FI102695B - CB-Tunnelointiin perustuva lämpömittari - Google Patents

Description

. . 102695

CB-TUNNELOINTIIN PERUSTUVA LÄMPÖMITTARI

Keksinnön kohteena on CB-tunnelointiin perustuva lämpömittari, joka käsittää anturiosan ja välineet sen jännite-virta-riip-5 puvuuden mittaamiseksi, ja jossa anturiin kuuluu usean, vähintään kymmenen nanorakenteisen tunneliliitoksen muodostama ketju puolijohdealustalla ja liitoselektrodit mittausvälineiden liittämiseksi ketjun päihin, ja jossa kunkin tunneliliitoksen resistanssi on vähintään 10 kQ, ja jossa lämpötila T määritetään 10 sinänsä tunnetulla tavalla jännite-virta-riippuvuuden kuvaajan G/Gx karakterististen suureiden perusteella.

Coulombin saartoon (Coulomb blockade) perustuva lämpömittari ja sen perusteet on esitelty julkaisuissa Physical Review Letters 15 Voi 73, Number 21, 21. Nov 1994, sivut 2903-2906; Applied

Physical Letter 67(14), 2. Oct. 1995 sivut 2096-2098 ja Journal of Low Temperature Physics vol 101, Nos 1/2, Oct. 1995, sivut 17-24. Lämpömittarin anturissa on useita peräkkäin ketjuun järjestettyjä tunneliliitoksia. Coulombin saartona tunnettu 20 ilmiö aiheuttaa bias-jännitteen nollakohdassa konduktanssikuopan, jonka karakteristiset suureet ovat riippuvaisia lämpötilasta. Menetelmä perustuu tunneliliitosten erottaman metallisaarek-keen muodostaman hyvin pienen kondensaattorin varautumisenergian Ec=e2/2C, missä C on kyseisen liitoksen kapasitanssi, ja ter-25 misen energian kBT yhteisvaikutukseen. Osoittautuu, että mitat taessa tunneliliitosketjun virta-jännite-ominaiskäyrää, täsmäl lisemmin sen dynaamista vastusta tunneliliitosten yli vaikuttavan jännitteen funktiona, havaitaan nollakeskinen piikki, jonka leveys on suoraan verrannollinen lämpötilaan ja sen 30 absoluuttiarvo yhtyy teoreettisesti laskettuun erinomaisella tarkkuudella. Tämä ominaisuus tekee lämpömittarista primäärisen. Toisaalta kyseisen piikin korkeus on kääntäen verrannollinen • lämpötilaan, mikä antaa puolestaan sekundäärisen lämpömittarin.

35 Primäärilämpömittarit, erityisesti matalissa lämpötiloissa, ovat harvinaisia. (Ideaali)kaasulämpömittari yli 3 K lämpötilassa, ydinorientaatiolämpömittari 3 - 50 mK lämpötiloissa ja kohina-lämpämittari ovat harvoja tällaisiksi luettavia. CB-tunneloin-.. .. tiin perustuva lämpömittari (CBT) antaa useita etuja näihin 40 verrattuna.

102695 2

Käytännön CBT-sovelluksissa on ollut kuitenkin ongelmia. Anturin kokonaisimpedanssi muodostuu ensinnäkin hyvin korkeaksi. Jotta teoria toteutuisi itse tunnelointitapahtumassa mahdollisimman tarkoin, on kunkin tunneliliitoksen vastuksen R,, oltava selvästi 5 suurempi kuin kvanttivastus RK s h/e2 = 4 kfl. Käytännössä RT

s 20 kn on todettu riittäväksi. Toisaalta, jotta tunneliliitos ketjun päiden haitallinen vaikutus anturin toimintaan minimoituisi on ketjussa oltava vähintään N “ 20 liitosta sarjassa. Nämä kaksi ehtoa yhdistettynä antavat "hyvän" anturin mini-10 mi-impedanssiksi (resistiivinen) Zmin s 400 kn. Näin korkea impedanssitaso aiheuttaa ongelmia, erityisesti jos anturin ja sitä ohjaavan elektroniikan etäisyys, ja sen mukana mittaus-johtojen kapasitanssi kasvavat.

15 Toiseksi anturien käyttölämpötila-alue tulisi saada kasvamaan. Tunneliliitosketjun optimilämpötilan määrää tunneliitoksien kapasitanssi C. Käyttölämpötila-alueekksi saadaan nykyisin hiukan alle kaksi dekadia. Ylärajalämpötilan määrää mittauksen signaali-kohina-suhde, ts. pienin mitattavissa oleva konduk-20 tanssipiikki . Kunkin anturin alarajalämpötilan määrää puolestaan se, että anturi ei enää toimi, kuten yksinkertainen sarjakehi-telmä antaisi odottaa, jos piikin suhteellinen korkeus kasvaa AG/GT 2 0,2.

25 Kolmanneksi alle 1 K lämpötiloissa tulee ongelmaksi usein se, että ketjujen läpi kulkeva virta lämmittää anturia, erityisesti sen elektroneja siten, että elektronilämpötila, jota tässä mitataan, nousee alustan lämpötilan yläpuolelle.

30 Neljäntenä ongelmana voidaan vielä mainita erityisesti nykyiseen materiaaliin, alumiiniin liittyvät ongelmat. Ensinnäkin alumiini : on suprajohtava metalli alle 1 K lämpötiloissa. Koska anturi toimii vain normaalimetallina, tarvitaan yleensä voimakas magneettikenttä, noin 0,5 T, jonka avulla alumiini voidaan pitää 35 normaalina aina alhaisimpiin lämpötiloihin asti. Toisaalta, yli 50 K lämpötiloissa tulee rajoittavaksi tekijäksi Al/AlOx/Al--tunnelointivailin korkeus, joka on noin 2 eV.

102695 3

Keksinnön tarkoituksena on ratkaista edellämainitut ongelmat.

Keksinnön tunnusmerkilliset piirteet on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

5 Keksinnön mukaisella Coulumbin saartoon perustuvalla lämpömittarilla on seuraavia etuja.

1. Kunkin tunneliliitospiirin toimintalämpötila-alue on noin kaksi kertaluokkaa lämpötilassa ja se voidaan valita 10 tekemällä halutunkokoisia tunneliliitoksia: mitä pienempi iitos, sitä korkeampi lämpötila ja päin vastoin. Käytännössä pienin liitoskoko, johon tällä hetkellä päästään on noin 30 nm x 30 nm, joka vastaa lämpötila-aluetta välillä 1 - 100 K. Suurimmalla liitoskooolla saavutetaan lämpöti 15 la-alue 0,05 - 4,2 K. Täten 2-3 piiriä sisältävän antu rin kokonaislämpötila-alue on 0,05 - 100 K.

2. Voimakaskaan magneettikenttä ei vaikuta mittarin toimintaan ja lukemaan. Tätä on tutkittu aina 8 T kenttään asti.

20 3. Resistanssimittauksessa voidaan käyttää hyväksi anturin sekä primääri- että sekundäärimittarin ominaisuuksia. Tuloksena on nopea ja samalla luotettava laite.

25 4. Anturin valmistus perustuu moderniin nanotekniikkaan ja on siten hyvin toistettavaa ja soveltuu suuriinkiin anturi -määriin.

5 . Anturi on erittäin pieni.

30

Seuraavassa keksintöä kuvataan esimerkin avulla viittaamalla • · : oheisiin kuviin.

Kuva 1 esittää kolme piiriä käsittävän anturin perusraken- 35 netta puolijohde-alustalla liitos-elektrodeineen

Kuva 2 esittää yhden CB-tunnelointipiirin kytkentäkaaviota 102695 4

Kuva 3 esittää samassa mittakaavassa piialustalle muodostet tuja eri lämpötila-alueelle tarkoitettuja tunnelilii toksia

Kuva 4 esittää alimman lämpötila-alueen tunneliliitosketjun 5 rakennetta välijohteisiin muodostettuine elektronien termalisointialueineen

Kuva 5 esittää yksittäisen tunneliliitoksen rakennetta leik kauksena 10 Esimerkkianturiin kuuluu kolme eri lämpötila-alueille sovitettua tunneliliitospiiriä 4, 4' ja 4", jotka on yhdestä päästään kytketty yhteiseen liitoselektrodiin 2 ja kukin toisesta päästään omaan liitoselektrodiinsa 3, 3' ja 3" liitosjohteiden 5 avulla. Anturi koteloidaan edullisesti tavallisten mikropiirien 15 tapaan, esimerkiksi 8-piikkiseksi standardimittaiseksi komponentiksi. Mittauselektroniikan avulla valitaan haluttu piiri mittaukseen.

Kaikki kolme piiriä ovat kuvan 2 mukaisia. Piirien negatiivisen 20 puolen mittausliitäntä on tosin yhdistetty edelläkuvatulla tavalla, mutta positiiviset puolet ovat erillään. Kuvan 2 piiri 4 käsittää 10 rinnakkain kytkettyä identtistä tunneliliitosket jua 4.1 ... 4.10. Kun yhden ketjun resistanssi on 400 kn, koko piirin resistanssi on enää 40 kn, jolloin vältytään edellä-25 mainituilta ongelmilta. Maksimissaan kokonaisresistanssi saa olla korkeintaan 150 kn. Edullisimmin ketjuja on rinnakkain 4 tai 5, jolloin valmistus ei tule kohtuuttoman vaikeaksi, mutta piirin resistanssi putoaa alle 100 kQ:n.

30 Kuvasta 3 nähdään havainnollisesti tunneliliitoksen geometrisen muuntelun tapa. Liitoskapasitanssia voidaan helpoimmin säätää : tunneliliitoksen pinta-alaa muuntelemalla. Eristeenä käytetyn ohuen oksidikerroksen paksuus on vakio koko alustalla. Kuvan 3 ylemmässä osassa on matalan lämpötila-alueen tunneliliitos 10", 35 pinta-alaltaan noin 1,5 μιη2. Se syntyy eristävän kerroksen avulla johteiden 7" ja 8" välille. Kuvan 3 alemmassa osassa on korkean lämpötila-alueen tunneliliitosketjua samassa mittakaa-· vassa. Tässäkin ketjussa on 20 tunneliliitosta peräkkäin ja 5 102695 niitä yhdistää johteet 7 ja 8. Kunkin tunneliliitoksen 10 pinta-ala on alle 0,01 μπι2.

Käytetystä valmistustekniikasta johtuu, että tunneliliitosket jun 5 molemmin puolin syntyy myös ketjut johdepätkistä. Niillä ei ole kuitenkaan mitään osuutta anturin toimintaan.

Anturin tunneliliitokset valmistetaan edullisimmin elektroni-suihkulitografiällä, jolla päästään huomattavasta! tarkempaan 10 erottelukykyyn kuin valolitografiällä.

Matalissa, alle 1 K lämpötiloissa mittausvirta alkaa häiritä mittausta edellä kerrotun mukaisesti. Tämä ongelma ratkaistaan kuvan 4 mukaisella ratkaisulla, jossa tunneliliitoksien 10 15 välijohteet 7 ja 8 levitetään suuriksi jäähdytysalueiksi 13 sivuille. Näissä alueissa, jotka ovat siis alumiinia (tai vastaavaa) elektronit pääsevät termalisoitumaan. Suurinopeuk-siset elektronit purkautuvat koko johteen tilavuuteen ja hidas tuvat vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Kapasitanssin lisäys 20 ei ole haitallista. Alusta ei johtavaa tällä lämpötila-alueella, jolloin jäähdytysalueen kapasitanssi ei muodostu suureksi.

Mittaustekniikan ja valmistustekniikan kompromissina 4-5 jääh-dytysalueilla varustettua rinnakkaista ketjua on sopiva määrä. 25

Tunneliliitos 10 ja sen tarvitsemat johteet 7 ja 8 muodostetaan puhtaalle piialustalle 1, kuva 5. Perusmateriaalin 1' pinnalle muodostetaan käytännön syistä oksidikerros 1", jotta anturia voidaan testata huonelämpötilassa. Elektronisuihkulitografiän 30 avulla muodostetaan vaiheittain johdekerros 8, eristekerros 9 ja toinen johdekerros 7. Tunneliliitos 10 muodostuu johteiden 7 ja : 8 yhtymäkohtaan, jossa niiden välissä on noin 1 nm paksuinen eristekerros. Kuvassa eristekerroksen 9 paksuutta on liioiteltu. Johteiden 7 ja 8 paksuus on nimittäin noin 100 nm.

Tunneliliitosketjun dynaamista käyttäytymistä on kuvattu edellä mainituissa julkaisuissa. Niistä voidaan johtaa seuraavat kaavat mittauksen suorittamista varten. Dimensioton koduktanssi G/GT

35 102695 6 tällaisessa ketjussa, jossa on N kappaletta kapasitanssin C oraaavia tunneliliitoksia, voidaan antaa likimäärin kaavalla G/GT = l--^-g(eV/NkBT) , jossa ΚβΤ

c N 2C

Primäärisesti lämpötila T määritetään CB-tunnelointiin perus-5 tuvassa lämpömittarissa ketjun jännite-virta-riippuvuuden kuvaajan G/GT perusteella yhtälöstä VH = 5,439 N kBT/e, jossa VH on mitatun koduktanssikuopan jännite-ero kuopan puolessa syvyydessä, N tunneliliitoksien lukumäärä ketjussa, kB Boltzmanin vakio ja e alkeisvaraus. Lämpötilan mittaus palautuu siten 10 jännitteen mittaamiseksi. Konduktanssikuopan syvyyden puoliarvon määritys ei vaadi parametrien absoluuttista tarkkuutta, koska se määräytyy kuvaajan suhteellisten tietojen perusteella. Syvyyden puoliarvon määrityksen jälkeen haetaan jännitearvot tässä kohtaa kuopan molemmin puolin, joiden erotus on kysytty 15

Sekundäärisesti lämpötila saadaan seuraavasta yhtälöstä:

Ag/Gt = J°ssa AG/GT on dimensioton koduktanssikuopan syvyys.

Alumiinin haittojen eliminoimiseksi se voidaan korvata toisella 20 metallilla, kuten esimerkiksi kromi Cr, kupari Cu, Nikkeli Ni tai niobium Nb.

» .

Claims (7)

1. 7 102695 • 1. CB-tunnelointiin perustuva lämpömittari, joka käsittää anturiosan ja välineet sen jännite-virta-riippuvuuden mittaami-5 seksi, ja jossa anturiin kuuluu usean, vähintään kymmenen nanorakenteisen tunneliliitoksen (10, 10") muodostama ketju puolijohdealustalla (1) ja liitoselektrodit (2,3,3',3") mittausvälineiden liittämiseksi ketjun päihin, ja jossa kunkin tunneliliitoksen (10, 10") resistanssi on vähintään 10 kQ, ja jossa 10 lämpötila määritetään sinänsä tunnetulla tavalla jännite-virta-riippuvuuden G/GT kuvaajan karakterististen suureiden perusteella, tunnettu siitä, että anturin mittauspiiriin (4, 4', 4") kuuluu useita rinnakkain kytkettyjä tunneliliitosketjuja (4.1...4.10) piirin kokonaisresistanssin pienentämiseksi alueel-15 le 40 - 150 kQ.
2. 2. CB-temperaturmatare enligt patentkrav 1, kannetecknad av att det i samma sensor har formats dtminstone tvd kretsar (4, 4', 4") av tunnelkopplingskedjor, anpassade till olika temperaturre- 20 gioner, av vilka alia ar kopplade dtminstone frdn ena andan till samma kopplingselektrod (2) och frdn andra andan till olika elektroder (3, 3', 3"), och spanning-ström-mätinstrumenten innefattar ytterligare anordningar för valet av den önskade kretsen. 25

   2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen CB-lämpömittari, tunnettu siitä, että samaan anturiin on muodostettu ainakin kaksi eri lämpötila-alueelle sovitettua tunneliliitosketjuista muodostet-20 tua piiriä (4, 4', 4"), jotka kukin on kytketty ainakin yhdestä päästä samaan liitoselektrodiin (2) ja vastakkaiset päät eri elektrodeihin (3, 3', 3") ja jännite-virta-mittausvälineet käsittävät lisäksi välineet halutun piirin valitsemiseksi.
3. 3. CB-temperaturmatare enligt patentkrav 2, vars mdtningsregion sträcker sig till under 1 K:s temperaturregion, kannetecknad av att ledningarna (7", 8") mellan tunnelkopplingarna (10") av dtminstone den ldgsta temperaturregionens tunnelkopplingskedja 30 (4") innefattar en utvidgningsdel (13) som förstorar deras ytareal, sd att mätningsströmmens elektroner kan termaliseras, varvid de inte hettar tunnelkopplingarna (10").

   3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen CB-lämpömittari, jonka mit tausalue ulottuu alle 1 K:n lämpötila-alueelle, tunnettu siitä, että ainakin alhaisimman lämpötila-alueen tunneliliitosketjun (4") tunneliliitoksien (10") väliset johteet (7",8") käsittävät niiden pinta-alaa suurentavat laajennusosan (13), jotta mittaus-30 virran elektronit pääsevät termalisoitumaan, jolloin ne eivät kuumenna tunneliliitoksia (10").
4. 4. CB-temperaturmatare enligt ndgot av patentkraven 1 - 3, 35 kannetecknad av att tunnelkopplingskedjorna (4.1...4.10) har formats med en elektronstrdllitograf pd ett oxidbelagt Si- halvledarunderlag.

   4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen CB-lämpömittari, tunnettu siitä, että tunneliliitosket jut (4.1...4.10) on valmis- 35 tettu elektronisuihkulitografiällä oksidipäällysteiselle Si-puolijohdealustalle.
5. 5. CB-temperaturmätare enligt ndgot av patentkraven 1 - 4, 40 kännetecknad av att tunnelkopplingaskedjan (4.1...4.10) innefat- 10 '102695 tar Al-metalliska ledningar (7, 8) och ett isoleringsskikt (9) av aluminiumoxid i varje tunnelkoppling (10, 10', 10").

   5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen CB-lämpömittari, tunnettu siitä, että tunneliliitosketju (4.1...4.10) käsittää 8 102695 Al-metalliset johteet (7, 8 ) ja alumiinioksidia olevat eris-tekerroksen (9) kussakin tunneliliitoksessa (10, 10', 10").
6. 6. CB-temperaturmätare enligt patentkrav 5, vars mätningsregion 5 sträcker sig till under 1 K:s temperaturregion, kännetecknad av att sensora innefattar instrumenten, till exerapel ett organ som ästadkommer ett starkt magnetiskt fält för att säkra aluminium-ledningarnas normala ledningsförmäga.

   6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen CB-lämpömittari, jonka mit-5 tausalue ulottuu alle 1 K:n lämpötila-alueelle, tunnettu siitä, että anturi sisältää välineet, esimerkiksi voimakkaan magneettikentän aikaansaavan elimen alumiinijohteiden pitämiseksi normaalij ohtavuudessa.

   7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen CB-lämpömittari, tunnettu siitä, että tunneliliitoksen johdemateriaali kuuluu ryhmään kromi Cr, kupari Cu, Nikkeli Ni ja niobium Nb. 9 102695 ‘ 1. Temperaturmätare baserad pd CB-tunneling, vilken innefattar en sensordel och anordningar för mätning av dess spanning-Ström 5 beroende, och i vilken sensorn innefattar en kedja bestdende av flera, minst tio nano-strukturerade tunnelkopplingar (10, 10") pd halvledarunderlag (1) och kopplingselektroder (2, 3, 3', 3") för anslutningen av matanordningama till kadjans andar, och i vilken varje tunnelkopplings (10, 10") resistans ar dtminstone 10 10 kQ, och i vilken temperaturen bestäms i och för sig pd ett kännt sätt pd basen av de karakteristiska storheterna av spanning-Ström beroendets G/GT kurva, kannetecknad av att sen-sorns mdtkrets (4, 4', 4") innefattar flera parallellt kopplade tunnelkopplingskedjor (4.1...4,10) för minskandet av kretsens 15 totala resistans till regionen 40 - 150 kQ.
7. 7. CB-temperaturmätare enligt nägot av patentkraven 1 - 6, kännetecknad av att tunnelkopplingens ledningsmaterial hör tili gruppen krom Cr, koppar Cu, nickel Ni och niobium Nb. •.