Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

以下实验的总体目标是制造硅基金属氧化物半导体量子点，并将其作为单电子泵运行。这是通过使用多层步态技术制造硅纳米晶体管来实现的，该技术允许人们静电控制局限在量子点内的单个电子并纵它们的传输速率。作为第二步。

制造的设备在液氦温度下进行测试，以检查其结构完整性。在电流电压特性中观察到 cool on blockade 表明器件功能令人满意。结果表明，量子点可以在 Malik Kelvin 测量平台中作为单个电子泵运行。

当入口道闸的透明度由交流信号驱动时。标志性电流平台的出现证明了这一点。硅纳米电子学是我们所有人所处的信息时代的核心。

值得注意的是，硅也是量子计算和量子电计量等量子应用的绝佳主体材料。在新南威尔士大学，我们开发了将传统晶体管转化为量子器件的技术。我们可以将电子限制在硅胶中只有几十纳米大小的微小区域内。

这就是人们所说的量子点。我们使用这样的量子点从源极引线精确捕获电子并将其推到漏极引线，并以极快的速度重复此过程，以产生世界上最精确的电流。电气计量学的一个长期目标是通过将电流 DM 对的值与真正的自然常数（例如电子电荷）联系起来来重新定义电流 DM 对的单位。

所提出的技术解释了如何制造和作硅量子设备以实现此链接。这项工作中使用的纳米级器件是使用与工业 CMO 工艺基本兼容的协议制造的。然而，与标准 CMO 器件不同的是，我们添加了一个金属栅极堆栈，它允许在空间上限制单个电子。

我们的协议演示了如何测试和作基于量子点的单电子泵。其成功的关键因素是控制点的静电电位以及隧道屏障的透明度。多个 RF 信号通常用于驱动单个电子与 tdot 之间的传输。

与金属器件或 3 5 半导体等替代方案相比，我们的多层门控器件的巨大优势在于，我们实现了对点的静电限制的精细控制。这是抑制泵送机构错误的关键。要在硅片上形成场氧化层，请准备好 900 摄氏度的氧化炉。

从正确清洁的 2 英寸硅片开始。将晶片放入炉中并开始氧化步骤。氧化步骤大约需要一刻钟和一刻钟。

完成后，准备在晶圆上沉积一层 HDMS 以开始创建 omic 触点。为此，请将晶圆放在 110 摄氏度的热板上 1 分钟。此外，将大约 50 毫升 HDMS 倒入玻璃喙中。

当两者都准备好后，将晶圆和烧杯放入真空室中，在晶圆上沉积几纳米厚的 HDMS 层。从真空室中取出晶圆后，将其移至旋转编码器。那里。在晶圆的背面和正面旋转一层 2 到 4 微米的光刻胶。

继续将晶圆从旋转编码器移动到掩模对准器。定位晶圆并设置掩模以形成此工艺的触点图案。使用紫外线将这种组学接触图案转移到晶圆上。

图案化后，将晶圆移至热板上。后烘烤后，将威化饼在 110 摄氏度下烘烤 1 分钟。将晶片显影 1 到 2 分钟，然后用去离子水冲洗，然后再将其送入等离子体蚀刻机。

在 340 度下进行氧等离子体刻蚀 20 分钟。毫托，入射功率为 50 瓦，反射功率小于 1 瓦。等离子体蚀刻后，准备好 15 比 1 的缓冲氢氟酸溶液 30 摄氏度。

蚀刻氧化物 4 到 5 分钟，假设在 30 摄氏度下边缘速率为每分钟 20 纳米。完成后，用去离子水冲洗晶片 5 分钟，用干氮气吹干晶片，然后继续。接下来，准备好丙酮和异丙醇的容器。

将晶片浸入丙酮中 5 分钟，去除光刻胶。然后用异丙醇再冲洗 5 分钟。将干燥的晶片移至 1000 摄氏度的装有磷源的炉中。

将晶片放入氮气流中 30 至 45 分钟，具体取决于所需的掺杂密度。回收晶圆后，准备去除受污染的氧化层。准备好一个用水稀释的氢氟酸容器和一个去离子水容器，每个容器都足以浸入晶圆。

将晶片浸入酸中 3 到 4 分钟，然后在水中冲洗 10 分钟。将晶片放回保持 900 度的氧化炉中。在氧化后大约一刻钟的过程中完成氧化步骤。

下一步是在晶圆上形成几纳米厚的 HDMS 层步态氧化物沉积。接下来，转到 spin coder 旋涂，在晶圆的两侧涂上 2 到 4 微米的光刻胶。再次将晶圆带到那里的掩模对准器。

将晶圆暴露在紫外线下以转移所需的图案。显影晶圆后，将其以 340 毫托的氧气等离子体蚀刻 20 分钟。随后在 30 摄氏度的 15 比 1 缓冲氢氟酸溶液中蚀刻。

将晶片置于溶液中 3 到 4 分钟，然后用去离子水冲洗晶片 5 分钟。干燥晶圆后，将其浸入丙酮中 5 分钟。要去除光刻胶，请用异丙醇冲洗晶片 5 分钟。

在氮气中干燥晶片后，将其带到专用的 800 摄氏度炉中，并将其放置在氧化步骤中。需要 1 小时到 1 小时 15 分钟，具体取决于所需的氧化物厚度。在步态图案化之前，晶圆应进行源极和漏极触点的金属化，并切割成单个芯片。

这些 10 毫米 x 2 毫米的芯片还用电子束光刻的对准标记图案化，铝栅极需要三道工序，从旋涂开始。对于每道次，将聚甲基丙烯酸甲酯 a 四光刻胶旋转至 150 至 200 纳米的厚度。涂层后，将芯片转移到 180 摄氏度的热板上。

薯片烘烤 90 秒，然后再继续。现在将芯片移动到电子束光刻机上。在光刻过程中，对高分辨率和低分辨率使用不同的参数。

这是步态布局的模式。在本实验中，用异丁基、酮和异丙醇的溶液显影光刻胶。以 1 比 3 的比例，将芯片浸入溶液中 40 至 60 秒。

用异丙醇冲洗芯片 20 秒，然后用氮气吹干。接下来，将芯片带到热蒸发器。准备在第一道工序中蒸发铝。

以每秒 0.1 至 0.4 纳米的速度将铝蒸发至 25 至 35 纳米的目标厚度。蒸发后，继续去除金属，在 80 摄氏度的热板上准备好一个装有乙基二苯醚的容器，并将芯片浸泡一小时。接下来，用异丙醇冲洗芯片 2 分钟。

在 150 摄氏度的热板上进行铝氧化。将干薯片放在热板上 5 到 10 分钟。通过清洁芯片，旋转清洁，使用丙酮和异丙醇以 7， 500 RPM 的速度保持 30 秒来完成第一次通过。

此示意图概述了第一次通过中所做的工作。在第二次扫描中，蒸发 45 至 65 纳米的铝层。在第三道工序中，蒸发一层 75 至 90 纳米的铝，实现三层栅极堆叠。

为了执行完整性测试，必须将芯片正确安装在印刷电路板上，安装芯片，并在芯片和印刷电路之间建立电气连接。接下来，将印刷电路板安装在 DIP 探头上。连接探头以允许与设备门进行电气连接。

探头准备好后，获取一个装有液氦的容器并缓慢浸入探头，以避免氦气过度蒸发。该原理图说明了泄漏测试的连接。使用室温电极将除连接到源测量单元的栅极外的所有栅极接地。

扫描源 以 0.1 伏的步长测量从 0 到 1.5 伏的单位电压，以测量和记录电流。如果未检测到电流，则设备通过泄漏测试。对于下一个测试，将每个门连接到可变直流电压源。

将源线连接到锁相放大器的输入端口。此外，将漏极线连接到锁相放大器的内置交流电压源。通过同时提高施加到 BL br pl sl 和 DL 的栅极电压，同时保持 C 1 和 C 2 接地来测量导通特性。

记录设备开启特性。这是此测量的示例轨迹。接下来，分别降低每个栅极电压，以记录其在此测量 BL 斜坡下降时的夹断特性。

以下是图中 turnon 和 pinch off 特征的代表性结果。RMS 源极漏极交流电流是栅极电压的函数。这些门在原理图中被标记。

源极和漏极触点连接到锁相放大器，锁相放大器具有 50 微伏 RMS 激励，频率约为 113 赫兹，栅极连接到模块化可控电压电池架。门 C 1 和 C 2 保持为零伏，而其他门保持为 2 伏。这是源极漏极电流的代表性测量值，在色谱上表示为源极漏极偏置和柱塞栅极电压的函数。

当量子。在柱塞门下形成时，它清楚地揭示了 ulam 阻滞的特征。当设备在配备高频电线的毫开尔文温度测量平台中运行时，可以实现单电子泵浦。

在本实验中，该器件由输入栅和柱塞门处的两个信号 10 兆赫兹正弦驱动器驱动。电子电荷和频率的整数倍处的特征电流平台是量子化电荷转移的特征。该协议中的大多数工艺参数课程可能因所使用的制造工具以及硅衬底的类型而异。

光刻、曝光剂量、显影时间、蚀刻或氧化持续时间等量必须仔细校准和测试，以确保可靠的良率。在制造工艺流程中，避免不同工艺的制造设备之间的交叉污染至关重要。为避免这种情况，我们有许多专门用于硅加工的工具，例如金属蒸发器、氧化炉和 HF 浴。

电流量化的结果是在 10 兆赫兹的相对较长的驱动频率下获得的，为此可以快速进行实验参数的调整。在实践中，最好以几百兆赫兹的频率运行泵。值得一提的是，这通常需要更精细、更耗时的参数优化。

遵循本视频中讨论的制造工艺和测量技术，我们已经能够在硅基系统中产生具有创纪录精度水平的微小电流。这为未来仅基于量子力学原理的电流单位重新定义设定了巨大的希望。脉冲。我们目前正在考虑用多晶硅橡胶取代我们设备中的普通金属栅极。

这可能会抑制我们目前观察到的背景电荷噪声。我们的目标是提高电子泵的稳定性和精度。然后，我们将满足新的世界现行标准的极端气象要求。

我们在本视频中介绍的技术展示了硅基纳米技术在量子器件方面的巨大潜力。硅作为电荷泵的首选材料越来越受到关注，这是由于使用行业兼容的硅工艺实施新的当前标准的吸引力，这将受益于早期可用于系统可扩展性的非常成熟的集成技术。