Artykuł metodologiczny

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

18.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52852

⸱

3 czerwca 2015

 ,  ,  ,  ,  , 
1School of Electrical Engineering & Telecommunications, University of New South Wales, 2QCD Labs, COMP Centre of Excellence, Department of Applied Physics, Aalto University

W tym artykule

Podsumowanie

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

Streszczenie

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.

Wprowadzenie

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 bramkiSiO 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 bramkami8,9 doprowadziło do powstania elektrostatycznie zdefiniowanych kropek kwantowych (QD), których zajętość może być kontrolowana aż do poziomupojedynczego 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/AlyOx, 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 metrologiczne12,13. 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.

Protokół

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: suchyO2 (10 min), mokryO2 (40 min), suchyO2 (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 zN2.
    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/cm2 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 pistoletuN2.
    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.

Wyniki

Wytwarzanie urządzenia

Wstępny proces mikrofabrykacji (podrozdział 1 Protokołu) jest przeprowadzany na komercyjnym 4-calowym wafle krzemowym o wysokiej czystości (stężenie domieszkowania typu n ≈ 1012 cm-3; rezystywność > 10 kΩcm; grubość = 310–340 μm). Celem jest wykonanie podłoża, na którym zostaną osadzone elektrody bramki. Podłoże to składa się z obszaru wewnętrznego przykrytego tlenkiem polowym (krok 1.1), obszaru n+ przykrytego tlenkiem polowym (krok 1.2), obszaru wewnętrznego przykrytego wysokiej jakości tlenkiem bramki (krok 1.3) oraz metalizowanego obszaru n+ dla kontaktów omowych (krok 1.4). Ryciny 1A-D ilustrują główne etapy procesu mikrofabrykacji. Rycina 1E przedstawia obraz mikroskopowy pola podłoża po mikrofabrykacji. Minimalna wielkość elementu dla litografii na tym etapie wynosi w przybliżeniu 4 μm.

Warstwa tlenku SiO2 wytworzona w kroku 1.1 ma nominalną grubość 100 nm i służy jako warstwa pasywacyjna. Obszary typu n, które pełnią rolę przewodników omowych, uzyskuje się poprzez dyfuzję fosforu. Docelowa gęstość domieszkowania wynosi około 1019 – 1020 cm-3. Wysokiej jakości SiO2, który jest selektywnie hodowany w celu zastosowania jako dielektryk bramki, ma nominalną grubość 5 nm. Docelowa gęstość defektów powierzchniowych wynosi <1010 eV-1cm-2 w połowie przerwy wzbronionej. Do tego procesu wykorzystuje się specjalistyczny, dedykowany piec z potrójną ścianką. System ten został zaprojektowany tak, aby zminimalizować zanieczyszczenia jonami metali ciężkich i mobilnymi jonami alkaliów, a także zapobiec dyfuzji wilgoci do komory utleniania. W celu utworzenia kontaktów elektrycznych, na części obszarów typu n nanosi się aluminiowe pady metodą naparowania wiązką elektronów.

Proces nanofabrykacji (patrz podrozdział 2) jest przeprowadzany na podłożach chipowych uzyskanych poprzez dicing wafla przetworzonego w kroku 1. Celem jest wykonanie nanometrowych elektrod bramek służących do elektrostatycznego definiowania kropek kwantowych (QD) typu MOS. Każda seria nanofabrykacji zazwyczaj pozwala na otrzymanie 10–15 kompletnych próbek urządzeń. W celu potwierdzenia powodzenia etapów litografii wiązką elektronów (EBL) zazwyczaj wykonuje się obrazowanie skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM) dla 1–2 urządzeń z partii. Ponieważ obrazowanie SEM może wprowadzać ładunki do podłoża lub metalowych bramek i powodować prądy upływu, w ten sposób sprawdzana jest tylko niewielka liczba urządzeń, podczas gdy pozostałe są testowane elektrycznie. Minimalny rozmiar struktur dla litografii na tym etapie wynosi około 35 nm. Aby uzyskać dobrą jednorodność osadzonych warstw Al, metal jest naparowywany z prędkością tak niską jak kilka angstrom/second, podczas gdy podłoże jest zamocowane na obrotowym stole. Jest on utrzymywany w RT, a rozmiar ziarna Al szacuje się na około 20 nm. Rycina 2A ilustruje główne etapy procesu nanofabrykacji. Rycina 2B przedstawia obraz SEM, za pomocą którego weryfikowane jest prawidłowe zdefiniowanie elektrod bramek. Generalnie dąży się do wykonania bramek bezpośrednio definiujących QD (BL, BR i PL) z jak najmniejszym rozmiarem struktur. W przeciwieństwie do nich, bramki służące do definiowania rezerwoirów elektronowych (DL i SL) mogą mieć większe wymiary, aby uniknąć niezamierzonej dyskrytyzacji poziomów energetycznych w prowadnicach. Nanometrowe markery Ti/Pt wykonane w kroku 2.3 służą jako punkt odniesienia dla spójnego wyrównania trzech warstw bramek. Platynę wybrano ze względu na doskonały kontrast w stosunku do powierzchni SiO2 w wiązce elektronów. Tytanu użyto w celu poprawy adhezji.

Na wszystkich etapach procesu wytwarzania do manipulowania chipami używa się pęset z końcówkami z włókna węglowego, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo niszczącego wyładowania elektrostatycznego (ESD).

W końcu, aby przeprowadzić pomiary elektryczne poszczególnych urządzeń, każdy chip musi zostać rozłupany na mniejsze fragmenty o powierzchni około 2 x 2 mm2 (podrozdział 3). Każdy fragment jest następnie przyklejany do specjalnie wykonanej płytki PCB (dielektryk o niskich stratach Rogers R03010), której piny są połączone z elektrodami urządzenia za pomocą drutów Al. Bondowanie drutem jest wykonywane za pomocą maszyny do bondowania klinowego bez podgrzewania chipów. Wybór odpowiednich parametrów bondowania opiera się na dwóch kwestiach. Z jednej strony, połączenie drutowe musi przebić termiczną warstwę AlyOx i zapewnić dobry kontakt metal-metal z polem bramki. Z drugiej strony, nadmierny stres mechaniczny może doprowadzić do przebicia, które uszkodzi tlenek polowy pod bramką i spowodować upływy przez podłoże. Podczas procesu okablowania zaleca się stosowanie bransolety antystatycznej w celu zapobiegania ESD. Na Rysunku 3 przedstawiono chip z 6 poszczególnymi urządzeniami przyklejony do płytki PCB.

Testy szczelności urządzenia

Przed umieszczeniem urządzenia w platformie pomiarowej o temperaturze mK, takiej jak chłodziarka rozcieńczalnikowa, przeprowadza się wstępne testy elektryczne w temperaturze 4.2 K w celu sprawdzenia integralności próbki (patrz podrozdział 4 protokołu). W tym celu płytka PCB jest wkładana do obudowy z miedzi beztlenowej i montowana na sondzie zanurzeniowej, która następnie zostaje zanurzona w ciekłym He.

Pierwszym testem jest zazwyczaj test szczelności, przeprowadzany sekwencyjnie dla każdej bramki. Jednostka pomiarowo-źródłowa (source-measure unit) jest podłączona do pojedynczej elektrody bramki, 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 AlyOx izoluje nakładające się bramki. Zazwyczaj przyjmuje się, że przebicie tlenku następuje przy napięciach przekraczających ~4 V, w zależności od geometrii urządzenia i grubości tlenku. W związku z tym, jeśli podczas testu zostanie wykryty prąd, prawdopodobne jest uszkodzenie co najmniej jednej z warstw tlenku i urządzenie musi zostać odrzucone. Zazwyczaj przecieki wykazuje mniej niż 10% bramek. Znane jest, że na wydajność wpływa rozszerzenie planarne elektrod bramek. W szczególności, im większy jest obszar nakładania się bramek z regionem tlenku bramki, tym większe jest prawdopodobieństwo wystąpienia przecieków między bramką a podłożem. Podobnie, im większe jest nakładanie się bramek z różnych warstw, tym większa jest szansa na wystąpienie przecieków między bramkami. Przytoczona wydajność odnosi się do bramek zajmujących powierzchnię około 50 μm2 na cienkim tlenku i z nakładaniem się warstw międzyprzestrzennych o powierzchni około 0,5 μm2.

Po przejściu przez urządzenie wstępnego testu upływności, styki źródła i drenu zostają podłączone do wzmacniacza synchronicznego, a bramki do modułowej szafy akumulatorowej o regulowanym napięciu. W tej konfiguracji urządzenie jest uruchamiane poprzez jednoczesne globalne zwiększanie wszystkich napięć bramek. Następnie napięcie każdej bramki jest osobno zmniejszane, podczas gdy pozostałe pozostają pod wysokim napięciem, aby zweryfikować zdolność poszczególnych bramek do odcięcia prądu. Rysunek 4A przedstawia reprezentatywne przebiegi tych pomiarów. Brak ścieżki przewodzenia źródło-dren lub brak odcięcia prądu przez poszczególną bramkę często wskazuje na rodzaj uszkodzenia bramki, takiego jak przebicie bramki lub przerwa w warstwie metalu.

Na koniec mierzy się prąd źródło-dren w funkcji napięcia polaryzującego źródło-dren oraz napięcia bramki tłokowej, aby zaobserwować sygnaturę blokady kulombowskiej16 (patrz Rysunek 4B).

Pomiary

Po znalezieniu odpowiedniego urządzenia zostaje ono wyjęte z naczynia z ciekłym He i osuszone za pomocą opalarki, aby zapobiec kondensacji wilgoci, która mogłaby spowodować ESD. Na koniec urządzenie jest przenoszone do lodówki rozcieńczalnikowej.

Eksperymenty są przeprowadzane w zbudowanej we własnym zakresie plastikowej lodówce rozcieńczalnikowej z temperaturą bazową około 100 mK. Kriostat znajduje się w komorze próżniowej zanurzonej w kąpieli helu o temperaturze 4,2 K. Przewody elektryczne są termalizowane w naczyniu 1 K, które służy również do skraplania dopływającej pary 3He. W komorze mieszania endotermiczny transfer 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 dc oraz 3 linie rf, które służą do połączenia elektroniki pracującej w temperaturze pokojowej z urządzeniem w niskiej temperaturze. Pięć z linii dc to kable Thermocoax, a 15 to wiązki przewodów w splotach skręconych. Linie te łączą elektrody bramkowe próbki z zasilanymi bateryjnie źródłami napięcia dc. Dzielniki napięcia w RT są wykorzystywane do redukcji szumów elektrycznych na poszczególnych bramkach. Linie RF to półsztywne kable koncentryczne, które są tłumione o 10 dB przy 4 K w celu redukcji szumów termicznych i blokowane dla prądu dc w RT. Linie te są podłączone do falowodów koplanarnych łączników bias tee na płytce PCB.

Do pomiaru prądu generowanego przez pompę wykorzystuje się niskoszumny wzmacniacz transimpedancyjny oraz cyfrowy multimetr. Elektronika jest połączona z urządzeniem za pomocą zasilanych bateryjnie optizolatorów, aby zapobiec powstawaniu pętli masy. Sygnały sterujące RF są generowane przez generator przebiegów dowolnych, którego uziemienie jest odizolowane od uziemienia kriostatu za pomocą blokera DC (patrz Rysunek 5).

Płytka PCB zawiera 16 czystych linii prądu stałego (dc) oraz 4 linie z tzw. bias tee, służące do łączenia napięć stałych i zmiennych w niskich temperaturach. Jak pokazano na Rysunku 3B, do realizacji połączenia tee wykorzystano dyskretne komponenty RC (R = 100 kΩ, C = 10 nF), a do propagacji sygnałów wysokiej częstotliwości zastosowano zintegrowane falowody koplanarne dopasowane do 50 Ω.

Gdy urządzenie osiągnie temperaturę rzędu mK, napięcia bramek są dostrajane tak, aby uzyskać pojedynczą obsadę elektronową w QD. W szczególności, bariery tunelowe są formowane pod bramkami BL i BR, a warstwa akumulacji elektronów jest indukowana pod bramkami PL, SL i DL. W tym celu napięcia bramek barierowych ustawia się poniżej ich wartości włączenia, podczas gdy bramki akumulacyjne są polaryzowane napięciem przekraczającym wartość włączenia. W ten sposób pod bramką PL tworzy się QD, a jego rozszerzenie planarne jest kontrolowane za pomocą bramek C1 i C2, których napięcia utrzymuje się poniżej wartości włączenia w celu indukowania uwięzienia elektrostatycznego. Następnie włącza się sygnały rf, aby okresowo modulować przezroczystość bariery (lub barier) tunelowej oraz potencjał elektrochemiczny kropki. Pompowanie pojedynczych elektronów osiąga się przy użyciu jednego lub dwóch sinusoidalnych napięć sterujących. W przypadku sterowania jednym sygnałem, sygnał sterujący jest przyłożony do bramki BL w celu modulacji potencjału bariery tunelowej po lewej stronie QD. W przypadku sterowania dwoma sygnałami, wzbudzenia prądu przemiennego są przyłożone do bramek BL i PL w celu modulacji potencjałów zarówno lewej bariery, jak i QD z tą samą częstotliwością, ale o różnych fazach i amplitudach. Te dodatkowe stopnie swobody pozwalają na kontrolę kierunku transportu elektronów13. Zazwyczaj wymagany jest proces iteracyjny w celu dostrojenia głównych parametrów eksperymentalnych (tj. amplitud/faz sygnałów sterujących rf oraz napięć stałych bramek) i osiągnięcia optymalnej kwantyzacji prądu. Należy zauważyć, że żaden z dwóch protokołów pompowania nie wymaga przyłożenia napięcia dren-źródło do przeprowadzenia transferu ładunku. Zatem elektrody źródła i drenu są uziemione podczas pracy pompy. Rysunek 6 przedstawia charakterystyczne plateau prądowe przy całkowitych wielokrotnościach ef, uzyskane poprzez przyłożenie sinusoidalnego sterowania dwusygnałowego do bariery wejściowej (BL) i bramki tłokowej (PL). Dane te zostały zebrane przy stosunkowo niskiej częstotliwości sterowania (10 MHz), dla której dostrajanie parametrów może być przeprowadzone szybko. W praktyce pożądane jest uruchomienie pompy przy częstotliwościach rzędu kilkuset MHz, co zazwyczaj wymaga znacznie dokładniejszej optymalizacji parametrów13.

Schemat procesu mikrofabrykacji; warstwy SiO2 i Si, fotolitografia, kontakty aohmowe, tlenek bramki.
Rysunek 1. Mikrofabrykacja. (A) Schematyczny rysunek głównych etapów mikrofabrykacji. Ilustracje nie są zachowane w odpowiedniej skali. (B) Utworzenie obszaru domieszkowanego dla kontaktów ohmowych. (C) Utworzenie tlenku bramki. (D) Metalizacja kontaktów ohmowych. (E) Obraz mikroskopowy pojedynczego pola na chipie po zakończeniu procesu mikrofabrykacji. Rozmiar pola wynosi 1.2 x 1.2 mm2. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Równowaga statyczna w przetwarzaniu warstwy bramki; schemat nanoszenia resistu, litografii wiązką elektronów, nanostruktury.
Rysunek 2. Nanofabrykacja. (A) Proces wytwarzania poszczególnych warstw bramki. Schematy nie są narysowane w skali. (B) Nanostruktura bramki 3-warstwowej wykorzystana w eksperymentach z pompowaniem ładunku. Po lewej: obraz SEM urządzenia podobnego do tego użytego w pomiarach. Po prawej: schematyczne widoki przekroju urządzenia wzdłuż cięć X i Y. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Schemat obwodu mikroczipa; ΣI=0; układ scalony; mikroskopia; wizualizacja danych; konfiguracja urządzenia.
Rysunek 3. Połączenia elektryczne z próbką. (A) Układ płytki drukowanej. (B) Powiększenie obszaru PCB z tzw. bias-tee (po lewej) i schematem zastępczym obwodu (po prawej). (C) Czip z 6 poszczególnymi polami przyklejony do uchwytu oraz druty wiązka służące do połączenia elektrycznego z PCB. (D) Obraz mikroskopowy pojedynczego pola po nanofabrykacji. (E) Obraz SEM układu bramki w centrum obszaru tlenku bramki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Badanie transportu w kropkach kwantowych; a) Wykres prądu w funkcji napięcia bramki; b) Mapa prądu zależna od napięcia.
Rycina 4. Testy wstępne. (A) Prąd prądu przemiennego źródło-dren (wartość skuteczna) jako funkcja różnych napięć bramki. Sygnały mierzono wzmacniaczem synchronicznym z pobudzeniem 50 μVRMS przy 113,17 Hz. Dla poszczególnych przebiegów napięcia bramki pozostałe napięcia bramkowania ustalono na 2,0 V, z wyjątkiem VC1 = VC2 = 0,0 V. (B) Mapa kolorystyczna prądu źródło-dren jako funkcja napięcia bramki tłokowej (plunger gate) i napięcia polaryzacji źródło-dren. VSL = 1,5 V, VDL = 1,15 V, VBL = 0,78 V, VBR = 0,85 V, VC1 = VC2 = 0,0 V. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat kriogenicznego układu eksperymentalnego; RF, wzmacniacz transimpedancyjny, kąpiel He, pomiar Vgate.
Rysunek 5. Schemat układu pomiarowego. Dwadzieścia linii prądu stałego (zielone) i trzy koncentryczne linie rf (czarne) łączą elektronikę w temperaturze pokojowej (RT) z płytką PCB. Dren pompy (fioletowy) jest połączony ze wzmacniaczem transimpedancyjnym oraz z cyfrowym multimetrem za pomocą optoizolatora, natomiast kontakt źródła (czerwony) jest uziemiony. Oddzielne połączenia uziemiające (oznaczone różnymi symbolami) są stosowane dla aparatury elektronicznej i linii elektrycznych kriostatu. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres prądowo-napięciowy, kwantowanie transportu elektronów, wzór schodkowy, analiza pomiaru I-V.
Figura 6. Kwantowanie prądu. Prąd pompowany jako funkcja VPL dla dwusygnałowego wymuszenia sinusoidalnego o częstotliwości f = 10 MHz przyłożonego do bramek BL i PL. Różnica faz = 49 deg, VRFPL = VRFBL = 0,31 Vpp. Idealne położenie plateau pompowania przy całkowitych wielokrotnościach ef przedstawiono jako czerwone linie poziome. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Dyskusja

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 ładunku12,13. 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 wsadowych18-20. 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 generacjiprądu 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 półprzewodnikowych22,23 .

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Dziękujemy K. Y. Tan, P. Zobacz i G. C. Tettamanzi dla użytecznych dyskusji. Dziękujemy za wsparcie finansowe ze strony Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych (Grant No. DP120104710), Akademia Fińska (grant nr 251748, 135794, 272806) oraz wsparcie ze strony Australian National Fabrication Facility w zakresie produkcji urządzeń. A.R. dziękuje za wsparcie finansowe ze strony programu University of New South Wales Early Career Researcher Grant. Docenia się również zapewnienie obiektów i wsparcia technicznego przez Uniwersytet Aalto w Micronova Nanofabrication Centre.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Wafle krzemoweTOPSIL4-calowa
maszyna do litografii wiązką elektronówRaith gmbhRaith 150two
Odporność na wiązkę elektronów MicroChem gmbh
PMMA PhotoresistMicroChem gmbhnLOF2020
Wyrównywacz do masekQuintelQ6000
Photoresist deweloperMicroChem gmbhAZ826MIF

Bibliografia

  1. Sze, S. M. Physics of Semiconductor Devices. , Wiley. Interscience, NY. 505-566 (1969).
  2. Moore, G. E. Cramming More Components onto Integrated Circuits. Electronics. 38, 114-117 (1965).
  3. Voisin, B., et al. Few-Electron Edge-State Quantum Dots in a Silicon Nanowire Field-Effect Transistor. Nano Lett. 14 (4), 2094-2098 (2014).
  4. Asenov, A., Brown, A. R., Davies, J. H., Savas, K., Slavcheva, G. Simulation of Instrinsic Parameter Fluctuations in Decananometer and Nanometer-Scale MOSFETs. IEEE Trans Electron Devices. 50 (9), 1837-1852 (2003).
  5. Zwanenburg, F. A., et al. Silicon Quantum Electronics. Rev. Mod. Phys. 85 (3), 961-1019 (2013).
  6. Ladd, T. D., et al. Quantum computers. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
  7. Piquemal, F. Genevès, G. for a direct realization of the quantum metrological triangle. Metrologia. 37 (3), 207-211 (2000).
  8. Angus, S. J., Ferguson, A. J., Dzurak, A. S., Clark, R. G. Gate-Defined Quantum Dots in Intrinsic Silicon. Nano Lett. 7 (7), 2051-2055 (2007).
  9. Gonzalez-Zalba, M. F., Heiss, D., Podd, G., Ferguson, A. J. Tunable aluminium-gated single electron transistor on a doped silicon-on-insulator etched nanowire. Appl. Phys. Lett. 101 (10), 103504-103501 (2014).
  10. Lim, W. H., et al. Observation of the single-electron regime in a highly tunable silicon quantum dot. Appl. Phys. Lett. 95 (24), 242102-242103 (2009).
  11. Yang, C. H., et al. Spin-valley lifetimes in silicon quantum dots with tunable valley splitting. Nat. Commun. 4 (2069), (2013).
  12. Chan, K. W., et al. Single-electron shuttle based on a silicon quantum dot. Appl. Phys. Lett. 98 (21), 212103-212101 (2011).
  13. Rossi, A., et al. An accurate single-electron pump based on a highly tunable silicon quantum dot. Nano Lett. 14 (6), 3405-3411 (2014).
  14. Pekola, J. P., et al. Single-electron current sources: Toward a refined definition of the ampere. Rev. Mod. Phys. 85 (4), 1421-1472 (2013).
  15. Giblin, S. P., et al. Towards a quantum representation of the ampere using single electron pumps. Nat. Commun. 3, 930(2012).
  16. Kouwenhoven, L. P., Austing, D. G., Tarucha, S. Few-electron quantum dots. Rep. Prog. Phys. 64 (6), 701-736 (2001).
  17. Veldhorst, M., et al. An addressable quantum dot qubit with fault-tolerant control fidelity. Nat. Nanotech. 9 (12), 981-985 (2014).
  18. Fujiwara, A., Nishiguchi, K., Ono, Y. Nanoampere charge pump by single-electron ratchet using silicon nanowire metal-oxide-semiconductor field-effect transistor. Appl. Phys. Lett. 92 (4), 042102-1-042102-3 (2008).
  19. Jehl, X., et al. Hybrid Metal-Semiconductor Electron Pump for Quantum Metrology. Phys. Rev. X. 3 (2), 021012-1-021012-7 (2013).
  20. Tettamanzi, G. C., Wacquez, R., Rogge, S. Charge pumping through a single donor atom. New J. Phys. 16 (6), 063036-1-063036-17 (2014).
  21. Koppinen, P. J., Stewart, M. D., Zimmerman, N. M. Fabrication and Electrical Characterization of Fully CMOS-Compatible Si Single-Electron Devices. IEEE Trans Electron Devices. 60 (1), 78-83 (2013).
  22. Fletcher, J. D., et al. Stabilization of single-electron pumps by high magnetic fields. Phys. Rev. B. 86 (15), 155311-1-155311-6 (2012).
  23. Kataoka, M., et al. Tunable Nonadiabatic Excitation in a Single-Electron Quantum Dot. Phys. Rev. Lett. 106 (12), 126801-1-126801-4 (2011).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Kropki kwantowe z krzemupompa pojedynczych elektron wwielowarstwowy stos brameklitografia wi zk elektron weksperymenty z pompowaniem adunkuwytwarzanie kropek kwantowychtemperatura helu ciek egopomiary kwantowania pr dukontrola uwi zienia elektrostatycznego
Kropki kwantowe krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowe do pompowania pojedynczych elektronów
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.