiOx/Ti одинаковых размеров при фиксированной рабочей температуре позволили получить зависимости с различием в силе тока на несколько порядков при одном и том же напряжении на стоке. При этом в случае меньшего значения высоты потенциального барьера и большего значения диэлектрической проницаемости диэлектрика ток в структуре больше (для транзистора на основе Nb/NbOx/Nb). Одним из факторов, влияющих на ВАХ одноэлектронного транзистора, является рабочая температура: при ее повышении ток в структуре возрастает. Так, например, для прибора на основе туннельных переходов Nb/NbOx/Nb при ширине туннельных переходов истока и стока ds = dd = 17.5 нм и напряжении на стоке 0.15 В повышение рабочей температуры от 100 до 110 K приводит к изменению тока приблизительно на 30%. Для асимметричного транзистора на основе туннельных переходов Ti/TiOx/Ti (ширина туннельных переходов истока ds = 17.5нм, стока dd = 18 нм) и напряжении на стоке 0.3 В повышение рабочей температуры от 103 до 110 K приводит к изменению тока приблизительно на 20%. При повышении рабочей температуры до комнатной ступеньки на ВАХ исчезают. Это проявление подавления эффекта одноэлектронного туннелирования термическими флуктуациями в одноэлектронном транзисторе при повышении его рабочей температуры.

Наноэлектромеханический одноэлектронный транзистор с «механической рукой»

Профессором Робертом Бланком из Висконсина (США) и его коллегой Домиником Шебли из Мюнхенского университета (Германия) создан принципиально новый электромеханический одноэлектронный транзистор с «механической рукой», которая переносит отдельные электроны от истока к стоку. Ранее Бланк уже представлял рабочий электромеханический осциллятор, который вибрировал в диапазоне радиочастот и мог переносить отдельные электроны от одного электрода к другому при активации «механической руки» устройства (т.е. работать как транзистор). Установка Блайка изображена на рис. 4.

Рис. 4. Наномеханический осциллятор Бланка В центре устройства — вибрирующий маятник, который был назван Блайком «электронным челноком», а журналистами — «механической рукой». Если между точками G 1 и G 2 приложить переменное напряжение, то маятник будет колебаться с частотой, пропорциональной часто те переменного напряжения. В рабочем устройстве маятник колебался с частотой в 100 МГц. Маятник С электрически изолирован от электродов Gl, G 2, S и D и заземлен. Электроды S и D представляют собой исток и сток транзистора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносится один электрон, который затем передается с помощью колебаний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которого исследователи могли наблюдать за переносом электронов ISD .

Осциллятор исследователи изготовили из кремния по технологии SOI (silicon — on — insulator). Устройство производилось в несколько этапов. Сначала исследователи с помощью электронно-лучевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золотую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков на матрице, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник (посредством комбинации мокрого и сухого травления). И в заключение исследователи вытравили туннельные контакты маятника (с точностью до 10 нм). Первые опыты по запуску транзистора исследователи провели при комнатной температуре. Напряжение, приводящее в движение маятник, было ± 3 В. Путем изменения частоты маятника исследователи определили оптимальные значения для переноса электронов маятником. Расстояние между электродами S и D составило 300 нм, а емкость перехода S — D составила 84 аттофарады. При напряжении VSD = +1 В маятник мог перенести +527 электронов. Но это довольно много. Изменив напряжение, подаваемое на транзистор, Блайк добился эффекта переноса отдельного электрона. Далее исследователи снизили темпера туру устройства до 12 К. И тут они обнаружили, что устройство ведет себя по-другому. Протестировав транзистор на ряде значений напряжения Vsn (от 0 до 10 мВ) и изменяя частоту вибрации маятника, они отметили, что при частоте вибрации «механической руки» в 120 МГц он ведет себя, как и при комнатной температуре. Видимо, это объяснялось влиянием тепловых эффектов, которые сильно проявлялись при комнатной температуре. Дальнейшее снижение температуры до 4 К не дало никаких результатов — транзистор отказал, так как его маятник стал жестче и потерялся туннельный контакт между электродами S и D. В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100 000 электронов для того, чтобы обеспечить состояние «1» или «О». В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства — в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах. Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радиоактивности, говорит Блайк. Поэтому одним из применений механотранзистора станет спутниковая электроника. Летом 2004 г. Блайк и Шебли разработали технологию, по которой производить такой транзистор стало проще. Транзистор 2001 г. нельзя было поставить на поток, а транзистор 2004 г. — можно. Производство по новой технологии сводится всего к двум шагам: электронной литографии и травлению. Как говорит Блайк: «Почему мы не додумались до этого раньше — никак не можем понять». Ученые запатентовали производственный процесс и сам транзистор.

Прототип одноэлектронного транзистора на основе графена

Исключительные электронные свойства графена — двумерного кристалла углерода — позволили изготовить самый маленький в мире транзистор. Группа ученых из университета в Манчестере (А. Гейм, К. Новоселов, Л. Пономаренко и др.) опубликовала на прошлой неделе в журнале Science статью с описанием эксперимента, в котором доказана принципиальная возможность создания одноэлектронного транзистора размерами около 10 нм. Подобный одноэлектронный транзистор является единичным элементом будущих графеновых микросхем. Одноэлектронный транзистор содержит только одну область проводимости, соединенную с истоковым и стоковым электродами туннельными барьерами. Электрод затвора управляет протекающим через область проводимости током c помощью емкостной связи. В основе концепции одноэлектронного транзистора лежит возможность получить заметные изменения напряжения при манипуляции с отдельными электронами.

В новой статье британских исследователей было сообщение о создании транзистора на одноатомном слое из нанолент графена шириной в 50 атомов, разделенных еще более узкой полоской графена. Прототип транзистора показал отличные электрические свойства и принципиальную возможность управления потоком электронов.

Там применен иной подход — в едином листе графена с помощью электронно-лучевой литографии и реактивного плазменного травления вырезают квантовую точку (по сути, удаляется несколько атомов углерода), которая является своеобразным островом, присоединенным к остальной части листа через очень тонкие контакты. Размеры этого отдельного фрагмента графена таковы, что начинают проявляться квантовые свойства вещества, которые и определяют возможность управления отдельными электронами.

В сформированном таким образом транзисторе провели исследование поведения электронов в ограниченном пространстве. Электроны, попавшие внутрь квантовой точки, не в состоянии выбраться оттуда без внешнего поля, и при этом другие электроны попасть с электродов в квантовую точку также уже не могут. Этот эффект можно наблюдать даже при комнатной температуре. Очень важно, что прототип имеет размеры около 10 нм — это область, где традиционная кремниевая микроэлектроника работать уже не будет, по мнению специалистов. Исследователи графена считают, что можно сократить размеры квантовой точки и до 1 нм, при этом физические характеристики транзистора не должны измениться.

Заключение

одноэлектронный транзистор наноэлектромеханический Таким образом, одноэлектронный транзистор рассматривается как предельная степень миниатюризации классического транзистора — то, к чему стремятся все крупнейшие производители вычислительной техники. Работу одноэлектронных транзисторов можно наблюдать в исследовательских лабораториях, но в будущем их использование в массовом производстве может привести к резкому снижению энергопотребления и тепловыделения электронными схемами, значительному увеличению быстродействия и плотности элементов микросхем. Развитие технологии одноэлектронных транзисторов позволит создать ячейки памяти с большим временем хранения, высокой плотностью записи информации и малой рассеиваемой мощностью, а также высокочувствительные химические/биохимические сенсоры.

1. Лихарев К. К. Одноэлектроника // В мире науки. 1992. № 8. С. 42.

2. В. Л. Ткалич, А. В. Макеева, Е. Е. Оборина Физические Основы Наноэлектроники Учебное пособие 2011. Стр. 44−46.

3. И. И. Абрамов, Е. Г. Новик Физика и техника п/п 2000 том 34 вып. 8

4. В. В. Погосов, Е. В. Васютин, В. П. Курбацкий, А. В. Бабич, А. В. Коротун Запорожье, Украина Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2007, т. 5, № 1, с. 39—74