Одноэлектроника — это одна из тех областей, где ожидается прорыв в электронике будущего. Надо сказать, что она родилась у нас в стране. Её родоначальником является профессор К. Лихарев из Московского государственного университета, который сейчас работает в Нью-Йорке, но, тем не менее, свои основные работы он сделал где-то 15 лет назад в Советском Союзе. Здесь показана вся идеология одноэлектронного элемента.

ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ НА ОДНОЭЛЕКТРОННЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДАХ (по К. К. Лихареву) Уровень технологии изготовления Рлощадь перехода, нм2 Предел по рабочей температуре, К Уровень мощности, Вт Быстро- действие, пикосекунд Степень интеграции, затворов на см2 Существующие переходы 30 x 30 30 10-11 3 109 Предполагаемый предел нанолитографии 10 x 10 300 10-9 0,3 1010 Молекулярные структуры 3 x 3 3000 10-7 0,03 1011

Если мы имеем очень малого размера туннельный переход, или речь идёт об островке, то из-за малой величины такой структуры можно получить разницу энергий электронов в одном и другом состоянии, т. е. по разные стороны перехода, превышающую kT и при температуре порядка комнатной детектировать отдельные электроны и оперировать с ними. Существует также требование, налагаемое соотношением неопределенностей, ведущее к ограничению по величине квантового сопротивления. Такого рода структуры сулят колоссальный выигрыш, в перспективе, по энергопотреблению и по степени интеграции. Вот она здесь показана таблица по сравнению основных параметром микроэлектроники и одноэлектроники — я пока говорю о структурах, которые создаются методами нанолитографии — оказывается возможным резко поднять степень интеграции, улучшить быстродействие, с большими мощностями работать, поднять рабочую температуру и так далее. Это одно из направлений, ключом, к которому, к одноэлектронике, является создание таких малых структур, как колечко, которое я показывал. Но в данном случае, я хочу похвастаться вот этой прозрачкой — эта публикация о нашем Институте в информационном вестнике западногерманской фирмы “Raith”,

Публикация в журнале “Raith”.

здесь фотография и текст говорят, что учёным, работающим в Сибири, удалось сфабриковать металлические полоски на тонкой подложке нитрида кремния размером 10 нм — это 100 ангстрем. Вот с помощью таких подходов созданы структуры на эффекте кулоновской блокады, на самом деле они просты по исполнению, если отвлечься от малого размера. Здесь показано как они делаются. Вот это металлический проводник — нанопроволока, которая за счёт искуственно созданных ступеней рельефа подложки рвётся и тем самым формируются те самые туннельные переходы, о которых мы говорили. Признаком одноэлектронного транспорта является наличие, так называемой, кулоновской щели, когда существует диапазон напряжений, при которых из-за кулоновского отталкивания электронов в такого рода сверхмалых конденсаторах или структурах транспорт электронов оказывается блокированным. Электрон в кулоновском острове мешает преодолеть туннельные переходы электронам из подводящих контактов. Таким образом, ток через такую структуру характеризуется одноэлектронные осцилляциями, которые нами успешно наблюдались — это изумительно красивые зависимости — правда, при температуре жидкого гелия.

Одноэлектронные осцилляции.

Задача состоит в том, чтобы температуру поднять до температуры жидкого азота, до комнатной температуры. Здесь показана кулоновская щель на вольт-амперной зависимости, а здесь осцилляции затворного напряжения, связанные с одноэлектронным транспортом. У нас в Институте существует несколько вариантов изготовления таких структур. Вот я показывал картинку, которая связана с металлическими полосками — это самый простой вариант. Второй это одноэлектронные структуры на кремнии. Есть, пока уникальная технология с помощью, которой удаётся получать слои кремния толщиной в несколько атомных плоскостей, вот они изображены, замурованные в слои окисла. Это, так называемая, технология расщепления или получения отсечённого кремния,

Одноэлектронный транзистор созданный методом разрыва на ступени.

она разработана в лаборатории выпускника НГУ В. П. Попова. Если будет интерес я подробно об этом поговорю. Хочу отметить, что это достижение вошло в перечень важнейших достижений Академии наук прошлого года: получение совершенных сверхтонких слоёв кремния. Совершенство характеризует — это тоже поперечный срез, электронная микроскопия атомного разрешения.

Толщина отсечённого слоя кремния 0.001-1.0 мкм, типичные значения 400-500 нм Разброс толщины слоя кремния на пластине диаметром 100 мм 500 5 нм 40 2.5 нм 4 1 нм Ориентация отсеченного слоя кремния (100) или (111) Концентрация свободных носителей в пленке кремния 1014 1020 см-3 Подвижность носителей в пленке кремния 400-500 см2/Вс Плотность состояний на границе раздела Si/SiO2 < 1012 см-2эВ-1 Макродефекты в слое кремния Как в исходном кремнии Напряжение пробоя диэлектрика толщиной 0.2 0.4 мкм 200 400 3 нм Токи утечки на 1 мм2 100 В Толщина захороненного диэлектрика 0.1 нА Разброс толщины слоя кремния Атомарно-гладкий интерфейс

На другой микрофотографии показано, что в таком слое электронной литографией вырезан микромостик. Транспорт носителей заряда в таком мостике характеризуется тем же самым одноэлектронным эффектом, о котором я только что говорил с наблюдением характерной вольт-амперной зависимости — это уже при температуре жидкого азота.

Вольт-амперные характеристики КНИ-транзисторов.