Исследование характеристик высокотемпературного одноэлектронного транзистора на основе наноструктур с одиночной квантовой точ

Одноэлектронный транзистор
с эффектом кулоновской блокады
Одноэлектронный транзистор – квантовая точка, отделенная от областей истока и стока туннельными барьерами.
Кулоновская блокада – блокирование туннелирования электронов через заряженную квантовую точку вследствие их кулоновского отталкивания.
Эффект кулоновской блокады туннелирования справедливо рассматривается как физический механизм, который может лечь в основу работы новых полупроводниковых приборов для элементной базы микро- и наноэлектроники.
Проблема: существенным ограничением работы таких устройств является низкая рабочая температура.
Верхний предел рабочей температуры определяется зарядовой энергией
EC = e2/C, где C – электростатическая емкость квантовой точки.
В обычных одноэлектронных транзисторах квантовая точка находится в массиве полупроводника.

Способы увеличения рабочей температуры:
Создание нанопроволочных одноэлектронных транзисторов (углеродные нанотрубки)
Проблема: сложности в сочленении с полупроводниковой технологией
Металлические и кремниевые транзисторы с малыми квантовыми точками (10 нм)
Проблема: трудности в создании разветвленной геометрии
Вертикальные транзисторы
Проблема: нелатеральная геометрия, сложности в создании контактов
Идея проекта:
Создание одноэлектронных транзисторов с квантовой точкой, оторванной от подложки

Отрыв от подложки
Резкое увеличение зарядовой энергии Ec:
Подложка обладает высокой ε ≈ 10.
При комнатной температуре:
Ec = 300 K (Ec = e2/C)
Для обычного транзистора:
С ≈ ε a ⇒ a ≈ 10 нм
Для подвешенного транзистора:
С ≈ a ⇒ a ≈ 100 нм
Выигрыш в размере в ~ 10 раз!
Отрыв от подложки производится селективным травлением жертвенного слоя AlAs
Схема подвешенного транзистора
Прводящая полупроводниковая мембрана
(электронный микроскоп)
Квантовая
точка

Предварительные результаты
Зарядовая энергия одноэлектронного транзистора увеличилась с 3,5 мэВ (40 К в температурных единицах) для неподвешенного транзистора до 13 мэВ (150 К) для подвешенного при литографическом размере квантовой точки 600 нм.
При этом зарядовая энергия (а также эффективный размер квантовой точки a) меняется вместе с числом электронов на квантовой точке (ромбы кулоновской блокады неодинаковой величины). Число электронов меняется от 0 до 4 в эксперименте.
Обнаружена блокада туннелирования, дополнительная к кулоновской (слипание ромбов кулоновской блокады) Предположительно, эта блокада связана с упругими деформациями нанопроволоки (упругая блокада) .
а) Кондактанс G одноэлектронного транзистора как функция затворного Vg и тянущего Vsd напряжений
б) Эффективный линейный размер квантовой точки как функция затворного напряжения (n – число электронов)
а)
б)