De silicio metal-óxido-semiconductor Quantum Dots para Bombeo solo electrón

La fabricación del dispositivo El proceso de microfabricación inicial (subsección 1 del Protocolo) se realiza en un comercial de 4 pulgadas de alta pureza oblea de silicio (de tipo n concentración dopaje ≈ 10 12 cm -3; resistividad> 10 kΩcm; espesor = 310-340 micras ). El objetivo es realizar el sustrato sobre el que se depositan los electrodos de puerta. Este sustrato está hecho de una región intrínseca tapado con óxido de campo (paso 1.1), un n + región tapado con óxido de campo (paso 1.2), una región intrínseca tapado con óxido de puerta de alta calidad (paso 1.3), y un metalizada n + región para contactos óhmicos (paso 1.4). Las Figuras 1A-D ilustran los principales pasos del proceso de microfabricación. La Figura 1E muestra una imagen microscópica de un campo de sustrato después de la microfabricación. La dimensión mínima de elemento para la litografía en esta etapa es de aproximadamente 4 micras. El SiO2 capa de óxido crecido en el paso 1.1 tiene un espesor nominal de 100 nm y se utiliza como una capa de pasivación. Las regiones de tipo n que actúan como conductores óhmicos se obtienen a través de la difusión de fósforo. La densidad de dopaje de destino es de aproximadamente 10 19 hasta 10 20 cm -3. La alta calidad de SiO 2 que se cultiva de manera selectiva para ser utilizado como dieléctrico de puerta tiene un espesor nominal de 5 nm. La densidad de defectos interfaz objetivo <10 10 eV -1 cm -2 a mitad del hueco. Un horno de triple pared dedicado y construido a propósito se utiliza para este proceso. Este sistema está diseñado para minimizar la contaminación de iones de metales pesados ​​e iones alcalinos móviles, así como evitar que la humedad se difunda en la cámara de oxidación. Con el fin de formar los contactos eléctricos, almohadillas de aluminio se depositan a través de la evaporación por haz de electrones en parte de las regiones de tipo n. El proceso de nanofabricación (véase la subsección 2) se realiza en substr chipsates obtenidos por corte en dados la oblea procesada en el paso 1. El objetivo es hacer realidad los electrodos de puerta de nano escala se utilizan para definir los puntos cuánticos electrostáticamente MOS. Cada ejecución nanofabricación produce típicamente 10-15 muestras de dispositivos completos. Micrografía electrónica de barrido (SEM) de imágenes de 1-2 dispositivos por lote se lleva a cabo por lo general para confirmar que las etapas de litografía EBL han tenido éxito. Desde imágenes SEM puede inyectar cargas en el sustrato o en las puertas metálicas y causar fugas, sólo un pequeño número de dispositivos está marcada de esta manera, mientras que el resto se prueba eléctricamente. Tamaño mínimo para la función de la litografía en esta etapa es de aproximadamente 35 nm. Para lograr una buena uniformidad de las películas de Al depositada, el metal se evapora a tasas tan lenta como pocos angstrom / segundo, mientras que el sustrato está montado en un escenario giratorio. Esto se mantiene a RT, y el tamaño de grano de Al se estima que es de aproximadamente 20 nm. La Figura 2A ilustra las principales etapas de la nanofabricatioproceso n. La figura 2B muestra una imagen SEM con el que se verifica la correcta definición de los electrodos de puerta. En general, se apunta a la realización de esas puertas que definen directamente del QD (BL, BR y PL) con el tamaño de la característica más pequeña posible. Por el contrario, esas puertas que se utilizan para definir los embalses de electrones (DL y SL) pueden tener dimensiones mayores para evitar la discretización no intencional de los niveles de energía en los cables. Las nano-escala marcadores Ti / Pt realizadas en el paso 2.3 se utilizan como referencia para la alineación coherente de las tres capas de puertas. El platino es elegido por su excelente contraste con respecto a la superficie SiO 2 en la dirección de haz. El titanio se utiliza para mejorar la adhesión. En todas las etapas del proceso de fabricación, pinzas de fibra de carbono de punta se utilizan para manejar las fichas, con el fin de reducir la probabilidad de una descarga electrostática destructiva (ESD). Por último, con el fin de realizar mediciones eléctricas en individispositivos duales, cada chip tiene que ser escindido en piezas más pequeñas de (sub-sección 3) alrededor de 2 x 2 mm 2. Cada pieza y luego se pega a un PCB o hechos a medida (Rogers R03010 baja pérdida dieléctrica) cuyos pines están conectados a los electrodos del dispositivo a través de Al cables. Unión de cables se lleva a cabo con una máquina de Bonder cuña sin calentar los chips. La elección de los parámetros de unión apropiados se basa en dos consideraciones. Por un lado, el enlace de alambre necesita para perforar el Al y O x capa térmica y hacer buen contacto de metal a metal con la almohadilla de puerta. Por otro lado, una tensión mecánica excesiva puede dar lugar a un evento de punzón de cubeta que daña el óxido de campo por debajo de la puerta y causa fugas de sustrato. Durante el proceso de cableado, el uso de una pulsera antiestática es aconsejable para evitar ESD. En la Figura 3, un chip con 6 dispositivos individuales se pega sobre la PCB. Pruebas de integridad del dispositivo Before la carga de un dispositivo en una plataforma de medición de temperatura mK como un refrigerador de dilución, pruebas eléctricas preliminares se realizan a 4.2 K para comprobar la integridad de la muestra (véase la subsección 4 del Protocolo). Para este fin, la PCB se inserta en un recinto de cobre libre de oxígeno y se monta en una sonda de inmersión, que se sumerge en Él eventualmente líquido. La prueba inicial es típicamente una prueba de fugas que se realiza de forma secuencial en cada puerta. Una unidad de fuente-medida está conectado a un electrodo de puerta individual, mientras que los otros están conectados a tierra. El voltaje está en rampa hasta 1,5 V y la corriente se mide en la fuente. Dentro de este rango de tensión, una puerta funciona correctamente no se supone para llevar a cabo, porque la capa de SiO 2 aísla el metal del sustrato de silicio y Al y O x aísla puertas superpuestas. Por lo general, la ruptura de óxido se sabe que se produce para tensiones mayores que ~ 4 V, en función de la geometría del dispositivo y thic óxidoKness. Por lo tanto, si se detecta corriente durante la prueba, es probable que al menos una de las capas de óxido está dañado y el dispositivo tiene que ser descartado. Por lo general, menos del 10% de las puertas mostrar fugas. El rendimiento es conocido por estar afectada por la extensión plana de los electrodos de puerta. En particular, cuanto mayor sea el solapamiento de las puertas con la región de óxido de puerta más probable será tener fugas de puerta a sustrato. Del mismo modo, cuanto mayor sea el solapamiento entre las puertas de diferentes capas más probable la aparición de fugas de puerta a puerta será. El rendimiento indicado es relevante para las puertas que ocupan una superficie de unos 50 m 2 en el óxido fino y con capa intermedia se superpone de aproximadamente 0,5 m 2. Una vez que el dispositivo ha pasado la prueba inicial de fuga, los contactos de fuente y drenaje están conectados a un amplificador lock-in y las puertas a un rack de baterías controlable tensión modular. En esta configuración, el dispositivo está encendido on por nivel mundial el aumento gradual de todas las tensiones de puerta al mismo tiempo. A continuación, cada voltaje de la puerta está separado rampa abajo, manteniendo los otros en altos voltajes para verificar la capacidad de las puertas individuales para evitar el paso de la corriente. Figura 4A muestra trazas representativas de estas mediciones. La ausencia de cualquiera de una conducción por vía fuente de la fuga o la puerta de estrangulamiento individuo es a menudo una indicación de algún tipo de daño puerta como puerta de explosión o discontinuidad de metal. Finalmente, la corriente de fuente-drenaje se mide como una función de sesgo fuente-drenaje y voltaje de puerta émbolo para observar la firma de Coulomb bloqueo 16 (véase la Figura 4B). Mediciones Una vez se ha encontrado un dispositivo adecuado, se retira del recipiente Él líquido, y se secó con una pistola de aire caliente para evitar la formación de humedad que puede causar ESD. Finalmente, se transfiere a un refrigerador de dilución. <p class = "jove_content"> Los experimentos se realizan en una dilución de plástico refrigerador hecho a sí mismo con una temperatura base de alrededor de 100 mK. El criostato está en una cámara de vacío sumergido en un baño de 4,2 K helio. Las líneas eléctricas se termalizados en la olla 1 K que también se emplea para condensar el vapor de 3He entrante. En la cámara de mezclado, la transferencia de átomos de 3He endotérmico de la fase rica en 3He en la fase 3He-diluido permite que el sistema alcance una temperatura de base de alrededor de 100 mK. Como se muestra en la Figura 5, la nevera está equipada con 20 líneas de corriente continua y 3 líneas de RF utilizados para conectar la electrónica de temperatura ambiente al dispositivo a baja temperatura. Cinco de las líneas de corriente continua son cables Thermocoax y 15 están retorcidos hilos del telar par. Estas líneas conectan los electrodos de puerta de la muestra a las fuentes de tensión de corriente continua que funcionan con baterías. Divisores de tensión a temperatura ambiente se utilizan para reducir el ruido eléctrico en las puertas individuales. Las líneas de RF son cables coaxiales que son semirrígidas atenuada por 10 dB a 4 K para reducir el ruido térmico y dc bloqueado a TA. Estas líneas están conectadas a las guías de onda coplanares de los tees de polarización en el PCB. Un amplificador de transimpedancia de bajo ruido y un multímetro digital se utilizan para medir la corriente generada por la bomba. La electrónica está conectado al dispositivo a través optoaisladores de pilas para evitar la formación de bucles de tierra. Las señales de accionamiento de RF son producidos por un generador de forma de onda arbitraria cuya puesta a tierra está aislada de la del criostato a través de un componente de bloque dc (véase la Figura 5). El PCB contiene 16 líneas de corriente continua puros y 4 líneas de polarización tee utilizados para combinar tensiones continuas y alternas a baja temperatura. Como se muestra en la Figura 3B, componentes discretos de RC se utilizan para realizar la conexión en T (R = 100 kW, C = 10 nF), y 50 Ω-emparejados guías de onda coplanares integrados se utilizan para la propagación de señales de alta frecuencia. e_content "> Una vez que el dispositivo está a la temperatura mK, las tensiones de puerta se ajustan de modo que se alcanza la ocupación de un solo electrón en el QD. En particular, las barreras de túnel se forman bajo puertas BL y BR, y una capa de acumulación de electrones se induce bajo puertas PL, SL y DL. Con este fin, las tensiones de barrera de puerta se establecen a continuación, a su vez, en los valores, mientras que las puertas de acumulación están polarizados en una mayor a la tensión de encendido. De esta manera, una vez al día se forma bajo la puerta PL y su extensión planar es controlado a través de puertas C1 y C2 cuyos voltajes se mantienen por debajo de su giro en los valores para inducir confinamiento electrostático. A continuación, las señales de RF se enciende periódicamente para modular la transparencia de la barrera (s) de túnel, y la electroquímica potencial del punto. Single-bombeo de electrones se consigue, ya sea con uno o dos tensiones sinusoidales de conducción. En el caso de la unidad de una sola señal, la señal de excitación se aplica a BL puerta para modular el potencial de la barrera de túnel en el lado izquierdo -lado deel QD. En el caso de la unidad de dos señal, las excitaciones de corriente alterna se aplican a las puertas de BL y PL para modular los potenciales de tanto la barrera de la izquierda y el QD a la misma frecuencia pero con diferentes fases y amplitudes. Estos grados de libertad adicionales permiten una para controlar la dirección de la transferencia de electrones 13. Normalmente un proceso iterativo que se necesita para sintonizar los principales parámetros experimentales (es decir, las amplitudes de señal unidad rf / fases y tensiones de puerta dc) y lograr la cuantificación de corriente óptima. Tenga en cuenta que ninguno de los dos protocolos de bombeo necesita un sesgo de drenaje-fuente para realizar las transferencias de carga. Por lo tanto, los electrodos de fuente y drenaje están conectados a tierra durante el funcionamiento de la bomba. La Figura 6 muestra las mesetas actual característica a múltiplos enteros de ef obtenidos mediante la aplicación de una señal de accionamiento de dos sinusoidal a la barrera de entrada (BL) y el (PL) puerta émbolo. Estos datos se toman a una frecuencia de excitación relativamente baja (10 MHz) para el cual el t Sintonizar de los parámetros puede llevarse a cabo rápidamente. En la práctica, es deseable operar la bomba a varios cientos de MHz, normalmente requiere una optimización de parámetros mucho más fina 13. Figura 1. microfabricación. (A) Representación esquemática de los principales pasos en la microfabricación. Dibujos animados no están dibujados a escala. (B) Realización de una región dopada para contactos óhmicos. (C) Realización de óxido de puerta. (D) metalización de contactos óhmicos. Se completa (E) microscópica imagen de un campo individual en un chip después del proceso de microfabricación. Tamaño del campo es de 1,2 x 1,2 mm 2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. tienda "fo: keep-together.within-page =" always "> Figura 2. Nanofabricación. (A) Procedimiento de fabricación para las capas individuales de la puerta. Dibujos animados no están dibujados a escala. (B) La nanoestructura puerta 3 capas utilizado para experimentos de bombeo de carga. A la izquierda: imagen SEM de un dispositivo similar a la utilizada para las mediciones. Derecha:. Esquemáticos vistas en sección transversal del dispositivo a través de X e Y de corte de corte Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3. Conexiones eléctricas a la muestra. (A) Disposición de la placa de circuito impreso. (B) Ampliación de una región de la PCB con un sesgo-tee (izquierda) unad circuito equivalente (derecha). (C) Un chip con 6 campos individuales pegados en el soporte de chip y cables de bonos para la conexión eléctrica a la PCB. (D) Imagen microscópica de un campo individual después de nanofabricación. Imagen (E) SEM de la disposición de puerta en el centro de la región de óxido de puerta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 4. Las pruebas preliminares. (A) actual Fuente fuga de corriente alterna (raíz cuadrada media) como una función de las diferentes tensiones de puerta. Las huellas se miden con un amplificador lock-in con 50 mV RMS excitación a 113,17 Hz. Para tensión de puerta individuo traza las tensiones de puerta restantes se fijan en 2,0 V, a excepción de V C1 = <em> V C2 = 0,0 V. (B) mapa de color de corriente de fuente-drenaje como una función de émbolo voltaje de la puerta y la fuente de la fuga de polarización de tensión. 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. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Líneas Figura 5. Esquema de la medición de puesta a punto. Veinte dc (verde) y tres líneas coaxiales RF (negro) conectan la electrónica RT a la PCB. El desagüe de la bomba (púrpura) está conectado a un amplificador de transimpedancia y a un multímetro digital a través de un optoaislador, mientras que el contacto de fuente (rojo) está conectado a tierra. Conexiones a tierra separadas (indicated con diferentes símbolos) se utilizan para la instrumentación electrónica y las líneas eléctricas de criostato. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6. cuantización actual. Actual bombeado en función de V PL para dos señal de excitación sinusoidal a f = 10 MHz aplicada a puertas BL y PL. Diferencia de fase = 49 °, V = V PL RF RF BL = 0,31 V pp. La posición ideal de las mesetas de bombeo en múltiplos enteros de ef se muestran como líneas horizontales rojas. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.