На правах рукописи

Залунин Василий Олегович

Особенности электронного транспорта в

неоднородных одноэлектронных структурах

01.04.04 – физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва– 2012

Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и

микроэлектроники Физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова Научные руководители:

д.ф.-м.н Зорин Александр Борисович к.ф.-м.н Крупенин Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

Лукичев Владимир Федорович, д.ф.-м.н, чл.-корр. РАН, заместитель директора по научной работе Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Физикотехнологический институт Российской академии наук»

Хвостов Валерий Владимирович, к.ф.-м.н, доцент кафедры физической электроники Физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательное учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Защита состоится «20» декабря 2012 года в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. ЮФА.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан «19» ноября 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66, к.ф.-м.н. И.Н.Карташов

Общая характеристика работы

Актуальность работы Эффект коррелированного туннелирования одиночных электронов в на­ ноструктурах известен и широко изучается уже в течении почти четверти века. Этот эффект, суть которого состоит в (кулоновской) блокаде электрон­ ного транспорта и в упорядоченном движении элементарных зарядов, воз­ никающих благодаря их взаимодействию посредством электрического поля, наблюдался в различных материалах и системах: металлах, полупроводни­ ках, сверхпроводниках, кластерах, графене, молекулярных структурах. Необ­ ходимым условием наблюдения этого эффекта является наличие в твёрдых телах естественно или искусственно созданных малых проводящих гранул, разделённых туннельными переходами. Присутствие на таком малом остро­ ве одного “лишнего“ элементарного заряда приводит к большому электриче­ скому полю в его окрестности. Однако, несмотря на то, что на сегодняшний момент теоретически описаны и экспериментально реализованы разнообраз­ ные одноэлектронные устройства (такие, как одноэлектронный транзистор, ячейка памяти, логические элементы), постоянно обнаруживаются новые, до настоящего времени малоизученные стороны этого явления. Данная рабо­ та посвящена весьма востребованному анализу одноэлектронного транспорта в существенно неоднородных структурах. При этом рассмотрены особенно­ сти одноэлектронного транспорта в неоднородных структурах двух типов – в асимметричном одноэлектронном транзисторе-электрометре, т.е. системе с одним островом, расположенным между двумя туннельными переходами, и в неоднородных тонких гранулированных плёнках хрома нанометровых по­ перечных размеров размеров (нанополосках). В некоторой степени свойства неоднородных одноэлектронных структур ранее рассматривались в литерату­ ре (в основном в применении к описанию поведения одномерных и двумерных массивов туннельных переходов), где, как правило, изучалось влияние есте­ ственных (как правило, небольших) флуктуаций параметров таких структур на их свойства. В данной диссертационной работе исследуются металличе­ ские одноэлектронные структуры, в которых неоднородности (или асиммет­ рия) являются большими из-за особенностей их изготовления, или сделаны таковыми специально.

Цель диссертационной работы Целью данной диссертационной работы является экспериментальное ис­ следование особенностей электронного транспорта в неоднородных одноэлек­ тронных структурах, проведение численного моделирования процессов проте­ кания тока и самонагрева в этих структурах, а также сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.

В данной работе решались следующие основные задачи:

1. Разработка и усовершенствование технологии изготовления (а) асим­ метричных алюминиевых () одноэлектронных транзисторов и (б) на­ нополосок на основе неоднородных хромовых () гранулированных 2. Измерения электрических характеристик (а) асимметричных одноэлек­ тронных транзисторах и (б) двумерных структурах на основе неодно­ родных гранулированных плёнок в широком диапазоне температур.

3. Проведение численного моделирования характеристик (а) асимметрич­ ных одноэлектронных транзисторов и (б) нанополосок на основе грану­ лированных плёнок. Сравнение результатов моделирования с экспери­ ментальными данными.

4. Анализ возможности практического использования (а) асимметричных одноэлектронных транзисторов и (б) нанополосок с существенными неод­ нородностями на основе гранулированных металлических плёнок.

Объект исследования Объектом исследования в данной работе являются асимметричный одно­ электронный транзистор (АОТ) с туннельными переходами типа / / малой площади (до 50 нм100 нм), а также неоднородные тонкие гранули­ рованные плёнки (нанополоски) шириной 100 нм и длиной от 200 нм до 1000 нм, изготовленные с помощью модифицированной технологии многоте­ невого напыления металлов через жёсткую подвешенную маску.

Предмет исследования Предметом исследования являются структурные и электрические свой­ ства неоднородных одноэлектронных структур: сильно асимметричного одно­ электронного транзистора и неоднородных тонких гранулированных нанопо­ лосок, а также анализ влияния различных типов неоднородностей на электри­ ческий транспорт в таких структурах. Также анализируются обнаруженные уникальные электрические свойства неоднородных одноэлектронных метал­ лических структур (асимметричного транзистора и неоднородных нанополо­ сок) на предмет их возможного использования в физических экспериментах и устройствах.

Научная новизна В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Разработаны методы изготовления нанополосок на основе тонких (тол­ щиной 7-8 нм) гранулированных хромовых плёнок и исследованы их электрические транспортные характеристики в широком диапазоне тем­ ператур (25 мК-30 К).

В частности, впервые обнаружено явление гистерезисного переключе­ ния системы между состоянием кулоновской блокады (т.е. полным от­ сутствием тока) и токонесущим состоянием, сопровождавшееся резким изменением (скачком) транспортного тока амплитудой порядка долей 2. Предложена модель гранулированной нанополоски, представляющая со­ бой двумерную систему проводящих наногранул, связанных между со­ бой туннельными переходами и имеющих несколько (от 1 до 5) локаль­ ных неоднородностей. С помощью этой модели, методом Монте-Карло исследованы особенности электронного транспорта, в том числе:

выявлено образование устойчивых зарядовых конфигураций при нахождении системы в блокадном состоянии;

обнаружено образование нескольких токовых каналов при перехо­ де системы из блокадного в проводящее состояние;

гистерезисное переключения тока объяснено в рамках модели, учи­ тывающей выделения тепла при актах одноэлектронного туннели­ рования, приводящего к повышения электронной температуры в 3. Экспериментально реализован, аналитически и численно промоделиро­ ван оригинальный режим работы асимметричного одноэлектронного транзистора при нулевом постоянном смещении в присутствии накачки переменным или шумовым сигналом. При температуре =25 мК макси­ мальное значение крутизны преобразования заряд-ток этого транзисто­ ра составило = /0 = 1 нА/e, где 0 - заряд затвора транзистора, что сравнимо с типичными значениями в симметричных транзисто­ рах в режиме постоянного смещения.

Практическая значимость Понимание процессов одноэлектронного транспорта в тонких нано­ полосках является необходимым условием для разработки различных одно­ электронных устройств на базе гранулированных плёнок. Результаты данных исследований могут быть применены для построения одноэлектронной ячей­ ки памяти с большим временем хранения и/или повышенной рабочей темпе­ ратурой. Кроме того, данная ячейка может выполнять функцию порогового квантового детектора микроволнового излучения. Результаты, полученные в ходе исследования свойств АОТ, работающего в режиме накачки переменным сигналом, могут быть использованы для реализации электрометра, имеющего ослабленное обратное влияние на источник сигнала, а также детектора уров­ ня шума в измерительных криогенных установках при экспериментальном ис­ следовании чувствительных одноэлектронных и джозефсоновских устройств.

Достоверность полученных результатов В диссертационной работе используются широко применяемые методики экспериментального исследования структурных и электрических характери­ стик образцов. Численные, а также получисленные методы моделирования процессов в изучаемых наноструктурах базируются на применении хорошо проверенной классической ортодоксальной теории одноэлектронного тунне­ лирования. Достоверность результатов подтверждается соответствием между результатами математического моделирования и экспериментальными данны­ ми.

Личный вклад автора В диссертации приведены результаты, полученные непосредственно авто­ ром или при его активном участии. Совместно с соавторами автором разрабо­ тана технологию изготовления хромовых нанополосок. Совместно с соавтора­ ми проведены измерения электрических характеристик нанополосок при сверхнизких температурах в рефрижераторе растворения. Совместно с со­ авторами автором впервые наблюдалось явление гистерезисного переключе­ ния хромовых гранулированных нанополосок между состоянием кулоновской блокады и проводящим состоянием. Автором лично разработана математиче­ ская модель и методы численного моделирования процессов в неоднородных хромовых плёнках, проведено моделирование в широком диапазоне парамет­ ров и сравнение его результатов с экспериментальными данными. Автором лично обнаружено образование устойчивых зарядовых конфигураций при на­ хождении плёнки в блокадном состоянии и их резкий переход в устойчивые токовые каналы в проводящем состоянии. Совместно с соавторами автором проведено моделирование процессов в АОТ, сравнение его результатов с экспе­ риментальными данными, рассчитана зависимость крутизны преобразования от степени асимметрии одноэлектронного транзистора. Совместно с соавтора­ ми автор непосредственно участвовал в написании научных статей, а также подготовке и представлении докладов и постеров на научных конференциях.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 8 тезисов докладов на Россий­ ских и международных конференциях, список которых приведён в конце ав­ тореферата. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискатель:

принял непосредственное участие в постановке задачи исследования [1–10], проведении экспериментов [1–10], анализе и обсуждении полученных резуль­ татов [1–11] и самостоятельно выполнил численное моделирование [2–11].

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы, её положения и выводы были доложены, обсуждены и вызвали положительную оценку специалистов на ряде научных форумов, включая:

международную конференцию «Микро и Наноэлектроника» (ICMNE-2005) в 2005 г. (г. Звенигород, Россия), международную конференцию «Nano and Giga Challenges in Microelectronics»

в 2005 г. (г. Краков, Польша), серию международных конференций по физике и технологии наноструктур (Nanostructures: physics and technology) в 2004 г. (г. Санкт-Петер­ бург, Россия), 2005 г. (г. Санкт-Петербург, Россия), 2007 г. (г. Новоси­ бирск, Россия) и 2009 г. (г. Минск, Республика Беларусь).

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии и приложения. Общий объем диссертации 128 страниц, 35 рисунков. Библио­ графия включает 92 наименования.

Содержание работы Во введении даётся краткий экскурс в развитие одноэлектроники, вклю­ чая главные открытия в этой области и их применения. Описываются ос­ новные работы, посвящённые теоретическому и экспериментальному иссле­ дованию неоднородных одноэлектронных структур. Обосновывается актуаль­ ность диссертационной работы, формулируется её цель и отмечается научная новизна исследования.

В первой главе рассмотрены основные положения одноэлектроники и их применение для теоретического и экспериментального исследования асим­ метричных одноэлектронных структур. В частности, исходя из термодинами­ ческого подхода, приведено описание основных положений ортодоксальной теории одноэлектронного туннелирования Аверина и Лихарева, введено по­ нятие темпа туннелирования электронов и приведено кинетическое уравне­ ния для функции распределения. Также обсуждаются условия и границы применимости рассмотренных уравнений. На основе введённого формализма рассмотрены процессы, протекающие в одноэлектронном транзисторе, одно­ мерных и двумерных многоконтактных одноэлектронных структурах и гра­ нулированных плёнках (в том числе, кулоновская блокада и коррелированый характер туннелирования электронов). Особое внимание уделено описанию процессов, происходящих в неоднородных структурах, включая АОТ и неод­ нородные нанополоски, изучаемые нами экспериментально.

Вторая глава посвящена описанию общих положений технологии изго­ товления объектов исследования данной диссертации (асимметричного одно­ электронного транзистора и неоднородных хромовых нанополосок), а также технике измерения их электрических характеристик. В первой части второй главы приведён обзор различных технологий изготовления наноструктур, применяемых в экспериментальной нанофизике и микроэлектронике. Среди многообразия таких технологий автором для изготовления обоих объектов исследования была выбрана и доработана технология многотеневого напыле­ ния через подвешенную маску (технология Ниемаера-Долана). Её описание приведено в разделе 2.1. Несмотря на схожесть технологических этапов из­ готовления обоих объектов исследования, они имеют некоторые различия, подробному описанию которых посвящены разделы 3.1 и 4.1 в третьей и чет­ вёртой главе, соответственно. Для проведения экспериментальных исследова­ ний, представленных в данной работе, необходимо было применить охлажде­ ние экспериментальных образцов до сверхнизких температур (25 мК), обес­ печивающих малость термодинамических флуктуаций, а также проводить измерения сверхслабых сигналов (токов силой порядка единиц пикоампер).

В разделе 2.2 описана структура экспериментальной установки, состоящей из рефрижератора растворения с верхней загрузкой Oxford Instruments TLM 400, а также специализированной программируемой многоканальной измери­ тельной системы, сконструированной ранее в лаборатории криоэлектроники МГУ и управляемой с помощью персонального компьютера посредством сре­ ды LabView.

Третья глава посвящена особенностям технологии изготовления, ре­ зультатам экспериментального изучения и получисленного моделирования (т.е. моделирования, в котором основные расчёты выполняются аналитиче­ ски при помощи ортодоксальной теории одноэлектронного туннелирования, а усреднение для различных типов управляющих сигналов проводится чис­ ленно) для первого объекта исследования – асимметричного одноэлектронно­ го транзистора. В разделе 3.1 подробно рассмотрены особенности процесса изготовления такого транзистора. Нами было предложено применение ори­ гинальной стековой топологии, разработанной в лаборатории криоэлектро­ ники МГУ, для изготовления одноэлектронных транзисторов, обладающих существенной асимметрией туннельных переходов. Такая топология подра­ зумевает необычное размещение элементов одноэлектронного транзистора:

его остров размещается на поверхности первого подводящего электрода и сверху “накрывается“ вторым электродом, образуя трёхслойную структуру с туннельными барьерами в промежутках, что отличает её от обычно исполь­ зуемой планарной технологии, в которой оба подводящих электрода и оба туннельных перехода изготавливаются в одном слое.

Изготовление АОТ проводилось в три этапа. На каждом из этих эта­ пов производилось напыления плёнок под тремя различными углами по отношению к поверхности образца через подвешенную маску. Напыление про­ изводилось без разрыва вакуумного цикла (in-situ), при этом между первым и вторым, а также вторым и третьим напылением поверхность структуры подвергалась окислению в атмосфере кислорода для формирования окисных барьеров. Эти барьеры образовывали туннельные контакты между подводя­ щими электродами и островом одноэлектронного транзистора.

Показано, что применение стековой топологии позволяет получить боль­ шую степень асимметрии характеристик туннельных переходов транзистора не только за счёт “зарастания“ (уменьшения площади открытых участков) маски в процессе напыления, а также благодаря возможности независимо за­ давать и реализовывать прозрачность (суть толщину) нижнего и верхнего туннельных переходов в транзисторе.

Результаты экспериментального изучения электрических характеристик изготовленных образцов представлены в разделе 3.2. Они заключаются в следующем. Вольт-амперные характеристики (ВАХ), АОТ изображённые на Рис. 1, демонстрируют явление кулоновской блокады туннелирования в ши­ роком диапазоне напряжений на затворе (горизонтальный участок характе­ ристики). Характер изменения величины порога кулоновской блокады в за­ висимости от напряжения на затворе существенно различается для положи­ тельной и отрицательной ветвей вольт-амперных характеристик, что говорит о существенной асимметрии параметров туннельных переходов изготовлен­ ных транзисторов. Показано, что при определённых значениях напряжения на затворе данная асимметрия характеристик туннельных переходов тран­ зистора может приводить к появлению конечного тока через образец при нулевом постоянном напряжении смещения за счёт эффекта детектирова­ ния (выпрямления) входного шумового сигнала. Зависимость величины то­ кового отклика от избыточного (наведённого) заряда острова 0 = имеет вид острых антисимметричных пиков, локализованных около значений 0 +, где — целое число, а и – ёмкость связи и напряжение на затворе транзистора, соответственно.

Аналогичное поведение наблюдалось также в случае низкочастотного переменного напряжения = sin, приложенного к образцу. Амплитуда токовых пиков сильно зависела от амплитуды приложенного напряжения и степени асимметрии туннельных переходов транзистора, но не зависела от частоты подаваемого напряжения. Характерный пример наблюдаемых пиков тока в зависимости от величины 0 = 0 2 представлен на Рис. 2.

Явление детектирования входного напряжения, возможное благодаря асимметрии одноэлектронного транзистора, даёт возможность его использо­ вания в различных одноэлектронных экспериментах. Так, например, одно­ Рис. 1. Пример вольт-амперных характеристик АОТ при разных значениях управляющего напряжения. Измерения проводились при температуре = 25 мК.

Рис. 2. Токовый отклик асимметричного одноэлектронного транзистора при накачке пере­ менным сигналом амплитуды = 20 мкВ. Точки — экспериментальные данные, сплош­ ная линия – данные моделирования. Отношение сопротивлений туннельных переходов транзистора 1 / 2 = 60 кОм / 1.2 МОм = 1 / 20, отношение туннельных ёмкостей перехо­ дов 1 / 2 = 2.6 фФ / 0.3 фФ 9. Вставка на графике показывает эквивалентную электри­ ческую схему включения АОТ.

электронный транзистор может быть использован в качестве детектора уров­ ня широкополосного и узкополосного шума, преобразующего его в постоян­ ный ток. Такой детектор может быть размещён непосредственно на одном чи­ пе с другими одноэлектронными или джозефсоновскими структурами. Асим­ метричный транзистор, работающий в режиме смещения переменным напря­ жением, может быть также использован в качестве высокочувствительного электрометра. Для исследованных экспериментальных образцов измеренная величина крутизны преобразования заряд-ток = |(0 = 0)/0 | на склоне пика характеристики составила величину 0.7 нА/e при величине ам­ плитуды напряжения накачки = 20 мкВ и частоте /2 = 500 Гц. Данное значение чувствительности является типичным для одноэлектронных тран­ зисторов, работающих в традиционном режиме смещения постоянным напря­ жением, однако, благодаря малому (номинально, нулевому) значению сред­ него тока, предложенный режим может иметь некоторые преимущества, так как благодаря пониженной выделяемой мощности может уменьшить влияние транзистора-электрометра на измеряемую схему в прецизионных эксперимен­ тах.

Раздел 3.3 посвящён описанию методики и обсуждению результатов численного моделирования работы АОТ. Для моделирования поведения асим­ метричного транзистора в случае переменного сигнала накачки была приме­ нена ортодоксальная теория одноэлектронного туннелирования Аверина и Лихарева и был сделан ряд естественных допущений:

1. частота переменного напряжения, приложенного к образцу, много мень­ шую средней частоты одноэлектронных колебаний ( /), что даёт возможность рассчитывать темпы туннелирования, применяя формулы для фиксированных напряжений на электродах транзистора (квазиста­ тическое приближение);

2. амплитуда сигнала накачки достаточно мала, что для расчёта тока при достаточно низкой температуре даёт возможность ограничиться учётом только двух зарядовых состояний острова транзистора.

При указанных выше предположениях мгновенное значение усреднённо­ го по ансамблю тока через транзистор может быть представлено в виде:

заряд, наведённый на острове, 1,2 и 1,2 – сопротивление и ёмкость первого и второго туннельного перехода соответственно, = 1 + 2 +, а – электронная температура, которая здесь предполагается равной температуре термостата.

Измеряемая в эксперименте постоянная составляющая тока через тран­ зистор (0 ) рассчитывается посредством усреднения мгновенного значе­ ни, в течении которого приложенное напряжение () находится в интервале [, + ]. Рассчитанная зависимость токового отклика (0 ) от величи­ ны избыточного заряда острова 0 представлена на Рис. 2 и находится в хорошем согласии с экспериментальными данными.

Для нахождения оптимального режима работы АОТ проведено исследо­ вание зависимости крутизны преобразования от степени асимметрии тун­ нельных переходов в случае постоянного и переменного напряжений смеще­ ния. Результаты численного расчёта крутизны преобразования для разных температур и степени асимметрии транзистора представлены на Рис. 3 и по­ казывают более крутую зависимость в случае режима накачки переменным напряжением. В заключение главы 3, приводится анализ возможностей ис­ пользования такого транзистора в качестве электрометра.

Результаты, описанные в третьей главе, опубликованы в работе [11].

Рис. 3. Зависимость максимальной крутизны преобразования одноэлектронного транзи­ стора (электрометра) от степени его асимметрии в предположении малой ёмкости острова (0 1,2 ). а) Смещение постоянным напряжением =, б) смещение переменным напряжением = sin.

Четвёртая глава посвящена особенностям технологии изготовления, результатам экспериментального изучения и численного моделирования вто­ рого объекта исследования – тонких неоднородных хромовых гранулирован­ ных нанополосок. В разделе 4.1 рассмотрены особенности процесса изготов­ ления исследуемых структур. Для их изготовления был применён метод мно­ готеневого напыления через жёсткую подвешенную маску. Напыление произ­ водилась в два этапа под двумя различными углами к поверхности образца:

посредством первого напыления формировалась исследуемая нанополос­ ка, а затем, без разрыва вакуумного цикла, производилось формирование подводящих электродов. Формирование нанополосок, изучавшихся в экспе­ рименте, производилось посредством электронно-лучевого испарения гранул чистого хрома в разряженной атмосфере кислорода. Для получения плёнок с требуемыми характеристиками (поверхностное сопротивление, характерный размер гранулы и т.д.) в процессе напыления подбирались такие технологи­ ческие параметры, как рабочее давление газа и скорость распыления хрома.

Подбор параметров напыления, обеспечивающих воспроизводимое получение высокоомных плёнок, являлся главной технологической задачей на этапе из­ Рис. 4. Пример переключений между блокадным и проводящим состояниями на ВАХ нанополоски ( =25 мК). Стрелки указывают направления измерения ВАХ и резкие пере­ ключения между блокадным и проводящим состояниями.

готовления образцов. Достаточно высокая воспроизводимость при изготовле­ нии образцов достигалась за счёт применения дополнительной фазы предрас­ пыления, во время которой происходила стабилизация условий в напылитель­ ной камере, а также благодаря использованию автоматизированной системы контроля процесса напыления. Исследуемые нанополоски имели линейные размеры в плане 100 нм200 нм, 100 нм500 нм и 100 нм1000 нм и толщину порядка 8 нм. Их поверхностное сопротивление на квадрат при температуре =25 мК составляло величину = 15 35 кОм, заметно превышающую квантовое сопротивление = /42 6.5 кОм, что свидетельствовало об от­ сутствии металлического характера проводимости плёнок. Применение выше­ описанного метода позволило изготовить плёнки, обладающие практически заданными характеристиками (электрическим сопротивлением), с разбросом параметров на уровне 10-15%.

Раздел 4.2 содержит результаты экспериментального изучения хромо­ вых гранулированных плёнок. В нём, в частности, отмечено, что при низких температурах вольт-амперные характеристики изготовленных нанополосок, имеющих достаточно высокое сопротивление, демонстрируют кулоновскую блокаду, напряжение порога которой составляет в наших образцах несколько милливольт. В районе порога блокады возникает резкий переход плёнок из блокадного состояния в проводящее, при этом обратное переключение воз­ можно лишь при существенно меньшем напряжении. При таком переходе транспортный ток изменяется лавинообразно (за время, меньшее чем времен­ ное разрешение измерительной системы) на величину, которая составля­ ет от нескольких десятков пикоампер до долей наноампера и выше (Рис. 4).

Насколько известно автору, такое поведение ВАХ нанополосок ранее не на­ блюдалось.

Во второй части четвёртой главы приведены результаты эксперименталь­ ного исследования структуры хромовых плёнок, выполненного при помощи просвечивающего электронного микроскопа. Отмечено, что плёнка состоит из плотноупакованных металлических гранул неправильной формы, имею­ щих средний размер 10-20 нм, разделённых между собой оксидной плёнкой, формирующей туннельный барьер между ними. Вместе с тем, отмечено на­ личие более крупных металлических образований, состоящих из нескольких средних гранул, которые либо соединены непосредственно (омически), либо, по всей видимости, разделены туннельными барьерами высокой прозрачно­ сти. Такие образования из гранул можно также рассматривать как отдельные острова большого размера и, соответственно, большей ёмкости.

В конце раздела 4.2, на основании результатов исследования структуры плёнок, предлагается модель, описывающая исследуемые образцы. Учиты­ вая геометрические размеры образцов, исследуемые нанополоски моделиру­ ются как двумерные сетки, состоящие из 10 20, 10 50 и 10 100 эле­ ментов, в узлах которых расположены металлические острова, соединённые Рис. 5. Поверхность потенциальной энергии фрагмента сетки проводящих гранул вблизи неоднородности с координатами (, ) = (5, 24) ( - поперечная координата, - продоль­ ная координата), состоящей из пяти островов, связанных гальванически. Нижняя (тёмная) поверхность – профиль потенциальной энергии без избыточных электронов в центре неод­ нородности, верхняя (светлая) поверхность – профиль потенциальной энергии с одним избыточным электроном, локализованным в центре неоднородности.

с соседними островами туннельными переходами. В целях упрощения модели все узлы такой сетки имеют одинаковые параметры (собственную 0 и меж­ граннульную ёмкости, а также межгранульное туннельное сопротивление = /2 25.8 кОм), за исключением одной или нескольких локаль­ ных неоднородностей, которые состоят из нескольких островов, связанных между собой гальванически. Такие неоднородности соответствуют плотно со­ единившимся гранулам, образовавшимся при изготовлении в случайных ме­ стах плёнки. Данная модель используется для моделирования транспортных процессов в нанополосках. Результаты моделирования представлены в раз­ деле 4.3.

В этом разделе при помощи численного расчёта изучается механизм вли­ яния неоднородностей на одноэлектронный транспорт в нанополоске. Пока­ зано, что локальная неоднородность (крупный остров) образует зарядовую Рис. 6. Профиль потенциальной энергии двумерной сетки гранул шириной = 10 перехо­ дов и длиной = 50 переходов в области кулоновской блокады. Величина потенциальной энергии пропорциональна плотности серого цвета согласно приведённой шкале. Данные контурные графики соответствуют различным устойчивым зарядовым конфигурациям (соответствующее напряжение на образце указано в левом верхнем углу каждого графи­ ка). Острова, на которых располагаются избыточные электроны в таких конфигурациях, обведены сплошной линией.

ловушку (потенциальную яму). Избыточный электрон, захваченный одним из таких островов, поляризует соседние с ним острова (образует “поляризаци­ онное облако“). В результате этого избыточный электрон отталкивает другие свободные электроны и тем самым меняет форму профиля потенциальной энергии, приводя к появлению энергетического барьера в районе неоднород­ ности и, в конечном итоге, подавлению тока через плёнку (см. Рис. 5).

При увеличении напряжения, приложенного к образцу (см. эквивалент­ ную схему на вставке к Рис. 4), электроны входят в массив и задерживаются в потенциальной яме, образованной левой границей массива и неоднородно­ стью. При значениях параметров неоднородности, характерных для данных плёнок, один из электронов, как правило, всегда находится внутри неодно­ родности, а остальные образовывают одну из устойчивых конфигураций, в зависимости от напряжения смещения (см. Рис. 6). При достижении напря­ жения, соответствующего порогу кулоновской блокады, зарядовые конфигу­ рации становятся неустойчивыми и через систему начинает протекать ток.

Рассчитанные методом Монте-Карло ВАХ (описание численных методов и алгоритмов, применённых для моделирования одноэлектронного транспорта в наноструктурах методом Монте-Карло приведено в Приложении) каче­ ственно согласуются с экспериментально наблюдаемыми, хорошо описывая переход из блокадного состояния в проводящее. Однако, учёт влияния одних лишь неоднородностей не позволяет описать гистерезисное поведение иссле­ дованных плёнок. Для объяснения наблюдаемых особенностей электронного транспорта был учтён разогрев электронной подсистемы в островах исследу­ емой гранулированной структуры, возникающий при протекании тока. Пока­ зано, что при превышении порога кулоновской блокады даже относительно короткое переключение системы в проводящее состояние приводит к быстро­ му и значительному росту температуры электронного газа в гранулах. Из-за ослабленного электрон-фононного взаимодействия при низкой температуре ( < 100 300 мК), в таком неравновесном состоянии эффективная темпера­ тура электронного газа оказывается существенно выше температуры кристал­ лической решётки гранулы, а также температуры термостата. Вследствие это­ го, при уменьшении напряжения смещения образец продолжает оставаться в проводящем состоянии при напряжениях ниже порога блокады. При даль­ нейшем уменьшении напряжения (вызывающем заметное понижение тока, а, следовательно, электронной температуры) происходит обратный переход в состояние кулоновской блокады. Представленные результаты численного мо­ делирования вольт-амперных характеристик, проведённые с учётом эффекта разогрева электронного газа, демонстрируют такое гистерезисное поведение и хорошо согласуются с экспериментальными результатами (см. Рис. 7).

Таким образом, наблюдаемые экспериментально особенности вольт-ампер­ ных характеристик неоднородных хромовых гранулированных нанополосок Рис. 7. Рассчитанная вольт-амперная характеристика массива размером 1050 гранул с неоднородностью в центре. а) – не учтён разогрев электронной подсистемы в островах, различные кривые соответствуют температурам 5, 10 и 15 мК, б) – учтён разогрев элек­ тронной подсистемы в островах, = 100 мК.

могут быть объяснены одновременным влиянием двух факторов – образова­ нием в плёнке локальных зарядовых ловушек (неоднородностей) и разогре­ вом электронного газа при протекании одноэлектронного тока.

Результаты, представленные в четвёртой главе, опубликованы в печат­ ных работах [1] и [2].

В Заключении представлены основные результаты и выводы диссерта­ ционной работы:

1. Разработана технология изготовления наноструктур асимметричных од­ ноэлектронных транзисторов стековой топологии со степенью асиммет­ рии ёмкостей и сопротивлений переходов достигающей одного порядка и более, основанная на использовании трехтеневого метода напыления через подвешенную маску.

2. Разработан метод формирования нанополосок в виде гранулированных плёнок хрома размером 100 нм 200 нм, 100 нм 500 нм и 100 нм 1000 нм и толщиной 7-8 нм, с поверхностным сопротивлением от единиц до де­ сятков кОм, основанный на использовании дополнительной фазы пред­ распыления и автоматизированного контроля процесса напыления с об­ ратной связью;

3. Экспериментально измерены электрофизические характеристики асим­ метричных одноэлектронных транзисторов при температурах 25-100 мК.

Обнаружен оригинальный режим работы такого транзистора-электро­ метра, работающего при нулевом смещении и воздействии на него пе­ ременного или шумового сигнала. Проведено численное моделирование данного режима работы транзистора, результаты которого находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными;

4. Экспериментально исследованы электрофизические характеристики гра­ нулированных нанополосок в широком диапазоне температур ( =25 мК - 300 К). При низких температурах ( = 25 200 мК) обнаружено явление гистерезисного переключения нанополосок между состоянием кулоновской блокады и проводящим состоянием. Ширина петли гисте­ резиса составляла доли милливольта, в то время как величина скачка тока при переключении достигала значений от десятков пикоампер до долей наноампера. На основе численного моделирования данный эф­ фект объяснён влиянием локальных неоднородностей в нанополосках и резким повышением электронной температуры при протекании тока.

Список публикаций 1. Krupenin V. A., Zalunin V. O., Zorin A. B. The peculiarities of single-electron transport in granular Cr films // Microelectron. Eng. 2005. Vol. 81, no. 2-4.

P. 217–221.

2. Залунин В. О., Крупенин В. А., Васенко С. А., Зорин А. Б. Моделиро­ вание одноэлектронных процессов в тонких гранулированных хромовых плёнках // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 91, № 8. С. 436–441.

3. Krupenin V. A., Presnov D. E., Zalunin V. O. et al. Strongly Asymmetric SET transistor as zero-biased electrometer // Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers of 12th Int. Symposium - Nanostructures: Physics and Technology. 2004.

4. Krupenin V. A., Zalunin V. O., Zorin A. B. Experimental study of single­ electron transport in granular Cr films // Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers of 12th Int. Symposium - Nanostructures: Physics and Technology. 2004.

5. Krupenin V. A., Zalunin V. O., Zorin A. B. The peculiarities of single-elec­ tron transport in chromium granular films // In proceedings of International Conference "Nano and Giga Chalenges in Microelectronics 2004". 2004.

6. Krupenin V. A., Zalunin V. O., Vlasenko V. S. et al. Possible realization of single-electron trap based on Cr granular film: experimental characterization and numerical simulation // Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers of 12th Int. Symposium - Nanostructures: Physics and Technology.

2005.

7. Krupenin V. A., Presnov D. E., Zalunin V. O. et al. Single-electron elec­ trometer with strongly asymmetric tunnel junctions. // In The International Conference “Micro- and nanoelectronics – 2005". 2005.

8. Krupenin V. A., Presnov D. E., Zalunin V. O. et al. Possible implementation of a single-electron trap with a potential barrier formed by 2D Cr granular film. // In The International Conference “Micro- and nanoelectronics – 2005".

9. Krupenin V. A., Zalunin V. O., Vasenko S. A., Zorin A. B. Pecularities of single electron transport in Cr granular films. // Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers of 15th Int. Symposium - Nanostructures: Physics and Technology. 2007.

10. Krupenin V. A., Zalunin V. O., Vasenko S. A., Zorin A. B. Numerical simula­ tion of single electron transport in disordered Cr granular films // Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers of 17th Int. Symposium - Nanos­ tructures: Physics and Technology. 2009.

11. Krupenin V. A., Presnov D. E., Zalunin V. O. и др. Strongly asymmetric­ single electron transistor operating as zero-biased electrometer // Письма в ЖЭТФ. 2005. Т. 82. С. 77–80.