Список используемой литературы
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Общая физика и методика обучения физики»
РЕФЕРАТ
по дисциплине
«Физика низкоразмерных полупроводниковых структур»
на тему:
Приборы молекулярной электроники
Направление подготовки 44.04.01 «Педагогическое образование»
Магистерская программа: Физическое образование
Выполнил студент: ______________ Кычкина А.Г.
Группа: 19ФпФм1
Проверил:
к. ф.-м н., доцент _______________ Калинина А.В.
Пенза 2020
Содержание
Введение. 3
1. Выпрямители. 4
2. Молекулярные полевые триоды (ПТ) 4
3. Интегральные схемы.. 10
Заключение. 14
Список используемой литературы.. 15
Введение
Название «Молекулярная электроника» прочно вошло в научно-техническую литературу с такими названиями, как «Оптоэлектроника», «Акустоэлектроника», «Криоэлектроника» при этом содержание этого слова и по сей день не имеет четких границ.
Так что если в 80-х годах прошлого века это коррелировало с химическими процессами в жидкостях и газах в мембранных системах, чтобы моделировать и реализовывать различные рецепторы, нейроны и даже нейронные сети [1], то в настоящее время это очень широкая область, в которой, с одной стороны, делаются попытки создать устройства на основе одной молекулы с последующей интеграцией в интегральные схемы (ИС), а с другой стороны, 'использование органических материалов для создания низкочастотных и недорогих ИС, которые могут заменить дорогие кремниевые ИС.
|
|
|
С этих позиций история развития молекулярной электроники (МЭ) связана с попыткой приблизиться к «великой загадке человеческого мозга», которая при малом времени переключения (около 10 мс) решает проблемы распознавания образов более эффективно, чем компьютеры с тактовой частотой более 2 ГГц, и в то же время переход на кремниевую интегральную схему с длиной затвора полевых транзисторов, стремящихся к 25 ... 35 нм, что, по сути, равно размеру не самой большой органической молекулы.
В то же время все устройства, реализующие функциональные возможности молекулы, включая неорганические C60-подобные кластеры или нанотрубки, называются MЭ.
Таким образом, МЭ вобрала в себя основные аспекты биоэлектроники и функциональной электроники.
Выпрямители
В обзорах и монографиях история появления молекулярной электроники нередко связывается со статьей Авирама и Ратнера, появившейся в 1974 г. и впервые показывающей возможность эффекта выпрямления в структуре двух металлических контактов и трех молекул между ними [3].
|
|
|
При практической реализации таких структур одной из важнейших проблем остается установление контакта с металлами. Вышеуказанные контакты с золотом остаются лабораторным вариантом. В этом случае структуры могут действовать как триггеры Шмитта [4].
Органическая молекула, содержащая бипиридиновую группу (bipy), легко захватывает и отдает электрон, изменяя проводимость цепи. Оценки показали, что такой молекулярный ключ может состоять менее чем из 60 органических молекул, а для переключения требуется не более 30 электронов. В этой статье было высказано мнение, что такие ключи вряд ли заменят интегральные схемы из-за их малой скорости.
Однако есть ниша, где расположены датчики газа, которые в этом случае способны обнаруживать отдельную молекулу или химическую реакцию, а также логические устройства и устройства памяти, где скорость не нужна.
Молекулярные полевые триоды (ПТ)
Естественным шагом в развитии MЭ были попытки создать PT с использованием или на основе молекулярных соединений. При этом, как и следовало ожидать, развитие шло по двум направлениям. Один из них был связан с молекулярными кристаллами, пленки которых получают методом вакуумного напыления.
|
|
|
Во втором направлении упор был сделан на полимерные пленки, которые можно получить из растворов. В очень ранних работах была четко определена проблема создания молекулярных ФП для плоских, возможно, гибких дисплеев.
Кроме того, излучатели на этих мониторах также должны быть молекулярными светодиодами. Для этого требовалась подача тактовой частоты в десятки килогерц и напряжения 10 В, что, как оказалось, было непросто из-за низкой подвижности носителей заряда в молекулярных полупроводниках.
Второе направление было более утилитарным и предлагало создание «дешевых» устройств для товарных этикеток за счет более дешевой технологии молекулярных устройств по сравнению с кремнием. Эти проблемы решались поэтапно, включая гибридную технологию, в которой использовались оксидированные кремниевые подложки, и некоторые методы кремниевой технологии, такие как вакуумное осаждение и фотолитография.
Одним из первых полностью полимерных устройств был ПТ [5], в котором в качестве диэлектрика использовалась полиэфирная пленка толщиной 1,5 мм из полиэтилентетрофталата с удельным сопротивлением р = 1014 Ом см и диэлектрической проницаемостью е = 3. Решетка.
|
|
|
На такую пленку «графитовыми чернилами» наносилась шторка толщиной 10 мкм и размером 5 × 12 мм. После этого полученная конструкция приклеивалась к клеевой пленке-подложке с контактом для вынимания сетки.
Следующим шагом было применение того же источника чернил и того же слива с размерами 1 х 10 мм и расстоянием между ними 200 мкм. Наконец, взрывное испарение в вакууме привело к осаждению полупроводникового слоя с каналом a, u-ди (гексил) секситиофена толщиной около 40 мкм и эффективной подвижностью eff = 7-10-2 см2 / ( Vs).
Сопротивление между стоком и истоком составляло около 1 кОм, а емкость с полиэфирной пленкой составляла 1,5 пФ. ПТ работал при -80 В в вертикальной трубке и поляризации ± 40 В, что неудивительно, учитывая указанные размеры. У него были хорошо выражены режимы обогащения и обеднения с токами в диапазоне 4 мкА.
Его удивительной особенностью было сохранение работоспособности при гибке под прямым углом. Несовершенство дизайна было достаточно очевидным, хотя при изготовлении использовалась технология «тушь» (рисование тушью).
Через год появилась статья о новом конструкции [6]. Для улучшения параметров устройства использовалась силиконовая подложка с оксидным покрытием, на которой был сформирован поликремний затвор шириной 0,35 мм, покрытый оксинитридом толщиной 100 нм, после чего были заделаны исток и сток.
Последние были изготовлены методом вакуумного напыления с последующей фотолитографией на золотой пленке с длиной канала L в диапазоне 8–26 мкм и шириной W = 10 или 30 мм. Активный полупроводниковый слой, сделанный из сопряженных полимеров пентацена и политиенилен тартена (PTV), наносили из растворов предшественников при 140 ° C в течение 1 часа. Для пентацена cef = 10-3 см2 / (В · с), что на порядок хуже известных значений, а для PTV u, f 104 см2 / (В · с).
Соответственно проводимость пленки составляла 10-5 и 2-10-5 См / см. Инверторные схемы и схемы «или», полученные из этих полевых транзисторов, хорошо работали при отстройках (-15) ^ (-20) В, но имели гистерезис в передаточной характеристике из-за присутствия ловушек оксинитридов.
Созданный кольцевой генератор имел частоту от 100 до 500 Гц в случае пентацена и от 10 до 50 Гц в случае PTV. Следует отметить, что при отсутствии защиты (кожуха) эти устройства проработали в воздухе около суток, что соответствует 107 маневрам.
Как указывалось, выбор полупроводникового материала чаще всего производился с использованием кремниевой технологии, включая использование кремния в качестве подложки, на которой формируется затвор. Примером этого [7] является сообщение по двумерному каналу, основанному на тиофеил ольнгомере a-эсатиэилен (a-6T), полупроводнике p-типа с достаточно высокими значениями эффективной подвижности (0,03 см2 / (В · с)). При длине канала 12 мкм его проводимость находилась в диапазоне 2-10-7-5-109 С при изменении толщины осаждаемой пленки в диапазоне от 2,5 до 150 нм.
Рабочие напряжения для этого полевого транзистора также были достаточно высокими и находились в пределах 100 В. Отжиг выращенных пленок позволил увеличить размер кристаллитов в них со 100 нм до 5 мм, что позволило говорить о монокристаллическом материале в кристалле. регион канала. В результате соотношение токов в режимах включения / выключения достигло 106.
Второй пример таких исследований - использование самоорганизующихся пленок алкилтрихлорсилана толщиной всего 2 нм в качестве диэлектрика в кремниевых полевых устройствах с длиной канала 25 нм [8].
Если при использовании для этих целей традиционного SiO2 плотность тока утечки достигает 10-3-10-1 А / см2, то для упомянутых органических пленок она составила всего 10 8 А / см2. Особенностью этих пленок является высокий предел их стабильности (350 ° C) и низкие механические напряжения (20,5 мН / м). Недостатком слоев является их низкая диэлектрическая проницаемость Ei = 2,5.
Стабильность инструмента всегда была важным вопросом. Поэтому в следующих работах этому было уделено особое внимание. Этому требованию удовлетворяли устройства с фтацианинами металлов [9].
Как и в предыдущей работе, в качестве подложек, на которых формировались затвор и исток-сток, использовался окисленный кремний, отделенный от него оксидным слоем толщиной 300 нм (емкость 10 нФ / см2).
Длина канала варьировалась от 25 до 1,5 мкм. Гексадекафторфтальцианин (F16CuPc) после синтеза и предварительной очистки распыляли в вакууме. Полученная структура представляла собой полевой транзистор с n-каналом и имела p, φ = 0,03 см2 / (В · с) с отношением тока открытия / закрытия 5-104 в режиме обогащения и 3-105 в режиме истощения.
В то же время были предприняты попытки использовать такие полевые транзисторы для решения проблем с питанием и переключением светодиодов на основе органических пленок для будущего использования в плоских экранах [10].
В связи с этим в качестве подложек использовалось стекло, на котором методом распыления и фотолитографии формировался затвор, а источники разделены пленкой Si3N4 (толщиной 180 нм), на которую из раствора нанесена пленка региорегулярного поли (3-гезилтиофена). . С длиной канала 5 мкм. м и соотношением W / L = 200, ПК работал как в режиме обогащения, так и в режиме истощения, а eff = 0,03 см 2 / (В · с) определялось его свойствами.
Следующим важным шагом в развитии молекулярных ФП стала реализация дополнительных ФП, которые позволили создавать простейшие ИС с низким энергопотреблением [11].
Ранее схемы кольцевого генератора были испытаны на комбинации слоев олигомера а-секстиофена (а-67) (н-канал) и С60 (р-канал), а также (а-67) и гидрированного аморфного кремний. Однако в первом случае пленки C60 были нестабильными, а во втором случае молекулярная основа не была полностью реализована.
В этом случае олиготиофен был использован для p-канального транзистора и для n-канального F16CuPc. Для производства использовалась стандартная технология Si, в том числе для изготовления омических контактов 20 нм TiN / 100 нм Pt и двойного слоя 200 нм Si N4 и 100 нм SiO2 в качестве диэлектрика затвора. Для 5-каскадного кольцевого генератора была достигнута частота 2,63 кГц, чего было недостаточно для реализации в плоских дисплеях.
Кроме того, напряжения смещения достигали 100 В. Попытка увеличить частоту и уменьшить напряжение смещения за счет уменьшения размера устройств до длины канала 30 нм была предпринята при использовании самоорганизующихся слоев, осажденных на поверхности с высокой плотностью легированный кремний, который был как затвор.
Ранее в качестве таких слоев испытывался н-алкилтрихлорсилан, который при толщине 1,9-2,6 нм и высоте туннельного барьера 4,5 эВ имел туннельный ток утечки 108 А / см2 при напряжении 4 МВ / см.
Однако в данном случае трудности сочетания этих пленок с фоторезистом ПММА вынудили нас перейти на тетрадесиленисприхлорсилан 81C13 (CH2) 12CH = CH2 (TET8), в котором конечные винильные группы (-CH = CH2) были заменены карбоксильными (COOH).
Полупроводниковый слой секститиофена (а-6Т) был нанесен напылением в вакууме, и на нем с помощью распыления золота и последующей электронно-лучевой литографии были сформированы исток и сток с зазором 500 и 30 нм. В полученных устройствах плотность тока утечки составила менее 10 6 А / см2.
При длине канала 500 нм триод имел слабые выходные характеристики насыщения при напряжениях стока 0-2 В, токи составляли от 0 до 7х10 9 А при напряжениях затвора (-2) ^ (- 0, 7) В.
При длине канала менее 200 нм и до 30 нм характеристики отличались от обычных и соответствовали туннельной проводимости по Фаулеру-Нордхейму, но контролировались смещением на затворе.
Приборы с длиной канала 200 нм имели частоту отсечки 20 кГц и эффективное значение подвижности около 104 см² / (В · с). Таким образом можно было попасть в диапазон сдвига порядка 2 В и реализовать геометрию канала небольшой длины, хотя частота среза оставалась относительно низкой.
Попытка решить проблему получения слоев с высокими значениями эффективной подвижности носителей заряда для ПТ была предпринята с использованием производства гибридных органических и неорганических лигатур [12].
Известно, что такие материалы обычно являются диэлектриками. Однако добавление иодида олова делает их полупроводниками. Например, для CH3NH3SnI3 при комнатной температуре были получены значения холловской подвижности до 50 см² / (В · с).
При изготовлении транзистора слои (C6H5C2H4NH3) 2SnI4 наносились из раствора на поверхность окисленного кремния, которая служила затвором.
В этом случае ПТ работали при смещениях порядка 50–60 вольт, а максимальные значения подвижности дырок достигли 0,62 см² / (В · с). Соотношение токов в открытом и закрытом режимах достигало 106. Однако их частотные характеристики не обсуждались.
Интегральные схемы
Параллельно с разработкой отдельных полевых транзисторов, часто объединяемых в кольцевой генератор для определения предельной частоты, были предприняты попытки создания интегральных схем (ИС). Одной из таких полностью полимерных ИС стала разработка механически программируемого 15-битного генератора кода [14].
Полианилин (ПАНИ) с примесью камфорсульфидной кислоты, растворенной в м-криозоле, использовали для образования проводящих соединений. К этому раствору добавляли фотоактиватор 1-гидроксициклогексилфенилкетон, который наносили в центрифуге на подложку из полиимидной пленки диаметром 75 мм, закрепленную на несущем диске.
Затем в атмосфере азота происходило воздействие через маску в глубоком ультрафиолетовом свете, с помощью которого проводящий полианилин превращался в непроводящий лейкемеральдин, так что сопротивление увеличивалось с 1 кОм / П до 104 Ом / П. Толщина пленок составляла порядка 0,2 мкм. Исток и сток транзисторов также основаны на ПАНИ.
Неактивированное вещество удаляли нагреванием. Затем полупроводниковый слой полиэтиленвинила (PTV) толщиной 50 нм также был нанесен с помощью центрифуги при повышенной температуре в атмосфере HCl, которая действовала как катализатор. На слой ПТВ, служивший дверным диэлектриком, наносился слой поливинилфенола (ПВП) толщиной 250 нм.
Наконец, был нанесен последний слой ПАНИ, из которого заслонка формировалась УФ-облучением через маску. Таким образом, использовались всего три фотошаблона ПТ с длиной канала 2 мм были получены надежно, но удалось сформировать устройства с длиной канала 1 мм.
Характеристики устройства насыщаются при поляризации стока -10 В. Транзистор с каналом p работал в режиме обогащения. ИС, включающая 326 транзисторов, работала в диапазоне частот 40-200 Гц. Очень низкая частота определялась относительно низкой подвижностью, находящейся в диапазоне 5-10 4-10 3 см2 / (В · с). Существенным моментом технологии было создание механическим способом более 200 межслойных контактов, что сделало указанную технологию недостаточно совершенной.
Как и в случае с полимерным транзистором, схема продолжала работать с небольшим изгибом подложки. Эти типы интегральных схем из-за их низкой стоимости нашли свою нишу для использования в качестве этикеток для розничной продукции, предотвращающей кражу [15].
Важнейшей задачей было увеличение предельной рабочей частоты ИС, которая зависела от подвижности носителей заряда. Конструкция транзистора с затвором, расположенным под каналом, позволила сотрудникам лаборатории Philips использовать для производства слои пентацена, быстро легированный поли (3-гексилтиофен) с примесью кислорода (P3HT) и частично обычные слои PTV [16].
Значения подвижности, найденные на линейных участках I - V свойств стока, составили 10 3, 3 × 10 -3 и 10 3 см 2 / (В · с) для пентацена, RZNT и PTV, соответственно. ВАХ имели хорошее насыщение при длине канала 10 мкм и имеет тенденцию к насыщению на длине 1 мкм в диапазоне смещения -20 В.
Инверторы с пентаценовыми полевыми транзисторами имели коэффициент усиления 13 при длине канала 10 мкм. м, который уменьшился до 4 при уменьшении канала до 1 мкм. м был уменьшен. Семиступенчатый кольцевой генератор имел частоту 60 Гц при длине канала 5 мм и 2 кГц при 1 мм. Частота определялась константой нагрузки PT.
Предложенная технология в сочетании с фотолитографией позволила сформировать функциональные логические ИС. Примером этого был генератор кода, 5-битный счетчик, логический декодер, содержащий более 300 PT и 200 соединений. Созданный также 15-битный генератор кода успешно работал на скорости 100 бит / с.
В то же время появилось сообщение от Bell-lab о создании дополнительных БИС, которые позволили значительно снизить рабочие токи [17]. Они использовали гексадекафтормедин фталоцианин (F-CuPc) в качестве g-полупроводника и a-6T в качестве p-полупроводника.
После применения ПВБ в качестве подложки они все еще были вынуждены использовать пленки Ni / Au для межсоединений, которые они наносили с помощью процессов электролита и погружения и формировали топологию с помощью процессов «давления». При длине канала 7,5 мкм пятикаскадный кольцевой генератор имел пороговую частоту 10 кГц. БИС, содержащая 864 ПT, представляла собой 48-каскадный регистр сдвига с тактовой частотой 500 Гц.
Вопросы планарного формирования структур с отклонением от традиционной фотолитографии остаются одними из важнейших. В этой связи следует еще раз подчеркнуть роль «печатных» и «подталкивающих» методов проявления, например. использование «штамповки» смол, размягченных при температуре, или их нанесение методом «печати краской».
Эти методы определяют не только экономическую сторону процессов, но и их техническую перспективу. 256 полимерных транзисторов на подложке с гибким дисплеем с размерами элементов в пределах нескольких микрометров были изготовлены методом «печати». Ближайшая задача - выполнить эту обработку на подставке размером 15х15 см2 [18].
Заключение
Можно предположить, что МЭ переходит из детства в отрочество. Что будет в зрелом возрасте, предсказать пока сложно.
Обзоры последних лет указывают на проблемы моделирования процессов электропроводности в этой области, которые уступают по точности методам квантовой физико-химии, позволяющим очень успешно рассчитывать структуру и энергии молекул.
В этом обзоре практически не затрагивается вопрос формирования «молекулярных реле», которые, вероятно, сыграют значительную роль в создании молекулярных компьютеров. Понятно, что дальнейшие перспективы будут определяться созданием нового подхода к схемам таких устройств, позволяющего реализовать их уникальные возможности.
На данный момент высказываются скептические и оптимистичные оценки будущего развития МЭ. Ясно, что поиск новых путей будет продолжаться, и одним из этих путей могут стать «биомолекулярные компьютеры» [2], использующие принципы и методы, вытекающие из быстрого развития исследований в медицине и биологии.
Список используемой литературы
1. Введение в молекулярную электронику /Под ред. И.С. Лидоренко //1984 М. Энергоатомиздат. 320 С.
2. Молекулярная электроника и устройства молекулярной электроники /1993 КПР пресс.
3. Авирам А., Ратнер М. Молекулярные выпрямители / Хим.Физ.Летт. 1974 Т.29 С.277-283
4. Фельдхейм Д. Щелчок молекулярного переключателя / Nature 2000 V / 408 N.2 P.45-46
5. Полимерный полевой транзистор, реализованный методами печати / Ф. Гарнье, Р. Хаджауи, А. Яссар, П. Сривастава // Science (94) v.265.P. 1684–1686
6. Логические вентили из полимерных транзисторов и их использование в генераторах Rinfg / А.Р. Браун, А. Помп, К. Харт, Д. де Леу // Наука (95) V.270. P.972-974
7. Органические транзисторы: двумерный транспорт и улучшенные электрические характеристики / А.Додабалапур, Л.Торс, Х.Э. Кац // Наука (95) Т.268.С.270-271.
8. Нанополевой транзистор с органическим самоорганизующимся монослоем в качестве изолятора затвора / J.Collet, D.VuiUaume / ZAppl.Phys.Lett. 1998 V.73.N18.P.2681-2683
9. Новые стабильные в воздухе n-канальные органические тонкопленочные транзисторы / З.Бао, А.Дж. Ловингер, Дж. Браун // J.Am.Chem.Soc. 1998 г. 120 С.207-208
10. Органические смарт-пиксели / А. Додабалапур, З. Бао, А. Махиджа и др. // Appl.Phys.Lett. 1998. V.73.N.2.P.142-144.
11. Органические комплементарные кольцевые генераторы / Ю. Линн, А. Додабалапур, Р. Сарпешкар и другие / Appl.Phys.Lett.! 999.V.74 N.18 P.2714-2716
12. Низковольтные 0,1 мкм органические транзисторы и дополнительные инверторные схемы, изготовленные с использованием недорогой формы ближнепольной фотолитографии / Дж. А. Роджерс, А. Додабалапур, З. Бао, Э. Кац // Прил. 1999. V.75 N.7 P. 1010-1012
13. Органико-неорганические гибридные материалы как полупроводниковые каналы в тонкопленочных полевых транзисторах / К. Р. Каган, Д. Б. Митци, К. Д. Димитракопулос // Science 1999 V.286 P.945-947
14. Недорогие полностью полимерные интегральные схемы / C.J.Drury, C.M.J.Mutsaers, CM.Hart и др. / Appl.Phys.Lett. 1998 Т.73.N.1 С. 108-110
15. Дешевые и веселые схемы / Д. Восс // Nature 2000 Т.407 С.442-444.
16. Полностью полимерные интегральные схемы с высокими характеристиками / Г.Х. Гелинк, Т.С.Т. Гейнс, Д.М. Гелин. de Leeuw // Appl.Phys.Lett. 2000 V.77 N.10 С. 1487-1489
17. Крупномасштабные комплементарные интегральные схемы на основе органических транзисторов / Crown, A.Dodabalapur, Y.-Y.Lin и др. // Nature 2000 V.403 N.3 С.521-523
18. Новые технологии печати вселяют надежды на дешевую пластиковую электронику / Б.Г. Леви // Physics Today 2001 N.2 С.20-23
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 53; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!