硅金属 - 氧化物 - 半导体量子点单电子泵

设备制造初始微制造工艺（议定书子部分1）是商业4英寸高纯度硅晶片上进行（n型掺杂浓度≈10 12 cm -3的;电阻率> 10kΩcm;厚度= 310-340微米）。这样做的目的是实现在其上的栅电极将被沉积在基板上。该基板是由封端的场氧化（步骤1.1），封端的场氧化（步骤1.2），覆盖有高质量的栅极氧化物（步骤1.3）的本征区域的n +区域的本征区域的，和金属化的n +区域欧姆接触（步骤1.4）。 图1A-D示出了微细加工的主要步骤。 图1E示出了一个基片场的显微镜图像的微细加工之后。最小特征尺寸的光刻在此阶段是约4微米。 串口在步骤1.1生长2氧化物层具有100nm的标称厚度，并且被用作钝化层。充当欧姆导体的n型区经由磷扩散获得。目标掺杂浓度是大约10月19日至 10月20日 cm -3以下 。高质量的SiO 2，其选择生长用作栅极电介质具有5纳米的标称厚度。目标接口缺陷密度是<10 10电子伏特-1 cm -2的在中间能隙。专用和内置特意墙三重炉用于此过程。这个系统被设计成最小化从重金属离子和移动的碱金属离子污染，以及防止水分扩散进入氧化室。为了形成电接触，铝焊盘通过电子束蒸发在n型区的部分沉积。 该纳米制造工艺（见分节2）芯片上执行SUBSTR通过切割在第1步的目的处理的晶片获得的茨是实现用于静电限定该MOS量子点纳米尺度栅电极。每个纳米加工运行通常会产生10-15完整的设备样品。扫描电子显微照片（SEM），每批次成像的1-2设备通常进行，以确认该EBL光刻阶段获得了成功。自扫描电镜成像可注入电荷在衬底或在金属栅极而造成泄漏，仅一小数量的设备进行检查以这种方式，而其余的电测试。最小特征尺寸的光刻在此阶段是约35纳米。以实现沉积Al膜的均匀性好，该金属被蒸发速率为几个埃/秒的速度慢，而在基片被安装在一个旋转台。这被保持在RT，并且在Al晶粒尺寸估计为约20nm。 图2A示出了nanofabricatio的主要步骤Ñ ​​过程。 图2B示出与该栅电极的正确定义被验证的SEM图像。一般来说，人们的目的是实现这些门直接定义QD（BL，BR和PL）用尽可能小的特征尺寸。与此相反，用于定义电子储层（DL和SL）这些门可以有更大的尺寸，以避免能量水平中的引线的无意离散。实现了在步骤2.3纳米尺度的Ti / Pt的标记被用作栅极的三个层的一致对准参考。铂是选择了其相对于优秀的对比度，以在SiO 2表面的电子束。钛是用于提高粘合性。 在制造过程的各个阶段，碳纤维尖镊子用于处理芯片，以减少破坏性静电放电（ESD）的可能性。 最后，为了进行上INDIVI电测量双重装置，每个芯片需要在更小的碎片为约2×2mm的2（子部分3）被切割。然后每一块胶合到一个特制的PCB（罗杰斯R03010低损耗介质），其销通过铝导线被连接到器件电极。引线键合是用一个楔形键合机机不加热的芯片。合适的键合参数的选择是基于两方面的考虑。一方面，所述引线接合需要穿孔的热的Al Y 2 O x层和使良好的金属对金属与栅极焊盘接触。另一方面，过大的机械应力可能导致的冲头槽式事件，这损害了场氧化物的栅极和原因衬底泄漏下方。在布线过程中，使用防静电手环的建议，以防止静电放电。在图3中 ，有6个单独的设备将芯片粘接到印刷电路板。 器件的完整性测试之前Ë加载装置插入mK的温度测量平台如稀释制冷机，初步电测试在4.2K下进行检查样品的完整性（参见议定书子部分4）。为此，在PCB插入到无氧铜外壳和安装到一浸探针，其最终被浸入液态He。 初始测试通常为在各个闸门顺序执行泄漏测试。源测量单元被连接到一个单独的栅电极，而其他人都接地。电压上升到1.5 V和电流的测量在源头。在该电压范围内，在正常的门是不应该进行，因为SiO 2层从硅衬底隔离的金属和Alÿ○×绝缘重叠栅极。典型地，氧化物击穿已知会出现对电压高于〜为4V较大，这取决于设备的几何形状和氧化物THIC到天堂。因此，如果在测试过程中检测到的电流，则很可能在氧化层中的至少一个已损坏，该设备具有被丢弃。通常，门的小于10％的显示泄漏​​。产率是已知的受栅电极的平面延伸。特别是，与栅氧化物区域就越有可能将具有栅极 – 基片的泄漏的栅极的较大的重叠。类似地，来自不同层的栅极的栅极到栅极泄漏的更可能发生之间的较大的重叠会。引用的产量相关占据约50μm2的面积上的薄氧化物栅和与层间的大约0.5微米2重叠。 一旦设备已通过初始泄漏测试时，源极和漏极触点连接到一个锁定放大器和栅极到模块化可控电压电池架。在此配置中，该装置被接通öN以全球同步斜坡所有的栅极电压。接着，将各栅极电压分别逐渐减小，同时保持其他在高电压，以验证个人门的夹断电流的能力。 图4A示出了这些测量的代表痕迹。由于没有任何一个源 – 漏传导通路或个别栅极夹断是经常一些类型的门损坏诸如栅极爆炸或金属不连续的指示。 最后，源-漏电流被测量为源-漏偏压和柱塞栅极电压的函数来观察库仑阻塞16（参照图4B）的签名。 测量一旦合适的设备已被发现，它是从液态He容器中取出，并用一个热风枪干燥，以避免形成湿气可能引起静电。最后，它被转移到一个稀释制冷机。 <P类=“j​​ove_content”>该实验是在自制塑料稀释制冷机进行约100 m·K的基础温度。低温恒温器是在真空室中浸渍在4.2K下氦浴。电线被热能化在1K池也被用来冷凝传入的3He蒸气。在混合室，从所述的3He富相入氦3-稀相的3He原子的吸热转移允许系统以达到约100 m·K的基础温度。 如图5所示 ，冰箱装有20直流线路和用于连接的室温电子给设备在低温下3射频线。五个直流线路是Thermocoax电缆和15双绞线织机导线。这些线连接样本到电池供电的直流电压源的栅电极。分压器在RT用于减少对个别栅极电噪声。射频线是半刚性同轴电缆是在4K衰减10 dB至减少热噪声和直流阻塞在室温。这些线连接到PCB上的偏置T形件的共面波导。 低噪声跨导放大器和一个数字万用表用于测量由泵产生的电流。电子经由电池供电的光隔离器连接到设备，以防止接地回路的形成。射频驱动信号由任意波形发生器，其接地从低温恒温器通过一个直流嵌段成分之一分离出产生的（ 见图5）。 在PCB包含16纯直流线路和用于直流和交流电压结合在低温4偏置T形线路。 如图3B所示 ，RC分立元件用于实现三通连接（R = 100千欧，C = 10 nF的），50Ω匹配集成共面波导用于高频信号的传输。 e_content“>一旦该装置是在mK的温度，栅极电压被调整，使得在QD单电子占用为止。特别是，隧道壁垒下门的BL和BR形成，并且下栅极的电子积聚层被诱导PL，SL和DL。为此，阻挡栅极电压被设置为低于其导通的值，而积累栅极被极化在一个大于-导通电压，在这种方式的QD是下栅极PL所形成和它的平面延伸通过门电路C1和C2的电压被保持在低于其导通的值以诱导静电约束控制。接着，对射频信号导通，以周期性地调节所述隧道势垒（多个）的透明度，以及电化学点的电位。单电子泵送实现与一个或两个正弦驱动电压。在一个信号驱动的情况下，驱动信号被施加到栅极的BL以调制隧道势垒的电势在左手中机端量子点。在两信号驱动的情况下，交流激励被施加到栅极的BL和PL调节两者的左屏障和QD的电位在相同的频率但具有不同相位和幅度。这些附加自由度允许一个用于控制电子转移13的方向。一个迭代过程通常需要调整的主要实验参数（ 即 ，射频驱动信号振幅/相位和直流栅极电压），并达到最佳当前量化。注意的是，无论这两个泵送协议需要一个漏源偏压来执行电荷转移。因此，在源电极和漏电极在泵操作期间接地。 图6示出了特性的电流plateaux在EF的通过施加两信号正弦驱动到输入屏障（BL）和柱塞（PL）栅极获得的整数倍。这些数据取自在相对低的驱动频率（10兆赫）的量，吨参数uning可以快速进行。在实践中，理想的是操作泵在数百MHz，通常需要更精细的参数优化13。 图1.微细加工。（一 ）示意图的微细加工主要步骤图。漫画并非按比例绘制。 （B）中实现的掺杂区的欧姆接触。 （C）栅氧化层的实现。 （D）的金属化的欧姆接触。 （ 五）微观个体领域的微细加工后，在一个芯片上的图像就完成了。现场尺寸为1.2×1.2 平方毫米。 请点击此处查看该图的放大版本。 帐篷“FO：保持together.within页=”总是“> 图2纳米加工。（A）的制造方法，各个栅层。漫画并非按比例绘制。 （B）中用于电荷泵浦实验的3层栅极纳米结构。左：类似于用于测量所述一个设备的SEM图像。右：在整个X切割和Y切割设备的示意性的横截面图请点击此处查看该图的放大版本。 图3.电气连接到样品。在印刷电路板（A）布局。 （B）中的印刷电路板与一个偏置T形（左）的区域的放大的ð等效电路（右）。 （C）上形成芯片粘在芯片保持器和连结线，供与PCB电连接6的各个字段。 （D）纳米加工后，单个字段的显微图像。在栅氧化层区域的中心门布局（E）的SEM图像。 请点击此处查看该图的放大版本。 图4.初步试验。（A）的源-漏交流电流（均方根），为不同的栅极电压的函数。迹线在113.17赫兹测量与锁定放大器50μV 有效值激励。对于个别栅极电压迹线的其余的栅极电压被固定为2.0伏，除了当V C1 = <的EM> V C2 =源-漏电流的0.0 V.（B）的彩色图作为柱塞栅极电压和源极-漏极偏置电压：V SL的函数= 1.5，V DL = 1.15，V BL = 0.78伏， V BR = 0.85，V C1 = V C2 = 0.0 V. 请点击此处查看该图的放大版本。 图5.示意图测量的设置。二直流线（绿色）和三个同轴射频线（黑）连接的RT电子到PCB。泵（紫色）的漏极被连接到跨导放大器和通过光隔离器的数字万用表，而源极接触（红色）接地。单独的接地连接（我ndicated用不同的符号）被用于电子仪器和低温恒温器的电线。 请点击此处查看该图的放大版本。 图6.当前量化。在应用到门BL和PL F = 10 MHz的泵浦电流为第 V PL功能的双信号正弦波驱动。相位差= 49度，V RF PL = V RF BL = 0.31 V峰峰值。抽plateaux在EF的整数倍的理想位置显示为红色水平线。 请点击此处查看该图的放大版本。