УДК 621.385.833
БОБРИНЕЦКИЙ И.И., КОРНЕЕВ Н.В.,
НЕВОЛИН В.К.
СОЗДАНИЕ КВАНТОВЫХ ПРОВОДОВ МЕТОДОМ
ЗОНДОВОГО ОКИСЛЕНИЯ
Московский государственный институт электронной техники, 103498, Москва, К-498,
тел.: (095) 5328957, e-mail: nickkorneev@mail.ru
Новые возможности в микроэлектронике связывают с уменьшением линейных
размеров функциональных элементов. В связи с этим развиваются методы создания
наноструктур, отличающиеся от традиционных подходов к достижению сверхмалых
размеров элементов, в основе которых лежит применение зондовых микроскопов
как для визуализации и контроля объектов на подложке, так и для локальной
модификации свойств поверхности, методами, основанными на различных
физических принципах. Одним из наиболее эффективных является метод,
связанный с процессом зондового окисления полупроводниковых материалов или
металлических пленок [1,2].
В обычных атмосферных условиях поверхности практически всех тел
покрыты пленкой адсорбата. Основу адсорбата составляет вода, находящаяся в
квазижидком состоянии. При стимулировании током зонда возможно окисление
металлических и полупроводниковых подложек. Если происходит анодирование
поверхности проводящих подложек, то потенциал на подложке должен быть
положительным. Например, электрохимическая реакция для пленок титана может
происходить по схеме :
Ti+2H20=TiO2+4e-+4H+
Реакция сдвигается в сторону окисления за счет инъекции электронов с зонда
и оттока положительных ионов водорода на зонд. Закон нарастания толщины
окисной пленки со временем выглядит следующим образом:
d (t) = s (U -
U
+ I t
U -
U
- ,
0
{) 1 2 /(
)
0
}1

=
.
2
s

Здесь - электрохимический эквивалент окисления пленки, -
эффективность тока, затрачиваемая на окисление, - объемная проводимость
проводящей пленки, над которой находится слой окисла, s - площадь поверхности
зонда, с которой осуществляется эмиссия, - диэлектрическая проницаемость
пленки окисла,

U - напряжение начала процесса анодирования, поскольку
электрохимическая реакция окисления имеет пороговый характер.
Сочетанием методов традиционной планарной технологии с зондовыми
методами окисления металлических проводящих дорожек на диэлектрических
подложках в сканирующем атомно-силовом микроскопе созданы двухэлектродные
планарные элементы с квазиодномерными микросужениями.
Формирование двухэлектродных планарных элементов проводилось на
кристаллах из полуизолирующего арсенида галлия размерами 1мм на 1мм, на
которых были нанесены контактные площадки из золота и титановые мостики
шириной до 0,3мкм, длиной до 3мкм, высотой до 30нм. Путем анодного окисления
титановых мостиков можно было сформировать микросужения, проявляющие
разнообразные свойства в проводимости, связанные с размерными эффектами. При
этом, как показывают расчеты, возможно поперечное квантование энергии
носителей тока [3]. Однако наблюдение квантовых эффектов в проводимости при
комнатных
температурах
затрудняется
шероховатостью
поверхности
микросужений, вызывающих уширение уровней квантования энергии, и заполнение
спектра поперечного квантования энергии поверхностными состояниями
полуизолирующего арсенида галлия.
а)
б)
Рис.1. Изображения титановой дорожки на кристалле арсенида галлия до окисления (а) и
после (б). Изображения получены на сканирующем зондовом микроскопе Solver-P47 (НТ-МДТ,
Зеленоград).

Основными результатами, полученными при исследовании двухэлектродных
элементов с титановыми проводниками, являются вольт-амперные характеристики
(ВАХ). Исходные ВАХ титановых дорожек являются линейными с полным
сопротивлением 500-1000 Ом. Анодирование проводилось с использованием
кремниевых кантилеверов с нанесенным на них проводящим покрытием из TiN или
W2C (Silicon-МДТ и НТ-МДТ, Зеленоград). Контактные площадки были
подключены к потенциалу земли. На кантилевер подавались прямоугольные
импульсы напряжения различной амплитуды (до 10В) и скважности. После
окисления наблюдались разнообразные нелинейные ВАХ, симметричные
относительно тока в пределах 0-0,5 мА, 0-5,0 В.

а)
б)
Рис.2. Вольт-амперные характеристики титановых проводников до (а) и после окисления (б).
Таким образом, созданы лабораторные макеты планарных двухэлектродных
элементов, проявляющих многообразие ВАХ и имеющих в связи с этим
разнообразное функциональное значение.
1.
Matsumoto K., Ishii M., Segana K., Oka Y., Vartanian B.J., Harris J.S. Room
temperature operation of a single electron transistor made by the scanning tunneling
microscope nanooxidation process for the TiOx/Ti system. Appl.Phys.Lett. 1996. 68(1).
2.
Snow E.S., Park D., Cempbell P.M. Single-atom point contact devices
fabricated with an atomic force microscope. Appl.Phys.Lett. 1996. 69(2).
3.
Неволин В.К. Двухэлектродные элементы наноэлектроники на основе
квантовых проводов. Микроэлектроника. 1999. Т.28. 4. с.293-300.