السيليكون المعدنية أكسيد أشباه الموصلات الكم النقاط لالضخ وحيد الإلكترون

الهدف العام من التجربة التالية هو تصنيع نقاط كمومية لأشباه الموصلات من أكسيد المعادن القائمة على السيليكون وتشغيلها كمضخات إلكترون مفردة. يتم تحقيق ذلك من خلال تصنيع ترانزستورات نانو من السيليكون بتقنية مشية متعددة الطبقات ، والتي تسمح للمرء بالتحكم الكهروستاتيكي في الإلكترونات الفردية المحصورة داخل النقاط الكمومية ومعالجة معدل نقلها. كخطوة ثانية.

يتم اختبار الأجهزة المصنعة في درجة حرارة الهيليوم السائل للتحقق من سلامتها الهيكلية. تشير ملاحظة البرودة عند الحصار في خصائص الجهد الحالي إلى وظائف الجهاز المرضية. تظهر النتائج أنه يمكن تشغيل النقطة الكمومية كمضخة إلكترونية واحدة في منصة قياس مالك كلفن.

عندما يتم تشغيل شفافية حاجز المدخل بإشارة تيار متردد. يتضح ذلك من خلال ظهور الهضاب الحالية المميزة. تقع شركة Silicon Nanoelectronics في قلب عصر المعلومات الذي نعيش فيه جميعا.

من اللافت للنظر أن السيليكون هو أيضا مادة مضيفة ممتازة للتطبيقات القائمة على الكم مثل الحوسبة الكمومية والقياس الكهربائي الكمي. هنا في جامعة نيو ساوث ويلز ، قمنا بتطوير التكنولوجيا لتحويل الترانزستورات التقليدية إلى أجهزة كمومية. يمكننا حصر الإلكترونات في منطقة صغيرة من السيليكون بحجم بضع عشرات من النانومترات فقط.

هذا شيء يسميه الناس النقطة الكمومية. نستخدم هذه النقاط الكمومية لالتقاط إلكترون بدقة من سلك المصدر ودفعه إلى سلك التصريف ، وسيتم استخدام تكرار هذه العملية بسرعة كبيرة في المستقبل لتوليد التيار الكهربائي الأكثر دقة في العالم. الهدف الطويل الأمد في المقاييس الكهربائية هو إعادة تعريف وحدة زوج DM للتيار الكهربائي من خلال ربط قيمتها بثابت حقيقي للطبيعة ، مثل شحنة الإلكترون.

تشرح التقنيات المقدمة كيفية تصنيع وتشغيل أجهزة السيليكون الكمومية لتنفيذ هذا الرابط. يتم تصنيع الأجهزة النانوية المستخدمة في هذا العمل باستخدام بروتوكول متوافق إلى حد كبير مع عمليات CMOs الصناعية. ومع ذلك ، على عكس أجهزة CMOs القياسية ، نضيف كومة بوابة معدنية ، مما يسمح للمرء بحصر الإلكترونات الفردية مكانيا.

يوضح بروتوكولنا كيفية اختبار وتشغيل مضخة إلكترون مفردة قائمة على النقاط الكمومية. المكون الرئيسي لنجاحها هو التحكم في الإمكانات الكهروستاتيكية للنقطة ، وكذلك على شفافية حواجز الأنفاق. عادة ما تستخدم إشارات التردد اللاسلكي المتعددة لدفع نقل الإلكترونات المفردة من وإلى tdot.

الميزة الكبيرة لأجهزتنا متعددة الطبقات ذات البوابات على التطبيقات البديلة مثل الأجهزة المعدنية أو ثلاثة أشباه الموصلات الخمسة ، هي أننا حققنا تحكما رائعا في الحبس الكهروستاتيكي للنقطة. كان هذا هو المفتاح لقمع الأخطاء في آلية الضخ. لإنشاء طبقة أكسيد المجال على رقاقة السيليكون ، جهز فرن أكسدة عند 900 درجة مئوية.

ابدأ برقاقة سيليكون بوصتين تم تنظيفها بشكل صحيح. ضع الرقاقة في الفرن وابدأ خطوات الأكسدة. تستغرق خطوات الأكسدة حوالي ساعة وربع ساعة.

عند الانتهاء ، استعد لإيداع طبقة من HDMS على الرقاقة لبدء إنشاء جهات الاتصال omic. للقيام بذلك ، ضع الرقاقة على طبق ساخن على حرارة 110 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة. أيضا ، صب حوالي 50 مل من HDMS في منقار زجاجي.

عندما يكون كلاهما جاهزا ، ضع الرقاقة والدورق في غرفة مفرغة لإيداع طبقة بسمك بضعة نانومتر من HDMS على الرقاقة. بعد إزالة الرقاقة من غرفة التفريغ ، انقلها إلى مبرمج الدوران. هناك. قم بتدوير طبقة من اثنين إلى أربعة ميكرومتر من مقاومة الضوء على كل من الجزء الخلفي والأمامي من الرقاقة.

استمر بتحريك الرقاقة من موفر الدوران إلى تقويم القناع. ضع الرقاقة وقم بإعداد القناع لنقش جهات الاتصال لهذه العملية. استخدم الأشعة فوق البنفسجية لنقل نمط التلامس اللامسي هذا إلى الرقاقة.

بعد الزخرفة ، انقل الرقاقة إلى طبق ساخن. اخبزي الرقاقة على حرارة 110 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة بعد الخبز اللاحق. قم بتطوير الرقاقة لمدة دقيقة إلى دقيقتين واشطفها بالماء منزوع الأيونات قبل نقلها إلى آلة حفر البلازما.

قم بإجراء حفر بلازما الأكسجين لمدة 20 دقيقة عند 340. Millitorr بقوة حادثة 50 واط وأقل من واط واحد من الطاقة المنعكسة. بعد حفر البلازما ، قم بتجهيز محلول حمض الهيدروفلوريك المخزن 15 إلى واحد عند 30 درجة مئوية.

احفر الأكسيد لمدة أربع إلى خمس دقائق ، بافتراض أن معدل الحافة 20 نانومتر في الدقيقة عند 30 درجة مئوية. عند الانتهاء ، اشطف الرقاقة بالماء منزوع الأيونات لمدة خمس دقائق ، جفف الرقاقة بالنيتروجين الجاف قبل المتابعة. بعد ذلك ، لديك أوعية جاهزة من الأسيتون والأيزوبروبانول.

قم بإزالة مقاومة الضوء عن طريق غمر الرقاقة في الأسيتون لمدة خمس دقائق. اتبع ذلك عن طريق شطفه في الأيزوبروبانول لمدة خمس دقائق أخرى. انقل الرقاقة الجافة إلى فرن عند 1000 درجة مئوية مزود بمصدر فوسفور.

ضع الرقاقة بالداخل مع تدفق غاز النيتروجين لمدة 30 إلى 45 دقيقة حسب كثافة المنشطات المطلوبة. بعد استعادة الرقاقة ، استعد لإزالة طبقة الأكسيد الملوثة. جهز وعاء من حمض الهيدروفلوريك المخفف في الماء ووعاء من الماء منزوع الأيونات يكفي لغمر الرقاقة.

اغمر الرقاقة في الحمض لمدة ثلاث إلى أربع دقائق ، ثم اشطفها في الماء لمدة 10 دقائق. أعد الرقاقة إلى فرن الأكسدة الموجود عند 900 درجة هناك. انتقل إلى خطوات الأكسدة على مدار حوالي ساعة وربع ساعة بعد الأكسدة.

الخطوة التالية هي تكوين ترسيب أكسيد المشي بسمك بضعة نانومتر من HDMS على الرقاقة. بعد ذلك ، انتقل إلى طبقة تدور المبرمج ، من اثنين إلى أربعة ميكرومترات من مقاومة الضوء على جانبي الرقاقة. مرة أخرى ، خذ الرقاقة إلى تقويم القناع هناك.

قم بتعريض الرقاقة للأشعة فوق البنفسجية لنقل النمط المطلوب. بعد تطوير الرقاقة ، ضعها في حفر بلازما الأكسجين لمدة 20 دقيقة عند 340 ملليتور. اتبع ذلك بالنقش في محلول حمض الهيدروفلوريك المخزن 15 إلى واحد عند 30 درجة مئوية.

ضع الرقاقة في المحلول لمدة ثلاث إلى أربع دقائق ، ثم اشطف الرقاقة بالماء منزوع الأيونات لمدة خمس دقائق. بعد تجفيف الرقاقة ، اغمرها في الأسيتون لمدة خمس دقائق. لإزالة مقاومة الضوء ، اشطف الرقاقة في الأيزوبروبانول لمدة خمس دقائق.

بعد تجفيف الرقاقة بغاز النيتروجين ، خذها إلى فرن مخصص 800 درجة مئوية وضعها داخل خطوات الأكسدة. يستغرق من ساعة إلى ساعة و 15 دقيقة حسب سمك الأكسيد المطلوب. قبل زخرفة المشي ، يجب أن تخضع الرقاقة لتعدين ملامسات المصدر والتصريف وتقطيعها إلى رقائق فردية.

أيضا تصميم هذه الرقائق مقاس 10 ملم × ملليمترين بعلامات محاذاة لتصميم الطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون ، وتأخذ بوابات الألمنيوم ثلاث تمريرات وتبدأ بطلاء الدوران. لكل تمريرة ، تدور بولي ميثيل ميثاكريلات أربعة تقاوم بسمك 150 إلى 200 نانومتر. بعد الطلاء ، انقل الرقاقة إلى لوح ساخن على حرارة 180 درجة مئوية.

اخبزي الرقائق لمدة 90 ثانية قبل المتابعة. الآن انقل الشريحة إلى طباعة حجرية بشعاع إلكتروني. أثناء الطباعة الحجرية ، استخدم معلمات مختلفة للدقة العالية والمنخفضة.

هذا هو نمط تخطيط المشي. في هذه التجربة ، قم بتطوير المقاومة بمحلول الأيزوبوتيل والكيتون والأيزوبروبانول. بنسبة واحد إلى ثلاثة ، اغمر الشريحة في المحلول لمدة 40 إلى 60 ثانية.

اشطف الرقاقة في الأيزوبروبانول لمدة 20 ثانية وجففها بالنيتروجين. بعد ذلك ، خذ الشريحة إلى مبخر حراري. استعد لتبخير الألومنيوم في التمريرة الأولى.

تبخر الألومنيوم بسرعة 0.1 إلى 0.4 نانومتر في الثانية إلى سمك مستهدف من 25 إلى 35 نانومتر. بعد أن يشرع التبخر في رفع المعدن ، جهز وعاء من إيثيل اثنين من البارون على لوح ساخن عند 80 درجة مئوية وانقع الرقاقة لمدة ساعة واحدة. بعد ذلك ، اشطف الرقاقة في الأيزوبروبانول لمدة دقيقتين.

قم بإجراء أكسدة الألومنيوم على لوح ساخن عند 150 درجة مئوية. ضع الشريحة الجافة على الطبق الساخن لمدة خمس إلى 10 دقائق. أكمل التمريرة الأولى عن طريق تنظيف الشريحة ، وتنظيفها ، باستخدام الأسيتون والأيزوبروبانول عند 7 ، 500 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية.

يقدم هذا التخطيطي نظرة عامة على ما تم إنجازه في التمريرة الأولى. خلال التمريرة الثانية ، تبخر طبقة من الألومنيوم من 45 إلى 65 نانومتر. في المسار الثالث ، تبخر طبقة من الألومنيوم من 75 إلى 90 نانومتر لتحقيق كومة البوابة ثلاثية الطبقات.

من أجل إجراء اختبارات السلامة ، يجب تركيب شريحة بشكل صحيح على لوحة الدوائر المطبوعة ، وتركيب شريحة ، وإجراء توصيلات كهربائية بينها وبين الدائرة المطبوعة. بعد ذلك ، قم بتركيب لوحة الدوائر المطبوعة على مسبار تراجع. قم بتوصيل المسبار للسماح بالتوصيل الكهربائي ببوابات الجهاز.

عندما يكون المسبار جاهزا ، احصل على وعاء يحتوي على الهيليوم السائل واغمر المسبار ببطء لتجنب غليان الهيليوم المفرط. يوضح هذا التخطيطي التوصيلات الخاصة باختبار التسرب. باستخدام أقطاب درجة حرارة الغرفة ، قم بتأريض جميع البوابات باستثناء واحدة متصلة بوحدة قياس المصدر.

امسح مصدر قياس جهد الوحدة من صفر إلى 1.5 فولت بخطوات 0.1 فولت لقياس التيار وتسجيله. إذا لم يتم اكتشاف أي تيار ، فإن الجهاز يجتاز اختبار التسرب. للاختبار التالي ، قم بتوصيل كل بوابة بمصدر جهد تيار مستمر متغير.

قم بتوصيل خط المصدر بمنفذ الإدخال الخاص بمكبر للصوت. قم أيضا بتوصيل خط التصريف بمصدر جهد التيار المتردد المدمج في مكبر الصوت. قم بقياس خصائص التشغيل عن طريق تكثيف جهد البوابة المطبق على BL و br و pl و sl و DL في نفس الوقت مع الحفاظ على C واحد و C اثنين على الأرض.

سجل خصائص تشغيل الجهاز. هذا أثر عينة لهذا القياس. بعد ذلك ، قم بخفض جهد كل بوابة على حدة لتسجيل خصائص قرصه حيث يتم تكثيف BL لهذا القياس.

هنا نتائج ممثلنا للدوران وقرصة قبالة الخصائص في المؤامرة. يتم إعطاء تيار التيار المتردد لتصريف مصدر RMS كدالة لجهد البوابة. تم تمييز البوابات في التخطيطي.

يتم توصيل جهات اتصال المصدر والصرف بمكبر للصوت مع إثارة RMS 50 ميكروفولت عند حوالي 113 هرتز ويتم توصيل البوابات برف بطارية جهد معياري يمكن التحكم فيه. يتم تثبيت البوابة C الأولى و C الثانية عند صفر فولت بينما يتم الاحتفاظ بالآخرين عند فولت. هذا قياس تمثيلي لتيار تصريف المصدر الممثل على طيف اللون كدالة لتحيز تصريف المصدر وجهد بوابة المكبس.

عندما يتم تشكيل الكم تحت بوابة المكبس ، فإنه يكشف بوضوح عن التوقيع المميز لحصار علم. يمكن تحقيق ضخ الإلكترون الفردي عند تشغيل الجهاز في منصة قياس درجة حرارة ملي كلفن مزودة بخطوط كهربائية عالية التردد.

في هذه التجربة ، يتم تشغيل الجهاز بمحرك جيبي بإشارة 10 ميغاهرتز عند حاجز الإدخال وبوابة المكبس. الهضاب الحالية المميزة عند مضاعفات الأعداد الصحيحة لشحنة الإلكترون والتردد هي توقيع عمليات نقل الشحنة الكمية. قد تختلف معظم دورات معلمات العملية في هذا البروتوكول اعتمادا على أدوات التصنيع المستخدمة وكذلك على نوع ركيزة السيليكون.

معايرة واختبار كميات مثل جرعة التعرض للطباعة الحجرية أو وقت الحفر أو مدة الأكسدة بعناية لضمان عائد موثوق. أثناء تدفق عملية التصنيع، من الأهمية بمكان تجنب التلوث المتبادل بين معدات التصنيع لعمليات مختلفة. لتجنب ذلك ، لدينا عدد من الأدوات المخصصة حصريا لمعالجة السيليكون ، مثل المبخرات المعدنية وأفران الأكسدة وحمامات التردد العالي التردد.

يتم أخذ النتائج الموضحة للتكميم الحالي بتردد قيادة طويل نسبيا يبلغ 10 ميغاهرتز يمكن من أجله ضبط المعلمات التجريبية بسرعة. من الناحية العملية ، من المستحسن تشغيل المضخة بعدة مئات من الميجاهرتز. من المهم الإشارة إلى أن هذا يتطلب عادة تحسين المعلمات أدق بكثير ويستغرق وقتا طويلا.

بعد عملية التصنيع وتقنيات القياس التي تمت مناقشتها في هذا الفيديو ، تمكنا من توليد تيار كهربائي مجهري بمستويات دقة قياسية بين الأنظمة القائمة على السيليكون. هذا يضع وعودا هائلة لإعادة تعريف وحدة التيار في المستقبل ، بناء على مبادئ ميكانيكا الكم فقط. نبض. نحن نبحث حاليا في استبدال البوابات المعدنية العادية في أجهزتنا بالسيليكون البلوري.

من المحتمل أن يؤدي هذا إلى منع ضوضاء شحن الخلفية التي نلاحظها حاليا. هدفنا هو تحسين الاستقرار والدقة الناتجة عن مضخة الإلكترون. سنلبي بعد ذلك متطلبات الأرصاد الجوية القصوى لمعيار عالمي جديد حالي.

تظهر التقنيات التي قدمناها في هذا الفيديو الإمكانات الكبيرة لتقنية النانو القائمة على السيليكون للأجهزة الكمومية. يجذب السيليكون المزيد والمزيد من الاهتمام باعتباره المادة المفضلة لضخ الشحنات ، ويرجع ذلك إلى جاذبية تنفيذ معيار حالي جديد باستخدام عمليات السيليكون المتوافقة مع الصناعة ، والتي من شأنها أن تستفيد من تقنيات التكامل الراسخة المتاحة في وقت مبكر لقابلية توسع النظام.