На физическом факультете МГУ создан одноатомный одноэлектронный твердотельный транзистор на основе примесного атома мышьяка в кремнии.

Ученые физического факультета и НИИЯФ МГУ провели исследования по разработке, созданию и изучению одноатомных твердотельных устройств. Результаты их работы опубликованы в журнале Nanoscale (DOI: 10.1039/C6NR07258E).

«Разработка, создание и исследование одноатомных структур являются продолжением и развитием работ по созданию классических и молекулярных одноэлектронных устройств, проводившихся в лаборатории «Криоэлектроника» с конца 80-х годов. Сотрудниками лаборатории были разработаны и экспериментально продемонстрированы уникальные наноэлектронные устройства: одноэлектронная ячейка памяти с рекордным временем хранения единичного электрона, одноэлектронный транзистор с уникальной зарядовой чувствительностью, первый в мире молекулярный одноэлектронный транзистор, работающий при комнатной температуре, и наконец - одноатомный одноэлектронный транзистор», - рассказывает старший научный сотрудник лаборатории «Криоэлектроника» физического факультета МГУ Владимир Крупенин.

   

Размер базового элемента созданного транзистора приближается к физическому пределу: ученые создали твердотельное электронное устройство, размер элементов которого приближается к атомным размерам. Рабочим элементом одноатомного одноэлектронного твердотельного транзистора стал одиночный примесный атом мышьяка, размещенный между туннельными и управляющими электродами в приповерхностной области тонкого монокристаллического кремниевого слоя толщиной 50 нм, расположенного на поверхности диэлектрической подложки (рис. 1). Электрический ток в таком транзисторе - это последовательный пространственно-коррелированный туннельный перенос одиночных электронов между транспортными электродами через выделенный примесный атом. Выделенный примесный атом мышьяка, находящийся в приповерхностном слое кристалла кремния, работает как сверхмалый проводящий остров, который может содержать в себе положительный и отрицательный заряд величиной в несколько электронов. Эффективный размер такого острова для атома мышьяка в кристаллическом кремнии составляет всего 2-3 нм. Основной особенностью одноатомного одноэлектронного транзистора и его существенным отличием от одноэлектронных транзисторов на основе молекул и квантовых точек является специфический одночастичный энергетический спектр электронов выделенного примесного атома. Расстояние между электронными уровнями энергии примесного атома уменьшается по мере роста энергии уровня и его приближения к дну зоны проводимости, что свойственно свободным атомам. Наличие такого энергетического спектра позволяет однозначно идентифицировать туннелирование электронов через выделенный атомный центр по измеренной токовой диаграмме стабильности (рис. 2), в которой максимальная величина блокады транспортного тока монотонно уменьшается по мере увеличения управляющего напряжения.

«Полученные результаты позволяют надеяться на разработку в будущем промышленной технологии создания одноэлектронных одноатомных вычислительных устройств и устройств памяти, работающих на новых физических принципах. Среди таких потенциальных устройств можно отметить квантовые вычислительные устройства и так называемые одноэлектронные одноатомные зарядовые клеточные автоматы, в которых отдельные примесные атомы будут играть роль клеток, между которыми передается заряд или состояние поляризации. Что немаловажно, разработанная технология изготовления совместима с традиционной КМОП технологией, а предложенное устройство является масштабируемым, что позволяет изготавливать СБИС», - заключил ученый.

Работа ученых МГУ по созданию и изучению одноатомных одноэлектронных устройств поддержана Российским Научным Фондом.