סיליקון מתכת-תחמוצת-מוליכים למחצה קוונטי נקודות לשאיבת חד אלקטרון

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לייצר נקודות קוונטיות מוליכות למחצה של תחמוצת מתכת מבוססות סיליקון ולהפעיל אותן כמשאבות אלקטרונים בודדות. זה מושג על ידי ייצור ננו טרנזיסטורי סיליקון בטכניקת הליכה רב-שכבתית, המאפשרת לשלוט אלקטרוסטטית באלקטרונים בודדים הכלואים בתוך נקודות קוונטיות ולתפעל את קצב ההעברה שלהם. כצעד שני.

המכשירים המיוצרים נבדקים בטמפרטורת הליום נוזלי כדי לבדוק את תקינותם המבנית. התצפית על קירור על חסימה במאפייני המתח הנוכחי מצביעה על פונקציות מכשיר משביעות רצון. התוצאות מראות שניתן להפעיל נקודה קוונטית כמשאבת אלקטרונים בודדת בפלטפורמת מדידה של מאליק קלווין.

כאשר השקיפות של מחסום הכניסה מונעת באמצעות אות AC. עדות לכך היא הופעת המישורים הנוכחיים הייחודיים. סיליקון ננו-אלקטרוניקה נמצאת בלב עידן המידע שכולנו חיים בו.

באופן מדהים, סיליקון הוא גם חומר מארח מצוין ליישומים מבוססי קוונטים כגון מחשוב קוונטי ומטרולוגיה חשמלית קוונטית. כאן ב-UNSW, פיתחנו את הטכנולוגיה להפיכת טרנזיסטורים קונבנציונליים למכשירים קוונטיים. אנו יכולים לכלוא אלקטרונים באזור זעיר בסיליקון בגודל של כמה עשרות ננומטרים בלבד.

זה משהו שאנשים קוראים לו נקודה קוונטית. אנו משתמשים בנקודות קוונטיות כאלה כדי לתפוס במדויק אלקטרון מעופרת המקור ולדחוף אותו לעופרת הניקוז, וחזרה על תהליך זה במהירות רבה תשמש בעתיד ליצירת הזרם החשמלי המדויק ביותר בעולם. מטרה ארוכת שנים במטרולוגיה חשמלית היא הגדרה מחדש של יחידת הזרם החשמלי DM על ידי קישור הערך שלה לקבוע אמיתי של הטבע, כגון מטען האלקטרון.

הטכניקות המוצגות מסבירות כיצד לייצר ולהפעיל התקנים קוונטיים מסיליקון כדי ליישם קשר זה. התקנים ננומטריים המשמשים בעבודה זו מיוצרים באמצעות פרוטוקול התואם במידה רבה לתהליכי CMO תעשייתיים. עם זאת, בניגוד להתקני CMO סטנדרטיים, אנו מוסיפים ערימת שערים מתכתית, המאפשרת להגביל אלקטרונים בודדים מרחבית.

הפרוטוקול שלנו מדגים כיצד לבדוק ולהפעיל משאבת אלקטרונים בודדת מבוססת נקודה קוונטית. המרכיב העיקרי להצלחתו הוא מציאת שליטה על הפוטנציאל האלקטרוסטטי של הנקודה, כמו גם על השקיפות של מחסומי המנהרה. אותות RF מרובים משמשים בדרך כלל כדי להניע את ההעברה של אלקטרונים בודדים מ-tdot ואליה.

היתרון הגדול של המכשירים המגודרים הרב-שכבתיים שלנו על פני יישומים חלופיים כמו התקני מתכת או שלושה חמישה מוליכים למחצה, הוא שהשגנו שליטה מעולה על הכליאה האלקטרוסטטית של הנקודה. זה היה המפתח לדיכוי שגיאות במנגנון השאיבה. כדי ליצור שכבת תחמוצת שדה על פרוסת סיליקון, הכינו תנור חמצון בטמפרטורה של 900 מעלות צלזיוס.

התחל עם פרוסת סיליקון בגודל 2 אינץ' מנוקה כהלכה. מניחים את הוופל בתנור ומתחילים בשלבי החמצון. שלבי החמצון נמשכים כשעה ורבע.

בסיום, התכוננו להפקיד שכבה של HDMS על הוופל כדי להתחיל ליצור את המגעים האומיים. לשם כך, הניחו את הוופל על צלחת חמה בחום של 110 מעלות צלזיוס למשך דקה. כמו כן, שפכו כ -50 מיליליטר HDMS למקור זכוכית.

כששניהם מוכנים, הנח את הוופל ואת הכוס בתא ואקום כדי להניח שכבה בעובי של כמה ננומטר של HDMS על הוופל. לאחר הוצאת הוופל מתא הוואקום, העבר אותו למקודד ספין. שם. סובב שכבה של שניים עד ארבעה מיקרומטר של פוטו-רזיסט הן בחלק האחורי והן בחלק הקדמי של הוופל.

המשך על ידי הזזת הפרוסה ממכונת הסיבוב ליישור מסכה. מקם את הוופל והגדר את המסכה כדי לעצב את המגעים לתהליך זה. השתמש באור אולטרה סגול כדי להעביר את דפוס המגע האומי הזה לפרוסת.

לאחר הדפוס, העבירו את הוופל לפלטה חמה. אופים את הוופל בחום של 110 מעלות צלזיוס במשך דקה לאחר האפייה. פתחו את הוופל למשך דקה עד שתיים ושטפו אותו במים נטולי יונים לפני שלוקחים אותו לתחריט פלזמה.

בצע תחריט פלזמת חמצן למשך 20 דקות ב -340. מיליטור עם הספק תקרית של 50 וואט ופחות מוואט אחד הספק מוחזר. לאחר חריטת הפלזמה, הכינו תמיסת חומצה הידרופלואורית חוצצת חוצץ של 15 לאחד בטמפרטורה של 30 מעלות צלזיוס.

חרטו את התחמוצת למשך ארבע עד חמש דקות, בהנחה של קצב קצה של 20 ננומטר לדקה ב-30 מעלות צלזיוס. בסיום, שטפו את הוופל במים נטולי יונים למשך חמש דקות, יבשו את הוופל בחנקן יבש לפני שתמשיכו. לאחר מכן, יש כלים מוכנים של אצטון ואיזופרופנול.

הסר את הפוטו-רזיסט על ידי טבילת הוופל באצטון למשך חמש דקות. לאחר מכן שטפו אותו באיזופרופנול למשך חמש דקות נוספות. העבירו את הוופל היבש לתנור בטמפרטורה של 1000 מעלות צלזיוס המצויד במקור זרחן.

הנח את הוופל בפנים עם זרימת גז חנקן למשך 30 עד 45 דקות בהתאם לצפיפות הסימום הרצויה. לאחר שחזור הוופל, התכוננו להסיר את שכבת התחמוצת המזוהמת. הכינו כלי של חומצה הידרופלואורית מדוללת במים וכלי מים נטולי יונים שכל אחד מהם מספיק לטבילת הוופל.

טבלו את הוופל בחומצה למשך שלוש עד ארבע דקות, ולאחר מכן שטפו אותו במים למשך 10 דקות. החזר את הוופל לתנור החמצון המוחזק שם ב 900 מעלות. עברו את שלבי החמצון במהלך כשעה ורבע לאחר החמצון.

השלב הבא הוא ליצור את משקע תחמוצת ההליכה שכבה בעובי של כמה ננומטר של HDMS על הוופל. לאחר מכן, עברו למעיל ספין מקודד, שניים עד ארבעה מיקרומטרים של פוטו-רזיסט משני צידי הוופל. שוב, קח את הוופל ליישור המסכה שם.

חשוף את הוופל לאור אולטרה סגול כדי להעביר את התבנית הנדרשת. לאחר פיתוח הוופל, הנח אותו בתחריט פלזמת חמצן למשך 20 דקות ב-340 מיליטור. עקוב אחר זה עם תחריט בתמיסת חומצה הידרופלואורית 15 לאחד בטמפרטורה של 30 מעלות צלזיוס.

מניחים את הוופל בתמיסה למשך שלוש עד ארבע דקות, ולאחר מכן שוטפים את הוופל במים נטולי יונים למשך חמש דקות. לאחר ייבוש הוופל, טבלו אותו באצטון למשך חמש דקות. כדי להסיר את הפוטו-רזיסט, שטפו את הוופל באיזופרופנול למשך חמש דקות.

לאחר ייבוש הוופל בגז חנקן, קחו אותו לתנור ייעודי של 800 מעלות צלזיוס והניחו אותו בתוך שלבי החמצון. יש ליטול שעה עד שעה ורבע בהתאם לעובי התחמוצת הרצוי. לפני דפוס ההליכה, הוופל צריך לעבור מתכת של מגעי מקור וניקוז וקוביות לשבבים בודדים.

שבבים אלה בגודל 10 מילימטר על שני מילימטר עוצבו גם עם סמני יישור לתבנית ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים שערי האלומיניום לוקחים שלושה מעברים ומתחילים בציפוי ספין. עבור כל מעבר, ספין פולימתיל מתאקרילט התנגדות ארבע לעובי של 150 עד 200 ננומטר. לאחר הציפוי, העבירו את השבב לפלטה חמה בחום של 180 מעלות צלזיוס.

אופים את הצ'יפס במשך 90 שניות לפני שממשיכים. כעת העבר את השבב לליטוגרפיה של קרן אלקטרונים. במהלך הליתוגרפיה, השתמש בפרמטרים שונים לרזולוציה גבוהה ונמוכה.

זהו הדפוס לפריסת ההליכה. בניסוי זה, פתח את ההתנגדות עם תמיסה של איזובוטיל, קטון ואיזופרופנול. ביחס של אחד לשלוש, טבלו את השבב בתמיסה למשך 40 עד 60 שניות.

שוטפים את השבב באיזופרופנול למשך 20 שניות ומייבשים בחנקן. לאחר מכן, קח את השבב למאייד תרמי. התכוננו לאידוי אלומיניום למעבר הראשון.

לאדות את האלומיניום במהירות של 0.1 עד 0.4 ננומטר לשנייה לעובי מטרה של 25 עד 35 ננומטר. לאחר האידוי המשיכו להרים את המתכת, הכינו כלי אתיל שני פרון על פלטה חמה בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס והשרו את השבב למשך שעה. לאחר מכן, שטפו את השבב באיזופרופנול למשך שתי דקות.

בצע חמצון אלומיניום על פלטה חמה בטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס. הניחו את הצ'יפס היבש על הפלטה החמה למשך חמש עד 10 דקות. השלם את המעבר הראשון על ידי ניקוי השבב, הסתובב נקי, באמצעות אצטון ואיזופרופנול במהירות של 7, 500 סל"ד למשך 30 שניות.

סכימה זו מספקת סקירה כללית של מה שנעשה במעבר הראשון. במהלך מעבר שני, אידוי שכבת אלומיניום של 45 עד 65 ננומטר. במעבר השלישי, אידוי שכבת אלומיניום של 75 עד 90 ננומטר כדי לממש את ערימת השער התלת-שכבתית.

על מנת לבצע את בדיקות התקינות, יש להרכיב שבב כראוי על מעגל מודפס, להרכיב שבב וליצור חיבורים חשמליים בינו לבין המעגל המודפס. לאחר מכן, הרכיב את המעגל המודפס על בדיקת טבילה. חוט את הגשושית כדי לאפשר חיבור חשמלי לשערי המכשיר.

כאשר הגשושית מוכנה, השג כלי המכיל הליום נוזלי וטבל לאט את הגשושית כדי למנוע רתיחה מוגזמת של הליום. סכימה זו ממחישה את הקשרים לבדיקת הדליפה. באמצעות האלקטרודות בטמפרטורת החדר מקרקעים את כל השערים למעט אחד המחובר ליחידת מדידת מקור.

טאטא את מתח יחידת מדידת המקור מאפס עד 1.5 וולט בצעדים של 0.1 וולט כדי למדוד ולתעד את הזרם. אם לא מתגלה זרם, המכשיר עובר את מבחן הדליפה. לבדיקה הבאה, חבר כל שער למקור מתח DC משתנה.

חבר את קו המקור ליציאת הקלט של נעילה ampחיים יותר. חבר גם את קו הניקוז למקור המתח המובנה של הנעילה ampחיים יותר. מדוד את מאפייני ההפעלה על ידי הגברת מתחי השער בו זמנית המופעלים על BL br pl sl ו-DL תוך שמירה על C one ו-C two מקורקעים.

הקלט את מאפייני הפעלת המכשיר. זהו עקבה לדוגמה למדידה זו. לאחר מכן, הורד כל מתח שער בנפרד כדי לתעד את מאפייני הצביטה שלו כאשר BL מדידה זו מוגברת כלפי מטה.

הנה התוצאות המייצגות שלנו למאפייני ההפעלה והצביטה בעלילה. זרם ה-AC של ניקוז מקור RMS ניתן כפונקציה של מתח השער. השערים מסומנים בסכמה.

מגעי המקור והניקוז מחוברים למגבר נעילה עם עירור RMS של 50 מיקרו-וולט בכ-113 הרץ והשערים מחוברים למתלה סוללות מתח מודולרי הניתן לשליטה. שער C אחד ו-C שניים מוחזקים באפס וולט ואילו האחרים מוחזקים בשני וולט. זוהי מדידה מייצגת של זרם ניקוז המקור המיוצג על ספקטרום צבעים כפונקציה של הטיית ניקוז המקור ומתח שער הבוכנה.

כאשר קוונטום נוצר מתחת לשער הבוכנה, הוא חושף בבירור את החתימה האופיינית של חסימת אולם. ניתן להשיג שאיבת אלקטרונים בודדת כאשר מכשיר מופעל בפלטפורמת מדידת טמפרטורה של מיליקלווין המצוידת בקווי חשמל בתדר גבוה.

בניסוי זה, המכשיר מונע עם הכונן הסינוסואידלי של שני אותות 10 מגה-הרץ במחסום הכניסה ובשער הבוכנה. מישורי הזרם האופייניים בכפולות שלמות של מטען האלקטרונים והתדר הם החתימה של העברות מטען קוונטיות. רוב קורסי פרמטרי התהליך בפרוטוקול זה עשויים להשתנות בהתאם לכלי הייצור בהם נעשה שימוש וכן לסוג מצע הסיליקון.

כמויות כגון ליתוגרפיה, חשיפה, מינון או זמן פיתוח, תחריט או משך חמצון צריכות להיות מכוילות ולהיבדק בקפידה כדי להבטיח תשואה אמינה. במהלך זרימת תהליך הייצור, חיוני להימנע מזיהום צולב בין ציוד ייצור לתהליכים שונים. כדי להימנע מכך, יש לנו מספר כלים המוקדשים אך ורק לעיבוד סיליקון, כגון מאיידי מתכת, תנורי חמצון ואמבטיות HF.

התוצאות המוצגות עבור הקוונטיזציה הנוכחית נלקחות בתדר נסיעה ארוך יחסית של 10 מגה-הרץ שעבורו ניתן לבצע כוונון של פרמטרי הניסוי במהירות. בפועל, רצוי להפעיל את המשאבה בכמה מאות מגה-הרץ. חשוב להזכיר שזה בדרך כלל דורש אופטימיזציה של פרמטרים עדינים יותר וגוזלים זמן רב יותר.

בעקבות תהליך הייצור וטכניקות המדידה שנדונו בסרטון זה, הצלחנו לייצר זרם חשמלי מיקרוסקופי עם רמות דיוק שיא בקרב מערכות מבוססות סיליקון. זה מציב הבטחות עצומות להגדרה מחדש עתידית של יחידת הזרם, המבוססת אך ורק על עקרונות מכניקת הקוונטים. הדופק. אנו בוחנים כעת החלפת שערי המתכת הרגילים במכשירים שלנו בסיליקון פולי גבישי.

זה ככל הנראה מדכא את רעש מטען הרקע שאנו רואים כרגע. המטרה שלנו היא שכתוצאה מכך ישפרו את היציבות והדיוק של משאבת האלקטרונים. לאחר מכן נעמוד בדרישות המטאורולוגיות הקיצוניות של תקן עולמי עדכני חדש.

הטכניקות שהצגנו בסרטון זה מראות את הפוטנציאל הגדול של טכנולוגיית ננו מבוססת סיליקון עבור מכשירים קוונטיים. סיליקון מושך יותר ויותר עניין כחומר הנבחר לשאיבת מטען, וזאת בשל האטרקטיביות של יישום תקן עדכני חדש תוך שימוש בתהליכי סיליקון תואמים בתעשייה, אשר ייהנו מטכניקות האינטגרציה המבוססות מאוד הזמינות מוקדם עבור מדרגיות המערכת.