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

Alessandro Rossi; Tuomo Tanttu; Fay E. Hudson; Yuxin Sun; Mikko M&#246;tt&#246;nen; Andrew S. Dzurak

doi:10.3791/52852

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Mühendislik

السيليكون المعدنية أكسيد أشباه الموصلات الكم النقاط لالضخ وحيد الإلكترون

Published: June 03, 2015

doi:

10.3791/52852

Alessandro Rossi¹, Tuomo Tanttu², Fay E. Hudson¹, Yuxin Sun¹, Mikko Möttönen², Andrew S. Dzurak¹

¹School of Electrical Engineering & Telecommunications,University of New South Wales, ²QCD Labs, COMP Centre of Excellence, Department of Applied Physics,Aalto University

Özet

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

Abstract

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

Introduction

Silicon is the material of choice for most of the modern microelectronics. Its properties, combined with advanced lithographic techniques, have allowed the semiconductor industry to achieve very large-scale integration and deliver billions of transistors per chip. The metal-oxide-semiconductor (MOS) technology¹ has been the key of this relentless technological progress². In brief, it is based on a selectively doped Si substrate which is thermally oxidized to grow a high quality SiO₂gate oxide on which a metal gate electrode is deposited. Recently, it has been shown that the use of a stack of gate oxides could be beneficial³ . While present industry standards have reached minimum feature sizes for gate lengths below 20 nm, it is becoming increasingly evident that, at this level of miniaturization, detrimental quantum mechanical phenomena come into play that may complicate further downscaling⁴.

Remarkably, silicon is also an excellent host material to exploit the quantum properties of the electron charge and spin⁵. This has broadened its range of applicability to entirely new fields such as quantum computing⁶ and quantum electrical metrology⁷. Among other approaches⁵, the use of a multi-gate MOS technology^8,9has led to electrostatically-defined quantum dots (QD) whose occupancy can be controlled down to single-electron level¹⁰. Unlike the conventional MOS process where just one gate per transistor is needed¹, these QDs are defined via a three-layer stack of Al/Al_yO_x gates which are used to selectively accumulate electrons at the Si/SiO₂ interface, as well as provide lateral and vertical confinement¹¹.

Although these devices had been originally developed for quantum computing applications, they have also recently shown promising performances as metrological tools^12,13. In the field of quantum electrical metrology, a long-standing goal is the redefinition of the unit ampere in terms of the elementary charge (e)¹⁴. In particular, the emphasis is on the realization of nano-scale charge pumps to clock the transfer of individual electrons timely and accurately. These devices generate macroscopic quantized electric currents, I=nef, where f is the frequency of an external driving oscillator and n is an integer. To date, the best performance has been achieved with a GaAs-based pump by yielding a current in excess of 150 pA with a relative uncertainty of 1.2 parts per million¹⁵. Recently, silicon MOS QDs have also stood out for the implementation of highly accurate single-electron pumps thanks to the capability of finely tuning the charge confinement¹³.

Here, we discuss the protocol used for the fabrication of silicon MOS QDs. Furthermore, the cryogenic set-up used to test the integrity of the devices after fabrication and the one to perform charge pumping experiments are described. Finally, representative measurements of quantized electric current are reported.

Protocol

ملاحظة: يصف هذا البروتوكول الإجراءات المستخدمة لتلفيق، حزمة واختبار مضخات واحد الإلكترون على أساس السيليكون التكنولوجيا MOS QD. يتم تنفيذ الخطوات التي نوقشت في الأقسام الفرعية 1 و 2 في غرف الأبحاث ISO5، في حين أن من القسم 3 يتم تنفيذها في مختبرات ISO6. يتم التحكم باستمرار الظروف المحيطة. يتم تعيين القيم الاسمية لدرجة الحرارة والرطوبة في 20 ± 1 درجة مئوية و 55٪ ± 5٪، على التوالي. 1. التصنيع الدقيق أكسيد الميدان تنظيف الرقاقة عن طريق الغمر في ما يلي: حفر سمكة البيرانا (10 دقيقة)، منزوع الأيونات (DI) الماء (10 دقيقة)، RCA-2 الحل (DI الماء 175 مل، 30 مل حمض الهيدروكلوريك، H 2 O 2 30 مل بسعر 100 ° C لمدة 10 دقيقة)، والماء منزوع الأيونات (5 دقائق)، الهيدروفلوريك (HF) حمض المخفف في الماء 10: 1 (10 ثانية)، والمياه DI (10 دقيقة). استخدام الملابس الواقية عند التعامل مع HF (أي، نظارات، المريلة البلاستيكية، وقفازات PVC). المضي قدما في النظام المذكور. وضع رقاقةفي أكسدة الفرن على 900 درجة مئوية، وأكسدة في خطوات على النحو التالي: O الجاف 2 (10 دقيقة)، O الرطب 2 (40 دقيقة)، O الجاف 2 (10 دقيقة)، N 2 (15 دقيقة). أومية اتصالات تنفيذ ضوئيه وأكسيد حفر. إيداع طبقة قليل نانومتر سميكة من التصاق المروج hexamethyldisilazane (HMDS) على سطح الرقاقة على النحو التالي: مرحلة ما قبل الخبز على موقد على 110 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة، صب ~ 50 مل من HMDS في كوب من الزجاج، ضع الكأس والرقاقة في فراغ الغرفة، إخلاء والانتظار لمدة 2 دقيقة. تدور طبقة 2-4 ميكرون سميكة من مقاوم الضوء على كل من الظهر والجانبين الأمامية للرقاقة (3،000-5،000 دورة في الدقيقة، 25-40 ثانية اعتمادا على سمك المطلوب). فضح لضوء الأشعة فوق البنفسجية في قناع اليجنر (10 ميغاواط / سم 2 ل10/04 ثانية وفقا لمقاومة سمك). بعد خبز على موقد على 110 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة. تطوير لمدة 1-2 دقائق، ثم يشطف في الماء منزوع الأيونات. </لى> أداء O حفر 2 البلازما لمدة 20 دقيقة (الضغط = 340 mTorr؛ قوة الحادث = 50 W، تنعكس قوة <1 W). أكسيد حفر في مخزنة محلول حمض HF (15: 1، 4-5 دقيقة، احفر معدل ≈ 20 نانومتر / دقيقة عند 30 ° C). شطف في الماء منزوع الأيونات (5 دقائق). ضربة الجافة مع N 2. إزالة مقاومة للضوء عن طريق الغمر في الأسيتون. شطف في الأيزوبروبانول (IPA)، ثم ضربة الجافة مع N 2. وضع رقاقة في الفرن على 1000 درجة مئوية مع مصدر الفوسفور (N 2 تدفق ل30-45 دقيقة اعتمادا على الكثافة المطلوبة المنشطات). إزالة طبقة أكسيد الملوثة مع حمض HF المخفف في الماء (10: 1، 3-4 دقيقة، ومعدل حفر ≈ 40 نانومتر / دقيقة عند 30 ° C)، وشطف في الماء منزوع الأيونات (10 دقيقة). أكسدة كما هو الحال في 1.1.2. بوابة أكسيد كرر الخطوات من 1.2.1 و 1.2.2. وضع رقاقة في فرن مخصص في 800 ° C وأكسدة في خطوات على النحو التالي: O الجاف 2 (10 دقيقة)، دichloroethylene + O 2 (20 دقيقة)، O الجاف 2 (10-30 دقيقة حسب المطلوب سمك أكسيد)، N 2 (15 دقيقة). أومية اتصالات معدنة كرر الخطوة 1.2.1. وضع رقاقة في شعاع الإلكترون المبخر. تتبخر 100 نيوتن متر من الألومنيوم في 0،2-0،5 نانومتر / ثانية و 5 × 10 -6 عربة. نقع في رقاقة N -methyl-2-pyrrolidone (NMP) على موقد في 80 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لرفع قبالة المعادن. استخدام التحريض بالموجات فوق الصوتية إذا لزم الأمر. شطف في IPA لمدة 2 دقيقة. ضربة الجافة مع N 2. يصلب في تشكيل الغاز في 400 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة على الأقل. 2. Nanofabrication رقاقة التكعيب تدور أي مقاومة على الرقاقة لتكون بمثابة طلاء واقية (نوع من البوليمر والغزل المعلمات ليست ذات صلة في هذه المرحلة). استخدام الماس الحافة المقامر لخفض الرقاقة إلى رقائق الفردية ~ 10 × 2 مم 2. تنظيف نقع في NMP لمدة 1 ساعة على موقد في 80 درجة مئوية، ثم يشطف في IPA لمدة 2 دقيقة. ضربة الجافة مع N 2. أداء O حفر 2 البلازما لمدة 5 دقائق (قوة الحادث = 50 W، تنعكس قوة <1 W). تدور نظيفة مع الأسيتون وIPA (7500 دورة في الدقيقة، 30 ثانية) علامات المحاذاة الزخرفة تدور ميتاكريلات (PMMA 950k) A4 مقاومة (5،000-7،500 دورة في الدقيقة، 30 ثانية اعتمادا على سمك المطلوب). سمك عمل نموذجي ≈ 150-200 نانومتر. خبز مقاومة على موقد على حرارة 180 درجة مئوية لمدة 90 ثانية. تنفيذ شعاع ه الطباعة الحجرية. استخدام شروط الكتابة التالية: شعاع الطاقة = 30 كيلو، شعاع الحالية ≈ 30 السلطة الفلسطينية، جرعة منطقة ≈ 500-650 μC / سم 2 اعتمادا على علامات حجم ومقاومة سماكة. تطوير مقاومة في حل من كيتون إيسوبوتيل الميثيل وIPA (1: 3) عن 40-60 ثانية، ثم يشطف في IPA لمدة 20 ثانية. ضربة الجافة مع N 2 بندقية. مكانرقاقة في شعاع الإلكترون المبخر. تتبخر 15 نانومتر من منظمة الشفافية الدولية و 65 نانومتر من حزب العمال في 0،2-0،4 نانومتر / ثانية و 5 × 10 -6 عربة. رفع قبالة المعدن كما في الخطوة 1.4.3. رقاقة نظيفة كما في الخطوات 2.2.2-2.2.3. بوابة الزخرفة تدور مقاومة كما هو الحال في 2.3.1. تنفيذ شعاع ه الطباعة الحجرية. استخدام شروط الكتابة التالية لميزات عالية الدقة: شعاع الطاقة = 30 كيلو، شعاع الحالية ≈ 30 السلطة الفلسطينية، جرعة منطقة ≈ 500-700 μC / سم 2. إرسال شروط ملامح منخفضة القرار: شعاع الطاقة = 15 كيلو، شعاع الحالية ≈ 10 غ، جرعة منطقة ≈ 400-600 μC / سم 2. تطوير مقاومة كما هو الحال في 2.3.3. ضع الشريحة في المبخر الحراري. تتبخر آل في 0،1-0،4 نانومتر / ثانية و1-9 × 10 -6 م بار. سمك الهدف يختلف وفقا لعدد طبقة، كما هو مبين في الشكل 2B (25-35 نانومتر للطبقة 1، 45-65 نانومتر للطبقة 2، 75-90 نم للطبقة 3). رفع قبالة المعدن كما في الخطوة 1.4.3. أداء آل الأكسدة على موقد في 150 درجة مئوية لمدة 5-10 دقيقة. رقاقة نظيفة كما في الخطوة 2.2.3. كرر الخطوات 2.4.1-2.4.7 مرتين لتحقيق البوابة 3-طبقة المكدس. 3. جهاز التعبئة والتغليف رقاقة الزهر كما في الخطوة 2.1 شطف الناتجة رقائق صغيرة في الأسيتون وIPA لمدة 2 دقيقة. الغراء الفرد قطعة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) مع PMMA A5. الانتظار 2 دقيقة حتى يجف. بدلا من ذلك، من أجل تعزيز thermalization، تستخدم الفضة الايبوكسي. تحميل PCB الصعود إلى بوندر إسفين والمضي قدما في الأسلاك. 4. اختبارات النزاهة الأجهزة جبل PCB التي تحتوي على جهاز سلكي على تحقيق تراجع. سلك الخطوط الكهربائية من الكلور لتلك لجنة التحقيق تراجع. إدراج التحقيق في وعاء يحتوي الهليوم السائل. المضي قدما ببطء لتجنب الإفراط في الهليوم بالنفط خارج. لكل بوابة الجهاز، ربط المقابل القطب درجة حرارة الغرفة لجنة التحقيق إلى وحدة المصدر التدبير، مع الحفاظ على بوابات أخرى الارض. تعيين الامتثال الحالي لعدد قليل غ. اكتساح الجهد من صفر إلى 1.5V في الخطوات من 0.1 V، وقياس وتسجيل التيار. ربط كل سطر بوابة لمصدر متغير العاصمة الجهد بطارية تعمل بالطاقة، خط المصدر إلى المدمج في مصدر التيار الكهربائي المتردد من مكبر للصوت قفل في وخط هجرة إلى مدخل الميناء من القفل في مكبر للصوت. قياس مصدر لاستنزاف تصرف للتكوينات بوابة الجهد مختلفة (انظر الشكل 4). المنحدر عالميا تصل الفولتية المطبقة على بوابات BL، BR، PL، SL وDL، عن طريق الحفاظ C1 و C2 البوابات على الارض. تسجيل خصائص الجهاز 'بدوره على'. المنحدر بشكل فردي أسفل كل بوابة الجهد وتسجيل الخصائص بوابات "قرصة قبالة '. ضبط الفولتية بوابة لتعريف كهربية لتشونقطة أنتم سلفنا من خلال تحديد الفولتية على BL وBR (PL، SL وDL) أصغر (أكبر) من منعطف على الفولتية. تسجيل الخصائص الحصار كولوم.

Representative Results

تصنيع الجهاز تتم عملية التصنيع الدقيق الأولية (القسم الفرعي 1 من البروتوكول) على التجاري 4 بوصة عالية النقاء رقاقة السيليكون (ن نوع تركيز المنشطات ≈ 10 12 سم -3؛ المقاومة> 10 kΩcm؛ سمك = 310-340 ميكرون ). والهدف من ذلك هو تحقيق الركيزة التي ستودع الأقطاب البوابة. يرصد هذه الركيزة من منطقة الجوهرية توج مع أكسيد حقل (الخطوة 1.1)، وهو ن + المنطقة توج مع أكسيد الميدان (الخطوة 1.2)، وهي منطقة الجوهرية توج مع ذات جودة عالية بوابة أكسيد (الخطوة 1.3)، ومطلي ن + المنطقة ل اتصالات أومية (الخطوة 1.4). الأرقام 1A-D توضح الخطوات الرئيسية لعملية التصنيع الدقيق. الشكل 1E يظهر صورة مجهرية من حقل الركيزة بعد التصنيع الدقيق. الحد الأدنى لحجم ميزة لالطباعة الحجرية في هذه المرحلة هو ما يقرب من 4 ميكرون. وشافي2 طبقة أكسيد نمت في الخطوة 1.1 لديه سمك الاسمي من 100 نانومتر، ويستخدم كطبقة التخميل. يتم الحصول على مناطق ن النوع الذي يكون بمثابة الموصلات أومية عبر الفوسفور نشرها. كثافة المنشطات الهدف هو ما يقرب من 10 19 – 10 -3 20 سم. ذات جودة عالية شافي 2 الذي يزرع بشكل انتقائي لاستخدامها بوابة عازلة لديه سمك الاسمية من 5 نانومتر. كثافة عيب واجهة الهدف هو <10 10 إلكترون فولت -1 سم -2 في منتصف الفجوة. ويستخدم الثلاثي فرن مخصص وبنيت عمدا الجدار لهذه العملية. تم تصميم هذا النظام للحد من التلوث من ايونات المعادن الثقيلة وأيونات القلويات النقالة، وكذلك منع الرطوبة من نشرها في غرفة الأكسدة. من أجل تشكيل الاتصالات الكهربائية، ويتم إيداع منصات الألومنيوم عن طريق شعاع الإلكترون التبخر على جزء من المناطق من نوع ن. تتم عملية nanofabrication (انظر القسم الفرعي 2) على رقاقة SUBSTRآتش الحصول عليها عن طريق تقطيع الرقاقة المجهزة في الخطوة 1. الهدف هو تحقيق الأقطاب بوابة مقياس النانو المستخدمة لتعريف كهربية وQDS MOS. كل تشغيل nanofabrication تنتج عادة 10-15 عينات الجهاز كاملة. ويتم عادة مجهرية الإلكتروني الماسح (SEM) التصوير من أجهزة 1-2 في دفعة لتأكيد أن مراحل الطباعة الحجرية EBL كانت ناجحة. منذ SEM التصوير قد حقن التهم في الركيزة أو في البوابات المعدنية وتسبب التسرب، يتم فحص سوى عدد قليل من الأجهزة في هذه الطريقة، في حين يتم اختبار بقية كهربائيا. الحد الأدنى لحجم ميزة لالطباعة الحجرية في هذه المرحلة حوالي 35 نانومتر. لتحقيق التوحيد جيدة من الأفلام المودعة القاعدة، يبخر المعدن بمعدلات بطيئة مثل عدد قليل من انجستروم / ثانية، في حين شنت الركيزة على خشبة المسرح الدورية. يتم الاحتفاظ هذا في RT، ويقدر حجم الحبوب القاعدة لتكون من حوالي 20 نانومتر. ويوضح الشكل 2A الخطوات الرئيسية للnanofabricatioعملية ن. الشكل 2B تظهر صورة SEM التي يتم التحقق من التعريف الصحيح للأقطاب البوابة. بشكل عام، تهدف احد في تحقيق تلك البوابات التي تحدد بشكل مباشر على QD (BL، BR وPL) مع أصغر حجم ممكن الميزة. على النقيض من ذلك، يمكن لهذه البوابات المستخدمة لتحديد مكامن الإلكترون (DL وSL) لديها أبعاد أكبر لتجنب تفريد غير مقصود من مستويات الطاقة في الخيوط. يتم استخدام مقياس النانو علامات تي / حزب العمال أدركت في الخطوة 2.3 كمرجع لمحاذاة متسقة من ثلاث طبقات من البوابات. يتم اختيار البلاتين على النقيض الممتاز فيما يتعلق سطح شافي 2 في شعاع ه. يستخدم التيتانيوم لتعزيز التصاق. في جميع مراحل عملية التصنيع، يتم استخدام ملاقط من ألياف الكربون تلميح للتعامل مع رقائق، وذلك للحد من احتمالات التفريغ الكهربائي المدمر (ESD). وأخيرا، من أجل إجراء قياسات الكهربائية على indiviأجهزة مزدوجة، يحتاج كل رقاقة أن المشقوق في قطع صغيرة من حوالي 2 × 2 مم 2 (القسم الفرعي 3). ثم يتم لصقها كل قطعة إلى PCB حسب الطلب (روجرز R03010 المنخفضة خسارة عازل) التي ترتبط الأقطاب الجهاز من خلال شركة أسلاك الدبابيس. ويتم الربط سلك خارجا مع آلة بوندر إسفين دون تسخين رقائق البطاطس. ويستند اختيار المعلمات الترابط المناسبة على اعتبارين. من ناحية، يحتاج السندات سلك لخرم والحرارية آل Y O X طبقة وجعل جيدة اتصال المعادن إلى المعادن مع لوحة البوابة. من ناحية أخرى، قد يؤدي إلى إجهاد مفرط في حدث لكمة الحوض الصغير الذي يضر أكسيد الحقل تحت بوابة وسبب التسرب الركيزة. أثناء عملية الأسلاك، واستخدام سوار التحجر هو المستحسن لمنع ESD. في الشكل 3، يتم لصقها على رقاقة مع 6 الأجهزة الفردية على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. اختبارات سلامة الجهاز قبل احتسابه تحميل الجهاز في درجة حرارة منصة كلفن قياس مثل ثلاجة التخفيف، ويتم إجراء اختبارات الكهربائية الأولية عند 4.2 K للتحقق من سلامة العينة (انظر القسم الفرعي 4 من البروتوكول). تحقيقا لهذه الغاية، يتم إدراج PCB إلى النحاس الضميمة خالية من الأكسجين وهي التي شنت على تحقيق تراجع، الغارق في نهاية المطاف في السائل و. الاختبار الأولي هو عادة ما يكون اختبار التسرب التي يتم تنفيذها بالتتابع على كل باب. تم توصيل وحدة مصدر التدبير لبوابة القطب الفردي بينما ترتكز الآخرين. ورفعت الجهد يصل إلى 1.5 V ويتم قياس التيار في المصدر. ضمن هذا النطاق الجهد، وليس من المفترض بوابة يعمل بشكل صحيح لإجراء، لأن طبقة شافي 2 يعزل المعدن من الركيزة السيليكون و آل Y O X يعزل بوابات متداخلة. عادة، ومن المعروف أكسيد انهيار للتحدث عن الفولتية أكبر من ~ 4 V، اعتمادا على هندسة الجهاز وأكسيد thickness يمكن. لذلك، إذا تم الكشف عن التيار أثناء الاختبار، فمن المحتمل أن واحدا على الأقل من طبقات أكسيد تلف والجهاز لابد من التخلص منها. عادة، أقل من 10٪ من البوابات تشير التسريبات. ومن المعروف أن العائد أن تتأثر تمديد مستو من الأقطاب البوابة. على وجه الخصوص، وأكبر تداخل البوابات مع المنطقة أكسيد بوابة الأرجح سيكون لديك البوابة إلى الركيزة التسرب. وبالمثل، فإن أكبر التداخل بين البوابات من طبقات مختلفة وعلى الأرجح حدوث البوابة إلى البوابة التسربات تكون. العائد نقلت وثيق الصلة للبوابات التي تشغل مساحة قدرها حوالي 50 ميكرون 2 على أكسيد رقيقة ومع البينية التداخل ما يقرب من 0.5 ميكرون 2. بمجرد تمرير جهاز اختبار التسرب الأولي، وترتبط الاتصالات ومصدر استنزاف للتأمين في مكبر للصوت وأبواب إلى وحدات التحكم ذات الجهد البطارية الرف. في هذا التكوين، يتم تشغيل الجهاز سن من خلال زيادة مستوى العالم حتى كل الفولتية البوابة في وقت واحد. المقبل، ورفعت كل باب على حدة الجهد أسفل مع الحفاظ على الآخرين في الفولتية العالية للتحقق من قدرة بوابات الفردية لقرصة قبالة الحالية. ويبين الشكل 4A آثار التمثيلية لهذه القياسات. غياب إما التوصيل مسار مصدر استنزاف أو الفردي بوابة قرصة قبالة غالبا ما يكون مؤشرا على نوع من الضرر البوابة مثل انفجار البوابة أو الانقطاع المعدنية. وأخيرا، يتم قياس مصدر استنزاف الحالية بوصفها وظيفة من التحيز مصدر استنزاف والبوابة الغطاس الجهد لمراقبة توقيع كولوم الحصار 16 (انظر الشكل 4B). القياسات مرة واحدة وقد تم العثور على جهاز مناسب، يتم إزالته من السفينة والسائلة، والمجففة مع بندقية الهواء الساخن لتجنب تشكيل الرطوبة التي قد تسبب ESD. وأخيرا، يتم نقله إلى ثلاجة التخفيف. <ص الطبقة = "jove_content"> يتم تنفيذ التجارب في الثلاجة تخفيف البلاستيك عصامي مع درجة الحرارة الأساسية من حوالي 100 كلفن. ناظم البرد في فراغ الغرفة غارقة في حمام 4.2 K الهيليوم. وthermalized الخطوط الكهربائية في وعاء 1 K الذي يعمل أيضا لتكثيف بخار 3HE واردة. في غرفة الخلط، ونقل ماص للحرارة الذرات 3HE من مرحلة 3HE الغنية في المرحلة 3HE-مخفف يسمح النظام للوصول إلى درجة الحرارة الأساسية من حوالي 100 كلفن. كما هو مبين في الشكل (5)، وقد تم تجهيز الثلاجة مع 20 خطوط العاصمة و 3 خطوط الترددات اللاسلكية المستخدمة لربط الالكترونيات درجة حرارة الغرفة إلى الجهاز في درجة حرارة منخفضة. خمسة من خطوط العاصمة هي الكابلات Thermocoax والملتوية 15 الأسلاك تلوح في الأفق الزوج. هذه خطوط ربط الأقطاب بوابة العينة إلى مصادر العاصمة الجهد بالبطارية. وتستخدم فواصل الجهد في RT للحد من الضوضاء الكهربائية على بوابات الفردية. خطوط RF هي الكابلات المحورية semirigid التي هي الموهن بنسبة 10 ديسيبل في 4 K للحد من الضوضاء الحرارية والعاصمة سدت في RT. وترتبط هذه الأسطر إلى الدليل الموجي متحد المستوى من المحملات التحيز على PCB. وتستخدم transimpedance مكبر للصوت منخفض الضوضاء والمتعدد الرقمي لقياس التيار التي تم إنشاؤها بواسطة المضخة. يتم توصيل الالكترونيات الى الجهاز عن طريق optoisolators بالبطارية لمنع تشكيل حلقات الأرض. ويتم إنتاج الإشارات محرك RF قبل مولد الموجي التعسفي الذي عزل من واحدة من ناظم البرد عن طريق عنصر كتلة العاصمة التأريض (انظر الشكل 5). ثنائي الفينيل متعدد الكلور يحتوي على 16 خطوط العاصمة نقية و 4 خطوط الإنطلاق الانحياز المستخدمة في الجمع بين العاصمة وميلان الفولتية في درجة حرارة منخفضة. كما هو مبين في الشكل 3B، وتستخدم RC مكونات منفصلة لتحقيق اتصال كوم (R = 100 أوم، C = 10 نف)، و 50 Ω يقابل-تستخدم لانتشار الإشارات عالية التردد الدليل الموجي متحد المستوى المتكاملة. e_content "> وبمجرد أن الجهاز في درجة حرارة MK، يتم ضبط الفولتية بوابة بحيث يتم تحقيق الإشغال واحد إلكترون في QD على وجه الخصوص، وتشكل الحواجز نفق تحت بوابات BL وBR، والتي يسببها تراكم طبقة الإلكترون تحت بوابات PL، SL وDL. ولهذه الغاية، يتم تعيين الفولتية بوابة الجدار ما دون بدوره على القيم، في حين أن الاستقطاب بوابات تراكم في أكبر مما كان بدوره على الجهد، وبهذه الطريقة يتم تشكيل QD تحت بوابة PL ويتم التحكم تمديد مستو لها عبر بوابات C1 و C2 التي يتم الاحتفاظ بها أدناه بدوره على القيم للحث على الولادة كهرباء الفولتية. وبعد ذلك، يتم تشغيل الإشارات اللاسلكية على لتعديل دوري شفافية حاجز النفق (ق)، والكهروكيميائية إمكانيات نقطة. ويتحقق ضخ وحيد الإلكترون مع واحد أو اثنين الفولتية القيادة الجيبية. وفي حالة محرك إشارة واحدة، يتم تطبيق إشارة القيادة للبوابة BL لتعديل إمكانات حاجز النفق في اليد اليسرى. -بجانبوQD. في حالة محرك الأقراص يومين إشارة، يتم تطبيق الإثارات التيار المتردد لبوابات BL وPL لتعديل إمكانات كل من حاجز اليسار وQD في نفس التردد ولكن مع مراحل وسعة مختلفة. هذه درجة إضافية من الحرية تسمح لأحد للتحكم في اتجاه نقل الإلكترون 13. هناك حاجة إلى عملية تكرارية عادة لضبط المعلمات التجريبية الرئيسية (أي سعة محرك إشارة الترددات اللاسلكية / مراحل وبوابة العاصمة الفولتية) وتحقيق تكميم الحالي الأمثل. لاحظ أنه لا البروتوكولين ضخ يحتاج إلى التحيز استنزاف المصادر لتنفيذ عمليات نقل المسؤول. وبالتالي، ترتكز الأقطاب المصدر واستنزاف خلال العملية مضخة الشكل 6 يوضح الهضاب الحالي مميزة في مضاعفات عدد صحيح من EF التي تم الحصول عليها عن طريق تطبيق يومين إشارة محرك الجيبية إلى حاجز المدخلات (BL) والمكبس (PL) البوابة. تؤخذ هذه البيانات على تردد القيادة منخفضة نسبيا (10 ميغاهيرتز) التي ر uning من المعلمات يمكن القيام بها بسرعة. في الممارسة العملية، فمن المستحسن لتشغيل المضخة في عدة مئات من ميغاهرتز، والتي تتطلب عادة ما يكون أدق بكثير المعلمة الأمثل 13. الشكل 1. التصنيع الدقيق. (A) توضيح تخطيطي من الخطوات الرئيسية في التصنيع الدقيق. لا يتم رسم الرسوم على نطاق كبير. (B) تنفيذ منطقة مخدر للاتصالات أومية. (C) تنفيذ أكسيد البوابة. (D) معدنة من الاتصالات أومية. اكتمال (E) مجهرية صورة حقل الفردية على شريحة وبعد عملية التصنيع الدقيق. حجم الحقل هو 1.2 X 1.2 مم 2. اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم. خيمة "FO: المحافظة على together.within صفحة =" دائما "> الشكل 2. Nanofabrication. (A) عملية التصنيع للطبقات بوابة الفردية. لا يتم رسم الرسوم على نطاق كبير. (B) بوابة البنية النانوية 3-طبقة المستخدمة في التجارب تهمة الضخ. اليسار: SEM صورة من جهاز مماثل لتلك المستخدمة للقياسات. الحق: وجهات النظر التخطيطي مستعرضة الجهاز عبر X-Y قص وقطع الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 3. التوصيلات الكهربائية للعينة. (A) تصميم لوحة الدوائر المطبوعة. (B) التكبير من منطقة من PCB مع تي-التحيز (يسار) لد الدوائر المكافئة (يمين). (C) رقاقة مع 6 حقول فردية لصقها على حامل رقاقة وأسلاك السندات لالربط الكهربائي لثنائي الفينيل متعدد الكلور. (D) صورة مجهرية من حقل الفردية بعد nanofabrication. (E) SEM صورة للتخطيط البوابة في مركز المنطقة أكسيد البوابة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم. الرقم 4. اختبارات أولية. (A) مصدر استنزاف ميلان الحالي (جذر متوسط مربع) بوصفها وظيفة من الفولتية بوابة مختلفة. يتم قياس آثار مع مكبر للصوت قفل في 50 μV RMS الإثارة في 113.17 هرتز. لفردي بوابة الجهد يتتبع يتم إصلاح ما تبقى الفولتية بوابة في 2.0 V، باستثناء V C1 = <م> V C2 = 0.0 V. (B) خريطة ملونة من مصدر استنزاف الحالية بوصفها وظيفة من المكبس بوابة الجهد ومصدر استنزاف الجهد التحيز. 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. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم. خطوط الرقم 5. تخطيطي لقياس انشاء وعشرون دي سي (الخضراء) وثلاثة خطوط محوري الترددات اللاسلكية (أسود) ربط الالكترونيات RT لثنائي الفينيل متعدد الكلور. توصيل نزيف مضخة (البنفسجية) إلى transimpedance مكبر للصوت والمتعدد الرقمية عبر optoisolator، في حين يرتكز مصدر الاتصال (الحمراء). الاتصالات الأرضية منفصلة (طndicated مع رموز مختلفة) وتستخدم للأجهزة الإلكترونية وخطوط الكهرباء ناظم البرد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم. الرقم 6. تكميم الحالي. ضخها الحالية بوصفها وظيفة من V PL لمدة إشارة محرك الجيبية في ميغاهيرتز F = 10 تطبيقها على بوابات BL وPL. فرق الطور = 49 درجة، V RF PL = V RF BL = 0.31 V ص. يتم عرض الموقف المثالي من الهضاب الضخ في مضاعفات صحيحة للEF كخطوط حمراء الأفقية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

بروتوكول الواردة في هذه الدراسة يصف التقنيات لتصنيع السيليكون MOS QDS، فضلا عن الإجراءات التجريبية لاختبار سلامتها الفنية وتشغيلها مثل مضخات واحد الإلكترون. بشكل ملحوظ، من خلال تكييف تصميم البوابة، ويمكن استخدام عملية التصنيع ذاتها لإنتاج أجهزة مناسبة لنوعية الشيء قراءات والتحكم ^17، فضلا عن تهمة ضخ ^12،13. نلاحظ أن العديد من المعلمات عملية نقل في هذه المقالة قد تختلف اعتمادا على أدوات التصنيع المستخدمة (المعايرة، أو نموذج)، وكذلك على نوع من الركيزة السيليكون (سمك وكثافة الخلفية المنشطات). كميات مثل جرعة التعرض الطباعة الحجرية أو الوقت اللازم لتطوير، والحفر أو مدة الأكسدة، ويجب أن تكون محسوبة بدقة واختبارها للتأكد من تحقيق عائد موثوق بها. وعلاوة على ذلك، لا بد من تجنب انتقال الملوثات الناتجة عن استخدام أدوات التصنيع نفسها لعمليات مختلفة. تحقيقا لهذه الغاية، وعدد من كريتم تنفيذ الخطوات itical بمعدات مخصصة حصرا لتصنيع السيليكون مثل تبخر المعادن، وأفران الأكسجين والحمامات HF.

بشكل أعم، والسيليكون يقترب اهتماما متزايدا كمادة من خيار لتحقيق مضخات تهمة ^18-20. ويرجع هذا جزئيا إلى وجهة نظر جذابة تنفيذ معيار التيار الكهربائي الجديد القائم على الكم باستخدام عملية السيليكون في صناعة المتوافقة مع هذا. وهذا من شأنه الاستفادة من تقنيات التكامل راسخة وموثوقة لتطويره، الموازاة والنفقات العامة القيادة. الأهم، وهو مكمل MOS (CMOS) تقنية كاملة، وخالية من المعدن التقليدي كمادة البوابة، وقد أظهرت تقلص إلى حد كبير خلفية التقلبات المسؤول في أجهزة احد الإلكترون ^21. ويمكن لهذه التقلبات أن تكون ضارة في تحقيق الدقة المترولوجية.

بروتوكول مناقشتها هنا يقتصر على تحقيق MOS النانو الأجهزة مع البوابات المعدنية. لذلك، لachieلقد التوافق الكامل الصناعي والحد من التقلبات تهمة، ستكون هناك حاجة إلى تعديل أساليب ترسب البوابة واستخدام مخدر للغاية السيليكون متعدد الكريستالات كمادة البوابة.

في الختام، المضخات MOS QD مناقشتها هنا تضافرت مؤخرا ميزة تكنولوجية من السيليكون مع أداء جيد جدا من حيث الجيل الحالي دقيقة ^13. هذا نابع من مرونة عالية لعملية تصميم وتصنيع والتي تسمح لأحد على كومة طبقات بوابة متعددة تؤدي إلى نظام التعاقد وتنوعا. وtunability غرامة الناتجة من الحبس الكهربائي من نقطة جنبا إلى جنب مع القدرة على خفض خلفية التقلبات تهمة يمهد الطريق للتغلب على التحديات الرئيسية التي لوحظت في مجال أشباه الموصلات الأخرى مضخات ^22،23.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

نشكر KY تان، P. الكرسي وGC Tettamanzi لإجراء مناقشات مفيدة. ونحن نعترف بدعم مالي من المجلس الأسترالي للبحوث (منحة رقم DP120104710)، وأكاديمية فنلندا (منحة رقم 251748، 135794، 272806) وبدعم من الاسترالي مرفق التصنيع الوطنية لتصنيع الجهاز. يعترف AR بدعم مالي من برنامج منحة باحث جامعة نيو ساوث ويلز في وقت مبكر الوظيفي. ومن المسلم به أيضا توفير التسهيلات والدعم الفني من قبل جامعة آلتو في مركز Micronova Nanofabrication.

Materials

Silicon wafers	TOPSIL	4 inch
Electron-beam lithography machine	Raith gmbh	Raith 150two
E-beam resist	MicroChem gmbh	PMMA
Photoresist	MicroChem gmbh	nLOF2020
Mask aligner	Quintel	Q6000
Photoresist developer	MicroChem gmbh	AZ826MIF

Referanslar

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

Etiketler

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots Single-electron Pumping Quantum Computing Quantum Metrology Fabrication Characterization Charge Pumping

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Bu Makaleden Alıntı Yapın

Rossi, A., Tanttu, T., Hudson, F. E., Sun, Y., Möttönen, M., Dzurak, A. S. Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping. J. Vis. Exp. (100), e52852, doi:10.3791/52852 (2015).