Введение к работе
Актуальность темы. Миниатюризация элементов электронных схем стала ізможной с появлением методов фото- и электронной литографии, )зволивших изготавливать структуры субмикронных размеров. Современное звитие методов электронной литографии продвинуло этот диапазон в інометровую область. Появилась новая область исследований - физика ноструктур, занимающаяся исследованием сверхмалых объектов. В таких руктурах проявляется ряд новых мезоскопических эффектов, которые крывают возможность создания нового поколения устройств квантовой ектроники. Одним из видов мезоскопических структур являются ноэлектронные структуры - системы связанных туннельных контактов грхмалых размеров, принцип работы которых основан на эффекте поновской блокады электронного туннелирования. Область физики, -шмающаяся исследованием таких объектов, получила название ноэлектроники и сформировалась в самостоятельное научное направление соре после появления в 1985 году теории коррелированного туннелирования іеровских пар в сверхпроводящих наноструктурах [1], а затем в 1986 году ->рии коррелированного туннелирования одиночных электронов [2], тучившей название "ортодоксальной теории". Начиная с этого времени было работано и исследовано (теоретически и экспериментально) большое шчество -разнообразных наноструктур, в которых проявляются зарядовые ректы:
цноэлектрониый транзистор-электрометр с субэлектронной чувствительностью эядка КИ-ьЮ'5 заряда электрона в единичной полосе частот, дноэлектронные ящик (SET box) и ловушка (SET trap), позволяющие шпулировать отдельными электронами,
тноэлектронные турникет (turnstile) и насос (pump) - устройства, в которых можно управлять транспортом отдельных электронов.
Однако, практическая реализация всех этих устройств наталкивается на
ьезные трудности. Главным образом, они связаны с флуктуациями фонового
яризационного заряда Qg (background charge), который представляет собой
эективный заряд проводящих "островов" между туннельными переходами
оэлектронных структур, являющийся результатом влияния
электродинамического окружения на потенциал (и поляризацию) таких острове Его величина может быть непостоянна во времени и подвержена как медленнь дрейфам, так и относительно быстрым изменениям. Принято считать, ч' флуктуации фонового заряда приводят к возникновению избыточного шума тиі 1// в одноэлектронных устройствах, к нестабильности во времени их поведени а также к ухудшению их предельных шумовых характеристик. Поэтом исследование природы флуктуации фонового заряда, определение облает-локализации их источников и поиск способов уменьшения их воздействи являются одними из важнейших задач, решению которых в значительной ме посвящена данная работа.
Другой немаловажной проблемой являются эффекты взаимного влияну связанные с воздействием флуктуации напряжения на острове од» одноэлектронной структуры на условия туннелирования в другой при наличі достаточной емкостной связи между ними, а также тепловые эффект экспериментальная оценка которых очень важна для практического применен одноэлектронных устройств.
Решению этих практических задач посвящена данная диссертационн работа.
Цель работы. Основной целью настоящей работы являлось проведен комплексного исследования низкочастотного зарядового шума одноэлектронн транзисторов, определение источников шума и мест из возможной локализащ исследование эффектов взаимного влияния во многоэлементн одноэлектронных структурах. В соответствии с поставленной целью, основны; задачами диссертационной работы являлись:
-
Разработка лабораторного технологического процесса изготовления сложи наноструктур с емкостной связью и характерными размерами туннельн контактов менее 50 х 50 нм2, позволяющего изготавливать одноэлектронн структуры с расстояниями между элементами порядка 100ч-150 нм.
-
Исследование зарядового шума и предельной зарядовой чувствительное одноэлектронных транзисторов-электрометров различных тополоп Исследование сверхпроводящего транзистора, работающего на куперово парах, как высокочувствительного электрометра.
:. Исследование корреляции зарядовых шумов транзисторов, расположенных друг относительно друга на расстоянии порядка размера центрального острова, с целью определения локализации источников зарядового шума.
. Исследование эффектов взаимного влияния в многоэлементных одноэлектронных структурах на примере структуры из трех близко расположенных транзисторов с емкостной связью.
Научная новизна определяется следующими, наиболее важными из
юлученных результатов:
. Впервые предложен "стереоскопический" метод определения источников шума в электродинамическом окружении одноэлектронного транзистора, заключающийся в измерении степени корреляции зарядовых шумов двух близко расположенных транзисторов.
. С помощью системы двух одноэлектронных транзисторов с емкостной связью впервые проведено экспериментальное исследование зарядовых состояний и интенсивности одноэлектронных флуктуации электрического потенциала острова электрометра в зависимости от протекающего через него тока.
. Впервые получены количественные оценки флуктуационного и термического воздействия электрометра на исследуемую структуру.
. Разработан оригинальный технологический процесс изготовления сложных многоконтактных одноэлектронных структур.
Практическая ценность работы. В работе разработаны и применены кспериментальные методы исследования взаимного влияния элементов дноэлектронных структур, корреляционный метод шумовых измерений, озволяющий, определить локализацию источников зарядового шума. Іредложеньї оригинальные топологии экспериментальных одноэлектронных груктур, а также разработана лабораторная технология их изготовления, озволяющая изготавливать объекты для широкого класса задач современной аноэлектроники. Спроектированы, изготовлены и исследованы низкошумящие дноэлектронные транзисторы, применяемые в качестве сверхчувствительных пектрометров.
Перспектива практического применения полученных результатов связана с эзданием на базе одноэлектронного транзистора сверхчувствительного
электрометра с субэлектронной чувствительностью. Показано, что основно причиной низкочастотного шума электрометра являются источники шум сосредоточенные в диэлектрической подложке. На примере экспериментальног и теоретического анализа эффектов взаимного влияния в структуре из тре близкорасположенных транзисторов с емкостной связью показана важност учета степени взаимного влияния элементов в связанных одноэлектронны структурах. В работе даны важные практические рекомендации по изготовлениь одноэлектронных структур.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлені на:
Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология ("Nanostructures: Physics and Technology"), С.-Петербург, в 1993, 1995, 1996 і 1997 гг;
Международной конференции по точным электромагнитным измерениям (199( Conference on Precision Electromagnetic Measurements - CPEM 96), Брауншвейг ФРГ, Июнь 16-20, 1996 г;
Международной конференции "EUROMET Meeting on Single Electron Tunnelin; (SET) and Quantum Current Standards", Брауншвейг, ФРГ, Июнь 21, 1996 г;
21-й Международной конференции по физике низких температур (XX International Conference on Low Temperature Physics - LT-21), Прага, Чехия Август 8-14, 1996 г;
Международной конференции по одноэлектронике, Сан-Антонио, Техас США, Октябрь 6-11, 1996 г,
Международной конференции "Mesoscopic and Strongly Correlated Systems" Черноголовка, Россия, Июнь 16-23, 1997 г,
6 -ой Международной конференции по сверхпроводящей электронике (6tl Superconductive Electronics International Conference - ISEC'97), Берлин, ФРГ Июнь 25-28, 1997 г,
а также на Трехсторонних Украино-Российско-Немецких семинарах п< Высокотемпературной сверхпроводимости в 1992, 1995, 1996, 1997 гг.
Публикации. Основные результаты проведенных исследованиі опубликованы в 16-ти работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, четырех лав и заключения. Общий объем работы составляет 144 страницы. Она содержит 5 рисунков, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 65 названий.
