Локальный сенсор электрического поля на основе транзистора с каналом-нанопроводом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Божьев Иван Вячеславович

• Божьев Иван Вячеславович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Божьев Иван Вячеславович

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Зондовые методики детектирования электрического поля

1.2 Методы формирования транзисторов с каналом-нанопроводом

1.3 Теоретические оценки чувствительности локального полевого

зонда на основе кремниевого нанопровода

Глава 2. Изготовление локального полевого зонда

2.1 Изготовление нанопровода из неравномерно легированного КНИ

2.2 Нанопровода с металлическими контактами без дополнительного легирования КНИ

2.3 Проблемы, возникающие при проведении литографии на углу чипа

2.4 Метод контролируемого разлома кристалла

2.5 Усовершенствование метода контролируемого разлома кристалла

2.6 Крепление чипа к камертону

2.7 Изготовление тестовых структур для отработки методики сканирования

2.8 Выводы к главе

Глава 3. Изучение транспортных и шумовых характеристик

транзисторов. Исследование поверхностей разработанным

зондом

3.1 Система для измерений электрических характеристик транзисторов

3.2 Измерение семейства транспортных и шумовых характеристик нанотранзисторов. Определение рабочих областей параметров транзисторов с максимальной чувствительностью

3.3 Сканирование поверхности разработанным зондом

3.4 Особенности сканирования

3.5 Пространственное и полевое разрешение

3.6 Синхронное детектирование

3.7 Метод зарегистрации сигнала от источников электрического

поля, скрытых в толще диэлектрика

3.8 Выводы к главе

Заключение

Публикации автора по теме диссертации

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Локальный сенсор электрического поля на основе транзистора с каналом-нанопроводом»

Введение

Последнее десятилетие внимание исследователей из областей микроэлектроники, физики, химии, биологии и медицины приковано к наноразмерным или наноструктурированным объектам. Для их изучения необходимы приборы, способные измерять различные характеристики таких объектов. Одной из важнейших характеристик является электрическое поле, которое может представлять как непосредственный интерес, так и давать информацию о других свойствах исследуемого объекта.

В ряде случаев для изучения наноразмерных систем требуется проведение высокочувствительного, не разрушающего анализа профиля электростатического потенциала поверхностей и отдельных объектов с нанометровым пространственным разрешением.

Решение многих задач станет возможным, если в руках исследователей появится высокочувствительный локальный (с нанометровым пространственным разрешением) полевой зонд, работающий при комнатной температуре. Например, исследование характеристик самых различных мезоскопических структур (квантовых точек, твердотельных кубитов), исследование диэлектриков на наличие зарядовых ловушек и контроль качества готовых полупроводниковых структур, а также исследование динамики наноэлектронных устройств, что важно для современной микро- и наноэлектронной промышленности. В биологии и медицине такой прибор сможет совершить научный прорыв, так как станут возможными измерения предельно низких концентраций биологических молекул и частиц, изменений рН и электрического поля внутри клеток и тканей.

Необходимой высокой полевой/зарядовой чувствительностью обладают различные продемонстрированные ранее наноэлектронные устройства: одно-электронный транзистор [1—3], полевой транзистор с каналом-нанопроводом [4], сенсор на основе двумерного электронного газа [5—7] и другие. Одним из самых перспективных устройств является полевой транзистор с каналом-нанопрово-дом, так как он обладает высокой чувствительностью в широком диапазоне температур, включая комнатную, что значительно упрощает работу с таким зондом и расширяет спектр возможных применений.

Полевые транзисторы с каналом-нанопроводом активно исследуются во всем мире последние двадцать лет [8]. На их основе изготавливают датчики температуры [9; 10], газоанализаторы [11—15], сенсоры ДНК [16] и биомаркеров различных заболеваний [17—24].

Для использования их в сканирующем зондовом микроскопе необходимо интегрировать чувствительное устройство в стандартный кантилевер или же разработать для него оригинальную конструкцию зонда. Второй вариант предпочтительнее, так как создание наноэлектронного устройства непосредственно на стандартном кантилевере является крайне трудоемкой задачей [25; 26].

Предлагаемый в данной работе подход заключается в использовании в качестве зонда небольшого кусочка кремниевого чипа, на оконечности острого угла которого располагается чувствительная структура. Сканирование проводится в атомно-силовом режиме, когда с поверхностью взаимодействует очень острый край кремниевого чипа, обеспечивая высокое пространственное разрешение.

В качестве чувствительной структуры выбран сенсор на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом, использование которого позволяет проводить измерения при комнатной температуре с сохранением достаточно высокой полевой/зарядовой чувствительности. Для измерений в сканирующем зон-довом микроскопе выбран метод камертона, который позволяет подводить зонд с сенсором к изучаемому объекту на минимальное расстояние и осуществлять сканирование поверхности с нанометровым пространственным разрешением и высокой полевой чувствительностью.

Основным объектом исследования данной работы являлся локальный полевой зонд на основе транзистора с каналом-нанопроводом для измерения распределения электрического поля на поверхности различных микро- и нанораз-мерных систем.

Основным предметом исследования данной работы являлся метод изучения распределения электрического поля на поверхности микро- и наноразмер-ных образцов с помощью локального зонда с активным чувствительным элементом — полевым транзистором с каналом-нанопроводом. Метод позволяет картировать распределение электрического поля по поверхности образца с высокой чувствительностью и нанометровым пространственным разрешением.

Методология исследования. Работа носит экспериментальный характер. Для изготовления наноразмерных полевых зондов структур использовались ме-

тоды прецизионной электронно-лучевой литографии высокого разрешения, оптической литографии, вакуумного напыления, реактивно-ионного и жидкостного травления и другие. Для измерений электрических характеристик изготовленных полевых зондов использовалась специально разработанная измерительная система. Для сканирования поверхностей исследуемых образцов использовались возможности сканирующего зондового микроскопа SmartSPM-1000 (компания Aist-NT) с дополнительной измерительной электроникой и разработанным креплением зонда. Разработана специализированная методика сканирования с одновременной регистрацией профиля поверхности и профиля распределения электрического поля на поверхности образцов.

Целью данной работы является разработка, создание и исследование характеристик сканирующего зондового устройства на основе высокочувствительного полевого сенсора - транзистора с каналом-нанопроводом, а также демонстрация его возможностей при сканировании потенциального профиля поверхностей модельных структур.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методику изготовления наноразмерных объектов и структур на расстояниях 0 — 50 нм от оконечности зонда.

2. Исследовать шумовые и транспортные характеристики изготовленных транзисторов для поиска оптимальных рабочих областей сенсоров с максимальным соотношением отклик/шум.

3. Разработать алгоритм сканирования поверхности с помощью изготовленного зондового устройства, обеспечивающий максимальную чувствительность и скорость сканирования при продолжительной работе зонда.

4. Исследовать потенциальный профиль поверхности модельных структур. Определить полевое и пространственное разрешение изготовленного зондового устройства.

5. Разработать методику измерения потенциального профиля образцов, покрытых тонкой диэлектрической пленкой.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная методика изготовления специализированных зондов для локальных и сканирующих систем позволяет формировать наноразмер-ные структуры на зонде на расстояниях 0 — 50 нм от его оконечности.

2. Разработанный метод исследования потенциального профиля поверхностей с помощью зонда с активным сенсором на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом обладает следующими характеристиками: пространственное разрешение ~ 10 нм для топографии и ~ 20 нм для потенциального профиля образца, полевое разрешение 2 — 5 мВ/\/Гц на частоте 100 Гц, время стабильной работы зонда — 40 часов.

3. Разработанный алгоритм на основе исследования шумовых и транспортных характеристик изготовленных транзисторов позволяет находить оптимальные рабочие области сенсоров с максимальным отношением отклика сенсора к уровню шумового сигнала.

4. Нанесение на диэлектрическую поверхность исследуемого образца тонкого слоя, состоящего из изолированных металлических гранул, позволяет зарегистрировать сигнал от источников электрического поля, скрытых в толще диэлектрика, за счет увеличения емкостной связи системы зонд-источник.

Научная новизна:

1. Впервые разработана оригинальная методика изготовления наноразмер-ных объектов и структур на расстояниях 0 — 50 нм от оконечности кремниевого кристалла для создания специализированных зондов для локальных и сканирующих систем и устройств.

2. Впервые разработана оригинальная методика изготовления полевых транзисторов с каналом-нанопроводом на оконечности кремниевого чипа из неравномерно-легированного кремния на изоляторе.

3. Разработан локальный полевой зонд с активным сенсором на основе транзистора с каналом-нанопроводом оригинальной конструкции.

4. Разработан оригинальный программно-аппаратный модуль для сканирующего зондового микроскопа, ориентированный на использование разработанного зондового устройства.

5. Разработан оригинальный алгоритм измерения профиля потенциала поверхности, обеспечивающий максимальную чувствительность и скорость сканирования. Пространственное разрешение метода составило величины ~ 10 нм для топографии и ~ 20 нм для потенциального профиля образца. Полевое разрешение изготовленных зондов находилось в диапазоне 2 — 5 мВ/\/Гц на частоте 100 Гц.

6. Разработана оригинальная методика регистрации распределения профиля потенциала для источников электрического поля, скрытых в толще диэлектрика, заключающаяся в нанесения тонкого слоя, состоящего из изолированных металлических гранул, который увеличивает емкостную связь системы зонд-источник.

Научная и практическая значимость Результаты диссертационной работы могут быть использованы для создания сверхчувствительных сенсоров электрического поля с высоким пространственным разрешением для сканирующих зондовых микроскопов. Применение разработанных зондов возможно в широком спектре научных и практических задач, связанных с физикой, биологией, медициной. Кроме того, разработанный метод изготовления наноструктур на оконечности кристалла может быть использован при разработках других новых зондовых методик, использующих другие чувствительные устройства, например магнитометры.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается согласием полученных экспериментальных данных с теоретическими предсказаниями, а также соответствием с экспериментальными данными, известными из литературы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов - 2014", Москва, Россия, 2014

2. XVI Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 2014

3. International Conference "Micro- and Nanoelectronics — 2014" (ICMNE-2014), Zvenigorod, Moscow Region, Russia, 2014

4. Ломоносовские чтения - 2016, Москва, Россия, 2016

5. 26-ая международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Россия, 2016

6. International Conference "Micro- and Nanoelectronics — 2016" (ICMNE-2016), Zvenigorod, Russia, 2016

7. The 43rd FEBS Congress, Prague, Czech Republic, 2018

8. 28-ая международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, Россия, 2018

9. International Conference "Micro- and Nanoelectronics — 2018" (ICMNE-2018), Zvenigorod, Russia, 2018

10. State-of-the-art Trends of Scientific Research of Artificial and Natural Nanoobjects (STRANN-2018), Москва, Россия, 2018

11. The 44th FEBS Congress, Krakow, Poland, 2019

Личный вклад. В диссертации приведены результаты, полученные непосредственно автором или при его активном участии. Соискатель принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке методов изготовления и изготовлении экспериментальных образцов, проведении экспериментов, обработке и анализе результатов, подготовке статей и докладов на конференциях.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 19 работах, в том числе 4 статьях в рецензируемых научных изданиях, удовлетворяющих Положению о присуждении учёных степеней в МГУ имени М.В. Ломоносова, 1 патенте на изобретение, 14 тезисах конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 99 страниц с 71 рисунком. Список литературы содержит 108 наименований.

Глава 1. Обзор литературы 1.1 Зондовые методики детектирования электрического поля

К настоящему времени известны десятки различных методик сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) для измерения электрических свойств твердотельных или мягких поверхностей [2; 3; 25; 27—38]. В целом их можно разделить на две большие группы: электросиловые и электростатические методы, такие как метод зонда Кельвина [27] и емкостного зонда [30] и методы, использующие активное сенсорное устройство, расположенное на оконечности зонда, например одноэлектронный транзистор [2; 3] или МОП-транзистор [39]. Электростатическая силовая микроскопия и силовая микроскопия зонда Кельвина основаны на эффекте электростатического взаимодействия между смещенным по напряжению зондом и образцом для расчета количественного значения разности электрического потенциала. Эти методы демонстрируют разрешение по потенциалу в несколько мВ при низких температурах [28]. Сканирующая емкостная микроскопия использует только электрические измерения [29; 30] и имеет тот же уровень разрешения. Также имеются работы [2; 3; 25; 31—33; 35; 39], в которых на вершине зонда СЗМ были изготовлены активные датчики: резистивный датчик [31], полевые транзисторы [25; 32—34; 40], одноэлектронные транзисторы [2; 3] и наноэлектромеханические устройства [35].

В электросиловой микроскопии для получения информации о свойствах поверхности используется электрическое взаимодействие между проводящим зондом атомно-силового микроскопа и поверхностью образца: регистрируется изменение разности потенциалов между зондом и образцом [41]. Сила емкостного взаимодействия зонд-образец приводит к сдвигу резонансной частоты колебаний кантилевера. Соответственно, амплитуда колебаний кантилевера уменьшается, и фаза его колебаний сдвигается. При этом и амплитуда и фаза колебаний могут быть измерены и использованы для отображения распределения электрического потенциала по поверхности образца.

При исследовании распределения профиля потенциала на поверхности объекта электростатическими методами пространственное разрешение и зарядо-

Оч1

10

-8

10

-

10~4J

N

QJ

a

10

-2

10°J

[8]гЛ SETs [18] , \ Л'А NWs \ ^j)

FETs[5]o / А ' [6] 1 NEMs V N \ 1

\ ■ Measured 4 ч [7] / Д V

A Instrinsic limit ~ — - '

10"2 10'1 10° 101 102 103 Temperature (K)

Рисунок 1.1 — Сравнение предельных чувствительно стей различных полевых/зарядовых сенсоров и их характерных рабочих температур [42].

вую чувствительность возможно улучшать двумя способами: использовать дорогостоящие высоковакуумные сканирующие микроскопы [43], которые позволяют избежать образование тонких пленок воды на поверхности, мешающих сканированию, или специфические зонды, например, c углеродной нанотрубкой, закреплённой на конце иглы [44—46], которые позволяют уменьшить паразитную емкость между кантилевером и образцом.

Другой подход к увеличению чувствительности при исследовании распределения электрического поля по поверхности заключается в использовании чувствительных к электрическому полю наноустройств. Для использования в зон-довой системе необходимо интегрировать такое устройство в кантилевер [26; 39; 47] или расположить его вблизи острого угла подложки [3].

На роль высокочувствительного наноразмерного сенсора могут быть выбраны различные устройства, сравнительная характеристика которых приведена в работе [42] и представлена на рис. 1.1. Важной характеристикой таких сенсоров помимо чувствительности является диапазон рабочих температур. Как

видно, самые чувствительные сенсоры - одноэлектронные транзисторы [1—3] -функционируют только при сверхнизких температурах, что сильно ограничивает область возможных практических применений таких сенсоров и усложняет работу с ними. Есть ряд работ, в которых продемонстрирована работа одно-электронных транзисторов при комнатной температуре [48—51], однако технологичного способа изготовления таких транзисторов еще не разработано, лучший результат порядка 5% годных продемонстрирован в работе [48]. Большие надежды в плане повышения рабочей температуры возлагаются на одноатомные одноэлектронные транзисторы [52—55], поскольку энергия одночастичного электронного валентного уровня легирующей примеси может быть сопоставима с кулоновской энергией системы, что при определенных комбинациях кристаллической среды и легирующего атома позволит достичь высоких рабочих температур [56; 57].

Создание наноэлектронного устройства непосредственно на кантилевере является крайне трудоемкой задачей. Например, в работе [39] описывается метод изготовления кантилевера с МОП (металл-оксид-полупроводник) транзистором, интегрированным в кантилевер на этапе изготовления (Рис. 1.2). На пластине кремния методом термического окисления выращивался слой оксида кремния и производилось легирование областей, которые в последующем формировали подводящие электроды. В этом слое так же формировалась структура маски для травления кремния в гидроксиде тетраметиламмония. Маска выравнивалась по кристаллической оси кремния таким образом, чтобы острый угол кантилевера определялся пресечением осей <110>. Затем производилось второе дополнительное легирование пластины фосфором. После этого образец помещался в щелочной травитель и, за счет анизотропности травления кремния, на кончике удалялся сильнолегированный слой, формируя полупроводниковый канал транзистора. Авторы работы прямо не указывают размеры канала полученного транзистора и величину его чувствительности, но из приведенных фотографий можно оценить его размеры порядка нескольких микрометров, что не может обеспечить высокого пространственного разрешения при исследовании электрического потенциала поверхности.

В более поздних работах того же коллектива авторов [32—34] описываются методы создания проводящей иглы на поверхности МОП- транзистора, интегрированного в кантилевер. В работе [32] авторы изготавливают МОП транзистор на

а) б)

Рисунок 1.2 — Способ изготовления (а) и схематическое изображение (б) кантилевера с интегрированным МОП транзистором[3].

^образной балке кантилевера, затем над областью затвора методом ионно-сти-мулированного осаждения формировалась платиновая игла (Рис. 1.3), которой и осуществлялось сканирование. Измерения электрических свойств поверхности в такой конфигурации кантилевера происходят за счет регистрации изменения проводимости канала транзистора. Чувствительность сравнима с пассивными электросиловыми методиками из-за больших размеров иглы и расстояния до канала транзистора.

Интересна серия работ [25; 58—61], в которой авторам удалось получить высокие значения чувствительности и пространственного разрешения при исследовании поверхностных зарядов в сегнетоэлектриках. Авторами формировался кантилевер с иглой в виде четырехугольной пирамиды, легированной таким образом, чтобы на кончике иглы осталась полупроводящая область, а боковые грани были сильно легированы мышьяком до концентрации порядка ^1020 см-3, что соответствует вырождению до проводящего состояния (Рис. 1.4). Таким образом, формировался полевой транзистор с полупроводниковым каналом, проводимость которого зависит от электрического поля вблизи него. Авторам удалось достичь пространственного разрешения в 25 нм и достаточно высокой чувствительности (эквивалент ^25 зарядов электрона). Ранее работоспособность схоже-

Рисунок 1.3 — Схема изготовления (а) и микрофотография полученной иглы

кантилевера(б) из работы [26].

го по принципу работы зонда была продемонстрирована в работе [40], однако пространственное разрешение оценивается авторами в 300 нм.

Альтернативный подход заключается в изготовлении чувствительной структуры вблизи острого угла подложки и сканировании поверхности стандартным для зондовой микроскопии методом камертона [62—68]. В методе камертона сканирование осуществляется с помощью кварцевого резонатора, к одной из ножек которого прикрепляется зонд, который может представлять собой как просто острую иглу, так и любой другой макроскопический объект с острым углом (Рис. 1.7с), в том числе и с размещенной на нем чувствительной структурой. У кварцевого резонатора есть ряд преимуществ: высокая амплитудная и фазовая чувствительность, большая добротность, жесткость, позволяющая измерять силы порядка пиконьютонов [68] и получать изображения атомарного разрешения [66]. Также их достоинство в том, что при измерении амплитуды колебаний используется не оптическая схема, как в атомно-силовой микроскопии, а пьезоэлектрический эффект в кристалле кварца. Полученный электрический сигнал коррелирует с приложенной силой (амплитуда, фаза и резонансная частота соответствует ей). Всё это делает камертоны небольшими, надежными и простыми в работе (в сравнении с оптическими) схемами измерения силы.

Важен тот факт, что камертон - это макроскопический объект, на который можно разместить другой макроскопический сенсор (в частности чип, регистрирующий величину заряда поверхности с большой точностью вместе с измере-

Positive surface charges Negative surface charges

Рисунок 1.4 — Схема измерений и принцип работы кантилевера из работы [25].

нием её топографии). Зонд крепится к кварцевому резонатору с помощью клея. Вынужденные колебания камертона на частоте, близкой к резонансной частоте системы зонд - кварцевый резонатор, возбуждаются с помощью дополнительного пьезовибратора. Измерение силы взаимодействия зонда с поверхностью производится посредством регистрации изменения амплитуды и фазы изгибных колебаний кварцевого резонатора на частоте возбуждения. При сближении зонда и образца при малых расстояниях зонд-поверхность происходит изменение моды колебаний в системе зонд - резонатор. В свободном состоянии мода колебаний соответствует колебаниям стержня со свободным концом, а при сближении с образцом переходит в колебания стержня с закрепленным концом, что приводит к сдвигу резонансной частоты в системе зонд-резонатор. Изменения амплитуды и фазы изгибных колебаний в системе используются также в качестве сигналов обратной связи для контроля расстояния зонд-поверхность в ближнепольных оптических микроскопах [62].

При приближении камертона с зондом к поверхности образца его колебания ослабляются за счет взаимодействия иглы с поверхностью, что приводит к

Рисунок 1.5 — Схемы латерально-силового (а) и полуконтактного (б) методов работы режима камертона в динамическом режиме.

(а) (Ь) (с) (со {

Рисунок 1.6 — Схема изготовления одноэлектронного транзистора на краю

подложки, описанная в работе [3].

уменьшению выходного сигнала синхронного усилителя. Этот сигнал сравнивается с установленным значением обратной связи, после чего разница подается обратно через усилитель, чтобы управлять расстоянием между зондом и образцом при сканировании.

Существуют два основных метода работы камертона в динамическом режиме: полуконтактный метод и латерально-силовой метод [69]. Рисунок 1.5 отражает основные принципы работы в этих режимах. На левой части рисунка игла закреплена перпендикулярно вилке камертона и совершает колебания перпендикулярно поверхности образца - это полуконтактный метод. В латерально-силовом методе камертон закрепляется и совершает колебания параллельно поверхности.

Рисунок 1.7 — Микрофотографии чипа с одноэлектронным транзистором на краю мембраны (а,Ь) и снимок готового к измерениям зонда, закрепленного на

кварцевом резонаторе (с) из работы [3].

В работе [3] описан метод создания одноэлектронного транзистора на расстоянии нескольких нанометров от края мембраны (Рис. 1.6). Кремниевая пластина покрывается с двух сторон 500 нм пленкой из нитрида кремния (а), затем с обратной стороны пластины в маске формируются окна для глубокого травления кремния до верхнего слоя нитрида кремния (Ь). Затем с нижней стороны напыляется слой меди (с), который одновременно служит стоп-слоем в одном из следующих шагов и укрепляет мембрану, после чего на верхний слой нитрида кремния наносились слои оксида алюминия, резиста и засвечивалась маска в виде прямого угла (ё), рисунок которой затем переносился в слой нитрида кремния и оксида алюминия (е). После этого наносился резист, формировалась структура одноэлектронного транзистора путем напыления двух слоев алюминия под разными углами [70] и окислением алюминия между процессами напыления.

Ш1 М V-/

финальной стадии удалялся поддерживающий слой меди с нижней стороны мембраны и освобождалась готовая структура, которая приклеивалась к кварцевому резонатору. Микрофотографии полученной структуры представлены на рисунке 1.7. Помимо этой работы известно еще несколько, в которых описываются методы создания одноэлектронных транзисторов для использования в качестве зондов электрического поля [71; 72], однако ни в одной из этих работ не продемонстрировано исследование внешнего электрического поля, что по всей видимости связано с большой сложностью в постановке такого эксперимента.

Хотя одноэлектронный транзистор считается самым чувствительным к электрическому полю устройством, область его возможных применений существенно ограниченна из-за низких рабочих температур. Наиболее перспективным чувствительным устройством для зондовых систем является полевой тран-

зистор с каналом-нанопроводом. Он сочетает в себе высокую полевую чувствительность и может работать при комнатной температуре [4; 42; 73; 74]. В работе [42] авторами продемонстрирована зарядовая чувствительность полевого транзистора с каналом-нанопроводом из кремния, составившая величину 615 ~ 4 х 10-5 е^у/Гц, что всего в 20 раз меньше чувствительности сенсора на основе одноэлектронного транзистора. Детектирование проводилось на поверхности специально приготовленного образца с единичными электронами в зарядовых ловушках.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Божьев Иван Вячеславович, 2021 год

Список литературы

1. Single-electron transistor as a charge sensor for semiconductor applications / D. Berman [et al.] // Journal of Vacuum Science & Technology B: Micro" electronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenom" ena. - 1997. - Vol. 15, no. 6. - P. 2844-2847.

2. Scanning single-electron transistor microscopy: Imaging individual charges / M. J. Yoo [et al.] // Physica E. - 1998. - P. 7.

3. A Single Electron Transistor on an Atomic Force Microscope Probe / H. T. A. Brenning [et al.] // Nano Letters. - 2006. - May. - Vol. 6, no. 5. -P. 937-941.

4. A highly pH-sensitive nanowire field-effect transistor based on silicon on insulator / D. E. Presnov [et al.] // Beilstein journal of nanotechnology. -2013. - Vol. 4. - P. 330-335.

5. Submicron sensors of local electric field with single-electron resolution at room temperature /1. Barbolina [et al.] // Applied physics letters. - 2006. -Vol. 88, no. 1. - P. 013901.

6. Scanning noninvasive voltage probe operating at 4.2 K / A. Sellwood [et al.] // Review of Scientific Instruments. - 2001. - Vol. 72, no. 4. - P. 2100-2105.

7. Charge-imaging field-effect transistor / L. Chen [et al.] // Applied Physics Letters. - 2001. - Vol. 79, no. 8. - P. 1202-1204.

8. Амитонов С. В. Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов : дис. ... канд. / Амитонов Сергей Владимирович. — 2013.

9. Silicon nanowire sensor array using top-down CMOS technology / A. Agarwal [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. - 2008. - Vol. 145. - P. 207213.

10. Localized temperature and chemical reaction control in nanoscale space by nanowire array / C. Y. Jin [et al.] // Nano letters. - 2011. - Vol. 11, no. 11. - P. 4818-4825.

11. Cao A., Sudholter E. J., De Smet L. C. Silicon nanowire-based devices for gas-phase sensing // Sensors. - 2014. - Vol. 14, no. 1. - P. 245-271.

12. Silicon nanowires as potential gas sensors: a density functional study / A. Miranda [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2017. — Vol. 242. — P. 1246-1250.

13. A self-heated silicon nanowire array: selective surface modification with cat" alytic nanoparticles by nanoscale Joule heating and its gas sensing applica" tions / J. Yun [et al.] // Nanoscale. — 2013. — Vol. 5, no. 15. — P. 68516856.

14. Self-heated silicon nanowires for high performance hydrogen gas detection / J.-H. Ahn [et al.] // Nanotechnology. — 2015. — Vol. 26, no. 9. — P. 095501.

15. Joule-Heated and Suspended Silicon Nanowire Based Sensor for Low-Power and Stable Hydrogen Detection / J. Yun [et al.] // ACS Applied Materials & Interfaces. — 2019. — Vol. 11, no. 45. — P. 42349-42357.

16. DNA Sensing by Silicon Nanowire: Charge Layer Distance Dependence / G.-J. Zhang [et al.] // Nano Letters. — 2008. — Vol. 8, no. 4. — P. 1066-1070.

17. Label-Free Electrical Detection of Cardiac Biomarker with Complementary Metal-Oxide Semiconductor-Compatible Silicon Nanowire Sensor Arrays / J. H. Chua [et al.] // Analytical Chemistry. — 2009. — Aug. — Vol. 81, no. 15. — P. 6266-6271.

18. Biosensor based on a silicon nanowire field-effect transistor functionalized by gold nanoparticles for the highly sensitive determination of prostate specific antigen / G. Presnova [et al.] // Biosensors and Bioelectronics. — 2017. — Vol. 88. — P. 283-289.

19. Vu C.-A., Chen W.-Y Field-effect transistor biosensors for biomedical applica" tions: recent advances and future prospects // Sensors. — 2019. — Vol. 19, no. 19. — P. 4214.

20. Rani D., Pachauri V., Ingebrandt S. Silicon Nanowire Field-Effect Biosen" sors // Label-free Biosensing. — Springer, 2018. — P. 27-57.

21. Thyroglobulin detection by biosensor based on two independent Si NW FETs / G. V. Presnova [et al.] // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. — Bellingham, WA, United States, 2019. — Vol. 11022. — 110220Z.

22. Label-free detection of carbohydrate-protein interactions using nanoscale field-effect transistor biosensors / G.-J. Zhang [et al.] // Analytical chem" istry. - 2013. - Vol. 85, no. 9. - P. 4392-4397.

23. Top-down fabricated silicon nanowire sensors for real-time chemical detec" tion / I. Park [et al.] // Nanotechnology. - 2009. - Vol. 21, no. 1. -P. 015501.

24. Selective surface functionalization of silicon nanowires via nanoscale joule heating /1. Park [et al.] // Nano letters. - 2007. - Vol. 7, no. 10. - P. 31063111.

25. High-Resolution Field Effect Sensing of Ferroelectric Charges / H. Ko [et al.] // Nano Letters. - 2011. - Apr. 13. - Vol. 11, no. 4. - P. 1428-1433.

26. Rudnicki K. MOSFET transistor fabrication on AFM tip : PhD thesis / Rud" nicki Kamil. - University of Glasgow, 2014.

27. Nonnenmacher M., o'Boyle M., Wickramasinghe H. K. Kelvin probe force microscopy // Applied physics letters. - 1991. - Vol. 58, no. 25. - P. 29212923.

28. Observation of individual dopants in a thin silicon layer by low temperature Kelvin Probe Force Microscope / M. Ligowski [et al.] // Applied Physics Letters. - 2008. - Vol. 93, no. 14. - P. 142101.

29. Williams C., Hough W., Rishton S. Scanning capacitance microscopy on a 25 nm scale // Applied physics letters. - 1989. - Vol. 55, no. 2. - P. 203-205.

30. Matey J., Blanc /.Scanning capacitance microscopy // Journal of Applied Physics. - 1985. - Vol. 57, no. 5. - P. 1437-1444.

31. Scanning resistive probe microscopy: Imaging ferroelectric domains / H. Park [et al.] // Applied Physics Letters. - 2004. - Mar. 8. - Vol. 84, no. 10. -P. 1734-1736.

32. V-shaped metal-oxide-semiconductor transistor probe with nano tip for sur" face electric properties / S. H. Lee [et al.] // Ultramicroscopy. - 2008. -Vol. 108, no. 10. - P. 1094-1100.

33. A scanning microscopy technique based on capacitive coupling with a field-" effect transistor integrated with the tip / K. Shin [et al.] // Ultramicroscopy. -2015. - Vol. 159. - P. 1-10.

34. A FET Mounted Nano Probe with a CNT for Surface Electrical Properties / K. Shin [et al.] // Procedia Engineering. - 2011. - Vol. 25. - P. 1657-1660.

35. Li M., Tang H. X., Roukes M. L. Ultra-sensitive NEMS-based cantilevers for sensing, scanned probe and very high-frequency applications // Nature nanotechnology. - 2007. - Vol. 2, no. 2. - P. 114.

36. Coffey D. C., Ginger D. S. Time-resolved electrostatic force microscopy of polymer solar cells // Nature materials. - 2006. - Vol. 5, no. 9. - P. 735.

37. Intermodulation electrostatic force microscopy for imaging surface photo-volt" age / R. Borgani [et al.] // Applied Physics Letters. - 2014. - Vol. 105, no. 14. - P. 143113.

38. Resolution and contrast in Kelvin probe force microscopy / H. Jacobs [et al.] // Journal of applied physics. - 1998. - Vol. 84, no. 3. - P. 1168-1173.

39. Fabrication and characterization of 3-Dimensional MOS transistor tip inte" grated micro cantilever / S. H. Lee [et al.] // Microsystem Technologies. -2007. - Jan. 17. - Vol. 13, no. 5. - P. 579-587.

40. Silicon-based field-effect-transistor cantilever for surface potential mapping / M. S. Suh [et al.] // Applied physics letters. - 2003. - Vol. 83, no. 2. -P. 386-388.

41. Girard P. Electrostatic force microscopy: principles and some applications to semiconductors // Nanotechnology. - 2001. - Vol. 12, no. 4. - P. 485.

42. Direct observation of single-charge-detection capability of nanowire field-ef fect transistors / J. Salfi [et al.] // Nature nanotechnology. - 2010. - Vol. 5, no. 10. - P. 737.

43. Nanoscale potential distribution across multiquantum well structures: Kelvin probe force microscopy and secondary electron imaging / A. Schwarzman [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2005. - Oct. 15. - Vol. 98, no. 8. -P. 084310.

44. Nanotubes as nanoprobes in scanning probe microscopy / H. Dai [et al.] // Nature. - 1996. - Vol. 384, no. 6605. - P. 147-150.

45. Carbon nanotube-modified cantilevers for improved spatial resolution in elec" trostatic force microscopy / S. Arnason [et al.] // Applied physics letters. -1999. - Vol. 75, no. 18. - P. 2842-2844.

46. Ultrasharp and high aspect ratio carbon nanotube atomic force microscopy probes for enhanced surface potential imaging / M. Zhao [et al.] // Nanotech" nology. - 2008. - June 11. - Vol. 19, no. 23. - P. 235704.

47. Towards the silicon nanowire-based sensor for intracellular biochemical de" tection /1. Park [et al.] // Biosensors and Bioelectronics. - 2007. - Vol. 22, no. 9/10. - P. 2065-2070.

48. Pashkin Y. A., Nakamura Y., Tsai J. S. Room-temperature Al single-electron transistor made by electron-beam lithography // Applied Physics Letters. -2000. - Vol. 76, no. 16. - P. 2256-2258.

49. Fabrication technique for Si single-electron transistor operating at room tem" perature / Y. Takahashi [et al.] // Electronics Letters. - 1995. - Vol. 31, no. 2. - P. 136-137.

50. CMOS-compatible fabrication of room-temperature single-electron devices / V. Ray [et al.] // Nature nanotechnology. - 2008. - Vol. 3, no. 10. - P. 603.

51. Room temperature nanocrystalline silicon single-electron transistors / Y. Tan [et al.] // Journal of Applied Physics. - 2003. - Vol. 94, no. 1. - P. 633-637.

52. A single-atom transistor / M. Fuechsle [et al.] // Nature nanotechnology. -2012. - Vol. 7, no. 4. - P. 242-246.

53. Single-electron transistor with an island formed by several dopant phosphorus atoms / S. Dagesyan [et al.] // Moscow University Physics Bulletin. - 2017. -Vol. 72, no. 5. - P. 474-479.

54. Sequential reduction of the silicon single-electron transistor structure to atomic scale / S. Dagesyan [et al.] // Nanotechnology. - 2017. - Vol. 28, no. 22. -P. 225304.

55. Single-Electron Structures Based on Solitary Dopant Atoms of Arsenic, Phos" phorus, Gold, and Potassium in Silicon / D. Presnov [et al.] // Moscow Uni" versity Physics Bulletin. - 2019. - Vol. 74, no. 2. - P. 165-170.

56. Room-temperature current blockade in atomically defined single-cluster junc" tions / G. Lovat [et al.] // Nature nanotechnology. - 2017. - Vol. 12, no. 11. - P. 1050.

57. Room-temperature charge stability modulated by quantum effects in a nanoscale silicon island / S. Shin [et al.] // Nano letters. — 2011. — Vol. 11, no. 4. — P. 1591-1597.

58. Scanning resistive probe microscopy: Imaging ferroelectric domains / H. Park [et al.] // Applied physics letters. — 2004. — Vol. 84, no. 10. — P. 1734-1736.

59. Formation and process optimization of scanning resistive probe / H. Shin [et al.] // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. — 2006. — Vol. 24, no. 5. — P. 2417-2420.

60. Characterization of sensitivity and resolution of silicon resistive probe / J. Kim [et al.] // Japanese Journal of Applied Physics. — 2008. — Vol. 47, 3R. — P. 1717.

61. Investigation of resistive probes with high sensitivity / S. W. Kim [et al.] // 2008 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop. — IEEE. 2008. — P. 1-2.

62. Giinther P., Fischer U. C., Dransfeld K. Scanning near-field acoustic mi" croscopy // Applied Physics B. — 1989. — Vol. 48, no. 1. — P. 89-92.

63. Castellanos-Gomez A., Agrait N., Rubio-Bollinger G. Dynamics of quartz tuning fork force sensors used in scanning probe microscopy // Nanotechnol" ogy. — 2009. — Vol. 20, no. 21. — P. 215502.

64. Rozhok S., Chandrasekhar V. Application of commercially available can" tilevers in tuning fork Scanning Probe Microscopy (SPM) studies // Solid state communications. — 2002. — Vol. 121, no. 12. — P. 683-686.

65. Fast, high-resolution atomic force microscopy using a quartz tuning fork as actuator and sensor / H. Edwards [et al.] // Journal of applied physics. — 1997. — Vol. 82, no. 3. — P. 980-984.

66. Giessibl F. /.Atomic resolution on Si (111)-(7x 7) by noncontact atomic force microscopy with a force sensor based on a quartz tuning fork // Applied Physics Letters. — 2000. — Vol. 76, no. 11. — P. 1470-1472.

67. Friedt J.-M., Carry E. Introduction to the quartz tuning fork // American Journal of Physics. — 2007. — Vol. 75, no. 5. — P. 415-422.

68. Schmidt J., Bergander H., Eng L. Shear force interaction in the viscous damp" ing regime studied at 100 pN force resolution // Journal of Applied Physics. -2000. - Vol. 87, no. 6. - P. 3108-3112.

69. Tuning fork scanning probe microscopes-applications for the nano-analysis of the material surface and local physico-mechanical properties / V. Thanh [et al.] // Scanning Probe Microscopy-Physical Property Characterization at Nanoscale. - 2012.

70. Dolan G. Offset masks for lift-off photoprocessing // Applied Physics Let" ters. - 1977. - Vol. 31, no. 5. - P. 337-339.

71. A sensitive charge scanning probe based on silicon single electron transistor / S. Lina [et al.] // Journal of Semiconductors. - 2016. - No. 4. - P. 12.

72. Integration of a fabrication process for an aluminum single-electron transistor and a scanning force probe for tuning-fork-based probe microscopy / K. Suter [et al.] // Journal of microelectromechanical systems. - 2010. - Vol. 19, no. 5. - P. 1088-1097.

73. Shen M.-Y., Li B.-R., Li Y.-K. Silicon nanowire field-effect-transistor based biosensors: From sensitive to ultra-sensitive // Biosensors and Bioelectron" ics. - 2014. - Vol. 60. - P. 101-111.

74. A silicon nanowire ion-sensitive field-effect transistor with elementary charge sensitivity / N. Clement [et al.] // Applied Physics Letters. - 2011. - Vol. 98, no. 1. - P. 014104.

75. Surface charge sensitivity of silicon nanowires: Size dependence / N. Elfstrom [et al.] // Nano Letters. - 2007. - Vol. 7, no. 9. - P. 2608-2612.

76. Three-dimensional, flexible nanoscale field-effect transistors as localized bio" probes / B. Tian [et al.] // Science. - 2010. - Vol. 329, no. 5993. - P. 830834.

77. Free-standing kinked nanowire transistor probes for targeted intracellular recording in three dimensions / Q. Qing [et al.] // Nature nanotechnology. -2014. - Vol. 9, no. 2. - P. 142-147.

78. Design and synthesis of diverse functional kinked nanowire structures for nanoelectronic bioprobes / L. Xu [et al.] // Nano letters. - 2013. - Vol. 13, no. 2. - P. 746-751.

79. Sub-10-nm intracellular bioelectronic probes from nanowire-nanotube het" erostructures / T.-M. Fu [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2014. — Jan. 28. — Vol. 111, no. 4. — P. 1259-1264.

80. Doping and electrical transport in silicon nanowires / Y. Cui [et al.] // The Journal of Physical Chemistry B. — 2000. — Vol. 104, no. 22. — P. 52135216.

81. Morales A. M., Lieber C. M. A laser ablation method for the synthesis of crystalline semiconductor nanowires // Science. — 1998. — Vol. 279, no. 5348. — P. 208-211.

82. Preferential interface nucleation: an expansion of the VLS growth mechanism for nanowires / B. A. Wacaser [et al.] // Advanced Materials. — 2009. — Vol. 21, no. 2. — P. 153-165.

83. Volume-producible fabrication of a silicon nanowire via crystalline wet etch" ing of (1 1 0) silicon / S.-S. Yun [et al.] // Journal of Micromechanics and Microengineering. — 2008. — Vol. 18, no. 9. — P. 095017.

84. Silicon nanowire FETs with uniaxial tensile strain / S. Feste [et al.] // Solid-S" tate Electronics. — 2009. — Vol. 53, no. 12. — P. 1257-1262.

85. Dependence of the resistance of the negative e-beam resist hsq versus the dose in the RIE and wet etching processes / A. Miakonkikh [et al.] // Russian Microelectronics. — 2018. — Vol. 47, no. 3. — P. 157-164.

86. CMOS-compatible, label-free silicon-nanowire biosensors to detect cardiac troponin I for acute myocardial infarction diagnosis / T. Kong [et al.] // Biosensors and Bioelectronics. — 2012. — Vol. 34, no. 1. — P. 267-272.

87. Top-down fabrication of single crystal silicon nanowire using optical lithogra" phy / N. F. Za'bah [et al.] // Journal of applied physics. — 2012. — Vol. 112, no. 2. — P. 024309.

88. 22 nm silicon nanowire gas sensor fabricated by trilayer nanoimprint and wet etching / C. Gao [et al.] // Microelectronic engineering. — 2010. — Vol. 87, no. 5-8. — P. 927-930.

89. Celler G. K., Cristoloveanu S. Frontiers of silicon-on-insulator // Journal of Applied Physics. — 2003. — Vol. 93, no. 9. — P. 4955-4978.

90. Impact of SOI substrate on the radiation response of ultrathin transistors down to the 20 nm node / M. Gaillardin [et al.] // IEEE Transactions on Nuclear Science. - 2013. - Vol. 60, no. 4. - P. 2583-2589.

91. Bruel M., Aspar B., Auberton-Herve A.-J. Smart-Cut: a new silicon on insula" tor material technology based on hydrogen implantation and wafer bonding // Japanese journal of applied physics. — 1997. — Vol. 36, 3S. — P. 1636.

92. Krishnan M., Nalaskowski J. W., Cook L. M. Chemical mechanical planariza" tion: slurry chemistry, materials, and mechanisms // Chemical reviews. — 2010. — Vol. 110, no. 1. — P. 178-204.

93. Temperature dependence of 1/f noise mechanisms in silicon nanowire bio" chemical field effect transistors / N. K. Rajan [et al.] // Applied physics letters. — 2010. — Vol. 97, no. 24. — P. 243501.

94. Signal-to-noise ratio in dual-gated silicon nanoribbon field-effect sensors / A. Tarasov [et al.] // Applied physics letters. — 2011. — Vol. 98, no. 1. — P. 012114.

95. Rajan N. K., Routenberg D. A., Reed M. A. Optimal signal-to-noise ratio for silicon nanowire biochemical sensors // Applied physics letters. — 2011. — Vol. 98, no. 26. — P. 264107.

96. Carbon nanotube biosensors: The critical role of the reference electrode / E. D. Minot [et al.] // Applied Physics Letters. — 2007. — Vol. 91, no. 9. — P. 093507.

97. Silicon nanowires as enhancement-mode Schottky barrier field-effect transis" tors / S.-M. Koo [et al.] // Nanotechnology. — 2005. — Vol. 16, no. 9. — P. 1482.

98. Gao X. P, Zheng G., Lieber C. M. Subthreshold regime has the optimal sensitivity for nanowire FET biosensors // Nano letters. — 2010. — Vol. 10, no. 2. — P. 547-552.

99. Dependences of the electrical properties on the diameter and the doping con" centration of the Si nanowire field effect transistors with a Schottky met" al-semiconductor contact / J. H. You [et al.] // Journal of nanoscience and nanotechnology. — 2010. — Vol. 10, no. 5. — P. 3609-3613.

100. Effect of nanowire number, diameter, and doping density on nano-FET biosen" sor sensitivity / J. Li [et al.] // ACS nano. - 2011. - Vol. 5, no. 8. - P. 66616668.

101. Chang T. Proximity effect in electron-beam lithography // Journal of vacuum science and technology. — 1975. — Vol. 12, no. 6. — P. 1271-1275.

102. Franssila S. Introduction to microfabrication. — John Wiley & Sons, 2010.

103. Single-electron transistor with metallic microstrips instead of tunnel junctions / V. Krupenin [et al.] // Journal of Applied Physics. — 2001. — Vol. 90, no. 5. — P. 2411-2415.

104. Metallic single-electron transistor without traditional tunnel barriers / V. A. Krupenin [et al.] // Physics-Uspekhi. — 2001. — Vol. 44, 10S. — P. 113.

105. Krupenin V., Zalunin V., Zorin A. The peculiarities of single-electron transport in granular Cr films // Microelectronic engineering. — 2005. — Vol. 81, no. 2-4. — P. 217-221.

106. Jumping mode scanning force microscopy / P. De Pablo [et al.] // Applied Physics Letters. — 1998. — Vol. 73, no. 22. — P. 3300-3302.

107. Быков И. В. Развитие и автоматизация методов измерения рельефа и локальных свойств биологических объектов в атомно-силовой микроскопии : дис. ... канд. / Быков Иван Вадимович. — 2010.

108. Reimer L. Scanning electron microscopy: physics of image formation and microanalysis. Vol. 45. — Springer, 2013.