Single Electron Transistors in CMOS Compatible Silicon MOSFETs

Abstract

In this thesis conductance measurements are presented on electron transport through quantum dots. The devices are fabricated on a large scale with standard CMOS technology processes. Conductance measurements are performed initially at room temperature. Then the device is cooled down to 4:2K in a helium dewar and if necessary cooled down in a dilution refrigerator to the sub-100mK temperature range. Conductance measurements on a device with a single island showed clear Coulomb oscillations in the linear regime and Coulomb diamonds in the non-linear regime at 4:2K. Conductance measurements in the linear regime on a device with relatively large dimensions showed metallic properties with equally spaced Coulomb oscillations, whereas conductance measurements in the linear regime on a device with small dimensions showed aperiodic Coulomb oscillations, which are essentially a feature of a quantum dot. In the non-linear regime, devices with small dimensions showed clear excited states. Charging energy as high as 40meV was observed. Electron transport through a double dot in series is studied at 4:2K. By tuning the gate voltage, the strength of coupling between the two dots can be tuned. Conductance measurements in the linear regime on such a device clearly showed a transition from weakly tunnel coupled dots to a strongly tunnel coupled dot. From the conductance measurement it was possible to extract capacitive parameters, which are used in a simulation which agrees with the measurements. Taking advantage of advanced fabrication technology, devices with triple quantum dots in series were fabricated in the framework of a EU project. These devices are compact such that three quantum dots are tuned using just two gates. Simulations are performed based on an electrostatic model which agrees very well with the measured data. Conductance measurements on more complex designs with a single top gate and two side gates gave an additional degree of freedom. Upon cooling down the devices below a certain temperature, charging effects in the gate are seen. These charging effects are due to individual grains in the polysilicongate acting as a quantum dot and the grain boundaries as tunnel barriers. If the temperature of the system is sufficiently low so that the charging energy of the grain in the polysilicon gate is larger than the thermal energy, then the transport of electrons in the polysilicon grain is dominated by Coulomb charging. These charging events in the polysilicon gate gave rise to novel features in the conductance measurements. An electrostatic model is presented which explains the origin of these novel features very well.

In dieser Arbeit werden Leitwertsmessungen zum Elektronentransport durch Quantenpunkte vorgestellt. Die Bauelemente werden großflächig mit Standard-CMOSTechnologie hergestellt. Leitwertsmessungen werden zunächst bei Raumtemperatur durchgeführt. Dann wird das Element in einem Helium-Dewarbehälter auf 4;2K abgekühlt oder wenn nötig in einem Entmischungskryostat auf Temperaturen unter 100mK gekühlt. Leitwertsmessungen bei 4;2K an einem Element mit einer einzelnen Insel zeigen klare Coulomb-Oszillationen im linearen Transportregime und Coulomb-Diamanten im nichtlinearen Transportregime. Leitwertsmessungen im linearen Transportregime an einem Element mit relativ großen Abmessungen weisen eine metallische Charakteristik mit Coulomb-Oszillationen in regelmäßigen Abständen auf, wohingegen lineare Transportmessungen an einem Element mit kleinen Abmessungen aperiodische Coulomb-Oszillationen zeigen, die ein charakteristisches Kennzeichen eines Quantenpunkts sind. Im nichtlinearen Transportregime wiesen Elemente mit kleinen Dimensionen klare Anregungszustände auf. Es wurden Ladeenergien bis zu 40meV beobachtet. Elektronentransport durch einen seriellen Doppel-Quantenpunkt wurde ebenfalls bei 4;2K untersucht. Indem die Gatespannung variiert wird, kann die Kopplungsstärke zwischen den beiden Quantenpunkten eingestellt werden. Lineare Leitwertsmessungen an einer solchen Probe zeigen deutlich einen Übergang von schwach tunnelgekoppelten Quantenpunkten zu einem stark tunnelgekoppelten Quantenpunkt. Aus den Leitwertsmessungen konnten die Kopplungskapazitäten extrahiert werden, die als Parameter in eine Simulation eingesetzt wurden, die gute Übereinstimmung mit den Messungen zeigt. Mit Hilfe von hochentwickelter Herstellungstechnologie wurden im Rahmen eines EU-Projekts Elemente mit seriellen Dreifach-Quantenpunkten hergestellt. Diese Elemente sind sehr kompakt, so dass die drei Quantenpunkte mit nur zwei Gate-Elektroden gesteuert werden können. Mit einem elektrostatischen Modell wurden Simulationen durchgeführt, die sehr gut mit den gemessenen Daten übereinstimmen. Leitwertsmessungen an komplexeren Designs mit einer einzelnen Top-Elektrode und zwei seitlichen Elektroden boten einen weiteren Freiheitsgrad. Sobald die Elemente unter eine bestimmte Temperatur abgekühlt werden, werden Ladeeffekte in der Gate-Elektrode sichtbar. Die Ursache dieser Ladeeffekte ist, dass einzelne Körner der Polysilizium-Elektrode sich wie ein Quantenpunkt verhalten, wobei die Korngrenzen Tunnelbarrieren bilden. Wenn die Temperatur des Systems ausreichend niedrig ist, damit die Ladeenergie des Korns in der Polysilizium-Elektrode gegenüber der thermischen Energie überwiegt, wird der Elektronentransport durch das Polysilizium-Korn durch Coulomb-Ladeeffekte dominiert. Diese Ladeeffekte in der Polysilizium-Elektrode führten zur Beobachtung neuer Effekte in den Leitwertsmessungen. Das hier präsentierte elektrostatische Modell kann den Ursprung dieser neuartigen Effekte sehr gut erklären.