Tek elektron pompalayabilme için Silikon Metal-oksit-yarıiletken Kuantum Noktaları

Özet

Silikon metal oksit yarı iletken kuantum noktalarına dayalı tek elektronlu pompalarla ilgili üretim süreci ve deneysel karakterizasyon teknikleri tartışılmaktadır.

Özet

Seri üretilen silikon transistörler nano ölçeğe ulaştıkça, davranışları ve performansları, tek katkı maddelerinden tünel açma, arayüz kusurları yoluyla saçılma ve ayrık tuzak yük durumları gibi kuantum mekaniksel etkilerden giderek daha fazla etkilenir ve genellikle bozulur. Bununla birlikte, silikon teknolojisindeki ilerleme, bu fenomenlerin yeni bir kuantum tabanlı elektronik sınıfı için kullanılabileceğini ve kullanılabileceğini göstermiştir. Diğerlerinin yanı sıra, çok katmanlı kapılı silikon metal oksit yarı iletken (MOS) teknolojisi, elektrostatik olarak tanımlanmış kuantum noktalarında (QD) sınırlı tek şarjı veya dönüşü kontrol etmek için kullanılabilir. Bu QD tabanlı cihazlar, kuantum hesaplama uygulamaları için mükemmel bir platformdur ve son zamanlarda, metrolojik amaçlar için doğru nicelenmiş akım kaynakları olan tek elektronlu pompalar olarak da kullanılabilecekleri gösterilmiştir. Burada, hem kuantum hesaplama hem de kuantum metroloji uygulamalarıyla ilgili olan silikon MOS QD'ler için üretim protokolünü ayrıntılı olarak tartışıyoruz. Ayrıca, fabrikasyondan sonra cihazların bütünlüğünü test etmek için karakterizasyon yöntemlerini açıklıyoruz. Son olarak, şarj pompalama deneyleri için kullanılan ölçüm kurulumunun kısa bir açıklamasını veriyoruz ve elektrik akımı nicelemesinin temsili sonuçlarını gösteriyoruz.

Giriş

Silikon, modern mikroelektroniklerin çoğu için tercih edilen malzemedir. Gelişmiş litografik tekniklerle birleştirilen özellikleri, yarı iletken endüstrisinin çok büyük ölçekli entegrasyon sağlamasına ve çip başına milyarlarca transistör sağlamasına izin verdi. Metal oksit yarı iletken (MOS) teknolojisi¹, bu amansız teknolojik ilerlemenin^{anahtarı olmuştur 2}. Kısaca, üzerine bir metal geçit elektrodunun biriktirildiği yüksek kaliteli bir SiO₂ geçit oksit yetiştirmek için termal olarak oksitlenen, seçici katkılı bir Si substratına dayanır. Son zamanlarda, bir kapı oksit yığınının kullanılmasının faydalı olabileceği gösterilmiştir³ . Mevcut endüstri standartları, 20 nm'nin altındaki kapı uzunlukları için minimum özellik boyutlarına ulaşmış olsa da, bu minyatürleştirme düzeyinde, ölçeği daha da küçültmeyi karmaşıklaştırabilecek zararlı kuantum mekaniksel olayların ortaya çıktığı giderek daha belirgin hale geliyor⁴.

Dikkat çekici bir şekilde, silikon aynı zamanda elektron yükünün ve spin^5'in kuantum özelliklerinden yararlanmak için mükemmel bir ana malzemedir. Bu, uygulanabilirlik yelpazesini kuantum hesaplama⁶ ve kuantum elektriksel metroloji⁷ gibi tamamen yeni alanlara genişletti. Diğer yaklaşımların⁵ yanı sıra, çok kapılı bir MOS teknolojisinin^8,9 kullanılması, doluluğu tek elektron seviyesi^10'a kadar kontrol edilebilen elektrostatik olarak tanımlanmış kuantum noktalarına (QD) yol açmıştır. Transistör başına sadece bir geçitin gerekli olduğu geleneksel MOS işleminin aksine¹, bu QD'ler, Si/SiO₂ arayüzünde elektronları seçici olarak biriktirmek ve ayrıca yanal ve dikey hapsetme sağlamak için kullanılan üç katmanlı bir Al/Al_yO_x kapısı yığını aracılığıyla tanımlanır¹¹.

Bu cihazlar başlangıçta kuantum hesaplama uygulamaları için geliştirilmiş olsa da, son zamanlarda metrolojik araçlar olarak da umut verici performanslar gösterdiler^12,13. Kuantum elektriksel metrolojisi alanında, uzun süredir devam eden bir hedef, amper biriminin temel yük (e) ¹⁴ cinsinden yeniden tanımlanmasıdır. Özellikle, tek tek elektronların transferini zamanında ve doğru bir şekilde hızlandırmak için nano ölçekli şarj pompalarının gerçekleştirilmesi üzerinde durulmaktadır. Bu cihazlar, makroskopik nicelenmiş elektrik akımları üretir, I=nef, burada f, harici bir sürüş osilatörünün frekansıdır ve n bir tamsayıdır. Bugüne kadar, en iyi performans, milyonda 1,2 parçalık bir nispi belirsizlikle 150 pA'yı aşan bir akım vererek GaAs tabanlı bir pompa ile elde edilmiştir¹⁵. Son zamanlarda, silikon MOS QD'ler, şarj hapsinin¹³ hassas bir şekilde ayarlanabilmesi sayesinde son derece hassas tek elektronlu pompaların uygulanmasında da öne çıkmıştır.

Burada, silikon MOS QD'lerin üretimi için kullanılan protokolü tartışıyoruz. Ayrıca, fabrikasyondan sonra cihazların bütünlüğünü test etmek için kullanılan kriyojenik kurulum ve şarj pompalama deneylerini gerçekleştirmek için kullanılan kriyojenik kurulum açıklanmaktadır. Son olarak, nicelleştirilmiş elektrik akımının temsili ölçümleri rapor edilir.

Protokol

Not: Bu protokol, imal paket ve silikon MOS QD teknolojisine dayalı tek elektron pompaları test etmek için kullanılan prosedürleri açıklamaktadır. Bölüm 3 kişilerce ISO6 laboratuarlarda yapılan ise alt bölümler 1 ve 2'de açıklanan adımlar, ISO5 temiz oda içinde gerçekleştirilir. Ortam koşulları sürekli olarak kontrol edilmektedir. Sıcaklık ve nem için nominal değerleri sırasıyla, 20 ± 1 ° C ve% 55 ±% 5 olarak belirlenmiştir.

1. Mikro ve

1. Saha Oksit
   1. 100 ° C 'de, H, RCA-2 çözeltisi (DI suyun 175 mi, HCI 30 mi, pirana etch (10 dakika), deiyonize (Dİ) su (10 dakika) ₂ O ₂ 30 ml: Aşağıdaki batırılarak gofret temizleme 1 (10 sn), DI su (10 dakika): 10 dakika), iyonu giderilmiş su (5 dakika), su içinde 10 inceltilmiş (HF) asit. HF (yani, gözlük, PVC önlük ve PVC eldiven) kullanırken koruyucu giysiler kullanın. Belirtilen sırayla devam edin.
   2. Gofret yerleştirinaşağıdaki gibi, 900 ° C de fırın içinde oksidasyon adımda okside: Kuru O ₂ (10 dakika), ıslak O ₂ (40 dakika) ve kuru bir O ₂ (10 dakika), _N2 (15 dakika).
2. Ohmic İletişim
   1. Fotolitografi ve aşındırma oksit yürütmek.
      1. Aşağıdaki gibi gofret yüzeyine yapışma promoteri heksametildisilazan (HMDS) içindeki bir kaç-nm-kalınlıkta bir tabaka yatırın: Önceden fırında bir sıcak plaka üzerinde 110 ° C'de 1 dakika süre ile, bir cam beher içinde HMDS'nin ~ 50 ml dökün, beher yer ve vakum odası gofret, tahliye ve 2 dakika boyunca bekleyin.
      2. (25-40 sn istenen kalınlığına bağlı olarak, 3.000-5.000 rpm) ön ve arka tarafı gofret hem Fotorezist 2-4 mikron kalınlığında bir tabaka Spin.
      3. (Kalınlığı direnmeye göre 4-10 saniye boyunca 10 mW / cm ²⁾ maske hizalama ultra-viyole ışık Açığa. 1 dakika boyunca 110 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde sonrası fırında.
      4. Daha sonra iyonu giderilmiş su içinde durulama 1-2 dakika boyunca geliştirilmesi.
      5. 20 dakika O ₂ plazma etch gerçekleştirin (; olay gücü = 50 W, basınç = 340 mTor yansıyan güç <1 W).
      6. Tamponlu HF asit çözeltisi içinde Aşındırma oksit (15: 1, 4-5 dakika, 30 ° C de atışı ≈ 20 nm / dak etch). Iyonu giderilmiş su (5 dakika) ile durulayın. _N2 ile kuru üfleyin.
   2. Aseton batırılarak ışığa çıkarın. İzopropanol (IPA) 'de, daha sonra _N2 ile kurutma yıkayın.
   3. (Istenilen katkılama yoğunluğuna bağlı olarak 30-45 dakika boyunca _N2 akımı) fosfor kaynağı ile 1000 ° C de fırın içinde gofret yerleştirin.
   4. Iyonu giderilmiş su (10 dakika) ile durulayın,: su içinde seyreltildi HF asit (1, 3-4 dakika, 30 ° C 'de aşındırma oranını ≈ 40 nm / dak 10) kontamine oksit tabakası çıkarın.
   5. 1.1.2 olarak okside eder.
3. Gate Oksit
   1. Tekrarlayın 1.2.1 ve 1.2.2 numaralı adımları.
   2. Aşağıdaki gibi, 800 ° C 'de özel bir fırında gofret yerleştirin ve adımda okside: Kuru O ₂ (10 dakika), dichloroethylene + O ₂ (20 dakika) ve kuru bir O ₂ (10-30 dakika, istenen oksit kalınlığına bağlı olarak), _N2 (15 dakika).
4. Ohmic İletişim Metalizasyon
   1. Adımı yineleyin 1.2.1.
   2. Elektron demeti evaporatörde gofret yerleştirin. 0.2-0.5 nm / saniye ve 5 x 10 ^-6 Torr'da alüminyum, 100 nm buharlaştırın.
   3. Metal dışı kaldırmak için 1 saat boyunca 80 ° C'de bir sıcak plaka üzerindeki N-metil-2-pirolidon (NMP) içinde gofret bekletin. Gerekirse ultrasonik ajitasyon kullanın. 2 dakika boyunca IPA içinde durulayın. _N2 ile kuru üfleyin.
   4. En az 15 dakika boyunca 400 ° C 'de oluşturan gaz içerisinde yeniden.

2. nanofabrikasyon

1. Gofret Küp şeklinde kesme
   1. Herhangi bir koruyucu kaplama olarak hareket gofret üzerine karşı (polimer ve eğirme parametre türü bu aşamada alakasız) dönerler.
   2. ~ 10 x 2 mm ² bireysel çipleri içine gofret kesmek için elmas uç dicer kullanın.
2. Temizlik
   1. 80 ° C'de bir sıcak plaka üzerindeki 1 saat boyunca NMP içinde emmek, daha sonra 2 dakika süre ile IPA içinde durulayın. _N2 ile kuru üfleyin.
   2. 5 dakika boyunca O ₂ plazma etch gerçekleştirin (= 50 W olay gücü; yansıyan güç <1 W).
   3. Aseton ve IPA temiz Spin (7.500 rpm, 30 sn)
3. Hizalama belirteçleri desenlendirme
   1. Sıkma polimetil metakrilat (PMMA 950K), A4 (30 sn, istenen kalınlığına bağlı olarak, 5,000-7,500 rpm) karşı dirençlidir. Tipik çalışma kalınlığı ≈ 150-200 nm. Fırında 90 saniye boyunca 180 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde karşı dirençlidir.
   2. E-ışın litografi yürütmek. Aşağıdaki yazma koşullarını kullanın: = 30 keV enerji ışın, ışın akımı ≈ 30 pA, bölge dozu 500-650 uc / cm ² belirteçler boyutuna bağlı olarak ≈ ve kalınlığı karşı.
   3. (1: 3) 40-60 sn için, daha sonra 20 saniye boyunca IPA içinde durulayın metil izobutil keton ve IPA solüsyonunda karşı geliştirir. N ₂ tabanca ile kuru üfleyin.
   4. Yerelektron demeti evaporatörde yongası. Ti 15 nm ve 0.2-0.4 nm / sn Pt 65 nm ve 5 x 10 ^-6 Torr'a buharlaşır.
   5. Adım 1.4.3 deki gibi metal kaldırın.
   6. Adımlarda 2.2.2-2.2.3 gibi temiz çip.
4. Kapı desenlendirme
   1. Spin 2.3.1 gibi karşı.
   2. E-ışın litografi yürütmek. = 30 keV enerji ışın, ışın akımı ≈ 30 pA, bölge dozu ≈ 500-700 uc / cm ^2: yüksek çözünürlüklü özellikleri için aşağıdaki yazma koşullarını kullanın. Düşük çözünürlüklü özellikleri koşullarını yazın: = 15 keV enerji ışın, ışın akımı ≈ 10 nA, bölge dozu 400-600 uc / cm ² ≈.
   3. 2.3.3 gibi karşı geliştirin.
   4. Termal evaporatörde çipi yerleştirin. 0.1-0.4 nm / sn ve 1-9 x 10 ^-6 mbar'da Al buharlaşır. Şekil 2B'de (Katman 1 25-35 nm, Katı 2 için 45-65 nm, gösterildiği gibi, hedef kalınlık, tabaka sayısına göre değişmektedir 75-90 nKatman 3 m).
   5. Adım 1.4.3 deki gibi metal kaldırın.
   6. 5-10 dakika boyunca 150 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde, Al oksidasyonu gerçekleştirmek.
   7. Adım 2.2.3 olarak temizleyin çip.
   8. Adımları tekrarlayın kez 3 katmanlı kapı yığını gerçekleştirmek için 2.4.1-2.4.7.

3. Cihaz Paketleme

1. Adım 2.1 olarak Zar çip
2. 2 dakika boyunca aseton ve IPA içinde elde edilen daha küçük çipler durulayın.
3. PMMA A5 ile baskılı devre kartı (PCB) bir bireysel parçası Tutkal. Kurumaya için 2 dakika bekleyin. Seçenek olarak ise, termalizasyon geliştirmek için, gümüş epoksi kullanılır.
4. Bir kama Bonder üzerine PCB yükleyin ve kablolama ile devam edin.

4. Cihaz Bütünlük Testleri

1. Bir dip prob üzerine kablolu cihaz içeren PCB monte edin.
2. Daldırma prob olanlara PCB elektrik hatları tel.
3. Sıvı helyum ihtiva eden bir kap içine sonda yerleştirin. Aşırı helyum b önlemek için yavaş yavaş ilerleyinYağ-off.
4. Topraklı diğer kapıları tutarken her bir cihaz kapısı için, bir kaynak tedbir birimine prob gelen oda sıcaklık elektrodu bağlayın. Birkaç nA uyum akımını ayarlayın. 0,1 V adımlarla 1.5V sıfırdan gerilimi Sweep ölçmek ve akımı kaydedin.
5. Bir pilli değişken DC gerilim kaynağına her kapı hattını, kaynak hattı dahili bir kilit-amplifikatör ac gerilim kaynağı ve kilit-amplifikatör giriş portuna tahliye hattı.
6. Farklı kapı gerilimi konfigürasyonları (bakınız Şekil 4) için iletkenlik boşaltmak için kaynak ölçün.
   1. Küresel topraklı C1 ve C2 kapıları tutarak kapıları BL, BR, PL, SL ve DL, uygulanan gerilimleri kadar rampa. 'Turn-on' aygıt özelliklerini kaydedin.
   2. Tek tek her kapı gerilimi aşağı rampa ve Kapıları tutam-off 'özelliklerini kaydeder.
   3. Elektrostatik qu tanımlamak için kapı gerilimleri ayarlayınturn-on gerilimlerde daha BL ve BR (PL, SL ve DL) küçük (büyük) üzerine gerilimleri ayarlayarak antum nokta. Coulomb abluka özelliklerini kaydedin.

Sonuçlar

Cihaz İmalatı

İlk mikroimalat süreci (Protokol alt bölüm 1) ticari bir 4-inç yüksek saflıkta silikon gofret üzerinde gerçekleştirilir (n-tipi doping yoğunlaşmanın ≈ 10 ¹² cm ^-3, direnç> 10 kΩcm; kalınlığı = 310-340 mikron ). Amaç kapı elektrotlar tevdi edileceği alt tabakanın gerçekleştirmektir. Bu alt-tabaka alanı oksit (adım 1.1), alan oksit (aşama 1.2), yüksek kaliteli kapısı oksit (1.3 adım a) ile kapatılmış bir iç bölge ile kapatılmış, bir n + bölge ile kapatılmış bir iç bölge yapılmıştır, ve metalize N + bölgesi için Omik kontaklar (adım 1.4). Şekil 1A-D mikroimalat sürecinin temel adımları göstermektedir. Şekil 1E mikrofabrikasyon sonra alt tabaka alanının mikroskobik görüntü gösterir. Bu aşamada litografi için minimum özellik boyutu yaklaşık 4 mm.

SiOAşama 1.1 yetiştirilen 2 oksit katmanı olarak 100 nm arasında nominal bir kalınlığa sahip bir pasifleştirme tabakası olarak kullanılır. ohmik iletkenler olarak hareket n-tipi bölgeler fosfor difüzyon yoluyla elde edilir. 10 ²⁰ cm ^-3 - Hedef doping yoğunluğu yaklaşık 10 ¹⁹ olduğunu. seçici kapısı dielektrik olarak kullanılmak üzere yetiştirilir, yüksek kaliteli _SiO2 5 nm'lik bir nominal bir kalınlığa sahiptir. Hedef arayüzü kusur yoğunluğu ^<10 10 eV ^-1 cm ^-2 orta boşluğu yer almaktadır. Bir özel ve bilerek yapılmış üçlü duvar fırın bu işlem için kullanılır. Bu sistem, ağır metal iyonları ve mobil alkali iyonlarından kirlenmeyi en aza indirmek ve aynı zamanda oksidasyon odasının içine difüzyon nem girmesini önlemek için tasarlanmıştır. Elektrik temas oluşturmak üzere, alüminyum yastıkları n-tipi bölümlerinin bir kısmını elektron ışınlı buharlaştırma yoluyla bırakılır.

nanofabrikasyon süreci (alt bölüm 2 bakınız) çip substr gerçekleştirilir1. adımda amaç işlenen gofret dicing elde edilen ates elektrostatik MOS QDS tanımlamak için kullanılan nano-ölçekli kapısı elektrotlar gerçekleştirmektir. Her nanofabrikasyon çalıştırmak genellikle 10-15 tam cihaz örnekleri üretir. Tarama elektron mikroskobu toplu iş başına 1-2 cihazların (SEM) görüntüleme genellikle EBL litografi aşamaları başarılı olmuştur teyit etmek için yapılır. SEM görüntüleme alt tabakada veya metalik kapılarında ücretleri enjekte ve kaçakların neden olabilir beri kalan elektriksel test edilirken, cihaz sadece az sayıda bu şekilde kontrol edilir. Bu aşamada litografi için asgari özellik boyutu yaklaşık 35 nm. Alt-tabaka bir döner sahne üzerine monte edilir ise tevdi Al filmlerin muntazamlık elde edilmesi için, metal, ikinci az angstrom / kadar düşük hızlarda buharlaştırılır. Bu, oda sıcaklığında muhafaza edilir, ve El tane boyutu, yaklaşık 20 nm arasında olduğu tahmin edilmektedir. Şekil 2A, nanofabricatio ana adımları göstermektedirn, işlemi. Şekil 2B geçit elektrotları doğru tanımı doğrulanır hangi bir SEM görüntüsünü gösterir. Genel olarak, bir mümkün olan en küçük özellik boyutu ile doğrudan QD tanımlamak o kapıları (BL, BR ve PL) gerçekleştirmeyi amaçlamaktadır. Buna karşılık, elektron rezervuarları (DL ve SL) tanımlamak için kullanılan kapılar açar enerji seviyelerinin kasıtsız ayrıştırmayı önlemek için daha geniş boyutlara sahip olabilir. Aşama 2.3'te gerçekleştirilen nano-ölçekli Ti / Pt belirteçler kapılarının üç tabakadan tutarlı bir hizalama için referans olarak kullanılmaktadır. Platin e-kiriş _SiO2 yüzeyine göre mükemmel kontrast için seçilir. Titanyum yapışmasını geliştirmek için kullanılır.

Imalat sürecinin tüm aşamalarında, karbon-fiber uçlu cımbız yıkıcı elektrostatik boşalma (ESD) olasılığını azaltmak için, cips işlemek için kullanılır.

Son olarak, sırayla Indivi elektrik ölçümleri gerçekleştirmek içinÇift cihaz, her bir fiş ile yaklaşık 2 x 2 mm ² (alt-bölüm 3) daha küçük parçalara bölünen gerekmektedir. Her parça o halde pimleri Al teller aracılığıyla cihaz elektrotlara bağlı bir ısmarlama PCB (Rogers R03010 düşük kayıplı dielektrik) yapıştırılır. Tel bağlama fiş ısıtmadan bir kama Bonder makinesi ile gerçekleştirilir. Uygun bağlama parametrelerinin seçimini iki dayanmaktadır. Bir yandan, tel bağ termal Al _y O _x tabakası perfore ve kapı ped ile iyi metal-metal teması yapmak gerekiyor. Öte yandan, aşırı mekanik stres zarar veren kapısı ve neden substrat kaçaklarının altında alan oksit bir yumruk-çukur olayı neden olabilir. Kablo işlemi sırasında, bir antistatik bilezik kullanımı ESD önlemek için önerilir. Şekil 3'te, 6 ayrı cihazlarla bir çip PCB üzerine yapıştırılır.

Cihaz bütünlüğü testleri

BeforBöyle bir seyreltme buzdolabı gibi bir mK sıcaklık ölçümü platformu haline bir cihaz yükleme e, ön elektrikli testler numunenin bütünlüğünü (Protokolün alt bölüm 4'e bakınız) kontrol etmek için 4.2 K gerçekleştirilir. Bu amaçla, PCB, bir oksijen-bakır muhafazanın içine yerleştirilir ve en sonunda sıvı He batırılmış olan bir daldırma mili üzerine monte edilmiştir.

ilk test genellikle her kapının üzerinde sırayla gerçekleştirilen bir sızıntı testidir. Diğer topraklı ise bir kaynak ölçü birimi tek bir kapı elektroduna bağlanır. Voltaj 1.5 V hızlandırıldığını ve akım kaynağı ile ölçülür. Bu gerilim aralığında, düzgün çalışan bir kapı SiO ₂ kat silikon substrat metal yalıtır ve Al _y O _x örtüşen kapıları yalıtır, çünkü yapılması gerekiyordu değildir. Tipik olarak, oksit arıza cihaz geometri ve oksit thic bağlı gerilimler için ~ 4 V daha büyük oluştuğu bilinmektedirkness. Mevcut test sırasında tespit edilir, bu nedenle, bu oksit katmanların en az bir hasarlı olasıdır ve cihaz atılmalıdır. Genellikle, kapıların% 10'dan az kaçaklarını gösterir. Verim kapı elektrotlarının yüzey genleşmesi etkilendiği bilinmektedir. Özellikle, kapı-to-substrat kaçaklarının sahip olacak daha büyük olasılıkla kapı oksit bölge ile kapıları büyük örtüşme. Benzer şekilde, farklı katmanlardan kapıları kapı için kapıya sızıntılarının daha muhtemel olay arasında büyük örtüşme olacak. alıntı verim ince oksit yaklaşık 50 mikron ² lik bir alanı işgal kapılar hakkında ve ara katman ile yaklaşık 0,5 mikron ² örtüşür.

Cihaz ilk kaçak testini geçtikten sonra, kaynak ve boşaltma rehber amplifikatöre bir de kilit-ve modüler bir kontrol gerilim akü rafa kapıları bağlanır. Bu konfigürasyonda, cihaz o açıldığındaküresel aynı anda tüm kapı gerilimlerini Ramping ile n. Akımı çimdik bireysel kapıları yeteneğini doğrulamak için yüksek voltajlı diğerlerini tutarak Sonra, her kapı gerilimi ayrı düşürülür. Şekil 4A bu ölçümlerin temsilcisi izlerini gösterir. Bir kaynak tahliye iletim yolunun veya bireysel kapı tutam-off ya yokluğu genellikle kapı patlama veya metal devamsızlık olarak kapı hasarı bazı tip bir göstergesidir.

Son olarak, kaynak boşaltma akımı Coulomb blokajı ¹⁶ (bakınız Şekil 4B) imzasını gözlemlemek için, kaynak tüketen önyargı ve piston kapı voltajının bir fonksiyonu olarak ölçülür.

Ölçümler

Uygun bir cihaz bulunduğunda, sıvı O kabından çıkarıldı ve ESD neden olabilir nem oluşmasını önlemek için, bir sıcak hava tabancası ile kurutulmuştur. Son olarak, bir seyreltme buzdolabı aktarılır.

deneyler yaklaşık 100 mK bir taban sıcaklığı ile kendinden yapılmış plastik seyreltme buzdolabında gerçekleştirilir. kriyostat 4.2 K helyum banyosu içine batırılmış bir vakum odasına sahiptir. elektrik hatları da gelen 3He buharını yoğunlaştırmak için kullanılır 1 K pot thermalized edilir. Karıştırma odası içinde, 3 He-inceltilmiş fazına 3 He açısından zengin fazdan 3 He atomlu bir endotermik aktarım sistemi 100 mK bir taban sıcaklığına ulaşmasını sağlar.

Şekil 5'te gösterildiği gibi, bir buzdolabı 20 akım hatları ve düşük sıcaklıkta cihaza oda sıcaklığı elektronik bağlamak için kullanılan 3 RF hatları ile donatılmıştır. DC hatlarının Beş Thermocoax kabloları ve 15 çift tezgah telleri bükülür. Bu satırlar pille çalışan DC gerilim kaynaklarına örnek kapısı elektrotlar bağlanır. Oda sıcaklığında Gerilim bölücüler bireysel kapıları elektrik gürültüyü azaltmak için kullanılır. RF hatları semirigid koaksiyel kablolar vardır oda sıcaklığında bloke termal gürültü ve dc azaltmak için 4 K 10 dB zayıflatılmış. Bu satırlar PCB üzerindeki önyargı tee eşdüzlemsel dalga kılavuzları bağlanır.

Bir düşük-ses yükselticisi transempedans ve dijital multimetre pompası tarafından üretilen akımı ölçmek için kullanılır. Elektronik toprak döngülerinden oluşumunu önlemek için pilli optoizolatörler üzerinden cihaza bağlanır. RF sürücü sinyalleri olan topraklama DC bloğu bileşeni aracılığıyla kriyostat birinden izole edilmiş bir rasgele dalga biçimi üreteci tarafından üretilir (bakınız Şekil 5).

PCB 16 saf DC hatları ve düşük sıcaklıkta DC ve AC gerilimleri birleştirmek için kullanılan 4 önyargı tee satırları içerir. Şekil 3B'de gösterildiği gibi, RC ayrı ayrı bileşenler Te bağlantı (R = 100 kH, C = 10 NF) gerçekleştirmek için kullanılır ve 50 yüksek frekanslı sinyallerin yayılması için kullanılan entegre düzlemli dalga kılavuzlarının Ω-eşleşti.

e_content "> cihazı mK sıcaklıkta olduğunda, kapı voltajı QD tek elektron doluluk elde edilir, böylece. Özellikle, tünel engeller kapılar BL ve br altında meydana gelir; ayarlanır, ve bir elektron birikimi tabakası kapıları altında uyarılır birikim kapıları ile polarize ise PL, SL ve DL. Bu amaçla, bariyer kapı gerilimleri, kendi turn-on değerlerin altında ayarlanır daha-daha-turn-on gerilimle. Bir QD kapısı PL altında oluşturulan bu şekilde ve düzlemsel uzantısı Sonraki, rf sinyalleri periyodik tünel bariyer (ler) şeffaflığını modüle açılır. olan gerilimler elektrostatik tutulmasını ikna etmek için onların turn-on değerlerin altında tutulur kapıları C1 ve C2 üzerinden kontrol ve elektrokimyasal olduğu nokta potansiyel. Tek Elektron pompalama ya da bir ya da iki tahrik sinüzoidal voltaj ile elde edilir. Bir sinyal sürücü durumunda, tahrik sinyali sol-taraf tünel bariyer potansiyelini modüle kapısı BL uygulanır bir -yanQD. İki sinyal sürücü durumunda, AC uyarılmaları aynı frekansta fakat farklı aşamaları ve genlikleri sol bariyer ve QD hem potansiyellerini modüle kapıları BL ve PL uygulanır. Özgürlük Bu ek derece bir elektron transferi ¹³ yönünü kontrol etmek için izin verir. Tekrarlanan bir süreç genellikle nağme ana deneysel parametreler (yani rf sürücü sinyal genlikleri / fazlar ve DC kapı gerilimleri) ve optimal akım nicemlemeyi elde etmek için gereklidir. İki pompalama protokolleri ne ücret transferleri gerçekleştirmek için bir drenaj kaynak önyargı gerektiğini unutmayın. Bu nedenle, kaynak ve boşaltma elektrotları pompa çalışması sırasında temel alır. Şekil 6 göstermektedir giriş engeli (BL) ve piston (PL) Kapıya iki sinyal sinüsoidal sürücü uygulanmasıyla elde edilen ef tamsayı katları karakteristik akım platolar. Bu veriler, t, nispeten düşük bir tahrik frekansında (10 MHz) ile alınır Parametrelerin uning hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir. Uygulamada, tipik haliyle, bir çok ince bir parametre optimizasyonu ¹³ gerektiren MHz birkaç yüz de pompayı çalıştırmak için arzu edilen bir durumdur.

Mikrofabrikasyon ana adımların Şekil 1. Mikro ve. (A) şematik gösterimi. Karikatürler ölçekli çizilmiş değildir. Omik kontaklar için katkılı bölgenin (B) Gerçekleşme. (C) kapı oksit gerçekleştirilmesi. Omik kontak (D) Metalizasyon. Mikroimalat işleminden sonra bir çip üzerinde bağımsız bir alan (E) Mikroskobik resim tamamlanır. Alan büyüklüğü 1.2 x 1.2 mm ^{2 'dir.} Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

hep ">:" keep-together.within-page = fo "çadır
Bireysel kapı katmanları için Şekil 2. nanofabrikasyon. (A) Fabrikasyon işlem. Karikatürler ölçekli çizilmiş değildir. (B) şarj pompalama deneyleri için kullanılan 3 katmanlı kapı nanoyapı. Sol: ölçümler için kullanılan benzer bir cihazın SEM görüntüsü. Sağ:. X-cut ve Y-kesim boyunca cihazın şematik kesit görünümleri bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil örnek 3. Elektrik bağlantıları. Baskılı devre kartı (A) Düzen. (B) (solda) bir önyargı-tişört ile PCB bir bölgenin Büyütme bird eşdeğer devre (sağda). PCB elektrik bağlantısı için çip tutucu ve tahvil teller üzerinde yapıştırılmış 6 ayrı alanlarla (C) bir çip. (D) nano fabrikasyon sonra tek bir alanın mikroskopik görüntüsü. Kapı oksit bölgenin merkezinde kapı düzeni (E) SEM görüntüsü. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4. Ön testler. (A) Kaynak tüketen ac akım, farklı kapı gerilimlerinin bir fonksiyonu olarak (kök kare ortalama). İzler 113.17 Hz 50 mV _RMS uyarma ile bir kilit-amplifikatör ile ölçülür. Bireysel geçit gerilimi için kalan kapı gerilimler V _C1 = V _C2 = piston geçit gerilimi ve kaynak tüketen önyargı gerilim. V _SL bir fonksiyonu = 1,5 V, V _DL = 1.15 V, V _BL = 0.78 V gibi kaynak tüketen akımının 0.0 V. (B) Renk harita, V _BR = 0.85 V, V _C1 = V _C2 = 0.0 V , bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Ölçüm Şekil 5. şematik set-up. Yirmi DC hatları (yeşil) ve üç eksenli rf hatları (siyah) PCB RT elektronik bağlayın. Kaynak kontak (kırmızı) topraklanmış durumdayken pompası (mor) boşaltım bir transempedans amplifikatör ve optoizolatör üzerinden bir dijital multimetre bağlanır. Ayrı toprak bağlantıları (iFarklı semboller ile ndicated) elektronik enstrümantasyon ve kriyostat elektrik hatları için kullanılır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6. Akım niceleme. Kapılar BL ve PL uygulanan f = 10 MHz'de iki sinyal sinüsoidal sürücü için V _PL bir fonksiyonu olarak akım Pompaj. Faz farkı = 49 °, V ^RF _PL = V ^RF _BL = 0.31 V _ss. ef katlarında pompalama yaylara ideal konumu kırmızı yatay çizgiler olarak gösterilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Tartışma

Bu yazıda bildirilen protokol işlevsel bütünlüğünü sınamak ve tek elektron pompaları olarak çalıştırmak için silikon MOS QDS yanı sıra deneysel prosedürleri imal teknikleri anlatılmaktadır. Dikkate değer olarak, kapak tasarımı uyarlayarak, aynı üretim süreci ^12,13 pompalama kuantum biti okuma ve kontrol ¹⁷ için uygun cihazlar, daha iyi bir yük üretmek için de kullanılabilir. Biz bu makalede alıntı proses parametrelerinin birçok kullanılan fabrikasyon araçları bağlı olarak değişebilir unutmayın (kalibrasyon, marka veya model) yanı sıra, silikon substrat (kalınlık ve arka plan doping yoğunluğu) türüne. Böyle litografi poz doz veya geliştirme süresi, aşındırma ya da oksidasyon süresi gibi miktarları, dikkatle kalibre ve güvenilir bir verim sağlamak için test edilmelidir. Ayrıca, farklı süreçler için aynı fabrikasyon araçları kullanımından kaynaklanan çapraz bulaşmayı önlemek için çok önemlidir. Cr Bu amaçla, bir takımitical adımlar metal buharlaştırıcılar, oksijen fırınları ve HF banyoları olarak sadece silikon işleme adanmış ekipman ile yürütülmektedir.

Daha genel olarak, silikon şarj pompaları ^18-20 gerçekleştirmek için seçim malzemesi olarak giderek artan bir ilgi çekiyor. Bu bir endüstri uyumlu silikon süreci kullanarak yeni bir kuantum tabanlı elektrik akımı standardın uygulanması çekici bir bakış açısı nedeni kısmen. Bu ölçeklenebilirlik, paralelleştirme ve sürüş yükü için köklü ve güvenilir entegrasyon teknikleri yararlanacak. Önemli bir şekilde, kapak malzemesi olarak, geleneksel metal içermeyen tam tamamlayıcı MOS (CMOS) teknolojisi, tek elektron cihazları ²¹ büyük ölçüde azaltılmış arka yük dalgalanmaları göstermiştir. Bu tür dalgalanmalar metroloji doğrulukları ulaşmada zararlı olabilir.

Burada tartışılan protokol metal kapıları ile MOS nano cihazların gerçekleştirilmesi ile sınırlıdır. Bu nedenle, achie içinTam endüstriyel uyumluluk ettik ve şarj dalgalanmaları azaltmak, bu kapı biriktirme teknikleri değiştirebilir ve kapı malzemesi olarak yüksek katkılı polikristal silikon kullanmak için gerekli olacaktır.

Sonuç olarak, burada tartışılan MOS QD pompaları son zamanlarda doğru şimdiki nesil ¹³ açısından çok iyi bir performans ile silikon teknolojik avantaj birleştirdik. Bu bir kompakt ve çok yönlü sisteme giden birden kapı katmanları yığını için izin tasarım ve üretim sürecinin yüksek esneklik kaynaklanmaktadır. Arka plan şarj dalgalanmalarını azaltmak için potansiyeli ile birlikte noktanın elektrostatik hapsi çıkan ince ayarlanabilirliği diğer yarı iletken gözlenen başlıca zorluklar ^22,23 pompaları aşmak için hazırlıyor.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Silikon gofretler	TOPSIL		4 inç
Elektron ışını litografi makinesi	Raith gmbh		Raith 150two
E-ışın direnci	MicroChem gmbh		PMMA
Photoresist	MicroChem gmbh		nLOF2020
Maske hizalayıcı	Quintel		Q6000
Photoresist geliştirici	MicroChem gmbh		AZ826MIF