CN101089545B - 一种射频单电子晶体管位移传感器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子信息技术领域，特别是一种射频单电子晶体管位移传感器的设计方法。在SOI衬底上制作双端固支梁和单电子晶体管，利用纳米尺度的双端固支梁作为敏感元件，再用射频单电子晶体管作为传感元件，形成快速超灵敏位移传感器。充分利用射频单电子晶体管的高灵敏度的特性(电荷灵敏度可达10^-5eHz^-1/2)，形成快速超灵敏位移传感器。这种基于SOI衬底材料的快速超灵敏位移传感器具有极高的位移灵敏度，可达10^-5nm，同时也具有很高的工作频率，可达几百MHz。这种快速超灵敏位移传感器可为量子测量提供一种有效的解决方法，可为量子信息技术的发展作出贡献。

Description

一种射频单电子晶体管位移传感器的制作方法

技术领域

本发明涉及量子信息技术领域，特别是一种射频单电子晶体管位移传感器的制作方法。更具体地是一种基于SOI衬底的射频单电子晶体管的快速超灵敏位移传感器的制作方法。

背景技术

快速超灵敏的位移和微小力传感器在目前具有广泛的应用前景，它可以用在量子重叠态、量子相干态、磁共振力显微镜(MRFM)的单自旋磁共振的测量中，另外还可以应用在核磁共振量子计算机的数据读出等方面。本发明所涉及的纳米尺度的位移传感器在射频范围内达到标准量子极限。以一个微米尺度的梁为例，假设共振频率为100MHz，品质因数为10⁴，可以估算出用该系统来测量量子相干态所要测量的最小位移为10^-5nm，另外我们要测量的单自旋磁共振中自旋电子之间的相互作用力一般为10^-16N左右，单个自旋所引起的梁的位移也为10^-5nm，所以本发明可以为精确地测量量子信息提供一种有效的解决方法，可以对推动量子信息技术的发展做出贡献。而目前市场上提供的一些精度较高的位移传感器如激光位移传感器，其测量精度为0.01μm，采样频率为几十KHz，这远远不能满足未来量子信息社会量子测量的需求。

单电子晶体管(SET)是由库仑岛和源漏电极通过低电容、高电阻的隧道结连接构成的，其基本的工作原理是库仑阻塞效应。它可以作为一种超灵敏静电计使用，电荷灵敏度可以达到10^-5eHz^-1/2，本发明就是利用了它的超高灵敏度。

库仑阻塞效应发生有两个条件：

一是温度T必须足够低，满足T＜E_C/k_B。

二是隧道结的电阻必须足够大，满足R_T＞R_K＝h/e²＝25.8KΩ。

单电子晶体管的结构图如图1-1所示：其中R_J1、R_J2、C_J1、C_J2分别是两个隧道结的电阻和电容，C_g是栅电容，SET的总电容C_∑＝C_J1+C_J2+C_g，库仑能量 $E_C=\frac{e^2}{2C_{\mathrm{\Σ}}}.$

单电子晶体管的源漏电流随着栅上的电荷的微小变化而变化，周期为e(一个基本电荷电量)。假设栅上电荷的变化为ΔQ，则栅电压的变化为 $\mathrm{\Δ}{V}_g=\frac{\mathrm{\ΔQ}}{C_g},$ 源漏电导G_d随着栅压V_g呈现周期性的振荡，从而源漏电流就会随之出现周期性的变化。如果栅电容C_g非常小，那么栅上极其微小的电荷(远小于一个电子电量e)变化都会引起栅电压的较大的变化，从而出现明显的源漏电流周期振荡。因此单电子晶体管可以作为超灵敏的静电计，电荷灵敏度可以达到10^-5e/Hz^-1/2，就是说在1s的时间内可以检验到十万分之一个基本电荷的微小变化，接近于理论极限。

但是常规的单电子晶体管的隧道结电阻很大，同时还存在不可避免的分散电容，因此其RC常数很大，限制了单电子晶体管的工作频率，一般低于10kHz，影响了测量的速度。另外，常规单电子晶体管由于工作在较低的频率下，因此还会受到1/f噪声的影响。

通常我们把双端固支梁简化为一个谐波振荡器，一个简单的谐波振荡器在温度为T的环境下，能量为E＝k_BT，根据理论推导，梁的振荡的位移为 ${\mathrm{\δ}}_x={(K_{B}T/{{\mathrm{m\ω}}_0}^2)}^{\frac{1}{2}}$ ，其中ω₀为谐波振荡器的固有频率，从式中可以看出这个位移尺度可以通过不断的降低温度来减小，直到达到量子极限位移

(zero-point motion)。当温度，就可以达到这个量子极限位移。

如果梁的长度、宽度、厚度分别为l、w、t，材料密度为ρ，杨氏模量为E，那么可以得到梁谐波共振频率为 ${\mathrm{\ω}}_0=3.516\frac{t}{l^2}\sqrt{\frac{E}{12\mathrm{\ρ}}}.$

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量极其微小位移的新型传感器，即基于SOI(绝缘体上硅)衬底的射频单电子晶体管的快速高精度位移传感器的制作方法。这种快速高精度位移传感器可以在SOI衬底上实现。本发明具有快速(工作频率可达117MHz)、高精度(测量精度可达10^-5nm)的优点。

它的特点是利用双端固支梁作为敏感元件，射频单电子晶体管作为传感元件，把一个纳米尺度的双端固支梁通过电容耦合的方式耦合到射频单电子晶体管的库仑岛上，通过测量射频单电子晶体管源漏电流的变化来测量梁的位移变化，由于射频单电子晶体管具有的高速，高灵敏度的特点，所以通过它可以测量到极其微小的位移。本发明提供了一种测量极其微小位移的方法。

为了实现上述目的，本发明提出了如图1-2所示的快速高精度位移传感器的电路结构。

本发明采用SOI衬底上的表层硅制做纳米尺度的双端固支梁，由于单晶硅的密度为ρ＝2.33×10³kg/m³，(100)晶面的杨氏模量为E₁₀₀＝1.33×10¹¹N/m²，对于几何尺度为1.25μm×0.6μm×0.15μm、品质因数为Q＝10⁴的梁，根据公式f₀＝ω₀/2π，以及 ${\mathrm{\ω}}_0=3.516\frac{t}{l^2}\sqrt{\frac{E}{12\mathrm{\ρ}}}$ ，我们可以计算得到到该尺寸下梁的共振频率为f₀＝117MHz；而根据公式 ${\mathrm{\δ}}_x={(K_{B}T/{{\mathrm{m\ω}}_0}^2)}^{\frac{1}{2}}$ ，可以计算出，在T＝4K时，相应的梁的位移为Δx＝3.3×10^-5nm。因此这个可以测量的位移的量级刚好与在背景技术中提到的需要测量的量子信息的量级是吻合的。

为了实现上述目的，本发明采用了具有“超灵敏度静电计”之称的单电子晶体管作为传感元件，其电荷灵敏度可以达到10^-5eHz^-1/2。如图1-3所示。

为了实现上述目的，本发明选用SOI材料。与GaAs等化合物半导体材料相比，用硅材料制作的这种快速超灵敏位移传感器能与传统的CMOS器件和电路兼容，因此，采用硅材料制作这种传感器具有很大的应用潜力，便于以后的系统集成。而SOI衬底具有结构上的独特优势，从下到上依次为衬底硅、埋氧层、顶层硅，减薄后的顶层硅可用于制作单电子晶体管的库仑岛、源、漏、栅以及双端固支梁等基本组成单元；利用夹在顶层硅和衬底硅中间的埋氧层可以自然形成器件和衬底的绝缘隔离，以及作为梁的牺牲层，可以被腐蚀掉。

一种基于SOI衬底的射频单电子晶体管的快速超灵敏位移传感器的制作方法，在SOI衬底上制作双端固支梁和单电子晶体管，利用纳米尺度的双端固支梁作为敏感元件，再用射频单电子晶体管作为传感元件，形成快速超灵敏位移传感器，其具体步骤如下：

在SOI衬底材料上涂敷负性电子抗蚀剂，利用电子束直写光刻系统在抗蚀剂上直写出单电子晶体管和双端固支梁的图形，显影后得到完整的抗蚀剂图形；

利用显影后留下的抗蚀剂作掩蔽，用干法刻蚀的方法把电子束直写得到得抗蚀剂图形转移到SOI衬底的表层硅上；

去除负性电子抗蚀剂，然后再涂上正性电子抗蚀剂，利用电子束直写光刻系统在梁的上方直写出一个矩形区域，在相应的显影液中显影出矩形窗口图形；

用HF溶液将双端固支梁正下方的SiO₂牺牲层腐蚀掉，实现双端固支梁的悬空；

淀积金属电极材料，用干法刻蚀的方法刻蚀出金属电极图形，退火形成欧姆接触。

所述的双端固支梁和单电子晶体管都是制作在SOI衬底材料上的，并且其制作方法与传统的CMOS器件和电路制造工艺相兼容。

所述的纳米尺度的纳米尺度的双端固支梁和射频单电子晶体管是通过栅电容进行耦合，把双端固支梁的位移变化转换为单电子晶体管栅电容的变化，从而通过测量单电子晶体管的源漏电流的改变，测量双端固支梁位移的变化。

所述的敏感元件是采用纳米尺寸的双端固支梁，对应尺寸为1.25μm×0.6μm×0.15μm的梁。

所述的传感元件射频单电子晶体管是由常规的单电子晶体管LC谐振电路通过耦合构成，使单电子晶体管的输出电阻变小、RC时间常数变小，从而使测量速度变快、工作频率提高。

附图说明

图1-1是单电子晶体管的等效电路图。

图1-2是双端固支梁和射频单电子晶体管耦合成一体的结构示意图。

图1-3是双端固支梁和射频单电子晶体管耦合后的等效电路图。

图2-1、2-2、2-3、2-4、2-5是具体实施方法的流程图。

图3为双端固支梁和单电子晶体管的三维效果图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的内容，以下结合附图进一步详细说明本发明的具体方法，其中：

图1-1是单电子晶体管的等效电路图，其中R_J1、R_J2、C_J1、C_J2分别是两个隧道结的等效电阻和电容，C_g是等效栅电容。

图1-2是双端固支梁和射频单电子晶体管耦合成一体的结构示意图，其中附加了电压偏置后的双端固支梁在磁场的作用出现振动，从而引起C_beam的变化，最终在单电子晶体管的源漏电流上测量出来。其中V_g为栅极偏置电压，V_ds为源漏之间的偏置电压，V_beam为双端固支梁的偏置电压，C_g为单电子晶体管固有的栅电容，C_beam为双端固支梁耦合到单电子晶体管上的栅电容，C_pad为单电子晶体管的衬底杂散电容，L为外接的电感，B为在虚线框内施加的垂直于页面向外的磁场。双端固支梁通过电容耦合的方式耦合到射频单电子晶体管的岛上，因此双端固支梁相当于单电子晶体管的一个侧栅。在外加磁场的作用下，给双端固支梁的两端加一个固定的电压偏置，双端固支梁和单电子晶体管的库仑岛之间的距离就会发生变化，两者之间的电容也随之发生变化，通过单电子晶体管的源漏电流也随着该电容的变化而变化，所以可以通过测量单电子晶体管源漏电流的变化来测量双端固支梁的微小的位移变化。

图1-3是双端固支梁和射频单电子晶体管耦合后的等效电路图，其中偏置电路包括V_beam、V_g、V_ds这三个电流偏置，测量电路是指测量单电子晶体管的源漏电流的外围电路。其中R为整个系统的输出电阻，偏置电路是指图1-2中所提及的V_beam、V_g、V_ds这三个电流偏置，测量电路是指用来测量单电子晶体管的源漏电流的电路。另外为了更好地提高测量的速度，有效地降低噪声，我们把常规的单电子晶体管和一个LC谐振电路耦合在一起，从而构成射频单电子晶体管，其输出电阻R变得很小，时间常数RC也较小，所以运行速度就可以提高，工作频率可以达到几百MHz甚至更高。因此射频单电子晶体管不仅具有单电子晶体管的高灵敏度的优点，同时还克服了常规单电子晶体管运行速度低(一般低于10kHz)、灵敏度受1/f噪声限制这两大缺点。

如图2-1所示，在SOI衬底材料上涂敷负性电子抗蚀剂，利用电子束直写光刻系统在抗蚀剂上直写出单电子晶体管和双端固支梁的图形，显影后得到完整的抗蚀剂图形。

如图2-2所示，利用显影后留下的抗蚀剂作掩蔽，用干法刻蚀的方法把电子束直写得到得抗蚀剂图形转移到SOI衬底的表层硅上。图中的1表示单电子晶体管的栅极，2表示单电子晶体管的库仑岛，3表示双端固支梁，由于本图只是剖面图，所以在图中无法看到单电子晶体管的源极和漏极，图2-3、图2-4、图2-5均是如此。

如图2-3所示，去除负性电子抗蚀剂，然后再涂上正性电子抗蚀剂，利用电子束直写光刻系统在梁的上方直写出一个矩形区域，在相应的显影液中显影出矩形窗口图形。

如图2-4所示，用HF溶液将双端固支梁正下方的SiO₂牺牲层腐蚀掉，实现双端固支梁的悬空。

如图2-5所示，淀积金属电极材料，用干法刻蚀的方法刻蚀出金属电极图形，退火形成欧姆接触。

Claims (5)

1.一种基于SOI衬底的射频单电子晶体管的快速超灵敏位移传感器的制作方法，其特征在于，在SOI衬底上制作双端固支梁和单电子晶体管，利用纳米尺度的双端固支梁作为敏感元件，再用射频单电子晶体管作为传感元件，形成快速超灵敏位移传感器，其具体步骤如下：

在SOI衬底材料上涂敷负性电子抗蚀剂，利用电子束直写光刻系统在抗蚀剂上直写出单电子晶体管和双端固支梁的图形，显影后得到完整的抗蚀剂图形；

利用显影后留下的抗蚀剂作掩蔽，用干法刻蚀的方法把电子束直写得到得抗蚀剂图形转移到SOI衬底的表层硅上；

去除负性电子抗蚀剂，然后再涂上正性电子抗蚀剂，利用电子束直写光刻系统在梁的上方直写出一个矩形区域，在相应的显影液中显影出矩形窗口图形；

用HF溶液将双端固支梁正下方的SiO₂牺牲层腐蚀掉，实现双端固支梁的悬空；

淀积金属电极材料，用干法刻蚀的方法刻蚀出金属电极图形，退火形成欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的快速超灵敏位移传感器的制作方法，其特征在于，所述的纳米尺度的双端固支梁和单电子晶体管都是制作在SOI衬底材料上的，并且其制作方法与传统的CMOS器件和电路制造工艺相兼容。

3.根据权利要求1所述的快速超灵敏位移传感器的制作方法，其特征在于，所述的纳米尺度的双端固支梁和射频单电子晶体管是通过栅电容进行耦合，把双端固支梁的位移变化转换为单电子晶体管栅电容的变化，从而通过测量单电子晶体管的源漏电流的改变，测量双端固支梁位移的变化。

4.根据权利要求1所述的快速超灵敏位移传感器的制作方法，其特征在于，所述的敏感元件是采用纳米尺寸的双端固支梁，对应尺寸为1.25μm×0.6μm×0.15μm的梁。

5.根据权利要求1所述的快速超灵敏位移传感器的制作方法，其特征在于，所述的传感元件射频单电子晶体管是由常规的单电子晶体管和LC谐振电路通过耦合构成。

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