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

Aşağıdaki deneyin genel amacı, silikon bazlı metal oksit yarı iletken kuantum noktaları üretmek ve bunları tek elektron pompaları olarak çalıştırmaktır. Bu, silikon nano transistörlerin, kuantum noktaları içinde hapsedilmiş tek tek elektronları elektrostatik olarak kontrol etmesine ve aktarım hızlarını manipüle etmesine izin veren çok katmanlı bir yürüyüş tekniği ile üretilmesiyle elde edilir. İkinci adım olarak.

Üretilen cihazlar, yapısal bütünlüklerini kontrol etmek için sıvı helyum sıcaklığında test edilir. Mevcut voltaj özelliklerinde blokajda soğumanın gözlemlenmesi, tatmin edici cihaz işlevlerini gösterir. Sonuçlar, bir kuantum noktasının bir Malik Kelvin ölçüm platformunda tek bir elektron pompası olarak çalıştırılabileceğini göstermektedir.

Giriş bariyerinin şeffaflığı bir AC sinyali ile sürüldüğünde. Bu, imza niteliğindeki mevcut platoların ortaya çıkmasıyla kanıtlanmaktadır. Silikon Nanoelektronik, hepimizin içinde yaşadığı bilgi çağının merkezinde

Dikkat çekici bir şekilde silikon, kuantum hesaplama ve kuantum elektriksel metrolojisi gibi kuantum tabanlı uygulamalar için de mükemmel bir ana malzemedir. UNSW'de, geleneksel transistörleri kuantum cihazlarına dönüştürecek teknolojiyi geliştirdik. Elektronları sadece birkaç on nanometre büyüklüğündeki silikonda küçük bir bölgede sınırlayabiliriz.

Bu, insanların kuantum noktası dediği bir şey. Kaynak kablosundan bir elektronu hassas bir şekilde yakalamak ve onu boşaltma kablosuna itmek için bu tür kuantum noktaları kullanıyoruz ve bu işlemi son derece hızlı bir şekilde tekrarlamak, gelecekte dünyadaki en doğru elektrik akımını üretmek için kullanılacak. Elektriksel metrolojide uzun süredir devam eden bir hedef, elektrik akımı DM çiftinin biriminin, değerini elektron yükü gibi gerçek bir doğa sabitine bağlayarak yeniden tanımlanmasıdır.

Sunulan teknikler, bu bağlantıyı uygulamak için silikon kuantum cihazlarının nasıl üretileceğini ve çalıştırılacağını açıklamaktadır. Bu çalışmada kullanılan nano ölçekli cihazlar, endüstriyel CMO süreçleriyle büyük ölçüde uyumlu bir protokol kullanılarak üretilmektedir. Bununla birlikte, standart CMO cihazlarından farklı olarak, tek tek elektronları uzamsal olarak sınırlamaya izin veren metalik bir kapı yığını ekliyoruz.

Protokolümüz, kuantum nokta tabanlı tek elektron pompasının nasıl test edileceğini ve çalıştırılacağını gösterir. Başarısının temel bileşeni, noktanın elektrostatik potansiyelinin yanı sıra tünel bariyerlerinin şeffaflığı üzerinde kontrol bulmaktır. Çoklu RF sinyalleri tipik olarak tek elektronların tdot'tan ve tdot'a transferini sağlamak için kullanılır.

Çok katmanlı kapılı cihazlarımızın metal cihazlar veya üç beş yarı iletken gibi alternatif uygulamalara göre en büyük avantajı, noktanın elektrostatik hapsi üzerinde mükemmel bir kontrol elde etmemizdir. Bu, pompalama mekanizmasındaki hataları bastırmanın anahtarı olmuştur. Silikon gofret üzerinde bir alan oksit tabakası oluşturmak için, 900 santigrat derecede bir oksidasyon fırını bulundurun.

Düzgün temizlenmiş iki inçlik bir silikon gofret ile başlayın. Gofretleri fırına yerleştirin ve oksidasyon adımlarına başlayın. Oksidasyon adımları yaklaşık bir buçuk saat sürer.

İşiniz bittiğinde, omik kontakları oluşturmaya başlamak için gofret üzerine bir HDMS tabakası bırakmaya hazırlanın. Bunu yapmak için, gofreti bir dakika boyunca 110 santigrat derecede sıcak bir tabağa koyun. Ayrıca, bir cam gagaya yaklaşık 50 mililitre HDMS dökün.

Her ikisi de hazır olduğunda, gofret üzerine birkaç nanometre kalınlığında HDMS tabakası bırakmak için gofret ve kabı bir vakum odasına yerleştirin. Gofret'i vakum odasından çıkardıktan sonra, bir döndürme kodlayıcıya taşıyın. Orada. Gofretin hem arkasında hem de önünde iki ila dört mikrometrelik bir fotorezist tabakası döndürün.

Gofret'i sıkma yetkisinden bir maske hizalayıcıya hareket ettirerek devam edin. Gofret'i yerleştirin ve bu işlem için temas noktalarını desenlemek için maskeyi ayarlayın. Bu omik temas modelini gofrete aktarmak için ultraviyole ışık kullanın.

Desen yaptıktan sonra gofreti sıcak bir tabağa alın. Gofretleri piştikten sonra bir dakika boyunca 110 derecede pişirin. Gofret'i bir ila iki dakika geliştirin ve bir plazma aşındırıcıya götürmeden önce deiyonize suda durulayın.

340'ta 20 dakika boyunca bir oksijen plazması aşındırma işlemi gerçekleştirin. 50 watt olay gücüne ve bir watt'tan daha az yansıyan güce sahip Millitorr. Plazma aşındırmasından sonra, 30 santigrat derecede 15'e bir tamponlu hidroflorik asit çözeltisi hazırlayın.

30 santigrat derecede dakikada 20 nanometrelik bir kenar hızı varsayarak oksidi dört ila beş dakika aşındırın. Bittiğinde, gofreti deiyonize suda durulayın Beş dakika boyunca, devam etmeden önce gofretleri kuru nitrojen ile kurutun. Daha sonra, hazır aseton ve izopropanol kaplarına sahip olun.

Gofret'i beş dakika boyunca asetona batırarak fotorezisti çıkarın. Bunu, izopropanol içinde beş dakika daha durulayarak takip edin. Kuru gofretleri fosfor kaynağı ile donatılmış 1000 santigrat derece sıcaklıktaki bir fırına taşıyın.

İstenilen doping yoğunluğuna bağlı olarak gofretleri nitrojen gazı akışı ile 30 ila 45 dakika içine yerleştirin. Gofret'i geri kazandıktan sonra, kontamine oksit tabakasını çıkarmaya hazırlanın. Suyla seyreltilmiş bir hidroflorik asit kabı ve her biri gofreti daldırmak için yeterli miktarda deiyonize su kabı hazırlayın.

Gofretleri üç ila dört dakika aside batırın ve ardından 10 dakika suda durulayın. Gofretleri orada 900 derecede tutulan oksidasyon fırınına geri koyun. Oksidasyondan yaklaşık bir buçuk saat sonra oksidasyon adımlarından geçin.

Bir sonraki adım, gofret üzerinde birkaç nanometre kalınlığında HDMS tabakası olan yürüyüş oksit tortusunu oluşturmaktır. Ardından, gofretin her iki tarafında iki ila dört mikrometre fotorezist olan bir spin kodlayıcı spin kaplamasına geçin. Bir kez daha, gofreti oradaki maske hizalayıcıya götürün.

Gerekli deseni aktarmak için gofreti ultraviyole ışığa maruz bırakın. Gofret geliştirildikten sonra, 340 militorr'da 20 dakika boyunca bir oksijen plazması aşındırıcısına yerleştirin. Bunu, 30 santigrat derecede 15 ila bir tamponlu hidroflorik asit çözeltisinde aşındırma ile takip edin.

Gofret'i üç ila dört dakika solüsyona koyun, ardından gofretleri deiyonize suda beş dakika durulayın. Gofretleri kuruttuktan sonra beş dakika asetona batırın. Fotorezisti çıkarmak için, gofreti izopropanol içinde beş dakika durulayın.

Gofretleri nitrojen gazı içinde kuruttuktan sonra, özel bir 800 santigrat derece fırına götürün ve oksidasyon adımlarının içine yerleştirin. İstenilen oksit kalınlığına bağlı olarak bir saat ila bir saat 15 dakika sürebilir. Yürüyüş deseninden önce, gofret, kaynak ve drenaj kontaklarının metalizasyonuna tabi tutulmalı ve ayrı talaşlara bölünmelidir.

Bu 10 milimetreye iki milimetrelik çipler ayrıca elektron ışını litografisi desenlemesi için hizalama işaretleri ile desenlenmiştir: alüminyum kapılar üç geçiş alır ve spin kaplama ile başlar. Her geçiş için, polimetil metakrilatı 150 ila 200 nanometre kalınlığa kadar dört direnç döndürün. Kaplamadan sonra, çipi 180 santigrat derecede sıcak bir plakaya aktarın.

Devam etmeden önce çipi 90 saniye pişirin. Şimdi çipi bir elektron ışını litografına taşıyın. Litografi sırasında, yüksek ve düşük çözünürlük için farklı parametreler kullanın.

Bu, yürüyüş düzeninin modelidir. Bu deneyde, izobütil, keton ve izopropanol çözeltisi ile direnci geliştirin. Bir ila üç oranında, çipi 40 ila 60 saniye boyunca çözeltiye daldırın.

Çipi izopropanol içinde 20 saniye durulayın ve nitrojen ile kurutun. Ardından, çipi bir termal buharlaştırıcıya götürün. İlk geçiş için alüminyumu buharlaştırmaya hazırlanın.

Alüminyumu saniyede 0,1 ila 0,4 nanometre hızla 25 ila 35 nanometre hedef kalınlığa kadar buharlaştırın. Buharlaşma işleminden sonra metali kaldırmaya devam edin, 80 santigrat derecede sıcak bir plaka üzerinde bir etil iki paron kabı hazırlayın ve çipi bir saat bekletin. Ardından, çipi izopropanol içinde iki dakika durulayın.

150 santigrat derecede sıcak bir plaka üzerinde alüminyum oksidasyonu gerçekleştirin. Kuru çipi beş ila 10 dakika boyunca sıcak plakaya yerleştirin. Çipi temizleyerek ilk geçişi tamamlayın, 30 saniye boyunca 7.500 RPM'de aseton ve izopropanol kullanarak sıkın.

Bu şema, ilk geçişte ne yapıldığına dair bir genel bakış sağlar. İkinci bir geçiş sırasında, 45 ila 65 nanometrelik bir alüminyum tabakasını buharlaştırın. Üçüncü geçişte, üç katmanlı kapı yığınını gerçekleştirmek için 75 ila 90 nanometrelik bir alüminyum katmanını buharlaştırın.

Bütünlük testlerinin yapılabilmesi için, bir çipin bir baskılı devre kartına düzgün bir şekilde monte edilmesi, bir çip monte edilmesi ve bununla baskılı devre arasında elektrik bağlantıları yapılması gerekmektedir. Sonraki, baskılı devre kartını bir daldırma probu üzerine monte edin. Cihaz kapılarına elektrik bağlantısına izin vermek için probu bağlayın.

Prob hazır olduğunda, sıvı helyum içeren bir kap alın ve aşırı helyum kaynamasını önlemek için probu yavaşça daldırın. Bu şema, sızıntı testi için bağlantıları göstermektedir. Oda sıcaklığındaki elektrotları kullanarak, bir kaynak ölçüm ünitesine bağlı olan hariç tüm kapıları topraklayın.

Kaynağı süpürün: akımı ölçmek ve kaydetmek için birim voltajı sıfırdan 1,5 volta 0,1 voltluk adımlarla ölçün. Akım tespit edilmezse, cihaz kaçak testinden geçer. Bir sonraki test için, her kapıyı değişken bir DC voltaj kaynağına bağlayın.

Kaynak hattını bir kilitli amplifikatörün giriş bağlantı noktasına bağlayın. Ayrıca tahliye hattını yerleşik AC hacmine bağlayın.tage kilitli amplifikatörün kaynağı. C bir ve C iki'yi topraklı tutarken BL, br, pl, sl ve DL'ye uygulanan kapı voltajlarını aynı anda artırarak açılma özelliklerini ölçün.

Cihazı açma özelliklerini kaydedin. Bu, bu ölçüm için örnek bir izdir. Ardından, bu ölçüm BL'sinin düşürüldüğü sıkışma özelliklerini kaydetmek için her bir geçit voltajını ayrı ayrı azaltın.

Burada, arsadaki açma ve kıstırma özellikleri için temsili sonuçlarımız. RMS kaynak boşaltma AC akımı, kapı voltajının bir fonksiyonu olarak verilir. Kapılar şematik olarak etiketlenmiştir.

Kaynak ve boşaltma kontakları, yaklaşık 113 hertz'de 50 mikrovolt RMS uyarımına sahip bir kilitleme amplifikatörüne bağlanır ve kapılar, modüler kontrol edilebilir bir voltaj pil rafına bağlanır. C bir ve C iki kapısı sıfır voltta, diğerleri ise iki voltta tutulur. Bu, kaynak boşaltma yanlılığının ve piston kapısı voltajının bir fonksiyonu olarak bir renk spektrumunda temsil edilen kaynak boşaltma akımının temsili bir ölçümüdür.

Piston kapısının altında bir kuantum oluştuğunda, ulam ablukasının karakteristik imzasını açıkça ortaya koymaktadır. Tek elektron pompalama, bir cihaz yüksek frekanslı elektrik hatları ile donatılmış bir milikelvin sıcaklık ölçüm platformunda çalıştırıldığında elde edilebilir.

Bu deneyde, cihaz, giriş bariyerinde ve piston kapısında iki sinyalli 10 megahertz sinüzoidal sürücü ile sürülür. Elektron yükünün ve frekansın tamsayı katlarındaki karakteristik akım platoları, nicelikselleştirilmiş yük transferlerinin imzasıdır. Bu protokoldeki proses parametreleri kurslarının çoğu, kullanılan üretim araçlarına ve silikon alt tabakanın tipine bağlı olarak değişebilir.

Güvenilir bir verim sağlamak için litografi, maruz kalma dozu veya geliştirme süresi, aşındırma veya oksidasyon süresi gibi miktarların dikkatli bir şekilde kalibre edilmesi ve test edilmesi gerekir. Üretim süreci akışı sırasında, farklı süreçler için üretim ekipmanı arasında çapraz kontaminasyonu önlemek çok önemlidir. Bunu önlemek için, metal buharlaştırıcılar, oksidasyon fırınları ve HF banyoları gibi yalnızca silikon işlemeye adanmış bir dizi aletimiz var.

Akım nicelemesi için gösterilen sonuçlar, deneysel parametrelerin ayarlanmasının hızlı bir şekilde gerçekleştirilebildiği 10 megahertz'lik nispeten uzun bir sürüş frekansında alınır. Uygulamada, pompanın birkaç yüz megahertz'de çalıştırılması arzu edilir. Bunun genellikle çok daha ince ve daha fazla zaman alan bir parametre optimizasyonu gerektirdiğini belirtmek önemlidir.

Üretim sürecini ve bu videoda açıklanan ölçüm tekniklerini takiben, silikon bazlı sistemler arasında rekor doğruluk seviyelerine sahip mikroskobik bir elektrik akımı üretebildik. Bu, yalnızca kuantum mekaniksel ilkelere dayalı olarak, akım biriminin gelecekte yeniden tanımlanması için muazzam vaatler ortaya koyuyor. Nabız. Şu anda cihazlarımızdaki normal metal kapıları polikristal silikon ile değiştirmeyi düşünüyoruz.

Bu muhtemelen şu anda gözlemlediğimiz arka plan şarj gürültüsünü bastırır. Amacımız, elektron pompasının stabilitesini ve doğruluğunu arttırmaktır. Daha sonra yeni bir dünya mevcut standardının aşırı meteorolojik gereksinimlerini karşılayacağız.

Bu videoda sunduğumuz teknikler, kuantum cihazları için silikon bazlı nano teknolojinin büyük potansiyelini göstermektedir. Silikon, şarj pompalama için tercih edilen malzeme olarak giderek daha fazla ilgi görüyor ve bunun nedeni, sistem ölçeklenebilirliği için erken mevcut olan çok iyi kurulmuş entegrasyon tekniklerinden yararlanacak olan endüstri uyumlu silikon süreçlerini kullanarak yeni bir mevcut standardın uygulanmasının cazibesidir.