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研究生:張佑誠
研究生(外文):Yu-Cheng Chang
論文名稱:矽基量子點元件之高頻微波量測
論文名稱(外文):Microwave measurement for silicon-based quantum-dot devices
指導教授:吳憲昌
指導教授(外文):Cen-Shawn Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:光電科技研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:53
中文關鍵詞:量子點
外文關鍵詞:quantum-dot
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使用先進的電子束曝光技術搭配半導體製程技術,在絕緣層上的矽晶片上製
作矽奈米結構,再利用乾式熱氧化進一步將結構線寬縮小,並形成量子點元件。
將結合射頻微波技術與矽基量子點元件,在低溫的環境下研究射頻微波訊號對矽
基量子點元件的響應。為了進行微波量測,我們設計了一支連接室溫與低溫環境
的低溫探棒,此探棒除了可以進行直流訊號的量測,上面也裝載了可傳輸高頻訊
號的波導,高頻訊號可經由波導到達樣品座上的天線,然後照射於量子點元件上。
於研究中,觀察到射頻訊號可貢獻在源極或汲極電極上,如同改變偏壓的古典高
頻響應,也看到射頻訊號協助電子穿隧於原本無法傳輸的庫倫阻斷,有如光子幫
浦般的光子輔助穿隧(Photon-Assist tunneling),同時也觀測到電子傳輸隨著頻率
改變之現象,目前尚無理論能夠解釋,值得我們更進一步的研究。
同時我們也進行將矽基量子點元件操作成射頻單電子電晶體(RF-SET)之研究。
單電子電晶體是目前最靈敏的電荷偵測器,然而偵測器的速度會被元件的阻抗決
定。可能的解決方案是應用到射頻電子量測的觀念和技巧,也就是所謂的射頻單
電子電晶體(RF-SET)。其原理是設計一個包含矽基量子點元件的射頻共振電路,
當矽基量子點元件的阻抗變化時,同時也會改變射頻共振電路的振幅與相位。在
本研究中,我們量測反射訊號的振幅與相位並經由理論分析得到其元件之電荷靈
敏度。從實驗結果觀察得知在載波頻率接近共振頻率時,得到較好的電荷靈敏度,
同時也發現當元件操作於零偏壓的條件下,可得到較好的電荷靈敏度。由於矽基
量子點元件具備有較高的電荷能,於此架構下的射頻單電子電晶體能在較高的溫
度下進行操作,因此能應用於更多領域。
We have fabricated the coupled quantum-dots and the quantum-dot single electron
transistors (SET) on SOI wafer by using Electron beam lithography and
pattern-dependent oxidation technique. In the first part, the dc transport properties of
coupled quantum dots have been studied at 2K under microwave irradiation. We have
embedded an antenna into the sample holder to irradiate microwave on the coupled
quantum-dots. The coulomb oscillations for different microwave power were similar to
those for different bias voltages without microwave. These experimental observations
can explain by the classical response of the coupled quantum-dots under the microwave
irradiation. The further experiments were then carried out in the presence of radiation
where pumping currents associated with photon assisted tunneling were observed. In
addition, we observed the conductance–gate voltage curves showed the regular shifts as
the microwave frequency was increased.
In the second part, we operated a single quantum-dot SET as radio-frequency SET
and investigated how sensitive it is. Presently, SET is the most sensitive electrometer;
however the operating speed was limit by the impedance of SET. It is overcome by
using the idea and concept of radio-frequency measurement system. The principle is
combined a silicon-based quantum-dot SET with a known inductor, and then it becomes
a tank-circuit. If the impedance of SET changed, the reflection amplitude and phase
signals also immediate were changed. In this part, we measured the amplitude and phase
of the reflection signals to analyze the sensitivity of the RF-SET. Charge sensitivity
measurements have been reported, demonstrating sensitivities of approximately
300μeV/√Hz at 2K. This opens up the possibility of fast, sensitive charge detection
without the onerous requirement of mK temperature, with the additional benefit of a
CMOS compatible structure.
第一章 簡介 ................................................................................ 1
1-1 研究動機 .............................................................................................................. 1
1-2 電荷效應(Charging effect) ................................................................................... 4
1-3 單電子電晶體 ...................................................................................................... 5
1-4 量子點 .................................................................................................................. 9
1-5 射頻單電子電晶體 ............................................................................................ 10
第二章 元件製程 ...................................................................... 14
2-1 光微影術 ............................................................................................................ 14
2-2 電子束微影術 .................................................................................................... 15
2-3 感應耦合電漿蝕刻機(Inductively Coupled Plasma Etcher; ICP, Deep RIE) ... 17
2-4 熱蒸鍍機 ............................................................................................................ 18
2-5 SOI 晶圓 ............................................................................................................. 19
2-6 電路設計 ............................................................................................................ 20
2-7 元件製作流程 .................................................................................................... 20
第三章 量測系統 ...................................................................... 23
3-1 Physical Properties Measurement System .......................................................... 23
3-2 自製放大器 ....................................................................................................... 25
3-3 高頻量測系統簡介 ........................................................................................... 26
3-4 自製低溫棒 ....................................................................................................... 28
3-5 自製樣品座 ....................................................................................................... 29
3-6 本實驗之量測系統 ........................................................................................... 32
第四章 結果與討論 ................................................................... 35
4-1 雙耦合量子點 .................................................................................................... 35
4-2 射頻矽基單電子電晶體 .................................................................................... 42
第五章 結論 .............................................................................. 52
參考資料 .................................................................................... 53

圖目錄
圖1-1 單電子操作的示意圖:中央島內進入一個電子(a)之前(b)之後。 .................. 4
圖1-2 單電子電晶體概要圖。 ...................................................................................... 5
圖1-3 兩個穿隧接面和量子點在能量上形成一個量子井;調整閘極電壓,可以升
降「井壁」高度,達到控制單電子流向的目的。 .......................................... 7
圖1-4 庫倫阻斷之I-V 特性曲線。 ............................................................................. 8
圖1-5 量子點內能態密度的Multi-Gaussian 函數,當E0 =1.0,M=0,1,2,Δ=1.0。 9
圖1-6 利用Labview 模擬的電壓反射係數與頻率作圖,在Rd 分別為38.2kΩ、100kΩ、
1MΩ 的情況下。 ................................................................................................ 11
圖1-7 高頻單電子電晶體(A)系統電路 (B)單電子電晶體元件的掃描式電子顯微鏡
影像。 ................................................................................................................ 12
圖1-8 直流訊號量測的庫倫振盪與高頻訊號量測的庫倫振盪。 ............................. 13
圖2-1 Karl Suss 廠牌的曝光對準機,型號MJB3。 .................................................. 14
圖2-2 掃描式電子顯微鏡之內部結構。 ..................................................................... 15
圖2-3 本校吳仲卿實驗室所有的掃瞄式電子顯微鏡(scanning electron microscope,
SEM,Hitachi S-3000H)配上Nano-pattern generating system 17 (NPGS)的
e-beam writer 系統。 ........................................................................................ 16
圖2-4 本實驗室之蒸鍍系統。 ..................................................................................... 19
圖2-5 SOI 晶圓之概要圖。 ......................................................................................... 19
圖2-6 (a)本實驗室之標準電極的電路設計,並以製作於7mm×7mm的SOI 晶片上。
(b)電子束微影術之操作區的光學顯微鏡影像。 ........................................... 20
圖2-7 室溫光學顯微鏡下的影像。 ............................................................................ 22
圖2-8 電子顯微鏡下的影像及外接電源。 ................................................................ 22
圖3-1 PPMS 量測系統。 .............................................................................................. 24
圖3-2 自製放大器之電路概要圖。 ............................................................................ 25
圖3-3 自製放大器。 ..................................................................................................... 26
圖3-4 Vector Network Analyzer(VNA),向量網路分析儀。 ..................................... 27
圖3-5 微波類比信號產生器。 .................................................................................... 27
圖3-6 自製低溫棒。 .................................................................................................... 28
圖3-7 Pogopin 功能示意圖。 ...................................................................................... 30
圖3-8 標準電極晶片圖案。 ......................................................................................... 30
圖3-9 自製微波照射樣品座。 .................................................................................... 31
圖3-10 自製射頻樣品座。 .......................................................................................... 32
圖3-11 為本實驗室之PPMS(Physical Properties Measurement System)與高頻量測系
統系統之整合系統。 ........................................................................................ 32
圖3-12 微波照射量子點特性實驗之實驗裝置概要圖。 ........................................... 33
圖3-13 射頻矽基單電子電晶體電路圖。 ................................................................... 34
圖3-14 射頻矽基單電子電晶體的實驗架設圖。 ....................................................... 34
圖4-1 量子點量測的電路概要圖 ................................................................................. 35
圖4-2 樣品1 的Coulomb Diamond。其量測條件為為固定Vg1=Vg15=0V 下,改變
Vb=VDS 與Vg16。 .............................................................................................. 36
圖4-3 電導對Vb 與Vg16 作圖其量測條件為為固定Vg1=Vg15=0V 下,改變Vb=VDS
與Vg16。 ............................................................................................................ 37
圖4-4 Classical Response 的庫倫震盪。量測條件為固定Vb=50uV,Vg15=1V,
Vg16=-8V,微波照射頻率f=6.36GHz,改變不同照射強度,從6dBm到12dBm。
............................................................................................................................ 38
圖4-5 未照微波的庫倫震盪。量測條件為固定Vb=50uV,Vg15=1V,Vg16=-8V。
............................................................................................................................ 38
圖4-6 在不同微波頻率照射下的庫倫震盪(a)f=6.36GHz (b)f=17.56GHz。量測條件為
固定Vb=50uV,Vg15=1V,Vg16=-8V,微波照射頻率f=6.36GHz,改變不同
照射強度,從0dBm 到12dBm,與未加微波。 ............................................ 39
圖4-7 在不同微波頻率照射下的庫倫震盪(a)f=6.36GHz,隨不同照射強度,對電流
平移200pA (b)f=13GHz,隨不同照射強度,對電流平移90pA。量測條件為
固定Vb=50uV,Vg15=1V,Vg16=-8V,微波照射頻率f=6.36GHz,改變不同
照射強度,從6dBm 到12dBmm,與未加微波。 ........................................ 40
圖4-8 電流對Vg15 與Vg1 作圖,(a)未加高頻訊號(b)f=7GHz,強度P=10dBm。量
測條件固定Vb=4mV,Vg16=9V。 .................................................................. 41
圖4-9 電流對Vg15 與頻率作圖,P=10dBm。量測條件固定Vb=4mV,Vg16=9V,
Vg1=6V。 .......................................................................................................... 41
圖4-10 射頻矽基單電子電晶體量測系統(a)整體量測系統電路概要(b)元件的電路連
接概要。 ............................................................................................................ 43
圖4-11 在不同閘極電壓範圍下的庫倫方塊(a)Vg=18V~20V(b) Vg=-1V~1V。 .. 44
圖4-12 矽基單電子電晶體的電導對Vb 及Vg 作圖。 ............................................... 44
圖4-13 矽基單電子電晶體的庫倫震盪。 ................................................................... 45
圖4-14 LC 共振電路,未裝元件時的共振頻譜。共振頻率resonator 約為569MHz,
訊號強度P 約為-90dBm,RBW=1kHz。 ....................................................... 46
圖4-15 射頻矽基單電子電晶體的共振頻譜。共振頻率resonator 約為460MHz,訊
號強度P 約為-90dBm,RBW=1kHz。 ........................................................... 46
圖4-16 高頻量測的庫倫震盪,利用(a)振幅訊號(b)相位訊號。量測頻率f0=460MHz,
強度P=-90dBm,Vb=0V。 .............................................................................. 47
圖4-17 振幅、相位、電流庫倫震盪之比較 ............................................................... 47
圖4-18 電荷靈敏度對頻率作圖 ................................................................................... 49
圖4-19 電荷靈敏度對訊號強度作圖 ........................................................................... 49
圖4-20 振幅庫倫震盪對樣品溫度作圖。溫度變化從2K 到8K,f0=460MHz,
P=-68dBm,Vb=0V。....................................................................................... 50
圖4-21 樣品溫度為14K 下的振幅庫倫震盪。f0=460MHz,P=-68dBm,Vb=0V。
............................................................................................................................ 51
圖4-22 靈敏度對溫度作圖。f0=460MHz,P=-68dBm,Vb=0V。 ......................... 51

表目錄
表4-1 射頻矽基單電子電晶體的電路參數。 ............................................................. 46
[1] 胡淑芬 向奈米製作技術挑戰-單電子元件 奈米通訊(第六卷第一期)
[2] 郭華丞 單電子電晶體與微波技術物理雙月刊(28卷5期)2006年10月
[3] 陳啟東, 單電子電晶體簡介 物理雙月刊 (26卷3期) 2004年6月
[4] R. J. Schoelkopf, P. Wahlgren, A. A. Kozhevnikov, P. Delsing, D. E. Prober,
Science 280, 1238 (1998)
[5] K. Ishibashi, M. Suzuki, T. Ida, Y. Aoyagi, Appl. Phys. Lett., 80, 4238 (2002)
[6] Dimitris Dovinos, David Williams, Phys. Rev. B 72, 085313 (2005)
[7] L. P. Kouwenhoven, S. Jauhar, J. Orenstein, P. L. McEuen, Y. Nagamune, J.
Motohisa, and H. Sakaki, Phys. Rev. Lett. 73,3443 (1994)
[8] T. H. Oosterkamp, T. Fujisawa, W. G. van der Wiel, K. Ishibashi, R. V. Hijman, S.
Tarucha & L. P. Kouwenhoven, Nature, 395, 873 (1998)
[9] S. J. Angus, A. J. Ferguson, A. S. Dzurak, and R. G. Clark, Appl. Phys. Lett. 92,
112103 (2008)
[10] M. Manoharan, Yoshishige Tsuchiya, Shunri Oda, and Hiroshi Mizuta, Nano Lett.
8, 4648( 2008)
[11] 陳啟東, 淺談微影蝕刻技術 物理雙月刊 (21卷4期) 1999年8月
[12] 陳啟東, 一維與二維約瑟芬結陣列中的量子相變 物理雙月刊 (24卷5期) 2002年10

[13] 劉少勳, 國立中興大學碩士論文“超導微小接合的高頻響應研究"(2006)
[14] 胡淑芬, 奈米級金粒子型單電子電晶體介紹及計畫執行現況 奈米通訊(第六
卷第四期)
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