[發(fā)明專利]一種基于單電子晶體管的電荷探針及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610907246.6
• 申請日: 2016-10-19
• 公開（公告）號: CN106430082B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 方靖岳;李欣幸;王飛;張學(xué)驁;秦華;常勝利;秦石喬
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B82B1/00;B82B3/00
• 代理公司: 長沙正奇專利事務(wù)所有限責(zé)任公司43113
• 代理人: 魏國先

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米電子器件及微納傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種基于單電子晶體管的電荷探針及其制備方法，用于電荷掃描探測。

背景技術(shù)

基于庫侖阻塞效應(yīng)和電子隧穿效應(yīng)的量子點單電子晶體管（SET），對其臨域的微小電荷變化具有極高的靈敏度，適合在微納尺度下進(jìn)行定點的高靈敏度電荷探測。SET對電荷敏感的核心是尺度僅為幾十納米的庫侖島，源漏電極通過隧穿勢壘與庫侖島耦合，控制柵極與庫侖島之間則通過電容耦合。SET適合在微納尺度下進(jìn)行定點的高靈敏度電荷探測。隨著納米器件加工技術(shù)的發(fā)展與成熟，SET作為一種靈敏電荷計，已經(jīng)成功運(yùn)用于很多方面。2000年，M. H. Devoret等人在GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)材料上制備金屬SET，探測并證明了二維電子氣系統(tǒng)的化學(xué)勢受磁場作用而發(fā)生變化的現(xiàn)象。2004年，J. M. Elzerman等人采用量子點接觸形式的SET成功探測到半導(dǎo)體量子點中的單電子自旋態(tài)。2008年，Geim等人又在石墨烯材料也上成功制備出SET，并且在2010年實現(xiàn)了石墨烯材料SET與石墨烯量子點器件的集成制備。其中，SET作為靈敏電荷計，以10^-3e/√Hz的電荷靈敏度探測到了附近受柵壓調(diào)控的量子點中電荷的變化。20世紀(jì)90年代末，West小組在光纖探針上集成SET，形成了具有高電荷靈敏度和高空間分辨率的掃描SET電荷計。這種SET探針?biāo)哂械臉O高電荷靈敏度和空間分辨率，在二維電子氣的態(tài)密度與費(fèi)米能級、金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變、量子霍爾效應(yīng)、局域態(tài)和電子-空穴聚團(tuán)等多體物理問題的實驗研究中能發(fā)揮重要作用。

由于在光纖探針上制備SET技術(shù)難度較高，并且制備效率較低，因此在上述SET探針技術(shù)的基礎(chǔ)上，并針對其存在的不足，人們對SET探針技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化。后續(xù)研究人員開始采用其他方法制備SET探針并嘗試將其集成到掃描探針顯微鏡中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，而提供一種基于單電子晶體管（SET）的電荷探針及其制備方法，實現(xiàn)原子力SET掃描探針在納米級高度對樣品表面電荷分布進(jìn)行高靈敏掃描探測。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于SET的電荷探針，具有探針懸臂梁，探針位于懸臂梁上，SET集成在探針針尖端面。

上述技術(shù)方案中，所述SET的源極、漏極、側(cè)柵極和庫侖島埋嵌在探針懸臂梁針尖端面的二氧化硅中。

上述技術(shù)方案中，所述電荷探針，以絕緣襯底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）為基片，SET的基本組成單元：源極、漏極、側(cè)柵極、庫侖島和隧穿勢壘集成在上述基片的頂層硅上，并且SET位于電荷探針針尖的端面，其中納米金顆粒作為SET的庫侖島，位于源極、漏極和側(cè)柵極之間，庫侖島被由基片頂層硅氧化而來的二氧化硅介質(zhì)包圍，庫侖島與源極、漏極以隧道結(jié)的形式耦合，庫侖島與側(cè)柵極以電容的形式耦合。

一種如上述基于SET的電荷探針的制備方法，包括如下步驟：

（1）以SOI為基片，在SOI基片的頂層硅上制備SET的源極、漏極、側(cè)柵極、勢壘層和庫侖島基本結(jié)構(gòu)；

（2）采用金屬輔助化學(xué)腐蝕的方法刻蝕頂層硅，腐蝕一定深度；

（3）采用研磨的方法去除一定厚度的頂層硅，再對SOI基片進(jìn)行氧化，使得SET的源極、漏極、側(cè)柵極和庫侖島埋嵌在二氧化硅中，形成隧穿勢壘，然后采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）沉積一定厚度的二氧化硅作為保護(hù)層；

（4）采用紫外光刻和濕法刻蝕工藝制備探針的針尖；

（5）采用氧化、磁控濺射、聚焦離子束（FIB）刻蝕和聚集離子束誘導(dǎo)沉積工藝，制備與SET源極、漏極、側(cè)柵極相連的微尺度電極；

（6）采用紫外光刻和濕法刻蝕工藝制備探針的懸臂梁。

上述制備方法的具體工藝流程如下：

（a）、選用雙拋SOI基片為制備材料，頂層硅厚度為5 μm，埋氧層厚度為4 μm，底層硅厚度為12 μm；

(b)、采用電子束曝光、電子束蒸發(fā)鍍膜和剝離的方法，在頂層硅表面制備SET的源極、漏極、側(cè)柵極和庫侖島，庫侖島直徑為20 nm，電極與庫侖島靠近端的寬度為25 nm，Au的沉積厚度為25 nm；源極與庫侖島之間、漏極與庫侖島之間的間距為25 nm，側(cè)柵極和庫侖島之間的距離為50 nm；