Туннельные переходы Ti/TiO x /Ti с малой ёмкостью: перенос заряда и одноэлектронные явления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Литвин, Леонид Владимирович

• Литвин, Леонид Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Литвин, Леонид Владимирович

Введение.

Глава 1. Туннельные переходы для одноэлектронных устройств (обзор литературы).

§ 1.1. Туннельный механизм проводимости через тонкие диэлектрические слои.

§ 1.1.1. Зависимость тока и проводимости туннельного контакта от толщины, температуры и приложенного напряжения.

§ 1.1.2. Статистические флуктуации сопротивления туннельного контакта

§ 1.1.3. В АХ туннельного контакта, содержащего локализованные состояния.

§ 1.2. Одноэлектронные эффекты.

§ 1.3. Методы создания туннельных переходов для одноэлектронных устройств.

Заключения и выводы к гл.1.

Глава 2. Изготовление туннельных переходов Ti/TiOx/Ti сквозным окислением полоски Ti.

§2.1. Изготовление туннельных переходов Ti/TiOx/Ti.

§2.1.1. Контроль размеров изготавливаемых структур.

§2.1.2. Электронная литография.

§2.1.3. Технология изготовления туннельных переходов Ti/TiOx/Ti.

§2.1.4. Контроль сопротивления туннельных переходов.

§2.2 Низкотемпературные электрофизические измерения.

Заключения и выводы к гл.2.

Глава 3. Перенос заряда в туннельном переходе Ti/TiOx/Ti, сформированном сквозным окислением полоски Ti.

§3.1. Статистический анализ сопротивлений туннельных переходов.

§3.2 Температурная зависимость сопротивления туннельных переходов.

§3.3. Вольт-амперные характеристики туннельных переходов.

§3.3.1. Вольт-амперная характеристика туннельных переходов при температуре 4.2К.

§3.3.2. Затворная ВАХ при температуре 4.2К.

Заключения и выводы к гл.З.

Глава 4. Одноэлектронные эффекты в структурах с двумя туннельными переходами.

§4.1. Численное моделирование одноэлектронного туннелирования на основе ортодоксальной" теории.

§4.2. Экспериментальные результаты по наблюдению одноэлектронного туннелирования.

§4.3. Особенности одноэлектронного туннелирования в переходах Ti/TiOx/Ti, нелинейных по напряжению.

Заключения и выводы к гл.4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Туннельные переходы Ti/TiO x /Ti с малой ёмкостью: перенос заряда и одноэлектронные явления»

В конце 80-х годов было открыто коррелированное одноэлектронное туннелирование в туннельных переходах с малой собственной емкостью [1].Одноэлектронные устройства лежат в основе ряда уникальных приложений в микроэлектронике [2]. Это -сверхчувствительные электрометры, стандарты тока, одноэлектронные ячейки памяти, элементы интегральных схем сверхвысокой степени интеграции с ничтожно малым энергопотреблением. Осуществление этих перспектив сдерживается необходимостью использования низких температур. Рабочая температура одноэлектронных устройств обратно пропорциональна емкости применяемых туннельных переходов. Существующий в настоящее время метод изготовления туннельных переходов с малой емкостью - метод двухуглового напыления - обеспечивает рабочую температуру около 0.1 К. В нем туннельный переход формируется путем наложения друг на друга двух полосок А1. Ширина полосок зависит от разрешающей способности применяемой электронной литографии и определяет площадь и емкость туннельного перехода. Наиболее распространенное разрешение электронной литографии в 100 нм обеспечивает площадь

2 18 туннельного перехода 100x100 нм и емкость перехода 300 аФ (а=атто=10" ).

Туннельный переход, формируемый на основе металлических полосок, в принципе, может иметь площадь, равную поперечному сечению полоски.

Пленки Ti - сплошные и однородные уже при толщине 3 нм [3], следовательно, существует потенциальная возможность создания туннельного перехода с площадью 3x100 нм2. Попытки создания подобных туннельных переходов до сих пор не принесли желаемого результата. Полученные туннельные переходы

12 обладают слишком большим сопротивлением (>101Z Ом при Т=11 К), а их емкость, оцененная по величине эффекта КБ, имеет нереально низкие значения: 0.7 аФ для полосок шириной 100 нм [4] и 0.4 аФ для 40 нм [3]. Емкость перехода не может быть меньше емкости кулоновского острова, образуемого этим переходом. Последняя может быть оценена по формуле плоского диска

C=AsqsD с диаметром Д которая дает значения 7.5 и 3 аФ (£=2) для D=100 и 40 нм соответственно.

Причина этого противоречия, на наш взгляд, заключается в пренебрежении механизмом переноса заряда в отдельном туннельном переходе. В упомянутых работах считалось, что характер туннелирования в изготовленных переходах является наиболее простым: прямым, упругим, подчиняющимся омическому закону. Нелинейность экспериментальных ВАХ целиком относилась на счет проявления эффекта кулоновской блокады, тогда как в ней мог содержаться существенный вклад от нелинейности ВАХ отдельного туннельного перехода. В этой связи представляется актуальным исследование переноса в отдельном туннельном переходе и его влияния на проявление одноэлектронных эффектов.

Цель работы - разработка нового метода формирования туннельных переходов Ti/TiOx/Ti с малой емкостью, исследование переноса заряда в этих переходах и одноэлектронных явлений.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Литвин, Леонид Владимирович

5.Заключение

1. Разработан метод формирования туннельных переходов Ti/TiOx/Ti с малой емкостью, который заключается в сквозном, локальном окислении полоски Ti в тонком месте, образующемся при пересечении полоски со ступенью. Получены туннельные переходы с емкостью около 10 аФ, ограничивающие кулоновский остров размером 150x150 нм2 в титановой полоске шириной 150 нм.

2. Установлен механизм переноса заряда в туннельных переходах Ti/TiOx/Ti, сформированных сквозным окислением. Проводимость осуществляется посредством неупругого туннелирования через локализованные состояния, существующие в области барьера ТЮХ.

3. При температуре 4.2 К обнаружен эффект одноэлектронного туннелирования, характерный для одноэлектронных транзисторов.

4. Обнаружена особенность одноэлектронного туннелирования в переходах с сильно нелинейными вольт-амперными характеристиками. Одноэлектронные осцилляции тока на затворной ВАХ одноэлектронного транзистора наблюдаются в области высоких тянущих напряжений, в то время как в обычных переходах осцилляции быстро затухают с увеличением тянущего напряжения.

Личный вклад автора состоит в разработке методики электронной литографии с помощью пучка растрового электронного микроскопа, участии в процессах регистрации ВАХ и температурных зависимостей сопротивления туннельных переходов, создании стенда для снятия температурных зависимостей сопротивления, обработке экспериментальных результатов, где автором была предложена формула учета нелинейности туннельных переходов при моделировании.

122

Автор диссертации выражает благодарность сотрудникам ИФП, принявшим участие в настоящей работе: В.А. Ткаченко, Д.Г. Бакшееву, В.А. Колосанову, К.П. Могильникову, А.Г. Черкову, А.Л.Асееву. Автор признателен А.В. Двуреченскому, З.Д. Квону и А.И. Якимову за полезное обсуждение настоящей работы. Автор благодарит А.В. Латышева за содействие в организационных вопросах, А.А. Быкова, Ю.В. Настаушева и В.А. Колосанова за помощь в подготовке эксперимента, а также И.Г. Неизвестного за внимание и интерес, проявленный к настоящей работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Литвин, Леонид Владимирович, 2002 год

1. Аверин Д.В., Лихарев К.К. «Когерентные колебания в туннельных переходах малых размеров» ЖЭТФ, 1986, т.90, вып.2, стр.733-743.

2. Лихарев К.К. «О возможности создания аналоговых и цифровых интегральных схем на основе эффекта дискретного одноэлектронного туннелирования» Микроэлектроника, 1987, т. 16, вып.З, стр. 195-209.

3. Matsumoto К., Ishii I., Segawa К., Oka Y., Vartanian B.J., Harris J.S. "Room temperature operation of a single electron transistor made by scanning tunneling microscopy nanooxidation process for the TiOx/Ti system" Appi.Phys.Lett., 1996, v.68, p.34.

4. Altmeyer S., Hamidi A., Spangenberg В., Kurz H. «77К single electron transistors fabricated with 0.1 im technology» J.Appl.Phys., 1997, v.81, No. 12, p.8118-8120.

5. Солимар Л., Уолш Д. «Лекции по электрическим свойствам материалов» Москва, «Мир», 1991.

6. Hauge Е.Н., Stovneng J.A. "Tunneling Times: a critical review" Rev.Mod.Phys., 1989, v.61, No.4, pp.917-936.

7. Епифанов Г.И. «Физические основы микроэлектроники» Москва, «Советское радио», 1971.

8. Новиков В.В. "Теоретические основы микроэлектроники", Москва, «Высшая школа», 1972.

9. Зи С.М. «Физика полупроводниковых приборов», Москва, «Энергия», 1973.

10. Bending S.J., Beasly M.R. "Transport processes via localized states in thin a-Si tunnel barriers", Phys.Rev.Lett., 1985, v.55, No.3, p.324-327.

11. Naito M., Beasly M.R. "Microscopic study of tunneling process via localized states in amorphous Si/SiOx tunnel barriers", Phys.Rev.B, 1987, v.35, No.5, p.2548-2551.

12. Глазман Jl.И., Шехтер Р.И. "Неупругое резонасное туннелирование электронов через потенциальный барьер", ЖЭТФ, 1988, т.94, вып.1, стр. 292-306.

13. Шкловский Б.И., Эфрос А.И. «Электронные свойства легированных полупроводников» Москва, «Наука», 1979.

14. Yakimov A.I., Stepina N.P., Dvurechensky A.Y. "Hopping conduction and resonant tunneling in amorphous silicon microstructures", J.Phys.:Condens.Matter, 1994, v.6, p.2583-2594.

15. Глазман Л.И., Матвеев К.А. "Неупругое туннелирование через тонкие аморфные пленки", ЖЭТФ, 1988, т.94, вып.6, стр.332-343.

16. Xu Y., Matsuda A., Beasly M.R. Phys.Rev.B, 1990, v.42, p. 1492; Xu Y., Ephron D., Beasly M.R. Bulletin of American Physical Siciety, 1992, v.37, p.630.

17. Ларкин А.И., Матвеев К. А. "Вольт-амперная характеристика мезоскопических полупроводниковых контактов", ЖЭТФ, 1987, т.93, вып.3(9), стр.1030-1038.

18. Тартаковский А.В., Фистуль М.В., Райх М.Э., Рузин И.М. "Прыжковая проводимость в контактах металл-полупроводник-металл", ФТП, 1987, т.21, вып.4, стр.603-608.

19. Лайко Е.И., Орлов А.О., Савченко А.К., Ильичев Э.А., Подторацкий Э.А. "Отрицательное магнетосопротивление и осцилляции прыжковой проводимости короткого электронного канала в полевом GaAs-транзисторе", ЖЭТФ, 1987, т.93, вып.6(12), стр.2204-2217.

20. Орлов А.О., Савченко А.К. "Мезоскопические флуктуации вольт-амперной характеристики короткого образца с прыжковой проводимостью", Письма в ЖЭТФ, 1988, т.47, вып.8, стр.393-395.

21. Якимов А.И., Степина Н.П., Двуреченский А.В. "Мезоскопические эффекты в прыжковой проводимости тонких слоев аморфного кремния,полученных ионным облучением", ЖЭТФ, 1992, т.102, вып.6(12), стр.18821890.

22. Райх М.Э., Рузин И.М. «Мезоскопическое поведение температурной зависимости поперечной прыжковой проводимости аморфной пленки» Письма в ЖЭТФ, 1986, т.43, вып.9, стр.437-439.

23. Райх М.Э., Рузин И.М. «Флуктуации прозрачности случайно-неоднородных барьеров конечной площади» ЖЭТФ, 1987, т.92, №6, стр.225 7-2276.

24. Райх М.Э., Рузин И.М. «Мезоскопическое поведение поперечной прыжковой проводимости аморфной пленки» ФТП, 1988, т.22, №7, стр. 1262-1272.

25. Webb R.A., Hartstein A., Wainer J.J., Fowler А.В. "Origin of the peaked structure in the conductance of one-dimensional accumulation layers" Phys.Rev.Lett., 1985, v.54, No.14, p.1577-1579.

26. Райх М.Э., Рузин И.М. «Флуктуации прыжковой проводимости одномерных систем» ЖЭТФ, 1989, т.95, №3, стр.1113-1122.

27. Hill R.M. "Hopping Conduction in amorphous solids", Phyl.Mag., 1971, v.24, No. 192, p. 1307-1325.

28. Pollak M., Riess I. "A percolation treatment of high-field hopping transport" J.Phys.C, 1976, v.9, pp.2339-2352.

29. Шкловский Б.И. «Неомическая прыжковая проводимость» ФТП, 1976, т. 10, №8, стр. 1440-1448.

30. Левин Е.И., Рузин И.М., Шкловский Б.И. «Поперечная прыжковая проводимость аморфных плекнок в сильных электрических полях» ФТП, 1988, т.22, №4, стр.642-652.

31. Neugebauer С.A., Webb М.В. "Electrical conduction mechanism in ultrathin evaporated metal films" J.Appl.Phys., 1962, v.33, p.74.

32. Zeller H.R., Giaever I. "Tunneling, zero-bias anomalies, and small superconductors" Phys.Rev., 1969, v. 181, p.

33. Lambe J., Jaklevic R.C., "Charge uantization studies using a tunnel capasitor" Phys.Rev.Lett., 1969, v.22, p. 1371.

34. Cavicchi R.E., Silsbee R.H. "Coulomb supression of tunneling rate from small metal particles" Phys.Rev.Lett, 1984, v.52, p. 1453.

35. Кулик И.О., Шехтер Р.И. «Кинетические явления и эффекты дискретности заряда в гранулированных средах» ЖЭТФ, 1975, т.68, стр.623.

36. Likharev К.К. "Correlated discrete transfer of single electrons in ultrasmall tunnel junctions", IBM J.Res.Develop. 1988, v.32, p.144-158.

37. Korotkov A.N., Averin D.V., Likharev K.K., Yasenko S.A., in: Single Electron Tunneling and Mesoscopic Devices, edited by H. Koch and H. Lubbig, Springer-Verlag, Berlin, 1992, p.45.

38. Zorin A.B., Ahlers F.-J., J. Niemeyer, Weimann Т., Wolf H., Krupenin V.A., Lotkhov S.V., Phys.Rev.B, 1996, v.53, p. 13682.

39. Verbrigh S.M., Benhamidi M.L., Visscher E.H., Mooij J.E., J.Appl.Phys., 1995, v.78, p.2830.

40. Krupenin V.A., Presnov D.E., Savvateev M.N., Scherer H., Zorin A.B., Niemeyer J. "Noise in A1 single electron transistors of stacked design", Appl.Phys.Lett., 1998, v.84, No.6, p.3212-3215.

41. Shoelkopf R.J., Wahlgren P., Kozhevnikov A.A., Delsing P., Prober D.E. "The radio-frequency single-electron transistor (RF-SET): a fast and ultrasensitive electrometer" Scince, 1998, v.280, p.1238-1242.

42. Geerligs L.J. "The frequency-locked turnstile device for single electrons" Surf.Sci., 1992, v.263, pp.396-404.

43. Korotkov A.N., Nazarov Yu.V. "Single-electron tunneling coexisting with the barrier suppression", Physica B, 1991, v. 173, p.217-222.

44. Korotkov A.N. "Culomb blockade and digital single electron devices" in:

45. Molecular electronics" edited by Jortner J., Ratner M.A., 1996, Blackwell, Oxford.

46. Fulton T.A., and GJ. Dolan "Observation of single electron charging effects in small tunnel junctions" Phys. Rev. Lett., 1987, v.59, p.109.

47. Oudenaarden A., Nazarov Yu.V., Mooij J.E. "Giant higher harmonic generation in mesoscopic metal wires and rings interrupted by tunnel junctions" Phys.Rev.B, 1998, v.57, No. 15, pp.8816-8818.

48. Pohlen S.L., Fitzgerald R.J., Hergenrotber J.M., Tinkham M. "A cryogenic amplifier for direct measurement of high-frequency signals from a single-electron transistor" Appl.Phys.Lett., 1999, v.74, No. 19, p.2884-2886.

49. Wei Y.Y., Weis J., v. Klitzing K., Ebert K. "Single-electron transistor as an electrometer measuring chemical potential variations" Appl.Phys.Lett., 1997, v.71, No. 17, p.2514-2516.

50. Yoo M.J., Fulton T.A., Hess H.F., Willet R.L., Dunkleberger I.N., Chichester R.I., Pfeiffer L.N., West K.W. "Scanning single electron microscopy imaging individual charge" Science, 1997, p.579.

51. Sunamura H., Sakamoto Т., Nakamura Y., Kawaura H., Tsai J.S., Baba T. "Single-electron memory using carrier traps in a silicon nitride layer" Appl.Phys.Lett., 1999, v.74, No.23, p.3555-3557.

52. Matsumoto K., Takahashi S., Ishii M., Hoshi M., Kurokawa A., Ishimura S., Ando A. "Application of STM nanometer-size oxidation process to planar-type MIM diode", Jpn.J.Appl.Phys., 1995, v.34, No.2B, p.1387-1390.

53. Matsumoto К., Ishii M., Segawa К. "Application of scanning tunneling microscopy nanofabrication process to single electron transistor" J.Vac.Sci.Technol.B, 1996, v.l4, No.2, p. 1331 -1335.

54. Irmer В., Kehrle M., Lorenz H., Kotthaus J.P. "Fabrication of Ti/TiOx tunneling barriers by tapping mode atomic force microscopy induced local oxidation" Appl.Phys.Lett., 1997, v.71, No.12, p.1733-1735.

55. Sasajima R., Fujimaru K., Matsumura H. "A metal/insulator tunnel transistor with 16 nm channel length", Appl.Phys.Lett., 1999, v.74, No.21, p.3215-3217.

56. Snow E.S., Campbell P.M., Rendell R.W., Buot F.A., Park D., Marrian C.R.K., Magno R. "A metal/oxide tunneling transistor", Semicond.Sci.Technol., 1998, v.13, p.A75-A78.

57. Altmeyer S., B. Spangenberg, H. Kurz "A new concept for the design and realization of metal based single electron devices: Step edge cut-off' Appl.Phys.Lett., 1995, v.67, No.4, p.569-571.

58. Altmeyer S., F. Kuhnel, B. Spangenberg, H. Kurz "Step edge cut off a new fabrication process for metal-based single electron devices" Microelectronic Engineering, 1996, v.30, p.399-402.

59. Altmeyer S., F. Kuhnel, B. Spangenberg, H. Kurz "A possible road to77 К single-electron devices" Semicond. Sci. Technol., 1996, v.l 1, p.1502-1505.

60. Langheirich W., H. Ahmed "Fabrication of lateral tunnel junctions and measurements of Coulomb blockade effects" Jpn.J.Appl.Phys., 1995, v.34, Part 1,No.12B, p. 6956-6960.

61. Быков А.А., Литвин Л.В., Мигаль В.П., Олынанетский Е.Б., Gasse М., Maude D.K., Portal J.C. "Транспортные свойства кольцевого интерферометра в туннельном режиме" Письма в ЖЭТФ, 2000, т.71, No. 10, стр.631-63 6.

62. Литвин Л.В., Гаврилова Т.А., Плотников А.Е., Гутаковский А.К., Настаушев Ю.В., Асеев А.Л., Дульцев Ф.Н., Могильников К.П., Бакланов

63. М.Р., Прохорова С.А., Никулина Л.Д., Волкова С.М., Лисковская Т.Н., Шпангенберг Б., Альтмеер С. "Применение вакуумного электронного резиста октавинилсилсесквиоксан для нанолитографии",

64. Микроэлектроника, 1997, N6, стр.518-524.

65. Brewer G.R. "Electron beam technology in microelectronic fabrication" Ed. by G.R. Brewer, New York: Academic Press, 1980.

66. Ovadyahu Z. "Some finite temperature aspects of the Anderson transition" J.Phys. C, 1986, v.19, pp.5187-5213.

67. Haviland R., "Coulomb blockade effects in anodically oxidized titanium wires" J.Appl.Phys., 2000, v.88, No.l 1, p.6549.

68. Litvin L.V., Kolosanov V.A., Baksheev D.G., Tkachenko V.A., Mogilnikov

69. K.P., Cherkov A.G., Aseev A.L. "Ti/TiOx/Ti lateral tunnel junctions for singlethelectron transistor" Proceedings to 10 International Symposium "Nanostructures:Physics and Technology", St Petersburg, Russia, 17-21, June 2002, p.339-342.

70. Литвин Л. В., Колосанов В.А., Бакшеев Д.Г., Ткаченко В.А., Асеев А.Л., «Кулоновская блокада в условиях неупругого туннелирования», Письма в ЖЭТФ,2000, т.72, вып.5, стр.388-393.

71. Литвин Л. В., Колосанов В.А., Могильников К.П., Черков А.Г., Бакшеев Д.Г., Ткаченко В.А., Асеев А.Л. «Создание одноэлектронных устройств методом SECO (Step Edge Cut Off) на системе Ti/TiOx» Микроэлектроника, 2000, т.29, №3, стр. 189-196.

72. Ruzin I.M. "Fine structure of hopping conductance fluctuations in finite-size semiconductors" Phys.Rev.B, 1991, v.43, No. 14, pp. 11864-11872.

73. E. И. Лайко, А. О. Орлов, А. К. Савченко, Э. А. Ильичев, Э. А. Полторацкий "Отрицательное магнитосопротивление и осцилляции прыжковой проводимости короткого электронного канала в полевом Ga/As-транзисторе" ЖЭТФ, 1987, т.93, вып.6(12), стр. 2204-2217.

74. Бакшеев Д.Г., Ткаченко В.А., Литвин Л.В., Колосанов В.А., Могильников К.П., Черков А.Г., Асеев А.Л. «Одноэлектронный металлический транзистор с низкими туннельными барьерами», Автометрия, 2001, №3, стр.118-136.

75. Квон З.Д., Литвин Л.В., Ткаченко В.А., Асеев А.Л. "Одноэлектронные транзисторы на основе эффектов кулоновской блокады и квантовой интерференции" УФН, 1999, т. 169, №4, стр.471-474.

76. Irvine А.С., Durrani Z.A.K., and Ahmed H. "Single-electron effects in heavily doped polycrystalline silicon nanowires" Appl.Phys.Lett., 1998, v.73, No.8, pp.1113-1115.131

77. Nakamura Y., Klein D.L., Tsai J.S. "High temperature single electron transistor" Appl.Phys.Lett, 1996, v.68, p.275.

78. Geerligs L.J., Mooij J.E. "Charging effects and "turnstile" clocking of single electrons in small tunnel junctions", NATO ASI Series B:Physics, 1991, v.251, p.393-412.