Silicium métal-oxyde-semiconducteur Quantum Dots pour le pompage mono-électronique

L’objectif global de l’expérience suivante est de fabriquer des points quantiques semi-conducteurs à base d’oxyde métallique à base de silicium et de les faire fonctionner comme des pompes à électrons uniques. Ceci est réalisé en fabriquant des nano-transistors en silicium avec une technique de marche multicouche, qui permet de contrôler électrostatiquement des électrons individuels confinés dans des points quantiques et de manipuler leur taux de transfert. Dans un deuxième temps.

Les dispositifs fabriqués sont testés à la température de l’hélium liquide pour vérifier leur intégrité structurelle. L’observation du refroidissement lors du blocage dans les caractéristiques de tension de courant indique des fonctionnalités satisfaisantes du dispositif. Les résultats montrent qu’un point quantique peut fonctionner comme une pompe à électrons unique dans une plate-forme de mesure de Malik Kelvin.

Lorsque la transparence de la barrière d’entrée est entraînée par un signal AC. En témoigne l’apparition de plateaux de courant caractéristiques. La nanoélectronique du silicium est au cœur de l’ère de l’information dans laquelle nous vivons tous.

Remarquablement, le silicium est également un excellent matériau hôte pour les applications quantiques telles que l’informatique quantique et la métrologie électrique quantique. Ici, à l’UNSW, nous avons développé la technologie permettant de transformer les transistors conventionnels en dispositifs quantiques. On peut confiner des électrons dans une minuscule région de silicone d’une taille de seulement quelques dizaines de nanomètres.

C’est ce que les gens appellent un point quantique. Nous utilisons de tels points quantiques pour attraper avec précision un électron du fil source et le pousser vers le fil de drainage, et la répétition de ce processus extrêmement rapide sera utilisée à l’avenir pour générer le courant électrique le plus précis au monde. Un objectif de longue date en métrologie électrique est la redéfinition de l’unité de la paire de courant électrique DM en liant sa valeur à une véritable constante de la nature, telle que la charge électronique.

Les techniques présentées expliquent comment fabriquer et faire fonctionner des dispositifs quantiques en silicone pour mettre en œuvre ce lien. Les dispositifs à l’échelle nanométrique utilisés dans ce travail sont fabriqués à l’aide d’un protocole largement compatible avec les processus des CMO industriels. Cependant, contrairement aux dispositifs CMO standard, nous ajoutons une pile de portes métalliques, qui permet de confiner spatialement des électrons individuels.

Notre protocole montre comment tester et faire fonctionner une pompe à électrons uniques basée sur des points quantiques. L’ingrédient clé de son succès est de trouver le contrôle sur le potentiel électrostatique du point, ainsi que sur la transparence des barrières du tunnel. Plusieurs signaux RF sont généralement utilisés pour piloter le transfert d’électrons uniques depuis et vers le tdot.

Le grand avantage de nos dispositifs multicouches par rapport à d’autres implémentations telles que les dispositifs métalliques ou les semi-conducteurs à trois cinq, est que nous avons obtenu un contrôle exquis du confinement électrostatique du point. Cela a été la clé pour supprimer les erreurs dans le mécanisme de pompage. Pour créer une couche d’oxyde de champ sur une plaquette de silicium, disposez d’un four d’oxydation prêt à 900 degrés Celsius.

Commencez avec une plaquette de silicium de deux pouces correctement nettoyée. Placez la plaquette dans le four et commencez les étapes d’oxydation. Les étapes d’oxydation durent environ une heure et quart.

Une fois terminé, préparez-vous à déposer une couche de HDMS sur la plaquette pour commencer à créer les contacts omiques. Pour ce faire, placez la gaufrette sur une plaque chauffante à 110 degrés Celsius pendant une minute. Versez également environ 50 millilitres de HDMS dans un bec en verre.

Lorsque les deux sont prêts, placez la plaquette et le bécher dans une chambre à vide pour déposer une couche de HDMS de quelques nanomètres d’épaisseur sur la plaquette. Après avoir retiré la plaquette de la chambre à vide, déplacez-la vers un codeur de spin. Là. Faites tourner une couche de résine photosensible de deux à quatre micromètres à l’arrière et à l’avant de la plaquette.

Continuez en déplaçant la plaquette de la boucle de centrage vers un aligneur de masque. Positionnez la plaquette et configurez le masque pour que les contacts soient modelés pour ce processus. Utilisez la lumière ultraviolette pour transférer ce modèle de contact omique à la plaquette.

Après avoir dressé le motif, placez la gaufrette sur une plaque chauffante. Faites cuire la gaufrette à 110 degrés Celsius pendant une minute après la post-cuisson. Développez la plaquette pendant une à deux minutes et rincez-la à l’eau déminéralisée avant de l’amener sur un graveur au plasma.

Effectuez une gravure au plasma d’oxygène pendant 20 minutes à 340. Millitorr avec une puissance incidente de 50 watts et une puissance réfléchie inférieure à un watt. Après la gravure au plasma, préparez une solution d’acide fluorhydrique tamponnée à 15 pour un à 30 degrés Celsius.

Gravez l’oxyde pendant quatre à cinq minutes, en supposant une vitesse de bord de 20 nanomètres par minute à 30 degrés Celsius. Une fois terminé, rincez la plaquette à l’eau déminéralisée Pendant cinq minutes, séchez la plaquette avec de l’azote sec avant de continuer. Ensuite, ayez des récipients d’acétone et d’isopropanol prêts.

Retirez la résine photosensible en plongeant la gaufrette dans de l’acétone pendant cinq minutes. Ensuite, rincez-le à l’isopropanol pendant encore cinq minutes. Déplacez la plaquette sèche dans un four à 1000 degrés Celsius équipé d’une source de phosphore.

Placez la plaquette à l’intérieur avec un flux d’azote gazeux pendant 30 à 45 minutes selon la densité de dopage souhaitée. Après avoir récupéré la plaquette, préparez-vous à enlever la couche d’oxyde contaminée. Préparez un récipient d’acide fluorhydrique dilué dans de l’eau et un récipient d’eau désionisée, chacun suffisant pour immerger la plaquette.

Plongez la gaufrette dans l’acide pendant trois à quatre minutes, puis rincez-la à l’eau pendant 10 minutes. Remettez la plaquette dans le four d’oxydation maintenu à 900 degrés. Passez par les étapes d’oxydation sur une période d’environ une heure et quart après l’oxydation.

L’étape suivante consiste à former le dépôt d’oxyde de marche d’une couche de quelques nanomètres d’épaisseur de HDMS sur la plaquette. Ensuite, passez à une couche de spin coder, deux à quatre micromètres de résine photosensible des deux côtés de la plaquette. Une fois de plus, apportez la plaquette à l’aligneur de masques.

Exposez la plaquette à la lumière ultraviolette pour transférer le motif requis. Après avoir développé la plaquette, placez-la dans une gravure au plasma d’oxygène pendant 20 minutes à 340 millitorr. Poursuivez avec une gravure dans une solution d’acide fluorhydrique tamponnée à 15 pour un à 30 degrés Celsius.

Placez la plaquette dans la solution pendant trois à quatre minutes, puis rincez la plaquette à l’eau déminéralisée pendant cinq minutes. Après avoir séché la gaufrette, plongez-la dans de l’acétone pendant cinq minutes. Pour retirer la résine photosensible, rincez la plaquette à l’isopropanol pendant cinq minutes.

Après avoir séché la plaquette dans de l’azote gazeux, apportez-la dans un four dédié à 800 degrés Celsius et placez-la à l’intérieur des étapes d’oxydation. Prenez une heure à une heure et 15 minutes selon l’épaisseur d’oxyde souhaitée. Avant la mise en forme de la marche, la plaquette doit subir une métallisation des contacts source et drain et un découpage en morceaux individuels.

Ces puces de 10 millimètres sur deux millimètres ont également été modélisées avec des marqueurs d’alignement pour la lithographie par faisceau d’électrons, la modélisation des portes en aluminium prend trois passages et commence par un revêtement de spin. Pour chaque passage, spin du polyméthacrylate de méthyle a quatre résines sur une épaisseur de 150 à 200 nanomètres. Après l’enrobage, transférez la puce sur une plaque chauffante à 180 degrés Celsius.

Faites cuire la frite pendant 90 secondes avant de continuer. Déplacez maintenant la puce sur une lithographie par faisceau d’électrons. Pendant la lithographie, utilisez différents paramètres pour la haute et la basse résolution.

Il s’agit du modèle pour la disposition de la marche. Dans cette expérience, développez la résine avec la solution d’isobutyle, de cétone et d’isopropanol. Dans un rapport de un à trois, plongez la puce dans la solution pendant 40 à 60 secondes.

Rincez la puce à l’isopropanol pendant 20 secondes et séchez-la au sèche-cheveux à l’azote. Ensuite, apportez la puce à un évaporateur thermique. Préparez-vous à évaporer l’aluminium pour le premier passage.

Évaporer l’aluminium à une vitesse de 0,1 à 0,4 nanomètre par seconde jusqu’à une épaisseur cible de 25 à 35 nanomètres. Après l’évaporation, procédez au soulèvement du métal, préparez un récipient d’éthyle deux parone sur une plaque chauffante à 80 degrés Celsius et faites tremper la puce pendant une heure. Ensuite, rincez la puce à l’isopropanol pendant deux minutes.

Effectuez l’oxydation de l’aluminium sur une plaque chauffante à 150 degrés Celsius. Placez les copeaux secs sur la plaque chauffante pendant cinq à 10 minutes. Terminez le premier passage en nettoyant la puce, essorez-la en utilisant de l’acétone et de l’isopropanol à 7, 500 tr/min pendant 30 secondes.

Ce schéma donne une vue d’ensemble de ce qui a été fait lors de la première passe. Lors d’un deuxième passage, évaporer une couche d’aluminium de 45 à 65 nanomètres. Dans le troisième passage, évaporez une couche d’aluminium de 75 à 90 nanomètres pour réaliser l’empilement de portes à trois couches.

Afin d’effectuer les tests d’intégrité, une puce doit être correctement montée sur une carte de circuit imprimé, monter une puce et établir des connexions électriques entre celle-ci et le circuit imprimé. Ensuite, montez la carte de circuit imprimé sur une sonde plongeante. Câblez la sonde pour permettre la connexion électrique aux portes de l’appareil.

Lorsque la sonde est prête, procurez-vous un récipient contenant de l’hélium liquide et immergez-la lentement pour éviter une ébullition excessive de l’hélium. Ce schéma illustre les connexions pour l’essai d’étanchéité. À l’aide des électrodes à température ambiante, toutes les portes sauf celle connectée à une unité de mesure de source.

Balayez la tension de l’unité de mesure de la source de zéro à 1,5 volt par pas de 0,1 volts pour mesurer et enregistrer le courant. Si aucun courant n’est détecté, l’appareil réussit le test d’étanchéité. Pour le test suivant, connectez chaque porte à une source de tension continue variable.

Connectez la ligne source au port d’entrée d’un amplificateur verrouillé. Connectez également la conduite de vidange à la source de tension alternative intégrée de l’amplificateur de verrouillage. Mesurez les caractéristiques d’activation en augmentant simultanément les tensions de grille appliquées à BL, br, pl, sl et DL, tout en maintenant C un et C deux mis à la terre.

Enregistrez les caractéristiques d’allumage de l’appareil. Il s’agit d’un exemple de trace pour cette mesure. Ensuite, réduisez chaque tension de grille individuellement pour enregistrer ses caractéristiques de pincement lorsque cette mesure BL est réduite.

Voici nos résultats représentatifs pour les caractéristiques de retournement et de pincement dans le graphique. Le courant alternatif de drain de source RMS est donné en fonction de la tension de grille. Les portes sont étiquetées dans le schéma.

Les contacts de la source et du drain sont connectés à un amplificateur de verrouillage avec une excitation de 50 microvolts RMS à environ 113 hertz et les portes sont connectées à un rack de batterie modulaire à tension contrôlable. Les portes C un et C deux sont maintenues à zéro volt tandis que les autres sont maintenues à deux volts. Il s’agit d’une mesure représentative du courant de drain de source représenté sur un spectre de couleurs en fonction de la polarisation du drain de source et de la tension de grille du piston.

Lorsqu’un quantum se forme sous la porte à piston, il révèle clairement la signature caractéristique du blocus ulam. Le pompage d’un seul électron peut être réalisé lorsqu’un appareil est utilisé dans une plate-forme de mesure de température de l’ordre du millikelvin équipée de lignes électriques à haute fréquence.

Dans cette expérience, le dispositif est piloté par le variateur sinusoïdal à deux signaux de 10 mégahertz au niveau de la barrière d’entrée et de la porte du piston. Les plateaux de courant caractéristiques aux multiples entiers de la charge électronique et de la fréquence sont la signature des transferts de charge quantifiés. La plupart des paramètres de procédé de ce protocole peuvent varier en fonction des outils de fabrication utilisés ainsi que du type de substrat de silicium.

Des quantités telles que la lithographie, la dose d’exposition, le temps de développement, la gravure ou la durée d’oxydation doivent être soigneusement calibrées et testées pour garantir un rendement fiable. Au cours du processus de fabrication, il est crucial d’éviter la contamination croisée entre les équipements de fabrication pour différents processus. Pour éviter cela, nous disposons d’un certain nombre d’outils exclusivement dédiés au traitement du silicium, tels que des évaporateurs métalliques, des fours d’oxydation et des bains HF.

Les résultats présentés pour la quantification du courant sont pris à une fréquence d’entraînement relativement longue de 10 mégahertz pour laquelle le réglage des paramètres expérimentaux peut être effectué rapidement. En pratique, il est souhaitable de faire fonctionner la pompe à plusieurs centaines de mégahertz. Il est important de mentionner que cela nécessite généralement une optimisation des paramètres beaucoup plus fine et plus longue.

En suivant le processus de fabrication et les techniques de mesure décrites dans cette vidéo, nous avons pu générer un courant électrique microscopique avec des niveaux de précision records parmi les systèmes à base de silicium. Cela crée d’énormes promesses pour la redéfinition future de l’unité de courant, uniquement basée sur les principes de la mécanique quantique. Pouls. Nous étudions actuellement la possibilité de remplacer les portes métalliques normales de nos appareils par du silicone polycristallin.

Cela supprime probablement le bruit de charge de fond que nous observons actuellement. Notre objectif est d’améliorer la stabilité et la précision de la pompe à électrons. Nous répondrons alors aux exigences météorologiques extrêmes d’une nouvelle norme mondiale actuelle.

Les techniques que nous avons présentées dans cette vidéo montrent le grand potentiel de la nanotechnologie à base de silicium pour les dispositifs quantiques. Le silicium suscite de plus en plus d’intérêt en tant que matériau de choix pour le pompage de charge, et cela est dû à l’attrait de la mise en œuvre d’une nouvelle norme actuelle utilisant des procédés de silicium compatibles avec l’industrie, qui bénéficieraient des techniques d’intégration très bien établies disponibles tôt pour l’évolutivité du système.