Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов

На правах рукописи

Амитонов Сергей Владимирович Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов 01.04.04 – физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2013

Работа выполнена на кафедре Атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники Физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова».

Научный консультант:

к.ф-м.н. Крупенин Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н, чл.-корр. РАН Лукичев Владимир Федорович, заместитель директора по научной работе Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Физико-технологический институт Российской академии наук», к.ф-м.н. Гудков Александр Львович, директор Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина»,

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН».

Защита состоится «3» октября 2013 года в 17-30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. СФА.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан «29» августа 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66, к.ф.-м.н., И.Н.Карташов

Общая характеристика работы

Актуальность темы работы Совершенствование технологического процесса полупроводникового про­ изводства позволило в 2002 году перейти к 90 нм технологии производ­ ства, что, по определению, означает переход от микро- к нанотехнологиям.

Этот переход послужил катализатором дальнейшего роста интереса изучения свойств различных наноструктур размером от нескольких нанометров, кото­ рые с одной стороны слишком велики для описания их на уровне отдельных атомов, а с другой стороны достаточно малы, чтобы их свойства отличались от свойств массивного образца.

Одной из таких наноструктур является полупроводниковый нанопро­ вод (НП) — структура с поперечными размерами менее 100 нм, а продоль­ ными много больше поперечных. Кремниевые нанопровода оказались осо­ бенно интересным объектом для изучения, благодаря их потенциальной сов­ местимости со стандартной технологией полупроводникового производства.

На Рисунке 1 представлен самый показательный пример актуальности ра­ боты — рост числа публикаций с сочетанием «silicon nanowire» в названии в 1995–2011 гг. по данным базы «Web of Knowledge». За прошедшее де­ сятилетие было предложено множество оригинальных устройств на основе кремниевых НП для применений в различных областях науки и техники от нелинейной оптики до аккумуляторных батарей. Особняком в этом ряду сто­ ят зарядовые сенсоры и сенсоры электрического поля на основе НП — поле­ вые транзисторы, канал которого выполнен в форме НП (канал-нанопровод), которым посвящена данная работа.

Другим интересным примером наноразмерного полевого/зарядового сен­ сора является одноэлектронный транзистор, первый образец которого был создан более 25 лет назад, однако, и сегодня не потерявший своей акту­ альности благодаря тому, что именно он является наиболее чувствительным 700 Количество публикаций 6 11 Рис. 1. Количество публикаций с сочетанием в названии «silicon nanowire» в 1995–2011 гг.

(по данным базы «Web of Knowledge»).

электрометром, обладающим, к тому же, высоким пространственным разре­ шением. Интерес к данным устройствам снова вырос с переходом к изготов­ лению одноэлектронных транзисторов из кремния, что позволило добиться предельно малых размеров его элементов (10 нм) и, как результат, высо­ ких рабочих температур устройства, вплоть до комнатных, что привело к созданию в 2012 году одноатомного одноэлектронного транзистора1.

Как видно из Рисунка 2, демонстрирующего сравнение различных поле­ вых сенсоров в широком диапазоне температур, именно эти два устройства — Fuechsle M., Miwa J. A., Mahapatra S. et al. A single-atom transistor // Nature Nanotechnology. 2012.

Vol. 7, no 4. P. 242–246.

Зарядовая чувствительность (/ Гц) ОЭТ 105 ПТсНП ПТ НЭМ 103 102 101 100 101 102 Температура (К) Рис. 2. Сравнение предельных чувствительностей различных полевых/зарядовых сенсоров:

одноэлектронных (ОЭТ) и полевых транзисторов (ПТ), полевых транзисторов с каналом­ нанопроводом (ПТсНП), а также наноэлектромеханических устройств (НЭМ) — и их харак­ терных рабочих температур2.

одноэлектронный транзистор и полевой транзистор с каналом-нанопроводом — являются наиболее интересной основой для построения сверхчувствитель­ ных полевых/зарядовых сенсоров для широкого спектра применений.

Цель диссертационной работы состоит в разработке технологии из­ готовления из кремния на изоляторе (КНИ) высокочувствительных поле­ вых/зарядовых сенсоров на основе одноэлектронных транзисторов и полевых транзисторов с каналом-нанопроводом, измерении и исследовании электри­ ческих характеристик, анализе и физической интерпретации наблюдаемых свойств изготовленных экспериментальных структур.

на основе Salfi J., Savelyev I. G., Blumin M. et al. Direct observation of single-charge-detection capability of nanowire field-effect transistors // Nature Nanotechnology. 2010. — Sep. Vol. 5, no. 10. P. 737–741.

Научная новизна В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

• впервые стандартными методами микроэлектроники изготовлен биосен­ сор на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом и барьера­ ми Шоттки, обладающий предельно возможной pH-чувствительностью, 60 мВ/pH;

• впервые изготовлен биосенсор на основе полевого транзистора с кана­ лом-нанопроводом и барьерами Шоттки для детектирования специфи­ ческой реакции моноклональных мышиных антител к трансферрину с белком G;

• разработан оригинальный метод изготовления полевого транзистора с омическими контактами к каналу-нанопроводу на основе неравномерно легированного КНИ;

• впервые подробно исследованы транспортные и шумовые характеристи­ ки одноэлектронных транзисторов из сильно легированного КНИ в диа­ пазоне температур 15 мК-4,2 К;

• впервые создан одноатомный одноэлектронный транзистор на основе единичных допантов мышьяка в кремнии.

Практическая значимость Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для создания на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом диагности­ ческой лаборатории на чипе для регистрации предельно низких концентра­ ций биологических объектов (белков, ДНК, вирусов). На основе разработан­ ных одноэлектронных и полевых транзисторов из КНИ могут быть созданы сверхчувствительные полевые/зарядовые сенсоры с нанометровым простран­ ственным разрешением для локальных и сканирующих зондовых устройств с широким спектром применения в науке, технике и медицине.

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на следующих конфе­ ренциях:

1. 17th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology», Minsk, Belarus, 2009.

2. Конференция «Объединенный Дальневосточный научно-исследователь­ ский центр ДВФУ и ДВО РАН — ведущий научный интегратор внед­ рения инновационных методов исследований в биотехнологиях и нано­ технологиях», Владивосток, 2010.

3. 18th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology», Saint-Petersburg, 2010.

4. Конференция «Современные достижения бионаноскопии», Москва, 2010.

5. Конгресс «Медицинская физика – 2010», Москва, 2010.

6. Конференция «Современные достижения бионаноскопии», Москва, 2011.

7. Конференция «Фундаментальные и прикладные аспекты инновацион­ ных проектов и их защита в едином экономическом пространстве 2011», Москва, 2011.

8. Conference «Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Re newable Energy», Moscow, 2011.

9. Conference «The 6th General Meeting of ACCMS-VO», Tohoku, Japan, 2012.

10. Conference «Micro- and Nanoelectronics – 2012», Zvenigorod, 2012.

11. Conference «The 7th General Meeting of ACCMS-VO», Tohoku, Japan, 2012.

Публикации Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ [1–7], статей в сборниках трудов конференций и тезисов докладов [8–20].

Личный вклад автора В диссертации приведены результаты, получен­ ные непосредственно автором или при его активном участии. Все экспери­ ментальные образцы наноструктур изготовлены автором лично. Совместно с соавторами автором разработана технология изготовления биосенсора на основе полевого транзистора с каналом-нанопроводом и барьерами Шоттки.

Совместно с соавторами проведены измерения электрических характеристик биосенсора и детектирования специфической реакции моноклональных мы­ шиных антител против трансферрина с белком G. Автором лично разрабо­ тан оригинальный метод изготовления полевого транзистора с омическими контактами к каналу-нанопроводу на основе неравномерно легированного кремния на изоляторе. Совместно с соавторами исследованы транспортные и шумовые характеристики сильно легированных кремниевых одноэлектрон­ ных транзисторов в диапазоне температур 15 мК-4,2 К. Совместно с соав­ торами автором создан одноэлектронный одноатомный транзистор на основе единичных атомов мышьяка в кремнии. Совместно с соавторами автор непо­ средственно участвовал в написании научных статей, а также подготовке и представлении докладов и постеров на научных конференциях.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии.

Общий объем диссертации составляет 143 страницы, включая 64 рисунка.

Библиография включает 114 наименований.

Содержание работы Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сфор­ мулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов.

В первой главе на основе изучения данных научно-технической литера­ туры анализируется состояние исследований и разработок в области нанораз­ мерных полевых/зарядовых сенсоров, базирующихся на полевых и одноэлек­ тронных транзисторах. Анализ накопленного в этом направлении опыта поз­ волил сделать ряд выводов, определивших общее направление исследований, а также определить конкретные технологические методы экспериментального создания наноструктур, рассмотренных в данной работе:

• полевой транзистор на основе НП и одноэлектронный транзистор яв­ ляются наиболее чувствительными полевыми/зарядовыми сенсорами с пересекающимися диапазонами рабочих температур, охватывающими область от единиц миликельвин до 300 К;

• наиболее перспективным способом создания транзисторов являются тра­ диционные для микро- и наноэлектроники методы, такие как электрон­ ная и оптическая литографии, напыление тонких пленок, реактивное ионное и жидкостное травление, • для изготовления наноструктур, как наиболее технологичный, выбран материал «кремний на изоляторе» (КНИ), состоящий из тонкого, 100 нм, верхнего слоя кремния, отделённого от толстой подложки слоем SiO2 ;

• использование транзисторов в роли полевого/зарядового сенсора накла­ дывает требование прямого доступа к его чувствительному элементу, поэтому конструкция сенсора требует специальной разработки и суще­ ственно отличается от используемой в традиционной полупроводнико­ вой электронике.

Исток Ti электрод Si нанопровод Сток Ti электрод Рис. 3. Изображения изготовленной структуры транзистора и нанопровода.

Вторая глава посвящена созданию биохимического сенсора на основе кремниевого НП для проведения измерений в жидких проводящих средах (специальных солевых, буферных, растворах с различным уровнем кислот­ ности — pH). В первой части второй главы описан разработанный метод создания полевого транзистора с каналом-нанопроводом и металлическими (Ti) контактами к областям стока и истока, а также метод изоляции прово­ дящих электродов транзистора для проведения измерений в жидких средах (Рисунок 3). Метод состоит из последовательных процессов электронной ли­ тографии в слое резиста полиметилметакрилата (ПММА), формирующего рисунок канала транзистора и контактных площадок, напыления алюминия через созданную полимерную маску и её удаления в т.н. процессе «взрыва», переноса рисунка полученной алюминиевой маски в верхний слой пластины КНИ путём реактивного ионного травления, напыления подводящих Ti элек­ тродов, образующих барьер Шоттки к кремнию, и последующего напыления диэлектрического слоя SiO2 поверх Ti электродов. Использование металличе­ ских электродов позволяет значительно упростить изготовление транзисто­ ра и избежать трудоемких процессов легирования и термической активации примесей в случае формирования транзистора традиционными способами.

Такой транзистор, с длинным и узким каналом, функционирует анало­ гично обычному полевому транзистору (в роли затвора выступает нижний слой кремния пластины КНИ), однако малые поперечные размеры НП поз­ воляют значительно повысить чувствительность сенсора. Измерения вольт­ амперных характеристик (ВАХ) происходили в режиме задания напряжения между стоком и истоком транзистора и измерения тока через нанопровод при различных напряжениях на подложке-затворе транзистора. При измерении в жидкой среде, для управления током транзистора помимо затвора-подложки пластины КНИ, использовался электрод сравнения (ЭС), опущенный в рас­ твор. Электрод сравнения был изготовлен из серебряной проволоки, покрытой слоем хлорида серебра, и выполнял роль второго затвора транзистора.

Были изучены вопросы работы транзистора в зависимости от pH среды и её стабильности (ионной силы). Оценка чувствительности разработанного и изготовленного сенсора проведена путем измерения отклика транзистора на изменение pH, который достиг предельного теоретически возможного уровня 500380 мВ эс в 60 мВ/pH (Рисунок 4, = 60 мВ/). Тестирование про­ = цесса детектирования молекул в жидкости происходило методом сорбции на поверхности НП сильно заряженных молекул (полиэлектролитов) хлорида полидиметидиаллиламмония и полианетолсульфоната натрия. После смены раствора с полиэлектролитами на исходный буфер в обоих случаях исследу­ емые структуры транзисторов детектировали сигнал, соответствующий сор­ бировавшимся на поверхности молекулам. Проводимость канала изменялась (увеличивалась/уменьшалась) в соответствии со знаком заряда сорбировав­ шихся на его поверхности молекул. Таким образом, транзисторы демонстри­ ровали чувствительность к изменению поля, созданного заряженными моле­ кулами, расположенными на поверхности канала-нанопровода.

После модификации поверхности НП и привязки к ней органического комплекса на основе белка G, способного к биоспецифическому связыванию антиген-антитело с моноклональными мышиными антителами к трансферри­ pH pH 1, I (нА) Vэс =0,50 В 0, Vэс =0,38 В 0, 0, pH 6 pH 0, 2600 2800 3000 3200 3400 Время (с) Рис. 4. Отклик сенсора на изменение pH раствора при различных напряжениях на электроде сравнения, напряжение Vсток-исток =0,5 В, Vз =6 В.

ну, транзистор стал способен детектировать специфические взаимодействия на поверхности его канала. Химическая реакция связывания белков с антите­ лами приводила к изменению электрического поля вблизи НП, воздействию поля на канал транзистора, и, как результат, к изменению его транспортно­ го тока. Пример отклика на специфическое связывание приведен на Рисун­ ке 5. Для определения количества центров связывания на поверхности НП белковый комплекс был помечен золотыми наночастицами размером 5 нм, хорошо различимыми при исследовании поверхности при помощи растрового электронного микроскопа. Полученные изображения показывают, что отклик транзистора на пришивку антител обеспечивается всего несколькими сотня­ ми центров связывания (400 центров на 1 мкм2 поверхности), что позволяет говорить о высокой чувствительности полученного биосенсора, а способность безмаркерного детектирования открывает широкие возможности его приме­ нения.

Основные результаты второй главы опубликованы в работах [1–3, 7].

Специфическое связывание 0,07 Неспецифическое связывание 0, I (нА) 0, 0, 0, 0 300 600 900 1200 1500 1800 Время (с) Рис. 5. Отклик биосенсора на основе нанопровода (ширина НП – 85 нм) при наличии в растворе 5 мкг/мл специфических антител и 5 мкг/мл неспецифического белка бычьего сывороточного альбумина (БСА), напряжение Vсток-исток =0,5 В, Vз =6 В, pH 6, Vэс =0,4 В.

В третьей главе проведено исследование шумовых характеристик тран­ зисторов с барьерами Шоттки, аналогичных описанным во второй главе. При нормальных условиях изучались структуры с различной геометрией НП (пря­ мой и V-образной) и различными материалами подводящих электродов (Ti и Pt). Измерения происходили в режиме задания напряжения между стоком и истоком транзистора и измерения тока через нанопровод. Измерялись флук­ туации тока и анализировались соответствующие им спектральные плотности в диапазоне частот 0,2-100 Гц при более чем 400 различных значениях напря­ жений исток-сток (от -2 В до 6 В) и исток-затвор (от -1 В до 3 В). На основе измеренных данных предложен метод поиска оптимальной рабочей точки транзистора, заключающийся в поиске области с максимальным отношением крутизны сигнальной характеристики транзистора к плотности флуктуаций тока в единичной полосе. Для рабочей точки с максимальным значением дан­ ного отношения значение крутизны составило 1,2 нА/В, а плотность флукту­ аций тока — 0,3 пА/ Гц на частоте 10 Гц. Проведённый анализ подтвердил предположение о наличии рабочей точки в области малых напряжений — в подпороговом режиме работы транзистора, при несформировавшемся ка­ нале носителей заряда. На основании экспериментальных данных проведе­ на оценка характерной зарядовой чувствительности транзисторов, получены значения менее 1 /Гц на частоте 10 Гц при T=300 К.

В четвертой главе исследуются полевые транзисторы с каналом-нано­ проводом из неравномерно легированного КНИ. Для создания неравномерной по глубине концентрации допантов пластины КНИ подвергались бомбарди­ ровке пучком ионов As малой энергии (6 кэВ, процесс ионной имплантации) и быстрому термическому отжигу. В результате, приповерхностная часть верхнего слоя пластины ( 30 нм) имела степень легирования 1020 см3, что делало её вырожденным полупроводником с крайне малой запрещённой зоной («квазиметалл»). Нижняя часть слоя ( 50 нм) имела степень легиро­ вания менее 1018 см3 и являлась обычным полупроводником.

Предложен оригинальный метод изготовления транзисторов с каналом­ нанопроводом, заключающийся в формировании из полученного неравномер­ но легированного КНИ структуры транзистора, НП и проводящих электро­ дов, и избирательном удалении квазиметаллического слоя с чувствительного элемента транзистора — канала-нанопровода. Предложено два варианта уда­ ления высоколегированного слоя. В первом случае удаление приповерхност­ ного слоя происходило на этапе формирования НП в процессе изотропного реактивного ионного травления. Форма нанопровода и толщина удалённого слоя определялись размерами маски и регулировались параметрами травле­ ния. Во втором случае сначала в процессе анизотропного травления в нерав­ номерно легированном слое КНИ формировалась структура НП с подводящи­ ми электродами, а затем происходило последовательное избирательное удале­ ние верхнего слоя с нанопровода с промежуточным контролем проводимости структуры. Многостадийный процесс позволяет точнее контролировать сте­ пень легирования канала транзистора, а также упрощает изготовление НП с формой отличной от прямой, например, V-образной, что оказывается важным для изготовления локальных полевых зондов на их основе.

Измерены транспортные характеристики изготовленных транзисторов в диапазоне температур 4,2-300 К. Зависимость транспортного тока от напря­ жения на затворе наблюдается во всем температурном диапазоне. При из­ мерениях ВАХ в области малых напряжений сток-исток (10 мВ) при тем­ пературе T=4,2 К было обнаружено, что транспорт тока осуществляется в режиме одноэлектронного туннелирования с характерными участками куло­ новской блокады и квазипериодической зависимостью от затворного напря­ жения. Данный эффект объясняется туннельным транспортом электронов в неоднородном массиве, образованном единичными допантами.

Представленный метод изготовления наноструктур полевых транзисто­ ров с каналом-нанопроводом на основе неоднородно легированного КНИ от­ личается простотой и позволяет контролировать и изменять в процессе из­ готовления основной параметр устройства — проводимость канала транзи­ стора, а также обеспечивает омический контакт подводящих электродов из высоколегированного кремния к нанопроводу. Изготовленные предложенным методом транзисторы могут быть использованы в качестве чувствительного элемента полевых зондовых систем локального и сканирующего типов3,4.

Результаты четвертой главы опубликованы в работах [4, 6].

Пятая глава посвящена созданию и исследованию одноэлектронных транзисторов из сильно легированного мышьяком КНИ. Из вырожденного слоя КНИ при помощи электронной литографии и реактивного ионного трав­ ления формировалась структура будущего транзистора: остров, резистивные переходы к подводящим электродам и боковой затвор (Рисунок 6). Затем пу­ Yoo M.J., Fulton T.A., Hess H.F. et al. Scanning single-electron transistor microscopy: imaging individual charges // Science. 1997. Vol. 276, no. 5312. P. 579 –582.

Chen L.H., Topinka M A., LeRoy B.J. et al. Charge-imaging field-effect transistor // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 79, no. 8. P. 1202.

Рис. 6. Протравленная структура одноэлектронного транзистора в кремнии.

тём итерационного дотравливания полученной структуры с промежуточным контролем её ВАХ, происходило утонение, тонких резистивных переходов.

При достижения условия сток-исток = 25, 8 кОм транзистор начи­ нал демонстрировать одноэлектронное поведение.

Основные исследования одноэлектронных структур проводились при тем­ пературах от 15 мК до 4,2 К (ВАХ представлены на Рисунке 7), когда появ­ лялись характерные особенности поведения одноэлектронных структур: Ку­ лоновская блокада транспортного тока и периодическая зависимость его ве­ личины от напряжения на затворе транзистора. Подробно была исследована зарядовая чувствительность транзистора, для этого при различных транс­ портных напряжениях были проведены измерения спектральной плотности флуктуаций тока в диапазоне частот 0,5-250 Гц на участке модуляционной кривой в 1,6 периода в 50 точках. Полученные данные позволяют говорить о зарядовой природе флуктуаций тока, обусловленной, поляризационным вли­ янием электродинамического окружения на остров транзистора, а также о том, что оптимальная рабочая точка транзистора находится в области с наи­ большей крутизной модуляционной характеристики. В этом случае порог за­ рядовой чувствительности минимален и достиг величины 1,6·104 / Гц на a) I (нА) Vз =0,72 В Vз =0,64 В Vз =0,56 В Vз =0,48 В Vз =0,40 В 10 5 0 5 Vсток-исток (мВ) б) 0, Vсток-исток =1,8 мВ Vсток-исток =1,4 мВ 0, Vсток-исток =1,0 мВ 0, I (нА) 0, 0, 0, 0 0,5 1 1,5 2 2, Vз (В) Рис. 7. а) ВАХ одноэлектронного транзистора при различных напряжениях на затворе;

б) модуляционные характеристики одноэлектронного транзистора при различных напряжениях смещения;

рабочая температура T=15 мК частоте 10 Гц при температуре 15 мК. Представленные в работе данные де­ монстрируют тенденцию плавного увеличения зарядового шума при увеличе­ нии транспортного тока, что является характерным для традиционных метал­ лических одноэлектронных транзисторов. В работе5 при исследовании подоб­ ных транзисторов на основе сильно легированного фосфором КНИ отмечено увеличение шума в областях максимума тока на модуляционной кривой по сравнению с традицирнными металлическими структурами, что объясняет­ ся повышенным уровнем флуктуаций проводимости резистивных переходов транзистора. Исследуемые в настоящей работе транзисторы демонстрируют существенно меньший уровень шума в областях максимума модуляционной кривой, что может быть связано с более высоким качеством процесса леги­ рования КНИ.

При используемых концентрациях допантов и характерных размерах изготавливаемых наноструктур х значительное влияние на свойства транзи­ стора начинает оказывать дискретность распределения примесей ( ·х 1).

Благодаря этому удалось изготовить и исследовать одноатомный одноэлек­ тронный транзистор — устройство на основе единичного допанта (диаграмма стабильности представлена на Рисунке 8). Доказательством этого факта слу­ жат ступени на ВАХ, свидетельствующие о дискретности спектра, и высокое блокадное напряжение 70 мВ, нехарактерное для традиционных одноэлек­ тронных транзисторов, указывающие на малость размеров острова (7 нм).

Наиболее вероятно, что островом транзистора является одиночный атом мы­ шьяка. Кроме того, результаты измерений совпадают с данными по спектро­ скопии одиночных допантов в кремнии, представленными в других работах6.

Транзисторы данного типа могут стать ячейкой твердотельной электроники нового поколения, работающей на иных физических принципах, способных Крупенин В.А., Преснов Д.Е., Власенко B.C. Зарядовый шум в одноэлектронном транзисторе из высо­ кодопированного кремния-на-изоляторе // Радиотехника. 2008. Vol. 1, no. 1. P. 78–83.

Pierre M., Wacquez R., Jehl X. et al. Single-donor ionization energies in a nanoscale CMOS channel // Nature Nanotechnology. 2010. Vol. 5, no 2. P. 133–137.

|G| (2 /) Vсток-исток (мВ) 20 25 30 35 40 45 50 Vз (В) Рис. 8. Диаграмма стабильности одноатомного транзистора.

обеспечить её работоспособность в условиях приближения технологического процесса микропроизводства к естественному пределу (атомарный размер).

Основные результаты пятой главы опубликованы в работе [5].

В Заключении перечислены выносимые на защиту основные результаты и положения, которые также перечислены ниже:

• Разработан метод изготовления из кремния на изоляторе биосенсора на основе полевого транзистора с каналом в форме нанопровода шириной менее 100 нм. Создан биосенсор на основе полевого транзистора с кана­ лом-нанопроводом, обладающий pH-чувствительностью близкой к пре­ дельной, 60 мВ/pH. Продемонстрировано детектирование биосенсором специфической реакции антиген (белок G) - антитело (моноклональные мышиные антитела к трансферрину).

• Изготовлены полевые транзисторы с металлическими (Ti и Pt) кон­ тактами к каналу-нанопроводу (диаметр 100 нм, длина 2 мкм). Ис­ следованы их шумовые характеристики в диапазоне частот 0,2–100 Гц (Т=300 К). Получена оценка пороговой зарядовой чувствительности транзистора лучше, чем 1 e/ Гц на частоте 10 Гц.

• Разработан метод изготовления полевого транзистора с омическими контактами к каналу-нанопроводу из неравномерно легированного мы­ шьяком кремния на изоляторе, работающий в диапазоне температур 4,2-300 К.

• Изготовлены одноэлектронные транзисторы из сильно легированного мышьяком кремния на изоляторе. Впервые подробно исследованы их транспортные и шумовые характеристики в диапазоне температур от 15 мК до 4,2 К. Порог зарядовой чувствительности транзистора соста­ вил 1,6·104 e/ Гц на частоте 10 Гц при T=15 мК. Впервые создан од­ ноатомный одноэлектронный транзистор на основе единичных допантов мышьяка в кремнии и исследованы его транспортные характеристики при Т=4,2 К.

Исследования, проведённые в данной работе, на взгляд автора, лежат в основе практического применения высокочувствительных полевых сенсоров, которое может начать лавинообразное развитие в ближайшее десятилетие.

Использование полевых транзисторов с каналом-нанопроводом в роли биосенсоров, по сути, ограничивается лишь отсутствием успехов в смежных областях, в первую очередь, биохимии. Использование их как локальных по­ лечувствительных зондов сдерживается на данный момент лишь отсутствием демонстрации работы данного устройств на их основе.

Использование одноэлектронных транзисторов ограничивается их рабо­ чей температурой, поэтому создание транзистора на отдельных атомах может открыть новые перспективы перед одноэлектроникой в целом.

Список публикаций 1. Крупенин В. А., Преснов Д. Е., Власенко В. С., Амитонов С. В. Полевой транзистор на основе кремниевого нанопровода // Радиотехника. 2009.

№ 3. С. 104–107.

2. Преснов Д. Е., Амитонов С. В., Крупенин В. А. Полевой транзистор с каналом-нанопроводом – основа молекулярного биосенсора // Радиотех­ ника. 2012. № 9. С. 122–126.

3. Преснов Д. Е., Амитонов С. В., Крупенин В. А. Полевой транзистор с каналом-нанопроводом на основе кремния на изоляторе // Микроэлек­ троника. 2012. Т. 41, № 5. С. 364–367.

4. Амитонов С. В., Преснов Д. Е., Рудаков В. И., Крупенин В. А. Полевой транзистор с каналом-нанопроводом на основе неравномерно легирован­ ного КНИ // Микроэлектроника. 2013. Т. 42, № 3. С. 200–205.

5. Преснов Д. Е., Амитонов С. В., Крупенин В. А. Одноэлектронный тран­ зистор из высоколегированного кремния на изоляторе. // Радиотехника.

Принято к публикации.

6. Амитонов С. В., Преснов Д. Е., Крупенин В. А. Кремниевый транзи­ стор с каналом-нанопроводом из неравномерно легированного кремния на изоляторе. // Радиотехника. 2013. № 5. С. 30–34.

7. Presnov D. E., Amitonov S. V., Krutitskii P. A. et al. A highly pH-sensitive nanowire field-effect transistor based on silicon on insulator // Beilstein Journal of Nanotechnology. 2013. — May. Vol. 4. P. 330–335.

8. Krupenin V., Presnov D., Vlasenko V., Amitonov S. Silicon nanowire field effect transistor as a core element for the bio- and chemical femtomolar sensors // Abstracts of Invited Lectures and Contributed Papers of 17th Int. Symposium - Nanostructures: Physics and Technology. Ioffe Minsk, Belarus, 22-26 June, 2009. P. 276–277.

9. Krupenin V., Presnov D., Amitonov S. et al. Nanowire transistor as high sensitive bio- and chemical sensor // Abstracts of Invited Lectures and Con­ tributed Papers of 18th Int. Symposium - Nanostructures: Physics and Tech­ nology. Ioffe Institute St.Petersburg, Russia, 21-26 June, 2010. P. 363–364.

10. Крупенин В. А., Преснов Д. Е., Амитонов С. В. et al. Транзистор с кремниевым нанопроводом в качестве высокочувствительного химического и биосенсора // Тезисы III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика – 2010». Vol. 3.

2010. P. 257–259.

11. Крупенин В. А., Преснов Д. Е., Амитонов С. В., Ушакова Ю. С.

Зарядовый сенсор на основе кремниевого нанопровода // Тезисы Четвертой международной конференции "Современные достижения бионаноскопии". 2010. P. 38.

12. Преснов Д. Е., Крупенин В. А., Амитонов С. В. et al. Биосенсор на основе кремниевого нанопровода // Тезисы III Международной конференции "Объединенный Дальневосточный научно-исследовательский центр ДВФУ и ДВО РАН - ведущий научный интегратор внедрения инновационных методов исследований в биотехнологиях и нанотехнологиях. 2010.

13. Krupenin V., Presnov D., Amitonov S. Suspended silicon nanowire transistor as high sensitive charge sensor // Abstracts of Int. Symposium - Nano and Giga Challenges in Electronics, Photonics and Renewable Energy. Moscow - Zelenograd, Russia, 12-16 September, 2011. P. 32.

14. Крупенин В. А., Преснов Д. Е., Курочкин И. Н. et al. Зарядовый сенсор на основе подвешенного кремниевого нанопровода // Тезисы Пятой международной конференции "Современные достижения бионаноскопии".

2011. P. 9–10.

15. Крупенин В. А., Преснов Д. Е., Амитонов С. В. et al.

Высокочувствительный биосенсор на основе подвешенного кремниевого нанопровода // Сборник трудов научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов Физического факультета МГУ». 2011.

16. Krupenin V., Presnov D., Amitonov S. et al. Silicon single-electron tran­ sistor with suspended island // Abstr. of The Seventh General Meeting of ACCMS-VO (Asian Consortium on Computational Material Science - Virtu­ al Organisation). IMR, Tohoku University, Sendai and Matsushima, Japan, 23-25 November, 2012. P. PS–33.

17. Amitonov S., Presnov D., Rudenko K. et al. Silicon nanowire field effect transistor with highly doped leads // International Conference Micro and Nanoelectronics - 2012. Abstr. Book. Moscow-Zvenigorod, Russia, 1-5 October, 2012. P. O3–02.

18. Soloviev I., Devyatov I., Krutitskiy P. et al. Experimental and theoretical study of nanowire FET based on SOI // International Conference Micro and Nanoelectronics - 2012. Abstr. Book. Moscow-Zvenigorod, Russia, 1-5 October, 2012. P. P1–41.

19. Krupenin V., Presnov D., Amitonov S., Nejo H. Suspended silicon nanowire transistor high sensitive charge sensor // Abstr. of The Sixth General Meet­ ing of ACCMS-VO (Asian Consortium on Computational Material Science - Virtual Organisation). IMR, Tohoku University, Sendai and Matsushima, Japan, 10-12 February, 2012. P. PS–9.

20. Krupenin V., Presnov D., Amitonov S. et al. Suspended silicon single-elec­ tron transistor // International Conference Micro- and Nanoelectronics - 2012. Abstr. Book. Moscow-Zvenigorod, Russia, 1-5 October, 2012.

P. P1–39.

Подписано в печать 26.08.2013 г.

Усл.п.л. – 1,25. Тираж 125 экз.