WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 10 Характеристики многоостровковых одноэлектронных цепочек в зависимости от различных факторов ¶ © И.И. Абрамов, С.А. Игнатенко, Е.Г. Новик Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 220013 Минск, Белоруссия (Получена 6 февраля 2003 г. Принята к печати 10 февраля 2003 г.) Проведен теоретический анализ характеристик многоостровковых одноэлектронных цепочек в зависимости от параметров конструкции, материалов, фонового заряда и температуры окружающей среды с помощью разработанной модели, основанной на решении уравнения Пуассона и использовании метода Монте-Карло. Показано, что основным параметром, определяющим температурную стабильность эффекта кулоновской блокады, является высота потенциального барьера туннельных переходов. Исследования трех систем материалов (Co–Al–O; Au–Al2O3; Cr–Cr2O3) показало, что наиболее предпочтительны по рабочей температуре многоостровковые одноэлектронные цепочки на Co–Al–O, а наименее — на Cr–Cr2O3.

1. Введение На рис. 1 показано влияние изменения ширин туннельных переходов на ВАХ приборной структуры. Для опреМногоостровковые одноэлектронные цепочки тунделенности основные закономерности установлены при нельных переходов перспективны для построения сауменьшении ширины (ширин) с 1.5 до 1.0 нм. Вследствие мых разнообразных приборных структур наноэлектронивозможности большого количества комбинаций на рис. 1 ки [1–4]. Их основными преимуществами по сравнению представлены лишь наиболее характерные результаты.

с одноостровковыми одноэлектронными транзисторами В таблице на вставке указаны соответствующие ширины.

являются: большее пороговое напряжение кулоновской блокады при одинаковых с транзисторами размерах островков и туннельных переходов и, как следствие, большая рабочая температура, характеристики менее чувствительны к паразитному эффекту котуннелирования, а также к неизбежному разбросу основных геометрических размеров (островков, туннельных переходов и др.).

Как правило, в моделях многоостровковых одноэлектронных цепочек согласующими с экспериментом параметрами являются емкости и сопротивления туннельных переходов. В результате во многом утрачивается связь с физикой процессов, протекающих в данных приборных структурах. В статьях [5,6] были предложены модели двух- и многоостровковых одноэлектронных цепочек на базе решения уравнения Пуассона, а также либо решения основного уравнения (master equation), либо Рис. 1. Влияние ширин туннельных переходов на ВАХ использования метода Монте-Карло, которые в опредепятиостровковой цепочки. Соответствующие ширины указаны ленной степени лишены отмеченного недостатка.

в таблице на вставке: Wd — ширина перехода сток-островок 1, Цель работы — теоретический анализ характеристик Wb1 — ширина перехода островок 1-островок 2 и т. д., многоостровковых одноэлектронных цепочек в зависиWs — ширина перехода островок 5-исток. Номера кривых мости от параметров конструкции, материалов, фоновосоответствуют номерам столбцов в таблице.

го заряда и температуры окружающей среды с помощью предложенной модели [6], основанной на решении уравнения Пуассона и использовании метода Монте-Карло.

Выделим следующие характерные черты.

1. При неодинаковых размерах ширин на ВАХ на2. Влияние параметров конструкции, ряду с кулоновской блокадой появляется кулоновская лестница. Последнее объясняется появлением устойчиматериалов и фонового заряда вых комбинаций избыточных носителей на островках, Проанализируем сначала влияние параметров кон- причем каждой ступеньке соответствует определенная струкции и материалов на стоковые вольт-амперные ха- устойчивая комбинация.

рактеристики (ВАХ) пятиостровковой одноэлектронной 2. С уменьшением ширины туннельного перехода и цепочки на основе наночастиц AuPd работы [7].

увеличением количества таких переходов проходящий ¶ E-mail: nanodev@bsuir.edu.by ток увеличивается. Объясняется это увеличением 1232 И.И. Абрамов, С.А. Игнатенко, Е.Г. Новик нелирования электронов через потенциальные барьеры большей высоты. Уменьшение же области кулоновской блокады при увеличении d объясняется перераспределением напряжений в структуре. Данные закономерности влияния параметров материалов на стоковые ВАХ пятиостровковой цепочки хорошо согласуются с установленными для двухостровковых цепочек [5].

На рис. 3 приведено семейство ВАХ пятиостровковой одноэлектронной цепочки для различных значений фоновых зарядов на островках. Видно, что фоновый заряд изменяет область кулоновской блокады. Для кривой (с нулевыми фоновыми зарядами) она максимальна ( 0.26 В), а при числе фонового заряда N0.3 = 0.5 на центральном островке — минимальна ( 0.1В). Эта характерная черта согласуется с известными данными для Рис. 2. Влияние параметров материала (d и ) на ВАХ одноэлектронных структур [1] и объясняется измененипятиостровковой цепочки: 1 — d = 10, = 1.5эВ; 2 — ем электростатической энергии системы, а следовательd = 11, = 1.5эВ; 3 — d = 10, = 1.6эВ.

но, модифицируются условия наступления кулоновской блокады.

3. Пороговое напряжение и предельная рабочая температура Под предельной рабочей температурой Top понимается температура, при которой пороговое напряжение кулоновской блокады Vth имеет ненулевое значение.

В качестве объектов исследования были выбраны одно-, двух- и пятиостровковые цепочки на трех перспективных системах материалов, а именно Au–Al2O3, Co–Al–O, Cr–Cr2O3. Для расчета ВАХ одно- и двухостровковых цепочек использовалась модель [5], базирующаяся на основном уравнении, а для пятиостровРис. 3. Влияние фонового заряда на ВАХ пятиостровковой кового случая — модель на основе метода Монтецепочки. 1 — для случая всех нулевых фоновых зарядов; 2-Карло [6].

соответствуют числу фоновых зарядов N0i = 0.5 только на Для получения наиболее достоверных оценок Top одном островке с номером, меньшим на единицу. При этом сначала было проведено сравнение расчетов ВАХ с эксна всех остальных островках фоновые заряды — нулевые.

периментальными результатами. С этой целью использо2-6 приведены со сдвигом с шагом 20 пА.

вались данные статьи [8] для двухостровковой цепочки на системе Au–Al2O3, статьи [9] для двухостровковой цепочки на системе Co–Al–O и статьи [10] для одновероятности туннелирования электронов через островкового транзистора на Cr–Cr2O3.

соответствующий потенциальный барьер (барьеры).

Наиболее важными параметрами материалов для по3. С увеличением количества переходов с малой следующего анализа являются высота потенциального шириной область кулоновской блокады уменьшается барьера и относительная диэлектрическая проница(кривые 4–6). В то же время расположение перехода емость изолятора d. Геометрические размеры островс наименьшей шириной не влияет на область блокады ков и ширины туннельных переходов соответствуют (кривые 2–4). Эти характерные черты объясняются используемым для отмеченных выше реальных цепосоответствующим перераспределением напряжений, пачек [8–10]. Установленные параметры согласования модающих на туннельных переходах системы.

дели с экспериментом применялись свои для каждой из На рис. 2 показано влияние относительной диэлексистем материалов. В расчетах использовались следуютрической проницаемости изолятора d и высоты пощие параметры материалов систем: = 1.65 эВ, d = тенциальных барьеров туннельных переходов на ВАХ.

(для Au–Al2O3); = 2.0эВ, d = 9 (для Co–Al–O);

Кривая 1 получена при d = 10 и = 1.5 эВ, кривая 2 — = 0.17 эВ, d = 12 (для Cr–Cr2O3). Таким образом, при d = 11 и = 1.5 эВ, кривая 3 — при d = наиболее важное отличие между системами заключаи = 1.6 эВ. Видно, что ВАХ наиболее чувствительны к изменению высоты потенциальных барьеров. Объясня- ется в величине потенциального барьера туннельного ется это существенным уменьшением вероятности тун- перехода.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Характеристики многоостровковых одноэлектронных цепочек в зависимости от различных факторов вывод объясняется тем, что с увеличением количества островков необходимо подавать большее напряжение, чтобы преодолеть область блокады дополнительных туннельных переходов системы. В свою очередь увеличение температуры приводит к росту термических флуктуаций, а следовательно, кулоновская блокада происходит в меньшем диапазоне напряжений (вывод 2). Следствиями первого и второго выводов является то, что многоостровковые цепочки более устойчивы к влиянию температуры (см. рис. 4). Поэтому их и имеет смысл использовать для построения высокоинтегрированных систем.

Оценим Top для рассматриваемых цепочек. Для первой системы (Au–Al2O3, рис. 4, a) Vth имеет малые значения уже при T = 200 K. Отметим, что это значение температуры хорошо согласуется с данными [12] для подобной системы (Au–SiO2, Top = 185 K). Заметим, что для исследуемой системы Vth имеет все же ненулевое значение и при T = 300 K, однако оно очень мало даже для пятиостровковой цепочки (рис. 4, a). Наиболее устойчивой из исследуемых систем к влиянию температуры является вторая система (Co–Al–O, рис. 4, b).

Так, Vth = 0.21 В при T = 300 K для пятиостровковой цепочки. Следовательно, данная приборная структура может функционировать и при комнатной температуре, что согласуется с экспериментальными данными работы [9] для двухостровковой цепочки. Наименее устойчивой к влиянию температуры из исследуемых систем является третья система (Cr–Cr2O3, рис. 4, c, вставка).

Оцениваемая Top около 10 K, хотя Vth очень мало уже при T = 1K (рис. 4, c, вставка). Заметим, что эти данные приведены для размеров островков 20 20 нм.

Результаты же рис, 4, a и b приведены для гораздо меньших значений. Поэтому на рис. 4, c даны также результаты прогноза для системы Cr–Cr2O3 для сравнения с приведенными на рис. 4, a и b размерами островков, в частности 4 4 нм. Видно, что с уменьшением их размеров Vth увеличивается, а Top возрастает, что согласуется с известными данными [1]. Как следует из рис. 4, c, Vth уже незначительно для Cr–Cr2O3 в данном случае при T = 50 K.

Приведенные результаты позволяют расположить исследованные системы в следующем порядке:

1) Co–Al–O, 2) Au–Al2O3, 3) Cr–Cr2O3. Наиболее устойчивой к влиянию температуры является система Рис. 4. Зависимость Vth от температуры для одноэлектронных Co–Al–O, а наименее — Cr–Cr2O3. Обращает на себя цепочек с одним (1), двумя (2) и пятью(3) островками систем:

a —Au–Al2O3, b —Co–Al–O, c —Cr–Cr2O3. внимание то, что наибольшей устойчивостью к влиянию температуры характеризуется система с максимальной величиной высоты барьера. Объяснить это можно большей устойчивостью к влиянию термических На рис. 4 приведены результаты расчета Vth для флуктуаций систем с более высокими потенциальными различных цепочек для исследуемых систем. На их барьерами туннельных переходов. В то же время основе можно сделать следующие выводы: 1) пороговое термические флуктуации являются основным фактором, напряжение увеличивается с ростом числа островков, приводящим к разрушению области кулоновской 2) с увеличением температуры Vth уменьшается. Эти вы- блокады с ростом температуры.

воды полностью согласуются с известными эксперимен- Из наших результатов следует, что Vth зависит от тальными [11] и теоретическими [12] данными. Первый и при T 0K (см. рис. 4). Традиционно же считалось, 6 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1234 И.И. Абрамов, С.А. Игнатенко, Е.Г. Новик что в этом случае Vth должно зависеть только от [9] H. Imamura, J. Chiba, S. Mitani, K. Takanashi, S. Takahashi, S. Maekawa, H. Fujimori. Phys. Rev. B, 61 (1), 46 (2000).

емкостей переходов [1,12]. Причина этого расхождения [10] L.S. Kuzmin, Yu.A. Pashkin, A.N. Tavkhelidze, F.-J. Ahlers, связана, с одной стороны, со сложностью экстраполяции T. Weimann, D. Quenter, J. Niemeyer. Appl. Phys. Lett., параметров согласования с экспериментом на эту об68 (20), 2902 (1996).

ласть температур, а с другой — с тем, что согласование [11] A. Bezryadin, R.M. Westervelt, M. Tinkham. Appl. Phys.

с экспериментом проведено для различных геометричеPhys. Lett., 74 (18), 2699 (1999).

ских размеров цепочек и значений фоновых зарядов вви[12] A.S. Cordan, Y. Leroy, A. Goltzene, A. Pepin, C. Vieu, ду недостаточности экспериментальных данных. Здесь M. Mejias, H. Launois. J. Appl. Phys., 87 (1), 345 (2000).

необходимо, однако, указать и на то, что в реальной Редактор Л.В. Беляков системе ток при V = 0 проходит всегда и в области кулоновской блокады, хотя он и очень мал. Поэтому энергия системы в области кулоновской блокады, строInfluence of a variety of factors го говоря, будет определяться не только емкостными on characteristics of multiple-island характеристиками системы, но и проходящими токами, single-electron arrays которые во многом зависят от высоты потенциальных барьеров переходов и температуры. I.I. Abramov, S.A. Ignatenko, E.G. Novik Belarussian State University 4. Заключение of Informatics and Radioelectronics, 220013 Minsk, Belarus Проведенный с использованием предложенных моделей анализ позволил объяснить изменение функцио

Abstract

A two-dimensional model based on a numerical нирования многоостровковых одноэлектронных цепочек solution of the Poisson equation along with a Monte-Carlo method при вариации параметров их конструкции и материалов, was used for analyzing multiple-island single-electron arrays.

а также фоновых зарядов на островках. Показано, что Investigations have shown that the potential barrier height of основным параметром, определяющим температурную tunnel junctions is a main parameter determining the temperature стабильность эффекта кулоновской блокады в одно- stability of Coulomb blockade effect. Three material systems, i. e.

Co–Al–O; Au–Al2O3; Cr–Cr2O3, are investigated.

электронных цепочках, является высота потенциального барьера туннельных переходов. Определены предельные рабочие температуры трех систем материалов, а именно Co–Al–O; Au–Al2O3; Cr–Cr2O3. Установлено, что наиболее предпочтительны по рабочей температуре многоостровковые одноэлектронные цепочки на Co–Al–O, а наименее — на Cr–Cr2O3.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке республиканских программ научных исследований „Электроника“, „Наноэлектроника“ и гранта Министерства образования Республики Белоруссия.

Список литературы [1] Single charge tunneling: Coulomb blocade phenomena in nanostructures, ed. by H. Grabert, M.H. Devoret. [NATO ASI Series B: Physics (N.Y., Plenum, 1992) v. 294].

[2] И.И. Абрамов, Е.Г. Новик. ФТП, 33 (11), 1388 (1999).

[3] И.И. Абрамов, Е.Г. Новик. Численное моделирование металлических одноэлектронных транзисторов (Минск, Бестпринт, 2000).

[4] Technology Roadmap for Nanoelectronics, ed. by R. Compano (European Commission, IST programme, Future and Emerging Technologies, 2000).

[5] И.И. Абрамов, С.А. Игнатенко, Е.Г. Новик. ФТП, 36 (10), 1272 (2002).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.