НАНОЭЛЕКТРОНИКА: ОСНОВЫ ФИЗИКИ И ТЕХНОЛОГИИ Г.Б. Стефанович

Элементы электронных систем.

Квантовые основы наноэлектроники

квантовое размерное ограничение квантовое размерное ограничение интерференция интерференция туннелирование через туннелирование через потенциальные барьеры.

Квантовое размерное ограничение. Е=0.02эВ для а=5нм и m= Е=0.2эВ для а=5нм и m=10 -27

Квантовые ямы Двумерный электронный газ Энергетические зоны на границе двух полупроводников.Е с i и Е v i – границы зон проводимости и валентной. Электрон С энергией меньшей Е с 2 (уровень показан красным цветом) может находится только справа от границы Квантовая яма сформированная в слое полупроводника с узкой запрещенной зоной, заключенном между двумя полупроводниками, обладающими более широкой запрещенной зоной.

Квантовые нити. Одномерный электронный газ Полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми нитями, полученные с помощью субмикронной литографии за счет вытравливания узкой полоски из самой структуры (а) или щели в затворе Шоттки (б): 1 – полупроводник с широкой запрещенной зоной (AlGaAs); 2 – полупроводник с узкой запрещенной зоной (GaAs); 3 – металлический затвор.

Квантовые точки. Нульмерный электронный газ В квантовой точке движение ограничено в трех направлениях и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. Поэтому квантовые точки называют еще искусственными атомами, хотя каждая такая точка состоит из тысяч или даже сотен тысяч настоящих атомов. Размеры квантовых точек порядка нескольких нанометров. Подобно настоящему атому, квантовая точка может содержать один или несколько свободных электронов. Если один электрон, то это как бы искусственный атом водорода, если два – атом гелия и т.д.

Интерференция. Эффект Ааронова-Бома.

Туннелирование Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией. Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

Туннельный резонансный транзистор Схема работы и вольт-амперная характеристика резонансного прибора. Схема работы и вольт-амперная характеристика резонансного прибора. а – напряжение равно 0; б – подано резонансное напряжение; в – напряжение больше резонансного; г – вольт-амперная характеристика. а – напряжение равно 0; б – подано резонансное напряжение; в – напряжение больше резонансного; г – вольт-амперная характеристика.

Туннельный резонансный транзистор

Одноэлектроника. Одно из самых перспективных направлений увеличения степени интеграции микросхем основано на развитии приборов, в которых контролируется перемещение буквально одного электрона. В таких устройствах, называемых сейчас одноэлектронными транзисторами бит информации будет представлен одним электроном. В одноэлектронных транзисторах время перемещения электрона определяется процессами туннелирования и может быть очень малым. R = max(Ri; Rs)

Одноэлектроника. -е/2 Q 0 е/2 Кулоновская блокада это явление отсутствия тока при приложении напряжения к туннельному переходу из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания. V=Q/С Если -е/2С V +е/2С, то I = 0

Одноэлектроника. Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады V КБ = е/2С, е=I*t f=I/e, Кулоновская лестница при 4.2 К емкость С

Одноэлектроника.

Одноэлектроника. Е h Е=e 2 /2C

Основы технологии одноэлектроники Схема установки MBE для получения легированных тройных соединений. Вся установка размещается в камере сверхвысокого вакуума:. 1.Блок нагрева, 2. Подложка, 3 Заслонка отдельной ячейки, 4. Эффузионные ячейки основных компонентов, 5 Эффузионные ячейки легирующих примесей. Молекулярно лучевая эпитаксия

Основы технологии одноэлектроники Элементарные процессы в зоне роста: 1.Адсорбция атомов из зоны смешивания на поверхности, 2. Миграция (поверхностная диффу- зия) адсорбированных атомов по поверхности, 3. Встраивание адсорбированных атомов в кристаллическую решетку, 4. Термическая десорбция, 5. Образование поверхностных зародышей, 6. Взаимная диффузия. Над растущей поверхностью показаны атомы газовой смеси компонентов в приповерхностной области. Буквами n-n и i-i показаны нормальная и инвертированная поверхности раздела растущей ГС. Область между этими поверхностями представляет собой квантовую яму шириной L.

Основы технологии одноэлектроники Схема горизонтального реактора открытого типа с охлаждаемыми стенками для MOCVD: 1. Кварцевый корпус, 2. Катушка ВЧгенератора для нагревания подложки, 3. Блок нагрева подложки, 4. Подложки, 5. Водяное охлаждение (впуск), 6. Водяное охлаждение (выпуск). Схематически показано распределение скоростей v и температуры T в газовом потоке в диффузионном слое вблизи подложки (масштаб не соблюден)

Основы технологии одноэлектроники Литография

Субмикронный резист на основе аморфного оксида ванадия Применение органических резистов в литографических процессах изготовления микро- и наноструктур с большим отношением высоты линии к ширине сталкивается с серьезными ограничениями, обусловленными низкой термо- и плазмостабильностью органических материалов. Определенные преимущества могут быть получены при разработке и использовании резистов на основе неорганических соединений. Обладая принципиально высоким разрешением, подобные резисты характеризуются низкой чувствительностью. В ряде работ нами было показано, что аморфные оксиды ванадия, приготовленные с применением неравновесных технологических приемов (анодное окисление, реактивное распыление на холодные подложки) демонстрируют высокую чувствительность к фотонным и электронным воздействиям. Обнаруженные эффекты были использованы для разработки высокочувствительного неорганического фото- и элетронорезиста для субмикронной литографии.

Субмикронный резист на основе аморфного оксида ванадия ОЧИСТКА ПОДЛОЖЕК Si подложки RCA или Piranha процессы Si – SiO2 подложки Ультразвуковая очистка в ацетоне, промывка в проточной деионизованной воде. Термическая обработка в высоком вакууме непосредственно перед резиста резиста

Субмикронный резист на основе аморфного оксида ванадия НАНЕСЕНИЕ РЕЗИСТА 1 процесс (двухслойный резист) Магнетронное распыление или электронно-лучевое испарение V с использованием техники для получения нанозернистых металлических пленок. Анодное окисление металлического ванадия. 2 процесс (однослойный резист) Реактивное магнетронное распыление.

Субмикронный резист на основе аморфного оксида ванадия ЭКСПОНИРОВАНИЕ Электронно-лучевое экспонирование (Электронный сканирующий микроскопHitachi 5400 c приставкой для генерирования наноразмерных рисунков Е = 5 – 25 кэВ; литографическая система Leica EBL 100 Е = 50 кэВ). Оптическое экспонирование (Nd: YAG лазер с = 1,6; 0,53 и 0,263 мкм, эксимерные лазеры ArF, KrF,F2) Оптическое экспонирование ( Непрерывный УФ, литографическая система Каrl Zeiss Jena) Ионное экспонирование (Обработка плазмой Аr)

Субмикронный резист на основе аморфного оксида ванадия ПРОЯВЛЕНИЕ РЕЗИСТА Влажный процесс (химический) 1. Проявление оксидной части резиста в деионизованной воде. Проявление металлической части резиста в водных растворах HNO 3 2. Проявление оксидной части резиста в смеси HClO 4 и этилового спирта. Проявление металлической части резиста в водных растворах HNO3 Влажный процесс (электрохимический) Анодная поляризация резиста в электролитах на основе H2SO4 и метилового спирта.

Субмикронный резист на основе аморфного оксида ванадия Сухой процесс проявления (реактивное ионное травление) Планарный реактор, RF мощность 20 – 250 Вт, давление 100 мТор CF 4 CF 4 /O 2 CF 4 /H 2 SF 6 SF 6 /CHF 3 СlCl/ CF 4 VO x V Si SiO

Субмикронный резист на основе аморфного оксида ванадия

СТРУКТУРА ЛИНИЙ РЕЗИСТА

Субмикронный резист на основе аморфного оксида ванадия ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Оптика = 1,06 мкм 1 мДж/см2 = 0,56 мкм 0,5 мДж/см2 Электроны Е = 50 кэВ 15 мКл/см2 Е = 5 кэВ 10 мКл/см2 РАЗРЕШЕНИЕ Меньше 100 нм для электроннолучевого экспонирования при Е = 50 кэВ и дозах мКл/см2

Субмикронный резист на основе аморфного оксида ванадия