CN102928624B - 一种射频单电子晶体管扫描探针及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米器件及纳米加工技术，尤其是一种射频单电子晶体管扫描探针的结构及其应用。这种射频单电子晶体管扫描探针，包括一端呈针形的凸出部的SOI衬底，还包括集成在所述SOI衬底上、相互匹配的射频共振电路及单电子晶体管；所述单电子晶体管集成在SOI针形凸出部。本发明还提供这种射频单电子晶体管扫描探针的制作方法以及利用这种射频单电子晶体管扫描探针制作电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统。所述系统具备高灵敏度、高速和高空间分辨率，以及可以进行低温三维扫描形成电荷的分布形貌和几何形貌，也可以定点检测纳米器件或电路中任意一点处的电势及其动态变化。

Description

一种射频单电子晶体管扫描探针及其应用

技术领域

本发明涉及纳米器件及纳米加工技术，尤其是一种集成化的射频单电子晶体管制作扫描探针的技术，还可以应用在电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统。

背景技术

基于库仑阻塞效应和单电子隧穿效应的单电子晶体管对在微纳尺度下进行其临域的微小电荷变化具有极高的灵敏度。单电子晶体管对电荷敏感的核心是尺度仅为几个到几十纳米的量子点或库仑岛，量子点通过隧穿势垒与源漏电极耦合，控制栅极与库仑岛间则通过电容耦合。单电子晶体管可用于微纳米尺度下进行定点的高灵敏度电荷探测（参考文献：K.K.Likharev，IEEE Trans.Magn.MAG-23，1142(1987)）。传统的单电子晶体管的电荷灵敏度可达到10^-6e/Hz^0.5，但是带宽较小，一般小于1kHz（参考文献：G.Zimmerli，R.L.Kautz，J.M.Martinis，Appl.Phys.Lett.61，237(1992)）。限于当前纳米加工技术的精度，单电子晶体管需在较低的温度下工作（<4.2K）。另外，虽然单电子晶体管的本征工作速度可高达10-100GHz，但是由于其阻抗较大（>200kΩ），并且室温下的读出电路与单电子晶体管之间的信号线引入了较大的电容（>100pF），使实际工作带宽只有几十kHz。在单电子晶体管附近直接集成高迁移率晶体管（HEMT）放大器可以降低读出电容，使单电子晶体管的工作带宽提高至～1MHz，但是读出电路的热耗散通常给单电子晶体管的低温工作环境带来波动，影响电荷探测的稳定性和灵敏度，灵敏度为10^-4e/Hz^0.5时的带宽仅有10kHz[参考J.Petersson et al.，Phys.Rev.B 53，13272(1996)]。目前，国际上已经分别实现了单电子晶体管探针（SETScanning Probe）（参考文献：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)）和射频单电子晶体管技术（参考文献：R.J.Schoelkopf，P.Wahlgren，A.A.Kozhevnikov，P.Delsing，and D.E.Prober，Science 280，1238(1998)）。上述单电子晶体管探针电荷灵敏度已达到10^-5e/Hz^0.5的电荷灵敏度；但是速度低于100kHz，尚不能对微秒、纳秒量级的电荷信号进行有效测试；基于Al/Al₂O₃型的单电子晶体管，工作温度通常在300mK以下；探针上没有控制栅极，晶体管的工作点靠被测电路来设置，相互影响大。上述射频单电子晶体管具有高速、高灵敏度特点，带宽已高达100MHz；但是由于是固定在基底上，因此不能作空间扫描；采用基于Al/Al₂O₃或GaAs/AlGaAs的单电子晶体管，工作温度通常在300mK以下。结合上述两者的优势，实现高速、高灵敏度、高空间分辨率的电荷探针，应用于固态量子器件研究，将极大地提高人们认知和调控微纳尺度物理效应的技术能力，提高量子器件和纳米器件的研究水平和效率。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种射频单电子晶体管扫描探针，包括一端呈针形的凸出部的SOI衬底，还包括集成在所述SOI衬底上、相互匹配的射频共振电路及单电子晶体管；所述单电子晶体管集成在SOI针形凸出部。

所述单电子晶体管包括用于控制单电子晶体管工作点的栅极以及源极、漏极；所述源极、漏极的欧姆接触图形呈对称的蝶形状，用于保持势垒左右对称，并使得欧姆接触面积尽量大，用于降低单电子晶体管的整体导通阻抗；还包括位于所述源极和漏极之间的库伦岛，所述库伦岛尺寸小于50nm。

所述射频共振电路由微带传输线和平面环形电感构成，提供接地、射频输入输出和栅极引线电极；所述射频共振电路通过所述单电子晶体管的漏极及与其连接的射频信号线与单电子晶体管连接。

本发明还提供这种射频单电子晶体管扫描探针的制作方法，包括如下步骤：

1）在SOI衬底上制作出针形凸出部；

2）在SOI衬底的针形凸出部集成制备硅基单电子晶体管；

3）在SOI衬底上根部的主体部位制作射频共振电路，与集成在所述SOI凸出部的单电子晶体管实现匹配集成。

本发明还提供一种电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统，包括上述的射频单电子晶体管扫描探针，以及，

与所述射频单电子晶体管探针集成的音叉；所述音叉用于在预设信号电压的驱动下，利用切向阻尼的音叉振动信号指导所述射频单电子晶体管探针工作；

射频读出电路，用于建立射频共振反射信号的放大检测电路，读取所述单电子晶体管的电荷变化状态；

低温三维扫描平台，用于供样品进行三维扫描检测，实现目标系统进行扫描成像；

用于将所述低温三维扫描平台的检测信号的转换及传输。

有益效果：本发明提供一种集成化射频单电子晶体管扫描探针，采用基于高掺杂SOI制备的单电子晶体管，具有更宽的工作温度范围。在扫描探针针尖处集成射频单电子晶体管使电荷探测具有高速、高空间分辨率。采用所述射频单电子晶体管扫描探针与音叉集成，利用音叉振动信号进行反馈进针，使得系统具备可控的进针能力。所述集成的电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统形成一台同时具备高灵敏度、高速和高空间分辨率的电荷测试系统。集成在该扫描探针上的射频单电子晶体管通过射频共振反射信号读出单电子晶体管的电荷状态，克服了传统单电子晶体管速度慢的缺点，可实现高速、高灵敏度的电荷探测；该电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统可以进行低温三维扫描形成电荷的分布形貌和几何形貌，也可以定点检测纳米器件或电路中任意一点处的电势及其动态变化。

附图说明

图1中a和b分别为本发明实施例单电子晶体管立体示意图及俯视图。

图2为本发明实施例单电子晶体管核心结构的扫描电镜图。

图3为本发明实施例射频单电子晶体管扫描探针示意图。

图4为本发明实施例射频单电子晶体管扫描探针与音叉集成示意图。

图5为本发明实施例电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统结构框图。

具体实施方式

本发明是通过集成单电子晶体管、射频共振电路，形成射频单电子晶体管扫描探针，并通过外围系统的支持而形成电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统。

以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图3所示，该集成化射频单电子晶体管扫描探针（RF-SET ScanningProbe），包括SOI衬底，在所述SOI衬底一端呈针形凸出部。所述SOI上设有相互匹配的射频共振电路及单电子晶体管，其中，单电子晶体管集成在所述SOI衬底的针形凸出部上，所述射频共振电路集成在SOI衬底的根部主体部位。

其中，参阅图1所示，单电子晶体管111包括用于控制单电子晶体管111工作点的栅极G以及源极S、漏极D；所述源极S、漏极D的欧姆接触图形呈对称的蝶形状，用于保持势垒左右对称，并使得欧姆接触面积尽量大，用于降低单电子晶体管111的整体导通阻抗；还包括位于所述源极S和漏极D之间的库伦岛QD，所述库伦岛QD尺寸小于50nm。

参阅图2所示，所述射频共振电路112由微带传输线和平面环形电感构成，提供接地、射频输入输出和栅极引线电极；所述射频共振电路112通过所述单电子晶体管111的漏极D及与其连接的射频信号线与单电子晶体管111连接。

下面将详细介绍这种射频单电子晶体管扫描探针110的制作方法：

（1）单电子晶体管111的制作

本步骤中需要制备工作温度高达10K，源极和漏极之间导通电阻小于200kΩ的单电子晶体管。以（100）晶向的SOI材料为衬底，对SOI衬底中氧化硅绝缘层上的硅有源层进行磷离子重掺杂和热退火处理，使其在室温下离子浓度达到2x10¹⁹cm^-3。然后利用热氧化和氢氟酸腐蚀工艺，将SOI衬底中顶层硅厚度减薄至70nm。

结合图1a、b所示，结合化学腐蚀、等离子体刻蚀、UV光刻、电子束曝光和LPCVD工艺等微纳加工技术在SOI衬底上制作出库伦岛QD、源极S、漏极D和栅极G。其中，所述源极S和漏极D的欧姆接触图形呈对称的蝶形状，用于保持势垒左右对称，并使得欧姆接触面积尽量大；在考虑加工条件极限的情况下尽量缩短源极S和漏极D之间的电极间距，如图2所示，可以有效降低器件的整体导通阻抗。另外，电子束曝光技术精确控制单电子晶体管中库仑岛QD的尺寸小于50nm，同时精确控制库仑岛QD与源极S、漏极D之间的隧穿势垒，确保：在4.2K温度以下源极S、漏极D的导带电子浓度不低于5x10¹⁶cm^-3：单电子晶体管111的库仑阻塞能（e²/2C）大于10meV，相应的库仑岛QD电容小于10aF；源电极S、漏电极D间导通阻抗小于200kΩ。上述参数设置使该单电子晶体管111应用于射频共振电路112时具有最佳的电荷探测灵敏度。

将制作好的单电子晶体管111通过其漏极D及射频信号线与射频共振电路连接，实现信号的高速读出，通过其栅极G的控制，形成有效的单电子晶体管111工作点。

（2）射频共振电路112的制作

在SOI衬底上匹配并集成单电子晶体管111和射频共振电路112。射频共振电路112由微带传输线和平面环形高品质因子电感（L～50-100nH，Q≥10）组成，并提供接地、射频输入输出和栅极引线电极。

利用热氧化、LPCVD沉积氮化硅、正反面UV光刻、电子束蒸发、等离子体刻蚀和KOH各向异性腐蚀，将集成在SOI衬底上的单电子晶体管111和射频共振电路112结合，形成如图3所示的射频单电子晶体管扫描探针110。

这种通过在射频单电子晶体管扫描探针110的SOI衬底上针形凸出部位集成单电子晶体管111、以及在SOI衬底根部主体部位上集成与单电子晶体管111匹配的射频共振电路112，使得这种射频单电子晶体管扫描探针110具有超高电荷灵敏度、高空间分辨率以及高速读出的功效。

更进一步地，下面将介绍利用这种射频单电子晶体管扫描探针110组成电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统100。

如图3、图4所示，电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统100包括射频单电子晶体管扫描探针110以及与其集成的音叉130、射频读出电路、信号处理装置和低温三维扫描平台。通过这种组装及外部显示软件的连通可实现表面形貌和电荷分布的联合扫描成像。

其中，参见图4，射频单电子晶体管扫描探针110沿虚线通过UV固化胶与音叉130顶部粘合并固化，实现射频单电子晶体管扫描探针110与音叉130的集成。音叉130包括分设于两端部的音叉电极引线管脚、音叉石英晶片，以及中部的音叉振动激发电极。给定音叉130一个驱动信号电压，利用切向阻尼的音叉振动信号来指导所述射频单电子晶体管探针110的进针工作，使得系统具备可控的进针能力。

而射频读出电路用于建立射频共振反射信号的放大检测电路（参考专利申请：一种太赫兹探测器射频读出装置及其实现方式，申请号：201010503869.X），读取所述单电子晶体管的电荷状态，向外部信号处理器传送信号。射频读出电路包括相互匹配的低温和室温之间的4.2K（液氦温度）、20K（液氦表面氦气温度）、40K（脉冲管第一级制冷温度）或77K（液氦温度）温区设置的射频衰减器、低噪声前置放大器、定向耦合器等射频电路，从而高速高效的读取射频单电子晶体管隧穿电流。其中，射频读出电路需要在低温下设置较高增益的射频放大电路用于提升反射信号的幅度，使处于室温的混频器产生足够的信号强度。在低温和室温区之间不同温区设置射频衰减器、低噪声前置放大器、定向耦合器等射频电路，此处将采购商业化的射频器件用于高低温区的射频电路搭建。室温放大电路连接外部信息处理系统，用于将信号传递并处理成像。

下面，将介绍这种由射频单电子晶体管扫描探针110组成的电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统100工作流程：

首先通过为单电子晶体管111单独设置的栅极G来调节单电子晶体管111的工作点，在射频读出电路中设置直流隧穿电流的监控机制，与射频共振反射信号联合处理来实现射频单电子晶体管111的最佳工作点；其次将低温三维平台上的被测器件、低温系统的控制端口和数据显示，通过信号处理装置控制软件实现系统的初始化、调试和运行控制。最后通过软件处理射频读出电路的信号从而实现射频单电子晶体管扫描探针对样品的监测与扫描成像与示波功能，

具体的讲，射频单电子晶体管探针110对于无源器件表面形貌的扫描，设置合适的射频单电子晶体管111工作点，分步趋近被测器件的表面，同时扫描平台，从混频信号获得三维形貌，与被测器件表面的金属-半导体-介电结构的几何形貌相对比；

射频单电子晶体管探针110扫描有源器件的电势形貌，设置合适的射频单电子晶体管111工作点，同时使被测器件处于工作状态，扫描获得电势分布的三维形貌，与被测器件的几何形貌进行分析对比；

射频单电子晶体管探针110探测有源器件中电荷动态特性：设置合适的射频单电子晶体管111工作点，射频单电子晶体管111位于被测有源器件的待测点，利用示波器记录混频信号，分析该信号与被测器件动态特性之间的内在关系。

具备可控的低温三维扫描平台是实现目标系统进行扫描成像的必要条件之三。目前，国际上已具有成熟的商业化低温三维扫描平台（可用于高真空和强磁场），如德国Attocube的ANP系列产品，脚印尺寸可以小至15x 15x 9.2mm。因此，与本发明描述的射频单电子晶体管扫描探针和射频放大读出电路进行系统集成，构成发明的目标仪器设备。

综上所述，本发明的一种集成化硅基射频单电子晶体管扫描探针（RF-SETScanning Probe），且采用所述扫描探针集成的电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统形成一台同时具备高灵敏度、高速和高空间分辨率的电荷测试系统。集成在该扫描探针上的射频单电子晶体管通过射频共振反射信号读出单电子晶体管的电荷状态，克服了传统单电子晶体管速度慢的缺点，可实现高速、高灵敏度的电荷探测；在扫描探针针尖处集成射频单电子晶体管使电荷探测具有不低于100nm的空间分辨率。该电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统可以进行低温三维扫描形成电荷的分布形貌和几何形貌，也可以定点检测纳米器件或电路中任意一点处的电势及其动态变化。采用基于高掺杂SOI制备的单电子晶体管，可在10K以下温度工作，与基于Al/Al₂O₃的单电子晶体管相比，具有更宽的工作温度范围。

上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种射频单电子晶体管扫描探针，包括一端呈针形的凸出部的SOI衬底，其特征在于，还包括集成在所述SOI衬底上、相互匹配的射频共振电路及单电子晶体管；所述单电子晶体管集成在SOI针形凸出部，所述射频共振电路集成在SOI衬底的根部主体部位；其中，所述单电子晶体管包括用于控制单电子晶体管工作点的栅极以及源极、漏极，所述单电子晶体管通过其漏极及射频信号线与射频共振电路连接。

2.根据权利要求1所述射频单电子晶体管扫描探针，其特征在于，所述的源极和漏极的欧姆接触图形呈对称的蝶形状，用于保持势垒左右对称，并使得欧姆接触面积尽量大，用于降低单电子晶体管的整体导通阻抗；还包括位于所述源极和漏极之间的库伦岛，所述库伦岛尺寸小于50nm。

3.根据权利要求1所述射频单电子晶体管扫描探针，其特征在于，所述射频共振电路由微带传输线和平面环形电感构成，提供接地、射频输入输出和栅极引线电极；所述射频共振电路通过所述单电子晶体管的漏极及与其连接的射频信号线与单电子晶体管连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述射频单电子晶体管扫描探针的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在SOI衬底上制作出针形凸出部；

2)在SOI衬底的针形凸出部集成制备硅基单电子晶体管；

3)在SOI衬底上根部主体部位制作射频共振电路，与集成在所述SOI凸出部的单电子晶体管实现匹配集成。

5.一种电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的射频单电子晶体管扫描探针。

6.根据权利要求5所述的电荷扫描成像与示波和原子力显貌成像系统，其特征在于，还包括：

与所述射频单电子晶体管扫描探针集成的音叉；所述音叉用于在预设信号电压的驱动下，利用切向阻尼的音叉振动信号指导所述射频单电子晶体管扫描探针工作；

射频读出电路，用于建立射频共振反射信号的放大检测电路，读取所述单电子晶体管的电荷变化状态；

低温三维扫描平台，用于供样品进行三维扫描检测，实现目标系统进行扫描成像；

信号处理装置，用于将所述低温三维扫描平台的检测信号的转换及传输。