Silicio metallico-ossido-semiconduttore Quantum Dots per singolo elettrone di pompaggio

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di fabbricare punti quantici semiconduttori di ossidi metallici a base di silicio e di farli funzionare come pompe a singolo elettrone. Ciò si ottiene fabbricando nanotransistor di silicio con una tecnica di andatura multistrato, che consente di controllare elettrostaticamente i singoli elettroni confinati all'interno di punti quantici e manipolare la loro velocità di trasferimento. Come secondo passo.

I dispositivi fabbricati vengono testati alla temperatura dell'elio liquido per verificarne l'integrità strutturale. L'osservazione del freddo in caso di blocco nelle caratteristiche della tensione di corrente indica funzionalità soddisfacenti del dispositivo. I risultati mostrano che un punto quantico può essere azionato come una singola pompa elettronica in una piattaforma di misurazione Malik Kelvin.

Quando la trasparenza della barriera d'ingresso è pilotata con un segnale CA. Ciò è evidenziato dalla comparsa di plateau di corrente caratteristici. La nanoelettronica al silicio è al centro dell'era dell'informazione in cui tutti viviamo.

Sorprendentemente, il silicio è anche un eccellente materiale ospite per applicazioni basate su quantistica come l'informatica quantistica e la metrologia elettrica quantistica. Qui all'UNSW, abbiamo sviluppato la tecnologia per trasformare i transistor convenzionali in dispositivi quantistici. Possiamo confinare gli elettroni in una minuscola regione del silicone con le dimensioni di poche decine di nanometri.

Questo è qualcosa che le persone chiamano punto quantico. Usiamo tali punti quantici per catturare con precisione un elettrone dal cavo sorgente e spingerlo verso il cavo di drenaggio, e la ripetizione di questo processo estremamente veloce verrà utilizzata in futuro per generare la corrente elettrica più accurata al mondo. Un obiettivo di lunga data nella metrologia elettrica è la ridefinizione dell'unità di coppia di corrente elettrica DM legando il suo valore a una costante vera della natura, come la carica dell'elettrone.

Le tecniche presentate spiegano come produrre e utilizzare dispositivi quantistici in silicone per implementare questo collegamento. I dispositivi su scala nanometrica utilizzati in questo lavoro sono fabbricati utilizzando un protocollo ampiamente compatibile con i processi CMO industriali. Tuttavia, a differenza dei dispositivi CMO standard, aggiungiamo uno stack di gate metallico, che consente di confinare spazialmente i singoli elettroni.

Il nostro protocollo dimostra come testare e far funzionare una pompa a singolo elettrone basata su punti quantici. L'ingrediente chiave per il suo successo è trovare il controllo sul potenziale elettrostatico del punto, nonché sulla trasparenza delle barriere del tunnel. Più segnali RF sono tipicamente utilizzati per guidare il trasferimento di singoli elettroni da e verso tdot.

Il grande vantaggio dei nostri dispositivi gated multistrato rispetto a implementazioni alternative come dispositivi metallici o tre cinque semiconduttori, è che abbiamo ottenuto un controllo squisito sul confinamento elettrostatico del punto. Questa è stata la chiave per sopprimere gli errori nel meccanismo di pompaggio. Per creare uno strato di ossido di campo su un wafer di silicio, avere un forno di ossidazione pronto a 900 gradi Celsius.

Inizia con un wafer di silicio da due pollici correttamente pulito. Posizionare il wafer nel forno e iniziare le fasi di ossidazione. Le fasi di ossidazione durano circa un'ora e un quarto.

Al termine, prepararsi a depositare uno strato di HDMS sul wafer per iniziare a creare i contatti omici. Per fare questo, posizionare la cialda su una piastra calda a 110 gradi Celsius per un minuto. Inoltre, versare circa 50 millilitri di HDMS in un becco di vetro.

Quando entrambi sono pronti, posizionare il wafer e il becher in una camera a vuoto per depositare uno strato di HDMS spesso pochi nanometri sul wafer. Dopo aver rimosso il wafer dalla camera a vuoto, spostarlo in uno spin coder. Lì. Ruotare uno strato di fotoresist da due a quattro micrometri sia sul retro che sulla parte anteriore del wafer.

Continuare spostando il wafer dallo spin coer a un allineatore a maschera. Posizionare il wafer e impostare la maschera per modellare i contatti per questo processo. Utilizzare la luce ultravioletta per trasferire questo modello di contatto omico al wafer.

Dopo la modellatura, spostare il wafer su una piastra calda. Infornare la cialda a 110 gradi Celsius per un minuto dopo la post-cottura. Sviluppa il wafer per uno o due minuti e sciacqualo in acqua deionizzata prima di portarlo in un incisore al plasma.

Eseguire un'incisione al plasma di ossigeno per 20 minuti a 340. Millitorr con potenza incidente di 50 watt e potenza riflessa inferiore a un watt. Dopo l'incisione al plasma, preparare una soluzione di acido fluoridrico tamponato 15 a uno a 30 gradi Celsius.

Incidere l'ossido per quattro o cinque minuti, ipotizzando una velocità di bordo di 20 nanometri al minuto a 30 gradi Celsius. Al termine, sciacquare il wafer in acqua deionizzata Per cinque minuti, asciugare il wafer con azoto secco prima di continuare. Quindi, tieni pronti i recipienti di acetone e isopropanolo.

Rimuovere il fotoresist immergendo il wafer nell'acetone per cinque minuti. Seguire questo sciacquando in isopropanolo per altri cinque minuti. Spostare il wafer secco in un forno a 1000 gradi Celsius dotato di una fonte di fosforo.

Posizionare il wafer all'interno con flusso di azoto gassoso per 30-45 minuti a seconda della densità di drogaggio desiderata. Dopo aver recuperato il wafer, prepararsi a rimuovere lo strato di ossido contaminato. Tenete a portata di mano un recipiente di acido fluoridrico diluito in acqua e un recipiente di acqua deionizzata, ciascuno sufficiente per immergere la cialda.

Immergere il wafer nell'acido per tre o quattro minuti, quindi sciacquarlo in acqua per 10 minuti. Rimetti il wafer nel forno di ossidazione tenuto a 900 gradi lì. Passare attraverso le fasi di ossidazione nel corso di circa un'ora e un quarto dopo l'ossidazione.

Il passo successivo consiste nel formare il deposito di ossido del passo di uno strato di HDMS spesso pochi nanometri sul wafer. Successivamente, passare a uno spin coat di spin coder, da due a quattro micrometri di fotoresist su entrambi i lati del wafer. Ancora una volta, porta il wafer sull'allineatore della maschera lì.

Esporre il wafer alla luce ultravioletta per trasferire il modello richiesto. Dopo aver sviluppato il wafer, metterlo in un'incisione al plasma di ossigeno per 20 minuti a 340 millitorr. Seguire con l'incisione in una soluzione di acido fluoridrico tamponato 15 a uno a 30 gradi Celsius.

Metti il wafer nella soluzione per tre o quattro minuti, quindi sciacqua il wafer in acqua deionizzata per cinque minuti. Dopo aver asciugato il wafer, immergerlo nell'acetone per cinque minuti. Per rimuovere il fotoresist, sciacquare il wafer in isopropanolo per cinque minuti.

Dopo aver essiccato il wafer in azoto gassoso, portarlo in un forno dedicato a 800 gradi Celsius e posizionarlo all'interno delle fasi di ossidazione. Impiegare da un'ora a un'ora e 15 minuti a seconda dello spessore dell'ossido desiderato. Prima della modellazione dell'andatura, il wafer deve essere materializzato dei contatti di origine e di scarico e tagliato a cubetti in singoli chip.

Questi chip da 10 millimetri per due millimetri sono stati anche modellati con marcatori di allineamento per la litografia a fascio di elettroni, il modello dei cancelli in alluminio richiede tre passaggi e inizia con il rivestimento di spin. Per ogni passaggio, spin polimetilmetacrilato a quattro resist a uno spessore da 150 a 200 nanometri. Dopo il rivestimento, trasferire il truciolo su una piastra calda a 180 gradi Celsius.

Cuocere la patatina per 90 secondi prima di continuare. Ora sposta il chip su una litografia a fascio di elettroni. Durante la litografia, utilizzare parametri diversi per l'alta e la bassa risoluzione.

Questo è lo schema per il layout dell'andatura. In questo esperimento, sviluppare il resist con la soluzione di isobutile, chetone e isopropanolo. In un rapporto da uno a tre, immergere il chip nella soluzione per 40-60 secondi.

Sciacquare il chip in isopropanolo per 20 secondi e asciugare con azoto. Quindi, porta il chip in un evaporatore termico. Preparati a far evaporare l'alluminio per la prima passata.

Far evaporare l'alluminio a una velocità compresa tra 0,1 e 0,4 nanometri al secondo fino a raggiungere uno spessore target compreso tra 25 e 35 nanometri. Dopo l'evaporazione, procedere con il sollevamento del metallo, preparare un recipiente di etile due parone su una piastra calda a 80 gradi Celsius e immergere il chip per un'ora. Quindi, sciacquare la patatina in isopropanolo per due minuti.

Eseguire l'ossidazione dell'alluminio su una piastra calda a 150 gradi Celsius. Metti la patatina secca sulla piastra calda per cinque-10 minuti. Completa il primo passaggio pulendo il chip, centrifuga, usando acetone e isopropanolo a 7, 500 giri/min per 30 secondi.

Questo schema fornisce una panoramica di ciò che è stato fatto nel primo passaggio. Durante un secondo passaggio, far evaporare uno strato di alluminio da 45 a 65 nanometri. Nel terzo passaggio, evaporare uno strato di alluminio da 75 a 90 nanometri per realizzare la pila di gate a tre strati.

Per eseguire i test di integrità, un chip deve essere montato correttamente su un circuito stampato, montare un chip ed effettuare collegamenti elettrici tra esso e il circuito stampato. Quindi, montare il circuito stampato su una sonda a immersione. Cablare la sonda per consentire il collegamento elettrico alle porte del dispositivo.

Quando la sonda è pronta, procurarsi un recipiente contenente elio liquido e immergere lentamente la sonda per evitare che l'elio fuoriesca eccessivamente. Questo schema illustra i collegamenti per il test di tenuta. Utilizzando gli elettrodi a temperatura ambiente, tutti i gate di messa a terra tranne uno collegato a un'unità di misura della sorgente.

Spostare la tensione dell'unità di misura sorgente da zero a 1,5 volt con incrementi di 0,1 volt per misurare e registrare la corrente. Se non viene rilevata corrente, il dispositivo supera il test di dispersione. Per il test successivo, collegare ogni porta a una sorgente di tensione CC variabile.

Collegare la linea sorgente alla porta di ingresso di un amplificatore di blocco. Collegare anche la linea di scarico alla sorgente di tensione CA incorporata dell'amplificatore di blocco. Misura le caratteristiche di accensione aumentando simultaneamente le tensioni di gate applicate a BL, br, pl, sl e DL, mantenendo C uno e C due a terra.

Registra le caratteristiche di accensione del dispositivo. Questa è una traccia di esempio per questa misurazione. Quindi, diminuire ogni tensione di gate individualmente per registrare le sue caratteristiche di pinch off dove questa misurazione BL è diminuita.

Qui i nostri risultati rappresentativi per le caratteristiche di turnon e pinch off nella trama. La corrente alternata di drain della sorgente RMS è data in funzione della tensione di gate. I cancelli sono etichettati nello schema.

I contatti di sorgente e drain sono collegati a un amplificatore lock-in con eccitazione di 50 microvolt RMS a circa 113 hertz e i gate sono collegati a un rack di batterie a tensione modulare controllabile. I gate C uno e C due sono mantenuti a zero volt mentre gli altri sono tenuti a due volt. Si tratta di una misura rappresentativa della corrente di drain della sorgente rappresentata su uno spettro di colori in funzione della polarizzazione del drain della sorgente e della tensione di gate dello stantuffo.

Quando un quantum. si forma sotto la saracinesca dello stantuffo, rivela chiaramente la firma caratteristica del blocco dell'ulam. Il pompaggio di un singolo elettrone può essere ottenuto quando un dispositivo viene utilizzato in una piattaforma di misurazione della temperatura millikelvin dotata di linee elettriche ad alta frequenza.

In questo esperimento, il dispositivo è pilotato con l'azionamento sinusoidale a due segnali da 10 megahertz alla barriera di ingresso e al gate dello stantuffo. I caratteristici plateau di corrente ai multipli interi della carica dell'elettrone e della frequenza sono la firma dei trasferimenti di carica quantizzati. La maggior parte dei parametri di processo in questo protocollo può variare a seconda degli strumenti di fabbricazione utilizzati e del tipo di substrato di silicio.

Quantità come la litografia, la dose di esposizione o il tempo di sviluppo, l'incisione o la durata dell'ossidazione devono essere attentamente calibrate e testate per garantire una resa affidabile. Durante il flusso del processo di fabbricazione, è fondamentale evitare la contaminazione incrociata tra le apparecchiature di fabbricazione per processi diversi. Per evitare ciò, disponiamo di una serie di strumenti dedicati esclusivamente alla lavorazione del silicio, come evaporatori metallici, forni di ossidazione e bagni HF.

I risultati mostrati per la quantizzazione di corrente sono presi a una frequenza di pilotaggio relativamente lunga di 10 megahertz, per la quale la regolazione dei parametri sperimentali può essere effettuata rapidamente. In pratica, è auspicabile far funzionare la pompa a diverse centinaia di megahertz. È importante ricordare che ciò richiede in genere un'ottimizzazione dei parametri molto più fine e dispendiosa in termini di tempo.

Seguendo il processo di fabbricazione e le tecniche di misurazione discusse in questo video, siamo stati in grado di generare una corrente elettrica microscopica con livelli di precisione record tra i sistemi a base di silicio. Ciò pone enormi promesse per la futura ridefinizione dell'unità di corrente, basata esclusivamente sui principi della meccanica quantistica. Polso. Attualmente stiamo valutando la possibilità di sostituire i normali cancelli metallici dei nostri dispositivi con silicone policristallino.

Questo probabilmente sopprime il rumore di carica di fondo che osserviamo attualmente. Il nostro obiettivo è quello di migliorare la stabilità e la precisione della pompa elettronica. In questo modo soddisferemo i requisiti meteorologici estremi di un nuovo standard mondiale attuale.

Le tecniche che abbiamo presentato in questo video mostrano il grande potenziale della nanotecnologia a base di silicio per i dispositivi quantistici. Il silicio sta suscitando sempre più interesse come materiale di scelta per il pompaggio di carica, e ciò è dovuto all'attrattiva dell'implementazione di un nuovo standard attuale utilizzando processi di silicio compatibili con l'industria, che trarrebbero vantaggio dalle tecniche di integrazione molto ben consolidate disponibili per la scalabilità del sistema.