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

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest wytworzenie półprzewodnikowych kropek kwantowych z tlenku metalu na bazie krzemu i wykorzystanie ich jako pomp z pojedynczymi elektronami. Osiąga się to poprzez wytwarzanie nanotranzystorów krzemowych za pomocą wielowarstwowej techniki chodu, która pozwala na elektrostatyczne sterowanie pojedynczymi elektronami zamkniętymi w kropkach kwantowych i manipulowanie ich szybkością transferu. Jako drugi krok.

Wyprodukowane urządzenia są testowane w temperaturze ciekłego helu w celu sprawdzenia ich integralności strukturalnej. Obserwacja chłodu przy blokadzie w charakterystyce napięcia prądowego wskazuje na zadowalające funkcjonalności urządzenia. Wyniki pokazują, że kropka kwantowa może być obsługiwana jako pompa pojedynczego elektronu na platformie pomiarowej Malika Kelvina.

Gdy przezroczystość szlabanu wjazdowego jest napędzana sygnałem prądu przemiennego. Świadczy o tym pojawienie się charakterystycznych obecnych płaskowyżów. Nanoelektronika krzemowa jest sercem ery informacji, w której wszyscy żyjemy.

Co ciekawe, krzem jest również doskonałym materiałem macierzystym dla zastosowań kwantowych, takich jak obliczenia kwantowe i kwantowa metrologia elektryczna. W UNSW opracowaliśmy technologię, która pozwala przekształcić konwencjonalne tranzystory w urządzenia kwantowe. Możemy zamknąć elektrony w maleńkim obszarze w silikonie o wielkości zaledwie kilkudziesięciu nanometrów.

To jest coś, co ludzie nazywają kropką kwantową. Używamy takich kropek kwantowych do precyzyjnego wyłapywania elektronu z przewodu źródłowego i przepychania go do przewodu drenowego, a powtarzanie tego procesu niezwykle szybko zostanie wykorzystane w przyszłości do wygenerowania najdokładniejszego prądu elektrycznego na świecie. Długoterminowym celem metrologii elektrycznej jest przedefiniowanie pary DM prądu elektrycznego poprzez powiązanie jej wartości z rzeczywistą stałą natury, taką jak ładunek elektronu.

Przedstawione techniki wyjaśniają, w jaki sposób wytwarzać i obsługiwać silikonowe urządzenia kwantowe w celu realizacji tego powiązania. Urządzenia w nanoskali wykorzystywane w tej pracy są wytwarzane przy użyciu protokołu w dużej mierze kompatybilnego z procesami przemysłowych CMO. Jednak w przeciwieństwie do standardowych urządzeń CMO, dodajemy metalowy stos bramek, który pozwala na przestrzenne ograniczenie pojedynczych elektronów.

Nasz protokół pokazuje, jak testować i obsługiwać pompę z pojedynczym elektronem opartą na kropek kwantowych. Kluczowym składnikiem jego sukcesu jest znalezienie kontroli nad potencjałem elektrostatycznym kropki, a także nad przezroczystością barier tunelowych. Wiele sygnałów RF jest zwykle używanych do sterowania transferem pojedynczych elektronów z i do tdot.

Ogromną przewagą naszych wielowarstwowych urządzeń bramkowanych w porównaniu z alternatywnymi implementacjami, takimi jak urządzenia metalowe lub trzy półprzewodniki, jest to, że osiągnęliśmy znakomitą kontrolę nad elektrostatycznym uwięzieniem kropki. Było to kluczem do wyeliminowania błędów w mechanizmie pompowania. Aby utworzyć warstwę tlenku pola na płytce krzemowej, przygotuj piec do utleniania o temperaturze 900 stopni Celsjusza.

Zacznij od odpowiednio oczyszczonej dwucalowej płytki krzemowej. Umieść wafel w piecu i rozpocznij etapy utleniania. Etapy utleniania trwają około jednej i jednej kwadranse.

Po zakończeniu przygotuj się do nałożenia warstwy HDMS na płytkę, aby rozpocząć tworzenie kontaktów omicznych. Aby to zrobić, umieść wafel na gorącej płycie w temperaturze 110 stopni Celsjusza na jedną minutę. Wlej również około 50 mililitrów HDMS do szklanego dzioba.

Gdy oba będą gotowe, umieść wafel i zlewkę w komorze próżniowej, aby nałożyć na płytkę warstwę HDMS o grubości kilku nanometrów. Po wyjęciu płytki z komory próżniowej przenieś ją do kodera spinowego. Tam. Zakręć warstwą fotorezystu o grubości od dwóch do czterech mikrometrów zarówno z tyłu, jak i z przodu płytki.

Kontynuuj, przesuwając wafel z wirowania do nakładki maski. Ustaw płytkę i ustaw maskę, aby ułożyć styki dla tego procesu. Użyj światła ultrafioletowego, aby przenieść ten omiczny wzór kontaktowy na płytkę.

Po ułożeniu wzoru przenieś wafel na gorącą płytę. Wafelek pieczemy w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez minutę po upieczeniu. Rozwijaj wafel przez jedną do dwóch minut i opłucz go w wodzie dejonizowanej przed zabraniem go do wytrawiacza plazmowego.

Wykonaj wytrawianie plazmą tlenową przez 20 minut w temperaturze 340. Millitorr o mocy padającej 50 W i mocy odbitej mniejszej niż jeden W. Po wytrawieniu plazmowym przygotuj 15 do jednego buforowany roztwór kwasu fluorowodorowego w temperaturze 30 stopni Celsjusza.

Wytrawiaj tlenek przez cztery do pięciu minut, zakładając szybkość krawędzi 20 nanometrów na minutę w temperaturze 30 stopni Celsjusza. Po zakończeniu opłucz wafel w wodzie dejonizowanej Przez pięć minut, przed kontynuowaniem wysusz wafel suchym azotem. Następnie przygotuj naczynia z acetonem i izopropanolem.

Usuń fotorezyst, zanurzając wafel w acetonie na pięć minut. Następnie płucz go w izopropanolu przez kolejne pięć minut. Przenieś suchą płytkę do pieca o temperaturze 1000 stopni Celsjusza, który jest wyposażony w źródło fosforu.

Umieść wafel w środku z przepływem azotu na 30 do 45 minut, w zależności od pożądanej gęstości domieszkowania. Po odzyskaniu płytki przygotuj się do usunięcia zanieczyszczonej warstwy tlenku. Przygotuj naczynie z kwasem fluorowodorowym rozcieńczonym w wodzie i naczynie z wodą dejonizowaną, z których każde wystarcza do zanurzenia płytki.

Zanurz wafel w kwasie na trzy do czterech minut, a następnie płucz go w wodzie przez 10 minut. Włóż wafel z powrotem do pieca utleniającego utrzymywanego w temperaturze 900 stopni. Przejdź przez etapy utleniania w ciągu około jednej i jednej kwadransa po utlenieniu.

Kolejnym krokiem jest uformowanie tlenku chodu w postaci warstwy HDMS o grubości kilku nanometrów na płytce. Następnie przejdź do warstwy spinowej kodera spinowego, od dwóch do czterech mikrometrów fotorezystu po obu stronach płytki. Jeszcze raz zanieś wafel do tamtejszego nakładka na maskę.

Wystaw wafel na działanie światła ultrafioletowego, aby przenieść wymagany wzór. Po wywołaniu płytki umieść ją w plazmie tlenowej na 20 minut w temperaturze 340 militorów. Następnie wytrawiaj w 15 do jednego buforowanego roztworu kwasu fluorowodorowego w temperaturze 30 stopni Celsjusza.

Umieść wafel w roztworze na trzy do czterech minut, a następnie płucz go w wodzie dejonizowanej przez pięć minut. Po wysuszeniu wafla zanurz go w acetonie na pięć minut. Aby usunąć fotorezyst, płucz wafel w izopropanolu przez pięć minut.

Po wysuszeniu wafla w gazowym azocie przenieś go do dedykowanego pieca o temperaturze 800 stopni Celsjusza i umieść w etapach utleniania. Poświęć godzinę na godzinę i 15 minut w zależności od pożądanej grubości tlenku. Przed utworzeniem wzoru chodu wafel powinien zostać poddany metalizacji styków źródłowych i drenażowych oraz pokrojeniu w kostkę na poszczególne wióry.

Te chipy o wymiarach 10 milimetrów na dwa milimetry zostały również ukształtowane za pomocą znaczników wyrównania do litografii wiązką elektronów, wzór aluminiowych bramek trwa trzy przejścia i zaczyna się od powlekania spinowego. Dla każdego przejścia należy zawirować polimetakrylan metylu o czterech rezystancjach o grubości od 150 do 200 nanometrów. Po pokryciu przenieś wiór na gorącą płytę w temperaturze 180 stopni Celsjusza.

Piecz frytki przez 90 sekund, zanim przejdziesz dalej. Teraz przenieś chip do litografii wiązką elektronów. Podczas litografii należy używać różnych parametrów dla wysokiej i niskiej rozdzielczości.

To jest wzorzec układu chodu. W tym eksperymencie opracuj rezystor za pomocą roztworu izobutylu, ketonu i izopropanolu. W stosunku jeden do trzech zanurz chip w roztworze na 40 do 60 sekund.

Opłucz chip w izopropanolu przez 20 sekund i wysusz azotem. Następnie przenieś chip do parownika termicznego. Przygotuj się do odparowania aluminium do pierwszego przejścia.

Odparuj aluminium z prędkością od 0,1 do 0,4 nanometra na sekundę do docelowej grubości od 25 do 35 nanometrów. Po odparowaniu przystąp do podnoszenia metalu, przygotuj naczynie z dwuparonem etylu na gorącej płycie w temperaturze 80 stopni Celsjusza i moczyć wiór przez godzinę. Następnie płucz chip w izopropanolu przez dwie minuty.

Wykonaj utlenianie aluminium na płycie grzejnej w temperaturze 150 stopni Celsjusza. Umieść suche frytki na płycie grzejnej na pięć do 10 minut. Zakończ pierwszy przejazd, czyszcząc chip, wiruj do czysta, używając acetonu i izopropanolu przy 7, 500 obr./min przez 30 sekund.

Ten schemat zawiera przegląd tego, co zostało wykonane w pierwszym przejściu. Podczas drugiego przejścia odparuj warstwę aluminium o grubości od 45 do 65 nanometrów. W trzecim przejściu odparuj warstwę aluminium o grubości od 75 do 90 nanometrów, aby zrealizować trzywarstwowy stos bramek.

Aby przeprowadzić testy integralności, chip musi być prawidłowo zamontowany na płytce drukowanej, zamontować chip i wykonać połączenia elektryczne między nim a obwodem drukowanym. Następnie zamontuj płytkę drukowaną na sondzie zanurzeniowej. Podłącz sondę, aby umożliwić podłączenie elektryczne do bramek urządzenia.

Gdy sonda jest gotowa, zaopatrz się w naczynie zawierające ciekły hel i powoli zanurzaj sondę, aby uniknąć nadmiernego wyparowania helu. Ten schemat ilustruje połączenia do próby szczelności. Za pomocą elektrod do pomiaru temperatury pokojowej uziemić wszystkie bramki z wyjątkiem jednej podłączonej do źródłowej jednostki pomiarowej.

Przesuń napięcie jednostki pomiaru źródła od zera do 1,5 V w krokach co 0,1 V, aby zmierzyć i zarejestrować prąd. Jeśli nie zostanie wykryty żaden prąd, urządzenie przechodzi test szczelności. W następnym teście podłącz każdą bramkę do źródła napięcia o zmiennym napięciu DC.

Podłącz linię źródłową do portu wejściowego lock-in amplifier. Podłącz również przewód odpływowy do wbudowanego źródła napięcia AC wzmacniacza blokującego. Zmierz charakterystykę włączenia, jednocześnie zwiększając napięcia bramki przyłożone do BL, br, pl, sl i DL, utrzymując C jeden i C dwa uziemione.

Nagraj charakterystykę włączania urządzenia. To jest ślad próbki dla tego pomiaru. Następnie zmniejsz napięcie każdej bramki indywidualnie, aby zarejestrować jej charakterystykę zaciskania, w której ten pomiar BL jest zmniejszany.

Tutaj nasz reprezentatywny wynik dla cech włączania i szczypania na wykresie. Prąd prądu przemiennego drenu źródła RMS jest podawany w funkcji napięcia bramki. Bramy są oznaczone na schemacie.

Styki źródła i drenu są podłączone do wzmacniacza typu lock-in o wzbudzeniu RMS 50 mikrowoltów przy około 113 hercach, a bramki są podłączone do modułowego sterowanego napięciem stojaka na baterie. Bramka C pierwsza i C druga są utrzymywane przy zerowym napięciu woltów, podczas gdy pozostałe są utrzymywane przy dwóch woltach. Jest to reprezentatywny pomiar prądu drenu źródła reprezentowanego na widmie kolorów w funkcji polaryzacji drenu źródła i napięcia bramki tłoka.

Gdy pod bramką tłoka tworzy się kwant, wyraźnie ujawnia się charakterystyczna sygnatura blokady ulam. Pompowanie pojedynczych elektronów można osiągnąć, gdy urządzenie jest obsługiwane na platformie pomiaru temperatury w milikelwinach wyposażonej w linie elektryczne o wysokiej częstotliwości.

W tym eksperymencie urządzenie jest napędzane dwoma sygnałowymi 10-megahercowymi napędami sinusoidalnymi na barierze wejściowej i bramce tłokowej. Charakterystyczne plateau prądu przy całkowitych wielokrotnościach ładunku elektronu i częstotliwości są sygnaturą kwantowanych transferów ładunków. Większość kursów parametrów procesu w tym protokole może się różnić w zależności od użytych narzędzi produkcyjnych, a także od rodzaju podłoża krzemowego.

Wielkości takie jak litografia, ekspozycja, dawka, czas wywoływania, trawienie lub czas utleniania muszą być dokładnie skalibrowane i przetestowane, aby zapewnić wiarygodną wydajność. Podczas przebiegu procesu produkcyjnego ważne jest, aby uniknąć zanieczyszczenia krzyżowego między urządzeniami produkcyjnymi w różnych procesach. Aby tego uniknąć, posiadamy szereg narzędzi dedykowanych wyłącznie do obróbki krzemu, takich jak parowniki metali, piece utleniające i kąpiele wysokotonowe.

Wyniki pokazane dla bieżącej kwantyzacji są pobierane przy stosunkowo długiej częstotliwości sterowania wynoszącej 10 megaherców, dla której można szybko dostroić parametry eksperymentalne. W praktyce pożądane jest eksploatowanie pompy z częstotliwością kilkuset megaherców. Należy wspomnieć, że zazwyczaj wymaga to znacznie dokładniejszej i bardziej czasochłonnej optymalizacji parametrów.

Podążając za procesem produkcji i technikami pomiarowymi omówionymi w tym filmie, byliśmy w stanie wygenerować mikroskopijny prąd elektryczny z rekordowym poziomem dokładności wśród systemów opartych na krzemie. Daje to ogromne nadzieje na przyszłość redefinicji jednostki prądu, opartej wyłącznie na zasadach mechaniki kwantowej. Puls. Obecnie zastanawiamy się nad zastąpieniem zwykłych metalowych bramek w naszych urządzeniach silikonem polikrystalicznym.

To prawdopodobnie tłumi szum ładunku tła, który obecnie obserwujemy. Naszym celem jest, aby wynikająca z tego poprawa stabilności i dokładności pompy elektronowej. W ten sposób spełnimy ekstremalne wymagania meteorologiczne nowego obowiązującego obecnie światowego standardu.

Techniki, które przedstawiliśmy w tym filmie, pokazują ogromny potencjał nanotechnologii opartej na krzemie dla urządzeń kwantowych. Krzem cieszy się coraz większym zainteresowaniem jako materiał wybierany do pompowania ładunku, a wynika to z atrakcyjności wdrożenia nowego, obecnego standardu przy użyciu kompatybilnych z przemysłem procesów krzemowych, które skorzystałyby z bardzo dobrze znanych technik integracji dostępnych wcześnie w celu skalowalności systemu.