11.4. Реализация одноэлектронных приборов

По направлению протекания тока конструкции делятся на горизонтальные (латеральные) и вертикальные.

По способу формирования квантовых точек конструкции делятся на приборы на постоянных и временных (индуцированных) квантовых точках. Следует отметить, что термин "квантовая точка” по отношению к малому объекту не всегда корректен, так как квантования энергетического спектра может и не наблюдаться. Однако данный термин широко используется в силу того, что для квантования спектра достаточно понизить температуру.

Постоянная квантовая точка существует все время и представляет собой чаще всего какой-либо кластер (металлический или полупроводниковый). Индуцированная квантовая точка создается в двумерном электронном газе путем приложения обедняющих напряжений, т. е. существует лишь во время работы прибора. Кроме того, приборы на индуцированных квантовых точках можно разделить по способу формирования двумерного электронного газа на инверсные и гетероструктурные. В инверсных приборах двумерный электронный газ формируется в инверсионных приповерхностных каналах путем приложения соответствующего напряжения. В гетероструктурных приборах двумерный электронный газ существует на гетерогранице.

По количеству квантовых точек приборы делятся на нульмерные (одноточечные), одномерные (цепочка точек) и двумерные (массив точек).

По управляемости параметрами квантовых точек приборы делятся на неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные, с одним или несколькими затворами).

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся конструкции одноэлектронных приборов.

Примером вертикального одноэлектронного прибора служит конструкция с использованием сканирующего туннельного электронного микроскопа. Идея данной реализации заключается в следующем. Между проводящей подложкой и иглой сканирующего туннельного микроскопа располагается некоторая малая металлическая частица (металлический кластер), изолированная туннельными переходами как от подложки, так и от иглы. Таким образом, металлическая частица играет роль кулоновского острова. По рассмотренной нами классификации это вертикальный нульмерный неуправляемый прибор на постоянной квантовой точке. Следует отметить, что реализованный при помощи СТМ одноэлектронный прибор, был первым, работа которого была осуществлена при комнатной температуре.

Существуют различные способы изоляции частицы от подложки. Частица либо высаживается на тонкий изолирующий слой, например, оксида материала подложки или какой-либо другой специально нанесенный изолирующий подслой, либо металлический кластер окружают непроводящие органические лиганды. Схематический вид общей структуры представлен на рис. 11.7.

Рассмотрим уже реализованные структуры "подложка - изолятор - частица - игла”. В качестве металлических частиц в подавляющем большинстве экспериментов использовалось золото, однако материалы, использовавшиеся для подложки и изолятора отличаются большим разнообразием. Для подложки используют золото, индий и алюминий, в качестве изоляторов применяют окись циркония, полимерную пленку дитиола и окись алюминия толщиной порядка 1 нм. Способ формирования частиц примерно одинаковый - на изолирующую пленку наносится тонкий (от 0.2 до 1 нм) слой золота, который собирается в кластеры размером несколько нм, либо на изолятор осаждаются предварительно сформированные кластеры.

В случае исследования металлических частиц, окруженных металлическими молекулами (лигандами), в качестве ядра используют платину, частицу которой погружают в водный раствор поливинилпорролидона, в результате чего вокруг частицы - кластера образовывается " шуба" из полимерных металлофильных молекул.

Вольт-амперные              характеристики, полученные для всех этих вариантов,

сходны и имеют лишь небольшие количественные отличия. Во всех случаях отчетливо наблюдалась кулоновская блокада и кулоновская лестница как при 4.2° К, так и при комнатной температуре, однако при комнатной температуре эффекты менее выражены.

Проводились эксперименты и по изучению эмиссии видимого света, возникающей при инжектировании электрона с иглы СТМ в подложку. Максимальная энергия излучаемого фотона hv = eV, где V - приложенное напряжение. Данное утверждение справедливо для макроскопических образцов. При малых размерах частиц, т. е. при наличии кулоновской блокады, максимальная энергия должна уменьшится на величину, необходимую для преодоления кулоновской блокады Таким образом, смещение составит

Было проведено исследование на поверхности двух частиц: "большой", площадью 490 нм2 и "маленькой", площадью 32 нм2. Для большой частицы сдвигсо

ставил 3.8 мэВ, для маленькой - 58 мэВ. Таким образом, расчетная разница между сдвигами должна составить = 54 мэВ. Как показал проведенный эксперимент, она составила 80 мэВ, что вполне согласуется с грубыми оценками.

При измерениях на металлических частицах, окруженных полимерными моле-

кулами, была обнаружена большая нестабильность характеристик во времени, зависимость диэлектрической постоянной и толщины оболочки от расстояния игла - частица, что напрямую связано с природой органических молекул.

пытки использовать в качестве кулоновского острова органические молекулы жидких кристаллов и молекулы фуллерена. Кулоновские эффекты рассматриваются как с точки зрения классической теории, так и с точки зрения решения уравнения Шредингера. В ИФП СО РАН разработана математическая модель, позволяющая определять параметры одноэлектронных приборов по измеренным характеристикам. Мацумото (не путать с Хакамадой) использовал СТМ для изготовления одноэлектронного транзистора. На подложку из окисленного кремния (толщина SiO2 100 нм) наносился тонкий (3 нм) слой титана. При подаче на иглу СТМ отрицательного относительно пленки титана потенциала, происходило анодное окисление пленки, так как процесс производился на воздухе, в котором присутствует влага. Вследствие малой толщины, пленка Ti окислялась до нижележащего слоя SiO2. Ширина полоски TiOx зависела от влажности воздуха и составляла от 10 до 64 нм. Таким образом был создан одноэлектронный транзистор, работающий вплоть до комнатной температуры, однако вряд ли эта технология имеет перспективу для массового производства.