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Die
Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Nanobauelement mit
einer Tunnelstruktur in integriertem Mehrschichtaufbau auf einem
Substrat mit einer Isolatorgrundschicht, in die zumindest ein bis
auf das Substrat durchgängiges
vertikales Nanoloch mit hohem Aspektverhältnis eingebracht ist, und mit
zumindest einer in dem vertikalen Nanoloch als laterale Begrenzung
angeordneten Nanoelektrode zwischen zwei Tunnelbarrieren zu angrenzenden Leitschichten,
von denen die obere eine Deckkontaktschicht bildet, und auf ein
Verfahren zu seiner Herstellung.
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Die
zunehmende Verringerung der Abmessungen von elektronischen Bauelementen
zur Erhöhung
der Schaltgeschwindigkeit und Packungsdichte führt zunehmend an physikalische
Grenzen, bei denen nunmehr Quanteneffekte das Verhalten solcher miniaturisierten
Bauelemente bestimmen. Auf diese Weise wird die Funktionsweise der
Bauelemente nicht mehr durch einfaches Herunterskalieren bestimmt.
Gleichzeitig eröffnet
sich die Möglichkeit
neuartiger Bauelemente, welche diese Quanteneffekte insbesondere
auch bei Raumtemperatur ausnutzen. Mit Hilfe von Tunnelstrukturen
können
neuartige elektronische Bauelemente mit Nanometerabmessungen konzipiert
werden, die auf dem quantisierten Tunneleffekt als prinzipiellem
Mechanismus der elektrischen Leitung durch dünne Isolatorschichten beruhen.
Moderne integrierte Schaltungen benötigen für einen Schaltvorgang dann
nur noch einige hundert Elektronen. Der Einzelelektronentransistor
(SET), bei dem einzelne Elektronen am Ladungstransport beteiligt
sind, stellt das ultimative Limit für ein elektronisches Nanobauelement
dar. Ein SET besteht aus einer Insel, die über zwei Tunnelkontakte an
Source und Drain angeschlossen ist. Durch Steuerung des Inselpotenzials
mit einer Gateelektrode kann der Elektronentransfer auf und von
der Insel erlaubt oder unterbunden werden. Die besondere Herausforderung
ist hier die Realisierung einer hinreichend kleinen Insel-Kapazität, damit
die Ladungsenergie der Insel bei Aufnahme nur eines einzigen Elektrons
um ein Vielfaches größer ist
als das thermische Rauschen. Für
einen Raumtemperaturbetrieb sind dabei Abmessungen weit unterhalb
von 10 nm zu realisieren, was eine technische Herausforderung darstellt. Für klassische
elektronische Nanobauelemente auf Halbleiterbasis gelten ähnliche
Herausforderungen bei der Miniaturisierung. Einfache Konzepte wurden entworfen,
zum Teil mit Hilfe von mikroskopischen Manipulationen, um die theoretischen
Vorhersagen zu verifizieren und entsprechende nanoskalierte Bauelemente
zu schaffen. Zurzeit werden vor allem Strukturen, die auf Nanopartikeln
basieren, bevorzugt. Speziell wurde versucht, Nanopartikel bzw. Komposite
von Nanopartikeln und einer entsprechenden Matrix durch Depositionsverfahren,
insbesondere auch auf chemischem Weg, oder durch (großflächige oder
nanostrukturierte) Hochdosis-Ionenimplantation herzustellen.
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Zu
der letztgenannten Kategorie gehört
auch das in der
DE
197 57 327 C1 offenbarte Ein-Elektron-Bauelement. Das ebenfalls
in dieser Druckschrift offenbarte Verfahren zur Herstellung des Ein-Elektron-Bauelements
bildet auch für
das mit der vorliegenden Erfindung beanspruchte Herstellungsverfahren
den nächstliegenden
Stand der Technik. Bei dem bekannten Ein-Elektron-Bauelement werden
Schottky-Übergänge von
Metall zu hochdotiertem Halbleitermaterial (oder von n-Si zu p-Si)
als Tunnelbarriere eingesetzt. Dadurch ergeben sich sehr dünne (beim Übergang
Metall-Halbleiter)
oder sehr breite (bei n-p-Übergängen) Tunnelbarrieren.
Es wird eine tunneldiodenähnliche
Struktur mit zwei Kontakten beschrieben, die von einer Isolatorgrundschicht
auf einem halbleitenden Substrat ausgeht. Zunächst wird in dem halbleitenden
Substrat eine untere Leitschicht, die später großflächig kontaktiert wird, durch
Ionenimplantation deponiert. In die Isolatorgrundschicht wird durchgängig ein
Nanoloch mit einer herkömmlichen
Technik strukturiert, sodass auf dessen genaue vertikale Ausrichtung
kein besonderes Augenmerk gelegt wird. Das Nanoloch wird anschließend vollständig mit
einer oberen Leitschicht in der Funktion einer Deckkontaktschicht
aufgefüllt. Eine
zweite Ionenimplantation durch die oberste Leitschicht hindurch
verändert
den Bereich direkt unterhalb des Nanolochs im halbleitenden Substrat
von p-leitend zu n-leitend. Dadurch wird dieser Bereich lateral
begrenzt und eine einzelne Nanoelektrode im Bereich des Substrats
gebildet, wobei der Abstand der Leitschicht von der Isolatorgrundschicht
die Höhe der
Nanoelektrode bestimmt. Die Nanoelektrode ist damit direkt abhängig von
der Strukturierung des Nanolochs und der Implantationstiefe der
unteren Leitschicht. Veränderungen
im Mehrschichtaufbau zur Konzeption weiterer Nanoelektroden und
damit komplexeren Nanobauelementen sind nicht vorgesehen.
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Weiterhin
ist aus der
US 5 581
091 A ein elektronisches Nanobauelement mit einer Tunnelstruktur
in integriertem Mehrschichtaufbau auf einem Substrat mit einer Isolatorgrundschicht
(Al
2O
3) bekannt,
in die zumindest ein vertikales Nanoloch (
14) mit hohem
Aspektverhältnis
eingebracht ist, und mit zumindest einer in dem vertikalen Nanoloch
(
14) als laterale Begrenzung angeordneten Nanoelektrode (
22)
zwischen zwei Tunnelbarrieren (
16,
24) zu angrenzenden
Leitschichten (
10,
26), von denen die obere eine
Deckkontaktschicht bildet. Dabei ist jedes Nanoloch (
14)
mit einem maximalen Neigungswinkel von ± 1° bis ± 3° vertikal ausgerichtet. Weiterhin
sind auf der Isolatorgrundschicht alternierend Isolatorschichten
und weitere Leitschichten angeordnet (vergleiche
2 und
3 der
US 5 581 091 A mit
den zugehörigen
Beschreibungen).
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Schließlich offenbart
die
US 6 214 738 B1 ein Verfahren
zur Herstellung eines elektronischen Nanobauelements mit Tunnelstruktur
auf einem Substrat mit einer Isolatorgrundschicht, in die zumindest ein
vertikales Nanoloch (
3) mit hohem Aspektverhältnis eingebracht
ist, und mit zumindest einer in dem vertikalen Nanoloch (
3)
als laterale Begrenzung angeordneten Nanoelektrode (
3)
zwischen zwei Tunnelbarrieren (
4) zu angrenzenden Leitschichten,
von denen die obere eine Deckkontaktschicht (
6) bildet, mit
den grundsätzlichen
Verfahrensschritten: Wahl einer Isolatorgrundschicht (
4)
auf einem Substrat (
16), wobei das zumindest eine Nanoloch
(
3) vertikal und bei mehreren Nanolöchern (
3) diese parallel
zueinander angeordnet sind (vergleiche
1 bis
5 der
US 6 214 738 B1 mit
den dazugehörigen
Beschreibungen).
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Aufgabenstellung
und Lösung
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Die
Aufgabe für
die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, ein elektronisches
Nanobauelement mit einer Tunnelstruktur in integriertem Mehrschichtaufbau
der gattungsgemäßen, eingangs
beschrieben Art anzugeben, bei dem mehrere Nanoelektroden in einem
einfachen Mehrschichtaufbau vorgesehen sind, sodass auch komplexere
Nanobauelemente realisiert werden können. Dabei sollen die Nanoelektroden
weitgehend unabhängig
von der Strukturierung des Nanolochs und der Implantationstiefe der
unteren Leitschicht sein. Weiterhin soll ein Herstellungsverfahren
angegeben werden, mit dem der Mehrschichtaufbau an unterschiedliche
Konzepte verschiedener Nanobauelemente flexibel angepasst werden
kann. Dabei soll das Verfahren einfach, schnell ohne Zusatzverfahrensschritte
und kostengünstig
sowie zuverlässig
beherrschbar sein.
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Die
erfindungsgemäße Lösung für diese
Aufgabe ist dem Erzeugnisanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Nanobauelements
mit mehreren Nanoelektroden sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ein bevorzugtes
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Nanobauelements ist dem
Verfahrensanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen des
Verfahrens sind wiederum in den zugeordneten Unteransprüchen aufgezeigt.
Das erfindungsgemäße Nanobauelement
und seine Modifikationen werden im Folgenden im direkten Zusammenhang
mit dem Herstellungsverfahren und seinen Modifikationen näher erläutert.
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Das
erfindungsgemäße Nanobauelement weist
eine einfache genau vertikal ausgerichtete Struktur mit mehreren, übereinander
angeordneten Nanoelektroden auf, sodass auch komplexere Nanobauelemente
also solche mit nur einer Nanoelektrode konzipiert werden können. Dabei
ist jedes Nanoloch mit einem maximalen Neigungswinkel von ± 1° bis ± 3° vertikal
ausgerichtet. Alternierend sind Isolatorschichten und weitere Leitschichten
auf der Isolatorgrundschicht angeordnet. Dabei sind diese im Bereich
des Nanolochs um den Betrag der Schichtdicke der Isolatorgrundschicht
genau vertikal versetzt. Im Versatz werden somit scheibenförmige Leitschicht- und
Isolatorschicht-Nanopartikel gebildet. Dabei weisen die weiteren
Leiterschichten eine Schichtdicke auf, die geringer als die Schichtdicke
der Isolatorgrundschicht ist. Die versetzten Leitschicht-Nanopartikel
sind somit durch darunter und darüber liegende Isolatorschicht-Nanopartikel
voneinander und von den Leitschichten getrennt. Dabei bildet jeder
Leitschicht-Nanopartikel eine Nanoelektrode und jeder Isolatorschicht-Nanopartikel
eine Tunnelbarriere. Jedes Nanobauelement basiert auf einem Nanoloch. Array-Anordnungen
aus mehreren benachbarten Nanolöchern,
die dann alle nicht nur hochgradig vertikal, sondern auch genau
parallel zueinander ausgerichtet sein müssen, sind jedoch ebenfalls
ohne weiteres möglich.
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Vorteilhaft
für den
Herstellungsprozess ist es, wenn das vertikale Nanoloch als geätzte latente Ionenspur
ausgebildet ist. Dabei kann es zylindrisch oder sich konisch öffnend ausgebildet
sein. In jedem Fall ist eine genaue Positionierung der scheibenförmigen Nanopartikel
garantiert. Des Weiteren kann das vertikale Nanoloch auch sich konisch
verengend ausgebildet sein, wobei ein ringförmiger Wulst am Eingang des
Nanolochs angeordnet ist, der den größten Anteil der schräg verlaufenden
Porenwände in
der vertikalen Projektion abdeckt. Auch durch diese Maßnahme ist
eine ausschließlich
horizontale Positionierung der Nanopartikel gewährleistet. Eine schräge Anordnung
oder eine teilweise Bedeckung der Seitenwände des Nanolochs ist vermieden.
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Handelt
es sich bei dem Substrat um ein leitendes Material, das gleichzeitig
der Kontaktierung dient, muss der Mehrschichtaufbau mit einer Isolatorschicht
auf dem leitenden Substrat beginnen. Dabei dient diese nur der Isolation
der untersten Nanoelektrode vom Substrat und kann relativ dünn ausgeführt sein.
Ist das Substrat hingegen nicht leitend ausgeführt, sodass die Kontakte beispielsweise
durch Zugangsbohrungen geschaffen werden, kann der Mehrschichtaufbau
mit einer Leitschicht auf dem Substrat beginnen. Es kann somit eine
Isolationsschicht entfallen, was den Schichtaufbau und den Herstellungsprozess
vereinfacht.
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In
einer anderen Ausführungsform
können die
weiteren Leitschichten aus einem Metall oder einem Halbleitermaterial
bestehen. Des Weiteren können
die Isolatorschichten und die weiteren Leitschichten aus entsprechenden
p-, i- und n-Halbleitermaterialien
aufgebaut sein, sodass sich insgesamt ein Mehrschichtaufbau aus
handelsüblichen
Materialien ergibt. Schließlich
kann noch eine Kombination von Isolatorgrundschicht und Substrat
als poröses Aluminiumoxid
auf Aluminium-Substrat, als poröse Polymerfolie
auf sehr glattem Substrat oder als Siliziumoxid- oder Siliziumoxinitridschicht
auf Silizium-Substrat gewählt
sein. Auch bei derartigen Mehrschichtaufbauten handelt es sich um
handelsübliche Materialien,
sodass das so konzipierte Nanobauelement preiswert zu beziehen ist.
Dabei kann auch berücksichtigt
werden, dass durch die Wahl der Anzahl der alternierenden Isolatorschichten
und weiteren Leitschichten mehrere verschiedene elektronische Funktionen
integriert sind, die durch eine entsprechende Kontaktierung der
jeweils einer Funktion zugeordneten Leitschichten steuer- und nutzbar
sind. Insgesamt ergibt sich also ein kostengünstiges Nanobauelement mit
einer großen
flexiblen Funktionalität.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines solchen elektronischen Nanobauelements
mit mehreren Nanoelektroden zwischen Tunnelbarrieren zeigt folgende
grundlegende Verfahrensschritte:
- • Wahl einer
porösen
Isolatorgrundschicht auf einem Substrat, wobei das zumindest eine
Nanoloch mit einem maximalen Neigungswinkel von ± 1° bis ± 3° vertikal und bei mehreren Nanolöchern diese
parallel zueinander ausgerichtet sind,
- • präzise Ausrichtung
der porösen
Isolatorgrundschicht in die Aufdampfrichtung einer Aufdampfvorrichtung,
- • präzises paralleles
sequenzielles Aufdampfen der Isolator- und Leitschichten aus der
gasförmigen
Phase und
- • funktionelles
Kontaktieren der einzelnen Leitschichten.
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Das
beanspruchte Verfahren basiert auf einem sequenziellen Aufdampfen
von Leit- und Isolatorschichten auf einem isolierten Substrat mit
darin parallel eingebetteten, sehr dünnen, porenartigen Nanolöchern und
ist sehr einfach und kostengünstig. Durch
das gleichzeitige Aufdampfen, bei dem es sich um ein bekanntes,
technisch gut beherrschbares Verfahren in unterschiedlichen Ausführungsformen handelt,
derselben Mehrschichtstrukturen-Sequenzen auf das isolierte Substrat
und die vertikal genau ausgerichteten Nanolöcher werden nanometrische, gegeneinander
versetzte und deshalb gegeneinander isolierte Leitstrukturen (durch
Tunnelbarrieren gegeneinander isolierte Nanoelektroden) in verschiedenen
Höhenpositionen
erzeugt, die in der im Erzeugnisanspruch beschriebenen Weise als
Nanobauelemente für
Tunnel-Elektronik nutzbar sind. In analoger Weise können beliebige
andere (einfache oder Mehrfach-) Tunnelstrukturen hergestellt werden.
Es ist ebenfalls möglich,
an Stelle von Metall- (oder Halbleiter-) und Isolatorschichten (zur
Erzeugung quantenelektronischer Bauelemente) entsprechende p-, i-
und n-Halbleitermaterialien sequenziell zu deponieren, um auf diese
Weise Mehrschichtstrukturen "klassischer" elektronischer Bauelemente
zu erzeugen.
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Die
parallelen Nanolöcher
können
auf verschiedene Weisen in das isolierte Substrat eingebracht werden.
Es bietet sich hier vor allem an, die Nanolöcher durch parallelen Ionenbeschuss
der Isolatorgrundschicht und durch anschließendes chemisches Anätzen der
latenten Ionenspuren in der Isolatorgrundschicht zu erzeugen. Die
Substrate können hierzu
mit Hilfe eines Schwerionenbeschleunigers mittels Schwerionenbestrahlung
in bekannter Weise strukturiert werden. Derart gewonnene Strukturen lassen
sich im Fall poröser
Polymerfolien auch kommerziell erwerben. Alternativ können die
Strukturen auch durch Molekularbeamepitaxie oder nanolithographische
Techniken hergestellt werden, oder es kann ein bereits porös aufgewachsenes
Aluminiumoxid als Substrat benutzt werden. Dabei dienen die Wände der
Nanolöcher
(Porenwände)
zur lateralen Begrenzung der durch das alternierende vertikale Aufdampfen
von dünnen
leitenden und nicht leitenden Schichten hergestellten Tunnelstrukturen.
Es werden dadurch die Nanopartikel in der Form kleiner flacher Scheiben
gewonnen, derart, dass ihre Fläche gleich
der Querschnittsfläche
der geätzten
Nanospuren und ihre Höhe
gleich der Dicke der jeweils aufgedampften Schicht ist. Der geringe
Durchmesser der Nanolöcher
(vorzugsweise um etwa 10 nm oder darunter) bewirkt, dass darin die
scheibenförmigen
Nanopartikel in einer Größenordnung
erzeugt werden, die zu deutlich erkennbaren Tunneleffekten auch
bei Zimmertemperatur führen.
Für das
präzise
vertikal ausgerichtete Aufdampfen kann die poröse Isolatorgrundschicht auf
einem Goniometertisch angeordnet und auf diesem hochgenau ausgerichtet
werden. Das geschieht heutzutage maschinell mit entsprechenden kommerziellen
Programmen. Vorteilhaft für das
parallele Aufdampfen ist es auch, wenn die Aufdampfvorrichtung zur
Erzeugung paralleler Aufdampfstrahlen weit von der Isolatorgrundschicht
entfernt angeordnet ist und ein Blendensystem in der Aufdampfrichtung
enthält.
Dadurch können
hochgradig parallele Aufdampfstrahlen der abzuscheidenden Materialschichten
erzeugt werden.
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Zur
Erzeugung eines elektronischen Nanobauelements nach der Erfindung
werden kostspielige, zeitraubende und komplizierte Verfahren wie
die Mani pulation mit einzelnen Atomen im Rasterkraftmikroskop oder
die Hochdosis-Ionenimplantation
mit anschließender
Temperung vermieden. Es wird vielmehr die Möglichkeit einer einfachen Massenproduktion
dieser Strukturen in verschiedenen Nanobauelementen mit unterschiedlichen
elektronischen Funktionen eröffnet.
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Ausbildungsformen
des beanspruchten elektronischen Nanobauelement mit einer Tunnelstruktur und
des bevorzugten Verfahrens zu seiner Herstellung werden anhand der
schematischen Figuren im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein
elektronisches Nanobauelement mit zwei Nanoelektroden,
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2 das
elektronische Nanobauelement gemäß 1 mit
Bemaßung
und Materialangaben,
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3 das
elektronische Schema des Nanobauelements gemäß 1 und
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4 ein
elektronisches Nanobauelement mit einem konischen Nanoloch.
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In
der 1 ist ein elektronisches Nanobauelement NB in
der Ausführungsform
eines Nanotransistors mit einer Tunnelstruktur in integriertem Mehrschichtaufbau
MSA auf einem Substrat S mit einer Isolatorgrundschicht IGS dargestellt.
Es weist ein bis auf das Substrat S durchgängiges Nanoloch NL auf, das
ein hohes Aspektverhältnis
aufweist, das heißt, das
im Verhältnis
zu seinem geringen Durchmesser sehr lang und damit porenförmig ausgeprägt ist.
Das Nanoloch NL ist sehr genau vertikal mit einem maximalen Neigungswinkel
von ± 1° bis ± 3° ausgerichtet. Das
vertikale Nanoloch NL dient als laterale Begrenzung von zwei in
dem Nanoloch NL übereinander
angeordneten Nanoelektroden NE, die jeweils durch Tunnelbarrieren
TB von angrenzenden Leitschichten LS getrennt sind. Dabei bildet
die obere Leitschicht LS eine Deckkontaktschicht, die der Ansteuerung des
Nanobauelements NB dient.
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In
dem Mehrschichtaufbau MSA sind alternierend Isolatorschichten IS
und weitere Leitschichten LS auf der Isolatorgrundschicht IGS angeordnet. Dabei
sind diese Schichten im Bereich des Nanolochs NL um den Betrag der
Schichtdicke D der Isolatorgrundschicht IGS genau vertikal versetzt.
Im Versatzbereich sind scheibenförmige
Leitschicht-Nanopartikel LNP und scheibenförmige Isolatorschicht-Nanopartikel
INP ausgebildet. Dadurch, dass die weiteren Leitschichten LS eine
geringere Schichtdicke d aufweisen als die Schichtdicke D der Isolatorgrundschicht
IGS beträgt,
werden die scheibenförmigen
Leitschicht-Nanopartikel LNP durch die scheibenförmige Isolatorschicht-Nanopartikel
INP im Bereich der Isolatorschichten IS voneinander und von den
darüber
und darunter liegenden Leitschichten LS elektrisch getrennt. Dadurch
bilden die Leitschicht-Nanopartikel LNP die Nanoelektroden und die
scheibenförmigen
Isolatorschicht-Nanopartikel INP die Tunnelbarrieren TB aus. Dabei
ist es für
deren Funktion unerheblich, dass die Isolator-Nanopartikel INP eine Überdeckung
mit den Isolatorschichten IS aufweisen. Funktionswichtig ist die
elektrische Isolation der Leitschicht-Nanopartikel LNP von den Leitschichten
LS. Die elektrische Kontaktierung eines derartig strukturierten
Nanobauelements NB ist der 3 zu entnehmen.
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Die 2 zeigt
ein mögliches
Bemaßungsschema
des Nanobaulements NB gemäß 1.
Dabei liegt der Nullpunkt der Bemaßungsskala auf der Oberfläche des
Substrats S, das beispielsweise aus Si oder SiO2 gebildet
sein kann. Auf die Oberfläche des
Substrats ist eine Isolatorgrundschicht IGS, beispielsweise aus
SiO2 oder einem Polymer) mit einer Schichtstärke D von
5 nm aufgebracht. Das Nanoloch NL mit einem Durchmesser von 7 nm
durchdringt die Isolatorgrundschicht IGS vollständig und legt das Substrat
S frei. Da es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um ein elektrisch
leitendes Substrat S handelt, folgt im Mehrschichtaufbau MSA zunächst eine
dünne weitere Isolationsschicht
IS1 mit einer Schichtstärke von 2 nm. Es schließt sich
eine Leitschicht LS1, beispielsweise aus
einem Metall (Au) oder einem Halbleiter (Si), mit einer Schichtstärke d von
3 nm an. Darauf folgen eine Isolationsschicht IS2 von
7 nm, eine Leitschicht LS2 von 3 nm, eine
Isolationsschicht IS3 von 7 nm und eine
als Deckkontakt fungierende und daher dickere abschließende Leitschicht
LS3 von 10 nm. Aus dem Versatz der einzelnen
Schichten um die Schichtstärke
D der Isolatorgrundschicht IGS abzüglich der ersten weiteren Isolationsschicht
IS1 ergibt sich eine Höhe der Leitschicht-Nanopartikel LNP
von 3 nm und der Isolationsschicht-Nanopartikel INP von 7 nm. Der
Isolationsabstand der Leitschicht-Nanopartikel LNP zu den Leitschichten
LS1, LS2 beträgt 2 nm,
was der Schichtstärke
der untersten Isolationsschicht IL1 entspricht. Der
gesamte Mehrschichtaufbau MSA auf dem Substrat S umfasst 37 nm.
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Der äußerst geringe
Durchmesser der Nanolöcher
NL (vorzugsweise um die 10 nm oder darunter) bewirkt, dass in den
Nanolöchern
NL beim Aufdampfen scheibenförmige
Nanopartikel in einer Größenordnung
entstehen, die zu deutlich erkennbaren Tunneleffekten auch bei Zimmertemperatur
führen. Es
lassen sich sogar komplexen Tunnelstrukturen leicht verwirklichen.
In der 3 ist die Kontaktierung des zuvor beschrieben
Nanobauelements NB in der Funktionsweise eines SET (Source 2/Gate/Drain)
mit einer zweiten nicht steuerbaren Tunnelstruktur (Source 1/Drain)
durch einen gemeinsamen Drain-Kontakt verknüpft. Die leitenden Bereiche
sind schraffiert, die isolierenden Bereiche unschraffiert dargestellt.
Alternativ könnte
z.B. die untere Nanoelektrode NE2 auch konstruktiv
mit dem Substrat S (Source 1) leitend verbunden werden und als zweites
Gate für
die Struktur (Source 2/Gate/Drain) benutzt werden.
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Details
zum Verfahrensablauf zur Herstellung eines elektronischen Nanobaulements
NB werden im Folgenden näher
erläutert:
Als
Ausgangsmaterial wird eine Folie oder eine dünne Schicht eines isolierenden
Materials, beispielsweise eine Polymerfolie oder eine Siliziumoxidschicht – mit eingebetteten
parallelen zylindrischen Nanolöchern
NL darin als Isolatorgrundschicht IGS benötigt. Bei diesen Nanolöchern NL
handelt es sich zweckmäßigerweise
um geätzte
Ionenspuren, aber es können
auch andere Produktionsverfahren zur Gewinnung dieser Nanolöcher NL
(z.B. durch Selbstorganisation wie bei porösen Aluminiumoxidschichten
oder mit Hilfe von Nanolithographie) angewendet werden. Entscheidend
für die
Herstellung ist die Genauigkeit der Parallelität der Nanolöcher NL, die besser als ± 1° bis 3° sein muss.
Das ist bei heutigen Präparationstechniken
stets gegeben.
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Die
Nanolöcher
NL sollten üblicherweise
von zylindrischer Geometrie sein. Im Fall konischer Nanolöcher NL,
die von der Oberfläche
zum Substrat S spitz zulaufen, ist ein maximaler Öffnungswinkel
von nur etwa 1° bis
3° tolerierbar – bei größeren Öffnungswinkeln
würde die
auf der Nanolochwand zusätzlich
deponierte Leiterschicht LS zu Kurzschlüssen führen. Es ist allerdings möglich, konische
Nanolöcher
NL beliebigen Öffnungswinkels
zu verwenden, falls ihre Öffnungen
in umgekehrter Richtung verlaufen – d.h. falls sie eng an der
Oberfläche
und aufgeweitet im Innern sind. In diesem Fall können die Porenwände aus
geometrischen Gründen
nie mit Kurzschluss-Schichten bedeckt werden. Alternativ kann im
Fall konisch zum Substrat S hin zulaufender Nanolöcher NL
durch eine der eigentliche Bedampfung vorgelagerte Schrägbedampfung
auf ein rotierendes Target und eine nachfolgende Oberflächendiffusion eine
Wulst W am Eingang des Nanolochs NL aufgebaut werden, der wie eine
Blende wirkt, sodass eine Schrägbedampfung
der Nanolochwände
ausgeschlossen werden kann und eine anschließende Vertikalbedampfung (Pfeile)
gewährleistet
ist (vergleiche 4).
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Im
Fall poröser
Polymerfolien als Isolatorgrundschicht IGS müssen jene eng auf einem sehr glatten
Substrat S (z.B. einer Glasplatte) aufliegen, damit sie plan sind
und so alle Nanolöcher
NL exakt parallel zueinander ausgerichtet sind. Im Fall poröser Siliziumoxid-
oder Siliziumoxynitrid-Schichten ist dieses Kriterium automatisch
erfüllt,
weil diese Schichten direkt auf den hochpolierten Silizium-Scheiben aufgewachsen
werden. Ebenso ist das bei porösen Aluminiumoxid-Schichten
der Fall, die auf glatten Aluminiumoberflächen galvanisch aufwachsen.
Die Schichtdicke der Polymerfolie oder Oxidschicht und der Durchmesser
der geätzten
Ionenspuren können beliebig,
jedoch natürlich
innerhalb der durch die Funktionsfähigkeit des zu erstellenden
Bauelements gegebenen Bemaßungsgrenzen
gewählt
werden.
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Weiterhin
wird eine Aufdampfeinrichtung, die sehr parallele thermische Atom- oder Molekularstrahlen
erzeugt, benötigt.
Hierbei kann es sich um eine Aufdampfquelle in sehr großem Abstand
vom Substrat S mit einem dazu dazugehörigen Blendensystem handeln.
Schließlich
wird noch eine Einrichtung zum präzisen (besser als ± 1° bis 3°) Ausrichten
der Isolatorgrundschicht IGS auf dem Substrat S mit den darin befindlichen
parallelen Nanolöchern
NL in Aufdampfrichtung benötigt.
Hierzu kann die zu präparierende Probe
auf einem Goniometer montiert werden. Die Ausrichtung ist dann optimiert,
wenn beispielsweise die Transmission von zum Test durch die Nanolöcher NL
hindurch geschossenen energetischen Alpha-Teilchen oder von Laserlicht
durch die Nanolöcher
NL ein Maximum hat. Dieser Justiervorgang kann mit Hilfe kommerzieller
Programme automatisiert werden.
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Die
Grundidee des beanspruchten Verfahrens besagt, dass sich durch gleichzeitiges,
sehr paralleles Aufdampfen derselben Schichtstrukturen-Sequenzen definierter
Schichtdicken auf die Isolatorgrundschicht IGS und die darin eingebetteten
Nanolöcher
NL nanometrische, gegeneinander verschobene und gegeneinander isolierte
Leiterstrukturen in verschiedenen Höhenpositionen erzeugen lassen, die
als Nanobauelemente NB für
die Tunnel-Elektronik
nutzbar sind. Die notwendige hohe Parallelität der Aufdampfstrahlen und
der Nanolöcher
NL untereinander und zueinander (besser als ± 1° bis 3°) ist notwendig, um die Bildung
von Kurzschlüssen
durch Aufdampf-Brücken
leitenden Materials auf den Nanolöcherwänden zu verhindern; die Menge
des eventuell dort fehlerhaft deponierten leitenden Materials muss
auf jeden Fall soweit minimiert werden, dass sich keine kontinuierlich
leitende Schicht aufbaut, sondern dass das hier deponierte Material
stets diskontinuierlich bleibt. Das erfordert größere Abstände zwischen Aufdampfapparatur
und Probe sowie die genaue Proben-Ausrichtung (z.B. auf einem Goniometer)
vor dem Aufdampfen. Größere Abstände führen zwar
zu etwas längeren
Aufdampfzeiten, allerdings bleiben diese wegen der geringen erforderlichen
totalen Schichtdicke der Strukturen trotzdem relativ kurz. Das relativ
genaue Ausrichten von Proben vor ihrer Bearbeitung innerhalb von
wenigen Grad ist Stand der Technik; beispielsweise werden Silizium-Scheiben
als Substrate für
die kommerzielle Elektronik vor dem Dotieren durch Implantation
routinemäßig und
automatisch um etwa 7° gegen
ihre Kristallachse gekippt, um Channeling-Effekte zu unterdrücken.
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- d
- Schichtstärke von
LS
- D
- Schichtdicke
von IGS
- Drain
- Drain-Kontakt
- Gate
- Gate-Kontakt
- IGS
- Isolatorgrundschicht
- INP
- Isolatorschicht-Nanopartikel
- IS
- Isolatorschicht
- LNP
- Leitschicht-Nanopartikel
- LS
- Leitschichten
- MSA
- Mehrschichtaufbau
- NB
- Nanobauelement
- NE
- Nanoelektrode
- NL
- Nanoloch
- S
- Substrat
- Source
- Source-Kontakt
- TB
- Tunnelbarriere
- W
- Wulst