DE102007034072B3

DE102007034072B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Ladungstransfer

Info

Publication number: DE102007034072B3
Application number: DE102007034072A
Authority: DE
Inventors: Daniel KÖNIG
Original assignee: Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU
Current assignee: Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2027-07-21
Also published as: US20100264998A1; WO2009012920A1

Abstract

Ladungstransfervorrichtung (10) umfassend:
– ein Trägersubstrat (14);
– einen Schwingungsgeber (20) zur Erzeugung akustischer Schwingungen;
– zumindest zwei voneinander beabstandete Elektrodenelemente (16a, 16b);
und
– zumindest ein zum Schwingungsgeber (20) gekoppeltes mechanisches Resonatorelement (12) mit zumindest einem zwischen den beiden Elektrodenelementen (16a, 16b) bewegbaren Ladungstransferabschnitt (18).

Description

Die Erfindung betrifft elektrischen Ladungstransfer auf Basis eines mikro- oder nanomechanischen Systems. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur hochpräzisen Erzeugung bzw. Detektion von kleinen Strömen und Potentialänderungen bzw. Ladungsänderungen.
Die Erzeugung und Bestimmung sehr kleiner elektrischer Ströme und Potentialänderungen stellt sehr hohe Anforderungen an die dafür erforderlichen Messgeräte bzw. Generatoren. Heutzutage werden hierfür meist sehr rauscharme Halbleiterbauelemente eingesetzt. Andererseits werden beispielsweise sehr kleine Ströme (z. B. 100 pA mit einer relativen Genauigkeit von bis 10^–5) bei der Physikalisch Technischen Bundesanstalt mit einem Rampengenerator für Spannungen (dU/dt) und einem Luftkondensator mit der Kapazität C über die Relation I = C·dU/dt erzeugt. Eine weitere Möglichkeit zum kontrollierten Transfer kleiner Ladungen mittels akustischer Oberflächenwellen (SAW) ist in WO 03/012874 A2 beschrieben.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur präzisen Detektion und/oder Steuerung des Transfers elektrischer Ladung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Somit stellt die vorliegende Erfindung insbesondere eine Ladungstransfervorrichtung zum Transfer elektrischer Ladungen bereit, welche umfasst:

– einen Schwingungsgeber zur Erzeugung akustischer Schwingungen bzw. einen akustischen Schwingungsgeber bzw. einen Schallgeber;
– zumindest zwei voneinander beabstandete Elektrodenelemente, welche insbesondere als elektrisch leitfähige Kontaktelemente, insbesondere als elektrische Zuleitungen ausgebildet sind; und
– ein direkt oder indirekt zum akustischen Schwingungsgeber mechanisch gekoppeltes mechanisches Resonatorelement mit zumindest einem zwischen den beiden Elektrodenelementen bewegbaren Ladungstransferabschnitt, welcher insbesondere ausgelegt ist, elektrische Ladung aufzunehmen und wieder abzugeben.

Damit lässt sich in besonders gut kontrollierbarer bzw. definierter Weise elektrische Ladung zwischen den beiden Elektrodenelementen transferieren. Insbesondere ist durch den Abstand zwischen den beiden Elektrodenelementen ein direkter Stromfluss unterbunden. Die Übertragung der elektrischen Ladungen zwischen den beiden Elektrodenelementen kann dabei mittels des Ladungstransferabschnitts des Resonatorelements erfolgen.
Vorzugsweise ist der Ladungstransferabschnitt an einem Schwingungsabschnitt des Resonatorelements angeordnet und mit diesem fest verbunden. Dabei ist das Resonatorelement insbesondere im Bereich seines Schwingungsabschnitts derart zu mechanischen Schwingungen anregbar, dass dabei der Ladungstransferabschnitt zwischen den beiden Elektrodenelementen schwingend bewegbar ist bzw. durch die Schwingung oder aufgrund der Schwingung bewegt wird. Vorzugsweise ist dabei der Ladungstransferabschnitt im Wsentlichen periodisch von einem Elektrodenelement zum anderen und wieder zurück bewegbar. Insbesondere ist der Ladungstransferabschnitt derart zu den einzelnen Elektrodenelementen bewegbar, dass dabei eine Ladungsübertragung zwischen dem jeweiligen Elektrodenelement und dem Ladungstransferabschnitt ermöglicht wird. Vorzugsweise ist dabei zwischen dem jeweiligen Elektrodenelement und dem Ladungstransferabschnitt ein ohmscher Kontakt und/oder ein Tunnelkontakt ausbildbar.
Unter akustischen Schwingungen sind hierbei insbesondere nicht lediglich Schallwellen im Frequenzbereich des hörbaren zu verstehen. Vielmehr wird unter einer akustischen Schwingung vorzugsweise jede mechanische, vorzugsweise im Wesentlichen nicht-polare Schwingung eines Mediums verstanden. Diese akustischen Schwingungen umfassen dabei neben longitudinalen Schwingungen insbesondere in Festkörpern als Medium auch transversale, vorzugsweise nicht-polare Schwingungen. Insbesondere könnte eine akustische Schwingung eine oder mehrere longitudinale und/oder transversale Schwingungen umfassen. Dabei kann je nach Medium und Schwingungsfrequenz eine Wellenlänge einer akustischen Schwingung auch größer sein als die räumliche Ausdehnung des Mediums, wie z. B. eines Trägersubstrats. In diesem Fall stellt die akustische Schwingung beispielsweise eine phasengleiche Bewegung des gesamten Mediums, ähnlich einem Schütteln, dar.
Vorzugsweise weist das zumindest eine Resonatorelement zumindest eine Resonanzfrequenz im Bereich zwischen 10 kHz und 1 THz, vorzugsweise im Bereich größer als 0,1 MHz und/oder kleiner als 1 GHz, besonders bevorzugt in einem Bereich von mehr als 1 MHz und/oder weniger als 100 MHz auf. In anderen Ausführungsformen werden auch Frequenzen verwendet die unterhalb von 10 kHz oder oberhalb von 1 THz liegen. Vorzugsweise ist der Schwingungsgeber ausgelegt, akustische Schwingungen im entsprechenden Frequenzbereich zu erzeugen.
Vorzugsweise umfasst der Ladungstransferabschnitt eine elektrisch leitfähige, insbesondere metallische Insel, die an einem zumindest teilweise elektrisch isolierenden Schwingungsabschnitt des Resonatorelements angeordnet ist.
Besonders bevorzugt umfasst der Schwingungsgeber einen Piezoaktor. In diesem Fall wird die akustische Schwingung somit vorzugsweise durch ein elektrisches Signal bzw. Wechselfeld angeregt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schwingungsgeber ein durch Absorption eines Laserpulses sich thermisch ausdehnendes Medium.
Vorzugsweise umfasst die Ladungstransfervorrichtung ein Trägersubstrat, über das das Resonatorelement an den Schwingungsgeber zur Übertragung von akustischen Schwingungen vom Schwingungsgeber zum Resonatorelement mechanisch koppelt. Dabei ist das Resonatorelement vorzugsweise über einen ersten Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt am Trägersubstrat angeordnet und/oder befestigt und zumindest in einem zwischen den beiden Endabschnitten angeordneten und vorzugsweise vom Trägersubstrat beabstandeten Schwingungsabschnitt zugverspannt. Dabei ist der Schwingungsabschnitt vorzugsweise nach Art einer Saite oder eines Balkens oder eines Stegs ausgebildet.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Resonatorelement nur über einen ersten Endabschnitt am Trägersubstrat angeordnet und/oder befestigt. Ein zweiter Endabschnitt ist dabei vorzugsweise zwischen den beiden Elektrodenelementen unter elastischer Verformung des Resonatorelements bewegbar, wobei der Ladungstransferabschnitt am zweiten Endabschnitt angeordnet ist. Somit bildet in dieser Ausführungsform insbesondere der zweite Endabschnitt den Schwingungsabschnitt des Resonatorelements.
Vorzugsweise umfasst die Ladungstransfervorrichtung ein Abschirmgehäuse zur Abschirmung elektrischer Felder und/oder magnetischer Felder, insbesondere elektromagnetischer Felder, wobei das Resonatorelement 12 innerhalb oder zumindest teilweise innerhalb des Abschirmgehäuses angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Schwingungsgeber, insbesondere der Piezoaktor, außerhalb oder zumindest teilweise außerhalb des Abschirmgehäuses angeordnet. Damit wird eine Einkopplung von elektromagnetischen Schwingungen, die bei der Erzeugung der akustischen Schwingungen auftreten könnten, in den Vorgang des Ladungstransfers durch den Ladungstransferabschnitt unterbunden oder zumindest verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ladungstransfervorrichtung eine Sensorelektrode, welche kapazitiv an den Ladungstransferabschnitt koppelt. Je nach Anwendung dient die Sensorelektrode dabei beispielsweise als Gateelektrode mittels der bei Veränderung des elektrischen Potentials auf der Sensorelektrode das Potential des Ladungstransferabschnitts und damit ein Stromfluss durch die Elektrodenelemente verändert bzw. ähnlich einem Feldeffekttransistor oder einem Einzelelektronentransistor gesteuert wird. In diesem Zusammenhang fungiert die Ladungstransfervorrichtung vorzugsweise als Ladungs- bzw. Potentialsensor und/oder als steuerbarer Stromgeber. In einer anderen Anwendung wird vorzugsweise über die Sensorelektrode eine Veränderung des elektrischen Potentials des Ladungstransferabschnitts detektiert. In dieser Anwendung fungiert die Ladungstransfervorrichtung vorzugsweise als Stromzähler bzw. Elektronenzähler insbesondere zur präzisen Stromeichung.
Vorzugsweise umfasst die Ladungstransfervorrichtung einen Einzelelektronentransistor mit einer Coulomb-Blockade-Insel, welche kapazitiv an die Sensorelektrode koppelt, und Kontaktelektroden, welche über Tunnelkontakte an die Coulomb-Blockade-Insel koppeln.
Vorzugsweise umfasst die Ladungstransfervorrichtung eine Vielzahl von auf dem Trägersubstrat angeordneten Resonanzzellen, von denen jede umfasst:

– zumindest ein erstes Elektrodenelement und ein zweites, vom ersten beabstandetes Elektrodenelement; und
– zumindest ein zum Schwingungsgeber mechanisch gekoppeltes mechanisches Resonatorelement mit zumindest einem zwischen den jeweiligen Elektrodenelementen bewegbaren Ladungstransferabschnitt.

Vorzugsweise sind die ersten Elektrodenelemente der Vielzahl von Resonanzzellen elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise die zweiten Elektrodenelemente der Vielzahl von Resonanzzellen elektrisch leitfähig miteinander verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Resonanzzelle oder eine Vielzahl von Resonanzzellen eine Sensorelektrode auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Vielzahl der Resonatorelemente der Vielzahl von Resonanzzellen unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche Länge und/oder Dicke des Schwingungsabschnitts und/oder durch unterschiedliche Zugverspannung und/oder durch Ausbilden von Abstimmelementen, welche durch ihre Masse die träge Masse des Schwingungsabschnitts mitbestimmen, erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich weist vorzugsweise eine Vielzahl der Resonatorelemente der Vielzahl von Resonanzzellen dieselbe Resonanzfrequenz auf.
Außerdem stellt die Erfindung ein Verfahren zum Transport von elektrischer Ladung bereit, welches umfasst:

– Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen zwei voneinander beabstandeten Elektrodenelementen;
– mechanisches Anregen zumindest eines Resonatorelements mittels akustischer Schwingungen derart, dass ein vom Resonatorelement umfasster Ladungstransferabschnitt die beiden Elektrodenelemente mit zumindest einer Resonanzfrequenz des Resonatorelements abwechselnd elektrisch kontaktiert.

Dabei wird vorzugsweise bei jedem Kontakt des Ladungstransferabschnitts mit einem Elektrodenelement das elektrische Potential des Ladungstransferabschnitts an das elektrische Potential des jeweiligen Elektrodenelements angepasst oder zumindest angenähert, was jeweils mit einem Ladungstransfer verbunden ist. Damit hängt der Ladungstransfer von der angelegten Spannung und der Resonanzfrequenz ab. Insbesondere bei einem sehr kleinen Ladungstransferabschnitt in Verbindung mit tiefen Temperaturen kommt es aufgrund von Coulomb-Blockade zu einer festgelegten Quantisierung des Ladungstransfers, wodurch es zu Spannungsbereichen kommt, in denen der Einfluss der Spannung auf den Ladungstransfer nur sehr gering ist, oder fast ganz verschwindet. In diesen Spannungsbereichen erreicht man damit einen besonders genau bestimmten Stromfluss, welcher vorzugsweise als Stromnormal bzw. Stromstandard verwendet werden kann.
Vorzugsweise wird das Resonatorelement an bzw. auf einem Trägersubstrat angeordnet und die zur Anregung des Resonatorelements verwendeten akustischen Schwingungen werden vorzugsweise in dem Trägersubstrat ausgebildet und/oder durch das Trägersubstrat an das Resonatorelement übertragen. Besonders bevorzugt werden die akustischen Schwingungen nicht unmittelbar im Trägersubstrat und vor allem nicht unmittelbar am Resonatorelement erzeugt. Durch eine entfernte Erzeugung und eine Übertragung der akustischen Schwingungen kann eine bessere Entkopplung des Ladungstransfers von Störungen, welche durch die Erzeugung der akustischen Schwingungen bewirkt werden, erreicht werden. Vorzugsweise umfasst das mechanische Anregen ein Erzeugen einer akustischen Schwingung mittels eines Piezoaktors.
Damit wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Anwendung als Stromgeber bzw. Stromnormal bzw. Stromstandard verwendet, indem besonders bevorzugt ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung oder einer bevorzugten Ausführungsform ausgeführt wird. Insbesondere umfasst eine solche Verwendung vorzugsweise ein Anlegen einer Gleichspannung an die Elektrodenelemente derart, dass eine ganzzahlige und durch die Coulomb-Blockade festgelegte Anzahl an Elektronen, insbesondere ein Elektron, pro Schwingungsperiode des Resonatorelements von einem Elektrodenelement zum anderen Elektrodenelement transferiert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren:

– kapazitives Koppeln einer Sensorelektrode an den Ladungstransferabschnitt; und
– Detektieren eines elektrischen Stroms und/oder einer Stromänderung durch die Elektrodenelemente.

Damit wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise als Potentialsensor bzw. Ladungssensor verwendet, indem besonders bevorzugt ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung oder einer bevorzugten Ausführungsform ausgeführt wird. Insbesondere umfasst eine solche Verwendung vorzugsweise ein Anlegen einer Gleichspannung an die Elektrodenelemente derart, dass im zeitlichen Mittel eine halbzahlige Anzahl an Elektronen, insbesondere ein halbes Elektron oder 1,5 Elektronen, pro Schwingungsperiode des Resonatorelements von einem Elektrodenelement zum anderen Elektrodenelement transferiert wird. Das heißt im zeitlichen Mittel wird z. B. nur in jeder zweiten Schwingungsperiode ein Elektron transferiert, bzw. im Mittel wird in zwei aufeinander folgenden Schwingungsperioden zusammen eine ungerade Anzahl an Elektronen transferiert. In diesem Zustand reagiert der Ladungstransfer besonders sensitiv auf eine Veränderung des elektrischen Potentials der Sensorelektrode.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren:

– kapazitives Koppeln einer Sensorelektrode an den Ladungstransferabschnitt; und
– Detektieren eines elektrischen Potentials und/oder einer Potentialänderung des Ladungstransferabschnitts durch ein Detektieren eines elektrischen Potentials bzw. einer Potentialänderung der Sensorelektrode.

Besonders bevorzugt umfasst das Detektieren des elektrischen Potentials bzw. der Potentialänderung der Sensorelektrode ein Detektieren einer elektrischen Leitfähigkeit bzw. eines elektrischen Stroms eines an die Sensorelektrode kapazitiv gekoppelten Einzelelektronentransistors. Damit lässt sich die Beladung des Ladungstransferabschnitts mit einzelnen Elektronen während des Ladungstransfervorgangs zeitaufgelöst detektieren. Damit wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise als Elektronenzähler verwendet, indem besonders bevorzugt ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung oder einer bevorzugten Ausführungsform ausgeführt wird.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird eine Ladungstransfervorrichtung für besonders rauscharme Messungen oder als besonders rauscharmer Stromgeber oder Elektronenzähler verwendet, indem zumindest einige der elektrisch leitfähigen Komponenten, insbesondere eine oder mehrere Elektrodenelemente und/oder ein oder mehrere Ladungstransferabschnitte und/oder eine oder mehrere Sensorelektroden und/oder eine oder mehrere Kontaktelektroden des Einzelelektronentransistors und/oder eine oder mehrere Coulomb-Blockade-Inseln des Einzelelektronentransistors, supraleitendes Material umfassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand begleitender Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Ladungstransfervorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Kennlinie für einen spannungsabhängigen Ladungstransfer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3A und 3B schematische Darstellungen von Ladungstransfervorrichtungen gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung;
4A bis 4J schematische Darstellungen einzelner Verfahrensschritte eines Herstellungsverfahrens für eine Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung mit einem Abschirmgehäuse gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
6A bis 6C schematische Darstellungen zur Anordnung einer zusätzlichen Gateelektrode in einer Vorrichtung gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen;
7A eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ladungstransfervorrichtung für eine Abzählung einzelner Elektronen gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
7B eine Elektronenmikroskop (REM)-Aufnahme eines Resonatorelements einer Vorrichtung gemäß 9A zusammen mit einer schematischen Darstellung einer bevorzugten elektrischen Verschaltung;
8A und 8B schematische Darstellungen von Anordnungen mit einer Vielzahl von Resonatorelementen in Vorrichtungen gemäß bevorzugter Ausführungsformen; und
9A bis 9D REM-Aufnahmen von Resonatorelementen einer Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ladungstransfervorrichtung 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Ladungstransfervorrichtung 10 umfasst ein Resonatorelement 12, welches sich im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung von einem ersten Endabschnitt 12a zu einem zweiten Endabschnitt 12b des Resonatorelements 12 erstreckt. Vorzugsweise ist das Resonatorelement als langgestreckte Struktur nach Art einer Saite oder eines Balkens oder eines Stegs ausgebildet. Das Resonatorelement 12 ist in der gezeigten Ausführungsform von 1 über dessen Endabschnitte 12a, 12b bzw. an den Endabschnitten 12a, 12b mit einem Trägersubstrat 14 direkt oder indirekt fest verbunden. Das Trägersubstrat 14 weist dabei vorzugsweise eine Substratnormalenrichtung auf, welche in der Darstellung von 1 senkrecht zur Zeichenebene liegt. In der ersten bevorzugten Ausführungsform verläuft die Längsrichtung des Resonatorelements 12 im Wesentlichen senkrecht zur Substratnormalenrichtung, d. h. das Resonatorelement 12 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu einer Substratebene. Eine direkte Verbindung des Resonatorelements 12 zum Trägersubstrat 14 könnte durch direktes Anordnen der Endabschnitte 12a und 12b an das Trägersubstrat 14 erreicht werden, während für eine indirekte Verbindung beispielsweise eine Zwischenschicht, wie z. B. eine später noch beschriebene Opferschicht, zwischen den Endabschnitten 12a bzw. 12b und dem Trägersubstrat 14 angeordnet sein kann.
Zwischen den beiden fixierten Endabschnitten 12a, 12b umfasst das Resonatorelement 12 einen Schwingungsabschnitt 12c, welcher relativ zum Trägersubstrat 14 bewegbar und insbesondere um eine Ruhelage schwingungsfähig ist. In der gezeigten Ausführungsform ist der Schwingungsabschnitt 12c als mittlerer Abschnitt des Resonatorelements 12 ausgebildet. Vorzugsweise ist der Schwingungsabschnitt 12c vom Trägersubstrat 14 beabstandet, was eine freie Schwingung des Schwingungsabschnitts 12c ermöglicht. Vorzugsweise umfasst das Resonatorelement 12 eine in Längsrichtung zugverspannte Resonatorträgerschicht. Dadurch wird in besonders effizienter Weise eine geeignete Rückstellkraft auf den Schwingungsabschnitt 12c für eine Schwingung um die Ruhelage erreicht. Dabei werden die Kräfte der Zugverspannung nach Art einer gespannten Saite über die Endabschnitte 12a, 12b auf das Trägersubstrat 14 übertragen bzw. vom Trägersubstrat 14 aufgebracht. Je nach Spannung und Elastizität des Resonatorelements 12 weist das Resonatorelement 12 zumindest eine Resonanzfrequenz für Schwingungen um die Ruhelage auf.
Die Ladungstransfervorrichtung 10 umfasst außerdem ein erstes Elektrodenelement 16a und ein zweites Elektrodenelement 16b, welche voneinander beabstandet sind. Der Schwingungsabschnitt 12c ist dabei zumindest teilweise zwischen den beiden Elektrodenelementen 16a, 16b angeordnet. Wie in 1 außerdem dargestellt, umfasst das Resonatorelement 12 und insbesondere dessen Schwingungsabschnitt 12c einen Ladungstransferabschnitt 18, der im Wesentlichen zwischen den beiden Elektrodenelementen angeordnet ist und sich bei Schwingungsanregungen des Resonatorelements 12 zusammen mit dem Schwingungsabschnitt 12c zwischen den beiden Elektrodenelementen 16 bewegen kann. Der Ladungstransferabschnitt 18 ist insbesondere geeignet, elektrische Ladung aufzunehmen. Dazu umfasst der Ladungstransferabschnitt in einer bevorzugten Ausführungsform elektrisch leitfähiges Material, z. B. Metall. Beispielsweise wird der Ladungstransferabschnitt 18 von einer Goldinsel gebildet. Auch andere Materialien und insbesondere Metalle sind hier einsetzbar. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst der Ladungstransferabschnitt elektrisch isolierendes Material mit zumindest einem elektronischen Niveau als Ladungs-trapping-Niveau, d. h. insbesondere ein diskretes Energieniveau für ein Elektron. Vorzugsweise ist der Ladungstransferabschnitt 18 an einem elektrisch isolierenden Bereich des Schwingungsabschnitts 12c angeordnet, um ein Abfließen elektrischer Ladung vom Ladungstransferabschnitt 18 über das restliche Resonatorelement zu unterbinden bzw. zu verringern.
Vorzugsweise ist der mit dem Schwingungsabschnitt 12c verbundene Ladungstransferabschnitt 18 im Wesentlichen periodisch in Abstandsrichtung zwischen den beiden Elektrodenelementen 16 schwingungsfähig. Bei ausreichend großer Amplitude dieser Schwingung kommt der Ladungstransferabschnitt 18 abwechselnd und vorzugsweise periodisch mit dem ersten Elektrodenelement 16a und dem zweiten Elektrodenelement 16b in elektrischen Kontakt. Als elektrischer Kontakt wird dabei vorzugsweise jeweils für kurze Zeit ein ohmscher Kontakt und/oder ein Tunnelkontakt zwischen dem Ladungstransferabschnitt 18 und dem jeweiligen Elektrodenelement 16 gebildet.
Das Resonatorelement 12 lässt sich insbesondere durch einen Schwingungsgeber 20 zu einer Schwingung anregen, welcher in der gezeigten Ausführungsform an das Trägersubstrat 14 angeordnet ist. Dazu ist der Schwingungsgeber 20 zur Erzeugung akustischer Schwingungen ausgelegt, die über das Trägersubstrat 14 an das Resonatorelement 12 übertragen werden. Als akustische Schwingungen werden dabei mechanische, vorzugsweise nicht-polare Schwingungen an das Resonatorelement 12 übertragen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Schwingungsgeber unmittelbar am Resonatorelement angeordnet.
Vorzugsweise umfasst der Schwingungsgeber 20 einen Piezoaktor, der über ein Spannungssignal bzw. eine Wechselspannung betrieben wird und damit akustische Schwingung an das Trägersubstrat 14 überträgt. Je nach Spannungssignal bzw. Wechselspannung umfassen die erzeugten akustischen Schwingungen zumindest eine Frequenzkomponente. Sie können aber auch eine Vielzahl von Frequenzkomponenten oder ein Kontinuum von Frequenzkomponenten umfassen. Insbesondere, wenn die vom Schwingungsgeber 20 erzeugten akustischen Schwingungen die zumindest eine Resonanzfrequenz des Resonatorelements 12 umfassen, wird das Resonatorelement 12 besonders effizient zu einer mechanischen Schwingung angeregt.
Als Schwingungsgeber könnte auch ein anderer Generator für mechanische Schwingungen vorgesehen sein. Beispielsweise könnte in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform als Schwingungsgeber 20 ein Substrat vorgesehen sein, das durch seine thermische Ausdehnung mechanische Schwingungen erzeugt. Insbesondere könnte dieses Substrat durch Absorption eines einmaligen oder eines periodisch wiederkehrenden Laserpulses oder durch einen zeitlich intensitätsmodulierten, kontinuierlichen Laserstrahl zu thermischen Ausdehnungen angeregt werden und dabei mechanische Schwingungen an das Resonatorelement 12 übertragen.
Vorzugsweise wird an die Elektrodenelemente 16a, 16b eine elektrische Spannung, insbesondere eine Gleichspannung V angelegt. Bei jedem Kontakt zwischen dem Ladungstransferabschnitt 18 und einem der Elektrodenelemente 16 kann je nach angelegter Spannung V elektrische Ladung vom Elektrodenelement 16 auf den Ladungstransferabschnitt 18 oder umgekehrt, beispielsweise durch ohmschen Stromfluss und/oder durch quantenmechanischen Tunneleffekt der Ladungsträger, übertragen werden. Neben der angelegten Spannung V hängt die übertragene Ladung auch von der elektrischen Kapazität des Ladungstransferabschnitts 18 ab, welche wiederum insbesondere von der Größe des Ladungstransferabschnitts 18 abhängt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Kapazität des Ladungstransferabschnitts 18 so klein, dass die Energieabstände bei Beladung mit einzelnen Elementarladungen e, also die Coulomb-Lücken (Coulomb-Blockade), größer oder zumindest nicht wesentlich kleiner sind als der Wert der mittleren thermischen Energie k_BT der Elektronen bei einer Betriebstemperatur T der Ladungstransfervorrichtung, mit der Boltzmannkonstante k_B. Dadurch lässt sich durch Vorgabe der angelegten Spannung V die Anzahl der pro Kontaktvorgang oder Berührungsvorgang zwischen dem Ladungstransferabschnitt 18 und einem Elektrodenelement 16 übertragenen Elementarladungen (Elektronen) einstellen. Insbesondere lässt sich dadurch die Anzahl der pro Schwingungsperiode des Resonatorelements von einem Elektrodenelement 16a auf das andere Elektrodenelement 16b übertragenen Elektronen einstellen.
2 zeigt eine beispielhafte Kennlinie für einen Ladungstransfer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist die zeitlich gemittelte Anzahl <n> an transferierten Elektronen pro Schwingungsperiode als Funktion der angelegten Spannung V dargestellt. In dieser Kennlinie bilden sich bei einer ausreichend kleinen elektrischen Kapazität bzw. Größe des Ladungstransferabschnitts 18 bzw. bei ausreichend niedrigen Temperaturen aufgrund der Coulomb-Blockade Stufen in Form von Plateaus und Flanken aus. Je niedriger die Temperaturen, desto stärker bzw. schärfer sind diese Stufen ausgebildet, d. h. desto flacher werden die Plateaus und desto steiler werden die Flanken.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung 10 als Stromnormal bzw. Stromstandard verwendet. Dazu wird bei einem ausreichend kleinen Ladungstransferabschnitt 18, d. h. bei einer entsprechend kleinen elektrischen Kapazität des Ladungstransferabschnitts 18 und bei geeignet niedriger Betriebstemperatur T durch Anlegen einer geeigneter Spannung V an die Elektrodenelemente 16 dafür gesorgt, dass mit jeder Schwingungsperiode eine feste Anzahl an Elektronen, insbesondere ein Elektron, transferiert wird. Vorzugsweise wird die Spannung V dabei im Bereich des Zentrums eines Plateaus der in 2 beispielhaft gezeigten Kennlinie eingestellt. Der sich ergebende Strom I = e·f ist dann gegeben durch die Ladung des Elektrons (Elementarladung e) mal der Frequenz f mit der der Ladungstransferabschnitt 18 zwischen den Elektrodenelementen 16 hin und her schwingt. Ist die Frequenz f genau festgelegt, ergibt sich daraus ein genau festgelegter Strom I. Durch Verändern der Spannung V zwischen den Elektrodenelementen 16 kann die Anzahl der vom Ladungstransferabschnitt 18 pro Schwingungsperiode transferierten Elektronen verändert werden. Der Strom ist je nach Anzahl der Elektronen pro Schwingungsperiode allgemein nach I = n·e·f gegeben durch die Frequenz f mal der Anzahl n der Elektronen pro Schwingungsperiode mal der Elementarladung e.
Die Anregung der Schwingung des Resonatorelements 12 erfolgt dabei mittels des Schwingungsgebers 20. In einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Schwingungsgeber 20 eine periodische, akustische Schwingung mit zumindest einer Frequenzkomponente, die einer Resonanzfrequenz f₀ des Resonatorelements 12 entspricht oder zumindest in der Nähe einer solchen Resonanzfrequenz liegt. Dadurch wird die Schwingung des Resonatorelements 12 besonders effizient angeregt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform könnte der Schwingungsgeber 20 eine nicht-periodische mechanische Anregung, z. B. in Form eines einmaligen mechanischen Pulses, erzeugen und dabei als deren Fourier-Komponenten ein Kontinuum von akustischen Schwingungsfrequenzen generieren.
Vorzugsweise umfasst das Resonatorelement 12 Material mit einer niedrigen Energiedissipation bei Verformung, beispielsweise zugverspanntes Siliziumnitrid. Dies führt zu einer hohen Güte des Resonatorelements. Die scharfe Resonanzkurve führt somit zu einer genauen Festlegung der Resonanzfrequenz. Vorzugsweise lässt sich durch eine Steigerung der Zugverspannung des Resonatorelements die mechanische Güte und damit die Schärfe der Resonanzkurve weiter erhöhen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als hochpräziser Frequenzschalter verwendet. Dabei tritt genau dann ein Stromfluss oder ein Maximum des Stromflusses zwischen den Elektrodenelementen 16 auf, wenn der Schwingungsgeber 20 eine akustische Schwingung mit ausreichender Amplitude einkoppelt, die eine Frequenzkomponente enthält, welche genau einer Resonanzfrequenz f₀ des Resonatorelements 12 entspricht. Dabei führt eine hohe Güte des Resonatorelements vorzugsweise dazu, dass bereits kleine Anregungsamplituden ausreichen, um eine Schwingung des Resonatorelements mit ausreichender Amplitude anzuregen, was insbesondere bei hohen Frequenzen dann vorteilhaft sein kann, wenn solche Frequenzen vom Schwingungsgeber weniger effizient generiert oder ausgegeben werden können. Außerdem bewirken niedrigere Anregungsamplituden eine geringere Erwärmung des Systems durch den Schwingungsgeber, was wiederum vorzugsweise den Coulomb-Blockade-Effekt begünstigt.
Für diese Anwendung ist es nicht einmal erforderlich, dass die pro Schwingungsperiode transferierte Anzahl an Elektronen genau festgelegt oder bekannt ist. Durch einen hohen Q-Faktor für die mechanischen Schwingung des Resonatorelements 12 erreicht man eine hohe Selektivität bzw. Auflösung für einzelne Frequenzkomponenten. Weicht die Anregungsfrequenz des Schwingungsgebers 20 nur geringfügig von der Resonanzfrequenz f₀ des Resonatorelements ab, sinkt die Amplitude der von dieser Anregungsfrequenz angeregten erzwungenen Schwingung des Resonatorelements 12 sehr schnell ab. Dadurch steigt bei geeigneter Wahl der Anregungsamplitude der während der Schwingung auftretende minimale Abstand des Ladungstransferabschnitts 18 von den einzelnen Elektrodenelementen 16. Dadurch kommt es nicht mehr zu einem ohmschen Kontakt zwischen dem Ladungstransferabschnitt 18 und den einzelnen Elektrodenelementen und/oder mit steigendem minimalen Tunnelabstand steigt die effektive Tunnelbarriere und die Tunnelwahrscheinlichkeit, welche wiederum ein Maß für den Strom darstellen kann, nimmt exponentiell ab. Dadurch erreicht man vorzugsweise eine gegenüber der Resonanzkurve der mechanischen Schwingung nochmals deutlich schmälere Resonanzkurve des elektrischen Stroms in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz. Man erreicht damit vorzugsweise einen Frequenzschalter bzw. Frequenzfilter mit besonders hoher Frequenzauflösung bzw. Selektivität.
Vorzugsweise weist das Trägersubstrat 14 eine elektrisch leitfähige Schicht als Gateschicht auf. Damit lässt sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Gateschicht relativ zum Potential der Elektrodenelemente 16 in besonders einfacher Weise eine leicht asymmetrische Fertigung der Elektrodenelemente 16 und/oder des Resonatorelements 12 ausgleichen. Insbesondere kann damit während des Schwingungsvorgangs eine über viele Schwingungsperioden gemittelte elektrische Ladung des Ladungstransferabschnitts 18 erreicht werden, die von Null verschieden ist, und damit im elektrischen Feld der Elektrodenelemente 16 zu einer effektiven Kraft zu einer der Elektrodenelemente hin führt, um eine zum Mittelpunkt zwischen den Elektrodenelementen 16 asymmetrische mechanische Rückstellkraft auszugleichen.
3 zeigt weitere bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Ladungstransfervorrichtung 10. Dabei ist die in 3A gezeigte Ausführungsform ähnlich der ersten Ausführungsform aufgebaut, weshalb hierzu auch auf die entsprechenden Details der Beschreibung zu 1 hingewiesen wird. Einander entsprechende Elemente sind jeweils mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform umfasst der Schwingungsabschnitt 12c des Resonatorelements 12 Abstimmelemente 22, welche zumindest teilweise zusammen mit dem Ladungstransferabschnitt 18 schwingen und einen Beitrag zur gesamten Schwingungsmasse des Schwingungsabschnitts 12c liefern. Je nach Größe bzw. Masse der Abstimmelemente 22 wird damit die Resonanzfrequenz f₀ des Resonatorelements beeinflusst bzw. festgelegt. Außerdem sind in dieser Ausführungsform die Endabschnitte 12a, 12b mit einem vergrößerten Querschnitt gegenüber dem Schwingungsabschnitt 12c ausgebildet und bilden dabei jeweils eine Resonatorträgerstruktur, die insbesondere direkt oder indirekt mit dem Trägersubstrat 14 fest verbunden ist. Durch die damit erreichte größere mechanische Verbindungsfläche zum Trägersubstrat 14 wird vorzugsweise einerseits die mechanische Ankopplung an die akustischen Schwingungen und die Übertragung einer Zugverspannung im Resonatorelement verbessert, andererseits lässt sich damit gemäß einem nachfolgend mit Bezug auf 4 beschriebenen Verfahren das Resonatorelement 12 besonders einfach herstellen.
3B zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ladungstransfervorrichtung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform ist das Resonatorelement 12 in seiner Längsrichtung im Wesentlichen parallel zur Substratnormalenrichtung des Trägersubstrats 14 angeordnet. Das Resonatorelement 12 ist nur über einen Endabschnitt 12a fest mit dem Trägersubstrat 14 verbunden, während ein zweites, dem Trägersubstrat 14 abgewandtes bzw. vom Trägersubstrat 14 hochragendes Ende schwingen kann und den Schwingungsabschnitt 12c des Resonatorelements bildet. Entsprechend ist der Ladungstransferabschnitt 18 an dem vom freien Ende des Resonatorelements 12 gebildeten Schwingungsabschnitt 12c angeordnet. Dieses freie Ende und insbesondere der Ladungstransferabschnitt 18 ist zwischen den beiden Elektrodenelementen 16a, 16b bewegbar. Aufgrund der Elastizität des Resonatorelements 12 und der dadurch bewirkten Rückstellkraft weist der Schwingungsabschnitt eine Ruhelage auf, in der sich der Ladungstransferabschnitt 18 zwischen den beiden Elektrodenelementen 16a, 16b befindet. Vorzugsweise weist das Resonatorelement 12 analog zu den bereits beschriebenen Ausführungsformen zumindest eine Resonanzfrequenz f₀ auf, welche insbesondere mittels des Trägersubstrats 14 vom Schwingungsgeber 20 über den Endabschnitt 12a in das Resonatorelement 12 eingekoppelt bzw. übertragen wird.
In dieser "vertikalen" Anordnung des Resonatorelements 12 in der in 3B gezeigten Ausführungsform ist aufgrund des geringeren lateralen Platzbedarfs auf dem Trägersubstrat 14 eine höhere Integrationsdichte insbesondere für eine Vielzahl von Resonatorelementen auf dem selben Trägersubstrat möglich, wie nachfolgend mit Bezug auf 8 und 9 noch beschrieben wird. Für weitere Details über die Ausgestaltung der einzelnen Komponenten bzw. die Funktionsweise und die Verwendung der Vorrichtung 10 gilt das im Zusammenhang mit den zuvor gezeigten Ausführungsformen beschriebene entsprechend.
In 4A bis 4J sind einzelne Zwischenschritte eines Herstellungsverfahrens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform schematisch dargestellt. Dabei wird, wie in 4A gezeigt, zunächst das Trägersubstrat 14 bereitgestellt. Als Trägersubstrat könnte insbesondere ein Siliziumsubstrat, z. B. in Form eines Silizium-Wafers, verwendet werden. Auf diesem Trägersubstrat 14 werden nacheinander bzw. übereinander eine Opferschicht 24, eine Resonatorträgerschicht 26 und eine Schicht Fotolack 28 angeordnet. Beispielsweise umfasst die Opferschicht 400 nm Siliziumdioxid, auf dem beispielsweise eine etwa 100 nm dicke Siliziumnitrid-Schicht als Resonatorträgerschicht 26 angeordnet wird.
Wie in 4B dargestellt, wird der Fotolack 28 beispielsweise mittels UV-Licht oder Elektronenstrahl lithographisch strukturiert. Dabei werden im Fotolack Elektrodenöffnungen 30a, 30b und eine Ladungstransferabschnittsöffnung 32 für die Strukturierung der späteren Elektrodenelemente 16a, 16b bzw. des späteren Ladungstransferabschnitts 18 unter lokaler Freilegung der darunter liegenden Resonatorträgerschicht 26 ausgebildet. Die Ladungstransferabschnittsöffnung 32 wird dabei beispielsweise mit einem Querschnitt von etwa 100 nm auf 100 nm ausgebildet. Anschließend wird, wie in 4C dargestellt, eine Metallisierungsschicht 34 abgeschieden, z. B. durch thermisches Aufdampfen. Dazu wird beispielsweise nacheinander eine etwa 10 nm bis 100 nm dicke Goldschicht und anschließend eine etwa 30 nm dicke Aluminiumschicht abgeschieden. Nach einem anschließenden Lift-off-Schritt, in dem der strukturierte Fotolack 28 zusammen mit der darüberliegenden Metallisierung abgelöst wird, bleiben die Elektrodenelemente 16a und 16b sowie der Ladungstransferabschnitt 18 auf der Resonatorträgerschicht 26 zurück, wie in 4D gezeigt. Der Ladungstransferabschnitt 18 ist dabei insbesondere als Insel mit einer Größe von etwa 100 nm × 100 nm × 100 nm ausgebildet.
Anschließend wird, wie in 4E dargestellt, eine weitere Fotolackschicht 36 abgeschieden, welche unter Bildung einer Ätzmaskenöffnung 38 lithographisch strukturiert wird. Insbesondere wird die Ätzmaskenöffnung im Wesentlichen in Form des Querschnitts des herzustellenden Resonatorelements ausgebildet. Hierauf wird, wie 4F zeigt, eine Ätzmaskenschicht 40 abgeschieden, welche beispielsweise Aluminium umfasst. Wie in 4G dargestellt, bleibt nach einem weiteren Lift-off-Schritt eine Ätzmaske 42 auf der Resonatorträgerschicht 26 bzw. dem Ladungstransferabschnitt 18 zurück.
Mit Hilfe dieser Ätzmaske 42 wird vorzugsweise in zwei Ätzschritten das Resonatorelement ausgebildet. Dabei umfasst vorzugsweise der erste Ätzschritt einen anisotropen, also gerichteten Ätzprozess (z. B. mittels CF₄ als Ätzgas). Dabei wird, wie in 4H gezeigt, beispielsweise durch reaktives Ionenätzen bzw. einen Trockenätzschritt im Wesentlichen vertikal, d. h. in Substratnormalenrichtung in die Schichtstruktur hineingeätzt und dabei werden insbesondere die nicht von der Ätzmaske 42 bzw. den Elektrodenelementen 16 abgedeckten Bereiche der Resonatorträgerschicht 26 und der Opferschicht 24 abgetragen. In einem nachfolgenden isotropen Ätzprozess, beispielsweise einem Nassätzschritt unter Verwendung von gepufferter Flusssäure, wird die Ätzmaske 42 und die, wie oben beschrieben, beispielsweise aus Aluminium gebildete oberste Schicht der Elektrodenelemente 16a, 16b vollständig und die Opferschicht 24 teilweise abgetragen. Durch die Wahl der richtigen Ätzzeit wird vorzugsweise die Opferschicht 24 unter dem als Balken oder Saite ausgebildeten Schwingungsabschnitt 12c des Resonatorelements 12 vollständig entfernt, während unter den mit größerem Querschnitt ausgebildeten Endabschnitten 12a, 12b die Opferschicht 24 zumindest noch teilweise verbleibt und damit eine feste Verbindung des Resonatorelements 12 zum Trägersubstrat 14 bildet, wie in 4J dargestellt.
In 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladungstransfervorrichtung 10 dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst die Ladungstransfervorrichtung ein Abschirmgehäuse 44, welches das Resonatorelement 12 einschließt oder zumindest teilweise einschließt und ausgelegt ist, elektrische und/oder magnetische, insbesondere elektromagnetische Felder abzuschirmen. Dazu umfasst das Abschirmgehäuse vorzugsweise elektrisch leitfähiges, insbesondere metallisches Material. Damit ist ein besonders störungsfreier Betrieb und folglich eine hohe Sensitivität bzw. Auflösung der Vorrichtung erreichbar. Besonders bevorzugt ist dabei der Schwingungsgeber 20 außerhalb des Abschirmgehäuses 44 angeordnet. Damit wird eine elektrische bzw. magnetische bzw. elektromagnetische Beeinflussung des Ladungstransfers mittels des Ladungstransferabschnitts 18 aufgrund einer eventuell elektronischen Ansteuerung des Schwingungsgebers 20 oder sonstiger externer Felder verhindert oder zumindest verringert. Die akustischen Schwingungen sind jedoch weiterhin durch das Abschirmgehäuse 44 einkoppelbar, so dass der Ladungstransfer über die akustischen Schwingungen des Schwingungsgebers 20 beeinflusst bzw. gesteuert werden kann.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen einer Ladungstransfervorrichtung 10 sind in 6A bis 6C ausschnittsweise schematisch dargestellt. In diesen Ausführungsformen umfasst die Ladungstransfervorrichtung 10 eine Sensorelektrode 46, welche kapazitiv an den Ladungstransferabschnitt 18 koppelt. Die Sensorelektrode 46 kann dabei, wie in 6A und 6C dargestellt, auf dem Trägersubstrat 14 angeordnet sein. Dadurch bleibt die Sensorelektrode 46 auch bei Schwingungen des Resonatorelements 12 im Wesentlichen unbewegt. In der in 6B gezeigten Ausführungsform ist die Sensorelektrode 46 hingegen zumindest teilweise auf dem bzw. am Resonatorelement 12 angeordnet und schwingt zumindest teilweise zusammen mit diesem. Dadurch wird erreicht, dass der Abstand und damit die kapazitive Kopplung der Sensorelektrode 46 zum Ladungstransferabschnitt 18 auch während der Schwingung im Wesentlichen konstant bleibt.
Insbesondere sind diese bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen besonders vorteilhaft als Ladungssensor verwendbar. Dabei wird vorzugsweise die Spannung V an den Elektrodenelementen 16a, 16b so eingestellt, dass sich der Strom I in der Vorrichtung auf einer der in 2 beispielhaft dargestellten Flanken befindet. Damit verändert sich der Strom sehr empfindlich bei einer Änderung des elektrischen Potential an der Sensorelektrode 46. Damit kann eine Potentialänderung sehr empfindlich detektiert werden. Insbesondere führen kleine Potentialänderungen bereits zu relativ großen Änderungen des Stroms I.
7 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Ladungstransfervorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei ist in 7A eine schematische Darstellung und in 7B eine REM-Aufnahme des Resonatorelements 12 mit der Sensorelektrode 46 und einer schematischen Verschaltung gezeigt. Zur besseren Erkennbarkeit wurde in der REM-Aufnahme die Sensorelektrode 46 mit einer weissen Linie umrissen.
In dieser Ausführungsform umfasst die Ladungstransfervorrichtung 10 einen Einzelelektronentransistor 48 (SET) mit zwei Kontaktelektroden 50a, 50b und einer Coulomb-Blockade-Insel 52, welche kapazitiv an die Sensorelektrode 46 koppelt. Dabei eignet sich der Einzelelektronentransistor 48 besonders gut für eine Erfassung einer Potentialänderung an der Sensorelektrode 46 mit hoher Auflösung auch bei sehr schnellen Potentialänderungen. So ändert sich insbesondere die Leitfähigkeit des Einzelelektronentransistors 48 sehr empfindlich und sehr schnell bei einer Änderung des elektrischen Potentials der Sensorelektrode 46, welche damit wiederum als Sensor für eine Änderung des elektrischen Potentials des an die Sensorelektrode 46 kapazitiv gekoppelten Ladungstransferabschnitts 18 fungiert. Damit lässt sich der Ladezustand des Ladungstransferabschnitts 18 elektronengenau und zeitaufgelöst detektieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird somit eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere in der Ausführungsform mit einem Einzelelektronentransistor 48 als hochpräziser Stromzähler oder Stromdetektor oder Einzelelektronenzähler insbesondere zur hochpräzisen Stromeichung verwendet. Dabei werden mit dem Einzelelektronentransistor 48 bereits sehr kleine Ladungen auf dem Ladungstransferabschnitt 18 mit sehr hoher Zeitauflösung detektiert. Dadurch ist es möglich Elektronen, die der Ladungstransferabschnitt 18 des Resonatorelements 12 von einem Elektrodenelement 16 zum anderen transportiert, abzuzählen. Dies kann für die auf ein Elektron genaue Eichung von Strommessgeräten verwendet werden: Wird der mittels des akustisch zur Schwingung angeregten Resonatorelements 12 transportierte Strom von einem hochempfindlichen Strommessgerät über einen bestimmten Integrationszeitraum gemessen, so kann mit dem Einzelelektronentransistor 48 dieser Strom auf ein Elektron genau bestimmt und mit dem Strommessgerät abgeglichen werden.
Da das Auslesen eines Einzelelektronentransistors unter Umständen mit elektrischen Wechselströmen geschieht, ist es möglich, dass dies elektrische Wechselfelder erzeugt, die den Ladungstransfer mittels des Resonatorelements 12 beeinflussen oder stören. Dies wird vorzugsweise durch Aufbringen einer elektrischen Abschirmschicht auf den Einzelelektronentransistor 48 und dessen Zuleitungen verhindert oder zumindest verringert.
In 8 und 9 sind weitere bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen dargestellt. Dabei umfasst die Ladungstransfervorrichtung 10 in diesen Ausführungsformen jeweils eine Vielzahl von Resonanzzellen. Jede der Resonanzzellen umfasst dabei zwei Elektrodenelemente 16a, 16b und ein Resonatorelement 12. Wie in 8A und 8B gezeigt, sind dabei beispielsweise die ersten Elektrodenelemente 16a der Vielzahl von Resonanzzellen elektrisch miteinander verbunden bzw. gemeinsam elektrisch kontaktiert. Ebenso sind die zweiten Elektrodenelemente 16b der Vielzahl von Resonanzzellen elektrisch miteinander verbunden bzw. gemeinsam elektrisch kontaktiert. Durch diese Parallelschaltung vieler Resonanzzellen lässt sich beispielsweise für eine Verwendung der Vorrichtung als Stromnormal ein höherer Gesamtstrom als Referenz bei gleichzeitig hoher Genauigkeit herstellen.
Wie in 8A dargestellt, könnten zumindest einige der Resonatorelemente im Wesentlichen dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen, indem sie im Wesentlichen identisch dimensioniert sind. Dies ist beispielsweise für die Herstellung höherer Ströme durch Parallelschaltung besonders vorteilhaft, da dann all diese Resonatorelemente mit derselben akustischen Schwingung gleichzeitig anregbar sind. Andererseits weisen in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest einige der Resonatorelemente 12 unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Dies könnte, wie in 8A gezeigt, durch eine unterschiedliche Längsausdehnung des Schwingungsabschnitts 12c erreicht werden. Dadurch lässt sich beispielsweise die Vorrichtung 10 je nach eingekoppelter akustischer Schwingung zur Erzeugung unterschiedlicher Ströme verwenden, da der Gesamtstrom über I = n·e·f von der Frequenz f abhängt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform könnte analog zu den bereits beschriebenen Ausführungsformen und insbesondere jedem Resonatorelement 12 eine Sensorelektrode zugewiesen sein, bzw. in jeder Resonanzzelle eine Sensorelektrode ausgebildet sein. Dabei könnten in einer besonders bevorzugten Ausführungsform alle Sensorelektroden elektrisch miteinander verbunden sein. In einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform wird jede Sensorelektrode einzeln kontaktiert, was eine individuelle Abstimmung der einzelnen Resonanzzellen ermöglicht.
9 zeigt Ausschnitte von REM-Aufnahmen einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ähnlich der Vorrichtung von 8 mit einer Vielzahl von Resonanzzellen. Dabei ist in 9A ein Überblick über ein ganzes Resonanzzellenfeld dargestellt, während 9A bis 9C einzelne Resonatorelemente aus dem Resonanzzellenfeld vergrößert darstellen. Dabei wird, anders als in der Ausführungsform von 8A, die unterschiedliche Resonanzfrequenz einzelner Resonatorelemente 12 durch die unterschiedliche Anzahl und Masse der Abstimmelemente 22 erreicht.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird eine Vorrichtung 10 für besonders rauscharme Messungen oder als besonders rauscharmer Stromgeber oder Elektronenzähler verwendet, indem zumindest einige der elektrisch leitfähigen Komponenten, insbesondere eine oder mehrere Elektrodenelemente 16 und/oder ein oder mehrere Ladungstransferabschnitte 18 und/oder eine oder mehrere Sensorelektroden 46 und/oder eine oder mehrere Kontaktelektroden 50 des Einzelelektronentransistors 48 und/oder eine oder mehrere Coulomb-Blockade-Inseln 52, supraleitendes Material umfassen.
Insbesondere wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform durch Anwenden eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform als Stromgeber bzw. Stromnormal und/oder als Potential- bzw. Ladungssensor und/oder als Einzelelektronenzähler und/oder als Frequenzschalter verwendet, wie in Zusammenhang mit einzelnen bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Vorzugsweise lassen sich dabei einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen derart kombinieren, dass verschiedene Anwendungen gleichzeitig oder nacheinander möglich sind. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung durch geeignete Kombination und Dimensionierung der bevorzugten Elemente für eine gewünschte Verwendung spezialisiert.

10: Ladungstransfervorrichtung
12: Resonatorelement
12a, 12b: erster, zweiter Endabschnitt des Resonatorelements
12c: Schwingungsabschnitt des Resonatorelements
14: Trägersubstrat
16a, 16b: erstes, zweites Elektrodenelement
18: Ladungstransferabschnitt
20: Schwingungsgeber
22: Abstimmelement
24: Opferschicht
26: Resonatorträgerschicht
28: Fotolack
30a, 30b: Elektrodenöffnungen
32: Ladungstransferabschnittsöffnung
34: Metallisierungsschicht
36: Fotolack
38: Ätzmaskenöffnung
40: Ätzmaskenschicht
42: Ätzmaske
44: Abschirmgehäuse
46: Sensorelektrode
48: Einzelelektronentransistor
50a, 50b: Kontaktelektroden
52: Coulomb-Blockade-Insel

Claims

Ladungstransfervorrichtung (10) umfassend: – ein Trägersubstrat (14); – einen Schwingungsgeber (20) zur Erzeugung akustischer Schwingungen; – zumindest zwei voneinander beabstandete Elektrodenelemente (16a, 16b); und – zumindest ein zum Schwingungsgeber (20) gekoppeltes mechanisches Resonatorelement (12) mit zumindest einem zwischen den beiden Elektrodenelementen (16a, 16b) bewegbaren Ladungstransferabschnitt (18).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ladungstransferabschnitt (18) eine elektrisch leitfähige Insel umfasst, die an einem zumindest teilweise elektrisch isolierenden Schwingungsabschnitt (12c) des Resonatorelements (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Schwingungsgeber (20) einen Piezoaktor umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Resonatorelement (12) über das Trägersubstrat (14) an den Schwingungsgeber (20) mechanisch koppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Resonatorelement (12) über einen ersten Endabschnitt (12a) und einen zweiten Endabschnitt (12b) am Trägersubstrat (14) befestigt ist und zumindest in einem zwischen den beiden Endabschnitten (12a, 12b) angeordneten Schwingungsabschnitt (12c) zugverspannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Resonatorelement (12) über einen ersten Endabschnitt (12a) am Trägersubstrat (14) befestigt ist und ein zweiter Endabschnitt zwischen den beiden Elektrodenelementen (16) unter elastischer Verformung des Resonatorelements (12) bewegbar ist und wobei der Ladungstransferabschnitt am zweiten Endabschnitt angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend ein Abschirmgehäuse (44) zur Abschirmung elektrischer Felder und/oder magnetischer Felder, insbesondere elektromagnetischer Felder, wobei das Resonatorelement (12) zumindest teilweise innerhalb des Abschirmgehäuses (44) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Schwingungsgeber (20) außerhalb oder zumindest teilweise außerhalb des Abschirmgehäuses (44) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zumindest eine Resonatorelement (12) zumindest eine Resonanzfrequenz im Bereich zwischen 10 kHz und 1 THz, vorzugsweise im Bereich größer als 0,1 MHz und/oder kleiner als 1 GHz, besonders bevorzugt in einem Bereich von mehr als 1 MHz und/oder weniger als 100 MHz aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend eine Sensorelektrode (46), welche kapazitiv an den Ladungstransferabschnitt koppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, umfassend einen Einzelelektronentransistor (48) mit einer Coulomb-Blockade-Insel (52), welche kapazitiv an die Sensorelektrode (46) koppelt, und Kontaktelektroden (50a, 50b), welche über Tunnelkontakte an die Coulomb-Blockade-Insel (52) koppeln.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend eine Vielzahl von auf dem Trägersubstrat (14) angeordneten Resonanzzellen, von denen jede umfasst: – zumindest ein erstes Elektrodenelement (16a) und ein zweites, vom ersten beabstandetes Elektrodenelement (16b); und – zumindest ein zum Schwingungsgeber (20) gekoppeltes mechanisches Resonatorelement (20) mit zumindest einem zwischen den jeweiligen Elektrodenelementen (16a, 16b) bewegbaren Ladungstransferabschnitt (18).
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die ersten Elektrodenelemente (16a) der Vielzahl von Resonanzzellen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind und wobei die zweiten Elektrodenelemente (16b) der Vielzahl von Resonanzzellen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Vielzahl der Resonatorelemente (12) der Vielzahl von Resonanzzellen unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei eine Vielzahl der Resonatorelemente (12) dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen.
Verfahren zum Transport von elektrischer Ladung umfassend: – Anlegen einer elektrischen Spannung (V) zwischen zwei voneinander beabstandeten Elektrodenelementen (16a, 16b); – mechanisches Anregen zumindest eines Resonatorelements (12) mittels akustischer Schwingungen derart, dass ein vom Resonatorelement (12) umfasster Ladungstransferabschnitt (18) die beiden Elektrodenelemente (16a, 16b) mit zumindest einer Resonanzfrequenz des Resonatorelements (12) abwechselnd elektrisch kontaktiert.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Resonatorelement (12) an einem Trägersubstrat (14) angeordnet wird und die zur Anregung des Resonatorelements (12) verwendeten akustischen Schwingungen in dem Trägersubstrat ausgebildet werden und/oder durch das Trägersubstrat (14) an das Resonatorelement (12) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das mechanische Anregen ein Erzeugen einer akustischen Schwingung mittels eines Piezoaktors umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, umfassend – kapazitives Koppeln einer Sensorelektrode (46) an den Ladungstransferabschnitt; und – Detektieren eines elektrischen Stroms und/oder einer Stromänderung durch die Elektrodenelemente.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, umfassend – kapazitives Koppeln einer Sensorelektrode (46) an den Ladungstransferabschnitt; und – Detektieren eines elektrischen Potentials und/oder einer Potentialänderung des Ladungstransferabschnitts durch ein Detektieren eines elektrischen Potentials und/oder einer Potentialänderung an der Sensorelektrode (46).
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Detektieren des elektrischen Potentials und/oder der Potentialänderung an der Sensorelektrode ein Detektieren einer elektrischen Leitfähigkeit und/oder eines elektrischen Stroms eines an die Sensorelektrode (46) kapazitiv gekoppelten Einzelelektronentransistors (48) umfasst.
Verwendung einer Ladungstransfervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Stromgeber insbesondere durch Anwenden eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 16 bis 18, 20 und 21.
Verwendung nach Anspruch 22, umfassend ein Anlegen einer Gleichspannung an die Elektrodenelemente (16a, 16b) derart, dass im Mittel eine ganzzahlige, insbesondere durch die Coulomb-Blockade festgelegte Anzahl an Elektronen, insbesondere ein Elektron, pro Schwingungsperiode des Resonatorelements (12) von einem Elektrodenelement (16a) zum anderen Elektrodenelement (16b) gelangt.
Verwendung einer Ladungstransfervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Elektronenzähler insbesondere durch Anwenden eines Verfahrens nach Anspruch 20 oder 21.
Verwendung einer Ladungstransfervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Potentialsensor insbesondere durch Anwenden eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 16 bis 19.
Verwendung nach Anspruch 25, umfassend ein Anlegen einer Gleichspannung an die Elektrodenelemente (16a, 16b) derart, dass im zeitlichen Mittel eine halbzahlige Anzahl an Elektronen, insbesondere ein halbes Elektron oder 1,5 Elektronen, pro Schwingungsperiode des Resonatorelements (12) von einem Elektrodenelement (16a) zum anderen Elektrodenelement (16b) gelangt.