[發(fā)明專利]一種射頻單電子晶體管掃描探針及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210410722.5
• 申請(qǐng)日: 2012-10-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102928624A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂利;秦華;李欣幸;孫建東;張曉渝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號(hào): G01Q60/38
• 分類號(hào): G01Q60/38;G01Q60/30
• 代理公司: 深圳市銘粵知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44304
• 代理人: 楊林;馬翠平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米器件及納米加工技術(shù)，尤其是一種集成化的射頻單電子晶體管制作掃描探針的技術(shù)，還可以應(yīng)用在電荷掃描成像與示波和原子力顯貌成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)

基于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和單電子隧穿效應(yīng)的單電子晶體管對(duì)在微納尺度下進(jìn)行其臨域的微小電荷變化具有極高的靈敏度。單電子晶體管對(duì)電荷敏感的核心是尺度僅為幾個(gè)到幾十納米的量子點(diǎn)或庫(kù)侖島，量子點(diǎn)通過(guò)隧穿勢(shì)壘與源漏電極耦合，控制柵極與庫(kù)侖島間則通過(guò)電容耦合。單電子晶體管可用于微納米尺度下進(jìn)行定點(diǎn)的高靈敏度電荷探測(cè)（參考文獻(xiàn)：K.K.Likharev，IEEE?Trans.Magn.MAG-23，1142(1987)）。傳統(tǒng)的單電子晶體管的電荷靈敏度可達(dá)到10^-6e/Hz^0.5，但是帶寬較小，一般小于1kHz（參考文獻(xiàn)：G.Zimmerli，R.L.Kautz，J.M.Martinis，Appl.Phys.Lett.61，237(1992)）。限于當(dāng)前納米加工技術(shù)的精度，單電子晶體管需在較低的溫度下工作（<4.2K）。另外，雖然單電子晶體管的本征工作速度可高達(dá)10-100GHz，但是由于其阻抗較大（>200kΩ），并且室溫下的讀出電路與單電子晶體管之間的信號(hào)線引入了較大的電容（>100pF），使實(shí)際工作帶寬只有幾十kHz。在單電子晶體管附近直接集成高遷移率晶體管（HEMT）放大器可以降低讀出電容，使單電子晶體管的工作帶寬提高至～1MHz，但是讀出電路的熱耗散通常給單電子晶體管的低溫工作環(huán)境帶來(lái)波動(dòng)，影響電荷探測(cè)的穩(wěn)定性和靈敏度，靈敏度為10^-4e/Hz^0.5時(shí)的帶寬僅有10kHz[參考J.Petersson?et?al.，Phys.Rev.B?53，13272(1996)]。目前，國(guó)際上已經(jīng)分別實(shí)現(xiàn)了單電子晶體管探針（SET?Scanning?Probe）（參考文獻(xiàn)：M.J.Yoo，T.A.Fulton，H.F.Hess，R.L.Willet，L.N.Dunkleberger，R.J.Chichester，L.N.Pfeiffer，and?K.W.West，Science?276，579(1997)）和射頻單電子晶體管技術(shù)（參考文獻(xiàn)：R.J.Schoelkopf，P.Wahlgren，A.A.Kozhevnikov，P.Delsing，and?D.E.Prober，Science?280，1238(1998)）。上述單電子晶體管探針電荷靈敏度已達(dá)到10^-5e/Hz^0.5的電荷靈敏度；但是速度低于100kHz，尚不能對(duì)微秒、納秒量級(jí)的電荷信號(hào)進(jìn)行有效測(cè)試；基于Al/Al₂O₃型的單電子晶體管，工作溫度通常在300mK以下；探針上沒(méi)有控制柵極，晶體管的工作點(diǎn)靠被測(cè)電路來(lái)設(shè)置，相互影響大。上述射頻單電子晶體管具有高速、高靈敏度特點(diǎn)，帶寬已高達(dá)100MHz；但是由于是固定在基底上，因此不能作空間掃描；采用基于Al/Al₂O₃或GaAs/AlGaAs的單電子晶體管，工作溫度通常在300mK以下。結(jié)合上述兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高速、高靈敏度、高空間分辨率的電荷探針，應(yīng)用于固態(tài)量子器件研究，將極大地提高人們認(rèn)知和調(diào)控微納尺度物理效應(yīng)的技術(shù)能力，提高量子器件和納米器件的研究水平和效率。

發(fā)明內(nèi)容

為解決以上問(wèn)題，本發(fā)明提供一種射頻單電子晶體管掃描探針，包括一端呈針形的凸出部的SOI襯底，還包括集成在所述SOI襯底上、相互匹配的射頻共振電路及單電子晶體管；所述單電子晶體管集成在SOI針形凸出部。

所述單電子晶體管包括用于控制單電子晶體管工作點(diǎn)的柵極以及源極、漏極；所述源極、漏極的歐姆接觸圖形呈對(duì)稱的蝶形狀，用于保持勢(shì)壘左右對(duì)稱，并使得歐姆接觸面積盡量大，用于降低單電子晶體管的整體導(dǎo)通阻抗；還包括位于所述源極和漏極之間的庫(kù)倫島，所述庫(kù)倫島尺寸小于50nm。

所述射頻共振電路由微帶傳輸線和平面環(huán)形電感構(gòu)成，提供接地、射頻輸入輸出和柵極引線電極；所述射頻共振電路通過(guò)所述單電子晶體管的漏極及與其連接的射頻信號(hào)線與單電子晶體管連接。

本發(fā)明還提供這種射頻單電子晶體管掃描探針的制作方法，包括如下步驟：

1）在SOI襯底上制作出針形凸出部；

2）在SOI襯底的針形凸出部集成制備硅基單電子晶體管；

3）在SOI襯底上根部的主體部位制作射頻共振電路，與集成在所述SOI凸出部的單電子晶體管實(shí)現(xiàn)匹配集成。