Введение к работе
Актуальность темы. Современная одноэлектроника - это динамично развивающаяся область физики и электроники, прогресс в которой связан с последними достижениями в области высоких технологий. К настоящему моменту уже разработан и изготовлен в лабораторном масштабе ряд устройств, манипулирующих одиночными электронами и обладающих уникальными рабочими характеристиками. Эти разработки открывают возможность создания в недалеком будущем принципиально новой элементной базы цифровых систем (см. напр. обзор Аверина и Лихарева, Гл. 9 в [1]).
Ключевым фактором, определяющим перспективность будущего применения одноэлектронных структур, является принципиальная возможность изготовления устройств с габаритами существенно меньшими, чем у их полупроводниковых аналогов. При этом, в отличие от ситуации в традиционной микроэлектронике, минимально достижимые размеры одноэлектронных приборов определяются скорее технологическими, нежели физическими соображениями.
Использование принципа кодирования информации с помощью единичных электронов дает возможность разработки цифровых одноэлектронных устройств с малым энергопотреблением, что в совокупности с миниатюрностью элементов создает предпосылки для достижения чрезвычайно высокой степени интеграции в одноэлектронных микросхемах.
Одним из важнейших базовых элементов цифровой схемотехники является ячейка памяти. В основу работы одноэлектронного прототипа ячейки памяти (рдноэлектрошюй ловушки) положен эффект кулоновской блокады в цепочке субмикронных туннельных контактов. Суть эффекта памяти состоит в том, что благодаря электростатическому барьеру, возникающему на пути электрона при его перемещении вдоль цепочки, электрон, однажды оказавшись на одном из крайних узлов цепочки, будет удерживаться на нем в течение длительного времени.
Одной из важнейших характеристик ячейки памяти, определяющих, в конечном итоге, перспективы практического примененші системы является время удержания электрона. Оно ограничивается действием ряда механизмов спонтанного переключения состояний одноэлсктронной ловушки.
Интенсивность процессов переключения и ее температурная зависимость в значительной мере определяются тем, насколько малы емкости, а, следовательно, геометрические размеры туннельных контактов и островов между ними. Так, например, возможность наблюдения одноэлектронных эффектов при температурах около 0.1 К возникает лишь при площади туннельного контакта не превосходящей нескольких сотых квадратного микрона. Это налагает жесткие требования на выбор технологии изготовления одноэлектронных структур.
Одной из общих проблем, возникающих при исследовании одноэлектронных систем, является вопрос об определении значений их основных электрических параметров. Знание значений параметров необходимо для проведения моделирования поведения одноэлектронных структур и проверки предложенных моделей протекающих процессов. В связи с этим зачастую возникает задача разработки специальной топологии структуры, допускающей оперативное тестирование структур и получение необходимой информации о параметрах образца путем проведения дополнительных электрических измерений.
Обобщая вышесказанное, можно утверждать, что путь к разработке цифровых одноэлектронных устройств лежит через поиск оптимальной технологии изготовления и оптимального проектирования сложных систем субмикронных туннельных контактов, а также через исследование процессов управляемого и спонтанного переключения одноэлектронных зарядовых состояний в системе. Настоящая диссертация посвящена такому исследованию.
Цель работы. Основной целью настоящей работы являлось проведение комплексного исследования механизмов спонтанного
переключення состояний одноэлектронной ячейки памяти. В соответствии с поставленной целью, задачами работы являлись:
-
Разработка технологического процесса воспроизводимого изготовления многоконтактных (до нескольких десятков) одноэлектронных туннельных контактов Al/AIOx/Al площадью менее О.ІхО.Імкм2 с расстоянием между контактами не превышающими нескольких десятых долей микрона.
-
Создание топологии одноэлектронной структуры, позволяющей экспериментально определить значения основных электрических параметров ячейки памяти, а также произвести необходимые подстройки режимов работы системы при измерениях.
-
Исследование работы ячейки памяти и физических механизмов, приводящих к спонтанным переключениям ее в интервале рабочих температур (до 200 мК).
Научная новизна определяется следующими, наиболее важными из полученных результатов:
1. Экспериментально установлено, что в диапазоне температур
150+200 мК, времена жизни зарядовых состояний ячейки памяти
достигают около 100 с. Продемонстрировано, что в этом диапазоне
доминирующим механизмом спонтанного переключения является
термическая активация туннелирования, усиленная присутствием
дрейфа эффективных фоновых зарядов. При более низкой
температуре 35 мК, время удержания единичного электрона
ловушкой достигало 8.5 часов и было ограничено влиянием
дрейфовых эффектов.
2. Впервые обнаружен эффект обратного влияния считывающего
электрометра на величину зарядового гистерезиса в ловушке.
Показано, что влияние флуктуации электрического поля,
связанных с туннельными событиями в электрометре, на процессы
в ловушке в области исследуемых параметров не является
существенным, в то время как доминирующий вклад в этот эффект
создают эффект локального перегрева подложки вблизи
электрометра за счет диссипации энергии туннельного тока, а
также эффект со-туннелирования в связанной структуре электрометр+-ловушка. 3. Спроектирована одноэлектронная структура и разработана методика экспериментального определения полного набора основных электрических параметров исследуемого устройства. На основе знания этих параметров проведено численное моделирование процессов, протекающих в системе.
Практическая ценность работы. В работе подробно исследуется процесс хранения одиночного электрона в одноэлектронной ячейке памяти. При этом решается ряд фундаментальных и технологических вопросов в направлении создания прототипа одного из важнейших базовых логических элементов.
Перспектива практического применения полученных результатов связана с созданием предпосылок для разработки и изготовления субмикронной ячейки памяти общей площадью на чипе менее 0.5 мкм2. В работе было продемонстрировано хранение электрона в течение более 8 часов при Г= 35 мК. На основании результатов анализа механизмов переключения ловушки определена область электрических параметров структуры и режимов работы считывающего устройства, при которых возможно длительное хранение информации в одноэлектронной ловушке. Показана важность решения вопроса о защите работы одноэлектронных устройств от влияния эффективного фонового заряда или компенсации этого влияния. В ходе технологических разработок даны важные практические рекомендации по изготовлению одноэлектронных структур.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены на:
- Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология" ("Nanostructures: physics and teclmology"), С.-Петербург, в 1993, 1995 и 1996 rr;
Международной конференции по точным электромагнитным измерениям (СРЕМ), Брауншвейг, Германия, июнь 1996 г;
21-й Международной конференции по физике низких температур (LT-21), Прага, Чехия, август 1996 г;
Рабочем совещании "Fundamental aspects of application of single-electron devices", Лингби, Дания, июль 1997,
Семинаре "Kryoelektronisclie Bauelemente", Йена, Германия, сентябрь 1996,
Рабочем совещании проекта "EU SETTRON", Сакле, Франция, январь 1997,
а также на Трехсторонних Украино-Российско-Немецких семинарах по Высокотемпературной сверхпроводимости в 1992, 1995, 1996, 1997 гг.
Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 10-ти работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы составляет 124 страницы. Она содержит 33 рисунка, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 61 названия. .
