Разработка, создание и исследование структур на основе единичных примесных атомов в твердом теле. Экспериментальное и теоретическое изучения транспорта единичных электронов через единичные примесные атомы
Разработка, создание и исследование одноатомных структур являются продолжением и развитием работ по созданию классических и молекулярных одноэлектронных устройств, проводившихся в лаборатории «Криоэлектроника» с конца 80-х годов. Одноэлектроника, как область мезоскопической физики, родилась в стенах факультета 30 лет назад. В ее основании лежат оригинальные теоретические работы сотрудников факультета К.К. Лихарева, Д.В. Аверина и А.Б. Зорина. За это время на физическом факультете МГУ разработаны и экспериментально продемонстрированы уникальные наноэлектронные устройства: одноэлектронная ячейка памяти с временем хранения единичного электрона более 8 часов (второй результат в мире), одноэлектронный транзистор с рекордной зарядовой чувствительностью (< 8x10-6 e/Гц1/2), первый в мире молекулярный одноэлектронный транзистор, работающий при комнатной температуре и наконец - одноатомный одноэлектронный транзистор, размер базового элемента которого приближается к физическому пределу: создать твердотельное электронное устройство, размер элементов которого будет меньше размера одного атома невозможно.
Рис. 1. Схематическое и реальное изображение одноатомного транзистора.
Рабочим элементом (островом) одноатомного одноэлектронного твердотельного транзистора является одиночный примесный атом (например мышьяка или фосфора), размещенный между туннельными и управляющими электродами в приповерхностной области тонкого монокристаллического кремниевого слоя толщиной 50 нм, расположенного на поверхности диэлектрической подложки (рис. 1). Электрический ток в таком транзисторе - это последовательный пространственно-коррелированный туннельный перенос одиночных электронов между транспортными электродами через выделенный примесный атом.
Величина одноэлектронного тока сильно зависит от величины потенциала управляющего электрода. Выделенный примесный атом, находящийся в приповерхностном слое кристалла кремния, работает как сверхмалый проводящий остров, который может содержать в себе положительный и отрицательный заряд величиной в несколько электронов. Эффективный размер такого острова для атома мышьяка в кристаллическом кремнии составляет всего 2 3 нм. Основной особенностью одноатомного одноэлектронного транзистора и его существенным отличием от одноэлектронных транзисторов на основе молекул и квантовых точек является специфический одночастичный энергетический спектр электронов выделенного примесного атома. Расстояние между электронными уровнями энергии примесного атома уменьшается по мере роста энергии уровня и его приближения к дну зоны проводимости, что свойственно свободным атомам. Наличие такого энергетического спектра позволяет однозначно идентифицировать туннелирование электронов через выделенный атомный центр по измеренной токовой диаграмме стабильности (рис. 2), в которой максимальная величина блокады транспортного тока монотонно уменьшается по мере увеличения управляющего напряжения.
Рис. 2. Токовая диаграмма стабильности одноатомного транзистора на основе примесного атома мышьяка в кремнии.
Технология изготовления одноатомных устройств основана на серии последовательных процессов реактивно-ионного травления (РИТ) кремниевой структуры одноэлектронного транзистора, в результате которых происходит постепенное уменьшение рабочей области транзистора (рис 3). В результате экспериментов удается наблюдать по диаграммам стабильности постепенную трансформацию устройства от классического состояния с макроскопическим островом до одноатомного состояния, когда электронный транспорт в транзисторе осуществлялся через единичные примесные атомы. Созданный транзистор позволил изучить закономерности параллельного переноса электронов через три примесных атома фосфора. В результате исследования удалось обнаружить характерное расщепление кулоновских токовых треугольников (рис. 4), которое ранее было предсказано в теоретических работах. По обнаруженному расщеплению было оценено среднее расстояние между примесными атомами фосфора в мостике транзистора. Оптимизация технологических процессов для изготовления такого устройства из кремния на изоляторе (КНИ) позволяют увеличить коэффициент управления транзистора за счет приближения управляющего затвора к области локализации примесных атомов. Продолжающиеся исследования проводятся в направлении поиска оптимальных кристаллических материалов и примесных атомов, которые определяют рабочую температуру одноатомного одноэлектронного транзистора и уровень его шумов. В ближайшем будущем станет возможным увеличить рабочую температуру подобных устройств вплоть до комнатной. Уже в ближайшее время планируется изготовление одноатомных транзисторов на основе нетрадиционных для полупроводниковой промышленности примесных атомов и кристаллических подложек.
Рис 3. a) - концентрация (левая ось) и среднее расстояние между атомами фосфора (правая ось) в слое Si слоя. b) - d) - этапы изготовления транзистора (окраска цветами: темно-синий - верхний Si слой, зеленый – Cr электроды, серый – Al маска, коричневый - SiO2 изолирующий слой): b) - структура до реактивно-ионного травления (РИТ) Si слоя; c) - структура после анизотропного РИТ Si слоя; (d): структура после первого изотропного РИТ с зазором в центре Si наномостика.
Рис. 4. (a): расщепление токового треугольника; (b): поперечное сечение токового треугольника при низких туннельных напряжениях V = 2 мВ (S1) и V = 3 мВ (S2) для одноэлектронный транзистор на основе 3-х атомов фосфора.
Полученные результаты позволяют надеяться на разработку в будущем промышленной технологии создания одноэлектронных одноатомных вычислительных устройств и устройств памяти, работающих на новых физических принципах. Среди таких потенциальных устройств можно отметить квантовые вычислительные устройства и так называемые одноэлектронные одноатомные зарядовые клеточные автоматы, в которых отдельные примесные атомы будут играть роль клеток, между которыми передается заряд или состояние поляризации. Что немаловажно, разработанная технология изготовления совместима с традиционной КМОП технологией, а предложенное устройство является масштабируемым, что позволяет изготавливать СБИС.
Работа ученых факультета по созданию и изучению одноатомных одноэлектронных устройств поддержана Российским Научным Фондом. Результаты исследований опубликованы в статьях:
- V.V. Shorokhov, D.E. Presnov, S.V. Amitonov, Y.A. Pashkin, V.A. Krupenin, "Single-electron tunneling through an individual arsenic dopant in silicon", Nanoscale 9(2), 613-620 (2017).
- S.A. Dagesyan, V.V. Shorokhov, D.E. Presnov, E.S. Soldatov, A.S. Trifonov, V.A. Krupenin, “Sequential reduction of the silicon single-electron transistor structure to atomic scale”, Nanotechnology, 28, 225304, (2017).
- С.А. Дагесян, В.В. Шорохов, Д.Е. Преснов, Е.С. Солдатов, А.С. Трифонов, В.А. Крупенин, О.В. Снигирёв. Одноэлектронный транзистор с островом из нескольких примесных атомов фосфора. Вестник Московского университета, 5, 32–38 2017. (English: Moscow University Physics Bulletin, 72(5), 474–479, 2017).