ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ОДНОЭЛЕКТРОННОГО ТРАНЗИСТОРА, РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ Российский патент 2021 года по МПК H01L21/336 H01L29/78 B82Y10/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к нанотехнологиям, а конкретно к технологиям изготовления электронных устройство на основе одноэлектронных транзисторов, которые могут быть использованы для конструирования новых вычислительных, коммуникационных и сенсорных устройств.

Уровень техники

Разработка элементов для создания вычислительных и сенсорных устройств, разработка технологий изготовления квазидвумерных твердотельных структур субнанометровых размеров, использующих в качестве активных элементов одиночные атомы, являются крайне актуальными задачами. Создание элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, имеющим размеры в несколько десятков нанометров, способом, включающим небольшое количество технологических шагов - является актуальной задачей.

Из уровня техники известны устройство с вертикальным туннелированием и отрицательным дифференциальным сопротивлением и способ его изготовления (Патент US 9293546 B2). Устройство включает электроды стока и истока, между которыми вертикально расположены одна или несколько квантовых ям, которые обеспечивают реализацию устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Устройство изготавливают с использованием методов литографии и химического осаждения из газовой фазы или физического осаждения из газовой фазы или атомно-слоевого осаждения или молекулярно-лучевой эпитаксии или эпитаксии химического осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений или эпитаксией в сверхвысоком вакууме при пониженной температуре. Однако известное устройство имеет значительно большие размеры (100÷500 нм) по сравнению с заявляемым устройством. Кроме того, в известном устройстве используется схема транзистора с закрытым каналом, способ изготовления которого предполагает намного больше технологических этапов за счет необходимости формирования по меньшей мере 8 технологических слоев, а также формирования в каждом слое различных элементов устройства. Кроме того, для изготовления устройства требуется значительно большее количество типов материалов (Si, In_xAl_1-xAs, AlAs, In_xGa_1-xAs, high K материалы), что усложняет технологию изготовления устройства.

Известно устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением (Патент US 9159476 B2), включающее управляющие проводящие линии, направленные перпендикулярно друг другу, в местах пересечения которых расположены области, в которых реализуется эффект отрицательного дифференциального сопротивления. Размер каждой области варьируется от 100х100х500 до 100х100х10 нм. Такое устройство имеет относительно большие размеры и не позволяет настраивать параметры отрицательного дифференциального сопротивления. В устройстве также используется схема транзистора с закрытым каналом.

Известен полевой транзистор с отрицательным дифференциальным сопротивлением и схема на его основе (Патент US 6559470 B2). В изобретении представлен классический полевой транзистор с каналом n-типа со сформированным слоем зарядовых ловушек, находящимся в непосредственной близости от подложки, на которой расположен транзистор. Такое устройство в сенсорных приложениях обладает меньшей чувствительностью, чем предлагаемое электронное устройство на основе одноэлектронного транзистора. Транзистор изготавливают с использованием методов литографии и стандартных КМОП технологий. Однако известные методы позволяют создавать устройства с характерными планарными размерами ~ 250 нм и не обеспечивают возможности получения устройства с характерным размером менее 50 нм. Кроме того, для изготовления данного полевого транзистора требуется большее количество технологических операций, и потенциально большее энергопотребление, чем в предлагаемом устройстве.

Наиболее близкими к заявляемым способу и устройству являются способ изготовления одноэлектронных одноатомных транзисторов с открытым каналом, и транзистор, изготовленный таким способом (патент RU 2694155). Одноэлектронный одноатомный транзистор с открытым каналом содержит туннельные электроды, выполненные в виде узких (не более 50 нм) полос, расположенных с зазором не более 50 нм между их торцами, а также управляющие электроды, при этом управляющие электроды транзистора удалены от острова транзистора не более чем на 5-50 нм. Остров транзистора представляет собой примесный атом, который может располагаться как на краю, так и в центре канала транзистора. Расстояние, на котором располагаются управляющие электроды от острова транзистора, определяется как расстояние от затвора до края кремниевого канала или от затвора до середины кремниевого канала. Способ изготовления одноэлектронного одноатомного транзистора с открытым каналом (RU 2694155) включает формирование подложки с имплантацией примесных атомов в поверхностном квазидвумерном слое толщиной 5-10 нм, формирование на подложке туннельных электродов с обеспечением зазора между ними, формирование мостика между туннельными электродами, содержащего один примесный атом в его квазидвумерном слое, формирование управляющих электродов затвора. Однако, из-за того, что остров транзистора формируется одним примесным атомом, в устройстве не будет реализовываться эффект отрицательного дифференциального сопротивления.

Раскрытие изобретения

Решаемой технической проблемой и достигаемым техническим результатом является создание электронного устройства на основе одноэлектронного транзистора, реализующего отрицательное дифференциальное сопротивление, и имеющего размеры рабочей области до 50 нм (ширина w = 5÷50 нм, предпочтительно w = 5÷40 нм; длина l = 10÷50 нм; высота h = 15÷50 нм).

Реализация отрицательного дифференциального сопротивления обеспечивается за счет имплантации определенного количества (от 2 до 10) примесных атомов между электродами стока и истока и обеспечения высокой однородности концентрации примесных атомов. Нижняя граница количества атомов (2 примесных атома) определяется необходимостью формирования как минимум 2 локализованных систем дискретных энергетических уровней, необходимых для реализации эффекта, верхняя граница (10 примесных атома) определяется тем, что при превышении данного количества эффект будет размыт за счет большого количества возможных путей туннелирования электронов через примесные атомы.

Технический результат достигается при изготовлении и использовании электронного устройства на основе одноэлектронного транзистора, включающего подложку с расположенными на ней электродами стока и истока, управляющими электродами затвора, при этом электроды стока и истока, выполнены из проводящего материала, расположены в одной плоскости с образованием зазора и соединены с помощью мостика, содержащего от 2 до 10 примесных атома в его квазидвумерном слое, при этом примесные атомы расположены на расстоянии друг от друга, обеспечивающем туннелирование электронов и создание отрицательного дифференциального сопротивления при подаче напряжения на электроды стока и истока.

Для реализации эффекта туннелирования предпочтительно последовательное расположение примесных атомов в квазидвумерном слое с обеспечением среднего расстояния L между соседними примесными атомами, определяемого из условия:

(01)

где n – концентрация примесных атомов, L – среднее расстояние между атомами, e – заряд электрона, ε - относительная диэлектрическая проницаемость подложки, I_d – потенциал ионизации электронов примесного атома, – постоянная Планка, m^* – эффективная масса носителей заряда на дне проводимости материала мостика, τ – прозрачность туннельного барьера между примесными атомами.

Материал подложки и материал для примесных атомов выбирают исходя из следующих условий: τ = 0,01÷0,0001; n = 10¹²÷5*10¹³ см^-2;ε = 3÷30, I_d = 10÷300 мэВ, m^* = 0,1 ÷ 2.0 m, где m – масса электрона, при этом в качестве примесных атомов могут быть использованы: K, As, P, N, Al, B, Au, Ga, Li, Fe, Pb, Cr, C; а подложка может быть выполнена из следующих материалов: Si, SiC, In_xAl_1-xAs, AlAs, In_xGa_1-xAs, (0.1 ≤ x ≤ 0.9), high-K материалов.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения мостик имеет следующие размеры – ширину, длину, высоту не более 50 нм, при этом среднее расстояние между примесными атомами в квазидвумерном слое мостика составляет до 7 нм.

Способ получения электронного устройства включает формирование подложки с имплантацией примесных атомов в поверхностном квазидвумерном слое толщиной 5-10 нм, формирование на подложке электродов стока и истока с обеспечением зазора между ними, формирование мостика между электродами стока и истока (с примесными атомами в поверхностном квазидвумерном слое толщиной 5-10 нм), формирование управляющих электродов затвора, при этом мостик между электродами стока и истока формируют с обеспечением концентрации примесных атомов, выбранной из диапазона n = 10¹²÷5*10¹³ см^-2 с учетом величин ε, I_d, τ формулы (01). Электроды на поверхности подложки могут быть сформированы методом литографии и термического или плазменного напыления. Требуемую концентрацию примесных атомов в поверхностном квазидвумерном слое мостика обеспечивают методом ионно-пучковой имплантации, или методом плазменно-иммерсионной ионной имплантации, или методом термического отжига, выполненным после имплантации.

Способ реализации отрицательного сопротивления включает определение конфигурации напряжений на электродах путем определения диаграммы стабильности электронного устройства методом последовательного измерения вольт-амперных характеристик между электродами стока и истока; выбор области диаграммы стабильности с учетом наличия в этой области участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением; подачу на электроды стока и истока и управляющие электроды напряжений, соответствующих выбранным значениям из диаграммы стабильности.

В предлагаемом способе и устройстве техническая сложность создания устройства с малыми размерами решается путем реализации эффекта отрицательного дифференциального сопротивления через использование явления туннелирования электронов через конечное (небольшое) количество одиночных примесных атомов. Заявляемый способ позволяет реализовать технологию имплантации подложки с высокой точностью и высокой однородностью концентрации примесных атомов.

Технический результат заявляемого устройства и способа заключается в реализации элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, имеющим следующие размеры (ширину (w), длину (l), высоту (h)): w = 5÷40 нм, l = 10÷50 нм, h = 15÷50 нм), позволяющим контролировать параметры этого элемента (значение напряжения сток-исток, при котором реализуется эффект отрицательного дифференциального сопротивления, значение управляющего напряжения, при котором реализуется эффект отрицательного дифференциального сопротивления, величину тока сток-исток), и обладающий рекордной чувствительностью к изменению электрического заряда (10^-2÷10¹ e/Гц^1/2) при использовании его в сенсорных приложениях.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется иллюстративными материалами, где на фиг. 1 представлена конструкция электронного устройства на основе одноэлектронного транзистора, реализующего отрицательное дифференциальное сопротивление; на фиг. 2 представлено изображение одноэлектронного транзистора на основе нескольких примесных атомов калия, полученное с помощью электронного микроскопа; на фиг. 3 представлен график зависимости тока транзистора с легирующими атомами калия от величины напряжения сток-исток, измеренные при температуре 300°К. В диапазоне управляющих напряжений от -3.6 Вольт (квадраты) до -3.8 Вольт (треугольники) реализуется эффект отрицательного дифференциального сопротивления для диапазонов напряжения сток-исток 1.7-1.9 Вольт и 2.5-2.7 Вольт; на фиг. 4 представлена модель одноэлектронного транзистора, включающего два туннельно-связанных примесных атома, которые расположены между электродами стока и истока и связаны с ними через туннельные переходы. Каждый примесный атом изображен двумя электронными энергетическими уровнями (первый атом: ε₁₁, ε₁₂, второй атом: ε₂₁, ε₂₂). На каждом уровне может находиться 2 электрона со спином вверх и со спином вниз (отмечены стрелками). Электроны могут туннелировать между левым электродом и левым атомом (переходы Г₁₁ и Г₁₂), между правым электродом и правым атомом (переходы Г_R1 и Г_R2), между атомами (переходы Г_11-21, Г_11-22, Г_12-21 и Г_12-22).

Позициями на чертежах обозначены: 1 – одноэлектронный транзистор с открытым каналом, 2 – квазидвумерный слой примесных атомов в мостике транзистора, 3 – подложка, 4 – мостик транзистора, 5 – электрод стока, 6 – электрод истока, 7 – управляющий электрод.

Осуществление изобретения

Ниже представлено более детальное описание заявляемого электронного устройства на основе одноэлектронного транзистора, реализующего отрицательное дифференциальное сопротивление, а также способа создания электронного устройства и способа его применения.

Электронное устройство на основе одноэлектронного транзистора, реализующее отрицательное дифференциальное сопротивление, содержит квазидвумерный слой примесных атомов 2 в виде небольшого (2-10) количества примесных атомов в кристаллической решетке с открытым каналом. Заявляемое устройство представлено на фиг. 1, 2. Устройство состоит из подложки 3, например, из кремния, германия, карбида кремния, антимонида алюминия, арсенида алюминия, арсенида галлия, селенид кадмия и т.д.; тонкого мостика 4, допированного примесными атомами, включая атомы калия, или атомы мышьяка, или атомы фосфора, или атомы азота, или атомы алюминия, или атомы бора, или атомы золота, или атомы галлия, или атомы лития, или атомы железа, или атомы свинца, или атомы хрома, или атомы углерода, в квазидвумерном приповерхностном слое; электродов стока 5 и истока 6; управляющим (одним или несколькими) электродом затвора 7, расположенным близко к тонкому мостику, например, на расстоянии 5-30 нм.

Для обеспечения туннелирования электронов примесные атомы в квазидвумерном слое расположены последовательно, при этом среднее расстояние L между соседними примесными атомами (при этом расстояние между электродом и ближайшим атомом также равно среднему расстоянию между атомами) выбрано из условия:

(01)

где n – концентрация примесных атомов, L – среднее расстояние между атомами, e – заряд электрона, ε – относительная диэлектрическая проницаемость, I_d – потенциал ионизации электронов примесного атома, – постоянная Планка, m^* – эффективная масса носителей заряда на дне проводимости материала мостика, τ – прозрачность туннельного барьера между примесными атомами.

Материал подложки и материал для примесного атома выбирают с обеспечением следующих параметров: τ = 0,01÷0,0001; n = 10¹²÷5*10¹³ см^-2; ε = 3÷30, I_d = 10÷300 мэВ, m^*= 0,1÷2.0 m, где m – масса электрона. Диапазоны значений для ε, I_d и m^* соответствуют следующим материалам подложки: Si, SiC, In_xAl_1-xAs, AlAs, In_xGa_1-xAs, (0.1 ≤ x ≤, 0.9), high-K материалам, и материалам для примесных атомов: K, As, P, N, Al, B, Au, Ga, Li, Fe, Pb, Cr, C. Диапазон концентраций примесных атомов соответствует диапазону средних расстояний между примесными атомами в мостике устройства от 2 до 7 нм.

Способ получения устройства на основе одноэлектронного транзистора, реализующего отрицательное дифференциальное сопротивление, основан на создании между двумя электродами тонкого мостика из полупроводника или диэлектрика, в которые имплантированы несколько (от 2 до 10) примесных атомов (фиг. 1, фиг. 2).

Заявляемое устройство может быть изготовлено способом, который подробно изложен в описании изобретения по патенту RU 2694155. При этом концентрацию примесных атомов (n = 10¹² ÷ 5*10¹³ см^-2) в поверхностном квазидвумерном слое мостика обеспечивают методом ионно-пучковой имплантации либо методом плазменно-иммерсионной ионной с последующим термическим отжигом (Анищик В.М., Углов В.В. Модификация инструментальных материалов ионными и плазменными пучками, Белорусский государственный университет, 2003; K. Rudenko, S. Averkin, V. Lukichev, A. Orlikovsky, A. Pustovitand A. Vyatkin, Ultrashallow p+-n junctions in Si produced byplasma immersion ion implantation. Proc.SPIE 6260, 626003 (2006) http://doi.org/10.1117/12.676912). В качестве материала мостика может быть использован полупроводник (кремний, германий, карбид кремния, антимонид алюминия, арсенид алюминия, арсенид галлия, селенид кадмия и т.д.), материала электродов – проводящий материал (любые металлы, например золото, хром, медь, титан, никель, алюминий, и др.; сильно легированные полупроводниковые материалы, например кремний, карбид кремния, и др.). Размеры мостика (ширина w, длина l, высота h) могут варьироваться в следующих диапазонах: w = 5÷40 нм, l = 10÷50 нм, h = 15÷50 нм.

В одном из вариантов реализации способ изготовления одноэлектронного транзистора с открытым каналом включает следующие этапы: 1) имплантация примесных атомов калия в поверхностный слой кремния (толщиной 5-10 нм) пластины кремния на изоляторе; 2) а) нанесение слоя позитивного электронного резиста (ЭРП) на пластину кремния на изоляторе (КНИ) в виде тонкой полимерной пленки; б) формирование рисунка электродов стока и истока (далее по тексту – электродов) в виде сужающихся по направлению друг к другу полос с зазором между их торцами в слое ЭРП посредством электронной литографии и проявления экспонированного рисунка в проявителе; в) напыление пленки стойкого к щелочному травлению металла толщиной не более 50 нм на пластину с рисунком электродов с последующим удалением оставшегося резиста и пленки металла на нем растворителем, в результате чего получают пластину с металлическими выступами, представляющими собой электроды, расположенные с зазором между торцами; 3) а) нанесение пленки ЭРП на полученную пластину с электродами и формирование рисунка маски с обеспечением покрытия маской туннельных электродов и зазора между ними в слое резиста посредством электронной литографии и проявления экспонированного рисунка; б) напыление пленки маскирующего материала толщиной не менее 5 нм на пластину с рисунком туннельных электродов с последующим удалением оставшегося резиста и пленки металла на нем посредством помещения пластины в растворитель, в результате чего получают на пластине маску, покрывающую электроды и зазор между ними; в) удаление верхнего слоя кремния пластины КНИ посредством анизотропного реактивно-ионного травления, при этом слой кремния остается только в местах, которые были защищены маской, включая электроды и зазор между ними, а слой маски выступает за границы оставшегося слоя кремния на расстояние не более 10 нм; 4) а) нанесение пленки ЭРП на полученную пластину с электродами с последующим формированием щели в полученном слое резиста в виде полосы, ориентированной под углом к линии расположения электродов, с использованием метода электронной литографии и проявления; б) напыление слоя стойкого металла в сформированную щель с образованием управляющих электродов и удаление растворителем остатков резиста с пленкой металла на нем; в) растворение маски с остатками стойкого металла в щелочном травителе. В качестве ЭРП может быть использован полиметилметакрилат (ПММА), ZEP 520А или AR-P 6200. В качестве стойкого металла при формировании электродов используют хром, а при формировании управляющих электродов используют титан, или наоборот. В качестве маскирующего материала используют алюминий или оксид алюминия.

Заявляемый способ в отличие от схем с закрытым каналом (Sellier H. etal. Transport spectroscopy of a single dopant in a gated silicon nanowire) позволяет при изготовлении имплантировать дополнительно или удалять зарядовые центры в/из кристаллической решетки.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На фиг. 3 представлен график зависимости тока транзистора от величины напряжения сток-исток.

Электронный транспорт реализуется только за счет туннелирования между примесными атомами. Эффект отрицательного дифференциального сопротивления реализуется при таких напряжениях между электродами, когда дискретные энергетические уровни двух соседних примесных атомов не совпадают и туннелирование между ними невозможно.

При туннелировании электронов в одноэлектронном режиме через примесные атомы, которые обладают выраженным дискретным одночастичным энергетическим спектром, при определенных значениях напряжения сток-исток и управляющего напряжения (например, для материала подложки Si, материала примесных атомов K напряжение сток-исток 2÷2.3 Вольта, управляющее напряжение -1.24÷-1.18 Вольт) возникает запрет на туннелирование, связанный с несоответствием изменения свободной энергии системы при туннелировании и разности энергий соответствующих одночастичных энергетических уровней (начального и конечного), что приводит к появлению эффекта отрицательного дифференциального сопротивления.

На фиг. 4 представлена модель системы, состоящей из двух туннельно-связанных примесных атомов, которые расположены между управляющими электродами и связаны с ними через туннельные переходы. Каждый примесный атом имеет набор дискретных одноэлектронных уровней энергии ε_i, примесные атомы имеют разное пространственное расположение и, следовательно, различную связь с электродами истока и стока. Каждый примесные атом изображен двумя электронными энергетическими уровнями (первый атом: ε₁₁, ε₁₂, второй атом: ε₂₁, ε₂₂). На каждом уровне может находиться 2 электрона со спином вверх и со спином вниз (отмечены черными стрелками). Электроны могут туннелировать между левым электродом и левым атомом (переходы Г₁₁ и Г₁₂), между правым электродом и правым атомом (переходы Г_R1 и Г_R2), между атомами (переходы Г_11-21, Г_11-22, Г_12-21 и Г_12-22).

При нулевом и очень малом (например, для материала подложки Si, материала примесных атомов K напряжение сток-исток < 1.0 Вольта) напряжении смещения туннелирование электронов между электродами и примесными атомами и между примесными атомами отсутствует из-за увеличения кулоновской энергии в результате этого процесса. При увеличении напряжения смещения (например, для материала подложки Si, материала примесных атомов K напряжение сток-исток > 1.0 Вольта) становится возможным туннелирование электронов между левым электродом и примесными атомами, между примесными атомами, между примесными атомами и правым электродом. При этом туннелирование между примесными уровнями возможно только для уровней энергии ε₁₁ и ε₂₁, ε₁₂ и ε₂₂ соответственно. Наличие такой возможности приводит к появлению первого токового пика на ВАХ. При продолжении увеличении напряжения смещения закон сохранения энергии при туннелировании между ε₁₁ и ε₂₁, ε₁₂ и ε₂₂ перестает выполняться и туннельный ток уменьшается, а затем продолжающееся увеличение напряжения смещения приводит к появлению возможности туннелирования между энергетическими уровнями ε₁₁ и ε₂₂ и, как результат, к появлению второго токового пика на ВАХ. Дальнейшее увеличение электрического смещения приводит снова к падению электрического тока в системе до тех пор, пока снова не возникнет возможность для туннелирования электронов между парой энергетических уровней примесных атомов.

Измеряя диаграмму стабильности транзистора (зависимость транспортного тока от напряжения сток-исток и управляющего напряжения), определяют области напряжений, при которых реализуется эффект отрицательного дифференциального сопротивления.

Примеры реализации изобретения

Согласно заявляемому изобретению было изготовлено электронное устройство на основе одноэлектронного транзистора, реализующего отрицательное дифференциальное сопротивление, работающее при комнатной температуре. Заявленное устройство было изготовлено согласно описанной выше технологии. В качестве материала мостика был использован кремний с примесными атомами калия (I_d = 250 мэВ). Материал проводящих электродов: хром. Концентрация примесных атомов n = 1,2*10¹³ см^-2, среднее расстояние между примесными атомами в мостике: 2,9 нм. Внедрение примесных атомов было реализовано методом ионно-пучковой имплантации. Электроды формировались методом электронно-лучевой литографии и вакуумного термического напыления хрома. Мостик устройства формировался методом реактивно-ионного травления во фторсодержащей плазме через алюминиевую маску. Размеры мостика: длина (l) 50 нм, ширина (w) 40 нм, высота (h) 50 нм. Диэлектрическая проницаемость в кремнии ε = 12, эффективная масса носителей заряда m^*= 1,08.

Параметры вольт-амперной характеристики (ВАХ) полученного устройства с эффектом отрицательного дифференциального сопротивления приведены на фиг. 3. На данной фигуре представлена зависимость тока транзистора с легирующими атомами калия от величины напряжения сток-исток, измеренные при температуре 300°К. В диапазоне управляющих напряжений от -3.6 до -3.8 Вольт реализуется эффект отрицательного дифференциального сопротивления для диапазонов напряжения сток-исток 1.7-1.9 Вольт и 2.5-2.7 Вольт. Изменение тока между электродами стока и истока на участках с отрицательным дифференциальным сопротивлением составляет от 0,3 до 0,7 нА при абсолютной величине тока 1.0-2.0 нА. Чувствительность к изменению электрического потенциала на участках с отрицательным дифференциальным сопротивлением составляет 1 ÷ 5 мВ.

В таблице 1 указаны значения среднего расстояния между примесными атомами (L) и концентрации (n) для кремниевой подложки (ε = 12), для примесных атомов мышьяка, алюминия, калия и фосфора, которые были использованы при изготовлении заявляемых устройств, которые обеспечивали достижение указанного технического результата. Величина прозрачности туннельного барьера соответствует туннельному сопротивлению между примесными атомами от единиц (τ = 0,01) до сотен (τ = 0,0001) МОм, что соответствует току между электродами стока и истока от единиц до сотни нА при напряжении от десятков до тысяч мВ. Указанный диапазон прозрачностей необходим для реализации одноэлектронного режима туннелирования между электродами стока и истока: электрическое сопротивление между электродами стока и истока должно быть много больше квантового сопротивления (Rq ≅25, 8 кОм) [D.V. AVERIN, K.K. LIKHAREV, Chapter 6 - Single Electronics: A Correlated Transfer of Single Electrons and Cooper Pairs in Systems of Small Tunnel Junctions, Editor(s): B.L. ALTSHULER, P.A. LEE, R.A. WEBB, Modern Problems in Condensed Matter Sciences, Elsevier, Volume 30, 1991, Pages 173-271, ISSN 0167-7837, ISBN 9780444884541, https://doi.org/10.1016/B978-0-444-88454-1.50012-7].

Таблица 1.

Потенциал ионизации, I_d, мэВ
Источник: Sze, S. M.; Ng, K. K. Physics of Semiconductor Devices ; John Wiley & Sons, 2006;
http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/0470068329. Прозрачность τ L, нм n, *10¹² см^-2 54 (мышьяк,As) 0,01 4,9 4,2 54 (мышьяк,As) 0,0001 7,5 1,8 120 (алюминий, Al) 0,01 2,7 13 120 (алюминий, Al) 0,0001 4,6 4,8 250 (калий, K) 0,01 1,7 34 250 (калий, K) 0,0001 2,9 12 46 (фосфор, P) 0,01 6,25 2,6 46 (фосфор, P) 0,0001 7,6 1,8

Изобретение относится к нанотехнологиям, а конкретно к технологиям изготовления одноэлектронных транзисторов, которые могут быть использованы для конструирования новых вычислительных, коммуникационных и сенсорных устройств. Электронное устройство на основе одноэлектронного транзистора включает подложку с расположенными на ней электродами стока и истока, управляющими электродами затвора, при этом электроды стока и истока выполнены из проводящего материала, расположены в одной плоскости с образованием зазора и соединены с помощью мостика, содержащего от 2 до 10 примесных атома в его квазидвумерном слое, при этом примесные атомы расположены на расстоянии друг от друга, обеспечивающем туннелирование электронов и создание отрицательного дифференциального сопротивления при подаче напряжения на электроды стока и истока. Изобретение обеспечивает возможность создания электронного устройства на основе одноэлектронного транзистора, реализующего отрицательное дифференциальное сопротивление и имеющего размеры рабочей области до 50 нм. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Электронное устройство на основе одноэлектронного транзистора, включающее подложку с расположенными на ней электродами стока и истока, управляющими электродами затвора, при этом электроды стока и истока выполнены из проводящего материала, расположены в одной плоскости с образованием зазора и соединены с помощью мостика, содержащего примесный атом в его квазидвумерном слое, отличающееся тем, что мостик содержит от 2 до 10 примесных атомов, при этом примесные атомы расположены последовательно на расстоянии друг от друга, обеспечивающем туннелирование электронов и создание отрицательного дифференциального сопротивления при подаче напряжения на электроды стока и истока, где среднее расстояние L между соседними примесными атомами выбрано из условия:

где n – концентрация примесных атомов, L – среднее расстояние между атомами, e – заряд электрона, ε – относительная диэлектрическая проницаемость подложки, I_d – потенциал ионизации электронов примесного атома, – постоянная Планка, m^* – эффективная масса носителей заряда на дне проводимости материала мостика, τ – прозрачность туннельного барьера между примесными атомами.

2. Электронное устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве примесных атомов выбирают атомы калия, или атомы мышьяка, или атомы фосфора, или атомы азота, или атомы алюминия, или атомы бора, или атомы золота, или атомы галлия, или атомы лития, или атомы железа, или атомы свинца, или атомы хрома, или атомы углерода.

3. Электронное устройство по п. 1, отличающееся тем, что мостик имеет ширину, длину, высоту не более 50 нм, при этом среднее расстояние между примесными атомами в квазидвумерном слое мостика составляет до 7 нм.

4. Способ получения электронного устройства по п. 1, включающий имплантацию в подложку примесных атомов в поверхностном квазидвумерном слое толщиной 5-10 нм, формирование на подложке электродов стока и истока с обеспечением зазора между ними, формирование мостика между электродами стока и истока, формирование управляющих электродов затвора, отличающийся тем, что мостик между электродами стока и истока формируют с обеспечением концентрации примесных атомов, выбранной из диапазона n = 10¹²÷5*10¹³ см^-2 в зависимости величин ε, I_d, τ по п. 1.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что электроды на поверхности подложки формируют методом литографии и термического или плазменного напыления.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что требуемую концентрацию примесных атомов в поверхностном квазидвумерном слое мостика обеспечивают методом ионно-пучковой имплантации, или методом плазменно-иммерсионной ионной имплантации, или методом термического отжига, выполненным после имплантации.

7. Способ реализации отрицательного сопротивления с помощью устройства по п. 1, включающий определение конфигурации напряжений на электродах путем определения диаграммы стабильности электронного устройства методом последовательного измерения вольт-амперных характеристик между электродами стока и истока; выбор области диаграммы стабильности с учетом наличия в этой области участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением; подачу на электроды стока и истока и управляющие электроды напряжений, соответствующих выбранным значениям из диаграммы стабильности.