SPM實(shí)現(xiàn)納米加工與單電子器件的研究

1、王艷霞2001.12l 利用SPM加工技術(shù)； l 常規(guī)光刻法；l 自組裝技術(shù)；l 電子束光刻法； l 聚焦離子束技術(shù)。 1974年美國(guó)采用掃描探測(cè)原理，利用場(chǎng)發(fā)射電流測(cè)量表面的微觀形貌，是現(xiàn)代掃描探針的雛形。八十年代STM、AFM等將隧道效應(yīng)、原子間作用力與掃描探測(cè)原理相結(jié)合，觀察到表面的原子結(jié)構(gòu)，推動(dòng)了納米技術(shù)的發(fā)展。從此，人們開始逐步研究物質(zhì)各種表面的微觀特性。 在一個(gè)不透光的屏上開一個(gè)小孔，測(cè)量光線通過小孔照射到被測(cè)物體上，光線經(jīng)過被測(cè)物體再通過小孔被反射回來(lái)，同時(shí)被測(cè)物體相對(duì)于小孔做掃描運(yùn)動(dòng)。 掃描探針加工技術(shù)是從掃描顯微技術(shù)發(fā)展而來(lái)，利用探針與樣品的相互作用，在樣品表面實(shí)現(xiàn)圖形結(jié)構(gòu)的

2、納米氧化加工。 就探針在加工過程中移動(dòng)的方式而言，納米氧化加工方法可分為：l掃描點(diǎn)陣加工方法l矢量加工方法 在樣品表面的正方形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描加工，這種加工方式得到的加工圖形的結(jié)構(gòu)具有離散性。 加工前，必須對(duì)所需加工的圖形結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼，將掃描區(qū)域初始化為一位圖，圖形結(jié)構(gòu)由一系列點(diǎn)組成。 掃描加工時(shí)，SPM設(shè)置為正常的成像模式，掃描參數(shù)設(shè)置成為，能夠獲取樣品表面形貌，同時(shí)盡可能減少探針對(duì)樣品表面的刻蝕作用。探針在逐點(diǎn)掃描過程中，SPM系統(tǒng)依據(jù)探針的掃描位置和圖形點(diǎn)陣編碼，調(diào)整探針與樣品的作用參數(shù)，從而在樣品表面的一定位置上產(chǎn)生點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成連續(xù)圖形。 點(diǎn)陣式加工的特點(diǎn)： 加工圖

3、形的復(fù)雜程度不影響加工時(shí)間。 探針不必在樣品表面進(jìn)行逐行掃描加工，只需根據(jù)加工圖形的結(jié)構(gòu)制定出探針的移動(dòng)路徑和相應(yīng)的加工參數(shù)。 加工過程中，控制探針與樣品的相對(duì)位置，避免在移動(dòng)探針的過程中，探針劇烈碰撞樣品表面。這種加工方式得到的加工圖形，結(jié)構(gòu)具有連續(xù)性。 利用SPM實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)加工的兩種工作電場(chǎng)方式： 在探針與樣品之間形成強(qiáng)電場(chǎng)；在探針與樣品之間通過高密度電流。 AFM等某些SPM是通過探針與樣品表面之間存在的某些微小的相互作用力從而得到物體表面形狀的顯微儀器。 利用 AFM實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)加工時(shí)，探針與樣品表面之間沒有電流通過，高強(qiáng)電場(chǎng)使得樣品表面產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)樣品表面結(jié)構(gòu)加工。 STM等

4、某些SPM是通過在探針與樣品表面之間通過隧道電流，由于探針與樣品接觸面積很小，一定強(qiáng)度的電壓就可以得到很高的電流密度，這樣高的電流密度使得樣品產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)樣品表面結(jié)構(gòu)加工。 AFM用于納米氧化加工，可以工作在室溫和大氣狀態(tài)下。加在探針和樣品表面間的加工電壓，與控制探針和樣品表面間距離的反饋控制信號(hào)無(wú)關(guān)。這允許AFM對(duì)導(dǎo)體表面或絕緣體表面進(jìn)行加工，適用范圍更廣。 加工包括樣品表面的HF酸鈍化、對(duì)樣品陽(yáng)極氧化加工和選擇性刻蝕。 圖中給出的是文獻(xiàn)中介紹的掃描速度與加工得到的線的寬度（和高度）的關(guān)系。在Vt= 5V，It= 1nA的條件下，掃描速度從0.01m/s增至3m/s時(shí)，加工得到

5、的線的寬度從 45nm降至18nm（ 線的高度從3.5nm降至2.5nm）。這表明，隨著STM的探針的掃描速度的增加，在探針與金屬膜表面間單位長(zhǎng)度內(nèi)流過的法拉第電流（電化學(xué)電流）減少，金屬膜氧化的總量減少，形成的氧化線的寬度和高度也隨之減少。 圖中給出的是文獻(xiàn)中介紹的加工使用的控制電壓與加工得到的線寬間的關(guān)系。掃描速度是0.01m/s，隧道電流It= 1nA。控制電壓Vt由5V減至2V時(shí)，線的高度從4nm減至1nm，總量超過75%。如果進(jìn)一步將控制電壓Vt減少到1V，不再有氧化線形成。因此，金屬鈦膜的氧化閾值位于Vt1V2V之間。這個(gè)范圍內(nèi)的線寬隨Vt變化也不明顯，只有控制電壓Vt由5V減至2

6、V時(shí)線寬減少量的15%。 對(duì)于應(yīng)用在器件中的STM/AFM納米氧化加工，應(yīng)該準(zhǔn)確確定金屬膜表面的氧化金屬線的深度。文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)表明，在金屬膜厚度低于5nm時(shí)，加工得到的氧化線的寬度和高度，隨著金屬膜厚度的變化而變化。 當(dāng)使用探針的掃描速度和隧道電流等參數(shù)恒定時(shí)，出現(xiàn)的單位長(zhǎng)度內(nèi)的電化學(xué)電流（法拉第電流）的總量一定，當(dāng)金屬膜的厚度變化時(shí)，形成的氧化物的體積應(yīng)該相同。當(dāng)金屬氧化物到達(dá)金屬膜的底部時(shí)，氧化橫向發(fā)展。圖中給出，當(dāng)金屬膜厚度低于5nm時(shí)，氧化線能夠到達(dá)金屬膜的底部；當(dāng)金屬膜厚度高于5nm時(shí)，加工得到的氧化線的寬度和高度基本上保持不變 。 金屬膜的厚度小于5nm時(shí)，在氧化過程中，保持STM

7、的探針的掃描速度、隧道電流等參數(shù)不變，法拉第電流就保持不變。盡管基底上面覆蓋的金屬膜的厚度的變化，氧化形成的體積也保持不變。從而得到結(jié)論，基底上面覆蓋的金屬膜的厚度應(yīng)該小于5nm。 利用SPM技術(shù)有利于形成原子尺度的納米結(jié)構(gòu)，減少隧穿電容（便于器件在室溫下工作），制備出納米量子線、納米量級(jí)的臺(tái)階以及單電子器件等。目前，因其加工時(shí)間過長(zhǎng)，重復(fù)性和穩(wěn)定性等原因，在器件制備方面受到限制。 研究方向之一是制備出性能穩(wěn)定并適合集成應(yīng)用的納米器件。 單電子器件（SET）實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受柵極控制的庫(kù)侖阻塞系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上各組成部分借用了MOSFET的名稱，工作形式上也是通過在柵極上加一定的電壓來(lái)控制源、漏極間的

8、電流。但工作中，用隧道勢(shì)壘庫(kù)侖島隧道勢(shì)壘結(jié)構(gòu)取代了MOSFET的溝道，其工作機(jī)理與MOSFET完全不同。 量子點(diǎn)是單電子器件的最基本的元素，其工作的理論基礎(chǔ)是庫(kù)侖阻塞效應(yīng)。在多體帶電的體系中，由于庫(kù)侖作用，每個(gè)帶電粒子同時(shí)處在外電場(chǎng)和所有帶電粒子的電場(chǎng)作用下?？紤]被勢(shì)壘分離的多體帶電系統(tǒng)，帶電粒子因隧道效應(yīng)穿透勢(shì)壘，從分離勢(shì)壘的一部分抵達(dá)另一部分，形成電流。電流在一定條件下會(huì)中斷的現(xiàn)象就是庫(kù)侖阻塞效應(yīng)。 如果某一導(dǎo)電微粒在電學(xué)上與其外界絕緣，只有在特定條件下，電子才可能從外界隧穿進(jìn)入該導(dǎo)電微粒。當(dāng)微粒的尺寸足夠小時(shí)，它與周圍外界間的隧穿電容可以減至足夠小(庫(kù)侖島) 。每當(dāng)單個(gè)電子從外面隧穿進(jìn)入

9、該微粒時(shí)，相當(dāng)于給該電容充電，充入電能為 e2/C，從而阻礙第二個(gè)電子再進(jìn)入同一庫(kù)侖島，這就是庫(kù)侖阻塞效應(yīng)。利用庫(kù)侖阻塞效應(yīng)就有可能使電子逐個(gè)隧穿進(jìn)出庫(kù)侖島，實(shí)現(xiàn)單電子隧穿過程。 電容電能增加形成的電場(chǎng)，阻礙第二個(gè)電子進(jìn)入。如果第二個(gè)電子進(jìn)入同一個(gè)庫(kù)侖島，電能將繼續(xù)增加，根據(jù)能量守衡定律，需要外界提供能量。 柵極的控制電壓為UG，庫(kù)侖島中的電子具有的電能為 E=-e UG +e2/（ CT1 CT2 CG），第一項(xiàng)是帶正電的柵極與庫(kù)侖島中的電子的吸引能，第二項(xiàng)為島中電荷的排斥能。庫(kù)侖島中的電荷是量子化的，E 也只能取離散值。 根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系推算，庫(kù)侖島的直流電阻Rh/e2=25.82k; 為克

10、服熱擾動(dòng)，庫(kù)侖島內(nèi)充入的電能e2/CkT。為此，室溫工作時(shí)要求電容達(dá)到1aF(10-18F) 量級(jí)，單電子島的直徑在10nm范圍內(nèi)。偏置電壓 UB與隧道結(jié)CT1和CT2相串聯(lián)，提供驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)有電子進(jìn)入庫(kù)侖島時(shí)，給三個(gè)相鄰電容充入的電能為：)(2212GTTCCCeE 當(dāng)E超過電能(-eUB)時(shí)，電流被抑制，表現(xiàn)為庫(kù)侖阻塞效應(yīng)。庫(kù)侖島勢(shì)壘的值受到控制柵極電壓UG的影響。 在較小的漏源電壓UG情況下，發(fā)生庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，電子不能隧穿進(jìn)入庫(kù)侖島，相應(yīng)的電導(dǎo)值隨柵極電壓出現(xiàn)極小值。改變UG的值，使UG CG= Q0 = (N+1/2)e 時(shí)，庫(kù)侖島內(nèi)能態(tài)間隙消失，庫(kù)侖阻塞消除，電導(dǎo)出現(xiàn)極大值。隨著柵極

11、電壓繼續(xù)變化，電導(dǎo)周期性振蕩，振蕩周期為e/ CG。柵極電壓每增加一個(gè)周期，庫(kù)侖島內(nèi)增加一個(gè)電子，在較小的柵極偏壓范圍內(nèi)，電導(dǎo)隨柵極偏壓振蕩，通常稱為庫(kù)侖振蕩。振蕩周期對(duì)應(yīng)的柵極電壓值稱為庫(kù)侖間隙。 在一定的柵極電壓下，提高源漏極電壓值，通過庫(kù)侖島的電子數(shù)目隨之增加，漏極電流隨源漏極電壓階梯上升，通常稱為庫(kù)侖臺(tái)階。 STM/AFM納米氧化加工光電導(dǎo)開關(guān)時(shí)，采用GaAs基底上面鍍金屬Ti膜。Ti膜上完全氧化的TiOx線寬為100nm、長(zhǎng)度為5m，具有10M的高電阻。使用100nm氧化鈦線代替空氣窄縫，覆蓋在GaAs基底上防止擊穿，工作電壓可達(dá)11V。并且電極間隙減少，提高了光電導(dǎo)開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間。

12、圖中，Ti/Au制成的厚導(dǎo)電線（信號(hào)線和控制偏壓線）間距是5m，用于隔離地線與（信號(hào)線和控制偏壓線）間的線也是5m。開關(guān)的脈沖響應(yīng)FWHM是380fs。 存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)單元和讀出單元兩部分組成。存儲(chǔ)單元由兩列隧道結(jié)組成，電容Cc連接兩單電子陷阱，由電極注入的電子和空穴通過電容Cc耦合保存在陷阱中，讀出單元為兩個(gè)有單電子晶體管 (SET) 組成的靜電探測(cè)計(jì)，該靜電計(jì)探測(cè)陷阱中的電荷數(shù)，并將陷阱中電荷數(shù)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閱坞娮泳w管漏極電流的變化，用于讀出。 由于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，在隧道結(jié)陣列的兩端會(huì)形成一個(gè)靜電勢(shì)壘，該勢(shì)壘阻止電荷進(jìn)出陷阱，形成庫(kù)侖阻塞效應(yīng)區(qū)。當(dāng)外加電壓Vin上升使隧道結(jié)陣列兩端達(dá)到庫(kù)侖阻塞閾值電壓時(shí)，就會(huì)有一電荷注入陷阱，此時(shí)，陷阱島區(qū)的電位上升，使隧道結(jié)兩端的電壓又回到庫(kù)侖阻塞區(qū)，Vin不斷增高，就不斷會(huì)有電荷注入陷阱，但隧道結(jié)兩端的電壓始終保持在庫(kù)侖阻塞區(qū)內(nèi)。同樣，在電極上加一 -Vin則能從陷阱中抽取電荷。如果在兩電極上加相反的電壓，則向一個(gè)陷