Введение к работе
Актуальность работы
Технологии современной электронной промышленности вплотную подошли к предельным размерам твёрдотельных активных элементов. Дальнейшие перспективы традиционной технологии связаны только с уходом в область нанолитографии, при этом размеры функциональных структур становятся сравнимыми с размерами атомных кластеров. Решение данной задачи приводит разработчиков к совмещению традиционной технологии с новыми методами и материалами.
В последние годы наиболее бурно развивается направление, основанное на создании и использовании в качестве активных элементов электроники квазиодномерных проводников (проводников, диаметр сечения которых составляет несколько нанометров и менее), которые являются следствием уменьшения поперечных размеров структур в традиционной микроэлектронике.
Необходимость разработки и исследования физических принципов и создания технологических основ формирования структур на основе низкоразмерных проводников, всестороннего изучения параметров функционирования, а также усовершенствования методов зондовой микроскопии для исследования объектов наноэлектроники при решении более широкого круга задач определяет актуальность данной диссертационной работы.
Цель работы и задачи
Целью диссертационной работы являлась разработка физико-технологического базиса создания планарных квазиодномерных структур наноэлектроники и способов формирования функциональных устройств на их основе с использованием групповых методов традиционной микроэлектроники.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
выполнить анализ и дать классификацию основных типов квазиодномерных проводниковых элементов с точки зрения их функциональных характеристик и электрофизических свойств;
предложить и разработать физико-технические основы зондовой технологии формирования планарных квазиодномерных проводников и наноконтактов в тонких металлических и углеродных плёнках;
исследовать свойства созданных планарных квазиодномерных проводников и наноконтактов в тонких металлических и углеродных плёнках; исследовать особенности транспорта носителей заряда в квазиодномерных проводниках, созданных при локальном анодном окислении тонких проводящих плёнок;
предложить и разработать технологические основы интеграции углеродных нанотрубок в компоненты схем планарной электроники; разработать и усовершенствовать зондовые методы исследования низкоразмерных структур в составе интегральных элементов;
разработать конструктивные основы создания изделий наноэлектроники на основе углеродных нанотрубок и их объединений: пучков, сеток, плёнок; исследовать теоретически и экспериментально функциональные свойства созданных планарных наноэлементов;
реализовать на практике разработанные подходы при создании групповыми методами микроэлектроники интегральных сенсорных устройств на основе углеродных нанотрубок; выполнить экспериментальное исследование их функциональных характеристик.
Объект и методы исследования
Объектами исследований являлись структуры в виде варисторов, транзисторов и сенсоров на основе квазиодномерных проводников: металлических наноконтактов и углеродных нанотрубок, а также технологические основы их создания.
Основными методами исследования являются: теоретические модели, оценки и расчеты на основе имеющихся справочных данных, разработка экспериментальных образцов, устройств и приборов, проведение экспериментальных исследований. Электрофизические свойства варисторов и транзисторных структур на основе квазиодномерных проводников были изучены методами атомно-силовой и сканирующей туннельной микроскопии (Solver-P47 и NanoEducator, NT-MDT, Россия), методами измерения и анализа статических и динамических электрических характеристик двух- и трёхполюсников (LCAD, Россия; АКТАКОМ, Россия; ИППП-1/5, ОАО «МНИПИ», Республика Беларусь).
Влияние радиационных воздействий на созданные структуры было изучено с помощью оригинального имитационного стенда на основе рентгеновского излучателя РЕИС-И (АОЗТ «Светлана-Рентген», Россия). Газочувствительные свойства структур на основе углеродных нанотрубок были изучены с помощью оригинальных экспериментальных установок и шестнадцатиканального измерителя параметров газовых сенсоров (ОАО «Практик-НЦ», Россия).
Моделирование электростатических взаимодействий зонда атомно-силового микроскопа с поверхностью образца проводилось с использованием метода конечных элементов (ELCUT, ПК «ТОР», Россия).
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в создании комплекса физико-технологических процедур формирования планарных структур наноэлектроники на основе квазиодномерных проводников различного состава (металлические, углеродные) и геометрии (наносужения, наноконтакты, нанотрубки), демонстрирующих общие механизмы в поведении электрических характеристик.
-
Предложена и разработана методика формирования планарных квазиодномерных проводников в ультратонких металлических и углеродных плёнках с использованием локального анодного окисления и окисления, индуцированного током. Продемонстрировано влияние напряжения, тока, относительной влажности и подложки на процесс формирования нанопроводников.
-
Экспериментально подтверждён островковый механизм проводимости в квазиодномерных металлических проводниках, основанный на переброске электронов через отдельные участки наносужения.
-
Проведено теоретическое и экспериментальное доказательство полевого эффекта в квазиодномерных металлических и углеродных проводниках в стандартных условиях, заключающееся в изменении величины туннельного барьера под действием поперечного электрического поля.
-
Предложен электрокинетический метод параллельной интеграции нанотрубок в виде одиночных проводников и сеток с использованием различной конфигурации планарных электродов, созданных групповыми методами микроэлектроники, заключающийся в ориентации и движении нанотрубок вдоль градиента линий электрического поля, а также перераспределении потенциала при формировании проводящего канала между электродами.
-
Предложен комплекс методов сканирующей зондовой микроскопии для исследования углеродных нанотрубок в составе функциональных элементов наноэлектроники, позволяющий проводить неразрушающее топографирование и определение электрических свойств структур.
-
Установлена зависимость величины потенциального барьера, возникающего в контакте между нанотрубкой и электродом от типа нанотрубок, их количества, внешнего электрического поля и температуры.
-
Предложены конструкции, разработаны технологические процедуры создания сенсорных структур на основе одиночных углеродных нанотрубок, их пучков, сеток и плёнок. Продемонстрировано различие в газочувствительных свойствах сенсорных структур на основе нанотрубок в присутствии газов акцепторного и донорного типа.
-
Выявлен селективный отклик в проводимости к парам органических соединений (спиртов) толстоплёночных структур на основе углеродных нанотрубок.
Практическая значимость работы определяется следующими основными результатами:
разработанный научный подход на основе физико-технологического базиса позволяет перейти к формированию новых интегральных структур наноэлектроники на основе квазиодномерных проводников с использованием групповых методов микроэлектронной технологии;
выявленные закономерности проводимости планарных структур на основе материала углеродных нанотрубок могут быть использованы при дальнейшем развитии теории электронного транспорта в приборах на основе углеродных нанотрубок.
Внедрены следующие результаты:
-
Разработанные методы формирования тестовых структур на основе однослойных углеродных нанотрубок, а также методики исследования низкоразмерных структур, позволяющие повысить достоверность изображений низкоразмерных объектов, получаемых в зондовой микроскопии (ЗАО «Нанотехнологии-МДТ», ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», ООО «Холдинг «Золотая формула»»).
-
Разработанный физико-технологический базис формирования планарных элементов наноэлектроники на основе низкоразмерных проводящих структур использовался при проведении ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в МИЭТ, ООО «Наносенсор», а также при подготовке кандидатских диссертаций: «Формирование и электрические свойства планарных элементов на основе металлических и углеродных плёнок наноразмерных толщин» (Булатов А.Н., МИЭТ, 2005 г.), «Атомная структура поверхности и сенсорные свойства углеродных нанотрубок» (Строганов А.А., МИЭТ, 2007 г.), «Молекулярные проводники в матрице эпоксидиановой смолы: формирование, исследование, приложения» (Хартов С.В., МИЭТ, 2008 г.). Практическая значимость данных работ подтверждена соответствующими актами внедрения.
-
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете). Разработанные автором технологические основы формирования планарных элементов наноэлектроники, а также методики исследования низкоразмерных структур использованы при разработке и модернизации лекционных курсов и лабораторных работ по учебным дисциплинам: «Основы зондовой микроскопии», «Основы зондовой нанотехнологии», «Вопросы современной физики».
Методы, разработанные и исследованные при выполнении работы, соответствуют «Перечню критических технологий РФ» №7 «Нанотехнологии и наноматериалы», №11 «Технологии механотроники и создания микросистемной техники», №12 «Технология мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы», №30 «Технологии создания электронной компонентной базы».
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Комплекс технологических процедур на основе локального окисления ультратонких металлических плёнок, позволяющий формировать наноразмерный рельеф и низкоразмерные функциональные проводящие структуры. Основу комплекса составляют:
- физический эффект локального окисления и/или разогрева проводящего квазиодномерного проводника протекающим током;
- возможность селективного удаления продуктов реакции при окислении ультратонких углеродных плёнок.
-
Метод формирования в ультратонких металлических и углеродных плёнках квазиодномерных проводников, обладающих островковым механизмом проводимости. Проведено экспериментальное доказательство переброски электронов через отдельные участки наносужения посредством автоэлектронной эмиссии и продемонстрировано, что ток может быть определён согласно закону Фаулера – Нордгейма. При этом полевое управление проводимостью в канале квазиодномерного проводника определяется изменением величины туннельного барьера между островками.
-
Результаты комплексного исследования методами сканирующей зондовой микроскопии функциональных характеристик углеродных нанотрубок в составе элементов наноэлектроники, в том числе:
- неразрушающая визуализация нанотрубок в составе функциональных структур при наведении в нанотрубках электрического потенциала в двухпроходном режиме работы атомно-силового микроскопа;
- измерение угла хиральности и определение типа проводимости как отдельных углеродных нанотрубок, так и нанотрубок, находящихся в пучках, с использованием методов сканирующей туннельной микроскопии в стандартных условиях, позволяющие определить электрические свойства нанотрубок в составе функциональных элементов.
-
Групповые методы формирования планарных интегральных структур на основе углеродных нанотрубок и их композиций, определяющие технологические процедуры создания функциональных структур на основе квазиодномерных проводников и позволяющие исследовать функциональные характеристики элементов наноэлектроники на основе нанотрубок (транзисторов, логических вентилей).
-
Результаты комплексного исследования функциональных характеристик наноструктур на основе углеродных нанотрубок в зависимости от способа интеграции нанотрубок и факторов окружающей среды:
- показано, что контакт многослойных нанотрубок и сеток однослойных нанотрубок с золотыми электродами имеет омический характер при комнатной температуре, тогда как однослойные нанотрубки формируют контакт барьерного типа;
- продемонстрирована стабильность статических электрических характеристик структур на основе углеродных нанотрубок при их облучении пучками электронов (дозой 106 рад) и нейтронов (дозой 51012 нейтрон/см2).
-
Результаты комплексного исследования функциональных характеристик сенсорных структур на основе углеродных нанотрубок. Показано, что:
- увеличение влажности приводит к уменьшению количества носителей заряда в элементах на основе однослойных нанотрубок; увеличение проводимости структур происходит при формировании дополнительных каналов проводимости при влажности выше 40%;
- взаимодействие молекул газа акцепторного и донорного типа с сенсорной структурой происходит в два этапа: прохождение сквозь слой адсорбата на нанотрубке и физическая сорбция молекул на нанотрубке;
- изменение проводимости плёнок нанотрубок (толщиной несколько десятков нанометров) определяется не только изменением концентрации адсорбируемых газов, но и характерными параметрами массы и энтальпии испарения молекул газа.
Личный вклад автора
Концепция диссертации, формулирование цели и постановка решенных в ней задач отражают творческий вклад автора и его точку зрения на рассматриваемую проблему. Основные результаты диссертации, представленные в разделе «Научная новизна» и вынесенные на защиту, получены лично автором. Результаты исследований, изложенные в главе 2, были получены при активном участии Н.В. Корнеева; результаты, изложенные в главе 3, получены при активном участии А.Н. Булатова; результаты, изложенные в главах 4 и 6, получены при активном участии А.А. Строганова; результаты, изложенные в разделе 2.2.4, получены при активном участии С.В. Хартова. Большинство из полученных экспериментальных результатов, а также теоретические расчёты были обсуждены с проф. В.К. Неволиным. Исследования радиационных эффектов в элементах наноэлектроники были проведены совместно с проф. Д.В. Громовым (Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»). Во всех совместных работах автор участвовал в постановке задач, разработке методик исследования и технологических подходов, написании статей, докладов и патентов, а также представлял результаты исследований на научно-технических конференциях.
Автор глубоко признателен за поддержку и помощь в выполнении исследований вышеотмеченным коллегам, а также сотрудникам НОЦ «Зондовая микроскопия и нанотехнология» МИЭТ.
Апробация работы
Большая часть материалов диссертационной работы была получена при выполнении исследовательских проектов в рамках следующих грантов: Президента РФ для молодых учёных – кандидатов наук № МК-1810.2005.8 и № МК-3132.2007.8; Рособразования ГК № П1534, 01200106723, 01980003510; РФФИ № 08-08-08138-з; Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере № 6486р/9120; Роснауки РФ № 02.513.11.3081; МКНТ №1.1.100.
Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, и ее научные положения докладывались на российских и международных конференциях, семинарах и научных сессиях, форумах: Международная крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2000, 2008); Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твёрдотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 2000, 2006); Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика» (Зеленоград, 2000, 2002, 2005); Всероссийская научно-техническая конференция «Микро- и наноэлектроника - 2001» (Звенигород, 2001); Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2001, 2002, 2004); «Nano and giga challenges in microelectronics research and opportunities in Russia» symposium and summer school (Moscow, 2002); Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2002, 2003); II Всероссийская научно-техническая дистанционная конференция «Электроника» (Москва, 2003); Международная конференция «Химия твёрдого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2004, 2007, 2008); Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология» (Москва, 2004, 2006); II Russian-Japanese seminar «Perspective technologies, materials and equipments of solid-state electronic components» (Moscow, 2004); I France-Russian Seminar «New achievements in material science» (Nancy, France, 2004); Biennial international workshop «Fullerenes and atomic clusters» (St.-Petersburg, 2005, 2007, 2009); International conference “Micro- and nanoelectronics -2005” ICMNE-2005 (Moscow, Zvenigorod, 2005); XV Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, Черноголовка, 2007; Научная сессия МИФИ-2008 (Москва, 2008); Ninth Internetional Conference on the Science and Application of Nanotubes (Montpellier, France, 2008); Международный форум по нанотехнологиям (Москва, 2008, 2009);. Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия-2008» (Зеленоград, 2008); International conference «Nanomeeting 2009» (Minsk, 2009); International conference nanobiophysics: fundamental and applied aspects (Kharkov, Ukraine, 2009).
Результаты исследований в области разработки технологической базы формирования углеродных наноструктур для электронной техники были удостоены премии Правительства Российской Федерации 2009 года в области науки и техники для молодых ученых и золотой медали на Международном салоне промышленной собственности «Архимед-2008» (Москва, 2008 г.).
Публикации
Основные результаты исследования, проведенного автором, изложены в 61 опубликованной работе, в том числе 22 статьях в журналах, рекомендованных ВАК России, 32 материалах всероссийских и международных конференций, и 4 патентах РФ на изобретения. Основные положения диссертационного исследования полностью представлены в опубликованных работах.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка сокращений, списка использованных источников и приложения. В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы. Материал диссертации изложен на 349 страницах, включает 151 рисунок и 12 таблиц. Список литературы содержит 317 источников, включая 63 работы с участием автора.
