Name: Tek elektron pompalayabilme için Silikon Metal-oksit-yarıiletken Kuantum Noktaları (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 58 s
Description: Keşfedin silikon metal-oksit-yarıiletken kuantum noktalarının tek elektron pompalama için üretimini ve karakterizasyonunu. Çok katmanlı kapı tekniği ile kuantum cihazların elektrostatik kontrolünü öğrenin.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Biz yararlı tartışmalar için KY Tan, P. See ve GC Tettamanzi teşekkür ederiz. Biz cihaz imalatı için Avustralya Ulusal Fabrikasyon Tesisi mali Avustralya Araştırma Konseyi (Hibe No DP120104710), Finlandiya Akademisi (Hibe No: 251748, 135794, 272806) destek ve destek için minnettarım. AR University of New South Wales Erken Kariyer Araştırmacı Grant düzeni mali destek kabul eder. MICRONOVA nanofabrikasyon Merkezi&#39;nde Aalto Üniversitesi tarafından tesisleri ve teknik destek sağlanması da kabul edilmektedir.

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&#39;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 <ol><li> Saha Oksit <ol><li> 100 ° C &#39;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. </li><li> 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). </li></ol></li><li> Ohmic İletişim <ol><li> Fotolitografi ve aşındırma oksit yürütmek. <ol><li> Aşağıdaki gibi gofret yüzeyine yapışma promoteri heksametildisilazan (HMDS) içindeki bir kaç-nm-kalınlıkta bir tabaka yatırın: Önceden fırında bir sıcak plaka üzerinde 110 ° C&#39;de 1 dakika süre ile, bir cam beher içinde HMDS&#39;nin ~ 50 ml dökün, beher yer ve vakum odası gofret, tahliye ve 2 dakika boyunca bekleyin. </li><li> (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. </li><li> (Kalınlığı direnmeye göre 4-10 saniye boyunca 10 mW / cm 2) maske hizalama ultra-viyole ışık Açığa. 1 dakika boyunca 110 ° C&#39;de bir sıcak plaka üzerinde sonrası fırında. </li><li> Daha sonra iyonu giderilmiş su içinde durulama 1-2 dakika boyunca geliştirilmesi. </li&gt; <li> 20 dakika O 2 plazma etch gerçekleştirin (; olay gücü = 50 W, basınç = 340 mTor yansıyan güç &lt;1 W). </li><li> 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. </li></ol></li><li> Aseton batırılarak ışığa çıkarın. İzopropanol (IPA) &#39;de, daha sonra N2 ile kurutma yıkayın. </li><li> (Istenilen katkılama yoğunluğuna bağlı olarak 30-45 dakika boyunca N2 akımı) fosfor kaynağı ile 1000 ° C de fırın içinde gofret yerleştirin. </li><li> Iyonu giderilmiş su (10 dakika) ile durulayın,: su içinde seyreltildi HF asit (1, 3-4 dakika, 30 ° C &#39;de aşındırma oranını ≈ 40 nm / dak 10) kontamine oksit tabakası çıkarın. </li><li> 1.1.2 olarak okside eder. </li></ol></li><li> Gate Oksit <ol><li> Tekrarlayın 1.2.1 ve 1.2.2 numaralı adımları. </li><li> Aşağıdaki gibi, 800 ° C &#39;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). </li></ol></li><li> Ohmic İletişim Metalizasyon <ol><li> Adımı yineleyin 1.2.1. </li><li> Elektron demeti evaporatörde gofret yerleştirin. 0.2-0.5 nm / saniye ve 5 x 10 -6 Torr&#39;da alüminyum, 100 nm buharlaştırın. </li><li> Metal dışı kaldırmak için 1 saat boyunca 80 ° C&#39;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. </li><li> En az 15 dakika boyunca 400 ° C &#39;de oluşturan gaz içerisinde yeniden. </li></ol></li></ol> 2. nanofabrikasyon <ol><li> Gofret Küp şeklinde kesme <ol><li> Herhangi bir koruyucu kaplama olarak hareket gofret üzerine karşı (polimer ve eğirme parametre türü bu aşamada alakasız) dönerler. </li><li> ~ 10 x 2 mm 2 bireysel çipleri içine gofret kesmek için elmas uç dicer kullanın. </li></ol></li><li>Temizlik <ol><li> 80 ° C&#39;de bir sıcak plaka üzerindeki 1 saat boyunca NMP içinde emmek, daha sonra 2 dakika süre ile IPA içinde durulayın. N2 ile kuru üfleyin. </li><li> 5 dakika boyunca O 2 plazma etch gerçekleştirin (= 50 W olay gücü; yansıyan güç &lt;1 W). </li><li> Aseton ve IPA temiz Spin (7.500 rpm, 30 sn) </li></ol></li><li> Hizalama belirteçleri desenlendirme <ol><li> 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&#39;de bir sıcak plaka üzerinde karşı dirençlidir. </li><li> 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. </li><li> (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. </li><li> Yerelektron demeti evaporatörde yongası. Ti 15 nm ve 0.2-0.4 nm / sn Pt 65 nm ve 5 x 10 -6 Torr&#39;a buharlaşır. </li><li> Adım 1.4.3 deki gibi metal kaldırın. </li><li> Adımlarda 2.2.2-2.2.3 gibi temiz çip. </li></ol></li><li> Kapı desenlendirme <ol><li> Spin 2.3.1 gibi karşı. </li><li> 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 ≈. </li><li> 2.3.3 gibi karşı geliştirin. </li><li> Termal evaporatörde çipi yerleştirin. 0.1-0.4 nm / sn ve 1-9 x 10 -6 mbar&#39;da Al buharlaşır. Şekil 2B&#39;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). </li><li> Adım 1.4.3 deki gibi metal kaldırın. </li><li> 5-10 dakika boyunca 150 ° C&#39;de bir sıcak plaka üzerinde, Al oksidasyonu gerçekleştirmek. </li><li> Adım 2.2.3 olarak temizleyin çip. </li><li> Adımları tekrarlayın kez 3 katmanlı kapı yığını gerçekleştirmek için 2.4.1-2.4.7. </li></ol></li></ol> 3. Cihaz Paketleme <ol><li> Adım 2.1 olarak Zar çip </li><li> 2 dakika boyunca aseton ve IPA içinde elde edilen daha küçük çipler durulayın. </li><li> 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. </li><li> Bir kama Bonder üzerine PCB yükleyin ve kablolama ile devam edin. </li></ol> 4. Cihaz Bütünlük Testleri <ol><li> Bir dip prob üzerine kablolu cihaz içeren PCB monte edin. </li><li> Daldırma prob olanlara PCB elektrik hatları tel. </li><li> Sıvı helyum ihtiva eden bir kap içine sonda yerleştirin. Aşırı helyum b önlemek için yavaş yavaş ilerleyinYağ-off. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Farklı kapı gerilimi konfigürasyonları (bakınız Şekil 4) için iletkenlik boşaltmak için kaynak ölçün. <ol><li> Küresel topraklı C1 ve C2 kapıları tutarak kapıları BL, BR, PL, SL ve DL, uygulanan gerilimleri kadar rampa. &#39;Turn-on&#39; aygıt özelliklerini kaydedin. </li><li> Tek tek her kapı gerilimi aşağı rampa ve Kapıları tutam-off &#39;özelliklerini kaydeder. </li><li> 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. </li></ol></li></ol>

<ol><li>Sze, S. M. Physics of Semiconductor Devices. , Wiley. Interscience, NY. 505-566 (1969).</li>
<li>Moore, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cramming+More+Components+onto+Integrated+Circuits%5BTitle%5D)+AND+%22Electronics%22%5BJournal%5D)">Cramming More Components onto Integrated Circuits.</a> Electronics. 38, 114-117 (1965).</li>
<li>Voisin, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Few-Electron+Edge-State+Quantum+Dots+in+a+Silicon+Nanowire+Field-Effect+Transistor%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Few-Electron Edge-State Quantum Dots in a Silicon Nanowire Field-Effect Transistor.</a> Nano Lett. 14 (4), 2094-2098 (2014).</li>
<li>Asenov, A., Brown, A. R., Davies, J. H., Savas, K., Slavcheva, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simulation+of+Instrinsic+Parameter+Fluctuations+in+Decananometer+and+Nanometer-Scale+MOSFETs%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Electron+Devices%22%5BJournal%5D)">Simulation of Instrinsic Parameter Fluctuations in Decananometer and Nanometer-Scale MOSFETs.</a> IEEE Trans Electron Devices. 50 (9), 1837-1852 (2003).</li>
<li>Zwanenburg, F. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silicon+Quantum+Electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Mod.+Phys%22%5BJournal%5D)">Silicon Quantum Electronics.</a> Rev. Mod. Phys. 85 (3), 961-1019 (2013).</li>
<li>Ladd, T. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+computers%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Quantum computers.</a> Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).</li>
<li>Piquemal, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Genev%C3%A8s%2C+G.+for+a+direct+realization+of+the+quantum+metrological+triangle%5BTitle%5D)+AND+%22Metrologia%22%5BJournal%5D)">Genevès, G. for a direct realization of the quantum metrological triangle.</a> Metrologia. 37 (3), 207-211 (2000).</li>
<li>Angus, S. J., Ferguson, A. J., Dzurak, A. S., Clark, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gate-Defined+Quantum+Dots+in+Intrinsic+Silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Gate-Defined Quantum Dots in Intrinsic Silicon.</a> Nano Lett. 7 (7), 2051-2055 (2007).</li>
<li>Gonzalez-Zalba, M. F., Heiss, D., Podd, G., Ferguson, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+aluminium-gated+single+electron+transistor+on+a+doped+silicon-on-insulator+etched+nanowire%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Tunable aluminium-gated single electron transistor on a doped silicon-on-insulator etched nanowire.</a> Appl. Phys. Lett. 101 (10), 103504-103501 (2014).</li>
<li>Lim, W. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+the+single-electron+regime+in+a+highly+tunable+silicon+quantum+dot%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of the single-electron regime in a highly tunable silicon quantum dot.</a> Appl. Phys. Lett. 95 (24), 242102-242103 (2009).</li>
<li>Yang, C. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spin-valley+lifetimes+in+silicon+quantum+dots+with+tunable+valley+splitting%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Spin-valley lifetimes in silicon quantum dots with tunable valley splitting.</a> Nat. Commun. 4 (2069), (2013).</li>
<li>Chan, K. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-electron+shuttle+based+on+a+silicon+quantum+dot%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Single-electron shuttle based on a silicon quantum dot.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (21), 212103-212101 (2011).</li>
<li>Rossi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+accurate+single-electron+pump+based+on+a+highly+tunable+silicon+quantum+dot%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">An accurate single-electron pump based on a highly tunable silicon quantum dot.</a> Nano Lett. 14 (6), 3405-3411 (2014).</li>
<li>Pekola, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-electron+current+sources%3A+Toward+a+refined+definition+of+the+ampere%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Mod.+Phys%22%5BJournal%5D)">Single-electron current sources: Toward a refined definition of the ampere.</a> Rev. Mod. Phys. 85 (4), 1421-1472 (2013).</li>
<li>Giblin, S. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Towards+a+quantum+representation+of+the+ampere+using+single+electron+pumps%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Towards a quantum representation of the ampere using single electron pumps.</a> Nat. Commun. 3, 930(2012).</li>
<li>Kouwenhoven, L. P., Austing, D. G., Tarucha, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Few-electron+quantum+dots%5BTitle%5D)+AND+%22Rep.+Prog.+Phys%22%5BJournal%5D)">Few-electron quantum dots.</a> Rep. Prog. Phys. 64 (6), 701-736 (2001).</li>
<li>Veldhorst, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+addressable+quantum+dot+qubit+with+fault-tolerant+control+fidelity%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Nanotech%22%5BJournal%5D)">An addressable quantum dot qubit with fault-tolerant control fidelity.</a> Nat. Nanotech. 9 (12), 981-985 (2014).</li>
<li>Fujiwara, A., Nishiguchi, K., Ono, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoampere+charge+pump+by+single-electron+ratchet+using+silicon+nanowire+metal-oxide-semiconductor+field-effect+transistor%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nanoampere charge pump by single-electron ratchet using silicon nanowire metal-oxide-semiconductor field-effect transistor.</a> Appl. Phys. Lett. 92 (4), 042102-1-042102-3 (2008).</li>
<li>Jehl, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+Metal-Semiconductor+Electron+Pump+for+Quantum+Metrology%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+X%22%5BJournal%5D)">Hybrid Metal-Semiconductor Electron Pump for Quantum Metrology.</a> Phys. Rev. X. 3 (2), 021012-1-021012-7 (2013).</li>
<li>Tettamanzi, G. C., Wacquez, R., Rogge, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Charge+pumping+through+a+single+donor+atom%5BTitle%5D)+AND+%22New+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">Charge pumping through a single donor atom.</a> New J. Phys. 16 (6), 063036-1-063036-17 (2014).</li>
<li>Koppinen, P. J., Stewart, M. D., Zimmerman, N. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+Electrical+Characterization+of+Fully+CMOS-Compatible+Si+Single-Electron+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Electron+Devices%22%5BJournal%5D)">Fabrication and Electrical Characterization of Fully CMOS-Compatible Si Single-Electron Devices.</a> IEEE Trans Electron Devices. 60 (1), 78-83 (2013).</li>
<li>Fletcher, J. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stabilization+of+single-electron+pumps+by+high+magnetic+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Stabilization of single-electron pumps by high magnetic fields.</a> Phys. Rev. B. 86 (15), 155311-1-155311-6 (2012).</li>
<li>Kataoka, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+Nonadiabatic+Excitation+in+a+Single-Electron+Quantum+Dot%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Tunable Nonadiabatic Excitation in a Single-Electron Quantum Dot.</a> Phys. Rev. Lett. 106 (12), 126801-1-126801-4 (2011).</li>
</ol>

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

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.

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 ilerlemeninanahtarı 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 spin5'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 teknolojisinin8,9 kullanılması, doluluğu tek elektron seviyesi10'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/AlyOx kapısı yığını aracılığıyla tanımlanır11.
Bu cihazlar başlangıçta kuantum hesaplama uygulamaları için geliştirilmiş olsa da, son zamanlarda metrolojik araçlar olarak da umut verici performanslar gösterdiler12,13. 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.

<table><tbody><tr><td>Silikon gofretler</td><td>TOPSIL</td><td></td><td>4 inç</td></tr><tr><td>Elektron ışını litografi makinesi</td><td>Raith gmbh</td><td></td><td>Raith 150two</td></tr><tr><td>E-ışın direnci&nbsp;</td><td>MicroChem gmbh</td><td></td><td>PMMA</td></tr><tr><td>Photoresist</td><td>MicroChem gmbh</td><td></td><td>nLOF2020</td></tr><tr><td>Maske hizalayıcı</td><td>Quintel</td><td></td><td>Q6000</td></tr><tr><td>Photoresist geliştirici</td><td>MicroChem gmbh</td><td></td><td>AZ826MIF</td></tr></tbody></table>

tek elektron pompalayabilme için silikon metal-oksit-yarıiletken kuantum noktaları

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

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.

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&gt; 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&#39;lik bir nominal bir kalınlığa sahiptir. Hedef arayüzü kusur yoğunluğu &lt;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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. &lt;p class = &quot;jove_content&quot;&gt; 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&#39;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<html> 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&#39;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 &quot;&gt; 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<html> 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. <img alt="Şekil 1" src="/files/ftp_upload/52852/52852fig1.jpg" /> 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 &#39;dir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52852/52852fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> hep &quot;&gt;:&quot; keep-together.within-page = fo &quot;çadır <img alt="Şekil 2," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig2.jpg" /> 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 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52852/52852fig2large.jpg" target="_blank">bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 3," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig3.jpg" /> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52852/52852fig3large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 4," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig4.jpg" /> 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 = &lt;hariç, 2.0 V sabitlenir izleriem&gt; 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 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52852/52852fig4large.jpg" target="_blank">, bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 5," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig5.jpg" /> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52852/52852fig5large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 6," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig6.jpg" /> Şekil 6. Akım niceleme. Kapılar BL ve PL uygulanan f = 10 MHz&#39;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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52852/52852fig6large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a>

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

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

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Aşağıdaki deneyin genel amacı, silikon tabanlı metal oksit yarı iletken kuantum noktaları üretmek ve bunları tek elektron pompaları olarak çalıştırmaktır. Bu, kuantum noktaları içine hapsedilmiş tekil elektronların elektrostatik olarak kontrol edilmesine ve aktarım hızlarının manipüle edilmesine olanak tanıyan çok katmanlı bir geçit tekniği ile silikon nano transistörler üretilerek gerçekleştirilir. İkinci bir adım olarak.İmal edilen cihazlar, yapısal bütünlüklerini kontrol etmek amacıyla sıvı helyum sıcaklığında test edilir. Akım-gerilim karakteristiklerinde Coulomb blokajının gözlemlenmesi, cihaz fonksiyonlarının tatmin edici olduğunu gösterir. Sonuçlar, bir kuantum noktasının mK ölçüm platformunda tek elektron pompası olarak çalıştırılabileceğini göstermektedir.Giriş bariyerinin şeffaflığı bir AC sinyali ile sürüldüğünde, bu durum karakteristik akım platolarının ortaya çıkışıyla kanıtlanmaktadır. Silikon Nanoelektronik, hepimizin içinde yaşadığı bilgi çağının merkezinde yer almaktadır.Dikkat çekici bir şekilde silikon, kuantum hesaplama ve kuantum elektriksel metroloji gibi kuantum tabanlı uygulamalar için mükemmel bir konak malzemedir. Burada, UNSW'de, geleneksel transistörleri kuantum cihazlarına dönüştürme teknolojisini geliştirdik. Elektronları silikonda, yalnızca birkaç on nanometre boyutundaki çok küçük bir bölgeye hapsedebiliriz.Buna kuantum nokta denir. Bu tür kuantum noktaları, kaynak ucundan bir elektronu hassas bir şekilde yakalayıp tahliye ucuna itmek için kullanırız ve bu işlemin son derece hızlı bir şekilde tekrarlanması, gelecekte dünyanın en doğru elektrik akımını üretmek için kullanılacaktır. Elektrik metrolojisinde uzun süredir devam eden bir hedef, elektrik akımı birimi olan amperin değerini, elektron yükü gibi doğanın gerçek bir sabitine bağlayarak yeniden tanımlamaktır.Sunulan teknikler, bu bağlantıyı gerçekleştirmek için silikon kuantum cihazlarının nasıl üretileceğini ve çalıştırılacağını açıklamaktadır. Bu çalışmada kullanılan nanoölçekli cihazlar, büyük ölçüde endüstriyel CMOS süreçleriyle uyumlu bir protokol kullanılarak imal edilmiştir. Ancak, standart CMOS cihazlarının aksine, tekil elektronların mekansal olarak hapsedilmesine olanak tanıyan metalik bir kapı yığını eklemişizdir.Protokolümüz, kuantum nokta tabanlı bir tek elektron pompasının nasıl test edileceğini ve çalıştırılacağını göstermektedir. Başarının temel unsuru, noktanın elektrostatik potansiyelinin yanı sıra tünel bariyerlerinin geçirgenliği üzerinde kontrol sağlamaktır. Tek elektronların tdot'tan dışarı ve tdot'a doğru transferini gerçekleştirmek için genellikle birden fazla RF sinyali kullanılır.Çok katmanlı kapılı cihazlarımızın, metal cihazlar veya üç-beş yarı iletkenleri gibi alternatif uygulamalara göre en büyük avantajı, noktanın elektrostatik hapsi üzerinde mükemmel bir kontrol sağlamış olmamızdır. Bu durum, pompalama mekanizmasındaki hataların bastırılmasında temel rol oynamıştır. Bir silikon gofret üzerinde alan oksit tabakası oluşturmak için, 900 °C'de hazır bir oksidasyon fırını bulundurun.Uygun şekilde temizlenmiş iki inçlik bir silikon gofre ile başlayın. Gofreyi fırına yerleştirin ve oksidasyon adımlarına geçin. Oksidasyon adımları yaklaşık bir saat kırk beş dakika sürer.İşlem tamamlandığında, ohmik kontakları oluşturmaya başlamak için gofret üzerine bir HDMS tabakası biriktirmeye hazırlanın. Bunun için gofreti bir dakika boyunca 110 °C sıcaklıktaki bir ısıtıcı plaka üzerine yerleştirin. Ayrıca, cam bir behere yaklaşık 50 mL HDMS dökün.Her ikisi de hazır olduğunda, gofret üzerine birkaç nanometre kalınlığında HDMS tabakası kaplamak için gofreti ve beheri bir vakum odasına yerleştirin. Gofreti vakum odasından çıkardıktan sonra bir spin kaplayıcıya taşıyın. Burada, gofretin hem arka hem de ön yüzeyine iki ila dört mikrometre kalınlığında bir fotoresist tabakası kaplayın.Wafer'ı spin kaplayıcıdan bir maske hizalayıcıya taşıyarak işleme devam edin. Wafer'ı konumlandırın ve bu işlem için kontakları desenlemek üzere maskeyi ayarlayın. Bu ohmik kontak desenini wafer'a aktarmak için ultraviyole ışık kullanın.Desenleme işleminden sonra, wafer'ı bir sıcak plakaya taşıyın. Post-bake işleminden sonra wafer'ı 110 °C'de bir dakika boyunca pişirin. Wafer'ı bir ila iki dakika boyunca geliştirin ve plazma aşındırıcıya götürmeden önce deiyonize su ile durulayın.340 Millitorr basınçta, 50 watt gelen güç ve bir watt'tan düşük yansıyan güç ile 20 dakika boyunca oksijen plazma aşındırması uygulayın. Plazma aşındırmasından sonra, 30 °C'de 15'e bir oranında tamponlanmış hidroflorik asit çözeltisini hazır bulundurun.30 °C'de dakikada 20 nanometre kenar aşındırma hızı varsayarak, oksidi dört ila beş dakika boyunca aşındırın. İşlem tamamlandığında, wafer'ı beş dakika boyunca deiyonize su ile durulayın ve devam etmeden önce kuru azot ile kurutun. Ardından, aseton ve izopropanol kaplarını hazır bulundurun.Wafer'ı beş dakika boyunca asetona daldırarak fotorezisti uzaklaştırın. Bunu, beş dakika boyunca izopropanol ile durulayarak takip edin. Kurutulmuş wafer'ı, fosfor kaynağı ile donatılmış 1000 °C sıcaklıktaki bir fırına yerleştirin.İstenen katkılama yoğunluğuna bağlı olarak, azot gaz akışı altında wafer'ı 30 ila 45 dakika boyunca içeriye yerleştirin. Wafer'ı çıkardıktan sonra, kontamine olmuş oksit tabakasını uzaklaştırmak için hazırlık yapın. Wafer'ı daldırmaya yetecek miktarda, suyla seyreltilmiş hidroflorik asit içeren bir kap ve deiyonize su içeren bir kap hazırlayın.Wafer'ı üç ila dört dakika boyunca asit içinde bekletin ve ardından 10 dakika boyunca suyla durulayın. Wafer'ı 900 °C'de tutulan oksidasyon fırınına geri yerleştirin. Oksidasyon sonrası yaklaşık bir saat on beş dakika boyunca oksidasyon adımlarını uygulayın.Bir sonraki adım, gofret üzerinde birkaç nanometre kalınlığında bir HDMS katmanı şeklinde kapı oksit birikintisi oluşturmaktır. Ardından, bir spin kaplayıcıya geçerek gofretin her iki tarafına iki ila dört mikrometre fotoğrafresist kaplayın. Gofreti bir kez daha maska hizalayıcıya götürün.Gerekli deseni aktarmak için wafer'ı ultraviyole ışığa maruz bırakın. Wafer'ı geliştirdikten sonra, 340 millitorr basınçta 20 dakika boyunca oksijen plazma aşındırmasına tabi tutun. Bunu, 30 °C'de 15'e bir oranında tamponlanmış hidroflorik asit çözeltisi ile aşındırma işlemiyle takip edin.Wafer'ı üç ila dört dakika boyunca çözeltide bekletin, ardından wafer'ı beş dakika boyunca deiyonize su ile yıkayın. Wafer'ı kuruttuktan sonra, beş dakika boyunca asetonda bekletin. Fotorezisti uzaklaştırmak için wafer'ı beş dakika boyunca izopropanol ile yıkayın.Wafer azot gazı ile kurutulduktan sonra, özel bir 800 °C fırına alınmalı ve oksidasyon aşamaları için içine yerleştirilmelidir. İstenen oksit kalınlığına bağlı olarak işlem bir saat ile bir saat 15 dakika arasında sürer. Gate desenlemeden önce, wafer'a kaynak ve drenaj kontaklarının metalizasyonu uygulanmalı ve tekil çiplere bölünerek kesilmelidir.10 milimetreye 2 milimetre boyutlarındaki bu çipler, elektron demeti litografisi için hizalama işaretleri ile desenlenmiştir; alüminyum kapıların desenlenmesi üç aşamadan oluşur ve spin kaplama ile başlar. Her aşama için, polimetil metakrilat (PMMA) direncinin 150 ila 200 nanometre kalınlığa ulaşacak şekilde spin kaplamasını yapın. Kaplamadan sonra, çipi 180 °C sıcaklıktaki bir ısıtıcı plakaya aktarın.Devam etmeden önce çipi 90 saniye boyunca pişirin. Şimdi çipi bir elektron demeti litograf cihazına taşıyın. Litografi sırasında, yüksek ve düşük çözünürlük için farklı parametreler kullanın.Bu, yürüyüş düzeni için kalıptır. Bu deneyde, rezisti izobütil keton ve izopropanol çözeltisi ile geliştirin. Bire üç oranındaki çözeltiye çipi 40 ila 60 saniye boyunca daldırın.Çipi 20 saniye boyunca izopropanolda durulayın ve azot ile kurutun. Ardından, çipi termal evaporatöre götürün. İlk geçiş için alüminyum evaporasyonuna hazırlanın.Alüminyumu saniyede 0,1 ile 0,4 nanometre arasında bir hızla 25 ile 35 nanometre hedef kalınlığa kadar buharlaştırın. Buharlaştırma işleminden sonra metali kaldırmak (lift-off) için, 80 °C'deki bir ısıtıcı tabla üzerinde hazır bekletilen etil piron kabında çipi bir saat boyunca bekletin. Ardından, çipi iki dakika boyunca izopropanol ile durulayın.Alüminyum oksidasyonunu 150 °C'de bir ısıtıcı tabla üzerinde gerçekleştirin. Kuru çipi beş ila 10 dakika boyunca ısıtıcı tabla üzerinde bekletin. Çipi, 7.500 RPM'de 30 saniye boyunca aseton ve izopropanol kullanarak spin temizleme ile temizleyip ilk geçişi tamamlayın.Bu şema, ilk geçişte neler yapıldığının genel bir özetini sunmaktadır. İkinci geçiş sırasında, 45 ila 65 nanometre kalınlığında bir alüminyum tabakası buharlaştırın. Üç katmanlı kapı yığınını gerçekleştirmek için üçüncü geçişte, 75 ila 90 nanometre kalınlığında bir alüminyum tabakası buharlaştırın.Bütünlük testlerini gerçekleştirmek için bir çipin baskılı bir devre kartına düzgün şekilde monte edilmesi, çipin yerleştirilmesi ve çip ile baskılı devre arasında elektriksel bağlantıların kurulması gerekir. Ardından, baskılı devre kartını bir dip prob üzerine monte edin. Cihaz kapılarına elektriksel bağlantı sağlanması için probu kablolarla bağlayın.Prob hazır olduğunda, sıvı helyum içeren bir kap temin edin ve aşırı helyum buharlaşmasını önlemek için probu yavaşça daldırın. Bu şema, sızıntı testi için gereken bağlantıları göstermektedir. Oda sıcaklığı elektrotlarını kullanarak, bir kaynak ölçüm ünitesine bağlı olan hariç tüm kapıları topraklayın.Akımı ölçmek ve kaydetmek için kaynak ölçüm birimi voltajını sıfırdan 1,5 volt'a kadar 0,1 volt'luk adımlarla tarayın. Herhangi bir akım tespit edilmezse, cihaz sızıntı testini geçer. Bir sonraki test için, her bir geçidi (gate) değişken bir DC voltaj kaynağına bağlayın.Kaynak hattını bir lock-in amplifikatörünün giriş portuna bağlayın. Ayrıca drenaj hattını lock-in amplifikatörünün yerleşik AC voltaj kaynağına bağlayın. C one ve C two topraklanmış haldeyken, BL br pl sl ve DL'ye uygulanan gate voltajlarını eş zamanlı olarak artırarak açılış karakteristiklerini ölçün.Cihazın açılma özelliklerini kaydedin. Bu, söz konusu ölçüm için örnek bir izdir. Ardından, bu ölçüm BL'si düşürülürken, her bir kapı voltajını tek tek düşürerek pinch-off özelliklerini kaydedin.Grafikteki açılma (turn-on) ve kısılma (pinch-off) karakteristiklerine ilişkin temsilci sonuçlarımız burada yer almaktadır. RMS kaynak-drenaj AC akımı, kapı voltajının bir fonksiyonu olarak verilmiştir. Kapılar şemada etiketlenmiştir.Kaynak ve drenaj kontakları, yaklaşık 113 hertz'de 50 microvolts RMS uyarımı yapan bir lock-in amplifikatörüne; gate'ler ise modüler, kontrol edilebilir bir voltaj pil rafına bağlanmıştır. Gate C1 ve C2 sıfır voltta tutulurken diğerleri iki voltta tutulmuştur. Bu, kaynak drenaj akımının, kaynak drenaj kutuplanması ve piston gate voltajının bir fonksiyonu olarak renk spektrumunda gösterildiği temsili bir ölçümdür.Plunger kapısı altında bir kuantum noktası oluştuğunda, Coulomb blokajının karakteristik imzası açıkça ortaya çıkar. Yüksek frekanslı elektrik hatlarıyla donatılmış bir milikelvin sıcaklık ölçüm platformunda çalıştırılan bir cihaz ile tek elektron pompalama gerçekleştirilebilir.Bu deneyde cihaz, giriş bariyeri ve piston kapısında (plunger gate) iki adet 10 megahertz sinüzoidal sürüş sinyali ile çalıştırılır. Elektron yükünün tam katlarında gerçekleşen karakteristik akım platoları ve frekans, kuantize yük transferlerinin belirteçleridir. Bu protokoldeki süreç parametrelerinin çoğu, kullanılan üretim araçlarına ve silikon alt tabaka türüne bağlı olarak değişiklik gösterebilir.Güvenilir bir verim sağlamak için litografi pozlama dozu, geliştirme süresi, aşındırma veya oksidasyon süresi gibi miktarlar dikkatlice kalibre edilmeli ve test edilmelidir. İmalat süreci akışı sırasında, farklı işlemler için kullanılan imalat ekipmanları arasında çapraz kontaminasyondan kaçınmak kritik öneme sahiptir. Bunu önlemek için metal evaporatörler, oksidasyon fırınları ve HF banyoları gibi yalnızca silikon işlemeye ayrılmış bir dizi aracımız bulunmaktadır.Mevcut kuantizasyon için gösterilen sonuçlar, deneysel parametrelerin ayarlanmasının hızlıca gerçekleştirilebildiği 10 megahertz gibi nispeten düşük bir sürme frekansında elde edilmiştir. Pratikte, pompanın birkaç yüz megahertz seviyesinde çalıştırılması istenir. Bunun tipik olarak çok daha hassas ve zaman alıcı bir parametre optimizasyonu gerektirdiğini belirtmek önemlidir.Bu videoda tartışılan fabrikasyon süreci ve ölçüm tekniklerini takiben, silikon tabanlı sistemler arasında rekor doğruluk seviyelerinde mikroskobik bir elektrik akımı üretmeyi başardık. Bu durum, yalnızca kuantum mekanik prensiplerine dayalı olarak akım biriminin gelecekte yeniden tanımlanması için büyük vaatler sunmaktadır. Pulse. Şu anda cihazlarımızdaki normal metal geçitleri polikristal silikon ile değiştirmeyi araştırıyoruz.Bu durum, muhtemelen şu an gözlemlediğimiz arka plan yük gürültüsünü baskılamaktadır. Amacımız, elektron pompasının sonuç olarak artan stabilitesini ve doğruluğunu sağlamaktır. Böylece yeni bir dünya akım standardının aşırı meteorolojik gereksinimlerini karşılayacağız.Bu videoda sunduğumuz teknikler, silikon tabanlı nanoteknolojinin kuantum cihazları için sahip olduğu büyük potansiyeli göstermektedir. Silikon, yük pompalama için tercih edilen malzeme olarak giderek daha fazla ilgi çekmektedir; bunun nedeni, sistem ölçeklenebilirliği için halihazırda mevcut olan ve oldukça yerleşik entegrasyon tekniklerinden faydalanacak olan, endüstriyle uyumlu silikon süreçlerini kullanarak yeni bir akım standardı uygulama cazibesidir.

silicon-metal-oxide-semiconductor-quantum-dots-for-single-electron

Research

JoVE Journal

Engineering

Mühendislik

Biz tek-molekül floresan görüntüleme için minimize hidrodinamik büyüklüğü ile kolloidal Kuantum noktalarının hazırlanması tarif. Konvansiyonel kuantum noktaları ile karşılaştırıldığında, bu nanopartiküller globüler proteinlerin boyut olarak benzer ve tek-molekül parlaklık, fotodegradasyon karşı kararlılık ve proteinleri ve hücreleri nonspesifik bağlanma direnci için optimize edilmiştir.

Tek molekül Görüntüleme için kompakt Kuantum Noktaları

Bu kağıt galyum arsenit heteroyapıların üzerinde kapı tanımlı yarı iletken yan kuantum noktaları için ayrıntılı bir imalat protokolü sunar. Bu nano cihazlar kuantum bilgi işlem ya da tutarlı bir iletkenlik ölçümleri gibi diğer mezoskopik deneyler için kuantum bit olarak kullanımı için birkaç elektron yakalamak için kullanılır.

Gate tanımlı GaAs / AlGaAs Yanal Kuantum Noktalarının nano fabrikasyon

Bir tek kendi kendine monte kuantum nokta rezonans uyarma Floresans koleksiyon modu için dik bir uyarma modu kullanılarak elde edilebilir. Biz dalga kılavuzu ve kuantum nokta çevreleyen bir düzlemsel microcavity Fabry-Perot modları kullanarak bir yöntem göstermek. Yöntemi tam bir özgürlük içinde algılama polarizasyon sağlar.

Rezonans Floresans ortogonal uyarma ve algılama kullanarak düzlemsel boşluğunda bir InGaAs kuantum nokta

Silikon dopant atomlar nano saniye çözüldü şarj dinamikleri ile tarama tünel mikroskop gözlemlemek için tüm elektronik yöntemi göstermektedir.

Tüm elektronik Nanosecond çözüldü tarama tünelleme mikroskobu: tek Dopant şarj Dynamics incelenmesi kolaylaştırılması

Burada, katı taşıyıcı sayısında elektrolit kullanarak denetlemek için bir iletişim kuralı mevcut.

Elektrik alanı kontrol elektronik elektrolit çoğunluğuna tarafından WS2 Nanodevices durumlarda

Bir iletişim kuralı bir autoxidized alüminyum katot istihdam ederek yüksek performanslı, saf mavi ZnCdS/ZnS tabanlı kuantum nokta ışık - yayan diyotlar imalatı için sunulmaktadır.

Gelişmiş elektron enjeksiyon ve Exciton hapsi için kısmen oksitlenmiş alüminyum katot tanıtımı tarafından saf mavi kuantum nokta ışık - yayan diyotlar

2 boyutlu elektron gazı (2DEG) olarak0,75GA0,25' a dayanan düzlemsel ve balistik Josephson kavşak (JJs) dizisinden oluşan kuantum entegre devreler (qıcs) gösterilmiştir. İki boyutlu (2D) JJs ve Qıcs üretiminde iki farklı yöntem, alt Kelvin sıcaklıklarda kuantum taşıma ölçümlerinin gösterilmesi sonrasında tartışılmaktadır.

Superiletken Iki boyutlu elektron gazı platformunda ölçeklenebilir kuantum entegre devreler

Gradyan eko bellek atom toplulukları ışığın optik kuantum durumlarını saklamak için bir protokoldür. Kuantum bellek kuantum anahtar dağıtımı aralığını uzatabilirsiniz bir kuantum tekrarlayıcı önemli bir unsurdur. 3-seviyeli atom topluluğu uygulanan zaman biz şemasının çalışmasını özetlemektedir.

Sıcak Atom Vapor Gradient Echo Kuantum Hafıza

Tarama-prob tek elektron kapasite spektroskopisi lokalize yeraltı bölgelerde tek elektron hareket çalışma kolaylaştırır. Hassas bir şarj-algılama devre yarıiletken numune yüzeyinin altında dopant atomların küçük sistemleri araştırmak için bir kriyojenik tarama prob mikroskobu içine dahil edilmiştir.

Tarama-prob Tek elektron Kapasite Spektroskopisi

Bir teknik kontak / substrat ve tek GaN nanotel cihazların iletişim / KB arayüzlerin incelenmesi ve karakterizasyonu için izin vermek için kendi alt tabakadan Ni / Au temas metal filmler kaldırır geliştirilmiştir.

Tek GaN Nanotel Cihazlar İletişim arabirimleri Analizi

Keşfedin silikon metal-oksit-yarıiletken kuantum noktalarının tek elektron pompalama için üretimini ve karakterizasyonunu. Çok katmanlı kapı tekniği ile kuantum cihazların elektrostatik kontrolünü öğrenin.

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

Daha fazla video keşfet