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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

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

-- [ Страница 2 ] --

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.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные задачи, определена научная новизна работы и ее практическая значимость. Приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, перечислены конференции и симпозиумы, на которых были апробированы основные результаты работы и её научные положения.

В первой главе рассмотрена классификация основных типов квазиодномерных проводников, проведен анализ основных методов создания планарных низкоразмерных структур и рассмотрены исторические этапы исследования электрических свойств одномерных проводников.

Низкоразмерные 1D-структуры (квазиодномерные проводники) можно разделить на пять условных типов, в зависимости от материала, и технологических принципов их формирования: металлические нанопровода (наноконтакты), нанотрубки, молекулярные провода, 2D провода (гетероструктуры), полупроводниковые нанопровода.

Исторически первые результаты по формированию квазиодномерных проводников и исследованию их квантовых свойств при комнатной температуре были продемонстрированы независимо группами ученых во главе с Н. Гарсиа (Испания) и В.К. Неволиным (СССР) в 1989 году. Гарсиа наблюдал квантование проводимости в металлических наноконтактах между иглой туннельного микроскопа и подложкой, Неволин проводил аналогичные эксперименты с молекулярными проводниками. Одновременно Р. Ландауер (США) предложил описывать приводимость в квантово-механическом прозрачном проводнике, находящемся между двумя электродами, в модели свободных электронов и ввел термин «кванта проводимости».

В 1991 году группы под руководством С. Иидзима (Япония) и Л.А. Чернозатонского (Россия) независимо обнаружили и исследовали 1D-форму углерода: длинные нанообразования, названные «нанотрубками». Данные структуры состоят из сетки атомов углерода, расположенных в форме гексагонов, и могут рассматриваться как цилиндр, скрученный из планарной графитовой плоскости под произвольным углом (углом хиральности).

Благодаря своим геометрическим, физическим и химическим свойствам квазиодномерные проводники рассматриваются в качестве перспективных материалов в электронике (в составе активных и пассивных компонентов), наносистемной и сенсорной технике, в качестве наполнителей для различного рода композитов. Последующие двадцать лет шёл непрерывный процесс поиска методов и разработки технологий интеграции квазиодномерных проводников в состав компонентов функциональных структур планарной наноэлектроники. Развивались как традиционные методы групповых технологий обработки структур на субмикронном уровне: глубокий ультрафиолет, электронная и ионно-лучевая литография, - так и альтернативные: зондовые методы, методы химического осаждения из газовой фазы.

При переходе к совмещению методов традиционной технологии и процессов формирования нанопроводных элементов возникает ряд ограничений: топологическая совместимость, обеспечение надёжности интеграции нанопроводов со структурами традиционной электроники, определение функциональных характеристик наноструктур в составе рабочих элементов. Стремление решить данные задачи, разработав физико-технологический базис планарных квазиодномерных структур наноэлектроники и способов формирования функциональных устройств посредством интеграции квазиодномерных проводников с использованием групповых методов традиционной микроэлектроники, определило тему диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты разработки физико-технологических основ формирования планарных элементов наноэлектроники в тонких проводящих плёнках.

Рассмотрены ключевые аспекты технологии формирования планарных тонкоплёночных проводящих наноструктур. При переходе от вертикальной технологии формирования металлических наносужений при механическом растяжении или химическом травлении монокристаллического материала и перестройке его атомарной структуры к тонкоплёночной планарной технологии формирования квазиодномерных проводников существенное влияние оказывает качество подложки и методы нанесения плёнок.

При формировании на поверхности оксида кремния титановых плёнок толщиной 10 нм при термическом и импульсно-плазменном нанесении формируются поликристаллические (с шероховатостью поверхности 0,22 нм) и аморфные (шероховатость – 0,12 нм) плёнки соответственно. В данных плёнках возможно получение квазиодномерных проводников, тем не менее, планарное ограничение их размеров не может быть обеспечено традиционными методами литографии. Альтернативными методами обработки материала на нанометровом уровне являются электрохимические методы зондовой литографии. Была разработана модель электрохимического окисления проводящих структур, учитывающая действие переменного тока электронов с проводящего зонда. Электрохимическая реакция для плёнок титана может происходить по формуле:

.

В случае учёта изменения электрического поля в растущем диэлектрике закон нарастания толщины окисной плёнки d0 со временем будет иметь следующий вид:

, (1)

где ,

и - среднее напряжение между зондом и проводящей плёнкой, U* - напряжение начала процесса анодирования, поскольку электрохимическая реакция окисления имеет пороговый характер, I0 – начальный ток через металлическую плёнку без окисла, S - площадь поверхности зонда, с которой осуществляется эмиссия,  - диэлектрическая проницаемость плёнки окисла, – электрохимический эквивалент окисления плёнки, – эффективность тока, затрачиваемая на окисление, – объемная проводимость проводящей плёнки. В соответствии с (1) толщина оксида d0 увеличивается со временем неограниченно. Лимитирующим фактором в данном случае будет являться толщина исходной плёнки металла, максимальное значение которой в работе не превышало 10 нм, и которая определяет максимально возможную толщину оксида d0max. На рис. 1 приведено сравнение зависимостей толщины выступающего над поверхностью оксида металла, полученного при окислении ультратонкой плёнки титана в импульсном режиме с длительностью импульсов от 2 до 10 мс: экспериментальной, рассчитанной в приближении постоянной напряженности электрического поля в оксиде [1] (для напряженности электрического поля 2,8·106В/см) и по формуле (1), - для следующих параметров процесса =1, =4.86·10-5 см3/(А·с), =150, радиус острия кантилевера r=20 нм, =500мкОм·см, U*=2В, U=4В. При этом величина напряженности была вычислена эмпирически. Экспериментальная зависимость нарастания толщины оксида хорошо аппроксимируется с линейным законом, что соответствует выражению (1) для случая малых токов окисления.

Таким образом, определяющими параметрами формирования нанорельефа с заданными размерами на ультратонких плёнках проводящих материалов являются: величина приложенного напряжения и площадь поверхности реакции. Помимо этого, на процесс локального анодного окисления (ЛАО) ультратонких плёнок в атомно-силовом микроскопе (АСМ) влияют как параметры работы самого микроскопа (сила давления зонда, кулоновское притяжение), так и свойства обрабатываемого материала. Электролитом для прохождения реакции анодирования может являться тонкий слой адсорбата на поверхности, толщина которого контролируется общей влажностью в реакционной камере.

Толщина оксида на ультратонких плёнках зависит от основных технологических параметров: времени окисления, амплитуды напряжения между зондом и плёнкой, относительной влажности. Результирующая толщина оксида Al2O3 на рис. 2 согласуется с теоретической толщиной, определяемой соотношением масс и плотностей исходного металла и результирующего оксида, и равна 18 нм для системы Al/Al2O3. При этом роль подложки учитывается, если она также подвержена электрохимическому окислению (в случае GaAs).

Предложена модель зависимости толщины формируемого оксида от влажности с учётом изменения площади области контакта сегмента зонда, смоченного адсорбатом на поверхности и изменения числа электронов, участвующих в процессе окисления, а, следовательно, увеличения начального тока через металлическую плёнку. Тогда выражение для зависимости толщины оксида от относительной влажности x с учётом малых токов окисления будет иметь следующий вид:

, (2)

где F - коэффициент, определяющий связь между относительной влажностью и величиной адсорбата на поверхности. Для металлов параметр F0.05 нм в диапазоне влажности от 30% до 70%.

Результатом проведенных исследований явилась разработка технологических основ формирования проводящих наносужений в тонких металлических (Al, Ta, Ti) и углеродных плёнках с использованием методов традиционной микроэлектроники и атомно-силовой литографии. На первой стадии в тонких аморфных плёнках анодно-окисляемых материалов толщиной до 10 нм с использованием оптической или электронной литографии создаётся рисунок с шириной линии менее 1 мкм. Методами локального анодного окисления происходит сужение проводящего канала за счет формирования диэлектрических областей (рис. 3).

Предложена методика локального окисления, индуцированного током (ЛОИТ) в сужении, созданном в процессе ЛАО, и основанная на протекании больших плотностей тока в зазоре диаметром менее 50 нм. Данная схема позволяет проводить равномерный нагрев места окисления, что предотвращает образование дефектов в структуре в результате термоудара. Более того, сам процесс окисления длится несколько миллисекунд, а результат его можно контролировать по изменениям в зависимости тока от напряжения.

Считая, что все выделяющееся тепло идет на нагрев проводящего мостика с наносужением, можно оценить величину температуры Tmax в центре проводника. Для титанового сужения шириной 50 нм и длиной 200 нм при протекающем токе 200 мкА в центре наносужения величина Tmax будет не ниже 400 °С. На рис. 4 приведено АСМ–изображение проводящего канала до проведения ЛОИТ, и изменение зависимости тока от напряжения, приложенного к электродам, при прохождении этапов формирования квазиодномерного проводника.

а б

Рис. 4. АСМ изображение наносужения в Ti плёнке перед проведением ЛОИТ (а); б - изменение вольтамперной характеристики при формировании наноконтактов: 1- исходная Ti дорожка; 2- после ЛАО; 3, 4-после первого и второго токового воздействия

В работе было предложено провести анализ и сопоставление полученных АСМ данных и сопротивления структур на основе теории Дингла [2] для проволоки, с учётом того, что параметр Фукса равен нулю, то есть отражение от поверхности проводящего канала имеет полностью диффузионный характер. Тогда можно определить точку перехода ультратонких плёнок при ЛАО из сплошного квазиодномерного проводника к островковому проводнику. На рис. 5 приведена зависимость удельного сопротивления от эффективного размера канала, сформированного в титановой плёнке: до величин порядка 20 нм зависимость сопротивления структуры подчиняется правилу Маттисcена [2] для сплошных плёнок. При дальнейшем уменьшении поперечного размера канала образуются островки проводимости.

Таким образом, использование аморфных, либо поликристаллических плёнок, позволяет формировать проводящие каналы, проявляющие эффекты размерности в проводимости, тем не менее, данные эффекты связаны с фононным рассеянием и диффузией на границах.

Основным результатом второй главы является разработка физико–технологических основ формирования квазиодномерных структур с обеспечением качества поверхности проводящего канала при планарной реализации.

В третьей главе представлены результаты применения разработанных физико-технологических основ для формирования планарных элементов электроники на основе квазиодномерных проводников в металлических и углеродных плёнках, а также результаты исследования их электрофизических характеристик.

На рис. 6 приведено изображение корпусированного кремниевого кристалла со сформированным квазиодномерным проводником в титановой плёнке и его вольтамперная характеристика. Наблюдение квантовых свойств квазиодномерных проводников затруднено в виду несовершенства их структуры. Плавность перехода электродов к сужению накладывает ограничение на транспорт носителей заряда через канал из-за отражения баллистических электронов на границах перехода. Качество поверхности квантового провода также оказывает влияние на наблюдение квантовых свойств, особенно при комнатных температурах, когда рассеяние на поверхности вызывает размывание спектра поперечного квантования в проводнике. Дополнительное ограничение на наблюдение квантования проводимости в квазиодномерных проводниках оказывает подложка в виде заключенных в ней поверхностных состояний, размывающих уровни энергии в проводнике. Все вышеперечисленные факторы приводят к появлению дополнительных состояний вблизи спектра квантования энергии носителей заряда, что является причиной размывания дискретных уровней в наносужениях и образованию проводов с «мутной» квантовой проводимостью. Хвосты состояний на дискретных уровнях могут перекрываться, и в результате на вольтамперных характеристиках (ВАХ) затруднено наблюдение квантования проводимости в чистом виде.

а б

Рис. 6. Лабораторный образец планарного двухэлектродного элемента на основе титанового квазиодномерного проводника в стандартном СВЧ-корпусе КТ-22 (а), ВАХ и дифференциальная проводимость (увеличенный масштаб) (б)

Предложена модель проводимости металлического квазиодномерного проводника островкового типа, когда провод состоит из островков проводимости, разделенных туннельно прозрачными барьерами. Данная модель справедлива для проводников, формируемых в тонких металлических плёнках, представляющих собой аморфную или поликристаллическую структуру. Проводимость между островками осуществляется за счёт автоэлектронной (холодной) эмиссии и ток может быть определён согласно закону Фаулера – Нордгейма (рис. 7а). Сравнение эмпирических данных с расчётными дают следующие значения для расстояния между островками di и площади эмиссии Si: di=0,37 нм, Si=0,9·10-3 нм2, что соответствует площади эмиссии с единичного атома.

В случае присутствия внешнего поперечного электрического поля, выражение для тока в квазиодномерном проводнике может быть записано в следующем виде:

, (3)

где Uси, Uз – разность потенциалов между стоком и истоком и потенциал на затворе соответственно, - учитывает факт перераспределения электрического поля затвора в связи с наличием диэлектрического слоя между островковым проводником и затвором, А, В, С – учитывают параметры островкового проводника и не приводятся в явном виде. На рис. 7б приведены расчётные графики зависимости тока от приложенного к структуре напряжения для различных потенциалов на затворе.

а б

Рис. 7. Электрические характеристики двухэлектродных (а, 1 –экспериментальная, 2 - расчетная) и трёхэлектродных структур (б) на основе квазиодномерных металлических проводников

Предложена и реализована концепция полевого транзистора на основе квазиодномерных проводников в металлических и углеродных ультратонких плёнках. На основе групповых методов микроэлектроники был реализован технологический маршрут изготовления полевого транзистора (рис. 8а). Возможность формирования электрода для исследования полевого эффекта в проводимости обеспечивалась за счёт высоколегированной кремниевой подложки, либо бокового металлического электрода. Управление поперечным электрическим полем проводимостью квазиодномерного проводника возможно при вытеснении из зоны проводимости уровней энергии поперечного квантования баллистических электронов. Наиболее эффективно это можно сделать для одномодового провода, уровень энергии которого лежит несколько ниже энергий Ферми электродов – берегов.

а б

Рис. 8. Топография танталового креста после ЛАО (а) и вольтамперные характеристики квазиодномерного канала с шириной < 30 нм для различных значений потенциала на боковом электроде (б). Токи утечки меньше 1 нА

Механизм полевого управления проводимостью в канале может быть также связан с изменением величины туннельного барьера между островками. Приведенные на рис. 8б вольтамперные характеристики для отрицательных значений потенциала на затворе подтверждают сделанное предположение. Для качественного анализа полевого эффекта можно найти эмпирические коэффициенты в выражении (3) на основе рис. 8б. Тогда для А=0,005 А/В2, B=12 В, С=6 и =0,05 семейство расчётных ВАХ имеет вид (рис. 7б). Таким образом, эффективность управления внешним полем из-за высокой диэлектрической проницаемости диэлектрического слоя даже в условиях островковой проводимости низка и составляет 0,05, что требует приложения высокого потенциала к затвору для наблюдения внешнего управления.



Pages:     | 1 || 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.