Name: silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots for single-electron pumping
Uploaded: 2015-06-03T15:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 58 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping at JoVE.com

Biz yararlı tartışmalar için KY Tan, P. See ve GC Tettamanzi teşekkür ederiz. Biz cihaz imalatı için Avustralya Ulusal Fabrikasyon Tesisi mali Avustralya Araştırma Konseyi (Hibe No DP120104710), Finlandiya Akademisi (Hibe No: 251748, 135794, 272806) destek ve destek için minnettarım. AR University of New South Wales Erken Kariyer Araştırmacı Grant düzeni mali destek kabul eder. MICRONOVA nanofabrikasyon Merkezi&#39;nde Aalto Üniversitesi tarafından tesisleri ve teknik destek sağlanması da kabul edilmektedir.

Not: Bu protokol, imal paket ve silikon MOS QD teknolojisine dayalı tek elektron pompaları test etmek için kullanılan prosedürleri açıklamaktadır. Bölüm 3 kişilerce ISO6 laboratuarlarda yapılan ise alt bölümler 1 ve 2&#39;de açıklanan adımlar, ISO5 temiz oda içinde gerçekleştirilir. Ortam koşulları sürekli olarak kontrol edilmektedir. Sıcaklık ve nem için nominal değerleri sırasıyla, 20 ± 1 ° C ve% 55 ±% 5 olarak belirlenmiştir. 1. Mikro ve <ol><li> Saha Oksit <ol><li> 100 ° C &#39;de, H, RCA-2 çözeltisi (DI suyun 175 mi, HCI 30 mi, pirana etch (10 dakika), deiyonize (Dİ) su (10 dakika) 2 O 2 30 ml: Aşağıdaki batırılarak gofret temizleme 1 (10 sn), DI su (10 dakika): 10 dakika), iyonu giderilmiş su (5 dakika), su içinde 10 inceltilmiş (HF) asit. HF (yani, gözlük, PVC önlük ve PVC eldiven) kullanırken koruyucu giysiler kullanın. Belirtilen sırayla devam edin. </li><li> Gofret yerleştirinaşağıdaki gibi, 900 ° C de fırın içinde oksidasyon adımda okside: Kuru O 2 (10 dakika), ıslak O 2 (40 dakika) ve kuru bir O 2 (10 dakika), N2 (15 dakika). </li></ol></li><li> Ohmic İletişim <ol><li> Fotolitografi ve aşındırma oksit yürütmek. <ol><li> Aşağıdaki gibi gofret yüzeyine yapışma promoteri heksametildisilazan (HMDS) içindeki bir kaç-nm-kalınlıkta bir tabaka yatırın: Önceden fırında bir sıcak plaka üzerinde 110 ° C&#39;de 1 dakika süre ile, bir cam beher içinde HMDS&#39;nin ~ 50 ml dökün, beher yer ve vakum odası gofret, tahliye ve 2 dakika boyunca bekleyin. </li><li> (25-40 sn istenen kalınlığına bağlı olarak, 3.000-5.000 rpm) ön ve arka tarafı gofret hem Fotorezist 2-4 mikron kalınlığında bir tabaka Spin. </li><li> (Kalınlığı direnmeye göre 4-10 saniye boyunca 10 mW / cm 2) maske hizalama ultra-viyole ışık Açığa. 1 dakika boyunca 110 ° C&#39;de bir sıcak plaka üzerinde sonrası fırında. </li><li> Daha sonra iyonu giderilmiş su içinde durulama 1-2 dakika boyunca geliştirilmesi. </li&gt; <li> 20 dakika O 2 plazma etch gerçekleştirin (; olay gücü = 50 W, basınç = 340 mTor yansıyan güç &lt;1 W). </li><li> Tamponlu HF asit çözeltisi içinde Aşındırma oksit (15: 1, 4-5 dakika, 30 ° C de atışı ≈ 20 nm / dak etch). Iyonu giderilmiş su (5 dakika) ile durulayın. N2 ile kuru üfleyin. </li></ol></li><li> Aseton batırılarak ışığa çıkarın. İzopropanol (IPA) &#39;de, daha sonra N2 ile kurutma yıkayın. </li><li> (Istenilen katkılama yoğunluğuna bağlı olarak 30-45 dakika boyunca N2 akımı) fosfor kaynağı ile 1000 ° C de fırın içinde gofret yerleştirin. </li><li> Iyonu giderilmiş su (10 dakika) ile durulayın,: su içinde seyreltildi HF asit (1, 3-4 dakika, 30 ° C &#39;de aşındırma oranını ≈ 40 nm / dak 10) kontamine oksit tabakası çıkarın. </li><li> 1.1.2 olarak okside eder. </li></ol></li><li> Gate Oksit <ol><li> Tekrarlayın 1.2.1 ve 1.2.2 numaralı adımları. </li><li> Aşağıdaki gibi, 800 ° C &#39;de özel bir fırında gofret yerleştirin ve adımda okside: Kuru O 2 (10 dakika), dichloroethylene + O 2 (20 dakika) ve kuru bir O 2 (10-30 dakika, istenen oksit kalınlığına bağlı olarak), N2 (15 dakika). </li></ol></li><li> Ohmic İletişim Metalizasyon <ol><li> Adımı yineleyin 1.2.1. </li><li> Elektron demeti evaporatörde gofret yerleştirin. 0.2-0.5 nm / saniye ve 5 x 10 -6 Torr&#39;da alüminyum, 100 nm buharlaştırın. </li><li> Metal dışı kaldırmak için 1 saat boyunca 80 ° C&#39;de bir sıcak plaka üzerindeki N-metil-2-pirolidon (NMP) içinde gofret bekletin. Gerekirse ultrasonik ajitasyon kullanın. 2 dakika boyunca IPA içinde durulayın. N2 ile kuru üfleyin. </li><li> En az 15 dakika boyunca 400 ° C &#39;de oluşturan gaz içerisinde yeniden. </li></ol></li></ol> 2. nanofabrikasyon <ol><li> Gofret Küp şeklinde kesme <ol><li> Herhangi bir koruyucu kaplama olarak hareket gofret üzerine karşı (polimer ve eğirme parametre türü bu aşamada alakasız) dönerler. </li><li> ~ 10 x 2 mm 2 bireysel çipleri içine gofret kesmek için elmas uç dicer kullanın. </li></ol></li><li>Temizlik <ol><li> 80 ° C&#39;de bir sıcak plaka üzerindeki 1 saat boyunca NMP içinde emmek, daha sonra 2 dakika süre ile IPA içinde durulayın. N2 ile kuru üfleyin. </li><li> 5 dakika boyunca O 2 plazma etch gerçekleştirin (= 50 W olay gücü; yansıyan güç &lt;1 W). </li><li> Aseton ve IPA temiz Spin (7.500 rpm, 30 sn) </li></ol></li><li> Hizalama belirteçleri desenlendirme <ol><li> Sıkma polimetil metakrilat (PMMA 950K), A4 (30 sn, istenen kalınlığına bağlı olarak, 5,000-7,500 rpm) karşı dirençlidir. Tipik çalışma kalınlığı ≈ 150-200 nm. Fırında 90 saniye boyunca 180 ° C&#39;de bir sıcak plaka üzerinde karşı dirençlidir. </li><li> E-ışın litografi yürütmek. Aşağıdaki yazma koşullarını kullanın: = 30 keV enerji ışın, ışın akımı ≈ 30 pA, bölge dozu 500-650 uc / cm 2 belirteçler boyutuna bağlı olarak ≈ ve kalınlığı karşı. </li><li> (1: 3) 40-60 sn için, daha sonra 20 saniye boyunca IPA içinde durulayın metil izobutil keton ve IPA solüsyonunda karşı geliştirir. N 2 tabanca ile kuru üfleyin. </li><li> Yerelektron demeti evaporatörde yongası. Ti 15 nm ve 0.2-0.4 nm / sn Pt 65 nm ve 5 x 10 -6 Torr&#39;a buharlaşır. </li><li> Adım 1.4.3 deki gibi metal kaldırın. </li><li> Adımlarda 2.2.2-2.2.3 gibi temiz çip. </li></ol></li><li> Kapı desenlendirme <ol><li> Spin 2.3.1 gibi karşı. </li><li> E-ışın litografi yürütmek. = 30 keV enerji ışın, ışın akımı ≈ 30 pA, bölge dozu ≈ 500-700 uc / cm 2: yüksek çözünürlüklü özellikleri için aşağıdaki yazma koşullarını kullanın. Düşük çözünürlüklü özellikleri koşullarını yazın: = 15 keV enerji ışın, ışın akımı ≈ 10 nA, bölge dozu 400-600 uc / cm 2 ≈. </li><li> 2.3.3 gibi karşı geliştirin. </li><li> Termal evaporatörde çipi yerleştirin. 0.1-0.4 nm / sn ve 1-9 x 10 -6 mbar&#39;da Al buharlaşır. Şekil 2B&#39;de (Katman 1 25-35 nm, Katı 2 için 45-65 nm, gösterildiği gibi, hedef kalınlık, tabaka sayısına göre değişmektedir 75-90 nKatman 3 m). </li><li> Adım 1.4.3 deki gibi metal kaldırın. </li><li> 5-10 dakika boyunca 150 ° C&#39;de bir sıcak plaka üzerinde, Al oksidasyonu gerçekleştirmek. </li><li> Adım 2.2.3 olarak temizleyin çip. </li><li> Adımları tekrarlayın kez 3 katmanlı kapı yığını gerçekleştirmek için 2.4.1-2.4.7. </li></ol></li></ol> 3. Cihaz Paketleme <ol><li> Adım 2.1 olarak Zar çip </li><li> 2 dakika boyunca aseton ve IPA içinde elde edilen daha küçük çipler durulayın. </li><li> PMMA A5 ile baskılı devre kartı (PCB) bir bireysel parçası Tutkal. Kurumaya için 2 dakika bekleyin. Seçenek olarak ise, termalizasyon geliştirmek için, gümüş epoksi kullanılır. </li><li> Bir kama Bonder üzerine PCB yükleyin ve kablolama ile devam edin. </li></ol> 4. Cihaz Bütünlük Testleri <ol><li> Bir dip prob üzerine kablolu cihaz içeren PCB monte edin. </li><li> Daldırma prob olanlara PCB elektrik hatları tel. </li><li> Sıvı helyum ihtiva eden bir kap içine sonda yerleştirin. Aşırı helyum b önlemek için yavaş yavaş ilerleyinYağ-off. </li><li> Topraklı diğer kapıları tutarken her bir cihaz kapısı için, bir kaynak tedbir birimine prob gelen oda sıcaklık elektrodu bağlayın. Birkaç nA uyum akımını ayarlayın. 0,1 V adımlarla 1.5V sıfırdan gerilimi Sweep ölçmek ve akımı kaydedin. </li><li> Bir pilli değişken DC gerilim kaynağına her kapı hattını, kaynak hattı dahili bir kilit-amplifikatör ac gerilim kaynağı ve kilit-amplifikatör giriş portuna tahliye hattı. </li><li> Farklı kapı gerilimi konfigürasyonları (bakınız Şekil 4) için iletkenlik boşaltmak için kaynak ölçün. <ol><li> Küresel topraklı C1 ve C2 kapıları tutarak kapıları BL, BR, PL, SL ve DL, uygulanan gerilimleri kadar rampa. &#39;Turn-on&#39; aygıt özelliklerini kaydedin. </li><li> Tek tek her kapı gerilimi aşağı rampa ve Kapıları tutam-off &#39;özelliklerini kaydeder. </li><li> Elektrostatik qu tanımlamak için kapı gerilimleri ayarlayınturn-on gerilimlerde daha BL ve BR (PL, SL ve DL) küçük (büyük) üzerine gerilimleri ayarlayarak antum nokta. Coulomb abluka özelliklerini kaydedin. </li></ol></li></ol>

<ol>
	<li>Sze, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Physics of Semiconductor Devices. , 505-566 (1969).</li><li>Moore, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cramming+More+Components+onto+Integrated+Circuits.">Cramming More Components onto Integrated Circuits.</a> Electronics. 38, 114-117 (1965).</li><li>Voisin, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Few-Electron+Edge-State+Quantum+Dots+in+a+Silicon+Nanowire+Field-Effect+Transistor.">Few-Electron Edge-State Quantum Dots in a Silicon Nanowire Field-Effect Transistor.</a> Nano Lett. 14 (4), 2094-2098 (2014).</li><li>Asenov, A., Brown, A. R., Davies, J. H., Savas, K., Slavcheva, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simulation+of+Instrinsic+Parameter+Fluctuations+in+Decananometer+and+Nanometer-Scale+MOSFETs.">Simulation of Instrinsic Parameter Fluctuations in Decananometer and Nanometer-Scale MOSFETs.</a> IEEE Trans Electron Devices. 50 (9), 1837-1852 (2003).</li><li>Zwanenburg, F. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+Quantum+Electronics.">Silicon Quantum Electronics.</a> Rev. Mod. Phys. 85 (3), 961-1019 (2013).</li><li>Ladd, T. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantum+computers.">Quantum computers.</a> Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).</li><li>Piquemal, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genev&#232;s,+G.+for+a+direct+realization+of+the+quantum+metrological+triangle.">Genev&#232;s, G. for a direct realization of the quantum metrological triangle.</a> Metrologia. 37 (3), 207-211 (2000).</li><li>Angus, S. J., Ferguson, A. J., Dzurak, A. S., Clark, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gate-Defined+Quantum+Dots+in+Intrinsic+Silicon.">Gate-Defined Quantum Dots in Intrinsic Silicon.</a> Nano Lett. 7 (7), 2051-2055 (2007).</li><li>Gonzalez-Zalba, M. F., Heiss, D., Podd, G., Ferguson, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+aluminium-gated+single+electron+transistor+on+a+doped+silicon-on-insulator+etched+nanowire.">Tunable aluminium-gated single electron transistor on a doped silicon-on-insulator etched nanowire.</a> Appl. Phys. Lett. 101 (10), 103504-103501 (2014).</li><li>Lim, W. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+the+single-electron+regime+in+a+highly+tunable+silicon+quantum+dot.">Observation of the single-electron regime in a highly tunable silicon quantum dot.</a> Appl. Phys. Lett. 95 (24), 242102-242103 (2009).</li><li>Yang, C. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spin-valley+lifetimes+in+silicon+quantum+dots+with+tunable+valley+splitting.">Spin-valley lifetimes in silicon quantum dots with tunable valley splitting.</a> Nat. Commun. 4 (2069), (2013).</li><li>Chan, K. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-electron+shuttle+based+on+a+silicon+quantum+dot.">Single-electron shuttle based on a silicon quantum dot.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (21), 212103-212101 (2011).</li><li>Rossi, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+accurate+single-electron+pump+based+on+a+highly+tunable+silicon+quantum+dot.">An accurate single-electron pump based on a highly tunable silicon quantum dot.</a> Nano Lett. 14 (6), 3405-3411 (2014).</li><li>Pekola, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-electron+current+sources:+Toward+a+refined+definition+of+the+ampere.">Single-electron current sources: Toward a refined definition of the ampere.</a> Rev. Mod. Phys. 85 (4), 1421-1472 (2013).</li><li>Giblin, S. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+a+quantum+representation+of+the+ampere+using+single+electron+pumps.">Towards a quantum representation of the ampere using single electron pumps.</a> Nat. Commun. 3, 930 (2012).</li><li>Kouwenhoven, L. P., Austing, D. G., Tarucha, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Few-electron+quantum+dots.">Few-electron quantum dots.</a> Rep. Prog. Phys. 64 (6), 701-736 (2001).</li><li>Veldhorst, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+addressable+quantum+dot+qubit+with+fault-tolerant+control+fidelity.">An addressable quantum dot qubit with fault-tolerant control fidelity.</a> Nat. Nanotech. 9 (12), 981-985 (2014).</li><li>Fujiwara, A., Nishiguchi, K., Ono, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoampere+charge+pump+by+single-electron+ratchet+using+silicon+nanowire+metal-oxide-semiconductor+field-effect+transistor.">Nanoampere charge pump by single-electron ratchet using silicon nanowire metal-oxide-semiconductor field-effect transistor.</a> Appl. Phys. Lett. 92 (4), 042102-1-042102-3 (2008).</li><li>Jehl, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+Metal-Semiconductor+Electron+Pump+for+Quantum+Metrology.">Hybrid Metal-Semiconductor Electron Pump for Quantum Metrology.</a> Phys. Rev. X. 3 (2), 021012-1-021012-7 (2013).</li><li>Tettamanzi, G. C., Wacquez, R., Rogge, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Charge+pumping+through+a+single+donor+atom.">Charge pumping through a single donor atom.</a> New J. Phys. 16 (6), 063036-1-063036-17 (2014).</li><li>Koppinen, P. J., Stewart, M. D., Zimmerman, N. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+Electrical+Characterization+of+Fully+CMOS-Compatible+Si+Single-Electron+Devices.">Fabrication and Electrical Characterization of Fully CMOS-Compatible Si Single-Electron Devices.</a> IEEE Trans Electron Devices. 60 (1), 78-83 (2013).</li><li>Fletcher, J. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stabilization+of+single-electron+pumps+by+high+magnetic+fields.">Stabilization of single-electron pumps by high magnetic fields.</a> Phys. Rev. B. 86 (15), 155311-1-155311-6 (2012).</li><li>Kataoka, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+Nonadiabatic+Excitation+in+a+Single-Electron+Quantum+Dot.">Tunable Nonadiabatic Excitation in a Single-Electron Quantum Dot.</a> Phys. Rev. Lett. 106 (12), 126801-1-126801-4 (2011).</li></ol>

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Bu yazıda bildirilen protokol işlevsel bütünlüğünü sınamak ve tek elektron pompaları olarak çalıştırmak için silikon MOS QDS yanı sıra deneysel prosedürleri imal teknikleri anlatılmaktadır. Dikkate değer olarak, kapak tasarımı uyarlayarak, aynı üretim süreci 12,13 pompalama kuantum biti okuma ve kontrol 17 için uygun cihazlar, daha iyi bir yük üretmek için de kullanılabilir. Biz bu makalede alıntı proses parametrelerinin birçok kullanılan fabrikasyon araçları bağlı olarak değişebilir unutmayın (kalibrasyon, marka veya model) yanı sıra, silikon substrat (kalınlık ve arka plan doping yoğunluğu) türüne. Böyle litografi poz doz veya geliştirme süresi, aşındırma ya da oksidasyon süresi gibi miktarları, dikkatle kalibre ve güvenilir bir verim sağlamak için test edilmelidir. Ayrıca, farklı süreçler için aynı fabrikasyon araçları kullanımından kaynaklanan çapraz bulaşmayı önlemek için çok önemlidir. Cr Bu amaçla, bir takımitical adımlar metal buharlaştırıcılar, oksijen fırınları ve HF banyoları olarak sadece silikon işleme adanmış ekipman ile yürütülmektedir. Daha genel olarak, silikon şarj pompaları 18-20 gerçekleştirmek için seçim malzemesi olarak giderek artan bir ilgi çekiyor. Bu bir endüstri uyumlu silikon süreci kullanarak yeni bir kuantum tabanlı elektrik akımı standardın uygulanması çekici bir bakış açısı nedeni kısmen. Bu ölçeklenebilirlik, paralelleştirme ve sürüş yükü için köklü ve güvenilir entegrasyon teknikleri yararlanacak. Önemli bir şekilde, kapak malzemesi olarak, geleneksel metal içermeyen tam tamamlayıcı MOS (CMOS) teknolojisi, tek elektron cihazları 21 büyük ölçüde azaltılmış arka yük dalgalanmaları göstermiştir. Bu tür dalgalanmalar metroloji doğrulukları ulaşmada zararlı olabilir. Burada tartışılan protokol metal kapıları ile MOS nano cihazların gerçekleştirilmesi ile sınırlıdır. Bu nedenle, achie içinTam endüstriyel uyumluluk ettik ve şarj dalgalanmaları azaltmak, bu kapı biriktirme teknikleri değiştirebilir ve kapı malzemesi olarak yüksek katkılı polikristal silikon kullanmak için gerekli olacaktır. Sonuç olarak, burada tartışılan MOS QD pompaları son zamanlarda doğru şimdiki nesil 13 açısından çok iyi bir performans ile silikon teknolojik avantaj birleştirdik. Bu bir kompakt ve çok yönlü sisteme giden birden kapı katmanları yığını için izin tasarım ve üretim sürecinin yüksek esneklik kaynaklanmaktadır. Arka plan şarj dalgalanmalarını azaltmak için potansiyeli ile birlikte noktanın elektrostatik hapsi çıkan ince ayarlanabilirliği diğer yarı iletken gözlenen başlıca zorluklar 22,23 pompaları aşmak için hazırlıyor.

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 technology8,9 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/AlyOx 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 tools12,13. 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.

<table><tbody><tr><td>Silicon wafers</td><td>TOPSIL</td><td></td><td>4 inch</td></tr><tr><td>Electron-beam lithography machine</td><td>Raith gmbh</td><td></td><td>Raith 150two</td></tr><tr><td>E-beam resist&amp;nbsp;</td><td>MicroChem gmbh</td><td></td><td>PMMA</td></tr><tr><td>Photoresist</td><td>MicroChem gmbh</td><td></td><td>nLOF2020</td></tr><tr><td>Mask aligner</td><td>Quintel</td><td></td><td>Q6000</td></tr><tr><td>Photoresist developer</td><td>MicroChem gmbh</td><td></td><td>AZ826MIF</td></tr></tbody></table>

silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots for single-electron pumping

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.

Cihaz İmalatı İlk mikroimalat süreci (Protokol alt bölüm 1) ticari bir 4-inç yüksek saflıkta silikon gofret üzerinde gerçekleştirilir (n-tipi doping yoğunlaşmanın ≈ 10 12 cm -3, direnç&gt; 10 kΩcm; kalınlığı = 310-340 mikron ). Amaç kapı elektrotlar tevdi edileceği alt tabakanın gerçekleştirmektir. Bu alt-tabaka alanı oksit (adım 1.1), alan oksit (aşama 1.2), yüksek kaliteli kapısı oksit (1.3 adım a) ile kapatılmış bir iç bölge ile kapatılmış, bir n + bölge ile kapatılmış bir iç bölge yapılmıştır, ve metalize N + bölgesi için Omik kontaklar (adım 1.4). Şekil 1A-D mikroimalat sürecinin temel adımları göstermektedir. Şekil 1E mikrofabrikasyon sonra alt tabaka alanının mikroskobik görüntü gösterir. Bu aşamada litografi için minimum özellik boyutu yaklaşık 4 mm. SiOAşama 1.1 yetiştirilen 2 oksit katmanı olarak 100 nm arasında nominal bir kalınlığa sahip bir pasifleştirme tabakası olarak kullanılır. ohmik iletkenler olarak hareket n-tipi bölgeler fosfor difüzyon yoluyla elde edilir. 10 20 cm -3 - Hedef doping yoğunluğu yaklaşık 10 19 olduğunu. seçici kapısı dielektrik olarak kullanılmak üzere yetiştirilir, yüksek kaliteli SiO2 5 nm&#39;lik bir nominal bir kalınlığa sahiptir. Hedef arayüzü kusur yoğunluğu &lt;10 10 eV -1 cm -2 orta boşluğu yer almaktadır. Bir özel ve bilerek yapılmış üçlü duvar fırın bu işlem için kullanılır. Bu sistem, ağır metal iyonları ve mobil alkali iyonlarından kirlenmeyi en aza indirmek ve aynı zamanda oksidasyon odasının içine difüzyon nem girmesini önlemek için tasarlanmıştır. Elektrik temas oluşturmak üzere, alüminyum yastıkları n-tipi bölümlerinin bir kısmını elektron ışınlı buharlaştırma yoluyla bırakılır. nanofabrikasyon süreci (alt bölüm 2 bakınız) çip substr gerçekleştirilir1. adımda amaç işlenen gofret dicing elde edilen ates elektrostatik MOS QDS tanımlamak için kullanılan nano-ölçekli kapısı elektrotlar gerçekleştirmektir. Her nanofabrikasyon çalıştırmak genellikle 10-15 tam cihaz örnekleri üretir. Tarama elektron mikroskobu toplu iş başına 1-2 cihazların (SEM) görüntüleme genellikle EBL litografi aşamaları başarılı olmuştur teyit etmek için yapılır. SEM görüntüleme alt tabakada veya metalik kapılarında ücretleri enjekte ve kaçakların neden olabilir beri kalan elektriksel test edilirken, cihaz sadece az sayıda bu şekilde kontrol edilir. Bu aşamada litografi için asgari özellik boyutu yaklaşık 35 nm. Alt-tabaka bir döner sahne üzerine monte edilir ise tevdi Al filmlerin muntazamlık elde edilmesi için, metal, ikinci az angstrom / kadar düşük hızlarda buharlaştırılır. Bu, oda sıcaklığında muhafaza edilir, ve El tane boyutu, yaklaşık 20 nm arasında olduğu tahmin edilmektedir. Şekil 2A, nanofabricatio ana adımları göstermektedirn, işlemi. Şekil 2B geçit elektrotları doğru tanımı doğrulanır hangi bir SEM görüntüsünü gösterir. Genel olarak, bir mümkün olan en küçük özellik boyutu ile doğrudan QD tanımlamak o kapıları (BL, BR ve PL) gerçekleştirmeyi amaçlamaktadır. Buna karşılık, elektron rezervuarları (DL ve SL) tanımlamak için kullanılan kapılar açar enerji seviyelerinin kasıtsız ayrıştırmayı önlemek için daha geniş boyutlara sahip olabilir. Aşama 2.3&#39;te gerçekleştirilen nano-ölçekli Ti / Pt belirteçler kapılarının üç tabakadan tutarlı bir hizalama için referans olarak kullanılmaktadır. Platin e-kiriş SiO2 yüzeyine göre mükemmel kontrast için seçilir. Titanyum yapışmasını geliştirmek için kullanılır. Imalat sürecinin tüm aşamalarında, karbon-fiber uçlu cımbız yıkıcı elektrostatik boşalma (ESD) olasılığını azaltmak için, cips işlemek için kullanılır. Son olarak, sırayla Indivi elektrik ölçümleri gerçekleştirmek içinÇift cihaz, her bir fiş ile yaklaşık 2 x 2 mm 2 (alt-bölüm 3) daha küçük parçalara bölünen gerekmektedir. Her parça o halde pimleri Al teller aracılığıyla cihaz elektrotlara bağlı bir ısmarlama PCB (Rogers R03010 düşük kayıplı dielektrik) yapıştırılır. Tel bağlama fiş ısıtmadan bir kama Bonder makinesi ile gerçekleştirilir. Uygun bağlama parametrelerinin seçimini iki dayanmaktadır. Bir yandan, tel bağ termal Al y O x tabakası perfore ve kapı ped ile iyi metal-metal teması yapmak gerekiyor. Öte yandan, aşırı mekanik stres zarar veren kapısı ve neden substrat kaçaklarının altında alan oksit bir yumruk-çukur olayı neden olabilir. Kablo işlemi sırasında, bir antistatik bilezik kullanımı ESD önlemek için önerilir. Şekil 3&#39;te, 6 ayrı cihazlarla bir çip PCB üzerine yapıştırılır. Cihaz bütünlüğü testleri BeforBöyle bir seyreltme buzdolabı gibi bir mK sıcaklık ölçümü platformu haline bir cihaz yükleme e, ön elektrikli testler numunenin bütünlüğünü (Protokolün alt bölüm 4&#39;e bakınız) kontrol etmek için 4.2 K gerçekleştirilir. Bu amaçla, PCB, bir oksijen-bakır muhafazanın içine yerleştirilir ve en sonunda sıvı He batırılmış olan bir daldırma mili üzerine monte edilmiştir. ilk test genellikle her kapının üzerinde sırayla gerçekleştirilen bir sızıntı testidir. Diğer topraklı ise bir kaynak ölçü birimi tek bir kapı elektroduna bağlanır. Voltaj 1.5 V hızlandırıldığını ve akım kaynağı ile ölçülür. Bu gerilim aralığında, düzgün çalışan bir kapı SiO 2 kat silikon substrat metal yalıtır ve Al y O x örtüşen kapıları yalıtır, çünkü yapılması gerekiyordu değildir. Tipik olarak, oksit arıza cihaz geometri ve oksit thic bağlı gerilimler için ~ 4 V daha büyük oluştuğu bilinmektedirkness. Mevcut test sırasında tespit edilir, bu nedenle, bu oksit katmanların en az bir hasarlı olasıdır ve cihaz atılmalıdır. Genellikle, kapıların% 10&#39;dan az kaçaklarını gösterir. Verim kapı elektrotlarının yüzey genleşmesi etkilendiği bilinmektedir. Özellikle, kapı-to-substrat kaçaklarının sahip olacak daha büyük olasılıkla kapı oksit bölge ile kapıları büyük örtüşme. Benzer şekilde, farklı katmanlardan kapıları kapı için kapıya sızıntılarının daha muhtemel olay arasında büyük örtüşme olacak. alıntı verim ince oksit yaklaşık 50 mikron 2 lik bir alanı işgal kapılar hakkında ve ara katman ile yaklaşık 0,5 mikron 2 örtüşür. Cihaz ilk kaçak testini geçtikten sonra, kaynak ve boşaltma rehber amplifikatöre bir de kilit-ve modüler bir kontrol gerilim akü rafa kapıları bağlanır. Bu konfigürasyonda, cihaz o açıldığındaküresel aynı anda tüm kapı gerilimlerini Ramping ile n. Akımı çimdik bireysel kapıları yeteneğini doğrulamak için yüksek voltajlı diğerlerini tutarak Sonra, her kapı gerilimi ayrı düşürülür. Şekil 4A bu ölçümlerin temsilcisi izlerini gösterir. Bir kaynak tahliye iletim yolunun veya bireysel kapı tutam-off ya yokluğu genellikle kapı patlama veya metal devamsızlık olarak kapı hasarı bazı tip bir göstergesidir. Son olarak, kaynak boşaltma akımı Coulomb blokajı 16 (bakınız Şekil 4B) imzasını gözlemlemek için, kaynak tüketen önyargı ve piston kapı voltajının bir fonksiyonu olarak ölçülür. Ölçümler Uygun bir cihaz bulunduğunda, sıvı O kabından çıkarıldı ve ESD neden olabilir nem oluşmasını önlemek için, bir sıcak hava tabancası ile kurutulmuştur. Son olarak, bir seyreltme buzdolabı aktarılır. &lt;p class = &quot;jove_content&quot;&gt; deneyler yaklaşık 100 mK bir taban sıcaklığı ile kendinden yapılmış plastik seyreltme buzdolabında gerçekleştirilir. kriyostat 4.2 K helyum banyosu içine batırılmış bir vakum odasına sahiptir. elektrik hatları da gelen 3He buharını yoğunlaştırmak için kullanılır 1 K pot thermalized edilir. Karıştırma odası içinde, 3 He-inceltilmiş fazına 3 He açısından zengin fazdan 3 He atomlu bir endotermik aktarım sistemi 100 mK bir taban sıcaklığına ulaşmasını sağlar. Şekil 5&#39;te gösterildiği gibi, bir buzdolabı 20 akım hatları ve düşük sıcaklıkta cihaza oda sıcaklığı elektronik bağlamak için kullanılan 3 RF hatları ile donatılmıştır. DC hatlarının Beş Thermocoax kabloları ve 15 çift tezgah telleri bükülür. Bu satırlar pille çalışan DC gerilim kaynaklarına örnek kapısı elektrotlar bağlanır. Oda sıcaklığında Gerilim bölücüler bireysel kapıları elektrik gürültüyü azaltmak için kullanılır. RF hatları semirigid koaksiyel kablolar vardır<html> oda sıcaklığında bloke termal gürültü ve dc azaltmak için 4 K 10 dB zayıflatılmış. Bu satırlar PCB üzerindeki önyargı tee eşdüzlemsel dalga kılavuzları bağlanır. Bir düşük-ses yükselticisi transempedans ve dijital multimetre pompası tarafından üretilen akımı ölçmek için kullanılır. Elektronik toprak döngülerinden oluşumunu önlemek için pilli optoizolatörler üzerinden cihaza bağlanır. RF sürücü sinyalleri olan topraklama DC bloğu bileşeni aracılığıyla kriyostat birinden izole edilmiş bir rasgele dalga biçimi üreteci tarafından üretilir (bakınız Şekil 5). PCB 16 saf DC hatları ve düşük sıcaklıkta DC ve AC gerilimleri birleştirmek için kullanılan 4 önyargı tee satırları içerir. Şekil 3B&#39;de gösterildiği gibi, RC ayrı ayrı bileşenler Te bağlantı (R = 100 kH, C = 10 NF) gerçekleştirmek için kullanılır ve 50 yüksek frekanslı sinyallerin yayılması için kullanılan entegre düzlemli dalga kılavuzlarının Ω-eşleşti. e_content &quot;&gt; cihazı mK sıcaklıkta olduğunda, kapı voltajı QD tek elektron doluluk elde edilir, böylece. Özellikle, tünel engeller kapılar BL ve br altında meydana gelir; ayarlanır, ve bir elektron birikimi tabakası kapıları altında uyarılır birikim kapıları ile polarize ise PL, SL ve DL. Bu amaçla, bariyer kapı gerilimleri, kendi turn-on değerlerin altında ayarlanır daha-daha-turn-on gerilimle. Bir QD kapısı PL altında oluşturulan bu şekilde ve düzlemsel uzantısı Sonraki, rf sinyalleri periyodik tünel bariyer (ler) şeffaflığını modüle açılır. olan gerilimler elektrostatik tutulmasını ikna etmek için onların turn-on değerlerin altında tutulur kapıları C1 ve C2 üzerinden kontrol ve elektrokimyasal olduğu nokta potansiyel. Tek Elektron pompalama ya da bir ya da iki tahrik sinüzoidal voltaj ile elde edilir. Bir sinyal sürücü durumunda, tahrik sinyali sol-taraf tünel bariyer potansiyelini modüle kapısı BL uygulanır bir -yanQD. İki sinyal sürücü durumunda, AC uyarılmaları aynı frekansta fakat farklı aşamaları ve genlikleri sol bariyer ve QD hem potansiyellerini modüle kapıları BL ve PL uygulanır. Özgürlük Bu ek derece bir elektron transferi 13 yönünü kontrol etmek için izin verir. Tekrarlanan bir süreç genellikle nağme ana deneysel parametreler (yani rf sürücü sinyal genlikleri / fazlar ve DC kapı gerilimleri) ve optimal akım nicemlemeyi elde etmek için gereklidir. İki pompalama protokolleri ne ücret transferleri gerçekleştirmek için bir drenaj kaynak önyargı gerektiğini unutmayın. Bu nedenle, kaynak ve boşaltma elektrotları pompa çalışması sırasında temel alır. Şekil 6 göstermektedir giriş engeli (BL) ve piston (PL) Kapıya iki sinyal sinüsoidal sürücü uygulanmasıyla elde edilen ef tamsayı katları karakteristik akım platolar. Bu veriler, t, nispeten düşük bir tahrik frekansında (10 MHz) ile alınır<html> Parametrelerin uning hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir. Uygulamada, tipik haliyle, bir çok ince bir parametre optimizasyonu 13 gerektiren MHz birkaç yüz de pompayı çalıştırmak için arzu edilen bir durumdur. <img alt="Şekil 1" src="/files/ftp_upload/52852/52852fig1.jpg" /> Mikrofabrikasyon ana adımların Şekil 1. Mikro ve. (A) şematik gösterimi. Karikatürler ölçekli çizilmiş değildir. Omik kontaklar için katkılı bölgenin (B) Gerçekleşme. (C) kapı oksit gerçekleştirilmesi. Omik kontak (D) Metalizasyon. Mikroimalat işleminden sonra bir çip üzerinde bağımsız bir alan (E) Mikroskobik resim tamamlanır. Alan büyüklüğü 1.2 x 1.2 mm 2 &#39;dir. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52852/52852fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> hep &quot;&gt;:&quot; keep-together.within-page = fo &quot;çadır <img alt="Şekil 2," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig2.jpg" /> Bireysel kapı katmanları için Şekil 2. nanofabrikasyon. (A) Fabrikasyon işlem. Karikatürler ölçekli çizilmiş değildir. (B) şarj pompalama deneyleri için kullanılan 3 katmanlı kapı nanoyapı. Sol: ölçümler için kullanılan benzer bir cihazın SEM görüntüsü. Sağ:. X-cut ve Y-kesim boyunca cihazın şematik kesit görünümleri <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52852/52852fig2large.jpg" target="_blank">bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 3," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig3.jpg" /> Şekil örnek 3. Elektrik bağlantıları. Baskılı devre kartı (A) Düzen. (B) (solda) bir önyargı-tişört ile PCB bir bölgenin Büyütme bird eşdeğer devre (sağda). PCB elektrik bağlantısı için çip tutucu ve tahvil teller üzerinde yapıştırılmış 6 ayrı alanlarla (C) bir çip. (D) nano fabrikasyon sonra tek bir alanın mikroskopik görüntüsü. Kapı oksit bölgenin merkezinde kapı düzeni (E) SEM görüntüsü. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52852/52852fig3large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 4," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig4.jpg" /> Şekil 4. Ön testler. (A) Kaynak tüketen ac akım, farklı kapı gerilimlerinin bir fonksiyonu olarak (kök kare ortalama). İzler 113.17 Hz 50 mV RMS uyarma ile bir kilit-amplifikatör ile ölçülür. Bireysel geçit gerilimi için kalan kapı gerilimler V C1 = &lt;hariç, 2.0 V sabitlenir izleriem&gt; V C2 = piston geçit gerilimi ve kaynak tüketen önyargı gerilim. V SL bir fonksiyonu = 1,5 V, V DL = 1.15 V, V BL = 0.78 V gibi kaynak tüketen akımının 0.0 V. (B) Renk harita, V BR = 0.85 V, V C1 = V C2 = 0.0 V <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52852/52852fig4large.jpg" target="_blank">, bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 5," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig5.jpg" /> Ölçüm Şekil 5. şematik set-up. Yirmi DC hatları (yeşil) ve üç eksenli rf hatları (siyah) PCB RT elektronik bağlayın. Kaynak kontak (kırmızı) topraklanmış durumdayken pompası (mor) boşaltım bir transempedans amplifikatör ve optoizolatör üzerinden bir dijital multimetre bağlanır. Ayrı toprak bağlantıları (iFarklı semboller ile ndicated) elektronik enstrümantasyon ve kriyostat elektrik hatları için kullanılır. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52852/52852fig5large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 6," src="/files/ftp_upload/52852/52852fig6.jpg" /> Şekil 6. Akım niceleme. Kapılar BL ve PL uygulanan f = 10 MHz&#39;de iki sinyal sinüsoidal sürücü için V PL bir fonksiyonu olarak akım Pompaj. Faz farkı = 49 °, V RF PL = V RF BL = 0.31 V ss. ef katlarında pompalama yaylara ideal konumu kırmızı yatay çizgiler olarak gösterilmiştir. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52852/52852fig6large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping at JoVE.com

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

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

Tek elektron pompalayabilme için Silikon Metal-oksit-yarıiletken Kuantum Noktaları

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

silicon-metal-oxide-semiconductor-quantum-dots-for-single-electron

Universidad San Sebastian

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Electrical Engineering

Engineering

Unit 1

Basics of Semiconductors

SCIENTISTS IN ACTION

14.4K Görüntüleme.  University of New South Wales. The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

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

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the spatial and temporal heterogeneity of molecular behaviors that underlie cellular biology 1-4. To image an individual molecule of interest, it is typically conjugated to a fluorescent tag (dye, protein, bead, or quantum dot) and observed with epifluorescence or total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. While dyes and fluorescent proteins have been the mainstay of fluorescence imaging for decades, their fluorescence is unstable under high photon fluxes necessary to observe individual molecules, yielding only a few seconds of observation before complete loss of signal. Latex beads and dye-labeled beads provide improved signal stability but at the expense of drastically larger hydrodynamic size, which can deleteriously alter the diffusion and behavior of the molecule under study.
Quantum dots (QDs) offer a balance between these two problematic regimes. These nanoparticles are composed of semiconductor materials and can be engineered with a hydrodynamically compact size with exceptional resistance to photodegradation 5. Thus in recent years QDs have been instrumental in enabling long-term observation of complex macromolecular behavior on the single molecule level. However these particles have still been found to exhibit impaired diffusion in crowded molecular environments such as the cellular cytoplasm and the neuronal synaptic cleft, where their sizes are still too large 4,6,7.
Recently we have engineered the cores and surface coatings of QDs for minimized hydrodynamic size, while balancing offsets to colloidal stability, photostability, brightness, and nonspecific binding that have hindered the utility of compact QDs in the past 8,9. The goal of this article is to demonstrate the synthesis, modification, and characterization of these optimized nanocrystals, composed of an alloyed HgxCd1-xSe core coated with an insulating CdyZn1-yS shell, further coated with a multidentate polymer ligand modified with short polyethylene glycol (PEG) chains (Figure 1). Compared with conventional CdSe nanocrystals, HgxCd1-xSe alloys offer greater quantum yields of fluorescence, fluorescence at red and near-infrared wavelengths for enhanced signal-to-noise in cells, and excitation at non-cytotoxic visible wavelengths. Multidentate polymer coatings bind to the nanocrystal surface in a closed and flat conformation to minimize hydrodynamic size, and PEG neutralizes the surface charge to minimize nonspecific binding to cells and biomolecules. The end result is a brightly fluorescent nanocrystal with emission between 550-800 nm and a total hydrodynamic size near 12 nm. This is in the same size range as many soluble globular proteins in cells, and substantially smaller than conventional PEGylated QDs (25-35 nm).

We describe the preparation of colloidal quantum dots with minimized hydrodynamic size for single-molecule fluorescence imaging. Compared to conventional quantum dots, these nanoparticles are similar in size to globular proteins and are optimized for single-molecule brightness, stability against photodegradation, and resistance to nonspecific binding to proteins and cells.

Tek molekül Görüntüleme için kompakt Kuantum Noktaları

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

Mühendislik

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Gradient echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. The primary motivation for such a technology is that quantum key distribution (QKD), which uses Heisenberg uncertainty to guarantee security of cryptographic keys, is limited in transmission distance. The development of a quantum repeater is a possible path to extend QKD range, but a repeater will need a quantum memory. In our experiments we use a gas of rubidium 87 vapor that is contained in a warm gas cell. This makes the scheme particularly simple. It is also a highly versatile scheme that enables in-memory refinement of the stored state, such as frequency shifting and bandwidth manipulation. The basis of the GEM protocol is to absorb the light into an ensemble of atoms that has been prepared in a magnetic field gradient. The reversal of this gradient leads to rephasing of the atomic polarization and thus recall of the stored optical state. We will outline how we prepare the atoms and this gradient and also describe some of the pitfalls that need to be avoided, in particular four-wave mixing, which can give rise to optical gain.

The gradient echo memory is a protocol for storing optical quantum states of light in atomic ensembles. Quantum memory is a key element of a quantum repeater, which can extend the range of quantum key distribution. We outline the operation of the scheme when implemented in a 3-level atomic ensemble.

Sıcak Atom Vapor Gradient Echo Kuantum Hafıza

Gradient  echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in  atomic ensembles. The primary motivation for such a technology ...

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and entanglement, to solve certain problems exponentially faster than with the best known algorithms on a classical computer. Gate-defined lateral quantum dots on GaAs/AlGaAs are one of many avenues explored for the implementation of a qubit. When properly fabricated, such a device is able to trap a small number of electrons in a certain region of space. The spin states of these electrons can then be used to implement the logical 0 and 1 of the quantum bit. Given the nanometer scale of these quantum dots, cleanroom facilities offering specialized equipment- such as scanning electron microscopes and e-beam evaporators- are required for their fabrication. Great care must be taken throughout the fabrication process to maintain cleanliness of the sample surface and to avoid damaging the fragile gates of the structure. This paper presents the detailed fabrication protocol of gate-defined lateral quantum dots from the wafer to a working device. Characterization methods and representative results are also briefly discussed. Although this paper concentrates on double quantum dots, the fabrication process remains the same for single or triple dots or even arrays of quantum dots. Moreover, the protocol can be adapted to fabricate lateral quantum dots on other substrates, such as Si/SiGe.

This paper presents a detailed fabrication protocol for gate-defined semiconductor lateral quantum dots on gallium arsenide heterostructures. These nanoscale devices are used to trap few electrons for use as quantum bits in quantum information processing or for other mesoscopic experiments such as coherent conductance measurements.

Gate tanımlı GaAs / AlGaAs Yanal Kuantum Noktalarının nano fabrikasyon

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Resonance Fluorescence of an InGaAs Quantum Dot in a Planar Cavity Using Orthogonal Excitation and Detection

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). Resonant excitation without fluorescence detection &#8211; for example, a differential transmission measurement &#8211; can determine some properties of the emitting system, but does not allow applications or measurements based on the emitted photons. For example, the measurement of photon correlations, observation of the Mollow triplet, and realization of single photon sources all require collection of the fluorescence. Incoherent excitation with fluorescence detection &#8211; for example, above band-gap excitation &#8211; can be used to create single photon sources, but the disturbance of the environment due to the excitation reduces the indistinguishability of the photons. Single photon sources based on QDs will have to be resonantly excited to have high photon indistinguishability, and simultaneous collection of the photons will be necessary to make use of them. We demonstrate a method to resonantly excite a single QD embedded in a planar cavity by coupling the excitation beam into this cavity from the cleaved face of the sample while collecting the fluorescence along the sample&#39;s surface normal direction. By carefully matching the excitation beam to the waveguide mode of the cavity, the excitation light can couple into the cavity and interact with the QD. The scattered photons can couple to the Fabry-Perot mode of the cavity and escape in the surface normal direction. This method allows complete freedom in the detection polarization, but the excitation polarization is restricted by the propagation direction of the excitation beam. The fluorescence from the wetting layer provides a guide to align the collection path with respect to the excitation beam. The orthogonality of the excitation and detection modes enables resonant excitation of a single QD with negligible laser scattering background.

Resonant excitation of a single self-assembled quantum dot can be achieved using an excitation mode orthogonal to the fluorescence collection mode. We demonstrate a method using the waveguide and Fabry-Perot modes of a planar microcavity surrounding the quantum dots. The method allows complete freedom in the detection polarization.

Rezonans Floresans ortogonal uyarma ve algılama kullanarak düzlemsel boşluğunda bir InGaAs kuantum nokta

The ability to perform simultaneous resonant excitation and fluorescence detection is important for quantum optical measurements of quantum dots (QDs). ...

All-electronic Nanosecond-resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new techniques capable of characterizing their dynamics. Investigating single dopants requires sub-nanometer spatial resolution, which motivates the use of scanning tunneling microscopy (STM). However, conventional STM is limited to millisecond temporal resolution. Several methods have been developed to overcome this shortcoming, including all-electronic time-resolved STM, which is used in this study to examine dopant dynamics in silicon with nanosecond resolution. The methods presented here are widely accessible and allow for local measurement of a wide variety of dynamics at the atomic scale. A novel time-resolved scanning tunneling spectroscopy technique is presented and used to efficiently search for dynamics.

We demonstrate an all-electronic method to observe nanosecond-resolved charge dynamics of dopant atoms in silicon with a scanning tunneling microscope.

Tüm elektronik Nanosecond çözüldü tarama tünelleme mikroskobu: tek Dopant şarj Dynamics incelenmesi kolaylaştırılması

The miniaturization of semiconductor devices to scales where small numbers of dopants can control device properties requires the development of new ...

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape method or individual WS2 nanotubes by dispersing the suspension of WS2 nanotubes. The selected samples have been fabricated into devices by the use of the electron beam lithography and electrolyte is put on the devices. We have characterized the electronic properties of the devices under applying the gate voltage. In the small gate voltage region, ions in the electrolyte are accumulated on the surface of the samples which leads to the large electric potential drop and resultant electrostatic carrier doping at the interface. Ambipolar transfer curve has been observed in this electrostatic doping region. When the gate voltage is further increased, we met another drastic increase of source-drain current which implies that ions are intercalated into layers of WS2 and electrochemical carrier doping is realized. In such electrochemical doping region, superconductivity has been observed. The focused technique provides a powerful strategy for achieving the electric-filed-induced quantum phase transition.

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

Here, we present a protocol to control the carrier number in solids by using the electrolyte.

Elektrik alanı kontrol elektronik elektrolit çoğunluğuna tarafından WS2 Nanodevices durumlarda

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape ...

Enhanced Electron Injection and Exciton Confinement for Pure Blue Quantum-Dot Light-Emitting Diodes by Introducing Partially Oxidized Aluminum Cathode

Stable and efficient red (R), green (G), and blue (B) light sources based on solution-processed quantum dots (QDs) play important roles in next-generation displays and solid-state lighting technologies. The brightness and efficiency of blue QDs-based light-emitting diodes (LEDs) remain inferior to their red and green counterparts, due to the inherently unfavorable energy levels of different colors of light. To solve these problems, a device structure should be designed to balance the injection holes and electrons into the emissive QD layer. Herein, through a simple autoxidation strategy, pure blue QD-LEDs which are highly bright and efficient are demonstrated, with a structure of ITO/PEDOT:PSS/Poly-TPD/QDs/Al:Al2O3. The autoxidized Al:Al2O3 cathode can effectively balance the injected charges and enhance radiative recombination without introducing an additional electron transport layer (ETL). As a result, high color-saturated blue QD-LEDs are achieved with a maximum luminance over 13,000 cd m-2, and a maximum current efficiency of 1.15 cd A-1. The easily controlled autoxidation procedure paves the way for achieving high-performance blue QD-LEDs.

A protocol is presented for fabricating high-performance, pure blue ZnCdS/ZnS-based quantum dots light-emitting diodes by employing an autoxidized aluminum cathode.

Gelişmiş elektron enjeksiyon ve Exciton hapsi için kısmen oksitlenmiş alüminyum katot tanıtımı tarafından saf mavi kuantum nokta ışık - yayan diyotlar

Stable and efficient red (R), green (G), and blue (B) light sources based on solution-processed quantum dots (QDs) play important roles in next-generation ...

Production and Targeting of Monovalent Quantum Dots

The multivalent nature of commercial quantum dots (QDs) and the difficulties associated with producing monovalent dots have limited their applications in biology, where clustering and the spatial organization of biomolecules is often the object of study. We describe here a protocol to produce monovalent quantum dots (mQDs) that can be accomplished in most biological research laboratories via a simple mixing of CdSe/ZnS core/shell QDs with phosphorothioate DNA (ptDNA) of defined length. After a single ptDNA strand has wrapped the QD, additional strands are excluded from the surface. Production of mQDs in this manner can be accomplished at small and large scale, with commercial reagents, and in minimal steps. These mQDs can be specifically directed to biological targets by hybridization to a complementary single stranded targeting DNA. We demonstrate the use of these mQDs as imaging probes by labeling SNAP-tagged Notch receptors on live mammalian cells, targeted by mQDs bearing a benzylguanine moiety.

We provide detailed instructions for the preparation of monovalent targeted quantum dots (mQDs) from phosphorothioate DNA of defined length. DNA wrapping occurs in high yield, and therefore, products do not require purification. We demonstrate the use of the SNAP tag to target mQDs to cell-surface receptors for live-cell imaging applications.

Üretim ve Monovalent Kuantum Noktalarının Hedefleme

The multivalent nature of commercial quantum dots (QDs) and the difficulties associated with producing monovalent dots have limited their applications in ...

Biyomühendislik

Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform

To form a coherent quantum transport in hybrid superconductor-semiconductor (S-Sm) junctions, the formation of a homogeneous and barrier-free interface between two different materials is necessary. The S-Sm junction with high interface transparency will then facilitate the observation of the induced hard superconducting gap, which is the key requirement to access the topological phases (TPs) and observation of exotic quasiparticles such as Majorana zero modes (MZM) in hybrid systems. A material platform that can support observation of TPs and allows the realization of complex and branched geometries is therefore highly demanding in quantum processing and computing science and technology. Here, we introduce a two-dimensional material system and study the proximity induced superconductivity in semiconducting two-dimensional electron gas (2DEG) that is the basis of a hybrid quantum integrated circuit (QIC). The 2DEG is a 30 nm thick In0.75Ga0.25As quantum well that is buried between two In0.75Al0.25As barriers in a heterostructure. Niobium (Nb) films are used as the superconducting electrodes to form Nb- In0.75Ga0.25As -Nb Josephson junctions (JJs) that are symmetric, planar and ballistic. Two different approaches were used to form the JJs and QICs. The long junctions were fabricated photolithographically, but e-beam lithography was used for short junctions&#8217; fabrication. The coherent quantum transport measurements as a function of temperature in the presence/absence of magnetic field B are discussed. In both device fabrication approaches, the proximity induced superconducting properties were observed in the In0.75Ga0.25As 2DEG. It was found that e-beam lithographically patterned JJs of shorter lengths result in observation of induced superconducting gap at much higher temperature ranges. The results that are reproducible and clean suggesting that the hybrid 2D JJs and QICs based on In0.75Ga0.25As quantum wells could be a promising material platform to realize the real complex and scalable electronic and photonic quantum circuitry and devices.

Quantum integrated circuits (QICs) consisting of array of planar and ballistic Josephson junctions (JJs) based on In0.75Ga0.25As two-dimensional electron gas (2DEG) is demonstrated. Two different methods for fabrication of the two-dimensional (2D) JJs and QICs are discussed followed by the demonstration of quantum transport measurements in sub-Kelvin temperatures.

Superiletken Iki boyutlu elektron gazı platformunda ölçeklenebilir kuantum entegre devreler

To form a coherent quantum transport in hybrid superconductor-semiconductor (S-Sm) junctions, the formation of a homogeneous and barrier-free interface ...

Synthesis of In37P20(O2CR)51 Clusters and Their Conversion to InP Quantum Dots

This text presents a method for the synthesis of In37P20(O2C14H27)51 clusters and their conversion to indium phosphide quantum dots. The In37P20(O2CR)51 clusters have been observed as intermediates in the synthesis of InP quantum dots from molecular precursors (In(O2CR)3, HO2CR, and P(SiMe3)3) and may be isolated as a pure reagent for subsequent study and use as a single-source precursor. These clusters readily convert to crystalline and relatively monodisperse samples of quasi-spherical InP quantum dots when subjected to thermolysis conditions in the absence of additional precursors above 200 &#176;C. The optical properties, morphology, and structure of both the clusters and quantum dots are confirmed using UV-Vis spectroscopy, photoluminescence spectroscopy, transmission electron microscopy, and powder X-ray diffraction. The molecular symmetry of the clusters is additionally confirmed by solution-phase 31P NMR spectroscopy. This protocol demonstrates the preparation and isolation of atomically-precise InP clusters, and their reliable and scalable conversion to InP QDs.

Synthesis of In37P20O2CR51 Clusters and Their Conversion to InP Quantum Dots

A protocol for the synthesis of In37P20(O2C14H27)51 clusters and their conversion to indium phosphide quantum dots is presented.

37P20(O2CR)51 kümeler ve inp kuantum noktalarına dönüşümlerinin sentezini

This text presents a method for the synthesis of In37P20(O2C14H27)51 clusters and their conversion to indium phosphide quantum dots. The In37P20(O2CR)51 ...

Tek elektron pompalayabilme için Silikon Metal-oksit-yarıiletken Kuantum Noktaları

Özet

Daha Fazla Video Keşfet

Bu videodaki bölümler