11.7. Одноэлектронный прибор на основе сканирующего туннельного микроскопа
В качестве конкретного примера вертикального одноэлектронного прибора служит конструкция с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Его устройство схематически изображено на рис.11.4.
Рис. 11.4. Схема одноэлектронного прибора на основе СТМ
Между проводящей подложкой и иглой СТМ располагается некоторая малая частица или кластер, изолированные туннельными переходами как от подложки, так и от иглы-зонда. Таким образом, данная частица играет роль кулоновского островка. По приведенной выше классификации – это нульмерный неуправляемый вертикальный прибор на постоянной квантовой точке.
Следует заметить, что реализованный на основе СТМ одноэлектронный прибор может работать практически при комнатной температуре, что выгодно отличает его от всех остальных одноэлектронных приборов. Приборы на основе СТМ различаются способом изоляции наночастицы от подложки. Частица высаживается на тонкий изолирующий слой (рис. 11.4,а) или же металлический кластер окружают изолирующие органические лиганды (рис. 11.4,б).
11.8. Субмикронный вертикальный одноэлектронный транзистор (транзистор Остина)
Одним из возможных путей реализации одноэлектронных приборов является применение многослойных структур, выращенных при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии. Собственно эпитаксиальный рост по методу молекулярно-лучевой эпитаксии (molecular beam epitaxy, MBE) включает в себя следующие элементарные процессы:
адсорбция (прилипание) падающих на подложку атомов или молекул, составляющих выращиваемое соединение;
миграция (поверхностная диффузия) адсорбированных атомов по поверхности подложки;
встраивание атомов в кристаллическую решётку подложки или в растущий моноатомный слой;
термическая десорбция атомов, не встроившихся в кристаллическую решётку;
образование и дальнейший рост двумерных зародышей кристалла на подложке или на поверхности растущего слоя;
взаимная диффузия атомов, встроившихся в кристаллическую решётку.
В качестве материалов используются главным образом гетероструктуры на основе GaAs/AlGaAs. Что же представляет собой такая система?
На рис. 11.5 показан субмикронный вертикальный одноэлектронный транзистор по Остину. Основной принцип его работы заключается в следующем. При подаче на затвор отрицательного напряжения создаются области обеднения носителей заряда, которые ограничивают квантовую яму между двумя барьерами, темсамым облегчая туннелирование, т.е. формируется квантовая точка с кулоновской блокадой, туннельным переходом и т.д. Если напряжение на затворе отсутствует, то структура ведет себя как резонансно-туннельный диод.
Рис. 11.5. Схема транзистора Остина
Ашури предложил другую конструкцию одноэлектронного субмикронного транзистора. В целом конструкция Ашури аналогична конструкции Остина за исключением того момента, что затворный и истоковый контакты совмещены, т.е. прибор является двухэлектродным. К настоящему моменту разработаны конструкции одноэлектронных транзисторов из кремния, диоксида кремния, а также сэндвичевых структур типа Al/AlxOy/Al. Поиск и применение различных материалов продиктован особенностями использования (т.е. назначением) данных устройств, а также стремлением улучшить их потребительские качества (наработку на отказ, температурные режимы и т.д.).