Н.В. Корнеев, аспирант, В.К. Неволин, д-р физ.-мат.
наук, проф.,
Московский государственный институт электронной техники (технический
университет).
E-mail vkn@miee.ru
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА С КВАЗИОДНОМЕРНЫМИ МИКРОКОНТАКТАМИ
| Описаны макеты устройств, созданных методами зондовой нанотехнологии, в том числе макеты датчика рабочего интервала температур и ограничения силы проходящего тока, макеты перестраиваемых нанодиодов – нанодинисторов вертикального типа, макеты планарных нанодиодов. Основу устройств составляют элементы с наномет-ровыми размерами – квазиодномерные микроконтакты, проявляющие нелинейные свойства проводимости, в том числе явление квантования сопротивления при нормальных температурах. |
Макеты устройств на основе вертикальных квазиодномерных микроконтактов
Макеты устройств на основе планарных квазиодномерных микроконтактов
Введение
Задача уменьшения линейных размеров используемых элементов – одна из основных в микросистемной технике. Создание элементов устройств с характерными размерами порядка единиц и десятков нанометров качественно меняет электронику явлений и переводит ее в новую область – наноэлектронику [1]. Изменяются и физические явления, лежащие в основе работы элементов – они будут работать преимущественно на принципах квантовой механики.
Традиционные методы, включающие создание масок на поверхности полупроводниковых пластин с последующим применением микролитографий все более высокого разрешения, в том числе рентгено-, электроно- и ионной литографий, а также синхротронного излучения, возможно приведут к созданию элементов с нанометровыми поперечными размерами [2].
Альтернативным подходом к созданию функциональных элементов нанометровых размеров является привлечение методов сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии, в основе которой лежит использование зонда с минимально возможным радиусом острия для "осязания" поверхности исследуемых образцов. Зонд можно использовать не только для визуализации объектов на подложке, но и для формирования их в нанометровых областях [3]. Совокупность способов и приемов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности подложек с помощью зонда с возможностью одновременной их визуализации и контроля называют туннельно-зондовой нанотехнологией.
В статье описаны некоторые результаты создания макетов дискретных элементов путем модификации среды в зазоре между туннельным зондом и подложкой для получения вертикальных квазиодномерных контактов и результаты создания макетов с планарными микроконтактами в атомно-силовом микроскопе с помощью кантилевера с проводящим зондом.
Макеты устройств на основе вертикальных квазиодномерных микроконтактов
|
|
| Рис. 1. Схематическое изображение элемента с вертикальными
микроконтактами: |
Вертикальные микроконтакты, как правило, формируются между горизонтальной проводящей подложкой и расположенным вертикально над ней туннельным зондом. В нашем случае формирование микроконтактов проводилось в жидком диэлектрике. В качестве модельного диэлектрика была выбрана эпоксидная диановая смола ЭД-20, предварительно обеспеченная в форвакууме с последующей многочасовой электроочисткой. Было предположено, что в локальном электрическом поле между подложкой и игольчатым электродом молекулы эпоксида образуют составные длинные молекулярные цепочки (каналы проводимости), на которые будет слабо влиять их тепловое движение (рис. 1).
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) участка цепи, состоящего из полированной подложки из коррозионно-стойкой стали диаметром 6 мм и толщиной 0,5 мм, капли эпоксидной смолы и игольчатого электрода (зонда) из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм, радиусом острия около 20 нм не различаются при зазорах между электродами 1-240 нм. После полимеризации эпоксидной смолы с помощью отвердителя ПЭПА (полиэтилен-полиамин) каждый элемент приобретал вид, изображенный на рис. 2, и его сопротивление при нормальной температуре оставалось неизменным и составляло около 10 Ом. Вертикальные микроконтакты с металлическими электродами пропускали токи порядка 100 мА, в частности, через один из них непрерывно пропускался ток 96 мА в течение месяца.
|
|
|
Рис. 2. Внешний вид элемента с вертикальным микроконтактом |
Наблюдаемые закономерности проводимости микроконтактов можно объяснить, если предположить, что имеет место баллистический режим протекания тока с помощью резонансно-туннелирующих электронов [4]. Наиболее убедительные доказательства наблюдения квантовых свойств проводимости при нормальной температуре были получены тогда, когда элементы с микроконтактами медленно нагревались или растягивались и происходило скачкообразное переключение проводимости. Измеренные скачки сопротивления составляли (1,2±0,3)×104 Ом, что согласуется с квантовым сопротивлением ph/e2 = 1,3×104 Ом. Полное выключение проводимости элементов происходило как при повышении температуры, так и при охлаждении их ниже нормальной. Например, выключение происходило при температуре 37,2±0,05 °С и при температуре 5,4±0,05 °С, при этом сопротивление изменялось от 10 Ом (оно практически неизменно в указанном температурном интервале) до значений, превышающих 10 МОм. Эти свойства вертикальных микроконтактов позволили изготовить действующий макет датчика (рис. 3) рабочего интервала температур и ограничения силы проходящего тока (Imax = 69 мА, Tmax = 37,2 °C, Tmin = 5,4 °C). Для этого разбирался стандартный стеклянный плавкий предохранитель и в один из колпачков вклеивался проводящим клеем элемент, изображенный на рис. 2. Это было, по-видимому, одно из первых двухэлектродных изделий, изготовленных с помощью сканирующего туннельного микроскопа, и оно превосходило по своим характеристикам зарубежные аналоги, в частности, предохранители "Мультифьюз" швейцарской фирмы "Бурнс".
|
|
| Рис. 3. Макет датчика рабочего интервала температур и ограничения проходящего тока |
Если материал подложки более пластичен, чем зонд из вольфрама, то можно сформировать вертикальные микроконтакты из материала подложки путем касания острием подложки, пропускания тока определенной силы и медленным отведением зонда от подложки с одновременным контролем ВАХ [5]. Возможность создания квазиодномерных микромостиков между туннельным зондом и подложкой обусловлена тем, что радиус острия зонда составляет 10-20 нм, а расстояния между ними менее 1 нм (при сжатии их на воздухе). В связи с этим между иглой и подложкой можно достаточно просто создавать электрические поля до 108 В/см, сравнимые с внутриатомными, и пропускать кратковременно электрические токи до 109 А/см2 в обычных атмосферных условиях. Это позволяет, в частности, провести локальную пластическую деформацию металлических подложек и плавно изменить геометрические размеры перетяжек, находящихся в межэлектродном зазоре. Естественно, для фиксирования зонда относительно подложки необходима диэлектрическая матрица, для которой вновь использовалась эпоксидная смола.
При растяжении перетяжек вплоть до их разрыва можно наблюдать множество ВАХ: от линейных, когда зонд касается поверхности подложек, до нелинейных с разной степенью крутизны характеристик. Перед самым разрывом микромостиков наблюдаются S-образные ВАХ с участками отрицательной дифференциальной проводимости. Проводя полимеризацию эпоксидной смолы, которая фиксирует положение зонда относительно подложки, можно было "зафиксировать" некоторую нелинейную характеристику элемента. Внешне элементы выглядели точно так же, как на рис. 2. Далее элемент помещался в специально изготовленный корпус, который позволял в некоторой мере его термостатировать и перестраивать ВАХ путем растягивания элемента (рис. 4).
|
|
| Рис. 4. Макет перестраиваемого нанодиода-нанодинистора вертикального типа |
При этом можно из "нанодиодной" характеристики получить "нанодинисторную" путем поворота фиксирующего винта. Если поместить макет перестраиваемого нанодиода-нанодинисторав управляемый электронный термостат, который поддерживает заданную температуру с точностью ±0,05 °С, то устойчивость работы нанодинистора существенно повышается.
На основе нанодинисторов возможно создание, в частности, генераторов и переключателей тока гигагерцевого диапазона частот. Применение нанодинисторов для генераторов гармонических колебаний выгодно тем, что собственная электрическая емкость диодов мала за счет значительного расстояния между макроэлектродами, соединяющими микропроводник. Принимая конструкционную емкость Ck = 10-3 пФ, отрицательное сопротивление диода в рабочей точке для золотой подложки ½Rg½»10 Ом, получаем предельную рабочую частоту диодов wp = (CkRgR)-1/2 » 103 ГГц, где R - сопротивление, ограничивающее силу тока, протекающего через диод, R » 10 Ом, при этом возможная амплитуда силы тока » 1 мА.
Заметим, что простейшие генераторы, состоящие из источника тока и нанодинистора, коммутирующие миллиамперные токи и работающие в гигагерцевом диапазоне частот, интересны для различных приложений.
Макеты устройств на основе планарных квазиодномерных микроконтактов
Существенным недостатком вертикальных квазиодномерных контактов является то, что так или иначе нужно фиксировать зонд относительно подложки в диэлектрической матрице. Поскольку эффективная длина закрепления электродов друг относительно друга достаточно велика, то такие элементы являются весьма чувствительными к изменению температуры окружающей среды. Естественно, что планарные элементы с субмикронными размерами, расположенные на диэлектрической подложке будут практически иметь неизменные размеры при колебаниях нормальной температуры.
В основе технологии создания планарных элементов с манометровыми поперечными размерами лежит двухстадийный процесс. На первом этапе методами традиционной планарной технологии изготавливаются матричные кристаллы с контактными площадками и металлическими дорожками с минимально возможными поперечными размерами (менее 0,3 мкм) и толщиной менее 10 нм. На следующей стадии методами зондовой нанотехнологии формируются планарные микроконтакты путем уменьшения поперечного сечения проводящих дорожек. При этом существенно то, что для получения заданных электрических характеристик имеет значение геометрия перехода электродов-берегов в квазиодномерный микроконтакт. В настоящее время широко используются методы анодного зондового окисления проводящих дорожек с использованием адсорбата, покрывающего поверхности электродов и состоящего в основном из воды [6].
Одной из проблем при создании планарных квантовых микроконтактов является качество границ раздела. При формировании вертикальных микроконтактов в сканирующем туннельном микроскопе качество границы между квазиодномерным проводом и эпоксидной матрицей определяется процессами самоформирования структуры между зондом и проводящей подложкой. Экспериментальные результаты показывают, что качество границы высокое, поскольку квантовые эффекты устойчиво наблюдаются при нормальных температурах. В случае планарных проводников границы раздела создаются в разных технологических операциях, и это создает дополнительные проблемы. Одним из заметных достижений в наблюдении квантования проводимости планарных микроконтактов при нормальных температурах являются результаты работы [7]. Авторы проводили зондовое окисление алюминиевых проводящих дорожек. Наблюдалось скачкообразное изменение проводимости микроконтакта во времени после выключения тока анодирования в цепи зонд-подложка. Остаточное окисление микроконтакта перед полным разрывом цепи (при полном окислении перемычки) происходит за счет превращения гидроксилов алюминия в оксиды. При этом поперечное сечение микроконтакта становится столь малым, что существенно возрастает "резкость" поперечного квантования энергии носителей тока.
|
|
| Рис. 5. Топография центральной части планарного нанодиода |
Однако для создания и функционирования устройств на основе планарных микроконтактов существенна воспроизводимость характеристик элементов и стабильность их во времени. На рис. 5 изображена топография центральной части одного из планарных элементов на кристаллах из полуизолирующего арсенида галлия размерами 1´1 мм, неизменные электрические характеристики которых наблюдаются в течение более трех месяцев. Планарные микроконтакты выполнены на титановых проводящих дорожках. Элементы изготовлялись на зондовом микроскопе Solver P-47 компании НТ-МДТ. Все характеристики элементов являются нелинейными с различной крутизной, и предполагается исследовать их как в бескорпусном, так и в закорпусированном варианте в смесителях СВЧ-диапазона частот.
* * *
Электронные устройства на основе квазиодномерных микроконтактов, несомненно, являются перспективными. Изучена малая часть возможностей микроконтактных элементов. Решение проблемы создания планарных элементов с использованием более совершенных зондовых технологий повысит качество элементов и создаст предпосылки для их интеграции с другими микроэлектронными системами на одном кристалле.
Список
литературы
1. Bate R.T. Nanoelectronics //
2. Smith H.I., Craighead H.G. Nanofabrication // Phys. Today. 1990. P.24-30.
3. Неволин В.К. Физические основы туннельно-зондовой нанотехнологии // Электронная промышленность, 1993. № 10. С. 8–15.
4. Бессольцев В.А., Неволин В.К. Проводимость полимерных микропроводников // Электронная техника. Сер. 3. "Микроэлектроника". 1989. №3. С. 58-61.
5. Волков А.Б., Неволин В.К. Нелинейные свойства точечных микроконтактов, формируемых туннельным зондом // Радиотехника и электрони-ка.1999. Т.44.№ 11. С. 1373-1375.
6. Адамов
Ю.Ф., Корнеев Н.В., Мокеров В.Г., Неволин В.К. Формирование и электрические свойства
планарных 20-наноразмерных структур // Микросистемная техника. 2000. № 1. С. 13-16.
7. Snow E.S., Park D., Camphell P.M. Single-atom
point contact devices fabricated with an atomic force microcope // Appl. Phys.
Lett/ 1996. V. 69. №. 2. P. 269-271.