SPM实现纳米加工与单电子器件的研究

1、王艳霞2001.12l 利用SPM加工技术； l 常规光刻法；l 自组装技术；l 电子束光刻法； l 聚焦离子束技术。 1974年美国采用扫描探测原理，利用场发射电流测量表面的微观形貌，是现代扫描探针的雏形。八十年代STM、AFM等将隧道效应、原子间作用力与扫描探测原理相结合，观察到表面的原子结构，推动了纳米技术的发展。从此，人们开始逐步研究物质各种表面的微观特性。 在一个不透光的屏上开一个小孔，测量光线通过小孔照射到被测物体上，光线经过被测物体再通过小孔被反射回来，同时被测物体相对于小孔做扫描运动。 扫描探针加工技术是从扫描显微技术发展而来，利用探针与样品的相互作用，在样品表面实现图形结构的

2、纳米氧化加工。 就探针在加工过程中移动的方式而言，纳米氧化加工方法可分为：l扫描点阵加工方法l矢量加工方法 在样品表面的正方形区域内进行逐点扫描加工，这种加工方式得到的加工图形的结构具有离散性。 加工前，必须对所需加工的图形结构进行编码，将扫描区域初始化为一位图，图形结构由一系列点组成。 扫描加工时，SPM设置为正常的成像模式，扫描参数设置成为，能够获取样品表面形貌，同时尽可能减少探针对样品表面的刻蚀作用。探针在逐点扫描过程中，SPM系统依据探针的扫描位置和图形点阵编码，调整探针与样品的作用参数，从而在样品表面的一定位置上产生点状结构，这些点状结构共同构成连续图形。 点阵式加工的特点： 加工图

3、形的复杂程度不影响加工时间。 探针不必在样品表面进行逐行扫描加工，只需根据加工图形的结构制定出探针的移动路径和相应的加工参数。 加工过程中，控制探针与样品的相对位置，避免在移动探针的过程中，探针剧烈碰撞样品表面。这种加工方式得到的加工图形，结构具有连续性。 利用SPM实现电场加工的两种工作电场方式： 在探针与样品之间形成强电场；在探针与样品之间通过高密度电流。 AFM等某些SPM是通过探针与样品表面之间存在的某些微小的相互作用力从而得到物体表面形状的显微仪器。 利用 AFM实现电场加工时，探针与样品表面之间没有电流通过，高强电场使得样品表面产生电化学反应，实现电场对样品表面结构加工。 STM等

4、某些SPM是通过在探针与样品表面之间通过隧道电流，由于探针与样品接触面积很小，一定强度的电压就可以得到很高的电流密度，这样高的电流密度使得样品产生电化学反应，实现电场对样品表面结构加工。 AFM用于纳米氧化加工，可以工作在室温和大气状态下。加在探针和样品表面间的加工电压，与控制探针和样品表面间距离的反馈控制信号无关。这允许AFM对导体表面或绝缘体表面进行加工，适用范围更广。 加工包括样品表面的HF酸钝化、对样品阳极氧化加工和选择性刻蚀。 图中给出的是文献中介绍的扫描速度与加工得到的线的宽度（和高度）的关系。在Vt= 5V，It= 1nA的条件下，扫描速度从0.01m/s增至3m/s时，加工得到

5、的线的宽度从 45nm降至18nm（ 线的高度从3.5nm降至2.5nm）。这表明，随着STM的探针的扫描速度的增加，在探针与金属膜表面间单位长度内流过的法拉第电流（电化学电流）减少，金属膜氧化的总量减少，形成的氧化线的宽度和高度也随之减少。 图中给出的是文献中介绍的加工使用的控制电压与加工得到的线宽间的关系。扫描速度是0.01m/s，隧道电流It= 1nA。控制电压Vt由5V减至2V时，线的高度从4nm减至1nm，总量超过75%。如果进一步将控制电压Vt减少到1V，不再有氧化线形成。因此，金属鈦膜的氧化阈值位于Vt1V2V之间。这个范围内的线宽随Vt变化也不明显，只有控制电压Vt由5V减至2

6、V时线宽减少量的15%。 对于应用在器件中的STM/AFM纳米氧化加工，应该准确确定金属膜表面的氧化金属线的深度。文献中的实验表明，在金属膜厚度低于5nm时，加工得到的氧化线的宽度和高度，随着金属膜厚度的变化而变化。 当使用探针的扫描速度和隧道电流等参数恒定时，出现的单位长度内的电化学电流（法拉第电流）的总量一定，当金属膜的厚度变化时，形成的氧化物的体积应该相同。当金属氧化物到达金属膜的底部时，氧化横向发展。图中给出，当金属膜厚度低于5nm时，氧化线能够到达金属膜的底部；当金属膜厚度高于5nm时，加工得到的氧化线的宽度和高度基本上保持不变 。 金属膜的厚度小于5nm时，在氧化过程中，保持STM

7、的探针的扫描速度、隧道电流等参数不变，法拉第电流就保持不变。尽管基底上面覆盖的金属膜的厚度的变化，氧化形成的体积也保持不变。从而得到结论，基底上面覆盖的金属膜的厚度应该小于5nm。 利用SPM技术有利于形成原子尺度的纳米结构，减少隧穿电容（便于器件在室温下工作），制备出纳米量子线、纳米量级的台阶以及单电子器件等。目前，因其加工时间过长，重复性和稳定性等原因，在器件制备方面受到限制。 研究方向之一是制备出性能稳定并适合集成应用的纳米器件。 单电子器件（SET）实质上是一个受栅极控制的库仑阻塞系统，在结构上各组成部分借用了MOSFET的名称，工作形式上也是通过在栅极上加一定的电压来控制源、漏极间的

8、电流。但工作中，用隧道势垒库仑岛隧道势垒结构取代了MOSFET的沟道，其工作机理与MOSFET完全不同。 量子点是单电子器件的最基本的元素，其工作的理论基础是库仑阻塞效应。在多体带电的体系中，由于库仑作用，每个带电粒子同时处在外电场和所有带电粒子的电场作用下。考虑被势垒分离的多体带电系统，带电粒子因隧道效应穿透势垒，从分离势垒的一部分抵达另一部分，形成电流。电流在一定条件下会中断的现象就是库仑阻塞效应。 如果某一导电微粒在电学上与其外界绝缘，只有在特定条件下，电子才可能从外界隧穿进入该导电微粒。当微粒的尺寸足够小时，它与周围外界间的隧穿电容可以减至足够小(库仑岛) 。每当单个电子从外面隧穿进入

9、该微粒时，相当于给该电容充电，充入电能为 e2/C，从而阻碍第二个电子再进入同一库仑岛，这就是库仑阻塞效应。利用库仑阻塞效应就有可能使电子逐个隧穿进出库仑岛，实现单电子隧穿过程。 电容电能增加形成的电场，阻碍第二个电子进入。如果第二个电子进入同一个库仑岛，电能将继续增加，根据能量守衡定律，需要外界提供能量。 栅极的控制电压为UG，库仑岛中的电子具有的电能为 E=-e UG +e2/（ CT1 CT2 CG），第一项是带正电的栅极与库仑岛中的电子的吸引能，第二项为岛中电荷的排斥能。库仑岛中的电荷是量子化的，E 也只能取离散值。 根据测不准关系推算，库仑岛的直流电阻Rh/e2=25.82k; 为克

10、服热扰动，库仑岛内充入的电能e2/CkT。为此，室温工作时要求电容达到1aF(10-18F) 量级，单电子岛的直径在10nm范围内。偏置电压 UB与隧道结CT1和CT2相串联，提供驱动电流。当有电子进入库仑岛时，给三个相邻电容充入的电能为：)(2212GTTCCCeE 当E超过电能(-eUB)时，电流被抑制，表现为库仑阻塞效应。库仑岛势垒的值受到控制栅极电压UG的影响。 在较小的漏源电压UG情况下，发生库仑阻塞效应，电子不能隧穿进入库仑岛，相应的电导值随栅极电压出现极小值。改变UG的值，使UG CG= Q0 = (N+1/2)e 时，库仑岛内能态间隙消失，库仑阻塞消除，电导出现极大值。随着栅极

11、电压继续变化，电导周期性振荡，振荡周期为e/ CG。栅极电压每增加一个周期，库仑岛内增加一个电子，在较小的栅极偏压范围内，电导随栅极偏压振荡，通常称为库仑振荡。振荡周期对应的栅极电压值称为库仑间隙。 在一定的栅极电压下，提高源漏极电压值，通过库仑岛的电子数目随之增加，漏极电流随源漏极电压阶梯上升，通常称为库仑台阶。 STM/AFM纳米氧化加工光电导开关时，采用GaAs基底上面镀金属Ti膜。Ti膜上完全氧化的TiOx线宽为100nm、长度为5m，具有10M的高电阻。使用100nm氧化鈦线代替空气窄缝，覆盖在GaAs基底上防止击穿，工作电压可达11V。并且电极间隙减少，提高了光电导开关的响应时间。

12、图中，Ti/Au制成的厚导电线（信号线和控制偏压线）间距是5m，用于隔离地线与（信号线和控制偏压线）间的线也是5m。开关的脉冲响应FWHM是380fs。 存储器由存储单元和读出单元两部分组成。存储单元由两列隧道结组成，电容Cc连接两单电子陷阱，由电极注入的电子和空穴通过电容Cc耦合保存在陷阱中，读出单元为两个有单电子晶体管 (SET) 组成的静电探测计，该静电计探测陷阱中的电荷数，并将陷阱中电荷数的变化转变为单电子晶体管漏极电流的变化，用于读出。 由于库仑阻塞效应，在隧道结阵列的两端会形成一个静电势垒，该势垒阻止电荷进出陷阱，形成库仑阻塞效应区。当外加电压Vin上升使隧道结阵列两端达到库仑阻塞阈值电压时，就会有一电荷注入陷阱，此时，陷阱岛区的电位上升，使隧道结两端的电压又回到库仑阻塞区，Vin不断增高，就不断会有电荷注入陷阱，但隧道结两端的电压始终保持在库仑阻塞区内。同样，在电极上加一 -Vin则能从陷阱中抽取电荷。如果在两电极上加相反的电压，则向一个陷