単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

次の実験の全体的な目標は、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、それらを単一電子ポンプとして動作させることです。これは、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できる多層歩行技術を備えたシリコンナノトランジスタを製造することによって達成されます。第二のステップとして。

製造されたデバイスは、液体ヘリウム温度でテストされ、構造的完全性が確認されます。電流電圧特性のクールオンブロッケードの観察は、デバイスの機能が十分であることを示しています。その結果、量子ドットは、Malik Kelvin測定プラットフォームにおいて単一の電子ポンプとして動作できることが示されています。

入口バリアの透明度がAC信号で駆動されている場合。これは、特徴的な電流プラトーの出現によって証明されています。シリコンナノエレクトロニクスは、私たち全員が生きる情報化時代の中心にあります。

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測などの量子ベースのアプリケーションにとって優れたホスト材料でもあります。UNSWでは、従来のトランジスタを量子デバイスに変える技術を開発しました。私たちは、わずか数十ナノメートルの大きさで、シリコーンの小さな領域に電子を閉じ込めることができます。

これは、人々が量子ドットと呼ぶものです。このような量子ドットを用いて、ソースリードから電子を精密に捕らえ、ドレインリードに押し込むことで、このプロセスを非常に速く繰り返すことで、将来的には世界で最も精度の高い電流を生成することができます。電気計測学における長年の目標は、電流DMペアの単位を、その値を電子電荷などの真の自然定数にリンクすることにより、再定義することです。

提示された手法は、このリンクを実装するためのシリコーン量子デバイスを製造および操作する方法を説明しています。この研究で使用されたナノスケールデバイスは、産業用CMOプロセスとほぼ互換性のあるプロトコルを使用して製造されています。しかし、標準的なCMOデバイスとは異なり、金属製のゲートスタックを追加することで、個々の電子を空間的に閉じ込めることができます。

私たちのプロトコルは、量子ドットベースの単一電子ポンプをテストおよび操作する方法を示しています。その成功の鍵となるのは、ドットの静電ポテンシャルとトンネルバリアの透明度を制御することです。通常、複数のRF信号を使用して、tdotとの間の単一電子の転送を駆動します。

当社の多層ゲートデバイスは、金属デバイスやスリーファイブ半導体などの代替実装よりも優れている点として、ドットの静電閉じ込めを絶妙に制御できたことが挙げられます。これが、ポンピング機構のエラーを抑制するための鍵となっています。シリコンウェーハ上にフィールド酸化物層を作成するには、900°Cの酸化炉を準備します。

適切に洗浄された2インチのシリコンウェーハから始めます。ウェーハを炉に入れ、酸化ステップを開始します。酸化ステップには約1時間半かかります。

完了したら、ウェーハ上にHDMSの層を堆積させる準備をして、オミクスコンタクトの作成を開始します。これを行うには、ウェーハを摂氏110度のホットプレートに1分間置きます。また、ガラスのくちばしに約50ミリリットルのHDMSを注ぎます。

両方の準備ができたら、ウェーハとビーカーを真空チャンバーに入れて、ウェーハ上に数ナノメートルの厚さのHDMS層を堆積させます。ウェーハを真空チャンバーから取り出した後、スピンコーダーに移します。そこ。ウェーハの背面と前面の両方に2〜4マイクロメートルのフォトレジスト層を回転させます。

続いて、ウェーハをスピンコアからマスクアライナーに移動します。ウェーハを配置し、このプロセスの接点をパターン化するようにマスクを設定します。紫外線を使用して、このオミクス接触パターンをウェーハに伝達します。

パターニング後、ウェーハをホットプレートに移します。ポストベーク後1分間、ウエハースを摂氏110度で焼きます。ウェーハを1〜2分間現像し、脱イオン水ですすいでからプラズマエッチャーに持ち込みます。

340で20分間酸素プラズマエッチングを行います。ミリトーは入射電力が50ワットで、反射電力は1ワット未満です。プラズマエッチングの後、摂氏30度で15対1の緩衝フッ化水素酸溶液を準備しています。

酸化物を4〜5分間エッチングします。これは、摂氏30度で毎分20ナノメートルのエッジレートを想定しています。完了したら、ウェーハを脱イオン水ですすいでください5分間、ウェーハを乾燥窒素でブロードライしてから続行します。次に、アセトンとイソプロパノールの容器を用意します。

ウェーハをアセトンに5分間浸漬して、フォトレジストを除去します。これに続いて、イソプロパノールでさらに5分間すすぎます。乾燥したウェーハを、リン源を備えた摂氏1000度の炉に移します。

ウェーハを窒素ガス流で内部に置き、所望のドーピング密度に応じて30〜45分間。ウェーハを回収した後、汚染された酸化物層を除去する準備をします。水で希釈したフッ化水素酸の容器と、ウェーハを浸すのに十分な脱イオン水の容器を用意しておきます。

ウェーハを酸に3〜4分間浸し、次に水に10分間すすぎます。ウェーハを900度に保持された酸化炉に戻します。酸化後、約1時間半かけて酸化ステップを経ます。

次のステップは、ウェーハ上に数ナノメートルの厚さのHDMSの層を歩行酸化膜形成することです。次に、ウェーハの両面に2〜4マイクロメートルのフォトレジストを塗布したスピンコーダースピンコートに移します。もう一度、ウェーハをマスクアライナーに持っていきます。

ウェーハを紫外線にさらして、必要なパターンを転写します。ウェーハを現像した後、酸素プラズマエッチングに340ミリトーで20分間入れます。これに続いて、摂氏30度で15対1の緩衝フッ化水素酸溶液でエッチングします。

ウェーハを溶液に3〜4分間置き、次にウェーハを脱イオン水で5分間すすぎます。ウェーハを乾燥させた後、アセトンに5分間浸漬します。フォトレジストを除去するには、ウェーハをイソプロパノールで5分間すすぎます。

窒素ガスでウェーハを乾燥させた後、専用の800°C炉に持ち込み、酸化ステップ内に置きます。目的の酸化物の厚さに応じて、1時間から1時間15分かかります。歩行パターニングの前に、ウェーハはソースとドレインの接点のメタライゼーションを受け、個々のチップにダイシングする必要があります。

これらの10ミリメートル×2ミリメートルのチップは、電子ビームリソグラフィーのパターニング用のアライメントマーカーでもパターニングされており、アルミニウムゲートは3回のパスを経てスピンコーティングから始まります。各パスについて、ポリメチルメタクリレートaを150〜200ナノメートルの厚さに4つのレジストで回転させます。コーティング後、チップを摂氏180度のホットプレートに移します。

チップを90秒間焼きます。次に、チップを電子ビームリソグラフに移動します。リソグラフィー中は、高解像度と低解像度で異なるパラメーターを使用します。

これは、歩行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、イソプロパノールの溶液でレジストを開発します。1対3の比率で、チップを溶液に40〜60秒間浸します。

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、チップを熱蒸発器に持っていきます。最初のパスでアルミニウムを蒸発させる準備をします。

アルミニウムを毎秒0.1〜0.4ナノメートルで25〜35ナノメートルの目標厚さまで蒸発させます。蒸発後、金属を持ち上げるために進み、摂氏80度のホットプレート上にエチル2パロンの容器を用意し、チップを1時間浸します。次に、チップをイソプロパノールで2分間すすぎます。

150°Cのホットプレートでアルミニウム酸化を行います。ドライチップをホットプレートに5〜10分間置きます。チップをクリーニングし、アセトンとイソプロパノールを7, 500 RPMで30秒間使用して、最初のパスを完了します。

この回路図は、最初のパスで行われた内容の概要を示しています。2回目のパスでは、45〜65ナノメートルのアルミニウム層を蒸発させます。3回目のパスでは、75〜90ナノメートルのアルミニウム層を蒸発させて、3層のゲートスタックを実現します。

完全性テストを実行するには、チップをプリント回路基板に適切に取り付け、チップを取り付け、チップとプリント回路との間に電気的接続を行う必要があります。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。プローブを配線して、デバイスのゲートに電気的に接続できるようにします。

プローブの準備ができたら、液体ヘリウムの入った容器を用意し、ヘリウムが過度に沸騰しないようにプローブをゆっくりと浸します。この回路図は、漏れ試験の接続を示しています。室温電極を使用して、ソース測定ユニットに接続されたゲートを除くすべてのゲートを接地します。

ソース測定単位電圧を0.1ボルト刻みでゼロから1.5ボルトまでスイープして、電流を測定および記録します。電流が検出されない場合、デバイスはリークテストに合格します。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 AND C 2を接地したまま、BL、br、pl、sl、DLに印加されるゲート電圧を同時に上昇させることにより、ターンオン特性を測定します。

デバイスの電源オン特性を記録します。これは、この測定のサンプルトレースです。次に、各ゲート電圧を個別にランプダウンして、この測定BLがランプダウンされるピンチオフ特性を記録します。

ここでは、プロットのターンオン特性とピンチオフ特性の代表的な結果を示します。RMSソースのドレインAC電流は、ゲート電圧の関数として与えられます。ゲートは回路図でラベル付けされています。

ソース接点とドレイン接点は、約113ヘルツで50μVのRMS励起でロックインアンプに接続され、ゲートはモジュール式の制御可能な電圧バッテリーラックに接続されています。ゲート C 1 と C 2 は 0 ボルトで保持され、他のゲートは 2 ボルトで保持されます。これは、ソース・ドレイン・バイアスとプランジャー・ゲート電圧の関数としてカラー・スペクトルで表されるソース・ドレイン電流の代表的な測定値です。

プランジャーゲートの下に量子が形成されると、ウラム封鎖の特徴的な特徴がはっきりと現れます。単一電子ポンピングは、高周波電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操作することで実現できます。

この実験では、入力バリアとプランジャー ゲートで 2 信号の 10 メガヘルツ正弦波ドライブを使用してデバイスを駆動します。電子電荷と周波数の整数倍でプラトーする特性電流は、量子化された電荷移動のシグネチャーです。このプロトコルのプロセスパラメータコースのほとんどは、使用する製造ツールやシリコン基板のタイプ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、酸化時間などの量は、信頼性の高い歩留まりを確保するために、慎重に校正およびテストする必要があります。製造プロセスフローでは、異なるプロセスの製造装置間の相互汚染を回避することが重要です。これを避けるために、金属蒸着器、酸化炉、HF浴など、シリコン加工専用のツールを多数用意しています。

電流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実行できる10メガヘルツの比較的長い駆動周波数で取得されます。実際には、ポンプを数百メガヘルツで運転することが望ましい。これには通常、はるかに細かく、より時間のかかるパラメータの最適化が必要であることに言及することが重要です。

このビデオで説明した製造プロセスと測定技術に従って、シリコンベースのシステムの中で記録的な精度で微視的な電流を生成することができました。これは、量子力学の原理のみに基づく電流の単位の将来の再定義に大きな期待を寄せています。脈拍。現在、デバイスの通常の金属ゲートを多結晶シリコーンに置き換えることを検討しています。

これにより、現在観測されているバックグラウンドチャージノイズが抑制されている可能性があります。私たちの目的は、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。その後、新しい世界の現在の基準の極端な気象学的要件を満たします。

このビデオで紹介した手法は、量子デバイスのための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。シリコンは、チャージポンピングの材料としてますます注目を集めていますが、これは、業界互換のシリコンプロセスを使用して新しい電流標準を実装することの魅力によるものであり、システムのスケーラビリティのために早期に利用可能な非常に確立された統合技術の恩恵を受けることができます。