Акира Фудживара, Ясуо Такахаши, Кенджи Ямазаки, Кацуми Мюраси

Одноэлектронные устройства с интегрированными кремниевыми областями проводимости

Введение

Одноэлектронные устройства (SED) представляют собой многообещающую перспективу развития интегральных микросхем будущего, так как они обеспечивают ультранизкие потребляемую мощность и рабочие напряжения новых электронных функциональных схем. Такие устройства имеют одну или несколько сверхмалых областей проводимости, имеющих весьма низкую ёмкость. Из-за большой результирующей зарядной энергии этой области электрический заряд в ней становится квантованным, а значит, создав определённые условия, можно воспрепятствовать туннелированию электронов в область и из неё. Такой эффект, носящий название кулоновской блокады (Coulomb blockade – CB) [1], может быть использован для управления потоком электронов. Фундаментальным SED устройством является одноэлектронный транзистор (SET). Он содержит только одну область проводимости, соединённую с истоковым и стоковым электродами туннельными барьерами и имеющую ёмкостную связь с электродом затвора. Периодически изменяя напряжение на затворе такого транзистора, за счёт повторяющегося эффекта кулоновской блокады возможна модуляция тока, протекающего через область исток–сток. Более того, в одноэлектронных устройствах, имеющих несколько областей с взаимной ёмкостной связью, становится возможным перемещение через эти области отдельно взятых электронов. Таким образом, на основе SED возможна реализация принципиально новых логических схем, рассчитанных на управление отдельно взятыми электронами, например, одноэлектронных схем бинарных диаграмм решения (BDD) [2].
    Из материалов, используемых для реализации SED, например, металлов, полупроводников семейства A3B5 и кремния, последний наиболее интересен с практической точки зрения, так как он позволяет создавать чрезвычайно маленькие области проводимости с ёмкостью порядка аттофарад (10-18) и эффектом кулоновской блокады, проявляющимся при комнатной температуре. Принцип действия некоторых базовых устройств, где ключевую роль играет одна область, уже был описан ранее, например, кремниевых одноэлектронных запоминающих устройств [3] и транзисторов [4,5]. Что касается интеграции нескольких областей, простые схемы металлов [6] или полупроводников группы A3B5 функционировали только при очень низких температурах — ниже 4 K, — так как размер этих областей был достаточно велик. Интеграция областей меньших размеров значительно затруднена. И хотя возможно случайным образом получить такие устройства на кристалле кремния, контроль их топологии и размеров весьма проблематичен. Таким образом, создание кремниевых SED устройств с несколькими областями проводимости, согласно заранее разработанному проекту, и интеграция их в единую схему представляет собой достаточно сложную, но перспективную задачу.
    В данной статье описывается принцип изготовления и электрические характерис-тики кремниевых одноэлект-ронных устройств, содержащих две активных области. Полученные характеристики устройств указывают на возможность применения их в КМОП-инверторах, в одноэлектронных устройствах передачи и направленных коммутаторах для схем бинарных диаграмм решения (BDD).

Изготовление устройства

Изготовлено трехпортовое одноэлектронное устройство, включающее в себя Т-образное соединение проводников с одной кремниевой областью проводимости в каждом плече [7].

Рис. 1. Структура кремниевого Т-образного соединения проводников, изготовленного на базе SIMOX подложки (а).
Схема расположения кремниевых областей проводимости, сформированных с применением технологии PADOX (б). Овалами обозначены области проводимости, а заштрихованные части соответствуют сужениям кремниевых проводников (туннельным барьерам)

На рис. 1a показана схема Т-образного устройства, изготовленного на подложке по технологии изоляции имплантированным кислородом SIMOX (Separation by IMplantation of OXygen). Использование этой технологии позволяет без труда получить тонкий слой кремния, изолированный от кремниевой подложки, чем достигаются малые вертикальные размеры устройства. Т-образное соединение было получено из слоя кремния толщиной 30 нм методом электронно-лучевой литографии и сухого травления. Ширина каждого плеча составила 40–50 нм, а длина — 50–80 нм. После этого подложка была подвергнута горячему окислению в сухом кислороде при температуре 1000°C. В ходе этого процесса, носящего название PADOX (PAttern-Dependent OXidation) и описанно го в [4] и [5], в каждом плече было организовано по одной кремниевой области проводимости, как показано на рис. 1б. Процесс базируется на эффекте самопроизвольного формирования сужения кремниевого проводника в процессе окисления. В основе механизма этого преобразования лежат два противоположно направленных эффекта: снижение степени окисления в связи с ростом внутренних напряжений и рост степени окисления вблизи края проводника. В случае T-образного соединения, степень окисления в плечах снижена из-за наличия внутренних напряжений, в то время как в точке соединения проводников она значительно выше, так как эта область имеет относительно большую площадь, и поэтому накапливает меньшие напряжения.

Рис. 2. Общий вид Т-образного соединения, сделанный с помощью электронного микроскопа

На рис. 2 показан общий вид Т-образного соединения кремниевых проводников, полученный с помощью электронного микроскопа. После процесса PADOX, в ходе которого был также сформирован затворный SiO2, метод электронно-лучевой литографии был применён повторно для формирования тонких легированных фосфором поликремниевых затворов над каждым плечом Т-образного соединения. Эти затворы имеют точность перекрытия порядка 20 нм и могут быть использованы для управления электростатическим потенциалом областей проводимости каждого плеча Т-образного соединения.

Рис. 3. Фотографии Т-образного соединения, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа до (а) и после (б) формирования сверхтонких нижних затворов. Сверхтонкие нижние затворы располагаются над соответствующим плечом Т-образной структуры. Прямоугольником обозначена активная область устройства

На рис. 3 приведены снимки соединения, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа до и после формирования тонких затворов с поперечными размерами 60–100 нм на 150 нм. Каждый такой затвор расположен над своим плечом Т-образного соединения. Следует отметить, что активная область устройства имеет размер менее 200ґ300 нм. После изготовления тонких нижних затворов были сформированы промежуточный изолирующий слой оксида кремния и верхний поликремниевый затвор, покрывающий более широкую площадь (рис. 1a). Затем, используя верхний затвор как маску, изготовление устройства было завершено формированием выводов истока и стока внедрением ионов фосфора.

Эквивалентная схема устройства

 Рис. 4a условно показывает структуру изготовленного устройства. Здесь представлен простой случай устройства с двумя областями проводимости.

Рис. 4. Структурная схема устройства с двумя областями проводимости (а), широкий верхний затвор здесь опущен.
Упрощенная эквивалентная схема устройства с двумя областями (б)

Самая большая область в плече Т3 служит только как вывод из-за слабого эффекта кулоновской блокады при температурах, используемых в этом эксперименте. На рис. 4б показана упрощённая эквивалентная схема устройства с двумя кремниевыми областями. В общем случае устройство состоит из двух одноэлектронных транзисторов, связанных между собой параллельно через туннельный конденсатор. Поскольку область в плече T1 не имеет над собой тонкого затвора, электростатический потенциал области управляется только верхним затвором. Потенциал области в плече T2 управляется как нижним (Lg2), так и верхним затворами. Это происходит из-за того, что нижний тонкий затвор здесь не полностью экранирует область проводимости, и часть электрического потока от верхнего затвора может её достичь. Таким образом, верхний электрод представляет собой общий затвор, который управляет одновременно всеми областями.

Рис. 5. Различные конфигурации для устройства с двумя областями проводимости, которые реализуются за счет управления напряжением на нижних затворах (V_lg3). Кремниевые области и затворные электроды показаны условно

Область в плече T3 и нижний затвор (Lg3), расположенный над ним, в данном устройстве по сути никакой роли не играют. Однако, управление напряжением нижнего затвора (Vlg3) позволяет строить различные конфигурации устройств с двумя областями, как показано на рис. 5. Когда канал I3 включён, получаются два параллельно включённых одноэлектронных транзистора, описанных выше. При считывании напряжения в плече T3 получается КМОП-инвертор [8]. В случае, когда канал I3 выключен, получается схема из двух последовательно включённых транзисторов, работающая как базовый элемент в одноэлектронном устройстве передачи, так называемом одноэлектронном насосе [6].

Электрические характеристики

Коммутация тока между двумя областями

Полученное устройство может быть использовано для коммутации тока между двумя кремниевыми областями. В описываемом случае демонстрируются только основные характеристики областей, поэтому использовалось устройство с однослойной структурой, которое не имело тонких нижних затворов, а управлялось только широким общим затвором.

Рис. 6. Зависимость тока через устройство с двумя областями проводимости от напряжения на верхнем затворе при температуре 30К (нижние затворы не используются). На врезке показана работа коммутатора тока при подаче на затвор последовательности импульсов напряжения с амплитудой 100 мВ (от 0 до 0,1 В) и периодом 100 мс

На рис. 6 приведена зависимость тока через устройство (I) от напряжения (V_g), приложенного к широкому затвору, в конфигурации из двух параллельных транзисторов. Измерения постоянного напряжения проводились при температуре 30 K. При напряжениях V₃ = 10 мВ, V₁ = V₂ = 0 В были измерены токи, текущие из вывода T3 через каждую из кремниевых областей в выводы T₁ и T₂. Каждый ток показывает колебания, связанные с эффектом кулоновской блокады, с различными периодами вследствие неодинаковых размеров этих двух областей. Использование противофазности двух колебаний делает возможным коммутацию тока между двумя плечами Т-образного соединения. На врезке в рис. 6 показано переключение между токами I₁ и I₂, которое происходит в ответ на приложенную на вход V_g последовательность импульсов амплитудой 100 мВ. Путь тока переключается между двумя плечами, потому что кулоновская блокада против туннелируемого электрона устанавливается в каждой области поочерёдно в момент перехода уровня входного управляющего напряжения. Следует отметить, что переключение токов с соотношением более 20 реализовано в чрезвычайно маленькой области с размерами 200x300 нм2. В этом эксперименте скорость переключения была достаточно низкой, что связано с наличием большой ёмкости в системе измерения, но никак не с параметрами самого устройства.
    В принципе, описанное выше переключение может непосредственно применяться в КМОП-инверторе, в этом случае напряжение питания прикладывается к выводам V₁ и V₂, а выходной сигнал считывается с вывода V₃. Для реализации “правильного” инвертора необходимо усовершенствование структуры устройства с целью получения единичного коэффициента передачи, так как описываемое существующее устройство имеет малый коэффициент передачи (0,3 при температуре 30 K). Для этого должно быть подавлено размазывание колебаний вследствие влияния температуры и напряжения исток–сток, для чего ёмкости истока C_s1 и стока C_d1 должны быть сделаны меньшими, чем ёмкость затвора C_ug1 [1].

Передача одного электрона

В процессе исследования наблюдался эффект связи между двумя кремниевыми областями проводимости. Наличие ёмкостной связи между областями необходимо для осуществления передачи одного электрона и является ярким свидетельством того, что области расположены достаточно близко. Чтобы объяснить существование эффекта связи, были задействованы все части устройства, в том числе и нижние тонкие затворы, раздельно управляющие электростатическим потенциалом каждой области.

Рис. 7. Зависимость тока, протекающего через устройство с двумя областями проводимости, от напряжения на верхнем широком затворе при раздельном управлении электростатическим потенциалом каждой области с помощью нижних затворов. Кривые при различных значениях V_lg2 для наглядности смещены по вертикали

На рис. 7 показана зависимость I от Vug при температуре 33 K для другого устройства с двумя областями. Значения напряжений составили: V₃ = 10 мВ, V₁ = V₂ = 0 В. Напряжение на нижнем затворе V_lg2 изменялось в пределах от 0 до -0,24 В. Здесь также видны колебания токов I₁ и I₂, связанные с наличием эффекта кулоновской блокады в областях T₁ и T₂. Здесь можно наблюдать, что изменение напряжения V_lg2 поднимает пики тока I₂, указывая на то, что нижний тонкий затвор Lg2 работает достаточно хорошо, чтобы управлять потенциалом области плеча Т2. Весьма интересно, что здесь пики области плеча Т₂ дробятся в момент, когда они приближаются к пикам области плеча T₁. Это явление точно указывает на наличие ёмкостной связи между этими двумя областями. Моделируя экспериментальный результат, основанный на так называемой ортодоксальной теории [1], возможно оценить полную ёмкость областей проводимости плеч T₁ и T₂, которая получается равной 4 и 8 аФ, соответственно, и ёмкости связи, равной 1 аФ. Если предположить, что области проводимости имеют форму сфер, встроенных в слой оксида кремния, их диаметр можно оценить из значения полной ёмкости (18 и 37 нм, соответственно). Туннельное сопротивление составляет единицы МОм. Поскольку область плеча T₁ имеет несколько больший кулоновский промежуток из-за меньшей полной ёмкости, а с другой стороны, кулоновское взаимодействие одинаково для обеих областей, характеристики области плеча T₁ менее чувствительны к взаимодействию.

Рис. 8. Диаграмма стабильности (сотовая) для количества электронов n1 и n2 в двух активных областях проводимости

Используя параметры, полученные с помощью моделирования, можно нарисовать диаграмму стабильности для количества электронов n1 и n2 в этих двух областях (рис. 8). Диаграмма разделена на шестиугольные области из-за явления связи между областями проводимости (если этой связи нет — то на квадраты). В пределах шестиугольника (n1,n2) состояние устойчиво, когда области плеч T1 и T2 имеют n1 и n2 электронов, соответственно. Если использовать конфигурацию из последовательно включенных одноэлектронных транзисторов, показанную на рис. 4, и управлять затворами таким образом, чтобы состояние изменялось циклически, как (0,0) ® (1,0) ® (0,1) ® (0,0) (овал со стрелкой на рис. 8), то за цикл из одного проводника в другой может быть перемещён только один электрон. Схема этого, так называемого электронного насоса [6], приведена на рис. 9a.

Рис. 9. Работа устройства в режиме одноэлектронного перемещения. Одноэлектронный насос с двузатворным управлением. Гармонический сигнал управления с частотой f дает ток, равный произведению частоты на заряд электрона (а). Направленный коммутатор для одноэлектронного перемещения, использующий три кремниевых области проводимости. Два одноэлектронных насоса связаны таким образом, что отдельный электрон может быть перемещен в одно из двух плеч согласно сигналу управления X_i

Кроме того, после изготовления Т-образного соединения проводников с тремя активными кремниевыми областями с ёмкостной связью может быть создан направленный одноэлектронный коммутатор, схема которого показана на рис. 9б. В этом устройстве два одноэлектронных насоса соединены таким образом, чтобы отдельный электрон мог быть перемещён по одному из двух путей, то есть в одно из двух плеч Т-образного соединения. Выбор направления перемещения электрона осуществляется входным управляющим сигналом Xi. Такое устройство может применяться в схемах бинарных диаграмм решения (BDD) [2] с использованием единственного электрона в качестве носителя информации.

Заключение

В ходе работы, описанной в настоящей статье, были изготовлены кремниевые одноэлектронные устройства с несколькими кремниевыми областями проводимости в виде Т-образного соединения проводников. Была осуществлена попеременная коммутация токов через области за счёт эффекта кулоновской блокады (CB). Кроме того, была получена и оценена ёмкостная связь между этими двумя областями, что является необходимым условием построения одноэлектронных устройств передачи. Устройство, описанное в данной статье, является весьма перспективным, так как позволяет обеспечить очень высокую степень интеграции и сверхмалое потребление микросхем на основе одноэлектронных устройств.

Литература

1. For a review, see D.V. Averin and K.K. Likharev, in Mesoscopic Phenomena in Solids, B.L. Altshuler, P.A. Lee, R.B. Webb (Elsevier, Amsterdam, 1991).
2. N. Asahi, M. Akazawa and Y. Amemiya, Binary-decision-diagram device, IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 42, pp. 1999–2003, 1995.
3. K. Yano, T. Ishii, T. Hashimoto, T. Kobayashi, F. Murai and K. Seki, Room-temperature single-electron memory, IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 41, pp. 1628–1637, 1994.
4. Y. Takahashi, M. Nagase, H. Namatsu, K. Kurihara, K. Iwadate, Y. Nakajima, S. Horiguchi, K. Murase and M. Tabe, Fabrication technique for Si single-electron transistor opera-ting at room temperature, Electron. Lett., Vol. 31, pp. 938–940, 1994.
5. Y. Takahashi, H. Namatsu, K. Kuri-hara, K. Iwadate, M. Nagase and K. Murase, Size dependence of the characteristics of Si single-electron transistor on SIMOX substrates, IEEE Trans. Electron Devices, Vol. 43, pp. 1213–1217, 1996.
6. H. Pothier, P. Lafarge, R.F. Orfila, C. Urbina, D. Esteve and M.H. Devoret, Single electron pump fabricated with ultrasmall normal tunnel junctions, Physica B, Vol. 169, pp. 573–574, 1991.
7. A. Fujiwara, Y. Takahashi, K. Yamazaki, H. Namatsu, M. Nagase, K. Kurihara and K. Murase, Silicon double-island single-electron device, Tech. Dig. IEDM, pp. 163–166, 1997.
8. J.R. Tucker, Complementary digital logic based on the Coulomb blockade, J. Appl. Phys., Vol. 72, pp. 4399–4413, 1992.

NTT REVIEW, ноябрь 1998 г.
Перевод Ю. Потапова