Наноэлектроника

Одноатомные одноэлектронные транзисторы на основе примесных атомов в твердом теле.

Разработка, создание и исследование одноатомных структур являются продолжением и развитием работ по созданию классических и молекулярных одноэлектронных устройств, проводившихся в лаборатории «Криоэлектроника» с конца 80-х годов. Одноэлектроника, как область мезоскопической физики, родилась в стенах факультета 30 лет назад. В ее основании лежат оригинальные теоретические работы сотрудников факультета К.К. Лихарева, Д.В. Аверина и А.Б. Зорина. За это время на физическом факультете МГУ разработаны и экспериментально продемонстрированы уникальные наноэлектронные устройства: одноэлектронная ячейка памяти с временем хранения единичного электрона более 8 часов (второй результат в мире), одноэлектронный транзистор с рекордной зарядовой чувствительностью (< 8x10-6 e/Гц1/2), первый в мире молекулярный одноэлектронный транзистор, работающий при комнатной температуре и наконец - одноатомный одноэлектронный транзистор, размер базового элемента которого приближается к физическому пределу: создать твердотельное электронное устройство, размер элементов которого будет меньше размера одного атома невозможно.

    

Рис. 1. Схематическое и реальное изображение одноатомного транзистора.

Рабочим элементом (островом) одноатомного одноэлектронного твердотельного транзистора является одиночный примесный атом (например мышьяка или фосфора), размещенный между туннельными и управляющими электродами в приповерхностной области тонкого монокристаллического кремниевого слоя толщиной 50 нм, расположенного на поверхности диэлектрической подложки (рис. 1). Электрический ток в таком транзисторе - это последовательный пространственно-коррелированный туннельный перенос одиночных электронов между транспортными электродами через выделенный примесный атом.

Величина одноэлектронного тока сильно зависит от величины потенциала управляющего электрода. Выделенный примесный атом, находящийся в приповерхностном слое кристалла кремния, работает как сверхмалый проводящий остров, который может содержать в себе положительный и отрицательный заряд величиной в несколько электронов. Эффективный размер такого острова для атома мышьяка в кристаллическом кремнии составляет всего 2 3 нм. Основной особенностью одноатомного одноэлектронного транзистора и его существенным отличием от одноэлектронных транзисторов на основе молекул и квантовых точек является специфический одночастичный энергетический спектр электронов выделенного примесного атома. Расстояние между электронными уровнями энергии примесного атома уменьшается по мере роста энергии уровня и его приближения к дну зоны проводимости, что свойственно свободным атомам. Наличие такого энергетического спектра позволяет однозначно идентифицировать туннелирование электронов через выделенный атомный центр по измеренной токовой диаграмме стабильности (рис. 2), в которой максимальная величина блокады транспортного тока монотонно уменьшается по мере увеличения управляющего напряжения.

Рис. 2. Токовая диаграмма стабильности одноатомного транзистора на основе примесного атома мышьяка в кремнии.

Технология изготовления одноатомных устройств основана на серии последовательных процессов реактивно-ионного травления (РИТ) кремниевой структуры одноэлектронного транзистора, в результате которых происходит постепенное уменьшение рабочей области транзистора (рис 3). В результате экспериментов удается наблюдать по диаграммам стабильности постепенную трансформацию устройства от классического состояния с макроскопическим островом до одноатомного состояния, когда электронный транспорт в транзисторе осуществлялся через единичные примесные атомы. Созданный транзистор позволил изучить закономерности параллельного переноса электронов через три примесных атома фосфора. В результате исследования удалось обнаружить характерное расщепление кулоновских токовых треугольников (рис. 4), которое ранее было предсказано в теоретических работах. По обнаруженному расщеплению было оценено среднее расстояние между примесными атомами фосфора в мостике транзистора. Оптимизация технологических процессов для изготовления такого устройства из кремния на изоляторе (КНИ) позволяют увеличить коэффициент управления транзистора за счет приближения управляющего затвора к области локализации примесных атомов. Продолжающиеся исследования проводятся в направлении поиска оптимальных кристаллических материалов и примесных атомов, которые определяют рабочую температуру одноатомного одноэлектронного транзистора и уровень его шумов. В ближайшем будущем станет возможным увеличить рабочую температуру подобных устройств вплоть до комнатной. Уже в ближайшее время планируется изготовление одноатомных транзисторов на основе нетрадиционных для полупроводниковой промышленности примесных атомов и кристаллических подложек.

Рис 3. a) - концентрация (левая ось) и среднее расстояние между атомами фосфора (правая ось) в слое Si слоя. b) - d) - этапы изготовления транзистора (окраска цветами: темно-синий - верхний Si слой, зеленый – Cr электроды, серый – Al маска, коричневый - SiO2 изолирующий слой): b) - структура до реактивно-ионного травления (РИТ) Si слоя; c) - структура после анизотропного РИТ Si слоя; (d): структура после первого изотропного РИТ с зазором в центре Si наномостика.

Рис. 4. (a): расщепление токового треугольника; (b): поперечное сечение токового треугольника при низких туннельных напряжениях V = 2 мВ (S1) и V = 3 мВ (S2) для одноэлектронный транзистор на основе 3-х атомов фосфора.

Полученные результаты позволяют надеяться на разработку в будущем промышленной технологии создания одноэлектронных одноатомных вычислительных устройств и устройств памяти, работающих на новых физических принципах. Среди таких потенциальных устройств можно отметить квантовые вычислительные устройства и так называемые одноэлектронные одноатомные зарядовые клеточные автоматы, в которых отдельные примесные атомы будут играть роль клеток, между которыми передается заряд или состояние поляризации. Что немаловажно, разработанная технология изготовления совместима с традиционной КМОП технологией, а предложенное устройство является масштабируемым, что позволяет изготавливать СБИС.

Работа ученых факультета по созданию и изучению одноатомных одноэлектронных устройств поддержана Российским Научным Фондом. Результаты исследований опубликованы в статьях:

  • V.V. Shorokhov, D.E. Presnov, S.V. Amitonov, Y.A. Pashkin, V.A. Krupenin, "Single-electron tunneling through an individual arsenic dopant in silicon", Nanoscale 9(2), 613-620 (2017).
  • S.A. Dagesyan, V.V. Shorokhov, D.E. Presnov, E.S. Soldatov, A.S. Trifonov, V.A. Krupenin, “Sequential reduction of the silicon single-electron transistor structure to atomic scale”, Nanotechnology, 28, 225304, (2017).
  • С.А. Дагесян, В.В. Шорохов, Д.Е. Преснов, Е.С. Солдатов, А.С. Трифонов, В.А. Крупенин, О.В. Снигирёв. Одноэлектронный транзистор с островом из нескольких примесных атомов фосфора. Вестник Московского университета, 5, 32–38 2017. (English: Moscow University Physics Bulletin, 72(5), 474–479, 2017).

Полевые транзисторы с каналом-нанопроводом – высокочувствительные сенсоры для исследования биоспецифических взаимодействий.

Междисциплинарное научное исследование проводится совместно с кафедрой Химической Энзимологии химического факультета МГУ. Решаются следующие научные задачи: разработка методов изготовления биосенсорных наноустройств на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом; комплексное исследование физических процессов в экспериментальных образцах наносенсоров, оптимизация их структуры и характеристик с целью повышения чувствительности; разработка методик определения предельно низких концентраций биомолекул в растворах, включая реальные образцы сыворотки крови. Решение этих задач особенно важно в области клинической медицины, где огромную роль играет возможность быстрого и одновременного определения в одном образце сразу нескольких исследуемых веществ.

Актуальность разработки, создания исследования биосенсоров на основе полевых транзисторов с каналом-нанопроводом связана в первую очередь с потребностью миниатюризации диагностических систем и повышением их чувствительности, что, в свою очередь, вытекает из необходимости минимизировать количество исследуемого материала (крови, слюны и т.д.).

Полевой транзистор с каналом-нанопроводом представляет собой структуру из тонкой (< 100 нм) полупроводниковой проволоки - нанопровода, соединеннной с проводящими элект родами стоком и истоком. Ток через транзистор определяется напряжением на затворе, точнее, напряженностью электрического поля, в котором находится нанопровод. Локальные изменения поля достаточной величины также способны изменить проводимость нанопровода, что дает возможность регистрации с помощью такого устройства присоединения к (отсоединения от) поверхности нанопровода малых заряженных частиц.

    

Схематичное изображения полевого транзистора с каналом-нанопроводом и жидкостной измерительной ячейки.

В реальных сенсорах к поверхности нанопровода присоединяются специальные биомолекулы, которые могут селективно связываться с детектируемыми молекулами ДНК, белками или вирусами. Связывание молекул на поверхности нанопровода приводит к изменению его проводимости, которая регистрируется измерительной системой. Чувствительность подобных сенсоров экстремально высока и достигает уровня аттомоля (10-18 м), а в отдельных случаях позволяет добиться детектирования одиночных молекул или частиц.

В наших исследованиях в качестве материала для изготовления экспериментальных структур используются пластины кремния на изоляторе (КНИ), у которых толщина верхнего слоя кремния составляет величину 110 нм, а изолирующего диэлектрика SiO2 – 200 нм. Структуры транзисторов формируются в верхнем слое кристаллического кремния методом реактивно-ионного травления кремния через металлическую маску. Формирование структур происходит с помощью прецизионной электронно-лучевой литографии (растровый электронный микроскоп Carl Zeiss Supra40 с литографической приставкой Raith-ELPHY Quantum. В качестве материала для подводящих проводов и контактов к кремниевой структуре используются пленки титана толщиной 30 нм, которые покрываются диэлектриком для изоляции от жидкостной среды. Изготовленные чипы помещаются в керамический держатель. Контактные площадки образца соединяются с контактами держателя с помощью ультразвуковой пайки и изолируются герметиком. Основные преимущества используемого метода изготовления — надежность и воспроизводимость процесса, а также совместимость полученного сенсора с традиционной кремниевой технологией, что позволит помещать часть измерительной электроники в непосредственной близости от сенсора.

    

Фотографии биосенсора на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом и его чувствительного элемента – кремниевого нанопровода.

Фотография экспериментального чипа в жидкостной измерительной ячейки.

Измерения характеристик биосенсоров и исследования по детектированию биообъектов, проводятся в измерительном комплексе, основными блоками которого являлись измерительная ячейка, малошумящий токовый предусилитель, интерфейсный блок электроники, персональный компьютер и микрожидкостная система. При измерении в жидкостной среде, для управления током транзистора помимо основного затвора-подложки пластины КНИ, используется дополнительный затвор - опущенный в раствор электрод сравнения – хлорсеребряный электрод.

    

ВАХ полевого транзистора с каналом нанопроводом при различных напряжениях на затворе; отклик сенсора на изменение pH раствора.

На предварительной стадии измерений экспериментальных образцов биосенсоров регистрируются вольтамперные затворные и шумовые характеристики транзисторов на воздухе и в буферных растворах, проводится определение их оптимальной рабочей области с максимальной чувствительностью, исследуется чувствительность на изменение pH буферного раствора. После этого проводятся финальные измерения по детектированию белков, например, простат-специфического антигена (ПСА). Предельно обнаруживаемая концентрация ПСА составила величину — 16x10-15 грамм. В продолжении исследований предполагается проверить возможность применения биосенсора на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом для определения специфических белков в реальных образцах сыворотки крови.

Фотография поверхности нанопровода, покрытого золотыми частицами (~25 нм), которые визуализируют число иммунных комплексов, образовавшихся на его поверхности. Число образовавшихся иммунных комплексов равно числу наночастиц золота за вычетом числа наночастиц, связавшихся неспецифично на контрольной зоне такой же площади.

Синхронный отклик двух различных сенсоров на присутствие специфических антител (реакция соединения антигена и антитела) и отсутствие отклика на присутствие неспецифического белка (нет реакции соединения).

Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований. Результаты исследований опубликованы в статьях:

  • G. Presnova, D. Presnov, V. Krupenin, V. Grigorenko, A. Trifonov, I. Andreeva, O. Ignatenko, A. Egorov, M. Rubtsova. Biosensor based on a silicon nanowire field-effect transistor functionalized by gold nanoparticles for the highly sensitive determination of prostate specific antigen. Biosensors and Bioelectronics, 88, 283–289, 2017.
  • M.Yu Rubtsova, G.V. Presnova, V.A. Krupenin, D.E. Presnov, V.G. Grigorenko, A.M. Egorov. Biosensor based on a nanowire field-effect transistor for the determination of prostate specific antigen. Procedia Technology, 27, 234–235, 2017.
  • Г.В. Преснова, Д.Е. Преснов, В.Г. Григоренко, А.М. Егоров, М.Ю. Рубцова. Ориентированная иммобилизация антител и их фрагментов на модифицированном кремнии для создания наносенсоров. Вестник Московского университета. Серия 2: Химия, 57(2), 82–88, (2016).
  • D.E. Presnov, S.V. Amitonov, P.A. Krutitskii, V.V. Kolybasova, I.A. Devyatov, V.A. Krupenin, I.I. Soloviev. A highly ph-sensitive nanowire field-effect transistor based on silicon on insulator. Beilstein journal of nanotechnology, 4, 330–335 (2013).

Наноэлектромеханические системы (НЭМС)

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) уже широко применяются в фундаментальных исследованиях, обладая уникальным набором параметров:

  • резонансными частотами от МГц до десятков ГГц и механической добротностью 103-106, что превышает добротность электрических несверхпроводящих резонаторов;
  • характерными массами порядка фемтограммов (10-15 г) и теплоёмкостью порядка йоктокалории (10-24 кал);
  • чувствительностью по измеряемой силе - на уровне цептоньютонов (10-21 Н), массе - на уровне цептограмм (10-21 г).

Независимо от своих размеров подавляющее большинство НЭМС имеет в своем составе два принципиально важных компонента: механический элемент и преобразователь.

Механический элемент либо отклоняется на определенную величину, либо совершает колебания в ответ на приложенную квазистатическую или переменную силу. Различные типы механических элементов, использующихся для детектирования статических или переменных сил, могут включать в себя: крутильные весы, кантилеверы, подвешенные балки, составные резонансные структуры, обладающие набором различных (поперечных, продольных, крутильных) мод колебаний.

Преобразователи в МЭМС и НЭМС преобразуют механическое смещение в электрический или оптический сигнал и наоборот. В качестве преобразователей наиболее подходящими устройствами являются квантовые точечные контакты и одноэлектронные транзисторы, которые могут обеспечить достижение квантового предела. К ним следует также добавить полевые сенсоры на основе полупроводниковых нанопроводов, которые обладают чувствительностью и локальным разрешением, близким к одноэлектронным транзисторам.

Высокие частоты наномеханических резонаторов открывают много новых и интересных возможностей их применения в недалеком будущем. Среди них, например, механическая обработка сигналов на сверхвысоких частотах при сверхнизком потреблении энергии, новые типы быстро сканирующих зондовых микроскопов и, возможно, даже новые формы механических компьютеров. Однако принципиально новой особенностью перехода от микро размеров к нано является доминирование квантовых эффектов. Появляется возможность исследовать чисто механические объекты в квантовом режиме, что было невозможно в недалёком прошлом.

Важный атрибут НЭМС - высокая добротность (Q) их резонансной системы. Как результат, НЭМС чрезвычайно чувствительны к внешним демпфирующим механизмам, что имеет решающее значение для построения на их основе различных типов сенсоров. Кроме того, термомеханической шум, который аналогичен белому шуму в электрических резисторах, обратно пропорционален Q. Высокое значение Q, следовательно, является важным атрибутом как для резонансных сенсоров, так и для сенсоров смещения. Высокая добротность обеспечивает подавление случайных механических флуктуаций и, таким образом, делает эти устройства очень чувствительными к приложенному воздействию. С такой чувствительностью появляется возможность для достижения квантового предела.

Малая эффективная масса колеблющейся части устройства - или малый момент инерции крутильных устройств - имеет еще одно важное следствие: НЭМС имеет поразительно высокую чувствительность к дополнительной массе - исключительно ценный атрибут для широкого спектра сенсорных приложений. Наиболее чувствительные приборы в скором времени смогут обнаружить небольшое число атомов, адсорбированных на поверхности устройства.

Между тем, малый размер НЭМС также подразумевает, что приборы на их основе будут иметь высокое пространственное разрешение. Кроме того, геометрия устройства НЭМС может быть адаптирована таким образом, чтобы колеблющийся элемент реагировал на внешние силы только в определенном направлении. Эта гибкость является чрезвычайно полезной для разработки новых типов сканирующих зондовых микроскопов.

НЭМС также относятся к устройствам с предельно низким потреблением энергии. Применение НЭМС на пиковаттном (10-12 Вт) масштабе обеспечивает отношение сигнал-шум до 106. Даже если миллион таких устройств работал бы одновременно в сигнальном процессоре, суммарная рассеиваемая мощность всей системы была бы только на уровне одного мкВт.

Существует ряд направлений, исследования в которых исключительно актуальны, как для решения фундаментальных задач, так и применения полученных результатов:

  1. Изучение механизмов диссипации в наномеханических резонаторах с целью повышения их добротности
  2. Исследование электронного транспорта в интегрированных системах, включающих наномеханический резонатор и электронный преобразователь, например, одноэлектронный транзистор или сквид.
  3. Исследование эффекта механической степени свободы на свойства квантовой двухуровневой системы (кубита).

Совместно с Университетом Ланкастера (Великобритания) начаты работы по разработке, созданию и исследованию НЭМС для решения вышеперечисленных задач.

В качестве материала для изготовления нанопроводов используются коммерчески доступные пластины КНИ (Soitec ® «Unibond» wafers), обладающие следующими характеристиками: верхний слой кремния толщиной 110 нм (р-тип, бор, удельное сопротивление - 7-12 Ом·см); изолирующий диэлектрик — SiO2 толщиной 200 нм. Толщина поддерживающей кремниевой пластины составляла 750 мкм (р-тип, бор, удельное сопротивление - 7-12 Ом·см).

На первом этапе, с помощью стандартных методов фото- и электронной литографии изготавливаются контактные площадки и метки совмещения. Формирование рисунка нанопровода происходит с помощью электронной литографии и реактивно-ионного травления. Продемонстрирована возможность изготовления проводов шириной до 20 нм. Локальное жидкостное травление SiO2 проводилось в свободных от резиста областях со структурами нанопроводов размером порядка 2x3 мкм2, сформированных в процессе электронной литографии.

Сформированный подвешенный нанопровод из кремния.

На финальном этапе поверхность нанопровода покрывалась тонким (10 - 15 нм) слоем сверхчистого алюминия методом электронно-лучевого испарения С помощью магнитодвижущего метода были определены резонансные частоты первых двух мод образца НЭМС, которые с высокой точностью совпали с теоретическими значениями.

Подвешенный нанопровод из кремния, покрытый слоем алюминия.

Локальный полевой сенсор на основе полупроводникового нанопровода

Последнее десятилетие внимание исследователей в микроэлектронике, физике, химии, биологии и медицине приковано к наноразмерым или наноструктурированным объектам. В ряде случаев создание и изучение наноразмерных систем требуют проведения высокочувствительного, бездеструктивного анализа профилей потенциалов поверхностей и отдельных объектов с нанометровым пространственным разрешением. Но чувствительности существующих устройств зачастую недостаточно для детального исследования наноструктур.

Одним из самых перспективных чувствительных к электрическому полю устройств является полевой транзистор с каналом-нанопроводом, так как он обладает высокой чувствительностью при комнатной температуре, что важно для исследований биологических объектов. Но для исследования таким сенсором профиля потенциала, необходимо расположить такой транзистор на оконечности зонда. Однако создание любой наноразмерной структуры на краю кристалла сопряжено с рядом технологических сложностей, так как стандартные литографические методики изготовления наноструктур не приспособлены для решения этой задачи, поскольку вблизи края все процессы проходят не так, как в центе пластины. Уже на этапе нанесения резистной маски её толщина на краю образца будет существенно отличаться от толщины, получаемой в центре, что затруднит, если не сделает невозможной, литографию высокого разрешения.

В научной группе был разработан и запатентован оригинальный метод, позволяющий расположить такой чувствительный элемент в непосредственной близости от края пластины (от 0 до 50 нм от края), основанный на стандартных для полупроводникового производства технологических процессах. В настоящее время идет активная работа по улучшению чувствительности такого сенсора и исследованию различных объектов с его помощью.

    

Нанопровод на оконечности чипа-зонда (слева). Чип, закрепленный на камертоне СЗМ (справа).

    

Фотография зонда в держателе СЗМ (слева) и схема сканирования поверхности (справа).

Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований. Результаты исследований запатентованы и опубликованы:

  • Presnov, D. E., Bozhev, I. V., Miakonkikh, A. V., Simakin, S. G., Trifonov, A. S., and Krupenin, V. A. "Local sensor based on nanowire field effect transistor from inhomogeneously doped silicon on insulator", Journal of Applied Physics 123, 5, 054503 (2018).
  • A.S. Trifonov, D.E. Presnov, I.V. Bozhev, D.A. Evplov, V. Desmaris, V.A. Krupenin, “Non-contact scanning probe technique for electric field measurements based on nanowire field-effect transistor”, Ultramicroscopy, 179, 33-40 (2017).
  • Д.Е. Преснов, И.В. Божьев, В.А. Крупенин, О.В. Снигирев. "Способ изготовления элементов с наноструктурами для локальных зондовых систем." Патент РФ № 2619811 (2017).


  • Владимир Александрович Крупенин

    Владимир Александрович Крупенин

    Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н.

    ИСТИНА
    E: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
    P: +7 (495) 939-39-87
  • Денис Евгеньевич Преснов

    Денис Евгеньевич Преснов

    Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н.

    ИСТИНА
    E: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
    P: +7 (495) 939-39-87
    P2: +7 (495) 939-39-88
    F: +7 (495) 939-30-00
  • Иван Вячеславович Божьев

    Иван Вячеславович Божьев

    Аспирант
    Кафедра полупроводников

    ИСТИНА
    E: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
    P: +7 (903) 587-23-79
  • Александр Андреевич Дорофеев

    Александр Андреевич Дорофеев

    Студент
    Кафедра полупроводников