Coulomb blockade in silicon nanowire MOSFETs
Blocage de Coulomb dans les transistors silicium à base de nanofils
Résumé
We present electrical transport measurements at low temperature on single-electron transistors (SETs) based on silicon nanowire MOSFETs.
The Coulomb island is formed in the wire not by constrictions or oxide barriers but by a modulation of the doping level and a gate electrode covering the central part of the wire. The devices form very stable SETs with well-controlled properties.
When few electrons are on the island, it is in a localized regime with strong fluctuations of the spacing between Coulomb blockade peaks. When more than a few tens of electrons are on the island it becomes diffusive. Then the fluctuations of the peak spacing are small and scale with the single-particle level spacing.
The well-controlled Coulomb blockade allows to investigate the barriers formed by the low-doped parts of the wire. On a small scale, the charging of single dopants in the barriers causes anomalies in the Coulomb blockade spectrum which allow to determine capacitance matrix, approximate position, dynamics and spin of the individual dopants. On a large scale, the increase of the electron density in the barriers with gate voltage leads to a dramatic increase of the dielectric constant in the barriers. We find dielectric constant and conductance of the barriers to be linked as predicted by scaling laws describing the metal-insulator transition.
The Coulomb island is formed in the wire not by constrictions or oxide barriers but by a modulation of the doping level and a gate electrode covering the central part of the wire. The devices form very stable SETs with well-controlled properties.
When few electrons are on the island, it is in a localized regime with strong fluctuations of the spacing between Coulomb blockade peaks. When more than a few tens of electrons are on the island it becomes diffusive. Then the fluctuations of the peak spacing are small and scale with the single-particle level spacing.
The well-controlled Coulomb blockade allows to investigate the barriers formed by the low-doped parts of the wire. On a small scale, the charging of single dopants in the barriers causes anomalies in the Coulomb blockade spectrum which allow to determine capacitance matrix, approximate position, dynamics and spin of the individual dopants. On a large scale, the increase of the electron density in the barriers with gate voltage leads to a dramatic increase of the dielectric constant in the barriers. We find dielectric constant and conductance of the barriers to be linked as predicted by scaling laws describing the metal-insulator transition.
Cette thèse est consacrée à des mesures de transport électronique dans des transistors mono-électroniques de type MOSFET silicium à base de nanofil.
L'îlot de blocage de Coulomb n'est pas formé par des constrictions ou des barrières d'oxyde mais par une modulation du dopage et une grille couvrant la partie centrale du fil. Ces dispositifs sont des transistors mono-électroniques très stables et bien contrôlés.
Quand il ne contient que peu d'électrons, l'îlot est dans un régime localisé où l'espacement entre résonances de Coulomb est très irrégulier. A partir de quelques dizaines d'électrons l'îlot devient diffusif. Dans ce cas les fluctuations de l'espacement entre résonances sont petites et correspondent à l'espacement entre niveaux à une particule.
Le blocage de Coulomb contrôlé permet d'analyser les barrières formées par les parties faiblement dopées du fil. A petite échelle, le remplissage de dopants individuels cause des anomalies dans le spectre de Coulomb qui permettent de remonter à la matrice de capacité, la position approximative, la dynamique et le spin des dopants. A grande échelle l'augmentation de la densité électronique dans les barrières avec la tension de grille entraîne une forte augmentation de la constante diélectrique dans les barrières. Nous observons un bon accord entre constante diélectrique et conductance des barrières via les lois d'échelle de la transition métal-isolant.
L'îlot de blocage de Coulomb n'est pas formé par des constrictions ou des barrières d'oxyde mais par une modulation du dopage et une grille couvrant la partie centrale du fil. Ces dispositifs sont des transistors mono-électroniques très stables et bien contrôlés.
Quand il ne contient que peu d'électrons, l'îlot est dans un régime localisé où l'espacement entre résonances de Coulomb est très irrégulier. A partir de quelques dizaines d'électrons l'îlot devient diffusif. Dans ce cas les fluctuations de l'espacement entre résonances sont petites et correspondent à l'espacement entre niveaux à une particule.
Le blocage de Coulomb contrôlé permet d'analyser les barrières formées par les parties faiblement dopées du fil. A petite échelle, le remplissage de dopants individuels cause des anomalies dans le spectre de Coulomb qui permettent de remonter à la matrice de capacité, la position approximative, la dynamique et le spin des dopants. A grande échelle l'augmentation de la densité électronique dans les barrières avec la tension de grille entraîne une forte augmentation de la constante diélectrique dans les barrières. Nous observons un bon accord entre constante diélectrique et conductance des barrières via les lois d'échelle de la transition métal-isolant.
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