Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов

Амитонов, Сергей Владимирович

Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Амитонов, Сергей Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов»

Автореферат диссертации на тему "Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов"

005532873

На правах рукописи

Амитонов Сергей Владимирович

Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов

01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 г сен т

Москва

- 2013

005532873

Работа выполнена на кафедре Атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники Физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова».

Научный руководитель:

к.ф-м.н. Крупенин Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н, чл.-корр. РАН Лукичев Владимир Федорович,

заместитель директора по научной работе Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Физико-технологический институт Российской академии наук»,

к.ф-м.н. Гудков Александр Львович,

директор Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт физических проблем

им. Ф.В. Лукина»,

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН».

Защита состоится «3» октября 2013 года в 17-30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. СФА.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан «29» августа 2013 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.66,

к.ф.-м.н., - -- 'У " И.Н.Карташов

Общая характеристика работы

Актуальность темы работы

Совершенствование технологического процесса полупроводникового производства позволило в 2002 году перейти к 90 нм технологии производства, что, по определению, означает переход от микро- к нанотехнологиям. Этот переход послужил катализатором дальнейшего роста интереса изучения свойств различных наноструктур размером от нескольких нанометров, которые с одной стороны слишком велики для описания их на уровне отдельных атомов, а с другой стороны достаточно малы, чтобы их свойства отличались от свойств массивного образца.

Одной из таких наноструктур является полупроводниковый нанопро-вод (НП) — структура с поперечными размерами менее 100 нм, а продольными много больше поперечных. Кремниевые нанопровода оказались особенно интересным объектом для изучения, благодаря их потенциальной совместимости со стандартной технологией полупроводникового производства. На Рисунке 1 представлен самый показательный пример актуальности работы — рост числа публикаций с сочетанием «silicon nanowire» в названии в 1995-2011 гг. по данным базы «Web of Knowledge». За прошедшее десятилетие было предложено множество оригинальных устройств на основе кремниевых НП для применений в различных областях науки и техники от нелинейной оптики до аккумуляторных батарей. Особняком в этом ряду стоят зарядовые сенсоры и сенсоры электрического поля на основе НП — полевые транзисторы, канал которого выполнен в форме НП (канал-нанопровод), которым посвящена данная работа.

Другим интересным примером наноразмерного полевого/зарядового сенсора является одноэлектронный транзистор, первый образец которого был создан более 25 лет назад, однако, и сегодня не потерявший своей актуальности благодаря тому, что именно он является наиболее чувствительным

cá= cñ4 с# с^ c^c^c^c^c^5 с^4 es«3 C<S° csV

Рис. 1. Количество публикаций с сочетанием в названии «silicon nanowire» в 1995-2011 гг. (по данным базы «Web of Knowledge»).

электрометром, обладающим, к тому же, высоким пространственным разрешением. Интерес к данным устройствам снова вырос с переходом к изготовлению одноэлектронных транзисторов из кремния, что позволило добиться предельно малых размеров его элементов (~10 нм) и, как результат, высо- ) ких рабочих температур устройства, вплоть до комнатных, что привело к | созданию в 2012 году одноатомного одноэлектронного транзистора1. |

Как видно из Рисунка 2, демонстрирующего сравнение различных полевых сенсоров в широком диапазоне температур, именно эти два устройства —

1 Fuechsle М., Miwa J. A., Mahapatra S. et al. A single-atom transistor // Nature Nanotechnology. 2012. Vol. 7, no 4. P. 242-246.

ю-7

I 1СГ3 10"2 10"1 10° 101 102 103

Температура (К)

Рис. 2. Сравнение предельных чувствительностей различных полевых/зарядовых сенсоров: ! одноэлектронных (ОЭТ) и полевых транзисторов (ПТ), полевых транзисторов с каналом! нанопроводом (ПТсНП), а также наноэлектромеханических устройств (НЭМ) — и их харак-i терных рабочих температур2.

; одноэлектронный транзистор и полевой транзистор с каналом-нанопроводом 1 — являются наиболее интересной основой для построения сверхчувствитель-: ных полевых/зарядовых сенсоров для широкого спектра применений.

Цель диссертационной работы состоит в разработке технологии изготовления из кремния на изоляторе (КНИ) высокочувствительных поле-j вых/зарядовых сенсоров на основе одноэлектронных транзисторов и полевых .транзисторов с каналом-нанопроводом, измерении и исследовании электрических характеристик, анализе и физической интерпретации наблюдаемых | свойств изготовленных экспериментальных структур.

2 на основе Salfi J., Savelyev I. G., Blumin M. et al. Direct observation of single-charge-detection capability ; of nanowire field-effect transistors // Nature Nanotechnology. 2010. — Sep. Vol. 5, no. 10. P. 737-741.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

• впервые стандартными методами микроэлектроники изготовлен биосенсор на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом и барьерами Шоттки, обладающий предельно возможной рН-чувствительностью, ~60 мВ/рН;

• впервые изготовлен биосенсор на основе полевого транзистора с кана- -лом-нанопроводом и барьерами Шоттки для детектирования специфической реакции моноклональных мышиных антител к трансферрину с белком й;

• разработан оригинальный метод изготовления полевого транзистора с омическими контактами к каналу-нанопроводу на основе неравномерно легированного КНИ;

• впервые подробно исследованы транспортные и шумовые характеристики одноэлектронных транзисторов из сильно легированного КНИ в диапазоне температур 15 мК-4,2 К;

• впервые создан одноатомный одноэлектронный транзистор на основе единичных допантов мышьяка в кремнии.

Практическая значимость

Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для создания на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом диагностической лаборатории на чипе для регистрации предельно низких концентраций биологических объектов (белков, ДНК, вирусов). На основе разработанных одноэлектронных и полевых транзисторов из КНИ могут быть созданы сверхчувствительные полевые/зарядовые сенсоры с нанометровым пространственным разрешением для локальных и сканирующих зондовых устройств с широким спектром применения в науке, технике и медицине.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

1. 17th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology», Minsk, Belarus, 2009.

2. Конференция «Объединенный Дальневосточный научно-исследовательский центр ДВФУ и ДВО РАН — ведущий научный интегратор внедрения инновационных методов исследований в биотехнологиях и нано-технологиях», Владивосток, 2010.

3. 18th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology», Saint-Petersburg, 2010.

4. Конференция «Современные достижения бионаноскопии», Москва, 2010.

5. Конгресс «Медицинская физика - 2010», Москва, 2010.

6. Конференция «Современные достижения бионаноскопии», Москва, 2011.

7. Конференция «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов и их защита в едином экономическом пространстве 2011», Москва, 2011.

8. Conference «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy», Moscow, 2011.

9. Conference «The 6th General Meeting of ACCMS-VO», Tohoku, Japan, 2012.

10. Conference «Micro- and Nanoelectronics - 2012», Zvenigorod, 2012.

11. Conference «The 7th General Meeting of ACCMS-VO», Tohoku, Japan, 2012.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 7 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ [1-7], 13 статей в сборниках трудов конференций и тезисов докладов [8-20].

Личный вклад автора В диссертации приведены результаты, полученные непосредственно автором или при его активном участии. Все экспериментальные образцы наноструктур изготовлены автором лично. Совместно с соавторами автором разработана технология изготовления биосенсора на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом и барьерами Шоттки. Совместно с соавторами проведены измерения электрических характеристик биосенсора и детектирования специфической реакции моноклональных мышиных антител против трансферрина с белком С. Автором лично разработан оригинальный метод изготовления полевого транзистора с омическими контактами к каналу-нанопроводу на основе неравномерно легированного кремния на изоляторе. Совместно с соавторами исследованы транспортные и шумовые характеристики сильно легированных кремниевых одноэлектрон-ных транзисторов в диапазоне температур 15 мК-4,2 К. Совместно с соавторами автором создан одноэлектронный одноатомный транзистор на основе единичных атомов мышьяка в кремнии. Совместно с соавторами автор непосредственно участвовал в написании научных статей, а также подготовке и представлении докладов и постеров на научных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 143 страницы, включая 64 рисунка. Библиография включает 114 наименований.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов.

В первой главе на основе изучения данных научно-технической литературы анализируется состояние исследований и разработок в области нанораз-мерных полевых/зарядовых сенсоров, базирующихся на полевых и одноэлек-тронных транзисторах. Анализ накопленного в этом направлении опыта позволил сделать ряд выводов, определивших общее направление исследований, а также определить конкретные технологические методы экспериментального создания наноструктур, рассмотренных в данной работе:

• полевой транзистор на основе НП и одноэлектронный транзистор являются наиболее чувствительными полевыми/зарядовыми сенсорами с пересекающимися диапазонами рабочих температур, охватывающими область от единиц миликельвин до 300 К;

• наиболее перспективным способом создания транзисторов являются традиционные для микро- и наноэлектроники методы, такие как электронная и оптическая литографии, напыление тонких пленок, реактивное ионное и жидкостное травление,

• для изготовления наноструктур, как наиболее технологичный, выбран материал «кремний на изоляторе» (КНИ), состоящий из тонкого, ~100 нм, верхнего слоя кремния, отделённого от толстой подложки слоем 5Ю2;

• использование транзисторов в роли полевого/зарядового сенсора накладывает требование прямого доступа к его чувствительному элементу, поэтому конструкция сенсора требует специальной разработки и существенно отличается от используемой в традиционной полупроводниковой электронике.

Рис. 3. Изображения изготовленной структуры транзистора и нанопровода.

Вторая глава посвящена созданию биохимического сенсора на основе кремниевого НП для проведения измерений в жидких проводящих средах (специальных солевых, буферных, растворах с различным уровнем кислотности — рН). В первой части второй главы описан разработанный метод создания полевого транзистора с каналом-нанопроводом и металлическими ("П) контактами к областям стока и истока, а также метод изоляции проводящих электродов транзистора для проведения измерений в жидких средах (Рисунок 3). Метод состоит из последовательных процессов электронной литографии в слое резиста полиметилметакрилата (ПММА), формирующего рисунок канала транзистора и контактных площадок, напыления алюминия через созданную полимерную маску и её удаления в т.н. процессе «взрыва», переноса рисунка полученной алюминиевой маски в верхний слой пластины КНИ путём реактивного ионного травления, напыления подводящих Т1 электродов, образующих барьер Шоттки к кремнию, и последующего напыления диэлектрического слоя БЮг поверх Т1 электродов. Использование металлических электродов позволяет значительно упростить изготовление транзистора и избежать трудоемких процессов легирования и термической активации примесей в случае формирования транзистора традиционными способами.

Такой транзистор, с длинным и узким каналом, функционирует аналогично обычному полевому транзистору (в роли затвора выступает нижний слой кремния пластины КНИ), однако малые поперечные размеры НП позволяют значительно повысить чувствительность сенсора. Измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) происходили в режиме задания напряжения между стоком и истоком транзистора и измерения тока через нанопровод при различных напряжениях на подложке-затворе транзистора. При измерении в жидкой среде, для управления током транзистора помимо затвора-подложки пластины КНИ, использовался электрод сравнения (ЭС), опущенный в раствор. Электрод сравнения был изготовлен из серебряной проволоки, покрытой слоем хлорида серебра, и выполнял роль второго затвора транзистора.

Были изучены вопросы работы транзистора в зависимости от рН среды и её стабильности (ионной силы). Оценка чувствительности разработанного и изготовленного сенсора проведена путем измерения отклика транзистора на изменение рН, который достиг предельного теоретически возможного уровня в ~60 мВ/рН (Рисунок 4, = Щ52^ = 60 мВ/рН). Тестирование процесса детектирования молекул в жидкости происходило методом сорбции на поверхности НП сильно заряженных молекул (полиэлектролитов) хлорида полидиметидиаллиламмония и полианетолсульфоната натрия. После смены раствора с полиэлектролитами на исходный буфер в обоих случаях исследуемые структуры транзисторов детектировали сигнал, соответствующий сорбировавшимся на поверхности молекулам. Проводимость канала изменялась (увеличивалась/уменьшалась) в соответствии со знаком заряда сорбировавшихся на его поверхности молекул. Таким образом, транзисторы демонстрировали чувствительность к изменению поля, созданного заряженными молекулами, расположенными на поверхности канала-нанопровода.

После модификации поверхности НП и привязки к ней органического комплекса на основе белка в, способного к биоспецифическому связыванию антиген-антитело с моноклональными мышиными антителами к трансферри-

-1,2 -1 < -0,8 -0,6 -0,4 -0,2

2600 2800 3000 3200 3400 3600 Время (с)

Рис. 4. Отклик сенсора на изменение рН раствора при различных напряжениях на электроде сравнения, напряжение Vcтoк.иcтoк=—0,5 В, У3=6 В.

ну, транзистор стал способен детектировать специфические взаимодействия на поверхности его канала. Химическая реакция связывания белков с антителами приводила к изменению электрического поля вблизи НП, воздействию поля на канал транзистора, и, как результат, к изменению его транспортного тока. Пример отклика на специфическое связывание приведен на Рисунке 5. Для определения количества центров связывания на поверхности НП белковый комплекс был помечен золотыми наночастицами размером 5 нм, хорошо различимыми при исследовании поверхности при помощи растрового электронного микроскопа. Полученные изображения показывают, что отклик транзистора на пришивку антител обеспечивается всего несколькими сотнями центров связывания (400 центров на 1 мкм2 поверхности), что позволяет говорить о высокой чувствительности полученного биосенсора, а способность безмаркерного детектирования открывает широкие возможности его приме-

(

нения.

Основные результаты второй главы опубликованы в работах [1-3, 7].

рН 6 рН 6

г:

— Уэс=0,50 В

— Уэс=0,38 В -

рН 6 ! | -

-0,07

— Специфическое связывание

— Неспецифическое связывание

-0,03

-0,06

0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 Время (с)

Рис. 5. Отклик биосенсора на основе нанопровода (ширина НП - 85 нм) при наличии в растворе 5 мкг/мл специфических антител и 5 мкг/мл неспецифического белка бычьего сывороточного альбумина (БСА), напряжение Усток_исток=-0,5 В, У3=6 В, рН 6, Уэс=0,4 В.

В третьей главе проведено исследование шумовых характеристик транзисторов с барьерами Шоттки, аналогичных описанным во второй главе. При нормальных условиях изучались структуры с различной геометрией НП (прямой и У-образной) и различными материалами подводящих электродов ("Л и Р1). Измерения происходили в режиме задания напряжения между стоком и истоком транзистора и измерения тока через нанопровод. Измерялись флуктуации тока и анализировались соответствующие им спектральные плотности в диапазоне частот 0,2-100 Гц при более чем 400 различных значениях напряжений исток-сток (от -2 В до 6 В) и исток-затвор (от -1 В до 3 В). На основе измеренных данных предложен метод поиска оптимальной рабочей точки транзистора, заключающийся в поиске области с максимальным отношением крутизны сигнальной характеристики транзистора к плотности флуктуаций тока в единичной полосе. Для рабочей точки с максимальным значением данного отношения значение крутизны составило 1,2 нА/В, а плотность флукту-

аций тока — 0,3 пА/л/Гц на частоте 10 Гц. Проведённый анализ подтвердил предположение о наличии рабочей точки в области малых напряжений — в подпороговом режиме работы транзистора, при несформировавшемся канале носителей заряда. На основании экспериментальных данных проведена оценка характерной зарядовой чувствительности транзисторов, получены значения менее 1 е/Гц на частоте 10 Гц при Т=300 К.

В четвертой главе исследуются полевые транзисторы с каналом-нано-проводом из неравномерно легированного КНИ. Для создания неравномерной по глубине концентрации допантов пластины КНИ подвергались бомбардировке пучком ионов Аэ малой энергии (6 кэВ, процесс ионной имплантации) и быстрому термическому отжигу. В результате, приповерхностная часть верхнего слоя пластины 30 нм) имела степень легирования ~Ю20 см-3, что делало её вырожденным полупроводником с крайне малой запрещённой зоной («квазиметалл»). Нижняя часть слоя (~ 50 нм) имела степень легирования менее 1018 см-3 и являлась обычным полупроводником.

Предложен оригинальный метод изготовления транзисторов с каналом-нанопроводом, заключающийся в формировании из полученного неравномерно легированного КНИ структуры транзистора, НП и проводящих электродов, и избирательном удалении квазиметаллического слоя с чувствительного элемента транзистора — канала-нанопровода. Предложено два варианта удаления высоколегированного слоя. В первом случае удаление приповерхностного слоя происходило на этапе формирования НП в процессе изотропного реактивного ионного травления. Форма нанопровода и толщина удалённого слоя определялись размерами маски и регулировались параметрами травления. Во втором случае сначала в процессе анизотропного травления в неравномерно легированном слое КНИ формировалась структура НП с подводящими электродами, а затем происходило последовательное избирательное удаление верхнего слоя с нанопровода с промежуточным контролем проводимости структуры. Многостадийный процесс позволяет точнее контролировать сте-

пень легирования канала транзистора, а также упрощает изготовление НП с формой отличной от прямой, например, V-образной, что оказывается важным для изготовления локальных полевых зондов на их основе.

Измерены транспортные характеристики изготовленных транзисторов в диапазоне температур 4,2-300 К. Зависимость транспортного тока от напряжения на затворе наблюдается во всем температурном диапазоне. При измерениях ВАХ в области малых напряжений сток-исток (~10 мВ) при температуре Т=4,2 К было обнаружено, что транспорт тока осуществляется в режиме одноэлектронного туннелирования с характерными участками куло-новской блокады и квазипериодической зависимостью от затворного напряжения. Данный эффект объясняется туннельным транспортом электронов в неоднородном массиве, образованном единичными допантами.

Представленный метод изготовления наноструктур полевых транзисторов с каналом-нанопроводом на основе неоднородно легированного КНИ отличается простотой и позволяет контролировать и изменять в процессе изготовления основной параметр устройства — проводимость канала транзистора, а также обеспечивает омический контакт подводящих электродов из высоколегированного кремния к нанопроводу. Изготовленные предложенным методом транзисторы могут быть использованы в качестве чувствительного элемента полевых зондовых систем локального и сканирующего типов3,4.

Результаты четвертой главы опубликованы в работах [4, 6].

Пятая глава посвящена созданию и исследованию одноэлектронных транзисторов из сильно легированного мышьяком КНИ. Из вырожденного слоя КНИ при помощи электронной литографии и реактивного ионного травления формировалась структура будущего транзистора: остров, резистивные переходы к подводящим электродам и боковой затвор (Рисунок 6). Затем пу-

3 Yoo M.J., Fulton Т.A., Hess H.F. et al. Scanning single-electron transistor microscopy: imaging individual charges // Science. 1997. Vol. 276, no. 5312. P. 579 -582.

4 Chen L.H., Topinka M A., LeRoy B.J. et al. Charge-imaging field-effect transistor // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 79, no. 8. P. 1202.

Рис. 6. Протравленная структура одноэлектронного транзистора в кремнии.

тём итерационного дотравливания полученной структуры с промежуточным контролем её ВАХ, происходило утонение, тонких резистивных переходов. При достижения условия ДСТОк-исток > = £ ~ 25,8 кОм транзистор начинал демонстрировать одноэлектронное поведение.

Основные исследования одноэлектронных структур проводились при температурах от 15 мК до 4,2 К (ВАХ представлены на Рисунке 7), когда появлялись характерные особенности поведения одноэлектронных структур: Ку-лоновская блокада транспортного тока и периодическая зависимость его величины от напряжения на затворе транзистора. Подробно была исследована зарядовая чувствительность транзистора, для этого при различных транспортных напряжениях были проведены измерения спектральной плотности флуктуаций тока в диапазоне частот 0,5-250 Гц на участке модуляционной кривой в 1,6 периода в 50 точках. Полученные данные позволяют говорить о зарядовой природе флуктуаций тока, обусловленной, поляризационным влиянием электродинамического окружения на остров транзистора, а также о том, что оптимальная рабочая точка транзистора находится в области с наибольшей крутизной модуляционной характеристики. В этом случае порог зарядовой чувствительности минимален и достиг величины 1,6-10-4 е/уТц на

а)

О 0,5 1 1,5 2 2,5 Vз (В)

Рис. 7. а) ВАХ одноэлектронного транзистора при различных напряжениях на затворе; б) модуляционные характеристики одноэлектронного транзистора при различных напряжениях смещения; рабочая температура Т=15 мК

— ^сток_исток=

^сток-исток ~ ^сток-исток =

1,8 мВ 1,4 мВ 1,0 мВ

-5 0 5

^СТОК-ИСТОК (мВ) б)

частоте 10 Гц при температуре 15 мК. Представленные в работе данные демонстрируют тенденцию плавного увеличения зарядового шума при увеличении транспортного тока, что является характерным для традиционных металлических одноэлектронных транзисторов. В работе5 при исследовании подобных транзисторов на основе сильно легированного фосфором КНИ отмечено увеличение шума в областях максимума тока на модуляционной кривой по сравнению с традицирнными металлическими структурами, что объясняется повышенным уровнем флуктуаций проводимости резистивных переходов транзистора. Исследуемые в настоящей работе транзисторы демонстрируют существенно меньший уровень шума в областях максимума модуляционной кривой, что может быть связано с более высоким качеством процесса легирования КНИ.

При используемых концентрациях допантов No и характерных размерах изготавливаемых наноструктур /х значительное влияние на свойства транзистора начинает оказывать дискретность распределения примесей (No-Il ~ 1)-Благодаря этому удалось изготовить и исследовать одноатомный одноэлек-тронный транзистор — устройство на основе единичного допанта (диаграмма стабильности представлена на Рисунке 8). Доказательством этого факта служат ступени на ВАХ, свидетельствующие о дискретности спектра, и высокое блокадное напряжение ~70 мВ, нехарактерное для традиционных одноэлектронных транзисторов, указывающие на малость размеров острова (<7 нм). Наиболее вероятно, что островом транзистора является одиночный атом мышьяка. Кроме того, результаты измерений совпадают с данными по спектроскопии одиночных допантов в кремнии, представленными в других работах6. Транзисторы данного типа могут стать ячейкой твердотельной электроники нового поколения, работающей на иных физических принципах, способных

5 Крупенин B.A., Преснов Д.Е., Власенко B.C. Зарядовый шум в одноэлектронном транзисторе из высо-кодопированного кремния-на-изоляторе // Радиотехника. 2008. Vol. 1, по. 1. Р. 78-83.

6 Pierre M., Wacquez R., Jehl X. et al. Single-donor ionization energies in a nanoscale CMOS channel //

Nature Nanotechnology. 2010. Vol. 5, no 2. P. 133-137.

|С| (е2/Д)

20 25 30 35 40 45 50 55 Уз (В)

Рис. 8. Диаграмма стабильности одноатомного транзистора.

обеспечить её работоспособность в условиях приближения технологического процесса микропроизводства к естественному пределу (атомарный размер).

Основные результаты пятой главы опубликованы в работе [5].

В Заключении перечислены выносимые на защиту основные результаты и положения, которые также перечислены ниже:

• Разработан метод изготовления из кремния на изоляторе биосенсора на основе полевого транзистора с каналом в форме нанопровода шириной менее 100 нм. Создан биосенсор на основе полевого транзистора с кана-лом-нанопроводом, обладающий рН-чувствительностью близкой к предельной, ~60 мВ/рН. Продемонстрировано детектирование биосенсором специфической реакции антиген (белок в) - антитело (моноклональные мышиные антитела к трансферрину).

• Изготовлены полевые транзисторы с металлическими ("П и Р1) контактами к каналу-нанопроводу (диаметр 100 нм, длина 2 мкм). Исследованы их шумовые характеристики в диапазоне частот 0,2-100 Гц

(Т=300 К). Получена оценка пороговой зарядовой чувствительности транзистора лучше, чем 1 е/\/Гц на частоте 10 Гц.

• Разработан метод изготовления полевого транзистора с омическими контактами к каналу-нанопроводу из неравномерно легированного мышьяком кремния на изоляторе, работающий в диапазоне температур 4,2-300 К.

• Изготовлены одноэлектронные транзисторы из сильно легированного мышьяком кремния на изоляторе. Впервые подробно исследованы их транспортные и шумовые характеристики в диапазоне температур от 15 мК до 4,2 К. Порог зарядовой чувствительности транзистора составил 1,6-10-4 е/\/Гц на частоте 10 Гц при Т=15 мК. Впервые создан одноатомный одноэлектронный транзистор на основе единичных допантов мышьяка в кремнии и исследованы его транспортные характеристики при Т=4,2 К.

Исследования, проведённые в данной работе, на взгляд автора, лежат в основе практического применения высокочувствительных полевых сенсоров, которое может начать лавинообразное развитие в ближайшее десятилетие.

Использование полевых транзисторов с каналом-нанопроводом в роли биосенсоров, по сути, ограничивается лишь отсутствием успехов в смежных областях, в первую очередь, биохимии. Использование их как локальных по-лечувствительных зондов сдерживается на данный момент лишь отсутствием демонстрации работы данного устройств на их основе.

Использование одноэлектронных транзисторов ограничивается их рабочей температурой, поэтому создание транзистора на отдельных атомах может открыть новые перспективы перед одноэлектроникой в целом.

Список публикаций

1. Крупенин В. А., Преснов Д. Е., Власенко В. С., Амитонов С. В. Полевой транзистор на основе кремниевого нанопровода // Радиотехника. 2009. № 3. С. 104-107.

2. Преснов Д. Е., Амитонов С. В., Крупенин В. А. Полевой транзистор с каналом-нанопроводом - основа молекулярного биосенсора // Радиотехника. 2012. № 9. С. 122-126.

3. Преснов Д. Е., Амитонов С. В., Крупенин В. А. Полевой транзистор с каналом-нанопроводом на основе кремния на изоляторе // Микроэлектроника. 2012. Т. 41, № 5. С. 364-367.

4. Амитонов С. В., Преснов Д. Е., Рудаков В. И., Крупенин В. А. Полевой транзистор с каналом-нанопроводом на основе неравномерно легированного КНИ // Микроэлектроника. 2013. Т. 42, № 3. С. 200-205.

5. Преснов Д. Е., Амитонов С. В., Крупенин В. А. Одноэлектронный транзистор из высоколегированного кремния на изоляторе. // Радиотехника. Принято к публикации.

6. Амитонов С. В., Преснов Д. Е., Крупенин В. А. Кремниевый транзистор с каналом-нанопроводом из неравномерно легированного кремния на изоляторе. // Радиотехника. 2013. № 5. С. 30-34.

7. Presnov D. Е., Amitonov S. V., Krutitskii P. A. et al. A highly pH-sensitive nanowire field-effect transistor based on silicon on insulator // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2013, —May. Vol. 4. P. 330-335.

8. Krupenin V., Presnov D., Vlasenko V., Amitonov S. Silicon nanowire field effect transistor as a core element for the bio- and chemical femtomolar sensors // Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers of 17th Int. Symposium - Nanostructures: Physics and Technology. Ioffe Minsk, Belarus, 22-26 June, 2009. P. 276-277.

9. Krupenin V., Presnov D., Amitoriov S. et al. Nanowire transistor as high sensitive bio- and chemical sensor // Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers of 18th Int. Symposium - Nanostructures: Physics and Technology. Ioffe Institute St.Petersburg, Russia, 21-26 June, 2010. P. 363-364.

10. Крупенин В. А., Преснов Д. E., Амитонов С. В. et al. Транзистор с кремниевым нанопроводом в качестве высокочувствительного химического и биосенсора // Тезисы III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010». Vol. 3.

2010. Р. 257-259.

11. Крупенин В. А., Преснов Д. Е., Амитонов С. В., Ушакова Ю. С. Зарядовый сенсор на основе кремниевого нанопровода // Тезисы Четвертой международной конференции "Современные достижения бионаноскопии". 2010. Р. 38.

12. Преснов Д. Е., Крупенин В. А., Амитонов С. В. et al. Биосенсор на основе кремниевого нанопровода // Тезисы III Международной конференции "Объединенный Дальневосточный научно-исследовательский центр ДВФУ и ДВО РАН - ведущий научный интегратор внедрения инновационных методов исследований в биотехнологиях и нанотехнологиях. 2010.

13. Krupenin V., Presnov D., Amitonov S. Suspended silicon nanowire transistor as high sensitive charge sensor // Abstracts of Int. Symposium - Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy. Moscow - Zelenograd, Russia, 12-16 September, 2011. P. 32.

14. Крупенин В. А., Преснов Д. E., Курочкин И. Н. et al. Зарядовый сенсор на основе подвешенного кремниевого нанопровода // Тезисы Пятой международной конференции "Современные достижения бионаноскопии".

2011. Р. 9-10.

15. Крупенин В. А., Преснов Д. Е., Амитонов С. В. et al. Высокочувствительный биосенсор на основе подвешенного кремниевого нанопровода // Сборник трудов научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ». 2011.

16. Krupenin V., Presnov D., Amitonov S. et al. Silicon single-electron transistor with suspended island // Abstr. of The Seventh General Meeting of ACCMS-VO (Asian Consortium on Computational Material Science - Virtual Organisation). IMR, Tohoku University, Sendai and Matsushima, Japan, 23-25 November, 2012. P. PS-33.

17. Amitonov S., Presnov D., Rudenko K. et al. Silicon nanowire field effect transistor with highly doped leads // International Conference <<Micro-and Nanoelectronics - 2012>>. Abstr. Book. Moscow-Zvenigorod, Russia, 1-5 October, 2012. P. 03-02.

18. Soloviev I., Devyatov I., Krutitskiy P. et al. Experimental and theoretical study of nanowire FET based on SOI // International Conference <<Micro-and Nanoelectronics - 2012>>. Abstr. Book. Moscow-Zvenigorod, Russia, 1-5 October, 2012. P. Pl-41.

19. Krupenin V., Presnov D., Amitonov S., Nejo H. Suspended silicon nanowire transistor high sensitive charge sensor // Abstr. of The Sixth General Meeting of ACCMS-VO (Asian Consortium on Computational Material Science

- Virtual Organisation). IMR, Tohoku University, Sendai and Matsushima , Japan, 10-12 February, 2012. P. PS-9.

20. Krupenin V., Presnov D., Amitonov S. et al. Suspended silicon single-electron transistor // International Conference <<Micro- and Nanoelectronics

- 2012>>. Abstr. Book. Moscow-Zvenigorod, Russia, 1-5 October, 2012. P. Pl-39.

Подписано в печать 26.08.2013 г. Усл.п.л. - 1,25. Тираж 125 экз.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Амитонов, Сергей Владимирович, Москва

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»

04201361458 На правах рукописи

Амитонов Сергей Владимирович

Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов

01.04.04 - Физическая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к. ф.-м. н.

Крупенин Владимир Александрович

Москва - 2013

зУ

Содержание

Введение........................................................................4

Глава 1. Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов ....................................................................11

1.1. Полевой транзистор на основе кремниевого нанопровода . ... 11

1.1.1. Первые попытки создания кремниевых нанопроводов . 11

1.1.2. Транзисторный эффект в кремниевых нанопроводах . . 12

1.1.3. Создание нанопроводов из «Кремния на изоляторе» . . 13

1.1.4. Транзистор с кремниевым нанопроводом — развитие традиционных полевых сенсоров..........................16

1.1.5. Нанопровод — замена рН-метров..........................19

1.1.6. Нанопровод — замена биохимических сенсоров .... 23

1.1.7. Нанопровод — локальный полевой зонд..................26

1.1.8. Пути повышения чувствительности сенсора с нанопроводом ........................................................29

1.2. Одноэлектронный транзистор......................................32

1.2.1. Принцип работы одноэлектронного транзистора .... 33

1.2.2. Кремниевый одноэлектронный транзистор................36

1.2.3. Одноатомный одноэлектронный транзистор..............38

Глава 2. Полевой сенсор на основе кремниевого нанопровода для

измерений в жидких проводящих средах ............................41

2.1. Разработка технологии изготовления образцов ..................41

2.2. Измерения характеристик изготовленных образцов..............55

2.3. Выводы к Главе 2....................................................65

Глава 3. Шумовые измерения полевых транзисторов с каналом-

нанопроводом..............................................................67

3.1. Методика изготовления образцов..................................67

3.2. Результаты измерений образцов....................................69

3.3. Выводы к Главе 3....................................................77

Глава 4. Полевой транзистор с каналом-нанопроводом из неравномерно легированного кремния на изоляторе ........................79

4.1. Методика изготовления образцов..................................80

4.2. Измерения характеристик полученных структур ................86

4.3. Выводы к Главе 4....................................................96

Глава 5. Одноэлектронный транзистор из сильно легированного кремния на изоляторе..........................................................99

5.1. Методика изготовления образцов..................................99

5.2. Результаты измерений .......................107

5.3. Выводы к Главе 5..........................123

Заключение..................................125

Литература ..................................129

С/

Введение

Актуальность темы работы

íK

a *

к t? VO

О CQ H и <x> ST

fcj

700

600

500

400

300

200

100

0 4

2 5 6 6 И

Рис. 1. Количество публикаций с сочетанием в названии «silicon nanowire» в 1995-2011 гг. (по данным базы «Web of Knowledge»).

электрометром, обладающим, к тому же, высоким пространственным разрешением. Интерес к данным устройствам снова вырос с переходом к изготовлению одноэлектронных транзисторов из кремния, что позволило добиться предельно малых размеров его элементов (~10 нм) и, как результат, высоких рабочих температур устройства, вплоть до комнатных, что привело к созданию в 2012 году одноатомного одноэлектронного транзистора [1].

Как видно из Рисунка 2, демонстрирующего сравнение различных полевых сенсоров в широком диапазоне температур, именно эти два устройства — одноэлектронный транзистор и полевой транзистор с каналом-нанопроводом — являются наиболее интересной основой для построения сверхчувствитель-

о»

н о о X л 1=3 си н к ю н о ю

10"

-7

10"

-3

-1

к то т о

к а,

го

10° ю1

I МП]-1-1—1 I ПП|-1-1—I I М И 1

-ТТТТП-1-1—I 1 1 И И-1-1—I 11111

оэт

ПТсНП

ПТ

ШЯЙШМОТ!:

нэм

10"

......

I I I III_|_

х!_I_1111

-2

10"1 10° ю1 ю2

Температура (К)

103

Рис. 2. Сравнение предельных чувствительностей различных полевых/зарядовых сенсоров: одноэлектронных (ОЭТ) и полевых транзисторов (ПТ), полевых транзисторов с каналом-нанопроводом (ПТсНП), а также наноэлектромеханических устройств (НЭМ) — и их характерных рабочих температур (на основе [2]).

ных полевых/зарядовых сенсоров для широкого спектра применений.

Цель диссертационной работы состоит в разработке технологии изготовления из кремния на изоляторе (КНИ) высокочувствительных полевых/зарядовых сенсоров на основе одноэлектронных транзисторов и полевых транзисторов с каналом-нанопроводом, измерении и исследовании электрических характеристик, анализе и физической интерпретации наблюдаемых свойств изготовленных экспериментальных структур.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

• впервые стандартными методами микроэлектроники изготовлен биосенсор на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом и барьера-

ми Шоттки, обладающий предельно возможной рН-чувствительностью, -60 мВ/рН;

• впервые изготовлен биосенсор на основе полевого транзистора с кана-лом-нанопроводом и барьерами Шоттки для детектирования специфической реакции моноклональных мышиных антител к трансферрину с белком в;

• впервые создан одноатомный одноэлектронный транзистор на основе единичных допантов мышьяка в кремнии.

Практическая значимость

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

• Разработан метод изготовления из кремния на изоляторе биосенсора на основе полевого транзистора с каналом в форме нанопровода шириной менее 100 нм. Создан биосенсор на основе полевого транзистора с кана-лом-нанопроводом, обладающий рН-чувствительностью близкой к предельной, ~60 мВ/рН. Продемонстрировано детектирование биосенсором специфической реакции антиген (белок й) - антитело (моноклональные мышиные антитела к трансферрину).

• Изготовлены полевые транзисторы с металлическими СП и Р1:) контактами к каналу-нанопроводу (диаметр 100 нм, длина 2 мкм). Исследованы их шумовые характеристики в диапазоне частот 0,2-100 Гц (Т=300 К). Получена оценка пороговой зарядовой чувствительности транзистора лучше, чем 1 е/\/Гц на частоте 10 Гц.

• Изготовлены одноэлектронные транзисторы из сильно легированного мышьяком кремния на изоляторе. Впервые подробно исследованы их транспортные и шумовые характеристики в диапазоне температур от 15 мК до 4,2 К. Порог зарядовой чувствительности транзистора составил 1,6-Ю-4 е/л/Гц на частоте 10 Гц при Т= 15 мК. Впервые создан одноатомный одноэлектронный транзистор на основе единичных допантов мышьяка в кремнии и исследованы его транспортные характеристики при Т=4,2 К.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

1. 17th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology», Minsk, Belarus, 2009.

3. 18th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology», Saint-Petersburg, 2010.

4. Конференция «Современные достижения бионаноскопии», Москва, 2010.

5. Конгресс «Медицинская физика - 2010», Москва, 2010.

6. Конференция «Современные достижения бионаноскопии», Москва, 2011.

8. Conference «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy», Moscow, 2011.

9. Conference «The 6th General Meeting of ACCMS-VO», Tohoku, Japan, 2012.

10. Conference «Micro- and Nanoelectronics - 2012», Zvenigorod, 2012.

11. Conference «The 7th General Meeting of ACCMS-VO», Tohoku, Japan, 2012.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 7 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ [3-9], 13 статей в сборниках трудов конференций и тезисов докладов [10-22].

Личный вклад автора В диссертации приведены результаты, полученные непосредственно автором или при его активном участии. Все экспериментальные образцы наноструктур изготовлены автором лично. Совместно с соавторами автором разработана технология изготовления биосенсора на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом и барьерами Шоттки. Совместно с соавторами проведены измерения электрических характеристик биосенсора и детектирования специфической реакции моноклональных мышиных антител против трансферрина с белком й. Автором лично разработан оригинальный метод изготовления полевого транзистора с омическими контактами к каналу-нанопроводу на основе неравномерно легированного кремния на изоляторе. Совместно с соавторами исследованы транспортные и шумовые характеристики сильно легированных кремниевых одноэлектрон-ных транзисторов в диапазоне температур 15 мК-4,2 К. Совместно с соавторами автором создан одноэлектронный одноатомный транзистор на основе единичных атомов мышьяка в кремнии. Совместно с соавторами автор непосредственно участвовал в написании научных статей, а также подготовке и представлении докладов и постеров на научных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 143 страницы, включая .64 рисунка. Библиография включает 114 наименований.

Глава 1

Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов

На сегодняшний день среди сенсоров электрического поля наиболее чувствительными являются одноэлектронный транзистор [23, 24] и полевой транзистор с калалом-нанопроводом [2]. Первый из них обладает мак-

симальной зарядовой чувствительностью 5(5 ~ 10~6—-= [25], а второй, хотя

л/Г Ч

и уступает ему, однако, имеет широкий диапазон рабочих температур - от криогенных до комнатных (Рисунок 2 Введения), что позволяет использовать его не только в фундаментальных низкотемпературных исследованиях, например изучения зарядового состояния нанобъектов, но и в прикладных исследованиях в различных областях биохимии и медицины. Исследованию сенсоров на основе этих двух устройств и посвящена данная работа.

1.1. Полевой транзистор на основе кремниевого нанопровода

1.1.1. Первые попытки создания кремниевых нанопроводов

Первое упоминание о выращивании кремниевого нанопровода (НП) принадлежит Вагнеру и Эллису и относится к 1964 г. [26], а в 1975 г. Е.И. Гивар-гизовым было дано первое объяснение механизма роста таких структур [27]. На заре эпохи наноэлектроники интерес к кремниевым НП усиливается в связи с возможностью массового создания реальных устройств на их основе и необходимостью изучения свойств таких устройств.

В 1997 г. выходит первая статья о методе выращивания кремниевых НП из наноразмерных частиц золота [28]. Этот метод и сегодня является одним

из основных способов создания НП — адсорбция ионов кремния из кремний-содержащих газов, например БШ^ в каплю жидкого металла, обычно золота, находящегося на поверхности кремниевой подложки с последующей кристаллизацией и формированием структуры НП вдоль определенных кристаллографических осей подложки с диаметром, определяемым размером капли (5-100 нм). Длина НП определяется временем выращивания, скорость роста — параметрами в камере для выращивания: давлением и температурой подложки (800-1000 °С). При этом, имеется возможность менять проводимость НП путем добавления во время выращивания в камеру газ, содержащий до-панты (ВРз, РНз). Схожим с вышеупомянутым является метод, когда вместо кремнийсодержащего газа используется поток инертного газа, содержащий атомы кремния, полученные при помощи разрушения кремниевой мишени мощным лазерным импульсом [29]. Близкий по механизму выращивания к двум предыдущим является метод, при котором кремниевые НП вырастают из золотых капель в содержащем кремний растворе [30]. Существуют и другие методы формирования НП, например, каталитическое травление [31], когда первоначально на кремний наносится катализатор — пленка серебра, а затем, в смеси плавиковой кислоты НР и перекиси водорода Н202, кремний вытравливается исключительно под областями, на которые нанесен катализатор.

1.1.2. Транзисторный эффект в кремниевых нанопроводах

Долгое время «выращивание» НП оставалось самоцелью для исследователей. В первую очередь это связано с тем, что описанные выше методы позволяют сформировать огромное количество НП на поверхности кремниевой подложки, а дальнейшее выделение из этой массы единичных НП и инсталляция их в конкретную структуру устройства по сей день остается трудоемкой, порой невыполнимой задачей. Лишь после демонстрации тран-

зисторного эффекта в единичном полупроводниковом НП [32] направление исследований смещается в сторону создания полевых транзисторов на основе НП и поиска возможности использования таких транзисторов в элементной базе микроэлектроники.

В работе [32] выращенные НП осаждались на проводящую подложку покрытую слоем оксида кремния из раствора, а затем при помощи электронной литографии на концах осажденных НП формировались подводящие электроды, которые играли роль истока и стока. Управление проводимостью канала осуществлялась при помощи изменения потенциала подложки. Однако, применение транзисторов в микроэлектронике требовало более технологичных методов, позволяющих контролируемо располагать НП на подложке. Одним из так методов стало осаждение проводов в электрическом поле заранее созданных электродов [33]. Закрепление НП осуществляется в следующем за осаждением процессе расплавления и отвердевания металла электродов, во время которого НП погружается в электроды и фиксируется в них. Кроме того, были разработаны методы, в которых выращивание происходит между заранее сформированными электродами в их электрическом поле [34] или под воздействием лазерного излучения [35]. Близким к этому, является способ, когда НП-мостики выращиваются между двумя «вертикальными» стенками кремния в горизонтальном направлении [36].

1.1.3. Создание нанопроводов из «Кремния на изоляторе»

Ко второй половине прошлого десятилетия становится понятно, что производители микросхем про�