Silicium métal-oxyde-semiconducteur Quantum Dots pour le pompage mono-électronique

Fabrication de périphériques Le processus de microfabrication initial (sous-section 1 du Protocole) est effectuée sur un 4-pouces haute pureté plaquette de silicium commerciale (de type n 10 12 cm -3 ≈ concentration de dopage; résistivité> 10 kΩcm; épaisseur = 310-340 um ). L'objectif est de réaliser le substrat sur lequel les électrodes de grille seront déposés. Ce substrat est constitué d'une région intrinsèque coiffé avec de l'oxyde de champ (étape 1.1), une région n + coiffé avec de l'oxyde de champ (étape 1.2), une région intrinsèque coiffé de haute qualité de l'oxyde de grille (étape 1.3), et un métallisée région n + pour contacts ohmiques (étape 1.4). Figures 1A-D illustrent les principales étapes du processus de microfabrication. Figure 1E montre une image microscopique d'un champ de substrat après microfabrication. La taille minimum pour la lithographie à ce stade est d'environ 4 um. Le SiO2 la couche d'oxyde développée à l'étape 1.1 a une épaisseur nominale de 100 nm, et est utilisé en tant que couche de passivation. Les régions de type n qui agissent comme des conducteurs ohmiques sont obtenus par diffusion de phosphore. La densité cible de dopage est d'environ 19 octobre au 20 octobre cm -3. La haute qualité de SiO 2 qui est cultivé de manière sélective pour être utilisés comme diélectrique de grille a une épaisseur nominale de 5 nm. La densité de défauts d'interface cible est <10 10 cm -2 eV -1 à mi-écart. Un four à triple mur dédié et délibérément construit est utilisé pour ce processus. Ce système est conçu pour réduire au minimum la contamination par des ions de métaux lourds et des ions de métaux alcalins mobiles, ainsi que d'empêcher l'humidité de se diffuser dans la chambre d'oxydation. Afin de former des contacts électriques, plaquettes d'aluminium sont déposées par évaporation par faisceau d'électrons sur une partie des régions de type n. Le processus de nanofabrication (voir la sous-section 2) est réalisée sur la puce substrAtes obtenus en découpant la plaquette traitée à l'étape 1. Le but est de réaliser les électrodes de grille à l'échelle nanométrique utilisés pour définir les électrostatique QDs MOS. Chaque terme de nanofabrication produit typiquement 10-15 échantillons de dispositifs complets. micrographie électronique à balayage (MEB) de formation d'image de 2/1 dispositifs par lot est habituellement effectuée pour confirmer que les étapes de lithographie EBL ont été couronnés de succès. Depuis imagerie SEM peut injecter des charges dans le substrat ou dans les portes métalliques et causer des fuites, seul un petit nombre de dispositifs est vérifiée de cette manière, alors que le reste est testé électriquement. Taille minimum pour la lithographie à ce stade est d'environ 35 nm. Pour obtenir une bonne uniformité des films déposés Al, le métal est évaporé à des taux plus lent que quelques angströms / seconde, tandis que le substrat est monté sur une platine tournante. Cet article est maintenu à la température ambiante, et la taille des grains d'Al est estimé à environ 20 nm. La figure 2A illustre les principales étapes de la nanofabricatioProcédé de n. La figure 2B montre une image MEB avec laquelle la définition correcte des électrodes de grille est vérifiée. En général, on vise à la réalisation de ces portes qui définissent directement le QD (BL, BR et PL) avec la plus petite taille possible de fonctionnalité. En revanche, ces portes utilisées pour définir les réservoirs d'électrons (DL et SL) peuvent avoir de plus grandes dimensions pour éviter la discrétisation involontaire de niveaux d'énergie dans les fils. Les nano-échelle marqueurs Ti / Pt réalisés à l'étape 2.3 sont utilisés comme référence pour un alignement constant des trois couches de portes. Le platine est choisi pour son excellent contraste par rapport à la surface de SiO 2 dans le faisceau d'électrons. Le titane est utilisé pour améliorer l'adhérence. À toutes les étapes du processus de fabrication, une pince à épiler en fibre de carbone-pointe sont utilisées pour gérer les puces, afin de réduire le risque de décharge électrostatique destructrice (ESD). Enfin, afin d'effectuer des mesures électriques sur individeux dispositifs, chaque puce doit être clivé en petits morceaux d'environ 2 x 2 mm 2 (sous-section 3). Chaque morceau est ensuite collée sur un circuit imprimé sur mesure (Rogers R03010 faible perte diélectrique) dont les broches sont reliées aux électrodes de dispositif par des fils al. Fil de liaison est réalisée avec une machine de colle en forme de coin sans chauffer les copeaux. Le choix des paramètres appropriés de liaison repose sur deux considérations. D'une part, la liaison fil doit perforer le Al y O x couche thermique et un bon contact métal-métal avec le plot de grille. D'autre part, une contrainte mécanique excessive peut conduire à un événement de punch-creux qui endommage le d'oxyde de champ sous les portes et causer des fuites de substrat. Au cours du processus de câblage, l'utilisation d'un bracelet antistatique est conseillé d'éviter les décharges électrostatiques. Dans la figure 3, une puce avec 6 appareils individuels est collé sur le PCB. des tests d'intégrité de l'appareil Before chargement d'un dispositif dans un mK température plateforme de mesure comme un réfrigérateur à dilution, tests électriques préliminaires sont réalisées à 4,2 K pour vérifier l'intégrité de l'échantillon (voir la sous-section 4 du Protocole). A cet effet, le circuit imprimé est inséré dans une enceinte de cuivre exempt d'oxygène et est monté sur une sonde d'immersion, qui est immergé dans le liquide éventuellement He. Le test initial est généralement un test de fuite qui est effectué séquentiellement sur chaque porte. Une unité de source-mesure est reliée à une électrode de grille individuelles tandis que les autres sont à la masse. La tension est en rampe jusqu'à 1,5 V et le courant est mesuré à la source. Dans cette gamme de tension, une porte fonctionne correctement est pas censé mener, parce que la couche de SiO 2 isole le métal du substrat de silicium et Al y O x isole portes se chevauchent. Typiquement, claquage de l'oxyde est connu pour se produire pour des tensions plus grandes que ~ 4 V, en fonction de la géométrie de l'appareil et de l'oxyde thickness. Par conséquent, si le courant est détecté au cours de l'essai, il est probable qu'au moins une des couches d'oxyde est endommagé et le dispositif doit être mis au rebut. Habituellement, moins de 10% des grilles correspond à des fuites. Le rendement est connu pour être affecté par l'extension plane des électrodes de grille. En particulier, plus le chevauchement des portes avec la région d'oxyde de grille plus il sera d'avoir des fuites porte-à-substrat. De même, plus le chevauchement entre les portes de différentes couches plus l'occurrence de fuites porte-à-porte sera. Le rendement indiqué est pertinente pour les portes qui occupent une superficie d'environ 50 um 2 sur l'oxyde mince et avec intercalaire chevauche d'environ 0,5 um 2. Une fois que l'appareil a passé le test de fuite initiale, les contacts de source et de drain sont connectés à un amplificateur lock-in et les portes à un rack de la batterie contrôlable tension modulaire. Dans cette configuration, l'appareil est allumé on la montée en cadence globalement toutes les tensions de grille simultanément. Ensuite, chaque tension de grille est séparée en rampe vers le bas tout en conservant les autres à haute tension pour vérifier la capacité des portes individuelles à pincer le courant. La figure 4A montre des traces représentatives de ces mesures. L'absence d'une voie de conduction source-drain ou un portail individuel pincement est souvent une indication d'un certain type de dommages de porte comme porte explosion ou discontinuité de métal. Enfin, le courant source-drain est mesurée en fonction de partialité source-drain et la tension de grille de piston pour observer la signature de blocage de Coulomb 16 (voir la figure 4B). Mesures Une fois que le dispositif approprié a été trouvé, il est retiré de la cuve, il liquide, et on le sèche avec un pistolet à air chaud pour éviter la formation d'humidité qui peut provoquer des décharges électrostatiques. Enfin, il est transféré dans un réfrigérateur à dilution. <p class = "jove_content"> Les expériences sont effectuées dans une dilution en plastique réfrigérateur self-made avec une température de base d'environ 100 mK. Le cryostat se trouve dans une chambre à vide immergé dans un bain d'hélium K 4,2. Les lignes électriques sont thermalisés au pot 1 K, qui est également utilisé pour condenser la vapeur entrant 3He. Dans la chambre de mélange, le transfert endothermique d'atomes 3He de la phase 3He riche dans la phase 3He-diluée permet au système d'atteindre une température de base d'environ 100 mK. Comme le montre la Figure 5, le réfrigérateur est équipé de 20 lignes à courant continu et trois lignes de rf utilisés pour connecter les composants électroniques à température ambiante sur l'appareil à basse température. Cinq des lignes à courant continu sont des câbles THERMOCOAX et 15 sont torsadés des fils de paires de métiers à tisser. Ces lignes relient les électrodes de l'échantillon à des sources de tension à courant continu alimentés par batterie grille. diviseurs de tension à la température ambiante sont utilisés pour réduire le bruit électrique sur les portes individuelles. Les lignes de RF sont des câbles coaxiaux semi-rigides qui sont atténué de 10 dB à 4 K pour réduire le bruit thermique et dc bloqué à RT. Ces lignes sont connectées aux guides d'ondes coplanaires des tés de polarisation sur le circuit imprimé. Un faible bruit amplificateur à transimpédance et un multimètre numérique sont utilisés pour mesurer le courant généré par la pompe. Le système électronique est relié au dispositif par l'intermédiaire d'optocoupleurs alimentés par batterie pour empêcher la formation de boucles de masse. Les signaux d'excitation RF sont produits par un générateur de forme d'onde arbitraire dont la masse est isolée de celle du cryostat par l'intermédiaire d'un bloc de composant à courant continu (voir figure 5). Le PCB contient 16 lignes continues pures et 4 polarisation tee lignes utilisées pour combiner tension continue et alternative à basse température. Comme le montre la figure 3B, RC composants discrets sont utilisés pour réaliser le raccord en T (R = 100 kQ, C = 10 nF), et 50 Ω appariés guides d'ondes coplanaires intégrées sont utilisées pour la propagation des signaux à haute fréquence. e_content "> Une fois que le dispositif est à la température mK, les tensions de grille sont ajustés de sorte que l'occupation à électron unique dans la QD est atteint. En particulier, les barrières tunnel sont formées sous les portes BL et BR, et une couche d'accumulation d'électrons est induite sous portes PL, SL et DL. À cette fin, les tensions de grille de barrière sont définies ci-dessous leur tour sur des valeurs, alors que les portes d'accumulation sont polarisés à un supérieur à la tension d'allumage. De cette façon, un QD est formé sous la grille PL et son extension plane est commandé par des portes C1 et C2 dont les tensions sont maintenues au-dessous de leur mise en fonction des valeurs d'induire confinement électrostatique. Ensuite, les signaux RF sont mis sous tension pour moduler périodiquement la transparence de la barrière (s) à effet tunnel, et la électrochimique le potentiel du point. pompage à l'unité d'électrons est réalisé avec une ou deux tensions de commande sinusoïdales. Dans le cas de l'entraînement d'un signal, le signal de commande est appliqué à la porte BL à moduler le potentiel de la barrière à effet tunnel à la gauche -côté deQD. Dans le cas de l'entraînement de deux signaux, les excitations à courant alternatif sont appliqués à des grilles PL BL et pour moduler les potentiels à la fois de la gauche et la barrière QD à la même fréquence mais avec des phases et amplitudes. Ces degrés de liberté supplémentaires permettent de contrôler la direction du transfert d'électrons 13. Un processus itératif est généralement nécessaire de régler les principaux paramètres expérimentaux (par exemple, les amplitudes de signal d'attaque à haute fréquence / phase et des tensions de grille en courant continu) et à réaliser une quantification optimale de courant. Remarquez qu'aucun des deux protocoles de pompage a besoin d'un biais drain-source pour effectuer des transferts de charge. Par conséquent, les électrodes source et drain sont mis à la terre pendant le fonctionnement de la pompe. La figure 6 montre les plateaux courant caractéristique à des multiples entiers de l'ef obtenues en appliquant un deuxième signal d'entraînement sinusoïdale à la barrière d'entrée (BL) et le plongeur (PL) de grille. Ces données sont prélevés à une fréquence d'excitation relativement faible (10 MHz) pour laquelle la t Downloaded from www.vandenborre.be Régler des paramètres peut être effectuée rapidement. Dans la pratique, il est souhaitable de faire fonctionner la pompe à plusieurs centaines de MHz, ce qui nécessite généralement un paramètre d'optimisation beaucoup plus fine 13. Figure 1. microfabrication. (A) Représentation schématique des principales étapes de microfabrication. Les dessins animés ne sont pas dessinés à l'échelle. (B) Réalisation d'une région dopée pour les contacts ohmiques. (C) Réalisation d'oxyde de grille. (D) métallisation des contacts ohmiques. (E) l'image microscopique d'un champ individuel sur une puce après le procédé de microfabrication est terminée. Taille du champ est de 1,2 x 1,2 mm 2. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. tente "fo: keep-together.within-page =" always "> Figure 2. nanofabrication. (A) Procédé de fabrication de couches de grille individuels. Les dessins animés ne sont pas dessinés à l'échelle. (B) Le 3-couche porte nanostructure utilisés pour des expériences responsable de pompage. A gauche: image MEB d'un dispositif similaire à celui utilisé pour les mesures. Droite:. Vues en coupe schématique du dispositif à travers coupe X et Y-cut S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 3. Connexions électriques à l'échantillon. (A) Disposition de la carte de circuit imprimé. (B) Le grossissement d'une région de la carte électronique avec une polarisation en T (à gauche) uncircuit équivalent d (à droite). (C) Une puce avec 6 champs individuels collées sur le support de la puce et des fils de connexion pour le raccordement électrique au PCB. (D) d'image microscopique d'un champ individuel après nanofabrication. L'image (E) SEM de la disposition de la porte au centre de la région d'oxyde de grille. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 4. Des tests préliminaires. (A) de courant source-drain ac (Root Mean Square) en fonction de différentes tensions de grille. Traces sont mesurées avec un amplificateur lock-in avec 50 mV RMS excitation à 113.17 Hz. Pour individu tension de grille retrace les tensions de grille restants sont fixés à 2,0 V, à l'exception de V C1 = <em> V C2 = 0,0 V. (B) Carte couleur du courant source-drain en fonction de plongeur tension de grille et de source-drain la tension de polarisation. V SL = 1,5 V, V DL = 1,15 V, V BL = 0,78 V, V BR = 0,85 V, V = V C1 C2 = 0.0 V. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 5. Schéma lignes de la mesure mise en place. Vingt cc (vert) et trois lignes coaxiaux RF (noir) relient l'électronique RT sur le PCB. Le drain de la pompe (pourpre) est connecté à un amplificateur à transimpédance et à un multimètre numérique par l'intermédiaire d'un opto-isolateur, tandis que le contact de source (rouge) est mis à la terre. Prises de terre distinctes (indicated avec des symboles différents) sont utilisés pour l'instrumentation électronique et les lignes électriques cryostat. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. Figure 6. quantification actuel. Pumped courant en fonction de V PL pour deux signaux d'entraînement sinusoïdal à f = 10 MHz appliqué aux portes BL et PL. Différence de phase = 49 °, V = V RF PL BL RF = 0,31 V pp. La position idéale des plateaux de pompage à des multiples entiers de ef sont indiqués par des lignes horizontales rouges. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.