Kropki kwantowe krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowe do pompowania pojedynczych elektronów

Summary

Omówiono proces produkcji i eksperymentalne techniki charakterystyki pomp jednoelektronowych opartych na kropkach kwantowych krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowych.

Abstract

Gdy masowo produkowane tranzystory krzemowe osiągnęły skalę nano, ich zachowanie i wydajność są coraz bardziej dotknięte, a często pogarszane, przez efekty mechaniki kwantowej, takie jak tunelowanie przez pojedyncze domieszki, rozpraszanie przez defekty interfejsu i dyskretne stany ładunku pułapki. Jednak postęp w technologii krzemowej pokazał, że zjawiska te można okiełznać i wykorzystać w nowej klasie elektroniki kwantowej. Między innymi technologia wielowarstwowego półprzewodnika krzemowo-metalowo-tlenkowego (MOS) może być wykorzystywana do kontrolowania pojedynczego ładunku lub spinu zamkniętego w elektrostatycznie zdefiniowanych kropkach kwantowych (QD). Te urządzenia oparte na QD są doskonałą platformą do zastosowań w obliczeniach kwantowych, a ostatnio wykazano, że mogą być również używane jako pompy jednoelektronowe, które są dokładnymi źródłami skwantowanego prądu do celów metrologicznych. W tym miejscu szczegółowo omawiamy protokół wytwarzania krzemowych łożysk bezstopniowych MOS, który jest istotny zarówno dla zastosowań w obliczeniach kwantowych, jak i metrologii kwantowej. Ponadto opisujemy metody charakterystyki w celu zbadania integralności urządzeń po wyprodukowaniu. Na koniec podajemy krótki opis zestawu pomiarowego używanego do eksperymentów z pompowaniem ładunku i pokazujemy reprezentatywne wyniki kwantyzacji prądu elektrycznego.

Introduction

Krzem jest materiałem wybieranym przez większość nowoczesnej mikroelektroniki. Jego właściwości, w połączeniu z zaawansowanymi technikami litograficznymi, pozwoliły przemysłowi półprzewodnikowemu osiągnąć integrację na bardzo dużą skalę i dostarczyć miliardy tranzystorów na chip. Technologia metal-tlenek-półprzewodnik (MOS)¹ była kluczem do tego nieustającego postępu technologicznego². Krótko mówiąc, opiera się na selektywnie domieszkowanym podłożu Si, który jest utleniany termicznie w celu wyhodowania wysokiej jakości tlenku bramki_{SiO 2}, na którym osadzona jest metalowa elektroda bramkowa. Ostatnio wykazano, że zastosowanie stosu tlenków bramek może być korzystne³ . Podczas gdy obecne standardy branżowe osiągnęły minimalne rozmiary elementów dla długości bramek poniżej 20 nm, staje się coraz bardziej oczywiste, że na tym poziomie miniaturyzacji w grę wchodzą szkodliwe zjawiska mechaniki kwantowej, które mogą skomplikować dalsze zmniejszanie skali⁴.

Co ciekawe, krzem jest również doskonałym materiałem do wykorzystania kwantowych właściwości ładunku elektronowego i spinu⁵. Rozszerzyło to zakres jego zastosowania na zupełnie nowe dziedziny, takie jak obliczenia kwantowe⁶ i kwantowa metrologia elektryczna⁷ . Wśród innych podejść⁵, zastosowanie technologii MOS z wieloma bramkami^8,9 doprowadziło do powstania elektrostatycznie zdefiniowanych kropek kwantowych (QD), których zajętość może być kontrolowana aż do poziomu^{pojedynczego elektronu 10}. W przeciwieństwie do konwencjonalnego procesu MOS, w którym potrzebna jest tylko jedna bramka na tranzystor¹, te QD są definiowane za pomocą trójwarstwowego stosu bramek Al/Al_yO_x, które są używane do selektywnego gromadzenia elektronów na granicy faz Si/SiO₂, a także zapewniają boczne i pionowe uwięzienie¹¹.

Chociaż te urządzenia zostały pierwotnie opracowane do zastosowań w obliczeniach kwantowych, ostatnio wykazały się również obiecującymi wynikami jako narzędzia metrologiczne^12,13. W dziedzinie kwantowej metrologii elektrycznej od dawna celem jest przedefiniowanie jednostki ampera w kategoriach ładunku elementarnego (e) ¹⁴. W szczególności nacisk kładziony jest na realizację pomp ładunkowych w skali nano, które pozwolą na terminowe i dokładne odmierzanie transferu pojedynczych elektronów. Urządzenia te generują makroskopowe skwantowane prądy elektryczne, I=nef, gdzie f jest częstotliwością zewnętrznego oscylatora sterującego, a n jest liczbą całkowitą. Do tej pory najlepszą wydajność osiągnięto przy użyciu pompy opartej na GaAs, uzyskując prąd przekraczający 150 pA przy względnej niepewności 1,2 części na milion¹⁵. Ostatnio krzemowe QD MOS wyróżniają się również wdrażaniem bardzo dokładnych pomp jednoelektronowych dzięki możliwości precyzyjnego dostrojenia uwięzienia ładunku¹³.

Tutaj omawiamy protokół używany do produkcji krzemowych MOS QD. Ponadto opisano konfigurację kriogeniczną używaną do testowania integralności urządzeń po wyprodukowaniu oraz tę do przeprowadzania eksperymentów z pompowaniem ładunku. Na koniec przedstawiono reprezentatywne pomiary skwantowanego prądu elektrycznego.

Protocol

Uwaga: Ten protokół opisuje procedury używane do produkcji, pakowania i testowania pomp jednoelektronowych opartych na technologii Silicon MOS QD. Czynności omówione w podsekcjach 1 i 2 są wykonywane w pomieszczeniu czystym ISO5, natomiast te opisane w sekcji 3 są wykonywane w laboratoriach ISO6. Warunki otoczenia są stale kontrolowane. Wartości nominalne temperatury i wilgotności wynoszą odpowiednio 20 ± 1 °C oraz 55% ± 5%.

1. Mikrofabrykacja

1. Tlenek pola
   1. Wyczyść wafel przez zanurzenie w następujących materiałach: wytrawianie piranią (10 min), wodą dejonizowaną (DI) (10 min), roztworem RCA-2 (woda DI 175 ml, HCl 30 ml,_H2O2 30 ml w temperaturze 100 °C przez 10 min), wodą dejonizowaną (5 min), kwasem fluorowodorowym (HF) rozcieńczonym w wodzie 10:1 (10 sek), wodą DI (10 min). Podczas obchodzenia się z HF należy używać odzieży ochronnej (tj. okularów, fartucha z PVC i rękawic z PVC). Postępuj w podanej kolejności.
   2. Umieścić wafel w piecu utleniającym w temperaturze 900 °C i utleniać w następujących krokach: suchy_O2 (10 min), mokry_O2 (40 min), suchy_O2 (10 min),_N2 (15 min).
2. Styki omowe
   1. Wykonaj fotolitografię i wytrawianie tlenku.
      1. Nanieść warstwę promotora adhezji heksametyldisilazanu (HMDS) o grubości kilku nm na powierzchnię płytki w następujący sposób: wstępnie spiec na płycie grzejnej w temperaturze 110 °C przez 1 min, wlać ~50 ml HMDS do szklanej zlewki, umieścić zlewkę i wafel w komorze próżniowej, opróżnić i odczekać 2 min.
      2. Zakręć warstwę fotorezystu o grubości 2–4 μm zarówno z tyłu, jak i z przodu płytki (3 000–5 000 obr./min, 25–40 sekund w zależności od pożądanej grubości).
      3. Wystaw na działanie światła ultrafioletowego w nakładce maski (10 mW/^cm2 przez 4–10 sekund w zależności od grubości rezystu). Po upieczeniu na płycie grzejnej w temperaturze 110 °C przez 1 minutę.
      4. Rozwijać przez 1-2 minuty, a następnie spłukać w wodzie dejonizowanej.
      5. Wykonaj wytrawianie plazmowe O₂ przez 20 minut (ciśnienie = 340 mTorr; moc padająca = 50 W; moc odbita < 1 W).
      6. Wytrawić tlenek w buforowanym roztworze kwasu HF (15:1, 4–5 min, szybkość wytrawiania ≈ 20 nm/min w temperaturze 30 °C). Spłukać w wodzie dejonizowanej (5 min). Wysuszyć suszarką z witaminą N₂.
   2. Usuń fotorezystor przez zanurzenie w acetonie. Spłucz izopropanolem (IPA), a następnie wysusz suszarką z_N2.
   3. Umieścić wafel w piecu w temperaturze 1 000 °C ze źródłem fosforu (przepływ N₂ przez 30–45 minut w zależności od pożądanej gęstości domieszkowania).
   4. Usunąć zanieczyszczoną warstwę tlenku kwasem HF rozcieńczonym w wodzie (10:1, 3–4 min, szybkość wytrawiania ≈ 40 nm/min w temperaturze 30 °C), spłukać w wodzie dejonizowanej (10 min).
   5. Utleniać jak w 1.1.2.
3. Tlenek bramy
   1. Powtórz kroki 1.2.1 i 1.2.2.
   2. Umieść wafel w dedykowanym piecu w temperaturze 800 °C i utleniaj w następujących krokach: suchy O₂ (10 min), dichloroetylen + O₂ (20 min), suchy O₂ (10–30 min w zależności od pożądanej grubości tlenku), N₂ (15 min).
4. Metalizacja styków omowych
   1. Powtórz krok 1.2.1.
   2. Umieść wafel w parowniku z wiązką elektronów. Odparuj 100 nm aluminium z prędkością 0,2–0,5 nm/s i 5 x ^10-6 Torr.
   3. Namocz wafel w N-metylo-2-pirolidonie (NMP) na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C przez 1 godzinę, aby oderwać metal. W razie potrzeby użyj mieszania ultradźwiękowego. Płukać w IPA przez 2 min. Wysuszyć suszarką z witaminą N₂.
   4. Wyżarzanie w gazie formującym w temperaturze 400 °C przez co najmniej 15 min.

2. Nanofabrykacja

1. Krojenie wafli w kostkę
   1. Odwiruj dowolny rezystancję na płytce, aby działał jako powłoka ochronna (rodzaj polimeru i parametry przędzenia nie mają znaczenia na tym etapie).
   2. Za pomocą kostki z diamentową końcówką pokrój wafel na pojedyncze wióry o wymiarach ~10 x 2 mm².
2. czyszczenie
   1. Moczyć w NMP przez 1 godzinę na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C, następnie płukać w IPA przez 2 minuty. Wysuszyć suszarką z N₂.
   2. Wykonaj wytrawianie plazmowe O₂ przez 5 minut (moc padająca = 50 W; moc odbita < 1 W).
   3. Wirowanie z acetonem i IPA (7 500 obr./min, 30 s)
3. Wyznaczanie wzorów znaczników wyrównania
   Odporność na wirowanie
   1. polimetakrylanu metylu (PMMA 950k) A4 (5 000–7 500 obr./min, 30 s w zależności od pożądanej grubości). Typowa grubość robocza ≈ 150–200 nm. Piecz rezystor na płycie grzejnej w temperaturze 180 °C przez 90 sekund.
   2. Przeprowadzić litografię wiązką elektroniczną. Użyj następujących warunków zapisu: energia wiązki = 30 keV, prąd wiązki ≈ 30 pA, dawka obszarowa ≈ 500–650 μC/cm^{2 w} zależności od wielkości znaczników i grubości rezystu.
   3. Rozwinąć rezystancję w roztworze ketonu metylowo-izobutylowego i IPA (1:3) przez 40–60 sekund, następnie płukać w IPA przez 20 sekund. Wysuszyć suszarką za pomocą pistoletu_N2.
   4. Umieść chip w parowniku z wiązką elektronów. Odparować 15 nm Ti i 65 nm Pt z prędkością 0,2–0,4 nm/s i 5 x ^10-6 Torr.
   5. Zdejmij metal jak w kroku 1.4.3.
   6. Wyczyść chip jak w krokach 2.2.2–2.2.3.
4. Wzorzec bramek
   1. Odporność na wirowanie jak w 2.3.1.
   2. Przeprowadzić litografię wiązką elektroniczną. Dla obiektów o wysokiej rozdzielczości należy użyć następujących warunków zapisu: energia wiązki = 30 keV, prąd wiązki ≈ 30 pA, dawka obszarowa ≈ 500–700 μC/cm². Warunki zapisu dla cech o niskiej rozdzielczości: energia wiązki = 15 keV, prąd wiązki ≈ 10 nA, dawka obszarowa ≈ 400–600 μC/cm².
   3. Rozwiń opór jak w 2.3.3.
   4. Umieść chip w parowniku termicznym. Odparuj Al z prędkością 0,1–0,4 nm/s i 1–9 x ^10-6 mbar. Grubość docelowa różni się w zależności od numeru warstwy, jak pokazano na rysunku 2B (25–35 nm dla warstwy 1, 45–65 nm dla warstwy 2, 75–90 nm dla warstwy 3).
   5. Zdejmij metal jak w kroku 1.4.3.
   6. Utlenianie Al należy przeprowadzić na płycie grzejnej w temperaturze 150 °C przez 5–10 minut.
   7. Wyczyść chip jak w kroku 2.2.3.
   8. Powtórz kroki 2.4.1–2.4.7 dwukrotnie, aby zrealizować 3-warstwowy stos bramek.

3. Pakowanie urządzeń

1. Żeton kości jak w kroku 2.1
2. Powstałe mniejsze wiórki płucz w acetonie i IPA przez 2 minuty.
3. Przyklej pojedynczy element do płytki drukowanej (PCB) za pomocą PMMA A5. Poczekaj 2 minuty, aż wyschnie. Alternatywnie, aby zwiększyć termalizację, użyj srebrnej żywicy epoksydowej.
4. Załaduj płytkę drukowaną na klej klinowy i kontynuuj okablowanie.

4. Testy integralności urządzenia

1. Zamontuj płytkę drukowaną zawierającą urządzenie przewodowe na sondzie zanurzeniowej.
2. Podłącz przewody elektryczne płytki drukowanej do przewodów sondy zanurzeniowej.
3. Włóż sondę do naczynia zawierającego ciekły hel. Postępuj powoli, aby uniknąć nadmiernego odparowania helu.
4. Dla każdej bramki urządzenia podłącz odpowiednią elektrodę sondy o temperaturze pokojowej do jednostki źródłowo-pomiarowej, utrzymując pozostałe bramki uziemione. Ustaw prąd zgodności na kilka nA. Zamiataj napięcie od zera do 1,5 V w krokach co 0,1 V, mierz i rejestruj prąd.
5. Podłącz każdą linię bramki do zasilanego bateryjnie źródła napięcia stałego, linię źródłową do wbudowanego źródła napięcia AC wzmacniacza blokującego, a linię drenu do portu wejściowego wzmacniacza lock-in.
6. Zmierz przewodność źródła do drenu dla różnych konfiguracji napięcia bramki (patrz rysunek 4).
   1. Globalnie zwiększ napięcia przyłożone do bramek BL, BR, PL, SL i DL, utrzymując uziemienie bramek C1 i C2. Zapisz charakterystykę "włączającego" urządzenia.
   2. Indywidualnie zmniejsz napięcie każdej bramki i zapisz charakterystykę "szczypania" bramki.
   3. Dostosuj napięcia bramki, aby elektrostatycznie zdefiniować kropkę kwantową, ustawiając napięcia na BL i BR (PL, SL i DL) mniejsze (większe) niż napięcia włączenia. Zapisz charakterystykę blokady kulombowskiej.

Results

Produkcja urządzeń

Początkowy proces mikroprodukcji (podsekcja 1 Protokołu) jest przeprowadzany na komercyjnej 4-calowej płytce krzemowej o wysokiej czystości (stężenie domieszkowania typu n ≈ 10>^{12 cm-3}; rezystywność > 10 kΩcm; grubość = 310–340 μm). Celem jest zrealizowanie podłoża, na którym zostaną osadzone elektrody bramkowe. Ten substrat składa się z wewnętrznego obszaru pokrytego tlenkiem pola (krok 1.1), obszaru n+ pokrytego tlenkiem pola (krok 1.2), wewnętrznego obszaru pokrytego wysokiej jakości tlenkiem bramki (krok 1.3) i metalizowanego obszaru n+ dla styków omowych (krok 1.4). Rysunki 1A-D ilustrują główne etapy procesu mikrofabrykacji. Rysunek 1E przedstawia mikroskopowy obraz pola podłoża po mikrowytwarzaniu. Minimalny rozmiar cechy dla litografii na tym etapie wynosi około 4 μm.

Warstwa tlenku SiO₂ wyhodowana w kroku 1.1 ma nominalną grubość 100 nm i jest używana jako warstwa pasywacyjna. Obszary typu n, które działają jak przewodniki omowe, uzyskuje się poprzez dyfuzję fosforu. Docelowa gęstość domieszkowania wynosi około 10¹⁹ – 10^{20 cm-3}. Wysokiej jakości SiO₂, który jest selektywnie uprawiany do stosowania jako dielektryk bramki, ma nominalną grubość 5 nm. Docelowa gęstość defektów granicy faz wynosi <10^{10 eV-1 cm-2} w połowie szczeliny. Do tego procesu wykorzystywany jest dedykowany i specjalnie zbudowany piec trójścienny. System ten został zaprojektowany w celu zminimalizowania zanieczyszczenia jonami metali ciężkich i ruchomych jonów alkalicznych, a także zapobiegania dyfuzji wilgoci do komory utleniania. W celu utworzenia styków elektrycznych, aluminiowe podkładki są osadzane poprzez parowanie wiązką elektronów na części obszarów typu n.

Proces nanowytwarzania (patrz podsekcja 2) jest wykonywany na podłożach chipowych uzyskanych przez pokrojenie płytki w kostkę przetworzonej w kroku 1. Celem jest zrealizowanie nano-skalowych elektrod bramkowych używanych do elektrostatycznego definiowania QD MOS. Każda seria nanoprodukcji zazwyczaj wytwarza 10–15 kompletnych próbek urządzenia. Obrazowanie za pomocą skaningowego mikrografu elektronowego (SEM) 1–2 urządzeń na partię jest zwykle przeprowadzane w celu potwierdzenia, że etapy litografii EBL zakończyły się sukcesem. Ponieważ obrazowanie SEM może wstrzykiwać ładunki do podłoża lub metalowych bramek i powodować wycieki, tylko niewielka liczba urządzeń jest sprawdzana w ten sposób, podczas gdy reszta jest testowana elektrycznie. Minimalny rozmiar cechy dla litografii na tym etapie wynosi około 35 nm. Aby uzyskać dobrą jednorodność osadzonych warstw Al, metal jest odparowywany z szybkością zaledwie kilku angstremów na sekundę, podczas gdy podłoże jest zamontowane na obrotowym stoliku. Jest on utrzymywany na poziomie RT, a wielkość ziarna Al szacuje się na około 20 nm. Rysunek 2A ilustruje główne etapy procesu nanowytwarzania. Rysunek 2B przedstawia obraz SEM, za pomocą którego weryfikowana jest prawidłowa definicja elektrod bramkowych. Ogólnie rzecz biorąc, dąży się do realizacji tych bramek, które bezpośrednio definiują QD (BL, BR i PL) o możliwie najmniejszym rozmiarze cechy. W przeciwieństwie do tego, bramki używane do definiowania rezerwuarów elektronów (DL i SL) mogą mieć większe wymiary, aby uniknąć niezamierzonej dyskretyzacji poziomów energii w przewodach. Nanoskalowe znaczniki Ti/Pt zrealizowane w kroku 2.3 służą jako odniesienie do spójnego wyrównania trzech warstw bramek. Platyna została wybrana ze względu na doskonały kontrast w stosunku do powierzchni SiO₂ w wiązce elektrycznej. Tytan służy do zwiększenia przyczepności.

Na wszystkich etapach procesu produkcyjnego, pęseta z końcówką z włókna węglowego jest używana do obsługi wiórów, w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa destrukcyjnych wyładowań elektrostatycznych (ESD).

Na koniec, aby wykonać pomiary elektryczne na poszczególnych urządzeniach, każdy chip musi zostać rozcięty na mniejsze kawałki o wymiarach około 2 x 2 mm² (podsekcja 3). Każdy element jest następnie przyklejany do wykonanej na zamówienie płytki drukowanej (dielektryk niskostratny Rogers R03010), której piny są połączone z elektrodami urządzenia za pomocą przewodów Al. Klejenie drutu odbywa się za pomocą spawarki klinowej bez podgrzewania wiórów. Wybór odpowiednich parametrów klejenia opiera się na dwóch czynnikach. Z jednej strony połączenie drutowe musi perforować termiczną warstwę Al_yO_x i zapewniać dobry kontakt metal-metal z podkładką bramy. Z drugiej strony, nadmierne naprężenia mechaniczne mogą spowodować zdarzenie przebicia, które uszkodzi tlenek pola pod bramą i spowoduje wycieki podłoża. Podczas procesu okablowania zaleca się stosowanie bransoletki antystatycznej, aby zapobiec wyładowaniom elektrostatycznym. Na rysunku 3 układ scalony z 6 pojedynczymi urządzeniami jest przyklejony do płytki drukowanej.

Testy integralności urządzenia

Przed załadowaniem urządzenia do platformy pomiaru temperatury mK, takiej jak lodówka do rozcieńczania, przeprowadza się wstępne testy elektryczne w temperaturze 4,2 K, aby sprawdzić integralność próbki (patrz podsekcja 4 Protokołu). W tym celu płytka drukowana jest umieszczana w obudowie z miedzi beztlenowej i montowana na sondzie zanurzeniowej, która ostatecznie jest zanurzana w cieczy He.

Początkowy test to zazwyczaj test szczelności, który jest przeprowadzany sekwencyjnie na każdej bramie. Jednostka źródło-miara jest podłączona do pojedynczej elektrody bramkowej, podczas gdy pozostałe są uziemione. Napięcie jest zwiększane do 1,5 V, a prąd jest mierzony u źródła. W tym zakresie napięć prawidłowo działająca bramka nie powinna przewodzić, ponieważ warstwa SiO₂ izoluje metal od podłoża krzemowego, a Al_yO_x izoluje zachodzące na siebie bramki. Zazwyczaj wiadomo, że przebicie tlenku występuje przy napięciach większych niż ~4 V, w zależności od geometrii urządzenia i grubości tlenku. Dlatego, jeśli podczas testu zostanie wykryty prąd, prawdopodobnie co najmniej jedna z warstw tlenku jest uszkodzona i urządzenie musi zostać wyrzucone. Zwykle mniej niż 10% bramek wykazuje nieszczelności. Wiadomo, że na wydajność ma wpływ płaskie przedłużenie elektrod bramkowych. W szczególności, im większe nakładanie się bramek z obszarem tlenku bramki, tym bardziej prawdopodobne będzie wystąpienie nieszczelności od bramki do podłoża. Podobnie, im większe nakładanie się bramek z różnych warstw, tym większe prawdopodobieństwo wystąpienia nieszczelności między bramkami. Podana wydajność jest istotna dla bramek, które zajmują powierzchnię około 50^μm2 na cienkim tlenku i z zakładkami międzywarstwowymi wynoszącymi około 0,5^μm2.

Gdy urządzenie przejdzie wstępny test szczelności, styki źródła i drenu są podłączone do wzmacniacza typu lock-in, a bramki do modułowego stojaka na baterie o sterowanym napięciom. W tej konfiguracji urządzenie jest włączane poprzez globalne zwiększanie wszystkich napięć bramki jednocześnie. Następnie napięcie każdej bramki jest oddzielnie zmniejszane, podczas gdy pozostałe utrzymują wysokie napięcia, aby sprawdzić zdolność poszczególnych bramek do ściskania prądu. Rysunek 4A przedstawia reprezentatywne ślady tych pomiarów. Brak ścieżki przewodzenia źródło-drenaż lub indywidualne odcięcie bramki jest często oznaką pewnego rodzaju uszkodzenia bramki, takiego jak eksplozja bramki lub nieciągłość metalu.

Na koniec, prąd źródłowo-dreniczny jest mierzony jako funkcja polaryzacji źródła-drenu i napięcia bramki tłoka, aby zaobserwować sygnaturę blokady Coulomba¹⁶ (patrz Rysunek 4B).

Pomiary

Po znalezieniu odpowiedniego urządzenia, jest ono usuwane z naczynia z płynem He i suszone za pomocą pistoletu na gorące powietrze, aby uniknąć tworzenia się wilgoci, która może powodować ESD. Na koniec przenosi się go do lodówki do rozcieńczania.

Eksperymenty są przeprowadzane w samodzielnie wykonanej plastikowej lodówce do rozcieńczania o temperaturze podstawowej około 100 mK. Kriostat znajduje się w komorze próżniowej zanurzonej w kąpieli helowej o temperaturze 4,2 K. Przewody elektryczne są podgrzewane w zbiorniku 1 K, który jest również wykorzystywany do kondensacji napływającej pary 3He. W komorze mieszania endotermiczne przeniesienie atomów 3He z fazy bogatej w 3He do fazy rozcieńczonej 3He pozwala układowi osiągnąć temperaturę bazową około 100 mK.

Jak pokazano na rysunku 5, lodówka jest wyposażona w 20 linii prądu stałego i 3 linie RF służące do podłączenia elektroniki temperatury pokojowej do urządzenia w niskiej temperaturze. Pięć linii prądu stałego to termokoncentryczne, a 15 to przewody wiązkowe typu skrętka. Linie te łączą elektrody bramki próbki ze źródłami napięcia prądu stałego zasilanymi bateryjnie. Dzielniki napięcia w RT służą do redukcji szumów elektrycznych na poszczególnych bramkach. Linie RF to półsztywne koncentryczne, które są tłumione o 10 dB przy 4 K w celu zmniejszenia szumów termicznych i blokowania prądu stałego przy RT. Linie te są połączone z falowodami współpłaszczyznowymi trójników polaryzacyjnych na płytce drukowanej.

Niskoszumowy wzmacniacz transimpedancyjny i cyfrowy multimetr są używane do pomiaru prądu generowanego przez pompę. Elektronika jest podłączona do urządzenia za pomocą optoizolatorów zasilanych bateryjnie, aby zapobiec tworzeniu się pętli masy. Sygnały sterujące RF są wytwarzane przez generator przebiegów arbitralnych, którego uziemienie jest odizolowane od uziemienia kriostatu za pomocą komponentu blokowego prądu stałego (patrz rysunek 5).

Płytka drukowana zawiera 16 linii czystego prądu stałego i 4 linie trójnika polaryzacyjnego używane do łączenia napięć prądu stałego i przemiennego w niskiej temperaturze. Jak pokazano na rysunku 3B, do realizacji połączenia trójnika używane są elementy dyskretne RC (R = 100 kΩ, C = 10 nF), a do propagacji sygnałów o wysokiej częstotliwości stosuje się 50 zintegrowanych falowodów współpłaszczyznowych dopasowanych do Ω.

Gdy urządzenie osiągnie temperaturę mK, napięcia bramki są dostosowywane tak, aby osiągnąć zajętość jednego elektronu w QD. W szczególności bariery tunelowe powstają pod bramkami BL i BR, a warstwa akumulacji elektronów jest indukowana pod bramkami PL, SL i DL. W tym celu napięcia bramki bariery są ustawiane poniżej ich wartości włączenia, podczas gdy bramki akumulacyjne są spolaryzowane przy napięciu wyższym niż włączenie. W ten sposób pod bramką PL tworzy się QD, a jego płaskie przedłużenie jest kontrolowane przez bramki C1 i C2, których napięcia są utrzymywane poniżej wartości włączenia, aby wywołać uwięzienie elektrostatyczne. Następnie włączane są sygnały RF w celu okresowego modulowania przezroczystości bariery (barier) tunelu (barier) oraz potencjału elektrochemicznego kropki. Pompowanie pojedynczych elektronów uzyskuje się za pomocą jednego lub dwóch sinusoidalnych napięć sterujących. W przypadku napędu jednosygnałowego, sygnał sterujący jest podawany do bramki BL w celu modulacji potencjału bariery tunelowej po lewej stronie QD. W przypadku napędu dwusygnałowego wzbudzenia prądu przemiennego są przykładane do bramek BL i PL w celu modulacji potencjałów zarówno lewej bariery, jak i QD przy tej samej częstotliwości, ale z różnymi fazami i amplitudami. Te dodatkowe stopnie swobody pozwalają kontrolować kierunek transferu elektronów¹³. Proces iteracyjny jest zwykle potrzebny do dostrojenia głównych parametrów eksperymentalnych (tj. amplitud/faz sygnału sterującego RF i napięć bramki DC) i osiągnięcia optymalnej kwantyzacji prądu. Należy pamiętać, że żaden z dwóch protokołów pompowania nie wymaga odchylenia dren-źródło w celu przeprowadzenia transferu ładunku. W związku z tym elektrody źródłowe i drenacyjne są uziemione podczas pracy pompy. Rysunek 6 przedstawia charakterystyczne plateaux prądu przy całkowitych wielokrotnościach ef uzyskane przez zastosowanie dwusygnałowego napędu sinusoidalnego do bariery wejściowej (BL) i bramki tłoka (PL). Dane te są pobierane przy stosunkowo niskiej częstotliwości jazdy (10 MHz), dla której można szybko dostroić parametry. W praktyce pożądane jest eksploatowanie pompy z częstotliwością kilkuset MHz, co zwykle wymaga znacznie dokładniejszej optymalizacji parametrów¹³.

Rysunek 1. Mikrofabrykacja. (A) Schematyczna ilustracja głównych etapów mikrofabrykacji. Karykatury nie są rysowane w skali. (B) Realizacja obszaru domieszkowanego dla kontaktów omowych. (C) Realizacja tlenku bramki. (D) Metalizacja styków omowych. (E) Obraz mikroskopowy pojedynczego pola na chipie po zakończeniu procesu mikrowytwarzania. Rozmiar pola to 1,2 x 1,2 mm². Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Nanofabrykacja. (A) Proces wytwarzania poszczególnych warstw bramek. Karykatury nie są rysowane w skali. (B) 3-warstwowa nanostruktura bramki używana do eksperymentów z pompowaniem ładunku. Po lewej: Obraz SEM urządzenia podobnego do tego, które zostało użyte do pomiarów. Po prawej: Schematyczne widoki przekroju urządzenia w poprzek cięcia X i Y. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Połączenia elektryczne z próbką. (A) Układ płytki obwodu drukowanego. (B) Powiększenie obszaru płytki drukowanej za pomocą trójnika polaryzacyjnego (po lewej) i obwodu równoważnego (po prawej). (C) Chip z 6 pojedynczymi polami przyklejonymi do uchwytu chipa i przewodami łączącymi do elektrycznego połączenia z płytką drukowaną. (D) Mikroskopowy obraz pojedynczego pola po nanowytwarzaniu. (E) Obraz SEM układu bramki w środku obszaru tlenku bramy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Testy wstępne. (A) Prąd przemienny źródła-drenu (średnia kwadratowa) w funkcji różnych napięć bramki. Ścieżki są mierzone za pomocą wzmacniacza typu lock-in o wzbudzeniu_RMS 50 μV przy 113,17 Hz. Dla poszczególnych ścieżek napięcia bramki pozostałe napięcia bramki są ustalone na poziomie 2,0 V, z wyjątkiem V_C1 = V_C2 = 0,0 V. (B) Mapa kolorów prądu źródłowo-drenu w funkcji napięcia bramki tłoka i napięcia polaryzacji źródła-drenu. V_SL = 1,5 V, V_DL = 1,15 V, V_BL = 0,78 V, V_BR = 0,85 V, V_C1 = V_C2 = 0,0 V. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5. Schemat konfiguracji pomiarowej. Dwadzieścia linii prądu stałego (zielona) i trzy koncentryczne linie rf (czarne) łączą elektronikę RT z płytką drukowaną. Odpływ pompy (fioletowy) jest podłączony do wzmacniacza transimpedancji i do multimetru cyfrowego za pomocą optoizolatora, podczas gdy styk źródła (czerwony) jest uziemiony. Oddzielne połączenia uziemiające (oznaczone różnymi symbolami) są używane do oprzyrządowania elektronicznego i linii elektrycznych kriostatu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6. Kwantyzacja prądu. Prąd pompowany w funkcji V_PL dla dwusygnałowego napędu sinusoidalnego przy f = 10 MHz zastosowany do bramek BL i PL. Różnica faz = 49 stopni, V^RF_PL = V^RF_BL = 0,31 V_pp. Idealne położenie płaskowyżów pompujących przy całkowitych wielokrotnościach ef są pokazane jako czerwone linie poziome. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

Protokół opisany w tym artykule opisuje techniki wytwarzania krzemowych łożysk MOS QD, a także procedury eksperymentalne mające na celu przetestowanie ich integralności funkcjonalnej i eksploatację ich jako pomp jednoelektronowych. Co ciekawe, dostosowując konstrukcję bramki, ten sam proces produkcyjny można zastosować do produkcji urządzeń odpowiednich do odczytu i kontroli bitów kwantowych¹⁷, a także pompowania ładunku^12,13. Zwracamy uwagę, że wiele parametrów procesu przytoczonych w tym artykule może się różnić w zależności od użytych narzędzi produkcyjnych (kalibracja, marka lub model), a także od rodzaju podłoża krzemowego (grubość i gęstość domieszkowania tła). Wielkości takie jak litografia, dawka ekspozycji lub czas wywoływania, czas trawienia lub utleniania, muszą być starannie skalibrowane i przetestowane, aby zapewnić wiarygodną wydajność. Ponadto ważne jest, aby uniknąć zanieczyszczenia krzyżowego wynikającego ze stosowania tych samych narzędzi produkcyjnych do różnych procesów. W tym celu przeprowadza się szereg krytycznych etapów za pomocą urządzeń przeznaczonych wyłącznie do obróbki krzemu, takich jak parowniki metali, piece tlenowe i kąpiele wysokotonowe.

Mówiąc bardziej ogólnie, krzem cieszy się rosnącym zainteresowaniem jako materiał wybierany do realizacji pomp wsadowych^18-20. Wynika to częściowo z atrakcyjnej perspektywy wdrożenia nowego kwantowego standardu prądu elektrycznego przy użyciu kompatybilnego z przemysłem procesu krzemowego. Pozwoliłoby to na skorzystanie z dobrze znanych i niezawodnych technik integracji w zakresie skalowalności, zrównoleglania i zwiększania kosztów ogólnych. Co ważne, w pełni komplementarna technologia MOS (CMOS), wolna od tradycyjnego metalu jako materiału bramki, wykazała znacznie zmniejszone fluktuacje ładunku tła w urządzeniach jednoelektronowych²¹. Takie wahania mogą być szkodliwe dla osiągania dokładności metrologicznej.

Omawiany tutaj protokół ogranicza się do realizacji nano-urządzeń MOS z metalowymi bramkami. Dlatego, aby osiągnąć pełną kompatybilność przemysłową i zmniejszyć wahania ładunku, konieczna byłaby modyfikacja technik osadzania bramki i użycie wysoce domieszkowanego krzemu polikrystalicznego jako materiału bramki.

Podsumowując, omawiane tutaj pompy MOS QD połączyły ostatnio przewagę technologiczną krzemu z bardzo dobrą wydajnością w zakresie dokładnej generacji^{prądu 13}. Wynika to z dużej elastyczności procesu projektowania i produkcji, która pozwala na układanie wielu warstw bramek, co prowadzi do kompaktowego i wszechstronnego systemu. Wynikająca z tego precyzyjna możliwość dostrojenia elektrostatycznego uwięzienia kropki w połączeniu z potencjałem zmniejszenia fluktuacji ładunku tła przygotowuje grunt pod przezwyciężenie głównych wyzwań obserwowanych w innych pompach półprzewodnikowych^22,23 .

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Wafle krzemowe	TOPSIL		4-calowa
maszyna do litografii wiązką elektronów	Raith gmbh		Raith 150two
Odporność na wiązkę elektronów	MicroChem gmbh
PMMA Photoresist	MicroChem gmbh		nLOF2020
Wyrównywacz do masek	Quintel		Q6000
Photoresist deweloper	MicroChem gmbh		AZ826MIF