Nanotechnology:采用熱掃描探針光刻和激光直寫相結(jié)合的方法快速制備點(diǎn)接觸量子點(diǎn)硅基晶體管

2019-02-27 09:49:13 admin 65

制造高品質(zhì)的固態(tài)硅基量子器件要求高分辨率的圖形書寫技術(shù),同時要避免對基底材料的損害。來自IBM實(shí)驗(yàn)室的Rawlings等人利用SwissLitho公司生產(chǎn)的3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機(jī)NanoFrazor,結(jié)合其高分辨熱探針掃描技術(shù)和高效率的激光直寫功能,制備出一種室溫下基于點(diǎn)接觸隧道結(jié)的單電子晶體管(SET)。

利用掃描探針可以確定最佳焦距下的Z向位置,同時確定掃描探針和激光直寫的位置補(bǔ)償,研究人員在兼顧高分辨和高效率書寫條件下得到小于100nm的精確度。利用CMOS工藝兼容幾何圖形氧化流程,研究人員在N型簡并摻雜(>1020/cm3)的絕緣硅基底上制備出該SET器件。所研究的三種器件的特性主要由Si納米晶和嵌入SiO2中的P原子所控制,進(jìn)而形成量子點(diǎn)(QDs)。量子點(diǎn)上電子尺寸微小且局域性強(qiáng),保證了SET在室溫情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。溫度測量結(jié)果顯示在100 – 300 K的范圍內(nèi),電流主要由熱激發(fā)產(chǎn)生,但在<100K時,主要以隧道電流為主。

在硅基量子點(diǎn)器件的制備過程中,內(nèi)部精細(xì)的功能器件區(qū)域一般要求高分辨率書寫,但是在外部電極相對粗糙的連接處僅需要高效的相對低分辨率刻蝕,這就是所謂的“混合搭配光刻”(mix-and-match lithography)。但是兩種不同原理的書寫技術(shù)結(jié)合應(yīng)用會增加工作量,同時帶來圖形轉(zhuǎn)移過程的位置偏差和對樣品表面的污染。在本工作中,3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機(jī)NanoFrazor系統(tǒng)將激光直寫技術(shù)與高分辨熱探針書寫技術(shù)(XY: 10nm,Z: 1nm)相結(jié)合(如圖1所示),這樣可以利用熱探針技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率區(qū)域的圖形書寫,而利用激光直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)低分辨率區(qū)域的快速書寫(如圖2a所示, 藍(lán)色區(qū)域?yàn)榧す庵睂憛^(qū)域,深綠色區(qū)域?yàn)闊崽结槙鴮憛^(qū)域),最后實(shí)現(xiàn)一次性書寫整體圖形的高效性,同時避免了不必要流程所導(dǎo)致的表面污染和位置偏差。

IBM專門研發(fā)設(shè)計的NanoFrazor 3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機(jī)所采用的針尖是具有兩個電阻加熱區(qū)域,針尖上方的加熱區(qū)域可以加熱到1000℃,第二處加熱區(qū)域作為熱導(dǎo)率傳感器位于側(cè)臂處,其能感知針尖與樣品距離的變化,精度高達(dá)0.1nm。因此,在每行直寫進(jìn)程結(jié)束后的回掃過程中,并不是通過針尖起伏反饋形貌信息,而是通過熱導(dǎo)率傳感器感應(yīng)形貌變化,從而實(shí)現(xiàn)了比AFM快1000余倍的掃描速度,同避免了針尖的快速磨損消耗。


NanoFrazor 3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機(jī)與傳統(tǒng)的微納加工設(shè)備,如納米醮印、激光直寫、聚焦離子束刻蝕FIB、電子束誘導(dǎo)沉積、電子束光刻EBL等技術(shù)相比,具有高直寫精度 (XY: 最高可達(dá)10nm, Z: 1nm)以及高直寫速度(20mm/s 與EBL媲美),具備實(shí)時形貌探測的閉環(huán)刻寫技術(shù)以及無需標(biāo)記拼接與套刻等獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢。加上其性價比高,使用和維護(hù)成本低,易操作等特點(diǎn),成為廣受關(guān)注的納米加工設(shè)備。