硅基3D纳米约束型器件的制造方法研究

硅是储存约束自旋态原子的一种非常稳定的材料，这种材料为利用电子和原子核中的自旋效应进行信息处理提供了一条非常有效的途径。为了实现硅中单电子自旋的操纵与探测，项目提出开展"硅基3D纳米约束型器件的制造方法研究"，通过研究硅纳米线的混合加工方法、平面约束型纳米器件的制造方法、纳隙电极的制造方法和跨微纳尺度的集成加工等方法，解决当器件尺寸减小到纳米量级时，诱导效应和尺寸效应对器件性能的影响、结构纳米级线宽的精确控制、跨尺度加工的工艺兼容性等基础物理学和关键工艺问题，制备一系列3D约束型纳米器件。最后通过电子检测磁共振技术研究硅中电子的自旋效应，验证器件的设计结构和制造方法的可行性。该研究一方面为硅基纳米电子学研究提供了坚实的技术基础，更重要的是为纳米制造技术开发了多种适用性广、成本低、简单的3D纳米结构制造新方法，该研究融合了纳米制造和纳米电子学技术，将为这两项技术的发展起到重要推动作用。

本项目以低成本、规模制造硅基纳米结构和跨尺度器件为研究目标，研究了硅基3D纳米约束型器件的设计理论、制备方法及加工工艺。研究解决了硅基纳米结构和跨微纳尺度器件制造中面临的基本物理学和关键工艺问题，开发出2种纳米间隙电极的约束制造方法，制备出间隙为100nm的金属电极。提出了3种硅纳米结构的制造方法，制备出线宽达到30nm的硅纳米线及深宽比接近20、侧壁垂直光滑的二维硅基纳米阵列结构，并以此为模具，复制出线宽接近250nm的二维PDMS阵列结构。在上述工作的基础上开发出1套跨尺度器件制造工艺，微机械加工工艺与电子束光刻技术相结合，制备出特征尺寸接近20nm的纳米MOSFET器件，测试得到的器件I-V特性和转移特性结果与设计基本一致。最后项目组与伦敦纳米中心合作开展了硅基量子器件的设计与制备技术研究，研究了高阻SOI基片及其MOSFET器件的制备方法，在制备的器件上，利用THz和背栅技术成功实现磷原子里德伯能级的调控。项目的研究成果为纳米制造技术提供了多种适用性广、成本低、简单的硅基3D纳米结构的制造新方法。