射频单电子晶体管探针及其应用研究

发布时间：2018-12-15 22:47

【摘要】：随着固态量子信息器件、纳米器件和新颖纳米功能材料研究的深入开展,人们对高速、高灵敏度和高空间分辨率的电荷探测提出了新需求。常规的低温电压或电流放大器不能满足上述测试需求,主要受以下几方面的限制:(1)放大电路功耗大,在低温下对被测对象的温度扰动大;(2)灵敏度和速度低;(3)探测电路通常与被测对象相集成,位置固定而不可调,测试灵活性差,效率低,并且对被测器件的反作用不可控。本文研制的射频单电子晶体管(RF SET)探针能有效解决上述问题,测量并记录被测纳米器件或电路中任意一点处的电荷/电势及其动态变化,是微纳尺度下物理、材料、器件和电路研究中的“示波器”和扫描成像显微镜。通过在绝缘探针的针尖处集成单电子晶体管(SET),实现高空间分辨率的电荷分布成像和几何形貌成像;通过在绝缘探针的主体部分集成射频共振电路,利用射频共振信号读出SET的电荷状态,克服传统SET速度慢的缺点,实现高速、高灵敏度的电荷探测。该集成方法是对探针的纳米制备及低温操作的技术挑战,RF SET探针的研制可为纳米器件、量子电子器件及其集成电路的研究提供一种具有高电荷分辨率、高时间分辨率和高空间分辨率的重要测试手段。本论文重点研究在绝缘体上硅(SOI)基底上集成SET、射频共振电路和扫描探针的微纳加工技术,并提高探针的工作温度和温度范围。论文的主要研究内容概括如下。1、在正统理论的基础上建立了SET的数学解析模型,结合蒙特卡罗与主方程两种方法对SET进行了数值分析,得到了精度较高、收敛较快的模拟结果。具体研究了栅极偏压、漏极偏压、温度和隧道结电阻等参数对器件特性的影响,并探讨了各参数对SET灵敏度的影响,总结了SET电荷计的设计准则,对RF SET探针上SET器件的设计具有指导意义。2、发展了一种基于重掺杂SOI的SET设计和制备方法,可精确控制器件的结构及尺寸,形成了可靠的硅基SET可控制备技术。开发了图形反转和图形划分的方法,结合电子束曝光、感应耦合等离子体刻蚀、紫外光刻、热氧化等工艺,实现了SET隧穿势垒和库仑岛的精确可控制备,得到了库仑岛直径约60 nm、库仑阻塞能约12.5 meV、工作温度达70 K的Si基SET。热氧化工艺形成了高质量的隧穿势垒,且进一步减小了库仑岛的尺寸,有效提高了器件的工作温度。与Al/Al2O3 SET及GaAs/AlGaAs SET相比,制备出的Si基SET将工作温度从mK量级提高至K量级。3、建立了透射式与反射式RF SET的等效电路模型,研究了受电荷调制的SET阻抗对RF SET共振电路的品质因子、阻抗和射频信号的影响,得到了SET阻抗的最佳匹配,获得了所需的谐振频率、品质因子和对SET阻抗的灵敏度。比较了透射式与反射式RF SET,前者共振频率及品质因子更高,后者则具有更高的灵敏度。改进并设计了可同时测量射频特性和电学特性的RF SET的射频读出电路,对射频读出电路信号作数值分析,为优化RF SET与电路设计、实现后续RF SET探针信号的高速高效读出提供基础。4、建立了SET电荷探测的等效电路模型,分析了SET与针尖边缘距离对响应和灵敏度的影响,发展了一种基于射频SOI的新型RF SET探针。基于先前的SET器件设计与制备技术,在高阻抗衬底的射频SOI上集成制备了探针、SET和射频传输线,有效减小了射频损耗,得到了RF SET探针。通过优化设计及改进工艺,避免SET在探针刻蚀工艺中受到损坏,实现了SET在探针上的精确定位与制备。制备出的Si基SET位于针尖10?m内,库仑岛直径约70 nm,在4.2 K时呈现出明显的库仑阻塞现象,最佳电荷灵敏度约2.5?10-5 e/Hz1/2。库仑阻塞能约18 meV,理论工作温度高达到208 K,可适应更宽的工作温度范围。将此RF SET探针与射频读出电路相集成,观测到了谐振频率约828 MHz、品质因子约7.0的透射信号,以及谐振频率约690 MHz、品质因子约6.4的反射信号。5、最后,将RF SET探针与低振动低温真空系统、射频读出电路、扫描控制系统等子系统进行组装,搭建了RF SET探针电荷探测与示波系统,实现了系统的几何形貌扫描功能。通过COMSOL软件,建立了RF SET探针的电荷探测模型。通过对静电场的分析,研究了偏置电压、探测距离对库仑岛电势的影响,建立了耦合系数与探测距离间的解析关系,构建了一种电荷检测的定量研究方法。评估了探针对被测量子点的灵敏度及空间分辨率,电压灵敏度最高达10-6 V/Hz1/2,空间分辨率约100 nm。在此基础上,模拟得到了量子点的二维电势分布图,为系统的信号分析和定量化测试提供了第一手的具体指导。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN32

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