Silicium-Metall-Oxid-Halbleiter-Quantenpunkte für Einzelelektronen Pumping

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, Silizium-basierte Metalloxid-Halbleiter-Quantenpunkte herzustellen und sie als Einzelelektronenpumpen zu betreiben. Dies wird durch die Herstellung von Silizium-Nanotransistoren mit einer mehrschichtigen Gangtechnik erreicht, die es ermöglicht, einzelne Elektronen, die in Quantenpunkten eingeschlossen sind, elektrostatisch zu kontrollieren und ihre Übertragungsrate zu manipulieren. Als zweiter Schritt.

Die hergestellten Geräte werden bei der Temperatur von flüssigem Halogen getestet, um ihre strukturelle Integrität zu überprüfen. Die Beobachtung einer Cool-on-Blockade in den Eigenschaften der Stromspannung deutet auf zufriedenstellende Funktionen des Geräts hin. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Quantenpunkt als einzelne Elektronenpumpe in einer Malik-Kelvin-Messplattform betrieben werden kann.

Wenn die Transparenz der Einfahrtsschranke mit einem AC-Signal angesteuert wird. Dies wird durch das Auftreten von charakteristischen Strömungsplateaus belegt. Die Silizium-Nanoelektronik ist das Herzstück des Informationszeitalters, in dem wir alle leben.

Bemerkenswert ist, dass Silizium auch ein hervorragendes Wirtsmaterial für quantenbasierte Anwendungen wie Quantencomputing und elektrische Quantenmetrologie ist. Hier an der UNSW haben wir die Technologie entwickelt, um herkömmliche Transistoren in Quantenbauelemente zu verwandeln. Wir können Elektronen in einem winzigen Bereich in Silikon mit einer Größe von nur wenigen Dutzend Nanometern einschließen.

Das ist etwas, was man einen Quantenpunkt nennt. Wir verwenden solche Quantenpunkte, um ein Elektron präzise von der Source-Leitung abzufangen und zur Drain-Leitung zu schieben, und die extrem schnelle Wiederholung dieses Prozesses wird in Zukunft genutzt, um den genauesten elektrischen Strom der Welt zu erzeugen. Ein langjähriges Ziel in der elektrischen Messtechnik ist die Neudefinition der Einheit des elektrischen Strompaares DM, indem ihr Wert an eine echte Naturkonstante, wie z.B. die Elektronenladung, gekoppelt wird.

Die vorgestellten Techniken erklären, wie Silikon-Quantenbauelemente hergestellt und betrieben werden können, um diese Verbindung zu realisieren. Nanoskalige Bauelemente, die in dieser Arbeit verwendet werden, werden unter Verwendung eines Protokolls hergestellt, das weitgehend mit industriellen CMO-Prozessen kompatibel ist. Im Gegensatz zu Standard-CMOs fügen wir jedoch einen metallischen Gate-Stack hinzu, der es ermöglicht, einzelne Elektronen räumlich einzuschließen.

Unser Protokoll zeigt, wie eine Quantenpunkt-basierte Einzelelektronenpumpe getestet und betrieben wird. Die Schlüsselzutat für den Erfolg ist die Kontrolle über das elektrostatische Potenzial des Punktes sowie über die Transparenz der Tunnelbarrieren. In der Regel werden mehrere HF-Signale verwendet, um die Übertragung einzelner Elektronen von und in tdot zu steuern.

Der große Vorteil unserer mehrschichtigen Gated Devices gegenüber alternativen Implementierungen wie Metall-Devices oder Three-Five-Halbleitern besteht darin, dass wir eine exquisite Kontrolle über den elektrostatischen Einschluss des Punktes erreicht haben. Dies war der Schlüssel, um Fehler im Pumpmechanismus zu unterdrücken. Um eine Feldoxidschicht auf einem Siliziumwafer zu erzeugen, halten Sie einen Oxidationsofen bei 900 Grad Celsius bereit.

Beginnen Sie mit einem ordnungsgemäß gereinigten zwei Zoll großen Siliziumwafer. Legen Sie den Wafer in den Ofen und beginnen Sie mit den Oxidationsschritten. Die Oxidationsschritte dauern etwa eineinviertel Stunden.

Wenn Sie fertig sind, bereiten Sie die Abscheidung einer HDMS-Schicht auf dem Wafer vor, um mit der Erstellung der omischen Kontakte zu beginnen. Lege dazu den Wafer für eine Minute auf eine heiße Platte bei 110 Grad Celsius. Gießen Sie außerdem etwa 50 Milliliter HDMS in einen Glasschnabel.

Wenn beide fertig sind, legen Sie den Wafer und das Becherglas in eine Vakuumkammer, um eine einige Nanometer dicke Schicht HDMS auf dem Wafer abzuscheiden. Nachdem Sie den Wafer aus der Vakuumkammer genommen haben, bringen Sie ihn in einen Spin-Coder. Dort. Schleudern Sie eine zwei bis vier Mikrometer dicke Schicht Fotolack sowohl auf der Rückseite als auch auf der Vorderseite des Wafers.

Fahren Sie fort, indem Sie den Wafer vom Spin-Coer zu einem Masken-Aligner bewegen. Positionieren Sie den Wafer und richten Sie die Maske so ein, dass die Kontakte für diesen Prozess strukturiert werden. Verwenden Sie ultraviolettes Licht, um dieses omische Kontaktmuster auf den Wafer zu übertragen.

Bewegen Sie den Wafer nach der Strukturierung auf eine Heizplatte. Die Waffel nach dem Nachbacken eine Minute bei 110 Grad Celsius backen. Entwickeln Sie den Wafer ein bis zwei Minuten lang und spülen Sie ihn in entionisiertem Wasser, bevor Sie ihn einem Plasmaätzer zuführen.

Führen Sie eine Sauerstoffplasmaätzung für 20 Minuten bei 340 durch. Millitorr mit 50 Watt Aufschlagleistung und weniger als einem Watt reflektierter Leistung. Nach dem Plasmaätzen ist eine 15 zu eins gepufferte Flusssäurelösung bei 30 Grad Celsius bereitzuhalten.

Ätzen Sie das Oxid vier bis fünf Minuten lang, wobei eine Kantenrate von 20 Nanometern pro Minute bei 30 Grad Celsius angenommen wird. Wenn Sie fertig sind, spülen Sie den Wafer in entionisiertem Wasser ab Föhnen Sie den Wafer fünf Minuten lang mit trockenem Stickstoff, bevor Sie fortfahren. Als nächstes halten Sie Gefäße mit Aceton und Isopropanol bereit.

Entfernen Sie den Fotolack, indem Sie den Wafer fünf Minuten lang in Aceton tauchen. Spülen Sie es anschließend weitere fünf Minuten lang mit Isopropanol aus. Bringen Sie den trockenen Wafer in einen 1000 Grad Celsius heißen Ofen, der mit einer Phosphorquelle ausgestattet ist.

Legen Sie den Wafer je nach gewünschter Dotierungsdichte 30 bis 45 Minuten lang mit Stickstoffgas in den Wafer. Bereiten Sie nach der Wiederherstellung des Wafers die Entfernung der kontaminierten Oxidschicht vor. Halten Sie jeweils ein Gefäß mit in Wasser verdünnter Flusssäure und ein Gefäß mit entionisiertem Wasser bereit, das zum Eintauchen des Wafers ausreicht.

Tauchen Sie den Wafer drei bis vier Minuten lang in die Säure und spülen Sie ihn dann 10 Minuten lang im Wasser ab. Bringen Sie den Wafer wieder in den dort bei 900 Grad gehaltenen Oxidationsofen. Durchlaufen Sie die Oxidationsschritte im Laufe von etwa eineinviertel Stunden nach der Oxidation.

Der nächste Schritt besteht darin, das Gangoxid zu bilden, das eine einige Nanometer dicke Schicht aus HDMS auf dem Wafer abscheidet. Wechseln Sie als Nächstes zu einer Spin-Coder-Spin-Schicht, zwei bis vier Mikrometer Fotolack auf beiden Seiten des Wafers. Bringen Sie den Wafer erneut zum dortigen Masken-Aligner.

Setzen Sie den Wafer ultraviolettem Licht aus, um das gewünschte Muster zu übertragen. Nachdem Sie den Wafer entwickelt haben, legen Sie ihn für 20 Minuten bei 340 Millitorr in eine Sauerstoffplasmaätzung. Anschließend ätzen Sie in einer gepufferten Flusssäurelösung von 15 zu 1 bei 30 Grad Celsius.

Legen Sie den Wafer für drei bis vier Minuten in die Lösung und spülen Sie den Wafer dann fünf Minuten lang in entionisiertem Wasser ab. Tauchen Sie den Wafer nach dem Trocknen fünf Minuten lang in Aceton. Um den Fotolack zu entfernen, spülen Sie den Wafer fünf Minuten lang mit Isopropanol ab.

Nachdem Sie den Wafer in Stickstoffgas getrocknet haben, bringen Sie ihn in einen speziellen 800-Grad-Ofen und legen Sie ihn in die Oxidationsschritte. Nehmen Sie sich je nach gewünschter Oxiddicke eine Stunde bis eine Stunde und 15 Minuten Zeit. Vor der Gangstrukturierung sollte der Wafer einer Metallisierung der Source- und Drain-Kontakte unterzogen und in einzelne Chips zerlegt werden.

Diese 10 Millimeter mal zwei Millimeter großen Chips wurden ebenfalls mit Ausrichtungsmarkern für die Elektronenstrahllithographie strukturiert: Die Strukturierung der Aluminium-Gates dauert drei Durchgänge und beginnt mit der Spin-Beschichtung. Bei jedem Durchgang wird Polymethylmethacrylat mit vier Resists auf eine Dicke von 150 bis 200 Nanometern geschleudert. Nach dem Beschichten wird der Chip auf eine heiße Platte bei 180 Grad Celsius übertragen.

Den Chip 90 Sekunden backen, bevor er fortfährt. Bewegen Sie nun den Chip auf eine Elektronenstrahllithographie. Verwenden Sie während der Lithographie unterschiedliche Parameter für eine hohe und niedrige Auflösung.

Dies ist das Muster für das Ganglayout. In diesem Experiment entwickeln Sie den Resist mit der Lösung von Isobutyl, Keton und Isopropanol. Tauchen Sie den Chip im Verhältnis eins bis drei für 40 bis 60 Sekunden in die Lösung.

Spülen Sie den Chip 20 Sekunden lang in Isopropanol ab und föhnen Sie ihn mit Stickstoff trocken. Als nächstes bringst du den Chip zu einem thermischen Verdampfer. Bereiten Sie sich darauf vor, Aluminium für den ersten Durchgang zu verdampfen.

Verdampfen Sie das Aluminium mit 0,1 bis 0,4 Nanometern pro Sekunde auf eine Zieldicke von 25 bis 35 Nanometern. Nachdem das Metall verdampft ist, heben Sie es ab, halten Sie ein Gefäß mit Ethyl-Zwei-Paron auf einer heißen Platte bei 80 Grad Celsius bereit und weichen Sie den Chip eine Stunde lang ein. Spülen Sie anschließend den Chip zwei Minuten lang mit Isopropanol aus.

Führen Sie die Aluminiumoxidation auf einer Heizplatte bei 150 Grad Celsius durch. Legen Sie den trockenen Chip für fünf bis 10 Minuten auf die heiße Platte. Schließen Sie den ersten Durchgang ab, indem Sie den Chip reinigen und mit Aceton und Isopropanol bei 7.500 U/min für 30 Sekunden reinigen.

Dieses Schema gibt einen Überblick darüber, was im ersten Durchgang gemacht wurde. In einem zweiten Durchgang verdampfen Sie eine 45 bis 65 Nanometer dicke Aluminiumschicht. Im dritten Durchgang verdampfen Sie eine 75 bis 90 Nanometer dicke Aluminiumschicht, um den dreilagigen Gate-Stack zu realisieren.

Um die Integritätstests durchführen zu können, muss ein Chip ordnungsgemäß auf einer Leiterplatte montiert werden, einen Chip montieren und elektrische Verbindungen zwischen ihm und der gedruckten Schaltung herstellen. Montieren Sie als Nächstes die Leiterplatte auf eine Tauchsonde. Verdrahten Sie die Sonde, um eine elektrische Verbindung zu den Gerätetoren zu ermöglichen.

Wenn die Sonde fertig ist, besorgen Sie sich ein Gefäß mit flüssigem Helium und tauchen Sie die Sonde langsam ein, um ein übermäßiges Verdampfen des Heliums zu vermeiden. Dieses Schema veranschaulicht die Anschlüsse für die Dichtheitsprüfung. Mit Hilfe der Raumtemperatur-Elektroden erden Sie alle Gates mit Ausnahme eines Gates, das an eine Quellenmesseinheit angeschlossen ist.

Sweepen Sie die Einheitsspannung der Quelle von null bis 1,5 Volt in Schritten von 0,1 Volt, um den Strom zu messen und aufzuzeichnen. Wenn kein Strom erkannt wird, besteht das Gerät die Dichtheitsprüfung. Für den nächsten Test schließen Sie jedes Gate an eine variable Gleichspannungsquelle an.

Verbinden Sie die Quellleitung mit dem Eingangsanschluss eines Lock-in-Verstärkers. Verbinden Sie auch die Ablaufleitung mit der eingebauten Wechselspannungsquelle des Lock-in-Verstärkers. Messen Sie die Einschaltcharakteristik, indem Sie gleichzeitig die an BL, br, pl, sl und DL angelegten Gate-Spannungen erhöhen, während C eins und C zwei geerdet bleiben.

Zeichnen Sie die Einschalteigenschaften des Geräts auf. Dies ist eine Beispielspur für diese Messung. Als nächstes fahren Sie jede Gate-Spannung einzeln herunter, um ihre Pinch-Off-Eigenschaften aufzuzeichnen, bei denen dieser Mess-BL heruntergefahren wird.

Hier unsere repräsentativen Ergebnisse für die Turnon- und Pinch-Off-Merkmale im Plot. Der AC-Strom des RMS-Source-Drains wird in Abhängigkeit von der Gate-Spannung angegeben. Die Gatter sind im Schaltplan beschriftet.

Die Source- und Drain-Kontakte sind mit einem Lock-in-Verstärker mit 50 Mikrovolt RMS-Erregung bei etwa 113 Hertz verbunden, und die Gates sind mit einem modularen Batterierack mit steuerbarer Spannung verbunden. Gate C eins und C zwei werden bei null Volt gehalten, während die anderen bei zwei Volt gehalten werden. Dies ist eine repräsentative Messung des Source-Drain-Stroms, der in einem Farbspektrum als Funktion der Source-Drain-Vorspannung und der Plunger-Gate-Spannung dargestellt wird.

Wenn sich unter dem Kolbentor ein Quantum bildet, zeigt es deutlich die charakteristische Signatur der Ulam-Blockade. Das Pumpen mit einer einzelnen Elektronen kann erreicht werden, wenn ein Gerät in einer Millikelvin-Temperaturmessplattform betrieben wird, die mit Hochfrequenz-Stromleitungen ausgestattet ist.

In diesem Experiment wird das Gerät mit dem zweisignaligen 10 Megahertz sinusförmigen Antrieb an der Eingangsbarriere und dem Plunger Gate angesteuert. Die charakteristischen Stromplateaus bei ganzzahligen Vielfachen der Elektronenladung und der Frequenz sind die Signatur quantisierter Ladungstransfers. Die meisten Prozessparameterkurse in diesem Protokoll können je nach den verwendeten Fertigungswerkzeugen sowie der Art des Siliziumsubstrats variieren.

Größen wie Lithographie-Exposition, Dosis oder Entwicklungszeit, Ätz- oder Oxidationsdauer müssen sorgfältig kalibriert und getestet werden, um eine zuverlässige Ausbeute zu gewährleisten. Während des Herstellungsprozesses ist es entscheidend, Kreuzkontaminationen zwischen Fertigungsanlagen für verschiedene Prozesse zu vermeiden. Um dies zu vermeiden, verfügen wir über eine Reihe von Werkzeugen, die ausschließlich der Silikonverarbeitung gewidmet sind, wie z. B. Metallverdampfer, Oxidationsöfen und HF-Bäder

Die für die Stromquantisierung gezeigten Ergebnisse wurden bei einer relativ langen Treiberfrequenz von 10 Megahertz aufgenommen, bei der die Abstimmung der experimentellen Parameter schnell durchgeführt werden kann. In der Praxis ist es wünschenswert, die Pumpe mit mehreren hundert Megahertz zu betreiben. Es ist wichtig zu erwähnen, dass dies in der Regel eine viel feinere und zeitaufwändigere Parameteroptimierung erfordert.

Nach dem Herstellungsprozess und den in diesem Video besprochenen Messtechniken konnten wir einen mikroskopisch kleinen elektrischen Strom mit einer Rekordgenauigkeit unter siliziumbasierten Systemen erzeugen. Dies ist ein enormes Versprechen für die zukünftige Neudefinition der Einheit Strom, die ausschließlich auf quantenmechanischen Prinzipien basiert. Puls. Wir prüfen derzeit, ob wir die normalen Metallschleusen in unseren Geräten durch polykristallines Silikon ersetzen können.

Dies unterdrückt wahrscheinlich das Hintergrundrauschen der Ladung, das wir derzeit beobachten. Unser Ziel ist es, dass dadurch die Stabilität und Genauigkeit der Elektronenpumpe verbessert wird. Dann werden wir die extremen meteorologischen Anforderungen einer neuen Weltstromnorm erfüllen.

Die Techniken, die wir in diesem Video vorgestellt haben, zeigen das große Potenzial der siliziumbasierten Nanotechnologie für Quantenbauelemente. Silizium stößt als Material der Wahl für das Ladungspumpen immer mehr auf Interesse, und dies ist auf den Reiz der Implementierung eines neuen aktuellen Standards mit industriekompatiblen Siliziumprozessen zurückzuführen, der von den sehr gut etablierten Integrationstechniken profitieren würde, die für die Skalierbarkeit des Systems frühzeitig verfügbar sind.