Экспериментальное исследование зарядовых флуктуаций и взаимного влияния элементов в одноэлектронных структурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. Ломоносова

РГ6 од

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

КРУПЕНИН Владимир Александрович

СПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАРЯДОВЫХ ФЛУКТУАЦИИ И ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ОДНОЭЛЕКТРОННЫХ

СТРУКТУРАХ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1995

Работа* выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмь микроэлектроники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, А. Б. Зорин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, В. П. Митрофанов

доктор физико-математических наук, В. В. Рязанов

Ведущая организация:

Институт Радиотехники и Электроники Российской Академии Наук

час

Защита диссертации состоится " " февраля 1998 года в ££ аудитории СРЙ на заседании Специализированного совета К.053.0 Отделения радиофизики Московского Государственного Универси им. М. В. Ломоносова.

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Физический факультет С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физичес) факультета МГУ

Автореферат разослан $7/1998 года.

Ученый секретарь Специализированного Совета К.053.05.23 при МГУ им. М. В. Ломоносова кандидат физ.-мат. наук

№

И. В. Лебедева

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Миниатюризация элементов электронных схем стала 13можной с появлением методов фото- и электронной литографии, »зволивших изготавливать структуры субмикронных размеров. Современное звитие методов электронной литографии продвинуло этот диапазон в :нометровую область. Появилась новая область исследований - физика ноструктур, занимающаяся исследованием сверхмалых объектов. В таких руктурах проявляется ряд новых мезоскопических эффектов, которые крывают возможность создания нового поколения устройств квантовой ектроники. Одним из видов мезоскопических структур являются ноэлектронные структуры - системы связанных туннельных контактов грхмалых размеров, принцип работы которых основан на эффекте лоновской блокады электронного туннелирования. Область физики, -шмающаяся исследованием таких объектов, получила название ноэлектроники и сформировалась в самостоятельное научное направление соре после появления в 1985 году теории коррелированного туннелирования 1еровских пар в сверхпроводящих наноструктурах [1], а затем в 1986 году ->рии коррелированного туннелирования одиночных электронов [2], лучившей название "ортодоксальной теории". Начиная с этого времени было (работано и исследовано (теоретически и экспериментально) большое шчество -разнообразных наноструктур, в которых проявляются зарядовые фекты:

цноэлектрониый транзистор-электрометр с субэлектронной чувствительностью эядка 10-М0'5 заряда электрона в единичной полосе частот, дноэлектронные ящик (SET box) и ловушка (SET trap), позволяющие шпулировать отдельными электронами,

шоэлектронные турникет (turnstile) и насос (pump) - устройства, в которых можно управлять транспортом отдельных электронов.

Однако, практическая реализация всех этих устройств наталкивается на ьезные трудности. Главным образом, они связаны с флуктуациями фонового яриэационного заряда Qg (background charge), который представляет собой активный заряд проводящих "островов" между туннельными переходами оэлектронных структур, являющийся результатом влияния

электродинамического окружения на потенциал (и поляризацию) таких острове Его величина может быть непостоянна во времени и подвержена как медленнь дрейфам, так и относительно быстрым изменениям. Принято считать, ч' флуктуации фонового заряда приводят к возникновению избыточного шума ти] 1// в одноэлектронных устройствах, к нестабильности во времени их поведени а также к ухудшению их предельных шумовых характеристик. Поэтом исследование природы флуктуации фонового заряда, определение облает-локализации их источников и поиск способов уменьшения их воздействи являются одними из важнейших задач, решению которых в значительной ме посвящена данная работа.

Другой немаловажной проблемой являются эффекты взаимного влият связанные с воздействием флуктуаций напряжения на острове од» одноэлектронной структуры на условия туннелирования в другой при налич] достаточной емкостной связи между ними, а также тепловые эффект экспериментальная оценка которых очень важна для практического применен одноэлектронных устройств.

Решению этих практических задач посвящена данная диссертационн работа.

Цель работы. Основной целью настоящей работы являлось проведен комплексного исследования низкочастотного зарядового шума одноэлектронн транзисторов, определение источников шума и мест из возможной локализащ исследование эффектов взаимного влияния во многоэлементн одноэлектронных структурах. В соответствии с поставленной целью, основны; задачами диссертационной работы являлись:

1. Разработка лабораторного технологического процесса изготовления сложи наноструктур с емкостной связью и характерными размерами туннельн контактов менее 50 х 50 нм2, позволяющего изготавливать одноэлектронн структуры с расстояниями между элементами порядка 100ч-150 нм.

2. Исследование зарядового шума и предельной зарядовой чувствительное одноэлектронных транзисторов-электрометров различных тополог] Исследование сверхпроводящего транзистора, работающего на кулеров« парах, как высокочувствительного электрометра.

I. Исследование корреляции зарядовых шумов транзисторов, расположенных друг относительно друга на расстоянии порядка размера центрального острова, с целью определения локализации источников зарядового шума. ■. Исследование эффектов взаимного влияния в многоэлементных одноэлектронных структурах на примере структуры из трех близко расположенных транзисторов с емкостной связью.

Научная новизна определяется следующими, наиболее важными из юлученных результатов:

. Впервые предложен "стереоскопический" метод определения источников шума в электродинамическом окружении одноэлектронного транзистора, заключающийся в измерении степени корреляции зарядовых шумов двух близко расположенных транзисторов. . С помощью системы двух одноэлектронных транзисторов с емкостной связью впервые проведено экспериментальное исследование зарядовых состояний и интенсивности одноэлектронных флуктуаций электрического потенциала острова электрометра в зависимости от протекающего через него тока. . Впервые получены количественные оценки флуктуационного и термического

воздействия электрометра на исследуемую структуру. . Разработан оригинальный технологический процесс изготовления сложных многоконтактных одноэлектронных структур.

Практическая ценность работы. В работе разработаны и применены кспериментальные методы исследования взаимного влияния элементов дноэлектронных структур, корреляционный метод шумовых измерений, озволяющий, определить локализацию источников зарядового шума. 1редложены оригинальные топологии экспериментальных одноэлектронных груктур, а также разработана лабораторная технология их изготовления, озволяющая изготавливать объекты для широкого класса задач современной аноэлектроники. Спроектированы, изготовлены и исследованы низкошумящие дноэлектронные транзисторы, применяемые в качестве сверхчувствительных пектрометров.

Перспектива практического применения полученных результатов связана с эзданием на базе одноэлектронного транзистора сверхчувствительного

электрометра с субэлектронной чувствительностью. Показано, что основно причиной низкочастотного шума электрометра являются источники шум сосредоточенные в диэлектрической подложке. На примере экспериментальног и теоретического анализа эффектов взаимного влияния в структуре из тре близкорасположенных транзисторов с емкостной связью показана важност учета степени взаимного влияния элементов в связанных одноэлектронны структурах. В работе даны важные практические рекомендации по изготовлент одноэлектронных структур.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлен!

на:

- Международных симпозиумах "Наноструктуры: физика и технология ("Nanostructures: Physics and Technology"), С.-Петербург, в 1993, 1995, 1996 i 1997 гг;

- Международной конференции по точным электромагнитным измерениям (199i Conference on Precision Electromagnetic Measurements - CPEM 96), Брауншвейг ФРГ, Июнь 16-20, 1996 г;

- Международной конференции "EUROMET Meeting on Single Electron Tunnelin; (SET) and Quantum Current Standards", Брауншвейг, ФРГ, Июнь 21, 1996 г;

- 21-й Международной конференции по физике низких температур (XX International Conference on Low Temperature Physics - LT-21), Прага, Чехия Август 8-14, 1996 г;

- Международной конференции по одноэлектронике, Сан-Антонио, Техас США, Октябрь 6-11, 1996 г,

- Международной конференции "Mesoscopic and Strongly Correlated Systems" Черноголовка, Россия, Июнь 16-23, 1997 г,

- 6 -ой Международной конференции по сверхпроводящей электронике (6tl Superconductive Electronics International Conference - ISEC'97), Берлин, ФРГ Июнь 25-28, 1997 г,

а также на Трехсторонних Украино-Российско-Немецких семинарах п< Высокотемпературной сверхпроводимости в 1992, 1995, 1996, 1997 гг.

Публикации. Основные результаты проведенных исследованш опубликованы в 16-ти работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из предисловия, четырех лав и заключения. Общий объем работы составляет 144 страницы. Она содержит 5 рисунков, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 65 названий.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В предисловии обсуждается актуальность темы диссертационной работы, юрмулируются ее цель и задачи. В нем также описана структура диссертации, редставлен список работ, опубликованных по материалам диссертации.

Первая глава является введением в проблему исследований. В ней формулированы основные положения одноэлектроники, описаны основные ринципы работы одноэлектронного электрометра, приведен краткий обзор стременного состояния проблем в области исследований шумовых арактеристик одноэлектронных структур.

В разделе 1.1 рассматриваются принципы работы одноэлектронного ранзистора, устройства, состоящего из двух сверхмалых туннельных переходов ; параметрами С12, металлического острова между ними и связанного с стровом через не туннельную емкость Сэ, затвора. Одно из замечательных войств одноэлектронного транзистора - чрезвычайно высокая чувствительность -о вольт-амперной характеристики (ВАХ) к изменению заряда его центрального :трова. Изменения заряда острова даже в доли заряда электрона приводят к чачительным изменениям ВАХ транзистора. Теоретически, величину /вствительности одноэлектронного транзистора определяет собственный шум груктуры. При относительно низких температурах {ксТ «е1 / С,^) и в случае ^мметричного транзистора (С] = Сг = С, Я\ = Яг - Я), минимальный уровень фядового шума в полосе частот Л[ определяется формулой [3] 0т[п «5.4 С ■ ^¡кБТЯЛ/ и составляет величину ~ (10*5+10-6) е/Гц1/2 для шичных параметров экспериментальных структур. Когда температура Г •ремится к нулю, порог чувствительности электрометра определяется

зантовыми фл у кту а ц и я м и: ¿<21Т1 ш ю.\2bCAf ~ (КЗ-МО-7) е/Гц'/2.

В разделе 1.2 вводится понятие - поляризационного фонового заря острова транзистора, т.е. воображаемого заряда, помещение которого на остро] отсутствии окружения привело бы к такому изменению его потенциала, как производят не скомпенсированные заряды электродинамического окружения, реальных структурах его величина может быть непостоянна и подвержена к медленным дрейфам, так и быстрым изменениям. Анализ многочисленн экспериментов показывает, что предельные характеристики одноэлектронн устройств сильно зависят от уровня флуктуаций поляризационного фоновс заряда. На низких частотах они, в основном, доминируют над естественны, флуктуациями одноэлектронных устройств, которые определяются тепловым и квантовым шумом.

Современное представление о поляризационном фоновом зар* ограничивается следующими фактами [4,5,6]:

1. зарядовые флуктуации существенны на низких частотах и их спектр имеет в близкий к 1// с граничной частотой порядка 100+1000 Гц и уровнем шума частоте/= 10 Гц порядка Ю^+Ю^ е/Гц1/2 ;

2. в некоторых образцах наблюдается телеграфный шум с произвольн! переключением между 2, 3 или более уровнями с амплитудой скачков до 0.2

3. не равный нулю фоновый заряд и его флуктуации, могут изменяться большой постоянной времени порядка нескольких часов;

4. уровень шума зависит от топологии одноэлектронного транзистора и, * правило, транзисторы с меньшими островами имеют меньший уровень шумг

Однако, существующие в литературе на данный моме экспериментальные данные не позволяют определить с какими источника флуктуаций связан высокий уровень шума транзистора, где эти источни локализованы и каким образом уменьшить их воздействие. Существует тол! предположение, что низкочастотный зарядовый шум типа 1// являе-следствием движения зарядов в ловушках, распределенных в окружаюш металлический остров диэлектрике барьеров и подложки.

В разделе 1.3 на примере одноэлектронного транзистора дано oбъяcнe^ эффекта взаимного влияния в связанных одноэлектронных структурах.

Одна из причин взаимного влияния - флуктуационное воздействие стороны острова одноэлектронной структуры, на котором число избыточн электронов дискретно меняется во времени и его потенциал колеблется

1стотой ~ 1/е и с амплитудой е/С*. Флуктуации потенциала на острове >анзистора (или другой структуры) неизбежно влияют на условия 'ннелирования электронов в соседнем устройстве при достаточной емкостной ¡язи с ним.

Другой причиной является тепловой эффект, связанный с рассеиваемой в -руктуре мощностью и приводящий как к перегреву электронного газа в атерлале острова структуры, так и к локальному увеличению температуры >еды в окружающем пространстве. Например, характерные значения 1ссеиваемых мощностей в транзисторах находятся в диапазоне -¡-1000) пАх(0.1+1) мВ = 10"!6 +10"12 Вт и учет только нагрева исследуемого >ъекта, производимого считывающим электрометром, становится тцественным [7]. В реальной структуре точная теоретическая оценка пуктуационного или теплового влияния вряд ли возможна, поэтому большой трес вызывает задача экспериментальной оценки этого влияния (например, I модуляционные и вольт-амперные характеристики структуры).

В конце главы на основании анализа приведенного литературного обзора ¡основывается выбор цели исследования и формулируется постановка задачи.

Вторая глава посвящена описанию технологии изготовления ;ноэлектронных структур, измерительной системе и технике измерений.

В разделе 2.1 изложена разработанная последовательность технологических !ераций для изготовления одноэлектронных структур с туннельными реходами " типа А1/А10у/А1. Технологический процесс основан на спространенной технике теневого напыления А1 под различными углами с юмежуточным окислением [8]. В большинстве случаев формирование руктуры производилось путем напыления А] через специальным способом готовленную трехслойную маску типа РММА/Се/РММА-МАА под двумя зличными углами и промежуточным окислением первого слоя А1 в атмосфере слорода (для некоторых структур использовались три угла напыления и два омежуточных окисления). Рисунок маски формировался с помощью ектронно-лучевой литографии в верхнем слое электронного резиста РММА. лее следовал процесс проявления, затем процесс трехступенчатого реактивно-нного травления, переносящего изображение из слоя РММА в низлежащий эй ве, а затем удаляющего слой сополимера РММА-МАА с образованием

свободного пространства под маской (подтрава) для формируемой теневы напылением структуры.

Применение технологии с использованием трехслойной резистнс структуры ("жесткой маски") позволило изготавливать сложнь одноэлектронные устройства с числом туннельных переходов более 20, расстоянием между элементами порядка 100 нм и, в результате, добиться бол( высокой стабильности и воспроизводимости по сравнению с более част используемой двухслойной резистной технологией: ±5-^10% для структу] изготовленных в одном цикле, и +20н-30% - в разных циклах.

В разделе 2.2 приводится описание измерительной системы и техник электрических измерений, которые проводились в рефрижераторе растворения минимальной температурой 25 мК. Измерения ВАХ транзисторов, и модуляционных характеристик и спектров шума проводились и автоматизированной установке. Для проведения шумовых измерени использовался двухканальный анализатор спектров "HP 89410А". Входны каскады предусилителей оптимизировались по минимальному значению уровн шума при высоком входном сопротивлении (~ 1014 Ом) и малом входном ток (<< 1 пА). Для экранировки измеряемых образцов от микроволнового излученш проникающего по сигнальным проводам, подводящие провода были снабжен] эффективными микроволновыми фильтрами из резистивного коаксиальног кабеля "Thermocoax Фильтры имели температуру камеры растворения.

Третья глава посвящена исследованию низкочастотных зарядовых шумов одноэлектронных транзисторах.

В разделе 3.1 проведен анализ экспериментальных результатов п исследованию избыточного низкочастотного шума типа 1// в одноэлектронны транзисторах различных топологий. Из сравнения спектров зарядовых шумов рабочих точках на модуляционной характеристике транзистора с различным значениями чувствительности (напряжение/заряд) показано, что низкочастотны шум одноэлектронного транзистора типа 1// имеет зарядовую природу и, основном, определяется источниками зарядового шума.

На основании исследований транзисторов, расположенных на различны диэлектрических слоях (AI2O3 , SiÜ2 , Si, SOG - жидкое стекло на основ кремния) показано, что уровень шума транзистора и форма его спектра некоторых случаях зависели от вида диэлектрика подложки. Транзистор

аслоложенный на диэлектрическом слое SOG, с одной стороны, имел довольно >1Сокий уровень шума при токах I > 20 пА и резкую его зависимость от ¡личины протекающего тока, с другой стороны, при значениях тока I = l-s-2 пА, ювень шума был минимальным из серии всех измеренных экспериментальных зразцов - (1-г1.5)-10"4 е/Гц1/2. В транзисторах на кремниевой подложке (Si) аблюдались частые (с интервалом порядка 5 мин) случайные скачки фонового ряда с амплитудой -0.1 е. В других образцах такие события происходили 'шественно реже, менее чем один раз в 100 мин.

Уровень шума транзисторов зависел от размера их островов: транзисторы с мылим островом имели более высокий уровень зарядового шума. Эти данные иодятся в соответствии с результатами, полученными другими авторами [5].

В одном из образцов наблюдалась и исследовалась работа активного нуктуатора. Амплитуда скачков фонового заряда составила величину ~ 0.07 е, о указывает на его близость к острову транзистора. Флуктуатор "включался" ж достижении током через транзистор определенного порога, меняя форму [ектра с 1// на I//2 в диапазоне частот 0.2+30 Гц. При малых значениях тока 20 пА) спектр имел форму 1//, при токах в интервале 20пА</<100пА юисходило переключение между спектрами 1// и I//2, а в диапазоне токов > 200 пА спектр шума имел форму I//2. На модуляционных кривых [блюдались только два уровня, между которыми происходило переключение, роведенный эксперимент является наглядной демонстрацией влияния двух-овнего флуктуатора (ДУФ) на результирующий шум транзистора. Полученные нные подтверждают предположение о том, что природа низкочастотного рядового шума типа 1// связана с совокупным влиянием зарядозых двух-овневых флуктуаторов [9], рассредоточенных в толще диэлектрика, ружающего остров транзистора и связанных с несовершенной структурой этой еды.

В образцах, расположенных на тонкой (~ 100 нм) диэлектрической пленке 120з) с металлическим экраном под ней, между островом транзистора и раном создавалось электрическое поле (-2.5 кВ/см), более чем на порядок евышающее обычное его значение. Показано, что такое увеличение поля в электрике, приводило к увеличению уровня шума транзистора в 2+3 раза в

полосе измеряемых частот 0.4ч-30 Гц и 3+30 Гц для двух разных образцов, указывает на существование источников шума в диэлектрической подложке.

В разделе 3.2 исследована работа сверхпроводящего транзистора в р высокочувствительного электрометра. Рассмотрен режим работы транзист основанный на когерентном туннелировании куперовских пар. При э рассматривается случай высокого внешнего импеданса, роль кото{ выполняют расположенные в непосредственной близости от туннель переходов высокоомные (Re» Rq) резисторы небольшой длины (~ 10 mj Проведена теоретическая оценка чувствительности сверхпроводяц электрометра, работающего на куперовских парах, величина которой близк чувствительности традиционного одноэлектронного электрометра.

Желаемый режим туннелирования только куперовских пар (при пол] подавлении квазичастичного туннелирования) был достигнут при I <, 100 Шумовые измерения были выполнены для транспортного тока транзистора 10 пА при различных значениях напряжения на затворе V3, кощ соответствовали различным значениям 77, коэффициента преобразова: напряжение-заряд. На основании анализа спектров шума напряжения транзисторе для различных значений ?? сделан вывод о зарядовой природе ш> Спектр шума имел характерную зависимость типа 1//, типичную для флуктуа1 фонового заряда. Значение зарядовой чувствительности состав! SQ = (0.8 -г 1.0) ■ Ю~3с / Гц1''2 на частоте 10 Гц, что существенно выше теоретичес] оценки. Такое превышение объяснено влиянием флуктуаций фонового заряда.

Раздел 3.3 посвящен эксперименту с двумя электрометрами, остр которых расположены друг от друга на расстоянии ~ 150 нм. Идея экспериме заключалась в том, что оба электрометра одновременно регистрируют сигна генерируемые источниками зарядового шума в подложке, поэте регистрируемые сигналы должны иметь ненулевой коэффициент корреляции противоположность этому, шумовые сигналы, которые являются следств! смещения зарядов в туннельных барьерах, некоррелированны из-за того, заряды в барьерах транзистора экранированы друг от друга металлически электродами. Причина шума может быть найдена с помощью анал корреляции между шумовыми сигналами электрометров. Для трех образ] экспериментальных структур значения безразмерного коэффициента корреля1

'= / (^1 х ед'/2 (где (со) з | < х > | - перекрестный спектр

[шуктуаций напряжения не транзисторах, а 5], ^ - спектры флуктуаций ипряжения отдельных транзисторов) в области частот К10 Гц достигали ледующих величин (с учетом коэффициента взаимного влияния): '! = 0.15 ± 0.05 (подложка - 200 нм А120з на БО, ■2 = 0.15 ± 0.05 (подложка - 600 нм 5Ю2 на Б!), 3 = 0.20 ± 0.05 (подложка - 600 нм БЮ2 на Б1).

Тостроена теоретическая модель и вычислен коэффициент корреляции при >азличном пространственном распределении флуктуаторов в диэлектрике юдложки. Показано, что полученный экспериментально коэффициент :орреляции соответствует в теоретической модели однородному распределению рлуктуаторов во всем пространстве или в пределах цилиндра р - а (случай, гаиболее близкий к реальной структуре, а - размер острова транзистора), для :оторого утеор ~ 0.13+0.22. На основании полученных результатов сделан вывод о ом, что существенная часть источников зарядового шума находится в ;иэлектрической подложке.

В разделе 3.4. проводится обсуждение результатов экспериментальных ;анных.

Экспериментально установлено, что низкочастотные зарядовые шумы дноэлектронных транзисторов (электрометров), расположенных на расстоянии юрядка размеров центральных электродов (150+200 нм), имеют коэффициент :орреляции у = 10+25 %. Тем самым доказано, что источники зарядового шума, асположенные в подложке, оказывают существенное воздействие на динамику [роцессов в одноэлектронных структурах. Исследование шумовых характеристик ранзисторов различной топологии с островами, расположенными на различных иэлектрических подложках, подтверждает наличие источников шума в иэлектрической подложке и их заметное влияние на уровень измеряемого шума ранзистора.

В результате исследования одноэлектронных транзисторов стековой опологии, позволившей исключить влияние подложки на работу транзистора, оказано, что основная часть избыточного шума (~ 80+90% по напряжению) пределяется источниками шума в диэлектрической подложке. Получено екордное значение минимального зарядового шума на частоте 10 Гц -

2.5-10'5 е/Гц'/2, которое в несколько раз ниже лучшего результата, известного . сих пор: 7-Ю"5 е/Гц1/2.

В четвертой главе приведены результаты исследования эффект взаимодействия в системе из трех металлических одноэлектронных транзистор! с емкостной связью между островами.

В разделе 4.1 приведены характеристики экспериментальных образцов методы определения их электрических параметров.

В разделе 4.2 исследованы зарядовые состояния и спектр флуктуаш острова транзистора при различных значениях транспортного тока с цель изучения степени флуктуационного воздействия транзистора, ю измерительного прибора, на исследуемый объект. Измерение зарядов! состояний проведено с помощью расположенного рядом другого транзистора (: системы трех транзисторов), который использовался в качестве электрометра малым током смещения 1 пА.

Зарегистрирована характерная ступенчатая зависимость среднего чис. электронов на острове <п> транзистора от напряжения на затворе щ отсутствии тока в нем (режим одноэлектронного бокса). С помощь электрометра исследованы неравновесные зарядовые состояния остро: транзистора при небольшом протекающем токе (до 50 пА). Показано, ч-происходит постепенное исчезновение ступеней кулоновской лестницы щ увеличении тока, что качественно подобно эффекту повышения температур] Рассчитанные теоретические кривые подтверждают результаты эксперимента близки к экспериментальным кривым. При увеличении тока зарядовь состояния на острове транзистора смешиваются, т.к. более чем два состоят вовлечены в динамику процесса переноса тока, что приводит к размыти ступенчатой зависимости <п> от напряжения на затворе. Вычисленные спектр флуктуаций напряжения на острове транзистора для различных значеш протекающего через него тока показывают, как будет увеличивать! флуктуационное воздействие транзистора (электрометра) на исследуему систему. Показана зависимость степени флуктуационного воздействия < напряжения на затворе транзистора.

Раздел 4.3 посвящен исследованию флуктуационного и теплово] воздействия транзистора на измеряемый объект. Исследована система из тр| близко расположенных транзисторов, емкости переходов которых намерен!

:деланы различными. Расположенный в центре транзистор играл роль электрометра-детектора воздействия со стороны соседних двух, которые :ущественно различались размерами переходов и, как результат, величинами зарядовой энергии. Транзистор с высокой зарядовой энергией был эффективным генератором шума (см. раздел 4.2), а с низкой - эффективным генератором гепла, т.к. уровень флуктуаций напряжения на его острове был значительно меньше. Индикатором воздействия была амплитуда модуляционных кривых электрометра-детектора, которая уменьшалась при увеличении тока в воздействующем транзисторе. Показано, что, при одинаковых значениях рассеиваемой мощности в воздействующих транзисторах,

^луктуационное+тепловое воздействие транзистора-генератора шума приводит к Зольшему подавлению амплитуды модуляционных кривых электрометра-1етектора, чем воздействие транзистора-генератора тепла. С помощью теоретической модели, разработанной для системы из трех транзисторов, юлучены оценки электронной температуры острова электрометра для различных ¡начений рассеиваемой мощности в транзисторе-генераторе тепла. Увеличение мощности от 0 до 1.2 пВт приводило к увеличению электронной температуры эстрова Тэл с 134 мК до 210 мК, при температуре ванны Тванны ~ 75 мК. Это ^ответствовало увеличению фононной температуры с 75 мК до 205 мК.

В разделе 4.4 приводится обсуждение полученных результатов.

Экспериментально исследованы зарядовые состояния центрального >строва транзистора при значениях протекающего через него тока в диапазоне ¡+50 па. Определены области значений протекающих токов и напряжений на атворе транзистора-электрометра, при которых его обратное флуктуационное юздействие на исследуемый объект минимально.

Доказано, что в системе одноэлектронных транзисторов, расположенных шизко друг к другу, существует флуктуационный (в результате дробового шума ia его острове) и тепловой механизм взаимодействия. Из эксперимента получена 1еличина нагрева электрометра в результате выделения тепла (0.03+1.2 пВт) в ранзисторе, удаленном от него на 150 нм. Продемонстрировано, что эффекты ¡заимодействия в соединенных емкостным образом одноэлектронных 'стройствах могут наблюдаться не только в режимах, когда темпы уннелирования в двух устройствах близки, но также и в случае весьма азличных по величине темпов туннелирования.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые экспериментально установлено, что низкочастотные зарядо! шумы одноэлектронных транзисторов (электрометров), расположенных расстоянии порядка размеров центральных электродов (150+200 нм), име заметный коэффициент корреляции, у» 10+20%. Тем самым доказано, 1 источники зарядового шума, расположенные в подложке, оказыве существенное воздействие на динамику процессов в одноэлектрон!-структурах. Разработана теоретическая модель, позволяющая оценить парамет для различных распределений источников шума.

2. Впервые экспериментально исследованы зарядовые состоя! центрального острова транзистора при отличном от нуля значении протекающ через него тока I. Измерения проведены для диапазона токов I = 5+50 ] Определены области значений протекающего тока и напряжения на затв< транзистора-электрометра, при которых его обратное флуктуациош воздействие на исследуемый объект минимально.

3. Впервые экспериментально исследовано взаимное влияние работаюц электрометров, расположенных на расстоянии порядка размера остр| (150+200 нм) друг от друга. Доказано существование флуктуационного теплового механизмов их взаимодействия и получены их количествен}: оценки.

4. Исследован новый диэлектрический материал SOG (жидкое стекло основе кремния). Экспериментально доказано, что его использование в качес подложки позволяет снизить уровень зарядовых шумов одноэлектронн транзистора до значений (1+1.5)10-4 е/Гц'/2 (на частоте 10 Гц), что в 2-3 р ниже соответствующего уровня для аналогичных структур на традицион? подложках Si, Si02, AI2O3.

5. Впервые измерены шумы фонового заряда электрометра, работающ на коррелированном туннелировании одиночных куперовских пар. Измеренн уровень зарядового шума составил (0.8+1)10"3 е/Гц1/2 на характерной част 10 Гц. Показано, что уровень предельного зарядового шума такого электроме сравним с предельным шумом одноэлектронного электрометра.

6. Разработан лабораторный технологический процесс для изготовления ложных наноструктур с емкостной связью и характерными размерами уннельных контактов типа А1/А10х/А1 менее 50 х 50 нм2, позволяющий [зготавливать объекты для широкого класса задач современной [аноэлектроники.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

. V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov, S. V. Vyshenskii. // Nanostructures: physics and technology. Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers, St.-Petersburg. Russia, 235 (1993).

. V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov, S. V. Vyshenskii. Photo- and electron beam lithography sharing common stencil.//J. Vac. Sci. & Techn. (B), 11(6), 2132 (1993).

. V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov, D. E. Presnov. Modified nanotechnology for fabrication of complex single-electron devices. // Nanostructures: physics and technology. Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers. St. Petersburg. Russia, 354 (1995).

. A. B. Zorin, F.-J. Ahlers, J. Niemeyer, T. Weimann, H. Wolf, V. A. Krupenin, and S. V. Lotkhov. Background charge noise in metallic single-electron tunneling devices. // Phys. Rev. B, 53, 13682 (1996). . T. Weimann, H. Wolf, H. Scherer, J. Niemeyer, V. A. Krupenin. Metallic single electron devices fabricated using a multilayer technique. //Appl. Phys. Lett., 71, 713 (1997).

. H. Wolf, F.-J. Ahlers, J. Niemeyer, H. Scherer, T. Weimann, A. B. Zorin, V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov and D. E. Presnov. Investigation of the offset charge noise in single electron tunneling devices. // IEEE Trans, on Instr. & Meas., 46, 303 (1997).

. D. E. Presnov, V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov. Background charge influence on single-electron devices: single-electron transistor and trap. // Nanostructures: physics and technology. Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers. St. Petersburg, Russia, 183 (1996).

. A. B. Zorin, V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov, J. Niemeyer, D. E. Presnov, H. Scherer, H. Wolf, F.- J. Ahlers and T. Weimann. Detection of the single-electron

tunneling noise using Coulomb blockade electrometer. // Czechoslovac Journal Physics, 46-Suppl., 2281 (1996).

9. V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov, D. E. Presnov, A. B. Zorin, F.-J. Ahlei J. Niemeyer, H. Scherer, T. Weimann, H. Wolf. Charge state instabilities in tl single-electron trap. // Czechoslovac Journal of Physics, 46-Suppl., 2283 (1996).

10. H. Scherer, V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov, T. Weimann, A. B. Zorin, F.-J. Ahlei J. Niemeyer, H. Wolf. Study of Single-Electron Tunneling Effects using Mult Transistor Systems. // 190th Meeting of the Electrochemical Society, Inc. Sing Electron Nanoelectronics. San-Antonio, Texas, USA, October 6-11, 1996. Meetir Abstracts, 96-2, 571 (1996).

11. В. А. Крупенин, С. В. Лотхов, Д. Е. Преснов. Факторы нестабильност Одноэлектронной памяти при низких температурах в структурах тип Al/AlOx/Al. // ЖЭТФ 111, 344 (1996).

12. Д. Е. Преснов, В. А. Крупенин, С. В. Лотхов. Одноэлектронные структуры н основе сверхмалых туннельных переходов А1/А10х/А1: технологи изготовления, экспериментальные результаты. // УФН 166(8), 906 (1996).

13. В. А. Крупенин, С. В. Лотхов, Ю. А. Пашкин, Д. Е. Пресни Экспериментальное исследование зарядовых эффектов в сверхмалы туннельных переходах. // УФН 167(5), 19 (1997).

14. V. A. Krupenin, D. Е. Presnov, М. N. Sawateev, А. В. Zorin, Н. Scherer. Noise i metallic SET transistor with an island isolated from substrate. // Nanostructure: physics and technology. Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers., Si Petersburg, Russia, 477 (1997).

15. V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov, H. Scherer, T. Weimann, A. B. Zorin, F.-J. Ahlers J. Niemeyer, and H. Wolf. Sensing of dynamic charge states using coupled singl electron tunneling devices. // International Conference "Mesoscopic and strongl correlated systems", Abstracts, Chernogolovka, Moscow Region, Russia, June 16-23 25 (1997); also submitted to Phys. Rev. B.

16. A. B. Zorin, Yu. A. Pashkin, V. A. Krupenin, H. Scherer. Single cooper pai electrometer based on Bloch transistor in high impedance enviroment. // 6tl International Superconductive Electronics Conference ISEC'97, Extended Abstracts Berlin, Germany, June 25-28, vol.2, 394 (1997); also to be published ii Appl. Supercond. J. (1998) .

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1 K.K. Likharev, A.B. Zorin. Theory of the Bloch-Wave Oscilations in Small Josephson Junction. // J. Low Temp. Phys. 59, 347 (1985),

2 Д.В. Аверин, K.K. Лихарев. Когерентные колебания в туннельных переходах малых размеров. // ЖЭТФ 90, 733 (1986).

3 A.N. Korotkov, D.V. Averin, K.K. Likharev and S.A. Vasenko. Single Electron Transistor as Ultrasensitive Electrometer. // Single Electron Tunneling and Mesoscopic Devices, eds. H. Koch, H. Lubbig, Springer Series in Electronics and Photonics, 31 (1991).

4 G. Zimmerli, T.M. Eiles, R.L. Kautz, and John M. Martinis. Noise in the Coulomb blockade electrometer. // Appl. Phys. Lett. 61(2), 237 (1992).

5 S.M. Verbrugh, M.L. Benhamadi, E.H. Visscher, and J.E. Mooij. Influence of Island Size on Single-Electron Tunneling Devicses. // J. Appl. Phys. 78, 2830 (1995).

6 D. Song, A. Amar, C.J. Lobb, and F.C. Wellstood. Understanding the behavior of superconducting Coulomb-blockade electrometers. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 5, 3085 (1995).

7 R. L. Kautz, G. Zimmerli, and John M. Martinis. Self-heating in the Coulomb-blocade electrometer. //J. Appl. Phys., 73 (5), 2386 (1993).

8 T.A. Fulton and G.J. Dolan. Observation of Single Electron Charging Effects in Small Tunnel Junctions. // Phys. Rev. Lett. 59, 109 (1987).

9 See, e.g., N.F. Hooge. 1//noise sources. // IEEE Trans. Electron Devices 41, 1926 (1994).