Silicon Metal-Óxido-semiconductor Quantum Dots para bombear-elétron único

O objetivo geral do experimento a seguir é fabricar pontos quânticos semicondutores de óxido metálico à base de silício e operá-los como bombas de elétrons únicos. Isso é conseguido fabricando nano transistores de silício com uma técnica de marcha multicamadas, que permite controlar eletrostaticamente elétrons individuais confinados em pontos quânticos e manipular sua taxa de transferência. Como um segundo passo.

Os dispositivos fabricados são testados à temperatura do hélio líquido para verificar sua integridade estrutural. A observação de frio no bloqueio nas características de tensão atual indica funcionalidades satisfatórias do dispositivo. Os resultados mostram que um ponto quântico pode ser operado como uma única bomba de elétrons em uma plataforma de medição Malik Kelvin.

Quando a transparência da barreira de entrada é acionada com um sinal CA. Isso é evidenciado pelo aparecimento de platôs de corrente característicos. A nanoeletrônica de silício está no centro da era da informação em que todos vivemos.

Notavelmente, o silício também é um excelente material hospedeiro para aplicações baseadas em quântica, como computação quântica e metrologia elétrica quântica. Aqui na UNSW, desenvolvemos a tecnologia para transformar transistores convencionais em dispositivos quânticos. Podemos confinar elétrons em uma pequena região em silicone com o tamanho de apenas algumas dezenas de nanômetros.

Isso é algo que as pessoas chamam de ponto quântico. Usamos esses pontos quânticos para capturar com precisão um elétron do cabo da fonte e empurrá-lo para o cabo de drenagem, e repetir esse processo extremamente rápido será usado no futuro para gerar a corrente elétrica mais precisa do mundo. Um objetivo de longa data na metrologia elétrica é a redefinição da unidade do par DM de corrente elétrica, vinculando seu valor a uma constante verdadeira da natureza, como a carga do elétron.

As técnicas apresentadas explicam como fabricar e operar dispositivos quânticos de silicone para implementar esse link. Os dispositivos em nanoescala usados neste trabalho são fabricados usando um protocolo amplamente compatível com os processos industriais de CMOs. No entanto, ao contrário dos dispositivos CMOs padrão, adicionamos uma pilha de portas metálicas, que permite confinar espacialmente elétrons individuais.

Nosso protocolo demonstra como testar e operar uma bomba de elétron único baseada em pontos quânticos. O ingrediente chave para seu sucesso é encontrar controle sobre o potencial eletrostático do ponto, bem como sobre a transparência das barreiras do túnel. Vários sinais de RF são normalmente usados para conduzir a transferência de elétrons únicos de e para o tdot.

A grande vantagem de nossos dispositivos fechados multicamadas sobre implementações alternativas, como dispositivos de metal ou três semicondutores de cinco cinco, é que alcançamos um controle requintado sobre o confinamento eletrostático do ponto. Esta tem sido a chave para suprimir erros no mecanismo de bombeamento. Para criar uma camada de óxido de campo em um wafer de silício, tenha um forno de oxidação pronto a 900 graus Celsius.

Comece com um wafer de silício de duas polegadas devidamente limpo. Coloque o wafer no forno e inicie as etapas de oxidação. As etapas de oxidação levam aproximadamente uma hora e um quarto.

Quando terminar, prepare-se para depositar uma camada de HDMS no wafer para começar a criar os contatos ômicos. Para fazer isso, coloque o wafer em uma placa quente a 110 graus Celsius por um minuto. Além disso, despeje cerca de 50 mililitros de HDMS em um bico de vidro.

Quando ambos estiverem prontos, coloque o wafer e o béquer em uma câmara de vácuo para depositar uma camada de alguns nanômetros de espessura de HDMS no wafer. Depois de remover o wafer da câmara de vácuo, mova-o para um codificador de rotação. Ali. Gire uma camada de dois a quatro micrômetros de fotorresistente na parte traseira e frontal do wafer.

Continue movendo o wafer do coer de rotação para um alinhador de máscara. Posicione o wafer e configure a máscara para padronizar os contatos para este processo. Use luz ultravioleta para transferir esse padrão de contato ômico para o wafer.

Após a padronização, mova o wafer para uma placa quente. Asse o wafer a 110 graus Celsius por um minuto após o pós-cozimento. Desenvolva o wafer por um a dois minutos e enxágue-o em água deionizada antes de levá-lo a um gravador de plasma.

Execute uma gravação de plasma de oxigênio por 20 minutos a 340. Millitorr com potência incidente de 50 watts e menos de um watt de potência refletida. Após a gravação do plasma, prepare uma solução de ácido fluorídrico tamponada de 15 para um a 30 graus Celsius.

Grave o óxido por quatro a cinco minutos, assumindo uma taxa de borda de 20 nanômetros por minuto a 30 graus Celsius. Quando terminar, enxágue o wafer em água deionizada Por cinco minutos, seque o wafer com nitrogênio seco antes de continuar. Em seguida, tenha recipientes prontos de acetona e isopropanol.

Remova o fotorresistente imergindo o wafer em acetona por cinco minutos. Em seguida, enxaguando-o com isopropanol por mais cinco minutos. Mova o wafer seco para um forno a 1000 graus Celsius equipado com uma fonte de fósforo.

Colocar o wafer no interior com fluxo de gás azoto durante 30 a 45 minutos, dependendo da densidade de dopagem desejada. Depois de recuperar o wafer, prepare-se para remover a camada de óxido contaminada. Preparar um recipiente de ácido fluorídrico diluído em água e um recipiente de água deionizada, cada um suficiente para imergir o wafer.

Mergulhe o wafer no ácido por três a quatro minutos e depois enxágue na água por 10 minutos. Retorne o wafer ao forno de oxidação mantido a 900 graus lá. Percorra as etapas de oxidação ao longo de cerca de uma hora e um quarto após a oxidação.

O próximo passo é formar o depósito de óxido de marcha com uma camada de HDMS de alguns nanômetros de espessura no wafer. Em seguida, passe para uma camada de spin coder, dois a quatro micrômetros de fotorresistente em ambos os lados do wafer. Mais uma vez, leve o wafer para o alinhador de máscara lá.

Exponha o wafer à luz ultravioleta para transferir o padrão necessário. Depois de revelar o wafer, coloque-o em um plasma de oxigênio por 20 minutos a 340 militorr. Em seguida, condicione em uma solução de ácido fluorídrico tamponado de 15 para um a 30 graus Celsius.

Coloque o wafer na solução por três a quatro minutos e, em seguida, enxágue o wafer em água deionizada por cinco minutos. Depois de secar o wafer, mergulhe-o em acetona por cinco minutos. Para remover o fotorresistente, enxágue o wafer em isopropanol por cinco minutos.

Depois de secar o wafer em gás nitrogênio, leve-o a um forno dedicado a 800 graus Celsius e coloque-o dentro das etapas de oxidação. Leve de uma hora a uma hora e 15 minutos, dependendo da espessura de óxido desejada. Antes da padronização da marcha, o wafer deve passar pela metalização dos contatos da fonte e do dreno e cortar em chips individuais.

Esses chips de 10 milímetros por dois milímetros também foram padronizados com marcadores de alinhamento para litografia por feixe de elétrons, padronizando as portas de alumínio, leva três passagens e começa com revestimento de rotação. Para cada passagem, gire o polimetilmetacrilato a quatro resistência a uma espessura de 150 a 200 nanômetros. Após o revestimento, transfira o chip para uma placa quente a 180 graus Celsius.

Asse o chip por 90 segundos antes de continuar. Agora mova o chip para uma litografia de feixe de elétrons. Durante a litografia, use parâmetros diferentes para alta e baixa resolução.

Esse é o padrão para o layout da marcha. Neste experimento, desenvolva a resistência com a solução de isobutil, cetona e isopropanol. Na proporção de um para três, mergulhe o chip na solução por 40 a 60 segundos.

Enxágue o chip em isopropanol por 20 segundos e seque com nitrogênio. Em seguida, leve o chip para um evaporador térmico. Prepare-se para evaporar o alumínio para a primeira passagem.

Evapore o alumínio a 0,1 a 0,4 nanômetros por segundo até uma espessura alvo de 25 a 35 nanômetros. Após a evaporação, prossiga para levantar o metal, prepare um recipiente de etil dois parone em uma placa quente a 80 graus Celsius e deixe o cavaco de molho por uma hora. Em seguida, enxágue o chip em isopropanol por dois minutos.

Execute a oxidação do alumínio em uma placa quente a 150 graus Celsius. Coloque o chip seco na placa quente por cinco a 10 minutos. Complete a primeira passagem limpando o chip, gire limpo, usando acetona e isopropanol a 7.500 RPM por 30 segundos.

Este esquema fornece uma visão geral do que foi feito na primeira passagem. Durante uma segunda passagem, evapore uma camada de alumínio de 45 a 65 nanômetros. Na terceira passagem, evapore uma camada de alumínio de 75 a 90 nanômetros para realizar a pilha de porta de três camadas.

Para realizar os testes de integridade, um chip deve ser montado corretamente em uma placa de circuito impresso, montar um chip e fazer conexões elétricas entre ele e o circuito impresso. Em seguida, monte a placa de circuito impresso em uma sonda de imersão. Conecte a sonda para permitir a conexão elétrica às portas do dispositivo.

Quando a sonda estiver pronta, obtenha um recipiente contendo hélio líquido e mergulhe lentamente a sonda para evitar a ebulição excessiva de hélio. Este esquema ilustra as conexões para o teste de vazamento. Usando os eletrodos de temperatura ambiente, aterre todas as portas, exceto uma conectada a uma unidade de medição de fonte.

Varra a fonte medir a tensão da unidade de zero a 1,5 volts em etapas de 0,1 volts para medir e registrar a corrente. Se nenhuma corrente for detectada, o dispositivo passa no teste de vazamento. Para o próximo teste, conecte cada porta a uma fonte de tensão CC variável.

Conecte a linha de origem à porta de entrada de um amplificador de bloqueio. Conecte também a linha de drenagem ao vol CA embutidotage fonte do amplificador de bloqueio. Meça as características de ativação aumentando simultaneamente as tensões de porta aplicadas a BL, br, pl, sl e DL, mantendo C um e C dois aterrados.

Registre as características de ativação do dispositivo. Este é um traço de amostra para esta medição. Em seguida, diminua cada tensão de porta individualmente para registrar suas características de pinçamento onde esse BL de medição é reduzido.

Aqui, nossos resultados representativos para as características de ativação e pinçamento no gráfico. A corrente CA do dreno da fonte RMS é dada em função da tensão da porta. As portas são rotuladas no esquema.

Os contatos de fonte e dreno são conectados a um amplificador lock-in com excitação de 50 microvolts RMS a cerca de 113 hertz e as portas são conectadas a um rack de bateria de tensão controlável modular. As portas C um e C dois são mantidas em zero volts, enquanto as outras são mantidas em dois volts. Esta é uma medida representativa da corrente de dreno da fonte representada em um espectro de cores em função da polarização do dreno da fonte e da tensão da porta do êmbolo.

Quando um quantum. é formado sob a porta do êmbolo, ele revela claramente a assinatura característica do bloqueio do ulam. O bombeamento de elétrons únicos pode ser alcançado quando um dispositivo é operado em uma plataforma de medição de temperatura em milikelvin equipada com linhas elétricas de alta frequência.

Neste experimento, o dispositivo é acionado com o acionamento senoidal de dois sinais de 10 megahertz na barreira de entrada e na porta do êmbolo. Os platôs de corrente característicos em múltiplos inteiros da carga do elétron e da frequência são a assinatura das transferências de carga quantizadas. A maioria dos cursos de parâmetros de processo neste protocolo pode variar dependendo das ferramentas de fabricação usadas, bem como do tipo de substrato de silício.

Quantidades como litografia, dose de exposição ou tempo de desenvolvimento, duração da corrosão ou oxidação devem ser cuidadosamente calibradas e testadas para garantir um rendimento confiável. Durante o fluxo do processo de fabricação, é crucial evitar a contaminação cruzada entre os equipamentos de fabricação para diferentes processos. Para evitar isso, temos uma série de ferramentas dedicadas exclusivamente ao processamento de silício, como evaporadores de metal, fornos de oxidação e banhos de HF.

Os resultados mostrados para a quantização atual são obtidos em uma frequência de condução relativamente longa de 10 megahertz, para a qual o ajuste dos parâmetros experimentais pode ser realizado rapidamente. Na prática, é desejável operar a bomba a várias centenas de megahertz. É importante mencionar que isso normalmente requer uma otimização de parâmetros muito mais fina e demorada.

Seguindo o processo de fabricação e as técnicas de medição discutidas neste vídeo, conseguimos gerar uma corrente elétrica microscópica com níveis de precisão recordes entre os sistemas baseados em silício. Isso estabelece enormes promessas para a futura redefinição da unidade de corrente, baseada exclusivamente em princípios da mecânica quântica. Pulso. No momento, estamos procurando substituir os portões de metal normais em nossos dispositivos por silicone policristalino.

Isso provavelmente suprime o ruído de carga de fundo que observamos atualmente. Nosso objetivo é que o resultante melhore a estabilidade e a precisão da bomba de elétrons. Atenderemos então aos requisitos meteorológicos extremos de um novo padrão mundial atual.

As técnicas que apresentamos neste vídeo mostram o grande potencial da nanotecnologia baseada em silício para dispositivos quânticos. O silício está atraindo cada vez mais interesse como o material de escolha para bombeamento de carga, e isso se deve à atração de implementar um novo padrão atual usando processos de silício compatíveis com a indústria, que se beneficiariam das técnicas de integração muito bem estabelecidas disponíveis para escalabilidade do sistema.