КАК СЧИТАЮТ ЭЛЕКТРОНЫ?
Леонид Литвин, ИФП СО РАН.
Компьютерная техника для хранения и обработки информации
непрерывно совершенствуется. Она работает все быстрее и
перерабатывает все большие объемы информации. Ученые пытаются
усовершенствовать этот процесс и прогнозируют, что один бит
информации будет передаваться одним электроном. В Институте
физики полупроводников СО РАН ведутся исследования в этом
направлении. Первые результаты были представлены научным
сотрудником Л.Литвиным в докладе "Развитие метода SECO для
наблюдения эффекта кулоновской блокады при высоких температурах"
на научной сессии Президиума СО РАН. Результаты исследований
кратко и популярно излагаются в предлагаемой статье молодого
ученого. Остается добавить, что исследования проводились по
гранту СО РАН.
 |
|
Дмитрий Бакшеев, младший научный сотрудник и Леонид Литвин,
научный сотрудник из Института физики полупроводников ведут
исследования, получившие грант СО РАН.
|
Одноэлектронные эффекты в туннельных переходах с малыми размерами
были открыты на "кончике пера" профессором Московского
университета, заведующим лабораторией физики низких температур
К.Лихаревым в 1985 г. Его результаты получили мировое признание в
1987 г., после появления первых экспериментальных подтверждений
существования одноэлектронных эффектов. "Предтеча"
одноэлектроники -- эффект кулоновской блокады -- известен уже
более 30 лет. Для его понимания достаточно знакомства со школьным
курсом электростатики. Допустим, мы хотим пропустить
электрический ток через металлический шарик, связанный с
подводящими электродами туннельными промежутками. В реальности
роль шариков играли островковые металлические пленки (размер
островка 2--10 нм), получаемые напылением в вакууме, а роль
туннельных промежутков -- естественные окислы металлов (толщина 0,2
нм). Причем в 60-е годы образцы были большой площади, то есть
содержали множество островков в параллель. Переместить электрон
на маленький шарик под действием напряжения гораздо труднее, чем
на большой. Дело в том, что там уже есть электроны, которые были
отданы атомами, обьединившимися в твердое тело, а заряды одного и
того же знака расталкиваются. Добавочный электрон на маленьком
шарике должен существенно подвинуть своих соседей-электронов, в
то время как на большом шаре соседям достаточно лишь чуть--чуть
потесниться. В первом случае нужно больше затратить энергии, и при
этом возникнет поле вокруг шарика гораздо большей напряженности.
А это значит, что ток через шарик не потечет до тех пор, пока не
будет приложено внешнее напряжение, большее чем
электростатический потенциал шарика, заряженного одним
электроном. Это и есть кулоновская блокада тока. Шарик в таком
эксперименте именуют "кулоновским островом". Расчет показывает,
что величина потенциального барьера для прохождения электрона
через шарик есть половина заряда электрона, деленная на емкость
туннельного перехода электрод--шарик, которая тем меньше, чем
меньше размер шарика. Блокаду можно было бы снять путем индукции
на шарике заряда величиной в половину заряда электрона. Но в то
время это было трудно себе представить, ведь электрон неделим, а
сами шарики недоступны -- замурованы между двумя металлическими
электродами.
К.Лихарев был первым кто осознал, что в отличие от переноса
заряда через диэлектрик, когда электрон туннелирует дискретно и
целиком, существует непрерывный перенос заряда по проводнику. В
проводнике перенос заряда -- сложное коллективное явление, но оно
не квантуется по заряду. Отсюда следует, что на обкладке
конденсатора, а также и на конце булавочной иглы может
существовать заряд в половину заряда электрона и сколько угодно
меньший. Это привело к открытию целого семейства одноэлектронных
эффектов.
В частности, наш пример с шариком трансформировался в
одноэлектронный транзистор. Вместо шарика был взят проводник в
качестве кулоновского острова длиной в один микрон, а шириной --
в десятую микрона. После окисления поверхности, на его концы
наложили такие же проводники шириной 0,1 микрона, которые
образовали вместе с кулоновским островом два туннельных
конденсатора с площадью обкладки 0,1х0,1 квадратных микрометра и
подключили кулоновский остров к измерительной цепи. Расположенный
на расстоянии 0,2 мкм от кулоновского острова, третий электрод
был способен, при приложении к нему напряжения, монотонно и
непрерывно индуцировать на острове заряд величиной от нуля до
половины заряда электрона, тем самым снимая кулоновскую блокаду и
переводя транзистор в открытое состояние. Индукция на кулоновском
острове одного или целого числа электронов не меняет состояния
транзистора. За большие размеры кулоновского острова пришлось
"заплатить" температурой наблюдения одноэлектронных эффектов,
которая была понижена до 0,15К, чтобы не допустить теплового
размытия электростатического барьера. Описанный способ
приготовления туннельных переходов называется методом
двухуглового напыления, а величина формируемой им емкости
перехода составляет 300 аФ (ато = 10-18) при ширине линий в 0,1
мкм.
 |
|
Андрей Медведев, инженер-технолог
|
В 1995 г. появилась идея заменить плоский конденсатор в методе
двухуглового напыленя просто разрывом металлического проводника
на ступени в диэлектрике (метод SECO [Step edge cut off]). Это
должно привести к снижению емкости конденсатора и повышению
температуры работы одноэлектронных устройств. Основная трудность
нового подхода в том, что шероховатости на ступени и в разрыве
проводника (литографические шероховатости, размер зерна в
металле) не позволяют создавать туннельные зазоры меньшие или
сравнимые с размером шероховатостей. Авторы метода -- сотрудники
Аахенского института полупроводниковой электроники -- предложили
подбирать пары металл--диэлектрик с низкой высотой потенциального
барьера, что увеличивает туннельные расстояния и снижает роль
шероховатостей. Они испытали пару хром -- окись хрома с высотой
барьера 60 миллиэлектронвольт (мэВ). По их мнению,
несмачиваемость этих материалов друг с другом не позволила
получить желаемый результат. Они стали работать с титаном,
который хорошо смачивает большинство известных материалов, но в
качестве диэлектрика выбрали кремний, дабы обеспечить низкий
барьер. Кремний в качестве диэлектрика позволил прикладывать к
управляющему электроду малые напряжения -- около 1 Вольта.
Получить переключения одноэлектронного транзистора из закрытого в
открытое состояние им не удалось.
Наша группа приступила к работе по развитию метода SECO в начале
97 г. Титан нам нравился в качестве проводника, а в качестве
диэлектрика решили использовать нитрид кремния -- диэлектрик с
большой шириной запрещенной зоны 5,2 эВ, который оставлял мало
надежды на низкий потенциальный барьер. Однако нитрид кремния
имелся в виде мембран, прозрачных для пучка просвечивающего
электронного микроскопа, что давало возможность рассматривать
кулоновский остров с разрешением 10 ангстрем и это нас
обнадеживало. Первый работоспособный одноэлектронный транзистор
появился через год. Мы пришли к выводу, что титан вовсе не
обязательно разрывать ступенью. На склоне ступени слой титана
гораздо тоньше, чем на плоскости, и он окисляется уже в камере
напыления, что и формирует туннельный барьер с эффективной
высотой 3--5 мэВ. Защитный слой германия сохраняет этот барьер от
губительного воздействия атмосферного кислорода. Таким образом мы
получили низкий потенциальный барьер для электрона в паре титан
-- окись титана, а в качестве подложки -- нитрид кремния, что позволяло
прикладывать к управляющему электроду напряжение до 50 В.
Транзистор переключается из закрытого состояния в открытое при
напряжении 5 В. Оказалось, что емкость туннельного перехода,
полученного методом SECO, составляет около 10 аФ при ширине линий
0,15 мкм. В пересчете на одинаковую ширину линии, это в 50 раз
меньше, чем дает метод двухуглового напыления, и температура
работы одноэлектронного транзистора возросла до 7К. Дальнейшее
повышение температуры произойдет при уменьшении литографического
размера линий.
 |
|
Леонид Литвин, научный сотрудник (слева) и Дмитрий Бакшеев, младший
научный сотрудник, в глубине -- Андрей Медведев и Александр Черков,
аспирант.
|
В конце 1997 г. работа была поддержана Сибирским отделением РАН
как коллективный молодежный проект. Это в немалой степени
способствовало успешному проведению исследований. Современный
физический эксперимент базируется на сложном техническом
оборудовании, так что один человек часто не в состоянии освоить и
выполнить работу на нескольких установках, задействованных в
эксперименте. Так, в нашей работе эксплуатацию
сверхвысоковакуумной камеры для напыления титана и германия
осуществлял инженер Андрей Медведев. Плазмо-химическое травление
нитрида кремния обеспечивал научный сотрудник К.Могильников.
Химическая обработка образцов и нанесение электронных резистов
находились в ведении инженера -- химика Н.Шалыгиной.
Электронно-микроскопические наблюдения на просвечивающем
электронном микроскопе выполнял студент, а ныне аспирант
Александр Черков. Низкотемпературные электрофизические измерения
были проведены научным сотрудником В.Колосановым. Компьютерное
моделирование экспериментальных кривых с целью извлечения
параметров одноэлектронного транзистора проводили младший научный
сотрудник Дмитрий Бакшеев и научный сотрудник В.Ткаченко, имевшие
к началу работы собственные публикации по моделированию
кулоновской блокады. Автор этих строк проводил электронную
литографию на сканирующем электронном микроскопе и отвечал за
приготовление образца.
Руководство Института физики полупроводников в лице директора
А.Асеева и его заместителя И.Неизвестного своими выступлениями
и действиями активно побуждали молодых сотрудников к занятиям
одноэлектронной тематикой.
Конкурс молодежных проектов Сибирского отделения, на мой взгляд,
безусловно, прогрессивная форма работы с молодежью. Может быть,
было бы эффективнее не допускать к участию в конкурсе
претендентов, получивших в качестве руководителей гранты и
проекты от других организаций -- РФФИ, Министерства науки,
международных фондов. Если они имеют такие гранты, то являются
уже преуспевающими учеными, хотя и молодыми. Необходимо
активизировать личностный фактор широко, но по-справедливости.
стр.
|
