Туннельный прибор

 

Использование: изобретение относится к туннельным приборам, а именно к функциональным элементам наноэлектроники и вычислительной техники, и может быть использовано для приборного и схемотехнического применения нанотехнологии, например, для построения одноэлектронных логических схем, создания схем одноэлектронной памяти, работающих при комнатной температуре. Сущность изобретения: туннельный прибор содержит входной, выходной и N управляющих электродов, туннельные барьеры и межбарьерное пространство в нем выполнены в виде упорядоченной структуры из молекул и кластеров, формирующих туннельные переходы, обеспечивающие одноэлектронное коррелированное туннелирование электронов в приборе, причем каждый управляющий электрод расположен в области упорядоченной структуры из молекул и кластеров. Туннельные барьеры и межбарьерное пространство, выполненные в виде упорядоченной структуры из молекул и кластеров, формируют туннельные переходы, которые достаточно малы для того, чтобы обеспечить проявление эффекта кулоновской блокады туннелирования электронов при относительно высоких (комнатных) температурах. Туннельный прибор характеризуется большим быстродействием, низким энерговыделением и может быть использован для создания высокочувствительных сенсоров и датчиков. 3 ил.

Изобретение относится к туннельным приборам, а именно к функциональным элементам наноэлектроники и вычислительной техники, и может быть использовано для приборного и схемотехнического применения нанотехнологии, например для построения одноэлектронных логических схем, создания схем одноэлектронной памяти, работающих при комнатной температуре.

Известно трехвыводное (трехэлектродное) полупроводниковое устройство - патент США N 4286275, H 01 L 29/88, НКИ 357/12, состоящее из комбинации области базы с физическим размером порядка длины свободного пробега основного носителя, области эмиттера, образующей первый барьер относительно области базы и имеющий ширину барьера, позволяющую квантовомеханическое туннелирование; область коллектора, образующая барьер относительно области базы, более низкий, чем первый барьер и имеющий ширину барьера, достаточную, чтобы подавлять квантовомеханическое туннелирование и омический контакт с каждой из областей эмиттера, базы и коллектора.

Трехвыводное (трехэлектродное) полупроводниковое устройство, характеризующееся временем переключения ≈ 10^-12 с и проявляющее динамическое негативное сопротивление, создано из тонкой барьерной области в эмиттерной секции, имеющей барьерную высоту, которая выше, чем у более широкой барьерной области в коллекторной секции, отделенной областью базы, имеющей ширину, сравнимую с длиной свободного пробега основного носителя. В основе работы устройства лежит квантовомеханическое туннелирование, как основной механизм проводимости от эмиттерной области к области базы и перенос горячих основных носителей как основной механизм проводимости через область базы к области коллектора.

Область применения : для усиления, переключения, создания динамического сопротивления.

Особенности : ширина коллекторного барьера такова, что туннельный ток через него незначителен. Переход эмиттер - база : основная проводимость - квантовомеханическое туннелирование.

Размеры : база 100; ширина барьера эмиттера 80 ; ширина барьера коллектора 120 - 150 ; Это устройство, основанное на квантовомеханическом туннелировании как основном механизме проводимости от эмиттерной области к области базы и переносе горячих основных носителей через область базы к области коллектора не позволит создать одноэлектронные аналоговые и цифровые устройства, обладающее существенной миниатюризацией и функционирующее при относительно высоких (комнат ных) температурах, а также обладающим достаточным быстродействием, низким энерговыделением.

Известно трехвыводное (трехэлектродное) устройство патент США N 4912531 (H 01 L 29/88, НКИ 357/12), которое является наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению.

Трехвыводное (трехэлектродное) устройство на основе квантовых ям функционирует подобно МОП-транзистору. Это означает, что 3 вывода прибора могут в общем смысле рассматриваться как источник, проход и сток. Выходной контакт сообщается путем туннелирования с рядом параллельных цепей квантовых ям, каждая яма достаточно мала для того, чтобы энергетические уровни в яме квантовались дискретно. В каждой из таких цепочек ям вторая яма сопряжена с общим вторым проводником, а первая яма электронно сопряжена с общим первым проводником.

Технический результат: создать технологию интегральных схем, где активные устройства могут иметь активные части (области) менее, чем 1/4 микрона. В дальнейшем изобретение обеспечит технологию создания интегральных схем, где могущие быть сделанными активные устройства занимают площадь менее 1/4 кв. микрона.

создать активные устройства, обладающие максимальной скоростью, большей, чем любое МОП-устройство.

создать активные устройства, обладающие максимальной скоростью, большей, чем любое биполярное устройство.

создать прибор, имеющий очень низкую диссипацию энергии.

Для достижения целей данное изобретение обеспечивает : новую разновидность электронных устройств, где по крайней мере 2 близко расположенные потенциальные ямы (островки GaAs в решетке AlGaAs) созданы достаточно малыми, чтобы по крайней мере две компоненты момента носителя (электрона) в ямах были дискретно квантованы. Это означает, что когда связь (настройка, согласование) между ямами установлена так, что энергетические уровни двух ям выравнены, туннелирование пойдет очень быстро, в то время как когда энергетические уровни не выравнены, туннелирование будет сильно подавлено. Этот механизм сильного регулирования приводит к полезным электронным функциям.

Проблема создания функциональных электронных цепей из квантово-сопряженных устройств заключается в том, что эти устройства настолько чрезвычайно малы, что необходимо включать ряд таких устройств параллельно для обеспечения макроскопических выходных токов. Кроме того, процедура подсоединения проводов для соединения ввода и вывода к этим множественным параллельным активным устройствам также трудна, поскольку геометрические ограничения малости устройств накладывают существенные ограничения на геометрию, которая может использоваться для подведения контактов.

Так, цель настоящего изобретения - обеспечить, используя квантово-сопряженные устройства, структуру устройства, где обеспечиваются соединения входа и выхода для проведения макроскопических токов к и от устройства.

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается электронное устройство, содержащее: множество первых и вторых потенциальных ям, каждая представляющая собой остров полупроводникового материала (GaAs, AlGaAs), имеющего минимальный размер менее 500 и другой размер с менее 1000 ; барьерное пространство, находящееся между первой и второй ямами, где минимальная потенциальная энергия носителей по крайней мере на 50 мВ больше, чем минимум потенциальной энергии носителя в ямах. Ямы физически разделены расстоянием, которое в три раза меньше, чем наименьший физический размер каждой ямы; первый проводник электрически сопряжен с каждой из первых ям; второй проводник электрически сопряжен с каждой из вторых ям; выходной контакт отделен от множества таковых вторых ям барьерной средой, барьерная среда между выходным контактом и вторыми ямами имеет минимальную боковую ширину, которая не более чем вдвое шире минимальной боковой ширины, разделяющей первые и вторые ямы; где каждая из ям представляет собой слегка допированный полупроводник, а каждый проводник представляет собой сильно допированный полупроводник.

Работа прибора при 4 K с ямами из GaAs в матрице из Al_0,3Ga_0,7As возможна при ширине ям (и пространств между ними) приблизительно 0,1 - 0,2 мкм или менее. Однако увеличение рабочей температуры до 300K требует уменьшения характерных размеров до 125 или менее.

Устройство по патенту США N 4912531 функционирует на основе резонансного туннелирования, что накладывает определенные ограничения на структуру энергетического спектра электронов в ямах, относительно высокое энерговыделение, отсутствие прямой связи туннельных процессов и измеряемого тока в выходном электроде.

Общими существенными признаками наиболее близкого технического решения и заявляемого прибора являются : наличие входного и выходного, а также управляющего электродов, разделенных туннельными барьерами.

Отличительными существенными признаками заявляемого прибора является то, что в него введены N управляющих электродов, туннельные барьеры и межбарьерное пространство в нем выполнены в виде упорядоченной структуры молекул и кластеров, формирующих туннельные переходы, обеспечивающие одноэлектронное коррелированное нерезонансное туннелирование электронов в приборе, причем каждый управляющий электрод расположен в области упорядоченной структуры молекул и кластеров.

В основе заявляемого технического решения лежит использование явления коррелированного туннелирования электронов.

Основы современной теории коррелированного туннелирования были разработаны уже несколько лет назад [1]. Интерес в мире к этой новой области физики связан с широкими перспективами, которые открываются при дальнейшем исследовании одноэлектронных явлений [2, 3].

С физической точки зрения смысл явления состоит в электронных корреляциях, вызванных кулоновским взаимодействием электронов в различных структурах микро - и наномасштабов. С другой стороны одноэлектроника - это путь к реализации электронных устройств, принцип действия которых основан на кодировании информации одиночными электронами.

Важнейшей особенностью одноэлектронных устройств является отсутствие видимых ограничений снизу на их геометрические размеры. Более того, уменьшение характерных размеров приводит к усилению эффекта корреляции по сравнению с тепловым шумом, что позволяет поднять рабочую температуру. Наряду с крайне малым тепловыделением это снимает традиционные для полупроводниковой технологии ограничения по степени интеграции элементов схем на поверхности кристалла и даже допускает их трехмерную интеграцию в объеме. Чем меньше размер системы, тем ярче проявляется этот эффект.

В основе теории одноэлектроники лежит противоречивое единство двух физических принципов - дискретности электрического заряда и непрерывность изменения заряда при протекании тока. Это единство наиболее ярко проявляется в структурах малого размера, почти полностью изолированных от окружающего пространства, т.е. весьма слабо обменивающейся электронами с внешним миром. Такая слабая связь обеспечивается, например, отделением системы от внешнего мира туннельным барьером (например, тонким слоем изолятора), через который электроны могут лишь " изредка" проникать посредством квантовомеханического туннелирования.

Одним из главных условий реализации одноэлектронных явлений является малость емкости туннельного перехода. Следовательно, представляется логичным реализовывать одноэлектронное туннелирование на объектах с предельно малыми геометрическими размерами, в частности, объектами молекулярного масштаба. Уменьшение характерного размера структуры вплоть до размера молекулы настолько уменьшает ее емкость (под емкостью молекулы понимается ее способность менять электрический потенциал при добавлении или удалении электронов), что становится возможным наблюдать эффекты одноэлектронного туннелирования даже при комнатной температуре. Методами современной нанолитографии можно создавать туннельные переходы размером не менее ≈ 70 нм, что не позволяет поднять рабочую температуру выше 100 мК [4].

Рассмотрим туннельный переход. Пусть взаимная емкость электродов мала (много меньше, чем емкость туннельного перехода). После туннелирования одного электрона разность потенциалов изменится на величину e/C(e = 1,6·10^-19 Ф, C - емкость перехода).

Соответственно, характерный масштаб изменения электростатической энергии системы после туннелирования одного электрона e²/2С.

Электростатическая энергия такой системы : E = Q²/2C; Q = Q₀ + ne(e>0), (1.1)
где Q₀ - константа, зависящая от разности работ выхода электродов ϕ_i
Q_o= C(ϕ₁-ϕ₂)/e, (1.2),
n - число электронов, прошедших через переход.

Для наблюдения эффекта туннелирования отдельных электронов необходимо выполнение двух основных условий.

1. Условие малости тепловых флуктуаций по отношению к электростатической энергии перехода:
e²/2C >> kT, (1.3)
k - постоянная Больцмана, Т - температура.

2. Условие почти полной изолированности объекта от внешнего мира. Слабый обмен электронами в этом случае возможен через туннельный барьер. Условие изолированности имеет простой количественный смысл: туннельное сопротивление получающихся переходов должно быть много больше так называемого квантового сопротивления [4]:
R_Q = h/4e²≈6,5 кОм, (1.4)
h - постоянная Планка.

Выполнение условия (1.4) обеспечивает слабое влияние (подавление) квантового шума, проявляющегося в хаотическом движении электронов через переход даже при нулевой температуре, когда полностью подавлен тепловой шум. При этом электроны будут локализованы на объекте и, соответственно, его заряд будет однозначно определен.

Таким образом, наблюдение эффекта туннелирования одиночного электрона возможно, если тепловые (1.3) и квантовые (1.4) флуктуации заряда малы по сравнению с энергией перезарядки системы при туннелировании.

Можно показать [1], что если электрический заряд перехода Q находится в диапазоне -e/2 <Q <e/2, то туннелирование невыгодно для системы, так как при этом увеличивается ее свободная энергия. Таким образом, если к переходу не приложена разность потенциалов или она мала, акта туннелирования не происходит. Этот эффект носит название кулоновской блокады.

Пусть теперь Q меняется, например под действием какого - либо источника тока, подсоединенного к переходу : = I (t). Пусть Q выходит за один из краев диапазона блокады, например становится чуть больше - e/2. Тогда оказывается энергетически выгодным акт туннелирования электрона, в результате которого заряд на переходе меняется и становится чуть больше - e/2, т. е. снова попадает в диапазон блокады. Поэтому туннелирование следующего электрона оказывается невыгодным до тех пор, пока внешняя перезарядка перехода не создаст вновь условия энергетической выгодности для нового акта туннелирования, т. е. до момента увеличения полного заряда перехода на е. Таким образом будут происходить одноэлектронные колебания заряда Q на переходе и напряжения на нем V = Q/C с частотой f = /e , где - средний ток через переход. При этом туннелирование электронов в одиночном туннельном переходе коррелированно во времени.

В более сложных системах, содержащих несколько переходов, возможна строгая пространственная корреляция актов туннелирования в различных переходах. Если мы имеем два последовательно соединенных перехода, туннелирование электрона через один из них увеличивает напряжение, а следовательно и вероятность туннелирования через другой. Такая пространственная корреляция наиболее сильно выражена, если велико различие сопротивлений двух переходов, и, соответственно, времена туннелирования в них [1]. Средний туннельный ток через систему будет определяться переходом с меньшим сопротивлением. Изменяя извне, например индуцированием (или " впрыскиванием" через большое (больше квантового) сопротивление), заряд на центральном электроде, можно менять условия для туннелирования электронов в обоих переходах, т. е. мы получаем одноэлектронный транзистор. Зависимость тока I_t от управляющего напряжения V_g при фиксированном значении V называется сигнальной характеристикой системы. Эта зависимость оказывается периодической, с периодом, равным элементарному заряду :
I (Q+e) = I(Q).

Теория коррелированного одноэлектронного туннелирования справедлива для переходов с электродами не слишком малых размеров, энергетический спектр которых, в частности, можно считать непрерывным. Весьма интересен вопрос о том, как изменяются характеристики туннельных переходов при уменьшении их размеров до величин, при которых становится существенным пространственное квантование энергетического спектра. Строгой теории, описывающей влияние дискретности энергетического спектра на процесс коррелированного одноэлектронного туннелирования через очень малый металлический объект (например, через металлическую гранулу) или через молекулу (кластер) пока нет. Однако, сделанные оценки [4] показывают, что в случае достаточно большого количества электронов на объекте влияние дискретности энергетического спектра сводится лишь к тому, что на ВАХ, помимо одноэлектронных особенностей, при определенных условиях возможно наличие микроструктуры, обусловленное размерным эффектом при пространственном квантовании энергии электрона.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 - схематически изображена структура туннельного прибора: 1 - входной электрод, 2 - выходной электрод, 3 - N управляющих электродов, 4 - упорядоченная структура из молекул и/или кластеров; на фиг.2 - ВАХ туннельного прибора; на фиг.3 - сигнальная (управляющая) характеристика туннельного прибора с одним управляющим электродом (молекулярный одноэлектронный транзистор) при температуре 300 K. Кластер находится вблизи управляющего электрода.

В настоящее время практически единственным методом регистрации электрических характеристик одиночных структур столь малых размеров является использование метода сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии, который позволяет вести наблюдение и исследование объектов с атомарным разрешением.

Для демонстрации возможностей функционирования заявляемого туннельного прибора использовался метод сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии (СТС). Использование техники сканирующего туннельного микроскопа позволяет измерять характеристики одноэлектронных систем с произвольно малыми (вплоть до атомных) размерами.

Устройство сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) позволяет получать трехмерную картину, отражающую рельеф поверхности, а также включать в цепь игла - подложка интересующие объекты.

Для измерений использовался режим постоянного тока. В этом режиме поддерживается постоянный туннельный ток, а соответствующее ему положение иглы над поверхностью поддерживается и фиксируется с помощью контура обратной связи. При выполнении некоторых условий СТМ позволяет получать отображение рельефа поверхности с атомарным разрешением, имеется возможность выбирать для исследования очень маленькие объекты.

Для реализации туннельного прибора были выбраны металлосодержащие карборановые кластеры, размером порядка 20 . Использование кластеров в качестве активного элемента позволяет наблюдать в такой системе одноэлектронные явления при азотной (≈77K) и даже комнатной температуре T≈300K (фиг.2).

Туннельными переходами при измерении ВАХ на СТМ являются переходы "игла - ядро кластера", и "ядро кластера - подложка". Заряд Q₀ наведенный на кластер полевым образом при подаче напряжения на управляющий электрод 3 (фиг. 1), меняет условия протекания тока по системе и играет роль управления.

Кластеры и кластерные молекулы отличаются от других органических и неорганических молекул тем, что они состоят из компактного тяжелого ядра с, как правило, близкой к сферической симметрией, окруженного лигандной оболочкой из легких атомов или простейших молекул. Особенности электронного строения кластерных молекул - наличие густой сети близко расположенных верхних заполненных молекулярных орбиталей и соответствующих им нижних вакантных молекулярных орбиталей (и те и другие как правило слабо связывающие) обусловливает с одной стороны появление в кластерах множественных одноэлектронных обратимых переходов и, с другой стороны, обеспечивает достаточную устойчивость остова кластерных молекул после добавления или удаления электрона.

Настоящее изобретение предлагает использование в качестве активных элементов туннельного прибора, формирующих в нем туннельные барьеры и межбарьерное пространство (области, где локализуются туннелирующие электроны), соответствующих молекул и кластеров (в частности, молекулярных металлосодержащих кластеров), имеющих требуемые характерные размеры (менее 100 ) и обеспечивающих проявление эффекта кулоновской блокады туннелирования электронов в упорядоченной структуре из таких молекул и кластеров (при этом не накладываются какие-либо определенные ограничения на структуру энергетического спектра электронов на таких молекулах и кластерах. Эти активные молекулы и кластеры (в частном случае, и одна молекула), на которых локализуются туннелирующие электроны, расположены соответствующим упорядоченным образом в пространстве между металлическими (или полупроводниковыми) входными, выходными и управляющими электродами (фиг. 1). При этом туннельный ток протекает по входному (1) и выходному (2) электродам, а управляющие электроды (3) обеспечивают эффективное управление туннельным током электронов (фиг.3) : при монотонном изменении напряжения на управляющем электроде 3 регистрируется немонотонное, периодическое изменение туннельного тока. При использовании данного прибора для создания различных сенсоров туннельный ток изменяется под действием внешних воздействий (электромагнитные поля, взаимодействие компонентов внешней среды с активной областью прибора, одноэлектронными туннельными переходами). Пространственная упорядоченная стабилизация активных молекул, на которых локализуются туннелирующие электроны, обеспечивается их упорядоченным расположением в матрице инертного вещества или химическими связями с компонентами прибора.

Преимуществами предлагаемого туннельного прибора является следующее : активные элементы предлагаемого нами прибора (молекулы и кластеры) имеют строго фиксированные и одинаковые строение (атомарный состав), структуру и, соответственно, размеры. Этим обеспечивается одинаковость активных элементов приборов и, соответственно, воспроизводимость их функциональных параметров и одинаковость отклика на определенное воздействие.

Предлагаемый туннельный прибор обеспечивает создание цифровых и аналоговых устройств, основанных как на традиционных принципах построения схем, так и на совершенно новых принципах кодирования информации, где носителем информации являются отдельные электроны.

Активные элементы прибора (активные молекулы и кластеры) характеризуются чрезвычайно малыми размерами (например, ≈20 для молекулы карборанового кластера), что обеспечивает возможности существенной миниатюризации создаваемых с их использованием одноэлектронных устройств.

Благодаря использованию в качестве активных элементов прибора молекул и кластеров, обладающих нанометровыми размерами, характерные размеры активных областей прибора (одноэлектронных туннельных переходов) становятся достаточно малы для того, чтобы обеспечить управляемое одноэлектронное коррелированное туннелирование при относительно высоких (комнатных) температурах, а также позволяют реализовать при этих температурах чрезвычайно высокую чувствительность к изменениям заряда на активных элементах прибора (≈10^-5e/Гц^1/2).

В отличие от прототипа, функционирующего на основе резонансного туннелирования, в предлагаемом нами приборе не накладываются какие-либо определенные ограничения на структуру энергетического спектра электронов в молекулах и кластерах, формирующих в нем одноэлектронные туннельные переходы. Быстродействие предлагаемого прибора не хуже, чем у прототипа - прибора на эффекте резонансного туннелирования. Энерговыделение в процессе электронного туннелирования в приборе ниже, чем в известных туннельных приборах. В предлагаемом нами приборе регистрируется непосредственно туннельный ток (в отличие от прототипа, где нет прямой связи туннельных процессов и измеряемого тока в выходном электроде).

Признаки, отличающие наш прибор :
1. В отличие от прототипа в основе функционирования нашего прибора лежит не резонансное туннелирование между квантовомеханическими ямами с дискретными энергетическими уровнями, а управляемое одноэлектронное коррелированное туннелирование электронов в системе молекул или кластеров с произвольным энергетическим спектром электронов.

2. В предлагаемом нами приборе регистрируется непосредственно туннельный ток (в отличие от прототипа, где нет прямой связи туннельных процессов и измеряемого тока в выходном электроде).

3. В качестве активных элементов предлагаемого нами прибора используются молекулы или кластеры (в том числе металлосодержащие), а не островки полупроводника, как в прототипе.

Предлагаемый нами туннельный прибор функционирует на основе управляемого одноэлектронного коррелированного туннелирования электронов. Явление одноэлектронного коррелированного туннелирования электронов было теоретически предсказано и описано, а затем и экспериментально продемонстрировано [1, 2, 3] . Возможность реализации управления таким туннельным током открывает возможности построения различных электронных схем на основе одноэлектронных туннельных переходов и, таким образом, создания одноэлектронных аналоговых и цифровых устройств. Создание таких устройств является весьма перспективным и важным для развития микроэлектронной техники, поскольку в таких устройствах реализуется новый принцип кодирования информации - носителем информации являются отдельные электроны. Такие устройства характеризуются большим быстродействием. Теоретические оценки, соответствующие размерным параметрам предлагаемого прибора, дают величину ≈3·10^-14 с, а также величину энерговыделения в процессе одноэлектронного переноса ≈10^-24Дж [4]. Основные принципы построения схем аналоговых и цифровых устройств на основе управляемого одноэлектронного туннелирования в настоящее время разработаны теоретически [4], однако практически создаваемые в рамках традиционной твердотельной планарной технологии одноэлектронные устройства реализованы лишь при сверхнизких температурах <1K [4] . Из теории следует, что для того, чтобы одноэлектронное устройство функционировало при комнатных температурах, необходимо уменьшить характерные размеры его активных областей (одноэлектронного туннельного перехода) ниже 100 . Известные твердотельные микроэлектронные технологии в настоящее время (и, возможно, в обозримом будущем) не в состоянии воспроизводимо реализовать такие устройства.

Источники информации
1. D. V. Averin, K. K. Likharev, SQUID'85, H. Lubbig and H-D Hahlbohm, Eds., W. de Gruyter, Berlin, 1985, P.197.

2. Л.С. Кузьмин, К.К. Лихарев, Письма в ЖЭТФ, 1987, т. 45, с.389
3. T.A. Fulton, G.J. Dolan, Phys. Rev. Lett., 1987, v. 59, p.807.

4. D.V. Averin, K.K. Likharev, in: "Mesoscopic Phenomena in Solids", Ed. by B. L. Altshuler, P.A. Lee, R.A. Webb, Elsevier Science Publishers B.V., 1991, p.173.

Формула изобретения

Туннельный прибор, содержащий входной, выходной и управляющий электроды, разделенные туннельными барьерами, отличающийся тем, что в него введены N управляющих электродов, туннельные барьеры и межбарьерное пространство в нем выполнены в виде упорядоченной структуры из молекул и кластеров, формирующих туннельные переходы, обеспечивающие одноэлектронное коррелированное туннелирование электронов в приборе, причем каждый управляющий электрод расположен в области упорядоченной структуры из молекул и кластеров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3