Einzelelektronen-Transistoren in Silizium

Aufgrund der stetigen Verkleinerung von CMOS (complementary metal oxide semiconductor)-Bauteilen wird die Transportcharakteristik der Transistoren zunehmend durch bisher unerwünschte Mechanismen wie Ladeeffekte und quantenmechanische Effekte dominiert. Einzelelektronentransistoren (engl. single electron transistors, kurz: SETs), deren Funktionsweise durch die Coulomb-Blockade bestimmt wird, bieten eine mögliche Lösung dieses Problems. SETs sind auch extrem sensitiv gegenüber elektrischen Ladungen. So lässt sich mithilfe eines SET die Änderung der Ladung um ein einzelnes Elektron nachweisen. Ebenso können Auslenkungen im Nanobereich detektiert werden.

Für das EU-Projekt AFSID wurden CMOS-kompatible SETs auf 200-mm-Wafern von CEA-LETI hergestellt [1]. Diese bestehen aus Silizium-Nanodrähten und Topgates aus Polysilizium. Transportmessungen an diesen Strukturen zeigen ausgezeichnete Coulomb-Diamanten mit Ladeenergien von bis zu einigen 10 meV, die einen Betrieb bei Raumtemperatur in greifbare Nähe rücken lassen. Des Weiteren wurden Doppeldot- und Mehrfachdot-Strukturen realisiert, die die Grundstruktur für Quantenschaltungen darstellen.

a) Coulomb-Diamanten und angeregte Zustände,

b) Signatur eines Dotieratoms, c) Wabenstruktur eines Doppeldots

Bei selbst hergestellten SETs werden die Tunnelbarrieren durch geometrische Einschnürungen des Siliziumnanodrahtes realisiert. Bei dieser Methode werden Einzelelektronentransistoren auf SOI (silicon on insulator)-Wafern mittels Nanostrukturierungsmethoden wie Elektronenstrahllithografie und reaktivem Ionenätzen hergestellt. Anschließend werden Metallkontakte aufgedampft und diese durch Drahtbonden kontaktiert. Auf diese Weise wurden Quantenpunkte mit Durchmessern von 40 nm und Tunnelbarrieren von 10 nm Breite realisiert [2].

REM-Aufnahme eines SETs

(links: Übersicht, rechts: Vergrößerung des entscheidenden Bereichs)

[1] M. Pierre, X. Jehl, R. Wacquez, M. Vinet, M. Sanquer, M. Belli, E. Prati, M. Fanciulli, J. Verduijn, G.C. Tettamanzi, G.P. Lansbergen, S. Rogge, M. Ruoff, M. Fleischer, D.A. Wharam, D.P. Kern. Sample variability and time stability in scaled silicon nanowires. Proc. 10th Int. Conf. Ultimate Integration of Silicon ULIS, 249 (2009).

[2] W. Daves, M. Ruoff, M. Fleischer, D.A. Wharam, D.P. Kern. Hydrogen silsesquioxane electron beam lithography for ultra-small single electron transistors in silicon on insulator. Microelectron. Eng. 87, 1643 (2010).

[3] X. Jehl, B. Roche, M. Sanquer, B. Voisin, R. Wacquez, V. Deshpande, B. Previtali, M. Vinet, J. Verduijn, G.C. Tettamanzi, S. Rogge, D. Kotekar-Patil, M. Ruoff, D.P. Kern, D.A. Wharam, M. Belli, E. Prati, M. Fanciulli. Mass production of silicon MOS-SETs: Can we live with nano-devices' variability? Proc. Comp. Sci. 7, 266 (2011).