De silicio metal-óxido-semiconductor Quantum Dots para Bombeo solo electrón

El objetivo general del siguiente experimento es fabricar puntos cuánticos semiconductores de óxido metálico a base de silicio y operarlos como bombas de un solo electrón. Esto se logra mediante la fabricación de nano transistores de silicio con una técnica de marcha multicapa, que permite controlar electrostáticamente electrones individuales confinados dentro de puntos cuánticos y manipular su tasa de transferencia. Como segundo paso.

Los dispositivos fabricados se prueban a temperatura de helio líquido para verificar su integridad estructural. La observación de enfriamiento en bloqueo en las características de voltaje de corriente indica funcionalidades satisfactorias del dispositivo. Los resultados muestran que un punto cuántico puede funcionar como una sola bomba de electrones en una plataforma de medición Malik Kelvin.

Cuando la transparencia de la barrera de entrada se acciona con una señal de CA. Esto se evidencia por la aparición de mesetas actuales distintivas. La nanoelectrónica de silicio está en el corazón de la era de la información en la que todos vivimos.

Sorprendentemente, el silicio también es un excelente material anfitrión para aplicaciones cuánticas como la computación cuántica y la metrología eléctrica cuántica. Aquí en UNSW, hemos desarrollado la tecnología para convertir transistores convencionales en dispositivos cuánticos. Podemos confinar electrones en una pequeña región de silicona con el tamaño de solo unas pocas decenas de nanómetros.

Esto es algo que la gente llama un punto cuántico. Usamos estos puntos cuánticos para atrapar con precisión un electrón del cable de la fuente y empujarlo al cable de drenaje, y repetir este proceso extremadamente rápido se utilizará en el futuro para generar la corriente eléctrica más precisa del mundo. Un objetivo de larga data en metrología eléctrica es la redefinición de la unidad de corriente eléctrica DM al vincular su valor a una verdadera constante de la naturaleza, como la carga del electrón.

Las técnicas presentadas explican cómo fabricar y operar dispositivos cuánticos de silicona para implementar este vínculo. Los dispositivos a nanoescala utilizados en este trabajo se fabrican utilizando un protocolo ampliamente compatible con los procesos industriales de CMO. Sin embargo, a diferencia de los dispositivos CMO estándar, añadimos una pila de puertas metálicas, que permite confinar espacialmente electrones individuales.

Nuestro protocolo demuestra cómo probar y operar una bomba de un solo electrón basada en puntos cuánticos. El ingrediente clave de su éxito es encontrar el control sobre el potencial electrostático del punto, así como sobre la transparencia de las barreras del túnel. Por lo general, se utilizan múltiples señales de RF para impulsar la transferencia de electrones individuales desde y hacia tdot.

La gran ventaja de nuestros dispositivos de compuerta multicapa sobre implementaciones alternativas como dispositivos metálicos o tres semiconductores, es que logramos un control exquisito sobre el confinamiento electrostático del punto. Esta ha sido la clave para suprimir errores en el mecanismo de bombeo. Para crear una capa de óxido de campo en una oblea de silicio, tenga listo un horno de oxidación a 900 grados Celsius.

Comience con una oblea de silicona de dos pulgadas debidamente limpia. Coloque la oblea en el horno y comience los pasos de oxidación. Los pasos de oxidación duran aproximadamente una hora y cuarto.

Cuando termine, prepárese para depositar una capa de HDMS en la oblea para comenzar a crear los contactos ómicos. Para hacer esto, coloque la oblea en una placa caliente a 110 grados centígrados durante un minuto. Además, vierta unos 50 mililitros de HDMS en un pico de vidrio.

Cuando ambos estén listos, coloque la oblea y el vaso de precipitados en una cámara de vacío para depositar una capa de HDMS de unos pocos nanómetros de espesor en la oblea. Después de retirar la oblea de la cámara de vacío, muévala a un codificador de giro. Allí. Gire una capa de fotorresistencia de dos a cuatro micrómetros tanto en la parte posterior como en la delantera de la oblea.

Continúe moviendo la oblea del coer de centrifugado a un alineador de máscara. Coloque la oblea y configure la máscara para modelar los contactos para este proceso. Utilice la luz ultravioleta para transferir este patrón de contacto ómico a la oblea.

Después de modelar, mueva la oblea a un plato caliente. Hornee la oblea a 110 grados centígrados durante un minuto después de la post-horneada. Revele la oblea durante uno o dos minutos y enjuáguela con agua desionizada antes de llevarla a un grabador de plasma.

Realice un grabado con plasma de oxígeno durante 20 minutos a 340. Millitorr con 50 vatios de potencia incidente y menos de un vatio de potencia reflejada. Después del grabado con plasma, tenga lista una solución de ácido fluorhídrico tamponado de 15 a uno a 30 grados centígrados.

Grabe el óxido durante cuatro o cinco minutos, suponiendo una velocidad de borde de 20 nanómetros por minuto a 30 grados Celsius. Cuando esté listo, enjuague la oblea con agua desionizada Durante cinco minutos, seque la oblea con nitrógeno seco antes de continuar. A continuación, tenga listos vasos de acetona e isopropanol.

Retire la fotorresistencia sumergiendo la oblea en acetona durante cinco minutos. A continuación, enjuáguelo con isopropanol durante otros cinco minutos. Mueva la oblea seca a un horno a 1000 grados centígrados que esté equipado con una fuente de fósforo.

Coloque la oblea en el interior con flujo de gas nitrógeno durante 30 a 45 minutos, dependiendo de la densidad de dopaje deseada. Después de recuperar la oblea, prepárese para eliminar la capa de óxido contaminada. Tenga listo un recipiente de ácido fluorhídrico diluido en agua y un recipiente de agua desionizada, cada uno suficiente para sumergir la oblea.

Sumerja la oblea en el ácido durante tres o cuatro minutos y luego enjuáguela en el agua durante 10 minutos. Regrese la oblea al horno de oxidación que se mantiene a 900 grados allí. Realice los pasos de oxidación en el transcurso de aproximadamente una hora y cuarto después de la oxidación.

El siguiente paso es formar el depósito de óxido de marcha con una capa de HDMS de unos pocos nanómetros de espesor en la oblea. A continuación, pase a una capa de centrifugado codificadora, de dos a cuatro micrómetros de fotorresistencia en ambos lados de la oblea. Una vez más, lleve la oblea al alineador de mascarillas allí.

Exponga la oblea a la luz ultravioleta para transferir el patrón requerido. Después de revelar la oblea, colóquela en un grabado de plasma de oxígeno durante 20 minutos a 340 militorr. Siga esto con el grabado en una solución de ácido fluorhídrico tamponado de 15 a 1 a 30 grados Celsius.

Coloque la oblea en la solución durante tres o cuatro minutos, luego enjuague la oblea en agua desionizada durante cinco minutos. Después de secar la oblea, sumérgela en acetona durante cinco minutos. Para eliminar la fotorresistencia, enjuague la oblea con isopropanol durante cinco minutos.

Después de secar la oblea en gas nitrógeno, llévela a un horno dedicado a 800 grados centígrados y colóquela dentro de los pasos de oxidación. Tome de una hora a una hora y 15 minutos, dependiendo del espesor de óxido deseado. Antes de trazar el patrón de marcha, la oblea debe someterse a la metalización de los contactos de la fuente y el drenaje y cortarla en trozos individuales.

Estos chips de 10 milímetros por dos milímetros también han sido modelados con marcadores de alineación para litografía por haz de electrones, el patrón de las puertas de aluminio tarda tres pasadas y comienza con el recubrimiento de espín. Para cada pasada, centrifuga el polimetacrilato de metilo a cuatro resistencias hasta un grosor de 150 a 200 nanómetros. Después de cubrir, transfiera el chip a una placa caliente a 180 grados Celsius.

Hornee la papa frita durante 90 segundos antes de continuar. Ahora mueva el chip a una litografía de haz de electrones. Durante la litografía, utilice diferentes parámetros para alta y baja resolución.

Este es el patrón para el diseño de la marcha. En este experimento, desarrolle la resistencia con la solución de isobutilo, cetona e isopropanol. En una proporción de uno a tres, sumerja el chip en la solución durante 40 a 60 segundos.

Enjuague el chip con isopropanol durante 20 segundos y séquelo con nitrógeno. A continuación, lleve el chip a un evaporador térmico. Prepárese para evaporar el aluminio para la primera pasada.

Evapore el aluminio a 0,1 a 0,4 nanómetros por segundo hasta un grosor objetivo de 25 a 35 nanómetros. Después de la evaporación proceda a levantar el metal, tenga listo un recipiente de etilo dos parone en una placa caliente a 80 grados centígrados y remoje el chip durante una hora. A continuación, enjuague el chip con isopropanol durante dos minutos.

Realice la oxidación del aluminio en una placa caliente a 150 grados centígrados. Coloque la papa frita seca en la placa caliente durante cinco a 10 minutos. Complete la primera pasada limpiando el chip, centrifugando, usando acetona e isopropanol a 7, 500 RPM durante 30 segundos.

Este esquema proporciona una visión general de lo que se hizo en la primera pasada. Durante una segunda pasada, evapore una capa de aluminio de 45 a 65 nanómetros. En la tercera pasada, evapore una capa de aluminio de 75 a 90 nanómetros para realizar la pila de puertas de tres capas.

Para realizar las pruebas de integridad, un chip debe estar correctamente montado en una placa de circuito impreso, montar un chip y realizar conexiones eléctricas entre él y el circuito impreso. A continuación, monte la placa de circuito impreso en una sonda de inmersión. Conecte la sonda para permitir la conexión eléctrica a las puertas del dispositivo.

Cuando la sonda esté lista, obtenga un recipiente que contenga helio líquido y sumerja lentamente la sonda para evitar una ebullición excesiva del helio. Este esquema ilustra las conexiones para la prueba de fugas. Usando los electrodos de temperatura ambiente, conecte a tierra todas las compuertas, excepto una conectada a una unidad de medida de fuente.

Barrer el voltaje de la unidad de medida de la fuente de cero a 1,5 voltios en pasos de 0,1 voltios para medir y registrar la corriente. Si no se detecta corriente, el dispositivo pasa la prueba de fugas. Para la siguiente prueba, conecte cada puerta a una fuente de voltaje de CC variable.

Conecte la línea de origen al puerto de entrada de un amplificador de bloqueo. Conecte también la línea de drenaje a la fuente de voltaje de CA incorporada del amplificador de bloqueo. Mida las características de encendido aumentando simultáneamente los voltajes de puerta aplicados a BL, br, pl, sl y DL mientras mantiene C uno y C dos conectados a tierra.

Registre las características de encendido del dispositivo. Esta es una traza de muestra para esta medición. A continuación, reduzca el voltaje de cada puerta individualmente para registrar sus características de pellizco donde se reduce este BL de medición.

Aquí nuestros resultados representativos para las características de encendido y pellizco en la parcela. La corriente alterna de drenaje de la fuente RMS se da en función del voltaje de la puerta. Las puertas están etiquetadas en el esquema.

Los contactos de fuente y drenaje están conectados a un amplificador de bloqueo con una excitación de 50 microvoltios RMS a unos 113 hercios y las puertas están conectadas a un bastidor de batería de voltaje controlable modular. Las puertas C uno y C dos se mantienen a cero voltios, mientras que las otras se mantienen a dos voltios. Esta es una medida representativa de la corriente de drenaje de la fuente representada en un espectro de colores en función de la polarización del drenaje de la fuente y el voltaje de la compuerta del émbolo.

Cuando se forma un quantum. debajo de la compuerta del émbolo, revela claramente la firma característica del bloqueo ulam. El bombeo de un solo electrón se puede lograr cuando un dispositivo se opera en una plataforma de medición de temperatura de milikelvin equipada con líneas eléctricas de alta frecuencia.

En este experimento, el dispositivo se acciona con la unidad sinusoidal de 10 megahercios de dos señales en la barrera de entrada y la puerta del émbolo. Las mesetas de corriente características en múltiplos enteros de la carga del electrón y la frecuencia son la firma de las transferencias de carga cuantificadas. La mayoría de los cursos de parámetros de proceso en este protocolo pueden variar según las herramientas de fabricación utilizadas, así como según el tipo de sustrato de silicio.

Cantidades como la litografía, la exposición, la dosis, el tiempo de revelado, el grabado o la duración de la oxidación deben calibrarse y probarse cuidadosamente para garantizar un rendimiento fiable. Durante el flujo del proceso de fabricación, es crucial evitar la contaminación cruzada entre los equipos de fabricación para diferentes procesos. Para evitarlo, disponemos de una serie de herramientas dedicadas exclusivamente al procesamiento del silicio, como los evaporadores metálicos, los hornos de oxidación y los baños de HF.

Los resultados mostrados para la cuantificación actual se toman a una frecuencia de conducción relativamente larga de 10 megahercios, para lo cual el ajuste de los parámetros experimentales se puede llevar a cabo rápidamente. En la práctica, es deseable operar la bomba a varios cientos de megahercios. Es importante mencionar que esto suele requerir una optimización de parámetros mucho más fina y que requiere más tiempo.

Siguiendo el proceso de fabricación y las técnicas de medición comentadas en este vídeo, hemos sido capaces de generar una corriente eléctrica microscópica con niveles de precisión récord entre los sistemas basados en silicio. Esto establece enormes promesas para la futura redefinición de la unidad de corriente, basada únicamente en los principios de la mecánica cuántica. Pulso. Actualmente estamos estudiando la posibilidad de sustituir las puertas metálicas normales de nuestros dispositivos por silicona policristalina.

Es probable que esto suprima el ruido de carga de fondo que observamos actualmente. Nuestro objetivo es que el resultado mejore la estabilidad y la precisión de la bomba de electrones. Entonces cumpliremos con los requisitos meteorológicos extremos de un nuevo estándar mundial actual.

Las técnicas que hemos presentado en este vídeo muestran el gran potencial de la nanotecnología basada en silicio para dispositivos cuánticos. El silicio está atrayendo cada vez más interés como el material de elección para el bombeo de carga, y esto se debe al atractivo de implementar un nuevo estándar actual utilizando procesos de silicio compatibles con la industria, que se beneficiarían de las técnicas de integración muy bien establecidas y disponibles desde el principio para la escalabilidad del sistema.