авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Физико-технологические основы создания функциональных элементов наноэлектроники на основе квазиодномерных проводников

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Бобринецкий Иван Иванович

физико-технологические основы создания
функциональных элементов наноэлектроники
на основе квазиодномерных проводников

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника,
приборы на квантовых эффектах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в научно-образовательном центре «Зондовая микроскопия и нанотехнология» Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный консультант: - доктор физико-математических наук,

профессор,
Неволин Владимир Кириллович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, доцент,

Агеев Олег Алексеевич

- доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник,

Ильичёв Эдуард Анатольевич

- доктор технических наук, профессор,

Шевяков Василий Иванович

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится "30" сентября 2010 года
в ___ часов ___ минут на заседании диссертационного совета Д.212.134.01 при Московском государственном институте
электронной техники (техническом университете) по адресу:
124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан "___" _______________ 2010 года

Ученый секретарь

диссертационного совета:

доктор технических наук, доцент Крупкина Т.Ю.

Общая характеристика работы

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.

  1. 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.
  2. Экспериментально подтверждён островковый механизм проводимости в квазиодномерных металлических проводниках, основанный на переброске электронов через отдельные участки наносужения.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Предложен комплекс методов сканирующей зондовой микроскопии для исследования углеродных нанотрубок в составе функциональных элементов наноэлектроники, позволяющий проводить неразрушающее топографирование и определение электрических свойств структур.
  6. Установлена зависимость величины потенциального барьера, возникающего в контакте между нанотрубкой и электродом от типа нанотрубок, их количества, внешнего электрического поля и температуры.
  7. 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.
  8. 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:

  1. 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»»).
  2. 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.
  3. 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:

  1. 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.

  1. 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.
  2. 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.

  1. 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).
  2. 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 5·1012 нейтрон/см2).

  1. 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).



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.