단일 전자 펌핑을 위한 Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots

실리콘 금속 산화물 반도체 양자점을 기반으로 하는 단일 전자 펌프와 관련된 제조 공정 및 실험적 특성화 기술에 대해 설명합니다.

다음 실험의 전반적인 목표는 실리콘 기반 금속 산화물 반도체 양자점을 제작하고 이를 단일 전자 펌프로 작동하는 것입니다. 이는 다층 보행 기술로 실리콘 나노 트랜지스터를 제작하여 달성되며, 이를 통해 양자점 내에 갇힌 개별 전자를 정전기적으로 제어하고 전달 속도를 조작할 수 있습니다. 두 번째 단계로.

제작된 장치는 구조적 무결성을 확인하기 위해 액체 헬륨 온도에서 테스트됩니다. 전류 전압 특성에서 차단 시 냉각이 관찰되면 장치 기능이 만족스러움을 나타냅니다. 결과는 양자점이 Malik Kelvin 측정 플랫폼에서 단일 전자 펌프로 작동할 수 있음을 보여줍니다.

입구 장벽의 투명도가 AC 신호로 구동되는 경우. 이것은 시그니처 전류 고원의 출현으로 입증됩니다. 실리콘 나노일렉트로닉스는 우리 모두가 살고 있는 정보화 시대의 중심

놀랍게도 실리콘은 양자 컴퓨팅 및 양자 전기 계측과 같은 양자 기반 응용 분야를 위한 우수한 호스트 재료이기도 합니다. UNSW에서는 기존 트랜지스터를 양자 장치로 전환하는 기술을 개발했습니다. 우리는 수십 나노미터 크기의 실리콘의 작은 영역에 전자를 가둘 수 있습니다.

이것을 사람들은 퀀텀닷이라고 부릅니다. 우리는 이러한 양자점을 사용하여 소스 리드에서 전자를 정확하게 잡아 드레인 리드로 밀어 넣고, 이 과정을 매우 빠르게 반복하면 앞으로 세계에서 가장 정확한 전류를 생성하는 데 사용될 것입니다. 전기 계측학의 오랜 목표는 전류 DM 쌍의 값을 전자 전하와 같은 자연의 진정한 상수에 연결하여 단위를 재정의하는 것입니다.

제시된 기술은 이 링크를 구현하기 위해 실리콘 양자 장치를 제조하고 운영하는 방법을 설명합니다. 이 작업에 사용된 나노스케일 장치는 산업용 CMO 프로세스와 크게 호환되는 프로토콜을 사용하여 제작됩니다. 그러나 표준 CMO 장치와 달리 금속 게이트 스택을 추가하여 개별 전자를 공간적으로 제한할 수 있습니다.

당사의 프로토콜은 양자점 기반 단일 전자 펌프를 테스트하고 작동하는 방법을 보여줍니다. 성공의 핵심 요소는 점의 정전기 전위와 터널 장벽의 투명도를 제어하는 것입니다. 다중 RF 신호는 일반적으로 tdot에서 단일 전자를 tdot로 전달하는 데 사용됩니다.

금속 장치 또는 Three Five Semiconductors와 같은 대체 구현에 비해 다층 게이트 장치의 가장 큰 장점은 점의 정전기 구속에 대한 절묘한 제어를 달성했다는 것입니다. 이것은 펌핑 메커니즘의 오류를 억제하는 열쇠였습니다. 실리콘 웨이퍼에 전계 산화물 층을 만들려면 섭씨 900도에서 산화로를 준비하십시오.

적절하게 세척된 2인치 실리콘 웨이퍼로 시작하십시오. 웨이퍼를 퍼니스에 놓고 산화 단계를 시작합니다. 산화 단계는 약 1시간 15분이 소요됩니다.

완료되면 웨이퍼에 HDMS 층을 증착하여 오믹 접점 생성을 시작할 준비를 합니다. 이렇게하려면 웨이퍼를 섭씨 110도의 핫 플레이트에 1 분 동안 놓습니다. 또한 약 50ml의 HDMS를 유리 부리에 붓습니다.

둘 다 준비되면 웨이퍼와 비커를 진공 챔버에 놓고 웨이퍼에 몇 나노미터 두께의 HDMS 층을 증착합니다. 진공 챔버에서 웨이퍼를 제거한 후 스핀 코더로 이동합니다. 거기. 웨이퍼의 앞면과 뒷면 모두에 2-4마이크로미터의 포토레지스트 층을 회전시킵니다.

웨이퍼를 스핀 코어에서 마스크 정렬기로 이동하여 계속합니다. 웨이퍼를 배치하고 이 프로세스를 위해 접점을 패턴화하도록 마스크를 설정합니다. 자외선을 사용하여 이 오믹 접촉 패턴을 웨이퍼로 전달합니다.

패터닝 후 웨이퍼를 핫 플레이트로 이동합니다. 포스트 베이킹 후 1분 동안 섭씨 110도에서 웨이퍼를 굽습니다. 웨이퍼를 1-2분 동안 현상하고 플라즈마 에칭기에 가져가기 전에 탈이온수로 헹굽니다.

340도에서 20분 동안 산소 플라즈마 에칭을 수행합니다. 50와트 입사 전력과 1와트 미만의 반사 전력을 가진 Millitorr. 플라스마 식각 후에, 30 섭씨 온도에 15에서 1개의 완충된 불화 수소산 해결책을 준비되어 있으십시오.

섭씨 30도에서 분당 20나노미터의 가장자리 속도를 가정하고 4-5분 동안 산화물을 에칭합니다. 완료되면 웨이퍼를 탈이온수로 헹굽니다.5분 동안 계속하기 전에 건조 질소로 웨이퍼를 건조시킵니다. 다음으로, 아세톤과 이소프로판올 용기를 준비하십시오.

웨이퍼를 아세톤에 5분 동안 담궈 포토레지스트를 제거합니다. 그런 다음 이소프로판올로 5분 더 헹굽니다. 건조 웨이퍼를 인 공급원이 장착된 섭씨 1000도의 용광로로 이동합니다.

원하는 도핑 밀도에 따라 30-45분 동안 질소 가스 흐름으로 웨이퍼를 내부에 놓습니다. 웨이퍼를 회수한 후 오염된 산화물 층을 제거할 준비를 합니다. 물에 희석된 불산(hydrofluoric acid) 용기와 웨이퍼를 담가두기에 충분한 탈이온수 용기를 준비하십시오.

웨이퍼를 산에 3-4분 동안 담근 다음 10분 동안 물에 헹굽니다. 웨이퍼를 900도로 유지되는 산화로에 다시 넣습니다. 산화 후 약 1시간 및 1/4 시간에 걸쳐 산화 단계를 거칩니다.

다음 단계는 웨이퍼에 몇 나노미터 두께의 HDMS 층을 보행 산화물 증착물을 형성하는 것입니다. 다음으로, 웨이퍼 양쪽에 2-4마이크로미터의 포토레지스트가 있는 스핀 코더 스핀 코트로 이동합니다. 다시 한 번, 웨이퍼를 그곳의 마스크 얼라이너로 가져갑니다.

웨이퍼를 자외선에 노출시켜 필요한 패턴을 전달합니다. 웨이퍼를 현상한 후 340밀리토르에서 20분 동안 산소 플라즈마 에칭에 넣습니다. 이를 섭씨 30도에서 15:1 완충된 불화수소산 용액에 에칭하여 수행합니다.

웨이퍼를 용액에 3-4분 동안 넣은 다음 웨이퍼를 탈이온수로 5분 동안 헹굽니다. 웨이퍼를 건조시킨 후 아세톤에 5분 동안 담그십시오. 포토레지스트를 제거하려면 웨이퍼를 이소프로판올로 5분 동안 헹굽니다.

웨이퍼를 질소 가스로 건조시킨 후 섭씨 800도 전용로에 넣고 산화 단계 내부에 놓습니다. 원하는 산화물 두께에 따라 한 시간에서 한 시간 15분이 소요됩니다. 보행 패터닝하기 전에 웨이퍼는 소스 및 드레인 접점의 금속화를 거쳐야 하며 개별 칩으로 다이싱해야 합니다.

이 10mm x 2mm 칩은 전자빔 리소그래피를 위한 정렬 마커로 패턴화되었으며, 알루미늄 게이트를 패터닝하고 3번의 통과를 거쳐 스핀 코팅으로 시작합니다. 각 패스에 대해 폴리메틸 메타크릴레이트를 150-200나노미터의 두께로 4개의 레지스트를 스핀합니다. 코팅 후 칩을 섭씨 180도의 핫 플레이트로 옮깁니다.

계속하기 전에 칩을 90초 동안 굽습니다. 이제 칩을 전자빔 석판화로 옮깁니다. 리소그래피를 사용하는 동안 고해상도와 저해상도에 대해 다른 매개변수를 사용하십시오.

이것이 보행 레이아웃의 패턴입니다. 이 실험에서는 이소 부틸, 케톤 및 이소프로판올 용액으로 레지스트를 개발하십시오. 1 대 3의 비율로 칩을 용액에 40-60초 동안 담그십시오.

칩을 이소프로판올로 20초 동안 헹구고 질소로 건조시킵니다. 그런 다음 칩을 열 증발기로 가져갑니다. 첫 번째 패스를 위해 알루미늄을 증발시킬 준비를 합니다.

초당 0.1 - 0.4 나노미터의 속도로 알루미늄을 25 - 35 나노미터의 목표 두께로 증발시킵니다. 증발 후 금속을 들어 올리고 섭씨 80도의 핫 플레이트에 에틸 2 파론 용기를 준비하고 칩을 1 시간 동안 담그십시오. 다음으로, 칩을 이소프로판올로 2분 동안 헹굽니다.

섭씨 150도의 열판에서 알루미늄 산화를 수행합니다. 드라이 칩을 핫 플레이트에 5-10분 동안 놓습니다. 칩을 청소하고 아세톤과 이소프로판올을 7, 500RPM에서 30초 동안 사용하여 첫 번째 패스를 완료합니다.

이 회로도는 첫 번째 패스에서 수행된 작업에 대한 개요를 제공합니다. 두 번째 통과 중에 45-65 나노 미터의 알루미늄 층을 증발시킵니다. 세 번째 패스에서는 75-90 나노 미터 층의 알루미늄을 증발시켜 3 층 게이트 스택을 실현합니다.

무결성 테스트를 수행하려면 인쇄 회로 기판에 칩을 적절하게 장착하고, 칩을 장착하고, 칩과 인쇄 회로 사이에 전기 연결을 만들어야 합니다. 그런 다음 인쇄 회로 기판을 딥 프로브에 장착합니다. 장치 게이트에 전기적으로 연결할 수 있도록 프로브를 배선합니다.

프로브가 준비되면 액체 헬륨이 들어 있는 용기를 구하고 과도한 헬륨 증발을 방지하기 위해 프로브를 천천히 담그십시오. 이 회로도는 누출 테스트의 연결을 보여줍니다. 실온 전극을 사용하여 소스 측정 장치에 연결된 게이트를 제외한 모든 게이트를 접지합니다.

전류를 측정하고 기록하기 위해 0.1볼트 단위로 0에서 1.5볼트까지 소스 측정 단위 전압을 스윕합니다. 전류가 감지되지 않으면 장치는 누설 테스트를 통과합니다. 다음 테스트를 위해 각 게이트를 가변 DC 전압 소스에 연결합니다.

소스 라인을 락인(lock-in)의 입력 포트에 연결합니다. 또한 드레인 라인을 내장 AC 볼륨에 연결합니다.tag락인 증폭기의 전자 소스. C 1 및 C 2를 접지된 상태로 유지하면서 BL, br, pl, sl 및 DL에 적용되는 게이트 전압을 동시에 증가시켜 턴 온 특성을 측정합니다.

장치 켜기 특성을 기록합니다. 이것은 이 측정에 대한 샘플 추적입니다. 다음으로, 각 게이트 전압을 개별적으로 램프다운하여 이 측정 BL이 램프다운되는 핀치 오프 특성을 기록합니다.

여기서 우리의 대표 결과는 플롯의 턴온 및 핀치 오프 특성에 대한 것입니다. RMS 소스 드레인 AC 전류는 게이트 전압의 함수로 제공됩니다. 게이트는 회로도에 표시되어 있습니다.

소스 및 드레인 접점은 약 113Hz에서 50마이크로볼트 RMS 여기가 있는 락인앰플리파이어에 연결되고 게이트는 모듈식 제어 가능한 전압 배터리 랙에 연결됩니다. 게이트 C 1과 C 2는 0볼트로 유지되고 나머지는 2볼트로 유지됩니다. 이것은 소스 드레인 바이어스와 플런저 게이트 전압의 함수로 색상 스펙트럼에 표시되는 소스 드레인 전류의 대표적인 측정입니다.

플런저 게이트 아래에 양자가 형성되면 울람 봉쇄의 특징이 명확하게 드러납니다. 단일 전자 펌핑은 고주파 전선이 장착된 밀리켈빈 온도 측정 플랫폼에서 장치를 작동할 때 달성할 수 있습니다.

이 실험에서 장치는 입력 장벽과 플런저 게이트에서 두 개의 신호 10MHz 사인파 구동으로 구동됩니다. 전자 전하와 주파수의 정수 배수에서 특징적인 전류 고원은 양자화된 전하 전달의 특징입니다. 이 프로토콜에서 대부분의 공정 매개변수 과정은 사용된 제조 도구와 실리콘 기판의 유형에 따라 달라질 수 있습니다.

리소그래피 노출 선량 또는 현상 시간, 에칭 또는 산화 기간과 같은 수량은 신뢰할 수 있는 수율을 보장하기 위해 신중하게 보정하고 테스트해야 합니다. 제조 공정 흐름 중에는 서로 다른 공정에 대한 제조 장비 간의 교차 오염을 피하는 것이 중요합니다. 이를 피하기 위해 당사는 금속 증발기, 산화로 및 HF 수조와 같은 실리콘 가공 전용 도구를 많이 보유하고 있습니다.

전류 양자화에 대해 표시된 결과는 실험 매개변수의 튜닝을 빠르게 수행할 수 있는 10메가헤르츠의 비교적 긴 구동 주파수에서 수행됩니다. 실제로, 펌프를 수백 메가헤르츠에서 작동하는 것이 바람직합니다. 이를 위해서는 일반적으로 훨씬 더 미세하고 시간이 많이 걸리는 매개변수 최적화가 필요하다는 점을 언급하는 것이 중요합니다.

이 비디오에서 논의된 제조 공정과 측정 기술에 따라 우리는 실리콘 기반 시스템 중에서 기록적인 정확도 수준으로 미세한 전류를 생성할 수 있었습니다. 이것은 전적으로 양자 역학 원리에 기초한 전류 단위의 미래 재정의에 대한 엄청난 약속을 설정합니다. 맥박. 우리는 현재 장치의 일반 금속 게이트를 다결정 실리콘으로 교체하는 방법을 모색하고 있습니다.

이것은 우리가 현재 관찰하는 배경 전하 소음을 억제할 수 있습니다. 우리의 목표는 결과적으로 전자 펌프의 안정성과 정확성을 향상시키는 것입니다. 그런 다음 우리는 새로운 세계 전류 표준의 극한의 기상 요구 사항을 충족할 것입니다.

이 비디오에서 제시한 기술은 양자 장치를 위한 실리콘 기반 나노 기술의 큰 잠재력을 보여줍니다. 실리콘은 전하 펌핑을 위한 재료로 선택되는 재료로 점점 더 많은 관심을 끌고 있으며, 이는 시스템 확장성을 위해 조기에 사용할 수 있는 매우 잘 확립된 통합 기술의 이점을 누릴 수 있는 산업 호환 실리콘 공정을 사용하여 새로운 현재 표준을 구현하는 매력 때문입니다.