Name: 単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 58 s
Description: 学ぶシリコン金属酸化膜半導体量子ドットの作製と単電子揚水動作。多層ゲート技術で電子閉じ込めを制御し、液体ヘリウム温度で構造評価を行う。電流標準の再定義に向けた量子計測技術の基礎を理解する。

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私たちは、有益な議論のためのKYタン、P.参照およびGC Tettamanziに感謝します。我々は、オーストラリアの研究評議会（認可番号DP120104710）、フィンランドアカデミー（認可番号251748、135794、272806）およびデバイス製造のためのオーストラリア国立加工施設からのサポートからの財政支援を認めます。 ARは、ニューサウスウェールズ大学の初期のキャリア研究の助成スキームからの財政支援を認めるものです。 MicroNova社ナノファブリケーションセンターのアールト大学の設備と技術サポートの提供も認められています。

注：このプロトコルは、製造、パッケージとシリコンMOS QD技術に基づいた単一電子ポンプをテストするために使用する手順について説明します。項3のものはISO6研究所で行われている間、サブセクション1及び2で説明したステップは、ISO5クリーンルームで行われます。周囲条件を連続的に制御されます。温度と湿度の公称値は、それぞれ、20±1℃、55％±5％に設定されています。 1.微細加工<ol><li>フィールド酸化物<ol><li>以下に浸漬することによって、ウエハを清掃してください：ピラニアエッチング（10分）、脱イオン（DI）水（10分）、RCA-2溶液（DI水175ミリリットル、塩酸30ミリリットル、H 2 O 2 30ミリリットル、100℃で10分間）を水に10希釈し、脱イオン水（5分）、フッ化水素（HF）酸：1（10秒）、DI水（10分）。 HF（ すなわち 、ゴーグル、PVCエプロン、とPVC手袋）を取り扱う際は防護服を使用してください。順に進みます。 </li><li>ウエハを配置900℃での酸化炉で、次のように段階的に酸化する：ドライO 2（10分）、湿潤O 2（40分）、ドライO 2（10分）、N 2（15分）。 </li></ol></li><li>オーミックコンタクト<ol><li>フォトリソグラフィとエッチングの酸化を行います。 <ol><li>次のようにウエハ表面上に接着促進ヘキサメチルジシラザン（HMDS）の数nmの厚さの層を堆積させる：プリベークをホットプレート上で110℃で1分間、ガラスビーカーにHMDSの約50ミリリットル注ぎ、ビーカーを置きます真空チャンバ内のウエハは、避難、2分間待ちます。 </li><li>バックとウェハ（3,000〜5,000 rpmで、所望の厚さに応じて25〜40秒）の前面両側のフォトレジストの2-4μmの厚さの層をスピン。 </li><li>マスクアライナーで紫外光に露出させ（4-10秒を10mW / cm 2の厚さに抵抗するようによります）。 1分間110℃のホットプレート上でポストベーク。 </li><li>次いで脱イオン水ですすぎ、1〜2分間の開発。 </LI&gt; <li> 20分間O 2プラズマエッチングを行う（;入射パワー= 50 W;圧力= 340ミリトール反射電力を&lt;1 W）。 </li><li>緩衝HF酸エッチング溶液中で酸化物（15：1、4-5分、30℃で≈速度は20nm /分のエッチング）。脱イオン水（5分）ですすいでください。 N 2でブロー乾燥。 </li></ol></li><li>アセトンに浸漬することにより、フォトレジストを除去します。イソプロパノール（IPA）で、その後、N 2でブロー乾燥すすいでください。 </li><li> （所望のドーピング濃度に応じて30〜45分間、N 2流量）リン源と1000℃の炉内でウェハを配置します。 </li><li>脱イオン水（10分）ですすぎ、水で希釈したHF酸（1、3-4分間、30℃でのエッチング速度≈は40nm / minで10）で汚染された酸化物層を除去します。 </li><li> 1.1.2のように酸化します。 </li></ol></li><li>ゲート酸化物<ol><li>繰り返しは1.2.1と1.2.2を繰り返します。 </li><li> 800℃で、専用の炉内でウェハを置き、次のように段階的に酸化する：ドライO 2（10分）、Dichloroethylene + O 2（20分）、ドライO 2（所望の酸化物の厚さに応じて10〜30分）、N 2（15分）。 </li></ol></li><li>オーミックコンタクトのメタライゼーション<ol><li>手順を繰り返し1.2.1。 </li><li>電子ビーム蒸発器内のウエハを配置します。 0.2〜0.5ナノメートル/秒、5×10 -6トルで100nmのアルミニウムを蒸発させます。 </li><li>金属をリフトオフするために1時間80℃でホットプレート上でNメチル-2-ピロリドン（NMP）中にウェハを浸します。必要に応じて超音波攪拌を使用してください。 2分間IPAですすいでください。 N 2でブロー乾燥。 </li><li>少なくとも15分間、400℃で形成ガスでアニール。 </li></ol></li></ol> 2.ナノ加工<ol><li>ウェーハダイシング<ol><li>いずれかが（ポリマーおよび紡糸パラメータの種類は、この段階では無関係である）保護コーティングとして機能するように、ウェハ上にレジストをスピン。 </li><li> 〜10×2 mm 2での個々のチップにウェハを切断するためにダイヤモンドチップダイサーを使用してください。 </li></ol></li><li>クリーニング<ol><li>その後2分間IPAですすぎ、80℃のホットプレート上で1時間、NMP中に浸します。 N 2でブロー乾燥。 </li><li> 5分間O 2プラズマエッチングを行う（= 50 W入射電力、反射電力を&lt;1 W）。 </li><li>アセトン、IPAでクリーンスピン（7,500 rpmで、30秒） </li></ol></li><li>アライメントマーカパターニング<ol><li>スピンポリメチルメタクリレート（PMMA 950k）はA4は（30秒が所望の厚さに応じて、5,000-7,500 rpm）をレジスト。典型的な加工厚≈150〜200ナノメートル。 90秒間180℃のホットプレート上にレジストを焼きます。 </li><li>電子ビームリソグラフィを実施しています。次の書き込み条件を使用し= 30keVのビームエネルギー、ビーム電流≈30 PA、面積線量500〜650μC/ cm 2でのマーカーの大きさに応じて≈およびレジスト厚。 </li><li> （1：3）40〜60秒間、その後20秒間IPAですすぎ、メチルイソブチルケトン、IPA溶液のレジストの開発。 N 2銃でブロー乾燥。 </li><li>場所電子ビーム蒸発器内のチップ。 0.2〜0.4ナノメートル/秒、5×10 -6トルでのTiの15 nmおよびPtを65ナノメートルを蒸発させます。 </li><li>ステップ1.4.3のように金属を持ち上げ。 </li><li>ステップのようにきれいなチップ2.2.2-2.2.3。 </li></ol></li><li>ゲートパターニング<ol><li>スピンは、2.3.1のように抵抗します。 </li><li>電子ビームリソグラフィを実施しています。 = 30 keVのビームエネルギー、ビーム電流≈30 PA、面積線量≈は500〜700μC/ cm 2の高解像度の特徴については、以下の書き込み条件を使用してください。低解像度の機能のための条件を書く：= 15 keVのビームエネルギー、ビーム電流≈10 nAの、面積線量400〜600μC/ cm 2の ≈。 </li><li> 2.3.3のようにレジストを開発します。 </li><li>熱蒸発器内のチップを配置します。 0.1〜0.4ナノメートル/秒、1-9×10 -6ミリバールでのAlを蒸発させます。目標厚さは、レイヤ1のためのレイヤ数に応じて、 図2（b）に示すように（25〜35ナノメートル、レイヤ2、75〜90 45〜65 nmのために変化するn個レイヤ3のためのM）。 </li><li>ステップ1.4.3のように金属を持ち上げ。 </li><li> 5〜10分間、150℃のホットプレート上でのAlの酸化を行います。 </li><li>ステップ2.2.3のようにきれいなチップ。 </li><li>手順を繰り返し二回3層ゲートスタックを実現する2.4.1-2.4.7。 </li></ol></li></ol> 3.デバイスのパッケージング<ol><li>ステップ2.1のようにサイコロチップ</li><li> 2分間アセトン及びIPAの結果小さなチップをすすぎます。 </li><li> PMMA A5を有するプリント回路基板（PCB）の個片を接着。それが乾燥するために2分を待ちます。あるいは、熱化を強化するために、銀エポキシ樹脂を使用しています。 </li><li>ウェッジボンダにPCBをロードして、配線を進めます。 </li></ol> 4.デバイスの完全性テスト<ol><li>ディッププローブに有線デバイスを含むPCBをマウントします。 </li><li>ディッププローブのものにPCBの電線を配線します。 </li><li>液体ヘリウムを含む容器内にプローブを挿入します。過剰なヘリウムbを避けるために、ゆっくりと進みオイルオフ。 </li><li>接地他のゲートを維持しながら、各デバイスのゲートについては、ソースメジャーユニットへのプローブの対応する室温の電極を接続してください。数NAにコンプライアンス電流を設定します。 、0.1 Vのステップで1.5Vにゼロからの電圧を掃引測定し、電流を記録します。 </li><li>バッテリ駆動の可変DC電圧源に各ゲート線を接続し、内蔵のロックインアンプの交流電圧源、及びロックイン増幅器の入力ポートにドレイン線にソース線。 </li><li> （ 図4参照）は、異なるゲート電圧の設定のためのコンダクタンスを排出するソースを測定します。 <ol><li>グローバル接地C1とC2ゲートを維持することによりゲートBL、BR、PL、SLおよびDLに印加される電圧をランプアップ。 「ターン·オン」デバイス特性を記録します。 </li><li>個別に各ゲート電圧を下降し、ゲート「ピンチオフ」の特性を記録します。 </li><li>静電クを定義するためにゲート電圧を調整しますターンオン電圧より（大きい）、BLとBR（PL、SLおよびDL）の電圧を設定することによりアントゥムドット小さいです。クーロンブロッケード特性を記録します。 </li></ol></li></ol>

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著者らは、開示することは何もありません。

本論文で報告されたプロトコルは、その機能の完全性をテストし、単電子ポンプとして、それらを動作させるために、シリコンMOSのQD、ならびに実験手順を製造するための技術について説明します。注目すべきことに、ゲート設計を調整することによって、同一の製造工程では、量子ビットの読み出しおよび制御17に適し、ならびに12,13チャージポンプデバイスを製造するために使用することができます。我々は、この記事で引用されたプロセスの多くのパラメータは（キャリブレーション、作るか、またはモデル）を使用し、製造ツールのと同様に、シリコン基板（厚さとバックグラウンドドーピング密度）の種類に応じて変えることができることに注意してください。そのようなリソグラフィ露光量または現像時間、エッチングや酸化時間等の数量は、慎重に較正されかつ信頼性の高い歩留まりを確保するためにテストされなければなりません。さらに、異なるプロセスのために同じ製造ツールの使用に起因するクロスコンタミネーションを避けるために重要です。この目的のために、数のCriticalステップはもっぱら、金属蒸発、酸素炉とHF浴などのシリコン処理専用の機器を用いて実施されます。 より一般的には、シリコンは、チャージポンプ18〜20を実現するための最適な材料として関心の高まりを描いています。これは、一部の業界互換のシリコンプロセスを使用して、新しい量子ベース電流の標準を実装する魅力的観点によるものです。これは、スケーラビリティ、並列駆動のオーバーヘッドのためのよく確立され、信頼性の高い統合技術の恩恵を受けるだろう。重要なことには、ゲート材料のような伝統的な金属を含まない完全な相補型MOS（CMOS）技術は、単一の電子デバイス21に大幅に減少した背景の電荷の変動を示しています。このような変動は計量精度を達成するために有害であることができます。 ここで説明するプロトコルは、金属ゲートを有するMOSナノデバイスの実現に制限されています。したがって、achieへ完全な産業適合性をまして電荷変動を低減するには、ゲート堆積技術を変更し、ゲート材料として高濃度にドープされた多結晶シリコンを使用するために必要とされるであろう。 結論として、ここで説明したMOS QDポンプは最近、正確な電流発生13の面で非常に優れた性能を有するシリコンの技術的利点を組み合わせています。これは、1つは、コンパクトで汎用性の高いシステムにつながる複数のゲート層を積層することを可能にする設計及び製造プロセスの高い柔軟性に由来します。一緒に背景の電荷の変動を減少させる可能性のあるドットの静電閉じ込めの結果として生じる微調整可能性は、他の半導体のポンプ22,23で観察された主な課題を克服するための段階を設定します。

シリコンは、現代のマイクロエレクトロニクスのほとんどの材料として選択されています。その特性と高度なリソグラフィー技術を組み合わせることで、半導体業界は非常に大規模な統合を達成し、チップあたり数十億個のトランジスタを提供することができました。MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)技術1は、この絶え間ない技術進歩2の鍵を握っています。簡単に言えば、これは選択的にドープされたSi基板に基づいており、これを熱酸化して高品質のSiO2ゲート酸化物を成長させ、その上に金属ゲート電極を堆積させます。最近、ゲート酸化物のスタックの使用が有益である可能性があることが示されています3。現在の業界標準は、ゲート長が20nm未満の最小フィーチャサイズに達していますが、このレベルの小型化では、有害な量子力学的現象が発生し、さらなるダウンスケーリングを複雑にする可能性があることがますます明らかになっています4。
驚くべきことに、シリコンは電子電荷とスピン5の量子特性を利用するための優れたホスト材料でもあります。これにより、量子コンピューティング6や量子電気計測7など、全く新しい分野にも適用範囲が広がりました。他のアプローチ5の中でも、マルチゲートMOS技術8,9の使用は、静電的に定義された量子ドット(QD)をもたらし、その占有率を単一電子レベル10まで制御することができる。トランジスタごとに1つのゲートのみが必要な従来のMOSプロセスとは異なり1、これらのQDは、Si/SiO 2界面に電子を選択的に蓄積するために使用されるAl/Al yOxゲートの3層スタックを介して定義され、横方向および垂直方向の閉じ込めを提供します11。
これらのデバイスはもともと量子コンピューティングアプリケーション用に開発されましたが、最近では計測ツールとして有望な性能も示しています12,13。量子電気計測の分野では、長年の目標は、素電荷(e)14の観点から単位アンペアを再定義することです。特に、個々の電子の移動をタイムリーかつ正確にクロックするナノスケールのチャージポンプの実現に重点が置かれています。これらのデバイスは、巨視的な量子化電流 I=nef を生成します (f は外部駆動発振器の周波数、n は整数)。これまで、GaAsベースのポンプでは、150pAを超える電流を生成し、1.2ppmの相対不確かさで15の電流を生成することにより、最高の性能が達成されてきました。最近、シリコンMOS QDは、電荷閉じ込め13を微調整する能力のおかげで、高精度の単一電子ポンプの実装でも際立っています。
ここでは、シリコンMOS QDの製造に使用されるプロトコルについて説明します。さらに、製造後のデバイスの完全性をテストするために使用される極低温セットアップと、チャージポンピング実験を行うセットアップについても説明します。最後に、量子化された電流の代表的な測定値が報告されます。

<table><tbody><tr><td>シリコンウェーハ</td><td>TOPSIL</td><td></td><td>4インチ</td></tr><tr><td>電子ビーム露光装置</td><td>Raith gmbh</td><td></td><td>Raith 150two</td></tr><tr><td>Eビームレジスト&nbsp;</td><td>MicroChem gmbh</td><td></td><td>PMMA</td></tr><tr><td>フォトレジスト</td><td>MicroChem gmbh</td><td></td><td>nLOF2020</td></tr><tr><td>マスクアライナー</td><td>Quintel</td><td></td><td>Q6000</td></tr><tr><td>フォトレジスト現像</td><td>MicroChem gmbh</td><td></td><td>AZ826MIF</td></tr></tbody></table>

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

大量生産されたシリコントランジスタがナノスケールに達するにつれて、その挙動と性能は、単一のドーパントを通るトンネル、界面欠陥による散乱、離散的なトラップ電荷状態などの量子力学的効果によってますます影響を受け、しばしば劣化します。しかし、シリコン技術の進歩により、これらの現象は新しいクラスの量子ベースの電子機器に利用および活用できることが示されています。とりわけ、マルチスケールゲートシリコン金属酸化膜半導体(MOS)技術を使用して、静電的に定義された量子ドット(QD)に閉じ込められた単一電荷またはスピンを制御することができます。これらの量子ドットベースのデバイスは、量子コンピューティングアプリケーションのための優れたプラットフォームであり、最近では、計測目的での量子化電流の正確な供給源である単電子ポンプとしても使用できることが実証されています。ここでは、量子コンピューティングと量子計測の両方のアプリケーションに関連するシリコンMOS QDの製造プロトコルについて詳しく説明します。さらに、製造後のデバイスの完全性をテストするための特性評価方法について説明します。最後に、チャージポンピング実験に使用した測定セットアップについて簡単に説明し、電流量子化の代表的な結果を示します。

シリコン金属酸化物半導体量子ドットに基づく単電子ポンプに関連する製造プロセスと実験的特性評価技術が議論されています。

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

本実験の全体的な目的は、シリコンベースの金属酸化物半導体量子ドットを作製し、それらを単電子ポンプとして動作させることです。これは、多層ゲート技術を用いてシリコンナノトランジスタを作製することで達成されます。この技術により、量子ドット内に閉じ込められた個々の電子を静電的に制御し、その転送速度を操作することが可能になります。第2のステップとして。作製したデバイスを液体ヘリウム温度でテストし、構造的な整合性を確認します。電流-電圧特性においてクーロン・ブロッケードが観察されれば、デバイスが十分に機能していることを示します。結果から、mK測定プラットフォームにおいて量子ドットを単一電子ポンプとして動作させられることが示されました。エントランスバリアの透過率をAC信号で駆動させた場合、特徴的な電流プラトーの出現によってそれが証明されます。シリコン・ナノエレクトロニクスは、私たちが生きる情報時代の核となっています。驚くべきことに、シリコンは量子コンピューティングや量子電気計量学などの量子ベースのアプリケーションにとっても優れたホスト材料となります。ここUNSWでは、従来のトランジスタを量子デバイスに変換する技術を開発しました。これにより、シリコン内のわずか数十ナノメートルの極小領域に電子を閉じ込めることが可能です。これは量子ドットと呼ばれるものです。このような量子ドットを用いて、ソース電極から電子を正確に捉えてドレイン電極へと送り込みます。このプロセスを極めて高速に繰り返すことで、将来的には世界で最も正確な電流を生成することが可能になります。電気計測における長年の目標は、電子電荷のような自然界の真の定数にその値を結びつけることで、電流の単位を再定義することです。本手法では、このリンクを実現するためのシリコン量子デバイスの作製および動作について説明します。本研究で使用したナノスケールデバイスは、産業用CMOSプロセスと概ね互換性のあるプロトコルを用いて作製されています。ただし、標準的なCMOSデバイスとは異なり、個々の電子を空間的に閉じ込めることを可能にする金属ゲートスタックを追加しています。本プロトコルでは、量子ドットベースの単一電子ポンプの試験および操作方法を実証します。成功の鍵は、ドットの静電ポテンシャルおよびトンネル障壁の透過性を制御することです。通常、複数のRF信号を用いて、tdotへの単一電子の注入および放出を駆動させます。金属デバイスやIII-V族半導体などの代替実装に対する我々の多層ゲートデバイスの大きな利点は、ドットの静電閉じ込めを極めて精密に制御できたことです。これが、ポンピングメカニズムにおけるエラーを抑制するための鍵となりました。シリコンウェハー上にフィールド酸化層を形成するためには、酸化炉を900 °Cに準備してください。適切に洗浄された2インチのシリコンウェハーを用意します。ウェハーを炉に入れ、酸化工程を開始します。酸化工程には約1時間15分かかります。完了後、オーム接触の作成を開始するため、ウェハ上にHDMSの層を堆積させる準備をします。そのために、ウェハを110 °Cのホットプレートに1分間置きます。また、約50 mLのHDMSをガラスビーカーに注ぎます。両方の準備が整ったら、ウェハーとビーカーを真空チャンバーに入れ、ウェハー上に数ナノメートルの厚さのHDMS層を堆積させます。真空チャンバーからウェハーを取り出した後、スピンコーターへ移動させます。そこで、ウェハーの表面と裏面の両方に2〜4マイクロメートルのフォトレジスト層をスピンコートします。次に、ウェハをスピンコーターからマスクアライナーへ移動させます。ウェハを配置し、このプロセスのコンタクトをパターニングするためのマスクを設定します。紫外線を用いて、このオミックコンタクトパターンをウェハに転写します。パターニング後、ウェハをホットプレートに移動させます。ポストベークとして、ウェハを110 °Cで1分間加熱します。ウェハを1〜2分間現像し、脱イオン水で洗浄した後、プラズマエッチャーに投入します。340 mTorr、入射電力 50 W、反射電力 1 W 未満の条件下で、20 分間の酸素プラズマエッチングを行います。プラズマエッチング後、30 °C に調整した 15:1 緩衝フッ化水素酸溶液を用意しておきます。30 °Cにおけるエッジレートを20 nanometers per minuteと想定し、酸化膜を4〜5分間エッチングします。完了後、ウェハを脱イオン水で5分間すすぎ、乾燥窒素でブロードライしてから次へ進みます。次に、アセトンとイソプロパノールの容器を用意します。ウェハをアセトンに5分間浸し、フォトレジストを除去します。続いて、イソプロパノールでさらに5分間すすぎます。乾燥させたウェハを、リン源を備えた1000 °Cの電気炉に移します。所望のドーピング密度に応じて、窒素ガス気流下でウェハを30〜45分間内部に保持します。ウェハを取り出した後、汚染された酸化層を除去する準備をします。ウェハを十分に浸漬できる量の、水で希釈したフッ化水素酸の容器と、脱イオン水の容器を用意してください。ウェハーを酸に3〜4分間浸し、その後、水で10分間すすぎます。ウェハーを900 °Cに保持された酸化炉に戻します。酸化後、約1時間15分かけて酸化工程を行います。次のステップは、ウェハー上に数ナノメートルの厚さのHDMSゲート酸化膜を形成することです。次に、スピンコーターへ移動し、ウェハーの両面に2～4 µmのフォトレジストをスピンコートします。その後、再びウェハーをマスクアライナーへと運びます。ウェハーを紫外線に露光し、必要なパターンを転写します。ウェハーを現像した後、340 millitorrの酸素プラズマエッチングに20分間浸漬させます。続いて、30 °Cの15倍希釈緩衝フッ化水素酸溶液でエッチングを行います。ウェハーを溶液に3～4分間浸し、その後、脱イオン水で5分間すすぎます。ウェハーを乾燥させた後、アセトンに5分間浸します。フォトレジストを除去するために、ウェハーをイソプロパノールで5分間すすぎます。窒素ガスでウェハを乾燥させた後、専用の800 °Cの炉に移し、酸化工程にかけます。目的とする酸化膜の厚さに応じて、1時間から1時間15分時間をかけます。ゲートパターニングの前に、ウェハのソースおよびドレイン接点のメタライゼーションと、個々のチップへのダイシングを行う必要があります。これらの10 mm × 2 mmのチップには、電子線リソグラフィ用の整合マーカーがパターニングされています。アルミニウムゲートのパターニングには3回の工程が必要であり、スピンコーティングから開始します。各工程において、ポリメタクリル酸メチルのレジストを150～200 nmの厚さにスピンコートします。コーティング後、チップを180 °Cのホットプレートに移します。次へ進む前に、チップを90秒間ベイクします。次に、チップを電子ビームリソグラフィー装置に移します。リソグラフィーでは、高解像度用と低解像度用で異なるパラメータを使用してください。これはゲートレイアウトのパターンです。この実験では、イソブチルケトンとイソプロパノールの溶液を用いてレジストを展開します。1対3の比率で混合した溶液に、チップを40〜60秒間浸漬させます。チップをイソプロパノールで20秒間すすぎ、窒素でブロードライします。次に、チップを熱蒸着装置に移します。1回目のパスでアルミニウムを蒸着させる準備をしてください。アルミニウムを0.1〜0.4 nm/sの速度で蒸着させ、目標厚さを25〜35 nmにします。蒸着後、金属のリフトオフを行うため、ホットプレート上の80 °Cに設定したエチルピロンの容器にチップを1時間浸漬させます。次に、チップをイソプロパノールで2分間すすぎます。ホットプレートを用いて、150 °Cでアルミニウムの酸化を行います。乾燥させたチップをホットプレート上に5〜10分間置きます。アセトンとイソプロパノールを使用し、7,500 RPMで30秒間のスピン洗浄を行うことで、1回目の工程を完了します。この概略図は、第1パスで実施した内容の概要を示しています。第2パスでは、45〜65 nmのアルミニウム層を蒸着させます。第3パスでは、75〜90 nmのアルミニウム層を蒸着させ、3層のゲートスタックを実現します。完全性試験を行うために、チップをプリント回路基板上に適切に実装し、チップを装着して、チップとプリント回路との間に電気的接続を確立する必要があります。次に、プリント回路基板をディッププローブに取り付けます。デバイスゲートへの電気的接続が可能になるよう、プローブを配線してください。プローブの準備が整ったら、液体ヘリウムの入った容器を用意し、ヘリウムの過剰なボイルオフを防ぐためにプローブをゆっくりと浸してください。この概略図は、リークテストの接続を示しています。室温電極を使用し、ソースメジャーユニットに接続された1つを除くすべてのゲートを接地してください。ソースメジャーユニットの電圧を0から1.5 Vまで0.1 V刻みでスイープし、電流を測定して記録します。電流が検出されない場合、そのデバイスはリークテストに合格したことになります。次のテストでは、各ゲートを可変DC電圧源に接続します。ソースラインをロックインアンプの入力ポートに接続します。また、ドレインラインをロックインアンプの内蔵AC電圧源に接続します。C oneおよびC twoを接地したまま、BL、br、pl、sl、およびDLに印加するゲート電圧を同時に掃引し、オン特性を測定します。デバイスのオン特性を記録します。これはこの測定のサンプル波形です。次に、各ゲート電圧を個別にランプダウンさせ、この測定のBLをランプダウンさせてピンチオフ特性を記録します。図にターンオンおよびピンチオフ特性の代表的な結果を示します。ソース・ドレイン間のAC電流のRMS値がゲート電圧の関数として示されています。ゲートの名称は概略図に記載されています。ソースおよびドレインのコンタクトを、約113 Hzで50 µV RMSの励起電圧を持つロックインアンプに接続し、ゲートをモジュール式制御電圧電源ラックに接続します。ゲートC1とC2は0 Vに保持し、それ以外のゲートは2 Vに保持します。これは、ソースドレインバイアスおよびプランジャーゲート電圧の関数として、ソースドレイン電流をカラースペクトルで表した代表的な測定結果です。プランジャーゲートの下に量子ドットが形成されると、クーロン・ブロッケードに特有のシグネチャが明確に現れます。高周波電気配線を備えたミリケルビン温度測定プラットフォームでデバイスを動作させることで、単電子ポンピングを実現できます。この実験では、入力バリアとプランジャーゲートに10 MHzの正弦波駆動信号の2つを印加してデバイスを駆動します。電子電荷の整数倍で現れる特性電流のプラトーと周波数は、量子化された電荷輸送のシグネチャーとなります。本プロトコルに記載されているプロセスのパラメータの多くは、使用する作製ツールやシリコン基板の種類によって異なる場合があります。リソグラフィーの露光量、現像時間、エッチング時間、または酸化処理時間などの数量は、信頼性の高い歩留まりを確保するために、慎重に校正および検証する必要があります。製造プロセスのフローにおいて、異なる工程で使用する製造装置間の相互汚染を避けることが極めて重要です。これを防ぐため、金属蒸着機、酸化炉、HFバスなど、シリコン処理専用のツールを多数導入しています。今回の量子化で示された結果は、実験パラメータの調整を迅速に行うことができる、比較的低い駆動周波数である10 megahertzで取得したものです。実際には、ポンプを数百 megahertzで動作させることが望ましいと考えられます。ただし、通常この場合は、より精緻で時間のかかるパラメータ最適化が必要になることに留意してください。本ビデオで述べた作製プロセスおよび測定技術を用いることで、シリコンベースのシステムにおいて記録的な精度で微小電流を生成することができました。これにより、量子力学的な原理のみに基づいた電流単位の将来的な再定義に向けた大きな期待が寄せられています。現在は、デバイス内の通常金属ゲートをポリシリコンに置き換える検討を行っています。これにより、現在観察されている背景電荷ノイズが抑制されると考えられます。我々の目的は、その結果として電子ポンプの安定性と精度を向上させることです。これにより、新しい世界電流標準における極めて厳しい計量学的要求を満たすことができるようになります。このビデオで紹介した手法は、量子デバイスにおけるシリコンベースのナノテクノロジーの大きな可能性を示しています。電荷ポンピングの素材としてシリコンへの関心が高まっており、これは、産業界で互換性のあるシリコンプロセスを用いて新しい電流標準を実装できるという点に魅力があるためです。これにより、システムのスケールアップに不可欠な、十分に確立された統合技術を早期に活用することが可能になります。

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単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

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