用于单电子泵送的硅金属-氧化物-半导体量子点

以下实验的总体目标是制备基于硅的金属氧化物半导体量子点，并将其用作单电子泵。该目标通过采用多层栅极技术制备硅纳米晶体管来实现，该技术可实现对量子点中受限单个电子的静电控制，并调控其转移速率。这是第二步。

在液氦温度下对制备的器件进行测试，以检查其结构完整性。电流-电压特性中观察到的库仑阻塞现象表明器件功能良好。结果表明，量子点可在马利克开尔文测量平台上作为单电子泵运行。

当入口势垒的透明度由交流信号驱动时，会出现特征电流平台，这即是其证据。硅纳米电子学是我们所处的信息时代的核心。

值得注意的是，硅也是量子应用（如量子计算和量子电学计量学）的优良宿主材料。在新南威尔士大学，我们已经开发出将传统晶体管转变为量子器件的技术。我们能够将电子限制在硅材料中一个仅有几十纳米大小的微小区域内。

这就是人们所说的量子点。我们利用这种量子点精确地从源极引线捕获一个电子，并将其推送到漏极引线，通过极快速地重复这一过程，未来将用于产生世界上最精确的电流。电学计量领域长期以来的一个目标是通过将电流单位 DM 对的定义与自然界的基本常数（例如电子电荷）相关联，来重新定义电流单位。

本文介绍的技术说明了如何制造和操作硅基量子器件以实现这一连接。本研究中使用的纳米级器件采用与工业CMOs工艺大体兼容的方案进行制备。然而，与标准的CMOs器件不同，我们增加了一个金属栅极堆叠结构，从而能够对单个电子实现空间限制。

本方案演示了如何测试和操作基于量子点的单电子泵。成功的关键在于能够调控量子点的静电势以及隧道势垒的透明度。通常使用多个射频信号来驱动单个电子进出量子点（tdot）。

与金属器件或三五族半导体等其他实现方式相比，我们的多层门控器件的最大优势在于，我们实现了对量子点静电限制的精确控制。这正是抑制泵浦机制中误差的关键。在硅片上生长场氧化层时，需将氧化炉预热至900摄氏度。

从一片正确清洁的两英寸硅晶圆开始。将晶圆放入炉中，开始氧化步骤。氧化过程约需一又四分之一小时。

完成后，准备在晶圆上沉积一层六甲基二硅氮烷（HDMS），以开始制备组学接触电极。为此，将晶圆置于110摄氏度的加热板上加热一分钟。同时，将约50毫升的HDMS倒入玻璃烧杯中。

当两者准备就绪后，将晶圆和烧杯放入真空腔室中，以便在晶圆表面沉积一层厚度为几纳米的六甲基二硅氮烷（HDMS）层。从真空腔室中取出晶圆后，将其转移至旋涂仪中，在晶圆的正面和背面旋涂一层厚度为2至4微米的光刻胶。

接下来，将晶圆从匀胶机转移至掩膜对准仪。放置晶圆并设置掩膜，以在此工艺中形成欧姆接触的图形。使用紫外光将该欧姆接触图形转移到晶圆上。

图案化完成后，将晶圆转移至加热板上。在后烘之后，于110摄氏度下烘烤1分钟。将晶圆显影1至2分钟，并用去离子水冲洗，然后送入等离子体刻蚀机。

在340毫托、50瓦入射功率且反射功率小于1瓦的条件下进行氧气等离子体刻蚀20分钟。等离子体刻蚀完成后，准备好15:1的缓冲氢氟酸溶液，温度为30摄氏度。

在30摄氏度条件下，假设刻蚀速率为每分钟20纳米，氧化层刻蚀时间为四到五分钟。刻蚀完成后，用去离子水冲洗晶圆五分钟，然后用干燥氮气吹干晶圆，再进行后续操作。接下来，准备好盛有丙酮和异丙醇的容器。

将晶圆浸入丙酮中五分钟以去除光刻胶，随后用异丙醇冲洗五分钟。将干燥后的晶圆转移至配备磷源的1000摄氏度炉中。

根据所需的掺杂浓度，将晶圆置于氮气流中30至45分钟。取出晶圆后，准备去除被污染的氧化层。准备好一个盛有稀释于水中的氢氟酸的容器和一个盛有去离子水的容器，每个容器均需足以浸没晶圆。

将晶圆浸入酸中三到四分钟，然后在水中冲洗10分钟。将晶圆放回保持在900度的氧化炉中。氧化后，经过大约一又四分之一小时完成氧化步骤。

下一步是在晶圆上形成一层几纳米厚的氧化物沉积层，并涂覆HDMS。接着，将晶圆转移至旋涂机，在晶圆两侧旋涂2至4微米厚的光刻胶。然后，再次将晶圆送至光刻对准仪进行处理。

将晶圆暴露于紫外光下以转移所需图案。显影后，将晶圆置于340毫托的氧气等离子体中刻蚀20分钟，随后在30摄氏度下使用15比1的缓冲氢氟酸溶液进行刻蚀。

将晶圆置于溶液中三到四分钟，然后用去离子水冲洗晶圆五分钟。干燥晶圆后，将其浸入丙酮中五分钟。为去除光刻胶，用异丙醇冲洗晶圆五分钟。

在氮气中干燥晶圆后，将其转移至专用的800摄氏度炉中，并放入氧化步骤中。根据所需的氧化层厚度，氧化时间控制在1小时至1小时15分钟。在进行栅极图形化之前，晶圆应先完成源极和漏极接触金属化，并切割成单个芯片。

这些尺寸为10毫米×2毫米的芯片已制备有用于电子束光刻的对准标记。铝栅极的图形化需要经过三次工艺循环，首先进行旋涂。每次循环中，将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）四层抗蚀剂旋涂至150至200纳米的厚度。涂覆完成后，将芯片转移至180摄氏度的热板上。

继续操作前，先将芯片烘烤90秒。现在将芯片移至电子束光刻机。在光刻过程中，对高分辨率和低分辨率区域使用不同的参数。

这是步态布局的图案。在本实验中，使用异丁基、酮和异丙醇按1:3比例配制的溶液进行显影，将芯片浸入该溶液中40至60秒。

用异丙醇冲洗芯片20秒，然后用氮气吹干。接着将芯片放入热蒸发仪中。准备进行第一遍铝的蒸发。

以每秒0.1至0.4纳米的速率蒸发铝，目标厚度为25至35纳米。蒸发完成后进行金属剥离，在80摄氏度的加热板上准备盛有乙二醇二甲醚的容器，将芯片浸泡其中一小时。随后，用异丙醇冲洗芯片两分钟。

在150摄氏度的加热板上进行铝氧化处理。将干燥的芯片置于加热板上，持续5至10分钟。使用丙酮和异丙醇在7,500 RPM转速下旋转清洗30秒，完成第一次清洗步骤。

该示意图概述了第一遍操作的流程。在第二遍操作中，蒸发45至65纳米厚的铝层。在第三遍操作中，蒸发75至90纳米厚的铝层，以实现三层栅极堆叠结构。

为了进行完整性测试，必须将芯片正确安装在印刷电路板上，安装芯片，并在芯片与印刷电路板之间建立电气连接。接下来，将印刷电路板安装到双列直插探针上。连接探针导线，以实现与器件栅极的电气连接。

当探针准备就绪后，取一个装有液氦的容器，并缓慢浸入探针，以避免液氦过度沸腾。该示意图展示了泄漏测试的连接方式。使用室温电极将除连接至源测量单元的一个栅极外的所有栅极接地。

将源测量单元的电压从0伏特逐步增加至1.5伏特，步长为0.1伏特，测量并记录电流。若未检测到电流，则器件通过漏电流测试。进行下一项测试时，将每个栅极连接至可变直流电压源。

将源极线路连接到锁相放大器的输入端口，同时将漏极线路连接到锁相放大器内置的交流电压源。通过同时逐步增加施加在 BL、br、pl、sl 和 DL 上的栅极电压，同时将 C1 和 C2 接地，测量其开启特性。

记录器件的开启特性。这是该测量的一个示例曲线。接下来，分别逐步降低每个栅极电压，以记录其夹断特性，其中在此测量中BL被逐步降低。

此处展示了图中开启和夹断特性的代表性结果。源漏交流电流的均方根值作为栅极电压的函数给出。栅极在示意图中已标注。

源极和漏极触点连接至锁相放大器，激励信号为均方根值50微伏、频率约113赫兹，栅极则连接至模块化可调电压电池组。栅极C1和C2保持在0伏，其余栅极保持在2伏。这是源漏电流随源漏偏压和滑动栅极电压变化的代表性测量结果，以颜色光谱形式表示。

当在针栅下方形成量子点时，会明显呈现出库仑阻塞的特征信号。当器件在配备高频电学线路的毫开尔文温度测量平台上运行时，可实现单电子泵浦。

在本实验中，输入势垒和栅极均施加频率为10兆赫的正弦驱动信号。电流在电子电荷的整数倍处出现的特征性平台以及频率是量子化电荷转移的标志性特征。本方案中的大多数工艺参数可能会因所使用的制造设备以及硅衬底类型的不同而有所变化。

诸如光刻曝光剂量、显影时间、刻蚀或氧化持续时间等参数必须经过仔细校准和测试，以确保获得稳定的产率。在 fabrication 工艺流程中，必须避免不同工艺步骤所用设备之间的交叉污染。为避免此类问题，我们配备了多种专门用于硅工艺处理的设备，例如金属蒸发仪、氧化炉和氢氟酸（HF）清洗槽。

当前量子化结果是在相对较高的 10 兆赫驱动频率下测得的，该频率下实验参数的调节可以快速完成。在实际应用中，通常希望在数百兆赫的频率下运行泵浦。需要指出的是，这通常需要更精细且耗时更长的参数优化。

通过本视频中讨论的制备工艺与测量技术，我们已在硅基系统中实现了具有创纪录精度水平的微观电流。这为未来完全基于量子力学原理重新定义电流单位带来了巨大前景。脉冲。我们目前正在探索用多晶硅替代器件中的常规金属栅极。

这可能会抑制我们目前观察到的背景电荷噪声。我们的目标是提高电子泵的稳定性和准确性，从而满足新一代国际电流标准所要求的极端计量条件。

本视频中介绍的技术展示了基于硅的纳米技术在量子器件领域的重要潜力。硅作为电荷泵浦的首选材料正受到越来越多的关注，这得益于利用与工业兼容的硅工艺来实现新型电流标准的前景，该方案可借助早已成熟且有利于系统可扩展性的集成技术。