【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(kāi)展,人們對(duì)高速、高靈敏度和高空間分辨率的電荷探測(cè)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(cè)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(duì)被測(cè)對(duì)象的溫度擾動(dòng)大;(2)靈敏度和速度低;(3)探測(cè)電路通常與被測(cè)對(duì)象相集成,位置固定而不可調(diào),測(cè)試靈活性差,效率低,并且對(duì)被測(cè)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(wèn)題,測(cè)量并記錄被測(cè)納米器件或電路中任意一點(diǎn)處的電荷/電勢(shì)及其動(dòng)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(guò)在絕緣探針的針尖處集成單電子晶體管(SET),實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的電荷分布成像和幾何形貌成像;通過(guò)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(hào)讀出SET的電荷狀態(tài),克服傳統(tǒng)SET速度慢的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高速、高靈敏度的電荷探測(cè)。該集成方法是對(duì)探針的納米制備及低溫操作的技術(shù)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(shí)間分辨率和高空間分辨率的重要測(cè)試手段。本論文重點(diǎn)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(shù),并提高探針的工作溫度和溫度范圍。論文的主要研究?jī)?nèi)容概括如下。1、在正統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上建立了SET的數(shù)學(xué)解析模型,結(jié)合蒙特卡羅與主方程兩種方法對(duì)SET進(jìn)行了數(shù)值分析,得到了精度較高、收斂較快的模擬結(jié)果。具體研究了柵極偏壓、漏極偏壓、溫度和隧道結(jié)電阻等參數(shù)對(duì)器件特性的影響,并探討了各參數(shù)對(duì)SET靈敏度的影響,總結(jié)了SET電荷計(jì)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,對(duì)RF SET探針上SET器件的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。2、發(fā)展了一種基于重?fù)诫sSOI的SET設(shè)計(jì)和制備方法,可精確控制器件的結(jié)構(gòu)及尺寸,形成了可靠的硅基SET可控制備技術(shù)。開(kāi)發(fā)了圖形反轉(zhuǎn)和圖形劃分的方法,結(jié)合電子束曝光、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕、紫外光刻、熱氧化等工藝,實(shí)現(xiàn)了SET隧穿勢(shì)壘和庫(kù)侖島的精確可控制備,得到了庫(kù)侖島直徑約60 nm、庫(kù)侖阻塞能約12.5 meV、工作溫度達(dá)70 K的Si基SET。熱氧化工藝形成了高質(zhì)量的隧穿勢(shì)壘,且進(jìn)一步減小了庫(kù)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(jí)提高至K量級(jí)。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(diào)制的SET阻抗對(duì)RF SET共振電路的品質(zhì)因子、阻抗和射頻信號(hào)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(zhì)因子和對(duì)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(zhì)因子更高,后者則具有更高的靈敏度。改進(jìn)并設(shè)計(jì)了可同時(shí)測(cè)量射頻特性和電學(xué)特性的RF SET的射頻讀出電路,對(duì)射頻讀出電路信號(hào)作數(shù)值分析,為優(yōu)化RF SET與電路設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)后續(xù)RF SET探針信號(hào)的高速高效讀出提供基礎(chǔ)。4、建立了SET電荷探測(cè)的等效電路模型,分析了SET與針尖邊緣距離對(duì)響應(yīng)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(shè)計(jì)與制備技術(shù),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(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)工藝,避免SET在探針刻蝕工藝中受到損壞,實(shí)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(nèi),庫(kù)侖島直徑約70 nm,在4.2 K時(shí)呈現(xiàn)出明顯的庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象,最佳電荷靈敏度約2.5?10-5 e/Hz1/2。庫(kù)侖阻塞能約18 meV,理論工作溫度高達(dá)到208 K,可適應(yīng)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(cè)到了諧振頻率約828 MHz、品質(zhì)因子約7.0的透射信號(hào),以及諧振頻率約690 MHz、品質(zhì)因子約6.4的反射信號(hào)。5、最后,將RF SET探針與低振動(dòng)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(jìn)行組裝,搭建了RF SET探針電荷探測(cè)與示波系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的幾何形貌掃描功能。通過(guò)COMSOL軟件,建立了RF SET探針的電荷探測(cè)模型。通過(guò)對(duì)靜電場(chǎng)的分析,研究了偏置電壓、探測(cè)距離對(duì)庫(kù)侖島電勢(shì)的影響,建立了耦合系數(shù)與探測(cè)距離間的解析關(guān)系,構(gòu)建了一種電荷檢測(cè)的定量研究方法。評(píng)估了探針對(duì)被測(cè)量子點(diǎn)的靈敏度及空間分辨率,電壓靈敏度最高達(dá)10-6 V/Hz1/2,空間分辨率約100 nm。在此基礎(chǔ)上,模擬得到了量子點(diǎn)的二維電勢(shì)分布圖,為系統(tǒng)的信號(hào)分析和定量化測(cè)試提供了第一手的具體指導(dǎo)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN32

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本文編號(hào)：2381406