【摘要】：隨著固態(tài)量子信息器件、納米器件和新穎納米功能材料研究的深入開展,人們對高速、高靈敏度和高空間分辨率的電荷探測提出了新需求。常規(guī)的低溫電壓或電流放大器不能滿足上述測試需求,主要受以下幾方面的限制:(1)放大電路功耗大,在低溫下對被測對象的溫度擾動大;(2)靈敏度和速度低;(3)探測電路通常與被測對象相集成,位置固定而不可調,測試靈活性差,效率低,并且對被測器件的反作用不可控。本文研制的射頻單電子晶體管(RF SET)探針能有效解決上述問題,測量并記錄被測納米器件或電路中任意一點處的電荷/電勢及其動態(tài)變化,是微納尺度下物理、材料、器件和電路研究中的“示波器”和掃描成像顯微鏡。通過在絕緣探針的針尖處集成單電子晶體管(SET),實現(xiàn)高空間分辨率的電荷分布成像和幾何形貌成像;通過在絕緣探針的主體部分集成射頻共振電路,利用射頻共振信號讀出SET的電荷狀態(tài),克服傳統(tǒng)SET速度慢的缺點,實現(xiàn)高速、高靈敏度的電荷探測。該集成方法是對探針的納米制備及低溫操作的技術挑戰(zhàn),RF SET探針的研制可為納米器件、量子電子器件及其集成電路的研究提供一種具有高電荷分辨率、高時間分辨率和高空間分辨率的重要測試手段。本論文重點研究在絕緣體上硅(SOI)基底上集成SET、射頻共振電路和掃描探針的微納加工技術,并提高探針的工作溫度和溫度范圍。論文的主要研究內容概括如下。1、在正統(tǒng)理論的基礎上建立了SET的數(shù)學解析模型,結合蒙特卡羅與主方程兩種方法對SET進行了數(shù)值分析,得到了精度較高、收斂較快的模擬結果。具體研究了柵極偏壓、漏極偏壓、溫度和隧道結電阻等參數(shù)對器件特性的影響,并探討了各參數(shù)對SET靈敏度的影響,總結了SET電荷計的設計準則,對RF SET探針上SET器件的設計具有指導意義。2、發(fā)展了一種基于重摻雜SOI的SET設計和制備方法,可精確控制器件的結構及尺寸,形成了可靠的硅基SET可控制備技術。開發(fā)了圖形反轉和圖形劃分的方法,結合電子束曝光、感應耦合等離子體刻蝕、紫外光刻、熱氧化等工藝,實現(xiàn)了SET隧穿勢壘和庫侖島的精確可控制備,得到了庫侖島直徑約60 nm、庫侖阻塞能約12.5 meV、工作溫度達70 K的Si基SET。熱氧化工藝形成了高質量的隧穿勢壘,且進一步減小了庫侖島的尺寸,有效提高了器件的工作溫度。與Al/Al2O3 SET及GaAs/AlGaAs SET相比,制備出的Si基SET將工作溫度從mK量級提高至K量級。3、建立了透射式與反射式RF SET的等效電路模型,研究了受電荷調制的SET阻抗對RF SET共振電路的品質因子、阻抗和射頻信號的影響,得到了SET阻抗的最佳匹配,獲得了所需的諧振頻率、品質因子和對SET阻抗的靈敏度。比較了透射式與反射式RF SET,前者共振頻率及品質因子更高,后者則具有更高的靈敏度。改進并設計了可同時測量射頻特性和電學特性的RF SET的射頻讀出電路,對射頻讀出電路信號作數(shù)值分析,為優(yōu)化RF SET與電路設計、實現(xiàn)后續(xù)RF SET探針信號的高速高效讀出提供基礎。4、建立了SET電荷探測的等效電路模型,分析了SET與針尖邊緣距離對響應和靈敏度的影響,發(fā)展了一種基于射頻SOI的新型RF SET探針�；谙惹暗腟ET器件設計與制備技術,在高阻抗襯底的射頻SOI上集成制備了探針、SET和射頻傳輸線,有效減小了射頻損耗,得到了RF SET探針。通過優(yōu)化設計及改進工藝,避免SET在探針刻蝕工藝中受到損壞,實現(xiàn)了SET在探針上的精確定位與制備。制備出的Si基SET位于針尖10?m內,庫侖島直徑約70 nm,在4.2 K時呈現(xiàn)出明顯的庫侖阻塞現(xiàn)象,最佳電荷靈敏度約2.5?10-5 e/Hz1/2。庫侖阻塞能約18 meV,理論工作溫度高達到208 K,可適應更寬的工作溫度范圍。將此RF SET探針與射頻讀出電路相集成,觀測到了諧振頻率約828 MHz、品質因子約7.0的透射信號,以及諧振頻率約690 MHz、品質因子約6.4的反射信號。5、最后,將RF SET探針與低振動低溫真空系統(tǒng)、射頻讀出電路、掃描控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)進行組裝,搭建了RF SET探針電荷探測與示波系統(tǒng),實現(xiàn)了系統(tǒng)的幾何形貌掃描功能。通過COMSOL軟件,建立了RF SET探針的電荷探測模型。通過對靜電場的分析,研究了偏置電壓、探測距離對庫侖島電勢的影響,建立了耦合系數(shù)與探測距離間的解析關系,構建了一種電荷檢測的定量研究方法。評估了探針對被測量子點的靈敏度及空間分辨率,電壓靈敏度最高達10-6 V/Hz1/2,空間分辨率約100 nm。在此基礎上,模擬得到了量子點的二維電勢分布圖,為系統(tǒng)的信號分析和定量化測試提供了第一手的具體指導。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：江南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN32

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本文編號：2381406