סיליקון מתכת-תחמוצת-מוליכים למחצה קוונטי נקודות לשאיבת חד אלקטרון

Summary

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 SiO₂ gate 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^8,9 has 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

הערה: פרוטוקול זה מתאר את הנהלים המשמשים לפברק, חבילה ולבדוק משאבות חד-אלקטרון המבוססות על טכנולוגיית MOS QD סיליקון. הצעדים שנדונו בסעיפי משנה 1 ו- 2 מתבצעים בחדר נקי ISO5, בעוד אלה של סעיף 3 מבוצעים במעבדות ISO6. תנאי סביבה ברציפות נשלטים. ערכים נומינליים לטמפרטורה ולחות נקבעים על 20 ± 1 ° C ו -55% ± 5%, בהתאמה. 1. microfabrication שדה אוקסיד נקה את הרקיק על ידי טבילה בפעולות הבאה: לחרוט פיראניה (10 דקות), מים ללא יונים (DI) (10 דקות), פתרון RCA-2 (מיליליטר מים DI 175, 30 מיליליטר HCl, H 2 O 2 30 מיליליטר ב 100 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות), מים ללא יונים (5 דקות), חומצה הידרופלואורית (HF) מדוללת במים 10: 1 (10 שניות), מים DI (10 דקות). השתמש בגדי מגן בעת טיפול HF (כלומר, משקפי מגן, סינר PVC, וכפפות PVC). המשך בצו האמור. מניחים את פרוסותבתנור חמצון ב 900 ° C וחמצן בשלבים כדלקמן: O היבש 2 (10 דקות), O הרטוב 2 (40 דקות), O היבש 2 (10 דקות), N 2 (15 דקות). מגעים ohmic לבצע photolithography ותחמוצת לחרוט. להפקיד רובד כמה-ננומטר בעובי של hexamethyldisilazane אמרגן הידבקות (HMDS) על גבי משטח הרקיק כדלקמן: טרום לאפות על פלטה חמה ב 110 מעלות צלזיוס במשך 1 דקות, לשפוך ~ 50 מיליליטר של HMDS בכוס זכוכית, הנח את הכוס והרקיק בתא הוואקום, לפנות ולחכות 2 דקות. ספין שכבה 2-4-מיקרומטר בעובי של photoresist בשני מאחור ובצדדים מול הרקיק (3,000-5,000 סל"ד, 25-40 שניות בהתאם לעובי רצוי). לחשוף לאור אולטרה הסגול בaligner מסכה (10 mW / 2 סנטימטר ל4-10 שניות על פי להתנגד עובי). הודעה לאפות על פלטה חמה ב 110 מעלות צלזיוס במשך 1 דקות. לפתח במשך 1-2 דקות, ולאחר מכן לשטוף במים ללא יונים. </li> בצע לחרוט 2 פלזמה O במשך 20 דקות (לחץ = 340 mTorr; כוח התקרית = 50 W; משתקף כוח <1 W). תחמוצת לחרוט בפתרון חומצת HF שנאגרו (15: 1, 4-5 דקות, לחרוט 20 ננומטר / דקת ≈ שיעור על 30 מעלות צלזיוס). יש לשטוף במים ללא יונים (5 דקות). מכה יבשה עם N 2. הסר photoresist על ידי טבילה באצטון. לשטוף בisopropanol (IPA), ואז מכה יבשה עם N 2. מניחים פרוסה בתנור ב 1000 ° C עם מקור זרחן (N 2 זרימה במשך 30-45 דקות בהתאם לצפיפות סימום רצויה). הסר שכבת תחמוצת מזוהמת עם חומצת HF מדוללת במים (10: 1, 3-4 דקות, 40 ננומטר / דקת ≈ שיעור לחרוט על 30 מעלות צלזיוס), לשטוף במים ללא יונים (10 דקות). חמצן כמו ב1.1.2. השער אוקסיד חזור על שלבים 1.2.1 ו1.2.2. מניחים פרוסה בתנור ייעודי ב 800 מעלות צלזיוס וחמצן בשלבים כדלקמן: O היבש 2 (10 דקות), דichloroethylene + O 2 (20 דקות), O היבש 2 (10-30 דקות בהתאם לעובי תחמוצת רצוי), N 2 (15 דקות). Metallization מגעים ohmic חזור על שלב 1.2.1. מניחים פרוסה במאייד אלומת אלקטרונים. להתאדות של אלומיניום 100 ננומטר ב0.2-0.5 ננומטר / sec ו -5 x 10 -6 Torr. משרים את פרוסות ב-methyl-2-pyrrolidone N (תמ"א) על פלטה חמה על 80 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 להרים את המתכת. השתמש תסיסה קולית במידת צורך. יש לשטוף בIPA למשך 2 דקות. מכה יבשה עם N 2. לחשל ביצירת הגז ב 400 מעלות צלזיוס במשך לפחות 15 דקות. 2. Nanofabrication ופל חיתוך ספין כל להתנגד על גבי פרוסות סיליקון לפעול כציפוי מגן (סוג של פולימר פרמטרים וספינינג אינם רלוונטיים בשלב זה). השתמש דייסר טיפ יהלומים כדי לחתוך פרוסות לשבבים בודדים של ~ 10 x 2 מ"מ 2. ניקוי משרים בתמ"א עבור שעה 1 על פלטה חשמלית על 80 מעלות צלזיוס, ולאחר מכן לשטוף בIPA למשך 2 דקות. מכה יבשה עם N 2. בצע לחרוט 2 פלזמה O למשך 5 דקות (כוח תקרית = 50 W; משתקף כוח <1 W). ספין נקי עם אצטון וIPA (7,500 סל"ד, 30 שניות) דפוסי סמני יישור methacrylate polymethyl ספין (PMMA 950K) A4 להתנגד (5,000-7,500 סל"ד, 30 שניות תלוי בעובי רצוי). עובי אופייני עבודה ≈ 150-200 ננומטר. אופה להתנגד על פלטה חמה ב 180 מעלות צלזיוס במשך 90 שניות. לבצע יתוגרפיה קורה אלקטרוני. השתמש בתנאים הבאים לכתוב: אנרגיית אלומה = 30 קאב, ≈ נוכחי קרן 30 הרשות הפלסטינית, במינון אזור ≈ 500-650 μC / 2 סנטימטר בהתאם לגודל סמנים ולהתנגד עובי. לפתח להתנגד בפתרון של קטון isobutyl התיל וIPA (1: 3) ל40-60 שניות, ולאחר מכן לשטוף בIPA במשך 20 שניות. מכה יבשה עם N 2 אקדח. מקוםהשבב במאייד אלומת אלקטרונים. להתאדות 15 ננומטר של Ti ו -65 ננומטר של Pt ב.2-.4 ננומטר / sec ו -5 x 10 -6 Torr. הרם את המתכת כמו בשלב 1.4.3. שבב נקי כמו בשלבים 2.2.2-2.2.3. דפוסי שער ספין להתנגד כמו ב2.3.1. לבצע יתוגרפיה קורה אלקטרוני. השתמש בתנאים הבאים לכתוב לתכונות ברזולוציה גבוהה: אנרגיית אלומה = 30 קאב, ≈ נוכחי קרן 30 הרשות הפלסטינית, אזור מינון ≈ 500-700 μC / 2 סנטימטר. הוסף תנאים לתכונות ברזולוציה נמוכות: אנרגיית אלומה = 15 קאב, ≈ נוכחי קרן 10 NA, אזור מינון ≈ 400-600 μC / 2 סנטימטר. לפתח להתנגד כמו ב2.3.3. מניחים את השבב במאייד תרמית. להתאדות אל ב.1-.4 ננומטר / sec ו1-9 x 10 -6 mbar. עובי יעד משתנה בהתאם למספר שכבה, כפי שמוצג באיור 2 (25-35 ננומטר לשכבה 1, 45-65 ננומטר לשכבה 2, 75-90 nמ 'לשכבה 3). הרם את המתכת כמו בשלב 1.4.3. לבצע חמצון אל על פלטה חמה ב 150 מעלות צלזיוס למשך 5-10 דקות. שבב נקי כמו בשלב 2.2.3. חזרו על שלבים 2.4.1-2.4.7 פעמיים כדי להבין את ערימת שער 3-שכבה. אריזת 3. התקן שבב קוביות כמו בשלב 2.1 יש לשטוף את שבבים קטנים יותר וכתוצאה מכך אצטון וIPA למשך 2 דקות. דבק חתיכה ללוח מעגלים מודפס (PCB) עם PMMA A5 בודד. חכה 2 דקות לייבוש. לחלופין, כדי לשפר את thermalization, להשתמש אפוקסי כסף. טען את PCB על ונדר טריז ולהמשיך בחיווט. 4. בדיקות יושרה התקן הר PCB מכיל מכשיר קווי על בדיקה לטבול. חוט הקווים החשמליים של המעגלים המודפסים לאלה של הבדיקה לטבול. הכנס את הבדיקה לכלי המכיל הליום נוזלי. להתקדם לאט כדי להימנע מב הליום מוגזםשמן פעמי. עבור כל שער מכשיר, לחבר את האלקטרודה בטמפרטורת חדר המקבילה של החללית ליחידת מקור-מידה, תוך שמירה על השערים האחרים מקורקעים. הגדר את נוכחי ציות לכמה Na. לטאטא את המתח בין אפס ל 1.5V בצעדים של 0.1 V, למדוד ולתעד הנוכחי. חבר כל שורת שער למקור מתח DC משתנה המופעל באמצעות סוללות, קו המקור למובנה במקור AC מתח של מגבר נעילה ב, וקו הניקוז ליציאת הקלט של הנעילה ב מגבר. מדוד את המקור לניקוז מוליכות לתצורות מתח שער שונים (ראה איור 4). בעולם כבש את המתח להחיל BL שערים, BR, PL, SL וDL, על ידי שמירה על שערי C1 ו- C2 מקורקעים. רשום את מאפייני 'Turn-על' המכשיר. בנפרד כבש את כל מתח שער ולתעד את המאפיינים 'קמצוץ פעמי' השערים. התאם את מתח השער להגדיר qu אלקטרוסטטינקודת antum ידי הגדרת המתחים על BL וBR (PL, SL וDL) קטן יותר (יותר) מאשר התור-על מתחים. רשום את מאפייני מצור קולון.

Representative Results

ייצור מכשיר התהליך הראשוני microfabrication (סעיף 1 לפרוטוקול) מתבצע על פרוסות סיליקון מסחריות 4 אינץ 'טוהר גבוה (10 סנטימטרים 12 -3 ≈ ריכוז סימום מסוג n; התנגדות> 10 kΩcm; עובי = 310-340 מיקרומטר ). המטרה היא לממש את המצע שעליו אלקטרודות השער תופקדנה. מצע זה עשוי מאזור פנימי כתרים עם תחמוצת שדה (שלב 1.1), n ​​+ אזור כתרים עם תחמוצת שדה (שלב 1.2), אזור פנימי כתרים עם תחמוצת איכות גבוהה שער (שלב 1.3), ומתכת n + אזור ל אנשי קשר ohmic (שלב 1.4). דמויות 1A-D להמחיש את השלבים העיקריים של תהליך microfabrication. איור 1E מראה תמונה מיקרוסקופית של שדה מצע לאחר microfabrication. גודל תכונת המינימום ליתוגרפיה בשלב זה הוא כ 4 מיקרומטר. SiOיש 2 שכבת תחמוצת גדלה בשלב 1.1 עובי נומינלי של 100 ננומטר ומשמשת כשכבת פסיבציה. אזורים מסוג n הפועלים כמנצחי ohmic מתקבלים באמצעות דיפוזיה זרחן. צפיפות סימום היעד היא כ 19 אוקטובר – 20 אוקטובר סנטימטר -3. יש באיכות גבוהה SiO 2 שהוא גדל באופן סלקטיבי כדי לשמש כדיאלקטרי שער עובי נומינלי של 5 ננומטר. צפיפות פגם ממשק היעד היא <10 10 ev -1 סנטימטר -2 באמצע פער. קיר תנור משולש ייעודי ונבנה בכוונה משמש לתהליך זה. מערכת זו נועדה למזער זיהום מיונים של מתכות כבדות ויונים אלקלי ניידים, כמו גם למנוע לחות מלשדר לתוך תא החמצון. על מנת ליצור את מגעים החשמליים, כריות אלומיניום מופקדות באמצעות אידוי קרן אלקטרונים בחלק מהאזורים מסוג n. תהליך nanofabrication (ראה סעיף 2) מתבצע substr השבבאטס מתקבל ידי חיתוך רקיק מעובד בשלב 1. המטרה הוא להבין האלקטרודות השער בקנה מידה ננו משמשת להגדרה אלקטרוסטטי qds mos. כל ריצת בדרך כלל מייצרת 10-15 דגימות מכשיר שלמות. מיקרוסקופ סורק הדמיה (sem) 1-2 מכשירים ליצוו כדי לאשר ששלבי יתוגרפיה ebl היו מוצלחים. מאז ההדמיה sem עשויה להזריק חיובים במצע או בשערי המתכת ולגרום לדליפות, רק מספר קטן נבדק זו, ואילו השאר חשמלי. גודל תכונת מינימום ליתוגרפיה זה כ -35 ננומטר. להשיג אחידות טובה הסרטים אל שהופקדו, התאדתה בשיעורים איטיים כמה אנגסטרום > הניסויים מבוצעים במקרר דילול פלסטיק מתוצרת עצמי עם טמפרטורת בסיס של כ -100 ח"כ. Cryostat הוא בתא ואקום השקוע באמבט 4.2 K הליום. הקווים החשמליים thermalized בסיר K 1 אשר גם הוא מועסק להתעבות אדי 3He הנכנסים. בתא הערבוב, ההעברה אנדותרמית של אטומים 3He מהשלב 3He העשיר לשלב 3He-לדלל מאפשרת למערכת להגיע לטמפרטורת בסיס של כ -100 ח"כ. כפי שניתן לראות בתרשים 5, המקרר מצויד עם 20 קווי DC ו -3 קווי RF משמשים לחיבור האלקטרוניקה בטמפרטורת חדר למכשיר בטמפרטורה נמוכה. חמשת קווי DC הם כבלי Thermocoax ושזורים חוטי 15 נול זוג. קווים אלה להתחבר אלקטרודות השער של המדגם למקורות מתח DC-מופעל על סוללה. מחיצות מתח בRT משמשות להפחתת רעש חשמלי על שערים בודדים. קווי RF הם כבלים קואקסיאליים semirigid ש נחלש ב -10 dB ב 4 K כדי להפחית את הרעש תרמי וdc החסום ב RT. קווים אלה מחוברים לגלבו coplanar של טיז ההטיה על PCB. מגבר transimpedance רעש נמוך ומודד דיגיטלי משמשים למדידה הנוכחית שנוצר על ידי המשאבה. האלקטרוניקה מחוברת למכשיר באמצעות מבדדים אופטיים המופעלת באמצעות סוללות כדי למנוע היווצרות של לולאות קרקע. אותות RF הכונן מיוצרים על ידי גנרטור צורת גל שרירותי ההארקה שהוא מבודד מאחד cryostat באמצעות רכיב בלוק DC (ראה איור 5). PCB מכיל 16 קווי DC טהורים ו -4 קווי טי הטיה נהגו לשלב מתח DC ו- AC בטמפרטורה נמוכה. כפי שניתן לראות באיור 3, רכיבים בדידים RC משמשים כדי להבין את קשר טי (R = 100 ק"ג-אוהם, C = 10 NF), ו- 50 Ω התאמה גלבו coplanar המשולב המשמשים להפצת של אותות בתדר גבוה. e_content "> ברגע שהמכשיר הוא בטמפרטורת ח"כ, מתחי השער מותאמים כך שתפוסת יחיד אלקטרון בQD מושגת. בפרט, מחסומי מנהרה נוצרים תחת השערים BL וBR, ושכבת הצטברות אלקטרונים מושרה בשערים PL, SL וDL. לשם כך, מתחי שער המחסום נקבעים מתחת התור-על שלהם ערכים, ואילו שערי ההצטברות מקוטבים ב'גדול מ-תור-במתח. בדרך זו QD נוצר תחת שער PL וההארכה מישוריים נשלטת באמצעות שערי C1 ו- C2 שמתח נשמרים מתחת התור-על שלהם ערכים לגרום לכליאה אלקטרוסטטי. בשלב הבא, אותות RF מופעלים לווסת את השקיפות של מחסום המנהרות (ים) מעת לעת, ואלקטרוכימיים הפוטנציאל של הנקודה. שאיבה חד אלקטרון מושגת עם מתחי נהיגה סינוסי אחד או שתיים. במקרה של כונן אחד-אות, אות הנהיגה מוחל BL השער לווסת את הפוטנציאל של מחסום המנהרות ביד השמאל -side שלQD. במקרה של כונן שני אותות, עירורי AC מוחלים על BL שערים וPL לווסת את הפוטנציאלים של שני המחסום עזב וQD באותה התדירות אבל עם שלבים ואמפליטודות שונים. מעלות נוספות אלה של חופש תאפשר אחד כדי לשלוט על הכיוון של העברת אלקטרון 13. תהליך חוזר ונשנה שנדרש בדרך כלל לכוון את הפרמטרים של הניסוי העיקרי (כלומר, אמפליטודות אות כונן RF / שלבים ומתחי שער DC) ולהשיג קוונטיזציה הנוכחית אופטימלית. שים לב שאף אחד משני פרוטוקולי השאיבה צריך הטיה ניקוז-מקור לבצע העברות תשלום. לפיכך, אלקטרודות המקור וניקוז מקורקעות במהלך מבצע המשאבה. איור 6 מציגה את מישורי הרמה הנוכחיות האופייניות במכפילים שלמים של EF מתקבלים על ידי הפעלת כונן סינוסי שתי אות למחסום הקלט (BL) ואת בוכנת השער (PL). נתונים אלה נלקחו בתדירות נמוכה יחסית נהיגה (10 מגה-הרץ) שלא uning של הפרמטרים יכול להתבצע במהירות. בפועל, רצוי לפעול משאבה בכמה מאות מגה-הרץ, בדרך כלל דורש הרבה אופטימיזציה פרמטר עדינה 13. איור 1. microfabrication. () איור סכמטי של שלבים עיקריים בmicrofabrication. קריקטורות לא נמשכים סולם. מימוש (ב) לאזור מסומם לאנשי קשר ohmic. מימוש של תחמוצת שער (C). Metallization (D) של אנשי קשר ohmic. (ה) מיקרוסקופי תמונה של שדה בודד על שבב לאחר תהליך microfabrication הושלמה. גודל שדה הוא 1.2 x 1.2 מ"מ 2. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. אוהל "FO: לשמור-together.within עמודים =" תמיד "> איור Nanofabrication () תהליך 2.. ייצור לשכבות שער בודדים. קריקטורות לא נמשכים סולם. ננו-מבנה השער 3-השכבה המשמש לניסויי שאיבת תשלום (B). משמאל: תמונת SEM של מכשיר דומה לזה המשמש למדידות. מימין:. נוף החתך סכמטי של המכשיר על פני חתך-X ולחתוך Y אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 3. חיבורי חשמל למדגם. פריסה (א) ללוח המעגל המודפס. (ב) הגדלה של אזור של PCB עם הטיה-טי (משמאל)מעגל שווה ערך ד (מימין). (ג) שבב עם 6 שדות בודדים מודבקים על בעל השבב וחוטי קשר לחיבור חשמל למעגלים המודפס. תמונה מיקרוסקופית של שדה בודד לאחר nanofabrication (ד '). תמונה (E) SEM של פריסת השער במרכז אזור תחמוצת שער. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 4. בדיקות ראשוניות. () נוכחי AC מקור-ניקוז (שורש ממוצע ריבועים) כפונקציה של מתח שער שונה. עקבות נמדדות עם מגבר נעילה בעם עירור RMS 50 μV ב113.17 הרץ. למתח שער בודד עקבות מתחי השער הנותרים קבועים על 2.0 V, למעט V C1 = <em> V C2 = 0.0 V. מפת הצבע (B) של זרם המקור-ניקוז כפונקציה של מתח שער בוכנה וSL ההטיה מתח. V-מקור ניקוז = 1.5 V, V DL = 1.15 V, V BL = 0.78 V, V BR = 0.85 V, V C1 = V = C2 0.0 V. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. קווי איור 5. סכמטי של מדידת הגדרה. העשרים DC (ירוק) ושלושה קווי RF קואקסיאלי (שחור) לחבר את האלקטרוניקה RT ל- PCB. הניקוז של המשאבה (הסגולה) מחובר למגבר transimpedance ולמודד דיגיטלי באמצעות optoisolator, תוך מגע המקור (אדום) מעוגן. חיבורי קרקע נפרדים (indicated עם סמלים שונים) המשמשים למכשור האלקטרוני וקווי חשמל cryostat. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. 6. קוונטיזציה הספרה נוכחית. אובה נוכחי כפונקציה של V PL עבור כונן סינוסי שני אותות בMHz f = 10 יחולו על BL שערים וPL. הבדל שלב = 49 מעלות, V RF PL = V RF BL = 0.31 V עמ '. המיקום האידיאלי של מישורי רמת השאיבה במכפילים שלמים של EF מוצג כקווים אופקיים אדומים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

הפרוטוקול דיווח במאמר זה מתאר את הטכניקות לפברק סיליקון MOS QDs, כמו גם הליכי הניסוי כדי לבדוק את השלמות הפונקציונלית שלהם ולהפעיל אותם כמשאבות חד-אלקטרון. למרבה הפלא, על ידי התאמת עיצוב השער, יכול להיות מועסק באותו תהליך הייצור כדי לייצר מכשירים המתאימים לקריאת נתוני ביט קוונטים ושליטה ^17, כמו גם תשלום שאיבת ^12,13. נציין כי רב של הפרמטרים התהליך שצוטטו במאמר זה עשוי להשתנות בהתאם לכלי הייצור משמשים (כיול, לעשות או מודל), כמו גם בסוג של מצע סיליקון (עובי וצפיפות סימום רקע). כמויות כגון מינון חשיפה ליתוגרפיה או זמן פיתוח, תחריט או משך חמצון, צריכה להיות מכוילות בקפידה ונבדקו כדי להבטיח תשואה אמינה. יתר על כן, חשוב להימנע מזיהום צולב הנובע מהשימוש באותם הכלים ייצור לתהליכים שונים. לשם כך, מספר CRצעדי itical מתבצעים עם ציוד מוקדש אך ורק לעיבוד סיליקון כגון דודי מתכת, תנורי חמצן ואמבטיות HF.

באופן כללי יותר, סיליקון הוא ציור התעניינות גוברת בחומר של בחירה לממש משאבות תשלום ^18-20. זה נובע בחלקו הפרספקטיבה האטרקטיבי של יישום סטנדרטי זרם חשמלי מבוסס קוונטים חדשים באמצעות תהליך סיליקון תעשייה תואמת. זה היה ליהנות מטכניקות אינטגרציה מבוססות ואמינות ליכולת רחבה, במקביל ומעל הנהיגה. חשוב לציין, טכנולוגית MOS המשלים (CMOS) מלאה, ללא מסורתי מתכת כחומר השער, הראתה תנודות תשלום רקע מופחתות במידה ניכרת במכשירים חד-אלקטרון ^21. תנודות מסוג זה יכול להיות מזיקות בהשגת דיוקים המטרולוגי.

הפרוטוקול שנדון כאן מוגבל למימוש של ננו-התקני MOS עם שערי מתכת. לכן, כדי achieיש תאימות תעשייתית מלאה ולהפחית תנודות תשלום, זה יהיה צורך לשנות את הטכניקות בתצהיר שער ולהשתמש בסיליקון גבישי מסוממים מאוד כחומר השער.

לסיכום, משאבות MOS QD שנדונו כאן לאחרונה בשילוב היתרון הטכנולוגי של סיליקון עם ביצועים טובים מאוד במונחים של דור הנוכחי מדויק ^13. זה נובע מהגמישות הגבוהה של תהליך התכנון וייצור המאפשר אחד למחסנית שכבות מרובות שער מוביל למערכת קומפקטית ורבות-תכליתית. Tunability קנס התוצאה של הכליאה אלקטרוסטטי של הנקודה יחד עם הפוטנציאל להפחתת תנודות תשלום רקע מגדיר את הבמה כדי להתגבר על האתגרים העיקריים שנצפו במוליכים למחצה אחרים משאבות ^22,23.

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