Введение в наноэлектронику

Тип:
Добавлен:

Оглавление

Введение

. Методы зондовой нанотехнологии

.1 Физические основы зондовой нанотехнологии

.2 Контактное формирование нанорельефа

.3 Бесконтактное формирование нанорельефа

.4 Локальная глубинная модификация поверхности

.5 Межэлектродный массоперенос

.6 Электрохимический массоперенос

.7 Массоперенос из газовой среды

.8 Локальное анодное окисление

.9 СТМ-литография

.10 Совместное использование лазера и СТМ в нанолитографии

. Методы исследования химического состава поверхности

.1 Масс-спектроскопия

.2 Оже-электронная спектроскопия

.3 Ионная масс-спектроскопия

.4 Фотоэлектронная спектроскопия

.5 Радиоспектроскопия

. Исследования физической структуры поверхности

.1 Рентгеноструктурный анализ

.2 Анализ поверхности электронным пучком

.3 Полевая эмиссионная микроскопия

.4 Сканирующая туннельная микроскопия

.5 Атомно-силовая микроскопия

.6 Электронная микроскопия

.7 Эллипсометрия

. Нанотранзисторы

.1 Теоретические и технологические проблемы скейлинга

.2 КНИ-транзисторы

.3 Транзисторы с двойным затвором

.4 Гетеротранзисторы

.5 Полевые транзисторы

.6 HEMT-транзисторы

.7 MODFET-транзисторы

.8 Резонансно-туннельные транзисторы

.9 Гетероструктурный транзистор на квантовых точках

.10 Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок

. Основы одноэлектроники

.1 Эффект одноэлектронного туннелирования

.2 Транспорт носителей

.3 Кремниевые одноэлектронные транзисторы

.4 Одноэлектронные транзисторы на основе гетероструктур

.5 Одноэлектронные металлические структуры

.6 Молекулярный одноэлектронный транзистор

.7 Цифровые устройства на одноэлектронных транзисторах

.8 Одноэлектронный механический транзистор

. Спинтроника

.1 Волновые явления в магнитоупорядоченных средах

.2 Приборы на МСВ

Заключение

Библиографический список

Введение

На данный момент электронные и радиоэлектронные средства имеют широкое распространение как в повседневной жизни, так и в профессиональной деятельности. Однако, современная электроника имеет тенденцию к миниатюризации и переходу к нанометровым размерам, где преобладают другие физические законы и явления, которые важно знать для проектирования аппаратуры.

Нанотехнологию можно определить как сумму технологических процессов и методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами с целью получения новых материалов, элементов и приборов. Нанотехнология открывает перспективы ее широкого использования в электронике.

Таким образом, необходимо иметь представление об основных методах, применяемых в нанотехнологии, и путях развития данной науки.

1. Методы зондовой нанотехнологии

.1 Физические основы зондовой нанотехнологии

Зондовая нанотехнология - совокупность методов и способов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы, материала на уровне отдельных атомов, молекул и элементов нанометровых размеров с помощью острийного зонда с одновременной визуализацией и контролем процесса.

В основе зондовой нанотехнологии лежат уникальные приборы с зондом - сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ).

Сущность зондовой технологии на базе туннельного микроскопа заключается как в визуализации поверхности и объектов на ней, так и в формировании, модификации этой поверхности в нанометровой области.

Процессы нанотехнологии на основе зондовых методов базируются на ряде физико-химических явлений и эффектов.

Эффект полевой эмиссии. Автоэлектронная эмиссия представляет собой явление испускания электронов проводящими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности.

На границе металл-вакуум существует потенциальный барьер , где - заряд электрона, - работа выхода электрона. При приложении к нему внешнего поля высота потенциального барьера снижается и протяженность барьера уменьшается. Согласно туннельному эффекту, электроны просачиваются сквозь барьер, создавая ток автоэлектронной эмиссии. Величина плотности этого тока отражена в формуле (1).

,

где - плотность тока автоэлектронной эмиссии, А;

- постоянная Планка, Дж∙с;

- напряженность внешнего поля, ;

- масса электрона, кг;

- табулированная функция.

,

где - механическое напряжение, Па;

- относительная диэлектрическая проницаемость среды между зондом и подложкой;

- электрическая постоянная, .

Поляризационные эффекты и модификация среды в зазоре. В области между зондом и подложкой возникает поляризация молекул среды и их перестройка. Формируются проводящие молекулярные мостики из адсорбированных молекул. Величина электрического поля, при которой образуются проводящие мостики, вычисляется по формуле (3).

,

где - напряженность электрического поля, при которой образуются проводящие мостики;

- поляризуемость молекулы;

- дипольный момент молекулы;

- постоянная Больцмана, ;

- температура, К.

Полевое испарение. При высоких значениях напряженности электрического поля наблюдается явление испарения ионов, связанное с массопереносом в виде потока положительных ионов.

Локальные потоки тепла. Сверхплотные значения тока (вплоть до ) вызывают на подложке локальный разогрев, который может привести к локальным структурным изменениям вещества.

.2 Контактное формирование нанорельефа

Контактное формирование нанорельефа представляет собой технологический процесс формирования заданного микрорельефа поверхности. Оно основано на воздействии зонда (СТМ или АСМ) на поверхность подложки при их механическом воздействии.

Для выравнивания поверхности подложки разработана методика использования адсорбата газа, находящегося на поверхностях зонда и подложки. При пластической деформации подложки в процессе касания зонда происходит выдавливание адсорбата из области соприкосновения. Время выдавливания оценивается величиной порядка 0,5 мс. Время выдавливания адсорбата увеличивается при наличии пленок окислов на поверхности электродов.

Гладкие подложки удается получить путем сканирования при вертикальной модуляции зонда на частоте порядка 1 кГц.

1.3 Бесконтактное формирование нанорельефа

Бесконтактное формирование нанорельефа представляет собой технологический процесс создания на поверхности металлических подложек заданных наноструктур, например, бугорков на поверхности.

Одним из путей деформации подложки является воздействие зонда СТМ путем создания механического напряжения за счет электростатического поля. Данное механического напряжение находится по формуле (4).

Другой способ заключается в локальном тепловыделении при прохождении больших плотностей тока через поверхность подложки.

.4 Локальная глубинная модификация поверхности

Локальная глубинная модификация поверхности представляет собой технологический процесс создания элементов наноэлектроники в полупроводнике под поверхностью оксидного слоя путем локального изменения физико-химическим свойств материала.

Технологическая схема локальной глубинной модификации представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Локальная глубинная модификация

Здесь к поверхности полупроводниковой подложки 2, защищенной окисным слоем 1 толщиной , подводится зонд 3 с радиусом закругления . Электрическое поле напряжения проникает в подложку на глубину . Под поверхностью на глубине формируется область пластической модификации радиусом .

Максимальная глубина залегания определяется по формуле (5), при этом соответствующее пороговое напряжение рассчитывается по формуле (6).

;

,

где - максимальная глубина залегания деформации, м;

- диэлектрическая проницаемость полупроводника;

- пороговое напряжение, В;

- концентрация равномерно распределенных ионизированных примесей, ;

- предел пластичности, Па;

- диэлектрическая проницаемость пленки.

.5 Межэлектродный массоперенос

Межэлектродный массоперенос с нанометровым разрешением представляет собой технологический процесс создания наноразмерных элементов путем осаждения эмитированных с острия ионов. В основе этого процесса лежит явление полевого испарения.

На рисунке 2 представлен массоперенос отдельных атомов с помощью зонда.

Рисунок 2 - Массоперенос отдельного атома

На подложке из газовой среды адсорбируются необходимые атомы. При поднесении зонда к этому атому его траектория искажается, благодаря чему легко получить информацию о топологии поверхности. Если приблизить острие к адсорбированному атому, то зонд за счет ванн-дер-ваальсовских сил может захватить атом. Данный атом можно оставить в любой точке поверхности, изменив приложенное к острию напряжение.

.6 Электрохимический массоперенос

Электрохимический массоперенос представляет собой технологический процесс электроосаждения атомных слоев металла на подложку с помощью электрохимического туннельного микроскопа. Его особенностью является то, что зонд и подложка погружены в электролит. С помощью петли обратной связи зонд удерживается на расстоянии до микрометра за счет сохранения постоянства тока Фарадея в электролите.

Масса осажденного металла определяется из первого закона Фарадея по формуле (7).

,

где - масса осажденного металла;

- токовая эффективность массопереноса;

- ток в цепи, А;

- кратность ионизация иона.

.7 Массоперенос из газовой среды

Массоперенос из газовой фазы представляет собой технологический процесс формирования пленок из газовой фазы металлоорганических соединений с помощью сканирующего туннельного микроскопа. В основе этой технологии лежат процессы разложения газообразных металлсодержащих соединений в зазоре между зондом и подложкой (в процессе неупругого рассеяния электронов, эмитированных острием) и последующее локальное формирование металлических пленок.

.8 Локальное анодное окисление

Локальное анодное окисление представляет собой технологический процесс трансформации проводящих подложек путем их окисления в диэлектрические структуры с одновременной визуализацией и контролем формирующихся структур.

Схема процесса представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема процесса локального анодного окисления: 1 - проводящее покрытие кантилевера; 2 - слой адсорбата; 3 - анодный оксид; 4 - собственный оксид материала; 5 - окисляемая пленка

В обычных атмосферных условиях поверхности покрыты пленкой из нескольких монослоев адсорбата. В процессе стимулирования током зонда атомного силового микроскопа под зондом образуется мениск. Под острием формируется наноячейка, в которой происходит окисление поверхности подложки. Толщина образующегося оксида зависит от приложенного потенциала и длительности процесса.

.9 СТМ-литография

В СТМ-литографии отсутствуют присущие электронно-лучевой литографии недостатки, ограничивающие разрешающую способность, как то абберация линз и другие недостатки оптики.

В то же время в СТМ более выражены эффекты пространственного заряда. Электронная плотность электронов вблизи острия СТМ превышает значение для ЭЛУ более чем в раз. Соответственно увеличивается расходимость электронного пучка вследствие взаимодействия электронов друг с другом.

1.10 Совместное использование лазера и СТМ в нанолитографии

СТМ как литографический прибор имеет некоторые недостатки. Чтобы сообщить туннелирующим электронам энергию, достаточную для модификации молекул резиста, необходимо прикладывать высокое ускоряющее напряжение и поддерживать ток выше некоторого критического значения. Это может привести к нежелательным эффектам, например, разогреву резиста и острия иглы, накоплению заряда в резисте и т.д.

При совместном использовании прецизионного, но маломощного СТМ и мощного лазера с широким пучком на лазер возлагается функция возбуждения молекул резиста, которые затем могут быть легко разрушены под действием туннельного тока.

2. Методы исследования химического состава поверхности

.1 Масс-спектроскопия

Масс-спектрометр является физическим прибором, служащим для разделения ионизированных частиц (атомов, молекул, кластеров) по их массам и зарядам путем воздействия электрическим и магнитным полями. При анализе определяется масса отдельных ионов и относительное их содержание, или спектр масс.

При масс-спректроскопии исследуемое вещество вводится за пределами вакуумной системы, затем в вакуумной системе оно ионизируется и формируется в пучок. Далее в масс-анализаторе происходит сепарация ионов из ионного пучка по величине и фокусировка ионов в небольшом телесном угле. Приемник ионов измеряет ионный ток и преобразует в электрический сигнал, далее этот сигнал усиливается и регистрируется с одновременной фиксацией как ионного тока, так и информации о массе ионов.

Различают статический и динамический типы масс-анализаторов.

Рисунок 4 - Схема статического масс-спектрометра с однородным магнитным полем: - ионный источник; - приемная щель; - область однородного магнитного поля, перпендикулярного к плоскости рисунка; - радиус центральной траектории ионов

В масс-анализаторе динамического типа для разделения ионов используется принцип контроля времени пролета одного расстояния атомами различной массы.

В радиочастотном масс-анализаторе используется принцип синхронизации прохождения сеточных каскадов для ионов определенной массы. Ионы других масс в этих каскадах либо тормозятся полем, либо не получают максимального ускорения, необходимого для прохождения сеток и попадания на коллектор. Радиочастотный масс-анализатор схематически изображен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема радиочастотного масс-анализатора: 1, 2, 3 - сетки; - расстояние между сетками

Масса ионов, попадающих на коллектор определяется соотношением (8).

,

где - постоянная прибора;

- разгоняющий потенциал, В;

- расстояние между сетками, м;

- частота поля, Гц.

В квадрупольном масс-анализаторе также используется высокочастотное поле для сепарации ионов. На рисунке 6 изображена схема такого анализатора.

Рисунок 6 - Схема квадрупольного масс-анализатора: 1 - ввод пучка ионов; 2 - выходное отверстие; 3 - траектория электронов

Данный анализатор состоит из квадрупольного конденсатора, на две обкладки которого подается постоянное напряжение, а на две другие - ВЧ-напряжение.

На коллектор в данном случае попадают только те ионы, масса которых удовлетворяют условию (9), ионы других масс колеблются в поле и амплитуда их колебаний становится такой, что они достигают обкладок квадрупольного конденсатора и нейтрализуются.

Существуют также магниторезонансный, ионно-циклотронный резонансный масс-анализаторы.

.2 Оже-электронная спектроскопия

Оже-спектроскопия является электронной спектроскопией, в основе которой лежат измерения энергий и интенсивностей токов оже-электронов, эмитированных атомами, молекулами и твердыми телами в результате оже-эффекта.

Пусть при взаимодействии атома с электроном ионизируется энергетический уровень из уровней , , , заполненных частично или полностью. В результате взаимодействия на уровне K образуется вакансия. Данное состояние для атома энергетически невыгодно, поэтому уровень может быть заполнен переходом электрона с более высокого уровня , при этом выделяется квант энергии, который может быть передан электрону на уровне . Если данной энергии достаточно для ионизации уровня, то будет испущен электрон. Данный электрон называется оже-электрон. Энергия оже-электрона зависит только от энергетического уровня, занимаемого ранее. Таким образом, по энергии оже-электрона можно определить его принадлежность определенному веществу.

Метод оже-спректроскопии, как правило, совмещают со сканирующим электронным микроскопом. В таком методе возможна визуализация участка поверхности одновременно с анализом ее состава.

.3 Ионная масс-спектроскопия

Метод ионной масс-спектроскопии основан на бомбардировке поверхности пучком первичных ионов с последующим анализом выбитых ионов.

Различают несколько методик ионной масс-спектроскопии. Одной из методик, например, спектроскопия обратного резерфордовского рассеяния. В результате ионной бомбардировки выбиваются атомы и молекулы, находящиеся либо в возбужденном состоянии, либо в виде отрицательных или положительных ионов. При этом энергия бомбардирующих ионов находится в пределах 1 кэВ. Анализ вторичных ионов проводится в энергоанализаторе путем измерения .

Масс-спектроскопия вторично отраженных ионов позволяет распознать компонентный состав мишени, толщину слоев мишени.

Методика вторично-ионной масс-спектроскопии предполагает бомбардировку поверхности пучком тяжелых ионов с энергиями несколько кэВ. При этом из поверхности выбиваются либо атомы и молекулы в виде нейтральных частиц, находящихся в возбужденном состоянии, либо ионы. Данным методом можно определить концентрации присутствующих на исследуемой поверхности элементов.

.4 Фотоэлектронная спектроскопия

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия представляет собой метод исследования химического состава поверхности, основанный на анализе энергии электронов, вылетающих под действием рентгеновских фотонов.

Падающий электрон с энергией , где - частота колебаний, ионизирует соответствующую электронную оболочку исследуемого вещества. После в энергоанализаторе определяется кинетическая энергия эмитированного электрона, с помощью которой можно определить энергию связи и соответственно состав мишени.

Методы фотоэлектронной спектроскопии целесообразно использовать для определения типов наночастиц на поверхности твердого тела. Для этого нужно сравнить экспериментально наблюдаемые линии с рассчитанными энергиями связи уровней.

К методу рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) примыкает метод ультрафиолетовой электронной спектроскопии (УФЭС). В этом методе используются более низкие значения энергии фотонов для возбуждения электронов твердого тела. Метод УФЭС применяют для изучения зонной структуры поверхности.

2.5 Радиоспектроскопия

Радиоспектроскопия представляет собой метод исследования резонансных спектров поглощения различных веществ в диапазоне радиоволн с целью получения информации о внутренней структуре твердых, жидких и газообразных тел, а также качественного и количественного химического анализа, определения структуры примесей и дефектов.

В методе радиоспектроскопии для получения спектров исследуемое вещество помещают в объемный резонатор и подвергают воздействию соответствующей компоненты электромагнитного поля.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) - метод радиоскопического исследования парамагнитного вещества, парамагнетизм которого обусловлен спинами электронов, на основе явления резонансного поглощения излучения радиочастотного диапазона ( Гц). Источником возникновения магнитного момента служит неспаренный спин или отличный от нуля суммарный спин электронов. В постоянном магнитном поле возникает система магнитных подуровней, между которыми возможны переходы с известными интервалами энергий. При выполнении условия (10) для одного электрона наступает резонанс.

,

где - фактор спектроскопического расщепления;

- магнетон Бора, ;

- магнитное постоянное поле, Э.

С помощью методики ЭПР возможно наблюдение сверхтонкого расщепление спектра за счет взаимодействия спина электрона со спином ядра. ЭПР используется для изучения поверхности твердых тел, фазовых переходов, неупорядоченных систем, структурных дефектов, межслойных образований, процессов рекомбинации.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - метод радиоскопического исследования вещества при резонансном поглощении электромагнитной энергии, обусловленном ядерным парамагнетизмом.

ЯМР наблюдается в сильном магнитном поле при одновременном воздействии на образец слабого перпендикулярного радиочастотного магнитного поля . При взаимодействии постоянного магнитного поля с магнитным моментом ядра возникает прецессия ядра с резонансной частотой. Резонанс обнаруживается поглощением электромагнитной энергии и возникновением ЭДС в катушке, окружающей образец.

Методы ЯМР используются для изучения структуры и состава химических соединений, при исследовании динамики и механизмов химических реакций.

Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) - метод радиоскопического исследования вещества при резонансном поглощении электромагнитной энергии атомными ядрами, уровни которых расщеплены вследствие взаимодействия электрического квадрупольного момента ядра с градиентами электрического поля внутри кристалла.

3. Исследования физической структуры поверхности

.1 Рентгеноструктурный анализ

Рентгеновский структурный анализ представляет собой метод исследования атомного строения вещества по распределению в пространстве интенсивности рассеянного исследуемым образцом рентгеновского излучения.

В основе рентгеноструктурного анализа лежит явление дифракции рентгеновских лучей на трехмерной структуре кристалла. Рассеяние излучения происходит вдоль определенных направлений, определяемых соотношением Вульфа-Брэгга.

В соответствии с теорией, развитой М. Лауэ и У. Брэггом, атомы в узлах кристаллической решетки представляют собой диагональные гармонические осцилляторы, колеблющиеся под действием рентгеновского пучка и когерентно переизлучающие волну рентгеновского излучения. Вторичные волны интерферируют, усиливая интенсивность излучения в одних направлениях и гася его в других. Полученная картина зависит от рассеивающей способности атомов, которая определяется электронной плотностью и пропорциональна атомному номеру элемента.

Существуют разные методы рентгеновского структурного анализа.

Метод Лауэ. На монокристалл падает пучок рентгеновского излучения, отражается от различных кристаллографических плоскостей и регистрируется в детекторе. Анализ лауэграммы позволяет найти расположение различных кристаллографических плоскостей в пространстве и определить положение основных кристаллографических направлений, или осей, элементарной ячейки. Одновременно по лауэграмме судят о степени совершенства кристалла и его дефектах.

Рентгеногониометрические методы. Гониометр - прибор для измерения двугранных углов. Данный прибор позволяет ориентировать образец так, чтобы выполнялись уравнения Лауэ последовательно для всего семейства кристаллографических плоскостей образца. После чего можно определить положение монокристаллов в пространстве и измерить интегральные интенсивности всех дифракционных изображений на заданной длине волны .

Метод Дебая-Шеррера. Данный метод исследования поликристаллов основан на использовании дифракции монохроматического рентгеновского излучения.

Пучок монохроматического рентгеновского излучения падает на поликристаллический образец. Дифрагированное излучение распространяется вдоль образующих соосных конусов, вершины которых локализованы на образце, и регистрируется на рентгеновской пленке.

Измеряя угол Брэгга, заключенный между отражающей плоскостью и дифрагирующим пучком, можно вычислить межплоскостные расстояния в кристаллографической решетке образца. По ширине размытия полос на дебаеграмме можно определить размеры монокристаллических областей в поликристаллическом образце.

Исследования по методу Дебая-Шеррера позволяют изучать фазовый состав наноструктурированных материалов, а также структурные изменения под влиянием старения, термической или механической обработки, кинетику рекристаллизации и т.д.

.2 Анализ поверхности электронным пучком

Методы анализа поверхности, использующие электронные пучки, делятся на методы дифракции медленных электронов (ДМЭ) и отраженных быстрых электронов (ДОБЭ).

Длина волны де Бройля для электронов определяется выражением (11).

,

где - длина волны де Бройля;

- постоянная разность потенциалов.

Под медленными электронами понимают электроны, энергии которых лежат в пределах сотой эВ, а значение того же порядка, что и у рентгеновского излучения. Электроны с энергией в десятки кэВ соответствуют длине волны γ-излучения и называются быстрыми.

В отличие от рентгеновских лучей, которые рассеиваются на электронной плотности атомов, рассеивание электронов определяется их взаимодействием с электрическими полями атомов, которые создаются положительно заряженными ядрами и электронными оболочками атомов. Таким образом, рассеивание электронов зависит от атомного строения вещества.

Метод ДОБЭ основан на исследовании дифракции пучка быстрых электронов, падающих под скользящим углом на поверхность.

Метод ДМЭ основан на дифракции электронов до сотен эВ и предназначен для исследования структуры поверхностных слоев монокристаллов.

Пучок электронов направляется в мишень и дифрагирует на поверхности кристалла. Электронные лучи, рассеянные обратно, движутся в пространстве между кристаллом и сеткой. Далее электроны проходят через сетки, на которые подаются электрические потенциалы. Сетки способны задержать неупруго рассеянные на образце электроны и ускорить упруго рассеянные электроны, направив в экран.

Схема установки для исследования методов ДМЭ представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Установка для исследования структуры на поверхности методом ДМЭ: , , - сетки

.3 Полевая эмиссионная микроскопия

Принцип полевой электронной микроскопии состоит в том, что если на пути электронного пучка, полученного путем автоэлектронной эмиссии с тонкого металлического острия катода, поставить на макроскопическом расстоянии флуоресцентный экран - анод, то на нем электронные лучи сформируют проекцию вершины острия.

Прибор, с помощью которого можно реализовать принцип полевой микроскопии, называется электронным проектором или автоэлектронным микроскопом.

Катод из металла формируется в виде острия и помещается в центре вакуумной сферической колбы, дно которой покрыто слоем люминофора. Анод представляет собой проводящее покрытие на стенках и дне колбы. Когда на анод подается положительное напряжение, на кончике катоде возникает напряженность электрического поля такая, что возникает автоэмиссия электронов. Эмитированные электроны движутся по радиальным траекториям и формируют на экране-аноде контрастное изображение поверхности катода.

Конструкция автоионного микроскопа повторяет конструкцию автоэлектронного. На острие подается положительный потенциал, в вакуумную систему напускается инертный газ, который ионизируется в сильном электрическом поле у поверхности острия. Электроны стремятся к острию, а возникшие положительные ионы ускоряются под действием радиального электрического поля. Над ступеньками кристаллографической решетки или отдельными атомами электрическое поле неоднородно, там увеличивается вероятность ионизации. На экране эти участки отображаются в виде ярких точек.

Электронные и ионные проекторы применяются для определения работы выхода с разных границ монокристалла, наблюдения фазовых превращений, изучения адсорбции и поверхностной диффузии атомов.

.4 Сканирующая туннельная микроскопия

Сканирующий туннельный микроскоп представляет собой прибор для изучения поверхности твердых тел, основанный на сканировании острием, находящимся под потенциалом, поверхности образца на расстоянии до 10 Å и одновременном измерении туннельного тока между острием и образцом.

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) заключается в измерении электронного тока за счет квантово-механического туннелирования электронов. С этой целью используется проводящий зонд, который подводится к исследуемой поверхности на расстояние возникновения туннельного тока.

При приложении напряжения на промежутке острие-образец возникает туннельный ток, который поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи. Одновременно в системе обратной связи формируется разностный сигнал, который усиливается и подается на исполнительный элемент. На основе полученного сигнала исполнительный элемент приближает или отодвигает острие от поверхности, нивелируя разностный сигнал.

Острие движется над образцом вдоль, например, оси х. Величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Так получается строчная развертка.

Затем острие возвращается в исходную точку, переходит на следующую строку по координате у, и процесс сканирования повторяется до заполнения кадра строками. В этом случае говорят о кадровой развертке.

Записанный при строчном и кадровом сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, а изображение строится с помощью средств компьютерной графики.

Существуют два режима формирования изображений поверхности: в режиме постоянного туннельного тока и в режиме постоянного среднего расстояния.

В режиме постоянного туннельного тока острие перемещается вдоль поверхности, при этом изменение напряжения на электроде записывается в память в виде функции. Данная функция с большой точностью повторяет рельеф поверхности.

В режиме постоянного среднего расстояния удобнее исследовать гладкие поверхности. Изображение поверхности можно получить путем измерения туннельного тока в процессе сканирования поверхности и его компьютерной обработки.

.5 Атомно-силовая микроскопия

Атомно-силовой микроскоп представляет собой прибор для изучения поверхности твердых тел, основанный на сканировании острием поверхности и одновременном измерении атомно-силового взаимодействия между острием и образцом.

В основе работы атомно-силового микроскопа лежит атомно-силовое взаимодействие между зондом и поверхностью. Это взаимодействие имеет сложный характер и определяется силами Ван-дер-Ваальса.

В соответствии с распределением потенциала, зонд испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание от образца на малых расстояниях.

Технической задачей является регистрация малых изгибов зонда. В технике атомно-силовой микроскопии зондом служит кантилевер в виде балки с острием на конце. Регистрация малых изгибов консоли кантилевера осуществляется оптическим методом. С этой целью на кантилевер направляется луч полупроводникового лазера, который отражается и попадает на четырехсекционный полупроводниковый диод. Фотодиод калибруется так, что задаются исходные значения фототока, при деформации консоли в секциях фотодиода регистрируется другие значения токов. Величину и направление деформации кантилевера будут характеризовать разности токов.

В методе контактной атомно-силовой микроскопии острие зонда непосредственно соприкасается с поверхностью. В этом случае силы притяжения и отталкивания, действующие от образца, компенсируются силой упругости консоли.

Эта методика может быть использована для исследования поверхности с малой механической жесткостью. К ним относятся органические материалы, биологические объекты при условии учета последствий контактного взаимодействия.

В колебательном методе атомно-силовой микроскопии используются колебательные методики, которые позволяют уменьшить последствия механического взаимодействия зонда с исследуемой поверхностью. В бесконтактном режиме кантилевер возбуждают так, что бы он совершал вынужденные колебания с амплитудой приблизительно 1 нм. При приближении кантилевера к поверхности на него действуют ван-дер-ваальсовские силы, которые приводят к сдвигу амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик системы. Это обстоятельство используется для получения фазового контраста в исследованиях поверхности методом атомно-силовой микроскопии.

В основе методе микроскопии электростатических сил (МЭС) лежит принцип электростатического взаимодействия между кантилевером и образцом.

Кантилевер находится на некотором расстоянии над поверхностью, между ними прикладывается напряжение, при этом появляются силы электростатического притяжения между образцом и зондом, под действием которых кантилевер колеблется и изменяется сигнал.

Различают емкостную микроскопию и Кельвин-микроскопию. Режим емкостной микроскопии применяется для изучения емкостных свойств поверхности образцов, в частности, можно регистрировать распределение легирующей электроактивной примеси в полупроводнике. Кельвин-микроскопия предназначена для исследования поверхностей материалов, имеющих области с различными поверхностными потенциалами.

.6 Электронная микроскопия

Электронная микроскопия - это совокупность методов исследования наноразмерных структур с помощью электронных микроскопов.

Электронный микроскоп представляет собой электронный прибор для наблюдения и исследования многократно увеличенного изображения объекта, в котором используются пучки электронов.

Метод электронной микроскопии позволяет исследовать микроструктуру объектов, их локальный состав, а также локализацию электрических и магнитных микрополей на поверхностях или в микрообъемах.

Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) являются универсальными приборами многоцелевого назначения, использующие волновые свойства движущихся электронов.

Исследуемый образец устанавливается на нанопозиционере, имеющем три степени свободы. Электронный пучок формируется электронной пушкой и конденсорными линзами с апертурой и фокусируется на образце. Далее с помощью электромагнитной линзы объектива и линзы проектора электронное изображение фокусируется на люминесцентный экран. Электроны возбуждают экран и формируют увеличенное изображение исследуемого объекта.

Растровые электронные микроскопы (РЭМ) основываются на исследовании излучений, возникающих при взаимодействии электронного зонда с исследуемым объектом.

В процессе взаимодействия пучка электронов с веществом объекта возникают различные виды излучений, которые регистрируются, преобразуются в электрические сигналы, усиливаются и подаются на модулятор электронно-лучевой трубки или дисплей другого типа. Развертка пучка дисплея синхронизируется с разверткой электронного зонда. В результате на дисплее формируется увеличенное изображение объекта, а также локальное распределение химического состава, наличие р-n-переходов.

Растровые оже-электронные микроскопы (РОЭМ) позволяют исследовать свойства оже-электронов и выявить распределение химических элементов в поверхностном слое объекта.

Разработаны просвечивающие растровые электронные микроскопы (ПРЭМ), которые позволяют исследовать непосредственно более толстые образцы, чем в ПЭМ.

.7 Эллипсометрия

Эллипсометрия представляет собой метод неразрушающего контроля и измерения параметров поверхности вещества по поляризационным характеристикам отраженного и проходящего излучения.

В основе метода эллипсометрии лежат измерения характеристик полностью поляризованной световой волны при отражении ее от исследуемой поверхности. Для такой волны имеет место постоянство амплитуды, разности фаз, а сами компоненты электрического вектора световой волны изменяются во времени по гармоническому закону. Наиболее информативным является случай эллиптически поляризованной световой волны.

В процессе измерений поляризованный свет направляют на исследуемую поверхность. Отраженный свет будет нести информацию о состоянии поверхности. Анализ отраженного света производится с помощью системы оптических и фотоэлементов.

С помощью уравнений эллипсометрии можно определить два любых неизвестных параметра исследуемой системы.

Методы исследования поверхности можно разделить на 2 группы: нулевые и ненулевые методы.

Нулевые методы основаны на установлении взаимосвязи между поляризационными углами и теми положениями элементов эллипсометров, которым отвечает минимум интенсивности, или гашение светового пучка на выходе.

Методы отражательной эллипсометрии применяются для исследования поверхностей веществ с большим поглощением. Это прежде всего, металлы и полупроводники. Особое значение эллипсометрические методы приобретают при исследовании эпитаксиальных слоев, слоев окислов, адсорбированных и адгезионных слоев.

4. Нанотранзисторы

.1 Теоретические и технологические проблемы скейлинга

Под скейлингом понимается определение масштабных множителей, с помощью которых параметры прибора, будучи уменьшены в раз, выражаются через соответствующие параметры исходного прибора.

Уменьшение геометрических параметров МДП-транзисторной структуры способствует улучшению электрических параметров и позволяет увеличить степень интеграции. Для линий межсоединений скейлинг параметров токоведущих дорожек приводит к резкому ухудшению токопереноса и последующей их деградации.

С уменьшением геометрических параметров линий межсоединений возрастают сопротивление и плотность тока, что приводит к электромиграции, джоулеву разогреву линий межсоединений. С ним связано перемещение атомов в граничных областях межсоединений, обусловленное градиентом электрохимического потенциала и перепадом температур. Поток атомов через проводник на границах зерен и дислокациях испытывает завихрение, поэтому и изменяется геометрия проводника. В узких местах токоведущих дорожек происходит уменьшение площади их поперечного сечения, а в более широких - увеличение. Соответственно в узких местах плотность тока еще более возрастает.

Масштабный коэффициент для времени составляет . Время работы линий межсоединений резко уменьшается с ростом одного из проанализированных параметров.

С увеличением частоты сигналов линии межсоединений становятся волноводными линиями, которые можно охарактеризовать активными потерями. Начиная с частот Гц задержка сигнала становится сравнимой с временем переключения транзисторов.

Все эти проблемы являются составляющими одной глобальной проблемы, называемой "тиранией межсоединений". С переходом на транзисторные структуры с квантовыми эффектами обычные металлические токоведущие дорожки теряют свое предназначение.

Токоперенос является характерным для проводной наноэлектроники, для которой сейчас должны быть разработаны квантовые провода. В данном случае длина провода является во много раз большей, чем его поперечный размер. Принято считать, что при квазиклассическом приближении электроны движутся по баллистическим траекториям. Для баллистического транспорта электронов в квазиодномерном канале предельная длина провода должна быть меньше длины когерентности электронов в канале.

Качество поверхности квантовых проводов является очень важным для транспорта электронов. Важным также является также плавность перехода от макроэлектрода к каналу транспорта электронов. Включение внешнего электрического поля в квазиодномерном канале вызывает ток баллистических электронов, т.е. электронов, распространяющиеся без рассеяния.

Для таких проводников не работает закон Ома. Проводники в этом случае следует считать двухэлектродными элементами с квантовыми проводами.

.2 КНИ-транзисторы

КНИ-транзисторы (кремний на изоляторе) имеют полностью или частично обедненное носителями основание. Вследствие обеднения подложки зарядами электрическое поле в инверсионном слое прибора существенно меньше, чем в обычных приборах с сильнолегированной областью канала.

На рисунке 8 изображены структуры КНИ-транзистора и TeraHertz-транзистора, созданного фирмой Intel.

Рисунок 8 - Структура КНИ-транзистора (а) и TeraHertz-транзистора (б)

Для TeraHertz-транзисторов характерна низкая емкость перехода, высокая стойкость к облучению, высокое быстродействие и низкая потребляемая мощность. Приподнятые области истока/стока обеспечивают снижение паразитного сопротивления. Формирование же слоя оксида под всей структурой транзистора позволяет снизить токи утечки на два-четыре порядка.

.3 Транзисторы с двойным затвором

В таких транзисторах удалось увеличить ток транзистора. FinFET-транзистор с двойным затвором представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 - Структура FinFET-транзистора

Затвор формирует два самосовмещающихся канала, расположенных с двух сторон кремниевого тела. Передняя выступающая часть тела представляет собой исток, задняя - сток. Каналы индуцируются напряжением на затворах вдоль обеих сторон пластины.

Ток в транзисторе протекает в плоскости, параллельной плоскости тела. Активная ширина прибора равна высоте тела - высоте плавника. Это тело можно увеличивать путем параллельного включения многих столбиков, формирующих исток и сток. Таким образом, формируется активная область транзистора.

Чтобы обеспечить условия полного обеднения подложки носителями, необходимо подобрать соответствующее соотношение ширины и высоты тела транзистора - кремниевой вставки. Оптимальным считается равенство ширины и высоты тела-вставки и длины затвора транзистора .

Рисунок 10 - Структура Tri-Gate транзистора

.4 Гетеротранзисторы

Гетеротранзистор представляет собой транзистор, содержащий один или несколько гетеропереходов.

Зонные диаграммы гетеропереходов имеют разрывы зон, которые можно использовать для ограничения движения носителей заряда в направлении, перпендикулярном плоскости гетероперехода. В гетеропереходах носители заряда ведут себя по-разному в зависимости от направления движения, поэтому в направлении, перпендикулярном слою, энергетический спектр носителей заряда имеет дискретный характер, и имеет место размерное квантование. В двух других направлениях спектр носит непрерывный характер, и сохраняется зонная структура.

Технология полупроводниковых гетероструктур позволяет создавать системы с пониженной размерностью. Если движение носителей заряда ограничено в одном направлении, то формируется квантовая яма, в которой образуется двумерный электронный газ. Если ограничение движения носителей происходит в двух направлениях, то формируется квантовая нить. Нуль-мерная квантовая точка формируется в случае ограничения движения носителей по трем направлениям.

На рисунке 11 представлена конструкция полевого гетеротранзистора на основе AlGaAs-GaAs.

Рисунок 11 - Схема полевого гетеротранзистора: 1 - варизонный слой; 2, 4 - нелегированный слой; 3 - слой n-; 5 - область ионного легирования n-типа; 6 - 2D-электроны с высокой подвижностью

.5 Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (Field-Effect Transistor), или FET-транзисторы, характеризуются максимальной удельной крутизной ВАХ и предельной частотой.

На рисунке 12 изображен n-канальный полевой транзистор с затвором Шоттки на арсенид-галиевой структуре (MESFET).

Рисунок 12 - Структура MESFET-транзистора: 1 - контактный n+-слой; 2 - барьерный n-слой; 3 - n+-δ-слой GaAs; 4 - буферный ; 5 - изоляция; 6 - активный слой

Пороговое напряжение такого транзистора зависит от степени легирования, толщины канала, а также расстояния от затвора до канала и лежит в пределах от -4 В до +0,2 В.

К недостаткам MESFET-транзистора следует отнести трудности создания р-канальных транзисторов для формирования комплементарных структур.

.6 HEMT-транзисторы

Гетероструктурные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов или НЕМТ-транзисторы (High Electron Mobility Transistor) имеют большую крутизну ВАХ и большую предельную частоту. В основе работы НЕМТ-транзисторов лежит идея использования "квантового колодца" в качестве канала. В нем формируется двумерный электронный газ (ДЭГ). За счет потери одной степени свободы подвижность носителей увеличивается примерно вдвое, возрастает и эффективная концентрация носителей.

Гетеропереход формируется из широкозонного полупроводника и более узкозонного. На их границе происходит разрыв энергетического уровня. В качестве подзатворного диэлектрика используется широкозонный полупроводник, который вследствие искривления энергетических зон становится обедненным электронами. Канал представляет собой потенциальную яму, образованную в узкозонном проводнике на границе с более широкозонным.

Конструкция HEMT-транзистора представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 - Структура HEMT-транзистора

Разработаны n-канальные и р-канальные НЕМТ-транзисторы, для которых создается потенциальная яма для дырок в узкозонном слое.

.7 MODFET-транзисторы

Данные транзисторные структуры создаются на основе Si-SiGe. Рассогласование постоянных решетки составляет 4,2%, что вызывает механические напряжения в тонком слое гетероструктуры.

Структура типа Si-SiGe получается путем осаждения кремния на подложку SiGe. При этом формируется слой напряженного кремния. В таком кремнии скорость дрейфа носителей на 70% выше, чем в обычном кремнии. Это позволяет увеличить быстродействие транзисторов приблизительно на 40%.

.8 Резонансно-туннельные транзисторы

Когда электроны заключены в области пространства, размеры которого сравнимы с длиной волны электрона и ограниченные потенциальными барьерами, появляются эффекты размерного квантования и резонанса. Резонанс наступает при определенных условиях размерного квантования, в этом случае электронные волны отражаются от стенок квантовой потенциальной ямы.

Если энергетические уровни электронов по обе стороны барьеров совпадают по энергии, то речь идет о резонансе электронных волн. В этом случае наблюдается резкое возрастание туннельного тока.

В интервале напряжений от резонансного до долинного наблюдается уменьшение тока при увеличении напряжения, т.к. средняя энергия электронов в материале n-типа смещается и совпадает с одним из квантовых уровней в потенциальной яме. При изменении напряжения некоторые энергетические состояния, занятые электронами в легированном арсениде галлия, оказываются между квантовыми уровнями в яме. При резонансном напряжении электроны туннелируют через энергетический барьер в квантовую яму.

При долинном напряжении туннелирования не происходит потому, что в потенциальной яме нет совпадающих по энергии уровней.

На основе эффекта резонансного туннелирования созданы туннельно-резонансные структуры (ТРС), которые применяются в полупроводниковой электронике и оптоэлектронике.

.9 Гетероструктурный транзистор на квантовых точках

Транзисторы на квантовых точках представляют тип приборов на горячих электронах, весьма перспективный для СВЧ-электроники.

На рисунке 14 представлена структура модулированно-легированного транзистора с квантовыми точками.

Рисунок 14 - Структура модулированно-легированного транзистора с квантовыми точками: 1 - нелегированный слой GaAs; 2 - δ(Si)-слой; 3, 4 - InAs

Такие гетероструктуры растят по модели Странски-Крастанова, согласно которой эпитаксиальный слой формируется на подложке с другими параметрами решетки. Квантовые точки возникают в слое, если его толщина превышает некоторое критическое значение.

Подвижность и концентрация электронов в двумерном газе уменьшаются из-за наличия квантовых точек. Это означает, что квантовыми точками захватывается меньшее число электронов.

Транспорт электронов в гетероструктурах с квантовыми точками имеет две компоненты. Одна компонента формируется подвижными электронами из двумерного газа и соответствует насыщению их дрейфовой скорости, другая обусловлена электронами, локализованными в квантовых ямах. Вторая компонента дает вклад в электронный транспорт только в сильных электрических полях.

В транзисторах на квантовых точках концентрация участвующих в транспорте электронов в сильных полях не зависит от напряжения на затворе. Пороговое же напряжение, необходимое для эмиссии электронов из квантовых точек, уменьшается, когда напряжение на затворе становится отрицательным.

Если в МОП-транзисторных структурах происходит запирание транзистора при отрицательных напряжениях на затворе, то в транзисторах на квантовых точках ток стока в области малых напряжений на стоке имеет тенденцию увеличения.

.10 Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок

На рисунке 15 представлена конструкция нанотранзистора на основе углеродной нанотрубки, которая по диаметру меньше толщины человеческого волоса и представляет собой циклическую структуру, обод которой составляет порядка десятков атомов углерода.

Рисунок 15 - Схема нанотранзистора на углеродной нанотрубке

Транзисторы на нанотрубках выгодно отличаются от всех вышерассмотренных типов меньшими размерами и меньшим энергопотреблением.

Транзисторы выполняются на кремниевой подложке, покрытой слоем окисла.

5. Основы одноэлектроники

.1 Эффект одноэлектронного туннелирования

Одноэлектронные устройства представляют собой перспективные наноэлектронные приборы, основанные на эффекте дискретного туннелирования отдельных электронов и обеспечивающие улътранизкие уровни потребляемой энергии при ультранизких рабочих напряжениях.

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.

Эффект дискретного одноэлектронного туннелирования состоит в том, что в переходах с малой собственной емкостью в результате туннелирования одиночного электрона изменяется напряжение на туннельном переходе на величину так, что справедливо выражение (12).

Рассмотрим туннельный переход между двумя металлическими контактами и тонким слоем диэлектрика между ними. Такая конструкция, по сути, является плоским конденсатором. Вследствие нанометровых размеров туннельных переходов электрический заряд в емкости перехода квантуется. В этом случае при определенных условиях можно блокировать процесс туннелирования электронов.

Сразу же после того, как какой-то электрон перешел сквозь изолятор незаряженного перехода, на переходе появляется напряжение, препятствующее движению следующих частиц. Этот эффект называется кулоновской блокадой.

Кулоновская блокада представляет собой явление отсутствия тока из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания при приложении напряжения к туннельному переходу.

Таким образом, очередной электрон пройдет через изолятор только тогда, когда предыдущий удалится от перехода. Это обеспечивает перескакивание электронов с проводника на проводник через определенные промежутки времени, так называемые одноэлектронные осцилляции. Частота таких перескоков определяется формулой (13).

,

где - частота одноэлектронных осцилляций, Гц.

Эффект кулоновской блокады позволяет управлять процессом туннелирования электронов. Для преодоления кулоновской блокады необходимо приложить к туннельному переходу напряжение, определяемое по формуле (14).

,

где - напряжение кулоновской блокады.

Процесс протекания тока через одиночный туннельный переход происходит в несколько стадий. На первой стадии граница между металлом и диэлектриком является электрически нейтральной. На второй стадии к металлическим обкладкам прикладывается электрический потенциал, и на границе раздела накапливается заряд. На третьей стадии происходит накопление заряда до тех пор, пока его величины не будет достаточно для преодоления туннельного перехода через диэлектрик. На четвертой стадии после акта туннелирования система возвращается в исходное состояние. При сохранении приложенного напряжения цикл повторяется снова.

Для наблюдения эффекта кулоновской блокады необходимо, чтобы выполнялось условие (15).

Для каждого одноэлектронного устройства существует своя критическая температура, выше которой оно перестает работать, так как за счет теплового движения электроны приобретают такую большую энергию, что могут прорвать кулоновскую блокаду. Эта температура обратно пропорциональна площади перехода: чем меньше его емкость, тем больше скачок напряжения, и тем выше барьер кулоновской блокады.

Эквивалентные схемы замещения туннельного перехода представлены на рисунке 16.

Рисунок 16 - Эквивалентные схемы замещения туннельного перехода

5.2 Транспорт носителей

Рассмотрим двухпереходную систему с несимметричными переходами. Для темпа туннелирования через каждый переход справедлива формула (16), из которой видно, что если значения параметров и равны для обоих переходов, то при увеличении напряжения будет происходить плавный рост тока, так как количество пришедших на кулоновский остров электронов будет равно количеству ушедших.

,

где - темп туннелирования.

Вольт-амперная характеристика двухпереходной системы имеет ступенчатый вид. Она получила название "кулоновской лестницы". Ступеньки такой ВАХ будут тем ярче выражены, чем несимметричнее переходы. Ступеньки исчезают при симметрии переходов или при равенстве констант .

В системах с несколькими переходами имеет место процесс сотуннелирования, характеризующегося сохранением энергии между начальным и конечным состоянием всего массива переходов. В то же время поведение электрона на каждом отдельном переходе не определено.

Было отмечено, что квантовые точки находятся между электродами при использовании двух или более переходов. Эти нуль-мерные объекты имеют энергетический спектр, представляющий собой набор дискретных уровней.

5.3 Кремниевые одноэлектронные транзисторы

Кремниевый одноэлектронный транзистор с двумя затворами и одиночной квантовой точкой представлен на рисунке 17.

Рисунок 17 - Конструкция кремниевого одноэлектронного транзистора

Затвор данного транзистора состоит из двух частей, которые электрически связаны. При подаче на нижний затвор положительного напряжения в подложке p-типа формируется инверсионный n-канал. При подаче на верхний П-образный затвор отрицательного напряжения канал разрывается областями обеднения, возникают потенциальные барьеры и формируется квантовая точка. Если верхний затвор выполнить в Ш-образном виде, то в окнах между пластинами возникнут две квантовые точки.

На рисунке 18 представлена другая конструкция одноэлектронного транзистора, изготовленного по технологии "кремний на изоляторе".

Рисунок 18 - Схема квантово-точечного транзистора с поликремниевым затвором

С помощью процесса термического подзатворного окисления удалось уменьшить размеры квантовой точки, сформированной в верхнем кремниевом слое подложки, и одновременно увеличить высоту потенциальных барьеров между квантовой точкой и контактами.

Осцилляции вольтамперной характеристики обусловлены процессом одноэлектронного туннелирования.

.4 Одноэлектронные транзисторы на основе гетероструктур

Основной идеей транзисторов на основе гетероструктур является формирование в области двумерного электронного газа (ДЭГ) квантовых точек, который можно создать в гетероструктуре типа GaAs/AlGaAs. В таких структурах осуществляется ограничение ДЭГ и формирование островков различными методами.

На рисунке 19 представлен двойной туннельный переход на основе гетероструктуры GaAs/AlGaAs, где ограничение ДЭГ и формирование квантовых точек о

Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.